OFDM系統中TCM調制解調器的設計與實現

摘 要：介紹了一種正交頻分復用系統中調制解調器的設計方法，正交頻分復用的關鍵技術是編碼和調制。傳統的信道編碼是將編碼與調制分開設計，而網格碼是將編碼與調制作為一個整體進行設計的。對提出的設計方案進行仿真，實驗結果表明該方法是合理有效的。

關鍵詞：正交頻分復用； 網格編碼調制； 解調； 維特比； 網格法

中圖分類號：TN911.5-34 文獻標識碼：A

文章編號：1004-373X(2011)17-0090-02

Design and Implementation of TCM Modem in OFDM System

WU Jin

(College of Electronic Engineering， Xi’an University of Post and Telecommunications， Xi’an 710121， China)

Abstract： A design method of the modem in OFDM system is introduced. The key technique in OFDM is encoding and modulation. The conventional channel encoding is to encode and modulate separately， but Trellis coded modulation implements encoding and modulation as a whole. The simulation results indicate that the design method is effective and practical.

Keywords： OFDM; TCM; demodulation; Viterbi; grid method

0 引 言

正交頻分復用(Orthogonal Frequency Division Multiplex，OFDM)是目前已知的頻譜利用率較高的一種通信系統，它將數字調制、數字信號處理、多載波傳輸等技術有機結合在一起，使得它在系統的頻譜利用率、功率利用率、系統復雜性方面綜合起來有很強的競爭力，是支持未來移動通信特別是移動多媒體通信的主要技術之一［1］。在使用OFDM系統進行數據傳輸時，調制解調器的設計成為關鍵。這里OFDM調制解調器的設計選擇了TCM網格編碼調制(Trellis Coded Modulation)的方法，其特點是結合了時間和頻率的間插。TCM碼調制結合了卷積碼和十六進制正交幅度調制從而達到一種高效編碼而對傳輸的信號不產生影響。在接收端，網格編碼通過維特比算法進行譯碼［2］。

1 OFDM基本原理

OFDM的基本原理就是把高速的數據流通過串/并變換，分配到傳輸速率相對較低的若干個相互正交的子信道中進行傳輸。這樣一個OFDM符號內就包含了多個經過調制的子載波信號。每一個信號可以是子載波的相位調制，也可以是子載波幅度和相位的聯合調制，比如BPSK，QPSK，16QAM等。圖1給出了OFDM系統基本模型的框圖。

2 TCM調制解調

2.1 TCM簡介

TCM技術是一種將編碼和調制結合在一起的技術。它與常規的非編碼多進制調制相比具有較大的編碼增益且不降低頻帶利用率，所以特別適合限帶信道的信號傳輸［3］。TCM系統使用冗余多進制調制與一個有限狀態的網格編碼器相結合，由編碼器控制選擇調制信號，以產生編碼符號序列。在接收端，對帶有噪聲的信號用維特比軟判決譯碼解調。

2.2 集分割與網格描述

所謂集分割是將一信號集接連地分割成較小的子集，并使分割后的子集內的最小空間距離得到最大增加。每一次分割都是將一較大信號集分割成較小的兩個子集， 這樣可得到一個表示集分割的二叉樹。每經過一級分割，子集數就加倍，而子集內最小距離亦增加［4］。

TCM技術以編碼序列的歐氏距離為調制設計的量度，就是使編碼器和調制器二者級聯后產生的編碼信號具有最大的歐氏距離。從信號空間角度來看，這種設計方法實際上是一種對信號空間的最佳分割。TCM的最佳譯碼就是在信道輸出端得到接收信號序列后，在網格圖上找尋正確路徑，正確路徑的尋找用維特比算法完成。由于噪聲的存在，最終選擇的路徑不可能完全與正確路徑重合，即偶爾會在n時刻偏離正確路徑，而在n+L時刻又與正確路徑重合。當這種情況發生時，就產生一個長為L的錯誤事件。TCM的自由歐氏距離是任意一對形成錯誤事件的兩條路徑間的最小歐氏距離，顯然與網格圖上信號路徑的最小跨度有關系。

2.3 Viterbi譯碼

網格碼的調制可采用Viterbi譯碼來實現［5］。Viterbi譯碼算法是一種卷積碼的解碼算法。算法規定t時刻收到的數據都要進行N次比較，就是N個狀態每條路有兩條分支，同時，跳轉到不同的兩個狀態中去，將兩條相應的輸出和實際接收到的輸出比較，量度值大的拋棄，留下來的就叫做幸存路徑，將幸存路徑加上下一時刻幸存路徑的量度然后保存，這樣N條幸存路徑就增加了一步。在譯碼結束的時候，從N條幸存路徑中選出一條量度最小的，反推出這條幸存路徑，得出相應的譯碼輸出［6］。

3 TCM調制解調器的設計與實現

3.1 設計方案

本設計方案根據數字電視地面廣播的信道模型進行設計，在設計中選取了2k模式的OFDM參數，DVB-T系統程序設計流程圖如圖2所示。

3.2 調制解調原理圖與流程圖

數據進入編碼器后，經過串/并變換，轉換而成的兩路并行信號進行碼率為2/3的網格編碼，以產生三路并行碼。這三路并行碼通過對D/A的接口進入D/A轉換器［7］。D/A轉換器的輸出信號與由頻率合成器產生的1.024 GHz的載波一起進入正交調制器進行正交調制，調制后的信號通過射頻輸出接口，產生符合設計要求的射頻輸出信號。

TCM解調選用了維特比譯碼的方法，首先進行TCM逆映射，然后將要譯碼的數據送入維特比譯碼器，從而輸出經過傳輸的數據［8］。TCM調制與解調器原理圖如圖3所示。

3.3 仿真與分析

維特比硬判決通過網格圖搜索最佳路徑，這個最佳路徑就是找到與接收序列在最小Hamming距離上的那條路徑。譯碼時首先畫出18級網格圖，最后3級僅畫出僅有全0輸入序列的路徑，逐級比較找出碼距最小的路徑，其余支路予以刪除。當到達第19級全0狀態時，沿著幸存路徑回到初始全0狀態的路徑就是最佳路徑，共有36比特［9］。在最佳路徑數字序列中，刪掉最后的6個0后輸出的就是進入卷積碼的序列，由圖4可得到驗證。

4 結 論

OFDM調制解調器的設計選擇了TCM碼調制的方法。傳統的信道編碼都是將編碼與調制分開設計，而TCM將編碼與調制作為一個整體進行設計，大大改善了系統性能［10］。在接收端，其解調輸出的結果與發送端原始信息對比無差錯，說明這個網格編碼調制解調器功能正常，可較好地應用在OFDM系統中。

參 考 文 獻

［1］佟學儉，羅濤.OFDM移動通信技術原理與應用［M］.北京：人民郵電出版社，2003.

［2］吳偉陵.移動通信原理［M］.北京：電子工業出版社，2009.

［3］王文博.寬帶無線通信OFDM技術［M］.北京：人民郵電出版社，2008.

［4］海斯卡拉.OFDM無線局域網［M］.北京：電子工業出版社，2010.

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［7］王中鵬，陳林，曹子崢，等.卷積碼在光正交頻分復用系統中的應用［J］.光電子#8226;激光，2010，26(3):46-49.

［8］葛萬成，楊燕，花夢，等.正交頻分復用系統中改進的FFT插值算法［J］.同濟大學學報，2010，39(4):12-14.

［9］趙小祥，宋靖濤，王匡.移動正交頻分復用接收機信道估計算法的研究［J］.浙江大學學報，2009，66(9):26-29.

［10］張琛，陳洪，張爾揚.正交頻分復用信峰值因子及包絡變化特性研究［J］.現代電子技術，2006，29(13):1-3.

作者簡介：

吳 進 女，1975年出生，江蘇常州人，工學碩士，副教授。主要研究方向為信號與信息處理。