- 什么是OFDM？ (核心思想)
- 为什么Wi-Fi需要OFDM？ (解决了什么问题)
- OFDM是如何工作的？ (技术原理简述)
- OFDM在802.11中的具体应用 (与不同Wi-Fi标准的结合)
- OFDM的优点和缺点
什么是OFDM？(核心思想)
OFDM 的全称是 正交频分复用，它是一种特殊的 多载波调制 技术。
（图片来源网络，侵删）
为了理解它,我们先做一个简单的类比：
- 传统的单载波通信 (如早期Wi-Fi 802.11a/b/g): 想象一下，你要把一整车的货物（数据）从A点运到B点，但路很崎岖，有很多坑洼（多径效应），如果车速太快（高数据率），货物很容易因为颠簸而散落或损坏（码间串扰）。
- OFDM多载波通信: 你不再用一辆大车，而是用 几百辆小马车 来运这批货，每辆小马车只运一小部分货物，而且它们并排行驶在不同的车道上（正交子载波），因为每辆车的速度慢（低符号率），即使路面有颠簸，货物也不容易散落，在B点再把所有马车上的货物汇集起来，就完成了运输。
核心概念： OFDM 将一个高速的数据流，分解成许多个并行的、低速的子数据流，然后每个子数据流分别调制在不同的、相互正交的子载波上进行传输。
为什么Wi-Fi需要OFDM？(解决了什么问题)
在无线通信环境中,有几个“天敌”严重影响数据传输的质量和速度：
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多径效应:
（图片来源网络，侵删）- 问题： 无线电信号在传播过程中会遇到墙壁、家具、人体等障碍物，从而产生反射、衍射，接收端会收到多个不同时间到达的信号副本，它们相互叠加，会导致严重的码间串扰，就像回声让声音变得模糊不清一样。
- OFDM的解决方案： OFDM通过 循环前缀 来解决这个问题，在每个OFDM符号（一辆马车）的头部，会复制一小段符号的尾部数据，只要多径效应造成的时延差小于这个循环前缀的长度，接收端就可以通过简单的处理（去掉循环前缀）来消除多径带来的干扰。
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频率选择性衰落:
- 问题： 无线信道在不同频率上的衰减是不同的，在某些频率上信号很强，而在另一些频率上信号可能很弱甚至被完全抑制，如果整个数据流都在一个很宽的频带上传输，那么一部分数据可能会因为频率衰落而丢失。
- OFDM的解决方案： OFDM将宽频带分成许多窄带子载波，即使其中几个子载波因为频率衰落而质量变差，但大部分子载波仍然可以正常工作，系统可以通过 信道编码（如前向纠错）来补偿受损的子载波数据，从而保证整体数据的可靠性。
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对高速数据传输的需求:
- 问题： 在一个载波上实现更高的数据率，就需要更短的符号周期，这使得系统对多径效应和定时误差更加敏感，非常不稳定。
- OFDM的解决方案： OFDM通过并行传输，大大降低了每个子载波的符号速率，延长了符号周期，使其对多径效应和时延不那么敏感，从而可以在更宽的频带上实现非常高的总数据速率。
OFDM是如何工作的？(技术原理简述)
OFDM的内部工作流程可以简化为以下几个步骤：
- 信道编码与交织： 原始数据先进行信道编码（增加冗余，用于纠错），然后交织打乱顺序，以对抗突发性错误。
- 星座图映射： 将编码后的比特流（0和1）映射到复平面上，形成不同的星座点（如QPSK、16-QAM、64-QAM、256-QAM等），每个星座点代表一个特定的幅度和相位，对应一个或多个比特。
- 串并转换： 将高速的串行比特流转换成并行的低速子数据流，有多少个子载波，就有多少路并行数据。
- IFFT (逆快速傅里叶变换)： 这是OFDM的核心，它将并行的频域子数据流转换成时域信号，并合在一起形成一个OFDM符号，IFFT的数学特性保证了这些子载波之间是 正交 的，即它们在频谱上重叠，但在接收端可以被完美分离，互不干扰。
- 添加循环前缀： 在IFFT后的时域信号前，复制一小段信号作为循环前缀，然后发送出去。
- 数模转换与射频发射： 将数字信号转换为模拟信号，上变频到射频频段，通过天线发射出去。
接收端则执行完全相反的步骤： 接收信号 -> 去除循环前缀 -> FFT (快速傅里叶变换) -> 并串转换 -> 星座图解映射 -> 信道解码 -> 解交织 -> 恢复原始数据。
OFDM在802.11中的具体应用
OFDM是现代Wi-Fi技术的基石，它首次被引入 11a 标准，并成为后续所有高速Wi-Fi标准的核心。
| Wi-Fi标准 | 发布年份 | 工作频段 | 调制技术 | 子载波数量 | 带宽 | 数据率 (理论) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 11a | 1999 | 5 GHz | OFDM | 52 | 20 MHz | 最高 54 Mbps |
| 11g | 2003 | 4 GHz | OFDM (与DSSS共存) | 52 | 20 MHz | 最高 54 Mbps |
| 11n | 2009 | 4 & 5 GHz | OFDM (MIMO) | 114 (含导频) | 20/40 MHz | 最高 600 Mbps |
| 11ac | 2025/2025 | 5 GHz | OFDM (MIMO, 宽带) | 234/522 (含导频) | 20/40/80/160 MHz | 最高 6.93 Gbps |
| 11ax (Wi-Fi 6) | 2025 | 4 & 5 GHz | OFDM (OFDMA, 上/下行MU-MIMO) | 234/522 (含导频) | 20/40/80/160 MHz | 最高 9.6 Gbps |
| 11be (Wi-Fi 7) | 2025 | 4 & 5 & 6 GHz | OFDM (3200MHz带宽, PAM-4) | 234/522/2422 (含导频) | 20/40/80/160/320 MHz | 最高 46 Gbps |
关键演进：
- 11a/g: OFDM的首次大规模应用，将Wi-Fi速率从11Mbps提升到54Mbps。
- 11n: 在OFDM基础上引入了 MIMO (多输入多输出)，通过多个天线同时发送和接收数据流，成倍提升了速率。
- 11ac: 将OFDM的带宽从40MHz扩展到160MHz，并引入更高阶的调制（如256-QAM），速率大幅提升。
- 11ax (Wi-Fi 6): OFDM的进一步演进，引入了 OFDMA (正交频分多址)，这是OFDM思想的一个飞跃，它不再把整个信道分配给一个用户，而是将OFDM的子载波分组，分配给多个不同用户同时通信，大大提升了高密度场景下的效率和容量。
- 11be (Wi-Fi 7): OFDM的又一次巨大飞跃，支持 3200MHz的超大带宽 和 PAM-4调制（在相同符号速率下传输更多比特），结合4K QAM等技术，将速率推向新的高峰。
OFDM的优点和缺点
优点：
- 抗多径效应强： 循环前缀是应对多径干扰的“神器”。
- 频谱效率高： 子载波可以紧密重叠且正交，最大限度地利用了频谱资源。
- 支持高速率： 通过并行传输和宽信道，可以轻松实现数百兆甚至Gbps级别的速率。
- 灵活可扩展： 可以根据信道条件，动态地关闭或启用某些子载波，或者切换调制方式，以适应不同的环境。
- 易于与MIMO结合： OFDM的并行结构天然适合与MIMO技术协同工作。
缺点：
- 对频率偏移敏感： 发射机和接收机之间的振荡器频率不匹配，或移动产生的多普勒效应，会破坏子载波之间的正交性，导致性能下降。
- 高峰均功率比： OFDM信号是由多个子载波叠加而成，其瞬时功率可能会远大于平均功率，这要求功率放大器有很高的线性度，否则会产生失真和频谱泄漏，增加了硬件成本和功耗。
- 系统复杂度高： IFFT/FFT运算需要强大的数字信号处理能力，对硬件（如CPU、DSP）要求较高。
OFDM是现代Wi-Fi技术不可或缺的基石。 它通过“化整为零”的智慧，巧妙地解决了无线通信中多径效应和频率选择性衰落这两大顽疾，使得在复杂的无线环境中实现高速、可靠的无线局域网通信成为可能。
从802.11a的首次亮相，到Wi-Fi 6/7中OFDMA和超大带宽的演进，OFDM技术本身也在不断发展和完善，持续推动着Wi-Fi标准向更高速度、更低延迟和更大容量的方向前进，可以说，没有OFDM，就没有我们今天所熟知的千兆级Wi-Fi体验。
