基于COFDM技術(shù)的數(shù)字音頻廣播衰落信道分析

一、 數(shù)字音頻廣播

    音頻廣播(Digital Audio Broadcast，DAB)，是繼調(diào)幅、調(diào)頻廣播后的第三代新廣播，其將音頻信號(hào)、圖像信號(hào)及其他數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣、編碼、量化數(shù)字化處理，在數(shù)字化的狀態(tài)進(jìn)行調(diào)制、發(fā)射、傳輸?shù)忍幚?。相比傳統(tǒng)模擬廣播，DAB具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1.優(yōu)良音質(zhì)。DAB音頻廣播質(zhì)量?jī)?yōu)良，在信噪比、保真度、頻率特性等聲學(xué)參數(shù)中可與CD質(zhì)量媲美。

2.工作頻段寬，頻譜利用率高。DAB的工作頻率范圍在47MHz~3GHz，能覆蓋較大范圍。其所采用的數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)，使頻譜利用率為調(diào)頻廣播的3倍。

3.發(fā)射功率低，節(jié)約能源。同樣的覆蓋范圍，一臺(tái)DAB發(fā)射機(jī)的功耗僅為調(diào)頻發(fā)射機(jī)的幾十分之一，大大減少了對(duì)發(fā)射區(qū)附近的電磁污染。因其可在原有調(diào)頻發(fā)射塔上進(jìn)行改造，節(jié)約了不必要的開(kāi)支。

4.抗多徑能力強(qiáng)。由于COFDM技術(shù)利用在每個(gè)信號(hào)周周期前插入一個(gè)保護(hù)間隔△對(duì)付多徑衰落。只要時(shí)延大小在此之內(nèi)，它對(duì)系統(tǒng)的性能沒(méi)有太大影響。因此，在城區(qū)、山地、建筑物內(nèi)外等類(lèi)似有阻擋的環(huán)境中，能保證質(zhì)量地進(jìn)行傳輸。

5.移動(dòng)接受能力強(qiáng)。移動(dòng)接收時(shí)由于多徑傳播和多普勒效應(yīng)，會(huì)同時(shí)出現(xiàn)頻率選擇行和時(shí)間選擇性衰落，這會(huì)影響到收聽(tīng)效果，因COFDM在頻率交織時(shí)間上設(shè)置有相應(yīng)的參數(shù)，能確保在高速移動(dòng)的汽車(chē)下達(dá)到優(yōu)質(zhì)的收聽(tīng)效果。

DAB廣播目前廣泛應(yīng)用于歐洲、美洲、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家，我國(guó)在珠三角地區(qū)也開(kāi)展了各項(xiàng)試驗(yàn)。DAB是廣播技術(shù)發(fā)展中的一個(gè)新的里程碑，其巨大的優(yōu)勢(shì)得益于其核心技術(shù)COFDM。 

二、 COFDM調(diào)制技術(shù)

    FDM（coded orthogonal frequency division multiplexing），即編碼正交頻分復(fù)用的簡(jiǎn)稱(chēng)，它是由傳統(tǒng)的OFDM技術(shù)改進(jìn)而來(lái)，是目前世界上最先進(jìn)和最具有發(fā)展?jié)摿Φ恼{(diào)制技術(shù)。

OFDM基本原理是通過(guò)串并轉(zhuǎn)換把高速率的信源信息流變換成低速的多路并行數(shù)據(jù)流，并將它們分配到若干子信道上傳輸。由于各載波相互正交，每個(gè)載波在一個(gè)符號(hào)周期內(nèi)的頻譜零點(diǎn)都利用鄰載波的零點(diǎn)重疊，從而減小了載波間的相互干擾，提高了頻帶利用率。該技術(shù)大幅度降低了子載波的符號(hào)速率，延長(zhǎng)了符號(hào)持續(xù)時(shí)間，加強(qiáng)了對(duì)時(shí)延的擴(kuò)展能力。OFDM很好地解決了多徑環(huán)境中信道衰落的問(wèn)題，但對(duì)于各載波服從瑞利分布的信道平坦性衰減未得到有效解決?；谶@一問(wèn)題，我們改進(jìn)了OFDM技術(shù)，在原有基礎(chǔ)上加入有效信道編碼這一重要步驟，使傳輸時(shí)各單元碼信號(hào)受到的衰落可以統(tǒng)計(jì)獨(dú)立，從而解決了平坦性衰落對(duì)信道傳輸?shù)挠绊?，這就是COFDM技術(shù)。圖1為COFDM傳輸系統(tǒng)框圖。

    由圖1所示，一個(gè)COFDM傳輸系統(tǒng)是由上半部分的發(fā)射系統(tǒng)和下半部分的接收系統(tǒng)組成。COFDM可采用的編碼技術(shù)種類(lèi)很多，有交織編碼、卷積碼Turbo碼、分組碼等。卷積碼因具有優(yōu)良的糾錯(cuò)性能，在編碼器同樣的復(fù)雜情況下優(yōu)于其他碼，即能保證可靠安全，又能提高傳輸效率。因此 DAB系統(tǒng)采用的是刪除型卷積編碼，且配合使用了時(shí)間交織和頻率交織技術(shù)。在發(fā)射部分，信號(hào)首先進(jìn)行編碼，再對(duì)編碼比特進(jìn)行交織，經(jīng)過(guò)串并轉(zhuǎn)換后，高速率的信息流變換成了低速率的多路并行數(shù)據(jù)流進(jìn)入調(diào)制器調(diào)制，再進(jìn)行IFFT運(yùn)算和加入保護(hù)間隔。OFDM系統(tǒng)一般不用帶通濾波器來(lái)分隔子載波，而是通過(guò)FFT運(yùn)算，即便混疊也能保持正交的波形，這樣不僅能同時(shí)分隔多個(gè)信號(hào)，還能保證有用信號(hào)不受到干擾信號(hào)的影響。經(jīng)過(guò)IFFT運(yùn)算后的信號(hào)，經(jīng)過(guò)信道的傳播，在接收部分先經(jīng)過(guò)FFT運(yùn)算并去除保護(hù)間隔，再對(duì)其進(jìn)行解調(diào)，接著把并行的數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換成原本的串行數(shù)據(jù)，再對(duì)其進(jìn)行解交織和譯碼，還原出發(fā)射數(shù)據(jù)。

三、 系統(tǒng)仿真

根據(jù)圖1，在MATLAB軟件仿真模塊SIMULINK中，搭建的COFDM系統(tǒng)模型如圖2所示。

圖2  COFDM系統(tǒng)仿真模型

本次搭建的仿真模型中，我們采用伯努利發(fā)生器產(chǎn)生二進(jìn)制串行數(shù)據(jù)，編碼和解碼與圖1所對(duì)應(yīng)，采用卷積編碼器、維比特解碼。COFDM每個(gè)載波所使用的調(diào)制方法可以不同，各個(gè)載波可根據(jù)信道狀況可以選擇QPSK、8PSK、16QAM等不同調(diào)制方式。在這里，我們選擇QPSK。本次實(shí)驗(yàn)，我們主要對(duì)比信號(hào)分別經(jīng)過(guò)多徑瑞利信道和萊斯信道的衰落情況，因此我們的模型主要分別由兩種信道組成。無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)的性能很大程度受到無(wú)線(xiàn)信道的影響，使得發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的傳播非常復(fù)雜。為了能在接收端準(zhǔn)確恢復(fù)發(fā)射信號(hào)，這里我們采用基于參考信號(hào)的信道估計(jì)和信道補(bǔ)償方法。通過(guò)訓(xùn)練序列發(fā)送已知信號(hào)，在接收端進(jìn)行初始信道估計(jì)。當(dāng)發(fā)送有用的信息數(shù)據(jù)時(shí)，利用初始的信道估計(jì)結(jié)果進(jìn)行一個(gè)判決更新。

四、 仿真結(jié)果與分析

依照上述系統(tǒng)模型，我們?cè)贛ATLAB中運(yùn)用SIMULINK進(jìn)行仿真，并且繪制出在多徑瑞利衰落信道與萊斯信道下接收端的波形圖、歸一化功率頻譜圖及星座圖，主要分析這兩種信道的衰落情況。

我們知道瑞利衰落信道是一種無(wú)線(xiàn)電信號(hào)傳播環(huán)境的統(tǒng)計(jì)模型。這種模型假設(shè)信號(hào)通過(guò)無(wú)線(xiàn)信道之后，其信號(hào)幅度是隨機(jī)的，即“衰落”，并且其包絡(luò)服從瑞利分布。它描述由電離層和對(duì)流層反射的短波信道，以及建筑物密集的城市環(huán)境。瑞利衰落只適用于從發(fā)射機(jī)到接收機(jī)不存在直射信號(hào)的情況。無(wú)線(xiàn)信號(hào)被衰減、反射、折射、衍射后才能到達(dá)接收機(jī)。

如果收到的信號(hào)中除了經(jīng)反射折射散射等來(lái)的信號(hào)外，其信道中存在從發(fā)射機(jī)直接到達(dá)接收機(jī)的主要分量，總信號(hào)的強(qiáng)度服從分布萊斯，稱(chēng)之為萊斯衰落。 

圖3為COFDM系統(tǒng)基帶波形信號(hào)，仿真時(shí)間為0.0063s。圖片上部分為實(shí)部波形，下部分是虛部波形。

圖3 發(fā)射端波形與兩種信道接收端波形對(duì)比圖

從圖3各個(gè)信道波形對(duì)比我們可知，在接收端的波形描繪中萊斯衰落信道波形

圖3 發(fā)射端波形與兩種信道接收端波形對(duì)比圖

從圖3各個(gè)信道波形對(duì)比我們可知，在接收端的波形描繪中萊斯衰落信道波形比多徑瑞利衰落信道密集及具有較強(qiáng)的幅度。這是因?yàn)樾盘?hào)在經(jīng)過(guò)多徑瑞利衰落信道后，需要經(jīng)過(guò)反射、折射、散射等多條路徑傳播到達(dá)接收機(jī)。而在萊斯衰落過(guò)程中，信號(hào)除了經(jīng)反射、折射、散射等外來(lái)信號(hào)，其信道存在發(fā)射機(jī)直接到接收機(jī)的主要分量。所以，在接收端的波形中萊斯衰落信道的表現(xiàn)比多徑瑞利衰落要好。

 圖4  發(fā)射端頻譜功率圖與兩種信道頻譜功率圖對(duì)比

從圖4發(fā)射端的功率頻譜圖可以看出，信號(hào)經(jīng)過(guò)信道衰落后，頻譜在接收端受到一定的破壞。將兩種信道相比，我們發(fā)現(xiàn)信號(hào)頻譜的衰減程度，瑞利衰落信道要比萊斯信道大，說(shuō)明其破壞程度也大于后者。這也是主要因?yàn)槿R斯衰落信道中存在發(fā)射機(jī)直接到達(dá)接收機(jī)的主要分量。而多徑瑞利衰落信道沒(méi)有直射路徑，使得無(wú)線(xiàn)信號(hào)被衰減、反射、折射、衍射才能達(dá)到接收機(jī)。而同樣的影響，也能通過(guò)星座點(diǎn)零散的，其形狀不太接近于圓形的多徑瑞利衰落星座圖，與比較集中的、形狀比較類(lèi)似于圓形的萊斯衰落信道星座圖（圖5）對(duì)比表現(xiàn)出來(lái)。

圖4 兩種衰落信道星座圖

5、結(jié)束語(yǔ)

圖5 衰落信道星座圖

結(jié)語(yǔ)

DAB是目前世界上最先進(jìn)的數(shù)字廣播技術(shù)，其強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)來(lái)源于其核心技術(shù)COFDM。這次試驗(yàn)，我們仿真了COFDM系統(tǒng)，對(duì)比了在多徑瑞利衰落信道與萊斯衰落信道下系統(tǒng)性能的影響。由于多徑瑞利衰落信道是需要經(jīng)過(guò)多條路徑傳播達(dá)到接收機(jī)，信號(hào)衰減程度較大。而在萊斯衰落信道中，信號(hào)可以直接從發(fā)射端達(dá)到接收端，故其表現(xiàn)明顯優(yōu)于多徑瑞利衰落信道。而現(xiàn)實(shí)情況下，我們身處在建筑物密集、山丘阻擋的環(huán)境中，多徑瑞利衰落信道更適合用于實(shí)際情況。而萊斯衰落信道，只是理想化中的模擬環(huán)境。 

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（作者單位：廣西人民廣播電臺(tái)）