数字电视地面传输系统中的OFDM

摘 要：OFDM是一种特殊的多载波传输方案，它将数字调制、数字信号处理、多载波传输等技术有机结合在一起，OFDM已经在数字音频广播中实现，并准备应用于地面数字电视和HDTV广播中。

关键词：正交频分复用；调制；解调；

文章编号：1674-3520（2015）-09-00-02

一、引言

在无线传输系统，特别是电视广播系统中，由于城市建筑群或其它复杂的地理环境，发送的信号经过反射，散射等传播路径后，到达接收端的信号往往是多个幅度和相位各不相同的信号的叠加，使接收到的信号幅度出现随机起伏变化，形成多径衰弱。多径干扰会引起信号的频率选择性衰减，导致信号畸变。因此在无线传输时既要充分利用给定的频带，又要考虑到系统抗频率选择性衰减的能力。正交频分复用（OFDM）正是一种满足这种要求的传输方案。

OFDM是Orthogonal Frequency Division Multiplexing的缩写，是一种多载波调制技术。OFDM是实现高速数据传输的一种非常重要的手段，其主要思想是：将信道分成若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制到在每个子信道上进行传输。正交信号可以通过在接收端采用相关技术来分开，这样可以减少子信道间相互干扰ISI。每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，因此每个子信道上的可以看成平坦性衰落，从而可以消除符号间干扰。而且由于每个子信道的带宽仅仅是原信道带宽的一小部分，信道均衡变得相对容易。

二、OFDM基本原理

（一）时域和频域同步

OFDM系统对定时和频率偏移很敏感。尤其是在实际应用中可能会与FDMA、TDMA和CDMA等多址方式结合使用时，时域和频域同步就显得尤其重要。同步可以包括捕获和跟踪两个阶段。下行链路同步相对来说要简单，容易实现，因为在下行链路中，基站向各个移动终端是广播式发同步信号。而在上行链路中，来自不同移动终端的信号必须是同步到达基站，从而才能够保证子载波间的正交性。基站就会根据各移动终端发来的子载波所携带的信息进行时域和频域同步信息的提取，然后在由基站发回到原来移动终端，以便让移动终端进行同步具体实现时，同步将分为时域同步和频域同步，也可以时域和频域同时进行同步。

（二）信道编码和交织

为了提高数字通信系统的功能，信道编码和交织是最常用的方法。对于衰落信道中出现的随机错误，可以采用信道编码；而对于衰落信道中出现的突发错误，可以采用交织。实际应用中，为了进一步改善通信系统的功能，通常是同时采用信道编码和交织。在OFDM系统中，如果信道衰落情况不是太深，均衡是无法在利用信道的分集特性来改善系统性能的。因为OFDM系统本身就具有利用信道分集特性的能力。一般的信道特性信息已经被OFDM这种调制方式本身所利用了。但是，OFDM系统的结构却为在子载波间进行编码提供了机会，形成COFDM方式。编码过程可以采用各种码，如卷积码或分组码等。但是卷积码的效果要比分组码好。

（三）信号调制与解调

OFDM系统的调制与解调可以用离散傅里叶变换和离散逆傅里叶变换来实现。通过离散傅里叶反变换，把频域数据变成时域数据，经过射频载波调制后，发送到无线信道中。通过离散傅里叶变换的方法实现OFDM系统，可以简化调制解调器的设计，并且在实际系统应用中，一般会采用更加高效的快速傅里叶逆变换和快速傅里叶变换来实现。

（四）保护间隔和循环前缀

为了最大限度地消除符号间干扰，可以在每个OFDM符号之间插入保护间隔（GI），保护间隔长度一般应大于信道的最大时延扩展，这样上一符号的多径分量就不会对下一符号造成干扰。在这段保护间隔内可以不插入任何符号，即为一段空白的传输时段。然而在这种情况下，由于多径传播的影响，则会产生载波间干扰（ICI），即子载波之间的正交性遭到破坏，不同的子载波之间产生干扰。由于在FFT运算时间长度内，无时延的第一子载波信号和有时延的第二子载波信号之间的周期个数之差不再是整数，当接收机试图对第一个子载波进行解调时，第二子载波的时延信号会对第一子载波造成干扰。同样，当接收机对第二子载波进行解调时，也会存在来自第一子载波的干扰。因此，空白保护间隔可以消除符号间干扰（ISI），但不能消除子载波间干扰（ICI）。

另外，通过在每个符号的起始位置插入循环前缀（CP），可以同时消除符号间干扰和子载波间干扰。循环前缀是一种特殊的保护间隔，它是OFDM符号后部数据的循环复制，增加了符号的波形长度。在符号的数据部分，每一个子载波内有一个整数倍的循环，此种符号的复制产生了一个循环的符号，即将每个OFDM符号的后个时间样点复制到OFDM符号的前面，形成前缀，在交界处不能有任何间断。因此，将一个符号的尾端复制并补充到起始点增加了符号时间的长度。

（五）加窗技术

OFDM信号的复包络可以表示为

式中，N表示子载波的个数，是功率归一化因子，NT为OFDM的持续时间，（k=0，1，・・・ N-1）是分配给每个子信道的数据符号，是第个载波的载波频率，=+，矩形函数，。OFDM符号的功率谱密度为N个子载波上得信号的功率谱密度之和：

矩形窗OFDM符号的功率谱密度时带外功率谱密度衰减比较慢，即带外辐射功率比较大，如下图所示，随着子载波数量的增加，由于每个子载波数量功率谱密度主瓣以及旁瓣变窄，也就是说他们下降的陡度增加，就会导致OFDM符号功率谱密度的下降速度会逐渐增加。但即使是在256个子载波的情况中，其的带宽仍然会是带宽的4倍。

为了让带宽之外的功率谱密度下降的更快，则需要对OFDM符号采用“加窗”技术。对OFDM符号“加窗”意味着令符号周期边缘的幅度值逐渐过渡到零。通常采用的窗类型为升余弦函数，定义为

式中，用表示家窗前符号长度，而加窗后符号长度为，从而允许在相邻符号间存在相互重叠的区域。经过加窗处理后的OFDM符号如下图3-2所示。

（六）均衡

均衡的实质是补偿多径信道引起的码间干扰，而OFDM技术本身就已经利用了多径信道的分级特性，所以在一般情况下，OFDM技术就不用在做均衡了。也就是说，在一般情况下，OFDM系统中均衡不是有效改善系统性能的方法。在高度散射的信道中，信道记忆长度很长，循环前缀的长度也必须很长。才能够不出现ISI，但是，如果循环前缀长度过长必然会导致能量大量损失，尤其是对子载波个数不是特别大的系统。这时，就可以考虑加均衡器以使CP的长度适当减小，即通过增加系统的复杂性换取系统频带利用率的增高。

三、OFDM基本参数的选择

OFDM系统带宽B，采样间隔T。OFDM符号长度一般大于等于系统子载波数。为了保持数据的吞吐量，子载波数目和FFT的长度要有相对较大的数量，这样就导致了有用符号持续时间的增大。在实际应用中，载波的频率偏移和相位的稳定性会影响两个载波之间间隔的大小，如果是移动着的接收机，载波间隔则必须足够大使得多普勒频移可以被忽略。选择有用符号的持续时间，必须要以保证信道的稳定为前提。

系统子载波数N，每个子载波占用的带宽，系统带宽，循环前缀的长度，均为设计OFDM系统时非常重要的参数。首先，循环前缀（CP）的长度应选择为OFDM符号长度的一小部分，以减小由于循环前缀的引入带来的系统功率损失。由于循环前缀的长度直接与信道的最大时延扩展有关，通常OFDM符号长度NT>>，换一种说法也就是系统子载波N>>。然而，若OFDM符号长度NT太长，衰落信道中多普勒扩展引起的子载波间干扰（ICI）将限制系统性能。若选择的子载波间隔比最大多普勒频率大的多，系统对多普勒扩展和由此产生的ICI相对不敏感。所以，系统子载波应满足，即。于是，系统子载波一般应满足如下约束条件，为恰当设计OFDM系统，上述约束条件同时也限制了信道时延扩展和频率扩展间的关系，得到，意味着时域或频域上的相关性越大，就越容易找到合适的子载波数N。

四、OFDM在数字电视广播中的性能应用

多径干扰和衰减

在设计适当的保护间隔、交织和信道编码后，OFDM有能力消除较强的回波干扰。通过计算机仿真和现场实验表明多回波的性能有所改善。除了信道衰减外，由于发射塔晃动、飞机震动甚至树木的晃动造成的时变信号会产生动态鬼影，从而导致在传输过程中产生误码。通过使用并行传输结构和网格编码，OFDM系统在衰减和时变信道环境中具有一定的优势。

相位噪声和抖动

OFDM系统采用多载波进行传输， 各个载波之间的间隔很小，因此更容易受到载波频率差错的影响。接收端较小的频率偏移就会破坏子信道间的正交性。给定系统性能的衰减会随着频率偏移和子载波的数量而明显恶化。发端上行转换器、收端下行转换器和调谐器都会影响相位噪声抖动。一种可能的解决方法是采用导频来跟踪解调的相位噪声。这种方法是以牺牲数据流量的净负荷为代价的。

五、结束语

OFDM的应用已经从高频无线通信扩展到电话网、数字音频广播和数字电视地面广播。OFDM的优点，尤其是抗多径传播、干扰和衰减的能力，使得它成为一种非常适用于包括地面电视广播在内的无线传输。

参考文献：

[1]樊昌信，曹丽娜.通信原理[M]，国防工业出版社，2006。

[2]谭泽富，聂翔飞，王海宝.OFDM的关键技术及应用[M]，西南交通大学出版社，2005。

[3]郝建民.正交频分复用体制 [J]. 遥测遥控，2004年。

[4]曹志刚，钱亚生/现代通信原理/北京：清华大学出版社，