基于OFDM擴頻通信技術在航道工程中的應用

瞿才鑫，王詩薇

（中交第二航務工程勘察設計院有限公司，湖北 武漢 430060）

0 引 言

無線傳輸方式作為當今最重要的傳輸方式之一[1]，在工業(yè)系統(tǒng)中的應用越來越普及。尤其在某些受地理位置和環(huán)境等因素影響的特殊場合，基于OFDM 的擴頻通信技術能有效代替有線通信，并能提高通信質量和降低成本[1]，對工業(yè)通信進行了實質性的完善。

1 擴頻通信技術的發(fā)展

隨著經濟的快速發(fā)展和生活節(jié)奏的加快，近些年來無線流媒體和無線局域網等無線通訊方式迅速發(fā)展起來，而這一切都得益于無線技術的崛起。工業(yè)無線技術是設備間面向現(xiàn)場應用的，短程、低速率信息交互的無線通信技術，具有低成本、高靈活性、適用于惡劣環(huán)境、更換方便、易于升級等優(yōu)點[2]。在工業(yè)無線技術中，擴頻通信技術是一種具有優(yōu)良抗干擾性能的技術，擴頻通信就是指擴展頻譜通信技術，其基本特點是傳輸信息所用信號的帶寬遠大于信息本身的帶寬。在1996 年，我們國家將S 波段中2.4-2.4835GHz 專門用作擴頻通信使用。如今擴頻通信技術已廣泛應用到軍事、移動、金融、電信、稅務、交通、水利、政府機關等部門和系統(tǒng)[3]。

2 OFDM技術的原理

OFDM 是一種無線環(huán)境下的高速傳輸技術，該技術的基本原理是將高速串行數(shù)據變換成多路相對低速的并行數(shù)據并對不同的載波進行調制。這種并行傳輸體制大大擴展了符號的脈沖寬度，提高了抗多徑衰落的性能[4]。

OFDM 系統(tǒng)采用數(shù)字信號處理技術，各子載波的產生和接收都由數(shù)字信號處理算法完成，極大地簡化了系統(tǒng)的結構。同時為了提高頻譜利用率，使各子載波上的頻譜相互重疊，但這些頻譜在整個符號周期內滿足正交性，從而保證接收端能夠不失真地復原信號。當傳輸信道中出現(xiàn)多徑傳播時，接收子載波間的正交性就會被破壞，使得每個子載波上的前后傳輸符號間以及各個子載波間發(fā)生相互干擾。 為解決這個問題， 在每個OFDM 傳輸信號前面插入一個保護間隔，它是由OFDM 信號進行周期擴展得到的。只要多徑時延不超過保護間隔，子載波間的正交性就不會被破壞。 這種正交的子載波調制可以用IFFT來實現(xiàn)[5][6]。下面給出了OFDM 的系統(tǒng)框圖，在系統(tǒng)中調制解調是使用FFT 和IFFT 來實現(xiàn)的。

3 工程應用

3.1 工程背景

本工程擬建錨地建設地點位于長江三峽大壩上游新太平溪至廟河河段內，屬于三峽壩區(qū)河段。三峽壩區(qū)河段主航道全長59km，位于長江中游和上游交接處，是三峽、葛洲壩水利樞紐水域通航的關鍵區(qū)段。

由于水上運輸十分繁忙，航線兩側及主要錨泊區(qū)域需要建設一套視頻監(jiān)控系統(tǒng)，所覆蓋的錨泊區(qū)包括廟河錨地、季家灣水域、杉木溪錨地、蘭陵溪錨地、沙灣水域、仙人橋錨地、銀杏坨錨地、百歲溪錨地和端方溪錨地，具體地形分布如圖2 所示。

鑒于以上監(jiān)控區(qū)域的岸線較長、地形復雜、人跡罕至，屬于不易施工布線的場合，視頻信號的傳輸問題成為了監(jiān)控系統(tǒng)方案成功與否的關鍵。本工程設計初期從可行性、成本、施工維護等多方面綜合對比了基于OFDM 的無線擴頻通信方案和光纜通信方案。

3.2 無線方案

無線視頻傳輸由發(fā)射機、接收機及其天線組成，每對發(fā)射機和接收機有相同的頻率，除傳輸圖像外，還可傳輸聲音。無線傳輸設備在采用2.4GHz 頻率。

本工程現(xiàn)用安裝24 套無線通訊裝置替代總長65km 光纖的敷設。本次無線通訊采用高帶寬的工業(yè)無線通訊系統(tǒng)進行點對點定向傳輸數(shù)據，把監(jiān)控攝像頭數(shù)據上傳到系統(tǒng)里面，并留有以太網接口便于今后網絡設備的擴展和增加。方案中的無線布置見表1 所示。

3.3 工作過程簡述

前端網絡攝像機的視頻信號通過網線傳輸至OFDM 無線設備，通過連接饋線后經定向天線向接收端發(fā)射信號，三峽局PTN 數(shù)據中心通過定向天線接收天線接收到前端信號，然后再通過OFDM 無線接收設備解調出相應的視頻信號。如果需要控制云臺鏡頭，就在監(jiān)控中心加相應的指令控制發(fā)射機，通過同樣的OFDM 無線傳輸鏈路進行收發(fā)指令。OFDM 無線設備裝置示意圖如圖3 所示。

三峽錨地無線布放表 表1

3.4 OFDM無線傳輸技術的優(yōu)勢

3.4.1 技術先進

OFDM 無線傳輸技術實現(xiàn)了雙向透明信道通路，具有可機動、抗干擾能力強和保密性強的特性，可利用定向天線在不同的地理方位、場所之間，建立遠距離無線傳輸鏈路，非常符合廟河至端方溪的地理環(huán)境要求。

3.4.2 工程量小

大大提高施工效率，節(jié)省有線的架設時間和資源。對比往年三峽局的光纜架設經驗，線路采用8m“H”型木桿架設。無線傳輸鏈路的安裝和調試的工程量不足光纜敷設工程量的1/10。

3.4.3 造價合理

本工程現(xiàn)用安裝24 套無線通訊裝置替代總長65km 光纖的敷設，在滿足同樣的傳輸需求條件下，綜合造價降低了近50萬。

4 結 語

本文闡述了無線擴頻通信技術的發(fā)展和OFDM 通信系統(tǒng)的基本原理。通過OFDM 雙向視頻無線傳輸設在三峽錨地監(jiān)控系統(tǒng)方案中的應用，體現(xiàn)其在特定環(huán)境下相對于有線的多重優(yōu)勢。OFDM 系統(tǒng)適用于多業(yè)務、高靈活性的通信系統(tǒng)，頻譜利用率高，系統(tǒng)穩(wěn)定性好。在未來的航道工程、港口工程中該技術將會帶來越來越大的經濟效益和社會效益。

[1]Pandharipande,A.Principlesof OFDM[J].Potentials,IEEE.2002(2).

[2]彭瑜.我國發(fā)展無線技術工業(yè)應用的機遇和對策[J].中國儀器儀表，2008(S1).

[3]趙煒渝.擴頻通信技術及其發(fā)展趨勢[J].空間電子技術,2008(4).

[4]趙瑭潔,張海林.OFDM系統(tǒng)原理及關鍵技術[J].現(xiàn)代電子技術,2007(3).

[5]徐放.基于OFDM技術的無線視頻傳輸系統(tǒng)網管模塊的設計與實現(xiàn)[D].北京：北京郵電大學，2011.

[6]高建勤，熊淑華.正交頻分復用(OFDM)原理及其實現(xiàn)[A].四川省通信學會2004年學術年會論文集[C].2004.