淺談COFDM系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)及關(guān)鍵技術(shù)

　　摘 要：正交頻分復(fù)用技術(shù)是一種多載波數(shù)字調(diào)制技術(shù)，由于其頻譜利用率高、成本低等原因越來(lái)越受到人們的關(guān)注。
　　關(guān)鍵詞：OFDM 正交 頻分復(fù)用
　　一、正交頻分復(fù)用（OFDM）概念
　　隨著人類社會(huì)的發(fā)展，科學(xué)技術(shù)不斷進(jìn)步，人們對(duì)“無(wú)線生活”的依賴程度越來(lái)越高。為了承載各種多媒體無(wú)線傳輸應(yīng)用，無(wú)線通信系統(tǒng)對(duì)速率的要求越來(lái)越高。在近些年比較有發(fā)展?jié)摿Φ男录夹g(shù)中，OFDM以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)成為最大的一個(gè)亮點(diǎn)。OFDM是目前世界上廣泛采用的調(diào)制技術(shù)之一，例如，在最近幾年中發(fā)展迅速的4G技術(shù)中OFDM技術(shù)就是其中的核心技術(shù)之一。
　　OFDM技術(shù)把高速的數(shù)據(jù)流通過串并變換，分配到速率相對(duì)較低的若干個(gè)頻率子信道中進(jìn)行傳輸，這樣每個(gè)子數(shù)據(jù)流將具有低得多的比特速率，用這樣的低比特率形成的低速率多狀態(tài)符號(hào)再去調(diào)制相應(yīng)的子載波，就構(gòu)成多個(gè)低速率符號(hào)并行發(fā)送的傳輸系統(tǒng)，由于每個(gè)子載波的調(diào)制符號(hào)較低，這樣碼元的周期相對(duì)較長(zhǎng)，因而對(duì)時(shí)延擴(kuò)展有較強(qiáng)的抵抗力。正交頻分復(fù)用是對(duì)多載波調(diào)制的一種改進(jìn)，它的特點(diǎn)是各子載波相互正交，所以擴(kuò)頻調(diào)制后的頻率可以相互重疊，只要滿足子載波相互正交就可以從混疊的子載波上分離出數(shù)據(jù)信息，這樣不但減小了子載波間的相互干擾，還大大提高了頻譜利用率。
　　COFDM技術(shù)是信道編碼技術(shù)和OFDM技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，由于采用了信道編碼技術(shù)，COFDM技術(shù)擁有強(qiáng)大的糾錯(cuò)功能，且大大提高了其抗多徑衰落能力、抗多普勒頻移能力。由于擁有這些優(yōu)勢(shì)，可以在非通視和高速移動(dòng)條件下實(shí)現(xiàn)視頻、音頻、數(shù)據(jù)的有效傳輸。
　　二、COFDM的優(yōu)勢(shì)
　　COFDM是信道編碼和OFDM調(diào)制技術(shù)的結(jié)合，有成為新一代無(wú)線通信核心技術(shù)的趨勢(shì)，相對(duì)于其他調(diào)制方式，COFDM主要有以下優(yōu)點(diǎn)：
　　1.COFDM系統(tǒng)頻譜利用率高。傳統(tǒng)頻分復(fù)用系統(tǒng)為避免各子載波間相互干擾，子信道需相互分離，頻譜浪費(fèi)嚴(yán)重。而COFDM系統(tǒng)各子載波間存在正交性，允許相鄰子信道頻譜重疊，具有非常高的頻譜利用率，F(xiàn)FT處理使得各子載波可以部分重疊，當(dāng)子載波的個(gè)數(shù)趨于無(wú)限個(gè)時(shí)，在理論上頻譜利用率可以接近奈奎斯特極限，也就是2Baud/Hz。
　　2.COFDM系統(tǒng)具有“繞射”能力。生活中所用到的無(wú)限傳輸常常在建筑物等遮擋的情況下使用，COFDM系統(tǒng)由于采用了多載波等技術(shù)，因此相比傳統(tǒng)調(diào)制技術(shù)，其在非視距范圍內(nèi)可以提供可靠穩(wěn)定的圖像傳輸，克服了傳統(tǒng)微波設(shè)備必須在通視條件下傳輸圖像或語(yǔ)音的缺陷，因此適合在城區(qū)、建筑物內(nèi)等非通視的環(huán)境中進(jìn)行圖像和語(yǔ)音傳輸。
　　3.COFDM系統(tǒng)可以有效的消除碼間串?dāng)_（ISI）。數(shù)據(jù)流通過串并轉(zhuǎn)換，使得每個(gè)子載波的數(shù)據(jù)符號(hào)長(zhǎng)度相對(duì)增加，從而可以有效地減小無(wú)線信道的時(shí)間彌散所帶來(lái)的ISI，這樣就減小了接收機(jī)內(nèi)均衡的復(fù)雜度，有時(shí)甚至可以不采用均衡器，僅通過采用插入循環(huán)前綴的方法來(lái)消除ISI的不利影響。
　　4.COFDM系統(tǒng)具有較好的抗多徑衰落的性能。與傳統(tǒng)的調(diào)制方式不同，COFDM不是采用一個(gè)較寬的信道傳輸數(shù)據(jù)，而是將數(shù)據(jù)調(diào)制到相互正交的子信道上來(lái)傳輸，而每個(gè)子信道的帶寬都很窄，因此每個(gè)子信道的信號(hào)衰落都是一種水平衰落。另外COFDM采用了信道估計(jì)技術(shù)、糾錯(cuò)編碼技術(shù)和頻率時(shí)間交織技術(shù)等，而這些技術(shù)可以有效降低信號(hào)的頻率選擇性，隨著頻率選擇性的降低，由于頻率選擇性而造成的信號(hào)衰落現(xiàn)象也得以克服或減少。
　　5、頻譜資源分配靈活。COFDM系統(tǒng)可以通過靈活的選擇子載波進(jìn)行傳輸，以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)頻域資源的分配，從而充分利用頻率分集和多用戶分集，最終獲得最佳的系統(tǒng)性能。
　　三、COFDM的不足
　　1.COFDM系統(tǒng)對(duì)載波頻偏和相位噪聲比較敏感。由于COFDM系統(tǒng)要求各子載波間具有嚴(yán)格的正交性，只要信道載波產(chǎn)生一點(diǎn)頻率偏移都會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成比較嚴(yán)重的影響，形成子信道間干擾；而射頻信號(hào)在從發(fā)射端到接收端的傳輸過程中總會(huì)存在多普勒效應(yīng)（多普勒頻移，頻移大小和運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)，速度越大頻移也越大），因此多普勒頻移會(huì)造成載波頻偏，而COFDM系統(tǒng)子信道的帶寬一般很窄，只是很小的頻移也會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成明顯的信噪比下降。COFDM發(fā)射端和接收端的頻率上變頻和下變頻的過程中會(huì)產(chǎn)生一定的相位噪聲，而相位噪聲同樣會(huì)造成子信道間干擾，造成系統(tǒng)的信噪比下降。
　　2.COFDM系統(tǒng)較為復(fù)雜。COFDM采用了糾錯(cuò)編碼技術(shù)、頻率時(shí)間交織技術(shù)、自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)等，這些技術(shù)的使用雖然可以提高COFDM系統(tǒng)的穩(wěn)定性和效率以及降低誤碼率等，但同時(shí)也使得COFDM調(diào)制和解調(diào)方面的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的難度和復(fù)雜度都有所增加。
　　3、存在較高的峰值平均功率比。與單載波系統(tǒng)相比，由于多載波調(diào)制系統(tǒng)的輸出是多個(gè)子信道信號(hào)的疊加，因此如果多個(gè)信號(hào)的相位一致時(shí)，所得到的疊加信號(hào)的瞬時(shí)功率就會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于信號(hào)的平均功率，導(dǎo)致出現(xiàn)較高的峰值平均功率比。這樣就對(duì)發(fā)射機(jī)內(nèi)放大器的線性提出了很高的要求，如果放大器的動(dòng)態(tài)范圍不能滿足信號(hào)的變化，則會(huì)為信號(hào)帶來(lái)畸變，使疊加信號(hào)的頻譜發(fā)生變化，從而導(dǎo)致各個(gè)子信道信號(hào)之間的正交性遭到破壞，產(chǎn)生相互干擾，使系統(tǒng)性能惡化。
　　四、COFDM的關(guān)鍵技術(shù)
　　1.同步技術(shù)。COFDM系統(tǒng)對(duì)定時(shí)和頻率偏移敏感，由于無(wú)線信號(hào)在傳輸中出現(xiàn)頻率偏移，造成COFDM子載波間正交性遭到破壞，子信道信號(hào)之間互相干擾，接收端的誤碼率將會(huì)增大，特別是實(shí)際應(yīng)用中與FDMA、TDMA和CDMA等多址接入方式結(jié)合使用時(shí)，時(shí)域和頻域同步顯得尤為重要。
　　2.糾錯(cuò)編碼。由于無(wú)線通信中各種干擾信號(hào)在傳輸過程中會(huì)產(chǎn)生一些誤碼，因此在無(wú)線視頻監(jiān)控中這些誤碼會(huì)造成視頻圖像的斷裂、馬賽克以及圖像停頓等現(xiàn)象。為了提高數(shù)字通信系統(tǒng)的性能，信道編碼和交織是常采用的方法。對(duì)于衰落信道的隨機(jī)錯(cuò)誤，用信道編碼技術(shù)來(lái)提高接收端的準(zhǔn)確度，降低誤碼率。對(duì)于衰落信道的突發(fā)錯(cuò)誤，可以采用交織技術(shù)，提高接收端的性能。
　　3.峰均功率比。COFDM信號(hào)具有較高的峰均功率比，這就要求發(fā)射端對(duì)高功率放大器的線性性能很高且發(fā)送功率極低，接收端對(duì)前端放大器以A/D變換器的線性度要求也很高，因此高的峰均功率比使得COFDM系統(tǒng)的性能大大下降，甚至影響實(shí)際應(yīng)用。為了降低峰均功率比，人們提出了基于信號(hào)畸變、信號(hào)編碼技術(shù)、選擇映射技術(shù)以及部分傳輸技術(shù)。
　　結(jié)語(yǔ)
　　COFDM作為一種可以有效對(duì)抗符號(hào)間干擾的高速傳輸技術(shù)，目前已經(jīng)成功地應(yīng)用于非對(duì)稱數(shù)字用戶環(huán)路、無(wú)線本地環(huán)路、數(shù)字音頻廣播、高清晰電視、無(wú)線局域網(wǎng)等系統(tǒng)中，它在無(wú)線通信中的應(yīng)用已是大勢(shì)所趨。
　　參考文獻(xiàn)
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