几种移动无线视频传输技术的比较与选择(下) - 安防知识网

上一期的无线传输文章中，主要从GPRS和CDMA两大传输技术的概念、特点、应用中的优缺点等角度剖析和阐述了这两种传输方式，使读者对它们有了一个系统的了解。本期文章则着重为大家介绍COFDM技术的特点、优缺点以及与前两种传输方式的性能比较和选择。

COFDM技术

COFDM技术的含义及原理
COFDM（Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing）），即编码正交频分复用的简称，是目前世界上最先进和最具有发展潜力的一种调制技术。其实用价值就在于它支持突破视距限制的应用，是一种在无线电频谱资源方面充分利用的技术，因而对噪声和干扰有着很好的免疫力。其中，字母C指编码，是指信道编码采用编码率可变的卷积编码方式，以适应不同重要性数据的保护要求；字母OFD指正交频分(其中O指正交，FD指频分)，系指使用大量的载波（副载波），它们有相等的频率间隔，都是一个基本震荡频率的整数倍；字母M指复用(或多路复用)，系指多路数据源相互交织地分布在上述大量载波上，形成一个频道。

编码正交频分复用技术是无线数字高清晰度视频传输系统为克服在广播发送中多径传播的干扰和移动接收以及频率资源的利用问题而引入的。在COFDM传输系统中，将传输信道分成许多子信道，每个信道对应一个载波，同时将需要传输的信号分割成许多部分，每个部分采用一个载波进行传输。经过这样的分割后，每个信道中传输的信号的速率将会变得很低，于是信道中的每个调制后的符号的时长将远远大于回波的延时长度，如果在每个符号间插入保护间隔，则只要多径延时不超过保护间隔的长度，多径传输就不会带来符号间的相互干扰，只能是在符号内部相互叠加或相互削弱，而这种特性可以表示为信道的传输函数，使用适当的导频信号就可以在接收端得到这样的传输函数，从而可以正确恢复符号的原始值。

编码正交频分复用调制方式是一种多载波数字通信调制技术，也是较为完备的移动接收和传输技术，它可大大降低每个子载波内的符号间干扰，并节省用于均衡的系统开销。因此，它具有频谱利用率高和可对抗多径时延扩展等特点，通常被认为是超3代移动通信系统中的核心技术。

COFDM的功能框图如图1所示，在发送端建立信号使用的是IFFT，在接收端分析信号使用的是FFT，均是建立在一种离散的快速付里叶变换的基础上，即可以采用实现成本较低的快速变换。

COFDM无线视频传输技术的基本原理，实际上就是将高速数据流通过串并转换，分配到传输速率较低的若干子信道中去进行传输，即将频域中的一个宽带信道划分成多个重叠的子信道，去进行窄带传输。在接收端，虽然频谱相互重叠，但是只要保证各子信道上信号的正交性，就可以将各信道上的信号正确分离。

COFDM技术的优点
COFDM技术在无线视频图像传输方面应用的优点如下。
1、最适于城市非可视和有阻挡的环境中应用
因为COFDM技术有多载波等技术特点，其设备具备卓越的“非视距”、“绕射”与“穿透”能力，使在城区、山地、建筑物内外等不能可视及有阻挡的环境中，该设备都能够以高概率实现图像的稳定传输，而不受环境影响或受环境影响小。

COFDM无线视频传输系统采用全向天线，可以在最短的时间内架设无线传输链路，其采集端和接收端也可以随意移动，而不受方向的限制。因此，COFDM无线视频传输系统简单、可靠，应用灵活，最适于城市中应用。

2、适于高速移动中无线传输实时图像
在车辆、船舶上应用微波和无线LAN等设备进行无线图像传输时，通常需再配置附加的“伺服稳定”装置，以解决电磁波定向、跟踪、稳定等问题。但是，它也仅仅能在一定条件下实现移动点对固定点的传输，并且图像常常会出现中断，其工程复杂，可靠性降低，造价也极高。

而COFDM技术设备，不需要任何附加装置，就可实现固定与移动，移动与移动间的使用，因而COFDM技术适于高速移动中无线传输实时的图像，非常适合安装到车辆、船舶、直升机等移动平台上使用。这种COFDM技术设备，不仅其传输具有高的可靠性，而且表现出很高的性价比。

3、适于高速传输高带宽、高码流、高画质的音视频
在数字微波、扩频微波传输链路中，虽然采用MPEG2编码，但信道多采用2M速率，如E1，虽然可使得解码后的图像分辨率达到720×576，但其图像压缩码流却只有1M左右，因而无法满足接收端后期的音视频分析、存储、编辑等具体的要求。

而COFDM技术，每个子载波可以选择QPSK、16QAM、64QAM等高速调制，其合成后的信道速率一般均大于4Mbps。因此，可以传输MPEG2中4:2:0、4:2:2等高质量编解码图像，接收端图像分辨率可达到720×576或720×480，其码流可以在6M左右，接收后的图像质量接近DVD画质，因而完全可以满足接收端后期音视频分析、存储、编辑等具体的要求。因此，COFDM技术，适于高速传输高带宽、高码流、高画质的音视频。

4、具备优异的抗干扰性能
在数字微波、扩频微波等单载波系统中，单个衰落或干扰能够导致整个通讯链路失败。但在多载波COFDM系统中，只仅仅有很小一部分子载波会受到干扰，并且这些子信道还可以采用纠错码来进行纠错，从而可以确保传输的低误码率。因此，在复杂的电磁环境中，COFDM技术具备优异的抗干扰性能。它对抗频率选择性衰落，或抗窄带干扰及信号波形间的干扰性能优越。并且，它通过各个子载波的联合编码，而具有很强的抗衰落能力，同时也具有相当的保密性能。

5、频率利用率与信道利用率高
由于COFDM技术的N个正交的子载波频谱可以重叠，从而可大大提高频率利用率，很适合高速率(大于10Mbps)的无线网络视频通信。
这一优点在频谱资源有限的无线环境中尤为重要。当子载波个数N很大时，COFDM无线视频传输系统的频谱利用率趋于2Baud/Hz，因而其信道利用率很高。

COFDM技术的缺点
1、对频偏和相位噪声比较敏感，需子载波精确同步
COFDM技术的基础是子载波必须满足正交，如果正交性恶化，则整个系统的性能会严重下降。而频偏和相位噪声会使各个子载波之间的正交特性恶化，仅仅1％的频偏就会使信噪比下降30dB。因为在实际工作中由于无线衰落信道的时变性，往往会造成频率弥散，引起多普勒频移效应，从而影响载波频率正交性。因此，COFDM系统对频偏和相位噪声比较敏感，所以必须实现子载波的精确同步，使之满足正交。

2、功率峰值与均值比（PAPR）大，对发射机的线性要求严格
与单载波系统相比，由于COFDM信号是由多个独立的经过调制的子载波信号相加而成的，这样的合成信号就有可能产生比较大的峰值功率，也就会带来较大的峰值均值功率比，简称峰均值比。对于包含N个子信道的系统来说，当N个子信道都以相同的相位求和时，所得到的峰值功率就是均值功率的N倍(当然这是一种非常极端的情况，通常系统内的峰均值不会达到这样高的程度)。但高峰均值比会增大对射频放大器的要求，导致射频信号放大器的功率效率降低。并且，信号呈现很大的峰平功率比（PAPR），比单载波系统需要更宽的线性范围。因此，若要避免信号失真和频谱扩展，就需要对发射机的线性要求严格一些。

几种移动无线视频传输技术的比较与选择

根据GPRS、CDMA、COFDM三种移动无线视频传输技术的原理及其优缺点，现将它们的性能作一比较，如表1所示。

由表1可知，目前移动无线视频传输方式主要有GPRS、CDMA与COFDM。

GPRS是在现有GSM系统上发展出来的一种新的数据承载业务。它采用分组交换技术，按流量计费，高效传输高速或低速数据和信令。GPRS虽理论传输速率可达171.2kbps，但实际传输速率大约在35kbps左右。

CDMA1X原意是指CDMA2000的第一阶段，是在CDMAIS95系统上发展出来的一种新的承载业务，目的是为CDMA用户提供分组形式的数据业务；CDMA1X理论传输速率可达300kbps，但目前的实际传输速率大约在90kbps左右，可以用于Internet连接、数据传输等应用。CDMA1X无线数据通信系统的特点是按流量计费，即一直在线，按照接收和发送数据包的数量来收取费用，没有数据流量的传递时不收费用。

CDMA1X与GPRS虽然都是2.5代的移动通信系统，但1X网络通信速度远高于GPRS网络，而且易于平滑过渡到3G移动通信系统。3G是英文3rdGeneration的缩写，指第三代移动通信技术。第三代手机是指将无线通信与国际互联网等多媒体通信结合的新一代移动通信系统。它能够处理图像、音乐、视频流等多种媒体形式，提供包括网页浏览、电话会议、电子商务等多种信息服务。第三代移动电话（3G）带来全新概念的移动通讯，鲜明的特点是高速度、多媒体、个性化。在传输速度上，第三代整整比第二代快上200倍。

目前市场上无线视频监控技术部份采用的是GPRS和CDMA技术，但是GPRS传输的带宽不足，传输视频每秒就只有几帧，效果达不到要求，而且出现应急事件时，信息不够详实，容易出现断点和无线接收的死角。CDMA无线传输技术虽比GPRS稍好一点，但同样存在这样的缺陷。在理想的状态下，CDMA下行带宽是153K，上行带宽为80K，在这种传输通道带宽之下，传输流畅的视频基本上不可能实现。通常，在图像也只有几帧的情况下，只能以抓图的形式来传输，并且为小画面尺寸。显然，这对于视频监控系统而言，这两种移动无线视频传输技术，均还不能够真正满足实际的应用需求。

然而，微波（数字微波、扩频微波）、无线LAN等较高带宽的无线传输方案，大多都存在共同的缺点，即只能做到通视传输、定向传输，并难以支持移动传输等。因此，它们限制了视频监控通讯系统的应用，甚至无法满足如：消防、公安、边防、森林防火、煤矿监控、人防应急、城管执法、银行押运等场所部份用户最基本的需求。

由表1可看到，COFDM无线视频传输技术是使用的编码正交频分多路复用的调制技术，它在各项性能上，均比GPRS和CDMA为优。因为它是建立在一种离散的快速付里叶变换的基础上，即可以采用实现成本较低的快速变换，故易于用计算机处理信号。而且，又因为这N个正交的子载波频谱可以重叠，从而可大大提高频率利用率，很适合高速率(>10Mbps)的无线网络视频的实时传输。并且，由于采用正交的N个子载波调制，因而抗频率选择性衰落能力强，抗多径衰落能力强，同时也具有相当的保密性能。正因为COFDM技术有多载波等技术特点，其设备具备卓越的“非视距”、“绕射”与“穿透”能力，因而能用于城区、山地、建筑物内外等不能可视及有阻挡的环境中，所以最适于建设平安城市的应用。

随着COFDM技术及组件的成熟，国外在无线图像上已趋于淘汰微波和802.11FHSS、802.11(b)DSSS等方案，而采用COFDM技术的产品。目前，国内少数公司采用欧洲DVB_T数字电视标准中的COFDM调制模块，集成了新一代移动视频图像传输产品，并已成功地应用在现场新闻采集、实况转播、实时动态监控等应用领域中，使用户己获得意想不到的好的效果。

结语

由上述分析可知，GPRS、CDMA、COFDM无线视频传输技术均有各自的优缺点，它们均可应用在移动式无线视频监控系统中。但相对比较起来，在平安城市建设中，还是采用COFDM无线视频传输技术为好。（欲知详情，可参阅本人在2008年3月在A&S《安防工程商)中发表的“适于平安城市的COFDM无线视频传输技术”一文）。

值得指出的是，2001年10月台湾东华大学的杨庆隆博士曾撰文提出过CDMA与OFDM(即正交频分多路复用)这两种技术相结合的一种调制技术，这种组合的调制技术集合了CDMA和OFDM各自的优点。由于CDMA是扩频编码，本身就是一种信源编码，因而降低了OFDM对功放输出功率和线性度的要求，即同样的功率下，可传输更远的距离，而OFDM是正交多子载波调制并允许子载波频谱混叠，因而具有更高的频率利用率，能适应高速数据传输，所以在CDMA与OFDM调制相结合的情况下，可大大提高基于CDMA的数据传输率。此外通过切换又易于与原有的CDMA网和WLAN 网无缝连接且向下兼容。所以对未来4G手机的一些指标要求，CDMA-OFDM是一个具有一定优势的备选方案，因为4G手机既要求达到OFDM的高速(>20Mbps)，又要求与原CDAM2000和

CDMA1x，GSM_GPRS向下兼容。此外在WLAN的发展上，又要求扩展通信距离，并做到与WLAN网的各个标准兼容互通。但实际上，这种加上信源编码后的OFDM也就是COFDM，也可实现同频(单频)通信网，且是高速视频(>10Mbps)的单频无线通信网络。