OFDM技術在GSM-R語音信道中的應用

周娟

摘要：在我國鐵路行業中，隨著大量的數據業務增加，傳統的鐵路移動通信系統已經被第二代鐵路移動通信系統GSM-R所取代，鐵路移動通信是鐵路高效運營、列車安全運行的重要保障。為了實現長距離可靠地傳輸數據業務保證列車的安全運行，利用GSM-R語音信道和OFDM正交頻分復用技術，實現遠程數據可靠傳輸平臺。根據OFDM技術的特點，實現了GSM-R語音信道的OFDM調制解調系統，它在數據傳輸中具有良好的應用前景。

關鍵詞：GSM-R;OFDM;保密性;數據傳輸

中圖分類號：TP37 ? ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）25-0230-02

Abstract： In China's railway industry， with the increase of a large number of data services， the traditional railway mobile communication system has been replaced by the second generation of railway mobile communication system GSM-R. To realize long-distance reliable transmission of data and ensure the safe operation of trains， GSM-R voice channel， and OFDM orthogonal frequency division multiplexing technology are used to realize the remote reliable data transmission platform. According to the characteristics of OFDM technology， the OFDM modulation and demodulation system of the GSM-R voice channel is realized.

Key words： GSM-R; OFDM; Confidentiality; Data transmission

1引言

目前，隨著鐵路智能化建設的蓬勃發展，數據業務快速增長，傳統的鐵路移動通信系統已經逐漸被第二代鐵路移動通信系統GSM-R所取代，GSM-R系統是一種在成熟、穩定的公網移動通信系統GSM的基礎平臺之上，專門為鐵路行業服務的通信系統，它具有調度列車，行車控制，支持列車的高速移動的特點，并且提供鐵路特定功能，為鐵路經濟和高效運營提供幫助的綜合鐵路移動通信系統[1]。利用GSM-R網絡資源和OFDM技術，就可以實現在GSM-R語音信道中可靠的傳輸大量的數據業務。此外，由于采用了OFDM技術和GSM-R語音信道，即使消息被截獲，結果也只是噪音，因此系統本身具有較高的安全性能。

2 OFDM基本原理

OFDM的基本工作原理是利用串/并變換，將一支高速率的碼流轉換為許多低速率的信號，并調制到不同頻率的載波信號上。該并行傳輸系統一方面可以展寬碼元寬度，使系統具有克服多徑效應對信號造成的衰落。在傳統的分頻復用方法中，每個子載波的頻譜是不重疊的[2]。另一方面，但是為了各子頻帶的信號相互重疊所引起的碼間干擾，必須保證各個子頻道之間留有足夠的防護頻道，就會降低系統的頻帶利用率[2]。為了簡化系統結構，降低經濟成本，采用先進的數字信號處理技術來產生和處理各子頻帶信號。同時，為了降低碼間干擾，提高系統的頻帶利用率，只有保證各個子載波信號在一個碼元周期內兩兩相互正交，這樣就可以不失真的接受信號。OFDM信號的周期為T，副載波得個數為M，當M個副載波頻率之間的最小間隔為1/ T，即各副載波頻率為f i= f c+ i/ T時（ i= 0，1…，M - 1），其中fc為中心頻率，則各副載波的正交性條件如公式（1-1）所示：

各子載波信號的頻譜為升余弦滾降函數Sa（f），前一個相鄰子載波信號的頻譜峰值對應當前子載波信號的頻譜的零點。所以所有的子載波信號頻譜疊加時，會產生一個恒定值，類似于矩形信號頻譜波形，其頻譜寬度接近發射信號的兩倍帶寬[3]。因此，OFDM系統的頻帶利用率比較高。理論證明，在信道中傳輸具有高斯白噪聲的統計特性的信號可以有效地克服多徑效應帶來的影響。由于OFDM系統的各個子頻道信號互不相干，因此疊加以后形成的時域混合信號接近于高斯白噪聲信號。因此，OFDM系統可以有效地克服多徑效應帶來的影響。

3 OFDM技術的優點

OFDM技術正因為具有許多獨特的優點，所以備受青睞。

（1）頻譜資源利用率高

頻譜利用率幾乎是串行系統的兩倍。這在頻譜資源非常稀缺的無線通信中非常重要。OFDM各個子載波信號頻譜疊加時，其頻譜寬度接近發射信號的兩倍帶寬[4]。

（2）抗多徑衰落能力強

由于OFDM系統將數據信息分別調制到多個子載波信號上，各個子頻道信號互不相干，因此疊加以后形成的時域混合信號接近于高斯白噪聲信號。因此，OFDM系統可以有效地克服多徑效應帶來的影響。

（3）利用動態分配子信道技術使系統的比特率最高

使用“灌溉原理”，選擇每個符號在每個子信道中的比特數和功率來最大化總比特率（或最小化固定速率系統的功率）。也就是說，質量好的信道要傳輸更多的信息，質量一般的信道傳輸較少的信息，質量差的信道不能傳輸信息。

（4）通過各子載波的混合編碼，提高其抗衰落能力。

OFDM技術本身已經采用了頻率分集技術，有效地克服快衰落，所以就不需要使用均衡器。然而，可以通過對信息進行混合編碼來提高系統性能。

（5）OFDM系統利用快速傅里葉變換實現信號的調制與解調，易于使用先進的數字信號處理技術來完成[5]。

4 OFDM技術在GSM-R語音信道中應用

本文實現在GSM-R語音信道中可靠地傳輸數據信息，整體傳輸結構如圖1所示。

因為GSM-R系統采用信源編碼技術對信號壓縮，使用一個規則代碼激勵長期預測編碼技術，包括五個環節：預處理分析、線性預測編碼（LPC）技術、短時分析濾波，長期預測和規則碼激勵編碼。具體調制解調流程框圖如圖2所示。

5結語

只有在一定條件下這種系統使用一種數據傳輸方式，需要改進的硬件和軟件，使用更好的解碼方式，如OFDM調制后的數據，然后轉換，轉換成一種類似于語音頻譜數據，然后發送到移動終端，效果會大大提高。

參考文獻：

[1] 謝炳勛.GSM-R技術在我國鐵路通信中的應用與發展研究[J].電子技術與軟件工程，2015（23）：45，101.

[2] 李小文，趙北平，王華華，等.OFDM系統中一種新的聯合信道估計和信號檢測算法[J].光通信研究，2015（6）：58-60.

[3] 張金玲，潘緋，張爭光，等.時變OFDM系統中基于基擴展模型的物理層認證[J].電子技術應用，2016，42（12）：97-99.

[4] 秦長城.光纖通信系統中OFDM技術的應用分析[J].中國新通信，2016，18（1）：74.

[5] 宋紅軍.高速光纖通信系統中的OFDM調制解調技術的仿真與實現[J].信息通信，2015，28（6）：190.

【通聯編輯：唐一東】