許　偉　喬文長　袁　庚

(91388部隊94分隊　湛江　524022)

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COFDM技術在機載實況傳輸系統(tǒng)中的應用*

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調制技術在機載實況傳輸系統(tǒng)中的應用，COFDM調制技術是機載實況傳輸系統(tǒng)中一項關鍵技術，它主要通過軟件無線電來實現其功能，能夠影響被試品攝錄實況實時傳遞的距離、速度和實效。

關鍵詞COFDM調制技術; 軟件無線電; 機載實況傳輸

Class NumberTN943

1　引言

隨著COFDM調制技術的產生，這使得在“高速移動”和“非視距”條件下，實現高質量的實時的無線圖像、聲音和數據傳輸成為可能。機載實況傳輸系統(tǒng)采用了先進的COFDM調制技術，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150km/h)，提供廣播級DVD質量的高清晰圖像，強大的非視距傳輸能力，具有覆蓋范圍廣、靈敏度高、數據量大等優(yōu)點，為現場指揮、野外作戰(zhàn)等特殊條件下應急通信所需要的遠距離、高質量、高速率的實時圖像、音頻及數據傳輸提供理想的解決方案[1]。

2　COFDM定義

所謂COFDM，即編碼正交頻分復用的簡稱，這種正交表示的是載波頻率間精確的數字關系。編碼C指信道編碼采用編碼率可變的卷即編碼方式，以適應不同重要的數據的保護要求；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倍，復用M指的是多路數據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，它能夠將攝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，在機載實況傳輸系統(tǒng)中采用COFDM調制技術，就是選用基于FFT/IFFT的OFDM實現方法來實現。

3　COFDM在機載實況傳輸系統(tǒng)中的功能

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

圖2　接收機工作流程

4　COFDM調制系統(tǒng)

4.1COFDM技術在機載實況傳輸系統(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)、建筑物內實現無線圖像實時傳輸傳統(tǒng)的微波設備，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，需要提前考察應用環(huán)境，選擇、測試收發(fā)點，調整天線方向，架設天線高度測算等，工作量很大，也相當的繁瑣，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技術則徹底改變了這種局面。COFDM設備具有非視距、繞射傳輸的優(yōu)勢，在城區(qū)，建筑物內該技術設備能夠高概率的實現圖像穩(wěn)定的傳輸，受環(huán)境影響較小[4]。機載實況傳輸系統(tǒng)采用全向天線，可以在最短時間內架設無線傳輸鏈路，接收機和發(fā)射機可以隨便移動，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、直升機上應用微波和無線LAN等設備進行無線圖像傳輸時，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，但是也僅僅能夠實現移動點對固定點的傳輸，并且圖、圖像經常出現中斷等問題，嚴重影響傳輸接收效率。但是在運用COFDM技術的機載實況傳輸系統(tǒng)中，它不需要任何附加裝置，就可以實現固定—移動、移動—移動間的圖像傳輸而且移動速度可達150km/h。非常適合在船舶、直升機等移動平臺上。具有很高的可靠性[5]。

3) 傳輸帶寬高，適合高碼流、高畫質的音視頻傳輸。圖像碼流一般可以大于4MBPS高碼流、高質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高質量圖像，接收端圖像分辨率可以達到720*576或720*480，碼流可以在6M左右，接收圖像接近DVD畫質[6]。

4) 在復雜電磁環(huán)境中，COFDM具有很強的抗干擾性能，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，機載實況傳輸系統(tǒng)通過各子載波間的聯合編碼，具有很強的抗衰落能力。

4.2COFDM調制技術在機載實況傳輸系統(tǒng)中功能的實現

在機載實況攝錄傳輸系統(tǒng)中，COFDM調制技術解調技術主要通過軟件無線電來實現其功能。軟件無線電(SOFTWARE Radios)是一種新的無線電通信的體系結構。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、標準化的硬件單元用總線方式連接起來，構成通用的硬件平臺，并通過軟件加載來實現各種無線通信功能的開放式體系結構。

DSP在控制和信號處理方面有優(yōu)勢，基帶信號的調制、解調及FFT/IFFT等運算可以由DSP實現，但是在實時處理方面受到現有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特有的流水線設計結構可以使前后級在時間上并發(fā)，達到高效、高速。為了減小DSP在信號處理上的壓力，同時滿足高速要求，采用專用數字變頻芯片來實現數字上下變頻[7]。

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

1) OFDM原理和基帶信號模型

正交頻分復用(Orthogonal Frequency Division Multiplex,OFDM)是一種多載波調制方式，通過減小和消除碼間串擾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)射機工作原理，圖3(b)是接收機工作原理。

圖3　OFDM基帶信號處理原理圖

在發(fā)射端，首先對比特流進行QAM或QPSK調制，然后依次經過串并變換和IFFT變換，再將并行數據轉化為串行數據，加上保護間隔(又稱“循環(huán)前綴”，當調制信號通過無線信道到達接收端時，由于信道多徑效應帶來的碼間串擾的作用，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間隔。如果保護間隔大于最大時延擴展，則所有時延小于保護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擾)，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]。

當接收機檢測到信號到達時，首先進行同步和信道估計。當完成時間同步、小數倍頻偏估計和糾正后，經過FFT變換，進行整數倍頻偏估計和糾正，此時得到的數據是QAM或QPSK的已調數據。對該數據進行相應的解調，就可得到比特流[9]。

2) 參數設計及調制

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

表1　OFDM系統(tǒng)指標要求

圖4給出了32路子載波OFDM在上述參數設計下的已調信號波形及其功率譜。圖中子載波調制方式為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　結語

本文主要介紹COFDM調制技術在機載實況攝錄傳輸系統(tǒng)總的應用，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行跟蹤拍攝，實現高質量的實時的無線圖像、聲音和GPS數據的傳輸，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

[1] 譚博學,苗慧靜.集成電路原理及應用[M].第二版.北京:電子工業(yè)出版社,2008:120-130.

[2] 董在望.通信電路原理[M].北京:高等教育出版社,2002:80-85.

[3] 葛哲學.小波分析與Matlabr2007實現[M].北京:電子工業(yè)出版社,2007:202-210.

[4] 鄭治真.波普分析基礎[M].地震出版社,1983:114-120.

[5] 丁美玉,高西全.數字信號處理(第三版)學習指導[M].西安電子科技大學,2009:110-119.

[6] 董金明.微波技術[M].北京:機械工業(yè)出版社,2012:60-71.

[7] 劉剛.Matlab數字圖像處理[M].北京:機械工業(yè)出版社,2012-7:72-80.

[8] 微波固態(tài)電路設計INDERBAHLPRAKASHBHARTIA(美國)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2006:95-100.

[9] 何金良.電磁兼容概論[M].北京:科學出版社,2010-10:140-150.

[10] 范承志.電路原理[M].北京:機械工業(yè)出版社,2010:30-40.

*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