數(shù)字電視地面?zhèn)鬏斚到y(tǒng)中的OFDM

王立秋

摘 要：OFDM是一種特殊的多載波傳輸方案，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，OFDM已經(jīng)在數(shù)字音頻廣播中實(shí)現(xiàn)，并準(zhǔn)備應(yīng)用于地面數(shù)字電視和HDTV廣播中。

關(guān)鍵詞：正交頻分復(fù)用；調(diào)制；解調(diào)；

文章編號(hào)：1674-3520（2015）-09-00-02

一、引言

在無(wú)線傳輸系統(tǒng)，特別是電視廣播系統(tǒng)中，由于城市建筑群或其它復(fù)雜的地理環(huán)境，發(fā)送的信號(hào)經(jīng)過(guò)反射，散射等傳播路徑后，到達(dá)接收端的信號(hào)往往是多個(gè)幅度和相位各不相同的信號(hào)的疊加，使接收到的信號(hào)幅度出現(xiàn)隨機(jī)起伏變化，形成多徑衰弱。多徑干擾會(huì)引起信號(hào)的頻率選擇性衰減，導(dǎo)致信號(hào)畸變。因此在無(wú)線傳輸時(shí)既要充分利用給定的頻帶，又要考慮到系統(tǒng)抗頻率選擇性衰減的能力。正交頻分復(fù)用（OFDM）正是一種滿(mǎn)足這種要求的傳輸方案。

OFDM是Orthogonal Frequency Division Multiplexing的縮寫(xiě)，是一種多載波調(diào)制技術(shù)。OFDM是實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊环N非常重要的手段，其主要思想是：將信道分成若干正交子信道，將高速數(shù)據(jù)信號(hào)轉(zhuǎn)換成并行的低速子數(shù)據(jù)流，調(diào)制到在每個(gè)子信道上進(jìn)行傳輸。正交信號(hào)可以通過(guò)在接收端采用相關(guān)技術(shù)來(lái)分開(kāi)，這樣可以減少子信道間相互干擾ISI。每個(gè)子信道上的信號(hào)帶寬小于信道的相關(guān)帶寬，因此每個(gè)子信道上的可以看成平坦性衰落，從而可以消除符號(hào)間干擾。而且由于每個(gè)子信道的帶寬僅僅是原信道帶寬的一小部分，信道均衡變得相對(duì)容易。

二、OFDM基本原理

（一）時(shí)域和頻域同步

OFDM系統(tǒng)對(duì)定時(shí)和頻率偏移很敏感。尤其是在實(shí)際應(yīng)用中可能會(huì)與FDMA、TDMA和CDMA等多址方式結(jié)合使用時(shí)，時(shí)域和頻域同步就顯得尤其重要。同步可以包括捕獲和跟蹤兩個(gè)階段。下行鏈路同步相對(duì)來(lái)說(shuō)要簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，因?yàn)樵谙滦墟溌分?，基站向各個(gè)移動(dòng)終端是廣播式發(fā)同步信號(hào)。而在上行鏈路中，來(lái)自不同移動(dòng)終端的信號(hào)必須是同步到達(dá)基站，從而才能夠保證子載波間的正交性?；揪蜁?huì)根據(jù)各移動(dòng)終端發(fā)來(lái)的子載波所攜帶的信息進(jìn)行時(shí)域和頻域同步信息的提取，然后在由基站發(fā)回到原來(lái)移動(dòng)終端，以便讓移動(dòng)終端進(jìn)行同步具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，同步將分為時(shí)域同步和頻域同步，也可以時(shí)域和頻域同時(shí)進(jìn)行同步。

（二）信道編碼和交織

為了提高數(shù)字通信系統(tǒng)的功能，信道編碼和交織是最常用的方法。對(duì)于衰落信道中出現(xiàn)的隨機(jī)錯(cuò)誤，可以采用信道編碼；而對(duì)于衰落信道中出現(xiàn)的突發(fā)錯(cuò)誤，可以采用交織。實(shí)際應(yīng)用中，為了進(jìn)一步改善通信系統(tǒng)的功能，通常是同時(shí)采用信道編碼和交織。在OFDM系統(tǒng)中，如果信道衰落情況不是太深，均衡是無(wú)法在利用信道的分集特性來(lái)改善系統(tǒng)性能的。因?yàn)镺FDM系統(tǒng)本身就具有利用信道分集特性的能力。一般的信道特性信息已經(jīng)被OFDM這種調(diào)制方式本身所利用了。但是，OFDM系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)卻為在子載波間進(jìn)行編碼提供了機(jī)會(huì)，形成COFDM方式。編碼過(guò)程可以采用各種碼，如卷積碼或分組碼等。但是卷積碼的效果要比分組碼好。

（三）信號(hào)調(diào)制與解調(diào)

OFDM系統(tǒng)的調(diào)制與解調(diào)可以用離散傅里葉變換和離散逆傅里葉變換來(lái)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)離散傅里葉反變換，把頻域數(shù)據(jù)變成時(shí)域數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)射頻載波調(diào)制后，發(fā)送到無(wú)線信道中。通過(guò)離散傅里葉變換的方法實(shí)現(xiàn)OFDM系統(tǒng)，可以簡(jiǎn)化調(diào)制解調(diào)器的設(shè)計(jì)，并且在實(shí)際系統(tǒng)應(yīng)用中，一般會(huì)采用更加高效的快速傅里葉逆變換和快速傅里葉變換來(lái)實(shí)現(xiàn)。

（四）保護(hù)間隔和循環(huán)前綴

為了最大限度地消除符號(hào)間干擾，可以在每個(gè)OFDM符號(hào)之間插入保護(hù)間隔（GI），保護(hù)間隔長(zhǎng)度一般應(yīng)大于信道的最大時(shí)延擴(kuò)展，這樣上一符號(hào)的多徑分量就不會(huì)對(duì)下一符號(hào)造成干擾。在這段保護(hù)間隔內(nèi)可以不插入任何符號(hào)，即為一段空白的傳輸時(shí)段。然而在這種情況下，由于多徑傳播的影響，則會(huì)產(chǎn)生載波間干擾（ICI），即子載波之間的正交性遭到破壞，不同的子載波之間產(chǎn)生干擾。由于在FFT運(yùn)算時(shí)間長(zhǎng)度內(nèi)，無(wú)時(shí)延的第一子載波信號(hào)和有時(shí)延的第二子載波信號(hào)之間的周期個(gè)數(shù)之差不再是整數(shù)，當(dāng)接收機(jī)試圖對(duì)第一個(gè)子載波進(jìn)行解調(diào)時(shí)，第二子載波的時(shí)延信號(hào)會(huì)對(duì)第一子載波造成干擾。同樣，當(dāng)接收機(jī)對(duì)第二子載波進(jìn)行解調(diào)時(shí)，也會(huì)存在來(lái)自第一子載波的干擾。因此，空白保護(hù)間隔可以消除符號(hào)間干擾（ISI），但不能消除子載波間干擾（ICI）。

另外，通過(guò)在每個(gè)符號(hào)的起始位置插入循環(huán)前綴（CP），可以同時(shí)消除符號(hào)間干擾和子載波間干擾。循環(huán)前綴是一種特殊的保護(hù)間隔，它是OFDM符號(hào)后部數(shù)據(jù)的循環(huán)復(fù)制，增加了符號(hào)的波形長(zhǎng)度。在符號(hào)的數(shù)據(jù)部分，每一個(gè)子載波內(nèi)有一個(gè)整數(shù)倍的循環(huán)，此種符號(hào)的復(fù)制產(chǎn)生了一個(gè)循環(huán)的符號(hào)，即將每個(gè)OFDM符號(hào)的后個(gè)時(shí)間樣點(diǎn)復(fù)制到OFDM符號(hào)的前面，形成前綴，在交界處不能有任何間斷。因此，將一個(gè)符號(hào)的尾端復(fù)制并補(bǔ)充到起始點(diǎn)增加了符號(hào)時(shí)間的長(zhǎng)度。

（五）加窗技術(shù)

OFDM信號(hào)的復(fù)包絡(luò)可以表示為

式中，N表示子載波的個(gè)數(shù)，是功率歸一化因子，NT為OFDM的持續(xù)時(shí)間，（k=0，1，··· N-1）是分配給每個(gè)子信道的數(shù)據(jù)符號(hào)，是第個(gè)載波的載波頻率，=+，矩形函數(shù)，。OFDM符號(hào)的功率譜密度為N個(gè)子載波上得信號(hào)的功率譜密度之和：

矩形窗OFDM符號(hào)的功率譜密度時(shí)帶外功率譜密度衰減比較慢，即帶外輻射功率比較大，如下圖所示，隨著子載波數(shù)量的增加，由于每個(gè)子載波數(shù)量功率譜密度主瓣以及旁瓣變窄，也就是說(shuō)他們下降的陡度增加，就會(huì)導(dǎo)致OFDM符號(hào)功率譜密度的下降速度會(huì)逐漸增加。但即使是在256個(gè)子載波的情況中，其的帶寬仍然會(huì)是帶寬的4倍。

為了讓帶寬之外的功率譜密度下降的更快，則需要對(duì)OFDM符號(hào)采用“加窗”技術(shù)。對(duì)OFDM符號(hào)“加窗”意味著令符號(hào)周期邊緣的幅度值逐漸過(guò)渡到零。通常采用的窗類(lèi)型為升余弦函數(shù)，定義為

式中，用表示家窗前符號(hào)長(zhǎng)度，而加窗后符號(hào)長(zhǎng)度為，從而允許在相鄰符號(hào)間存在相互重疊的區(qū)域。經(jīng)過(guò)加窗處理后的OFDM符號(hào)如下圖3-2所示。

（六）均衡

均衡的實(shí)質(zhì)是補(bǔ)償多徑信道引起的碼間干擾，而OFDM技術(shù)本身就已經(jīng)利用了多徑信道的分級(jí)特性，所以在一般情況下，OFDM技術(shù)就不用在做均衡了。也就是說(shuō)，在一般情況下，OFDM系統(tǒng)中均衡不是有效改善系統(tǒng)性能的方法。在高度散射的信道中，信道記憶長(zhǎng)度很長(zhǎng)，循環(huán)前綴的長(zhǎng)度也必須很長(zhǎng)。才能夠不出現(xiàn)ISI，但是，如果循環(huán)前綴長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)必然會(huì)導(dǎo)致能量大量損失，尤其是對(duì)子載波個(gè)數(shù)不是特別大的系統(tǒng)。這時(shí)，就可以考慮加均衡器以使CP的長(zhǎng)度適當(dāng)減小，即通過(guò)增加系統(tǒng)的復(fù)雜性換取系統(tǒng)頻帶利用率的增高。

三、OFDM基本參數(shù)的選擇

OFDM系統(tǒng)帶寬B，采樣間隔T。OFDM符號(hào)長(zhǎng)度一般大于等于系統(tǒng)子載波數(shù)。為了保持?jǐn)?shù)據(jù)的吞吐量，子載波數(shù)目和FFT的長(zhǎng)度要有相對(duì)較大的數(shù)量，這樣就導(dǎo)致了有用符號(hào)持續(xù)時(shí)間的增大。在實(shí)際應(yīng)用中，載波的頻率偏移和相位的穩(wěn)定性會(huì)影響兩個(gè)載波之間間隔的大小，如果是移動(dòng)著的接收機(jī)，載波間隔則必須足夠大使得多普勒頻移可以被忽略。選擇有用符號(hào)的持續(xù)時(shí)間，必須要以保證信道的穩(wěn)定為前提。

系統(tǒng)子載波數(shù)N，每個(gè)子載波占用的帶寬，系統(tǒng)帶寬，循環(huán)前綴的長(zhǎng)度，均為設(shè)計(jì)OFDM系統(tǒng)時(shí)非常重要的參數(shù)。首先，循環(huán)前綴（CP）的長(zhǎng)度應(yīng)選擇為OFDM符號(hào)長(zhǎng)度的一小部分，以減小由于循環(huán)前綴的引入帶來(lái)的系統(tǒng)功率損失。由于循環(huán)前綴的長(zhǎng)度直接與信道的最大時(shí)延擴(kuò)展有關(guān)，通常OFDM符號(hào)長(zhǎng)度NT>>，換一種說(shuō)法也就是系統(tǒng)子載波N>>。然而，若OFDM符號(hào)長(zhǎng)度NT太長(zhǎng)，衰落信道中多普勒擴(kuò)展引起的子載波間干擾（ICI）將限制系統(tǒng)性能。若選擇的子載波間隔比最大多普勒頻率大的多，系統(tǒng)對(duì)多普勒擴(kuò)展和由此產(chǎn)生的ICI相對(duì)不敏感。所以，系統(tǒng)子載波應(yīng)滿(mǎn)足，即。于是，系統(tǒng)子載波一般應(yīng)滿(mǎn)足如下約束條件，為恰當(dāng)設(shè)計(jì)OFDM系統(tǒng)，上述約束條件同時(shí)也限制了信道時(shí)延擴(kuò)展和頻率擴(kuò)展間的關(guān)系，得到，意味著時(shí)域或頻域上的相關(guān)性越大，就越容易找到合適的子載波數(shù)N。

四、OFDM在數(shù)字電視廣播中的性能應(yīng)用

多徑干擾和衰減

在設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)間隔、交織和信道編碼后，OFDM有能力消除較強(qiáng)的回波干擾。通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)表明多回波的性能有所改善。除了信道衰減外，由于發(fā)射塔晃動(dòng)、飛機(jī)震動(dòng)甚至樹(shù)木的晃動(dòng)造成的時(shí)變信號(hào)會(huì)產(chǎn)生動(dòng)態(tài)鬼影，從而導(dǎo)致在傳輸過(guò)程中產(chǎn)生誤碼。通過(guò)使用并行傳輸結(jié)構(gòu)和網(wǎng)格編碼，OFDM系統(tǒng)在衰減和時(shí)變信道環(huán)境中具有一定的優(yōu)勢(shì)。

相位噪聲和抖動(dòng)

OFDM系統(tǒng)采用多載波進(jìn)行傳輸， 各個(gè)載波之間的間隔很小，因此更容易受到載波頻率差錯(cuò)的影響。接收端較小的頻率偏移就會(huì)破壞子信道間的正交性。給定系統(tǒng)性能的衰減會(huì)隨著頻率偏移和子載波的數(shù)量而明顯惡化。發(fā)端上行轉(zhuǎn)換器、收端下行轉(zhuǎn)換器和調(diào)諧器都會(huì)影響相位噪聲抖動(dòng)。一種可能的解決方法是采用導(dǎo)頻來(lái)跟蹤解調(diào)的相位噪聲。這種方法是以犧牲數(shù)據(jù)流量的凈負(fù)荷為代價(jià)的。

五、結(jié)束語(yǔ)

OFDM的應(yīng)用已經(jīng)從高頻無(wú)線通信擴(kuò)展到電話網(wǎng)、數(shù)字音頻廣播和數(shù)字電視地面廣播。OFDM的優(yōu)點(diǎn)，尤其是抗多徑傳播、干擾和衰減的能力，使得它成為一種非常適用于包括地面電視廣播在內(nèi)的無(wú)線傳輸。

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