基于OFDM技術(shù)的高頻帶利用率車載無線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)

梁裕民，郭文剛，康慧珍

(軍事交通學(xué)院基礎(chǔ)部，天津300161)

軍用車輛的信息化保障已成為裝備保障的要點之一，其信息交互具有開放、移動、實時、多端的特征，是敵方進行信息監(jiān)聽、攻擊的薄弱點和切入點。高頻帶利用率的通信系統(tǒng)在更窄的帶寬中，實現(xiàn)更高速的數(shù)據(jù)傳輸，對提高軍用車輛的信息保障能力和抗追蹤能力有著重要的意義。

甚高頻/特高頻(very high frequency/ultra high frequency，VHF/UHF)頻段的頻道間隔為25 kHz，是車載通信系統(tǒng)常用的頻段，通常采用調(diào)頻收發(fā)信機加語帶Modem來實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。此類調(diào)頻機的音頻帶寬一般不超過3 kHz，從而極大地限制了數(shù)據(jù)通信的速率?，F(xiàn)有無線Modem的信息傳輸速率小于10 kbit/s，有效頻帶利用率小于0.5 kbit/s/Hz。隨著數(shù)字化進程的加速，對同時傳送數(shù)據(jù)、語音和圖像的要求越來越迫切，傳輸?shù)男畔⑺俾室笥?4 kbit/s，因而解決車載通信系統(tǒng)在25 kHz的信道帶寬內(nèi)的頻帶利用率問題十分重要［1］。目前，在此頻段達到上述性能的研究尚沒有成熟的方案可以借鑒，例如全球移動通信系統(tǒng)(GSM)為1.35 bit/s/Hz;窄帶碼分多址(CDMA)系統(tǒng)單位頻帶的碼片速率為0.98碼片/Hz;專用移動通信的Tetra系統(tǒng)頻帶利用率為1.73 bit/s/Hz。上述幾個系統(tǒng)均不能解決25 kHz信道帶寬內(nèi)64 kbit/s傳輸率的問題［2］。

1 系統(tǒng)設(shè)計目標(biāo)

本文研究的車載無線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)在VHF/UHF頻段，采用正交頻分復(fù)用(orthogonal frequency division multiplexing，OFDM)通信技術(shù)，利用25 kHz帶寬實現(xiàn)有用信息傳輸速率大于64 kbit/s、頻帶利用率大于2.56 bit/s/Hz的通信。通信質(zhì)量要求:在車輛行駛速度30～80 km/h、發(fā)射功率4 W、傳輸距離30～50 km、信噪比30 db的情況下，誤比特率不大于10－5db。本文實現(xiàn)系統(tǒng)的有效頻帶利用率為目前公開系統(tǒng)的最高值，能較好地解決25 kHz信道帶寬內(nèi)64 kbit/s傳輸率的問題，為實現(xiàn)車載通信中語音和圖片數(shù)字傳輸?shù)於嘶A(chǔ)。

2 系統(tǒng)構(gòu)成

本系統(tǒng)為VHF/UHF頻段內(nèi)，以里德—索羅蒙(RS)編碼、多進制正交幅度調(diào)制和OFDM技術(shù)為核心的基帶系統(tǒng)。在不分子信道的基礎(chǔ)上，以實現(xiàn)滿足性能要求的系統(tǒng)為目標(biāo)，在12個子載波的框架下，采用RS(31，27)碼、32進制正交幅度調(diào)制、16點的快速傅里葉變換作為系統(tǒng)主要技術(shù)方案，在VHF/UHF頻段上的19.5 kHz有效帶寬內(nèi)實現(xiàn)了傳輸速率為67.5 kbit/s、有效頻帶利用率為3.46 bit/s/Hz的高頻帶利用率無線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)。

2.1 系統(tǒng)的組成

系統(tǒng)組成如圖1所示。作為基帶設(shè)計系統(tǒng)沒有包括信源編碼部分，而直接接收DATA輸入。在進行了信道編碼后，加入交織以提高對突發(fā)錯誤的糾錯能力。數(shù)字調(diào)制是為了引入多進制傳輸，使在相同符號傳輸速率的條件下，實現(xiàn)較高的信息傳輸速率。串并變換、并串變換、快速傅里葉逆變換和正變換(inverse fast fourier transform/fast fourier transform，IFFT/FFT)是實現(xiàn)OFDM的具體單元。循環(huán)前綴是OFDM系統(tǒng)克服符號間串?dāng)_(inter symbol interference，ISI)和子信道間干擾(inter channel interference，ICI)的有效手段。在數(shù)模轉(zhuǎn)換和進入信道前，還要對數(shù)據(jù)流進行組幀，加入同步等信息，為接收做準(zhǔn)備。發(fā)送端發(fā)送的信號經(jīng)過信道后進入接收端。接收端進行發(fā)送端相反的操作，將從信道接收的信息進行恢復(fù)。

圖1 系統(tǒng)的組成

2.2 信道編解碼

采用RS(31，27)為信道編解碼方案，本原多項式為D5+D2+1，以5 bit為一個32進制碼元，進行每31個碼元為一組的編解碼操作。其中包含4個監(jiān)督碼元，編碼效率為27/31=87.10%，最小碼距為5，一組能糾2個碼元的錯誤，糾錯率為2/31=6.452%。RS(31，27)對突發(fā)錯誤不太長、但發(fā)生卻很頻繁的信道具有較好的效果。

2.3 交織與去交織

系統(tǒng)采用交織深度為24個碼元的交織，與RS(31，27)碼配合可對長度為48個碼元的單個突發(fā)誤碼進行完全糾錯。引入交織后，系統(tǒng)可對一幀中誤碼率不超過6.45%的單個突發(fā)誤碼進行糾錯。

2.4 MQAM調(diào)制與解調(diào)

M進制正交幅度(m－ary quadrature amplitude modulation，MQAM)調(diào)制是對相位和幅度都進行調(diào)制的正交幅度調(diào)制方法，經(jīng)過MQAM調(diào)制的信號表示為

式中:Emin為幅度最小信號的能量;ai和bi是一對獨立的整數(shù)，可以根據(jù)星座點的位置來確定，i=0，1，…，M－1;fc為第0個載波頻率。

可以看出MQAM是由兩個相互正交的載波構(gòu)成，每個載波被一組離散的振幅所調(diào)制，與其他調(diào)制技術(shù)相比，MQAM編碼具有能充分利用帶寬、抗噪聲能力強等優(yōu)點。

系統(tǒng)選定MQAM中的M值為32，即采用32QAM，其所對應(yīng)的星座圖如圖2所示。

32QAM調(diào)制時將從RS(31，27)接收的32進制碼元，調(diào)制映射到星座圖以I路和Q路組成的一個二維坐標(biāo)點，為隨后進行的IFFT進行數(shù)據(jù)準(zhǔn)備，I路和Q路分別對應(yīng)實部和虛部。32QAM的解調(diào)是調(diào)制的逆過程，在接收端實施。

圖2 系統(tǒng)32QAM星座圖

2.5OFDM 實現(xiàn)

在系統(tǒng)的發(fā)送端，每一個OFDM符號是多個經(jīng)過調(diào)制的子載波的合成信號。設(shè):N為子載波的個數(shù);T為OFDM符號的寬度;di為分配給每個子信道的數(shù)據(jù)符號，i=0，1，…，N －1;rect(t)=1，∣t∣≤T/2，從t=ts開始。則可以用復(fù)等效基帶信號來描述OFDM符號:

式(2)中的實部和虛部分別對應(yīng)著OFDM符號的同相和正交分量，在實際中它們分別與相應(yīng)子載波的余弦和正弦分量相乘，構(gòu)成各自子信道信號并合成最終的OFDM符號。圖3為OFDM系統(tǒng)基本模型框圖。

圖3 OFDM系統(tǒng)基本模型

框圖中各子載波的頻率符合fi=fc+i/T，從而保證各子載波之間的正交性，即

式中ωm、ωn分別為第m、n個子載波原頻率。

對式(2)中的第j個子載波進行解調(diào)，然后在時間長度T內(nèi)進行積分，可得到

通過式(2)—(4)可以看出OFDM的調(diào)制和解調(diào)可由IFFT/FFT來實現(xiàn)，從圖3可看出串并變換、并串變換和IFFT/FFT是OFDM復(fù)用的具體實現(xiàn)單元。

系統(tǒng)選擇相隔為1.5 kHz的12個子載波，故利用16點IFFT/FFT實現(xiàn)調(diào)制與解調(diào)，剩余的4個子載波補0，在調(diào)整頻帶寬度的同時，實施過采樣。補0的4個子載波分別對應(yīng)16個IFFT數(shù)據(jù)的7、8、9、10四個點。此時系統(tǒng)占用帶寬為(12+1)×1.5 kHz=19.5 kHz，小于 25 kHz的系統(tǒng)目標(biāo)。

2.6 循環(huán)前綴與系統(tǒng)信道模型

OFDM系統(tǒng)通過插入循環(huán)前綴，來克服ISI并保持子載波之間的正交性，進而對抗ICI。系統(tǒng)采用每個OFDM符號中插入兩個循環(huán)前綴的體系，即每16點IFFT后，將15、16兩點數(shù)據(jù)復(fù)制到該OFDM符號最前端形成18點的一個OFDM符號。這時，可計算出此OFDM符號周期長度為750 μs，其中循環(huán)前綴間隔為83.3 μs，這兩個數(shù)值可有效地消除車輛行駛中多普勒頻移和多徑延遲擴展帶來的影響，進而將系統(tǒng)信道模型定為慢衰落、非頻率選擇性無線信道，故系統(tǒng)可針對加性高斯白噪聲信道進行重點研究［3］。

2.7 幀結(jié)構(gòu)與冗余資源的分配

基于32QAM、16點 IFFT/FFT的 OFDM系統(tǒng)實際信息傳輸速率為16×5 bit×1.5 kHz=120 kbit/s，與有用信息傳輸速率目標(biāo)64 kbit/s相比具有冗余。這些冗余資源是為信道編碼、IFFT/FFT插0、循環(huán)前綴、同步信息準(zhǔn)備的。這里，RS(31，27)碼的編碼效率為27/31，IFFT/FFT插4個0，即用12個子載波進行信息傳輸，其占IFFT/FFT的12/16;循環(huán)前綴為每16點IFFT/FFT加入2點的循環(huán)前綴信息，使得有用信息量占傳輸信息量的16/18。

在本系統(tǒng)中，被發(fā)送的信號是以幀的形式組織在一起的。系統(tǒng)采用非導(dǎo)頻的方法進行同步，一幀包含64個OFDM符號，具體的幀結(jié)構(gòu)為:第1個符號是空符號(NULL)，第2個符號是偽隨機序列(PN)，其他62個符號為數(shù)據(jù)符號?？辗柡蛡坞S機序列用來實施同步算法，它們并不攜帶有用信息，同步信息的加入使有用信息量占傳輸信息量的62/64。加入冗余信息后，有用信息傳輸率為120 kbit/s×=67.5 kbit/s，與其占用的19.5 kHz的頻帶寬度相比，可得出系統(tǒng)有效頻帶利用率為3.46 bit/s/Hz。

3 系統(tǒng)性能

為測定系統(tǒng)的性能，選用TE54XUSB作為實現(xiàn)系統(tǒng)的硬件平臺，進行系統(tǒng)的實現(xiàn)。TE54XUSB選用的數(shù)字信號處理(DSP)芯片是TI公司的TMS320C5410，為典型的16 bit定點DSP。

3.1 系統(tǒng)的頻譜和功率譜密度

本系統(tǒng)信源以67.5 kbit/s速率提供信息流，可得到的頻譜圖如圖4所示，此時有效頻帶利用率為 3.46 bit/s/Hz。

圖4 系統(tǒng)頻譜

從圖4可知，系統(tǒng)占用頻帶寬度為19.5 kHz，與設(shè)計的頻帶寬度一致，加入保護頻帶后也不超過25 kHz的設(shè)計帶寬，實現(xiàn)了信息傳輸速率高于64 kbit/s、有效頻帶利用率大于2.56 bit/s/Hz的設(shè)計目標(biāo)。

圖5為OFDM符號的功率譜密度，其帶內(nèi)的12個子載波功率密度的主瓣集中了大部分能量，帶外輻射功率可利用已有的加窗等技術(shù)進行控制。

圖5 系統(tǒng)功率譜密度

3.2 系統(tǒng)信道編碼(RS碼)性能

圖6為系統(tǒng)在每個RS碼組中加入2個錯碼的情況下，未加入信道編碼與加入RS(31，27)兩種情況的對比，可以看出RS(31，27)將傳輸?shù)腻e碼完全糾正。另外，與在原圖上每31處破壞2點信息的情況相比，未加信道編碼的圖片效果要稍差一些，這是因為系統(tǒng)解擾時會導(dǎo)致誤碼的增殖，即單個誤碼會在接收端解擾器的輸出端產(chǎn)生多個誤碼。另外，由于是在RS碼組的固定位置進行擾碼，故錯碼位置表現(xiàn)出周期性。

圖6 信道編碼的演示

3.3 交織性能

圖7為系統(tǒng)在某一幀中加入一個長度為72輸出符號突發(fā)錯誤的情況下，未加入交織和加入深度為24的交織兩種情況的對比?？梢钥闯?，加交織后系統(tǒng)將此突發(fā)錯誤完全糾正，而未加入交織不能對此突發(fā)錯誤進行糾正(圖(a)中圈內(nèi)標(biāo)出突發(fā)錯誤位置)。

圖7 交織性能的演示

3.4 32QAM的實際星座圖

圖8為利用CCS在系統(tǒng)32QAM解調(diào)映射后星座圖?？梢钥闯?，其同設(shè)計方案一致。由于已經(jīng)進行了最短距離的判決，計算偏差均已修正，故所有星座點均在標(biāo)準(zhǔn)位置上。

圖8 系統(tǒng)32QAM星座圖

3.5 系統(tǒng)抗干擾能力

為測試系統(tǒng)的抗干擾能力，在系統(tǒng)信道中加入高斯白噪聲。在發(fā)射功率為4 W的情況下，做出了信噪比(SNR)從0～35 db范圍內(nèi)的誤比特率(如圖9所示)。

從圖9可以看出，在高斯白噪聲信道中，在信噪比達到30 db這一數(shù)值前誤比特率急劇下降并趨于0(仿真中為0并不表示實際系統(tǒng)誤比特率為0，而是隨著仿真時間的延續(xù)可能會出現(xiàn)誤比特，但誤比特率趨于0)。即在該區(qū)域內(nèi)信噪比的微小變化都會帶來性能很大的提高，30 db處于誤比特率趨于0區(qū)域的前端，剛好獲得系統(tǒng)設(shè)計目標(biāo)誤比特率10－5db的要求。

4 結(jié)語

本文設(shè)計的車載無線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)實現(xiàn)了車輛行駛速度30～80km/h、發(fā)射功率4 W、傳輸距離30～50 km、信噪比30 db的情況下，19.5 kHz有效帶寬內(nèi)有用信息傳輸速率為67.5 kbit/s、有效頻帶利用率為3.46 bit/s/Hz的信息傳輸。該系統(tǒng)的研究大幅提高該頻段的頻帶利用率，從而可有效提高軍用車輛的信息保障能力和抗追蹤能力。系統(tǒng)的通用性較強，對各類車載無線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的設(shè)計具有較強的借鑒意義。

［1］ 張令文，劉留，和雨佳，等.全球車載通信DSRC標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展及應(yīng)用［J］.公路交通科技，2011(增 1):71-76.

［2］ 鄭德山.第四代移動通信系統(tǒng)及其關(guān)鍵技術(shù)［J］.微電子技術(shù)，2013，41(7):9-11.

［3］ 李悅，李子，蔡躍明，等.OFDM系統(tǒng)中基于導(dǎo)頻的低秩信道估計方法［J］.通信學(xué)報，2004，25(10):155-162.