OFDM系統(tǒng)中TCM調(diào)制解調(diào)器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘 要：介紹了一種正交頻分復(fù)用系統(tǒng)中調(diào)制解調(diào)器的設(shè)計(jì)方法，正交頻分復(fù)用的關(guān)鍵技術(shù)是編碼和調(diào)制。傳統(tǒng)的信道編碼是將編碼與調(diào)制分開(kāi)設(shè)計(jì)，而網(wǎng)格碼是將編碼與調(diào)制作為一個(gè)整體進(jìn)行設(shè)計(jì)的。對(duì)提出的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行仿真，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方法是合理有效的。

關(guān)鍵詞：正交頻分復(fù)用； 網(wǎng)格編碼調(diào)制； 解調(diào)； 維特比； 網(wǎng)格法

中圖分類(lèi)號(hào)：TN911.5-34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1004-373X(2011)17-0090-02

Design and Implementation of TCM Modem in OFDM System

WU Jin

(College of Electronic Engineering， Xi’an University of Post and Telecommunications， Xi’an 710121， China)

Abstract： A design method of the modem in OFDM system is introduced. The key technique in OFDM is encoding and modulation. The conventional channel encoding is to encode and modulate separately， but Trellis coded modulation implements encoding and modulation as a whole. The simulation results indicate that the design method is effective and practical.

Keywords： OFDM; TCM; demodulation; Viterbi; grid method

0 引 言

正交頻分復(fù)用(Orthogonal Frequency Division Multiplex，OFDM)是目前已知的頻譜利用率較高的一種通信系統(tǒng)，它將數(shù)字調(diào)制、數(shù)字信號(hào)處理、多載波傳輸?shù)燃夹g(shù)有機(jī)結(jié)合在一起，使得它在系統(tǒng)的頻譜利用率、功率利用率、系統(tǒng)復(fù)雜性方面綜合起來(lái)有很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力，是支持未來(lái)移動(dòng)通信特別是移動(dòng)多媒體通信的主要技術(shù)之一［1］。在使用OFDM系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，調(diào)制解調(diào)器的設(shè)計(jì)成為關(guān)鍵。這里OFDM調(diào)制解調(diào)器的設(shè)計(jì)選擇了TCM網(wǎng)格編碼調(diào)制(Trellis Coded Modulation)的方法，其特點(diǎn)是結(jié)合了時(shí)間和頻率的間插。TCM碼調(diào)制結(jié)合了卷積碼和十六進(jìn)制正交幅度調(diào)制從而達(dá)到一種高效編碼而對(duì)傳輸?shù)男盘?hào)不產(chǎn)生影響。在接收端，網(wǎng)格編碼通過(guò)維特比算法進(jìn)行譯碼［2］。

1 OFDM基本原理

OFDM的基本原理就是把高速的數(shù)據(jù)流通過(guò)串/并變換，分配到傳輸速率相對(duì)較低的若干個(gè)相互正交的子信道中進(jìn)行傳輸。這樣一個(gè)OFDM符號(hào)內(nèi)就包含了多個(gè)經(jīng)過(guò)調(diào)制的子載波信號(hào)。每一個(gè)信號(hào)可以是子載波的相位調(diào)制，也可以是子載波幅度和相位的聯(lián)合調(diào)制，比如BPSK，QPSK，16QAM等。圖1給出了OFDM系統(tǒng)基本模型的框圖。

2 TCM調(diào)制解調(diào)

2.1 TCM簡(jiǎn)介

TCM技術(shù)是一種將編碼和調(diào)制結(jié)合在一起的技術(shù)。它與常規(guī)的非編碼多進(jìn)制調(diào)制相比具有較大的編碼增益且不降低頻帶利用率，所以特別適合限帶信道的信號(hào)傳輸［3］。TCM系統(tǒng)使用冗余多進(jìn)制調(diào)制與一個(gè)有限狀態(tài)的網(wǎng)格編碼器相結(jié)合，由編碼器控制選擇調(diào)制信號(hào)，以產(chǎn)生編碼符號(hào)序列。在接收端，對(duì)帶有噪聲的信號(hào)用維特比軟判決譯碼解調(diào)。

2.2 集分割與網(wǎng)格描述

所謂集分割是將一信號(hào)集接連地分割成較小的子集，并使分割后的子集內(nèi)的最小空間距離得到最大增加。每一次分割都是將一較大信號(hào)集分割成較小的兩個(gè)子集， 這樣可得到一個(gè)表示集分割的二叉樹(shù)。每經(jīng)過(guò)一級(jí)分割，子集數(shù)就加倍，而子集內(nèi)最小距離亦增加［4］。

TCM技術(shù)以編碼序列的歐氏距離為調(diào)制設(shè)計(jì)的量度，就是使編碼器和調(diào)制器二者級(jí)聯(lián)后產(chǎn)生的編碼信號(hào)具有最大的歐氏距離。從信號(hào)空間角度來(lái)看，這種設(shè)計(jì)方法實(shí)際上是一種對(duì)信號(hào)空間的最佳分割。TCM的最佳譯碼就是在信道輸出端得到接收信號(hào)序列后，在網(wǎng)格圖上找尋正確路徑，正確路徑的尋找用維特比算法完成。由于噪聲的存在，最終選擇的路徑不可能完全與正確路徑重合，即偶爾會(huì)在n時(shí)刻偏離正確路徑，而在n+L時(shí)刻又與正確路徑重合。當(dāng)這種情況發(fā)生時(shí)，就產(chǎn)生一個(gè)長(zhǎng)為L(zhǎng)的錯(cuò)誤事件。TCM的自由歐氏距離是任意一對(duì)形成錯(cuò)誤事件的兩條路徑間的最小歐氏距離，顯然與網(wǎng)格圖上信號(hào)路徑的最小跨度有關(guān)系。

2.3 Viterbi譯碼

網(wǎng)格碼的調(diào)制可采用Viterbi譯碼來(lái)實(shí)現(xiàn)［5］。Viterbi譯碼算法是一種卷積碼的解碼算法。算法規(guī)定t時(shí)刻收到的數(shù)據(jù)都要進(jìn)行N次比較，就是N個(gè)狀態(tài)每條路有兩條分支，同時(shí)，跳轉(zhuǎn)到不同的兩個(gè)狀態(tài)中去，將兩條相應(yīng)的輸出和實(shí)際接收到的輸出比較，量度值大的拋棄，留下來(lái)的就叫做幸存路徑，將幸存路徑加上下一時(shí)刻幸存路徑的量度然后保存，這樣N條幸存路徑就增加了一步。在譯碼結(jié)束的時(shí)候，從N條幸存路徑中選出一條量度最小的，反推出這條幸存路徑，得出相應(yīng)的譯碼輸出［6］。

3 TCM調(diào)制解調(diào)器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 設(shè)計(jì)方案

本設(shè)計(jì)方案根據(jù)數(shù)字電視地面廣播的信道模型進(jìn)行設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)中選取了2k模式的OFDM參數(shù)，DVB-T系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)流程圖如圖2所示。

3.2 調(diào)制解調(diào)原理圖與流程圖

數(shù)據(jù)進(jìn)入編碼器后，經(jīng)過(guò)串/并變換，轉(zhuǎn)換而成的兩路并行信號(hào)進(jìn)行碼率為2/3的網(wǎng)格編碼，以產(chǎn)生三路并行碼。這三路并行碼通過(guò)對(duì)D/A的接口進(jìn)入D/A轉(zhuǎn)換器［7］。D/A轉(zhuǎn)換器的輸出信號(hào)與由頻率合成器產(chǎn)生的1.024 GHz的載波一起進(jìn)入正交調(diào)制器進(jìn)行正交調(diào)制，調(diào)制后的信號(hào)通過(guò)射頻輸出接口，產(chǎn)生符合設(shè)計(jì)要求的射頻輸出信號(hào)。

TCM解調(diào)選用了維特比譯碼的方法，首先進(jìn)行TCM逆映射，然后將要譯碼的數(shù)據(jù)送入維特比譯碼器，從而輸出經(jīng)過(guò)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)［8］。TCM調(diào)制與解調(diào)器原理圖如圖3所示。

3.3 仿真與分析

維特比硬判決通過(guò)網(wǎng)格圖搜索最佳路徑，這個(gè)最佳路徑就是找到與接收序列在最小Hamming距離上的那條路徑。譯碼時(shí)首先畫(huà)出18級(jí)網(wǎng)格圖，最后3級(jí)僅畫(huà)出僅有全0輸入序列的路徑，逐級(jí)比較找出碼距最小的路徑，其余支路予以刪除。當(dāng)?shù)竭_(dá)第19級(jí)全0狀態(tài)時(shí)，沿著幸存路徑回到初始全0狀態(tài)的路徑就是最佳路徑，共有36比特［9］。在最佳路徑數(shù)字序列中，刪掉最后的6個(gè)0后輸出的就是進(jìn)入卷積碼的序列，由圖4可得到驗(yàn)證。

4 結(jié) 論

OFDM調(diào)制解調(diào)器的設(shè)計(jì)選擇了TCM碼調(diào)制的方法。傳統(tǒng)的信道編碼都是將編碼與調(diào)制分開(kāi)設(shè)計(jì)，而TCM將編碼與調(diào)制作為一個(gè)整體進(jìn)行設(shè)計(jì)，大大改善了系統(tǒng)性能［10］。在接收端，其解調(diào)輸出的結(jié)果與發(fā)送端原始信息對(duì)比無(wú)差錯(cuò)，說(shuō)明這個(gè)網(wǎng)格編碼調(diào)制解調(diào)器功能正常，可較好地應(yīng)用在OFDM系統(tǒng)中。

參 考 文 獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：

吳 進(jìn) 女，1975年出生，江蘇常州人，工學(xué)碩士，副教授。主要研究方向?yàn)樾盘?hào)與信息處理。