【安防知識網(wǎng)】系統(tǒng)的組成及其工作原理

　　COFDM(coded orthogonal frequency division multiplexing)，即編碼正交頻分復(fù)用的簡稱，是目前世界上最先進(jìn)和最具有發(fā)展?jié)摿Φ恼{(diào)制技術(shù)。它的實(shí)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),對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，系指使用大量的載波(副載波)，它們有相等的頻率間隔，都是一個基本震蕩頻率的整數(shù)倍;字母M指復(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，形成一個頻道。實(shí)際上，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，因而可用于民用。

　　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接收和傳輸技術(shù)，它可大大降低每個子載波內(nèi)的符號間干擾，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抗多徑時延擴(kuò)展等特點(diǎn)，通常被認(rèn)為是超3代移動通信系統(tǒng)中的核心技術(shù)。

　　COFDM無線視頻傳輸技術(shù)的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，即將頻域中的一個寬帶信道劃分成多個重疊的子信道進(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的正交性，就可以將各信道上的信號正確分離。

　　COFDM無線視頻傳輸系統(tǒng)的組成及其基本工作原理如圖1所示。

　　由圖1可見，視頻、音頻、數(shù)據(jù)，通過R-S編碼器編碼(224、208)后，數(shù)據(jù)率上升，即進(jìn)行串/并轉(zhuǎn)換(S/P)，即將頻域中的一個寬帶信道劃分成多個重疊的子信道，再經(jīng)160AM調(diào)制器進(jìn)行AM調(diào)制后，藉助于逆快速付里葉變換IFFT處理器，把信號調(diào)制到512個并行頻率信道上，然后雙邊帶調(diào)制到載波后再通過發(fā)射機(jī)發(fā)射出去。

　　用512個并行信道傳輸?shù)哪康?，是為了克服地面的多徑傳輸所造成的碼問干擾。應(yīng)該看到，當(dāng)8MHz頻帶正交劃分成512信道時，每一信道可容納的波形脈沖寬度僅此為τ=512/8=64μS，而地面廣播經(jīng)多徑傳入的信號強(qiáng)度較大，通常在通過近區(qū)反射而來，所以時延較小，一般在3-3.5μs以下，因而可以采用加保護(hù)時間的方法來吸收掉符號間的干擾。

　　由圖1知，當(dāng)接收機(jī)收到信號后，它不用帶通濾波器來分隔子載波，而是通過快速付里葉變換(FFT)來選用那些即便混疊也能夠保持正交的波形。此外，各并行信道每隔一定波形間隔分別傳送基準(zhǔn)信號，接收端根據(jù)基準(zhǔn)信號，在FFT處理器處理之前先算出頻響特性均衡數(shù)據(jù)，采用以上二項(xiàng)措施可大大降低多徑干擾帶來的影響。經(jīng)處理后的信號，再將160AM解調(diào)，經(jīng)并/串轉(zhuǎn)換(P/S)后即進(jìn)行R-S解碼，就可還原成視頻、音頻、數(shù)據(jù)信號輸出。

　　為了對付PAL制模擬電視的同頻干擾，凡在PAL信號頻譜中能量強(qiáng)的頻譜線如圖像載頻、副載波和伴音載波附近的一些信道可以空開來不用，雖然沒有用足512個信道，但解決了正交頻分復(fù)用OFDM和PAL信號間的相互干擾。由此可見，采用OFDM的調(diào)制方式可省略了自適應(yīng)均衡器和同步干擾抑制濾波器。

　　[nextpage]當(dāng)多徑延時量與所傳送的數(shù)字符號處于同一量級時，會嚴(yán)重影響符號間干擾，延長傳輸符號的周期可有效克服多徑干擾，COFDM正是根據(jù)這一原理來消除反射波的影響。OFDM由N個頻率間隔相等的子載波組成，各個子載波又可采用同一種數(shù)字調(diào)制如QPSK，或不同載波采用不同調(diào)制。而串行傳輸?shù)姆栃蛄幸卜殖砷L度為N的段，每段內(nèi)N個符號分別調(diào)制N個子載波，所以O(shè)FDM把符號周期延長N倍，而用并行調(diào)制來彌補(bǔ)周期延長降低符號傳輸率的困境。在傳統(tǒng)的頻分復(fù)用中，各子載波的信號頻譜是互不重疊的，以便接收機(jī)中能采用傳輸濾波方法將其分離和提取，但這類做法降低了頻帶利用率。在OFDM中，使各載波的信號頻譜可相互重疊，但子載波間隔的選擇要使這些載波在整個符號周期上處于正交狀態(tài)，也就是說加于符號周期上的任何兩個載波的乘積為零。為實(shí)現(xiàn)最大頻譜效率，使子載波的最小頻率間隔為符號周期的倒數(shù)。若符號由脈沖序列組成，則每個調(diào)制子載波頻譜的形狀符合sincx，其峰值對應(yīng)于其他載波的頻譜中的零點(diǎn)，如圖2所示。

　　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，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)的工作方式。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。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。

　　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、16-QAM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。

　　值得注意的是，實(shí)際上多徑信號會給COFDM系統(tǒng)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)。