上一期的無線傳輸文章中，主要從GPRS和CDMA兩大傳輸技術(shù)的概念、特點、應(yīng)用中的優(yōu)缺點等角度剖析和闡述了這兩種傳輸方式，使讀者對它們有了一個系統(tǒng)的了解。本期文章則著重為大家介紹COFDM技術(shù)的特點、優(yōu)缺點以及與前兩種傳輸方式的性能比較和選擇。
COFDM技術(shù)
COFDM技術(shù)的含義及原理
COFDM（Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing）），即編碼正交頻分復(fù)用的簡稱，是目前世界上最先進(jìn)和最具有發(fā)展?jié)摿Φ囊环N調(diào)制技術(shù)。其實用價值就在于它支持突破視距限制的應(yīng)用，是一種在無線電頻譜資源方面充分利用的技術(shù)，因而對噪聲和干擾有著很好的免疫力。其中，字母C指編碼，是指信道編碼采用編碼率可變的卷積編碼方式，以適應(yīng)不同重要性數(shù)據(jù)的保護(hù)要求；字母OFD指正交頻分(其中O指正交，F(xiàn)D指頻分)，系指使用大量的載波（副載波），它們有相等的頻率間隔，都是一個基本震蕩頻率的整數(shù)倍；字母M指復(fù)用(或多路復(fù)用)，系指多路數(shù)據(jù)源相互交織地分布在上述大量載波上，形成一個頻道。
編碼正交頻分復(fù)用技術(shù)是無線數(shù)字高清晰度視頻傳輸系統(tǒng)為克服在廣播發(fā)送中多徑傳播的干擾和移動接收以及頻率資源的利用問題而引入的。在COFDM傳輸系統(tǒng)中，將傳輸信道分成許多子信道，每個信道對應(yīng)一個載波，同時將需要傳輸?shù)男盘柗指畛稍S多部分，每個部分采用一個載波進(jìn)行傳輸。經(jīng)過這樣的分割后，每個信道中傳輸?shù)男盘柕乃俾蕦兊煤艿?，于是信道中的每個調(diào)制后的符號的時長將遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于回波的延時長度，如果在每個符號間插入保護(hù)間隔，則只要多徑延時不超過保護(hù)間隔的長度，多徑傳輸就不會帶來符號間的相互干擾，只能是在符號內(nèi)部相互疊加或相互削弱，而這種特性可以表示為信道的傳輸函數(shù)，使用適當(dāng)?shù)膶?dǎo)頻信號就可以在接收端得到這樣的傳輸函數(shù)，從而可以正確恢復(fù)符號的原始值。
編碼正交頻分復(fù)用調(diào)制方式是一種多載波數(shù)字通信調(diào)制技術(shù)，也是較為完備的移動接收和傳輸技術(shù)，它可大大降低每個子載波內(nèi)的符號間干擾，并節(jié)省用于均衡的系統(tǒng)開銷。因此，它具有頻譜利用率高和可對抗多徑時延擴(kuò)展等特點，通常被認(rèn)為是超3代移動通信系統(tǒng)中的核心技術(shù)。
COFDM的功能框圖如圖1所示，在發(fā)送端建立信號使用的是IFFT，在接收端分析信號使用的是FFT，均是建立在一種離散的快速付里葉變換的基礎(chǔ)上，即可以采用實現(xiàn)成本較低的快速變換。
COFDM無線視頻傳輸技術(shù)的基本原理，實際上就是將高速數(shù)據(jù)流通過串并轉(zhuǎn)換，分配到傳輸速率較低的若干子信道中去進(jìn)行傳輸，即將頻域中的一個寬帶信道劃分成多個重疊的子信道，去進(jìn)行窄帶傳輸。在接收端，雖然頻譜相互重疊，但是只要保證各子信道上信號的正交性，就可以將各信道上的信號正確分離。
COFDM技術(shù)的優(yōu)點
COFDM技術(shù)在無線視頻圖像傳輸方面應(yīng)用的優(yōu)點如下。
1、最適于城市非可視和有阻擋的環(huán)境中應(yīng)用
因為COFDM技術(shù)有多載波等技術(shù)特點，其設(shè)備具備卓越的“非視距”、“繞射”與“穿透”能力，使在城區(qū)、山地、建筑物內(nèi)外等不能可視及有阻擋的環(huán)境中，該設(shè)備都能夠以高概率實現(xiàn)圖像的穩(wěn)定傳輸，而不受環(huán)境影響或受環(huán)境影響小。
COFDM無線視頻傳輸系統(tǒng)采用全向天線，可以在最短的時間內(nèi)架設(shè)無線傳輸鏈路，其采集端和接收端也可以隨意移動，而不受方向的限制。因此，COFDM無線視頻傳輸系統(tǒng)簡單、可靠，應(yīng)用靈活，最適于城市中應(yīng)用。
2、適于高速移動中無線傳輸實時圖像
在車輛、船舶上應(yīng)用微波和無線LAN等設(shè)備進(jìn)行無線圖像傳輸時，通常需再配置附加的“伺服穩(wěn)定”裝置，以解決電磁波定向、跟蹤、穩(wěn)定等問題。但是，它也僅僅能在一定條件下實現(xiàn)移動點對固定點的傳輸，并且圖像常常會出現(xiàn)中斷，其工程復(fù)雜，可靠性降低，造價也極高。
而COFDM技術(shù)設(shè)備，不需要任何附加裝置，就可實現(xiàn)固定與移動，移動與移動間的使用，因而COFDM技術(shù)適于高速移動中無線傳輸實時的圖像，非常適合安裝到車輛、船舶、直升機(jī)等移動平臺上使用。這種COFDM技術(shù)設(shè)備，不僅其傳輸具有高的可靠性，而且表現(xiàn)出很高的性價比。
3、適于高速傳輸高帶寬、高碼流、高畫質(zhì)的音視頻
在數(shù)字微波、擴(kuò)頻微波傳輸鏈路中，雖然采用MPEG2編碼，但信道多采用2M速率，如E1，雖然可使得解碼后的圖像分辨率達(dá)到720×576，但其圖像壓縮碼流卻只有1M左右，因而無法滿足接收端后期的音視頻分析、存儲、編輯等具體的要求。
而COFDM技術(shù)，每個子載波可以選擇QPSK、16QAM、64QAM等高速調(diào)制，其合成后的信道速率一般均大于4Mbps。因此，可以傳輸MPEG2中4:2:0、4:2:2等高質(zhì)量編解碼圖像，接收端圖像分辨率可達(dá)到720×576或720×480，其碼流可以在6M左右，接收后的圖像質(zhì)量接近DVD畫質(zhì)，因而完全可以滿足接收端后期音視頻分析、存儲、編輯等具體的要求。因此，COFDM技術(shù)，適于高速傳輸高帶寬、高碼流、高畫質(zhì)的音視頻。
4、具備優(yōu)異的抗干擾性能
在數(shù)字微波、擴(kuò)頻微波等單載波系統(tǒng)中，單個衰落或干擾能夠?qū)е抡麄€通訊鏈路失敗。但在多載波COFDM系統(tǒng)中，只僅僅有很小一部分子載波會受到干擾，并且這些子信道還可以采用糾錯碼來進(jìn)行糾錯，從而可以確保傳輸?shù)牡驼`碼率。因此，在復(fù)雜的電磁環(huán)境中，COFDM技術(shù)具備優(yōu)異的抗干擾性能。它對抗頻率選擇性衰落，或抗窄帶干擾及信號波形間的干擾性能優(yōu)越。并且，它通過各個子載波的聯(lián)合編碼，而具有很強(qiáng)的抗衰落能力，同時也具有相當(dāng)?shù)谋Ｃ苄阅堋?
5、頻率利用率與信道利用率高
由于COFDM技術(shù)的N個正交的子載波頻譜可以重疊，從而可大大提高頻率利用率，很適合高速率(大于10Mbps)的無線網(wǎng)絡(luò)視頻通信。
這一優(yōu)點在頻譜資源有限的無線環(huán)境中尤為重要。當(dāng)子載波個數(shù)N很大時，COFDM無線視頻傳輸系統(tǒng)的頻譜利用率趨于2Baud/Hz，因而其信道利用率很高。
COFDM技術(shù)的缺點
1、對頻偏和相位噪聲比較敏感，需子載波精確同步
COFDM技術(shù)的基礎(chǔ)是子載波必須滿足正交，如果正交性惡化，則整個系統(tǒng)的性能會嚴(yán)重下降。而頻偏和相位噪聲會使各個子載波之間的正交特性惡化，僅僅1％的頻偏就會使信噪比下降30dB。因為在實際工作中由于無線衰落信道的時變性，往往會造成頻率彌散，引起多普勒頻移效應(yīng)，從而影響載波頻率正交性。因此，COFDM系統(tǒng)對頻偏和相位噪聲比較敏感，所以必須實現(xiàn)子載波的精確同步，使之滿足正交。
2、功率峰值與均值比（PAPR）大，對發(fā)射機(jī)的線性要求嚴(yán)格
與單載波系統(tǒng)相比，由于COFDM信號是由多個獨立的經(jīng)過調(diào)制的子載波信號相加而成的，這樣的合成信號就有可能產(chǎn)生比較大的峰值功率，也就會帶來較大的峰值均值功率比，簡稱峰均值比。對于包含N個子信道的系統(tǒng)來說，當(dāng)N個子信道都以相同的相位求和時，所得到的峰值功率就是均值功率的N倍(當(dāng)然這是一種非常極端的情況，通常系統(tǒng)內(nèi)的峰均值不會達(dá)到這樣高的程度)。但高峰均值比會增大對射頻放大器的要求，導(dǎo)致射頻信號放大器的功率效率降低。并且，信號呈現(xiàn)很大的峰平功率比（PAPR），比單載波系統(tǒng)需要更寬的線性范圍。因此，若要避免信號失真和頻譜擴(kuò)展，就需要對發(fā)射機(jī)的線性要求嚴(yán)格一些。
幾種移動無線視頻傳輸技術(shù)的比較與選擇
根據(jù)GPRS、CDMA、COFDM三種移動無線視頻傳輸技術(shù)的原理及其優(yōu)缺點，現(xiàn)將它們的性能作一比較，如表1所示。
由表1可知，目前移動無線視頻傳輸方式主要有GPRS、CDMA與COFDM。
GPRS是在現(xiàn)有GSM系統(tǒng)上發(fā)展出來的一種新的數(shù)據(jù)承載業(yè)務(wù)。它采用分組交換技術(shù)，按流量計費，高效傳輸高速或低速數(shù)據(jù)和信令。GPRS雖理論傳輸速率可達(dá)171.2kbps，但實際傳輸速率大約在35kbps左右。
CDMA1X原意是指CDMA2000的第一階段，是在CDMAIS95系統(tǒng)上發(fā)展出來的一種新的承載業(yè)務(wù)，目的是為CDMA用戶提供分組形式的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)；CDMA1X理論傳輸速率可達(dá)300kbps，但目前的實際傳輸速率大約在90kbps左右，可以用于Internet連接、數(shù)據(jù)傳輸?shù)葢?yīng)用。CDMA1X無線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的特點是按流量計費，即一直在線，按照接收和發(fā)送數(shù)據(jù)包的數(shù)量來收取費用，沒有數(shù)據(jù)流量的傳遞時不收費用。
CDMA1X與GPRS雖然都是2.5代的移動通信系統(tǒng)，但1X網(wǎng)絡(luò)通信速度遠(yuǎn)高于GPRS網(wǎng)絡(luò)，而且易于平滑過渡到3G移動通信系統(tǒng)。3G是英文3rdGeneration的縮寫，指第三代移動通信技術(shù)。第三代手機(jī)是指將無線通信與國際互聯(lián)網(wǎng)等多媒體通信結(jié)合的新一代移動通信系統(tǒng)。它能夠處理圖像、音樂、視頻流等多種媒體形式，提供包括網(wǎng)頁瀏覽、電話會議、電子商務(wù)等多種信息服務(wù)。第三代移動電話（3G）帶來全新概念的移動通訊，鮮明的特點是高速度、多媒體、個性化。在傳輸速度上，第三代整整比第二代快上200倍。
目前市場上無線視頻監(jiān)控技術(shù)部份采用的是GPRS和CDMA技術(shù)，但是GPRS傳輸?shù)膸挷蛔?，傳輸視頻每秒就只有幾幀，效果達(dá)不到要求，而且出現(xiàn)應(yīng)急事件時，信息不夠詳實，容易出現(xiàn)斷點和無線接收的死角。CDMA無線傳輸技術(shù)雖比GPRS稍好一點，但同樣存在這樣的缺陷。在理想的狀態(tài)下，CDMA下行帶寬是153K，上行帶寬為80K，在這種傳輸通道帶寬之下，傳輸流暢的視頻基本上不可能實現(xiàn)。通常，在圖像也只有幾幀的情況下，只能以抓圖的形式來傳輸，并且為小畫面尺寸。顯然，這對于視頻監(jiān)控系統(tǒng)而言，這兩種移動無線視頻傳輸技術(shù)，均還不能夠真正滿足實際的應(yīng)用需求。
然而，微波（數(shù)字微波、擴(kuò)頻微波）、無線LAN等較高帶寬的無線傳輸方案，大多都存在共同的缺點，即只能做到通視傳輸、定向傳輸，并難以支持移動傳輸?shù)?。因此，它們限制了視頻監(jiān)控通訊系統(tǒng)的應(yīng)用，甚至無法滿足如：消防、公安、邊防、森林防火、煤礦監(jiān)控、人防應(yīng)急、城管執(zhí)法、銀行押運(yùn)等場所部份用戶最基本的需求。
由表1可看到，COFDM無線視頻傳輸技術(shù)是使用的編碼正交頻分多路復(fù)用的調(diào)制技術(shù)，它在各項性能上，均比GPRS和CDMA為優(yōu)。因為它是建立在一種離散的快速付里葉變換的基礎(chǔ)上，即可以采用實現(xiàn)成本較低的快速變換，故易于用計算機(jī)處理信號。而且，又因為這N個正交的子載波頻譜可以重疊，從而可大大提高頻率利用率，很適合高速率(>10Mbps)的無線網(wǎng)絡(luò)視頻的實時傳輸。并且，由于采用正交的N個子載波調(diào)制，因而抗頻率選擇性衰落能力強(qiáng)，抗多徑衰落能力強(qiáng)，同時也具有相當(dāng)?shù)谋Ｃ苄阅?。正因為COFDM技術(shù)有多載波等技術(shù)特點，其設(shè)備具備卓越的“非視距”、“繞射”與“穿透”能力，因而能用于城區(qū)、山地、建筑物內(nèi)外等不能可視及有阻擋的環(huán)境中，所以最適于建設(shè)平安城市的應(yīng)用。
隨著COFDM技術(shù)及組件的成熟，國外在無線圖像上已趨于淘汰微波和802.11FHSS、802.11(b)DSSS等方案，而采用COFDM技術(shù)的產(chǎn)品。目前，國內(nèi)少數(shù)公司采用歐洲D(zhuǎn)VB_T數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)中的COFDM調(diào)制模塊，集成了新一代移動視頻圖像傳輸產(chǎn)品，并已成功地應(yīng)用在現(xiàn)場新聞采集、實況轉(zhuǎn)播、實時動態(tài)監(jiān)控等應(yīng)用領(lǐng)域中，使用戶己獲得意想不到的好的效果。
結(jié)語
由上述分析可知，GPRS、CDMA、COFDM無線視頻傳輸技術(shù)均有各自的優(yōu)缺點，它們均可應(yīng)用在移動式無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)中。但相對比較起來，在平安城市建設(shè)中，還是采用COFDM無線視頻傳輸技術(shù)為好。（欲知詳情，可參閱本人在2008年3月在A&S《安防工程商)中發(fā)表的“適于平安城市的COFDM無線視頻傳輸技術(shù)”一文）。
值得指出的是，2001年10月臺灣東華大學(xué)的楊慶隆博士曾撰文提出過CDMA與OFDM(即正交頻分多路復(fù)用)這兩種技術(shù)相結(jié)合的一種調(diào)制技術(shù)，這種組合的調(diào)制技術(shù)集合了CDMA和OFDM各自的優(yōu)點。由于CDMA是擴(kuò)頻編碼，本身就是一種信源編碼，因而降低了OFDM對功放輸出功率和線性度的要求，即同樣的功率下，可傳輸更遠(yuǎn)的距離，而OFDM是正交多子載波調(diào)制并允許子載波頻譜混疊，因而具有更高的頻率利用率，能適應(yīng)高速數(shù)據(jù)傳輸，所以在CDMA與OFDM調(diào)制相結(jié)合的情況下，可大大提高基于CDMA的數(shù)據(jù)傳輸率。此外通過切換又易于與原有的CDMA網(wǎng)和WLAN 網(wǎng)無縫連接且向下兼容。所以對未來4G手機(jī)的一些指標(biāo)要求，CDMA-OFDM是一個具有一定優(yōu)勢的備選方案，因為4G手機(jī)既要求達(dá)到OFDM的高速(>20Mbps)，又要求與原CDAM2000和
CDMA1x，GSM_GPRS向下兼容。此外在WLAN的發(fā)展上，又要求擴(kuò)展通信距離，并做到與WLAN網(wǎng)的各個標(biāo)準(zhǔn)兼容互通。但實際上，這種加上信源編碼后的OFDM也就是COFDM，也可實現(xiàn)同頻(單頻)通信網(wǎng)，且是高速視頻(>10Mbps)的單頻無線通信網(wǎng)絡(luò)。
a&s傳媒是全球知名展覽公司法蘭克福展覽集團(tuán)旗下的專業(yè)媒體平臺，自1994年品牌成立以來，一直專注于安全&自動化產(chǎn)業(yè)前沿產(chǎn)品、技術(shù)及市場趨勢的專業(yè)媒體傳播和品牌服務(wù)。從安全管理到產(chǎn)業(yè)數(shù)字化，a&s傳媒擁有首屈一指的國際行業(yè)展覽會資源以及豐富的媒體經(jīng)驗，提供媒體、活動、展會等整合營銷服務(wù)。
粵公網(wǎng)安備 44030402000264號
