OFDM 正交频分复用技术

OFDM 基本原理

OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交频分复用）是一种多载波调制技术。它将高速数据流分割成多个低速子载波并行传输，每个子载波使用简单的调制方式（如 QPSK、16-QAM）。

为什么需要 OFDM？

无线信道中存在多径效应——信号通过不同路径到达接收端，造成符号间干扰（ISI）。OFDM 通过以下方式解决：

  1. 长符号周期：每个符号持续时间长于多径时延扩展

  2. 循环前缀（CP）：在符号前添加尾部副本，吸收多径延迟

  3. 正交子载波：子载波间距精确设计，互不干扰

OFDM 参数对比

标准

FFT 大小

子载波数

子载波间隔

符号周期

CP 长度

802.11a/g

64

48+4导频

312.5 kHz

3.2 μs

0.8 μs

802.11n (20MHz)

56

48+4导频

312.5 kHz

3.2 μs

0.8/0.4 μs

802.11ax (20MHz)

256

234+导频

78.125 kHz

12.8 μs

1.6/0.8/0.4 μs

OFDM 帧结构详解

802.11a/g OFDM 符号

|--- CP (0.8μs) ---||------- Data Symbol (3.2μs) -------|
                    | DC | 24 SC | Guard | 24 SC | Guard |
                    -24    -24..-1   0     +1..+24  ±25..±28

  • 总子载波：52（48 数据 + 4 导频）

  • 中心 DC 子载波：不使用（避免直流偏移）

  • 保护带：边缘 4 个子载波不使用（频谱掩模要求）

训练字段

| HL-LTF | STFT | LTFT | SIG | Data1 | Data2 | ... |
| 2×6.4μs| 0.8μs| 10×3.2μs| 3.2+0.8μs| 3.2+0.8μs|

  • STFT（Short Training Field）：10 个重复的短训练序列，用于 AGC、粗频率偏移估计和定时同步

  • LTFT（Long Training Field）：2 个长训练序列，用于精细信道估计

  • SIG（Signal Field）：包含速率信息，使用 BPSK 调制

FFT/IFFT 变换

OFDM 的核心是快速傅里叶变换（FFT）和逆快速傅里叶变换（IFFT）：

  • 发送端：并行数据 → IFFT → 时域信号 → 加 CP → DAC → RF

  • 接收端：RF → ADC → 去 CP → FFT → 并行数据

IFFT 输出示例（64-point）

# 伪代码示意
data = [d[-24], ..., d[-1], 0, d[1], ..., d[24]]  # 频域输入
time_signal = IFFT(data)                            # 时域输出
with_cp = time_signal[-CP:] + time_signal           # 添加循环前缀

循环前缀（Cyclic Prefix）的作用

循环前缀是 OFDM 符号末尾的一段副本，复制到符号开头：

  1. 消除 ISI：只要多径延迟 < CP 长度，就不会产生符号间干扰

  2. 保持正交性：将线性卷积转化为循环卷积，FFT 能正确解调

  3. 短 GI（Guard Interval）：802.11n 引入 400 ns CP，提升吞吐量约 25%

OFDM 的优势与局限

优势

  • 抗多径衰落：CP 吸收延迟扩展

  • 高频谱效率：子载波正交，无需保护带

  • 灵活的资源分配：不同子载波可使用不同调制方式（AM/VM）

  • 易于实现：基于 FFT/IFFT，纯数字处理

局限

  • 高 PAPR（Peak-to-Average Power Ratio）：对功放线性度要求高

  • 频率敏感：需要精确的频率同步

  • 多普勒敏感：高速移动场景性能下降

WiFi 6 OFDM 改进

802.11ax 将子载波间距缩小到原来的 1/4（78.125 kHz），带来：

  • 4x 用户密度支持：更多 RU 可分配

  • 更好的多普勒容忍度：更窄的子载波对频率偏移更鲁棒

  • 更高的频谱效率：在相同带宽内容纳更多用户