频分复用

通信术语

频分复用(FDM，Frequency Division Multiplexing)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（条件之一）。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，因而频分复用技术取得了非常广泛的应用。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)。

简介

频分复用的基本思想是：要传送的信号带宽是有限的，而线路可使用的带宽则远远大于要传送的信号带宽，通过对多路信号采用不同频率进行调制的方法，使调制后的各路信号在频率位置上错开，以达到多路信号同时在一个信道内传输的目的。因此，频分复用的各路信号是在时间上重叠而在频谱上不重叠的信号。

具体解释

图1中(a)(b)是一个以三路话音信号为例的频分复用原理发送端和接收端图。图1的(a)(b)中，LPF是低通滤波器，滤波器下方表明了滤波器的截止角频率；BPF是带通滤波器，滤波器下方表明了带通滤波器的中心角频率。

由于是话音信号，因此，其有效频率被低通限制在3.4kHz以内，通过调制器取上边带后相加，相加器的输出频谱如图1中(c)所示。然后进行第二次调制，载波角频率，用带通滤波器取上边带送入信道。收端首先通过带通滤波器取得信道中传输的信号，并阻止带外噪声的影响，经解调器解调后，由分路带通滤波器分别取出相应的各路信号，再经解调器解调得三路信号f1(t)，f2(t)，f3(t), 如图1中(b)所示。

由图1中(c)可见，第一次调制后取上边带所合成的频谱为到，其中除了三路信号各占宽的频带外，还有防止邻路相互干扰的邻路间隔防护频带。

这是一个复合调制系统，第二次调制只是将第一次调制后的合成频谱再进行一次频谱搬移，其频带宽度没有改变。收端解调与发端调制正好相反，恢复各路调制信号，不会带来路间干扰。

原理

所谓频分复用是指按照频率的不同来复用多路信号的方法。在频分复用中，信道的带宽被分为若干个相互不重叠的频段，每路信号占用其中一个频段，因而在接受端可以采用适当的带通滤波器将多路信号分开，从而恢复出所需要的信号。

频分复用系统组成原理，各路基带信号首先通过低通波滤器限制基带信号的带宽，避免他们的频谱出现相互混叠。然后，各路信号分别对各自的载波进行调制、合成后送入信道传输。在接收端，分别采用不同中心频率的带通滤波器分离出各路已调型号，解调后恢复出基带信号。

正交

OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)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。OFDM技术已被广泛应用于广播式的音频和视频领域以及民用通信系统中，主要的应用包括：非对称的数字用户环线(ADSL)、数字视频广播(DVB)、高清晰度电视(HDTV)、无线局域网(WLAN)和第4代(4G)移动通信系统等。

传统方式

传统的频分复用典型的应用莫过于广电HFC网络电视信号的传输了，不管是模拟电视信号还是数字电视信号都是如此，因为对于数字电视信号而言，尽管在每一个频道(8 MHz)以内是时分复用传输的，但各个频道之间仍然是以频分复用的方式传输的。

关键技术

同步技术

与其它数字通信系统一样，OFDM系统需要可靠的同步技术，包括定时同步、频率同步和相位同步，其中频率同步对系统的影响最大。移动无线信道存在时变性，在传输过程中会出现无线信号的频率偏移，这会使OFDM系统子载波间的正交性遭到破坏，使子信道间的信号相互干扰，因此频率同步是OFDM系统的一个重要问题。为了不破坏子载波间的正交性，在接收端进行FFT变换前，必须对频率偏差进行估计和补偿。

可采用循环前缀方法对频率进行估计，即通过在时域内把OFDM符号的后面部分插入到该符号的开始部分，形成循环前缀。利用这一特性，可将信号延迟后与原信号进行相关运算，这样循环前缀的相关输出就可以用来估计频率偏差。

峰值平均功率

由于OFDM信号在时域上为N个正交子载波信号的叠加，当这N个信号恰好都以峰值出现并将相加时，OFDM信号也产生最大峰值，该峰值功率是平均功率的N倍。这样，为了不失真地传输这些高峰均值比的OFDM信号，对发送端和接收端的功率放大器和A/D变换器的线性度要求较高，且发送效率较低。解决方法一般有下述三种途径：

⑴信号失真技术采用峰值修剪技术和峰值窗口去除技术，使峰值振幅值简单地非线性去除；

⑵采用编码方法将峰值功率控制和信道编码结合起来，选用合适的编码和解码方法，以避免出现较大的峰值信号；

⑶扰码技术采用扰码技术，对所产生OFDM信号的相位重新设置，使互相关性为0，这样可以减少OFDM的PAPR。这里所采用的典型方法为PTS和SLM。

信道编码和交织

为了对抗无线衰落信道中的随机错误和突发错误，通常采用信道编码和交织技术。OFDM系统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调整方式本身所利用，可以在子载波间进行编码，形成编码的OFDMCOFDM即把OFDM技术与信道编码、频率时间交织结合起来，提高系统的性能，其编码可以采用各种码（如分组码和卷积码）。

现状及其发展方向：OFDM技术良好的性能使其在很多领域得到了广泛的应用，如：HDSL、ADSL、VDSL、DAB和DVB，无线局域网IEEE802.11a和HIPERLAN2，以及无线城域网IEEE802.16等系统中。而在4G中，一方面带宽作为移动通信中非常希缺的资源，另一方面未来的移动通信对服务质量、服务的多样性及传输速率要求越来越高，使得OFDM将得到更广泛的应用。

优点

频率复用系统的最大优点是信道复用率高，允许复用的路数多，同时它的分路也很方便。因此，它是模拟通信中最主要的一种复用方式，特别是在有线、微波通信系统及卫星通信系统内广泛应用。例如，在卫星通信系统中的频分多址(FDMA)方式，就是按照频率的不同，把各地球站发射的信号安排在卫星频带内的指定位置进行频分复用，然后，按照频率不同来区分地球站站址，进行多址复用。

· 有效减少多径及频率选择性信道造成接收端误码率上升的影响；

· 接收端可利用简单一阶均衡器补偿信道传输的失真；

· 频谱效率上升。

缺点

频率复用系统的不足之处是收发两端需要大量载频，且相同载频必须同步，设备较复杂。另外，还需要大量的各种频带范围的边带滤波器。对它们的要求不仅是频带特性陡峭，而且对频率的准确性和元件的稳定性都要求很高。第三频率复用系统不可避免地产生路间干扰。其原因除了分路用的带通滤波器特性不够理想外，最主要是信道本身存在着非线性特性。例如，多路复用信号通过公用的放大器时，由于放大器的非线性失真会引起各路信号频谱交叉重叠，这样会带来路间干扰，通常在传输话音信号时称为路间串话。因此，为了提高传输质量，对信道的线性指标有严格的要求。

· 传送与接收端需要精确的同步；

· 对于多普勒效应频率漂移敏感；

· 峰均比高；

· 循环前缀（Cyclic Prefix）造成的负荷。

相关区别

频分复用（FDM，Frequency Division Multiplexing）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（条件之一）。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

时分复用（TDM，Time Division Multiplexing）就是将提供给整个信道传输信息的时间划分成若干时间片（简称时隙），并将这些时隙分配给每一个信号源使用，每一路信号在自己的时隙内独占信道进行数据传输。时分复用技术的特点是时隙事先规划分配好且固定不变，所以有时也叫同步时分复用。其优点是时隙分配固定，便于调节控制，适于数字信息的传输；缺点是当某信号源没有数据传输时，它所对应的信道会出现空闲，而其他繁忙的信道无法占用这个空闲的信道，因此会降低线路的利用率。

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