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DAB中的OFDM技术

2005-08-02 杨天义 海峡之声广播电台福州分台 依马狮网


    DAB(数字音频广播)是在现有模拟AM和FM音频广播的基础上发展起来的新型广播系统,它可以提供更优质的语音质量、更新的数据业务以及更高的频谱效率,它所提供的语音质量可以与CD音质相媲美。OFDM(正交频分复用)是DAB中的核心技术,其实它是多载波调制(MCM)的一种,这种传输方法可以避免移动接收时出现的“衰落”,OFDM调制技术的出现为实现高效的抗干扰调制技术和提高频带利用率开辟了一条的新路径。选择OFDM作为数字音频广播的主要原因在于:OFDM技术可以有效地解决多径时延扩展问题。

    一. 移动无线电信道的特性
    DAB是用作移动接收的传输系统,因此,移动无线电信道的特性,是DAB选择调制方法和配置系统参数的基础。
    通常情况下,发射的信号到达接收机,不仅通过发射机和接收机之间的直接的传播途径,而是许多信号部分在经过一次或多次障碍物的反射才在接收天线相遇。因此,这些相遇的信号会有较大的时延差。其中不同的信号时延(距离差异除以光速)先后到达用户。而对于用户来说,这种情况相当于多径的衰落信道。在最不利的情况下,可能导致接受的各信号成分相互抵消。
    接收机快速移动,由于多普勒效应,会出现各部分信号的频率偏差。这样,无论时延是否相同,信号以不同的角度在接收机相遇会产生差拍效应,也就是说,移动无线电信道,既有频率选择性,又有时间选择性。
    其实,作为数字音频广播研究最早的尤里卡Eureka 147系统,它的原始设计目标是确保新规范能解决在快速移动的汽车上接收信号的挑战,同时处理复杂的回声和信号衰减问题。DAB选择OFDM调制方法,是适合无线电信道的特性的。

    二. OFDM基本原理
    OFDM是一种无线环境下的高速传输技术,该技术的基本原理是将高速串行数据变换成多路相对低速的并行数据并对不同的副载波进行调制,这些副载波有相同的频率间隔,所有副载波的频率都是基本振荡频率的整数倍,且在频谱关系上彼此正交,使各子载波上的频谱相互重叠(如图1所示),同时提高频谱利用率;最后将所有分路已调波信号通过一个加法器相加起来,形成一路总合信号,即OFDM。DAB中规定了工作于不同频段的四种传输模式,既是模式1(对应载波总数1536个),模式2(对应载波总数312个),模式3(对应载波总数192个),模式4(对应载波总数768个),四种模式各有不同的参数,不管何种模式,都安排了相同的带宽,即1.536MHz,当载波间隔加大时,通过减少载波总数来满足。这样在要求传输的总数据率相同(均为M),射频总带宽为B(DAB中1.536MHz)相同的情况下,如果使用传统的单载波方法进行传输,信号持续期将很短。在t的时间里要传送K个符号,则信号持续期为Ts=t/K。若用多载波(设为K个)同时传输,在满足前述的要求下,每个载波的带宽应为B/K。每个载波传输的数据率为M/K,因此信号持续期增长为Td=K*Ts=K*t/K=t。信号持续期的加长可以减弱多径传播时反射波带来的不良影响,如仅使用一个载波,反射波的信道脉冲若占据3个符号期,会造成严重的信号间干扰;如果使用2个载波,,则符号期是单载波时的2倍,反射波的影响有所减弱;如果使用8个载波,则符号期是单载波时的8倍,这时,反射波的信道脉冲应仅占符号期较少的一部分,影响作用大大减弱。如果使用更多的载波,反射波的影响就更弱。

DAB中的OFDM技术
图1 正交频分复用信号的频谱示意图

    虽然采用多载波的方法,允许较长的符号持续期,降低了符号间干扰,但是反射信号可能在经过了符号持续期之后到达接收机。为了使彼此相继的符号即使在反射时也相互独立,应用了这样的方法:将每个OFDM符号人为加入一个保护间隔,通常保护间隔约为符号持续期的1/4。为此,将OFDM符号的后1/4部分复制到始端,将其放在有效符号持续期的前面,形成保护间隔。有了保护间隔以后,只要反射波与直达波的之间时延差不超过保护间隔,所有的反射信号都会增加接收机的接受功率,在对有用信号计值时带来增益。

    三. DAB中OFDM系统的实现
    由上面的原理分析可知,若要实现OFDM,需要利用一组正交的信号作为子载波,OFDM调制器如图2所示。要发送的串行二进制数据经过数据编码器形成了M个复数序列,此复数序列经过串并变换器变换后得的M路并行码,用这M路并行码对相应数目的M个载波进行数字调相,使用的是差分四相相移键控(4-QPSK),实现频分复用。

DAB中的OFDM技术
图2 OFDM调制器

    但在实际上要制造上千个不同振荡频率、同步工作的QPSK调制器是不可能的,不但经济上难以承受,技术上实现也是困难的。实际做法是利用快速傅立叶反变换(IFFT)原理,依靠现成的高速集成芯片来构成简单的调制器,图3以快速傅立叶反变换(IFFT)实现OFDM的调制器。
DAB中的OFDM技术
图3 用快速傅立叶反变换实现OFDM的调制器

    输入的比特流经串/并转换变成M路并行的分组,M的取值和DAB工作模式有关,如果是模式1则M为1536。为了通过IFFT产生OFDM信号,并有效地利用FFT,要求载波的总数是2的整数幂,DAB中实施了一种过取样,IFFT可选择4096点,通过把不想要的载波置零的办法,以得到中心频率为2.048MHz的1536个载波,这些不想要的载波既是虚的载波,是不含信息的。调制的载波和虚的载波数的总和确定FFT的长度,并有此也确定取样频率。
    由于是差分四相相移键控调制,每组是2比特,在信号的映射中,每组的2比特映射成相应星座图中的复数,以决定副载波的四种不同相位状态。利用IFFT从副载波相位信息计算出OFDM基带信号的时间取样值,IFFT块的输出是N个时域的样点,再将长为保护间隔的循环前缀加到N个样点前,形成循环扩展的OFDM信元,因此,实际发送的OFDM信元的长度为保护间隔与N的和,经过并/串转换后发射。

    四. DAB中OFDM系统的性能特点
    DAB使用大量的副载波以代替通常单个载波传送一套节目的方式,即在1.536MHz的宽带中发送多达1536个副载波,而不像FM,仅一个载波。这样,干扰只会影响个别或少量的载频,而大部分仍不会有噪音干扰,具有很强的抗衰落能力,同时也有很强的抗窄带干扰能力
    数据符号之间使用合适的保护间隔,即使在移动接收中所有的反射信号都会增加接收信号的强度,从而改善收听效果。
    OFDM信道利用率高,这点在频谱资源有限的无线环境中尤其重要。
    但是OFDM存在两个缺陷:对频率偏移和相位噪声比较敏感;峰值与平均值比相对较大,这个比值变大会降低射频发射器的功率效率。

    结束语
    OFDM解决了DAB中移动接收

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