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(wèn)題上的優(yōu)勢(shì)，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(jī)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(chēng)之為OFDM。1984年，提出了一種適用于無(wú)線(xiàn)信道傳送數(shù)據(jù)的OFDM方案，其特點(diǎn)是調(diào)制波的碼型是方波，并在碼元間插入了保護(hù)間隔，該技術(shù)方案有效地利用了信道帶寬，同時(shí)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(jìn)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(shí)擁有了強(qiáng)大的編碼糾錯(cuò)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(wú)線(xiàn)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(jiǎn)稱(chēng)，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(gè)自信道上使用一個(gè)子載波進(jìn)行調(diào)制，各子載波并行傳輸，減小了對(duì)單個(gè)載波的依賴(lài)性進(jìn)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(jìn)冗余進(jìn)行差錯(cuò)保護(hù)，以適應(yīng)對(duì)不同重要性的數(shù)據(jù)進(jìn)行保護(hù)的要求。OFD是正交頻分，使用大量的載波代替單個(gè)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(gè)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(gè)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(lái)并行傳送數(shù)據(jù)。為了進(jìn)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(duì)數(shù)目為N的子載波進(jìn)行數(shù)字調(diào)制。N表示子信道的個(gè)數(shù)，T表示OFDM符號(hào)的寬度，di（i=0，1，…，N-1）為分配給每個(gè)信道的數(shù)據(jù)符號(hào)，fc是第0個(gè)子載波的載波頻率，rect（t）=1，t≤，若起始時(shí)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(lái)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(wèn)題，但是對(duì)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(wú)法克服，此類(lèi)衰減造成的誤碼問(wèn)題需要借助于信道糾錯(cuò)編碼措施來(lái)預(yù)防，因此COFDM應(yīng)運(yùn)而生。

一個(gè)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(lái)實(shí)現(xiàn)。COFDM系統(tǒng)基帶框圖如圖3所示：

1.3 COFDM的優(yōu)勢(shì)

COFDM調(diào)制技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)如下：

1）抗衰落能力強(qiáng)，在COFDM系統(tǒng)里，用戶(hù)信息通多N個(gè)子載波傳輸，每個(gè)子載波上的信號(hào)時(shí)間就相應(yīng)地比同速度的單載波系統(tǒng)上的信號(hào)時(shí)間長(zhǎng)多倍，使得信號(hào)對(duì)信道噪聲和多徑衰落抵抗力強(qiáng)。

2）頻率利用率高，COFDM運(yùn)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(jī)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(qiáng)，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(qiáng)。

5）適用于多徑接收，因?yàn)槊柯份d波的調(diào)制符號(hào)數(shù)據(jù)率大為降低后其符號(hào)周期顯著增大，多徑信號(hào)的延時(shí)時(shí)間相對(duì)于符號(hào)周期只占很小比例，接收端接收時(shí)反而是多徑信號(hào)能量與主信號(hào)能量被相加起來(lái)應(yīng)用，使有害的多徑變?yōu)橛欣乃栊盘?hào)，同時(shí)對(duì)由于多普勒效應(yīng)引起的載波頻移問(wèn)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(zhǎng)、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(hào)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。快速訪(fǎng)問(wèn)信道（FAC）為接收機(jī)提供快速搜索業(yè)務(wù)選擇信息。它包括接收機(jī)能夠有效地開(kāi)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(jī)解復(fù)用或變化頻率和重新搜索的信息?？焖僭L(fǎng)問(wèn)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(guò)預(yù)編碼、能量擴(kuò)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(duì)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(fǎng)問(wèn)信道與業(yè)務(wù)描述信道組成時(shí)間長(zhǎng)度為400ms的傳輸幀，三個(gè)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(shí)間和頻率的符號(hào)放在對(duì)應(yīng)的時(shí)頻單元中，并將它們由多路信號(hào)合成為一路信號(hào)進(jìn)行傳送。通過(guò)插入保護(hù)間隔對(duì)信號(hào)的一部分進(jìn)行重復(fù)，就可以得到連續(xù)的COFDM信號(hào)。其實(shí)現(xiàn)基理則是通過(guò)IDFT和DFT來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)制與解調(diào)。如發(fā)射端的COFDM信號(hào)為下式：

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

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

IDFT和DFT實(shí)際上是用快速算法IFFT與FFT來(lái)實(shí)現(xiàn)的。經(jīng)過(guò)IFFT后，為了抗多徑延遲，避免碼間干擾（ISI），在每個(gè)OFDM調(diào)制符號(hào)前都加入一個(gè)長(zhǎng)度為1/4符號(hào)時(shí)間的循環(huán)擴(kuò)展作為保護(hù)間隔（保護(hù)間隔的長(zhǎng)度可以根據(jù)系統(tǒng)的性能要求進(jìn)行調(diào)整）。

3 當(dāng)前PSM發(fā)射機(jī)DRM改造的建議

由于DRM廣播解決了傳統(tǒng)廣播收聽(tīng)質(zhì)量差，發(fā)射機(jī)實(shí)際功率損耗大的問(wèn)題，并且能傳輸更加豐富的內(nèi)容，可以吸引更多的用戶(hù)，因此DRM廣播的發(fā)展勢(shì)在必行。而如何利用現(xiàn)有的廣播發(fā)射機(jī)進(jìn)行DRM廣播，下面給出DRM改造的建議。

將DRM信號(hào)進(jìn)行幅相分離，隨時(shí)間變化的幅度信號(hào)送入傳統(tǒng)PSM發(fā)射機(jī)的音頻通道進(jìn)行處理，而用調(diào)相信號(hào)取代傳統(tǒng)發(fā)射機(jī)的激勵(lì)信號(hào)送入高頻通道。最終在發(fā)射機(jī)的高頻末級(jí)實(shí)現(xiàn)對(duì)調(diào)相信號(hào)的調(diào)幅，輸出高電平的DRM信號(hào)再經(jīng)過(guò)射頻輸出網(wǎng)絡(luò)的調(diào)諧和匹配后通過(guò)天饋線(xiàn)系統(tǒng)發(fā)射出去。

【參考文獻(xiàn)】

[1]李棟.數(shù)字多媒體廣播[M].電子工業(yè)出版社，2010.9.

[2]方水平.COFDM原理及其設(shè)備的應(yīng)用[J].北京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)（第四期），2004.10.

[3]樊昌信，詹道庸，等.編著.通信原理第四版[M].國(guó)防工業(yè)出版社，1999：22-42.

[責(zé)任編輯：王楠]