OFDM系统中TCM调制解调器的设计与实现

摘要：介绍了一种正交频分复用系统中调制解调器的设计方法，正交频分复用的关键技术是编码和调制。传统的信道编码是将编码与调制分开设计，而网格码是将编码与调制作为一个整体进行设计的。对提出的设计方案进行仿真，实验结果表明该方法是合理有效的。
关键词：正交频分复用；网格编码调制；解调；维特比；网格法

0 引言
正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplex，OFDM)是目前已知的频谱利用率较高的一种通信系统，它将数字调制、数字信号处理、多载波传输等技术有机结合在一起，使得它在系统的频谱利用率、功率利用率、系统复杂性方面综合起来有很强的竞争力，是支持未来移动通信特别是移动多媒体通信的主要技术之一。在使用OFDM系统进行数据传输时，调制解调器的设计成为关键。这里OFDM调制解调器的设计选择了TCM网格编码调制(Trellis Coded Modulation)的方法，其特点是结合了时间和频率的间插。TCM码调制结合了卷积码和十六进制正交幅度调制从而达到一种高效编码而对传输的信号不产生影响。在接收端，网格编码通过维特比算法进行译码。

1 OFDM基本原理
OFDM的基本原理就是把高速的数据流通过串／并变换，分配到传输速率相对较低的若干个相互正交的子信道中进行传输。这样一个OFDM符号内就包含了多个经过调制的子载波信号。每一个信号可以是子载波的相位调制，也可以是子载波幅度和相位的联合调制，比如BPSK，QP-SK，16QAM等。图1给出了OFDM系统基本模型的框图。

2 TCM调制解调
2．1 TCM简介
TCM技术是一种将编码和调制结合在一起的技术。它与常规的非编码多进制调制相比具有较大的编码增益且不降低频带利用率，所以特别适合限带信道的信号传输。TCM系统使用冗余多进制调制与一个有限状态的网格编码器相结合，由编码器控制选择调制信号，以产生编码符号序列。在接收端，对带有噪声的信号用维特比软判决译码解调。
2．2 集分割与网格描述
所谓集分割是将一信号集接连地分割成较小的子集，并使分割后的子集内的最小空间距离得到最大增加。每一次分割都是将一较大信号集分割成较小的两个子集，这样可得到一个表示集分割的二叉树。每经过一级分割，子集数就加倍，而子集内最小距离亦增加。
TCM技术以编码序列的欧氏距离为调制设计的量度，就是使编码器和调制器二者级联后产生的编码信号具有最大的欧氏距离。从信号空间角度来看，这种设计方法实际上是一种对信号空间的最佳分割。TCM的最佳译码就是在信道输出端得到接收信号序列后，在网格图上找寻正确路径，正确路径的寻找用维特比算法完成。由于噪声的存在，最终选择的路径不可能完全与正确路径重合，即偶尔会在n时刻偏离正确路径，而在n+L时刻又与正确路径重合。当这种情况发生时，就产生一个长为L的错误事件。TCM的自由欧氏距离是任意一对形成错误事件的两条路径间的最小欧氏距离，显然与网格图上信号路径的最小跨度有关系。
2．3 Viterbi译码
网格码的调制可采用Viterbi译码来实现。Viterbi译码算法是一种卷积码的解码算法。算法规定t时刻收到的数据都要进行N次比较，就是N个状态每条路有两条分支，同时，跳转到不同的两个状态中去，将两条相应的输出和实际接收到的输出比较，量度值大的抛弃，留下来的就叫做幸存路径，将幸存路径加上下一时刻幸存路径的量度然后保存，这样N条幸存路径就增加了一步。在译码结束的时候，从N条幸存路径中选出一条量度最小的，反推出这条幸存路径，得出相应的译码输出。

3 TCM调制解调器的设计与实现
3．1 设计方案
本设计方案根据数字电视地面广播的信道模型进行设计，在设计中选取了2k模式的OFDM参数，DVBT系统程序设计流程图如图2所示。

3．2 调制解调原理图与流程图
数据进入编码器后，经过串／并变换，转换而成的两路并行信号进行码率为2／3的网格编码，以产生三路并行码。这三路并行码通过对D／A的接口进入D／A转换器。D／A转换器的输出信号与由频率合成器产生的1．024 GHz的载波一起进入正交调制器进行正交调制，调制后的信号通过射频输出接口，产生符合设计要求的射频输出信号。
TCM解调选用了维特比译码的方法，首先进行TCM逆映射，然后将要译码的数据送入维特比译码器，从而输出经过传输的数据。TCM调制与解调器原理图如图3所示。

3．3 仿真与分析
维特比硬判决通过网格图搜索最佳路径，这个最佳路径就是找到与接收序列在最小Hamming距离上的那条路径。译码时首先画出18级网格图，最后3级仅画出仅有全0输入序列的路径，逐级比较找出码距最小的路径，其余支路予以删除。当到达第19级全0状态时，沿着幸存路径回到初始全0状态的路径就是最佳路径，共有36比特。在最佳路径数字序列中，删掉最后的6个0后输出的就是进入卷积码的序列，由图4可得到验证。