OFDM技術(shù)在GSM-R語音信道中的應(yīng)用

周娟

摘要：在我國鐵路行業(yè)中，隨著大量的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)增加，傳統(tǒng)的鐵路移動通信系統(tǒng)已經(jīng)被第二代鐵路移動通信系統(tǒng)GSM-R所取代，鐵路移動通信是鐵路高效運營、列車安全運行的重要保障。為了實現(xiàn)長距離可靠地傳輸數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)保證列車的安全運行，利用GSM-R語音信道和OFDM正交頻分復(fù)用技術(shù)，實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)可靠傳輸平臺。根據(jù)OFDM技術(shù)的特點，實現(xiàn)了GSM-R語音信道的OFDM調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)，它在數(shù)據(jù)傳輸中具有良好的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：GSM-R;OFDM;保密性;數(shù)據(jù)傳輸

中圖分類號：TP37 ? ? ? ?文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）25-0230-02

Abstract： In China's railway industry， with the increase of a large number of data services， the traditional railway mobile communication system has been replaced by the second generation of railway mobile communication system GSM-R. To realize long-distance reliable transmission of data and ensure the safe operation of trains， GSM-R voice channel， and OFDM orthogonal frequency division multiplexing technology are used to realize the remote reliable data transmission platform. According to the characteristics of OFDM technology， the OFDM modulation and demodulation system of the GSM-R voice channel is realized.

Key words： GSM-R; OFDM; Confidentiality; Data transmission

1引言

目前，隨著鐵路智能化建設(shè)的蓬勃發(fā)展，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)快速增長，傳統(tǒng)的鐵路移動通信系統(tǒng)已經(jīng)逐漸被第二代鐵路移動通信系統(tǒng)GSM-R所取代，GSM-R系統(tǒng)是一種在成熟、穩(wěn)定的公網(wǎng)移動通信系統(tǒng)GSM的基礎(chǔ)平臺之上，專門為鐵路行業(yè)服務(wù)的通信系統(tǒng)，它具有調(diào)度列車，行車控制，支持列車的高速移動的特點，并且提供鐵路特定功能，為鐵路經(jīng)濟和高效運營提供幫助的綜合鐵路移動通信系統(tǒng)[1]。利用GSM-R網(wǎng)絡(luò)資源和OFDM技術(shù)，就可以實現(xiàn)在GSM-R語音信道中可靠的傳輸大量的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。此外，由于采用了OFDM技術(shù)和GSM-R語音信道，即使消息被截獲，結(jié)果也只是噪音，因此系統(tǒng)本身具有較高的安全性能。

2 OFDM基本原理

OFDM的基本工作原理是利用串/并變換，將一支高速率的碼流轉(zhuǎn)換為許多低速率的信號，并調(diào)制到不同頻率的載波信號上。該并行傳輸系統(tǒng)一方面可以展寬碼元寬度，使系統(tǒng)具有克服多徑效應(yīng)對信號造成的衰落。在傳統(tǒng)的分頻復(fù)用方法中，每個子載波的頻譜是不重疊的[2]。另一方面，但是為了各子頻帶的信號相互重疊所引起的碼間干擾，必須保證各個子頻道之間留有足夠的防護頻道，就會降低系統(tǒng)的頻帶利用率[2]。為了簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，降低經(jīng)濟成本，采用先進的數(shù)字信號處理技術(shù)來產(chǎn)生和處理各子頻帶信號。同時，為了降低碼間干擾，提高系統(tǒng)的頻帶利用率，只有保證各個子載波信號在一個碼元周期內(nèi)兩兩相互正交，這樣就可以不失真的接受信號。OFDM信號的周期為T，副載波得個數(shù)為M，當(dāng)M個副載波頻率之間的最小間隔為1/ T，即各副載波頻率為f i= f c+ i/ T時（ i= 0，1…，M - 1），其中fc為中心頻率，則各副載波的正交性條件如公式（1-1）所示：

各子載波信號的頻譜為升余弦滾降函數(shù)Sa（f），前一個相鄰子載波信號的頻譜峰值對應(yīng)當(dāng)前子載波信號的頻譜的零點。所以所有的子載波信號頻譜疊加時，會產(chǎn)生一個恒定值，類似于矩形信號頻譜波形，其頻譜寬度接近發(fā)射信號的兩倍帶寬[3]。因此，OFDM系統(tǒng)的頻帶利用率比較高。理論證明，在信道中傳輸具有高斯白噪聲的統(tǒng)計特性的信號可以有效地克服多徑效應(yīng)帶來的影響。由于OFDM系統(tǒng)的各個子頻道信號互不相干，因此疊加以后形成的時域混合信號接近于高斯白噪聲信號。因此，OFDM系統(tǒng)可以有效地克服多徑效應(yīng)帶來的影響。

3 OFDM技術(shù)的優(yōu)點

OFDM技術(shù)正因為具有許多獨特的優(yōu)點，所以備受青睞。

（1）頻譜資源利用率高

頻譜利用率幾乎是串行系統(tǒng)的兩倍。這在頻譜資源非常稀缺的無線通信中非常重要。OFDM各個子載波信號頻譜疊加時，其頻譜寬度接近發(fā)射信號的兩倍帶寬[4]。

（2）抗多徑衰落能力強

由于OFDM系統(tǒng)將數(shù)據(jù)信息分別調(diào)制到多個子載波信號上，各個子頻道信號互不相干，因此疊加以后形成的時域混合信號接近于高斯白噪聲信號。因此，OFDM系統(tǒng)可以有效地克服多徑效應(yīng)帶來的影響。

（3）利用動態(tài)分配子信道技術(shù)使系統(tǒng)的比特率最高

使用“灌溉原理”，選擇每個符號在每個子信道中的比特數(shù)和功率來最大化總比特率（或最小化固定速率系統(tǒng)的功率）。也就是說，質(zhì)量好的信道要傳輸更多的信息，質(zhì)量一般的信道傳輸較少的信息，質(zhì)量差的信道不能傳輸信息。

（4）通過各子載波的混合編碼，提高其抗衰落能力。

OFDM技術(shù)本身已經(jīng)采用了頻率分集技術(shù)，有效地克服快衰落，所以就不需要使用均衡器。然而，可以通過對信息進行混合編碼來提高系統(tǒng)性能。

（5）OFDM系統(tǒng)利用快速傅里葉變換實現(xiàn)信號的調(diào)制與解調(diào)，易于使用先進的數(shù)字信號處理技術(shù)來完成[5]。

4 OFDM技術(shù)在GSM-R語音信道中應(yīng)用

本文實現(xiàn)在GSM-R語音信道中可靠地傳輸數(shù)據(jù)信息，整體傳輸結(jié)構(gòu)如圖1所示。

因為GSM-R系統(tǒng)采用信源編碼技術(shù)對信號壓縮，使用一個規(guī)則代碼激勵長期預(yù)測編碼技術(shù)，包括五個環(huán)節(jié)：預(yù)處理分析、線性預(yù)測編碼（LPC）技術(shù)、短時分析濾波，長期預(yù)測和規(guī)則碼激勵編碼。具體調(diào)制解調(diào)流程框圖如圖2所示。

5結(jié)語

只有在一定條件下這種系統(tǒng)使用一種數(shù)據(jù)傳輸方式，需要改進的硬件和軟件，使用更好的解碼方式，如OFDM調(diào)制后的數(shù)據(jù)，然后轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成一種類似于語音頻譜數(shù)據(jù)，然后發(fā)送到移動終端，效果會大大提高。

參考文獻：

[1] 謝炳勛.GSM-R技術(shù)在我國鐵路通信中的應(yīng)用與發(fā)展研究[J].電子技術(shù)與軟件工程，2015（23）：45，101.

[2] 李小文，趙北平，王華華，等.OFDM系統(tǒng)中一種新的聯(lián)合信道估計和信號檢測算法[J].光通信研究，2015（6）：58-60.

[3] 張金玲，潘緋，張爭光，等.時變OFDM系統(tǒng)中基于基擴展模型的物理層認證[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2016，42（12）：97-99.

[4] 秦長城.光纖通信系統(tǒng)中OFDM技術(shù)的應(yīng)用分析[J].中國新通信，2016，18（1）：74.

[5] 宋紅軍.高速光纖通信系統(tǒng)中的OFDM調(diào)制解調(diào)技術(shù)的仿真與實現(xiàn)[J].信息通信，2015，28（6）：190.

【通聯(lián)編輯：唐一東】