正交分頻多工系統之優缺點

正交分頻多工系統將一個寬頻信號分成許多個窄頻信號傳送，因此每個次載波 上的窄頻訊號，可視為經過平緩衰變通道(Flat Fading Channel)，只需要經過簡單的 等化器就可被還原，同時，符元的長度增加，並加上護衛間隔的放置，使得符元對 於碼際干擾的效應有較佳的抵抗能力，因此能在低複雜度接收機架構下達到高速傳 輸的實現。除此之外，利用彼此正交的次載波，更能有效的節省頻寬。

因為次載波間彼此的正交特性，使得系統對於頻率的同步要求非常嚴格，只要 有些許的頻率漂移(Frequency offset)，頻率之間的正交特性即被破壞而產生次載波間 干擾(Inter-carrier interference, ICI)。系統的另一個缺點為容易造成非線性失真。這是

因為多個載波訊號輸出時相加在一起，使得其輸出功率的尖峰 對平均之比值 (Peak-to-average power ratio, PAPR)變得很大，系統容易出現非線性失真，亦或使得 功率放大器的功率效率(Power efficiency)降低及數位/類比轉換器(D/A converter)與 類比/數位轉換器(A/D converter)所需的位元數提高，這些缺點對系統都有極大的影 響，也是目前OFDM 系統極待克服的困難。

第二章

正交分頻多工系統之應用－數位影像廣播之地面廣播 系統(DVB-T System)

歐規的數位影像廣播之地面廣播系統(DVB-T System)是採用正交分頻多工 傳輸技術來傳送訊號。如同在第一章所述，由於正交分頻多工傳輸技術的特性，

特別是可以抵抗碼際干擾，全世界許多國家在數位影像廣播之地面廣播系統的規 格上都採用了此歐規的系統，其中台灣也將在2004 年六月一日正式開播，相較 於傳統類比電視系統，數位電視提供了更好的收視品質(MPEG-2)，同時也適用 於行動接收的各種應用，如車用視訊等。本章我們將對此系統做簡單的敘述：首 先，我們將介紹這個系統的系統方塊圖，包含說明每個方塊的功能；接著，我們 將展示這個系統的傳輸訊號以及碼框結構，包含各種傳輸模式的參數表以及各種 參考訊號的說明。

2.1 系統簡介

圖2.1 是數位影像廣播之地面廣播系統方塊圖[3]。原始影像、聲音及一般資 料在經過編碼壓縮(MPEG-2 coded TV signals)及傳輸層多工(Source Coding and Transport Multiplexing)產生一個個長 188 個位元組的封包(Packet)，其中每個封包 含有1 個同步位元組(Sync-Word Byte=47_HEX)和 187 個資料位元組(Data Bytes)。

每八個封包為一組，其中資料位元組的部份被乘上一個假隨機二進位序列 (Pseudo Random Binary Sequence)，此假隨機序列的暫存器初始值亦每八個封包 重設一次。每八個封包的第一個封包其同步位元組由47_HEX轉換成B8_HEX。這些 動作稱作傳輸多工調整暨能量分散(MUX Adaptation，Energy Dispersal)，其目的 是用來避免一連串不想要的0 或 1 訊號的產生。

Splitter Video Coder

Audio Coder

Data Coder Programme Source coding and Multiplexing

MUX

Interleaver Mapper Frame Adaptation

Pilot &

TPS Signals OFDM

Guard Interval Insertion

D/A Front End

Terrestrial Channel Adapter To Aerial

圖2.1 數位影像廣播之地面廣播系統方塊圖

此系統使用階層式傳輸(Hierarchical Transmission)，可以依照資料的優先順 序來傳送。首先利用分離器(Splitter)將傳輸資料流(Transport Stream)分為高優先 權(High Priority)資料及低優先權(Low Priority)資料；在解調時先判斷訊號座落在 訊號空間上的象限即可先解調出高優先權資料，再經由判斷訊號在某一象限中所 對應的位置來解調出低優先權資料。這兩筆資料各自有不同的通道編碼及調變方 式。圖2.2 是階層式 64 點二維振幅調變訊號α =1和α =4的星象圖。由此圖可知 當α 值愈大，這四個象限內的訊號點離原點愈遠，愈不容易將訊號點所在的象限 判斷錯誤，所以高優先權資料愈不會有錯誤。

100000100010 101010 101000 100001100011 101011 101001 100101100111 101111 101101 100100100110 101110 101100

110100110110 111110 111100

110101110111 111111 111101 110001110011 111011 111001 110000110010 111010 111000

001000001010000010 000000 001001001011000011 000001 001101001111000111 000101 001100001110000110 000100

011100011110010110 010100

011101011111010111 010101 011001011011010011 010001 011000011010010010 010000

Re{Z} 100000 100010101010 101000

100001 100011101011 101001 100101 100111101111 101101 100100 100110101110 101100

110100 110110111110 111100 110101 110111111111 111101 110001 110011111011 111001 110000 110010111010 111000

001000 001010000010 000000 001001 001011000011 000001 001101 001111000111 000101 001100 001110000110 000100

011100 011110010110 010100 011101 011111010111 010101 011001 011011010011 010001 011000 011010010010 010000

Re{Z} (Reed-Solomon Shorten Code，RS(204,188,t=8))，使每個封包由 188 個位元組變 為204 個位元組，並且可以校正最長為 8 個位元組的連續錯誤﹔外層交錯器是一 個以位元組為單位的迴旋交錯器(Convolutional Interleaver)，這個交錯器有 12 個 分支，每個分支是一個延遲長度以17 個位元組為單位成線性比例增加的先輸入

的時間延遲量(深度)是 1122 個位元組(即是 5.5 個封包長)為一般區塊交錯器 (Block Interleaver)延遲量的一半。內層通道碼是編碼率為 1/2 的迴旋碼，藉由打 孔法可以將編碼率提高至2/3、3/4、5/6 或 7/8。內層交錯器是由一個深度為 126 位元的位元式區塊交錯器以及一個深度為一個正交分頻多工符元所擁有的資料 次載波數目的區塊交錯器。以64 點的二維振幅調變訊號為例，其位元訊號分成 六個分支，每個分支經過一種深度為126 位元的位元式區塊交錯器(共六種)，然 後這六個分支上的位元訊號合併對映成一個個64 點二維振幅調變的複數資料訊 號，這些複數資料訊號再經過一個以複數資料為單位的區塊交錯器(其深度以 2K 模式而言是1512，以 8K 模式而言是 6048)。交錯器的功能是用來降低傳輸通道 以及加成性白高斯雜訊對訊號造成的錯誤率，特別是當訊號干擾是隨機產生時它 的效果最好。

經過內層交錯器的資料根據不同的調變方式將資料對映成複數資料，可使用 的調變方式共有四相位移鍵調變、16 點二維振幅調變、64 點二維振幅調變 (64-QAM)、不均勻的 16 點二維振幅調變(Non-uniform 16-QAM)以及不均勻的 64 點二維振幅調變(Non-uniform 64-QAM)。所謂的”不均勻”是指階層式調變技術中 α 值不為 1 的情形，如圖 2.2(b)所示。

這個系統提供兩種傳輸模式：2K 模式以及 8K 模式。根據不同的模式使用 不同長度(2048 or 8192)的反快速傅立葉轉換以得到正交分頻多工的有效符元，然 後在每個有效符元之前會加上一段護衛間隔，形成一個完整的符元。接著這個數 位訊號經過數位/類比轉換器(Digital-to-Analog Converter，DAC)轉成類比訊號，

然後通過前級（Front End），最後將傳輸訊號傳送出去。除了一些載有資料的次 載波之外還有一些特定的次載波上載著已知的參考訊號(Reference Signal)。參考 訊號共分為三種:連續領航(Continual Pilots)訊號、散射領航(Scattered Pilots)訊號 以及傳輸參數訊號(Transmission Parameter Signaling，TPS)。整個系統屬於哪一 種傳輸模式、護衛間隔的比例、是否使用階層式調變技術、內層通道編碼的編碼

位元區塊當中。這三種參考訊號的放置的方式、量值以及其用途將會在本章的第 兩種傳輸模式相關的參數如表 2-1 所示，其基本取樣週期(Elementary Sampling Period : T)皆為 7

64µs。由此表可知，因為8K 模式的快速傅立葉轉換長度（N）

是 2K 模式的四倍，所以其有效符元長度為 2K 模式的四倍而次載波間隔為 2K 模式的四分之一。又因為8K 模式的主動次載波個數（K）約為 2K 模式的四倍，

所以兩個傳輸模式的有效頻寬皆約為7.61MHz。每一種傳輸模式都可根據需要選 擇適當的護衛間隔長度(為有效符元長度的 1/4、1/8、1/16 或 1/32)。

另外還有頻寬為7MHz 及 6MHz 的系統其基本取樣週期（T）分別為1

Parameter 8K mode 2K mode

Number of active carriers Vaule of carrier number Vaule of carrier number Duration

Carrier spacing

6817 1705

0 0

6816 1704

1116 Hz 4464 Hz 7.61 MHz 7.61 MHz

sec 224µ Number of total carriers N 8192 2048

g U 航訊號(Scattered Pilots)來得到通道頻率響應的取樣訊號，再將此取樣訊號做內插 來求得。接下來，我們將分別敘述這三種參考訊號的分佈位置、量值。

圖2.3 是三種參考次載波訊號和資料次載波訊號的示意圖，實心點是三種參

分別為連續領航訊號(Continual Pilots)、傳輸參數訊號(Transmission Parameter Signaling, TPS)以及散射領航訊號(Scattered Pilots)。此圖的橫軸標示次載波的順 序，而縱軸則標示時間順序。次載波的順序由第K_min個次載波到第K_max個次載 波。時間順序是指這個次載波所在的時間位置是在哪一個碼框中的哪一個符元，

一個碼框有68 個符元，所以符元順序每 68 個循環一次。每一列的實心點及空心 點即是某一碼框中的某一符元在頻率軸上其次載波分佈的情形。

Kmin K_max

圖2.3 三種參考訊號次載波和資料訊號次載波位置分佈示意圖

虛擬隨機二位元序列(Pseudo Random Binary Sequence，PRBS)w 是由隨機的_k 0 或 1 組成，這個序列被拿來當作三種參考訊號的量值。它的值只隨次載波的位 置而變，不會因為碼框時間或符元時間的不同而改變。連續領航次載波訊號及散 射領航次載波訊號的量值由此序列產生，此序列也決定傳輸參數訊號在第一個符 元的量值。

2.3.1 連續領航訊號(Continual Pilots)

連續領航次載波訊號上的值Z_m,l,k由虛擬隨機二位元序列決定，其值為 4

± ，3 即是

) 5 . 0 ( 3 2 4

,

,lk k

m w

Z = ⋅ ⋅ −

圖2.4 特別標示出連續領航次載波訊號。如圖 2.4 所示，實心點為連續領航次載 (2.4)

波訊號，而空心點則為其它次載波訊號。連續領航次載波訊存在於每個符元的固

symbol 67

symbol 3 symbol 2 symbol 1 symbol 0

Kmin continual pilot others K_max

圖2.4 連續領航訊號次載波和其他訊號次載波位置分佈示意圖

2.3.2 傳輸參數訊號(Transmission Parameter Signaling, TPS)

傳輸參數訊號次載波上的值為± 。第一個符元之傳輸參數訊號次載波上的1

號次載波。

symbol 67

symbol 3 symbol 2 symbol 1 symbol 0

Kmin TPS others K_max

圖2.5 傳輸參數訊號次載波和其他訊號次載波位置分佈示意圖

每一個符元上的所有傳輸參數訊號次載波所攜帶的TPS 位元皆相同，如等式(2.6) 所示，所以每個碼框共有67 個 TPS 位元。表 2-2 為這 67 個 TPS 位元的功能表，

我們接下來將會簡述這67 個 TPS 位元的使用目的。

Bit number Purpose/Content

24

Synchronization word Length indicator

Frame number Constellation Hierarchy information

Code rate, HP stream Code rate, LP stream

Guard interval transmission mode

Cell identifier Error protection

48 53

s s Reserved for future use 16 synchronization bits

37 information bits

14 redundancy bits

表2-2 傳輸參數訊號所攜帶之 TPS 位元的功能表

如表2-2 所示，這 67 個 TPS 位元可以區分為三部分：第一部分是 16 個同步位元，

(S₁,S₂,...,S₁₆)有固定的組合，匹配這個組合可以找出符元的順序，即是碼框時

2.3.3 散射領航訊號(Scattered Pilots)

散射領航次載波訊號上的值Z_m,l,k由虛擬隨機二位元序列決定，其值為 4

min min max

K 3 ( mod 4) 12 0, k [K ,K ] k= + × l + ×p p≥ ∈

就2K 模式而言，K_min=0, K_max =1704；就8K 模式而言，K_min =0, K_max =6816。 在接收端取出存在於散射領航次載波位置上的值並且將其它次載波位置上的值 設成0，我們就可以估計出傳輸通道頻率響應(Frequency Response)的取樣訊號。

接著，我們可以依次針對時域及頻域使用內插法(Interpolation)，如此我們就可以 得到傳輸通道頻率響應的估計值。

(2.7)

(2.8)

symbol 67

symbol 3 symbol 2 symbol 1 symbol 0

Kmin scattered pilot others K_max

圖2.6 散射領航訊號次載波和其他訊號次載波位置分佈示意圖 關於如何使用散射領航訊號做通道的估計我們將在第四章有更詳盡的說明。

第三章 傳輸通道之模型及估測

在無線通訊中，通道的效應是影響效能的重要關鍵，多重路徑的通道 (Multi-path)，是造成接收訊號失真的主要因素，它是由於電波在空中傳播時碰到 物體產生反射所造成。如果接收端和傳送端有相對的運動，則會造成通道隨著時

在無線通訊中，通道的效應是影響效能的重要關鍵，多重路徑的通道 (Multi-path)，是造成接收訊號失真的主要因素，它是由於電波在空中傳播時碰到 物體產生反射所造成。如果接收端和傳送端有相對的運動，則會造成通道隨著時