（信号与信息处理专业论文）数字电视地面传输系统中抗干扰技术的研究.pdf

摘要 摘要 数字电视地面传输系统中抗干扰技术的研究 硕士研究生刘壮导师邹采荣教授 东南大学无线电工程系 d t t b ( 数字电视地面广播) 是现有数字电视广播方式中的一种，它的传输是通过地 面无线进行的，其独具的简单接收和移动接收的能力，能够满足现代信息化社会所要求 的“信息到人”的基本需求。并且地面数字广播可以在原普通模拟电视频道内播出完整 的高清晰电视节目，使清晰度和声音质量得到大幅改善，能最终实现真正的高清晰度电 视。数字电视广播发展近十年来，卫星和有线电缆广播的基本传输体制己确定，而地面 广播由于传输环境恶劣，频谱资源有限，应用需求分散，其标准在各国仍有极大的争议， 因为目前没有一套标准能解决实际地面传输中的所有问题，因此数字电视地面广播在许 多方面都有很大的改进潜力。本文对数字电视地面广播( d i g j t a lt e l e v i s i o nt e r r e s t r i a l b r o a d c a s t i n gd t r b ) 系统中的关键技术进行了研究，重点研究了d v b - t 系统中的信道 估计与均衡算法、传输系统中的噪声干扰对系统的影响以及相应的对抗噪声干扰的方 法。 d v b - t ( d i g i t a l v i d e o b r o a d c a s t i n g ) 是目前国际认可的数字电视地面广播标准之一， 也是广播电视业及多国数字地面电视接收测试中评价最高的地面电视广播标准。本论文 是基于欧洲d v b - tc o f d m 系统技术，研究了其信道估计与均衡技术，在基于最小二 乘( u s ) 信道估计算法的基础上提出了改进的最小均方误差( m m s e ) 算法，接着提出 了最近插值，线形插值，高斯内插滤波，三次样条插值以及时域插值几种信道插值方法， 研究了基于迫零准则和最小均方准则的信道均衡技术。下一步在对d v b t 广播信道的特 性进行深入分析的基础上，介绍了多种噪声对数字电视地面传输的影响，着重介绍了脉 冲噪声的两种模型，马尔可夫( m a r k o v ) 与非高斯脉冲噪声模型( n o n g a u s s i a ni m p u l s i v e n o i s e ) ，并且分析了他们的特性。最后提出了对脉冲噪声的时域检测法，继而提出三种 基于信道估计的脉冲噪声的频域抑制方法：傅立叶变换与信道估计相结合法、导频替换 法、导频内插滤波法，并且在不同的信道做出相应的仿真分析与性能比较，提出了d v b t 抑制脉冲噪声的认识和思想。 本课题研究了数字电视地面广播中的d v b tc o f d m 系统，对信道编解码技术， 交织技术，信道调制解调技术等均作了一定的研究，讨论了无线地面传输中信道估计与 均衡技术，重点研究了无线信道中的脉冲噪声模型以及对信道接收的影响，以及基于信 道估计的三种抗脉冲噪声的技术。仿真结果表明，相关算法均能到达预期的效果。 关键词：地面数字电视广播，正交频分复用，导频，信道估计，信道均衡，脉冲噪声，傅立叶变换， 导频内插 a b s t r a c t a b s t r a c t r e s e a r c ho ft h et e c h n o l o g yo fr e s i s t i n g i n t e r f e r e n c ei nd i g i t a lt e l e s i o nt e r r e s t r i a i ， b r o a d c a s t i n gs y s t e m c a n d i d a t e ：l i uz h u a n g ，s u p e r v i s o r ：z o uc a ir o n g d e p a r t m e n to fr a d i oe n g i n e e r i n g , s o u t h e a s tu n i v e r s i t y , c h i n a d 1 1 b ( d i g i t a it e l e v i s i o nt e r r e s t r i a lb r o a d c a s t i n g ) i so n eo ft h ep r e s e n td i g i t a lt e l e v i s i o n b r o a d c a s t i n gm o d e s w h i c hi st e r r e s t r i a lw i r e l e s st r a n s m i s s i o n a f t e rad e c a d eo fi n t c r i s e r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t ，t h es t a n d a r d so fd i g i t a l1 _ e l e v i s i o ns a t e l l i t eb r o a d c a s t i n ga n d d i g i t a l1 b l e v i s i o nc a b l eb r o a d c a s t i n gh a v eb e e nc o n f i r m e d b u tt h es t a n d a r do fd i 画t a i t e l e v i s i o nt e r r e s t r i a lb r o a d c a s t i n gs t i l lh a sd i s p u t a t i o n ，f o ri t st r a n s m i s s i o ne n v i r o n m e n ti s r a t h e ra w f u l 。i t ss p e c t r u mr e s o u r c ei sv e r yl i m i t e da n di t ss e r v i c er e q u i r e di sd i s p e r s e ，s oi ti s p o t e n t i a lt ob ei m p r o v e di nm a n ya s p e c t s i nt h i sp a p e r , is t u d i e dt h ek e yt e c h n o l o g yo f d j 2 i t a l1 1 e l e v i s i o nt e r r e s t r i a lb r o a d c a s t i n ga n ds i m u l a t et h ed v b tc o f d ms y s t e m a n dp u t t h ee m p h a s i so nt h ec h a n n e le s t i m a t i o n ，e q u a l i z a t i o na l g o r i t h m ，t h en o i s ei n t e r f e r e n c et ot h e t r a n s m i s s i o ns y s t e ma n dt h ew a yo fe l i m i n a t i n gn o i s e d v b t ( d i 西t a lv i d e ob r o a d c a s t i n g ) s p e c i f i c a t i o ni so n eo ft h ed m s t a n d a r d s i th a s b e t t e rr e s u l t si nd i 2 i t a lt e l e v i s i o np r o g r a mt e r r e s t r i a lr e c e p t i o nt e s ta n dh a sg o o da p p r a i s e m e n t j nd i 画t a lt e l e v i s i o nb r o a d c a s t i n gi n d u s t r y t l l i sp a l ：i e rb a s e do ne u r o p ed v b tc o f d m ( c o d e do r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n 曲s y s t e m ，r e s e a r c h e dt h ec h a n n e le s t i m a t i o n a n de q u a l i z a t i o nt e c h n o l o g y t h ea d v a n c e dm i n i m u mm e a ne s t i m a t i o na l g o r i t h m ，t h e nt h e n e a r e s t ，l i n e r , g a u s $ 。c u b i c , a n dt i m e d o m a i ni n t e r p o l a t i o nm e t h o d sw e r ea p p l i e d ，n e x t ，t h e p a p c rr e s e a r c h e dt h ec h a n n e le q u a l i z a t i o nt e c h n o l o g yb a s e do nz e r of o r c cc r i t e r i o na n d m m s ec r i t e r i o n t h e nb a s e do na n a l y s i st ot h ep r o p e r t yo ft h ed v b - tb r o a d c a s tc h a n n e l 。 i n t r o d u c e dt h ei n f l u e n c eo fs o m en o i s et y p e st ot h ed t t bs y s t e m p u tt h ef o c u so n2t v p e so f i m p u l s i v en o i s em o d e ：m a r k o va n dn o n g a u s s i a ni m p u l s i v en o s em o d e l ，a n dd i s c u s s e dt h e p r o p e r t yo ft h e m a tl a s tr e s e a r c ht h et i m e d o m a i ni n s p e c t i o nm e t h o dt oi m p u l s i v e n o i s e , a n dp u tt h ee m p h a s i so n3w a y so ff r e q u e n c y d o m a i ne l i m i n a t i o nt oi m p u l s i v e n o i s eb a s e o nc h a n n e le s t i m a t i o n ：t h ec o m b i n a t i o no fh 丌a n dc h a n n e le s t i m a t i o n ，p i l o tr e p l a c e m e n t ， p i l o ti n t e r p o l a t i o n , a n dg a v et h ec o r r e s p o n d i n gs i m u l a t i o nt e s ta n dp e r f o r m a n c e0 0 m f a s ti n d i 能r e n tc h a n n e l t h i sp a p e rr e s e a r c h e dt h ed i g i t a lt e l e v i s i o nt e r r e s t r i a lb r o a d c a s t i n gs y s t e m s ：d v b - t c o f d m s t a n d a r d i n c l u d i n g ： c h a n n e l e n c o d i n g d e c o d i n g ，i n t e r l e a v e ， c h a n n e l m o d u l a t i o n d e m o d u l a t i o ne t c b e s i d e s ，t h i s p a p e rf o c a s e do n c h a n n e le s t i m a t i o na n d e q u a l i z a t i o nt e c h n o l o g y , w h i c hi st h ek e yt ot h ew i r e l e s st r a n s m i s s i o n ，a n dd i s c u s s e dt h e m o d e lo ft h ei m p u l s i v e n o i s ea n dt h ei n f l u e n c et ot h ec h a n n e lr e c e p t i o n ，a n d3w a y sa g a i n s t t h ei m p u l s i v e n o i s e t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a te a c ha l g o r i t h mc a na c h i e v et h ed e s i r e d r e s u l t s k e yw o r d s ：d t t b ，o f d m ，p ns e q u e n c y , p i l o tf r e q u e n c y , c h a n n e le s t i m a t i o n ，c h a n n e l e q u a l i z a t i o n ，i m p u l s i v e - n o i s e ，n 弭p i l o ti n t e r p o l a t i o n h 独创性声明 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示了谢意。 研究生签名：圣l 些 日期：型! ! 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：蔓堑导师签名：丕啦日 期：2 二竺兰彬 第1 章绪论 第1 章绪论 随着数字技术的高速发展，广播技术也正在迅速的走向数字时代。广播电视技术经 历了从黑白电视到彩色电视的发展过程，现在正处于向革命性的第三代电视一数字电视 过渡的关键阶段。所谓数字电视，其实是指一种新的数字电视系统( 我们现在所用的是 模拟电视系统) ，是拍摄、编辑、制作、传输、播出、接收电视信号的全过程都使用数 字技术的电视系统。其电视接收器按清晰度等级从上至下可分为h d t v ( 数字高清电 视) 、e d t v ( 增强型数字电视) 、s d t v ( 标准清晰数字电视) 和p d t v ( 普及型数字电 视) 四种，它们之间的区别主要在于图像质量和信道传输所占带宽的不同。采用数字技 术不仅使各种电视设备获得比原有模拟设备更高的技术性能，而且还具有模拟技术不能 达到的新性能，使电视技术进入崭新的时代“1 2 j 1 4 1 。 1 1 数字电视的技术背景 广播技术正迅速走向数字时代，广播电视、电信、计算机技术领域也在不断渗透、 融合，这些改变都使原有的广播电视系统和技术发生着根本性的变化。数字化具有系 列优点：在广播电视中心，通过数字信号处理会使节目的制作效果得到极大改善，一些在 模拟方式下无法完成的功能，通过数字技术与计算机技术的结合，能得以轻松地实现； 节目多次复制所引起的损伤不会积累，提高了复制质量；在广播电视信号传输环节，数 字压缩技术的采用提高了节目的传输效率和效率利用率，如在有线广播传输一套模拟电 视的8 m h z 频道内可以传输6 套数字标准清晰度电视节目，或者与因特网连接在一起，在 有线广播8 m h z 带宽上传送3 8 m b s 数据。 可以说数字电视广播电视的优势是传统模拟方式无法比拟的。同时，广播数字系统 统一标准的重要性也正在被人们逐渐意识，在广播数字系统中，标准不仅仅只对外围的 接口，往往对数字信号处理的整个流程和细节都作了详细规定。因此，对符合同一标准 的设备，其原理和框图都是一样的，介绍设备和介绍标准几乎是一样的，所以说数字电 视广播系统的标准有着格外重要的意义。 1 2 地面数字电视广播的基本需求 数字电视广播主要通过卫星、有线电视、及地面无线三种传输方式实现。一般认为， 卫星广播着重解决大面积覆盖；有线电视广播着重解决“信息到户”，特别是在城镇等 人口居住稠密地区的电视接收问题；而地面无线广播作为电视广播的传统手段，首先要 求有足够好的接受性能，在室内采用简单、小型和低增益天线实现稳定接受1 3 1 甚至在 教强静态和动态多径的环境中，系统仍能够稳定工作，能够满足现代信息化社会所要求 的“信息到人”的基本需求，其次，有足够高传输的码率，作为一种不同于卫星和有线 电视的覆盖方式，可以发挥其独有的优势，将服务于未来宽带无线接入市场，支持移动 接收业，支持无线双向传输的双向业务。 其他的要求包括：需要先进的信道编码和信道估计方案，以便降低系统c n 门限， 以此降低发射功率，并减少了对现有模拟电视节目的干扰，降低各种干扰失真。高度灵 东南大学硕士学位论文 活的频率规划和覆盖区域，能够使用单频网和同频道覆盖扩展缝隙填充。而且系统应允 许多种成本价格的接收机实现，包括低成本实现等。 1 3 地面数字电视传输现状和技术特点 美国( a t s c ，1 9 9 5 ) 、欧洲( d v b t ，1 9 9 7 ) 和日本( i s d b t ，1 9 9 9 ) 是三套迄今 为止已成为国际标准的全球数字电视地面传输系统。从技术上而言，限于当时的设计方 向、使用环境、技术水平和硬件支持能力，这些系统没有发挥出其应有的潜力。表1 1 简要地介绍这三个系统的有关参数盱“酗碣1t 9 1 。 表1 1 数字电视地面标准三大系统的参数特点 a t s c ( 美国)d v b - t ( 欧洲)1 s d b - t ( 日本) 频道宽度 6 m h z 6 m h z 、7 m h z 、8 h z6 m h z 、7 h i z 、8 m l - i z 视频压缩 m p e g 2 视频编码 m p e g 2 视频编码m p e g - 2 视频编码 m p m h d t vm p h lh d t vm p n li - i d t v m p m ls d t vm p m es d t v m e l m ls d t v 图像格式 h d t v 1 9 2 0 1 0 8 0h d t v1 9 2 0x1 0 8 0h d t v1 9 2 0x1 0 8 0 1 6 ：91 6 ：91 6 ：9 s d t v7 0 4 x 4 8 04 ：3s d t v7 0 4 x 5 7 64 ：3 s d t v7 0 4 x 4 8 04 ：3 音频压缩 d o l b y a c - 3 音频编码 m p e g 2 层i lm u s l c a mm p e g - 2 层1 1 1 a a c 音频编码 音频编码 复用方式m f e g 0 2 系统t c 码流 m p e g 2 系统t c 码流 m p e g 2 系统t c 码流 数据随机化1 6 位p r b s1 5 位p r b s1 5 位p r b s 信道外码 r s 码( 2 0 7 , 1 8 7 , t - 1 们r s 码( 2 0 4 ，1 8 8 , t = 8 )r s 码( 2 0 4 ，1 8 8 , t = 8 ) 外码交织5 2 r s 块交织1 2 r s 块交织1 2 r s 块交织 信道内码 t c m ( 码率2 3 ) 卷积码( 码率1 2 ，2 3 ，卷积码f 码率1 2 ，2 3 ， 3 4 ，5 6 ，7 8 )3 4 ，5 6 ，7 8 ) 内码交织网格交织( 1 2 个网格交卷积交织( 比特交织、频卷积交织( 比特交织、频 织) 率交织) 、 率交织、时间交织) 调制技术8 v s b 调制1 6 q a m 3 2 q a m 6 4 q a m 1 6 q a m 3 2 q a m 6 4 q a m 中选择中选择 总码率 1 9 2 8 m b i t s ( 6 m h z ) 4 9 8 3 1 6 7 m b i t s 3 6 8 2 3 4 2m b i t s ( 8 m h z )5 6 m h z ) 载波数单载波 2 k 、8 k2 k 、4 k 、8 k 接收门限( 洲) ：1 5 d b ( c n ) ： 1 9 d b ( o n ) ： 1 9 d b 传输方案 8 v s b 传输方案o f d m 传输方案分段o f d m 传输方案 特征抵御电气干扰能力强 克服静态和多态多径干克服静态和多态多径干 克服脉冲干扰 扰能力强扰能力强 可做单频网可做单频网 有效的覆盖区域 2 第1 章绪论 不考虑移动接收可用于移动接收可用于移动接收 辐射功率峰值平均功率辐射功率峰值平均功率 ( p a r = 7 o d b l( p a r - - 9 5 d b ) 移动接收不能能能 单频网兼容不能能能 性 s d t v h d t v 能 能 能 兼容性 硬件实现容易 复杂复杂 1 4d v b - t 的研究现状 d v b ( d i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t ) 意为数字视频广播，是现有的数字电视广播的标准之 一。该系统采用编码正交频分复用( c o d e do r t h o g o n a lf r e q u e n c y d i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ，c o f d m ) 的调制方式，在抵抗高电平( 高至0 d b ) 、长延时静态和动态多径失 真方面具有性能优势。它利于大范围的单频网( s f n ) ( 8 k 模式) 或者移动接收( 2 k 模式) 。系 统中的分级信道编码和调制也是有用的，它在0 f d m 子载波上使用了多分辨率星座图 ( 1 6 q a m 或6 4 q a m ) ，可在一个d t f b 频道内提供两层业务。 d v b 是欧洲有2 0 0 多个组织参加的一个项目。它包括了卫星、有线电视、数字地面 电视、s m a t v , m v d s 普通电视和高清晰度电视的广播与传输。这个标准于1 9 9 3 年9 月开 始立项，现在系统已经形成了完全满足实际需求的市场体系，并形成了与之配合的经济 环境以及电子和广播工业。 由于基础设旅费用的投入相对较低，目前卫星有线电视数字视频广播c d v b s ， d v b a 从播出到接收的全系统己是成熟的技术，而地面广播( d v b 日受众多因素的影 响，如多径问题，接收方式问题，接收区域问题，频率规划问题等，目前还存在一些问 题，特别是在提高固定接收的稳定性以及移动接收的性能等方面有很大的改进潜力。因 此数字电视地面广播标准的采用将给整个社会带来更深刻的变化，并且随着它逐渐被各 国采用，为今后的高清晰度电视的发展提供了广阔的空间，所以数字电视地面广播标准 的研究和确定具有极大的意义。目前大约有1 2 个国家宣布采用d v b - tc o f d m 数字电视 系统，仅有美国、加拿大和韩国决定采用a t s c 系统。 1 5 选题背景和意义 实际数字电视无线广播信道比较复杂，其中的干扰和失真存在很多种，不同的信道 环境也可能不尽相同，脉冲噪声是一种比较常见的时域噪声，广泛存在于各种信道中， 对于多载波调制的欧洲d v b t ( d i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t i n g t e r r e s t r i a l ) 系统来说，脉冲噪 声对接收机性能的影响比对一般单载波系统接收机的影响更大。因此，在d v b t 接收 机中做到有效的判别和消除脉冲噪声的干扰，尤其是在移动接收这种脉冲噪声频发的环 境下，对提高接收机的性能显得非常重要，所以研究脉冲噪声对d v b ，t 的影响以及结 合信道估计均衡技术的脉冲噪声的检测与抑制方法具有极其重要的意义。 3 东南大学硕士学位论文 1 6 论文章节安排和重点 第二章介绍了地面无线传输信道、多径信道的参数及其分布，给出了本论文仿真所 使用的多径信道模型； 第三章介绍了d 一t 系统的信道编码，调制技术与o f d m 符号帧结构，并重点讨 论了基于频域导频的信道估计方法、内插技术以及两种均衡方法并给出相应的结果图和 分析。 第四章介绍了各种噪声对数字电视地面传输的影响，着重介绍了脉冲噪声的两种模 型，马尔可夫与非高斯脉冲噪声模型，并且分析了他们的特性。 第五章介绍了脉冲噪声的时域检测法，继而给出两种基于信道估计的脉冲噪声的抑 制方法，并且做出相应的仿真分析与比较。 最后总结本文工作提出今后进一步改进的方向和进一步研究的技术问题。 本文的重点是讨论仿真了d v b - t 地面数字电视传输系统中信道估计和均衡，以及 在噪声环境下对脉冲干扰的分析与消除办法。 1 7 本章小结 作为全文的绪论，本章首先介绍了数字电视的发展史，并与模拟电视相比较阐述了 其特点与优势，然后过渡到地面数字电视传输的需求，比较了国外数字电视地面传输标 准的技术特点，进而介绍了我国地面数字电视传输标准的需求和发展状况。最后介绍了 全文的结构安排与工作重点。 1 8 参考文献： 【1 】黎洪松编著 5 月； 1 2 1 余兆明编著 年5 月： 数字视频技术及其应用，清华大学出版社，北京，1 9 9 7 年 数字电视和高清晰度电视，人民邮电出版社，北京，1 9 9 7 清华大学，地面数字电视传输技术白皮书，2 0 0 4 ； 郑志航编著全数字高清晰度电视和d ，中国广播电视出版社，北京， 1 9 9 7 年2 月； 李同勤，地面数字电视广播标准的原理分析与思考，西部广播电视，2 0 0 4 ， n o 6 ： 杜百川，数字电视，北京：广播电视科技快报特辑，1 9 9 8 ； 广州电子技术网，上海数字电视与无线多媒体通讯国际论坛的情况； e t s ie n 3 0 07 4 4 v 1 4 1 ，2 0 0 1 - - 0 1 ，d i i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t i n g ( d v b ) ：f r a m i n g s t r u c t u r e ，c h a n n e lc o d i n ga n dm o d u l a t i o nf o rd i g i t a lt e r r e s t r i a lt e l e v i s i o n a d v a n c e dt e l e v i s i o ns y s t e mc o m m i t t e e ，a t s cd i g i t f lt e l e v i s i o ns t a n d a r d ( a 5 3 ) r e v i s i o ne ： 4 】 】 】 i d “ b k n 随 吲 第2 章无线通信信道特性和模型 第2 章无线通信信道特性和模型 理想信道情况下，接收机收到的应该只是一个宣射路径的信号，但在实际的 信道中，由于信道的频带有限，需要通过调制技术来调整频带效率，同时由于新 到中的各种干扰，需要采用各种纠错及均衡技术消除干扰，所以接收机收到的信 道是由衰落信号、反射信号、折射信号以及绕射信号所组成，信道同时还带来噪 声，如果接收机活发送机移动的话，还会带来载波频率的偏移，所以信道特性至 关重要。 2 1 无线通信系统信道特性 ( 1 ) 多径效应 在无线链路中，射频( r f ) 信号会因山川、建筑物、移动物体的影响产生反 射，这样，各条路径中反射波的到达时间、相位都不相同。不同相位的多个信号 在接收端叠加，如果同相叠加则会使信号幅度增强，而反向叠加则会削弱信号幅 度。这样，接收信号的幅度将会发生急剧变化，从而导致瑞利衰落( 快衰落) ； 同时也会引起信号频谱的深度衰落( 频率选择性衰落) 。 ( 2 ) 大尺度衰落与小尺度衰落 电磁波传播的机理从总体上可以归结为反射、折射和衍射。从宏观上描述接 受信号的场强变化的数字电视地面广播信道模型，称为大尺度传播模型。而小尺 度传播则从微观上描述短距离或短时间的接受信号场强的快速波动。在接收机设 计中，总是更多地关注小尺度衰落模型。本文所说的衰落，主要指小尺度衰落。 小尺度衰落表现为，无线信号在经过短时间或短距离传播后幅度快速衰落，以致 大尺度路径损耗的影响可以忽略不计。衰落是由于同一传输信号沿两个或多个 路径传播，以微小的时问差达到接收机的信号相互干涉所引起的。这些波称为多 径波。 ( 3 ) 延迟扩展 接受到的无线信号除了由一条直接路径到达的信号外，还有许多经发射路径 到达的信号，显然后者到达时间相对晚一些。这种时间上的差异会引起已接受信 号的能量扩展。延时扩展就是第条和最后一条到达接收机信号时间上的差值。 ( 4 ) 多普勒频移 当移动台在运动中进行通信时，接收机受到信号的频率会发生变化，称为多 普勒d o p p l e r 频移。多普勒频移大小取决于发射与接收机的相对运动情况及无线 信道的传输速度，假设接收机以恒定速率v 运动，其运动方向与信号入射方向之 间的夹角为0 ，发射信号波长为a ，则多普勒频移为厶一c o s 0 。可见，若接 收机朝向入射波方向运动，l j d o p p l e r 频移为正：否则为负。d o p p l e r 频移造成的 直接后果是，接受信号的载波频率和符号时钟发生漂移，给符号采样时钟的同步 5 东南大学硕士学位论文 带来困难。 由于无线通信中，无线电信号从发射端到达接受端的传播方式较为复杂，所 以，信道特性随着空间和时问不同都会发生变化。因此，无线通信信道从总体上 来说是一个以空间和时间为变量的二维随机过程，应该对其进行统计描述1 2 - 4 1 1 9 1 。 但是，在某一个较小的时间和空间范围内，无线通信系统所对应的信道可以看作 二维随机过程的一个实现，此时，信道又可以认为是确定的2 “1 9 1 。信道估计的 目标是以尽可能高的精度估计出该实现为系统均衡信道的衰落提供基础1 3 , 9 1 所 以，在研究信道估计工作中通常可以将信道看作一个确定的线性时不变系统，也 就是用信道的确定描述。综上所述，信道的统计描述和确定描述是针对不同的应 用目标提出来的，统计描述对于研究系统的总体性能非常适用；而确定描述对于 信道估计、跟踪和均衡更适合。下面介绍两种描述方法。 2 2 无线信道的统计描述 时变时延扩展的无线信道是个二维的随机过程，应当用二维概 率密度函数表示其统计特性2 。3 1 9 11 1 2 1 。 t 时刻，一个发射天线与一个接受天线之间的无线信道时变时延扩展复基带 冲激响应可以用下式进行描述3 ，9 ，1 1 t 1 ”： h ( t , l r ) 一y 。( f ) e “h 啊。嵋6 p 一_ ) ( 2 1 ) 式中，k 表示第q 条路径的多普勒频移；表示第q 条路径传输时延引起的 相移；6 ( r ) 表示各路径相对于首达路径的延时时间函数；乞表示以首径为参考 点，第q 条路径的相对时延；p ) 表示第q 条路径的复增益；托o ) 通常为具有 一定多普勒功率谱的窄带复高斯过程，方差由信道的功率延迟谱( p o w e rd e l a y p r o f i l e ，p d p ) 决定3 9 t l u 。 信道的p d p 定义为3 1 ：p ) - z , p o ，f ) ( 2 2 ) 式中：e ) 表示对时间求整体平均值；p ( f ，f ) - i h ( t ，f 扩为瞬时功率延迟 谱。 t 时刻，信道冲激响应对时延f 的傅立叶变换为信道的时变传输函数： h r ( t ，) = _ f “( f ，r ) e 啦d _ r 一伽一 ( 2 3 ) 定义无线信道的时频二维相关函数为时变传输函数的自相关函数： r u ( f ，t + f ，+ a 厂) 一e h ( t ，f ) h o + f ，f + a ，) ( 2 4 ) 如果时频二维相关函数满足：如( f ，t + z d ，f + a ，) 一( a f ，厂+ a ，) ( 2 5 ) 信道被称为广义平稳( w i d es e n s es t a t i o n a r y ，w s s ) 信道1 3 , 9 1 如果时频二维相关函数满足：r h 0 ，t + z x t ，厂+ a ，) ；r h ( f ，t + “，) ( 2 6 ) 第2 章无线通信信道特性和模型 信道被称为独立散射( u n c o r r e l a t e ds c a t t e r i n g ，u s ) ”9 | 信道； 如果时频二维相关函数满足：如( f ，t + l x t ，f ，f + a ，) 一( “，a ，) ( 2 7 ) 信道被称为广义平稳独立散射( w s s u s ) 信道： 在信道为w s s u s 的假设下，信道的时频二维相关函数可以分解1 3 , 9 1 如p ，a ，) 一p ) + “，) ( 2 8 ) 正因为无线信道时频二维相关函数具有这个可分离的特性，才可以提出分别 在时域和频域利用各自的相关特性进行信道估计，例如利用此特性提高信道估计 的精度，减小均方误差等处理方法1 7 , 1 5 1 0 2 3 无线信道的确定描述 本论文在准静态信道条件下展开研究工作，此类信道的冲激响应在一个信息 符号内的变化可忽略：即在一个信息符号内，信道可以建模为一个线性时不变系 统；此时，可以使用确定性模型对无线信道进行描述。 将发射端和接受端的波形成型滤波器和物理信道一起看作广义信道，在实际 系统中，信道估计器得到的结果只能是广义信道的估计值；广义信道的基带冲激 响应为2 - 5 , 9 ： _ i l ( r ) - 芝如c p 一) ( 2 9 ) 口。- c ( t ) 表示系统发射端成型滤波器和接受端匹配滤波器共同等效的冲激响应， 一般情况下为奈奎斯特滤波器。 在o f d m 系统中，如果系统的基带信号以码元周期f 进行采样对信号进行离 散化，其中f j = 1 ( a 厂) ，则信道的离散基带冲激响应的简化形式为3 舯，1 6 1 ： - 1 啪卜i l ( 织) 一芝k 。o 一矾) ( 2 l o ) q - u 式中：l 为系统可分辨的路径总数，也称为信道冲激响应的阶数；由于频域 的带限特性，在对信道的基带冲激响应采样的时候会出现能量的泄漏，如果能量 泄漏与采样能量相比是可以容忍的，信道的离散基带冲激响应还可以进一步简化 为1 3 , 9 1 一1 【q 】= 6 p g ) ( 2 1 1 ) 孙 一l 相应的信道离散传递函数h 可以表示为1 3 , 9 1 研七】一e h q j h 皆 ( 2 1 2 ) 式中：；e - j i ； 本论文主要是在能量泄漏可以忽略的条件下开展研究工作的，也就是对式 ( 2 1 2 ) 表示的准静态信道模型展开信道估计的研究工作。 7 东南大学硕士学位论文 2 4 等效离散f i r 模型 对于受加性噪声干扰并且有时变时延扩展特性的信道，其输入输出关系可以 用下述卷积方程描述： ) ，( f ) = r i l ( f ，f 弦( f r ) d f + ，嵋) ( 2 1 3 ) 之 式中：x ( t ) 和y ( t ) 分别表示输入和输出信号；h ( t ，f ) 表示时变时延扩展信道t 时刻的冲激响应：w “) 表示加性噪声。公式表明：首先，信号在d t r b 信道中的 传输是时间扩散的；其次，该信道扩散是随时间而变化的；再次，信道输出信号 有噪声干扰。 在d t b 中，信号的发送要经过调制转换为模拟信号，然后经过上变频送到 发射天线上进行传输。在接受端要经过下变频和采样转化为离散基带信号。有时， 在调制之后和解调之前分别进行波形成型和匹配滤波。另外，在接受前端也经常 要用到自动增益控制( a g c ) ，以补偿接受信号功率的变化。信道 ( f ，f ) 是成型 滤波、信道( 包括变频及发送接受天线) 、a g c 和匹配滤波器的级联，可被等 效为一个基带数字滤波器，其输入输出关系为： ) ， ) 。，萎 ；弦 一。) + v ) ( 2 1 4 ) 其中】i l 伙；d 代表等效基带离散信道。如果信道冲激响应 仲；，) 的长度有限l ， 则为有限冲激响应( f i r ) 信道。如果忽略信道的时变特性，则可以省略h ( k ；t ) 的 对间变量k ，得到 y ) 一罗 u 皿 一z ) + y ) ( 2 1 5 ) 箭 这是一个非时变线性f i r 滤波器信道模型。 2 5 本章小结 本章详细介绍了无线信道及其特性，讨论了数字电视信号在地面广播信道中 所受到的多径衰落等作用的影响，给出了无线信道的统计描述和确定描述，并给 出了d t r b 信道的等效基带离散模型，为本文的后面部分讨论打下基础。时域中 的多径衰落与频域中的频域选择性衰落式互相对应的。相应的，信道均衡也分为 时域均衡与频域均衡两种算法。一般地，单载波接收机中多采用时域均衡算法， 而多载波接收机中采用频域均衡算法，这两种均衡算法在理论上所能达到的性能 时相等的1 7 ，。 2 6 参考文献 【1 】张立军，上海交通大学，博士论文，数字电视地面广播中的信道估计与均 衡，2 0 0 5 年； 8 第2 章无线通信信道特性和模型 1 2 j ，gp r o a k i s , “d i g i t a jc o m m u n i c a t i o n s ：n y ，3 “e d ，m c g r a w h i l li n c ，1 9 9 8 ； 3 1a e m o l i s c h ，w i d e b a n dw i r e l e s sd i l g i t a lc o m m u n i c a t i o n s ，p e a r s o ne d u c a t i o n ， i n c ，2 0 0 1 ； 4 1 t s r a p p a p o r t , w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o np r i n c i p l e sa n dp r a c t i c e h a l li n c ， 1 9 9 6 ； 1 5 1a vo p p e r t h e i m ，r w s c h a f e r , j r b u c h ，d i s c r e t e t i m es i g n a lp r o c e s s i n g ，2 “ e dp r e n t i c e - h a l l ，i n c ，1 9 9 9 ； 。 6 1v a nd eb e c k , j - j ；e d f o r s , o ，；s a n d e l l ，m ；e t a l ；o nc h a n n e le s t i m a t i o ni n o f d ms y s t e m s ，v e h i c u l a rt e c h n o l o g yc o n f e r e n c e ，i e e e4 5 t h ，v o l u m e ：2 ， 2 5 2 8j u l y1 9 9 5 。p a g e s ：8 1 5 8 1 9 7 1 邵怀宗，时变色散信道中o f d m 系统的信道估计与均衡方法研究，f 博士 学位论文1 ，电子科技大学通信与信息工程学院，2 0 0 5 ： s la t s c ： a d v a n c e dt e l e v i s i o ns y s t e m sc o m m i t t e e ( a t s c 、d i g i t a lt e l e v i s i o n s t a n d a r d ，d o c a 5 3 ，s e p t e m b e r1 9 9 5 【9 】张贤达，保铮，通信信号处理，北京：国防工业出版社，2 0 0 0 ； 【1 0 c h e s h e ny e h ；y i n y il i n ；c h a n n e le s t i m a t i o nu s i n gp i l o tt o n e si no f d m s y s t e m s ，b r o a d c a s t i