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发表于 2007-11-23 09:26 | 只看该作者

COFDM技术简介

COFDM, 数学, 带宽, 载波, 简介

1、什么是COFDM
COFDM（coded orthogonal frequency division multiplexing），既编码正交频分复用的简称，是目前世界最先进和最具发展潜力的调制技术。
上个世纪中期，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子载波，也就是我们所说的OFDM。这种“正交”表示的是载波频率间精确的数学关系。按照这种设想，OFDM既能充分利用信道带宽，也可以避免使用高速均衡和抗突发噪声差错。OFDM是一种特殊的多载波通信方案，单个用户的信息流被串/并变换为多个低速率码流，每个码流都用一个子载波发送。OFDM不用带通滤波器来分隔子载波，而是通过快速傅立叶变换（FFT）来选用那些即便混叠也能够保持正交的波形。

OFDM技术属于多载波调制（Multi－CarrierModulation，MCM）技术。有些文献上将OFDM和MCM混用，实际上不够严密。MCM与OFDM常用于无线信道，它们的区别在于：OFDM技术特指将信道划分成正交的子信道，频道利用率高；而MCM，可以是更多种信道划分方法。
OFDM技术的推出其实是为了提高载波的频谱利用率，或者是为了改进对多载波的调制，它的特点是各子载波相互正交，使扩频调制后的频谱可以相互重叠，从而减小了子载波间的相互干扰。OFDM每个载波所使用的调制方法可以不同。各个载波能够根据信道状况的不同选择不同的调制方式，比如BPSK、QPSK、8PSK、16QAM、64QAM等等，以频谱利用率和误码率之间的最佳平衡为原则。OFDM技术使用了自适应调制，根据信道条件的好坏来选择不同的调制方式。OFDM还采用了功率控制和自适应调制相协调工作方式。信道好的时候，发射功率不变，可以增强调制方式（如64QAM），或者在低调制方式（如QPSK）时降低发射功率。
OFDM技术是HPA联盟（HomePlug Powerline Alliance）工业规范的基础，它采用一种不连续的多音调技术，将被称为载波的不同频率中的大量信号合并成单一的信号，从而完成信号传送。由于这种技术具有在杂波干扰下传送信号的能力，因此常常会被利用在容易受外界干扰或者抵抗外界干扰能力较差的传输介质中。

2、COFDM技术应用于无线图像传输优点
无线图像传输广义上属于无线宽带传输，大体了经历模拟、数字传输两个阶段。
模拟图像传输因其多经干扰、同频干扰和噪声叠加，导致实际应用中图像传输可靠性和高图像质量难以保证，因此模拟图像无线传输在很多行业已基本被淘汰。
随着图像编解码和无线数字调制技术的发展，无线数字图像传输成为目前的技术中坚。其基本结构均为视音频编码—无线信道数字调制--视音频解码，框图如下：

目前现有的无线应用中，视音频压缩编码以MPEG2/4、H.261/263等为主。其中高质量图像（标准PAL/NTSC制式或分辨率不小于700×500）一般以MPEG2编解码居多，个别采用小波编解码。其对应的无线传输按体制可以用微波（数字微波、扩频微波）、无线LAN（802.11FHSS、802.11(b)DSSS、802.11(g)DSSS/OFDM、802.11(a)OFDM）等技术实现。虽然，这些技术各有优势，但它们大多都存在共同的缺点，如通视传输、定向传输、不支持移动等，从而限制用户的应用，甚至无法满足部分用户最基本的需求。
随着OFDM技术及组件的成熟，国外在无线图像上已趋于淘汰微波和802.11FHSS、802.11(b)DSSS等方案，而采用COFDM技术的产品。
COFDM技术应用于无线图像传输优点有如下方面：

适合在城区、城郊、建筑物内等非通视和有阻挡的环境中应用，表现出卓越的“绕射”“穿透”能力。
传统的微波设备，必须在通视条件（既收发两点之间必须无阻挡）下才能建立链路，所以使用中受环境制约，需要提前考察环境，拟定、实测收发点。即使成功“布点”，天线定向、线缆布置等工作也相当烦琐，不仅直接限制视音频源的获取、传输，而且系统的可靠性、工作效率也大打折扣。
COFDM无线图像设备则彻底改变了这种局面。因其多载波等技术特点，COFDM设备具备“非视距”、“绕射”传输的优势，在城区、山地、建筑物内外等不能通视及有阻挡的环境中，该设备能够以高概率实现图像的稳定传输，不受环境影响或受环境影响小。其收发两端一般采用全向天线，无须预先“踩点”、“定向”、布设繁杂的视音频输入、输出电缆，视音频源的采集端、接收端可根据现场情况及指挥/导演的要求自由活动。系统简单、可靠，应用灵活。

适合高速移动中传输，可应用于车辆、船舶、直升机/无人机等平台。
对于大多数行业而言，无线图像的一般应用模式是：视音频前端采集—接入点（车、船、机）--视音频处理中心（一般通过有线链路或卫通）。所以车辆、船舶、直升机/无人机等平台是系统非常重要的组成部分，其核心的功能之一就是实时接入前端的图像。
微波（数字微波、扩频微波）、无线LAN等设备因其技术体制的原因，无法独立实现收、发端的移动中传输。如应用到车辆、船舶上，通常的方案是再配置附加的“伺服稳定”装置，以解决电磁波定向、跟踪、稳定等问题，且仅能在一定条件下实现移动点对固定点的传输。这样，其系统的技术环节多，工程复杂，可靠性降低，造价极高。
但对于COFDM设备，它不需要任何附加装置，就可实现固定—移动，移动—移动间的使用，非常适合安装到车辆、船舶、直升机/无人机等移动平台上。不仅传输有高可靠性，而且对比以上的方案，由于无须再配置附加的“伺服稳定”装置，所以表现出很高的性价比。

适合高速数据传输，速率一般大于4M bps，满足高质量视音频的传输。
高质量的视音频除对摄像机的要求外，对编码流、信道速率要求十分高。一般的数字微波，扩频微波传输中，虽然采用MPEG2编码，但信道多采用2M速率，如E1，使得解码后的图像分辨率一般为352×288，无法满足后期分析、存储、编辑等要求。
COFDM技术每个子载波可以选择QPSK、16QAM、64QAM等高速调制，合成后的信道速率一般均大于4M bps。因此，可以传输MPEG2中4:2:0、4:2:2等高质量编解码，接收端图像分辨率可达到576×720或480×720，满足后期分析、存储、编辑等要求。

在复杂电磁环境中，COFDM具备优异的抗干扰性能。
对抗频率选择性衰落或窄带干扰及信号波形间的干扰性能优越，通过各个子载波的联合编码，具有很强的抗衰落能力。在单载波系统中（如数字微波，扩频微波等），单个衰落或干扰能够导致整个通信链路失败，但是在多载波COFDM系统中，仅仅有很小一部分子载波会受到干扰，并且这些子信道还可以采用纠错码来进行纠错，确保传输的低误码率。

信道利用率很高
这一点在频谱资源有限的无线环境中尤为重要；当子载波个数很大时，系统的频谱利用率趋于2Baud/Hz。

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发表于 2007-11-23 09:29 | 只看该作者

COFDM的应用领域
OFDM技术是近来年得到迅速发展的通信技术之一，由于其可以有效地克服多径传播中, 的衰落，消除符号间干扰，提高
频谱利用率，已在宽带通信中获得了广泛的应用。
1、数字声广播工程（DAB）
欧洲的数字声广播工程（DAB）--DABEUREKA147计划已成功地使用了OFDM技术。为了克服多个基站可能产生的重声现象
，人们在OFDM信号前增加了一定的保护时隙，有效地解决了基站间的同频干扰，实现了单频网广播，大大减少整个广播占
用的频带宽度。
2、高清晰度电视（HDTV）
由于现有的专用DSP芯片最快可以在100μs内完成1024点FFT，这正好能满足8MHz带宽以内视频传输的需要，从而为应用
于视频业务提供了可能。目前，欧洲已把COFDM作为发展地面数字电视的基础；日本也将它用于发展便携电视和安装在旅游
车、出租车上的车载电视。
3、卫星通信
VSAT的卫星通信网使用了OFDM技术，由于通信卫星是处于赤道上空的静止卫星，因此OFDM无需设置保护间隔，利用
DFT技术实现OFDM将极大地简化主站设备的复杂性，尤其适用于向个小站发送不同的信息。
4、HFC网
HFC(Hybrid Fiber Cable)是一种光纤/同轴混合网。近来，OFDM被应用到有线电视网中，在干线上采用光纤传输，而用
户分配网络仍然使用同轴电缆。这种光电混合传输方式，提高了图像质量，并且可以传到很远的地方，扩大了有线电视的
使用范围。
5、移动通信
在移动通信信道中，由多径传播造成的时延扩展在城市地区大致为几微秒至数十微秒，这会带来码间串扰，恶化系统性
能。近年来，国外已有人研究采用多载波并传16QAM调制的移动通信系统。将OFDM技术和交织技术、信道编码技术结合，可
以有效对抗码间干扰，这已成为移动通信环境中抗衰落技术的研究方向。
6、无线LAN
在新一代WLAN技术标准，美国的IEEE 802.11a和欧洲ETSI的HiperLAN/2中，均采用了OFDM技术。IEEE 802.11a工作在
5GHz 频带，采用OFDM调制技术，速率可达54Mbit/s。HiperLAN/2物理层应用了OFDM和链路自适应技术，媒体接入控制（
MAC）层采用面向连接、集中资源控制的TDMA/TDD方式和无线ATM技术，最高速率达54Mbit/s，实际应用最低也能保持在
20Mbit/s左右。

7、宽带无线接入中的OFDM
OFDM是适用于无线环境下的高速传输技术，除了无线局域网标准（IEEE 802.11a、HiperLAN/2等）外，还在宽带无线
接入（BWA）中得到应用，所谓宽带（Broadband）是指速率高于10Mbit/s 的传输系统，宽带无线接入系统是针对微波及
毫米波段中新的空中接口标准，它具有速率高、抗干扰性强等特点，能支持无线多媒体通信，适用于商务大楼、热点地
区及家庭用户的宽带接入。IEEE 802.16工作组专门负责BWA方面的技术工作，它已经开发了一个2~11GHz BWA的标准
IEEE802.16a，物理层采用了OFDM技术。该标准不仅是新一代的无线接入技术，而且对未来蜂窝移动通信的发展也具有重
要意义。目前，在BWA领域，一些公司开发的技术虽然都基于OFDM，但有各自的特色，形成一些专利技术，如Cisco 和
Iospan公司的Vector OFDM (VOFDM)，Wi- LAN公司的 Wideband OFDM (WOFDM) ，Flarion公司的 flash-OFDM。

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发表于 2007-11-23 09:29 | 只看该作者

COFDM技术的优点和缺点
OFDM技术能同时分开多个数字信号，而且在干扰的信号周围可以安全运行。正是由于具有了这种特殊的信号“穿透能力
”，使得OFDM技术深受通信设备商以及手机生产商的喜爱和欢迎。OFDM技术能够持续不断地监控传输介质上通信特性的突
然变化，通信路径传送数据的能力会随时间发生变化，OFDM能动态地与之相适应，并且接通和切断相应的载波以保证持续
地进行成功的通信。该技术可以自动地检测传输介质下哪一个特定的载波存在高的信号衰减或干扰脉冲，然后采取合适的
调制措施来使指定频率下的载波进行成功通信。
OFDM技术特别适合使用在高层建筑物、居民密集和地理上突出的地方以及将信号撒播的地区、高速的数据传播及播音都希
望删除多径影响的地方。
OFDM技术主要有如下几个优点：
  （1）在窄带带宽下也能够发出大量的数据。OFDM技术能同时分开至少1000个数字信号，而且在干扰的信号周围可以安全
运行的能力将直接威胁到目前市场上已经开始流行的CDMA技术的进一步发展壮大的态势，正是由于具有了这种特殊的信
号“穿透能力”使得OFDM技术深受欧洲通信营运商以及手机生产商的喜爱和欢迎，例如加利福尼亚Cisco系统公司、纽
约FLARION工学院以及朗讯工学院等开始使用，在加拿大Wi-LAN工学院也开始使用这项技术。
(2)OFDM技术能够持续不断地监控传输介质上通信特性的突然变化，由于通信路径传送数据的能力会随时间发生变化，
所以OFDM能动态地与之相适应，并且接通和切断相应的载波以保证持续地进行成功的通信；
(3)该技术可以自动地检测到传输介质下哪一个特定的载波存在高的信号衰减或干扰脉冲，然后采取合适的调制措施
来使指定频率下的载波进行成功通信；
(4)OFDM技术特别适合使用在高层建筑物、居民密集和地理上突出的地方以及将信号散播的地区。高速的数据传播及数
字语音广播都希望降低多径效应对信号的影响。
(5)可以有效地对抗信号波形间的干扰，适用于多径环境和衰落信道中的高速数据传输。当信道中因为多径传输而出现
频率选择性衰落时，只有落在频带凹陷处的子载波以及其携带的信息受影响，其他的子载波未受损害，因此系统总的误码
率性能要好得多。
  (6)通过各个子载波的联合编码，具有很强的抗衰落能力。OFDM技术本身已经利用了信道的频率分集，如果衰落不是特
别严重，就没有必要再加时域均衡器。通过将各个信道联合编码，则可以使系统性能得到提高。
  (7)OFDM技术抗窄带干扰性很强，因为这些干扰仅仅影响到很小一部分的子信道。
  (8)可以选用基于IFFT/FFT的OFDM实现方法；
  (9)信道利用率很高，这一点在频谱资源有限的无线环境中尤为重要；当子载波个数很大时，系统的频谱利用率趋于2Bau

d/Hz。
表现在实际应用中有以下独具的优势：
首先，抗衰落能力强。OFDM把用户信息通过多个子载波传输，在每个子载波上的信号时间就相应地比同速率的单载波系
统上的信号时间长很多倍，使OFDM对脉冲噪声（Impulse Noise）和信道快衰落的抵抗力更强。同时，通过子载波的联合编
码，达到了子信道间的频率分集的作用，也增强了对脉冲噪声和信道快衰落的抵抗力。因此，如果衰落不是特别严重，就
没有必要再添加时域均衡器。
其次，频率利用率高。OFDM允许重叠的正交子载波作为子信道，而不是传统的利用保护频带分离子信道的方式，提高
了频率利用效率。
再者，适合高速数据传输。OFDM自适应调制机制使不同的子载波可以按照信道情况和噪音背景的不同使用不同的调制
方式。当信道条件好的时候，采用效率高的调制方式。当信道条件差的时候，采用抗干扰能力强的调制方式。再有，OFDM
加载算法的采用，使系统可以把更多的数据集中放在条件好的信道上以高速率进行传送。因此，OFDM技术非常适合高速数
据传输。
此外，抗码间干扰能力强。码间干扰是数字通信系统中除噪声干扰之外最主要的干扰，它与加性的噪声干扰不同,是一
是一种乘性的干扰。造成码间干扰的原因有很多，实际上，只要传输信道的频带是有限的，就会造成一定的码间干扰。OF
DM由于采用了循环前缀，对抗码间干扰的能力很强。
OFDM技术的不足之处包括以下方面：
对频偏和相位噪声比较敏感。OFDM技术区分各个子信道的方法是利用各个子载波之间严格的正交性。频偏和相位噪声
会使各个子载波之间的正交特性恶化，仅仅1％的频偏就会使信噪比下降30dB。因此，OFDM系统对频偏和相位噪声比较敏感
?功率峰值与均值比（PAPR）大，导致射频放大器的功率效率较低。与单载波系统相比，由于OFDM信号是由多个独立的经过
调制的子载波信号相加而成的，这样的合成信号就有可能产生比较大的峰值功率，也就会带来较大的峰值均值功率比，简
称峰均值比。对于包含N个子信道的OFDM系统来说，当N个子信道都以相同的相位求和时，所得到的峰值功率就是均值功率
的N倍。当然这是一种非常极端的情况，通常OFDM系统内的峰均值不会达到这样高的程度。高峰均值比会增大对射频放大器
的要求，导致射频信号放大器的功率效率降低。
负载算法和自适应调制技术会增加系统复杂度。负载算法和自适应调制技术的使用会增加发射机和接收机的复杂度，
并且当终端移动速度很高时，自适应调制技术就不是很适合了。

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发表于 2007-11-23 09:30 | 只看该作者

MPEG2简介

MPEG标准是由国际标准化组织ISO和国际电工委员会IEC共同制定的视频编解码标准。MPEG是Moving Pictures Experts

Group（运动图像专家组）的缩写，制定的视频压缩标准有MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4、MPEG-7等，其中MPEG-2视音频压缩标

准是专为数字电视传输和分配等高质量视音频应用而制订的,有每秒30帧704*480的分辨率。

MPEG标准中的数字压缩的基本步骤为：首先将模拟视频转换为数字视频后按时序分组，然后每个图像组（GOP：group

of pictures）选定一个基准图像利用运动估计减少图像间的时间冗余，最后将基准图像和运动估计误差进行离散余弦变换

（DCT：discrete cosin transform）、系数量化和熵编码（VLC＆RLC：‘variable length coding’and ‘run length

coding’）以消除空间冗余。

MPEG-2标准可定义高达400Gb/S的比特率和16000×16000像素的图像。标准结合实际情况制定了一个涵盖大部分应用的

型／级体系（表１）。每个型（profile）都是MPEG语法的一个完整的子集合，型中选定不同的参数形成不同的级（level)

）。 MPEG-2标准共分5型：简单型（SP：simple profile），只有基准帧Ι和预测帧P；主型（MP：main profile),比SP增

加了双向推测帧Ｂ；信杂比分层型（SNRP：SNR scalable profile）；空间可分层型（SSP：spatial scalable profile）

高型（HP：high profile）。

MPEG-2标准共分4级：低级（LL：low level），输入信号的像素为ITU-R 601格式的四分之一；主级（ML：main level)，输入信号的像素

为ITU-R601格式；高级-1440（H14L：high－1440
level）为4∶3模式电视高清晰度格式；高级（HL：high level）为16：

9模式电视的高清晰度格式。

表１中每一型／级的第1行其使用的抽样格式，第2行为画面的横向像素数×纵向像素数，第3行为编码后的比特率，

第4行为其GOP的构成。

MPEG-2标准具有兼容性，表1中的11种型／级的解码器必须能解码任何一种位于其左式其下的型／级的编码。

理论和实际测试得出以下一般结论：

1、特率和GOP结构一定的条件下，代数（一代为一个压缩／解压缩的循环）越多画面质量越差；

2、在代数和比特率一定的条件下，GOP的结构越长（越复杂）多画面质量越：

3、在代数和GOP结构一定的条件下，比特率越高画面质量越好。

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