详解正交频分复用技术及其应用

详解正交频分复用技术及其应用频分复用(FDM，FrequencyDivisionMultiplexing)就是将用于传输信道的总带宽划分成若干个子频带(或称子信道)，每一个子信道传输1路信号。频分复用要求总频率宽度大于各个子信道频率之和，同时为了保证各子信道中所传输的信号互不干扰，应在各子信道之间设立隔离带，这样就保证了各路信号互不干扰。频分复用技术的特点是所有子信道传输的信号以并行的方式工作，每一路信号传输时可不考虑传输时延。频分复用技术除传统意义上的频分复频分复用(FDM，FrequencyDivisionMultiplexing)就是将用于传输信道的总带宽划分成若干个子频带(或称子信道)，每一个子信道传输1路信号。频分复用要求总频率宽度大于各个子信道频率之和，同时为了保证各子信道中所传输的信号互不干扰，应在各子信道之间设立隔离带，这样就保证了各路信号互不干扰。频分复用技术的特点是所有子信道传输的信号以并行的方式工作，每一路信号传输时可不考虑传输时延。频分复用技术除传统意义上的频分复用(FDM)外，还有一种是正交频分复用(OFDM)，本文主要介绍正交频分复用(OFDM，OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing)。传统的频分复用（FDM）的优点是简单、直接。但是频谱的利用率低，子信道之间要留有保护频带，而且在频分路数N较大时多个滤波器的实现使系统复杂化。正交频分复用（OFDM）技术的基本思想就是在频域内将所给信道分成许多正交子信道，在每一个子信道上使用一个子载波进行调制，并且各子载波并行传输，这样，尽管总的信道并非平坦的，也就是说，具有频率选择性，但是每个子信道是相对平坦的，并且在每个信道上进行的是窄带传输，信号带宽小于信道的相关带宽，因此可以大大消除符号间干扰。OFDM实际是一种多载波数字调制技术。OFDM全部载波频率有相等的频率间隔，它们是一个基本振荡频率的整数倍，正交指各个载波的信号频谱是正交的。OFDM系统比传统FDM系统要求的带宽要小得多。由于OFDM使用无干扰正交载波技术，单个载波间无需保护频带，这样使得可用频谱的使用效率更高。另外，OFDM技术可动态分配在子信道中的数据，为获得最大的数据吞吐量，多载波调制器可以智能地分配更多的数据到噪声小的子信道上。目前OFDM技术已被广泛应用于广播式的音频和视频领域以及通信系统中。1OFDM技术的优点（1）OFDM技术实现了多载波调制（MCM），克服了多径接收，提高了系统的传输码率。（2）OFDM技术将给定信道分成许多正交子信道，在每个子信道上使用一个子载波进行调制，并且各子载波并行传输，大大消除信号波形间的干扰，也提高了频谱效率。（3）OFDM技术可适应不同设计需求，灵活分配数据容量和功率，便于提供灵活的高速和变速综合数据传输。（4）OFDM技术能提供较大的系统容量，且具有较强的抗多径干扰、抗频率选择性衰落和频率扩散能力，适应多径和移动信道传播条件。（5）OFDM技术可以实现较高的安全传输性能，它允许数据在高速的射频上编码。（6）OFDM技术能够持续不断地监控传输介质上通信特性的突然变化。能动态地接通或切断相应的载波，以保证持续地进行成功的通信。?2OFDM技术的缺点尽管OFDM有很大的优点，在技术上也还存在两个缺点：(1)OFDM的基础是子载波必须满足正交，如果正交性恶化，则整个系统的性能会严重下降，产生OFDM特有的子载波间串扰。在实际工作中由于无线衰落信道的时变性，往往会造成频率弥散，引起多普勒频移效应，从而影响载波频率正交性。如何实现子载波的精确同步是OFDM技术中的一个难点。(2)OFDM信号呈现很大的峰值平均功率比（PAPR），比单载波系统需要更宽的线性范围。由于采用DFT实现调制和解调，故对载波频率偏移、相位噪声和非线性放大更为敏感。若要避免信号失真和频谱扩展，则需要动态范围很大的线性放大器。如何降低信号的峰值平均功率比是OFDM技术中的另一个难点。由于上述原因，OFDM要求昂贵的、高精度的无线电器件。3OFDM在ADSL中的应用ADSL使用了正交频分复用技术将话音与数据分开，虽然话音与数据在同一条电话线上，但是话音和数据分别在不同的频带上运行，所以互不干扰。即使边打电话边上网，也不会发生上网速率下降，通话质量下降的情况。FLASH－OFDM是Flarion为了在主网上实现使用IP网络的永久接入服务而开发的传输技术。由于用户在高速互联网接入服务中可以无线方式永久接入，因此还被称为“无线版ADSL”。Nextel从2002年便开始对FLASH－OFDM进行技术检测和传输试验，韩国也有多家通信运营商进行试验服务。4OFDM在电力线通信中的应用电力线通信技术简称PLC(PowerLineCommunication)是指利用电力线传输数据和话音信号的一种通信方式。目前只需通过连接在电脑上的“电力猫”，再插入家中任何一个电源插座，就可以实现最高14M的速度上网冲浪，这一速度比ADSL目前最高限速512k快20多倍，而且使用成本低廉。然而，电力线作为通信信道，存在着高噪声、多径效应和衰落的特点。OFDM技术能够在抗多径干扰、信号衰减的同时保持较高的数据传输速率，在具体实现中还能够利用离散傅立叶变换简化调制解调模块的复杂度。OFDM技术用于提高电力线网络的传输质量，即使在配电网受到严重干扰时，OFDM仍可提供带宽并且保证带宽传输效率。因此它在电力线高速通信系统中的应用有着非常乐观的前景。5OFDM在有线电视网络中的应用目前，为了提供上行回传信道，HFC接入网可采用SDM(空分复用法)、TDM(时分复用法)、WDM(波分复用法)和OFDM(正交频分复用法)等方式。但目前解决同轴电缆分配网双向传输的主要手段还是正交频分复用法。空分复用法是采用双电缆线完成光节点以下信号的上下行传输，对于有线电视网来说，铺设双同轴电缆来完成双向传输，成本太高。时分复用法是在相同的传输介质上，对上行和下行信号进行时分复用，由于其技术较复杂，成本也较高，所以实际应用也不很广泛。波分复用法是采用单根光纤异波长双工工作方式，使上下行信号采用不同的光波长传送，波分复用法可用于光纤干线传输网部分。正交频分复用法是将光节点以下的电缆的工作频率作频率分割，利用不同的频段实现上下行信号的同时传输，一般低频段用于上行信道，高频段用于下行信道，上下行频段的分割点频率的高低，主要取决于HFC接入网要实现的功能和所需传输的信息量。另外，在HFC的共享设施上，数据的上行面临噪音对信号的干扰问题。信号抗干扰的能力取决于系统所采用的信号复用技术。宽带网络可以采用两种信号复用技术：TDM（时分复用）和OFDM（正交频分复用）。举个例子，在一个频率较大的射频载波上可以分出许多个DS-0信道。而对载波中任意部分的干扰都会破坏载波所承载的信号。这种情况会对TDM用户带来严重的通信可靠性问题，原因就在于窄带干扰总是随时随机出现。在理论上，避免干扰可以采用变频技术。可是，TDM采用的通信频带的大小必须和留作用来匹配变频的频带一样大。保留这么大的频带会严重地降低本已经存在局限的上行信道的信息承载能力。OFDM技术，采用的措施则不同。它们在每个信道中可以划分出多达240个的DS-0，但同时把每一个DS-0都放在了它自己所在的窄带频率载波上。单一的频率载波容易受到窄带干扰的影响，但是，把使用QPSK（四相移键控）的大量DS-0锁定的同类干扰却只能影响一个使用OFDM的DS-0，而其他DS-0则不受影响。这样，只需要在信道上保留一个小频段专门用来给受到影响的频率进行变频，而其他几乎所有的DS-0就都可以充分利用信道上的可用带宽了。当检测出对频率载波的干扰之后，受影响的DS-0即可重新分配给保留的载波之一传输，通常情况下不会引发线路的断开。TDM承载的信号特别容易受到脉冲干扰的影响。因为每个TDM时隙都拥有完整的2MHz带宽，信号速度必须很高。因此每个信号的持续时间都很短，信号就容易被短暂的脉冲噪音所覆盖。另一方面，OFDM可以同时传输很多信号、容许更长的符号周期却并不降低信息量。所以，在符号周期比较长的前提下，通常的脉冲比它能中断的符号周期短得多。结果载波噪音比的参数值就相当高，所以信息也可以保持其完整性和准确度了。假设载波噪音比确实因为较大的脉冲干扰而降低，对信号的中断影响也是有限的，而信号错误则可以通过纠错算法得以调整。6OFDM在数字电视中的应用目前全球共有3套国际数字电视地面传输系统标准，美国1996年高级电视系统委员会（ATSC）研发的ATSC8-VSB；欧洲1997年提出的数字视频地面广播DVB-TCOFDM；日本1999年提出的地面综合业务数字广播ISDB－TOFDM。