COFDM在现代数字广播DRM中的应用

张彦文

【摘 要】本文首先介绍了COFDM技术的基本原理，并阐述了COFDM的关键技术在信道传输问题上的优势，然后详细介绍了COFDM技术在数字广播（DRM）中的应用，最后给出了当前短波发射机DRM改造的建议。

【关键词】COMDF；技术原理；DRM；应用

0 前言

20世纪中期，人们提出了频带混叠的多载波通信方案，选择相互之间正交的载波频率作为子载波，我们称之为OFDM。1984年，提出了一种适用于无线信道传送数据的OFDM方案，其特点是调制波的码型是方波，并在码元间插入了保护间隔，该技术方案有效地利用了信道带宽，同时可以避免多径传播引起的码间串扰。在此基础上发展的COFDM即编码正交频分复用技术，让信道编码技术与多载波技术进行了有效的结合，使得该技术除具有多载波调制功能外，同时拥有了强大的编码纠错能力。20世纪90年代后，COFDM技术应用于数字声音广播、数字地面电视等无线播出系统。

1 COFDM技术原理

COFDM（coded orthogonal frequency division multiplexing）是编码正交频分复用的简称，属于多载波带宽传输技术。与PSK和QAM不同在频域内将给定的信道分成许多正交子信道，在每个自信道上使用一个子载波进行调制，各子载波并行传输，减小了对单个载波的依赖性进一步提高系统性能。C是Coded，指信道编码采用编码率可变的卷积编码方式，通常要人为加进冗余进行差错保护，以适应对不同重要性的数据进行保护的要求。OFD是正交频分，使用大量的载波代替单个载波，这些子载波有相等的频率间隔，所有子载波的频率都是某一个基本振荡频率的整数倍，在频谱关系上是彼此正交，最大限度地利用了频谱。子载波携带的信息在接收端可以彼此相分离，并且子载波的数字调制可以是QPSK、16QAM、64QAM等方式，以频谱利用率和误码率之间的最佳平衡为原则。M是复用，COFDM这种宽带传输方法，传输的信息不再是单一的节目，而是多套节目的数据流相互交织地分布在子载波上，形成一个频率块（图1）。

1.1 OFDM基本原理

OFDM技术基本思想是采用允许子信道频谱重叠，但相互间又不影响的频分复用（FDM）方法来并行传送数据。为了进行调制，传递的总数据流被分裂为N组数据流，它们对数目为N的子载波进行数字调制。N表示子信道的个数，T表示OFDM符号的宽度，di（i=0，1，…，N-1）为分配给每个信道的数据符号，fc是第0个子载波的载波频率，rect（t）=1，t≤，若起始时间为t=ty，则COFDM可表示为：

OFDM系统基本模型框图如图2所示，它消除了码间干扰和多径传播带来的码间干扰。

1.2 COFDM技术原理

OFDM调制方式很好地克服了高码率数据流在多径传播环境下引起的码间干扰问题，但是对于传输信道中因多径效应引起的不同子信道的频率选择性衰落和多普勒效应造成的载波间正交破坏，依靠OFDM则无法克服，此类衰减造成的误码问题需要借助于信道纠错编码措施来预防，因此COFDM应运而生。

一个COFDM传输系统由信道编解码、OFDM调制解调器、上下变频单元构成，分为发送和接收两大部分。使用的编码技术有分组码、卷积码、网格编码调制等，通常使用卷积码来实现。COFDM系统基带框图如图3所示：

1.3 COFDM的优势

COFDM调制技术的优点如下：

1）抗衰落能力强，在COFDM系统里，用户信息通多N个子载波传输，每个子载波上的信号时间就相应地比同速度的单载波系统上的信号时间长多倍，使得信号对信道噪声和多径衰落抵抗力强。

2）频率利用率高，COFDM运用多载波正交作为子信道，提高了频率利用率。

3）适合高速数据传输，COFDM自适应调制机制可使子载波按照信道情况和噪声的不同使用不同的调制方式如：QPSK、QAM、16QAM、64QAM等。因此能可靠地适应高度数据传输。

4）抗码间干扰能力强，码间干扰是数字通信系统中除了信道噪声干扰外主要的干扰，COFDM由于采用了循环前缀，顾抗码间干扰的能力强。

5）适用于多径接收，因为每路载波的调制符号数据率大为降低后其符号周期显著增大，多径信号的延时时间相对于符号周期只占很小比例，接收端接收时反而是多径信号能量与主信号能量被相加起来应用，使有害的多径变为有利的所需信号，同时对由于多普勒效应引起的载波频移问题也能适应。

2 COFDM在DRM中应用

2.1 DRM系统原理

DRM系统工作于30MHz以下的长、中、短波段，根据需要可选用不同的传输模式。每种传输模式用信号带宽相关参数和传输效率相关参数定义。其系统结构如图4所示。

主业务信道（MSC）包括了多路复用中包含的所有业务数据，可以包含一到四种业务，每种业务即可以是音频，也可以是数据。MSC的总比特率由DRM信道的带宽和传输模式决定。快速访问信道（FAC）为接收机提供快速搜索业务选择信息。它包括接收机能够有效地开始解复用的有关信道参数信息（如频带占有和交织深度等），它也包括关于在多路复用中的业务允许接收机解复用或变化频率和重新搜索的信息。快速访问信道中的信息与主业务信道中的数据业务基本相同，都要经过预编码、能量扩散、信道编码与QAM调制等处理。业务描述信道（SDC）给出了怎样对MSC解码，怎样找到发射相同节目的替换频率信息，并给出在多路复用中的业务归属。

主业务信道、快速访问信道与业务描述信道组成时间长度为400ms的传输帧，三个传输帧构成1200ms的传输超帧，如图5所示：

2.2 DRM中的COFDM技术

在DRM系统中利用OFDM单元映射器将不同时间和频率的符号放在对应的时频单元中，并将它们由多路信号合成为一路信号进行传送。通过插入保护间隔对信号的一部分进行重复，就可以得到连续的COFDM信号。其实现基理则是通过IDFT和DFT来实现调制与解调。如发射端的COFDM信号为下式：

对信号s（t）以T/N的速率取样，即变为离散信号，令t=kT/N（k=0，1，2…，N-1）得到：

可以看出，sk等效于对di进行IDFT运算。将IDFT运算后得到的离散信号进行D/A变换，便得到模拟形式的信号s（t）。下来在接收端进行DFT，即可恢复出原始数据符号di即：

IDFT和DFT实际上是用快速算法IFFT与FFT来实现的。经过IFFT后，为了抗多径延迟，避免码间干扰（ISI），在每个OFDM调制符号前都加入一个长度为1/4符号时间的循环扩展作为保护间隔（保护间隔的长度可以根据系统的性能要求进行调整）。

3 当前PSM发射机DRM改造的建议

由于DRM广播解决了传统广播收听质量差，发射机实际功率损耗大的问题，并且能传输更加丰富的内容，可以吸引更多的用户，因此DRM广播的发展势在必行。而如何利用现有的广播发射机进行DRM广播，下面给出DRM改造的建议。

将DRM信号进行幅相分离，随时间变化的幅度信号送入传统PSM发射机的音频通道进行处理，而用调相信号取代传统发射机的激励信号送入高频通道。最终在发射机的高频末级实现对调相信号的调幅，输出高电平的DRM信号再经过射频输出网络的调谐和匹配后通过天馈线系统发射出去。

【参考文献】

[1]李栋.数字多媒体广播[M].电子工业出版社，2010.9.

[2]方水平.COFDM原理及其设备的应用[J].北京工业职业技术学院学报（第四期），2004.10.

[3]樊昌信，詹道庸，等.编著.通信原理第四版[M].国防工业出版社，1999：22-42.

[责任编辑：王楠]