OFDM系統中TCM調制解調器的設計與實現

摘要：介紹了一種正交頻分復用系統中調制解調器的設計方法，正交頻分復用的關鍵技術是編碼和調制。傳統的信道編碼是將編碼與調制分開設計，而網格碼是將編碼與調制作為一個整體進行設計的。對提出的設計方案進行仿真，實驗結果表明該方法是合理有效的。
關鍵詞：正交頻分復用；網格編碼調制；解調；維特比；網格法

0 引言
正交頻分復用(Orthogonal Frequency Division Multiplex，OFDM)是目前已知的頻譜利用率較高的一種通信系統，它將數字調制、數字信號處理、多載波傳輸等技術有機結合在一起，使得它在系統的頻譜利用率、功率利用率、系統復雜性方面綜合起來有很強的競爭力，是支持未來移動通信特別是移動多媒體通信的主要技術之一。在使用OFDM系統進行數據傳輸時，調制解調器的設計成為關鍵。這里OFDM調制解調器的設計選擇了TCM網格編碼調制(Trellis Coded Modulation)的方法，其特點是結合了時間和頻率的間插。TCM碼調制結合了卷積碼和十六進制正交幅度調制從而達到一種高效編碼而對傳輸的信號不產生影響。在接收端，網格編碼通過維特比算法進行譯碼。

1 OFDM基本原理
OFDM的基本原理就是把高速的數據流通過串／并變換，分配到傳輸速率相對較低的若干個相互正交的子信道中進行傳輸。這樣一個OFDM符號內就包含了多個經過調制的子載波信號。每一個信號可以是子載波的相位調制，也可以是子載波幅度和相位的聯合調制，比如BPSK，QP-SK，16QAM等。圖1給出了OFDM系統基本模型的框圖。

2 TCM調制解調
2．1 TCM簡介
TCM技術是一種將編碼和調制結合在一起的技術。它與常規的非編碼多進制調制相比具有較大的編碼增益且不降低頻帶利用率，所以特別適合限帶信道的信號傳輸。TCM系統使用冗余多進制調制與一個有限狀態的網格編碼器相結合，由編碼器控制選擇調制信號，以產生編碼符號序列。在接收端，對帶有噪聲的信號用維特比軟判決譯碼解調。
2．2 集分割與網格描述
所謂集分割是將一信號集接連地分割成較小的子集，并使分割后的子集內的最小空間距離得到最大增加。每一次分割都是將一較大信號集分割成較小的兩個子集，這樣可得到一個表示集分割的二叉樹。每經過一級分割，子集數就加倍，而子集內最小距離亦增加。
TCM技術以編碼序列的歐氏距離為調制設計的量度，就是使編碼器和調制器二者級聯后產生的編碼信號具有最大的歐氏距離。從信號空間角度來看，這種設計方法實際上是一種對信號空間的最佳分割。TCM的最佳譯碼就是在信道輸出端得到接收信號序列后，在網格圖上找尋正確路徑，正確路徑的尋找用維特比算法完成。由于噪聲的存在，最終選擇的路徑不可能完全與正確路徑重合，即偶爾會在n時刻偏離正確路徑，而在n+L時刻又與正確路徑重合。當這種情況發生時，就產生一個長為L的錯誤事件。TCM的自由歐氏距離是任意一對形成錯誤事件的兩條路徑間的最小歐氏距離，顯然與網格圖上信號路徑的最小跨度有關系。
2．3 Viterbi譯碼
網格碼的調制可采用Viterbi譯碼來實現。Viterbi譯碼算法是一種卷積碼的解碼算法。算法規定t時刻收到的數據都要進行N次比較，就是N個狀態每條路有兩條分支，同時，跳轉到不同的兩個狀態中去，將兩條相應的輸出和實際接收到的輸出比較，量度值大的拋棄，留下來的就叫做幸存路徑，將幸存路徑加上下一時刻幸存路徑的量度然后保存，這樣N條幸存路徑就增加了一步。在譯碼結束的時候，從N條幸存路徑中選出一條量度最小的，反推出這條幸存路徑，得出相應的譯碼輸出。