COFDM 編碼正交分頻多工技術
COFDM（Coded Orthogonal Frequency Divisional Multiplex）。編碼正交分頻多工技術。
為DAB（數位廣播）傳輸時所用之核心編碼技術，其主要功能為消除收音機被多路徑干擾時，所產生的錯誤。傳統的AM和FM制式是采用一個載波，假如用為傳送數碼訊息，一旦頻帶內某段被干擾，將會導致整個頻帶的訊息出錯，而COFDM則把高速的數碼訊息分散為五百至一千組慢速訊息，并用相同數目的載波將它們傳送，雖然同樣會受干擾，但因訊息已加了密碼，且各載波是獨立的。
COFDM是容許小量干擾和錯誤，甚至可以訓練收音機辨別錯誤訊息，及將部份的干擾化成有用的訊號。
數位電視廣播的制式存在歐洲、北美或日本的三種制式，亞洲許多國家正在用8-VSB、COFDM系統及其改進後的COFDM系統進行比較試播。本文從Mark Massel關於數位電視地面廣播系統的專著（digitalTVbooks.com出版）中節選了部份內容，簡要介紹8-VSB技術和COFDM技術的原理、兩套系統的比較和競爭的趨勢，為關心數位電視廣播的中國工程師提供參考。
Mark Massel
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數位電視傳輸制式之爭已經持續了三年多的時間。歐洲定義了一個基於編碼正交頻分再使用調制方式（COFDM）的系統，英國是世界上*個將這種系統投入商用的國家。FCC的先進電視業務顧問委員會，建議美國採用基於8級殘留邊帶調制方式（8-VSB）的系統。而日本提出了頻帶分段傳輸正交頻分再使用（BST-OFDM）系統，這種系統本質上是一種基於COFDM的系統。
盡管歐洲、韓國、美國和加拿大已確定了數位電視廣播的制式，但亞洲國家還未*做出數位電視廣播制式的選擇。因此，了解兩種主要數位電視廣播制式的基本技術特性、技術比較和發展趨勢，有利於把握數位電視發展為人們帶來的機遇。
美國的8-VSB系統
VSB採用調幅（AM）方式。在主載波頻率的兩側，AM系統的調制載波信號都有頻譜分佈，稱為邊帶,功率大部份集中於中心載波頻率處，而每個邊帶的功率只有它的1/16。有多種方法可以減小這種傳輸系統的功率和帶寬，例如，可抑制載波頻率以節省大量發射功率，傳輸只藉由邊帶進行，這種方法稱為雙邊帶抑制載波調幅（DSB-SC-AM）。由於兩個邊帶中傳輸的資訊相同，因此僅用一個邊帶傳輸就可以使帶寬減小一半，這種方法稱為單邊帶載波調幅（SSB-AM）。VSB實際上是DSB-SC-AM和SSB-AM兩種方法的結合，此時要抑制載波，用雙邊帶進行傳輸。但是因為減少一個邊帶，只保留了一個殘餘邊帶，因而稱為殘餘邊帶調制。
圖1顯示了8-VSB的數據幀結構。在圖中，數據分為兩個數據場，發送周期為48.4ms。數據幀由偽隨機數據序列、糾錯位元組、數據交織及格型編碼構成，共包含313個數據段。每一幀的*個數據段（data segment）是稱為“數據場同步”的特殊同步信號，在接收機中均衡電路利用它來確定每個數據幀的起點。
每個數據段由832個符號（symbol）構成，起始的四個符號以二進制形式傳輸。這四個符號代表的兩個同步場實際組成一個位元組，用作208位元組傳輸數據包的同步位元組（這208個位元組由一個同步位元組+187個數據位元組+20個Reed-Solomon位元組組成），因此，剩餘的828個符號用於對剩餘的207個數據包位元組進行編碼。828個符號中，每個符號都具有8個不同的數值，每個值由一個3位序列表示，例如，值“-5”由數據序列011（LSB）表示。由於數據採用2/3格型編碼方式，所以每2個或1個數據位實際要傳輸3位數據，因此828個符號編為1656個數據位，從而構成207個位元組。
圖2則顯示了數據發送的整個順序。輸入數據是一種藉由MPEG-2壓縮的格式化傳輸數據流，它包含了許多標準清晰度的數位節目流或一到兩個高清晰度節目流。數據隨機處理（或能量擴散）電路用於去除信號中直流電平。隨機處理電路對數據流進行隨機處理，但數據場同步位元組、數據段同步位元組以及RS奇偶校驗位元組例外。數據場的開頭是一個zui大長度為16位的偽隨機二進制序列（PRBS）。
Reed-Solomon編碼器，或者通常稱為外部編碼器（outer encoder），在數據塊的末端設置20個位元組，以便接收機識別和校正數據塊傳輸過程中出現的錯誤。但是識別和糾正錯誤的數量相當有限，例如一個數據塊中由突發噪聲引起的多個錯誤就不能靠這種編碼器進行糾正，然而，數據交織編碼器將這類錯誤加以展開，從而提高了Reed-Solomon編碼系統的有效性。
糾錯系統的zui後一部份是格型編碼器。它是一種增強型糾錯技術，可以糾正前面未能糾正的編碼錯誤。該編碼器的處理對象是連續的位流而不是數據塊。卷積編碼器類似一個有限狀態機，其狀態及轉換過程稱為“格型圖”。
藉由綜合利用上述所有糾錯技術，在數位電視數據傳輸發射機和接收機之間，就可以建立QEF（準無誤碼）信道。
8-VSB系統的有用數據率可由下列公式計算：
有用數據率=（（D×S×M×C×F）/T）×B×Fs
=（（313×832×3×2/3×2）/48.4ms）×（188/208）×（312/313）
= 19.39（Mbps）
上述公式中：
D：數據段的數目（固定為313個）；
S：符號的數目（固定為832個）；
M：每個符號的位數（固定為3個）；
C：卷積（格型）編碼比（固定為2/3）；
F：完整8-VSB數據幀中數據幀的數目（固定為2個）；
B：RS數據塊的編碼率（188/208）；
Fs：數據場同步脈衝的系數；
T：完整8-VSB數據幀的周期（48.4ms）。
歐洲的COFDM系統
OFDM技術的基礎是頻分多路再使用（FDM）技術。如果通訊系統的帶寬足夠並能充分加以利用，那麼數據就可以分配到多個信道中傳輸，例如，同時召開多個會議，或同時傳輸大量數位視頻數據的情況下，數據可以分配到多個信道上傳輸，在接收端重新組合。不同信道的數據以不同的頻率進行調制，因此不同信道的數據傳輸是同時進行的，該技術可以充分利用帶寬。
zui初的主信號S（t）在特定時間周期T內被分解成n個符號。這些符號寬度是2位、4位或6位，具體情況取決於調制方案。然後構建n個平行數據信道，因而信號源S（t）就產生n個時變信號。
每一個信號調制到各自的載波頻率上，然後所有載波信號sn（f）疊加並轉換成發送頻率，經發射機變成zui終信號G（t），它是一個信號組，包含所有sn（t）信號的頻率成分。
接收機接收到這個波形後，藉由一個n階帶通濾波器陣列分離載波頻率，再藉由解調就可以重組原始的數據符號。
這是FDM系統的基本運作過程。為了避免干擾，對接收機帶通濾波器的要求較高，同時，還需要n個載波解調模組。因此當n較大時，系統的成本很高。解決問題的辦法是採用數位信號處理技術。
OFDM信號由多個載波構成，在2k模式是1705個，在8k模式是6817個。一般來說，載波信號之間的分隔必須保証載波信號適合6MHz、7MHz或8MHz信道的要求。上述載波信號包括：
1. 節目資訊數據：每個載波信號的位數可變（2、4或6位）；
2．傳輸參數信令（TPS）：傳輸與信道編碼和調制參數有關的資訊；
3．導頻信號：用於接收機同步。該信號在比其它載波信號高的功率電平上發射，它包括以下兩種類型：（a）連續導頻：8k模式為177個，2k模式為45個；
（b）散佈導頻：8k模式為524個，2k模式為131個。
OFDM信號的頻譜由6817個（8k模式）或1705個（2k模式）不同頻率的單頻離散載波組成，可見，這些頻率要藉由一定時間的傳輸才能到達接收機，其時域分佈如圖3所示，發送所有載波信號的這段特定時間，稱之為有用數據周期Tu。有用數據的一部份會重復傳輸，且在Tu之前發送，這段時間稱作保護間隔，其主要目的是消除回波和反射干擾。這些回波干擾是多徑信號，會在電視上造成重影。正是由於COFDM具備消除回波的功能，使其比8-VSB系統更具優勢，它可用於向移動電視接收機傳輸電視信號。目前，人們又把這一結構稱為OFDM符號，如圖3所示，OFDM幀由68個OFDM符號組成，4個OFDM幀構成一個OFDM超級幀。
COFDM系統整個數據發送過程相當複雜，如圖4所示。MPEG-2傳輸數據流輸入採用標準格式，藉由隨機處理器對其進行能量擴散後，進入前向糾錯模組。外編碼器在188位元組置亂發送數據包的末端再添加16個位元組，便於接收機進行糾錯，這16個位元組即為Reed-Solomon校驗位元組。外交織編碼器可將誤碼擴散，從而使外編碼器更為有效。
內編碼器可以處理外編碼器無法糾錯的數據。糾錯量的多少取決於傳輸信道的品質。“COFDM”中的“C”指的是糾錯過程的編碼部份。從內部編碼器中輸出的2、4或6位位元組要映射到OFDM的一個載波信號中（2k模式下OFDM的節目資訊數據載波數量為1512個，8k模式下為6048個），接著，插入導頻和TPS信號，接收機利用這些信號來判斷信道特性。TPS載波信號包含數據格式的詳細資訊，如模式、調制參數等。zui後，要進行快速傅立葉反變換（IFFT）來生成所有載波信號和zui終的時變信號，並加入保護間隔（可消除回波和反射），然後再轉換成模擬信號，藉由濾波、上行變換到發射。
與8-VSB系統不同，COFDM系統可根據實際情況，如地理位置、網路類型及臨界接收狀況等，對許多參數進行調整，可調參數如下：
1．載波模式：2k或8k；
2．調制類型：QPSK、16-QAM或64-QAM；
3．保護間隔：1/4、1/8、1/16或1/64；
4．內編碼擊穿率：1/2、2/3、3/4、5/6或7/8；
5．分層模式；
6．傳輸帶寬選擇：6MHz、7MHz或8MHz。
對於長回波而言，8k模式更適合於山區。選擇調制類型時，要對信道內的噪聲和位速率進行折衷考慮。選擇保護間隔時，要具備消除或大或小回波的能力，並綜合考慮位速率的要求。內編碼速率是糾錯冗餘度的表徵，在確定此速率時，要綜合考慮信道噪聲和位速率。如果臨界接收機不能接收全速業務，可藉由改變分層模式來接收低速標準業務。
COFDM系統的有用位速率可根據以下公式計算：
有用數據率=（B×C×M×N）/T（bps）
其中：
B：RS數據塊編碼的效率（188/204=0.92）；
C：卷積編碼率（1/2、2/3、3/4、5/6或7/8）；
M：每個載波信號的位數（QPSK為2,16-QAM為4,64-QAM為6）；
N：所用的節目資訊數據載波數量（2k模式為1512，8k模式為6048）。
T：包含保護間隔在內的符號持續周期。如8k模式為896us，保護間隔為28us，所占比率為1/32；2k模式為224us，保護間隔為7us，比率也為1/32。
8-VSB和COFDM的比較
一個國家選擇數位電視廣播制式時，需要考慮諸多因素，如地理位置、信道帶寬分配、經濟效益以及政治因素等等。但是，從純技術角度進行選擇時，可參考以下選擇策略：
8-VSB系統的特點：
1．可在一個6MHz的信道內發送zui高解析度的HDTV信號；
2．同等廣播覆蓋面積下，所需的發射功率較小；
3．處理短脈衝噪聲源的能力強。
COFDM系統的特點：1．由於具有優良的抗回波和反射性能，適用於移動和室內接收機；
2．適用於單頻網路（SFN）；
3．分層模式可解決臨界接收性能問題；
4．更多、更靈活的選擇，能適應未來廣播不斷變化的需求；
5．對信道中產生的非線性干擾，靈敏度較低。
