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正交频分复用(OFDM，Orthogonal Frequency Division Multiplexing)技术在20世纪60年代中期被首次提出，主要用于军用的无线高频通信系统。但由于当时遇到了很多难以解决的问题，未形成大规模的应用。20世纪80年代以来，大规模集成电路技术的发展解决了FFT的实现问题，随着DSP芯片技术的发展，格栅编码(Trellis Code)技术、软判决(Soft Decision)技术、信道自适应技术等的应用，OFDM技术开始更趋于实用化，得到进一步推广。OFDM技术凭借其固有的对时延扩展较强的抵抗力和较高的频谱效率两大优势迅速成为研究的焦点并被多个国际规范采用作为物理层(PHY)标准。
传统的FDM将带宽分成几个子信道进行信息传输，中间用保护频带来降低干扰。频分复用技术的特点是所有子信道传输的信号以并行的方式工作，每一路信号传输时可不考虑传输时延。传统的FDM的优点是简单、直接。但是频谱的利用率低，子信道之间要留有保护频带，而且在频分路数N较大时多个滤波器的实现使系统复杂化。
OFDM是一种无线环境下的多载波传输技术，也可以被看作是一种多载波数字调制技术或多载波数字复用技术。OFDM系统由于使用无干扰正交载波技术，单个载波间无需保护频带，比传统的FDM系统要求的带宽要小得多，因而，带宽利用率较高。
1、OFDM技术的基本原理
OFDM技术在频域内将给定信道分成许多正交子信道后，在每个子信道上使用一个子载波进行调制，并且各子载波并行传输。这样，尽管总的信道是非平坦的，具有频率选择性，但是每个子信道是相对平坦的，在每个子信道上进行的是窄带传输，信号带宽小于信道的相应带宽，因此就可以大大消除信号波形间的干扰，能有效对抗频率选择性衰落。为消除多径衰落的影响，在OFDM符号间加入循环前缀作为保护间隔，能有效地避免ISI(符号间干扰)。
数据先经过调制(一般为BPSK、QPSK或QAM)，然后经过傅立叶反变换(IFFT)。由频域信号转变为时域信号，傅立叶反变换的好处就在于使得各子信道上的信号相互正交，然后经过数/模转换，成为OFDM基带信号。在接收器端，则正好相反，信号要经过快速傅立叶变换(FFT)，由时域信号转换为等同的频谱，再经过解调，还原成数据。
2、OFDM系统的构成及主要功能模块
OFDM系统的结构如图2所示。其构成可根据OFDM数据处理流程分为发送部分的编码器、交织器、调制映射、串并转换器、子载波调制器、循环前缀、数模转换及接收部分的去除循环前缀、时间与频率同步器、子载波解调器、并串转换器、解调映射、解交织、VB译码器等功能模块。
OFDM系统结构中各部分功能简述如下。
(1)编码器：信道编码采用卷积纠错码、或Reed-Solomon码、维特比码、TURBO码等；
(2)交织器：交织器用于降低在数据信道中的突发错误，分散丢失的比特，达到降低误码率的目的；
(3)调制映射：将符号映射到相应的星座点上。这一过程产生IQ值，随之送到缓冲器存储，准备送到IFFT上进行变换；
(4)串并转换器：用于将串行数据转换为并行数据；
(5)子载波调制器：IFFT快速、高效应用离散傅立叶变换功能生成用于OFDM传输的正交载波。OFDM的核心为IFFT，IFFT调制每一个子信道到高精度的正交载波上，信道化后的数据注入到一个并串缓冲器，串行数据通过加循环前缀和DAC变换为发送做准备；
(6)循环前缀：循环前缀为单个的OFDM符号个体创建一个保护带，可以在信噪比边缘损耗中极大的减少ISI；
(7)时间与频率同步器：接收系统中确定OFDM块有用数据信息的开始时刻，使接收机和发射机的采样时钟频率保持一致，克服频率偏差；
(8)VB译码器：属于概率解码。用来把接收到的卷积纠错编码序列与所有可能的发送序列进行比较，选择一种距离最小的序列作为发送序列。
3、OFDM技术的主要特点
OFDM技术之所以越来越受关注，是因为OFDM有很多独特的优点。
(1)频谱利用率很高。OFDM的频谱效率比串行系统几乎高一倍，这在频谱资源有限的无线环境中尤为重要。OFDM信号的相邻子载波相互重叠，从理论上讲其频谱利用率可以接近Nyquist极限；
(2)抗衰落能力强。OFDM把用户信息通过多个子载波传输，在每个子载波上的信号时间就相应地比同速率的单载波系统上的信号时间长很多倍，使OFDM对脉冲噪声和信道快衰落的抵抗力更强。同时，通过子载波的联合编码，达到了子信道间的频率分集的作用，也增强了对脉冲噪声和信道快衰落的抵抗力。因此，如果衰落不是特别严重，就没有必要再添加时域均衡器；
(3)适合高速数据传输。OFDM自适应调制机制使不同的子载波可以按照信道情况和噪声背景的不同使用不同的调制方式。当信道条件好的时候，采用效率高的调制方式。当信道条件差的时候，采用抗干扰能力强的调制方式。再有，OFDM加载算法的采用，使系统可以把更多的数据集中放在条件好的信道上以高速率进行传送。因此，OFDM技术非常适合高速数据传输；
(4)抗码间干扰能力强。码间干扰是数字通信系统中除噪声干扰之外最主要的干扰，它与加性的噪声干扰不同，是一种乘性的干扰。造成码间干扰的原因有很多，实际上，只要传输信道的频带是有限的，就会造成一定的码间干扰。OFDM由于采用了循环前缀，对抗码间干扰的能力很强。
OFDM也有其缺点。例如对频偏和相位噪声比较敏感；功率峰值与均值比(PAPR)大，导致射频放大器的功率效率较低；负载算法和自适应调制技术会增加系统复杂度等。
4、OFDM技术在宽带无线局域网和城域网中的应用
目前，OFDM技术良好的性能使其在很多领域得到了广泛的应用。如HDSL、ADSL、VDSL、DAB和DVB，无线局域网IEEE 802.11和HiperLAN2，以及无线城域网IEEE 802.16等系统。现仅以在无线城域网IEEE 802.16和无线局域网IEEE 802.11中的应用为例分述如下。
4.1 802.16g中的OFDM技术
IEEE 802.16a标准是针对无线城域网接入方式而提出的一种新的空中接口标准。2003年1月29日，IEEE 802.16工作组通过了802.16a标准规范书，解决了2-11GHz之间频率范围的宽带无线问题。802.16a标准规范中明确定义了OFDM技术作为无线数据传输方式。IEEE 802.16a标准规定在特许频段，可以使用单载波调制或正交频分复用，对于非特许频段，必须使用正交频分复用调制方式。
4.2 802.11g中的OFDM技术
和所有IEEE 802标准一样，无线局域网协议802.11标准也是以OSI模型最低的两层：物理层和数据链路层为中心。所有局域网应用、操作系统或协议(包括最常见的TCP/IP)在符合802.11标准的WLAN上运行都将像在以太网中运行一样。对于用户来说，转换到无线局域网的成本很低。
802.11a/b/g几种协议中，802.11b/g都工作在2.4GHz频率下，802.11g可以向下兼容802.11b，区别在于802.11g采用了更先进的正交频分复用技术，具备了和802.11a一样54Mbit/s的物理链接速率。802.11a的成本较高，在国内没有普及，但是由于802.11a能够容纳更多的信道，在无线网络很发达的国家，802.11a正显示出它的优势。
802.11g使用了802.11a的信号调制技术——OFDM技术，不同于802.11b使用的直接排序扩展频谱(DSSS。Direct Sequence Spread Spectrum)。在802.11a标准中，OFDM在20MHz频段能够提供高达54Mbit/s速率的原始数据传输。
5、OFDM——未来移动通信系统的核心技术
5.1 引入OFDM技术是提高下行分组接入速率的发展趋势
高速下行分组接入(HSDPA)是3GPP在R5协议中为了满足上/下行数据业务不对称的需求而提出的一种新技术，它很好地解决了系统覆盖与容量之间的矛盾，大大提升了系统容量，满足了用户的高速业务需求。
3GPP确定了HSDPA演进的3个阶段，其中第3阶段仍在进行研究。R5以上的版本主要将致力于吞吐量的进一步提高，峰值数据速率可达50Mbit/s以上。第1阶段是基本HSDPA，在3GPP R5中进行了说明，引进一些新的基础特性以获得10.8Mbit/s峰值数据速率。第2阶段是增强HSDPA，在3GPP R6中进行了说明，将引入天线阵列处理技术如多输入多输出技术(MIMO)以及快速小区选择技术(FCS)以提高峰值数据速率至30Mbit/s。第3阶段将引进新型空中接口，增加平均比特率，OFDM技术和64QAM调制的引入将使峰值速率达到50Mbit/s以上。
5.2 OFDM是第四代移动通信的关键技术之一
在高频段进行高速移动通信，将面临严重的频率选择性衰落。为了提高信号性能，我们需要研究和发展智能调制和解调技术，来有效抑制这种衰落。从技术上来看，第三代移动通信主要采用的CDMA技术，而第四代移动通信技术将采用OFDM为技术核心。
移动通信信道的突出特点之一就是信道存在多径时延扩展，它限制了数据速率的提高，因为如果数据速率高于信道的相干带宽，信号将产生严重失真，信号传输质量大幅度下降。而OFDM技术由于具备频谱利用率高，有较强的抗多径干扰、抗频率选择性衰落和频率扩散能力等特点，是对高速数据传输的一种潜在的解决方案。因此要选择OFDM作为第四代移动通信的核心技术。当然，也不排除随着OFDM技术进步的加快，它在后3G时期就得到大范围使用。
6、结束语
OFDM技术由于其抗干扰能力强、频谱利用率高、成本低等原因越来越得到人们的关注，随着人们对于通信数据化、宽带化、个人化和移动化的需求，OFDM技术在综合无线接入领域将得到越来越广泛的应用。
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