芯耀
与非AI
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传统频分复用技术已经有上百年历史，而正交频分复用OFDM，是贝尔实验室的Robert W. Chang在1966年首次提出的。
OFDM的核心思路：把一路高速信息流，拆分到多个间隔很近的窄带子载波上传输，而不是只用单个宽带信道频率。单载波调制一般是串行逐位发数据；但OFDM可以在众多子载波上并行同时传输大量比特。
因为众多子载波同时承载数据，每一路子载波的调制速率，就可以比单载波架构低很多。子载波速率低，再加上彼此正交的特性，让整个系统不容易产生码间干扰ISI。
1971年，Weinstein和Ebert提出在符号之间加入保护间隔，能更好抵抗无线传输里的多径时延扩展效应——这种效应很容易引发严重码间干扰。
相比其他传输方式，OFDM还有一大核心优势：抗频率选择性衰落能力极强。现在4G/5G蜂窝网络、802.11 Wi-Fi无线局域网、WiMAX、电力线通信，还有数字电视、数字音频广播，全都在用OFDM。
一、子载波与正交性
下图画出了频域上5个相邻子载波，幅度归一化为1，频率间隔也归一化为1。
OFDM子载波满足正交的条件：相邻子载波的频率间隔，要刚好满足一个子载波的峰值位置，正好落在相邻子载波的过零点。图里这5个子载波就是按这个规则排布的，所以彼此正交。
正是这种特殊的频率间隔设计（也就是正交特性），让OFDM抗码间干扰ISI的能力特别强。子载波的频率经过专门设计，理论上互相之间完全不产生干扰。
普通情况下，子载波频谱一旦重叠，就会产生子载波间干扰；但只要是正交间隔排布，就算频谱重叠也互不干扰。上图里这些互相重叠的正交信号，完全不影响接收机解调还原数据。
接收机的做法很简单：用本地已知的一组正弦基波，和接收信号做相乘相关运算，就能把原本发送的比特数据完整解调出来。
原本正弦波子载波，频域本该是一根冲激谱线，现在却呈现出这种特殊的频谱形状，原因是：每个子载波都被矩形时域波形做了截断调制；矩形波做傅里叶变换后，频域就会呈现辛格（Sinc）函数形态。子载波频谱相互重叠，最大好处是频谱利用率更高，也就是每赫兹能传更多比特数据。
二、OFDM调制——快速傅里叶变换FFT与逆变换IFFT
如下图所示：
N个相互重叠的子载波组成一个OFDM符号，每个符号占用一个时隙，符号之间还加了保护间隔。每个Sinc频谱上，都承载一个QAM星座点，相当于给该路子载波的正弦波，设定好特定幅度和相位。发射机调制端要把频域信号变成时域发射波形，靠的就是逆快速傅里叶变换（IFFT）。最终发射出去的时域波形，就是IFFT的输出，等效成时域上N个互相正交的正弦波叠加。
OFDM有个明显短板：由N个子载波合成的发射符号，峰均比PAPR特别高，这就要求发射端功放必须线性度极好。近些年氮化镓器件、包络跟踪技术的普及，大大缓解了这一难题。
到了接收端：对接收信号做快速傅里叶变换（FFT），把信号从时域转回频域，就能解调出原始比特数据。
三、多径传输性能
无线电信号在传播途中碰到地形、建筑物、树木等障碍物发生反射，就会产生多径效应。多径会让同一发射信号沿着两条甚至多条不同路径到达接收机，导致接收机很难正确解调信号。
因为射频信号在频段内波长各不相同，只有部分频率会因多径出现信号衰落恶化。传统单载波调制系统里，多径一旦产生影响，会拖累整个频谱，所有数据符号都会受干扰。
而OFDM是用N个子载波同时传输，多径衰落往往只会影响其中一路或少数几路子载波。其余子载波还能正常传数据，整体数据丢失非常少；再加上冗余编码和纠错算法，还能把出错数据恢复回来。
四、5G时频结构
了解常用通信波形的帧结构很有实际意义。下图是5G NR的时频结构图，默认兼容LTE制式（要做到向后兼容，就必须纳入LTE架构）。
这张图看着复杂，拆解开来很好懂：时频网格里，横轴时间、纵轴频率，最小的一格叫做资源单元（RE）。连续12个资源单元在频域拼在一起、各占一个子载波，组成一个资源块（RB）。
LTE的资源块固定结构：12个子载波+时域7个符号；而5G NR没有固定的时域符号长度限制，结构更灵活。
除此之外，LTE的子载波间隔固定为15kHz，所以一个资源块在频域带宽永远是180kHz。而5G NR的子载波间隔可以灵活配置，就像上图右上角表格里展示的那样。正因为时域、频域都能灵活可调，5G NR才能充分利用新的高频频段和更大带宽，网速往往能比LTE高出一个数量级。
五、Wi-Fi与OFDM——实现超高传输速率
Wi-Fi就是典型例子：靠着OFDM+QAM调制，每一代标准的网速都实现跨越式提升。下图能直观看出，Wi-Fi传输速率几乎是指数级暴涨。
由于Wi-Fi路由器经常要同时带很多终端，从802.11第六代及以后（Wi‑Fi 6及更新版本）开始，改用了OFDMA正交频分多址技术。OFDMA是专为多用户优化的OFDM，能在时域和频域同时给多个用户分配无线资源。看一下上图最后一行就能发现：未来Wi‑Fi7的理论峰值速率，居然能高达 46Gbit/s！
最后总结一下：
本文讲解了OFDM的各项基础原理：首先解释了正交的含义，以及正交特性的关键作用；接着介绍了OFDM系统在时域、频域的传输帧结构，还说明了FFT和IFFT在其中的工作原理；简单讲解了每个子载波的调制方式，并举例介绍了5G移动通信、802.11 Wi-Fi这些主流场景是如何应用OFDM的；最后还展望了OFDM未来的带宽发展，以及Wi-Fi领域的潜在传输速率上限。
