淺談無線圖傳的COFDM技術

一、OFDM和COFDM

20個世紀中期，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子載波，也就是我們所說的OFDM。這種“正交”表示的是載波頻率間精確的數學關系。按照這種設想，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噪聲差錯。OFDM是一種特殊的多載波通信方案，單個用戶的信息流被串/并變換為多個低速率碼流，每個碼流都用一個子載波發送。OFDM不用帶通濾波器來分隔子載波，而是通過快速傅立葉變換（FFT）來選用那些即便混疊也能夠保持正交的波形。OFDM技術屬于多載波調制（Multi－Carrier Modulation，MCM）技術。有些文獻上將OFDM和MCM混用，實際上不夠嚴密。MCM與OFDM常用于無線信道，它們的區別在于：OFDM技術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技術是HPA聯盟（HomePlug Powerline Alliance）工業規范的基礎，它采用一種不連續的多音調技術，將被稱為載波的不同頻率中的大量信號合并成單一的信號，從而完成信號傳送。由于這種技術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中。OFDM技術的推出其實是為了提高載波的頻譜利用率，或者是為了改進對多載波的調制，它的特點是各子載波相互正交，使擴頻調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制方法可以不同。各個載波能夠根據信道狀況的不同選擇不同的調制方式，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技術使用了自適應調制，根據信道條件的好壞來選擇不同的調制方式。OFDM還采用了功率控制和自適應調制相協調工作方式。信道好的時候，發射功率不變，可以增強調制方式（如64QAM），或者在低調制方式（如QPSK）時降低發射功率。

COFDM（coded orthogonal frequency division multiplexing），即編碼正交頻分復用的簡稱，是目前世界最先進和最具發展潛力的調制技術。COFDM是ETSI歐洲電信標準協會關于DVB-T數字視頻地面廣播及DAB數字音頻廣播的標準。 早期是用于軍事無線電傳輸安全性之目的。近年來，基于COFDM技術的廉價的數字信號處理芯片已成為眾多公司發展產品之首選。COFDM的實用價值就在于支持突破視距限制的應用，是一種在無線電頻譜資源方面充分利用的技術, 可以對噪聲和干擾有著很好的免疫力。其基本原理就是將高速數據流通過串并轉換，分配到傳輸速率較低的若干子信道中進行傳輸。編碼（C）是指信道編碼采用編碼率可變的卷積編碼方式，以適應不同重要性數據的保護要求；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，都是一個基本震蕩頻率的整數倍；復用（M）指多路數據源相互交織地分布在上述大量載波上，形成一個頻道。

1、單載波系統    

在FDM傳統的頻分復用和TDM時分復用系統中，一個單一的無線電頻率可以采用振幅、頻率、相位調制或采用復合調制方式以傳送數據流。為防止對臨近信道產生的干擾需要拿出一段頻譜空間作為保護頻段 ，但增加保護頻段會減少整個系統的吞吐量。射頻系統的設計必須考慮到最小的信號噪聲比，以保證接收信號在背景噪聲下所需要的性能。在強的干擾環境下（在同頻本地多發信機工作的情況下）或在強的衰落環境下（在暴雨期間或金屬物內），信號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有多徑干擾產生的影響，它會使信號在建筑物之間、人群、移動的車輛、飛機或其它的方面產生多種反射而使信號傳輸中斷，那么如何使接收機能夠正確地接收這些信號？ 假設這些多徑射頻信號的特性可以迅速地從一個瞬間到另一個瞬間進行變化，在設計上采用復雜的算法以及昂貴的電路技術能夠處理這些問題，使得在上述環境下信號也能夠得以良好的接收。  

2、多載波系統 – COFDM

COFDM技術不使用單載波系統而是多載波系統。在同樣的調制方式下，比如采用 QPSK、16QAM 或 64QAM，可以使之應用于單載波系統。但無論如何，數據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，以增加潛在的數據吞吐量。盡管這時每個子載波的數據率低于單載波系統，但各個子載波的總的數據率要高于整個系統的數據率。   

DVB-T 標準已被廣泛應用于歐洲和世界各國, 其中 “2K” 版本 (1704 載波信號) 應用于較強的干擾環境， “8K” 版本 (6816 載波信號) 應用于較低些的干擾環境。DAB 標準 應用于CD品質的音頻和數據在移動環境下的規劃和設計。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 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。COFDM技術是關于前向糾錯方法和數據信號處理過程的。它對干擾具有強的抵抗力。包括抗多徑干擾。這些信號相對原始信號因傳播距離而被延遲，相對于最大的期望延遲，保護間隔的配置就更長。這樣就可以保證接收機從反射信號中區別有用的信號以正確地接收。值得注意的是，實際上多徑信號會給COFDM系統中帶來好處，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去獲得想得到的數據。此外，即使個別的子載波不能完全地被接收, 數據糾錯方式也能夠使接收機從其它的子載波中獲得足夠的信息去重建缺少的數據。  

3、移動性和雙向數據     

COFDM技術是移動環境下應用的最佳選擇。例如：UBS系統的COFDM 調制器在新加坡已被廣泛應用于公交車的電視信號的傳送，這項技術也被用于拉斯維加斯戰時流動醫院的實時移動視頻圖象的單向傳送，以診斷病人。同時該項技術也能被應用于雙向廣播無線接入業務。包括數據、互聯網接入、話音和傳真等。  

4、結論

COFDM 技術標準為增強頻譜資源的利用率提供了一種有效的解決途徑，特別是在強的干擾環境下。它可應用于單向或雙向的固定或移動的數據網絡環境。以前采用固定無線接入方式訪問互聯網的用戶都知道一個道理：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的話，他們就接收不到信號。 但是現在WXKD新一代的固定無線雙向系統可以突破這一限制，包括樹叢、飾墻、甚至是金屬片都不能阻擋它與基站天線的通信。這對于使用固定無線接入技術向用戶提供高速互聯網接入服務的人們來說無疑是一件好事。另外，這種新系統的安裝也更加方便，用戶可以自行安裝天線，而不是象以前那樣需要工程技術人員來調整它的角度以對準遠端的天線。

OFDM主要應用在LTE（4G）、WIFI等應用系統上。COFDM目前應用最廣泛的是在DVB（數字視頻廣播），有DVB-T，DVB-S，DVB-C等等，在歐洲，東南亞，南美，澳洲都有廣泛應用。

二、無線圖傳COFDM技術的優點

無線圖傳COFDM技術，主要有如下幾個優點：

(1)  適合高速數據傳輸，速率一般大于4Mbps，滿足高質量視音頻的傳輸。高質量的視音頻除對攝像機的要求外，對編碼流、信道速率要求十分高。一般的數字微波，擴頻微波傳輸中，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，無法滿足后期分析、存儲、編輯等要求。COFDM技術每個子載波可以選擇QPSK、16QAM、64QAM等高速調 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等高質量編解碼，接收端圖像分辨率可達到576×720或480×720，滿足后期分析、存儲、編輯等要求。

(2)在窄帶帶寬下也能夠發出大量的數據：COFDM技術能同時分開至少1000個數字信號，而且在干擾的信號周圍可以安全運行的能力，將直接威脅到目前市場上已經開始流行的CDMA技術的進一步發展壯大的態勢，正是由于具有了這種特殊的信號“穿透能力”使得COFDM技術深受歐洲通信營運商以及手機生產商的喜愛和歡迎，例如加利福尼亞Cisco系統公司、紐約Flarion工學院以及朗訊工學院等開始使用，在加拿大Wi-LAN工學院也開始使用這項技術。

(3) COFDM技術能夠持續不斷地監控傳輸介質上通信特性的突然變化：由于通信路徑傳送數據的能力會隨時間發生變化，所以COFDM能動態地與之相適應，并且接通和切斷相應的載波以保證持續地進行成功的通信；

(4)  該技術可以自動地檢測到傳輸介質下，哪一個特定的載波存在高的信號衰減或干擾脈沖，然后采取合適的調制措施來使指定頻率下的載波進行成功通信；

(5) COFDM技術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散播的地區。傳統的微波設備，必需在通視前提（既收發兩點之間必需無阻擋）下才能建立鏈路，所以使用中受環境制約，需要提前考察環境，擬定、實測收發點。即使成功“布點”，天線定向、線纜布置等工作也相稱啰嗦，不僅直接限制視音頻源的獲取、傳輸，而且系統的可靠性、工作效率也大打折扣。COFDM無線圖像設備則徹底改變了這種局面。因其多載波等技術特點，COFDM設備具備“非視距”、“繞射”傳輸的上風，在城區、山地、建筑物內外等不能通視及有阻擋的環境中，該設備能夠以高概率實現圖像的不亂傳輸，不受環境影響或受環境影響小。其收發兩端一般采用全向天線，無須預先“踩點”、“定向”、布設繁雜的視音頻輸入、輸出電纜，視音頻源的采集端、接收端可根據現場情況及指揮/導演的要求自由流動，系統簡樸、可靠，應用靈活。

(6) 可以有效地對抗信號波形間的干擾，適用于多徑環境和衰落信道中的高速數據傳輸。當信道中因為多徑傳輸而出現頻率選擇性衰落時，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，因此系統總的誤碼率性能要好得多。

(7)  通過各個子載波的聯合編碼，具有很強的抗衰落能力。COFDM技術本身已經利用了信道的頻率分集，如果衰落不是特別嚴重，就沒有必要再加時域均衡器。通過將各個信道聯合編碼，則可以使系統性能得到提高。

(8) 在復雜電磁環境中，COFDM具備優異的抗干擾機能。對抗頻率選擇性衰落或窄帶干擾及信號波形間的干擾機能優勝，通過各個子載波的聯合編碼，具有很強的抗衰落能力。在單載波系統中（如數字微波，擴頻微波等），單個衰落或干擾能夠導致整個通訊鏈路失敗，但是在多載波COFDM系統中，僅僅有很小一部分子載波會受到干擾，并且這些子信道還可以采用糾錯碼來進行糾錯，確保傳輸的低誤碼率。 

(9) 可以選用基于IFFT/FFT的OFDM實現方法；

(10) 信道利用率很高：這一點在頻譜資源有限的無線環境中尤為重要；當子載波個數很大時，系統的頻譜利用率趨于2Baud/Hz。

(10)適合高速移動中傳輸，可應用于車輛、船舶、直升機/無人機等平臺。對于大多數行業而言，無線圖像的一般應用模式是：視音頻前端采集—接入點（車、船、機）--視音頻處理中心（一般通過有線鏈路或衛通）。所以車輛、船舶、直升機/無人機等平臺是系統非常重要的組成部分，其核心的功能之一就是實時接入前端的圖像。微波（數字微波、擴頻微波）、無線LAN等設備因其技術體制的原因，無法獨立實現收、發端的移動中傳輸。如應用到車輛、船舶上，通常的方案是再配置附加的“伺服穩定”裝置，以解決電磁波定向、跟蹤、穩定等問題，且僅能在一定條件下實現移動點對固定點的傳輸。這樣，其系統的技術環節多，工程復雜，可靠性降低，造價極高。但對于COFDM設備，它不需要任何附加裝置，就可實現固定—移動，移動—移動間的使用，非常適合安裝到車輛、船舶、直升機/無人機等移動平臺上。不僅傳輸有高可靠性，而且對比以上的方案，由于無須再配置附加的“伺服穩定”裝置，所以表現出很高的性價比。