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3.3.1 频分多路复用

2007-04-23 16:02 王达 电子工业出版社 字号:T | T
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本章主要介绍局域网、广域网,以及OSI各层主要功能及其工作原理这些基本的计算机网络通信技术,同时还将介绍计算机网络数据通信中常见的技术指标和参数。这些都是我们平常进行各种网络工程施工和系统设计的基础和前提。本小节主要是频分多路复用。

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3.3.1  频分多路复用
频分复用(Frequency Division Multiplexing,FDM)是指载波带宽被划分为多种不同频带的子信道,每个子信道可以并行传送一路信号的一种技术。FDM常用于模拟传输的宽带网络中。
在通信系统中,信道所能提供的带宽通常比传送一路信号所需的带宽宽得多。如果一个信道只传送一路信号是非常浪费的,为了能够充分利用信道的带宽,就可以采用频分复用的方法。在频分复用系统中,信道的可用频带被分成若干个互不交叠的频段,每路信号用其中一个频段传输,因而可以用滤波器将它们分别滤出来,然后分别解调接收。
1.频分复用原理
频分多路复用(FDM)原理如下(参见图3-18)。
在物理信道的可用带宽超过单个原始信号(如图3-18中的CH1、CH2和CH3这3路信号)所需带宽情况下,可将该物理信道的总带宽分割成若干个与传输单个信号带宽相同(或略宽)的子信道;然后在每个子信道上传输一路信号,以实现在同一信道中同时传输多路信号。多路原始信号在频分复用前,先要通过频谱搬移技术将各路信号的频谱搬移到物理信道频谱的不同段上,使各信号的带宽不相互重叠(搬移后的信号如3-18图中的中间3路信号波形);然后用不同的频率调制每一个信号,每个信号都在以它的载波频率为中心,一定带宽的通道上进行传输。为了防止互相干扰,需要使用抗干扰保护措施带来隔离每一个通道。
图3-18  频分复用原理
频分多路复用系统的优点是:信道复用率高,分路方便,因此频分多路复用是目前模拟通信中常采用的一种复用方式,特别是在有线和微波通信系统中应用十分广泛。但同时频分多路复用又存在一些问题,主要表现在各路信号之间的相互干扰,即串扰。引起串扰的主要原因是滤波器特性不够理想和信道中的非线性特性造成的已调信号频谱的展宽。调制非线性所造成的串扰可以部分地由发送带通滤波器消除,但信道传输中非线性所造成的串扰则无法消除。因而在频分多路复用系统中对系统线性的要求很高。合理选择载波频率,并在各路已调信号频谱之间留有一定的保护间隔,也是减小串扰的有效措施。
2.OFDM(正交频分复用)
OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)属于多载波调制,它将调制信号分成多路,对多个在频率上等间隔分布且相互正交的子载波进行调制,然后经频分复用组合在一起。OFDM是欧洲数字视频广播(DVB)系统中地面电视广播的调制方案,也是数字音频广播(DAB)的调制方案。
OFDM的特点是:抗多径干扰能力强。多径干扰是指在地面无线电广播中,由于电波在传输路径中的反射引起的干扰。在地面无线电广播中,由于障碍物的影响,到达接收机的电波不仅有直射波,而且还有一次或多次反射波。这些经不同路径到达接收天线的电波之间会有较大的时延差,从而导致符号间的干扰,引起误码。在OFDM中,由于调制信号被分成多路,因此每一路的数据传输率很低,符号周期相应延长。如果符号周期远大于反射波和直射波之间的时间间隔,则由反射波引起的符号间干扰对符号判决的影响就会大为降低。
图3-19为OFDM调制器原理框图。要传送的数据流经过串—并转换后被分裂成K组数据流,它们对相应数目的K个子载波进行调制,调制时可采用QAM或PSK(具体的调制技术将在本章后面介绍)。调制后的各路信号混合在一起,实现频分复用。不过,这里的频分复用与传统的频分复用不同,在传统的频分复用中,各个载波上的信号频谱互不重叠,以便接收机能用滤波器将其分离、提取。
图3-19  OFDM调制原理
OFDM的载波数量很大,若采用传统的频分复用方法,则复用后信号频谱会很宽,这将降低频带利用率。因此,OFDM中,各个载波上的信号频谱是相互重叠的。为了保证接收端能从重叠的信号频谱中正确解调各个信号分量,必须保证各个载波在整个符号周期内正交,即任何两个不同载波的乘积在整个符号周期内的平均值为零。实现正交的条件是各子载波间的最小间隔等于符号周期倒数的整数倍。为了实现最大频谱效率,一般选取最小载波间隔为符号周期的倒数。OFDM的复用频谱如图3-20所示。由图3-20可见,虽然各个子载波上的频谱互有重叠,但每个子载波均处于其他子载波的过零点位置,因此不会相互影响。
OFDM中子载波的数量通常可达几百甚至几千,因此需要几百甚至几千个具有不同频率且同步工作的调制器,这在实际应用中是不可能做到的。根据数学上的严格证明,发现OFDM信号可用离散傅立叶反变换程序IFFT来实现,如图3-21为利用IFFT实现OFDM的原理。设载波的数量为N,则对输入的N个符号进行串—并变换后,进行N点的IFFT(快速离散傅立叶反变换),所得的N个数据经过并—串变换和D/A转换后,就得到了OFDM信号。接收端解调时同样可利用FFT技术进行OFDM的解调。
图3-20  OFDM复用频谱

图3-21  利用IFFT实现OFDM的原理
【责任编辑:雪花 TEL:(010)68476606-8008】

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