OFDM正交频分复用是怎么回事：从子载波、FFT到5G里的实际用法
OFDM这个词在通信圈里出现的频率太高了，WiFi、4G、5G、数字电视、电力线载波，背后几乎都是它在撑着。名字看着唬人，拆开看其实就一句话：把一条宽带拆成很多条窄带，让它们同时跑，互不打架。
先说说它为什么会被发明出来。无线信道最大的麻烦是多径效应，信号打到墙、楼、山体上会反射回来，不同路径到达接收端的时间不一样，码元就叠在一起了，这在单载波高速传输里是致命的。速率越高，码元越短，越容易被这点时间差搞乱。OFDM的办法是把高速数据分成很多路低速数据，每一路占一个很窄的子载波，码元变长了，多径带来的相对影响就小很多。再加上循环前缀（CP），把前面的干扰直接扔掉，剩下的部分基本不受影响。
还有个关键点是正交。子载波之间的间隔正好等于符号速率的倒数，这样在频域上它们互相重叠但数学上不干扰，频谱利用率一下就上去了。听起来很难实现，其实靠IFFT和FFT就搞定了：发送端做一次逆变换把频域数据变成时域波形，接收端做一次正变换还原回来，复杂度从原来的一堆调制器降到一个算法，这也是OFDM能大规模商用的原因。
工程上还有几个细节绕不开。一是峰均比（PAPR）高，多个子载波叠加后偶尔会冒出很高的峰值，功放得留足余量，不然就削顶失真，所以实际系统里会做限幅、预失真或者预留子载波。二是同步要求严，频率偏差和定时偏差会让正交性被破坏，产生子载波间干扰（ICI），所以前导序列和导频设计得很讲究。三是相位噪声和载波泄漏，在低成本射频前端上尤其明显。
具体到我们熟悉的场景：WiFi 6用的是OFDMA，把子载波分组成资源单元（RU），多个用户可以在同一时刻各占一块，这就是它比老WiFi更能扛多设备的原因。4G LTE的载波带宽是1.4M到20M，子载波间隔15kHz；5G为了应对高频和低时延，引入了30kHz、60kHz甚至120kHz的子载波间隔，还配了更灵活的 numerology。数字电视DVB-T、电力线通信PLC、甚至一些工业无线协议，也都在用这一套。
它的缺点也得说清楚。OFDM对频偏和相位噪声敏感，带外泄漏也大，所以实际系统都要加窗或者滤波，5G里的CP-OFDM和DFT-s-OFDM就是针对不同场景做的取舍：前者灵活、适合大带宽，后者峰均比低、适合上行省电。另外它的频谱效率在短包场景下并不占优，这是做物联网通信时要考虑的地方。
如果只是想快速理解，记住这个类比就够了：OFDM像一条多车道的高速路，每辆车速度不用很快，但大家并行跑，总流量照样很大；遇到路面颠簸（多径），每辆车受影响的时间占比小，再在每段路前面留点缓冲（循环前缀），整体就稳了。理解了这一层，再看那些参数表就不会一头雾水。
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