淺談無(wú)線圖傳的COFDM技術(shù)

一、OFDM和COFDM

20個(gè)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(shuō)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(cuò)。OFDM是一種特殊的多載波通信方案，單個(gè)用戶(hù)的信息流被串/并變換為多個(gè)低速率碼流，每個(gè)碼流都用一個(gè)子載波發(fā)送。OFDM不用帶通濾波器來(lái)分隔子載波，而是通過(guò)快速傅立葉變換（FFT）來(lái)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(shí)際上不夠嚴(yán)密。MCM與OFDM常用于無(wú)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(chēng)為載波的不同頻率中的大量信號(hào)合并成單一的信號(hào)，從而完成信號(hào)傳送。由于這種技術(shù)具有在雜波干擾下傳送信號(hào)的能力，因此常常會(huì)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(shí)是為了提高載波的頻譜利用率，或者是為了改進(jìn)對(duì)多載波的調(diào)制，它的特點(diǎn)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(gè)載波所使用的調(diào)制方法可以不同。各個(gè)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(lái)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(shí)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(shí)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(jiǎn)稱(chēng)，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(huì)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(wú)線電傳輸安全性之目的。近年來(lái)，基于COFDM技術(shù)的廉價(jià)的數(shù)字信號(hào)處理芯片已成為眾多公司發(fā)展產(chǎn)品之首選。COFDM的實(shí)用價(jià)值就在于支持突破視距限制的應(yīng)用，是一種在無(wú)線電頻譜資源方面充分利用的技術(shù), 可以對(duì)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(guò)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(gè)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(gè)頻道。

1、單載波系統(tǒng)    

在FDM傳統(tǒng)的頻分復(fù)用和TDM時(shí)分復(fù)用系統(tǒng)中，一個(gè)單一的無(wú)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(duì)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(huì)減少整個(gè)系統(tǒng)的吞吐量。射頻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)必須考慮到最小的信號(hào)噪聲比，以保證接收信號(hào)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(hào)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(huì)有多徑干擾產(chǎn)生的影響，它會(huì)使信號(hào)在建筑物之間、人群、移動(dòng)的車(chē)輛、飛機(jī)或其它的方面產(chǎn)生多種反射而使信號(hào)傳輸中斷，那么如何使接收機(jī)能夠正確地接收這些信號(hào)？ 假設(shè)這些多徑射頻信號(hào)的特性可以迅速地從一個(gè)瞬間到另一個(gè)瞬間進(jìn)行變化，在設(shè)計(jì)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(wèn)題，使得在上述環(huán)境下信號(hào)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(wú)論如何，數(shù)據(jù)的傳輸仍然是采用時(shí)分和頻分方式 ，并工作在各自的子載波上，每個(gè)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(shí)每個(gè)子載波的數(shù)據(jù)率低于單載波系統(tǒng)，但各個(gè)子載波的總的數(shù)據(jù)率要高于整個(gè)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(guó), 其中 “2K” 版本 (1704 載波信號(hào)) 應(yīng)用于較強(qiáng)的干擾環(huán)境， “8K” 版本 (6816 載波信號(hào)) 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(dòng)環(huán)境下的規(guī)劃和設(shè)計(jì)。其中有4個(gè)不同的工作方式, 在整個(gè)1.5MHz的信道上具有高達(dá) 1536 個(gè)載波的間隔, 其目的是為了提高對(duì)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(cuò)方法和數(shù)據(jù)信號(hào)處理過(guò)程的。它對(duì)干擾具有強(qiáng)的抵抗力。包括抗多徑干擾。這些信號(hào)相對(duì)原始信號(hào)因傳播距離而被延遲，相對(duì)于最大的期望延遲，保護(hù)間隔的配置就更長(zhǎng)。這樣就可以保證接收機(jī)從反射信號(hào)中區(qū)別有用的信號(hào)以正確地接收。值得注意的是，實(shí)際上多徑信號(hào)會(huì)給COFDM系統(tǒng)中帶來(lái)好處，如果原始信號(hào)被封鎖，僅有多徑信號(hào)被接收的話，這些信號(hào)會(huì)被用于接收機(jī)去獲得想得到的數(shù)據(jù)。此外，即使個(gè)別的子載波不能完全地被接收, 數(shù)據(jù)糾錯(cuò)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(dòng)性和雙向數(shù)據(jù)     

COFDM技術(shù)是移動(dòng)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(chē)的電視信號(hào)的傳送，這項(xiàng)技術(shù)也被用于拉斯維加斯戰(zhàn)時(shí)流動(dòng)醫(yī)院的實(shí)時(shí)移動(dòng)視頻圖象的單向傳送，以診斷病人。同時(shí)該項(xiàng)技術(shù)也能被應(yīng)用于雙向廣播無(wú)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(dòng)的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。以前采用固定無(wú)線接入方式訪問(wèn)互聯(lián)網(wǎng)的用戶(hù)都知道一個(gè)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(hào)。 但是現(xiàn)在WXKD新一代的固定無(wú)線雙向系統(tǒng)可以突破這一限制，包括樹(shù)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(duì)于使用固定無(wú)線接入技術(shù)向用戶(hù)提供高速互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)的人們來(lái)說(shuō)無(wú)疑是一件好事。另外，這種新系統(tǒng)的安裝也更加方便，用戶(hù)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(lái)調(diào)整它的角度以對(duì)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(wú)線圖傳COFDM技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

無(wú)線圖傳COFDM技術(shù)，主要有如下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

(1)  適合高速數(shù)據(jù)傳輸，速率一般大于4Mbps，滿(mǎn)足高質(zhì)量視音頻的傳輸。高質(zhì)量的視音頻除對(duì)攝像機(jī)的要求外，對(duì)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(wú)法滿(mǎn)足后期分析、存儲(chǔ)、編輯等要求。COFDM技術(shù)每個(gè)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(mǎn)足后期分析、存儲(chǔ)、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(shí)分開(kāi)至少1000個(gè)數(shù)字信號(hào)，而且在干擾的信號(hào)周?chē)梢园踩\(yùn)行的能力，將直接威脅到目前市場(chǎng)上已經(jīng)開(kāi)始流行的CDMA技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展壯大的態(tài)勢(shì)，正是由于具有了這種特殊的信號(hào)“穿透能力”使得COFDM技術(shù)深受歐洲通信營(yíng)運(yùn)商以及手機(jī)生產(chǎn)商的喜愛(ài)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(kāi)始使用，在加拿大Wi-LAN工學(xué)院也開(kāi)始使用這項(xiàng)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(huì)隨時(shí)間發(fā)生變化，所以COFDM能動(dòng)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(dòng)地檢測(cè)到傳輸介質(zhì)下，哪一個(gè)特定的載波存在高的信號(hào)衰減或干擾脈沖，然后采取合適的調(diào)制措施來(lái)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(hào)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(diǎn)之間必需無(wú)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(shí)測(cè)收發(fā)點(diǎn)。即使成功“布點(diǎn)”，天線定向、線纜布置等工作也相稱(chēng)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(wú)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(diǎn)，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(shí)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(wú)須預(yù)先“踩點(diǎn)”、“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(chǎng)情況及指揮/導(dǎo)演的要求自由流動(dòng)，系統(tǒng)簡(jiǎn)樸、可靠，應(yīng)用靈活。

(6) 可以有效地對(duì)抗信號(hào)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?yàn)槎鄰絺鬏敹霈F(xiàn)頻率選擇性衰落時(shí)，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(guò)各個(gè)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(méi)有必要再加時(shí)域均衡器。通過(guò)將各個(gè)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(duì)抗頻率選擇性衰落或窄帶干擾及信號(hào)波形間的干擾機(jī)能優(yōu)勝，通過(guò)各個(gè)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(gè)衰落或干擾能夠?qū)е抡麄€(gè)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(huì)受到干擾，并且這些子信道還可以采用糾錯(cuò)碼來(lái)進(jìn)行糾錯(cuò)，確保傳輸?shù)牡驼`碼率。 

(9) 可以選用基于IFFT/FFT的OFDM實(shí)現(xiàn)方法；

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

(10)適合高速移動(dòng)中傳輸，可應(yīng)用于車(chē)輛、船舶、直升機(jī)/無(wú)人機(jī)等平臺(tái)。對(duì)于大多數(shù)行業(yè)而言，無(wú)線圖像的一般應(yīng)用模式是：視音頻前端采集—接入點(diǎn)（車(chē)、船、機(jī)）--視音頻處理中心（一般通過(guò)有線鏈路或衛(wèi)通）。所以車(chē)輛、船舶、直升機(jī)/無(wú)人機(jī)等平臺(tái)是系統(tǒng)非常重要的組成部分，其核心的功能之一就是實(shí)時(shí)接入前端的圖像。微波（數(shù)字微波、擴(kuò)頻微波）、無(wú)線LAN等設(shè)備因其技術(shù)體制的原因，無(wú)法獨(dú)立實(shí)現(xiàn)收、發(fā)端的移動(dòng)中傳輸。如應(yīng)用到車(chē)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(wèn)題，且僅能在一定條件下實(shí)現(xiàn)移動(dòng)點(diǎn)對(duì)固定點(diǎn)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(jià)極高。但對(duì)于COFDM設(shè)備，它不需要任何附加裝置，就可實(shí)現(xiàn)固定—移動(dòng)，移動(dòng)—移動(dòng)間的使用，非常適合安裝到車(chē)輛、船舶、直升機(jī)/無(wú)人機(jī)等移動(dòng)平臺(tái)上。不僅傳輸有高可靠性，而且對(duì)比以上的方案，由于無(wú)須再配置附加的“伺服穩(wěn)定”裝置，所以表現(xiàn)出很高的性?xún)r(jià)比。