COFDM在現(xiàn)代數(shù)字廣播DRM中的應(yīng)用

張彥文

【摘 要】本文首先介紹了COFDM技術(shù)的基本原理，并闡述了COFDM的關(guān)鍵技術(shù)在信道傳輸問題上的優(yōu)勢，然后詳細(xì)介紹了COFDM技術(shù)在數(shù)字廣播（DRM）中的應(yīng)用，最后給出了當(dāng)前短波發(fā)射機DRM改造的建議。

【關(guān)鍵詞】COMDF；技術(shù)原理；DRM；應(yīng)用

0 前言

20世紀(jì)中期，人們提出了頻帶混疊的多載波通信方案，選擇相互之間正交的載波頻率作為子載波，我們稱之為OFDM。1984年，提出了一種適用于無線信道傳送數(shù)據(jù)的OFDM方案，其特點是調(diào)制波的碼型是方波，并在碼元間插入了保護間隔，該技術(shù)方案有效地利用了信道帶寬，同時可以避免多徑傳播引起的碼間串?dāng)_。在此基礎(chǔ)上發(fā)展的COFDM即編碼正交頻分復(fù)用技術(shù)，讓信道編碼技術(shù)與多載波技術(shù)進行了有效的結(jié)合，使得該技術(shù)除具有多載波調(diào)制功能外，同時擁有了強大的編碼糾錯能力。20世紀(jì)90年代后，COFDM技術(shù)應(yīng)用于數(shù)字聲音廣播、數(shù)字地面電視等無線播出系統(tǒng)。

1 COFDM技術(shù)原理

COFDM（coded orthogonal frequency division multiplexing）是編碼正交頻分復(fù)用的簡稱，屬于多載波帶寬傳輸技術(shù)。與PSK和QAM不同在頻域內(nèi)將給定的信道分成許多正交子信道，在每個自信道上使用一個子載波進行調(diào)制，各子載波并行傳輸，減小了對單個載波的依賴性進一步提高系統(tǒng)性能。C是Coded，指信道編碼采用編碼率可變的卷積編碼方式，通常要人為加進冗余進行差錯保護，以適應(yīng)對不同重要性的數(shù)據(jù)進行保護的要求。OFD是正交頻分，使用大量的載波代替單個載波，這些子載波有相等的頻率間隔，所有子載波的頻率都是某一個基本振蕩頻率的整數(shù)倍，在頻譜關(guān)系上是彼此正交，最大限度地利用了頻譜。子載波攜帶的信息在接收端可以彼此相分離，并且子載波的數(shù)字調(diào)制可以是QPSK、16QAM、64QAM等方式，以頻譜利用率和誤碼率之間的最佳平衡為原則。M是復(fù)用，COFDM這種寬帶傳輸方法，傳輸?shù)男畔⒉辉偈菃我坏墓?jié)目，而是多套節(jié)目的數(shù)據(jù)流相互交織地分布在子載波上，形成一個頻率塊（圖1）。

1.1 OFDM基本原理

OFDM技術(shù)基本思想是采用允許子信道頻譜重疊，但相互間又不影響的頻分復(fù)用（FDM）方法來并行傳送數(shù)據(jù)。為了進行調(diào)制，傳遞的總數(shù)據(jù)流被分裂為N組數(shù)據(jù)流，它們對數(shù)目為N的子載波進行數(shù)字調(diào)制。N表示子信道的個數(shù)，T表示OFDM符號的寬度，di（i=0，1，…，N-1）為分配給每個信道的數(shù)據(jù)符號，fc是第0個子載波的載波頻率，rect（t）=1，t≤，若起始時間為t=ty，則COFDM可表示為：

OFDM系統(tǒng)基本模型框圖如圖2所示，它消除了碼間干擾和多徑傳播帶來的碼間干擾。

1.2 COFDM技術(shù)原理

OFDM調(diào)制方式很好地克服了高碼率數(shù)據(jù)流在多徑傳播環(huán)境下引起的碼間干擾問題，但是對于傳輸信道中因多徑效應(yīng)引起的不同子信道的頻率選擇性衰落和多普勒效應(yīng)造成的載波間正交破壞，依靠OFDM則無法克服，此類衰減造成的誤碼問題需要借助于信道糾錯編碼措施來預(yù)防，因此COFDM應(yīng)運而生。

一個COFDM傳輸系統(tǒng)由信道編解碼、OFDM調(diào)制解調(diào)器、上下變頻單元構(gòu)成，分為發(fā)送和接收兩大部分。使用的編碼技術(shù)有分組碼、卷積碼、網(wǎng)格編碼調(diào)制等，通常使用卷積碼來實現(xiàn)。COFDM系統(tǒng)基帶框圖如圖3所示：

1.3 COFDM的優(yōu)勢

COFDM調(diào)制技術(shù)的優(yōu)點如下：

1）抗衰落能力強，在COFDM系統(tǒng)里，用戶信息通多N個子載波傳輸，每個子載波上的信號時間就相應(yīng)地比同速度的單載波系統(tǒng)上的信號時間長多倍，使得信號對信道噪聲和多徑衰落抵抗力強。

2）頻率利用率高，COFDM運用多載波正交作為子信道，提高了頻率利用率。

3）適合高速數(shù)據(jù)傳輸，COFDM自適應(yīng)調(diào)制機制可使子載波按照信道情況和噪聲的不同使用不同的調(diào)制方式如：QPSK、QAM、16QAM、64QAM等。因此能可靠地適應(yīng)高度數(shù)據(jù)傳輸。

4）抗碼間干擾能力強，碼間干擾是數(shù)字通信系統(tǒng)中除了信道噪聲干擾外主要的干擾，COFDM由于采用了循環(huán)前綴，顧抗碼間干擾的能力強。

5）適用于多徑接收，因為每路載波的調(diào)制符號數(shù)據(jù)率大為降低后其符號周期顯著增大，多徑信號的延時時間相對于符號周期只占很小比例，接收端接收時反而是多徑信號能量與主信號能量被相加起來應(yīng)用，使有害的多徑變?yōu)橛欣乃栊盘枺瑫r對由于多普勒效應(yīng)引起的載波頻移問題也能適應(yīng)。

2 COFDM在DRM中應(yīng)用

2.1 DRM系統(tǒng)原理

DRM系統(tǒng)工作于30MHz以下的長、中、短波段，根據(jù)需要可選用不同的傳輸模式。每種傳輸模式用信號帶寬相關(guān)參數(shù)和傳輸效率相關(guān)參數(shù)定義。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

主業(yè)務(wù)信道（MSC）包括了多路復(fù)用中包含的所有業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，可以包含一到四種業(yè)務(wù)，每種業(yè)務(wù)即可以是音頻，也可以是數(shù)據(jù)。MSC的總比特率由DRM信道的帶寬和傳輸模式?jīng)Q定?？焖僭L問信道（FAC）為接收機提供快速搜索業(yè)務(wù)選擇信息。它包括接收機能夠有效地開始解復(fù)用的有關(guān)信道參數(shù)信息（如頻帶占有和交織深度等），它也包括關(guān)于在多路復(fù)用中的業(yè)務(wù)允許接收機解復(fù)用或變化頻率和重新搜索的信息?？焖僭L問信道中的信息與主業(yè)務(wù)信道中的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)基本相同，都要經(jīng)過預(yù)編碼、能量擴散、信道編碼與QAM調(diào)制等處理。業(yè)務(wù)描述信道（SDC）給出了怎樣對MSC解碼，怎樣找到發(fā)射相同節(jié)目的替換頻率信息，并給出在多路復(fù)用中的業(yè)務(wù)歸屬。

主業(yè)務(wù)信道、快速訪問信道與業(yè)務(wù)描述信道組成時間長度為400ms的傳輸幀，三個傳輸幀構(gòu)成1200ms的傳輸超幀，如圖5所示：

2.2 DRM中的COFDM技術(shù)

在DRM系統(tǒng)中利用OFDM單元映射器將不同時間和頻率的符號放在對應(yīng)的時頻單元中，并將它們由多路信號合成為一路信號進行傳送。通過插入保護間隔對信號的一部分進行重復(fù)，就可以得到連續(xù)的COFDM信號。其實現(xiàn)基理則是通過IDFT和DFT來實現(xiàn)調(diào)制與解調(diào)。如發(fā)射端的COFDM信號為下式：

對信號s（t）以T/N的速率取樣，即變?yōu)殡x散信號，令t=kT/N（k=0，1，2…，N-1）得到：

可以看出，sk等效于對di進行IDFT運算。將IDFT運算后得到的離散信號進行D/A變換，便得到模擬形式的信號s（t）。下來在接收端進行DFT，即可恢復(fù)出原始數(shù)據(jù)符號di即：

IDFT和DFT實際上是用快速算法IFFT與FFT來實現(xiàn)的。經(jīng)過IFFT后，為了抗多徑延遲，避免碼間干擾（ISI），在每個OFDM調(diào)制符號前都加入一個長度為1/4符號時間的循環(huán)擴展作為保護間隔（保護間隔的長度可以根據(jù)系統(tǒng)的性能要求進行調(diào)整）。

3 當(dāng)前PSM發(fā)射機DRM改造的建議

由于DRM廣播解決了傳統(tǒng)廣播收聽質(zhì)量差，發(fā)射機實際功率損耗大的問題，并且能傳輸更加豐富的內(nèi)容，可以吸引更多的用戶，因此DRM廣播的發(fā)展勢在必行。而如何利用現(xiàn)有的廣播發(fā)射機進行DRM廣播，下面給出DRM改造的建議。

將DRM信號進行幅相分離，隨時間變化的幅度信號送入傳統(tǒng)PSM發(fā)射機的音頻通道進行處理，而用調(diào)相信號取代傳統(tǒng)發(fā)射機的激勵信號送入高頻通道。最終在發(fā)射機的高頻末級實現(xiàn)對調(diào)相信號的調(diào)幅，輸出高電平的DRM信號再經(jīng)過射頻輸出網(wǎng)絡(luò)的調(diào)諧和匹配后通過天饋線系統(tǒng)發(fā)射出去。

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