頻分復用:簡介,具體解釋,原理,正交,傳統方式,關鍵技術,同步技術,峰值平均功率,

頻分復用(FDM，Frequency Division Multiplexing)就是將用於傳輸信道的總頻寬劃分成若干個子頻帶（或稱子信道），每一個子信道傳輸1路信號。頻分復用要求總頻率寬度大於各個子信道頻率之和，同時為了保證各子信道中所傳輸的信號互不干擾，應在各子信道之間設立隔離帶，這樣就保證了各路信號互不干擾（條件之一）。頻分復用技術的特點是所有子信道傳輸的信號以並行的方式工作，每一路信號傳輸時可不考慮傳輸時延，因而頻分復用技術取得了非常廣泛的套用。頻分復用技術除傳統意義上的頻分復用(FDM)外，還有一種是正交頻分復用(OFDM)。

基本介紹

中文名：頻分復用
外文名：Frequency Division Multiplexing
套用學科：通信
相關：正交頻分復用(OFDM)

簡介,具體解釋,原理,正交,傳統方式,關鍵技術,同步技術,峰值平均功率,信道編碼和交織,優點,缺點,相關區別,

簡介

頻分復用的基本思想是：要傳送的信號頻寬是有限的，而線路可使用的頻寬則遠遠大於要傳送的信號頻寬，通過對多路信號採用不同頻率進行調製的方法，使調製後的各路信號在頻率位置上錯開，以達到多路信號同時在一個信道內傳輸的目的。因此，頻分復用的各路信號是在時間上重疊而在頻譜上不重疊的信號。

具體解釋

下圖中(a)(b)是一個以三路話音信號為例的頻分復用原理髮送端和接收端圖。圖中，LPF是低通濾波器，濾波器下方表明了濾波器的截止角頻率；BPF是帶通濾波器，濾波器下方表明了帶通濾波器的中心角頻率。

由於是話音信號，因此，其有效頻率被低通限制在3.4kHz以內，通過調製器取上邊帶後相加，相加器的輸出頻譜如圖1(c)所示。然後進行第二次調製，載波角頻率，用帶通濾波器取上邊帶送入信道。收端首先通過帶通濾波器取得信道中傳輸的信號，並阻止帶外噪聲的影響，經解調器解調後，由分路帶通濾波器分別取出相應的各路信號，再經解調器解調得三路信號f₁(t)，f₂(t)，f₃(t), 如圖1(b)所示。

由圖1(c)可見，第一次調製後取上邊帶所合成的頻譜為

到

，其中除了三路信號各占

寬的頻帶外，還有防止鄰路相互干擾的鄰路間隔防護頻帶。

這是一個複合調製系統，第二次調製只是將第一次調製後的合成頻譜再進行一次頻譜搬移，其頻頻寬度沒有改變。收端解調與發端調製正好相反，恢復各路調製信號，不會帶來路間干擾。

原理

所謂頻分復用是指按照頻率的不同來復用多路信號的方法。在頻分復用中，信道的頻寬被分為若干個相互不重疊的頻段，每路信號占用其中一個頻段，因而在接受端可以採用適當的帶通濾波器將多路信號分開，從而恢復出所需要的信號。

頻分復用系統組成原理，各路基帶信號首先通過低通波濾器限制基帶信號的頻寬，避免他們的頻譜出現相互混疊。然後，各路信號分別對各自的載波進行調製、合成後送入信道傳輸。在接收端，分別採用不同中心頻率的帶通濾波器分離出各路已調型號，解調後恢復出基帶信號。

正交

OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)實際是一種多載波數字調製技術。OFDM全部載波頻率有相等的頻率間隔，它們是一個基本振盪頻率的整數倍，正交指各個載波的信號頻譜是正交的。

OFDM系統比FDM系統要求的頻寬要小得多。由於OFDM使用無干擾正交載波技術，單個載波間無需保護頻帶，這樣使得可用頻譜的使用效率更高。另外，OFDM技術可動態分配在子信道中的數據，為獲得最大的數據吞吐量，多載波調製器可以智慧型地分配更多的數據到噪聲小的子信道上。OFDM技術已被廣泛套用於廣播式的音頻和視頻領域以及民用通信系統中，主要的套用包括：非對稱的數字用戶環線(ADSL)、數字視頻廣播(DVB)、高清晰度電視(HDTV)、無線區域網路(WLAN)和第4代(4G)移動通信系統等。

傳統方式

傳統的頻分復用典型的套用莫過於廣電HFC網路電視信號的傳輸了，不管是模擬電視信號還是數位電視信號都是如此，因為對於數位電視信號而言，儘管在每一個頻道(8 MHz)以內是時分復用傳輸的，但各個頻道之間仍然是以頻分復用的方式傳輸的。

關鍵技術

同步技術

與其它數字通信系統一樣，OFDM系統需要可靠的同步技術，包括定時同步、頻率同步和相位同步，其中頻率同步對系統的影響最大。移動無線信道存在時變性，在傳輸過程中會出現無線信號的頻率偏移，這會使OFDM系統子載波間的正交性遭到破壞，使子信道間的信號相互干擾，因此頻率同步是OFDM系統的一個重要問題。為了不破壞子載波間的正交性，在接收端進行FFT變換前，必須對頻率偏差進行估計和補償。

可採用循環前綴方法對頻率進行估計，即通過在時域內把OFDM符號的後面部分插入到該符號的開始部分，形成循環前綴。利用這一特性，可將信號延遲後與原信號進行相關運算，這樣循環前綴的相關輸出就可以用來估計頻率偏差。

峰值平均功率

由於OFDM信號在時域上為N個正交子載波信號的疊加，當這N個信號恰好都以峰值出現並將相加時，OFDM信號也產生最大峰值，該峰值功率是平均功率的N倍。這樣，為了不失真地傳輸這些高峰均值比的OFDM信號，對傳送端和接收端的功率放大器和A/D變換器的線性度要求較高，且傳送效率較低。解決方法一般有下述三種途徑：

⑴信號失真技術採用峰值修剪技術和峰值視窗去除技術，使峰值振幅值簡單地非線性去除；

⑵採用編碼方法將峰值功率控制和信道編碼結合起來，選用合適的編碼和解碼方法，以避免出現較大的峰值信號；

⑶擾碼技術採用擾碼技術，對所產生OFDM信號的相位重新設定，使互相關性為0，這樣可以減少OFDM的PAPR。這裡所採用的典型方法為PTS和SLM。

信道編碼和交織

為了對抗無線衰落信道中的隨機錯誤和突發錯誤，通常採用信道編碼和交織技術。OFDM系統本身具有利用信道分集特性的能力，一般的信道特性信息已被OFDM調整方式本身所利用，可以在子載波間進行編碼，形成編碼的OFDMCOFDM即把OFDM技術與信道編碼、頻率時間交織結合起來，提高系統的性能，其編碼可以採用各種碼（如分組碼和卷積碼）。

現狀及其發展方向：OFDM技術良好的性能使其在很多領域得到了廣泛的套用，如：HDSL、ADSL、VDSL、DAB和DVB，無線區域網路IEEE802.11a和HIPERLAN2，以及無線城域網IEEE802.16等系統中。而在4G中，一方面頻寬作為移動通信中非常希缺的資源，另一方面未來的移動通信對服務質量、服務的多樣性及傳輸速率要求越來越高，使得OFDM將得到更廣泛的套用。

優點

頻率復用系統的最大優點是信道復用率高，允許復用的路數多，同時它的分路也很方便。因此，它是模擬通信中最主要的一種復用方式，特別是在有線、微波通信系統及衛星通信系統內廣泛套用。例如，在衛星通信系統中的頻分多址(FDMA)方式，就是按照頻率的不同，把各地球站發射的信號安排在衛星頻帶內的指定位置進行頻分復用，然後，按照頻率不同來區分地球站站址，進行多址復用。

· 有效減少多徑及頻率選擇性信道造成接收端誤碼率上升的影響；

· 接收端可利用簡單一階均衡器補償信道傳輸的失真；

· 頻譜效率上升。

缺點

頻率復用系統的不足之處是收發兩端需要大量載頻，且相同載頻必須同步，設備較複雜。另外，還需要大量的各種頻帶範圍的邊帶濾波器。對它們的要求不僅是頻帶特性陡峭，而且對頻率的準確性和元件的穩定性都要求很高。第三頻率復用系統不可避免地產生路間干擾。其原因除了分路用的帶通濾波器特性不夠理想外，最主要是信道本身存在著非線性特性。例如，多路復用信號通過公用的放大器時，由於放大器的非線性失真會引起各路信號頻譜交叉重疊，這樣會帶來路間干擾，通常在傳輸話音信號時稱為路間串話。因此，為了提高傳輸質量，對信道的線性指標有嚴格的要求。

· 傳送與接收端需要精確的同步；

· 對於都卜勒效應頻率漂移敏感；

· 峰均比高；

· 循環前綴（Cyclic Prefix）造成的負荷。

頻分復用