淺談無線圖傳的COFDM技術(shù)

一、OFDM和COFDM

20個世紀(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子載波，也就是我們所說的OFDM。這種“正交”表示的是載波頻率間精確的數(shù)學(xué)關(guān)系。按照這種設(shè)想，OFDM既能充分利用信道帶寬，也可以避免使用高速均衡和抗突發(fā)噪聲差錯。OFDM是一種特殊的多載波通信方案，單個用戶的信息流被串/并變換為多個低速率碼流，每個碼流都用一個子載波發(fā)送。OFDM不用帶通濾波器來分隔子載波，而是通過快速傅立葉變換（FFT）來選用那些即便混疊也能夠保持正交的波形。OFDM技術(shù)屬于多載波調(diào)制（Multi－Carrier Modulation，MCM）技術(shù)。有些文獻(xiàn)上將OFDM和MCM混用，實際上不夠嚴(yán)密。MCM與OFDM常用于無線信道，它們的區(qū)別在于：OFDM技術(shù)特指將信道劃分成正交的子信道，頻道利用率高；而MCM，可以是更多種信道劃分方法。  

OFDM技術(shù)是HPA聯(lián)盟（HomePlug Powerline Alliance）工業(yè)規(guī)范的基礎(chǔ)，它采用一種不連續(xù)的多音調(diào)技術(shù)，將被稱為載波的不同頻率中的大量信號合并成單一的信號，從而完成信號傳送。由于這種技術(shù)具有在雜波干擾下傳送信號的能力，因此常常會被利用在容易受外界干擾或者抵抗外界干擾能力較差的傳輸介質(zhì)中。OFDM技術(shù)的推出其實是為了提高載波的頻譜利用率，或者是為了改進(jìn)對多載波的調(diào)制，它的特點是各子載波相互正交，使擴(kuò)頻調(diào)制后的頻譜可以相互重疊，從而減小了子載波間的相互干擾。OFDM每個載波所使用的調(diào)制方法可以不同。各個載波能夠根據(jù)信道狀況的不同選擇不同的調(diào)制方式，比如BPSK、QPSK、8PSK、16QAM、64QAM等等，以頻譜利用率和誤碼率之間的最佳平衡為原則。OFDM技術(shù)使用了自適應(yīng)調(diào)制，根據(jù)信道條件的好壞來選擇不同的調(diào)制方式。OFDM還采用了功率控制和自適應(yīng)調(diào)制相協(xié)調(diào)工作方式。信道好的時候，發(fā)射功率不變，可以增強(qiáng)調(diào)制方式（如64QAM），或者在低調(diào)制方式（如QPSK）時降低發(fā)射功率。

COFDM（coded orthogonal frequency division multiplexing），即編碼正交頻分復(fù)用的簡稱，是目前世界最先進(jìn)和最具發(fā)展?jié)摿Φ恼{(diào)制技術(shù)。COFDM是ETSI歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會關(guān)于DVB-T數(shù)字視頻地面廣播及DAB數(shù)字音頻廣播的標(biāo)準(zhǔn)。 早期是用于軍事無線電傳輸安全性之目的。近年來，基于COFDM技術(shù)的廉價的數(shù)字信號處理芯片已成為眾多公司發(fā)展產(chǎn)品之首選。COFDM的實用價值就在于支持突破視距限制的應(yīng)用，是一種在無線電頻譜資源方面充分利用的技術(shù), 可以對噪聲和干擾有著很好的免疫力。其基本原理就是將高速數(shù)據(jù)流通過串并轉(zhuǎn)換，分配到傳輸速率較低的若干子信道中進(jìn)行傳輸。編碼（C）是指信道編碼采用編碼率可變的卷積編碼方式，以適應(yīng)不同重要性數(shù)據(jù)的保護(hù)要求；正交頻分（OFD）指使用大量的載波（副載波），它們有相等的頻率間隔，都是一個基本震蕩頻率的整數(shù)倍；復(fù)用（M）指多路數(shù)據(jù)源相互交織地分布在上述大量載波上，形成一個頻道。

1、單載波系統(tǒng)    

在FDM傳統(tǒng)的頻分復(fù)用和TDM時分復(fù)用系統(tǒng)中，一個單一的無線電頻率可以采用振幅、頻率、相位調(diào)制或采用復(fù)合調(diào)制方式以傳送數(shù)據(jù)流。為防止對臨近信道產(chǎn)生的干擾需要拿出一段頻譜空間作為保護(hù)頻段 ，但增加保護(hù)頻段會減少整個系統(tǒng)的吞吐量。射頻系統(tǒng)的設(shè)計必須考慮到最小的信號噪聲比，以保證接收信號在背景噪聲下所需要的性能。在強(qiáng)的干擾環(huán)境下（在同頻本地多發(fā)信機(jī)工作的情況下）或在強(qiáng)的衰落環(huán)境下（在暴雨期間或金屬物內(nèi)），信號通常是不能被良好的接收的。更為重要的是在同頻工作下會有多徑干擾產(chǎn)生的影響，它會使信號在建筑物之間、人群、移動的車輛、飛機(jī)或其它的方面產(chǎn)生多種反射而使信號傳輸中斷，那么如何使接收機(jī)能夠正確地接收這些信號？ 假設(shè)這些多徑射頻信號的特性可以迅速地從一個瞬間到另一個瞬間進(jìn)行變化，在設(shè)計上采用復(fù)雜的算法以及昂貴的電路技術(shù)能夠處理這些問題，使得在上述環(huán)境下信號也能夠得以良好的接收。  

2、多載波系統(tǒng) – COFDM

COFDM技術(shù)不使用單載波系統(tǒng)而是多載波系統(tǒng)。在同樣的調(diào)制方式下，比如采用 QPSK、16QAM 或 64QAM，可以使之應(yīng)用于單載波系統(tǒng)。但無論如何，數(shù)據(jù)的傳輸仍然是采用時分和頻分方式 ，并工作在各自的子載波上，每個子載波都在特定的正交頻率上，以增加潛在的數(shù)據(jù)吞吐量。盡管這時每個子載波的數(shù)據(jù)率低于單載波系統(tǒng)，但各個子載波的總的數(shù)據(jù)率要高于整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)率。   

DVB-T 標(biāo)準(zhǔn)已被廣泛應(yīng)用于歐洲和世界各國, 其中 “2K” 版本 (1704 載波信號) 應(yīng)用于較強(qiáng)的干擾環(huán)境， “8K” 版本 (6816 載波信號) 應(yīng)用于較低些的干擾環(huán)境。DAB 標(biāo)準(zhǔn) 應(yīng)用于CD品質(zhì)的音頻和數(shù)據(jù)在移動環(huán)境下的規(guī)劃和設(shè)計。其中有4個不同的工作方式, 在整個1.5MHz的信道上具有高達(dá) 1536 個載波的間隔, 其目的是為了提高對多普勒相移和多徑干擾的免疫力。COFDM技術(shù)是關(guān)于前向糾錯方法和數(shù)據(jù)信號處理過程的。它對干擾具有強(qiáng)的抵抗力。包括抗多徑干擾。這些信號相對原始信號因傳播距離而被延遲，相對于最大的期望延遲，保護(hù)間隔的配置就更長。這樣就可以保證接收機(jī)從反射信號中區(qū)別有用的信號以正確地接收。值得注意的是，實際上多徑信號會給COFDM系統(tǒng)中帶來好處，如果原始信號被封鎖，僅有多徑信號被接收的話，這些信號會被用于接收機(jī)去獲得想得到的數(shù)據(jù)。此外，即使個別的子載波不能完全地被接收, 數(shù)據(jù)糾錯方式也能夠使接收機(jī)從其它的子載波中獲得足夠的信息去重建缺少的數(shù)據(jù)。  

3、移動性和雙向數(shù)據(jù)     

COFDM技術(shù)是移動環(huán)境下應(yīng)用的最佳選擇。例如：UBS系統(tǒng)的COFDM 調(diào)制器在新加坡已被廣泛應(yīng)用于公交車的電視信號的傳送，這項技術(shù)也被用于拉斯維加斯戰(zhàn)時流動醫(yī)院的實時移動視頻圖象的單向傳送，以診斷病人。同時該項技術(shù)也能被應(yīng)用于雙向廣播無線接入業(yè)務(wù)。包括數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)接入、話音和傳真等。  

4、結(jié)論

COFDM 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)為增強(qiáng)頻譜資源的利用率提供了一種有效的解決途徑，特別是在強(qiáng)的干擾環(huán)境下。它可應(yīng)用于單向或雙向的固定或移動的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。以前采用固定無線接入方式訪問互聯(lián)網(wǎng)的用戶都知道一個道理：如果他們屋頂上的天線不在幾公里/幾十公里外的基站天線視線范圍內(nèi)的話，他們就接收不到信號。 但是現(xiàn)在WXKD新一代的固定無線雙向系統(tǒng)可以突破這一限制，包括樹叢、飾墻、甚至是金屬片都不能阻擋它與基站天線的通信。這對于使用固定無線接入技術(shù)向用戶提供高速互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)的人們來說無疑是一件好事。另外，這種新系統(tǒng)的安裝也更加方便，用戶可以自行安裝天線，而不是象以前那樣需要工程技術(shù)人員來調(diào)整它的角度以對準(zhǔn)遠(yuǎn)端的天線。

OFDM主要應(yīng)用在LTE（4G）、WIFI等應(yīng)用系統(tǒng)上。COFDM目前應(yīng)用最廣泛的是在DVB（數(shù)字視頻廣播），有DVB-T，DVB-S，DVB-C等等，在歐洲，東南亞，南美，澳洲都有廣泛應(yīng)用。

二、無線圖傳COFDM技術(shù)的優(yōu)點

無線圖傳COFDM技術(shù)，主要有如下幾個優(yōu)點：

(1)  適合高速數(shù)據(jù)傳輸，速率一般大于4Mbps，滿足高質(zhì)量視音頻的傳輸。高質(zhì)量的視音頻除對攝像機(jī)的要求外，對編碼流、信道速率要求十分高。一般的數(shù)字微波，擴(kuò)頻微波傳輸中，固然采用MPEG2編碼，但信道多采用2M速率，如E1，使得解碼后的圖像分辨率一般為352×288，無法滿足后期分析、存儲、編輯等要求。COFDM技術(shù)每個子載波可以選擇QPSK、16QAM、64QAM等高速調(diào) 制，合成后的信道速率一般均大于4Mbps。因此，可以傳輸MPEG2中4:2:0、4:2:2等高質(zhì)量編解碼，接收端圖像分辨率可達(dá)到576×720或480×720，滿足后期分析、存儲、編輯等要求。

(2)在窄帶帶寬下也能夠發(fā)出大量的數(shù)據(jù)：COFDM技術(shù)能同時分開至少1000個數(shù)字信號，而且在干擾的信號周圍可以安全運(yùn)行的能力，將直接威脅到目前市場上已經(jīng)開始流行的CDMA技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展壯大的態(tài)勢，正是由于具有了這種特殊的信號“穿透能力”使得COFDM技術(shù)深受歐洲通信營運(yùn)商以及手機(jī)生產(chǎn)商的喜愛和歡迎，例如加利福尼亞Cisco系統(tǒng)公司、紐約Flarion工學(xué)院以及朗訊工學(xué)院等開始使用，在加拿大Wi-LAN工學(xué)院也開始使用這項技術(shù)。

(3) COFDM技術(shù)能夠持續(xù)不斷地監(jiān)控傳輸介質(zhì)上通信特性的突然變化：由于通信路徑傳送數(shù)據(jù)的能力會隨時間發(fā)生變化，所以COFDM能動態(tài)地與之相適應(yīng)，并且接通和切斷相應(yīng)的載波以保證持續(xù)地進(jìn)行成功的通信；

(4)  該技術(shù)可以自動地檢測到傳輸介質(zhì)下，哪一個特定的載波存在高的信號衰減或干擾脈沖，然后采取合適的調(diào)制措施來使指定頻率下的載波進(jìn)行成功通信；

(5) COFDM技術(shù)特別適合使用在高層建筑物、居民密集和地理上突出的地方以及將信號散播的地區(qū)。傳統(tǒng)的微波設(shè)備，必需在通視前提（既收發(fā)兩點之間必需無阻擋）下才能建立鏈路，所以使用中受環(huán)境制約，需要提前考察環(huán)境，擬定、實測收發(fā)點。即使成功“布點”，天線定向、線纜布置等工作也相稱啰嗦，不僅直接限制視音頻源的獲取、傳輸，而且系統(tǒng)的可靠性、工作效率也大打折扣。COFDM無線圖像設(shè)備則徹底改變了這種局面。因其多載波等技術(shù)特點，COFDM設(shè)備具備“非視距”、“繞射”傳輸?shù)纳巷L(fēng)，在城區(qū)、山地、建筑物內(nèi)外等不能通視及有阻擋的環(huán)境中，該設(shè)備能夠以高概率實現(xiàn)圖像的不亂傳輸，不受環(huán)境影響或受環(huán)境影響小。其收發(fā)兩端一般采用全向天線，無須預(yù)先“踩點”、“定向”、布設(shè)繁雜的視音頻輸入、輸出電纜，視音頻源的采集端、接收端可根據(jù)現(xiàn)場情況及指揮/導(dǎo)演的要求自由流動，系統(tǒng)簡樸、可靠，應(yīng)用靈活。

(6) 可以有效地對抗信號波形間的干擾，適用于多徑環(huán)境和衰落信道中的高速數(shù)據(jù)傳輸。當(dāng)信道中因為多徑傳輸而出現(xiàn)頻率選擇性衰落時，只有落在頻帶凹陷處的子載波以及其攜帶的信息受影響，其他的子載波未受損害，因此系統(tǒng)總的誤碼率性能要好得多。

(7)  通過各個子載波的聯(lián)合編碼，具有很強(qiáng)的抗衰落能力。COFDM技術(shù)本身已經(jīng)利用了信道的頻率分集，如果衰落不是特別嚴(yán)重，就沒有必要再加時域均衡器。通過將各個信道聯(lián)合編碼，則可以使系統(tǒng)性能得到提高。

(8) 在復(fù)雜電磁環(huán)境中，COFDM具備優(yōu)異的抗干擾機(jī)能。對抗頻率選擇性衰落或窄帶干擾及信號波形間的干擾機(jī)能優(yōu)勝，通過各個子載波的聯(lián)合編碼，具有很強(qiáng)的抗衰落能力。在單載波系統(tǒng)中（如數(shù)字微波，擴(kuò)頻微波等），單個衰落或干擾能夠?qū)е抡麄€通訊鏈路失敗，但是在多載波COFDM系統(tǒng)中，僅僅有很小一部分子載波會受到干擾，并且這些子信道還可以采用糾錯碼來進(jìn)行糾錯，確保傳輸?shù)牡驼`碼率。 

(9) 可以選用基于IFFT/FFT的OFDM實現(xiàn)方法；

(10) 信道利用率很高：這一點在頻譜資源有限的無線環(huán)境中尤為重要；當(dāng)子載波個數(shù)很大時，系統(tǒng)的頻譜利用率趨于2Baud/Hz。

(10)適合高速移動中傳輸，可應(yīng)用于車輛、船舶、直升機(jī)/無人機(jī)等平臺。對于大多數(shù)行業(yè)而言，無線圖像的一般應(yīng)用模式是：視音頻前端采集—接入點（車、船、機(jī)）--視音頻處理中心（一般通過有線鏈路或衛(wèi)通）。所以車輛、船舶、直升機(jī)/無人機(jī)等平臺是系統(tǒng)非常重要的組成部分，其核心的功能之一就是實時接入前端的圖像。微波（數(shù)字微波、擴(kuò)頻微波）、無線LAN等設(shè)備因其技術(shù)體制的原因，無法獨(dú)立實現(xiàn)收、發(fā)端的移動中傳輸。如應(yīng)用到車輛、船舶上，通常的方案是再配置附加的“伺服穩(wěn)定”裝置，以解決電磁波定向、跟蹤、穩(wěn)定等問題，且僅能在一定條件下實現(xiàn)移動點對固定點的傳輸。這樣，其系統(tǒng)的技術(shù)環(huán)節(jié)多，工程復(fù)雜，可靠性降低，造價極高。但對于COFDM設(shè)備，它不需要任何附加裝置，就可實現(xiàn)固定—移動，移動—移動間的使用，非常適合安裝到車輛、船舶、直升機(jī)/無人機(jī)等移動平臺上。不僅傳輸有高可靠性，而且對比以上的方案，由于無須再配置附加的“伺服穩(wěn)定”裝置，所以表現(xiàn)出很高的性價比。