適用于平安城市的COFDM無線視頻傳輸技術(shù)

    COFDM無線視頻傳輸技術(shù)具有頻譜利用率高和可對抗多徑時延擴展等特點，是早期用于軍事無線電傳輸?shù)囊环N多載波數(shù)字通信調(diào)制技術(shù)，也是較為完備的移動接收和傳輸技術(shù)。目前，被認為是超3代移動通信系統(tǒng)中的核心技術(shù)，最適宜于平安城市建設(shè)之用。本文介紹COFDM無線視頻傳輸技術(shù)的工作原理、系統(tǒng)組成、特點，以及它在視頻監(jiān)控中的應(yīng)用。

    引言

    目前，市場上無線視頻傳輸技術(shù)大多采用的是GPRS和CDMA技術(shù)。但是GPRS傳輸?shù)膸�寬不足，傳輸視頻每秒只有幾幀，且出現(xiàn)應(yīng)急事件時，容易出現(xiàn)斷點和無線接收的死角。CDMA傳輸同樣存在這樣的缺陷，其下行帶寬是153K，上行帶寬是70K～80K，因而傳輸流暢的視頻基本上不可能實現(xiàn)。由于圖像只有幾幀，以抓圖的形式來傳輸，并且為小畫面尺寸。顯然，這種技術(shù)的應(yīng)用，不能夠滿足平安城市視頻監(jiān)控系統(tǒng)的實際應(yīng)用需求。

    對于微波（數(shù)字微波、擴頻微波）、無線LAN（802.11(b)、802.11(g)、802.11(a)）等技術(shù)的其他較高帶寬的無線傳輸方案，其實現(xiàn)視頻壓縮編碼以MPEG-2/4、H.264等為主。其中高質(zhì)量圖像（分辨率720×576）一般以MPEG-2編解碼居多，個別采用小波編解碼。但它們大多都存在共同的缺點，即只能做到通視傳輸、定向傳輸，并且難以支持移動傳輸，從而限制了它在視頻監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用。而COFDM無線視頻傳輸技術(shù)則能克服此缺點，它的實用價值主要是它突破了視距限制，對噪聲和干擾有著很好的免疫力，并能繞射和穿透遮擋物。COFDM技術(shù)能同時分開多個數(shù)字信號，并且可以在干擾的信號周圍安全運行。它能夠持續(xù)不斷地監(jiān)控傳輸介質(zhì)上通訊特性的突然變化，其通訊路徑傳送數(shù)據(jù)的能力會隨時間發(fā)生變化，且COFDM能動態(tài)地與之相適應(yīng)，并接通和切斷相應(yīng)的載波，以保證持續(xù)地進行成功地通訊。因此，COFDM技術(shù)特別適合使用在城市高層建筑物、居民密集和地理上突出的地方，以及將信號撒播的地區(qū)與高速的數(shù)據(jù)傳播的地方�？蓾M足如消防、公安、邊防、森林防火、煤礦監(jiān)控、人防應(yīng)急、城管執(zhí)法、銀行押運等場所用戶的需求。

    由于無線視頻傳輸技術(shù)機動靈活，能彌補有線網(wǎng)絡(luò)的不足，因而適用于平安城市安防建設(shè)的需要。實際上，無線視頻實時傳輸主要有兩個概念：一是移動中傳輸；二是寬帶傳輸。因此，研制能夠在高速移動過程中將頻帶很寬的高清晰度視頻進行穩(wěn)定傳輸?shù)臒o線視頻傳輸系統(tǒng)，需要解決二個主要問題：一是由多徑傳播引起的回波干擾；二是頻率資源的使用率和漸趨飽和的問題。過去的無線視頻圖像傳輸，主要是以單向的模擬電視廣播業(yè)務(wù)為主，一套電視節(jié)目采用一個單獨的頻點，但在不同地點用相同頻率同頻發(fā)射播出電視節(jié)目時，它們之間會有相互干擾。此外，由于接收或發(fā)射的一方處于移動狀態(tài)，無論是發(fā)射或接收都會遇到強烈的多徑干擾即回波干擾。因此，對回波干擾的處理方式可能從根本上影響一個無線高清晰度視頻實時傳輸系統(tǒng)的性能。而COFDM無線視頻傳輸技術(shù)正是可以有效地利用回波而不是消極地排除回波引起的問題，可實現(xiàn)固定-移動，移動-移動間的無線視頻傳輸。因此，在城市環(huán)境里，COFDM無線視頻傳輸技術(shù)特別適合解決當(dāng)今摩天大廈林立的現(xiàn)代都市環(huán)境，尤其適合平安城市建設(shè)的應(yīng)用。下面介紹COFDM無線視頻傳輸技術(shù)的工作原理、系統(tǒng)組成、特點，以及它在視頻監(jiān)控中的應(yīng)用。

    系統(tǒng)的組成及其工作原理

    COFDM（coded orthogonal frequency division multiplexing），即編碼正交頻分復(fù)用的簡稱，是目前世界上最先進和最具有發(fā)展?jié)摿Φ恼{(diào)制技術(shù)。它的實用價值就在于支持突破視距限制的應(yīng)用，是一種在無線電頻譜資源方面充分利用的技術(shù),對噪聲和干擾有著很好的免疫力。其中，字母C指編碼，是指信道編碼采用編碼率可變的卷積編碼方式，以適應(yīng)不同重要性數(shù)據(jù)的保護要求；字母OFD指正交頻分，系指使用大量的載波（副載波），它們有相等的頻率間隔，都是一個基本震蕩頻率的整數(shù)倍；字母M指復(fù)用，系指多路數(shù)據(jù)源相互交織地分布在上述大量載波上，形成一個頻道。實際上，COFDM是ETSI歐洲電信標準協(xié)會關(guān)于DVB-T數(shù)字視頻地面廣播及DAB數(shù)字音頻廣播的標準，早期是用于軍事無線電傳輸安全性之目的。近年來，基于COFDM技術(shù)的廉價數(shù)字信號處理芯片已成為眾多公司發(fā)展產(chǎn)品之首選，因而可用于民用。

    編碼正交頻分復(fù)用調(diào)制方式是一種多載波數(shù)字通信調(diào)制技術(shù)，也是較為完備的移動接收和傳輸技術(shù)，它可大大降低每個子載波內(nèi)的符號間干擾，并節(jié)省用于均衡的系統(tǒng)開銷。因此，它具有頻譜利用率高和可對抗多徑時延擴展等特點，通常被認為是超3代移動通信系統(tǒng)中的核心技術(shù)。

    COFDM無線視頻傳輸技術(shù)的基本原理就是將高速數(shù)據(jù)流通過串并轉(zhuǎn)換，分配到傳輸速率較低的若干子信道中進行傳輸，即將頻域中的一個寬帶信道劃分成多個重疊的子信道進行窄帶傳輸。在接收端，雖然頻譜相互重疊，但是只要保證各子信道上信號的正交性，就可以將各信道上的信號正確分離。

    COFDM無線視頻傳輸系統(tǒng)的組成及其基本工作原理如圖1所示。

    由圖1可見，視頻、音頻、數(shù)據(jù)，通過R-S編碼器編碼(224、208)后，數(shù)據(jù)率上升，即進行串/并轉(zhuǎn)換(S/P)，即將頻域中的一個寬帶信道劃分成多個重疊的子信道，再經(jīng)160AM調(diào)制器進行AM調(diào)制后，藉助于逆快速付里葉變換IFFT處理器，把信號調(diào)制到512個并行頻率信道上，然后雙邊帶調(diào)制到載波后再通過發(fā)射機發(fā)射出去。

    用512個并行信道傳輸?shù)哪康�，是為了克服地面的多徑傳輸所造成的碼問干擾。應(yīng)該看到，當(dāng)8MHz頻帶正交劃分成512信道時，每一信道可容納的波形脈沖寬度僅此為τ=512／8=64μS，而地面廣播經(jīng)多徑傳入的信號強度較大，通常在通過近區(qū)反射而來，所以時延較小，一般在3～3.5μs以下，因而可以采用加保護時間的方法來吸收掉符號間的干擾。

    由圖1知，當(dāng)接收機收到信號后，它不用帶通濾波器來分隔子載波，而是通過快速付里葉變換（FFT）來選用那些即便混疊也能夠保持正交的波形。此外，各并行信道每隔一定波形間隔分別傳送基準信號，接收端根據(jù)基準信號，在FFT處理器處理之前先算出頻響特性均衡數(shù)據(jù)，采用以上二項措施可大大降低多徑干擾帶來的影響。經(jīng)處理后的信號，再將160AM解調(diào)，經(jīng)并/串轉(zhuǎn)換(P/S)后即進行R-S解碼，就可還原成視頻、音頻、數(shù)據(jù)信號輸出。

    為了對付PAL制模擬電視的同頻干擾，凡在PAL信號頻譜中能量強的頻譜線如圖像載頻、副載波和伴音載波附近的一些信道可以空開來不用，雖然沒有用足512個信道，但解決了正交頻分復(fù)用OFDM和PAL信號間的相互干擾。由此可見，采用OFDM的調(diào)制方式可省略了自適應(yīng)均衡器和同步干擾抑制濾波器。

    當(dāng)多徑延時量與所傳送的數(shù)字符號處于同一量級時，會嚴重影響符號間干擾，延長傳輸符號的周期可有效克服多徑干擾，COFDM正是根據(jù)這一原理來消除反射波的影響。OFDM由N個頻率間隔相等的子載波組成，各個子載波又可采用同一種數(shù)字調(diào)制如QPSK，或不同載波采用不同調(diào)制。而串行傳輸?shù)姆�號序列也分成長度為N的段，每段內(nèi)N個符號分別調(diào)制N個子載波，所以O(shè)FDM把符號周期延長N倍，而用并行調(diào)制來彌補周期延長降低符號傳輸率的困境。在傳統(tǒng)的頻分復(fù)用中，各子載波的信號頻譜是互不重疊的，以便接收機中能采用傳輸濾波方法將其分離和提取，但這類做法降低了頻帶利用率。在OFDM中，使各載波的信號頻譜可相互重疊，但子載波間隔的選擇要使這些載波在整個符號周期上處于正交狀態(tài)，也就是說加于符號周期上的任何兩個載波的乘積為零。為實現(xiàn)最大頻譜效率，使子載波的最小頻率間隔為符號周期的倒數(shù)。若符號由脈沖序列組成，則每個調(diào)制子載波頻譜的形狀符合sincx，其峰值對應(yīng)于其他載波的頻譜中的零點。

    OFDM技術(shù)的推出其實是為了提高載波的頻譜利用率，或者是為了改進對多載波的調(diào)制，它的特點是各子載波相互正交，使擴頻調(diào)制后的頻譜可以相互重疊，從而減小了子載波間的相互干擾。OFDM每個載波所使用的調(diào)制方法可以不同，各個載波能夠根據(jù)信道狀況的不同選擇不同的調(diào)制方式，比如BPSK、QPSK、8PSK、16QAM、64QAM等，以頻譜利用率和誤碼率之間的最佳平衡為原則。OFDM技術(shù)使用了自適應(yīng)調(diào)制，根據(jù)信道條件的好壞來選擇不同的調(diào)制方式。OFDM還采用了功率控制和自適應(yīng)調(diào)制相協(xié)調(diào)的工作方式。信道好的時候，發(fā)射功率不變，可以增強調(diào)制方式（如64QAM），或者在低調(diào)制方式（如QPSK）時降低發(fā)射功率。由于這種技術(shù)具有在雜波干擾下傳送信號的能力，因此常常會被利用在容易受外界干擾或者抵抗外界干擾能力較差的傳輸介質(zhì)中。

    COFDM技術(shù)不使用單載波系統(tǒng)而是多載波系統(tǒng)，在同樣的調(diào)制方式下，比如采用QPSK、16-QAM或64QAM，可以使之應(yīng)用于單載波系統(tǒng)。但無論如何，數(shù)據(jù)的傳輸仍然是采用時分和頻分方式 ，并工作在各自的子載波上，每個子載波都在特定的正交頻率上，以增加潛在的數(shù)據(jù)吞吐量。盡管這時每個子載波的數(shù)據(jù)率低于單載波系統(tǒng)，但各個子載波的總的數(shù)據(jù)率要高于整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)率。

    DVB-T標準已被廣泛應(yīng)用于歐洲和世界各國，其中“2K”版本(1704 載波信號)應(yīng)用于較強的干擾環(huán)境，“8K”版本 (6816載波信號)應(yīng)用于較低些的干擾環(huán)境。DAB標準應(yīng)用于CD品質(zhì)的音頻和數(shù)據(jù)在移動環(huán)境下的規(guī)劃和設(shè)計。其中有4個不同的工作方式，在整個1.5MHz的信道上具有高達1536個載波的間隔，其目的是為了提高對多普勒相移和多徑干擾的免疫力。

    值得注意的是，實際上多徑信號會給COFDM系統(tǒng)帶來好處，如果原始信號被封鎖，僅有多徑信號被接收的話，這些信號會被用于接收機去獲得想得到的數(shù)據(jù)。此外，即使個別的子載波不能完全地被接收，數(shù)據(jù)糾錯方式也能夠使接收機從其它的子載波中獲得足夠的信息去重建缺少的數(shù)據(jù)。
　

    技術(shù)特點

    COFDM技術(shù)在無線視頻圖像傳輸方面的應(yīng)用有以下特點：

    能在非可視和有阻擋的環(huán)境中應(yīng)用

    通常，適于在城區(qū)、城郊、建筑物內(nèi)，可實現(xiàn)無線圖像實時傳輸，具備卓越的“繞射”與“穿透”能力的是傳統(tǒng)的微波設(shè)備，必須在可視條件（既收發(fā)兩點之間必須無阻擋）下才能建立無線鏈接通道。因此，設(shè)備使用受環(huán)境制約較大，需要提前考察應(yīng)用環(huán)境，選擇、測試收發(fā)點，調(diào)整天線的方向，架設(shè)天線的高度測算等。其工作量非常大，也相當(dāng)繁瑣，不僅直接限制音視頻的傳輸與接收，而且系統(tǒng)的可靠性、工作效率也大打折扣。

    而采用COFDM無線視頻圖像傳輸設(shè)備，則徹底改變了這種局面。因為COFDM技術(shù)有多載波等技術(shù)特點，其設(shè)備具備“非視距”、“繞射”傳輸?shù)膬?yōu)勢，使在城區(qū)、山地、建筑物內(nèi)外等不能可視及有阻擋的環(huán)境中，該設(shè)備都能夠以高概率實現(xiàn)圖像的穩(wěn)定傳輸，而不受環(huán)境影響或受環(huán)境影響小。COFDM無線視頻傳輸系統(tǒng)采用全向天線，可以在最短的時間內(nèi)架設(shè)無線傳輸鏈路，其采集端和接收端也可以隨意移動，而不受方向的限制。因此，COFDM無線視頻傳輸系統(tǒng)簡單、可靠，應(yīng)用靈活，最適于城市中應(yīng)用。

    適于高速移動中無線傳輸實時圖像

    由于微波（數(shù)字微波、擴頻微波）、無線LAN等設(shè)備，因其技術(shù)體制的原因，無法獨立實現(xiàn)采集端和接收端在高速的移動過程中實時傳輸圖像。在車輛、船舶上應(yīng)用微波和無線LAN等設(shè)備進行無線圖像傳輸時，通常的方案是再配置附加的“伺服穩(wěn)定”裝置，以解決電磁波定向、跟蹤、穩(wěn)定等問題。但是，也僅僅能在一定條件下實現(xiàn)移動點對固定點的傳輸，并且圖像常常會出現(xiàn)中斷，從而嚴重影響傳輸接收的效果。并且，其工程復(fù)雜，可靠性降低，造價也極高。

    而對于COFDM技術(shù)設(shè)備，它不需要任何附加裝置，就可實現(xiàn)固定-移動，移動-移動間的使用，因而COFDM技術(shù)適于高速移動中無線傳輸實時的圖像，非常適合安裝到車輛、船舶、直升機等移動平臺上使用。這種COFDM技術(shù)設(shè)備，不僅其傳輸具有高的可靠性，而且表現(xiàn)出很高的性價比。

    適于傳輸高帶寬、高碼流、高畫質(zhì)的音視頻

    由于高碼流、高畫質(zhì)的音視頻數(shù)據(jù)流，對編碼、信道速率要求十分高，其圖像碼流一般大于4M bps。在數(shù)字微波、擴頻微波傳輸鏈路中，雖然采用MPEG-2編碼，但信道多采用2M速率，如E1，雖然可使得解碼后的圖像分辨率達到720×576，但其圖像壓縮碼流卻只有1M左右，因而無法滿足接收端后期的音視頻分析、存儲、編輯等具體的要求。

    而COFDM技術(shù)，每個子載波可以選擇QPSK、16QAM、64QAM等高速調(diào)制，其合成后的信道速率一般均大于4M bps。因此，可以傳輸MPEG-2中4:2:0、4:2:2等高質(zhì)量編解碼圖像，接收端圖像分辨率可達到720×576或720×480，其碼流可以在6M左右，接收后的圖像質(zhì)量接近DVD畫質(zhì)，因而完全可以滿足接收端后期音視頻分析、存儲、編輯等具體的要求。因此，COFDM技術(shù)適于傳輸高帶寬、高碼流、高畫質(zhì)的音視頻。

    可應(yīng)用在復(fù)雜的電磁環(huán)境中

    在數(shù)字微波、擴頻微波等單載波系統(tǒng)中，單個衰落或干擾能夠?qū)е抡麄�通訊鏈路失敗。但在多載波COFDM系統(tǒng)中，只僅僅有很小一部分子載波會受到干擾，并且這些子信道還可以采用糾錯碼來進行糾錯，從而可以確保傳輸?shù)牡驼`碼率。因此，在復(fù)雜的電磁環(huán)境中，COFDM技術(shù)具備優(yōu)異的抗干擾性能。它對抗頻率選擇性衰落，或抗窄帶干擾及信號波形間的干擾性能優(yōu)越。并且，它通過各個子載波的聯(lián)合編碼，而具有很強的抗衰落能力。

    信道利用率很高

    這一優(yōu)點在頻譜資源有限的無線環(huán)境中尤為重要。當(dāng)子載波個數(shù)很大時，COFDM無線視頻傳輸系統(tǒng)的頻譜利用率趨于2Baud/Hz，因而其信道利用率很高。

    視頻監(jiān)控中的應(yīng)用

    COFDM系統(tǒng)可靈活、迅速地將現(xiàn)場實況聲像直接傳輸，或通過轉(zhuǎn)信臺、光纖網(wǎng)等傳輸至指揮中心。并且，COFDM無線視頻傳輸設(shè)備還可與其他微波、衛(wèi)星、光纖通訊設(shè)備組建遠距離鏈路，建設(shè)實用而有效的遠距離的視頻傳輸系統(tǒng)。

    COFDM技術(shù)的無線視頻傳輸設(shè)備，主要應(yīng)用在城市建筑物阻擋環(huán)境，樓宇之間，建筑物內(nèi)外，建筑物地下到地面之間；應(yīng)用在移動中；應(yīng)用在海上圖像、空中圖像傳輸?shù)�。因此，COFDM無線視頻傳輸技術(shù)是公安、部隊、武警、消防、人防（民防）、水利、海事、海關(guān)、廣播電視等行業(yè)在安全保衛(wèi)、野戰(zhàn)指揮、任務(wù)偵察、災(zāi)難救援、現(xiàn)場轉(zhuǎn)播等任務(wù)中急需的高性能視頻監(jiān)控中的一種無線視頻圖像傳輸技術(shù)。

    由此可見，在視頻監(jiān)控中采用了COFDM技術(shù)，能夠確保高速移動、抗衰落及多徑干擾下的穩(wěn)定視頻圖像傳輸與實時監(jiān)控。并且，具有強大的非視距傳輸能力，非常適合稱為難度極大的“峽谷通信”的城市阻擋環(huán)境中應(yīng)用。并且，它無需天線定向，可提供廣播級DVD質(zhì)量的高清晰圖像。

    COFDM技術(shù)是移動環(huán)境下應(yīng)用的最佳選擇。如目前，UBS系統(tǒng)的COFDM調(diào)制器在新加坡已被廣泛應(yīng)用于公交車的電視信號的傳送；這項技術(shù)也被用于拉斯維加斯戰(zhàn)時流動醫(yī)院的實時移動視頻圖像的單向傳送，以診斷病人；同時，該項技術(shù)也被應(yīng)用于雙向廣播無線接入業(yè)務(wù)，包括數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)接入、話音和傳真等。

    總之，COFDM無線視頻傳輸技術(shù)可廣泛應(yīng)用于公安、消防、交警、人防應(yīng)急、城管執(zhí)法、環(huán)保監(jiān)控、消防應(yīng)急、水利防汛、電力搶險、鐵路搶險、海事執(zhí)法、海監(jiān)巡查、海關(guān)邊防、碼頭監(jiān)控、森林防火、油田防盜、軍事偵察等領(lǐng)域，尤其適合城區(qū)、海上、山地等多種復(fù)雜環(huán)境中高質(zhì)量圖像的實時移動傳輸與監(jiān)控。

    在國內(nèi)，也有部分公司開發(fā)有COFDM無線圖像實時傳輸監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有音視頻數(shù)字化傳輸，實時圖像傳輸（移動速率可達150km/h），其采集發(fā)射端體積小，機動性強，靈活方便。并且，可手持使用，可加密傳輸，保密性好，它的鏈路傳輸距離可以達到10Km～50Km。

    結(jié)束語

    無線網(wǎng)絡(luò)除了提供語音服務(wù)之外，還提供多媒體、高速數(shù)據(jù)和視頻圖像業(yè)務(wù)。而COFDM無線視頻傳輸技術(shù)在視頻監(jiān)控中的作用很大，它可實現(xiàn)固定-移動，移動-移動間的使用，機動靈活，能彌補有線網(wǎng)絡(luò)的不足；適于傳輸高帶寬、高碼流、高畫質(zhì)的音視頻；有優(yōu)異的抗干擾、抗衰落能；有卓越的“繞射”與“穿透”能力；信道利用率很高等，因而特別適于在平安城市中應(yīng)用。

    COFDM技術(shù)標準為增強頻譜資源的利用率提供了一種有效的解決途徑，特別是在強的干擾環(huán)境下，它可應(yīng)用于單向或雙向的固定或移動的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。以前采用固定無線接入方式訪問互聯(lián)網(wǎng)的用戶都知道一個道理：如果他們屋頂上的天線不在幾公里/幾十公里外的基站天線視線范圍內(nèi)的話，他們就接收不到信號。 但現(xiàn)在，利用COFDM無線視頻傳輸技術(shù)的新一代的無線雙向系統(tǒng)可以突破這一限制，包括樹叢、飾墻、甚至是金屬片都不能阻擋它與基站天線的通信。這對于使用固定無線接入技術(shù)向用戶提供高速互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)的人們來說也無疑是一件好事。此外，這種新系統(tǒng)的安裝也更加方便，用戶可以自行安裝天線，而不是象以前那樣需要工程技術(shù)人員來調(diào)整它的角度以對準遠端的天線。

    但值得指出的是，由于無線信道環(huán)境惡劣，有效的帶寬資源十分有限，因而在實現(xiàn)大數(shù)據(jù)量的視頻信號的傳輸，尤其在面向大眾的無線可視應(yīng)用中，無線信道的資源尤其緊張；無線信道的物理特點決定了無線網(wǎng)絡(luò)是一個時變的網(wǎng)絡(luò)；在移動通信中，用戶的移動造成無線視頻的Qos保障十分復(fù)雜。由此可以看出，視頻信號對傳輸?shù)男枰�和無線環(huán)境的特點存有矛盾，因此無線通信環(huán)境（無線信道、移動終端等）以及移動多媒體應(yīng)用業(yè)務(wù)的特點，對視頻圖像的視頻圖像編碼與傳輸技術(shù)等已成為當(dāng)今信息科學(xué)與技術(shù)的前沿課題。