COFDM技术在机载实况传输系统中的应用*

许　伟　乔文长　袁　庚

(91388部队94分队　湛江　524022)



COFDM技术在机载实况传输系统中的应用*

许伟乔文长袁庚

(91388部队94分队湛江524022)

摘要论文主要介绍COFDM调制技术在机载实况传输系统中的应用，COFDM调制技术是机载实况传输系统中一项关键技术，它主要通过软件无线电来实现其功能，能够影响被试品摄录实况实时传递的距离、速度和实效。

关键词COFDM调制技术; 软件无线电; 机载实况传输

Class NumberTN943

1　引言

随着COFDM调制技术的产生，这使得在“高速移动”和“非视距”条件下，实现高质量的实时的无线图像、声音和数据传输成为可能。机载实况传输系统采用了先进的COFDM调制技术，能够确保高速移动、抗衰落及多径干扰下的稳定传输(移动速度可达150km/h)，提供广播级DVD质量的高清晰图像，强大的非视距传输能力，具有覆盖范围广、灵敏度高、数据量大等优点，为现场指挥、野外作战等特殊条件下应急通信所需要的远距离、高质量、高速率的实时图像、音频及数据传输提供理想的解决方案[1]。

2　COFDM定义

所谓COFDM，即编码正交频分复用的简称，这种正交表示的是载波频率间精确的数字关系。编码C指信道编码采用编码率可变的卷即编码方式，以适应不同重要的数据的保护要求；正交频分OFD指使用大量的副载波，它们有相同的频率间隔，都是一个基本震荡频率的整数倍，复用M指的是多路数据源相互交织的分布在上述大量载波上，形成一个频道。COFDM是一种特殊的多载波通信方式，它能够将摄录信息串并变换成多个低速码流，每个码流都用子载波发送[2]。COFDM技术不选用带通滤波器，而是通过快速傅里叶变换来选用那些既混叠也能保持正交的波形，在机载实况传输系统中采用COFDM调制技术，就是选用基于FFT/IFFT的OFDM实现方法来实现。

3　COFDM在机载实况传输系统中的功能

发射机将来自摄像机的视频和音频信号通过A/D转换器变成数字信号，经过编码后复接成一个合路数据，传输到COFDM调制单元。COFDM调制单元将接收的信号进积联合编码，然后进行编码映射，映射后得星座图进行OFDM(正交多载波)调制。调制后的两路正交信号，用低相噪本振进行正交调制。得到的射频调制信号经边带滤波器、功率放大器放大后，传送到天线发射出去。如图1所示，接收机工作流程和发射机的工作流程相反。从天线收到的微波信号经馈线送到接收机的信道滤波器、低噪声放大器，经过中频放大后，输出给COFDM解调单元。COFDM解调单元先将射频单元送来的调制信号进行解调，得到的基带信号送到COFDM基带处理器，基带处理器完成恢复压缩后的音视频数据。接着使用解码器解压缩出原始的数字信号，数字信号经过D/A转换器后变成模拟的音视频信号[3](如图2所示)。

图2　接收机工作流程

4　COFDM调制系统

4.1COFDM技术在机载实况传输系统中的独特优势

1) 非可视和有阻挡的环境中应用，卓越的绕射和穿透能力使得适合在城区、郊区、建筑物内实现无线图像实时传输传统的微波设备，必须在可视条件下(即收发两点之间必须无阻挡)才能建立无线链接通道，所以使用时受环境约束很大，需要提前考察应用环境，选择、测试收发点，调整天线方向，架设天线高度测算等，工作量很大，也相当的繁琐，不仅直接限制音视频的传输与接收，而且系统的可靠性、工作效率也大打折扣。COFDM技术则彻底改变了这种局面。COFDM设备具有非视距、绕射传输的优势，在城区，建筑物内该技术设备能够高概率的实现图像稳定的传输，受环境影响较小[4]。机载实况传输系统采用全向天线，可以在最短时间内架设无线传输链路，接收机和发射机可以随便移动，不受方向的约束。

2) 适合在高速移动中无线传输实时的图像。在车载、船舶、直升机上应用微波和无线LAN等设备进行无线图像传输时，通常的方案是在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，但是也仅仅能够实现移动点对固定点的传输，并且图、图像经常出现中断等问题，严重影响传输接收效率。但是在运用COFDM技术的机载实况传输系统中，它不需要任何附加装置，就可以实现固定—移动、移动—移动间的图像传输而且移动速度可达150km/h。非常适合在船舶、直升机等移动平台上。具有很高的可靠性[5]。

3) 传输带宽高，适合高码流、高画质的音视频传输。图像码流一般可以大于4MBPS高码流、高质量的音视频传输对信道速率和编码要求很高。一般的微波传输，虽然采用了MPEG-2编码，但信道多采用2M速率，虽然解码后的图像分辨率可达到720*576，但是图像压缩码流只有1M左右，无法满足接收端后期音视频分析、存储、编辑的要求。机载实况传输系统中，每个子载波可以选择QPSK、16QAM、64QAM等高速调制，合成后的信道一般大于4MBPS。因此可以传输MPEG-2中4：2：0高质量图像，接收端图像分辨率可以达到720*576或720*480，码流可以在6M左右，接收图像接近DVD画质[6]。

4) 在复杂电磁环境中，COFDM具有很强的抗干扰性能，对抗频率选择性衰落或窄带干扰及信号间的干扰性能优越，机载实况传输系统通过各子载波间的联合编码，具有很强的抗衰落能力。

4.2COFDM调制技术在机载实况传输系统中功能的实现

在机载实况摄录传输系统中，COFDM调制技术解调技术主要通过软件无线电来实现其功能。软件无线电(SOFTWARE Radios)是一种新的无线电通信的体系结构。具体来说，软件无线电是以可编程的DSP或CPU为中心，将模块化、标准化的硬件单元用总线方式连接起来，构成通用的硬件平台，并通过软件加载来实现各种无线通信功能的开放式体系结构。

DSP在控制和信号处理方面有优势，基带信号的调制、解调及FFT/IFFT等运算可以由DSP实现，但是在实时处理方面受到现有DSP处理速度和能力的制约。对于信号突发检测这种运算量大的处理，尤其是在高速传输时，通常要使用FPGA。FPGA特有的流水线设计结构可以使前后级在时间上并发，达到高效、高速。为了减小DSP在信号处理上的压力，同时满足高速要求，采用专用数字变频芯片来实现数字上下变频[7]。

为了和软件无线电的思想统一，在系统设计时考虑兼容单载波调制解调方式，采用DSP、FPGA、上下变频器的方案。

1) OFDM原理和基带信号模型

正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplex,OFDM)是一种多载波调制方式，通过减小和消除码间串扰的影响来克服信道的频率选择性衰落。它的基本原理是将信号分割为N个子信号，然后用N个子信号分别调制N个相互正交的子载波。由于子载波的频谱相互重叠，因而可以得到较高的频谱效率。

图3是OFDM基带信号处理原理图。其中，图3(a)是发射机工作原理，图3(b)是接收机工作原理。

图3　OFDM基带信号处理原理图

在发射端，首先对比特流进行QAM或QPSK调制，然后依次经过串并变换和IFFT变换，再将并行数据转化为串行数据，加上保护间隔(又称“循环前缀”，当调制信号通过无线信道到达接收端时，由于信道多径效应带来的码间串扰的作用，子载波之间不再保持良好的正交状态，因而发送前需要在码元间插入保护间隔。如果保护间隔大于最大时延扩展，则所有时延小于保护间隔的多径信号将不会延伸到下一个码元期间，从而有效地消除了码间串扰)，形成OFDM码元。在组帧时，须加入同步序列和信道估计序列，以便接收端进行突发检测、同步和信道估计，最后输出正交的基带信号[8]。

当接收机检测到信号到达时，首先进行同步和信道估计。当完成时间同步、小数倍频偏估计和纠正后，经过FFT变换，进行整数倍频偏估计和纠正，此时得到的数据是QAM或QPSK的已调数据。对该数据进行相应的解调，就可得到比特流[9]。

2) 参数设计及调制

信号波形采用PCB八层板设计，实现了该系统的硬件平台，并在此平台基础上实现了高速OFDM传输和常规单载波调制解调，形成了一个通用宽带高速调制解调平台[10]。设计的目的是要在该平台上实现现有的全部物理层的算法，特别是实现实时OFDM传输系统。OFDM系统指标要求如表1。

表1　OFDM系统指标要求

图4给出了32路子载波OFDM在上述参数设计下的已调信号波形及其功率谱。图中子载波调制方式为QPSK，码元频率为中频频率36.864MHz，带宽是2.048MHz。

图4　实测OFDM波形

5　结语

本文主要介绍COFDM调制技术在机载实况摄录传输系统总的应用，使得系统能够在“高速移动”和“非视距”条件下，对被试品的整个运动过程进行跟踪拍摄，实现高质量的实时的无线图像、声音和GPS数据的传输，并把摄录实况实时传递到试验指挥船，使指挥员能及时了解被试品的运动态势。使指挥员能够准确掌握参试舰船和被试品的位置，帮助指挥员做出正确的决策。

参 考 文 献

[1] 谭博学,苗慧静.集成电路原理及应用[M].第二版.北京:电子工业出版社,2008:120-130.

[2] 董在望.通信电路原理[M].北京:高等教育出版社,2002:80-85.

[3] 葛哲学.小波分析与Matlabr2007实现[M].北京:电子工业出版社,2007:202-210.

[4] 郑治真.波普分析基础[M].地震出版社,1983:114-120.

[5] 丁美玉,高西全.数字信号处理(第三版)学习指导[M].西安电子科技大学,2009:110-119.

[6] 董金明.微波技术[M].北京:机械工业出版社,2012:60-71.

[7] 刘刚.Matlab数字图像处理[M].北京:机械工业出版社,2012-7:72-80.

[8] 微波固态电路设计INDERBAHLPRAKASHBHARTIA(美国)[M].北京:电子工业出版社,2006:95-100.

[9] 何金良.电磁兼容概论[M].北京:科学出版社,2010-10:140-150.

[10] 范承志.电路原理[M].北京:机械工业出版社,2010:30-40.

*收稿日期：2015年10月3日,修回日期：2015年11月25日

作者简介：许伟，男，工程师，研究方向：航拍通信。

中图分类号TN943

DOI：10.3969/j.issn.1672-9730.2016.04.021

Application of COFDM Technology in Airborn Live Transmission System

XU WeiQIAO WenchangYUAN Geng

(Unit 94, No. 91388 Troops of PLA, Zhanjiang524022)

AbstractThe application of COFDM technology in an airborn live transmission system is mainly introduced. COFDM modulation technology is a key technology in an airborn live transmission system. It achieves its functions by software radio, which influences the range, speed and actual effect of the tested products in real-time transmission when live photographing and video recording.

Key WordsCOFDM modulation technology, software radio, airborn live transmission