CN101635699A - 数字调频广播的ofdm系统发送传输方法 - Google Patents

Abstract

数字调频广播的OFDM系统发送传输方法属于无线数字广播技术领域，其特征在于，两个模式的参数能够在相同的采样率和相同的帧长下工作。不仅具有抵抗信道多径效应和多普勒效应的能力，而且能降低系统实现的复杂度等优点。

Description

数字调频广播的OFDM系统发送传输方法

技术领域

本发明涉及一种数字调频广播(DFM)系统中正交频分复用(OFDM)的传输方法，采用本方法的数字调频广播系统，不仅具有抵抗信道多径效应和多普勒效应的能力，而且能降低系统实现的复杂度等优点，属于无线通信的接收技术领域。

背景技术

广播是人们获取信息和娱乐的重要途径。广播节目质量低、抗干扰能力差、业务单一等缺点正逐步压缩着传统模拟广播的生存空间。在所有的模拟广播中，调频广播具有最好的质量。但是，由于多径传播和移动接收时频率选择性与时间选择性，严重影响调频广播的质量。为了改善FM广播的质量，过去相当长一段时期中，人们在发射与接收技术方面虽然采取过一些技术，但是由于物理的原因，不能从根本上解决FM广播存在的问题。此外，模拟FM广播提供的业务单一。尽管在模拟FM广播中可以使用广播数据系统(RDS)，但可以提供的数据率很低(净数据率约73lb/s)。况且，由于各种原因迄今为止在我国并没有推广应用。

随着社会的发展与科技进步，人们已经习惯于聆听CD质量的音乐，最好质量的模拟广播已经满足不了受众的要求。FM广播数字化以后，改善传输质量与音频质量的同时提供数据广播业务，使新的数字系统变为多媒体广播系统，频谱的利用更经济，在同样的射频带宽内，可以传输更多套的节目，每套节目的花费降低，社会效益与经济效益都会提高。FM广播数字化以后，在相同的覆盖范围下，需要发射功率会大大降低，既节约了电能，又有利于环境保护。

目前，调频波段的数字声音广播数字系统主要包括数字音频广播(DigitalAudio Broadcasting，DAB/DAB+)、HD Radio和全球数字广播(Digital RadioMondiale，DRM+)，还有用于移动接收、提供音、视频服务的T-DMB、T-MMB、CMMB等广播系统。它们虽然已经在部分国家进行了商业化运作，但是在国内的发展初露头角，并不完善，市场覆盖率低。

自上个世纪80年代，国家广电总局开始组织相关单位对DAB系统和标准进行跟踪、研究。1996年，国家广电总局率先在广东佛山地区利用欧洲DAB标准开展UHF频段地面数字音频广播业务。2005年4月和11月，又先后在北京地区和上海地区分别利用VHF频段和L频段开展DAB试验播出。2006年6月，国家广电总局颁布了GY/T214-2006《30MHz-3000MHz地面数字音频广播系统技术规范》。尽管DAB在欧洲已经得到了良好发展，但1.7MHz信道带宽过大，频谱利用率低，分配不灵活，最大的缺点是投资大，部署成本较高，需要指配新的频谱，不能实现模拟与数字节目的同播，不能实现FM由模拟向数字的平滑过渡。

HD Radio是国际上另一种受到广泛研究和应用的数字音频广播系统，该技术系统使用的信源编码方法是HE AAC-V2，即先进音频编码(AAC)与频带恢复(SBR)技术、参数立体声(PS)的联合。2008年3月，国家广播电影电视总局于北京地区开展了HD Radio技术试验工作。值得注意的是，HD Radio的频谱模板不符合ITU规范，对邻频道的强干扰限制了该技术的进一步推广和应用，在中国调频广播波段推广不太可行。

2006年，欧洲在DRM的基础上开始对数字调频广播进行研究，2005年3月，DRM组织决定将DRM标准扩展到120MHz的范围，并命名为DRM+，包括47～68MHz(波段I，东欧FM波段)、65.8～74MHz(OIRT，世界广播电视组织，FM波段)、76～90MHz(FM波段，日本)和世界大多数国家调频广播使用的87.5～108MHz(波段II)。DRM+不是DRM的替代者，而是DRM标准的扩展。DRM+是独立的数字发射系统，最有希望成为FM波段模拟广播将来的替代者。DRM+于2007年11月20日在德国汉诺威测试，第二次测试于2008年3月1至5月31日在德国凯泽斯劳滕展开[8]，根究测试的结果正在对其参数进行优化。由于技术方案尚不成熟，暂时无法实行推广和产业化。在国内，由国家广电总局广播科学研究院牵头，对HD Radio和DRM+技术进行了跟进和研究，并对中国数字调频广播的相关事宜进行详细规划；另外，中国传媒大学广播电视数字化工程中心和数据广播研究所对数字调频广播也在进行深入研究，东南大学多媒体技术研究所也对数字广播关键技术及其相关附加功能进行了长期深入的研究，取得了较大进展。

发明内容

为了将OFDM技术更好的应用于DFM系统，需要解决OFDM系统参数设计的问题，这里设计出一套应用于DFM的OFDM传输方法。

本发明的特征之一在于，依次含有以下步骤：

步骤(1)，设定以下OFDM参数：

有用部分码元的时间长度T_u＝1024T₀＝2.510ms，

保护间隔部分的时间长度为T_g＝64T₀＝0.157ms，

码元长度为 $T_S=T_u+T_g=1088T_0=\frac{8}{3}\mathrm{ms},$

载波间隔 $\mathrm{\Δf}=\frac{1}{T_u}=398.4375\mathrm{Hz},$

每个传输帧包含的码元数M＝45，

传输帧长度为T_F＝M·T_S＝120ms，

实载波数C_T＝245，

虚载波数C_I＝11，

系统带宽W＝C_T·Δf＝97.62kHz，

采样时间的间隔是T₀，采样时钟频率 $f_s=\frac{1}{T_0}=408\mathrm{kHz},$

有用码元采样点个数N＝4(C_T+C_I)，

保护间隔的采样点个数L＝T_g/T₀＝64；

步骤(2)，在OFDM传输系统中的发送端依次按以下步骤实现OFDM发送传输：

步骤(2.1)把待传输的数据按照帧长120ms划分成帧，再把成帧的数据送入串并转换电路，转换成C_T＝245个并行的数据流{c_i ^k}，其中i为码元序号，为整数，k为数据流编号，满足0≤k＜C_T，k∈Z，

步骤(2.2)，把步骤(2.1)中得到的每一组数据c_i ¹，c_i ²，...c_i ²⁴⁵送入补0电路，在每一组所述数据的末尾补C_I个0，

步骤(2.3)，把步骤(2.1)中得到的在末尾补0后的每一组数据送入IFFT变换电路，变换参数N＝1024，得到1024点复数采样点d_i ¹，d_i ²，...d_i ¹⁰²⁴，得到有用部分码元，

步骤(2.4)，把步骤(2.3)得到的有用部分码元送入循环前缀电路，把所述有用部分码元的末尾部分L＝64个采样点d_i ⁹⁶¹，d_i ⁹⁶²，...d_i ¹⁰²⁴，作为保护间隔，放置在所述有用部分码元起始位置之前作为循环前缀得到一个完整码元d_i ⁹⁶¹，d_i ⁹⁶²，...d_i ¹⁰²⁴，d_i ¹，d_i ²，...d_i ¹⁰²⁴，共有N+L＝1088个采样点，

步骤(2.5)，把步骤(2.4)得到的每个码元送入按上所述采样频率频率f_s＝408kHz的DA转换电路，得到基带的模拟信号，

步骤(2.6)，按照步骤(2.1)~步骤(2.5)所述方法连续把并行的45组数据进行转换，得到1帧120ms的基带模拟信号，

步骤(2.7)，把步骤(2.6)得到的1帧120ms的基带模拟信号送入上变频电路进行上变频再发射。

本发明的特征之二在于，依次含有以下步骤：

步骤(1)，设定以下OFDM参数：

有用部分码元的时间长度T_u＝512T₀＝1.255ms，

保护间隔部分的时间长度为T_g＝64T₀＝0.157ms，

码元长度为 $T_S=T_u+T_g=576T_0=\frac{24}{17}\mathrm{ms},$

载波间隔 $\mathrm{\Δf}=\frac{1}{T_u}=796.875\mathrm{Hz},$

每个传输帧包含的码元数M＝85，

传输帧长度为T_F＝M·T_S＝120ms，

实载波数C_T＝123，

虚载波数C_I＝5，

系统带宽W＝C_T·Δf＝96.80kHz，

采样时间的间隔是T₀，采样时钟频率 $f_s=\frac{1}{T_0}=408\mathrm{kHz},$

有用码元采样点个数N＝4(C_T+C_I)，

保护间隔的采样点个数L＝T_g/T₀＝64；

步骤(2)，在OFDM传输系统中的发送端依次按以下步骤实现OFDM发送传输：

步骤(2.1)把待传输的数据按照帧长120ms划分成帧，再把成帧的数据送入串并转换电路，转换成C_T＝123个并行的数据流{c_i ^k}，其中i为码元序号，为整数，k为数据流编号，满足0≤k＜C_T，k∈Z，

步骤(2.2)，把步骤(2.1)中得到的每一组数据c_i ¹，c_i ²，...c_i ¹²³送入补0电路，在每一组所述数据的末尾补C_I个0，

步骤(2.3)，把步骤(2.1)中得到的在末尾补0后的每一组数据送入IFFT变换电路，变换参数N＝512，得到512点复数采样点d_i ¹，d_i ²，...d_i ⁵¹²，得到有用部分码元，

步骤(2.4)，把步骤(2.3)得到的有用部分码元送入循环前缀电路，把所述有用部分码元的末尾部分L＝64个采样点d_i ⁴⁴⁹，d_i ⁴⁵⁰，...d_i ⁵¹²，作为保护间隔，放置在所述有用部分码元起始位置之前作为循环前缀得到一个完整码元d_i ⁴⁴⁹，d_i ⁴⁵⁰，...d_i ⁵¹²，d_i ¹，d_i ²，...d_i ⁵¹²，共有N+L＝576个采样点，

步骤(2.5)，把步骤(2.4)得到的每个码元送入按上所述采样频率频率f_s＝408kHz的DA转换电路，得到基带的模拟信号，

步骤(2.6)，按照步骤(2.1)~步骤(2.5)所述方法连续把并行的85组数据进行转换，得到1帧120ms的基带模拟信号，

步骤(2.7)，把步骤(2.6)得到的1帧120ms的基带模拟信号送入上变频电路进行上变频再发射。

本发明提出的DFM系统OFDM参数方案，其优点主要包括，系统包含两种模式，分别为长码元模式和短码元模式，他们能分别适应对于功率效率要求较高的情况——对应长码元模式和对鲁棒性要求较高的情况——对应短码元；两种模式虽然具有不同的参数配置，但是他们具有相同的时间基准T₀和相同的传输帧长度；因此，两种模式对于向上层应用和底层硬件配置都能够互相兼容，有利降低整体系统的复杂度。有用码元长度为时间基准的1024倍(长码元模式)和512倍(短码元模式)，该长度有利于FFT设计。

附图说明

图1OFDM流程图；

图2系统框图。

具体实施方式

没有特殊说明的情况下，文中符号按照以下约定：

T_g：保护间隔时间长度，

T_u：有用部分码元时间长度，

f_s：采样时钟频率，

T₀：采样时间间隔，

N：有用码元采样点个数，

L：保护间隔采样点个数，

Δf：载波间隔，

M：一个传输帧内OFDM码元个数，

T_F：传输帧时长，

C_T：实载波数量，

C_I：虚载波数量，

W：系统带宽，

T_g，T_u，T_s，f_s，T₀，N，L，Δf，M，T_F，C_T，C_I，W之间总是满足：

$T_g=L\·T_0,T_u=N\·T_0,f_s=1/T_0,T_S=T_u+T_g,\mathrm{\Δf}=\frac{1}{T_u},C_T+C_l=\frac{N}{4},W=C_T\·\mathrm{\Δf}$

在带宽和功率严格受限的情况下，提高系统的带宽和功率效率是十分必要的；无线通信系统在提高功率带宽效率的同时，往往会降低系统的鲁棒性，从而降低了通信系统对多径效应、多普勒效应等的抵抗能力。合理的设计OFDM参数能有效在系统的功率效率带宽和鲁棒性之间找到合适的折衷点。本发明涉及在DFM系统中的OFDM参数设计。

本系统的采样时钟是f_s＝408kHz，一切与时间有关的参数都是 $T_0=\frac{1}{f_s}=2.45098\mathrm{us}$ 的整数倍。OFDM系统参数包含两个模式，后面称其为长码元模式和短码元模式。

在长码元模式下，有用码元部分的时间长度为T_u＝1024T₀＝2.510ms，保护间隔部分的时间长度为T_g＝64T₀＝0.157ms，码元长度为 $T_S=T_u+T_g=1088T_0=\frac{8}{3}\mathrm{ms},$ 载波间隔 $\mathrm{\Δf}=\frac{1}{T_u}=398.4375\mathrm{Hz},$ 每个传输帧包含M＝45个码元，传输帧长度为T_F＝M·T_S＝120ms，实载波数C_T＝245，虚载波数C_I＝11，系统带宽W＝C_T·Δf＝97.62kHz；

在短码元模式下，有用码元部分的时间长度为T_u＝512T₀＝1.255ms，保护间隔部分的时间长度为T_g＝64T₀＝0.157ms，码元长度为 $T_S=T_u+T_g=576T_0=\frac{24}{17}\mathrm{ms},$ 载波间隔 $\mathrm{\Δf}=\frac{1}{T_u}=796.875\mathrm{Hz},$ 每个传输帧包含M＝85个码元，传输帧长度为T_F＝M·T_S＝120ms，实载波数C_T＝123，虚载波数C_I＝5，系统带宽W＝C_T·Δf＝96.80kHz；

长码元模式实施过程参考图1；

待传输的数据按照帧长120ms划分成帧，然后将成帧的数据进行串并转换，将串行的数据转换成C_T＝245个并行的数据流{c_i ^k}，其中i代表码元序号，i为整数，k代表数据流编号，满足0Ωk＜C_T，k∈Z，即载波号。

完成串并转换后，在并行传输的每一组数据c_i ¹，c_i ²，...c_i ²⁴⁵末尾补0之后，再做IFFT变换，变换的点数为N，得到1024点复数采样点d_i ¹，d_i ²，...d_i ¹⁰²⁴，即有用部分码元，将有用部分码元的末尾L＝64个采样点d_i ⁹⁶¹，d_i ⁹⁶²，...d_i ¹⁰²⁴，作为保护间隔，放置在码元起始位置之前作为循环前缀得到d_i ⁹⁶¹，d_i ⁹⁶²，...d_i ¹⁰²⁴，d_i ¹，d_i ²，...d_i ¹⁰²⁴；由此获得N+L＝1088点的采样点，作为一个码元；将此码元实部按照f_s＝408kHz的采样率进行DA转换，得到基带的模拟信号。按照此方法连续将并行的45组数据进行转换，就得到1帧120毫秒的基带模拟信号。

接收的过程与上述信号的形成过程相反，在同步的情况下，取出采样数据...，d_i-1 ⁹⁶¹，d_i-1 ⁹⁶²，...d_i-1 ¹⁰²⁴，d_i-1 ¹，d_i-1 ²，...d_i-1 ¹⁰²⁴，d_i ⁹⁶¹，d_i ⁹⁶²，...d_i ¹⁰²⁴，d_i ¹，d_i ²，...d_i ¹⁰²⁴，...中的一个码元d_i ⁹⁶¹，d_i ⁹⁶²，...d_i ¹⁰²⁴，d_i ¹，d_i ²，...d_i ¹⁰²⁴，然后取出其中有用码元部分di1，di2，...di1024，对其进行FFT变换，取出变换结果前C_T＝245个就得到一个码元的数据，依此方法连续获得45个码元的数据就获得120ms一帧的数据。

短码元模式实施过程参考图1；

待传输的数据按照帧长120ms划分成帧，然后将成帧的数据进行串并转换，将串行的数据转换成C_T＝123个并行的数据流{c_i ^k}，其中i代表码元序号，i为整数，k代表数据流编号，满足0≤k＜C_T，k∈Z，即载波号。

完成串并转换后，在并行传输的每一组数据c_i ¹，c_i ²，...c_i ¹²³末尾补0之后，再做IFFT变换，变换的点数为N，得到512点复数采样点d_i ¹，d_i ²，...d_i ⁵¹²，即有用部分码元，将有用部分码元的末尾L＝64个采样点d_i ⁴⁴⁹，d_i ⁴⁵²，...d_i ⁵¹²，作为保护间隔，放置在码元起始位置之前作为循环前缀得到d_i ⁹⁶¹，d_i ⁹⁶²，...d_i ¹⁰²⁴，d_i ¹，d_i ²，...d_i ¹⁰²⁴；由此获得N+L＝576点的采样点，作为一个码元；将此码元实部按照f_s＝408kHz的采样率进行DA转换，得到基带的模拟信号。按照此方法连续将并行的85组数据进行转换，就得到1帧120毫秒的基带模拟信号。

接收的过程与上述信号的形成过程相反，在同步的情况下，取出采样数据...，d_i-1 ⁴⁴⁹，d_i-1 ⁴⁵⁰，...d_i-1 ⁵¹²，d_i-1 ¹，d_i-1 ²，...d_i-1 ⁵¹²，d_i ⁴⁴⁹，d_i ⁴⁵⁰，...d_i ⁵¹²，d_i ¹，d_i ²，...d_i ⁵¹²，...中的一个码元d_i ⁴⁴⁹，d_i ⁴⁵⁰，...d_i ⁵¹²，d_i ¹，d_i ²，...d_i ⁵¹²，然后取出其中有用码元部分d_i ¹，d_i ²，...d_i ¹⁰²⁴，对其进行FFT变换，取出变换结果前C_T＝123个就得到一个码元的数据，依此方法连续获得85个码元的数据就获得120ms一帧的数据。

Claims (2)

1.数字调频广播的OFDM系统发送传输方法，其特征在于，依次含有以下步骤：

步骤(1)，设定以下OFDM参数：

有用部分码元的时间长度T_u＝1024T₀＝2.510ms，

保护间隔部分的时间长度为T_g＝64T₀＝0.157ms，

码元长度为 $T_S=T_u+T_g=1088T_0=\frac{8}{3}\mathrm{ms},$

载波间隔 $\mathrm{\Δf}=\frac{1}{T_u}=398.4375\mathrm{Hz},$

每个传输帧包含的码元数M＝45，

传输帧长度为T_F＝M·T_S＝120ms，

实载波数C_T＝245，

虚载波数C_I＝11，

系统带宽W＝C_T·Δf＝97.62kHz，

采样时间的间隔是T₀，采样时钟频率 $f_s=\frac{1}{T_0}=408\mathrm{kHz},$

有用码元采样点个数N＝4(C_T+C_I)，

保护间隔的采样点个数L＝T_g/T₀＝64；

步骤(2)，在OFDM传输系统中的发送端依次按以下步骤实现OFDM发送传输：

步骤(2.1)把待传输的数据按照帧长120ms划分成帧，再把成帧的数据送入串并转换电路，转换成C_T＝245个并行的数据流{c_i ^k}，其中i为码元序号，为整数，k为数据流编号，满足0≤k＜C_T，k∈Z，

步骤(2.2)，把步骤(2.1)中得到的每一组数据c_i ¹，c_i ²，...c_i ²⁴⁵送入补0电路，在每一组所述数据的末尾补C_I个0，

步骤(2.3)，把步骤(2.1)中得到的在末尾补0后的每一组数据送入IFFT变换电路，变换参数N＝1024，得到1024点复数采样点d_i ¹，d_i ²，...d_i ¹⁰²⁴，得到有用部分码元，

步骤(2.4)，把步骤(2.3)得到的有用部分码元送入循环前缀电路，把所述有用部分码元的末尾部分L＝64个采样点d_i ⁹⁶¹，d_i ⁹⁶²，...d_i ¹⁰²⁴，作为保护间隔，放置在所述有用部分码元起始位置之前作为循环前缀得到一个完整码元d_i ⁹⁶¹，d_i ⁹⁶²，...d_i ¹⁰²⁴，d_i ¹，d_i ²，...d_i ¹⁰²⁴，共有N+L＝1088个采样点，

步骤(2.5)，把步骤(2.4)得到的每个码元送入按上所述采样频率频率f_s＝408kHz的DA转换电路，得到基带的模拟信号，

步骤(2.6)，按照步骤(2.1)~步骤(2.5)所述方法连续把并行的45组数据进行转换，得到1帧120ms的基带模拟信号，

步骤(2.7)，把步骤(2.6)得到的1帧120ms的基带模拟信号送入上变频电路进行上变频再发射。

2.数字调频广播的OFDM系统发送传输方法，其特征在于，依次含有以下步骤：

步骤(1)，设定以下OFDM参数：

有用部分码元的时间长度T_u＝512T₀＝1.255ms，

保护间隔部分的时间长度为T_g＝64T₀＝0.157ms，

码元长度为 $T_S=T_u+T_g=576T_0=\frac{24}{17}\mathrm{ms},$

载波间隔 $\mathrm{\Δf}=\frac{1}{T_u}=796.875\mathrm{Hz},$

每个传输帧包含的码元数M＝85，

传输帧长度为T_F＝M·T_S＝120ms，

实载波数C_T＝123，

虚载波数C_I＝5，

系统带宽W＝C_T·Δf＝96.80kHz，

采样时间的间隔是T₀，采样时钟频率 $f_s=\frac{1}{T_0}=408\mathrm{kHz},$

有用码元采样点个数N＝4(C_T+C_I)，

保护间隔的采样点个数L＝T_g/T₀＝64；

步骤(2)，在OFDM传输系统中的发送端依次按以下步骤实现OFDM发送传输：

步骤(2.1)把待传输的数据按照帧长120ms划分成帧，再把成帧的数据送入串并转换电路，转换成C_T＝123个并行的数据流{c_i ^k}，其中i为码元序号，为整数，k为数据流编号，满足0≤k＜C_T，k∈Z，

步骤(2.2)，把步骤(2.1)中得到的每一组数据c_i ¹，c_i ²，...c_i ¹²³送入补0电路，在每一组所述数据的末尾补C_I个0，

步骤(2.3)，把步骤(2.1)中得到的在末尾补0后的每一组数据送入IFFT变换电路，变换参数N＝512，得到512点复数采样点d_i ¹，d_i ²，...d_i ⁵¹²，得到有用部分码元，

步骤(2.4)，把步骤(2.3)得到的有用部分码元送入循环前缀电路，把所述有用部分码元的末尾部分L＝64个采样点d_i ⁴⁴⁹，d_i ⁴⁵⁰，...d_i ⁵¹²，作为保护间隔，放置在所述有用部分码元起始位置之前作为循环前缀得到一个完整码元d_i ⁴⁴⁹，d_i ⁴⁵⁰，...d_i ⁵¹²，d_i ¹，d_i ²，...d_i ⁵¹²，共有N+L＝576个采样点，

步骤(2.5)，把步骤(2.4)得到的每个码元送入按上所述采样频率频率f_s＝408kHz的DA转换电路，得到基带的模拟信号，

步骤(2.6)，按照步骤(2.1)~步骤(2.5)所述方法连续把并行的85组数据进行转换，得到1帧120ms的基带模拟信号，

步骤(2.7)，把步骤(2.6)得到的1帧120ms的基带模拟信号送入上变频电路进行上变频再发射。

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