OFDM(Orthognal Frequency Division Multiplexing,正交频分复用)是一种在实现中极具吸引力的多载波传输的特例。举个例子:可以把OFDM想象成高架桥,10米宽的路上面加了个5米宽的高架,实际通行宽度就是15米,这样虽然我水平路面不增加,但通行车辆增加了,OFDM也正是利用这种技术,使用快速傅里叶变换导入正交序列,相当于在有限的带宽里加了N道高架桥,目前是一个OFDM信号的前半个频率和上一个频点的信号复用,后半个频率和后一个频点的信号复用。

在OFDM系统中,频率选择性宽带信道被划分为重叠正交的非频率选择性窄带信道,如图所示,就避免了需要利用保护带宽来分隔载波,因而OFDM系统具有较高的频谱利用率。正因为OFDM系统中子信道在接收机中能完全分离,降低了接收机的实现复杂度,从而使OFDM系统对高速率的移动数据传输如LTE下行链路具有吸引力。

正交频分复用

OFDM由多载波调制(MCM)发展而来,OFDM技术是多载波传输方案的实现方式之一,它的调制和解调是分别基于快速傅立叶反变换(IFFT)和快速傅立叶变换(FFT)来实现的,是实现复杂度最低、应用最广的一种多载波传输方案。在传统的频分复用系统中,各载波上的信号频谱是没有重叠的,以便接收端利用传统的滤波器分离和提取不同载波上的信号。OFDM系统是将数据符号调制在传输速率相对较低的、相互之间具有正交性的多个并行子载波上进行传输。它允许子载波频谱部分重叠,接收端利用各子载波间的正交性恢复发送的数据。利用正交理论上可以重叠到无限,但为了增加解调的容易性,目前LTE支持OFDM重叠波长的一半。因此,OFDM系统具有更高的频谱利用率。

1971年,DFT(Discrete Fourier Transform, 离散傅里叶变换)的提出使得OFDM实现成本大大降低。1980年,FFT(Fast Fourier Transform, 快速傅里叶变换)的应用进一步降低了实现复杂度。OFDM广泛应用于有线系统(ADSL非对称数字用户线路)和无线系统(WLAN无线局域网、WIMAX),还有广播系统(DVB数字电视广播、DAB数字音频广播)等。

 

OFDM发射流程

OFDM实现方法

在一个OFDM符号内包含多个子载波。所有的子载波都具有相同的幅值和相位,从图中可以看出,每个子载波在一个OFDM符号周期内都包含整数倍个周期,而且各个相邻的子载波之间相差1个周期。

OFDM正交性体现

正交性算法:

对第j个子载波进行解调,然后在时间长度T内进行积分对第j个子载波进行解调可以恢复出期望符号 。而对其它载波由于在积分时间内,频率差别 (i-j)/T可以产生整数倍个周期,所以积分结果为零。

正交性算法

 

同时,在OFDM符号之间插入循环前缀(CP),如图所示,可以消除由于多径效应而引起的符号间干扰(ISI),能避免在多径信道环境下因保护间隔的插入而影响子载波之间的正交性。这使得OFDM系统非常适用于多径无线信道环境。

加CP操作

CP长度的考虑因素:频谱效率/符号间干扰和子载波间干扰越短越好:越长,CP开销越大,系统频谱效率越低越长越好:可以避免符号间干扰和子载波间干扰。

CP长度的确定