多载波传输方案——OFDM原理与应用（上）

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OFDM是正交频分复用技术的简称，是一种特殊的多载波传输方案，也可以被看作是一种调制技术，或者一种复用技术。OFDM的核心思想是将信道划分为若干相互正交的子信道，将高速数据流经过串并转换划分成多路并行的低速子数据流，然后调制到相互正交且重叠的多个子载波上同时传输。
OFDM的优点在于能够大幅度提高通信系统的信道容量和传输速度，并能有效抵抗多径衰落、抑制干扰和窄带噪声。此外，由于子载波之间是正交的，所以它可以有效地抵消多项式噪声，使信道传输效率更高。


通过子载波之间的正交性，OFDM可以实现频谱的高效利用。这意味着在相同的带宽内，OFDM可以传输比其他技术更高的数据速率。OFDM技术对于多径干扰具有较强的鲁棒性。在无线通信环境中，多径效应会导致信号的衰落和失真，而OFDM通过将信号分散到多个子载波上，可以有效地抵抗这种干扰。如果某个子载波受到窄带干扰，只会影响到该子载波的信号，而不会影响到其他子载波。这样就可以避免因单个信道出现问题而影响整个通信链路。OFDM系统的实现比其他一些数字调制技术更为简单。这主要是因为它的数学模型相对简单，从而降低了系统的复杂性和成本。
由于OFDM信号由多个子载波组成，因此它可以更好地抵抗无线信道中的频率选择性衰落。通过采用适当的编码技术，还可以进一步增强其对衰落的抵抗能力。OFDM技术非常适合用于高速数据传输。由于其频谱效率高和抗干扰能力强，它已经成为许多现代无线通信系统（如WiFi和4G/5G移动通信）的核心技术。


WiFi是最熟悉的OFDM应用之一。802.11a/g/n/ac标准都采用了OFDM技术来提高传输速率和克服多径效应。无线城域网络（WMAN）中IEEE 802.16（也称为WiMAX）标准中使用了OFDM技术。许多地面数字广播系统，如DVB-T和DVB-H，都采用了OFDM作为主要的调制方案。第四代（4G）移动通信，在LTE和LTE-Advanced标准中，OFDM被用作下行链路的主要传输方案。第五代（5G）移动通信，尽管5G引入了新技术如MIMO和毫米波频谱，但OFDM仍然是其核心组件之一。由于OFDM的灵活性，它经常被用于软件定义无线电系统中，以支持多种不同的标准和频段。许多IoT应用中使用的短距离无线通信技术也利用了OFDM的优点，例如LoRa和SigFox等。OFDM的多载波特性使其也适用于非通信雷达和声纳系统，虽然卫星链路中的传输条件与地面不同，但OFDM仍然是一个有吸引力的选择，用于提高频谱效率和抵抗多径效应。由于其抗干扰和抗多径能力，OFDM在军事通信中也得到了应用。


OFDM是一种多载波调制方式，通过减小和消除码间串扰的影响来克服信道的频率选择性衰落。其基本原理是将信号分割为N个子信号，然后用N个子信号分别调制N个相互正交的子载波。由于子载波的频谱相互重叠，因而可以得到较高的频谱效率。当采用单载波调制时，为减小ISI的影响，需要采用多级均衡器，这会遇到收敛和复杂性高等问题。在OFDM中，高速串行的数据被串并转换到多个正交的子载波上，变成低速的并行多载波信号，信号的周期会增大，因此对抗频率选择性衰落的能力也相应增强了。


为了消除码间干扰，需要在OFDM的每个符号中插入保护时间，只要保护时间大于多径时延扩展，则一个符号的多径分量不会干扰相邻符号。保护时间内可以完全不发送信号。但此时由于多径效应的影响，子载波可能不能保持相互正交，从而引入了子载波间干扰。为了减少子载波间干扰，OFDM符号可以在保护时间内发送循环扩展信号，即循环前缀，将OFDM符号尾部的信号搬移到头部构成的，这样可以保证有时延的OFDM信号在FFT积分时间内总是具有整数倍周期。这样，通过保护时间和循环前缀，可以对抗多径干扰。

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