基于OFDM技術的高頻帶利用率車載無線數據通信系統

梁裕民，郭文剛，康慧珍

(軍事交通學院基礎部，天津300161)

軍用車輛的信息化保障已成為裝備保障的要點之一，其信息交互具有開放、移動、實時、多端的特征，是敵方進行信息監聽、攻擊的薄弱點和切入點。高頻帶利用率的通信系統在更窄的帶寬中，實現更高速的數據傳輸，對提高軍用車輛的信息保障能力和抗追蹤能力有著重要的意義。

甚高頻/特高頻(very high frequency/ultra high frequency，VHF/UHF)頻段的頻道間隔為25 kHz，是車載通信系統常用的頻段，通常采用調頻收發信機加語帶Modem來實現數據通信。此類調頻機的音頻帶寬一般不超過3 kHz，從而極大地限制了數據通信的速率。現有無線Modem的信息傳輸速率小于10 kbit/s，有效頻帶利用率小于0.5 kbit/s/Hz。隨著數字化進程的加速，對同時傳送數據、語音和圖像的要求越來越迫切，傳輸的信息速率要大于64 kbit/s，因而解決車載通信系統在25 kHz的信道帶寬內的頻帶利用率問題十分重要［1］。目前，在此頻段達到上述性能的研究尚沒有成熟的方案可以借鑒，例如全球移動通信系統(GSM)為1.35 bit/s/Hz;窄帶碼分多址(CDMA)系統單位頻帶的碼片速率為0.98碼片/Hz;專用移動通信的Tetra系統頻帶利用率為1.73 bit/s/Hz。上述幾個系統均不能解決25 kHz信道帶寬內64 kbit/s傳輸率的問題［2］。

1 系統設計目標

本文研究的車載無線數據通信系統在VHF/UHF頻段，采用正交頻分復用(orthogonal frequency division multiplexing，OFDM)通信技術，利用25 kHz帶寬實現有用信息傳輸速率大于64 kbit/s、頻帶利用率大于2.56 bit/s/Hz的通信。通信質量要求:在車輛行駛速度30～80 km/h、發射功率4 W、傳輸距離30～50 km、信噪比30 db的情況下，誤比特率不大于10－5db。本文實現系統的有效頻帶利用率為目前公開系統的最高值，能較好地解決25 kHz信道帶寬內64 kbit/s傳輸率的問題，為實現車載通信中語音和圖片數字傳輸奠定了基礎。

2 系統構成

本系統為VHF/UHF頻段內，以里德—索羅蒙(RS)編碼、多進制正交幅度調制和OFDM技術為核心的基帶系統。在不分子信道的基礎上，以實現滿足性能要求的系統為目標，在12個子載波的框架下，采用RS(31，27)碼、32進制正交幅度調制、16點的快速傅里葉變換作為系統主要技術方案，在VHF/UHF頻段上的19.5 kHz有效帶寬內實現了傳輸速率為67.5 kbit/s、有效頻帶利用率為3.46 bit/s/Hz的高頻帶利用率無線數據通信系統。

2.1 系統的組成

系統組成如圖1所示。作為基帶設計系統沒有包括信源編碼部分，而直接接收DATA輸入。在進行了信道編碼后，加入交織以提高對突發錯誤的糾錯能力。數字調制是為了引入多進制傳輸，使在相同符號傳輸速率的條件下，實現較高的信息傳輸速率。串并變換、并串變換、快速傅里葉逆變換和正變換(inverse fast fourier transform/fast fourier transform，IFFT/FFT)是實現OFDM的具體單元。循環前綴是OFDM系統克服符號間串擾(inter symbol interference，ISI)和子信道間干擾(inter channel interference，ICI)的有效手段。在數模轉換和進入信道前，還要對數據流進行組幀，加入同步等信息，為接收做準備。發送端發送的信號經過信道后進入接收端。接收端進行發送端相反的操作，將從信道接收的信息進行恢復。

圖1 系統的組成

2.2 信道編解碼

采用RS(31，27)為信道編解碼方案，本原多項式為D5+D2+1，以5 bit為一個32進制碼元，進行每31個碼元為一組的編解碼操作。其中包含4個監督碼元，編碼效率為27/31=87.10%，最小碼距為5，一組能糾2個碼元的錯誤，糾錯率為2/31=6.452%。RS(31，27)對突發錯誤不太長、但發生卻很頻繁的信道具有較好的效果。

2.3 交織與去交織

系統采用交織深度為24個碼元的交織，與RS(31，27)碼配合可對長度為48個碼元的單個突發誤碼進行完全糾錯。引入交織后，系統可對一幀中誤碼率不超過6.45%的單個突發誤碼進行糾錯。

2.4 MQAM調制與解調

M進制正交幅度(m－ary quadrature amplitude modulation，MQAM)調制是對相位和幅度都進行調制的正交幅度調制方法，經過MQAM調制的信號表示為

式中:Emin為幅度最小信號的能量;ai和bi是一對獨立的整數，可以根據星座點的位置來確定，i=0，1，…，M－1;fc為第0個載波頻率。

可以看出MQAM是由兩個相互正交的載波構成，每個載波被一組離散的振幅所調制，與其他調制技術相比，MQAM編碼具有能充分利用帶寬、抗噪聲能力強等優點。

系統選定MQAM中的M值為32，即采用32QAM，其所對應的星座圖如圖2所示。

32QAM調制時將從RS(31，27)接收的32進制碼元，調制映射到星座圖以I路和Q路組成的一個二維坐標點，為隨后進行的IFFT進行數據準備，I路和Q路分別對應實部和虛部。32QAM的解調是調制的逆過程，在接收端實施。

圖2 系統32QAM星座圖

2.5OFDM 實現

在系統的發送端，每一個OFDM符號是多個經過調制的子載波的合成信號。設:N為子載波的個數;T為OFDM符號的寬度;di為分配給每個子信道的數據符號，i=0，1，…，N －1;rect(t)=1，∣t∣≤T/2，從t=ts開始。則可以用復等效基帶信號來描述OFDM符號:

式(2)中的實部和虛部分別對應著OFDM符號的同相和正交分量，在實際中它們分別與相應子載波的余弦和正弦分量相乘，構成各自子信道信號并合成最終的OFDM符號。圖3為OFDM系統基本模型框圖。

圖3 OFDM系統基本模型

框圖中各子載波的頻率符合fi=fc+i/T，從而保證各子載波之間的正交性，即

式中ωm、ωn分別為第m、n個子載波原頻率。

對式(2)中的第j個子載波進行解調，然后在時間長度T內進行積分，可得到

通過式(2)—(4)可以看出OFDM的調制和解調可由IFFT/FFT來實現，從圖3可看出串并變換、并串變換和IFFT/FFT是OFDM復用的具體實現單元。

系統選擇相隔為1.5 kHz的12個子載波，故利用16點IFFT/FFT實現調制與解調，剩余的4個子載波補0，在調整頻帶寬度的同時，實施過采樣。補0的4個子載波分別對應16個IFFT數據的7、8、9、10四個點。此時系統占用帶寬為(12+1)×1.5 kHz=19.5 kHz，小于 25 kHz的系統目標。

2.6 循環前綴與系統信道模型

OFDM系統通過插入循環前綴，來克服ISI并保持子載波之間的正交性，進而對抗ICI。系統采用每個OFDM符號中插入兩個循環前綴的體系，即每16點IFFT后，將15、16兩點數據復制到該OFDM符號最前端形成18點的一個OFDM符號。這時，可計算出此OFDM符號周期長度為750 μs，其中循環前綴間隔為83.3 μs，這兩個數值可有效地消除車輛行駛中多普勒頻移和多徑延遲擴展帶來的影響，進而將系統信道模型定為慢衰落、非頻率選擇性無線信道，故系統可針對加性高斯白噪聲信道進行重點研究［3］。

2.7 幀結構與冗余資源的分配

基于32QAM、16點 IFFT/FFT的 OFDM系統實際信息傳輸速率為16×5 bit×1.5 kHz=120 kbit/s，與有用信息傳輸速率目標64 kbit/s相比具有冗余。這些冗余資源是為信道編碼、IFFT/FFT插0、循環前綴、同步信息準備的。這里，RS(31，27)碼的編碼效率為27/31，IFFT/FFT插4個0，即用12個子載波進行信息傳輸，其占IFFT/FFT的12/16;循環前綴為每16點IFFT/FFT加入2點的循環前綴信息，使得有用信息量占傳輸信息量的16/18。

在本系統中，被發送的信號是以幀的形式組織在一起的。系統采用非導頻的方法進行同步，一幀包含64個OFDM符號，具體的幀結構為:第1個符號是空符號(NULL)，第2個符號是偽隨機序列(PN)，其他62個符號為數據符號。空符號和偽隨機序列用來實施同步算法，它們并不攜帶有用信息，同步信息的加入使有用信息量占傳輸信息量的62/64。加入冗余信息后，有用信息傳輸率為120 kbit/s×=67.5 kbit/s，與其占用的19.5 kHz的頻帶寬度相比，可得出系統有效頻帶利用率為3.46 bit/s/Hz。

3 系統性能

為測定系統的性能，選用TE54XUSB作為實現系統的硬件平臺，進行系統的實現。TE54XUSB選用的數字信號處理(DSP)芯片是TI公司的TMS320C5410，為典型的16 bit定點DSP。

3.1 系統的頻譜和功率譜密度

本系統信源以67.5 kbit/s速率提供信息流，可得到的頻譜圖如圖4所示，此時有效頻帶利用率為 3.46 bit/s/Hz。

圖4 系統頻譜

從圖4可知，系統占用頻帶寬度為19.5 kHz，與設計的頻帶寬度一致，加入保護頻帶后也不超過25 kHz的設計帶寬，實現了信息傳輸速率高于64 kbit/s、有效頻帶利用率大于2.56 bit/s/Hz的設計目標。

圖5為OFDM符號的功率譜密度，其帶內的12個子載波功率密度的主瓣集中了大部分能量，帶外輻射功率可利用已有的加窗等技術進行控制。

圖5 系統功率譜密度

3.2 系統信道編碼(RS碼)性能

圖6為系統在每個RS碼組中加入2個錯碼的情況下，未加入信道編碼與加入RS(31，27)兩種情況的對比，可以看出RS(31，27)將傳輸的錯碼完全糾正。另外，與在原圖上每31處破壞2點信息的情況相比，未加信道編碼的圖片效果要稍差一些，這是因為系統解擾時會導致誤碼的增殖，即單個誤碼會在接收端解擾器的輸出端產生多個誤碼。另外，由于是在RS碼組的固定位置進行擾碼，故錯碼位置表現出周期性。

圖6 信道編碼的演示

3.3 交織性能

圖7為系統在某一幀中加入一個長度為72輸出符號突發錯誤的情況下，未加入交織和加入深度為24的交織兩種情況的對比。可以看出，加交織后系統將此突發錯誤完全糾正，而未加入交織不能對此突發錯誤進行糾正(圖(a)中圈內標出突發錯誤位置)。

圖7 交織性能的演示

3.4 32QAM的實際星座圖

圖8為利用CCS在系統32QAM解調映射后星座圖。可以看出，其同設計方案一致。由于已經進行了最短距離的判決，計算偏差均已修正，故所有星座點均在標準位置上。

圖8 系統32QAM星座圖

3.5 系統抗干擾能力

為測試系統的抗干擾能力，在系統信道中加入高斯白噪聲。在發射功率為4 W的情況下，做出了信噪比(SNR)從0～35 db范圍內的誤比特率(如圖9所示)。

從圖9可以看出，在高斯白噪聲信道中，在信噪比達到30 db這一數值前誤比特率急劇下降并趨于0(仿真中為0并不表示實際系統誤比特率為0，而是隨著仿真時間的延續可能會出現誤比特，但誤比特率趨于0)。即在該區域內信噪比的微小變化都會帶來性能很大的提高，30 db處于誤比特率趨于0區域的前端，剛好獲得系統設計目標誤比特率10－5db的要求。

4 結語

本文設計的車載無線數據通信系統實現了車輛行駛速度30～80km/h、發射功率4 W、傳輸距離30～50 km、信噪比30 db的情況下，19.5 kHz有效帶寬內有用信息傳輸速率為67.5 kbit/s、有效頻帶利用率為3.46 bit/s/Hz的信息傳輸。該系統的研究大幅提高該頻段的頻帶利用率，從而可有效提高軍用車輛的信息保障能力和抗追蹤能力。系統的通用性較強，對各類車載無線數據通信系統的設計具有較強的借鑒意義。

［1］ 張令文，劉留，和雨佳，等.全球車載通信DSRC標準發展及應用［J］.公路交通科技，2011(增 1):71-76.

［2］ 鄭德山.第四代移動通信系統及其關鍵技術［J］.微電子技術，2013，41(7):9-11.

［3］ 李悅，李子，蔡躍明，等.OFDM系統中基于導頻的低秩信道估計方法［J］.通信學報，2004，25(10):155-162.