榆林市廣播電視中心：鄭浩 劉延霖

作為利用先進圖像壓縮技術(shù)、數(shù)字通信技術(shù)所開發(fā)出的全新產(chǎn)品，數(shù)字電視已在諸多國家得到推廣。該產(chǎn)品的地面?zhèn)鬏敇藴手饕腥齻€，分別是基于COFDM的DVB-T標準（歐洲）、基于8-VSB的ATSC標準（美國）、基于BST的ISDB-T標準（日本）。上世紀末至今，國內(nèi)學者始終致力于數(shù)字電視研究，并在地面?zhèn)鬏旑I(lǐng)域獲得了矚目成績，多項專利技術(shù)的誕生，為數(shù)字電視的升級提供了支持。本文便以此為背景，圍繞COFDM軟判決技術(shù)展開討論，供相關(guān)人員參考。

1.COFDM基本原理與性能

1.1 技術(shù)原理

從本質(zhì)上看，OFDM屬于多載波通信系統(tǒng)，通過頻率相同的載波形成，可將符號序列分成N個段，各段可調(diào)節(jié)N個載波，且功率譜形狀一致，主要因載波中的調(diào)制信號均為方波。OFDM系統(tǒng)內(nèi)載波數(shù)量為幾百，在應(yīng)用時難以達到FDM系統(tǒng)的效果，可利用多個振蕩器進行調(diào)節(jié)，例如，將信號傳遞周圍設(shè)定為[0，T]，該周期內(nèi)傳輸符號數(shù)量用N表示，求該區(qū)段內(nèi)OFDM信號值，公式如下：

式中，fk代表的是載波，計算公式為fc與k△f之和，其中fc代表的是發(fā)射載頻；△f是載波間隔的最小值；Ck代表的是復數(shù)，t代表的是原本串行的符號周期。串行數(shù)據(jù)系統(tǒng)內(nèi)符號為串行傳輸，且各個符號頻譜可占用全部有效帶寬。在并行傳輸系統(tǒng)應(yīng)用后，支持不同序列一同傳輸，可隨時傳輸多個數(shù)據(jù)，有效彌補串行系統(tǒng)的傳輸弊端。此類系統(tǒng)中數(shù)據(jù)在頻帶中的占比較小，可根據(jù)需求選擇頻率，將其擴展到不同符號上，將脈沖干擾變成多個小符號，降低干擾能力，使信號接收更加完整高效。因信道由多個較窄的子信道構(gòu)成，各個信道頻率較為和緩，在原本信道內(nèi)的占比較小，整體傳輸較為均衡簡便。

1.2 性能分析

在廣播信道中干擾因素種類較多，接收端周圍信號在脈沖、衰減等影響下，依靠理論分析與檢驗等方式，創(chuàng)建HDTV信道模型。與模擬傳輸相比，數(shù)字傳輸在抗干擾方面性能較為理想，具體如下。

（1）依靠導頻跟蹤解調(diào)相位噪音。COFDM系統(tǒng)依靠多載波傳遞信號，不同載波間隔較小，更易受到載波頻率的干擾。接收設(shè)備如若出現(xiàn)微小的頻率誤差，都會對子信道之間正交性產(chǎn)生較大破壞。在給定系統(tǒng)中，其性能受載波量、偏移位置的影響較大。發(fā)端上下行轉(zhuǎn)換器的數(shù)量均會對噪聲產(chǎn)生影響，可依靠導頻跟蹤解調(diào)相位噪音，通過降低數(shù)據(jù)流量凈負荷，達到理想效果；

（2）改變信道環(huán)境。在信道編碼確定后，COFDM可將強大的回波干擾消除，依靠計算機仿真分析，使BER性能得到優(yōu)化。在信道衰減的基礎(chǔ)上，受震動、搖晃等因素影響，時變信號會出現(xiàn)動態(tài)鬼影，由此產(chǎn)生誤碼。對此，可利用并行傳輸系統(tǒng)，使時變信道環(huán)境得到良好改善；

（3）載波均衡。在復雜信道環(huán)境下，如C/N明顯低于標準值，且干擾因素較多，信號衰減嚴重，這便要求COFDM擁有強大的載波恢復技能。在載波檢測中，依靠導頻與參考符號的方式，使載波與子信道之間實現(xiàn)均衡。

2.COFDM傳輸中的軟判決技術(shù)要點

2.1 Viterbi譯碼模塊應(yīng)用

解調(diào)數(shù)據(jù)軟判決流程如下：先由COFDM解調(diào)端均衡數(shù)據(jù)、校正數(shù)據(jù)相位偏轉(zhuǎn)，再將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移至軟判決模塊，結(jié)合調(diào)制端所提供星座映射，對比特數(shù)據(jù)進行借調(diào)?？紤]到維特比譯碼對信息可信度所提出要求較高，采取更加可信的軟判決是必然選擇。獲得軟信息后，由系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進行量化處理，將插入導頻去除，待解內(nèi)交織環(huán)節(jié)告一段落，盡快利用糾錯碼對信道傳輸所存在突發(fā)錯誤做離散處理，并將數(shù)據(jù)送往譯碼模塊，最后由譯碼模塊對其進行譯碼。

圖1：軟判決流程圖

其中，yk代表所接收信號，zk代表發(fā)送信號預(yù)估值，代表信道響應(yīng)預(yù)估值。當前數(shù)字電視與廣播對畫面清晰圖要求嚴格，對于COFDM系統(tǒng)來說，需要在解調(diào)端進行數(shù)據(jù)均衡，使相位偏轉(zhuǎn)到標準狀態(tài)，再傳輸?shù)杰浥袥Q模塊內(nèi)，依照調(diào)制端的區(qū)別，得出與星座映射相對應(yīng)的比特數(shù)據(jù)，因后續(xù)要威特比翻譯，與硬判決相比，軟判決技術(shù)的應(yīng)用更加可靠，可獲得更為清楚準確的“軟信息”。在數(shù)據(jù)4bit量化后，將符號內(nèi)各類導頻傳輸出來，經(jīng)過解內(nèi)交織后，對突發(fā)錯誤離散化處理，使糾錯碼得到高效利用，最后將數(shù)據(jù)傳遞到Viterbi譯碼模塊內(nèi)進行翻譯和轉(zhuǎn)換。對于不同導頻信號來說，類型不盡相同，OFDM信道內(nèi)估計技術(shù)可分成兩個類型，一種是在頻域新聯(lián)基礎(chǔ)上的信道，另一種是導頻訓練的信道。經(jīng)過仿真分析可知，需要對系統(tǒng)特征、精度偏差、相位噪音等指標綜合分析，利用FPFI估計算法，對衰落特性信道內(nèi)的不同計算方式進行對比。

2.2 碼元計算

根據(jù)處理形式不同，可將解調(diào)完畢的信號分成兩種形式進行譯碼，即硬判決、軟判決。前者是以譯碼器為介質(zhì)，碼元只有兩個值，非0即1，該項技術(shù)操作簡便，適用范圍較廣。后者是采集信號波形，從中提取有價值的信息，在AWGN信道內(nèi)，與硬判決相比超過2dB增益，在衰落信道內(nèi)，其增益超過3dB。為了使信號波形內(nèi)的信息得到高效應(yīng)用，可借助譯碼器將正確率最高的判決傳輸?shù)拇a子進行量化處理，從譯碼器中輸出的高正確率的碼子數(shù)量基本不是一個，而是有Q個，需要采用Q進制序列進行軟判決譯碼。該系統(tǒng)內(nèi)所用的BPSK信號用于兩個碼元傳遞，計算公式如下：

式中，E代表的是信號能量；信號經(jīng)過白噪聲信道后進入到解調(diào)器的輸入端。在實施硬判決的過程中，判決門限的最優(yōu)值為0，如若解調(diào)設(shè)備輸出值為負數(shù)，則電平為0；如若為正數(shù)，則電平為1。但是，在軟判決期間，根據(jù)上述公式得出的結(jié)果位于±1范圍內(nèi)，需要實施Q進制量化后再傳輸?shù)阶g碼器中進行解碼。

2.3 糾錯編碼

在軟判決應(yīng)用中，通過糾錯編碼的應(yīng)用可使編碼增益提升，具有代表性的是LDPC編碼、Turbo編碼，二者在糾錯性能方面具有較大優(yōu)勢。前者屬于低密度奇偶校驗碼，譯碼難度較低，結(jié)構(gòu)多變，適用于光纖通信、數(shù)字視頻、音頻廣播等方面；后者為對大誤碼的糾錯能力較強，可將2.5e-2的誤碼下降到1e-5以下。在100G DWDM設(shè)計中，依靠數(shù)字相干接收調(diào)制技術(shù)，在糾錯編碼方面將7%硬判決與13%軟判決相聯(lián)合，將其放入ASIC內(nèi)，由此組合成三級鏈接碼。在新系統(tǒng)配置方面，不但采用了Turbo編碼強大的糾錯能力，還將LDPC編碼靈活的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢引入進來，最大限度地降低編碼復雜程度，實現(xiàn)最佳性價比。在三級連接糾錯編碼中，軟硬兩種判決形式在信號處理流程方面大體一致，其區(qū)別主要在于軟判決可為前一種編碼單元提供更多相關(guān)可信度信息，但硬判斷則單純提供比特判決相關(guān)信息，可信度信息較少，在數(shù)字接收、模數(shù)轉(zhuǎn)換方面軟判決的優(yōu)勢更為顯著。

3.數(shù)字電視COFDM傳輸中軟判決技術(shù)的實際應(yīng)用

某區(qū)域地面模擬電視為PAL-D制式，在廣播頻段上分成兩個部分，即VHF頻段與UHF頻段，頻道數(shù)量有56個，DS12—DS48屬于廣播業(yè)務(wù)專用頻道，DS49—DS68為其他業(yè)務(wù)頻道。在COFDM傳輸期間，需要根據(jù)地面數(shù)字電視頻率規(guī)劃要點，綜合分析資源配置、規(guī)劃頻段、組網(wǎng)模式等因素，最大限度地利用最小頻譜資源實現(xiàn)模數(shù)過渡頻率規(guī)劃效果。同時，依靠軟判決技術(shù)的應(yīng)用，精準提取CSI，并對數(shù)據(jù)信號進行調(diào)制，實施同頻干擾消除技術(shù)，取得理想應(yīng)用成果。

3.1 數(shù)據(jù)信號調(diào)制

在單載波通信系統(tǒng)運行中，將信號調(diào)整到單一載波的位置，對解調(diào)位置的全部信號進行疊加平均噪聲頻率，信號接收單純受數(shù)值與門限間的距離的影響，可根據(jù)實際情況進行數(shù)據(jù)信號調(diào)制。簡單來講，對于相同位置的載波頻率來說，無論出于時域或者頻域上，均帶有均衡特點，對于所有信號的判決都能夠一視同仁。但是在多載波系統(tǒng)中，如果傳輸端的信號為衰落信道，則會產(chǎn)生不同的信噪比SNR。在信號判決期間，被調(diào)制的信噪比與低信噪比相比來說更加可靠。在正式判決之前，需要先檢驗可靠性信息，將其用CSI表示，使信道動態(tài)變化得到良好保障。受信道變化影響，這種不公平的可信度在軟判決解碼期間需要重點分析。在COFDM系統(tǒng)應(yīng)用中，因不同載波上的噪聲功率不盡相同，在軟判決期間應(yīng)采用以下公式計算，即：

式中，F(xiàn)代表的是概率密度函數(shù)；Q1代表的是符號內(nèi)的第1各子載波；d1代表的是信號均值，d2代表的是噪聲均值，二者相減的絕對值便是解映射結(jié)果。在解調(diào)端進行譯碼之前，對CSI提取十分關(guān)鍵，這同樣也是與單一載波系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)方面相區(qū)別之處。

3.2 信道狀態(tài)信息提取

CSI信息常常被定義成各個載波點的信噪比，傳統(tǒng)方法為SNR可對信號、噪聲功率分別估計，再計算出二者的比值。但此種方式操作難度較大，且對硬件要求較高。在實際應(yīng)用中，新出一種新的信道狀態(tài)采集方式，即依靠歸一化計算平均噪聲功率，只需將不同載頻點的信噪比計算出來即可。根據(jù)信號均衡結(jié)果可知，噪聲功率比值不但包括有效信號，還包括此類信號伴隨的噪聲功率。在COFDM系統(tǒng)調(diào)制端中，許多數(shù)據(jù)信號是在隨機處理后進行映像，因此常量值單純與星座圖相關(guān)。在實際應(yīng)用中，應(yīng)盡可能減少計算量，可先對噪聲功率均值計算出來，再采用歸一法進行均方功率計算，便可將查表映像展現(xiàn)出來。對于頻率衰落變化來說，在選擇性信道內(nèi)，只有經(jīng)過大量計算才可將噪聲特性準確展現(xiàn)出來。在該項目開展中，采用統(tǒng)計設(shè)備利用數(shù)據(jù)緩存設(shè)備進行數(shù)值更新，再計算出均值，系數(shù)對迭代速度進行改善功能，且時間與信噪特點息息相關(guān)，在長時間運行下可將噪聲特性準確體現(xiàn)出來，進而得出各個點位的CSI信息。同時，CSI屬于平均統(tǒng)計值，可在較大程度上避免信道內(nèi)窄帶對估算產(chǎn)生的不良影響。

3.3 信道狀態(tài)信息的應(yīng)用

3.3.1 應(yīng)用原理

該項目中的CSI信息需要先經(jīng)過均衡處理后，依照影像星座圖與狀態(tài)信息結(jié)合起來，實施軟判決，在每次軟判決過程中，可信度可依靠信號星座點傳遞到判決限距離中，依靠64QAM星座圖對可信度度量進行判斷，如圖2所示（圖中a線代表解映射首位與第二位的度量值；b線代表第三和第四的度量值；c線代表第五和第六的度量值，第一與第二為判決門限為0，第三和第四的門限為+4和-4，第五和第六的門限為+6和-6）。按照QAM信號特點可知，首位與第二位的優(yōu)先級超過剩余幾位，而第三和第四位的優(yōu)先級超過第五和第六，可利用上述特點進行可信度度量。因信道狀態(tài)CSI可將信號可信度直觀表示出來，公式如下。

式中，DEFt代表的是第s個點位上CSI數(shù)值；v代表的是該載波判決值的排位。為了高效利用解調(diào)信號，使譯碼更加準確可靠，要求可靠值進行量化后，傳入到譯碼器進行翻譯。量化電鈴與碼元可信度具有正比關(guān)系，當電平量越多時，說明接收到的碼元更具可信度。

3.3.2 仿真分析

將該項目中的相關(guān)數(shù)據(jù)代入到公式中，根據(jù)DVB-T標準進行仿真分析，根據(jù)結(jié)果可知，在內(nèi)碼為2/3碼率的情況下，利用64QAM星座圖進行映射，保護間隔為1/16。根據(jù)上述結(jié)果可知，在萊斯信道模式下，歸一法的應(yīng)用效果更加理想，與傳統(tǒng)的非歸一法計算模式相比，在相同前提下可使性能進一步提升。究其原因，該法基礎(chǔ)上采集到的狀態(tài)信息，是在長期迭代的前提下獲得，能夠?qū)⑿诺涝肼暯y(tǒng)計特點充分體現(xiàn)出來，在移動接收、窄帶干擾等信道中的應(yīng)用更加理想，如圖3所示。根據(jù)圖3可知，在瑞利與萊斯兩個信道中，瑞利的歸一法與非歸一相比，在萊斯信道中的性能更為理想，究其原因，因瑞利信道與真實的無線移動信道更加貼近，與萊斯相比衰落特征更加惡劣。非歸一法應(yīng)用中，采用信號功率轉(zhuǎn)移函數(shù)作為信道狀態(tài)信息，忽視了噪聲統(tǒng)計特征的改變，因此不適用于衰落速度過快、窄帶干擾較強的信道中，且操作難度較大，適用于固定接收、衰落較為緩慢的信道內(nèi)。

圖2：星座圖

圖3：信道狀態(tài)提取法對比

4.結(jié)語

綜上所述，在數(shù)字化時代背景下，數(shù)字電視、音頻廣播等設(shè)備受到消費者的歡迎，并對高清圖像、音質(zhì)提出嚴格要求。在音視頻信號傳輸中很容易受到各類干擾，需要對COFDM傳輸中的軟判決技術(shù)加強研究，準確提取出信道狀態(tài)信息，將信道動態(tài)變化準確全面地反映出來。同時，還應(yīng)牢牢把握Viterbi譯碼模塊應(yīng)用、碼元計算、糾錯編碼等技術(shù)優(yōu)勢，掌握COFDM傳輸技術(shù)原理與系統(tǒng)性能，克服傳統(tǒng)技術(shù)的缺陷，使干擾噪音得到有效攔截，在長期迭代的前提下獲得信號，將信道噪聲統(tǒng)計特點充分體現(xiàn)出來，在移動接收、窄帶干擾等信道中取得更加理想的應(yīng)用效果。