正交频分多路复用 (Orthogonal Frequency Division Multiplexing-OFDM) 是宽带数字通信的常用调制方案。它使用许多间隔很近的正交子载波信号并行传输数据，其中每个子载波信号都采用各自的调制方案。 OFDM 提供频谱效率、抗多径干扰性和零载波间干扰等优势。很多最新的无线和电信标准都采用了这种策略，例如数字广播、xDSL、无线网络 和 5G 新空口 （NR) 蜂窝技术。
Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) is a digital multi-carrier modulation scheme that extends the concept of single subcarrier modulation by using multiple subcarriers within the same single channel. Rather than transmit a high-rate stream of data with a single subcarrier, OFDM makes use of a large number of closely spaced orthogonal subcarriers that are transmitted in parallel. Each subcarrier is modulated with a conventional digital modulation scheme (such as QPSK, 16QAM, etc.) at low symbol rate. However, the combination of many subcarriers enables data rates similar to conventional single-carrier modulation schemes within equivalent bandwidths.
OFDM is based on the well-known technique of Frequency Division Multiplexing (FDM). In FDM different streams of information are mapped onto separate parallel frequency channels. Each FDM channel is separated from the others by a frequency guard band to reduce interference between adjacent channels.
正交频分多路复用 (OFDM) 把数据分割到所有载波上，并通过 10s、100s、1,000s 近载波来传输信息。由此，符码时间将会缩减同等比例。载波间隔是符码率的倒数，因而各个载波之间不会彼此干扰 (例如，载波呈现正交)。OFDM 信号中的其它分量可用于缓和信号信道估测和接收机同步，同时添加循环冗余以消除先前符码引起的干扰。凭借上述优势，OFDM 成为大多数现代无线和有线通信系统的理想调制技术，例如地面广播、WiFi、UWB、LTE、WiMAXTM 等。然而，OFDM 信号存在一些缺点。信号处理需要更高的复杂性和精度(相对于相位噪声)以及高峰均功率比 (PAPR)，这些因素会使信号对发射机的非线性度非常敏感。
下图简单描述了OFDM 原理，与奈奎斯特制式类似。
频域和时域中的 OFDM
参考：R. Schmogrow M. Winter，M. Meyer, D. Hillerkuss，S. Wolf, B. Baeuerle，A. Ludwig，B. Nebendahl，S. Ben-Ezra，J. Meyer，M. Dreschmann，M. Huebner，J. Becker，C. Koos，W. Freude 和 J. Leuthold ：《超过 100 Gb/s 的实时奈奎斯特脉冲生成及其与 OFDM 的关系》，Optics Express，第 20 (1) 期，第 317 – 337 页，2012 年 1 月
在OFDM 中，频率子频谱是sinc 形状。为了提高频谱效率，子频谱会重叠，但由于它们存在正交性（以π/2 的倍数位移），因此它们彼此间不会形成干扰。在时域中，符号是在固定的时间窗口中具有等距载频fn 的正弦曲线的总和。在本例中，单个信道的4 个频率上有4 个子载波。在进行反向快速傅立叶变换(IFFT) 之后，橘色迹线相移了π。
下图显示了对 16-QAM 调制 OFDM 信号进行频谱分析。
图 OFDM 对 16-QAM 信号频谱的影响取决于子载波的数目
左上角是星座图和时域波形。图中有 15 个子载波和 2 个导频，我们可以看到相对平坦的 频率频谱和急剧的滚降。 通过增加子载波的数目，频谱变得扁平，2 个导频向中心移动。在基线上，可以看到频谱随 着子载波数目的增加而趋向于矩形。
与奈奎斯特脉冲整形相比，OFDM是如何提高频谱效率的？
在下图中，在奈奎斯特滤波器长度 R（过采样系数 q 选定为 2）上绘制了归一化的频谱效率 (SE)，与 OFDM 子载波数目 N 进行 比较。
奈奎斯特脉冲整形与 OFDM 对频谱效率和峰均功率比 (PAPR) 的影响
图中显示了两种技术提供近似的频谱效率。 归一化峰均功率比 (PAPR) 的对比揭示了两者在不同程度上具有类似的特性。OFDM 时域 波形的 PAPR 更高。出现这种现象的原因是，在 OFDM 中，信号会呈现出高于平均功率 值的一些峰值。由此，OFDM 电路和测试仪器需要较高的动态范围，以避免因限制较高 的功率电平而引起失真。
OFDM 技术、MIMO 和波束赋形构成了移动通信技术的基础。
通过开发由多个发射和接收天线获得的空间分集，可以提升 MIMO 容量，进而在同一个频带内传输多个信号。通过相位阵列天线把信号直接输入到接收机，可以提升波束赋形容量，从而使位于不同方位角的其他用户能够重复使用同一个频率。
高质量 OFDM 信号具有高峰均功率比，并且对相位噪声和非线性极为敏感，因而对生成仪器的要求比较高。此外，OFDM 调制信号的测量通常还要求一个完整的具有多个不同的符号序列。而每个 OFDM 符号的周期也较长，因此，OFDM 调制信号的测量要求使用比单载波调制更长的数据长度。Keysight 33500B波形/函数发生器拥有高幅度电平、16 位 DAC 分辨率和 16 MSa 记录长度，是生成 OFDM 信号的理想工具。
OFDM 信号生成不仅需要良好的波形发生器性能，还要使用长记录长度。DVB-T 信号( 8K 模式)需要几 MSa 空间来存储至少 68 个 OFDM 符号，以便携带接收机所需的 TPS 信息，从而恰当地进行信号解调。图中, Keysight 33522B 波形发生器生成的理想信号 (左图) 具备出色的调制质量性能 (MER > 45 db)。如右图所示，该信号是在函数发生器中，设置正交误差 (5 度) 和幅度失衡 (2%) 后输出的信号。分析仪测试结果显示了33522B 任意波形发生器失真控制的精度。
使用 OFDM调制方案的现代移动通信标准的子载波间隔
从上表可以看出，子载波间隔位于信号发生器的合成器或振荡器部分中。为例达到预期调制质量性能，您需要尽可能降低特定载波相位噪声的频率偏置。
需要注意的是，在相位噪声性能较差的本振进行变频，该子载波的相位噪声会以干扰的形式扩展到其他子载波中，如下图所示。 相位噪声会降低 OFDM 信号的调制质量。
信号分析仪中相位噪声性能不佳的本振对 OFDM 子载波的影响
OFDM 的缺点
OFDM 有两个明显缺点: 一个是插入循环前缀降低了频谱效率，另一个是存在极大的带外发射。相比之下，滤波器组多载波 (FBMC） 的优势在于能够高效利用所分配的频谱，以及能够为频谱感知应用生成或占用频谱 "空洞"。
我们可以使用 SystemVue 及其 5G 基带探测程序库可以证明这一点。
下图显示了 OFDM (橙色轨迹)和 FBMC (蓝色、绿色和黑色) 频谱的仿真结果。FBMC 频谱有从 2 (蓝色) 到 4 (黑色) 不同的重叠系数，与 OFDM (橙色) 相比，FBMC 在带外频谱功率方面有所改善。
与 OFDM 相比，FBMC 的重叠更多，因此带外功率得到改善
谈到OFDM，我们必须谈谈OFDMA！
OFDM和OFDMA有什么区别?
前面我已经介绍了，OFDM(OrthogonalFrequency Division Multiplexing)即正交频分复用，而Orthogonal FrequencyDivision Multiple Access(OFDMA) 是OFDM多址接入技术。
从字面就可以看到，OFDM是一种技术方案，而OFDMA则是对OFDM这中技术具体实现的一种技术。在利用OFDM对信道进行子载波化后，在部分子载波上加载传输数据的传输技术。OFDMA多址接入系统将传输带宽划分成正交的互不重叠的一系列子载波集，将不同的子载波集分配给不同的用户实现多址。OFDMA系统可动态地把可用带宽资源分配给需要的用户，很容易实现系统资源的优化利用。
OFDMA 支持多用户模式
802.11a 标准将 OFDM 引入 WLAN 标准，使用整个信道带宽内的多个子载波每次向一个用户发送单个数据包。如果数据没有多到需要使用全部频谱，那么这种数据包发送方式可能会浪费频谱资源。
OFDM 和 OFDMA 的比较
802.11ax 是第一个使用正交频域多址接入（OFDMA）的 WLAN 标准，能够同时向多个用户传输数据包。这项技术已经扩展到 WiMAX 和 LTE 等其他标准，并将在 5G NR中使用。
OFDMA 可以将带宽划分成不同大小的资源单元（RU），同时根据数据吞吐量要求，可以为每个用户分配不同数量和大小的 RU 来传输数据。RU 的大小可以是26、52、106、242、484、996 或 2x996 个音频或子载波，而 RU 的位置可以根据20 MHz、40 MHz 和 80 MHz 信道来定义。单个 160 MHz 或 80 + 80 MHz 传输的每个 80 MHz 部分使用 80 MHz RU 结构。下图 显示了 80 MHz 信道的 RU 位置。
在 80 MHz 带宽传输中的 RU 位置
802.11ax 通过采用 OFDMA 方案，以及利用接入点（AP）调度并启动上行链路传输，允许多个 STA 同时进行传输，可以解决这个效率低下的问题。AP 发送触发帧以启动上行链路传输。触发帧指示正在传输哪些 STA、传输长度以及特定用户信息，例如功率电平、RU 分配和使用的 MCS。在较短的帧间间隔（SIFS）后 — 2.4 GHz 频段为10 μs，5 GHz 频段为 16 μs，所有指定的 STA 都会响应数据传输。使用基于 HE 触发的 PPDU 帧格式，这些传输可以同时发生，并且所有 STA 的数据包长度都相同。在收到上行链路（UL）数据包后，AP 会发送确认消息。
使用触发帧的上行链路 OFDMA
来源：是德科技
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