基于OFDM技术的高频带利用率车载无线数据通信系统

梁裕民，郭文刚，康慧珍

(军事交通学院基础部，天津300161)

军用车辆的信息化保障已成为装备保障的要点之一，其信息交互具有开放、移动、实时、多端的特征，是敌方进行信息监听、攻击的薄弱点和切入点。高频带利用率的通信系统在更窄的带宽中，实现更高速的数据传输，对提高军用车辆的信息保障能力和抗追踪能力有着重要的意义。

甚高频/特高频(very high frequency/ultra high frequency，VHF/UHF)频段的频道间隔为25 kHz，是车载通信系统常用的频段，通常采用调频收发信机加语带Modem来实现数据通信。此类调频机的音频带宽一般不超过3 kHz，从而极大地限制了数据通信的速率。现有无线Modem的信息传输速率小于10 kbit/s，有效频带利用率小于0.5 kbit/s/Hz。随着数字化进程的加速，对同时传送数据、语音和图像的要求越来越迫切，传输的信息速率要大于64 kbit/s，因而解决车载通信系统在25 kHz的信道带宽内的频带利用率问题十分重要［1］。目前，在此频段达到上述性能的研究尚没有成熟的方案可以借鉴，例如全球移动通信系统(GSM)为1.35 bit/s/Hz;窄带码分多址(CDMA)系统单位频带的码片速率为0.98码片/Hz;专用移动通信的Tetra系统频带利用率为1.73 bit/s/Hz。上述几个系统均不能解决25 kHz信道带宽内64 kbit/s传输率的问题［2］。

1 系统设计目标

本文研究的车载无线数据通信系统在VHF/UHF频段，采用正交频分复用(orthogonal frequency division multiplexing，OFDM)通信技术，利用25 kHz带宽实现有用信息传输速率大于64 kbit/s、频带利用率大于2.56 bit/s/Hz的通信。通信质量要求:在车辆行驶速度30～80 km/h、发射功率4 W、传输距离30～50 km、信噪比30 db的情况下，误比特率不大于10－5db。本文实现系统的有效频带利用率为目前公开系统的最高值，能较好地解决25 kHz信道带宽内64 kbit/s传输率的问题，为实现车载通信中语音和图片数字传输奠定了基础。

2 系统构成

本系统为VHF/UHF频段内，以里德—索罗蒙(RS)编码、多进制正交幅度调制和OFDM技术为核心的基带系统。在不分子信道的基础上，以实现满足性能要求的系统为目标，在12个子载波的框架下，采用RS(31，27)码、32进制正交幅度调制、16点的快速傅里叶变换作为系统主要技术方案，在VHF/UHF频段上的19.5 kHz有效带宽内实现了传输速率为67.5 kbit/s、有效频带利用率为3.46 bit/s/Hz的高频带利用率无线数据通信系统。

2.1 系统的组成

系统组成如图1所示。作为基带设计系统没有包括信源编码部分，而直接接收DATA输入。在进行了信道编码后，加入交织以提高对突发错误的纠错能力。数字调制是为了引入多进制传输，使在相同符号传输速率的条件下，实现较高的信息传输速率。串并变换、并串变换、快速傅里叶逆变换和正变换(inverse fast fourier transform/fast fourier transform，IFFT/FFT)是实现OFDM的具体单元。循环前缀是OFDM系统克服符号间串扰(inter symbol interference，ISI)和子信道间干扰(inter channel interference，ICI)的有效手段。在数模转换和进入信道前，还要对数据流进行组帧，加入同步等信息，为接收做准备。发送端发送的信号经过信道后进入接收端。接收端进行发送端相反的操作，将从信道接收的信息进行恢复。

图1 系统的组成

2.2 信道编解码

采用RS(31，27)为信道编解码方案，本原多项式为D5+D2+1，以5 bit为一个32进制码元，进行每31个码元为一组的编解码操作。其中包含4个监督码元，编码效率为27/31=87.10%，最小码距为5，一组能纠2个码元的错误，纠错率为2/31=6.452%。RS(31，27)对突发错误不太长、但发生却很频繁的信道具有较好的效果。

2.3 交织与去交织

系统采用交织深度为24个码元的交织，与RS(31，27)码配合可对长度为48个码元的单个突发误码进行完全纠错。引入交织后，系统可对一帧中误码率不超过6.45%的单个突发误码进行纠错。

2.4 MQAM调制与解调

M进制正交幅度(m－ary quadrature amplitude modulation，MQAM)调制是对相位和幅度都进行调制的正交幅度调制方法，经过MQAM调制的信号表示为

式中:Emin为幅度最小信号的能量;ai和bi是一对独立的整数，可以根据星座点的位置来确定，i=0，1，…，M－1;fc为第0个载波频率。

可以看出MQAM是由两个相互正交的载波构成，每个载波被一组离散的振幅所调制，与其他调制技术相比，MQAM编码具有能充分利用带宽、抗噪声能力强等优点。

系统选定MQAM中的M值为32，即采用32QAM，其所对应的星座图如图2所示。

32QAM调制时将从RS(31，27)接收的32进制码元，调制映射到星座图以I路和Q路组成的一个二维坐标点，为随后进行的IFFT进行数据准备，I路和Q路分别对应实部和虚部。32QAM的解调是调制的逆过程，在接收端实施。

图2 系统32QAM星座图

2.5OFDM 实现

在系统的发送端，每一个OFDM符号是多个经过调制的子载波的合成信号。设:N为子载波的个数;T为OFDM符号的宽度;di为分配给每个子信道的数据符号，i=0，1，…，N －1;rect(t)=1，∣t∣≤T/2，从t=ts开始。则可以用复等效基带信号来描述OFDM符号:

式(2)中的实部和虚部分别对应着OFDM符号的同相和正交分量，在实际中它们分别与相应子载波的余弦和正弦分量相乘，构成各自子信道信号并合成最终的OFDM符号。图3为OFDM系统基本模型框图。

图3 OFDM系统基本模型

框图中各子载波的频率符合fi=fc+i/T，从而保证各子载波之间的正交性，即

式中ωm、ωn分别为第m、n个子载波原频率。

对式(2)中的第j个子载波进行解调，然后在时间长度T内进行积分，可得到

通过式(2)—(4)可以看出OFDM的调制和解调可由IFFT/FFT来实现，从图3可看出串并变换、并串变换和IFFT/FFT是OFDM复用的具体实现单元。

系统选择相隔为1.5 kHz的12个子载波，故利用16点IFFT/FFT实现调制与解调，剩余的4个子载波补0，在调整频带宽度的同时，实施过采样。补0的4个子载波分别对应16个IFFT数据的7、8、9、10四个点。此时系统占用带宽为(12+1)×1.5 kHz=19.5 kHz，小于 25 kHz的系统目标。

2.6 循环前缀与系统信道模型

OFDM系统通过插入循环前缀，来克服ISI并保持子载波之间的正交性，进而对抗ICI。系统采用每个OFDM符号中插入两个循环前缀的体系，即每16点IFFT后，将15、16两点数据复制到该OFDM符号最前端形成18点的一个OFDM符号。这时，可计算出此OFDM符号周期长度为750 μs，其中循环前缀间隔为83.3 μs，这两个数值可有效地消除车辆行驶中多普勒频移和多径延迟扩展带来的影响，进而将系统信道模型定为慢衰落、非频率选择性无线信道，故系统可针对加性高斯白噪声信道进行重点研究［3］。

2.7 帧结构与冗余资源的分配

基于32QAM、16点 IFFT/FFT的 OFDM系统实际信息传输速率为16×5 bit×1.5 kHz=120 kbit/s，与有用信息传输速率目标64 kbit/s相比具有冗余。这些冗余资源是为信道编码、IFFT/FFT插0、循环前缀、同步信息准备的。这里，RS(31，27)码的编码效率为27/31，IFFT/FFT插4个0，即用12个子载波进行信息传输，其占IFFT/FFT的12/16;循环前缀为每16点IFFT/FFT加入2点的循环前缀信息，使得有用信息量占传输信息量的16/18。

在本系统中，被发送的信号是以帧的形式组织在一起的。系统采用非导频的方法进行同步，一帧包含64个OFDM符号，具体的帧结构为:第1个符号是空符号(NULL)，第2个符号是伪随机序列(PN)，其他62个符号为数据符号。空符号和伪随机序列用来实施同步算法，它们并不携带有用信息，同步信息的加入使有用信息量占传输信息量的62/64。加入冗余信息后，有用信息传输率为120 kbit/s×=67.5 kbit/s，与其占用的19.5 kHz的频带宽度相比，可得出系统有效频带利用率为3.46 bit/s/Hz。

3 系统性能

为测定系统的性能，选用TE54XUSB作为实现系统的硬件平台，进行系统的实现。TE54XUSB选用的数字信号处理(DSP)芯片是TI公司的TMS320C5410，为典型的16 bit定点DSP。

3.1 系统的频谱和功率谱密度

本系统信源以67.5 kbit/s速率提供信息流，可得到的频谱图如图4所示，此时有效频带利用率为 3.46 bit/s/Hz。

图4 系统频谱

从图4可知，系统占用频带宽度为19.5 kHz，与设计的频带宽度一致，加入保护频带后也不超过25 kHz的设计带宽，实现了信息传输速率高于64 kbit/s、有效频带利用率大于2.56 bit/s/Hz的设计目标。

图5为OFDM符号的功率谱密度，其带内的12个子载波功率密度的主瓣集中了大部分能量，带外辐射功率可利用已有的加窗等技术进行控制。

图5 系统功率谱密度

3.2 系统信道编码(RS码)性能

图6为系统在每个RS码组中加入2个错码的情况下，未加入信道编码与加入RS(31，27)两种情况的对比，可以看出RS(31，27)将传输的错码完全纠正。另外，与在原图上每31处破坏2点信息的情况相比，未加信道编码的图片效果要稍差一些，这是因为系统解扰时会导致误码的增殖，即单个误码会在接收端解扰器的输出端产生多个误码。另外，由于是在RS码组的固定位置进行扰码，故错码位置表现出周期性。

图6 信道编码的演示

3.3 交织性能

图7为系统在某一帧中加入一个长度为72输出符号突发错误的情况下，未加入交织和加入深度为24的交织两种情况的对比。可以看出，加交织后系统将此突发错误完全纠正，而未加入交织不能对此突发错误进行纠正(图(a)中圈内标出突发错误位置)。

图7 交织性能的演示

3.4 32QAM的实际星座图

图8为利用CCS在系统32QAM解调映射后星座图。可以看出，其同设计方案一致。由于已经进行了最短距离的判决，计算偏差均已修正，故所有星座点均在标准位置上。

图8 系统32QAM星座图

3.5 系统抗干扰能力

为测试系统的抗干扰能力，在系统信道中加入高斯白噪声。在发射功率为4 W的情况下，做出了信噪比(SNR)从0～35 db范围内的误比特率(如图9所示)。

从图9可以看出，在高斯白噪声信道中，在信噪比达到30 db这一数值前误比特率急剧下降并趋于0(仿真中为0并不表示实际系统误比特率为0，而是随着仿真时间的延续可能会出现误比特，但误比特率趋于0)。即在该区域内信噪比的微小变化都会带来性能很大的提高，30 db处于误比特率趋于0区域的前端，刚好获得系统设计目标误比特率10－5db的要求。

4 结语

本文设计的车载无线数据通信系统实现了车辆行驶速度30～80km/h、发射功率4 W、传输距离30～50 km、信噪比30 db的情况下，19.5 kHz有效带宽内有用信息传输速率为67.5 kbit/s、有效频带利用率为3.46 bit/s/Hz的信息传输。该系统的研究大幅提高该频段的频带利用率，从而可有效提高军用车辆的信息保障能力和抗追踪能力。系统的通用性较强，对各类车载无线数据通信系统的设计具有较强的借鉴意义。

［1］ 张令文，刘留，和雨佳，等.全球车载通信DSRC标准发展及应用［J］.公路交通科技，2011(增 1):71-76.

［2］ 郑德山.第四代移动通信系统及其关键技术［J］.微电子技术，2013，41(7):9-11.

［3］ 李悦，李子，蔡跃明，等.OFDM系统中基于导频的低秩信道估计方法［J］.通信学报，2004，25(10):155-162.