1、單頻網(wǎng)1第一部分：OFDM2一、簡介OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）又叫做正交頻分復(fù)用。它與傳統(tǒng)的單載波傳輸方式不同，是一種多載波、寬帶的傳輸方法。3OFDM傳輸方法目前主要應(yīng)用于無線傳輸領(lǐng)域，它特別適合無線信道的傳輸特性。主要的應(yīng)用有DVB(T/H)、DAB/DMB、CMMB、802.11無限局域網(wǎng)等許多無線通信領(lǐng)域。一、簡介4二、無線信道特性無線信道與有線信道相比要復(fù)雜得多。在有線信道中對信號的主要損害來自于信號的衰減。而在無線領(lǐng)域中，除了信號強度會隨著傳輸距離的增加而衰減外，對信號的主要損害來自于衰落。衰減又叫做路徑損失，是

2、指信號的強度隨著覆蓋距離的增長而減弱。而在路徑損失之外，接收到的信號電平還呈現(xiàn)出波動的特性，這叫做衰落。衰落不同于衰減，它不是距離等某個參數(shù)的變量，而基本上是隨機的，因此，對衰落我們基本上無法做很好的或者長時間的預(yù)測，這就是隨機信道的概念 5衰落包括：大尺度衰落：表示接收的信號能量在一個較長時間內(nèi)的變化 小尺度衰落：表示接收的信號能量在短期內(nèi)的變化 衰落產(chǎn)生的主要原因就是電磁波在傳輸過程中受到建筑物、樹木、山丘甚至是空氣中的灰塵的阻礙，產(chǎn)生了折射、反射、衍射等現(xiàn)象造成的。 二、無線信道特性6二、無線信道特性大尺度衰落、小尺度衰落以及衰減示意圖7二、無線信道特性實際測量的信號傳播強度變化圖 8多

3、徑傳播：電波傳播過程中會受到物體的遮擋、吸收、反射、折射和衍射的影響，形成多條路徑信號分量到達接收機。不同路徑信號分量到達接收機有不同的傳播時延、相位和振幅，并附加有信道噪聲。他們相互疊加會使總的復(fù)合信號抵消或增強，導(dǎo)致嚴重衰落。使接收信號失真，造成差錯。 在數(shù)字通信系統(tǒng)中，由于多徑傳播的影響，各條路徑信號分量的疊加，會形成符號間干擾（ISI）。二、無線信道特性9二、無線信道特性10多徑傳播會引起：頻率選擇性衰落：固定接收時，由于多徑傳播，傳遞函數(shù)是頻率的函數(shù)（頻率選擇性）。時間選擇性衰落：移動接收時，由于多徑傳播，傳遞函數(shù)除了是頻率的函數(shù)（頻率選擇性），還是時間的函數(shù)。二、無線信道特性11移

4、動接收時，一方面信道環(huán)境不斷在發(fā)生變化，使信道特性隨時間隨機變化，另一方面由于多普勒效應(yīng)使接收到的信號嚴重失真。二、無線信道特性12二、無線信道特性對于傳統(tǒng)的單載波信號來說：從頻域看，寬帶系統(tǒng)是指系統(tǒng)中所傳送信號的帶寬大于信道相干帶寬的系統(tǒng)（相干帶寬：在某一特定的頻率范圍內(nèi)的任意兩個頻率分量都有很強的幅度相關(guān)性）；從時域看，寬帶系統(tǒng)是指系統(tǒng)中所傳送的符號周期小于信道最大多徑時延擴展的系統(tǒng)（最大時延擴展：首先到達接收天線的信號分量與最后到達接收天線的信號分量之間的時間差）。這就決定了傳統(tǒng)的單載波系統(tǒng)，當數(shù)據(jù)速率很快的時候，必然會受到頻率選擇性衰落的影響，并且會產(chǎn)生ISI，因此單載波系統(tǒng)在本質(zhì)上不

5、適合寬帶數(shù)據(jù)傳輸。13二、無線信道特性14三、OFDM原理151、OFDM的含義OFD（正交頻分）是指使用大量的子載波來代替通常的用以傳送一套節(jié)目的單個載波，這些子載波有相等的頻率間隔，所有子載波的頻率都是一個基本振蕩頻率的整數(shù)倍，在頻譜關(guān)系上是彼此正交的。這些子載波盡管靠得很近，且頻譜有部分重疊，但他們攜帶的信息在接受端仍可以彼此相分離。16OFDM頻譜的正交關(guān)系1、OFDM的含義17OFDM中多載波的時域傳輸1、OFDM的含義18要傳送的信息，按照一定的規(guī)則被分割后，分配在這些子載波上，如在DVB-T中，每一個副載波均可采用QPSK、16QAM、64QAM等調(diào)制方式與傳統(tǒng)的單載波傳輸方式相

6、比，加長了符號期，減少了由于多徑接收造成的符號間干擾，也使頻帶利用率得到提高。1、OFDM的含義19M（復(fù)用）是指在OFDM這種傳輸方法中，傳輸?shù)男畔⒉辉偈菃我坏碾娨暪?jié)目，而可能是多種業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)相互交織地分布在上述大量的載波上，形成一個頻率塊（如8MHz帶寬）。 1、OFDM的含義20OFDM使用了多個載波，需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)被分配到這些載波上同時傳輸，這與單載波系統(tǒng)相比就相當于是在頻域并行傳輸。2、多載波與單載波之間的比較212、多載波與單載波之間的比較22符號期加長可以大大減弱信道突發(fā)噪聲的影響：2、多載波與單載波之間的比較23符號期加長對傳輸帶來的另一個重要的好處是，可以減弱反射波的影響。

7、為簡單起見，僅以兩個接收路徑為例。以最短的路徑到達接收機的信號，我們稱為直接接收，具有一個長的時延的信號稱為反射接收。2、多載波與單載波之間的比較242、多載波與單載波之間的比較如果我們用n表示數(shù)據(jù)流中的各個符號，如果反射部分已經(jīng)超過符號持續(xù)期（符號期較短）才到達接收機，接收機中得到的信號實際是不同符號的疊加，形成相互干擾，人們稱這種干擾為符號間干擾（ISI）。252、多載波與單載波之間的比較如果將符號持續(xù)期加長到一定的程度，就會只是部分時間直接干擾相鄰的符號，這就大大減弱了多徑傳播的影響。26 但是，符號持續(xù)期也不能太長，符號期長，載波間隔就要變小，多普勒效應(yīng)的影響變大，這些都會影響傳輸可靠

8、性。2、多載波與單載波之間的比較273、保護間隔及其作用為了進一步增強信號的抗多徑干擾的能力，人們又在每個OFDM符號之前加上了一個保護間隔，這就使那些延遲時間小于保護間隔的多徑干擾無法影響到OFDM符號體本身，最大限度地消除了符號間干擾（包括相鄰符號間的干擾）。283、保護間隔及其作用29在每個符號的前面給出一個保護范圍，這個范圍對于解調(diào)來說是不需要的（因此人們也將保護間隔后面的符號長度稱為符號有效期），在保護間隔范圍內(nèi)出現(xiàn)符號間干擾是完全無影響的。留下的足夠的時間部分（即符號有效期部分），總是屬于同一個符號，它們可以彼此相疊加。在信號接收時，解碼器只提取符號的有效期。因此當多徑信號存在時，

9、只要延遲時間不超過保護間隔，那么信號雖然在保護間隔內(nèi)產(chǎn)生ISI，但是對于符號有效期內(nèi)，每一路多徑信號都可以看做是疊加在主信號上的有用信號，是建設(shè)性的貢獻。3、保護間隔及其作用30保護間隔持續(xù)期的選擇應(yīng)當謹慎，必須根據(jù)傳播條件來配置。保護間隔的長度一般要大于無線電信道的最大時延擴展。如果選擇的太短，在強壯性方面就會喪失一部利益。反之，如果太長，就會占用更多的信號傳送時間，造成信息傳送效率降低。因此這是個折中的選擇。 在DVB-T中這段保護間隔的長度可以根據(jù)信道狀況設(shè)置為OFDM符號長度的1/4、1/8、1/16和1/32。 3、保護間隔及其作用31保護間隔內(nèi)一般不會是一段信號空白，其中的添加物不

10、同的標準有不同的規(guī)定。在DVB-T中這段間隔添加了循環(huán)前綴。就是將OFDM信號末尾的一段內(nèi)容搬移到保護間隔內(nèi)，這樣看起來好像是信號循環(huán)了，因此稱作循環(huán)前綴。這樣做的好處是不破壞OFDM信號子載波的正交性（因為在IFFT過程中，在數(shù)學上來說是具有周期性的），信號抵抗信道干擾的能力較強。 3、保護間隔及其作用323、保護間隔及其作用保護間隔的形成334、OFDM信號的生成及信號特性下圖是OFDM信號的生成和解調(diào)原理示意圖：實際上就是每個子載波上的數(shù)據(jù)，乘以該子載波的頻率，解調(diào)過程反之。這與IFFT的數(shù)學公式一致。34因此，在生成OFDM信號時采用IFFT運算： 式中k表示第k個子載波，N表示一共有

11、N個子載波，Sk表示第k個子載波上調(diào)制的信息。si就是最后生成的OFDM時域信號。 而在接收端使用FFT運算進行OFDM解調(diào)： 4、OFDM信號的生成及信號特性354、OFDM信號的生成及信號特性O(shè)FDM信號的生成過程36而多載波的并行使得OFDM信號在頻域上的表現(xiàn)類似于帶通信號。下圖就是DVB-T 2k模式的頻譜圖。4、OFDM信號的生成及信號特性374、OFDM信號的生成及信號特性384、OFDM信號的生成及信號特性眾多載波相疊加就形成了如下的OFDM信號時域波形：類似于白噪聲。395、OFDM信號的優(yōu)缺點優(yōu)點：把高速數(shù)據(jù)流通過串并轉(zhuǎn)換，使得每個子載波上的數(shù)據(jù)符號持續(xù)長度相對增加，從而有效

12、減小無線信道的時間彌散所帶來的ISI，減小了接收機內(nèi)均衡的復(fù)雜度，甚至不采用均衡器，僅通過插入循環(huán)前綴的方法消除ISI。由于OFDM各個子載波之間存在正交性，允許子信道的頻譜互相重疊 ，因此與常規(guī)的頻分復(fù)用系統(tǒng)相比，OFDM系統(tǒng)可最大限度的利用頻譜資源。各個子信道中這種正交調(diào)制和解調(diào)可以采用IDFT和DFT方法來實現(xiàn)，技術(shù)實現(xiàn)復(fù)雜度低。OFDM系統(tǒng)可以很容易的通過使用不同數(shù)量的子信道來實現(xiàn)上行下行鏈路中不同的傳輸速率。OFDM系統(tǒng)可以在一定程度上抵抗窄帶干擾。窄帶干擾只影響少 數(shù)子載 波，可以通過信道解碼發(fā)現(xiàn)并予以糾正很容易實現(xiàn)單頻網(wǎng)（SFN），節(jié)約頻率與功率。40缺點：對載波頻率偏移和定時誤

13、差的敏感程度比單載波系統(tǒng)高；有較高的峰值系數(shù)（即較高的峰值平均值功率比），對放大器的線性要求高。5、OFDM信號的優(yōu)缺點41第二部分：單頻網(wǎng)（SFN）42一、多頻網(wǎng)多頻網(wǎng)就是我們傳統(tǒng)中使用的無線覆蓋方式。它的特點就是在覆蓋網(wǎng)中的每一個發(fā)射機都使用獨自的頻率，在一定范圍內(nèi)所有的發(fā)射機之間的頻率都不相同。比如在FM廣播中，只有相距240km以上的兩個發(fā)射機才允許使用相同的頻率。中央廣播電臺的音樂之聲頻道，在北京使用的是90.0MHz，在石家莊則是105.1MHz。 43一、多頻網(wǎng)44單頻網(wǎng)又叫做同步網(wǎng)，是由處于不同地點的許多發(fā)射臺構(gòu)成的，這些發(fā)射臺的發(fā)射機使用同一頻率，在相同的時間里發(fā)射相同的節(jié)目

14、內(nèi)容。在數(shù)字地面電視系統(tǒng)中的“單頻”是指在網(wǎng)內(nèi)所有的發(fā)射機都使用中心頻率相同的帶寬為8MHz的頻率塊。既然所有的發(fā)射機都使用同一頻率覆蓋，因此覆蓋網(wǎng)的范圍就可以任意大小了。 二、單頻網(wǎng)概述45二、單頻網(wǎng)概述46單頻網(wǎng)的“三同”頻率同步 fn(f/100) 時間同步 通常采用1s比較適中，所以需要提供精度好于1s的時間標準 。比特同步 要求發(fā)射的節(jié)目是一樣的，不要唱兩臺戲二、單頻網(wǎng)概述47單頻網(wǎng)的理論基礎(chǔ)就是OFDM：在單頻網(wǎng)中，不同發(fā)射機同時同頻發(fā)射出來的同樣的信號，對網(wǎng)中的接收機來說，實際上就相當于多徑信號。當一個接收機在單頻網(wǎng)中接收節(jié)目時，總是以其中一個發(fā)射機作為主信號來源，那么從其它的發(fā)

15、射機到達接收機的信號就成了干擾信號，造成多徑干擾。當多徑的最大延遲與信元持續(xù)期可比或者大于時（從頻譜角度看就是信號帶寬大于信道相關(guān)帶寬），就會對主信號產(chǎn)生破壞。 二、單頻網(wǎng)概述48三、單頻網(wǎng)的優(yōu)勢1、功率節(jié)約：單頻覆蓋網(wǎng)系統(tǒng)可以使網(wǎng)內(nèi)所有到達接收機的信號，建設(shè)性地相加形成總的信號，只要這些信號的時延差不超出保護間隔。這種效應(yīng)稱為單頻網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)增益。據(jù)實驗數(shù)據(jù)表明，對于相同的覆蓋范圍和覆蓋效果而言，單頻網(wǎng)功率節(jié)約可達10dB，也就是說使用的功率是多頻網(wǎng)的1/10。 49三、單頻網(wǎng)的優(yōu)勢50三、單頻網(wǎng)的優(yōu)勢512、頻率節(jié)約：單頻網(wǎng)的頻率經(jīng)濟性（頻譜利用率）由同步網(wǎng)的規(guī)模大小決定。同步網(wǎng)的區(qū)域越大，頻

16、率越經(jīng)濟。例如在DAB中，頻譜利用率至少是模擬FM廣播的3倍。而在小范圍覆蓋中，因為單頻網(wǎng)內(nèi)的發(fā)射機功率要大大小于多頻網(wǎng)發(fā)射機，因此頻率的“再用距離”（或叫做“退耦距離”）也要小得多，這樣也相當于節(jié)省了頻率資源。 三、單頻網(wǎng)的優(yōu)勢523、提高覆蓋效果：在無線覆蓋中，不可避免地會出現(xiàn)覆蓋的“陰影區(qū)” 。這種現(xiàn)象在大城市中更加明顯。傳統(tǒng)的方法就是提高發(fā)射機功率，但即使這樣做對陰影區(qū)域的覆蓋效果的提升依然不明顯，況且一味地提高功率還會帶來電磁污染、多徑效應(yīng)明顯等一系列負面影響。單頻網(wǎng)就可以很好地解決這個問題，只需要一個小功率的信號接收轉(zhuǎn)發(fā)器就行了。三、單頻網(wǎng)的優(yōu)勢53三、單頻網(wǎng)的優(yōu)勢我們可以建立一個

17、專門指向陰影區(qū)的天線，使用相同的頻率對陰影區(qū)進行“補點”。這在多頻網(wǎng)中是限制很嚴格的，而且如果使用不同的頻率補點，那么用戶每進入一個陰影區(qū)就得調(diào)一次接收頻率，這樣非常麻煩。這些問題都在單頻網(wǎng)中得到了完美的解決，而且即使補點天線的覆蓋范圍超過了陰影區(qū)也沒有問題。54四、單頻網(wǎng)的構(gòu)建1、單頻網(wǎng)的組成55前端信號通過SDH光纖網(wǎng)絡(luò)送到單頻網(wǎng)中的每個發(fā)射臺。光傳輸端機由發(fā)、收端機組成。發(fā)端機又稱為光發(fā)射機，將輸入TS傳輸流、數(shù)據(jù)或音頻碼流輸入激光調(diào)制模塊，輸出的光調(diào)制信號經(jīng)光纜傳送到收端機，又稱光接收機。收端機光解調(diào)后恢復(fù)時鐘和數(shù)據(jù)再經(jīng)拆幀、分路恢復(fù)出視音頻TS流、數(shù)據(jù)或音頻碼流。然后每個發(fā)射臺同時、

18、同頻地發(fā)射相同的內(nèi)容，構(gòu)成單頻廣播網(wǎng)。四、單頻網(wǎng)的構(gòu)建562、單頻網(wǎng)的構(gòu)建： 單頻網(wǎng)的工作基礎(chǔ)就是OFDM信號對多徑傳播的抵抗能力。因此在構(gòu)建單頻網(wǎng)時最先考慮的問題就是，要使各個發(fā)射機發(fā)射的信號到達接收機時的最大時間差不能超過OFDM允許的最大時延，也就是不能超過OFDM的保護間隔。四、單頻網(wǎng)的構(gòu)建57模式8k（896s）2k（224s）保護間隔1/41/81/161/321/41/81/161/32保護間隔長度224s112s56s28s56s28s14s7s最大距離67.2km33.6km16.8km8.4km16.8km8.4km4.2km2.1km四、單頻網(wǎng)的構(gòu)建雖然采用大的保護間隔可

19、以補償長距離的反射波，但是同樣會降低有用碼流的使用率，因此使用多大的保護間隔要根據(jù)當前傳輸環(huán)境的典型應(yīng)用來確定?；旧弦篃o論是多徑傳播還是單頻網(wǎng)不同發(fā)射天線之間的信號，到達網(wǎng)內(nèi)接收機的最大時間差，必須要小于保護間隔。這需要經(jīng)過多方面的權(quán)衡。例如專家們定義的DVB-T標準中的保護間隔如下表所示： 58四、單頻網(wǎng)的構(gòu)建 上表這些數(shù)據(jù)中的“發(fā)射臺之間最大距離”是直接使用“保護間隔光速”計算出來的，只是理論值。 在實際應(yīng)用環(huán)境中，每個發(fā)射機到接收機之間還不可避免地存在著多徑傳播，這些多徑實際上是增加了傳輸距離。因此，在實際應(yīng)用中要為多徑傳播考慮一定量的冗余，所以，實際應(yīng)用時發(fā)射機之間的距離要略小于理

20、論值。 但是基本上可以看到大的保護間隔適合發(fā)射塔之間距離較長的大型網(wǎng)，小的保護間隔適合小范圍網(wǎng)。保護間隔的范圍越大，允許的兩個發(fā)射機的間距越大，但是，帶寬的利用率也越低?？偟膩碚f，8k模式可以支持較長的保護間隔，發(fā)射機的間距也大，功率可以高些，2k模式的保護間隔較小，發(fā)射機間距小，功率可以低些。 59四、單頻網(wǎng)的構(gòu)建 上表的發(fā)射機距離是最“保守”的一種情況，就是說一個發(fā)射機所處的位置肯定是在另一個相鄰發(fā)射機OFDM信號保護間隔所允許的范圍之內(nèi)。在這種情況下，無論以哪個發(fā)射機為主發(fā)射機，或者從任何方向上計算覆蓋距離，兩臺發(fā)射機所造成的信號時間差都不會大于保護間隔。這樣的單頻網(wǎng)結(jié)構(gòu)可以用下圖的方式

21、表示： 60四、單頻網(wǎng)的構(gòu)建如果有多臺發(fā)射機，那么就使任意兩臺之間的距離不超過保護間隔的允許范圍，如下圖： 61四、單頻網(wǎng)的構(gòu)建但是在有些情況下，發(fā)射機之間的距離不總是一定能滿足表中最大距離的限制，這樣就有可能產(chǎn)生同頻干擾。如下面圖中描述的： 在這些情況下，我們依然可以通過仔細地設(shè)置發(fā)射機的功率、時間延遲等參數(shù)來滿足保護間隔的要求，消除同頻干擾。 62四、單頻網(wǎng)的構(gòu)建對于案例三。首先在重疊區(qū)域選取一個點，使兩個發(fā)射機到達這個點的距離差最大，例如F，這樣就又分成三種情況： 63四、單頻網(wǎng)的構(gòu)建 此時需要對發(fā)射機A的信號做延遲處理。假設(shè)延遲的時間為t，那么延遲的原則就是使下面的不等式成立： 同時

22、64四、單頻網(wǎng)的構(gòu)建 A與B之間的距離大于D且覆蓋范圍也很大。在這種情況一般屬于設(shè)計錯誤，只能選擇功率較小的發(fā)射機，使之改變?yōu)榘咐?-1或3-2的情況；或者將兩個發(fā)射機的位置重新設(shè)計，使之成為案例一的情況。 但是這種案例情況也不是不可能出現(xiàn)。如果在A、B點之間有山丘等大型障礙物的阻擋時，兩臺發(fā)射機的功率雖然比較大，但是相互之間的影響卻不大，此時的單頻網(wǎng)是可以正常運行的。 65 在案例四中實際上主要是要考慮發(fā)射機A和C之間的情況。而這兩者之間的情況在案例三中已經(jīng)做了詳細的分析。其中需要注意的是，當A與C之間的情況屬于案例3-2的時候，其中一個發(fā)射機做了延遲（假設(shè)A做了延遲）。那么，此時除了要考慮

23、A、C之間的關(guān)系之外，還要考慮A和B之間的關(guān)系。因為當A產(chǎn)生了延遲后，相當于拉大了A與B之間的距離。但是我們總可以通過兩兩分析得到最佳設(shè)計方案。下面我們再來分析案例四。四、單頻網(wǎng)的構(gòu)建66五、單頻網(wǎng)的測試 測試接收機要求完全符合單頻網(wǎng)標準，能夠?qū)藴手幸?guī)定的所有的信號形式進行接收，同時輸出接收的結(jié)果。同時信號的測試必須是實時性的。測試接收機應(yīng)該包括以下接口：天線信號輸入口、檢測數(shù)據(jù)輸出口和接收信號輸出口等。 67室外測試 室外測量主要內(nèi)容是使用測試接收機測量DVB-T單頻網(wǎng)戶外覆蓋情況。一般將測試接收機安置在車輛上，在行進中測量。測試車上要安裝各種天線以便全面測試接收效果，比如固定天線（指安裝

24、于距離地面3m的全向性和增益的天線，主要應(yīng)用在公交車輛上）和B類便攜天線（指距離地面高度1.5m的戶外嵌入式或外接式天線，也稱室外便攜式）等。在測量過程中要注意速度、位置、時間、氣象等客觀因素。 五、單頻網(wǎng)的測試68室內(nèi)測試 室內(nèi)測量主要內(nèi)容是使用測試接收機測量單頻網(wǎng)室內(nèi)覆蓋情況。一般來說在相同的地理位置，室外接收效果要好于室內(nèi)接收效果，因此室內(nèi)測試是檢驗單頻網(wǎng)覆蓋好壞的重要標準。在室內(nèi)一般不用考慮接收設(shè)備的移動情況，但是位置因素就很關(guān)鍵。在測試時要考慮不同的樓層（高度）、朝向發(fā)射天線和背向發(fā)射天線的房間、戶外是否有建筑物遮擋等不同因素對接收效果的影響。通常在樓群密集的小區(qū)很容易形成覆蓋的陰影區(qū)，但這些地方也同時是人群密度比較大的地方，用戶眾多，因此