淺談COFDM系統的優缺點及關鍵技術

王成皇 鄭昕 陳德旭

摘 要：正交頻分復用技術是一種多載波數字調制技術，由于其頻譜利用率高、成本低等原因越來越受到人們的關注。

關鍵詞：OFDM 正交 頻分復用

一、正交頻分復用（OFDM）概念

隨著人類社會的發展，科學技術不斷進步，人們對“無線生活”的依賴程度越來越高。為了承載各種多媒體無線傳輸應用，無線通信系統對速率的要求越來越高。在近些年比較有發展潛力的新技術中，OFDM以其獨特的優勢和特點成為最大的一個亮點。OFDM是目前世界上廣泛采用的調制技術之一，例如，在最近幾年中發展迅速的4G技術中OFDM技術就是其中的核心技術之一。

OFDM技術把高速的數據流通過串并變換，分配到速率相對較低的若干個頻率子信道中進行傳輸，這樣每個子數據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符號再去調制相應的子載波，就構成多個低速率符號并行發送的傳輸系統，由于每個子載波的調制符號較低，這樣碼元的周期相對較長，因而對時延擴展有較強的抵抗力。正交頻分復用是對多載波調制的一種改進，它的特點是各子載波相互正交，所以擴頻調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據信息，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技術是信道編碼技術和OFDM技術相結合的產物，由于采用了信道編碼技術，COFDM技術擁有強大的糾錯功能，且大大提高了其抗多徑衰落能力、抗多普勒頻移能力。由于擁有這些優勢，可以在非通視和高速移動條件下實現視頻、音頻、數據的有效傳輸。

二、COFDM的優勢

COFDM是信道編碼和OFDM調制技術的結合，有成為新一代無線通信核心技術的趨勢，相對于其他調制方式，COFDM主要有以下優點：

1.COFDM系統頻譜利用率高。傳統頻分復用系統為避免各子載波間相互干擾，子信道需相互分離，頻譜浪費嚴重。而COFDM系統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，FFT處理使得各子載波可以部分重疊，當子載波的個數趨于無限個時，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系統具有“繞射”能力。生活中所用到的無限傳輸常常在建筑物等遮擋的情況下使用，COFDM系統由于采用了多載波等技術，因此相比傳統調制技術，其在非視距范圍內可以提供可靠穩定的圖像傳輸，克服了傳統微波設備必須在通視條件下傳輸圖像或語音的缺陷，因此適合在城區、建筑物內等非通視的環境中進行圖像和語音傳輸。

3.COFDM系統可以有效的消除碼間串擾（ISI）。數據流通過串并轉換，使得每個子載波的數據符號長度相對增加，從而可以有效地減小無線信道的時間彌散所帶來的ISI，這樣就減小了接收機內均衡的復雜度，有時甚至可以不采用均衡器，僅通過采用插入循環前綴的方法來消除ISI的不利影響。

4.COFDM系統具有較好的抗多徑衰落的性能。與傳統的調制方式不同，COFDM不是采用一個較寬的信道傳輸數據，而是將數據調制到相互正交的子信道上來傳輸，而每個子信道的帶寬都很窄，因此每個子信道的信號衰落都是一種水平衰落。另外COFDM采用了信道估計技術、糾錯編碼技術和頻率時間交織技術等，而這些技術可以有效降低信號的頻率選擇性，隨著頻率選擇性的降低，由于頻率選擇性而造成的信號衰落現象也得以克服或減少。

5、頻譜資源分配靈活。COFDM系統可以通過靈活的選擇子載波進行傳輸，以實現動態頻域資源的分配，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性能。

三、COFDM的不足

1.COFDM系統對載波頻偏和相位噪聲比較敏感。由于COFDM系統要求各子載波間具有嚴格的正交性，只要信道載波產生一點頻率偏移都會對系統造成比較嚴重的影響，形成子信道間干擾；而射頻信號在從發射端到接收端的傳輸過程中總會存在多普勒效應（多普勒頻移，頻移大小和運動速度有關，速度越大頻移也越大），因此多普勒頻移會造成載波頻偏，而COFDM系統子信道的帶寬一般很窄，只是很小的頻移也會對系統造成明顯的信噪比下降。COFDM發射端和接收端的頻率上變頻和下變頻的過程中會產生一定的相位噪聲，而相位噪聲同樣會造成子信道間干擾，造成系統的信噪比下降。

2.COFDM系統較為復雜。COFDM采用了糾錯編碼技術、頻率時間交織技術、自適應調制技術等，這些技術的使用雖然可以提高COFDM系統的穩定性和效率以及降低誤碼率等，但同時也使得COFDM調制和解調方面的設計與實現的難度和復雜度都有所增加。

3、存在較高的峰值平均功率比。與單載波系統相比，由于多載波調制系統的輸出是多個子信道信號的疊加，因此如果多個信號的相位一致時，所得到的疊加信號的瞬時功率就會遠遠大于信號的平均功率，導致出現較高的峰值平均功率比。這樣就對發射機內放大器的線性提出了很高的要求，如果放大器的動態范圍不能滿足信號的變化，則會為信號帶來畸變，使疊加信號的頻譜發生變化，從而導致各個子信道信號之間的正交性遭到破壞，產生相互干擾，使系統性能惡化。

四、COFDM的關鍵技術

1.同步技術。COFDM系統對定時和頻率偏移敏感，由于無線信號在傳輸中出現頻率偏移，造成COFDM子載波間正交性遭到破壞，子信道信號之間互相干擾，接收端的誤碼率將會增大，特別是實際應用中與FDMA、TDMA和CDMA等多址接入方式結合使用時，時域和頻域同步顯得尤為重要。

2.糾錯編碼。由于無線通信中各種干擾信號在傳輸過程中會產生一些誤碼，因此在無線視頻監控中這些誤碼會造成視頻圖像的斷裂、馬賽克以及圖像停頓等現象。為了提高數字通信系統的性能，信道編碼和交織是常采用的方法。對于衰落信道的隨機錯誤，用信道編碼技術來提高接收端的準確度，降低誤碼率。對于衰落信道的突發錯誤，可以采用交織技術，提高接收端的性能。

3.峰均功率比。COFDM信號具有較高的峰均功率比，這就要求發射端對高功率放大器的線性性能很高且發送功率極低，接收端對前端放大器以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系統的性能大大下降，甚至影響實際應用。為了降低峰均功率比，人們提出了基于信號畸變、信號編碼技術、選擇映射技術以及部分傳輸技術。

結語

COFDM作為一種可以有效對抗符號間干擾的高速傳輸技術，目前已經成功地應用于非對稱數字用戶環路、無線本地環路、數字音頻廣播、高清晰電視、無線局域網等系統中，它在無線通信中的應用已是大勢所趨。

參考文獻

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