浅谈COFDM系统的优缺点及关键技术

　　摘 要：正交频分复用技术是一种多载波数字调制技术，由于其频谱利用率高、成本低等原因越来越受到人们的关注。
　　关键词：OFDM 正交 频分复用
　　一、正交频分复用（OFDM）概念
　　随着人类社会的发展，科学技术不断进步，人们对“无线生活”的依赖程度越来越高。为了承载各种多媒体无线传输应用，无线通信系统对速率的要求越来越高。在近些年比较有发展潜力的新技术中，OFDM以其独特的优势和特点成为最大的一个亮点。OFDM是目前世界上广泛采用的调制技术之一，例如，在最近几年中发展迅速的4G技术中OFDM技术就是其中的核心技术之一。
　　OFDM技术把高速的数据流通过串并变换，分配到速率相对较低的若干个频率子信道中进行传输，这样每个子数据流将具有低得多的比特速率，用这样的低比特率形成的低速率多状态符号再去调制相应的子载波，就构成多个低速率符号并行发送的传输系统，由于每个子载波的调制符号较低，这样码元的周期相对较长，因而对时延扩展有较强的抵抗力。正交频分复用是对多载波调制的一种改进，它的特点是各子载波相互正交，所以扩频调制后的频率可以相互重叠，只要满足子载波相互正交就可以从混叠的子载波上分离出数据信息，这样不但减小了子载波间的相互干扰，还大大提高了频谱利用率。
　　COFDM技术是信道编码技术和OFDM技术相结合的产物，由于采用了信道编码技术，COFDM技术拥有强大的纠错功能，且大大提高了其抗多径衰落能力、抗多普勒频移能力。由于拥有这些优势，可以在非通视和高速移动条件下实现视频、音频、数据的有效传输。
　　二、COFDM的优势
　　COFDM是信道编码和OFDM调制技术的结合，有成为新一代无线通信核心技术的趋势，相对于其他调制方式，COFDM主要有以下优点：
　　1.COFDM系统频谱利用率高。传统频分复用系统为避免各子载波间相互干扰，子信道需相互分离，频谱浪费严重。而COFDM系统各子载波间存在正交性，允许相邻子信道频谱重叠，具有非常高的频谱利用率，FFT处理使得各子载波可以部分重叠，当子载波的个数趋于无限个时，在理论上频谱利用率可以接近奈奎斯特极限，也就是2Baud/Hz。
　　2.COFDM系统具有“绕射”能力。生活中所用到的无限传输常常在建筑物等遮挡的情况下使用，COFDM系统由于采用了多载波等技术，因此相比传统调制技术，其在非视距范围内可以提供可靠稳定的图像传输，克服了传统微波设备必须在通视条件下传输图像或语音的缺陷，因此适合在城区、建筑物内等非通视的环境中进行图像和语音传输。
　　3.COFDM系统可以有效的消除码间串扰（ISI）。数据流通过串并转换，使得每个子载波的数据符号长度相对增加，从而可以有效地减小无线信道的时间弥散所带来的ISI，这样就减小了接收机内均衡的复杂度，有时甚至可以不采用均衡器，仅通过采用插入循环前缀的方法来消除ISI的不利影响。
　　4.COFDM系统具有较好的抗多径衰落的性能。与传统的调制方式不同，COFDM不是采用一个较宽的信道传输数据，而是将数据调制到相互正交的子信道上来传输，而每个子信道的带宽都很窄，因此每个子信道的信号衰落都是一种水平衰落。另外COFDM采用了信道估计技术、纠错编码技术和频率时间交织技术等，而这些技术可以有效降低信号的频率选择性，随着频率选择性的降低，由于频率选择性而造成的信号衰落现象也得以克服或减少。
　　5、频谱资源分配灵活。COFDM系统可以通过灵活的选择子载波进行传输，以实现动态频域资源的分配，从而充分利用频率分集和多用户分集，最终获得最佳的系统性能。
　　三、COFDM的不足
　　1.COFDM系统对载波频偏和相位噪声比较敏感。由于COFDM系统要求各子载波间具有严格的正交性，只要信道载波产生一点频率偏移都会对系统造成比较严重的影响，形成子信道间干扰；而射频信号在从发射端到接收端的传输过程中总会存在多普勒效应（多普勒频移，频移大小和运动速度有关，速度越大频移也越大），因此多普勒频移会造成载波频偏，而COFDM系统子信道的带宽一般很窄，只是很小的频移也会对系统造成明显的信噪比下降。COFDM发射端和接收端的频率上变频和下变频的过程中会产生一定的相位噪声，而相位噪声同样会造成子信道间干扰，造成系统的信噪比下降。
　　2.COFDM系统较为复杂。COFDM采用了纠错编码技术、频率时间交织技术、自适应调制技术等，这些技术的使用虽然可以提高COFDM系统的稳定性和效率以及降低误码率等，但同时也使得COFDM调制和解调方面的设计与实现的难度和复杂度都有所增加。
　　3、存在较高的峰值平均功率比。与单载波系统相比，由于多载波调制系统的输出是多个子信道信号的叠加，因此如果多个信号的相位一致时，所得到的叠加信号的瞬时功率就会远远大于信号的平均功率，导致出现较高的峰值平均功率比。这样就对发射机内放大器的线性提出了很高的要求，如果放大器的动态范围不能满足信号的变化，则会为信号带来畸变，使叠加信号的频谱发生变化，从而导致各个子信道信号之间的正交性遭到破坏，产生相互干扰，使系统性能恶化。
　　四、COFDM的关键技术
　　1.同步技术。COFDM系统对定时和频率偏移敏感，由于无线信号在传输中出现频率偏移，造成COFDM子载波间正交性遭到破坏，子信道信号之间互相干扰，接收端的误码率将会增大，特别是实际应用中与FDMA、TDMA和CDMA等多址接入方式结合使用时，时域和频域同步显得尤为重要。
　　2.纠错编码。由于无线通信中各种干扰信号在传输过程中会产生一些误码，因此在无线视频监控中这些误码会造成视频图像的断裂、马赛克以及图像停顿等现象。为了提高数字通信系统的性能，信道编码和交织是常采用的方法。对于衰落信道的随机错误，用信道编码技术来提高接收端的准确度，降低误码率。对于衰落信道的突发错误，可以采用交织技术，提高接收端的性能。
　　3.峰均功率比。COFDM信号具有较高的峰均功率比，这就要求发射端对高功率放大器的线性性能很高且發送功率极低，接收端对前端放大器以A/D变换器的线性度要求也很高，因此高的峰均功率比使得COFDM系统的性能大大下降，甚至影响实际应用。为了降低峰均功率比，人们提出了基于信号畸变、信号编码技术、选择映射技术以及部分传输技术。
　　结语
　　COFDM作为一种可以有效对抗符号间干扰的高速传输技术，目前已经成功地应用于非对称数字用户环路、无线本地环路、数字音频广播、高清晰电视、无线局域网等系统中，它在无线通信中的应用已是大势所趋。
　　参考文献
　　[1]张海滨.正交频分复用的基本原理与关键技术[M].国防工业出版社，2006.
　　[2]曹雪虹.信息论与编码（第二版）[M].清华大学出版社，2009（2）.
　　[3]樊昌信，通信原理（第5版）[M].北京：国防工业出版社，2003.

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