【安防知识网】系统的组成及其工作原理

　　COFDM(coded orthogonal frequency division multiplexing)，即编码正交频分复用的简称，是目前世界上最先进和最具有发展潜力的调制技术。它的实用价值就在于支持突破视距限制的应用，是一种在无线电频谱资源方面充分利用的技术,对噪声和干扰有着很好的免疫力。其中，字母C指编码，是指信道编码采用编码率可变的卷积编码方式，以适应不同重要性数据的保护要求;字母OFD指正交频分，系指使用大量的载波(副载波)，它们有相等的频率间隔，都是一个基本震荡频率的整数倍;字母M指复用，系指多路数据源相互交织地分布在上述大量载波上，形成一个频道。实际上，COFDM是ETSI欧洲电信标准协会关于DVB-T数字视频地面广播及DAB数字音频广播的标准，早期是用于军事无线电传输安全性之目的。近年来，基于COFDM技术的廉价数字信号处理芯片已成为众多公司发展产品之首选，因而可用于民用。

　　编码正交频分复用调制方式是一种多载波数字通信调制技术，也是较为完备的移动接收和传输技术，它可大大降低每个子载波内的符号间干扰，并节省用于均衡的系统开销。因此，它具有频谱利用率高和可对抗多径时延扩展等特点，通常被认为是超3代移动通信系统中的核心技术。

　　COFDM无线视频传输技术的基本原理就是将高速数据流通过串并转换，分配到传输速率较低的若干子信道中进行传输，即将频域中的一个宽带信道划分成多个重叠的子信道进行窄带传输。在接收端，虽然频谱相互重叠，但是只要保证各子信道上信号的正交性，就可以将各信道上的信号正确分离。

　　COFDM无线视频传输系统的组成及其基本工作原理如图1所示。

　　由图1可见，视频、音频、数据，通过R-S编码器编码(224、208)后，数据率上升，即进行串/并转换(S/P)，即将频域中的一个宽带信道划分成多个重叠的子信道，再经160AM调制器进行AM调制后，藉助于逆快速付里叶变换IFFT处理器，把信号调制到512个并行频率信道上，然后双边带调制到载波后再通过发射机发射出去。

　　用512个并行信道传输的目的，是为了克服地面的多径传输所造成的码问干扰。应该看到，当8MHz频带正交划分成512信道时，每一信道可容纳的波形脉冲宽度仅此为τ=512/8=64μS，而地面广播经多径传入的信号强度较大，通常在通过近区反射而来，所以时延较小，一般在3-3.5μs以下，因而可以采用加保护时间的方法来吸收掉符号间的干扰。

　　由图1知，当接收机收到信号后，它不用带通滤波器来分隔子载波，而是通过快速付里叶变换(FFT)来选用那些即便混叠也能够保持正交的波形。此外，各并行信道每隔一定波形间隔分别传送基准信号，接收端根据基准信号，在FFT处理器处理之前先算出频响特性均衡数据，采用以上二项措施可大大降低多径干扰带来的影响。经处理后的信号，再将160AM解调，经并/串转换(P/S)后即进行R-S解码，就可还原成视频、音频、数据信号输出。

　　为了对付PAL制模拟电视的同频干扰，凡在PAL信号频谱中能量强的频谱线如图像载频、副载波和伴音载波附近的一些信道可以空开来不用，虽然没有用足512个信道，但解决了正交频分复用OFDM和PAL信号间的相互干扰。由此可见，采用OFDM的调制方式可省略了自适应均衡器和同步干扰抑制滤波器。

　　[nextpage]当多径延时量与所传送的数字符号处于同一量级时，会严重影响符号间干扰，延长传输符号的周期可有效克服多径干扰，COFDM正是根据这一原理来消除反射波的影响。OFDM由N个频率间隔相等的子载波组成，各个子载波又可采用同一种数字调制如QPSK，或不同载波采用不同调制。而串行传输的符号序列也分成长度为N的段，每段内N个符号分别调制N个子载波，所以OFDM把符号周期延长N倍，而用并行调制来弥补周期延长降低符号传输率的困境。在传统的频分复用中，各子载波的信号频谱是互不重叠的，以便接收机中能采用传输滤波方法将其分离和提取，但这类做法降低了频带利用率。在OFDM中，使各载波的信号频谱可相互重叠，但子载波间隔的选择要使这些载波在整个符号周期上处于正交状态，也就是说加于符号周期上的任何两个载波的乘积为零。为实现最大频谱效率，使子载波的最小频率间隔为符号周期的倒数。若符号由脉冲序列组成，则每个调制子载波频谱的形状符合sincx，其峰值对应于其他载波的频谱中的零点，如图2所示。

　　OFDM技术的推出其实是为了提高载波的频谱利用率，或者是为了改进对多载波的调制，它的特点是各子载波相互正交，使扩频调制后的频谱可以相互重叠，从而减小了子载波间的相互干扰。OFDM每个载波所使用的调制方法可以不同，各个载波能够根据信道状况的不同选择不同的调制方式，比如BPSK、QPSK、8PSK、16QAM、64QAM等，以频谱利用率和误码率之间的最佳平衡为原则。OFDM技术使用了自适应调制，根据信道条件的好坏来选择不同的调制方式。OFDM还采用了功率控制和自适应调制相协调的工作方式。信道好的时候，发射功率不变，可以增强调制方式(如64QAM)，或者在低调制方式(如QPSK)时降低发射功率。由于这种技术具有在杂波干扰下传送信号的能力，因此常常会被利用在容易受外界干扰或者抵抗外界干扰能力较差的传输介质中。

　　COFDM技术不使用单载波系统而是多载波系统，在同样的调制方式下，比如采用QPSK、16-QAM或64QAM，可以使之应用于单载波系统。但无论如何，数据的传输仍然是采用时分和频分方式 ，并工作在各自的子载波上，每个子载波都在特定的正交频率上，以增加潜在的数据吞吐量。尽管这时每个子载波的数据率低于单载波系统，但各个子载波的总的数据率要高于整个系统的数据率。

　　DVB-T标准已被广泛应用于欧洲和世界各国，其中“2K”版本(1704 载波信号)应用于较强的干扰环境，“8K”版本 (6816载波信号)应用于较低些的干扰环境。DAB标准应用于CD品质的音频和数据在移动环境下的规划和设计。其中有4个不同的工作方式，在整个1.5MHz的信道上具有高达1536个载波的间隔，其目的是为了提高对多普勒相移和多径干扰的免疫力。

　　值得注意的是，实际上多径信号会给COFDM系统带来好处，如果原始信号被封锁，仅有多径信号被接收的话，这些信号会被用于接收机去获得想得到的数据。此外，即使个别的子载波不能完全地被接收，数据纠错方式也能够使接收机从其它的子载波中获得足够的信息去重建缺少的数据。