COFDM在現代數字廣播DRM中的應用

張彥文

【摘 要】本文首先介紹了COFDM技術的基本原理，并闡述了COFDM的關鍵技術在信道傳輸問題上的優勢，然后詳細介紹了COFDM技術在數字廣播（DRM）中的應用，最后給出了當前短波發射機DRM改造的建議。

【關鍵詞】COMDF；技術原理；DRM；應用

0 前言

20世紀中期，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，我們稱之為OFDM。1984年，提出了一種適用于無線信道傳送數據的OFDM方案，其特點是調制波的碼型是方波，并在碼元間插入了保護間隔，該技術方案有效地利用了信道帶寬，同時可以避免多徑傳播引起的碼間串擾。在此基礎上發展的COFDM即編碼正交頻分復用技術，讓信道編碼技術與多載波技術進行了有效的結合，使得該技術除具有多載波調制功能外，同時擁有了強大的編碼糾錯能力。20世紀90年代后，COFDM技術應用于數字聲音廣播、數字地面電視等無線播出系統。

1 COFDM技術原理

COFDM（coded orthogonal frequency division multiplexing）是編碼正交頻分復用的簡稱，屬于多載波帶寬傳輸技術。與PSK和QAM不同在頻域內將給定的信道分成許多正交子信道，在每個自信道上使用一個子載波進行調制，各子載波并行傳輸，減小了對單個載波的依賴性進一步提高系統性能。C是Coded，指信道編碼采用編碼率可變的卷積編碼方式，通常要人為加進冗余進行差錯保護，以適應對不同重要性的數據進行保護的要求。OFD是正交頻分，使用大量的載波代替單個載波，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基本振蕩頻率的整數倍，在頻譜關系上是彼此正交，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，并且子載波的數字調制可以是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是復用，COFDM這種寬帶傳輸方法，傳輸的信息不再是單一的節目，而是多套節目的數據流相互交織地分布在子載波上，形成一個頻率塊（圖1）。

1.1 OFDM基本原理

OFDM技術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用（FDM）方法來并行傳送數據。為了進行調制，傳遞的總數據流被分裂為N組數據流，它們對數目為N的子載波進行數字調制。N表示子信道的個數，T表示OFDM符號的寬度，di（i=0，1，…，N-1）為分配給每個信道的數據符號，fc是第0個子載波的載波頻率，rect（t）=1，t≤，若起始時間為t=ty，則COFDM可表示為：

OFDM系統基本模型框圖如圖2所示，它消除了碼間干擾和多徑傳播帶來的碼間干擾。

1.2 COFDM技術原理

OFDM調制方式很好地克服了高碼率數據流在多徑傳播環境下引起的碼間干擾問題，但是對于傳輸信道中因多徑效應引起的不同子信道的頻率選擇性衰落和多普勒效應造成的載波間正交破壞，依靠OFDM則無法克服，此類衰減造成的誤碼問題需要借助于信道糾錯編碼措施來預防，因此COFDM應運而生。

一個COFDM傳輸系統由信道編解碼、OFDM調制解調器、上下變頻單元構成，分為發送和接收兩大部分。使用的編碼技術有分組碼、卷積碼、網格編碼調制等，通常使用卷積碼來實現。COFDM系統基帶框圖如圖3所示：

1.3 COFDM的優勢

COFDM調制技術的優點如下：

1）抗衰落能力強，在COFDM系統里，用戶信息通多N個子載波傳輸，每個子載波上的信號時間就相應地比同速度的單載波系統上的信號時間長多倍，使得信號對信道噪聲和多徑衰落抵抗力強。

2）頻率利用率高，COFDM運用多載波正交作為子信道，提高了頻率利用率。

3）適合高速數據傳輸，COFDM自適應調制機制可使子載波按照信道情況和噪聲的不同使用不同的調制方式如：QPSK、QAM、16QAM、64QAM等。因此能可靠地適應高度數據傳輸。

4）抗碼間干擾能力強，碼間干擾是數字通信系統中除了信道噪聲干擾外主要的干擾，COFDM由于采用了循環前綴，顧抗碼間干擾的能力強。

5）適用于多徑接收，因為每路載波的調制符號數據率大為降低后其符號周期顯著增大，多徑信號的延時時間相對于符號周期只占很小比例，接收端接收時反而是多徑信號能量與主信號能量被相加起來應用，使有害的多徑變為有利的所需信號，同時對由于多普勒效應引起的載波頻移問題也能適應。

2 COFDM在DRM中應用

2.1 DRM系統原理

DRM系統工作于30MHz以下的長、中、短波段，根據需要可選用不同的傳輸模式。每種傳輸模式用信號帶寬相關參數和傳輸效率相關參數定義。其系統結構如圖4所示。

主業務信道（MSC）包括了多路復用中包含的所有業務數據，可以包含一到四種業務，每種業務即可以是音頻，也可以是數據。MSC的總比特率由DRM信道的帶寬和傳輸模式決定。快速訪問信道（FAC）為接收機提供快速搜索業務選擇信息。它包括接收機能夠有效地開始解復用的有關信道參數信息（如頻帶占有和交織深度等），它也包括關于在多路復用中的業務允許接收機解復用或變化頻率和重新搜索的信息。快速訪問信道中的信息與主業務信道中的數據業務基本相同，都要經過預編碼、能量擴散、信道編碼與QAM調制等處理。業務描述信道（SDC）給出了怎樣對MSC解碼，怎樣找到發射相同節目的替換頻率信息，并給出在多路復用中的業務歸屬。

主業務信道、快速訪問信道與業務描述信道組成時間長度為400ms的傳輸幀，三個傳輸幀構成1200ms的傳輸超幀，如圖5所示：

2.2 DRM中的COFDM技術

在DRM系統中利用OFDM單元映射器將不同時間和頻率的符號放在對應的時頻單元中，并將它們由多路信號合成為一路信號進行傳送。通過插入保護間隔對信號的一部分進行重復，就可以得到連續的COFDM信號。其實現基理則是通過IDFT和DFT來實現調制與解調。如發射端的COFDM信號為下式：

對信號s（t）以T/N的速率取樣，即變為離散信號，令t=kT/N（k=0，1，2…，N-1）得到：

可以看出，sk等效于對di進行IDFT運算。將IDFT運算后得到的離散信號進行D/A變換，便得到模擬形式的信號s（t）。下來在接收端進行DFT，即可恢復出原始數據符號di即：

IDFT和DFT實際上是用快速算法IFFT與FFT來實現的。經過IFFT后，為了抗多徑延遲，避免碼間干擾（ISI），在每個OFDM調制符號前都加入一個長度為1/4符號時間的循環擴展作為保護間隔（保護間隔的長度可以根據系統的性能要求進行調整）。

3 當前PSM發射機DRM改造的建議

由于DRM廣播解決了傳統廣播收聽質量差，發射機實際功率損耗大的問題，并且能傳輸更加豐富的內容，可以吸引更多的用戶，因此DRM廣播的發展勢在必行。而如何利用現有的廣播發射機進行DRM廣播，下面給出DRM改造的建議。

將DRM信號進行幅相分離，隨時間變化的幅度信號送入傳統PSM發射機的音頻通道進行處理，而用調相信號取代傳統發射機的激勵信號送入高頻通道。最終在發射機的高頻末級實現對調相信號的調幅，輸出高電平的DRM信號再經過射頻輸出網絡的調諧和匹配后通過天饋線系統發射出去。

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[責任編輯：王楠]