OFDM技术在GSM-R语音信道中的应用

周娟

摘要：在我国铁路行业中，随着大量的数据业务增加，传统的铁路移动通信系统已经被第二代铁路移动通信系统GSM-R所取代，铁路移动通信是铁路高效运营、列车安全运行的重要保障。为了实现长距离可靠地传输数据业务保证列车的安全运行，利用GSM-R语音信道和OFDM正交频分复用技术，实现远程数据可靠传输平台。根据OFDM技术的特点，实现了GSM-R语音信道的OFDM调制解调系统，它在数据传输中具有良好的应用前景。

关键词：GSM-R;OFDM;保密性;数据传输

中图分类号：TP37        文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2020）25-0230-02

Abstract： In China's railway industry， with the increase of a large number of data services， the traditional railway mobile communication system has been replaced by the second generation of railway mobile communication system GSM-R. To realize long-distance reliable transmission of data and ensure the safe operation of trains， GSM-R voice channel， and OFDM orthogonal frequency division multiplexing technology are used to realize the remote reliable data transmission platform. According to the characteristics of OFDM technology， the OFDM modulation and demodulation system of the GSM-R voice channel is realized.

Key words： GSM-R; OFDM; Confidentiality; Data transmission

1引言

目前，随着铁路智能化建设的蓬勃发展，数据业务快速增长，传统的铁路移动通信系统已经逐渐被第二代铁路移动通信系统GSM-R所取代，GSM-R系统是一种在成熟、稳定的公网移动通信系统GSM的基础平台之上，专门为铁路行业服务的通信系统，它具有调度列车，行车控制，支持列车的高速移动的特点，并且提供铁路特定功能，为铁路经济和高效运营提供帮助的综合铁路移动通信系统[1]。利用GSM-R网络资源和OFDM技术，就可以实现在GSM-R语音信道中可靠的传输大量的数据业务。此外，由于采用了OFDM技术和GSM-R语音信道，即使消息被截获，结果也只是噪音，因此系统本身具有较高的安全性能。

2 OFDM基本原理

OFDM的基本工作原理是利用串/并变换，将一支高速率的码流转换为许多低速率的信号，并调制到不同频率的载波信号上。该并行传输系统一方面可以展宽码元宽度，使系统具有克服多径效应对信号造成的衰落。在传统的分频复用方法中，每个子载波的频谱是不重叠的[2]。另一方面，但是为了各子频带的信号相互重叠所引起的码间干扰，必须保证各个子频道之间留有足够的防护频道，就会降低系统的频带利用率[2]。为了简化系统结构，降低经济成本，采用先进的数字信号处理技术来产生和处理各子频带信号。同时，为了降低码间干扰，提高系统的频带利用率，只有保证各个子载波信号在一个码元周期内两两相互正交，这样就可以不失真的接受信号。OFDM信号的周期为T，副载波得个数为M，当M个副载波频率之间的最小间隔为1/ T，即各副载波频率为f i= f c+ i/ T时（ i= 0，1…，M - 1），其中fc为中心频率，则各副载波的正交性条件如公式（1-1）所示：

各子载波信号的频谱为升余弦滚降函数Sa（f），前一个相邻子载波信号的频谱峰值对应当前子载波信号的频谱的零点。所以所有的子载波信号频谱叠加时，会产生一个恒定值，类似于矩形信号频谱波形，其频谱宽度接近发射信号的两倍带宽[3]。因此，OFDM系统的频带利用率比较高。理论证明，在信道中传输具有高斯白噪声的统计特性的信号可以有效地克服多径效应带来的影响。由于OFDM系统的各个子频道信号互不相干，因此叠加以后形成的时域混合信号接近于高斯白噪聲信号。因此，OFDM系统可以有效地克服多径效应带来的影响。

3 OFDM技术的优点

OFDM技术正因为具有许多独特的优点，所以备受青睐。

（1）频谱资源利用率高

频谱利用率几乎是串行系统的两倍。这在频谱资源非常稀缺的无线通信中非常重要。OFDM各个子载波信号频谱叠加时，其频谱宽度接近发射信号的两倍带宽[4]。

（2）抗多径衰落能力强

由于OFDM系统将数据信息分别调制到多个子载波信号上，各个子频道信号互不相干，因此叠加以后形成的时域混合信号接近于高斯白噪声信号。因此，OFDM系统可以有效地克服多径效应带来的影响。

（3）利用动态分配子信道技术使系统的比特率最高

使用“灌溉原理”，选择每个符号在每个子信道中的比特数和功率来最大化总比特率（或最小化固定速率系统的功率）。也就是说，质量好的信道要传输更多的信息，质量一般的信道传输较少的信息，质量差的信道不能传输信息。

（4）通过各子载波的混合编码，提高其抗衰落能力。

OFDM技术本身已经采用了频率分集技术，有效地克服快衰落，所以就不需要使用均衡器。然而，可以通过对信息进行混合编码来提高系统性能。

（5）OFDM系统利用快速傅里叶变换实现信号的调制与解调，易于使用先进的数字信号处理技术来完成[5]。

4 OFDM技术在GSM-R语音信道中应用

本文实现在GSM-R语音信道中可靠地传输数据信息，整体传输结构如图1所示。

因为GSM-R系统采用信源编码技术对信号压缩，使用一个规则代码激励长期预测编码技术，包括五个环节：预处理分析、线性预测编码（LPC）技术、短时分析滤波，长期预测和规则码激励编码。具体调制解调流程框图如图2所示。

5结语

只有在一定条件下这种系统使用一种数据传输方式，需要改进的硬件和软件，使用更好的解码方式，如OFDM调制后的数据，然后转换，转换成一种类似于语音频谱数据，然后发送到移动终端，效果会大大提高。

参考文献：

[1] 谢炳勋.GSM-R技术在我国铁路通信中的应用与发展研究[J].电子技术与软件工程，2015（23）：45，101.

[2] 李小文，赵北平，王华华，等.OFDM系统中一种新的联合信道估计和信号检测算法[J].光通信研究，2015（6）：58-60.

[3] 张金玲，潘绯，张争光，等.时变OFDM系统中基于基扩展模型的物理层认证[J].电子技术应用，2016，42（12）：97-99.

[4] 秦长城.光纤通信系统中OFDM技术的应用分析[J].中国新通信，2016，18（1）：74.

[5] 宋红军.高速光纤通信系统中的OFDM调制解调技术的仿真与实现[J].信息通信，2015，28（6）：190.

【通联编辑：唐一东】