DAB(數字音頻廣播)是在現有模擬AM和FM音頻廣播的基礎上發展起來的新型廣播系統,它可以提供更優質的語音質量、更新的數據業務以及更高的頻譜效率,它所提供的語音質量可以與CD音質相媲美。OFDM(正交頻分復用)是DAB中的核心技術,其實它是多載波調制(MCM)的一種,這種傳輸方法可以避免移動接收時出現的“衰落”,OFDM調制技術的出現為實現高效的抗干擾調制技術和提高頻帶利用率開辟了一條的新路徑。選擇OFDM作為數字音頻廣播的主要原因在于:OFDM技術可以有效地解決多徑時延擴展問題。
一. 移動無線電信道的特性
DAB是用作移動接收的傳輸系統,因此,移動無線電信道的特性,是DAB選擇調制方法和配置系統參數的基礎。
通常情況下,發射的信號到達接收機,不僅通過發射機和接收機之間的直接的傳播途徑,而是許多信號部分在經過一次或多次障礙物的反射才在接收天線相遇。因此,這些相遇的信號會有較大的時延差。其中不同的信號時延(距離差異除以光速)先后到達用戶。而對于用戶來說,這種情況相當于多徑的衰落信道。在最不利的情況下,可能導致接受的各信號成分相互抵消。
接收機快速移動,由于多普勒效應,會出現各部分信號的頻率偏差。這樣,無論時延是否相同,信號以不同的角度在接收機相遇會產生差拍效應,也就是說,移動無線電信道,既有頻率選擇性,又有時間選擇性。
其實,作為數字音頻廣播研究最早的尤里卡Eureka 147系統,它的原始設計目標是確保新規范能解決在快速移動的汽車上接收信號的挑戰,同時處理復雜的回聲和信號衰減問題。DAB選擇OFDM調制方法,是適合無線電信道的特性的。
二. OFDM基本原理
OFDM是一種無線環境下的高速傳輸技術,該技術的基本原理是將高速串行數據變換成多路相對低速的并行數據并對不同的副載波進行調制,這些副載波有相同的頻率間隔,所有副載波的頻率都是基本振蕩頻率的整數倍,且在頻譜關系上彼此正交,使各子載波上的頻譜相互重疊(如圖1所示),同時提高頻譜利用率;最后將所有分路已調波信號通過一個加法器相加起來,形成一路總合信號,即OFDM。DAB中規定了工作于不同頻段的四種傳輸模式,既是模式1(對應載波總數1536個),模式2(對應載波總數312個),模式3(對應載波總數192個),模式4(對應載波總數768個),四種模式各有不同的參數,不管何種模式,都安排了相同的帶寬,即1.536MHz,當載波間隔加大時,通過減少載波總數來滿足。這樣在要求傳輸的總數據率相同(均為M),射頻總帶寬為B(DAB中1.536MHz)相同的情況下,如果使用傳統的單載波方法進行傳輸,信號持續期將很短。在t的時間里要傳送K個符號,則信號持續期為Ts=t/K。若用多載波(設為K個)同時傳輸,在滿足前述的要求下,每個載波的帶寬應為B/K。每個載波傳輸的數據率為M/K,因此信號持續期增長為Td=K*Ts=K*t/K=t。信號持續期的加長可以減弱多徑傳播時反射波帶來的不良影響,如僅使用一個載波,反射波的信道脈沖若占據3個符號期,會造成嚴重的信號間干擾;如果使用2個載波,,則符號期是單載波時的2倍,反射波的影響有所減弱;如果使用8個載波,則符號期是單載波時的8倍,這時,反射波的信道脈沖應僅占符號期較少的一部分,影響作用大大減弱。如果使用更多的載波,反射波的影響就更弱。
雖然采用多載波的方法,允許較長的符號持續期,降低了符號間干擾,但是反射信號可能在經過了符號持續期之后到達接收機。為了使彼此相繼的符號即使在反射時也相互獨立,應用了這樣的方法:將每個OFDM符號人為加入一個保護間隔,通常保護間隔約為符號持續期的1/4。為此,將OFDM符號的后1/4部分復制到始端,將其放在有效符號持續期的前面,形成保護間隔。有了保護間隔以后,只要反射波與直達波的之間時延差不超過保護間隔,所有的反射信號都會增加接收機的接受功率,在對有用信號計值時帶來增益。
三. DAB中OFDM系統的實現
由上面的原理分析可知,若要實現OFDM,需要利用一組正交的信號作為子載波,OFDM調制器如圖2所示。要發送的串行二進制數據經過數據編碼器形成了M個復數序列,此復數序列經過串并變換器變換后得的M路并行碼,用這M路并行碼對相應數目的M個載波進行數字調相,使用的是差分四相相移鍵控(4-QPSK),實現頻分復用。
但在實際上要制造上千個不同振蕩頻率、同步工作的QPSK調制器是不可能的,不但經濟上難以承受,技術上實現也是困難的。實際做法是利用快速傅立葉反變換(IFFT)原理,依靠現成的高速集成芯片來構成簡單的調制器,圖3以快速傅立葉反變換(IFFT)實現OFDM的調制器。
輸入的比特流經串/并轉換變成M路并行的分組,M的取值和DAB工作模式有關,如果是模式1則M為1536。為了通過IFFT產生OFDM信號,并有效地利用FFT,要求載波的總數是2的整數冪,DAB中實施了一種過取樣,IFFT可選擇4096點,通過把不想要的載波置零的辦法,以得到中心頻率為2.048MHz的1536個載波,這些不想要的載波既是虛的載波,是不含信息的。調制的載波和虛的載波數的總和確定FFT的長度,并有此也確定取樣頻率。
由于是差分四相相移鍵控調制,每組是2比特,在信號的映射中,每組的2比特映射成相應星座圖中的復數,以決定副載波的四種不同相位狀態。利用IFFT從副載波相位信息計算出OFDM基帶信號的時間取樣值,IFFT塊的輸出是N個時域的樣點,再將長為保護間隔的循環前綴加到N個樣點前,形成循環擴展的OFDM信元,因此,實際發送的OFDM信元的長度為保護間隔與N的和,經過并/串轉換后發射。
四. DAB中OFDM系統的性能特點
DAB使用大量的副載波以代替通常單個載波傳送一套節目的方式,即在1.536MHz的寬帶中發送多達1536個副載波,而不像FM,僅一個載波。這樣,干擾只會影響個別或少量的載頻,而大部分仍不會有噪音干擾,具有很強的抗衰落能力,同時也有很強的抗窄帶干擾能力
數據符號之間使用合適的保護間隔,即使在移動接收中所有的反射信號都會增加接收信號的強度,從而改善收聽效果。
OFDM信道利用率高,這點在頻譜資源有限的無線環境中尤其重要。
但是OFDM存在兩個缺陷:對頻率偏移和相位噪聲比較敏感;峰值與平均值比相對較大,這個比值變大會降低射頻發射器的功率效率。
結束語
OFDM解決了DAB中移動接收