COFDM 編碼正交分頻多工技術(shù)
COFDM（Coded Orthogonal Frequency Divisional Multiplex）。編碼正交分頻多工技術(shù)。
為DAB（數(shù)位廣播）傳輸時(shí)所用之核心編碼技術(shù)，其主要功能為消除收音機(jī)被多路徑干擾時(shí)，所產(chǎn)生的錯(cuò)誤。傳統(tǒng)的AM和FM制式是采用一個(gè)載波，假如用為傳送數(shù)碼訊息，一旦頻帶內(nèi)某段被干擾，將會(huì)導(dǎo)致整個(gè)頻帶的訊息出錯(cuò)，而COFDM則把高速的數(shù)碼訊息分散為五百至一千組慢速訊息，并用相同數(shù)目的載波將它們傳送，雖然同樣會(huì)受干擾，但因訊息已加了密碼，且各載波是獨(dú)立的。
COFDM是容許小量干擾和錯(cuò)誤，甚至可以訓(xùn)練收音機(jī)辨別錯(cuò)誤訊息，及將部份的干擾化成有用的訊號(hào)。
數(shù)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(guó)家正在用8-VSB、COFDM系統(tǒng)及其改進(jìn)後的COFDM系統(tǒng)進(jìn)行比較試播。本文從Mark Massel關(guān)於數(shù)位電視地面廣播系統(tǒng)的專著（digitalTVbooks.com出版）中節(jié)選了部份內(nèi)容，簡(jiǎn)要介紹8-VSB技術(shù)和COFDM技術(shù)的原理、兩套系統(tǒng)的比較和競(jìng)爭(zhēng)的趨勢(shì)，為關(guān)心數(shù)位電視廣播的中國(guó)工程師提供參考。
Mark Massel
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數(shù)位電視傳輸制式之爭(zhēng)已經(jīng)持續(xù)了三年多的時(shí)間。歐洲定義了一個(gè)基於編碼正交頻分再使用調(diào)制方式（COFDM）的系統(tǒng)，英國(guó)是世界上*個(gè)將這種系統(tǒng)投入商用的國(guó)家。FCC的先進(jìn)電視業(yè)務(wù)顧問(wèn)委員會(huì)，建議美國(guó)採(cǎi)用基於8級(jí)殘留邊帶調(diào)制方式（8-VSB）的系統(tǒng)。而日本提出了頻帶分段傳輸正交頻分再使用（BST-OFDM）系統(tǒng)，這種系統(tǒng)本質(zhì)上是一種基於COFDM的系統(tǒng)。
盡管歐洲、韓國(guó)、美國(guó)和加拿大已確定了數(shù)位電視廣播的制式，但亞洲國(guó)家還未*做出數(shù)位電視廣播制式的選擇。因此，了解兩種主要數(shù)位電視廣播制式的基本技術(shù)特性、技術(shù)比較和發(fā)展趨勢(shì)，有利於把握數(shù)位電視發(fā)展為人們帶來(lái)的機(jī)遇。
美國(guó)的8-VSB系統(tǒng)
VSB採(cǎi)用調(diào)幅（AM）方式。在主載波頻率的兩側(cè)，AM系統(tǒng)的調(diào)制載波信號(hào)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(gè)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(tǒng)的功率和帶寬，例如，可抑制載波頻率以節(jié)省大量發(fā)射功率，傳輸只藉由邊帶進(jìn)行，這種方法稱為雙邊帶抑制載波調(diào)幅（DSB-SC-AM）。由於兩個(gè)邊帶中傳輸?shù)馁Y訊相同，因此僅用一個(gè)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(diào)幅（SSB-AM）。VSB實(shí)際上是DSB-SC-AM和SSB-AM兩種方法的結(jié)合，此時(shí)要抑制載波，用雙邊帶進(jìn)行傳輸。但是因?yàn)闇p少一個(gè)邊帶，只保留了一個(gè)殘餘邊帶，因而稱為殘餘邊帶調(diào)制。
圖1顯示了8-VSB的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)。在圖中，數(shù)據(jù)分為兩個(gè)數(shù)據(jù)場(chǎng)，發(fā)送周期為48.4ms。數(shù)據(jù)幀由偽隨機(jī)數(shù)據(jù)序列、糾錯(cuò)位元組、數(shù)據(jù)交織及格型編碼構(gòu)成，共包含313個(gè)數(shù)據(jù)段。每一幀的*個(gè)數(shù)據(jù)段（data segment）是稱為“數(shù)據(jù)場(chǎng)同步”的特殊同步信號(hào)，在接收機(jī)中均衡電路利用它來(lái)確定每個(gè)數(shù)據(jù)幀的起點(diǎn)。
每個(gè)數(shù)據(jù)段由832個(gè)符號(hào)（symbol）構(gòu)成，起始的四個(gè)符號(hào)以二進(jìn)制形式傳輸。這四個(gè)符號(hào)代表的兩個(gè)同步場(chǎng)實(shí)際組成一個(gè)位元組，用作208位元組傳輸數(shù)據(jù)包的同步位元組（這208個(gè)位元組由一個(gè)同步位元組+187個(gè)數(shù)據(jù)位元組+20個(gè)Reed-Solomon位元組組成），因此，剩餘的828個(gè)符號(hào)用於對(duì)剩餘的207個(gè)數(shù)據(jù)包位元組進(jìn)行編碼。828個(gè)符號(hào)中，每個(gè)符號(hào)都具有8個(gè)不同的數(shù)值，每個(gè)值由一個(gè)3位序列表示，例如，值“-5”由數(shù)據(jù)序列011（LSB）表示。由於數(shù)據(jù)採(cǎi)用2/3格型編碼方式，所以每2個(gè)或1個(gè)數(shù)據(jù)位實(shí)際要傳輸3位數(shù)據(jù)，因此828個(gè)符號(hào)編為1656個(gè)數(shù)據(jù)位，從而構(gòu)成207個(gè)位元組。
圖2則顯示了數(shù)據(jù)發(fā)送的整個(gè)順序。輸入數(shù)據(jù)是一種藉由MPEG-2壓縮的格式化傳輸數(shù)據(jù)流，它包含了許多標(biāo)準(zhǔn)清晰度的數(shù)位節(jié)目流或一到兩個(gè)高清晰度節(jié)目流。數(shù)據(jù)隨機(jī)處理（或能量擴(kuò)散）電路用於去除信號(hào)中直流電平。隨機(jī)處理電路對(duì)數(shù)據(jù)流進(jìn)行隨機(jī)處理，但數(shù)據(jù)場(chǎng)同步位元組、數(shù)據(jù)段同步位元組以及RS奇偶校驗(yàn)位元組例外。數(shù)據(jù)場(chǎng)的開(kāi)頭是一個(gè)zui大長(zhǎng)度為16位的偽隨機(jī)二進(jìn)制序列（PRBS）。
Reed-Solomon編碼器，或者通常稱為外部編碼器（outer encoder），在數(shù)據(jù)塊的末端設(shè)置20個(gè)位元組，以便接收機(jī)識(shí)別和校正數(shù)據(jù)塊傳輸過(guò)程中出現(xiàn)的錯(cuò)誤。但是識(shí)別和糾正錯(cuò)誤的數(shù)量相當(dāng)有限，例如一個(gè)數(shù)據(jù)塊中由突發(fā)噪聲引起的多個(gè)錯(cuò)誤就不能靠這種編碼器進(jìn)行糾正，然而，數(shù)據(jù)交織編碼器將這類錯(cuò)誤加以展開(kāi)，從而提高了Reed-Solomon編碼系統(tǒng)的有效性。
糾錯(cuò)系統(tǒng)的zui後一部份是格型編碼器。它是一種增強(qiáng)型糾錯(cuò)技術(shù)，可以糾正前面未能糾正的編碼錯(cuò)誤。該編碼器的處理對(duì)象是連續(xù)的位流而不是數(shù)據(jù)塊。卷積編碼器類似一個(gè)有限狀態(tài)機(jī)，其狀態(tài)及轉(zhuǎn)換過(guò)程稱為“格型圖”。
藉由綜合利用上述所有糾錯(cuò)技術(shù)，在數(shù)位電視數(shù)據(jù)傳輸發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間，就可以建立QEF（準(zhǔn)無(wú)誤碼）信道。
8-VSB系統(tǒng)的有用數(shù)據(jù)率可由下列公式計(jì)算：
有用數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)段的數(shù)目（固定為313個(gè)）；
S：符號(hào)的數(shù)目（固定為832個(gè)）；
M：每個(gè)符號(hào)的位數(shù)（固定為3個(gè)）；
C：卷積（格型）編碼比（固定為2/3）；
F：完整8-VSB數(shù)據(jù)幀中數(shù)據(jù)幀的數(shù)目（固定為2個(gè)）；
B：RS數(shù)據(jù)塊的編碼率（188/208）；
Fs：數(shù)據(jù)場(chǎng)同步脈衝的系數(shù)；
T：完整8-VSB數(shù)據(jù)幀的周期（48.4ms）。
歐洲的COFDM系統(tǒng)
OFDM技術(shù)的基礎(chǔ)是頻分多路再使用（FDM）技術(shù)。如果通訊系統(tǒng)的帶寬足夠並能充分加以利用，那麼數(shù)據(jù)就可以分配到多個(gè)信道中傳輸，例如，同時(shí)召開(kāi)多個(gè)會(huì)議，或同時(shí)傳輸大量數(shù)位視頻數(shù)據(jù)的情況下，數(shù)據(jù)可以分配到多個(gè)信道上傳輸，在接收端重新組合。不同信道的數(shù)據(jù)以不同的頻率進(jìn)行調(diào)制，因此不同信道的數(shù)據(jù)傳輸是同時(shí)進(jìn)行的，該技術(shù)可以充分利用帶寬。
zui初的主信號(hào)S（t）在特定時(shí)間周期T內(nèi)被分解成n個(gè)符號(hào)。這些符號(hào)寬度是2位、4位或6位，具體情況取決於調(diào)制方案。然後構(gòu)建n個(gè)平行數(shù)據(jù)信道，因而信號(hào)源S（t）就產(chǎn)生n個(gè)時(shí)變信號(hào)。
每一個(gè)信號(hào)調(diào)制到各自的載波頻率上，然後所有載波信號(hào)sn（f）疊加並轉(zhuǎn)換成發(fā)送頻率，經(jīng)發(fā)射機(jī)變成zui終信號(hào)G（t），它是一個(gè)信號(hào)組，包含所有sn（t）信號(hào)的頻率成分。
接收機(jī)接收到這個(gè)波形後，藉由一個(gè)n階帶通濾波器陣列分離載波頻率，再藉由解調(diào)就可以重組原始的數(shù)據(jù)符號(hào)。
這是FDM系統(tǒng)的基本運(yùn)作過(guò)程。為了避免干擾，對(duì)接收機(jī)帶通濾波器的要求較高，同時(shí)，還需要n個(gè)載波解調(diào)模組。因此當(dāng)n較大時(shí)，系統(tǒng)的成本很高。解決問(wèn)題的辦法是採(cǎi)用數(shù)位信號(hào)處理技術(shù)。
OFDM信號(hào)由多個(gè)載波構(gòu)成，在2k模式是1705個(gè)，在8k模式是6817個(gè)。一般來(lái)說(shuō)，載波信號(hào)之間的分隔必須保証載波信號(hào)適合6MHz、7MHz或8MHz信道的要求。上述載波信號(hào)包括：
1. 節(jié)目資訊數(shù)據(jù)：每個(gè)載波信號(hào)的位數(shù)可變（2、4或6位）；
2．傳輸參數(shù)信令（TPS）：傳輸與信道編碼和調(diào)制參數(shù)有關(guān)的資訊；
3．導(dǎo)頻信號(hào)：用於接收機(jī)同步。該信號(hào)在比其它載波信號(hào)高的功率電平上發(fā)射，它包括以下兩種類型：（a）連續(xù)導(dǎo)頻：8k模式為177個(gè)，2k模式為45個(gè)；
（b）散佈導(dǎo)頻：8k模式為524個(gè)，2k模式為131個(gè)。
OFDM信號(hào)的頻譜由6817個(gè)（8k模式）或1705個(gè)（2k模式）不同頻率的單頻離散載波組成，可見(jiàn)，這些頻率要藉由一定時(shí)間的傳輸才能到達(dá)接收機(jī)，其時(shí)域分佈如圖3所示，發(fā)送所有載波信號(hào)的這段特定時(shí)間，稱之為有用數(shù)據(jù)周期Tu。有用數(shù)據(jù)的一部份會(huì)重復(fù)傳輸，且在Tu之前發(fā)送，這段時(shí)間稱作保護(hù)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(hào)，會(huì)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(tǒng)更具優(yōu)勢(shì)，它可用於向移動(dòng)電視接收機(jī)傳輸電視信號(hào)。目前，人們又把這一結(jié)構(gòu)稱為OFDM符號(hào)，如圖3所示，OFDM幀由68個(gè)OFDM符號(hào)組成，4個(gè)OFDM幀構(gòu)成一個(gè)OFDM超級(jí)幀。
COFDM系統(tǒng)整個(gè)數(shù)據(jù)發(fā)送過(guò)程相當(dāng)複雜，如圖4所示。MPEG-2傳輸數(shù)據(jù)流輸入採(cǎi)用標(biāo)準(zhǔn)格式，藉由隨機(jī)處理器對(duì)其進(jìn)行能量擴(kuò)散後，進(jìn)入前向糾錯(cuò)模組。外編碼器在188位元組置亂發(fā)送數(shù)據(jù)包的末端再添加16個(gè)位元組，便於接收機(jī)進(jìn)行糾錯(cuò)，這16個(gè)位元組即為Reed-Solomon校驗(yàn)位元組。外交織編碼器可將誤碼擴(kuò)散，從而使外編碼器更為有效。
內(nèi)編碼器可以處理外編碼器無(wú)法糾錯(cuò)的數(shù)據(jù)。糾錯(cuò)量的多少取決於傳輸信道的品質(zhì)。“COFDM”中的“C”指的是糾錯(cuò)過(guò)程的編碼部份。從內(nèi)部編碼器中輸出的2、4或6位位元組要映射到OFDM的一個(gè)載波信號(hào)中（2k模式下OFDM的節(jié)目資訊數(shù)據(jù)載波數(shù)量為1512個(gè)，8k模式下為6048個(gè)），接著，插入導(dǎo)頻和TPS信號(hào)，接收機(jī)利用這些信號(hào)來(lái)判斷信道特性。TPS載波信號(hào)包含數(shù)據(jù)格式的詳細(xì)資訊，如模式、調(diào)制參數(shù)等。zui後，要進(jìn)行快速傅立葉反變換（IFFT）來(lái)生成所有載波信號(hào)和zui終的時(shí)變信號(hào)，並加入保護(hù)間隔（可消除回波和反射），然後再轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，藉由濾波、上行變換到發(fā)射。
與8-VSB系統(tǒng)不同，COFDM系統(tǒng)可根據(jù)實(shí)際情況，如地理位置、網(wǎng)路類型及臨界接收狀況等，對(duì)許多參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，可調(diào)參數(shù)如下：
1．載波模式：2k或8k；
2．調(diào)制類型：QPSK、16-QAM或64-QAM；
3．保護(hù)間隔：1/4、1/8、1/16或1/64；
4．內(nèi)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(duì)於長(zhǎng)回波而言，8k模式更適合於山區(qū)。選擇調(diào)制類型時(shí)，要對(duì)信道內(nèi)的噪聲和位速率進(jìn)行折衷考慮。選擇保護(hù)間隔時(shí)，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(nèi)編碼速率是糾錯(cuò)冗餘度的表徵，在確定此速率時(shí)，要綜合考慮信道噪聲和位速率。如果臨界接收機(jī)不能接收全速業(yè)務(wù)，可藉由改變分層模式來(lái)接收低速標(biāo)準(zhǔn)業(yè)務(wù)。
COFDM系統(tǒng)的有用位速率可根據(jù)以下公式計(jì)算：
有用數(shù)據(jù)率=（B×C×M×N）/T（bps）
其中：
B：RS數(shù)據(jù)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(gè)載波信號(hào)的位數(shù)（QPSK為2,16-QAM為4,64-QAM為6）；
N：所用的節(jié)目資訊數(shù)據(jù)載波數(shù)量（2k模式為1512，8k模式為6048）。
T：包含保護(hù)間隔在內(nèi)的符號(hào)持續(xù)周期。如8k模式為896us，保護(hù)間隔為28us，所占比率為1/32；2k模式為224us，保護(hù)間隔為7us，比率也為1/32。
8-VSB和COFDM的比較
一個(gè)國(guó)家選擇數(shù)位電視廣播制式時(shí)，需要考慮諸多因素，如地理位置、信道帶寬分配、經(jīng)濟(jì)效益以及政治因素等等。但是，從純技術(shù)角度進(jìn)行選擇時(shí)，可參考以下選擇策略：
8-VSB系統(tǒng)的特點(diǎn)：
1．可在一個(gè)6MHz的信道內(nèi)發(fā)送zui高解析度的HDTV信號(hào)；
2．同等廣播覆蓋面積下，所需的發(fā)射功率較小；
3．處理短脈衝噪聲源的能力強(qiáng)。
COFDM系統(tǒng)的特點(diǎn)：1．由於具有優(yōu)良的抗回波和反射性能，適用於移動(dòng)和室內(nèi)接收機(jī)；
2．適用於單頻網(wǎng)路（SFN）；
3．分層模式可解決臨界接收性能問(wèn)題；
4．更多、更靈活的選擇，能適應(yīng)未來(lái)廣播不斷變化的需求；
5．對(duì)信道中產(chǎn)生的非線性干擾，靈敏度較低。
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