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【博客大赛】COFDM技术学习

COFDM(coded orthogonal frequency division multiplexing),即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。其基本原理就是将高速数据流通过串并转换,分配到传输速率较低的若干子信道中进行传输。

原理

编码(C)是指信道编码采用编码率可变的卷积编码方式,以适应不同重要性数据的保护要求;正交频分(OFD)指使用大量的载波(副载波),它们有相等的频率间隔,都是一个基本震荡频率的整数倍;复用(M)指多路数据源相互交织地分布在上述大量载波上,形成一个频道。

技术的产生和优势

产生

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COFDM。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,COFDM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。COFDM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。COFDM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。

COFDM技术属于多载波调制(Multi-Carrier Modulation,MCM)技术。有些文献上将OFDM和MCM混用,实际上不够严密。MCM与COFDM常用于无线信道,它们的区别在于:COFDM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。

COFDM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。COFDM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。COFDM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。COFDM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。

COFDM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。

COFDM即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。它的实用价值就在于支持突破视距限制的应用,是一种在无线电频谱资源方面充分利用的技术,可以对噪声和干扰有着很好的免疫力,绕射和穿透遮挡物是COFDM的技术核心。其基本原理就是将高速数据流通过串并转换,分配到传输速率较低的若干子信道中进行传输。

COFDM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COFDM技术深受通讯设备商的喜爱和欢迎。COFDM技术能够持续不断地监控传输介质上通讯特性的突然变化,通讯路径传送数据的能力会随时间发生变化,COFDM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讯。COFDM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、高速的数据传播的地方。

优点

(1) 在窄带带宽下也能够发出大量的数据:COFDM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COFDM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) COFDM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COFDM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) COFDM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。COFDM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) COFDM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2Baud/Hz。

COFDM技术在无线图像传输方面应用有以下独特的优势:

1、 非可视和有阻挡的环境中应用,卓越的“绕射”与“穿透”能力使得适合在城区、城郊、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(既收发两点之间必须无阻挡)下才能建立无线链接通道,所以使用中受环境制约较大,需要提前考察应用环境,选择、测试收发点,调整天线的方向,架设天线的高度测算等,工作量非常大,也相当繁琐,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、建筑物内外等不能可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。系统采用全向天线,可以在最短的时间内架设无线传输链路,采集端和接收端也可以随意移动,不受方向的限制,系统简单、可靠,应用灵活。

2、 适合于高速移动中无线传输实时的图像,可在车辆、船舶、直升机等平台上使用微波(数字微波、扩频微波)、无线LAN等设备因其技术体制的原因,无法独立实现采集端和接收端在高速的移动过程中实时传输图像。在车辆、船舶上应用微波和无线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,但是也仅仅能在一定条件下实现移动点对固定点的传输,并且图像常常会出现中断,严重影响传输接收的效果。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、直升机等移动平台上。不仅传输具有高可靠性,而且表现出很高的性价比。

3、传输带宽高,适合高码流、高画质的音视频传输,图像码流一般可大于4M bps高码流、高画质的音视频数据流对编码、信道速率要求十分高。一般的数字微波,扩频微波传输链路中,虽然采用MPEG-2编码,但信道多采用2M速率,如E1,使得解码后的图像分辨率可以达到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、编辑等具体的要求。

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MPEG-2中4:2:0、4:2:2等高质量编解码图像,接收端图像分辨率可达到720×576或720×480,码流可以在6M左右,接收后的图像质量接近DVD画质,完全可以满足接收端后期音视频分析、存储、编辑等具体的要求。

4、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讯链路失败,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。

四、COFDM无线传输技术在视频监控中的应用

采用COFDM技术的无线图像传输方案,具有良好的非视距传输和高速移动传输性能,能提供DVD质量的实时图像和声音。通过车载或便携式设备可灵活、迅速地将现场实况声像直接传输或通过转信台、光纤网等传输回至指挥中心。设备可与其他微波、卫星、光纤通讯设备组建远距离链路,建设实用有效的图像传输系统。COFDM技术的无线图像传输设备主要应用环境为:城市建筑物阻挡环境,楼宇之间,建筑物内外,建筑物地下到地面之间; 移动中使用; 海上图像、空中图像传输等。是国内公安、部队、武警、消防、人防(民防)、水利、海事、海关、广播电视等行业在安全保卫、野战指挥、任务侦察、灾难救援、现场转播等任务中急需的高性能无线图像传输设备。

hanhsx无线图像实时传输监控系统,采用了COFDM技术,能够确保高速移动、抗衰落及多径干扰下的稳定传输与实时监控(移动速率可达150公里/小时),提供广播级DVD质量的高清晰图像,强大的非视距传输能力,非常适合称为难度极大的“峡谷通信”的城市阻挡环境应用,无需天线定向。产品具有如下特性:音视频数字化传输,实时图像传输,采集发射端体积小,机动性强,灵活方便,可手持使用,可加密传输,保密性好,链路传输距离可以达到10KM-50KM。

该产品广泛应用于公安、消防、交警、人防应急、城管执法、环保监控、消防应急、水利防汛、电力抢险、铁路抢险、海事执法、海监巡查、海关边防、码头监控、森林防火、油田防盗、军事侦察等领域,适合城区、海上、山地等多种复杂环境中高质量图像的实时移动传输与监控。

博主
hot.summer_2010@aliyun.com
皮皮她爸---孤独的探索者
分享电子项目设计中的点点滴滴; 邮箱:hot.summer_2010@aliyun.com; 欢迎交流设计经验。
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