OFDM的基本原理是什么？
1.1的发展历史
在20世纪70年代，Weinstein和Ebert利用离散傅立叶变换(DFT)和快速傅立叶方法(FFT)开发了一个完整的多载波传输系统，称为正交频分复用(OFDM)系统。
OFDM是正交频分复用的缩写。正交频分复用(OFDM)是一种特殊的多载波传输方案。在OFDM中，离散傅立叶变换(DFT)及其逆变换(IDFT)用于解决产生多个正交子载波以及从子载波中恢复原始信号的问题。这就解决了多载波传输系统传输和传输的问题。快速傅立叶变换的应用大大降低了多载波传输系统的复杂度。从此，OFDM技术开始走向实用。但是OFDM系统的应用仍然需要大量复杂的数字信号处理过程，而且当时具有强大数字处理功能的器件还很少，所以OFDM技术并没有得到快速发展。
近年来，随着集成数字电路和数字信号处理器件的快速发展，以及人们对高速无线通信日益迫切的需求，OFDM技术再次受到重视。在20世纪60年代，提出了使用并行数据传输和频分复用(FDM)的概念。1970年，美国申请并发明了一项专利，其思想是利用并行数据和子信道重叠的频分复用，消除对高速均衡的依赖，抵抗脉冲噪声和多径失真，充分利用带宽。这项技术最初主要用于军事通信系统。然而，在很长一段时间里，OFDM理论走向实践的步伐放缓了。因为OFDM的子载波彼此正交，所以使用FFT来实现这种调制。然而，在实际应用中，实时傅里叶变换设备的复杂性、发射机和接收机振荡器的稳定性以及射频功率放大器的线性度要求成为OFDM技术的制约因素。20世纪80年代，MCM取得了突破。大规模集成电路使得FFT技术的实现不再是不可逾越的障碍，其他一些难以实现的困难也部分得到了解决。自此，OFDM走上通信舞台，逐步进入高速数字移动通信领域。
1.2的应用
由于技术的可实现性，OFDM在20世纪90年代被广泛用于各种数字传输和通信，例如移动无线FM信道、高比特率数字用户线路系统(HDSL)、非对称数字用户线路系统(ADSL)、甚高比特率数字用户线路系统(HDSI)、数字音频广播(DAB)、数字视频广播(DVB)和HDTV地面传输系统。1999年，IEEE802.lla通过了一个无线局域网标准，其中采用OFDM调制技术作为物理层标准，这样传输速率可以达到54MbPs。这样可以提供25MbPs无线ATM接口和10MbPs以太网无线帧结构接口，支持语音、数据和图像业务。这个速率完全可以满足室内和室外的应用。ETSl宽带射频接入网的局域网标准也将OFDM定义为其调制标准技术。
2001，IEEE802.16通过了无线城域网标准，根据频段不同分为视距和非视距。其中使用了许可和非许可频段，因为这个频段内的波长较长，适合非视距传播。此时系统会有较强的多径效应，而在非授权频段仍然存在干扰问题，所以系统采用在抗多径效应、频率选择性衰落或窄带干扰方面具有明显优势的OFDM调制，多址接入方式为OFDMA。然后，IEEE802.16的标准每年都在发展。2006年2月，IEEE802.16e(移动宽带无线城域网接入空中接口标准)形成了最终出版物。当然，使用的调制方式还是OFDM。
2004年6月5438+065438+10月，根据多家移动通信运营商、制造商和研究机构的要求，3GPP通过了名为长期演进(LTE)的项目，即“3G长期演进”。该项目的目标是制定3G演进系统的技术规范。经过激烈的讨论和艰难的整合，3GPP最终在5438年6月+2005年2月选择了LTE的基础传输技术，即下行OFDM和上行SC。由于技术的成熟，OFDM被选为下行标准，并很快达成了* * *的理解。在上行技术的选择上，由于OFDM的峰均比(PAPR)，一些设备商认为会增加终端的功放成本和功耗，限制终端的使用时间，也有人认为可以通过滤波、削峰等方法限制PAPR。B3G/4G的目标是在高速移动环境下支持高达100Mb/S的下行数据传输速率，在室内和静态环境下支持1Gb/S的下行数据传输速率。2010年，全球首个TD-LTE-A大规模实验网将在上海世博会向媒体开放。4G是基于OFDM和MIMO的技术组合，但整体结构不同。基于OFDM和MIMO的标准有两套，一套是IEEE802-16M，一套是LTE-Advanced，OFDM技术是关键核心技术之一。
1.4的优缺点
优点:OFDM具有如下许多技术优点。用在3G和4G，在通信上有很多优势:
(1) OFDM技术还可以在窄带宽内发送大量数据，可以同时分离至少1000个数字信号，其在受干扰信号周围安全运行的能力将直接威胁到目前市场上已经流行的CDMA技术的进一步发展和壮大。正是因为这种特殊的信号“穿透能力”，OFDM技术深受欧洲通信运营商和手机厂商的喜爱和欢迎，如美国加州的思科系统公司、纽约理工学院和朗讯理工学院，加拿大的威兰理工学院也采用了这种技术。
(2) OFDM技术可以连续监测传输介质上通信特性的突然变化。由于通信路径传输数据的能力会随时间变化，OFDM可以动态适应，开启和关闭相应的载波，保证连续成功通信。这种技术可以自动检测传输介质中的哪一个特定载波信号衰减较大或存在干扰脉冲，然后采取适当的调制措施，使指定频率的载波成功通信。
(3) OFDM技术特别适用于高层建筑、人口密集和地理位置突出的地方以及信号传播的区域。高速数据传输和数字语音广播都希望减少多径效应对信号的影响。
(OFDM技术最大的优点是抗频率选择性衰落或窄带干扰。在单载波系统中，单个衰落或干扰会导致整个通信链路失败，但在多载波系统中，只有少量载波会受到干扰。纠错码也可以用于纠正这些子信道。
(5) OFDM技术能有效抵抗信号波形间的干扰，适用于多径环境和衰落信道下的高速数据传输。当信道由于多径传输而发生频率选择性衰落时，只有子载波及其携带的信息受到影响，其他子载波没有受到破坏，因此系统的整体误码率性能要好得多。
(6) OFDM技术通过各个子载波的联合编码，具有很强的抗衰落能力。OFDM技术本身利用了信道的频率分集。如果衰落不是特别严重，就不需要添加时域均衡器。通过联合编码每个信道，可以提高系统性能。
(7) OFDM技术可以使信道利用率很高，这在频谱资源有限的无线环境中尤为重要；当子载波数较大时，系统的频谱利用率趋于2波特/赫兹。
缺点:虽然OFDM具有上述优点，但是其信号调制机制也使得OFDM信号在传输过程中存在一些缺点:
(1)对相位噪声和载波频率偏移非常敏感。
这是OFDM技术非常致命的缺点。整个OFDM系统非常严格地要求子载波之间的正交性。任何小的载波频率偏移都会破坏子载波间的正交性，造成ICI。同样，相位噪声也会导致符号星座点的旋转和扩散，从而形成ICI。然而，单载波系统没有这个问题。相位噪声和载波频率偏移只会降低接收信噪比，不会造成相互干扰。
(2)峰均比太大
OFDM信号由多个子载波信号组成，这些子载波信号由不同的调制符号独立调制。与传统的恒包络调制方法相比，OFDM调制具有较高的峰值因子。因为OFDM信号是许多小信号的和，所以这些小信号的相位由要传输的数据序列决定。对于某些数据，这些小信号可能是同相的，但是在幅度上叠加，以产生大的瞬时峰值幅度。但是，如果PAPR过大，会增加A/D和D/A的复杂度，降低射频功率放大器的效率。同时，在发射端，放大器的最大输出功率限制了信号的峰值，会造成OFDM频段内和相邻频段间的干扰。
(3)所需的线性范围宽
由于OFDM系统的峰值平均功率比(PAPR)较大，对非线性放大更加敏感，因此OFDM调制系统对放大器的线性范围要求比单载波系统更高。