上一期的無線傳輸文章中，主要從GPRS和CDMA兩大傳輸技術(shù)的概念、特點(diǎn)、應(yīng)用中的優(yōu)缺點(diǎn)等角度剖析和闡述了這兩種傳輸方式，使讀者對(duì)它們有了一個(gè)系統(tǒng)的了解。本期文章則著重為大家介紹COFDM技術(shù)的特點(diǎn)、優(yōu)缺點(diǎn)以及與前兩種傳輸方式的性能比較和選擇。
COFDM技術(shù)
COFDM技術(shù)的含義及原理
COFDM（Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing）），即編碼正交頻分復(fù)用的簡(jiǎn)稱，是目前世界上最先進(jìn)和最具有發(fā)展?jié)摿Φ囊环N調(diào)制技術(shù)。其實(shí)用價(jià)值就在于它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)，因而對(duì)噪聲和干擾有著很好的免疫力。其中，字母C指編碼，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；字母OFD指正交頻分(其中O指正交，F(xiàn)D指頻分)，系指使用大量的載波（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；字母M指復(fù)用(或多路復(fù)用)，系指多路數(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。
編碼正交頻分復(fù)用技術(shù)是無線數(shù)字高清晰度視頻傳輸系統(tǒng)為克服在廣播發(fā)送中多徑傳播的干擾和移動(dòng)接收以及頻率資源的利用問題而引入的。在COFDM傳輸系統(tǒng)中，將傳輸信道分成許多子信道，每個(gè)信道對(duì)應(yīng)一個(gè)載波，同時(shí)將需要傳輸?shù)男盘?hào)分割成許多部分，每個(gè)部分采用一個(gè)載波進(jìn)行傳輸。經(jīng)過這樣的分割后，每個(gè)信道中傳輸?shù)男盘?hào)的速率將會(huì)變得很低，于是信道中的每個(gè)調(diào)制后的符號(hào)的時(shí)長將遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于回波的延時(shí)長度，如果在每個(gè)符號(hào)間插入保護(hù)間隔，則只要多徑延時(shí)不超過保護(hù)間隔的長度，多徑傳輸就不會(huì)帶來符號(hào)間的相互干擾，只能是在符號(hào)內(nèi)部相互疊加或相互削弱，而這種特性可以表示為信道的傳輸函數(shù)，使用適當(dāng)?shù)膶?dǎo)頻信號(hào)就可以在接收端得到這樣的傳輸函數(shù)，從而可以正確恢復(fù)符號(hào)的原始值。
編碼正交頻分復(fù)用調(diào)制方式是一種多載波數(shù)字通信調(diào)制技術(shù)，也是較為完備的移動(dòng)接收和傳輸技術(shù)，它可大大降低每個(gè)子載波內(nèi)的符號(hào)間干擾，并節(jié)省用于均衡的系統(tǒng)開銷。因此，它具有頻譜利用率高和可對(duì)抗多徑時(shí)延擴(kuò)展等特點(diǎn)，通常被認(rèn)為是超3代移動(dòng)通信系統(tǒng)中的核心技術(shù)。
COFDM的功能框圖如圖1所示，在發(fā)送端建立信號(hào)使用的是IFFT，在接收端分析信號(hào)使用的是FFT，均是建立在一種離散的快速付里葉變換的基礎(chǔ)上，即可以采用實(shí)現(xiàn)成本較低的快速變換。
COFDM無線視頻傳輸技術(shù)的基本原理，實(shí)際上就是將高速數(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去進(jìn)行傳輸，即將頻域中的一個(gè)寬帶信道劃分成多個(gè)重疊的子信道，去進(jìn)行窄帶傳輸。在接收端，雖然頻譜相互重疊，但是只要保證各子信道上信號(hào)的正交性，就可以將各信道上的信號(hào)正確分離。
COFDM技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)
COFDM技術(shù)在無線視頻圖像傳輸方面應(yīng)用的優(yōu)點(diǎn)如下。
1、最適于城市非可視和有阻擋的環(huán)境中應(yīng)用
因?yàn)镃OFDM技術(shù)有多載波等技術(shù)特點(diǎn)，其設(shè)備具備卓越的“非視距”、“繞射”與“穿透”能力，使在城區(qū)、山地、建筑物內(nèi)外等不能可視及有阻擋的環(huán)境中，該設(shè)備都能夠以高概率實(shí)現(xiàn)圖像的穩(wěn)定傳輸，而不受環(huán)境影響或受環(huán)境影響小。
COFDM無線視頻傳輸系統(tǒng)采用全向天線，可以在最短的時(shí)間內(nèi)架設(shè)無線傳輸鏈路，其采集端和接收端也可以隨意移動(dòng)，而不受方向的限制。因此，COFDM無線視頻傳輸系統(tǒng)簡(jiǎn)單、可靠，應(yīng)用靈活，最適于城市中應(yīng)用。
2、適于高速移動(dòng)中無線傳輸實(shí)時(shí)圖像
在車輛、船舶上應(yīng)用微波和無線LAN等設(shè)備進(jìn)行無線圖像傳輸時(shí)，通常需再配置附加的“伺服穩(wěn)定”裝置，以解決電磁波定向、跟蹤、穩(wěn)定等問題。但是，它也僅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，并且圖像常常會(huì)出現(xiàn)中斷，其工程復(fù)雜，可靠性降低，造價(jià)也極高。
而COFDM技術(shù)設(shè)備，不需要任何附加裝置，就可實(shí)現(xiàn)固定與移動(dòng)，移動(dòng)與移動(dòng)間的使用，因而COFDM技術(shù)適于高速移動(dòng)中無線傳輸實(shí)時(shí)的圖像，非常適合安裝到車輛、船舶、直升機(jī)等移動(dòng)平臺(tái)上使用。這種COFDM技術(shù)設(shè)備，不僅其傳輸具有高的可靠性，而且表現(xiàn)出很高的性價(jià)比。
3、適于高速傳輸高帶寬、高碼流、高畫質(zhì)的音視頻
在數(shù)字微波、擴(kuò)頻微波傳輸鏈路中，雖然采用MPEG2編碼，但信道多采用2M速率，如E1，雖然可使得解碼后的圖像分辨率達(dá)到720×576，但其圖像壓縮碼流卻只有1M左右，因而無法滿足接收端后期的音視頻分析、存儲(chǔ)、編輯等具體的要求。
而COFDM技術(shù)，每個(gè)子載波可以選擇QPSK、16QAM、64QAM等高速調(diào)制，其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)量編解碼圖像，接收端圖像分辨率可達(dá)到720×576或720×480，其碼流可以在6M左右，接收后的圖像質(zhì)量接近DVD畫質(zhì)，因而完全可以滿足接收端后期音視頻分析、存儲(chǔ)、編輯等具體的要求。因此，COFDM技術(shù)，適于高速傳輸高帶寬、高碼流、高畫質(zhì)的音視頻。
4、具備優(yōu)異的抗干擾性能
在數(shù)字微波、擴(kuò)頻微波等單載波系統(tǒng)中，單個(gè)衰落或干擾能夠?qū)е抡麄€(gè)通訊鏈路失敗。但在多載波COFDM系統(tǒng)中，只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)碼來進(jìn)行糾錯(cuò)，從而可以確保傳輸?shù)牡驼`碼率。因此，在復(fù)雜的電磁環(huán)境中，COFDM技術(shù)具備優(yōu)異的抗干擾性能。它對(duì)抗頻率選擇性衰落，或抗窄帶干擾及信號(hào)波形間的干擾性能優(yōu)越。并且，它通過各個(gè)子載波的聯(lián)合編碼，而具有很強(qiáng)的抗衰落能力，同時(shí)也具有相當(dāng)?shù)谋Ｃ苄阅堋?
5、頻率利用率與信道利用率高
由于COFDM技術(shù)的N個(gè)正交的子載波頻譜可以重疊，從而可大大提高頻率利用率，很適合高速率(大于10Mbps)的無線網(wǎng)絡(luò)視頻通信。
這一優(yōu)點(diǎn)在頻譜資源有限的無線環(huán)境中尤為重要。當(dāng)子載波個(gè)數(shù)N很大時(shí)，COFDM無線視頻傳輸系統(tǒng)的頻譜利用率趨于2Baud/Hz，因而其信道利用率很高。
COFDM技術(shù)的缺點(diǎn)
1、對(duì)頻偏和相位噪聲比較敏感，需子載波精確同步
COFDM技術(shù)的基礎(chǔ)是子載波必須滿足正交，如果正交性惡化，則整個(gè)系統(tǒng)的性能會(huì)嚴(yán)重下降。而頻偏和相位噪聲會(huì)使各個(gè)子載波之間的正交特性惡化，僅僅1％的頻偏就會(huì)使信噪比下降30dB。因?yàn)樵趯?shí)際工作中由于無線衰落信道的時(shí)變性，往往會(huì)造成頻率彌散，引起多普勒頻移效應(yīng)，從而影響載波頻率正交性。因此，COFDM系統(tǒng)對(duì)頻偏和相位噪聲比較敏感，所以必須實(shí)現(xiàn)子載波的精確同步，使之滿足正交。
2、功率峰值與均值比（PAPR）大，對(duì)發(fā)射機(jī)的線性要求嚴(yán)格
與單載波系統(tǒng)相比，由于COFDM信號(hào)是由多個(gè)獨(dú)立的經(jīng)過調(diào)制的子載波信號(hào)相加而成的，這樣的合成信號(hào)就有可能產(chǎn)生比較大的峰值功率，也就會(huì)帶來較大的峰值均值功率比，簡(jiǎn)稱峰均值比。對(duì)于包含N個(gè)子信道的系統(tǒng)來說，當(dāng)N個(gè)子信道都以相同的相位求和時(shí)，所得到的峰值功率就是均值功率的N倍(當(dāng)然這是一種非常極端的情況，通常系統(tǒng)內(nèi)的峰均值不會(huì)達(dá)到這樣高的程度)。但高峰均值比會(huì)增大對(duì)射頻放大器的要求，導(dǎo)致射頻信號(hào)放大器的功率效率降低。并且，信號(hào)呈現(xiàn)很大的峰平功率比（PAPR），比單載波系統(tǒng)需要更寬的線性范圍。因此，若要避免信號(hào)失真和頻譜擴(kuò)展，就需要對(duì)發(fā)射機(jī)的線性要求嚴(yán)格一些。
幾種移動(dòng)無線視頻傳輸技術(shù)的比較與選擇
根據(jù)GPRS、CDMA、COFDM三種移動(dòng)無線視頻傳輸技術(shù)的原理及其優(yōu)缺點(diǎn)，現(xiàn)將它們的性能作一比較，如表1所示。
由表1可知，目前移動(dòng)無線視頻傳輸方式主要有GPRS、CDMA與COFDM。
GPRS是在現(xiàn)有GSM系統(tǒng)上發(fā)展出來的一種新的數(shù)據(jù)承載業(yè)務(wù)。它采用分組交換技術(shù)，按流量計(jì)費(fèi)，高效傳輸高速或低速數(shù)據(jù)和信令。GPRS雖理論傳輸速率可達(dá)171.2kbps，但實(shí)際傳輸速率大約在35kbps左右。
CDMA1X原意是指CDMA2000的第一階段，是在CDMAIS95系統(tǒng)上發(fā)展出來的一種新的承載業(yè)務(wù)，目的是為CDMA用戶提供分組形式的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)；CDMA1X理論傳輸速率可達(dá)300kbps，但目前的實(shí)際傳輸速率大約在90kbps左右，可以用于Internet連接、數(shù)據(jù)傳輸?shù)葢?yīng)用。CDMA1X無線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的特點(diǎn)是按流量計(jì)費(fèi)，即一直在線，按照接收和發(fā)送數(shù)據(jù)包的數(shù)量來收取費(fèi)用，沒有數(shù)據(jù)流量的傳遞時(shí)不收費(fèi)用。
CDMA1X與GPRS雖然都是2.5代的移動(dòng)通信系統(tǒng)，但1X網(wǎng)絡(luò)通信速度遠(yuǎn)高于GPRS網(wǎng)絡(luò)，而且易于平滑過渡到3G移動(dòng)通信系統(tǒng)。3G是英文3rdGeneration的縮寫，指第三代移動(dòng)通信技術(shù)。第三代手機(jī)是指將無線通信與國際互聯(lián)網(wǎng)等多媒體通信結(jié)合的新一代移動(dòng)通信系統(tǒng)。它能夠處理圖像、音樂、視頻流等多種媒體形式，提供包括網(wǎng)頁瀏覽、電話會(huì)議、電子商務(wù)等多種信息服務(wù)。第三代移動(dòng)電話（3G）帶來全新概念的移動(dòng)通訊，鮮明的特點(diǎn)是高速度、多媒體、個(gè)性化。在傳輸速度上，第三代整整比第二代快上200倍。
目前市場(chǎng)上無線視頻監(jiān)控技術(shù)部份采用的是GPRS和CDMA技術(shù)，但是GPRS傳輸?shù)膸挷蛔?，傳輸視頻每秒就只有幾幀，效果達(dá)不到要求，而且出現(xiàn)應(yīng)急事件時(shí)，信息不夠詳實(shí)，容易出現(xiàn)斷點(diǎn)和無線接收的死角。CDMA無線傳輸技術(shù)雖比GPRS稍好一點(diǎn)，但同樣存在這樣的缺陷。在理想的狀態(tài)下，CDMA下行帶寬是153K，上行帶寬為80K，在這種傳輸通道帶寬之下，傳輸流暢的視頻基本上不可能實(shí)現(xiàn)。通常，在圖像也只有幾幀的情況下，只能以抓圖的形式來傳輸，并且為小畫面尺寸。顯然，這對(duì)于視頻監(jiān)控系統(tǒng)而言，這兩種移動(dòng)無線視頻傳輸技術(shù)，均還不能夠真正滿足實(shí)際的應(yīng)用需求。
然而，微波（數(shù)字微波、擴(kuò)頻微波）、無線LAN等較高帶寬的無線傳輸方案，大多都存在共同的缺點(diǎn)，即只能做到通視傳輸、定向傳輸，并難以支持移動(dòng)傳輸?shù)?。因此，它們限制了視頻監(jiān)控通訊系統(tǒng)的應(yīng)用，甚至無法滿足如：消防、公安、邊防、森林防火、煤礦監(jiān)控、人防應(yīng)急、城管執(zhí)法、銀行押運(yùn)等場(chǎng)所部份用戶最基本的需求。
由表1可看到，COFDM無線視頻傳輸技術(shù)是使用的編碼正交頻分多路復(fù)用的調(diào)制技術(shù)，它在各項(xiàng)性能上，均比GPRS和CDMA為優(yōu)。因?yàn)樗墙⒃谝环N離散的快速付里葉變換的基礎(chǔ)上，即可以采用實(shí)現(xiàn)成本較低的快速變換，故易于用計(jì)算機(jī)處理信號(hào)。而且，又因?yàn)檫@N個(gè)正交的子載波頻譜可以重疊，從而可大大提高頻率利用率，很適合高速率(>10Mbps)的無線網(wǎng)絡(luò)視頻的實(shí)時(shí)傳輸。并且，由于采用正交的N個(gè)子載波調(diào)制，因而抗頻率選擇性衰落能力強(qiáng)，抗多徑衰落能力強(qiáng)，同時(shí)也具有相當(dāng)?shù)谋Ｃ苄阅?。正因?yàn)镃OFDM技術(shù)有多載波等技術(shù)特點(diǎn)，其設(shè)備具備卓越的“非視距”、“繞射”與“穿透”能力，因而能用于城區(qū)、山地、建筑物內(nèi)外等不能可視及有阻擋的環(huán)境中，所以最適于建設(shè)平安城市的應(yīng)用。
隨著COFDM技術(shù)及組件的成熟，國外在無線圖像上已趨于淘汰微波和802.11FHSS、802.11(b)DSSS等方案，而采用COFDM技術(shù)的產(chǎn)品。目前，國內(nèi)少數(shù)公司采用歐洲D(zhuǎn)VB_T數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)中的COFDM調(diào)制模塊，集成了新一代移動(dòng)視頻圖像傳輸產(chǎn)品，并已成功地應(yīng)用在現(xiàn)場(chǎng)新聞采集、實(shí)況轉(zhuǎn)播、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)控等應(yīng)用領(lǐng)域中，使用戶己獲得意想不到的好的效果。
結(jié)語
由上述分析可知，GPRS、CDMA、COFDM無線視頻傳輸技術(shù)均有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，它們均可應(yīng)用在移動(dòng)式無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)中。但相對(duì)比較起來，在平安城市建設(shè)中，還是采用COFDM無線視頻傳輸技術(shù)為好。（欲知詳情，可參閱本人在2008年3月在A&S《安防工程商)中發(fā)表的“適于平安城市的COFDM無線視頻傳輸技術(shù)”一文）。
值得指出的是，2001年10月臺(tái)灣東華大學(xué)的楊慶隆博士曾撰文提出過CDMA與OFDM(即正交頻分多路復(fù)用)這兩種技術(shù)相結(jié)合的一種調(diào)制技術(shù)，這種組合的調(diào)制技術(shù)集合了CDMA和OFDM各自的優(yōu)點(diǎn)。由于CDMA是擴(kuò)頻編碼，本身就是一種信源編碼，因而降低了OFDM對(duì)功放輸出功率和線性度的要求，即同樣的功率下，可傳輸更遠(yuǎn)的距離，而OFDM是正交多子載波調(diào)制并允許子載波頻譜混疊，因而具有更高的頻率利用率，能適應(yīng)高速數(shù)據(jù)傳輸，所以在CDMA與OFDM調(diào)制相結(jié)合的情況下，可大大提高基于CDMA的數(shù)據(jù)傳輸率。此外通過切換又易于與原有的CDMA網(wǎng)和WLAN 網(wǎng)無縫連接且向下兼容。所以對(duì)未來4G手機(jī)的一些指標(biāo)要求，CDMA-OFDM是一個(gè)具有一定優(yōu)勢(shì)的備選方案，因?yàn)?G手機(jī)既要求達(dá)到OFDM的高速(>20Mbps)，又要求與原CDAM2000和
CDMA1x，GSM_GPRS向下兼容。此外在WLAN的發(fā)展上，又要求擴(kuò)展通信距離，并做到與WLAN網(wǎng)的各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)兼容互通。但實(shí)際上，這種加上信源編碼后的OFDM也就是COFDM，也可實(shí)現(xiàn)同頻(單頻)通信網(wǎng)，且是高速視頻(>10Mbps)的單頻無線通信網(wǎng)絡(luò)。
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