OFDM信号构成
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一、OFDM综述
OFDM（正交频分复用）技术是在频分复用的基础上发展起来的，是一种无线环境下的高速传输技术，是一种多载波调制方式。在传统的频分复用(FDM)系统中，各载波上的信号频谱没有重叠(如图1a所示)，以便接收机中能用传统的滤波器方法将其分离、提取，这样做的最大缺点是频谱利用率低，造成频谱浪费。OFDM技术区分各个子信道的方法是利用各个子载波之间严格的正交性。它允许子载波频谱部分重叠，只要满足子载波间相互正交则可以从混叠的子载波上分离出数据信息。当载波间最小间隔等于数据码字周期倒数的整数倍时，可满足正交条件。为了提高频谱效率，一般取最小间隔等于数据码字周期的倒数（1/T）。OFDM的信号频谱如图1b所示，每一子载波的频谱形状均为sinx/x涵数形。
OFDM是把高速数据流通过串并转换，将高速数据码流变成低速数据码流，然后调制到各个子载波上（QPSK或QAM），如将1010101010101010的数据码流经过串并转换分割成1010、1010、1010、1010四个较低比特数的码流（称为码字），显然，每个比特数据的持续时间的长度将增加（是原来的4倍），从而大大减少传输的误码率。计算例子： DVB-C系统码字率（应该说是符号率，在这里为了和OFDM的符号区分开来，所以称为码字率）多是6.9565Ms/s，那么其码字长度是：1/6.9565＝0.1438μs。如用OFDM(2K)来调制，则有0.1438×1705＝245.179μs，如用8K模式则有0.1438×6817＝980.2846μs，可见码字长度增加了很多。
由于存在多径接收的原因，无线信道的频率响应曲线，大多是非平坦的，而OFDM技术的主要思想就是在频域内将给定信道分成许多正交子信道，在每个子信道上使用一个子载波进行调制（采用QPSK或QAM调制），并且各子载波并行传输，这样，尽管总的信道是非平坦的，但，在每个子信道上进行的是窄带传输（带宽很窄），在QPSK调制方式下，是2个比特，在64QAM调制方式下是6个比特。所以每个子信道是相对平坦的，从而能抵抗多径引起的频率选择性衰落。
OFDM一个频道的8MHZ射频带宽内等间隔地设置了多个子载波，如1705个（为2K模式）或6817个（8K模式）。这样8MHZ内就有1705个或6817个间隔为4.4647KHZ或1.116KHZ的子载波，符号长度是224μs或896μs。要对一个高码率的数据信号进行OFDM调制，首先将此数据信号经串/并转换成低码率信号，然后，对各个子载波进行QAM调制，最后将所有已调的子载波通过一个加法器加起来，形成一路总合路信号，即OFDM信号。在接收端，对ODFM信号再进行反变换，就可还原出原数据信号了。
在具体实现ODFM调制时，不可能产生有严格相位关系的1705个载波(2k模式)和调制器，实际做法是利用快速富里叶反变换（IFFT）原理，依靠高速集成芯片来构成简单的调制器。OFDM系统结构核心是一对富里叶变换。
输入的比特流经串/并转换，变为n路并行的分组，每组的比特数为x（如2、4、6比特，视采用什么调制方式而不同，对应QPSK、16QAM、64QAM），通过信号映射，将每比特组的4个比特的状态映射成16QAM星座图中相应的点上，产生I、Q值并用复数表示：Dn=In+jQn，这个复数序列经过IFFT变换后，得到了由n个复数组成的矢量集，将这个矢量集的实部通过一个并/串转换和低通滤波器取出并处理，就得到ODFM信号了。上图是50个子载波的ODFM频谱图。
在OFDM中，数据的每一个码字映射成一个子载波，即码字由子载波构成，子载波的数目决定了FFT的点数，有四种类型的子载波：
1、数据子载波：用来数据传输。
2、导频子载波：用于信道估计等。
3、传输参数信令载波（TPS）。含有为方便接收终端接收信号的所需的参数，例如：调制方式（QPSK，16QAM，64QAM），信号纠错码（1/2，2/3，3/4，5/6，7/8），2k
和 8k 模式，保护间隔（1/4，1/8，1/16，1/32）等。
TPS上所传输的数据共有68个比特，构成一个TPS数据块，每个OFDM符号中传输其中的一个比特，一个OFDM帧正好传输一个TPS数据块，TPS数据块以OFDM帧为周期循环传送。TPS数据块的定义为：1个初始化比特、16个同步比特、37个信息比特、14个误码校验比特，在37个信息比特中，目前只使用了23个，其余14个留待将来使用，应置为0。表1是TPS比特的定义内容：
表1
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TPS比特序列号 |
数据含义 |
数据格式 |
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S0 |
初始位 |
BPSK调制初始位，它由PRBS随机序列发生器生成 |
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S1- S16 |
同步字 |
0011010111101110
或
1100101000010001 |
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S17-S22 |
TPS长度指示 |
010111 如果不采用覆盖区域蜂窝号码 011111 如果采用覆盖区域蜂窝号码 |
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S23, S24 |
帧序号 |
00：超级帧的第一帧 01：超级帧的第二帧 10：超级帧的第三帧 11：超级帧的第四帧 |
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S25, S26 |
调制方式 |
00:QPSK 01:16QAM 10:64QAM 11:未定义 |
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S27, S28, S29 |
等级调制信息 |
000:非等级调制 001:等级调制，Alpha=1，原交织器 010：等级调制，Alpha=2，原交织器 011：等级调制，Alpha=4，原交织器 100：非等级调制，8k交织器 ***** 101：等级调制，Alpha=1，8k交织器***** 110：等级调制，Alpha=2，8k交织器***** 111：等级调制，Alpha=4，8k交织器***** |
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S30, S31, S32 |
高优先级等级调制FEC纠错 |
000:1/2 001:2/3 010:3/4 011:5/6 100:7/8 101,110,111:未定义 |
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S33, S34, S35 |
低优先级等级调制FEC纠错码 |
000:1/2 001:2/3 010:3/4 011:5/6 100:7/8 101,110,111：未定义 |
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S36 , S37 |
保护间隔 |
00:1/32 01:1/16 10:1/8 11:1/4 |
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S38, S39 |
传输模式 |
00:2k 01:8k 10:4k 11:未定义 |
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S40 – S47 |
覆盖区域蜂窝号码 |
当传输第1和第3帧时，对应蜂窝号码Cell_ID15-8高比特序号； 当传输第2和第4帧时，对应蜂窝号码Cell_ID7-0低比特序号 |
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S48 – S53 |
DVB-H模式 |
1:DVB-H； 0:非DVB-H***** |
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S49 |
时间切片 |
1:有；0:无***** |
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S50 |
TS数据节层纠错 |
1:有；0:无***** |
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S51-S52 |
未来使用 |
全部设置为零 |
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S54 –S67
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纠错保护码 |
BCH编码 |
4、虚拟子载波： 在有效载波数的基础上，通常会加入一些虚拟载波使其载波总数达到 2 的 n 次方。例如：加入虚拟载波以后 8k 模式的总载波数量为 8192，是 2
的 13 次方，2k
模式的总载波数量为2048，是 2
的 11 次方，以方便计算机采用快速富里叶反变换，这也是 2k 和 8k 模式名称的由来。在接收机端，通过采用快速富里叶变换，机顶盒可以解调出2K或8k 的OFDM信号。
OFDM中，由于存在多径接收的原因，所以存在符号间的干扰。当反射信号的延时时间较长时，反射信号将可能落在有效子载波的位置，造成符号间的干扰，为避免可能的符号间干扰，采用了在有效符号持续期Ts的起始部分加入一段保护间隔Tg的方法，Tg的长度可以是Ts的1/4、1/8、1/16或1/32，Ts＋Tg＝Tu是总的符号持续期。OFDM的保护间隔示意图如图2所示。
图2中表明，在保护间隔Tg 时间内传输的是Ts中最后一部分的内容(循环前缀)。加入保护间隔后，只要反射波与直达波之间的延时差不超过Tg，就不会发生符号间干扰。可见保护间隔减小了多径传输的影响，代价是降低了数据传输速率，带宽效率下降，数据传输速率最大降低为TU/4，最小为TU/32，视保护间隔时间Tg的设定而定。Tg是根据实际的接收地点环境情况（反射波的最长延时）而定的。图3显示了保护间隔对消除反射波干扰的作用。
表2是在不同的保护间隔下对应不同的总符号长度。
表2
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模式 |
8K |
2K |
||||||
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保护间隔 |
1/4 |
1/8 |
1/16 |
1/32 |
1/4 |
1/8 |
1/16 |
1/32 |
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有效符号长度 |
896μs |
224μs |
||||||
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保护间隔长度 |
224μs |
112μs |
56μs |
28μs |
56μs |
28μs |
14μs |
7μs |
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总长度 |
1120μs |
1008μs |
952μs |
924μs |
280μs |
252μs |
238μs |
231μs |
ODFM的数据帧结构如下（图4是一个超级帧的结构图）：
1 巨级帧= 2 超级帧
1 超级帧= 4 帧
1 帧= 68 符号
1 符号= 6817个载波(8k)
或1705个载波(2k)
1 载波= 2 比特（QPSK），或4 比特（16QAM），或6
比特（64QAM）
在OFDM传输信道中，在移动接收下由于多谱勒效应所引起的频移，从而破坏了子波间的正交性导致在接收端不能正确分离各个子载波，为此，还将一些幅度和位置的信息映射为导频载波插入到载波信号中，这些幅度和位置的信息数据是从一个事先规定的伪随机序列发生器中生成的伪随机序列。所有的信道衰减系数都从这些导频符号内插估计产生，为了提高信道估计的性能，这些导频载波比数据载波高于3db的功率发送。导频载波不传送任何有用信号码流，其作用除了抵抗各种干扰外，还用作预估信号的幅度及相位，将预估的结果提供给接收机，使接收机能够了解每一个载波的频率和相位的失真，这叫做信道估计，然后接收机根据这些信息被对信号幅度及相位进行校正，称为信道均衡。
导频载波分为两类，对于2k和8k模式它们分别是连续导频(45个或177个)和散布导频(131个或524个)。
连续导频载波，这些导频载波总是位于OFDM调制的一些固定位置且幅度逐渐增强，它们主要用于计算相位误差，相位误差来自于移动接收时的多谱勒效应和机顶盒内本机振荡器的相位噪声，这使得混频后各不同字符的子载波（中频）相位产生一定的误差。连续导频就是用来计算第n个字符的相位移动，然后再计算下一个字符的相位移动，它们之间的差就是相位误差。
散布导频载波以某种特定的方式分布在OFDM调制的载波当中，它与连续导频共同实现信道的预估及纠错。
散布导频的位置在不同的OFDM符号中有所不同，但以四个OFDM符号为周期循环，也就是说第1、2、3、4个OFDM符号中的散布导频的位置各不相同，但第5个OFDM符号与第1个OFDM符号中的导频位置是相同的，第6个OFDM符号与第2个OFDM符号中的导频位置是相同的，第7个OFDM符号与第3个OFDM符号中的导频位置是相同的，第8个OFDM符号与第4个OFDM符号中的导频位置是相同的，…，其余OFDM符号依此类推，如图5所示。
不论导频的位置如何变化，除去上述所说的2―4种载波外，乘下的各OFDM符号中用于传输有效节目信息的载波的数目都是恒定的，在2k模式中为1512，在8k模式中为6048。
下面是2K和8K模式的载波组成情况：
8k模式：总载波数量6817=6048（数据）+68（传数参数信令）+701（导频）
2k模式：总载波数量1705=1512（数据）+17（传数参数信令）+176（导频）
根据上面所述，计算一下在8MHZ带宽下OFDM的2K模式和8K模式的数据传送速率。
设采用16QAM方式调制，保护间隔是1/8，那么在2K模式下根据表2每个符号总长度是252μs，则有：
1×106/252＝3968.254符号/秒
由于每个符号由1512个码字（子载波）组成，所以有：
3968.254×1512＝6000000码字/秒
因为采用16QAM所以每码字比特数为：4，有：
6000000×4＝24Mbps
可见在2K模式下，OFDM的数据传输速率是24Mbps。同样算出在8K模式下，其数据传输速率也是24Mbps。