3.1 正交分頻多工技術基本原理
正交分頻多工(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)系統 的基本原理，是將原有的資料傳輸序列分配在多個不同的子載波(subcarrier) 上平行傳送，如圖3.1所示。
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圖3.1 多載波傳輸示意圖
因此在時域上每一子載波上的傳輸時間間隔增為原本時間間隔的數倍，使得 在每個子載波上的符元持續時間(symbol duration time)增加，因此可以降低由 多重路徑延遲擴散所引起的符際干擾(Inter Symbol Interference，ISI)。在頻 域上，若共使用N 個子載波，則相對於原本串列傳輸而言，各個子載波的頻寬 相對變小N 倍，於是在遭遇到多重路徑衰減通道時，通道之同調頻寬(coherence bandwidth)便大於子載波的頻寬，因此對於個別的子載波而言，可視為平坦衰減 (flat fading)的通道。
正交分頻多工系統中，子載波上所傳送的符元(symbol)調變方式通常使用相 移鍵(Phase-Shift Keying，PSK)或正交振幅調變(Quadrature-Amplitude Modulation，QAM)，所有子載波的符元一起構成一個正交分頻多工區塊，其時域
上述基本的類比式正交分頻多工系統需要多組的振盪器傳送正交分頻多工 所引起延遲效應會所造成所謂的載波間干擾(Inter Carrier Interference，ICI) 的問題。除此之外多重路徑傳輸延遲也會造成正交分頻多工系統中不同符元間的 干擾(Inter Symbol Interference，ISI)。
為了消除此干擾，在每一正交分頻多工區塊中加入保護區間，如圖3.3所示。
保護區間通常是由一個符元的循環字首(cyclic prefix，CP)所構成，亦即將符 元後面部份資料複製至符元之前。當最大路徑延遲不超過保護區間的長度時，系 統能夠確保正交分頻多工區塊不會受到上一個正交分頻多工區塊的干擾。
OFDM Block
FFT Interval Guard
Time
Where the is the same Where the is the same
圖3.3 正交分頻多工系統之保護區間示意圖
除此之外，複製符元後面部份資料至保護區間，只要最大路徑傳輸延遲小於 保護區間，則在一個完整快速傅立葉轉換之區間中總是有整數倍週期的弦波，如 此可以維持子載波間的正交性，可以避免造成引起載波間干擾的問題。以圖3.4 [8]為例子做說明。
圖3.4 傳輸延遲延展小於保護區間示意圖[8]
當通道有兩條路徑傳輸時，實線部份代表第一路徑，而虛線部份代表第二路 徑，第二路徑為第一路徑的延遲信號。注意在正交分頻多工符元邊界處會發生相 位跳躍的情形，用來表示不同符元之間的不連續。對於虛線信號而言，其相位跳 躍發生在第一個路徑之後的某一特定延遲，當此延遲小於保護區間，則在完整的 快速傅立葉轉換區間中不會有相位跳躍的情況發生，雖然延遲信號在快速傅立葉 轉換後仍會造成子載波相位偏轉(phase rotation)，然而因為有週期延伸的保護 區間存在，使得載波之間仍然維持正交性。相位偏轉可利用通道估測的方式加以 補償，因此接收端仍可做正確的解調變。
3.3 正交分頻多工系統之優缺點
正交分頻多工系統主要的優點如下：
z 正交分頻多工系統藉由複製符元後面部份資料至保護區間可以簡單地克服 延遲擴散所引起的信號干擾，所以正交分頻多工系統能抵抗多路徑傳輸的干擾，
所以不需要複雜的時域等化器，可降低複雜度。
z 由於窄頻干擾只能影響很少比例的載波數目，正交分頻多工系統能將信號分 散至不同的子載波上，所以具有頻率分集(frequency diversity)的作用，比傳 統單載波更能夠對抗窄頻干擾。
然而正交分頻多工系統也有兩個主要的缺點待克服：
z 功率峰對平均值(Peak-to-Average Power Ratio，PAPR)問題：
正交分頻多工系統經過快速傅立葉轉換後會將數個子載波相加,這會造成嚴 重的功率峰對平均值問題，造成功率放大器非線性失真，使得放大器的設計複雜 度提升。
z 正交分頻多工系統對於載波頻率偏移、取樣頻率偏移相當敏感，而這些偏移 會造成子載波正交性被破壞而造成載波間干擾，因此對同步要求相當嚴格。