OFDM系統(tǒng)中TCM調(diào)制解調(diào)器的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

摘要：介紹了一種正交頻分復(fù)用系統(tǒng)中調(diào)制解調(diào)器的設(shè)計方法，正交頻分復(fù)用的關(guān)鍵技術(shù)是編碼和調(diào)制。傳統(tǒng)的信道編碼是將編碼與調(diào)制分開設(shè)計，而網(wǎng)格碼是將編碼與調(diào)制作為一個整體進(jìn)行設(shè)計的。對提出的設(shè)計方案進(jìn)行仿真，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方法是合理有效的。
關(guān)鍵詞：正交頻分復(fù)用；網(wǎng)格編碼調(diào)制；解調(diào)；維特比；網(wǎng)格法

0 引言
    正交頻分復(fù)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(tǒng)，它將數(shù)字調(diào)制、數(shù)字信號處理、多載波傳輸?shù)燃夹g(shù)有機(jī)結(jié)合在一起，使得它在系統(tǒng)的頻譜利用率、功率利用率、系統(tǒng)復(fù)雜性方面綜合起來有很強(qiáng)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(shù)之一。在使用OFDM系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時，調(diào)制解調(diào)器的設(shè)計成為關(guān)鍵。這里OFDM調(diào)制解調(diào)器的設(shè)計選擇了TCM網(wǎng)格編碼調(diào)制(Trellis Coded Modulation)的方法，其特點(diǎn)是結(jié)合了時間和頻率的間插。TCM碼調(diào)制結(jié)合了卷積碼和十六進(jìn)制正交幅度調(diào)制從而達(dá)到一種高效編碼而對傳輸?shù)男盘柌划a(chǎn)生影響。在接收端，網(wǎng)格編碼通過維特比算法進(jìn)行譯碼。

1 OFDM基本原理
    OFDM的基本原理就是把高速的數(shù)據(jù)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(jìn)行傳輸。這樣一個OFDM符號內(nèi)就包含了多個經(jīng)過調(diào)制的子載波信號。每一個信號可以是子載波的相位調(diào)制，也可以是子載波幅度和相位的聯(lián)合調(diào)制，比如BPSK，QP-SK，16QAM等。圖1給出了OFDM系統(tǒng)基本模型的框圖。

2 TCM調(diào)制解調(diào)
2．1 TCM簡介
    TCM技術(shù)是一種將編碼和調(diào)制結(jié)合在一起的技術(shù)。它與常規(guī)的非編碼多進(jìn)制調(diào)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。TCM系統(tǒng)使用冗余多進(jìn)制調(diào)制與一個有限狀態(tài)的網(wǎng)格編碼器相結(jié)合，由編碼器控制選擇調(diào)制信號，以產(chǎn)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(diào)。
2．2 集分割與網(wǎng)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(nèi)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(jīng)過一級分割，子集數(shù)就加倍，而子集內(nèi)最小距離亦增加。
    TCM技術(shù)以編碼序列的歐氏距離為調(diào)制設(shè)計的量度，就是使編碼器和調(diào)制器二者級聯(lián)后產(chǎn)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(shè)計方法實(shí)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(wǎng)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(dāng)這種情況發(fā)生時，就產(chǎn)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(wǎng)格圖上信號路徑的最小跨度有關(guān)系。
2．3 Viterbi譯碼
    網(wǎng)格碼的調(diào)制可采用Viterbi譯碼來實(shí)現(xiàn)。Viterbi譯碼算法是一種卷積碼的解碼算法。算法規(guī)定t時刻收到的數(shù)據(jù)都要進(jìn)行N次比較，就是N個狀態(tài)每條路有兩條分支，同時，跳轉(zhuǎn)到不同的兩個狀態(tài)中去，將兩條相應(yīng)的輸出和實(shí)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(jié)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(yīng)的譯碼輸出。

3 TCM調(diào)制解調(diào)器的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)
3．1 設(shè)計方案
    本設(shè)計方案根據(jù)數(shù)字電視地面廣播的信道模型進(jìn)行設(shè)計，在設(shè)計中選取了2k模式的OFDM參數(shù)，DVBT系統(tǒng)程序設(shè)計流程圖如圖2所示。

3．2 調(diào)制解調(diào)原理圖與流程圖
    數(shù)據(jù)進(jìn)入編碼器后，經(jīng)過串／并變換，轉(zhuǎn)換而成的兩路并行信號進(jìn)行碼率為2／3的網(wǎng)格編碼，以產(chǎn)生三路并行碼。這三路并行碼通過對D／A的接口進(jìn)入D／A轉(zhuǎn)換器。D／A轉(zhuǎn)換器的輸出信號與由頻率合成器產(chǎn)生的1．024 GHz的載波一起進(jìn)入正交調(diào)制器進(jìn)行正交調(diào)制，調(diào)制后的信號通過射頻輸出接口，產(chǎn)生符合設(shè)計要求的射頻輸出信號。
    TCM解調(diào)選用了維特比譯碼的方法，首先進(jìn)行TCM逆映射，然后將要譯碼的數(shù)據(jù)送入維特比譯碼器，從而輸出經(jīng)過傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。TCM調(diào)制與解調(diào)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(wǎng)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(wǎng)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(dāng)?shù)竭_(dá)第19級全0狀態(tài)時，沿著幸存路徑回到初始全0狀態(tài)的路徑就是最佳路徑，共有36比特。在最佳路徑數(shù)字序列中，刪掉最后的6個0后輸出的就是進(jìn)入卷積碼的序列，由圖4可得到驗(yàn)證。

4 結(jié)論
    OFDM調(diào)制解調(diào)器的設(shè)計選擇了TCM碼調(diào)制的方法。傳統(tǒng)的信道編碼都是將編碼與調(diào)制分開設(shè)計，而TCM將編碼與調(diào)制作為一個整體進(jìn)行設(shè)計，大大改善了系統(tǒng)性能。在接收端，其解調(diào)輸出的結(jié)果與發(fā)送端原始信息對比無差錯，說明這個網(wǎng)格編碼調(diào)制解調(diào)器功能正常，可較好地應(yīng)用在OFDM系統(tǒng)中。