正交頻分復用（OFDM，Orthogonal Frequency Division Multiplexing）是一種特殊的多載波傳送方案，單個用戶的信息流被串/并變換為多個低速率碼流（100 Hz~50 kHz），每個碼流都用一條載波發送。OFDM棄用傳統的用帶通濾波器來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，OFDM既可以當作調制技術，也可以當作復用技術。OFDM增強了抗頻率選擇性衰落和抗窄帶干擾的能力。在單載波系統中，單個衰落或者干擾可能導致整條鏈路不可用，但在多載波系統中，只會有一小部分載波受影響。糾錯碼的應用可以幫助其恢復一些易錯載波上的信息。像這樣用并行數據傳送和頻分復用的思路早在20世紀60年代的中期就被提出來了。圖1所示為頻分復用（FDM）信號頻譜與OFDM信號頻譜的比較。

圖1：頻分復用（FDM）信號頻譜與OFDM信號頻譜的比較

在傳統的并行通信系統中，整個系統頻帶被劃分為N個互不混疊的子信道，每個子信道被一個獨立的信源符號調制，即N個子信道被頻分復用。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，這在頻帶資源如此緊張的今天尤其不能忍受。上個世紀中期，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噪聲差錯，同時可以充分利用信道帶寬，節省了50%。為了減少各個子信道間的干擾，我們希望各個載波間正交。這種“正交”表示的是載波的頻率間精確的數學關系。

各個子信道中的正交調制和解調可以采用逆快速傅立葉變換（IFFT）和快速傅立葉變換（FFT）方法來實現，隨著大規模集成電路技術與數字信號處理（DSP）技術的發展，IFFT和FFT都非常容易實現。FFT的引入，大大降低了OFDM實現的復雜性，提升了系統的性能。圖2所示為OFDM發送接收機結構。

圖2：OFDM發送接收機結構框圖

傳統的頻分復用的載波頻率之間有一定的保護間隔，通過濾波器接收所需信息。在這樣的接收機下，保護頻帶分隔不同載波頻率，這樣就使頻譜的利用率低。OFDM不存在這個缺點，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）調制，由于各個載波的中心頻點處沒有其他載波的頻譜分量，所以能夠實現各個載波的正交。盡管還是頻分復用，但已與過去的FDMA有了很大的不同：不再是通過很多帶通濾波器來實現，而是直接在基帶處理，這也是OFDM有別于其他系統的優點之一。OFDM 接收機實際上是一組解調器，它將不同載波搬移至零頻，然后在一個碼元周期內積分，其載波由于與所積分的信號正交，因此不會對這個積分結果產生影響。OFDM的高數據速率與子載波的數量有關，增加子載波數目就能提高數據的傳送速率。OFDM每個頻帶的調制可以不同，這增加了系統的靈活性，大多數通信系統都能提供兩種以上的業務來支持多個用戶，OFDM適用于多用戶的高靈活度、高利用率的通信系統。但OFDM存在下面一些缺點，如下表1所示。

表1：OFDM的不足

OFDM研究的熱點，主要集中在信道分配技術和多天線技術。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、自適應信道分配。

1）分組信道：最簡單的方法是將信道分組分配給每個用戶，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。但載波分組會使信號容易衰落。載波跳頻可以解決這個問題。分組隨機跳頻空閑時間較短，約11個字符時間。利用時間交織和前向糾錯可以恢復丟失的數據，但是會降低系統容量增加信號時延。

2）自適應跳頻：這是一種新的基于信道性能的跳頻技術。信道用來傳遞對它來說具有最佳信噪比的信號。因為每個用戶的位置不同，所以信號的衰落模式也不相同，因此每個用戶收到的最強信號都不同于其他用戶，從而相互之間不會發生沖突。初步研究表明，在頻率選擇性信道采用自適應跳頻可以大幅提高信號接收功率，能夠達到5~20dB，令人驚異。事實上，自適應跳頻消除了頻率選擇性衰落。

多徑信道中，速率為1 Gbit/s的信號的頻響特性每15cm就會發生很大的變化，因此信號的頻率刷新速率要比15cm的移動速率快很多，一般情況下終端每移動5cm刷新一次就足夠了。比如終端以每小時60km的速度移動，刷新速率就是大約330次/秒。跳頻的開銷比特數量與用戶速率、用戶數量以及系統是全雙工還是半雙工有關。全雙工系統的接收機和發射機的工作頻率的間隔至少應大于40MHz，信道數量是用戶數的兩倍，發射的參考碼字的數量比用戶數多1個，也就是說除了每個用戶需要發送一個參考碼字外，基站的前向信道也必需發送一個。采用并行通信可以減少參考碼字，20個用戶可以共用一個參考碼字。對于一個l0Mbit/s帶寬全雙工系統，有100個速率為50Kbit/s的用戶，調制方式是QPSK，其開銷比特將占整個數據的30%~50%。而時分半雙工系統可以減少開銷比特，只有10%~15％。

當信道變化太快，跳頻速度跟不上時，用隨機跳頻代替自適應跳頻。由于這種轉換非常快，所以衰落時間很短暫，采用時間交錯和前向糾錯能夠補償這種衰落。時間交錯要求盡可能短，否則會增加時延。

OFDM的另外一個極有前途的方向--多天線技術。OFDM由于碼率低和加入了時間保護間隔而具有極強的抗多徑干擾能力。由于多徑時延小于保護間隔，所以系統不受碼間干擾的困擾，這就允許單頻網絡（SFN）可以用于寬帶 OFDM系統，依靠多天線來實現，即采用由大量低功率發射機組成的發射機陣列消除陰影效應，來實現完全覆蓋。

多天線系統非常適用于無線局域網。一般的局域網由于陰影效應，信號無法完全覆蓋，需要使用中繼器。對于傳統系統來說，中繼器可能會帶來多徑干擾，但OFDM不存在這個問題，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絡，并早可以消除多徑干擾。

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