正交頻分復(fù)用（OFDM，Orthogonal Frequency Division Multiplexing）是一種特殊的多載波傳送方案，單個(gè)用戶的信息流被串/并變換為多個(gè)低速率碼流（100 Hz~50 kHz），每個(gè)碼流都用一條載波發(fā)送。OFDM棄用傳統(tǒng)的用帶通濾波器來(lái)分隔子載波頻譜的方式，改用跳頻方式選用那些即便頻譜混疊也能夠保持正交的波形，因此我們說(shuō)，OFDM既可以當(dāng)作調(diào)制技術(shù)，也可以當(dāng)作復(fù)用技術(shù)。OFDM增強(qiáng)了抗頻率選擇性衰落和抗窄帶干擾的能力。在單載波系統(tǒng)中，單個(gè)衰落或者干擾可能導(dǎo)致整條鏈路不可用，但在多載波系統(tǒng)中，只會(huì)有一小部分載波受影響。糾錯(cuò)碼的應(yīng)用可以幫助其恢復(fù)一些易錯(cuò)載波上的信息。像這樣用并行數(shù)據(jù)傳送和頻分復(fù)用的思路早在20世紀(jì)60年代的中期就被提出來(lái)了。圖1所示為頻分復(fù)用（FDM）信號(hào)頻譜與OFDM信號(hào)頻譜的比較。

圖1：頻分復(fù)用（FDM）信號(hào)頻譜與OFDM信號(hào)頻譜的比較

在傳統(tǒng)的并行通信系統(tǒng)中，整個(gè)系統(tǒng)頻帶被劃分為N個(gè)互不混疊的子信道，每個(gè)子信道被一個(gè)獨(dú)立的信源符號(hào)調(diào)制，即N個(gè)子信道被頻分復(fù)用。這種做法，雖然可以避免不同信道互相干擾但卻以犧牲頻帶利用率為代價(jià)，這在頻帶資源如此緊張的今天尤其不能忍受。上個(gè)世紀(jì)中期，人們又提出了頻帶混疊的子信道方案，信息速率為a，并且每個(gè)信道之間距離也為a Hz，這樣可以避免使用高速均衡和抗突發(fā)噪聲差錯(cuò)，同時(shí)可以充分利用信道帶寬，節(jié)省了50%。為了減少各個(gè)子信道間的干擾，我們希望各個(gè)載波間正交。這種“正交”表示的是載波的頻率間精確的數(shù)學(xué)關(guān)系。

各個(gè)子信道中的正交調(diào)制和解調(diào)可以采用逆快速傅立葉變換（IFFT）和快速傅立葉變換（FFT）方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)與數(shù)字信號(hào)處理（DSP）技術(shù)的發(fā)展，IFFT和FFT都非常容易實(shí)現(xiàn)。FFT的引入，大大降低了OFDM實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜性，提升了系統(tǒng)的性能。圖2所示為OFDM發(fā)送接收機(jī)結(jié)構(gòu)。

圖2：OFDM發(fā)送接收機(jī)結(jié)構(gòu)框圖

傳統(tǒng)的頻分復(fù)用的載波頻率之間有一定的保護(hù)間隔，通過(guò)濾波器接收所需信息。在這樣的接收機(jī)下，保護(hù)頻帶分隔不同載波頻率，這樣就使頻譜的利用率低。OFDM不存在這個(gè)缺點(diǎn)，它允許各載波間頻率互相混疊，采用了基于載波頻率正交的FFT（快速傅里耶變換）調(diào)制，由于各個(gè)載波的中心頻點(diǎn)處沒(méi)有其他載波的頻譜分量，所以能夠?qū)崿F(xiàn)各個(gè)載波的正交。盡管還是頻分復(fù)用，但已與過(guò)去的FDMA有了很大的不同：不再是通過(guò)很多帶通濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)，而是直接在基帶處理，這也是OFDM有別于其他系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)之一。OFDM 接收機(jī)實(shí)際上是一組解調(diào)器，它將不同載波搬移至零頻，然后在一個(gè)碼元周期內(nèi)積分，其載波由于與所積分的信號(hào)正交，因此不會(huì)對(duì)這個(gè)積分結(jié)果產(chǎn)生影響。OFDM的高數(shù)據(jù)速率與子載波的數(shù)量有關(guān)，增加子載波數(shù)目就能提高數(shù)據(jù)的傳送速率。OFDM每個(gè)頻帶的調(diào)制可以不同，這增加了系統(tǒng)的靈活性，大多數(shù)通信系統(tǒng)都能提供兩種以上的業(yè)務(wù)來(lái)支持多個(gè)用戶，OFDM適用于多用戶的高靈活度、高利用率的通信系統(tǒng)。但OFDM存在下面一些缺點(diǎn)，如下表1所示。

表1：OFDM的不足

OFDM研究的熱點(diǎn)，主要集中在信道分配技術(shù)和多天線技術(shù)。信道分配是指為用戶分配信道，它有多種方式，最主要的兩種是分組信道分配、自適應(yīng)信道分配。

1）分組信道：最簡(jiǎn)單的方法是將信道分組分配給每個(gè)用戶，這樣可以使由于失真、各信道能量的不均衡和頻偏所造成的用戶間的干擾最小。但載波分組會(huì)使信號(hào)容易衰落。載波跳頻可以解決這個(gè)問(wèn)題。分組隨機(jī)跳頻空閑時(shí)間較短，約11個(gè)字符時(shí)間。利用時(shí)間交織和前向糾錯(cuò)可以恢復(fù)丟失的數(shù)據(jù)，但是會(huì)降低系統(tǒng)容量增加信號(hào)時(shí)延。

2）自適應(yīng)跳頻：這是一種新的基于信道性能的跳頻技術(shù)。信道用來(lái)傳遞對(duì)它來(lái)說(shuō)具有最佳信噪比的信號(hào)。因?yàn)槊總€(gè)用戶的位置不同，所以信號(hào)的衰落模式也不相同，因此每個(gè)用戶收到的最強(qiáng)信號(hào)都不同于其他用戶，從而相互之間不會(huì)發(fā)生沖突。初步研究表明，在頻率選擇性信道采用自適應(yīng)跳頻可以大幅提高信號(hào)接收功率，能夠達(dá)到5~20dB，令人驚異。事實(shí)上，自適應(yīng)跳頻消除了頻率選擇性衰落。

多徑信道中，速率為1 Gbit/s的信號(hào)的頻響特性每15cm就會(huì)發(fā)生很大的變化，因此信號(hào)的頻率刷新速率要比15cm的移動(dòng)速率快很多，一般情況下終端每移動(dòng)5cm刷新一次就足夠了。比如終端以每小時(shí)60km的速度移動(dòng)，刷新速率就是大約330次/秒。跳頻的開(kāi)銷(xiāo)比特?cái)?shù)量與用戶速率、用戶數(shù)量以及系統(tǒng)是全雙工還是半雙工有關(guān)。全雙工系統(tǒng)的接收機(jī)和發(fā)射機(jī)的工作頻率的間隔至少應(yīng)大于40MHz，信道數(shù)量是用戶數(shù)的兩倍，發(fā)射的參考碼字的數(shù)量比用戶數(shù)多1個(gè)，也就是說(shuō)除了每個(gè)用戶需要發(fā)送一個(gè)參考碼字外，基站的前向信道也必需發(fā)送一個(gè)。采用并行通信可以減少參考碼字，20個(gè)用戶可以共用一個(gè)參考碼字。對(duì)于一個(gè)l0Mbit/s帶寬全雙工系統(tǒng)，有100個(gè)速率為50Kbit/s的用戶，調(diào)制方式是QPSK，其開(kāi)銷(xiāo)比特將占整個(gè)數(shù)據(jù)的30%~50%。而時(shí)分半雙工系統(tǒng)可以減少開(kāi)銷(xiāo)比特，只有10%~15％。

當(dāng)信道變化太快，跳頻速度跟不上時(shí)，用隨機(jī)跳頻代替自適應(yīng)跳頻。由于這種轉(zhuǎn)換非常快，所以衰落時(shí)間很短暫，采用時(shí)間交錯(cuò)和前向糾錯(cuò)能夠補(bǔ)償這種衰落。時(shí)間交錯(cuò)要求盡可能短，否則會(huì)增加時(shí)延。

OFDM的另外一個(gè)極有前途的方向--多天線技術(shù)。OFDM由于碼率低和加入了時(shí)間保護(hù)間隔而具有極強(qiáng)的抗多徑干擾能力。由于多徑時(shí)延小于保護(hù)間隔，所以系統(tǒng)不受碼間干擾的困擾，這就允許單頻網(wǎng)絡(luò)（SFN）可以用于寬帶 OFDM系統(tǒng)，依靠多天線來(lái)實(shí)現(xiàn)，即采用由大量低功率發(fā)射機(jī)組成的發(fā)射機(jī)陣列消除陰影效應(yīng)，來(lái)實(shí)現(xiàn)完全覆蓋。

多天線系統(tǒng)非常適用于無(wú)線局域網(wǎng)。一般的局域網(wǎng)由于陰影效應(yīng)，信號(hào)無(wú)法完全覆蓋，需要使用中繼器。對(duì)于傳統(tǒng)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，中繼器可能會(huì)帶來(lái)多徑干擾，但OFDM不存在這個(gè)問(wèn)題，它的中繼器可以加在任何需要的地方，不僅可以完全覆蓋網(wǎng)絡(luò)，并早可以消除多徑干擾。

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