COFDM技術(shù)在機(jī)載實況傳輸系統(tǒng)中的應(yīng)用*

許　偉　喬文長　袁　庚

(91388部隊94分隊　湛江　524022)

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COFDM技術(shù)在機(jī)載實況傳輸系統(tǒng)中的應(yīng)用*

許偉喬文長袁庚

(91388部隊94分隊湛江524022)

摘要論文主要介紹COFDM調(diào)制技術(shù)在機(jī)載實況傳輸系統(tǒng)中的應(yīng)用，COFDM調(diào)制技術(shù)是機(jī)載實況傳輸系統(tǒng)中一項關(guān)鍵技術(shù)，它主要通過軟件無線電來實現(xiàn)其功能，能夠影響被試品攝錄實況實時傳遞的距離、速度和實效。

關(guān)鍵詞COFDM調(diào)制技術(shù); 軟件無線電; 機(jī)載實況傳輸

Class NumberTN943

1　引言

隨著COFDM調(diào)制技術(shù)的產(chǎn)生，這使得在“高速移動”和“非視距”條件下，實現(xiàn)高質(zhì)量的實時的無線圖像、聲音和數(shù)據(jù)傳輸成為可能。機(jī)載實況傳輸系統(tǒng)采用了先進(jìn)的COFDM調(diào)制技術(shù)，能夠確保高速移動、抗衰落及多徑干擾下的穩(wěn)定傳輸(移動速度可達(dá)150km/h)，提供廣播級DVD質(zhì)量的高清晰圖像，強(qiáng)大的非視距傳輸能力，具有覆蓋范圍廣、靈敏度高、數(shù)據(jù)量大等優(yōu)點，為現(xiàn)場指揮、野外作戰(zhàn)等特殊條件下應(yīng)急通信所需要的遠(yuǎn)距離、高質(zhì)量、高速率的實時圖像、音頻及數(shù)據(jù)傳輸提供理想的解決方案[1]。

2　COFDM定義

所謂COFDM，即編碼正交頻分復(fù)用的簡稱，這種正交表示的是載波頻率間精確的數(shù)字關(guān)系。編碼C指信道編碼采用編碼率可變的卷即編碼方式，以適應(yīng)不同重要的數(shù)據(jù)的保護(hù)要求；正交頻分OFD指使用大量的副載波，它們有相同的頻率間隔，都是一個基本震蕩頻率的整數(shù)倍，復(fù)用M指的是多路數(shù)據(jù)源相互交織的分布在上述大量載波上，形成一個頻道。COFDM是一種特殊的多載波通信方式，它能夠?qū)z錄信息串并變換成多個低速碼流，每個碼流都用子載波發(fā)送[2]。COFDM技術(shù)不選用帶通濾波器，而是通過快速傅里葉變換來選用那些既混疊也能保持正交的波形，在機(jī)載實況傳輸系統(tǒng)中采用COFDM調(diào)制技術(shù)，就是選用基于FFT/IFFT的OFDM實現(xiàn)方法來實現(xiàn)。

3　COFDM在機(jī)載實況傳輸系統(tǒng)中的功能

發(fā)射機(jī)將來自攝像機(jī)的視頻和音頻信號通過A/D轉(zhuǎn)換器變成數(shù)字信號，經(jīng)過編碼后復(fù)接成一個合路數(shù)據(jù)，傳輸?shù)紺OFDM調(diào)制單元。COFDM調(diào)制單元將接收的信號進(jìn)積聯(lián)合編碼，然后進(jìn)行編碼映射，映射后得星座圖進(jìn)行OFDM(正交多載波)調(diào)制。調(diào)制后的兩路正交信號，用低相噪本振進(jìn)行正交調(diào)制。得到的射頻調(diào)制信號經(jīng)邊帶濾波器、功率放大器放大后，傳送到天線發(fā)射出去。如圖1所示，接收機(jī)工作流程和發(fā)射機(jī)的工作流程相反。從天線收到的微波信號經(jīng)饋線送到接收機(jī)的信道濾波器、低噪聲放大器，經(jīng)過中頻放大后，輸出給COFDM解調(diào)單元。COFDM解調(diào)單元先將射頻單元送來的調(diào)制信號進(jìn)行解調(diào)，得到的基帶信號送到COFDM基帶處理器，基帶處理器完成恢復(fù)壓縮后的音視頻數(shù)據(jù)。接著使用解碼器解壓縮出原始的數(shù)字信號，數(shù)字信號經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換器后變成模擬的音視頻信號[3](如圖2所示)。

圖2　接收機(jī)工作流程

4　COFDM調(diào)制系統(tǒng)

4.1COFDM技術(shù)在機(jī)載實況傳輸系統(tǒng)中的獨特優(yōu)勢

1) 非可視和有阻擋的環(huán)境中應(yīng)用，卓越的繞射和穿透能力使得適合在城區(qū)、郊區(qū)、建筑物內(nèi)實現(xiàn)無線圖像實時傳輸傳統(tǒng)的微波設(shè)備，必須在可視條件下(即收發(fā)兩點之間必須無阻擋)才能建立無線鏈接通道，所以使用時受環(huán)境約束很大，需要提前考察應(yīng)用環(huán)境，選擇、測試收發(fā)點，調(diào)整天線方向，架設(shè)天線高度測算等，工作量很大，也相當(dāng)?shù)姆爆?，不僅直接限制音視頻的傳輸與接收，而且系統(tǒng)的可靠性、工作效率也大打折扣。COFDM技術(shù)則徹底改變了這種局面。COFDM設(shè)備具有非視距、繞射傳輸?shù)膬?yōu)勢，在城區(qū)，建筑物內(nèi)該技術(shù)設(shè)備能夠高概率的實現(xiàn)圖像穩(wěn)定的傳輸，受環(huán)境影響較小[4]。機(jī)載實況傳輸系統(tǒng)采用全向天線，可以在最短時間內(nèi)架設(shè)無線傳輸鏈路，接收機(jī)和發(fā)射機(jī)可以隨便移動，不受方向的約束。

2) 適合在高速移動中無線傳輸實時的圖像。在車載、船舶、直升機(jī)上應(yīng)用微波和無線LAN等設(shè)備進(jìn)行無線圖像傳輸時，通常的方案是在配置附加的伺服穩(wěn)定裝置，以解決電磁波定向、跟蹤、穩(wěn)定等問題，但是也僅僅能夠?qū)崿F(xiàn)移動點對固定點的傳輸，并且圖、圖像經(jīng)常出現(xiàn)中斷等問題，嚴(yán)重影響傳輸接收效率。但是在運用COFDM技術(shù)的機(jī)載實況傳輸系統(tǒng)中，它不需要任何附加裝置，就可以實現(xiàn)固定—移動、移動—移動間的圖像傳輸而且移動速度可達(dá)150km/h。非常適合在船舶、直升機(jī)等移動平臺上。具有很高的可靠性[5]。

3) 傳輸帶寬高，適合高碼流、高畫質(zhì)的音視頻傳輸。圖像碼流一般可以大于4MBPS高碼流、高質(zhì)量的音視頻傳輸對信道速率和編碼要求很高。一般的微波傳輸，雖然采用了MPEG-2編碼，但信道多采用2M速率，雖然解碼后的圖像分辨率可達(dá)到720*576，但是圖像壓縮碼流只有1M左右，無法滿足接收端后期音視頻分析、存儲、編輯的要求。機(jī)載實況傳輸系統(tǒng)中，每個子載波可以選擇QPSK、16QAM、64QAM等高速調(diào)制，合成后的信道一般大于4MBPS。因此可以傳輸MPEG-2中4：2：0高質(zhì)量圖像，接收端圖像分辨率可以達(dá)到720*576或720*480，碼流可以在6M左右，接收圖像接近DVD畫質(zhì)[6]。

4) 在復(fù)雜電磁環(huán)境中，COFDM具有很強(qiáng)的抗干擾性能，對抗頻率選擇性衰落或窄帶干擾及信號間的干擾性能優(yōu)越，機(jī)載實況傳輸系統(tǒng)通過各子載波間的聯(lián)合編碼，具有很強(qiáng)的抗衰落能力。

4.2COFDM調(diào)制技術(shù)在機(jī)載實況傳輸系統(tǒng)中功能的實現(xiàn)

在機(jī)載實況攝錄傳輸系統(tǒng)中，COFDM調(diào)制技術(shù)解調(diào)技術(shù)主要通過軟件無線電來實現(xiàn)其功能。軟件無線電(SOFTWARE Radios)是一種新的無線電通信的體系結(jié)構(gòu)。具體來說，軟件無線電是以可編程的DSP或CPU為中心，將模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化的硬件單元用總線方式連接起來，構(gòu)成通用的硬件平臺，并通過軟件加載來實現(xiàn)各種無線通信功能的開放式體系結(jié)構(gòu)。

DSP在控制和信號處理方面有優(yōu)勢，基帶信號的調(diào)制、解調(diào)及FFT/IFFT等運算可以由DSP實現(xiàn)，但是在實時處理方面受到現(xiàn)有DSP處理速度和能力的制約。對于信號突發(fā)檢測這種運算量大的處理，尤其是在高速傳輸時，通常要使用FPGA。FPGA特有的流水線設(shè)計結(jié)構(gòu)可以使前后級在時間上并發(fā)，達(dá)到高效、高速。為了減小DSP在信號處理上的壓力，同時滿足高速要求，采用專用數(shù)字變頻芯片來實現(xiàn)數(shù)字上下變頻[7]。

為了和軟件無線電的思想統(tǒng)一，在系統(tǒng)設(shè)計時考慮兼容單載波調(diào)制解調(diào)方式，采用DSP、FPGA、上下變頻器的方案。

1) OFDM原理和基帶信號模型

正交頻分復(fù)用(Orthogonal Frequency Division Multiplex,OFDM)是一種多載波調(diào)制方式，通過減小和消除碼間串?dāng)_的影響來克服信道的頻率選擇性衰落。它的基本原理是將信號分割為N個子信號，然后用N個子信號分別調(diào)制N個相互正交的子載波。由于子載波的頻譜相互重疊，因而可以得到較高的頻譜效率。

圖3是OFDM基帶信號處理原理圖。其中，圖3(a)是發(fā)射機(jī)工作原理，圖3(b)是接收機(jī)工作原理。

圖3　OFDM基帶信號處理原理圖

在發(fā)射端，首先對比特流進(jìn)行QAM或QPSK調(diào)制，然后依次經(jīng)過串并變換和IFFT變換，再將并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為串行數(shù)據(jù)，加上保護(hù)間隔(又稱“循環(huán)前綴”，當(dāng)調(diào)制信號通過無線信道到達(dá)接收端時，由于信道多徑效應(yīng)帶來的碼間串?dāng)_的作用，子載波之間不再保持良好的正交狀態(tài)，因而發(fā)送前需要在碼元間插入保護(hù)間隔。如果保護(hù)間隔大于最大時延擴(kuò)展，則所有時延小于保護(hù)間隔的多徑信號將不會延伸到下一個碼元期間，從而有效地消除了碼間串?dāng)_)，形成OFDM碼元。在組幀時，須加入同步序列和信道估計序列，以便接收端進(jìn)行突發(fā)檢測、同步和信道估計，最后輸出正交的基帶信號[8]。

當(dāng)接收機(jī)檢測到信號到達(dá)時，首先進(jìn)行同步和信道估計。當(dāng)完成時間同步、小數(shù)倍頻偏估計和糾正后，經(jīng)過FFT變換，進(jìn)行整數(shù)倍頻偏估計和糾正，此時得到的數(shù)據(jù)是QAM或QPSK的已調(diào)數(shù)據(jù)。對該數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的解調(diào)，就可得到比特流[9]。

2) 參數(shù)設(shè)計及調(diào)制

信號波形采用PCB八層板設(shè)計，實現(xiàn)了該系統(tǒng)的硬件平臺，并在此平臺基礎(chǔ)上實現(xiàn)了高速OFDM傳輸和常規(guī)單載波調(diào)制解調(diào)，形成了一個通用寬帶高速調(diào)制解調(diào)平臺[10]。設(shè)計的目的是要在該平臺上實現(xiàn)現(xiàn)有的全部物理層的算法，特別是實現(xiàn)實時OFDM傳輸系統(tǒng)。OFDM系統(tǒng)指標(biāo)要求如表1。

表1　OFDM系統(tǒng)指標(biāo)要求

圖4給出了32路子載波OFDM在上述參數(shù)設(shè)計下的已調(diào)信號波形及其功率譜。圖中子載波調(diào)制方式為QPSK，碼元頻率為中頻頻率36.864MHz，帶寬是2.048MHz。

圖4　實測OFDM波形

5　結(jié)語

本文主要介紹COFDM調(diào)制技術(shù)在機(jī)載實況攝錄傳輸系統(tǒng)總的應(yīng)用，使得系統(tǒng)能夠在“高速移動”和“非視距”條件下，對被試品的整個運動過程進(jìn)行跟蹤拍攝，實現(xiàn)高質(zhì)量的實時的無線圖像、聲音和GPS數(shù)據(jù)的傳輸，并把攝錄實況實時傳遞到試驗指揮船，使指揮員能及時了解被試品的運動態(tài)勢。使指揮員能夠準(zhǔn)確掌握參試艦船和被試品的位置，幫助指揮員做出正確的決策。

參 考 文 獻(xiàn)

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*收稿日期：2015年10月3日,修回日期：2015年11月25日

作者簡介：許偉，男，工程師，研究方向：航拍通信。

中圖分類號TN943

DOI：10.3969/j.issn.1672-9730.2016.04.021

Application of COFDM Technology in Airborn Live Transmission System

XU WeiQIAO WenchangYUAN Geng

(Unit 94, No. 91388 Troops of PLA, Zhanjiang524022)

AbstractThe application of COFDM technology in an airborn live transmission system is mainly introduced. COFDM modulation technology is a key technology in an airborn live transmission system. It achieves its functions by software radio, which influences the range, speed and actual effect of the tested products in real-time transmission when live photographing and video recording.

Key WordsCOFDM modulation technology, software radio, airborn live transmission