深度解析无人机图传的OFDM技术原理

正交频分复用(OFDM=Orthogonal Frequency Division Multiplexing)是一种广泛使用的调制方案，是4G/5G移动通信系统的基础。在宽带多载波方案中，信息符号在紧密间隔的正交子载波上进行多路复用。这使得数据可以在并行信道上传输，只要子载波的正交性不被无线信道破坏。这种数据传输的关键优势是，其正交性属性允许使用单抽头均衡器来检测接收端的传输数据。因此，它提供了一个低复杂度的解决方案，以在频繁的选择性信道(如静态多径无线信道)中进行可靠的通信。   为了更好地了解什么是OFDM技术，收集整理了相关资料，OFDM技术系列主要分为以下四个部分：  

一、OFDM引论

 

 

 

 

 

OFDM优点	能有效对抗多径影响； 对抗频率选择性衰落； 频带利用率高
OFDM缺点	同步实现难度大； 发射机与接收机中需要完成复杂的FFT或IFFT运算； 对载波频偏敏感； 峰平比高

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

二、OFDM基本原理

 

 

 

 

 

 

串行 传输	传统串行通信系统中， 符号连续串行传输每个数据符号占用所有可用频带； 数据速率很高时， 在频率选择性衰落信道和多径时延扩展信道中会产生严重的符号间干扰。
并行 传输	单个数据只占用整个频带的一部分； 由于整个信道带宽被分割成多个窄带子频带， 单个信道的频率响应相对较为平坦； 并行传输体制提供了对抗串行传输体制频率选择性衰落的可能性。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

优点	能有效对抗时延扩展：（1）符号周期>>信道冲激响应时延扩展；（2）保护间隔； 能对抗频率选择性衰落：每个子信道均可看成是平坦衰落； 均衡简单：每个子信道均平坦衰落， 用很简单的均衡结构即可克服信道影响。 频带利用率高：子信道相互交叠且正交。
缺点	同步问题：（1）符号同步：定时误差；载波相位噪声。（2）频率同步：采样频率同步；载波频率同步； 发射机、 接收机需要FFT处理：复杂度较高； 对载波频率偏差敏感：造成ICI； 峰平比PAPR高： 影响1.使AD、DA变换的复杂度大大提高。 影响2.降低了射频功率放大器的效率。 解决方案：1.信号畸变技术：采用非线性变换降低峰值附近幅度。2.编码技术：采用特殊设计的前向纠错码。3.扰码技术： 对OFDM符号采用不同序列进行加扰处理以得到较小的峰平比。

在基于OFDM技术的通信系统中，FFT/IFFT起着重要作用。随着半导体产业逐渐成熟，大规模集成电路有利支撑起复杂电路运算，以FPGA和基带SoC芯片为代表的基带处理器，在4G时代逐渐走向市场。   在现代无线通信中，通常还会在收发链路中增加信道编/解码、加/解扰、MIMO天线预编码等处理。同时，为了灵活适应不同通信应用场景，众多参数需要高层配置，高速低延时的实际需求，这无疑会给基带设计带来巨大挑战。    

三、OFDM在AWGN信道中的性能

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

我们需要注意的是，在实际的通信中，通信信道并非是完全符合AWGN信道模型，可能经历室内/室外的复杂多径信道，同时也可能出现在高速场景中。因此，在高阶调制下，复杂的信道环境，会对通信系统的性能产生巨大的影响。   高斯分布或正态分布是一种统计特性，在无线通信中可用于建立信道模型，同时对于接收机的软解调算法具有重要的作用。   此外，我们可根据星座图分布情况，判断信道质量和接收机的性能。我们所希望看到的情况是，星座图尽可能分布在标准模板上，这样有利于信道解码。在实际情况中，受信道环境、路损或接收功率的影响，星座图不一定“完美”，可能出现发散、转圈、整体旋转等“意外”，则需要考虑是否SNR过低、存在时偏、频偏等。    

四、OFDM在经宽带信道的传输特性

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

对于OFDM系统来说，在进行帧结构设计时，需要考虑覆盖距离，进而确保CP的长度能够“抵消”信道传输延迟。   此外，考虑到硬件实现的复杂度和资源有限，需要在性能和可实现之间折中。比如，在信道估计中，既可以在频域做，也可以在时域做，但是，通常都选择在频域进行信道估计，这就是考虑了经过OFDM解调后，再次从频域转到时域，会多消耗资源并且处理时间增加。当然，若在时域做信道估计，估计精度可能优于频域信道估计。 同理，在信道均衡中，采用频频而非时域的原因，也考虑到在MIMO信道中卷积运算量大而复杂不利于硬件实现。   对于理解并实现OFDM系统而言，仅仅依靠这几篇图文是远远不能达到目的的，我们需要经过系统性的理解和链路设计，并在工程化项目中长期实战，才能掌握其中的奥妙。

编辑：黄飞