前言

OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）正交频分复用

OFDM是一种多载波调制技术，将高速数据流分成多个低速子数据流，并在多个正交的子载波上并行传输。其核心思想是通过频域的正交性使得子载波之间相互不干扰，有效提升频谱效率和抗干扰能力。

一、OFDM主要思想

• 频分复用（FDM）改进：传统FDM中，载波之间存在保护带宽，防止子载波间的干扰。而OFDM通过让子载波相互正交，消除了子载波之间的保护带宽，从而极大提高了频谱利用率。
• 将宽带变成多窄带：OFDM将一个宽带信道分解为多个窄带子载波，每个子载波承载部分数据，在频域内等间隔分布。由于每个子载波带宽较窄，因此能有效抗符号间干扰（ISI）和频率选择性衰落。
• 并行传输：通过并行方式在多个子载波上传输数据，相比串行传输方式，OFDM大幅度提升了传输速率。

具体原理和实现过程，可以参考这篇文章：OFDM原理
结合代码和其中涉及到的参数去看，可以参考：OFDM完整仿真过程及解释（MATLAB）
如果要看书的话，推荐《MIMO-OFDM无线通信技术及MATLAB实现》，pdf资源直接在GitCode里面搜有很多，源码：《MIMO-OFDM无线通信技术及MATLAB实现》源码下载

二、OFDM参数设计

在LTE和5G中都用到了OFDM技术，并且规范了帧结构，如果想要了解一下，可以参考之前这篇文章：5GNR帧结构与信道

在 OFDM 系统中，我们需要确定以下参数：符号周期、保护间隔、子载波的数量。这些参数的选择取决于给定信道的带宽、时延扩展以及所要求的信息传输速率。一般按照以下步骤来确定 OFDM 系统的各参数：

• 确定保护问隔：根据经验,一般选择保护间隔的时间长度为时延扩展均方根值的2到4倍。
• 选择符号周期：考虑到保护间隔所带来的信息传输效率的损失和系统的实现复杂度以及系统的峰值平均功率比等因素，在实际系统中，一般选择符号周期长度至少是保护间隔长度的5倍。
• 确定子载波的数量：子载波的数量可以直接利用-3dB带宽除以子载波间隔(即去掉保护间隔之后的符号周期的倒数)得到。或者，可以利用所要求的比特速率除以每个子信道中的比特速率来确定子载波的数量。每个子信道中传输的比特速率由调制类型、编码速率以及符号速率来确定。

在《多载波宽带无线通信技术》中，给出了一个参数设计的例子，如果要求系统满足下面条件：

三、OFDM优缺点

1. 优势

(1) 高频谱利用率

• 子载波之间正交，即使频谱重叠也不会产生干扰，从而提高频谱利用率。
• 适用于5G、LTE、Wi-Fi等高数据速率场景。

(2) 抗多径干扰和频率选择性衰落

• 采用循环前缀（CP），通过复制符号尾部到符号前端，有效消除符号间干扰（ISI）。CP到底是怎么做到这一点的，可以参考这篇文章：OFDM循环前缀及其作用（矩阵视角解释）
• 宽带信道中，不同子载波受衰落影响不同，窄带特性降低了频率选择性衰落的影响，使接收端均衡更简单。

(3) 易于调节带宽

• 通过调整子载波数量和间隔，灵活适应不同带宽需求，例如LTE支持1.4 MHz到20 MHz。

(4) 易于与MIMO结合

• 可与MIMO技术结合，充分利用空间复用，提高数据速率和可靠性。

(5) 计算复杂度较低，易于实现均衡

• 可采用FFT处理，使发射机和接收机的硬件实现较为简单。
• 由于信道被分解为多个窄带子信道，均衡器的复杂度显著降低。

(6) 易于在频域进行信道均衡

• 由于OFDM的频域特性，可以直接在频域进行均衡，降低接收机的复杂度。

(7) 适用于高速数据传输

• 采用并行传输方式，提高数据速率，广泛应用于4G/5G、Wi-Fi、DVB等高速通信系统。

2. 劣势

(1) 高峰均功率比（PAPR）问题

• OFDM信号由多个正弦波叠加而成，易产生高峰值，导致峰均功率比PAPR较高。
• 影响： 增加了对功放的线性度要求，提高功放能耗，降低功放效率。LTE时代通常在上行中采用预编码方法来部分降低PAPR问题。

(2) 频域旁瓣较大，导致频谱泄漏

• 由于矩形脉冲成形，频域旁瓣较大且衰减缓慢，可能导致相邻信道干扰（ACI）。
• 需要保留保护频带约10%以减少频谱泄漏，降低了频谱利用率。
• 解决方案：可以采用加窗技术W-OFDM降低旁瓣功率，提高带外抑制能力。

(3) 对频率偏移和时间偏移敏感

• 频率偏移（如载波频偏、多普勒频移）会破坏子载波的正交性，导致子载波间干扰（ICI）。
• 系统需要高精度的时间和频率同步，否则会影响误码率（BER）。
• 在物联网通信等场景下，精确同步难以实现，因此OFDM并不完全适用于某些低功耗应用。

(4) 复杂的硬件设计要求

• 需要FFT/IFFT运算，对发射机和接收机的计算能力要求较高。
• 需要高精度的同步电路来保持OFDM的正交性。

(5) 额外的开销降低了频谱效率

• CP虽然能抗多径干扰，但它本身并不承载有效数据，属于额外开销，降低了频谱利用率。
• 5G标准化过程中出现了不采用循环前缀的改进提案，以进一步提升OFDM的效率。

(6) 适用于毫米波通信的有效性待研究

• 毫米波波段mmWave需要非常大的传输带宽，OFDM在这些场景下是否仍能有效应用仍需进一步研究。

3. 解决方案与优化方向

• PAPR优化：使用峰均比抑制技术（如压扩、偏置调制、预编码）。
• 减少频谱泄漏：采用W-OFDM（加窗OFDM）减少旁瓣功率，提高带外抑制能力。
• 降低同步要求：探索非正交波形，如FBMC（滤波器组多载波）或SC-FDMA（单载波频分多址）。
• 提高频谱利用率：研究非循环前缀OFDM（CP-Free OFDM），减少循环前缀开销。

OFDM技术涉及到的知识还是挺多的，每个步骤的原理也有很多博主讲的很清楚了，我就不多赘述，觉得不错的文章我后续还会慢慢补充进来，主要还是方便自己去阅读和掌握吧！