基于COFDM技术的数字音频广播衰落信道分析

一、 数字音频广播

    音频广播(Digital Audio Broadcast，DAB)，是继调幅、调频广播后的第三代新广播，其将音频信号、图像信号及其他数据进行采样、编码、量化数字化处理，在数字化的状态进行调制、发射、传输等处理。相比传统模拟广播，DAB具有以下优点：

1.优良音质。DAB音频广播质量优良，在信噪比、保真度、频率特性等声学参数中可与CD质量媲美。

2.工作频段宽，频谱利用率高。DAB的工作频率范围在47MHz~3GHz，能覆盖较大范围。其所采用的数据压缩技术，使频谱利用率为调频广播的3倍。

3.发射功率低，节约能源。同样的覆盖范围，一台DAB发射机的功耗仅为调频发射机的几十分之一，大大减少了对发射区附近的电磁污染。因其可在原有调频发射塔上进行改造，节约了不必要的开支。

4.抗多径能力强。由于COFDM技术利用在每个信号周周期前插入一个保护间隔△对付多径衰落。只要时延大小在此之内，它对系统的性能没有太大影响。因此，在城区、山地、建筑物内外等类似有阻挡的环境中，能保证质量地进行传输。

5.移动接受能力强。移动接收时由于多径传播和多普勒效应，会同时出现频率选择行和时间选择性衰落，这会影响到收听效果，因COFDM在频率交织时间上设置有相应的参数，能确保在高速移动的汽车下达到优质的收听效果。

DAB广播目前广泛应用于欧洲、美洲、日本等发达国家，我国在珠三角地区也开展了各项试验。DAB是广播技术发展中的一个新的里程碑，其巨大的优势得益于其核心技术COFDM。 

二、 COFDM调制技术

    FDM（coded orthogonal frequency division multiplexing），即编码正交频分复用的简称，它是由传统的OFDM技术改进而来，是目前世界上最先进和最具有发展潜力的调制技术。

OFDM基本原理是通过串并转换把高速率的信源信息流变换成低速的多路并行数据流，并将它们分配到若干子信道上传输。由于各载波相互正交，每个载波在一个符号周期内的频谱零点都利用邻载波的零点重叠，从而减小了载波间的相互干扰，提高了频带利用率。该技术大幅度降低了子载波的符号速率，延长了符号持续时间，加强了对时延的扩展能力。OFDM很好地解决了多径环境中信道衰落的问题，但对于各载波服从瑞利分布的信道平坦性衰减未得到有效解决。基于这一问题，我们改进了OFDM技术，在原有基础上加入有效信道编码这一重要步骤，使传输时各单元码信号受到的衰落可以统计独立，从而解决了平坦性衰落对信道传输的影响，这就是COFDM技术。图1为COFDM传输系统框图。

    由图1所示，一个COFDM传输系统是由上半部分的发射系统和下半部分的接收系统组成。COFDM可采用的编码技术种类很多，有交织编码、卷积码Turbo码、分组码等。卷积码因具有优良的纠错性能，在编码器同样的复杂情况下优于其他码，即能保证可靠安全，又能提高传输效率。因此 DAB系统采用的是删除型卷积编码，且配合使用了时间交织和频率交织技术。在发射部分，信号首先进行编码，再对编码比特进行交织，经过串并转换后，高速率的信息流变换成了低速率的多路并行数据流进入调制器调制，再进行IFFT运算和加入保护间隔。OFDM系统一般不用带通滤波器来分隔子载波，而是通过FFT运算，即便混叠也能保持正交的波形，这样不仅能同时分隔多个信号，还能保证有用信号不受到干扰信号的影响。经过IFFT运算后的信号，经过信道的传播，在接收部分先经过FFT运算并去除保护间隔，再对其进行解调，接着把并行的数据流转换成原本的串行数据，再对其进行解交织和译码，还原出发射数据。

三、 系统仿真

根据图1，在MATLAB软件仿真模块SIMULINK中，搭建的COFDM系统模型如图2所示。

图2  COFDM系统仿真模型

本次搭建的仿真模型中，我们采用伯努利发生器产生二进制串行数据，编码和解码与图1所对应，采用卷积编码器、维比特解码。COFDM每个载波所使用的调制方法可以不同，各个载波可根据信道状况可以选择QPSK、8PSK、16QAM等不同调制方式。在这里，我们选择QPSK。本次实验，我们主要对比信号分别经过多径瑞利信道和莱斯信道的衰落情况，因此我们的模型主要分别由两种信道组成。无线通信系统的性能很大程度受到无线信道的影响，使得发射机和接收机之间的传播非常复杂。为了能在接收端准确恢复发射信号，这里我们采用基于参考信号的信道估计和信道补偿方法。通过训练序列发送已知信号，在接收端进行初始信道估计。当发送有用的信息数据时，利用初始的信道估计结果进行一个判决更新。

四、 仿真结果与分析

依照上述系统模型，我们在MATLAB中运用SIMULINK进行仿真，并且绘制出在多径瑞利衰落信道与莱斯信道下接收端的波形图、归一化功率频谱图及星座图，主要分析这两种信道的衰落情况。

我们知道瑞利衰落信道是一种无线电信号传播环境的统计模型。这种模型假设信号通过无线信道之后，其信号幅度是随机的，即“衰落”，并且其包络服从瑞利分布。它描述由电离层和对流层反射的短波信道，以及建筑物密集的城市环境。瑞利衰落只适用于从发射机到接收机不存在直射信号的情况。无线信号被衰减、反射、折射、衍射后才能到达接收机。

如果收到的信号中除了经反射折射散射等来的信号外，其信道中存在从发射机直接到达接收机的主要分量，总信号的强度服从分布莱斯，称之为莱斯衰落。 

图3为COFDM系统基带波形信号，仿真时间为0.0063s。图片上部分为实部波形，下部分是虚部波形。

图3 发射端波形与两种信道接收端波形对比图

从图3各个信道波形对比我们可知，在接收端的波形描绘中莱斯衰落信道波形

图3 发射端波形与两种信道接收端波形对比图

从图3各个信道波形对比我们可知，在接收端的波形描绘中莱斯衰落信道波形比多径瑞利衰落信道密集及具有较强的幅度。这是因为信号在经过多径瑞利衰落信道后，需要经过反射、折射、散射等多条路径传播到达接收机。而在莱斯衰落过程中，信号除了经反射、折射、散射等外来信号，其信道存在发射机直接到接收机的主要分量。所以，在接收端的波形中莱斯衰落信道的表现比多径瑞利衰落要好。

 图4  发射端频谱功率图与两种信道频谱功率图对比

从图4发射端的功率频谱图可以看出，信号经过信道衰落后，频谱在接收端受到一定的破坏。将两种信道相比，我们发现信号频谱的衰减程度，瑞利衰落信道要比莱斯信道大，说明其破坏程度也大于后者。这也是主要因为莱斯衰落信道中存在发射机直接到达接收机的主要分量。而多径瑞利衰落信道没有直射路径，使得无线信号被衰减、反射、折射、衍射才能达到接收机。而同样的影响，也能通过星座点零散的，其形状不太接近于圆形的多径瑞利衰落星座图，与比较集中的、形状比较类似于圆形的莱斯衰落信道星座图（图5）对比表现出来。

图4 两种衰落信道星座图

5、结束语

图5 衰落信道星座图

结语

DAB是目前世界上最先进的数字广播技术，其强大的优势来源于其核心技术COFDM。这次试验，我们仿真了COFDM系统，对比了在多径瑞利衰落信道与莱斯衰落信道下系统性能的影响。由于多径瑞利衰落信道是需要经过多条路径传播达到接收机，信号衰减程度较大。而在莱斯衰落信道中，信号可以直接从发射端达到接收端，故其表现明显优于多径瑞利衰落信道。而现实情况下，我们身处在建筑物密集、山丘阻挡的环境中，多径瑞利衰落信道更适合用于实际情况。而莱斯衰落信道，只是理想化中的模拟环境。 

参考文献

1. 胡刚.数字音频广播的若干关键技术[J].中国新通信,2010（3）

2. 安疆.COFDM技术及在广播电视领域的应用[J].甘肃科技,2006（8）

3. 陈洪军,苏爱国.COFDM技术及其典型应用[J].移动通信,2012（3）

3. 王正强等.多径瑞利信道下COFDM系统的仿真[J].现代电子技术,2006（9）

（作者单位：广西人民广播电台）