（信号与信息处理专业论文）预削波峰均比抑制算法在移动多媒体广播中的应用.pdf

摘要 摘要 预削波峰均比抑制算法在移动多媒体广播中的应用 硕士研究生梅一导师王桥 东南大学信息科学与工程学院 随着数字技术的发展，移动多媒体广播已经成为一个发展的热点。目前已有许多数字移动 多媒体广播标准，包括欧洲的d v b - h 、美国的m e d i a f l o 、韩国的d m b 等。我国也已经出台 了具有自主知识产权的t m m b 、c m m b 标准。其中t - m m b 已经成为我国的手机电视国家标准。 移动多媒体广播最大的特色便是能够让用户在任何地点任何状态下( 移动静止皆可) 接收 到高质量的多媒体信息，这也给系统瞪计带来了挑战。移动多媒体的传输媒质是无线信道，无 线信道中由于电磁波反射等引起的多径效应，会给传输信号造成很大的衰落，造成符号间干扰， 对系统性能有较大的影响。 由于o f d m 技术具有频谱利用率高、抗多径干扰与频率选择性衰落能力强等特点，能够简 单有效的消除信号多径传播所造成的符号间干扰，所以上述的多媒体广播标准无一例外都采用 了o f d m 技术。但是o f d m 的主要缺点在于其较高的峰均比。如果传输信号是由n 个子载波 构成，那么信号的峰均比可能达到相同调制映射的单载波的n 倍之多。如果要不失真地传输高 峰均比o f d m 信号，就对系统的功率放大器等部件提出了很高的精确度要求。一旦部件的精确 度不能达到要求，就会引起带外失真，造成系统通信质量的f 降。所以在移动多媒体，。播中进 行峰均比抑制是相当必要的。 本论文首先介绍了移动多媒体广播的技术背景与历史，然后对于移动无线信道的多径效应 与多普勒效应进行了简单的介绍，并给出了瑞利衰落的模型。随后本文介绍了正交频分复用多 载波o f d m 的基本原理与技术，以及在o f d m 系统中进行峰均比抑制的霓要性。在随后的章节 中，介绍r 目前较为常用的几种峰均比抑制算法，如选择映射法( s l m ) 、部分序列传输法( p t s ) 、 信号预畸变法和限幅峰均比抵制算法等。然后实现了预削波峰均比抑制算法，该算法对输出信 号的峰均比进行预测，预测削波模块将包络峰值与设定的削波fj 限值进行比较，如果合路后的 包络峰值超出了门限值，就对各路基带信号作相戍的削波处理，最后再输出。本文剥预削波峰 均比抑制算法进行了s i m u l i n k 仿真，并将该算法与限幅峰均比抑制算法进行了比较与分析。仿 真结果表明预削波峰均比抑制性能比限幅算法有改进。 关键字：移动多媒体广播无线信道o f d m 峰均比抑制限幅算法预削波 第1 页 东南大学硕上学位论文 a b s t r a c t p r e c l i p p i n gp e a k t o a v e r a g er a t i or e d u c t l 0 n t e c h n o l o g yu s e dl nm o t i o nb r a o d c a s t s t u d e n tn a m e ：m e iy i s u p e r v i s e db yp r o f e s s o rw a n gq i a o s o u t h e a s tu n i v e r s i t y , s c h o o lo fl n f o r m a t i o ns c i e n c ea n d t e c h n o l o g y , a st h ed e v e l o p m e n to fd i g i t a lt e c h n o l o g y , m o b i l em u l t i m e d i ab r o c a s t i n gh a sb e e na f o c u s s e v e r a ld i g t i a lm u l t i m e d i ab r o a d c a s t s t a n d a r d sh a v e b e e nb r o u g h tf o r w a r d ， i n c l u d i n gd v b ho fe u r o p e ，m e d i a f l oo fu s a ，d m bo fk o r e a a n dc h i n a st m m ba n d c m m b d u r i n gw h i c ht - m m bh a sb e e ne s t a b l i s h e da sn a t i o n a lm o b i l et vs t a n d a r d t h em a i nf e a n l r eo fm o b i l em u l t i m e d i ab r o a d c a s t i n gi st h a tm u l t i m e d i ai n f 0 1 t n a t i o n ，i t hh i 曲q u a l i t yc a l l b es e n tt ou s e r sw i t hn oc o n s t r a i to ft i m eo rl o c a t i o n h o w e v e r , t h i s f e a t u r eb n n g sc h a l l e n g e m o b i l em u l t i m e d i ab r o c a s t i n g sm e d i ai sw i r e l e s sc h a n n e l w h i c hs u f f e r sf r o mm u l t i p a t he r i e c t s u c he r i e c tw i l l b r i n gn o i s em a df a d i n gt o t r a n m i s s i o ns i g n a l ，r e s u l t i n gi n t e r - s y m b o li n t e f e r e n c e o f d mt e c h n o l o g yh a sah i 对1f r e q u e n c yu t i l i z a t i o nr a t i o ，a n di sn o ts e n s i t i v et o m u l t i p a t hi n t e f r e n c ea n df r e q u e n c y - s e l e c t i v ef a d i n g t h u s 0 f d mi sa b l et oe l i m i n a t ei s i c a u s e db ym u l t i p a t he f t b c ts i m p l ya n de f f e c t i v e l y a l lt h eb r o a d c a s ts t a n d a r d sm e n t i o n e d a b o v ea d o p t0 f d mt e e h n o l o g y b u t0 f d m sd i s a d v a n t a g e1 i e si nh i 吐p e a k t o a v e r a g ep o w e rr a t i o ( p a r ) ，w h i c h w o u l dr e s u l ti no u t b a n dd i s t o r t a t i o na n db r o a d c a s tq u a l i t yf a d i n g s oi t sn e c e s s a r yt o r e d u c ep a ri nm o b i l em u l t i m e d i ab r o a d c a s t i n g f i r s lt h i st h e s i si n t r o d u c e sm o b i l em u l t i m e d i ab r o a d c a s t i n g sh i s t o r ya n dt e c h n i c a l g r o u n d t h e n 。ab r i e fi n t r o d u c t i o no nm u l t i p a t he f f e c tm a dd o p p l e rs h i f to fm o b i l e w i r e l e s sc h a n n e l si si n t r o d u c e d ，a l s ow i t har a y l e i 曲f a d i n gm o d e l s e c o n d 。t h i st h e s i si n t r o d u c e dt h eb a s i cp r i n c i p l eo f0 f d mt e c h n o l o g h y , a n de x p l a i n st h e n e c e s s i t yo fp a rr e d u c t i o n ac o u p l eo fc o m m o np a rr e d u c t i o na l g o r i t h m sa r e i n t r o d u e e d ，i n c l u d i n gs l m ，p t s ，p r e d i s t o r t i o na n ds oo n t h i st h e s i sr e a l i z e da l le n h a n c e da l g o r i t h mo fc l i p p i n ga l g o r i t h m ，c a l l e dp r e c l i p p i n g ， w h i c hp r e d i c t st h eo u t p u ts i g n a la c c o r d i n gt of e e d b a c kl o o p p r e - c l i p p i n ga l g o r i t h m c o m p a r e st h r e s h o l dw i t hp e a kv a l u e i nc a s eo fp e a kp o w e re x c e e d st h r e s h o l d ， p r e - c l i p p i n gi sc a r r i e do u t t h i st h e s i ss i m u l a t e s p r e c l i p p i n ga l g o r i t h mw i t hs i m u l i n k ，a n dc o m p a p r e s s i m u l a t i o nr e s u l t sw i t h c l i p p i n ga l g o r i t h m s i m u l a t i o nr e s u l t sh a v es h o w nt h a t p r e l c l i p p i n gh a sp e r t o r m a n c ei m p r o w n e n to v e rc l i p p i n ga l g o r i t h m k e y w o r d ：m o b i l em u l t i m e d i ab r o a d c a s t i n g ，w i r e l e s sc h a n n e l ，o f d m ，p e a k t o - a v e r a g e r a t i o ，p r e - c l i p p i n g 第1 i 页 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：尘垒二日期：印：，。，。 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( 包括干0 登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名： 尘蠡二 导师签名： 丕掾日期：趁丑 兰：少 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究背景及意义 1 8 9 9 年，马可尼利用电磁波实现了大醇洋两岸的通信，开创了无线广播的先河。1 9 2 0 年， 出现了以中短波调幅( a m ) 、调频( 跚) 方式调制的声音广播。调幅广播和调频广播，均属于 模拟广播。模拟传播是通过增大发射功率来实现大范围的覆盖，这样相邻发射台的干扰也较大； 另外频带属于不可再生资源，随莠广播的发展，频段内的广播频谱越来越多，容易g 起相邻频 道之间的干扰。自从上世纪7 0 年代以来，数字拄术不断发展，尤其是c d 口昌片的普及，现有的模 拟广播已经不能满足人们对于声音质量的要求了。8 0 年代中期，为了提高声音质量，欧盟开发 了d a b ( d i g i t a la u d i ob r o a d c a s t i n g ) 数字音频广4 播标准，h p e u r e k a l 4 7 工程。d a b 广播系统占用 了l 波段( 1 4 5 2 1 4 9 2 g h z ) ，频道带宽为1 5 3 6 m h z ，采用o f d m 与d ( 3 p s k 调制，子信道均采用差分 调制，可以提供c d 音质豹声音广播服务”“。但d a b 标准主要提供r 音频广疆，不能满足人 f b 益 增长的对于多媒体信息的需求。欧洲、美国和日本分别提出了d v b - t 、a t s c 、i s d b - t 等地面数字 电视( 视频广播) 传输标准，我图也有滴华大学提出的d 她一t 、上海交通大学提出的a d t b - t 等多 种提案。两髓着手机、p d a 等手持移动终端的普及，为了更好地绐移动设备提供高质量的多媒体 广播，2 0 0 4 年欧洲d v b 论坛出台了与d v b t 兼容的d v b h 标准，并获得e t s i 认可。而我国自主研发 豹删8 一t h 楚在清华大学d 船t 与上海交大a d t b t 慕础上融合的标准，与现有的模拟电视髂输频道 兼容相兼容。2 0 0 6 年l o 月，国家广电总局也推出了广播行业推荐标准c m h f b 。 移动多媒体广播标准最大的特点即为其接受灵活性与移动性，这就要求在系统设计时考虑 对抗无线信道特姓带来的多普勒额移效疵；两多媒体广播支持移动终端接收蒋目，又需要考虑 到移动终端的节电问题。 无线信道是移动性的传输媒质，具有有线信道无法比拟的篼活性，但是无线信道也有箕固 有的特性，对移动多媒体j 。播系统提出了种种挑战。 移动通信信道的相干带宽是限制信道传输能力的主要因素之一，在短波电离层反射信道、 对流层敖射信道、移动信道广播信道等实际信遒中，云层、山脉、城市高层建筑的影响会产生 多径衰落现象，引起严重的码间干扰( i s i ) ，限制了信息传输速率的_ 璧高。 传统鼢解决方法是采用自适戍均衡技术来对拭多径衰落，出于均衡技术较为复杂，所以自 适应均衡器的制作、调试往往成为通信系统研制的瓶颈。随着传输带宽的不断增跃，均衡器的 制作越来越复杂、成本不断增加。为了有效地利用有限频率资源以满足高速率大容量的业务需 求，必须采用专门的技术来克服信邀多疑衰落以降低对均衡器的依赣、降低噪声，达到改善系 统性能的目的。在众多技术中正交频分多路o f d g 技术显示出其优越的性能，o f d m 作为一种可 以有效对抗载波间干扰的离速传输技术引起了广泛关注。 o f d m 的前身是频分复用技术( f 硼) ，即在宽带信道中用不同的载波频率来并行传输信号。 为了便于接收端的信号分离，子载波的频率之问要宵一定的保护问隔使得子载波之间不存在频 谱干扰，这就得f i ：$ 1 豹频谱荆用率很羝。o f d m 技术起源于2 0 世纪5 0 年代中期，主要应用于美国军 方的军方通信。但受到当时硬件技术的制约，o f d m 技术面临着存在大量复数计算、缺乏存储器 等障碍。加h o f d r d 技术提出的早期，每个子载波都露要青自己的模拟前端来解调，所以o f d m 的 推广受到了限制。赢到1 9 7 1 年，w e i n s t e i n 和e b e r t 将离散簿立叶变换( d f t ) 应用引入到并行传 输系统的调制解调中，实现f d m 技术不再依赖于子载波振荡器与相干解渊器，而可以用快速傅立 时( f f t ) 鲍硬释。快速搏立时变换妁使用使得o f d m 技术实现变得高效，特另日楚近年来照着数字 信号处3 至d s p s h 超大规模集成电路v s l i 技术的e 透发展，高速m o d e m 采用的6 4 、1 2 8 、2 5 6 q a 5 4 栅格 编码技术、软判决技术、信道自适应成熟技术的逐步引入，大大扩展了o f d m 系统的功能，增强 了o f 蹦系统的性能。o f d 5 , i 在许多领域都得到了瘟用，旱在1 9 9 5 年，欧湘电信标准协会( e t s i ) 制 定的d a b 标准率先使用了o f d m 技术。两年厨，基于o f d m 技术的d v b 标准也投入使用。美圈“家庭 插电联盟”( t h eh o m ep l u gp o w e r l i n ea l l i a n c e ) 确立为其1 o k 本规范的关键溺利技术。近 年来，由予数字信号处理( d s p ) 技术的飞速发展，o f d m 已经作为w l a n 和宽带无线接入的关键技 术，而且它将成为未来移动透信系统的核心技术。o f d m 已被视为第四代移动通信最具竞争力的 传输技术1 3 l 。 然后在o f d m 技术也存在不足之处，它容易受到频率偏差的影响，存在较高的峰均比。峰均 比搽的是信号豹峰值功率与平均功率之比，简称为蟑均眈。由于带通信号翦蜂值功宰近似等于 第1 页 东南大学硕士学位论文 信号包络的峰值功率，而前者的平均功率是后者的一般，所以两者峰均比相差3 d b ，因此在研究 中只需考虑信号包络的峰均比即可。在英文文献中常用”p e a k t o a v e r a g e ( m e a n ) e n v e l o p e p o w e rr a t i o ”来表示蜂均比。并可以箍记为p a e p r ，蹦e p r ，p a p r ，p ；l p r 或者p a r 等，本文中采用p a r 来标记。由于0 f d m 信号信号时遇上表现为个正交子载波信号的叠加，当备载波的相位相同时 会产生很大的峰值。一般来说，o f d m 的峰均比最大可能远到相同条件下单载波峰均比的倍。 商的蜂均比对系统会产生严蘑的影响，对于数字部分，如i f 阿, w r 、d s p 、a d 及d a 转换器， 它要求大的字长以满足量化噪声及精度的要求。由于o f d m 的大部分幅度只是峰值幅度的- - d 部 分，从而使得这些部件的往媚利率缀低。普信号透过菲线性设备，如功率放大器，会增加带肉 失真( i n - b a n dd i s t o r t i o n ) ，从而增n b e r 、产生带外噪声( o u t b a n dn o i s e ) 从而引起相邻 信道干扰( a d j a c e t nc h a n n e li n t e r f e r e n c e ，a c i ) 降低频谱效率。丽更为严重的阀题是，为 了减小失真，o f d m 系统所用的功率放大器需要高度线性和很大的回邋( b a c k o f f ) ，但是这会大 大降低放犬器的功率效率，这尤其限制了o f d i 在移动多媒体广播系统中的使用。 丽在移动多媒体，“播中，需要用手帆等便携式信息终端来接入网络，无线传输显示出了前 所未有的重要性。为了满足数据、音频年视频等大量资料的处理而推出的移动多媒体广播标准， 如t 埘与c 跚b 来说，由于通信模块的耗电量足以与c p u 或是液晶面板相当。理论上移动多媒体 广播的传送图像可望达到与电视节目相媲荚的质量，但如果耗电量大缩短了终端的电池工作时 间，是难以接受的。而高信号峰均比是造成设备耗电量大的重要原因。而通常放大器如果耍在 产生峰值时也能保持输入信号与输入信号之闯的线性关系，就必须使其在最大输出范瞪内工作， 但这一范围会随峰均比的增大而过大，运就导致了使用o f d m 调制方式的效率低下“1 。 另外，在广播信号调制到卫星时，如果不采取峰均比抑制，那么过高的峰均比会导致发射 机的有效发射功率不足，使得移动终端无法有效解调出信号，接受效果极著。由此可见，解决 峰均比问题对o f d m 技术在实际中的大量应用，尤其在移动无线广播中的应用。具有广蚓的应用 前景。 当前，峰均比问题是正交多载波技术的研究熟点之一，本文针对o f d m 技术中的峰均比抑 制比闷题进行了分析。介绍了常用的峰均比抑制葬法，并在限幅峰均比抑制的基础上提出了预 削波改进。 1 1 1 课题研究背景 移动多媒体广播业务的按术实现方法主要可分为兰大类。一是利用蜂窝移动网络实现，如 美国的s p h n t 公司，我国的中国移动和中国联通公司已经利用这种方式推出了手机电视业务 第二种是毋用卫星广播的方式，韩国的运营商采用了这种方式。第三种是在电视中安装电视节 目的接收模块，直接接收电视信号，本文主要讨论这种技术方式。d v b h 和我国的c m m b 、 t m m b 标准均属予第三种实现方式。 图1 - 1 表示了c m m b 系统韵系统结构： 第2 页 第一章绪论 图1 - 1c m m b 体系架构 1 1 2 国外情况 手机电视可以分为两大类，一类是利用广播网络，d v b - - h ，t d m b ，s t i m i 和m e d i a f l o 都属于此类：另一类则是利刷蜂窝网络来传输广播质疑节目，如m b m s ( w c d m a 网络) 和 b c m c ( c d m a 2 0 0 0 网络) 等。前者只有下行信道，后者有上下行信道。广播网的手机电视 业务在用户定制方面的灵活性不如蜂窝网，但是受众面广、系统效率高、质量也更高。而利用 蜂窝网络提供的手机业务可以有很高的定制性，可以专门为用户提供特定的内容，实现诸如视 频点播等，但在传输速率和受众角度来看就差一些。本文中只讨论利用厂一播网络的手机电视， 及移动多媒体广播。 欧洲d v b h 标准“ d v b h 主要利用数字地面网络进行手机电视内容的下行，利用移动蜂窝网络进行移动网络 进行点播、用户授权、计费、客服以及互动回传通道，其网络架构包括数字地面网络_ 手l 移动网 络。 d v b h 是建立在d v b ( 数据广播) 和d v b t ( 传输) 两个标准之上的标准，被认为是 d v b t 的扩展应用，使埘该技术可以向移动手持设备同时传送多个电视频道、无线频道和视 频频道。d v b h 通过时间分j 来降低接收设备的功率消耗，通过增加小区标识来支持信号的快 速扫描和频率切换，并提高了移动环境中接收信号的强度。 d v b - - h 基于d v b t ，完全后向兼容，并能和m p e g 一2 业务共享d v b t 复用器。并 且与d v b - t 相比较，d v b - h 引入了时间切片( t i m es l i c i n g ) ，使码流以脉冲方式发送，而不是 连续发送，以达到省电目的；d v b h 在2 k 与8 k 传输模式之上加入4 k 传输模式，增加组网灵 活性；在i p d v b 打包机内引入了m p e 层的f e c 纠错，提高手机的接收效果。 韩国t d m b 标准 t - - d m b 是韩国推出的地面数字多媒体广播系统，它是全球最早标准化和商用的手机广播 电视标准。作为d a b 在视频标准上的延伸，它完全兼容e u r e k a 1 4 7 提供c d 质量音频、视 频以及数据服务。 t d m b 系统包括一个d m b 监视系统、2 个视频编码器、视频网关和多路复用器，t - - d m b 利用h 2 6 4 对视频进行编码，利用m p e g - - 4b s a c 对音频进行编码，然后利用m p e g - - 4 同步 层和m p e g - - 2 传输流对视频、音频及附加的数据进行处理。有些基本模块与d v b - - h 相似。 1 1 3 国内情况 d m b - - t t i 己正式成为我国的数字电视地面传输标准，该标准是我国数字电视标准中具有 自主知识产权的标准。事实上，d m b - - t h 属于一个整合标准，它以清华大学d m b - - t 多载波 第3 页 东南大学硕士学位论文 标准为主干，上海交通大学a d t b t 单载波标准和广播科学研究院s t i m i 标准为补充，在作 为强制性地面标准的同时，也可以用于手机电视。 d m b 毋f 标准 d m b - - t h 技术的核心采用了m q a m q p s k 的时域同步芷交频分复用( t d s - - o f d m ) 调 制技术，使用了最新扮l d p c 前向纠错编码技术，因两可以更加可靠的支持更多的无线多媒体 业务。 在降低手机功耗方面，d m b - - t i c 采用了时分复用( t d m ) 技术，它有4 个信号帧构成一 个簸群( h a i n eg r o u p ) ，同一个节g 分散到不溺超帧中的帧样上，这样在其空闲畦阈( 大概约 等于一个超帧) 内手机就可以节省功耗。 c m m b 体系【6 l 我国幅员辽阔，传输环境复杂，用户众多，业务需求多样，针对这些情况，我国提出了c m m b 系统，该系统是复用大功率s 波段卫星信号覆盖全国，复用地面增补转发器( g a pf i l l e r ) 同频 同时同内容转发卫星信号朴点覆盖卫星信号盲避，复翊无线移动通信网络构建翻传通道，从丽 组成单向广播和双向交互相结合的移动多媒体广播网络。 地亟发射中心向信号发射s 波段同步j i 星后，同步卫星对该信号进行转发，转发后的s 波 段信号青接被地面的终端接收。对于阴影区域，卫星通过分发信道将信号发送给g a pf i l l e r 一通 过增补转发器厉转发。这b 寸终端会将从卫星直接接收到的信号与g a pf i l l e r 处接收到的信号视为 一个多释过程。 s t i m i 技术是针对移动多媒体广播的业务需求而专门设计的无线信道传输技术，是c m m b 体系架构的核心技术。s t i m i 系统工作于3 0 m h z - - 3 0 0 0 m h z 的频率范围内，物理带宽支持2 m h z 与8 m h z 两种工作模式。s t i m i 采用卫星加上地面补点网络，形成一个覆盖全国的移动多媒体 广播网络。s t i m i 复崩卫星进行覆盖，采用转发器形成波段，支持s 波段和u h f v h f 传输，有 先进的空日技术、稳定可靠的同步技术，可班支持单颇弼和多频网。 s t i m i 针对终端设备接收灵敏度要求高、移动性和电池供电的特点，采用了先进的信道纠 错编码( l d p c 码) 技术积o f d m 的调制技术，提赢了系统的抗干扰自力，支持高移动性，并 且采用了时隙( t i m es l o t ) 节能技术来降低终端功耗，提高终端续航能力。 s t i m i 系统中，来自上层的多路数据流独立的分别进行r s 编码和字节交织、l d p c 编码、 比特交织和星座映射等操作，然后和离散导额以及承载传输指示信息的连续导频结合起来，形 成o f d m 频域信号，再对频域符号数据进行加扰进行o f d m 调制、成帧、上变频等操作，最 后将信号发向空中。由于采用了保护间隔( g i ) ，所以终端将直接从卫型接收到的信号与转发熊 转发韵信号视为一个信号的多径过程，可以抗干扰。 目前s t i m i 颁布的标准只有物理层调制部分，还有许多工作可以深入。 t m m 8 t - m m b 系统通过时域复用和信道复f j 等技术，并利用d a b 系统的子信道和复用控制在实 现基于d a b 发射湍的多标准( d a b 、t - d m b 和d a b r p ) 信号输出，解决了发射端的多标准兼窑 性。其意义在于有珂麓使覆盖欧、亚i l 、中国、印度、加拿大和澳渊的d a b 继已实现全球漫游 的g s m 手机之后，成为另一个具有全球漫游服务功能的系统。 娶m m b 在兼容性、频带利用率、复杂度、功耗、业务管理和交互服务等方面优于国外t - d m b 、 d a b i p 等系统；t - m m b 的另一个优势是它支持的频率范围非常大，从3 0 m h z 到 3 0 0 0 m h z ；t - m m b 手机电视系统具有完善运营管理平台、签权、计费系统。 系统框架成熟，譬m m b 系统基于欧洲的d a b 系统创新丽来，经过了时间的检验i 兼容性 好，全面兼容d a b d a b i p , t - d m b 系统；频谱利用率比d a b 描，t - m m b 不仅支持d q p s k 凋 制，而且增加了对8 d p s k 和1 6 d a p s k 等高阶调制方式的支持；同时t - m m b 采用丁离效率的 信道编码按术，t - m m b 采用单一的l d p c 纠错码，不需磊级联外码，既有效降低了接收端的复 杂度又提高了频谱利用率：功耗小，切换时间快，移动性能好。 1 2 移动多媒体的发展历史 与移动通信标准一样，移动多媒体广播系统同样存在着国家标准政策的选择问题，现在国 际上除了韩国、日本和芬兰这些已经确定了最终标准的国家外，大多数国家的运营商都必须薅 临遮一复杂的抉择。除了前面提到的d v b - h 、d m b 等国际标准外，国标体系同样可以划分为 三大阵营：以华为c m b 为代表的3 g 蜂窝网络技术架构，以新岸线的t - m m b 总局规划局的 c m m b 为代表的d a b 技术架构，以及以清华大学和交通太学为代表的d m b t h 的地面电视架 第4 页 第一章绪论 构。 韩国是最早将移动多媒体广播投入商用的国家，其s d m b ( 2 6 g h z ) 与t - d m b ( f ) 分别于2 0 0 5 年5 月和1 2 月正式商用。目前s - d m b 约有7 0 万用户，t - d m b 约有5 0 多万用户。 欧洲有多个国家和地区在进行小规模d v b - h 实验( u h f v h f ) 。其中，芬兰于2 0 0 5 年1 1 月颁发了欧洲第一个d v b h 运营牌照，己于2 0 0 6 年正式商业运营。2 0 0 6 年2 月，西班牙巴塞 罗那3 g s m 大会上阿尔卡特正式发布基于s 波段的卫星d v b h 方案。 在我国，2 0 0 6 年开始商用了t - d m b 技术( l 波段) 。同年l o 月，国家广电总局正式颁布了 中国移动多媒体行业标准c m m b 。预计将在2 0 0 8 年为北京奥运会提供服务。 1 3 本论文研究内容与章节安排 本论文的章节安排如下： 第一章绪论简要讲述了课题的研究背景和研究意义，简述了移动多媒体广播的发展历史， 介绍了目前国内外的几种移动多媒体广播标准及其系统特点。另外简单介绍了移动多媒体广播 中由于无线信道特性对系统的影响。 第二章首先阐述了无线信道模型及衰落模型，主要介绍了小尺度衰落下的瑞利多径衰落模 型。然后介绍了0 f d m 技术的原理、模型，以及0 f d m 技术中产生高峰均比的原因及其对系统的影 响。 第三章首先在理论上给出了峰均比的概念，然后介绍了0 f d m 技术中常用的峰均比抑制算法， 如优选法中的选择映射法( s l m ) 与部分传输序列算法( p t s ) ，以及信号预畸变法中的限幅方法。 第四章实现了预削波峰均比预测算法，该算法在已有的限幅峰均比算法的基础t 加入峰均 比估计模块的预测改进算法，并用s i m u li n k 实行了计算机仿真，并对预削波算法与限幅峰均比 抑制算法的仿真结果进行了比较和分析。 第五章结束语，总结了本论文的工作，对将来的工作进行了展望。 第5 页 第二章o f d m 技术的原理与关键技术 第二章0 f d m 技术的原理与关键技术 2 1 无线信道模型 在现代通信中，无线移动信道可谓是最为复杂的信道。无线信道中发射机与接收机之间的 传播路径异常复杂，既有最简单的视距传橘路径，也有各种复杂的地貌，如城市环境中林立的 建筑物、路灯，以及郊区环境中的山脉、树木等。不同于有线信道固定且可预见的特性，无线 信道的随机性很强，难于分析。无线电信号通过移动信道时会产生不同原因的衰落损害，甚至 于移动台的移动速度快慢都对信号电平的衰落有影响。有线信道中典型信噪比约为4 6 d b ，信噪 比的波动通常不超过l 2 d b ，与此相对照，移动无线信道中信号强度的骤然降低，即所谓衰落 是经常发生的，衰落深度可达3 0 d b ，l s 之内的显著衰落可达数十次1 7 l 。 一般来说，信号在无线移动通信信道的传输过程中，主要存在以下几个问题： 自由空间路径损耗 对于无线移动通信的信号传输，最理想的状态是发射端与接收端之前没有任何障碍物。这 种情况即为自由空间路径传播，信号的误差仅与距离有关，接收端接收到的信号功率同发 送端和接收端之间的天线距离的平方成反比。 反射、衍射和散射的影响 在无线通信信道中，信号传输的过程中往往会遇到很多障碍物，如山脉、树木、建筑等。 从而使得传输中的电磁波收到反射、衍射和散射的影响。这些影响对于电磁波能量的传播 起着很重要的作用，同时也是产生无线信道衰落现象的最根本原因。 多径传播和多普勒频移带来的衰落影响 由于电磁波在无线远距离移动传输时，会遭遇很多障碍物，所以一般来说在收发天线之间 没有视距方向上的电磁波传播。信号能量传输主要依靠障碍物的反射、衍射和散射。这三 种传播机制会产生大量的传播路径，这使得同一个接收天线会接收到很多来自不同方向的 电磁波。这些电磁波传播路径、相位、时延各不相同，路释损失也不同。当它们在天线处 叠加在一起构成接收信号时，就会产生多径效应。这使得接收到信号相位差异和功率差别 非常大。 此外，由于传播环境中的物体移动，以及发射台和接受台之问的相对移动，会产生多普勒 频移。而各个多径信号的多普勒频移也是不一样的，这就会造成不同多普勒频移对信号产 生不同的调频。 除了上面所说的以外，信号的带宽对传输也有影响。如果信号带宽大于多径信号的带宽( 多 径信道可以看成一个时变系统，其带宽可以用相干带宽表示) ，那么接收信号就会失真，但接收 信号的能量在很小的范围内变化不人，衰落并不严重。而如果发射信号的带宽和信道相比是窄 带的，那么信号的幅度变化就会很快。 综上所述，无线信道对无线移动传输信号的传输过程影响非常显著，要设计好的传输系统， 就必须综合考虑无线信号的各种特性。 2 1 1 无线移动信道的描述 路径损耗主要影响了接收信号的长时间蘩体功率，从而决定了系统的覆盖范围和系统对发 射功率的要求，属于大尺度衰落。而由无线移动信道的多径性引起的短时间内的衰落则成为小 尺度衰落。下面章节将对多径效应展开分析。 2 1 1 1 小尺度衰落 小尺度衰落指由于接收端与发射端之间空间的小的变化( 如半波长1 而造成的幅度与相位的 急剧变化。在反射路径数目很多且没有视距路径存在的情况之下，接受信号的包络形状在统计 上j j 瑞利分布来描述，这时的小尺度衰落就被称为瑞利衰落。如果有一条视距路径存在，那么 这时的小尺度衰落就可以片j 莱斯分布来描述f 9 】。 下面我们讨论小尺度衰落的两个表现：信号时展与信道的时变特性。 信号时展的衰落可以分为频率选择性衰落与非频率选择性衰落( 平坦衰落) 。时变特性的表 现可以分为快衰落与慢衰落。 一个接收到的信号，可以写做r ( f ) = j ( f ) ，i f 。对于无线信号，r ( 0 可以分解为两个随 机分量，如下： 第6 页 第二章o f d m 技术的原理与关键技术 ，( f ) = 埘o ) t o ( t ) ( 2 1 ) 其中，m ( t ) 是大尺度衰落分量，r o ( t ) 是小尺度衰落分量。m ( t ) ( 单位为d b ) 的幅度通常以对 数普通分布来描述，故而它也被称为本地均方衰落或对数普通衰减。r o ( t 1 也被称为多径衰落或 是瑞利分布。 s i q n a l 獬 s i g n a l 错 ( a ) d i a n i a t e n m e n an t 【b ) d 勰翟篙。t 图2 - 1 大尺度衰落和小尺度衰落 图2 - 1 解释了大尺度衰落与小尺度衰落之问的关系。罔( a ) 中是移动无线情况卜接收信号r ( f ) 相对距离。小尺度衰落添加在大尺度衰落上的效果可以清楚的看出。典型的小尺度信号零信号 之间的距离大概是半波长。在图( b ) 中大尺度衰落的分量r e ( t ) 被移除，可以看到小尺度衰落 分量( f ) 的平均恒定能量。 2 1 1 2 小尺度衰落的统计特性与机制 如果接收信号由多个反射信号与一个直接分量构成，那么小尺度衰落信号的包络幅度服从 赖斯分布，并被称为赖斯分布【9 1 。非衰落的直接分量称为镜面分量。当镜呵分量的幅度接近于零 时，赖斯分布趋近于瑞利分布，可以写做： frr 2 p ( ，) ：方懿p 卜寺】南。7 o ( 2 _ 2 ) l o o t h c r w i s e 其中，是接收信号的包络幅度，2 g 2 是多径信号的预检测均方值。瑞利衰落分量也称为随机 分量、散射分虽或是扩散分量，而没有镜面分量的信号才符合瑞利分布。对于某一条链路来说 意味着这个概率函数是由接收信号能量均方的最坏情况构成。在下文中，假设s n r 随时符合瑞 利模型。 由前述讨论可知，小尺度衰落有两种表现：l 、信号中数字冲击的时展；2 、移动造成的信 道时变特性。 第7 页 东南大学硕士学位论文 m 冉y t i m et 图2 2 多径信道对窄脉冲关于时延的响应 图2 - 2 解释了多径信道对一个窄带脉冲响应与时延的关系。图中两种时间参考是截然不同 的延迟时间r 与传输，观察时间t 。延迟时间指由衰落信道的非最佳脉冲响应造成的时延表 现。而传输时间与天线的移动或是空间变化有关，说明信道的时变特性就是传播路径的变化。 图2 2 的a - c 表示了一系列天线移动过一组等距离地点时接收的信号能量。此处，天线移动过 的间隔为0 4 2 ， 是载波频率的波长。图中的三种情况，最大信号分量的延迟时间、信号拷 贝的数目、信号分量的幅度及最大接收信号能量都大不相同。 衰落的表现都可以同时用时域和频域米表示。时展特性在时间延迟域中表现为多径时展， 而在频域中表现为相干信道带宽。相似的，时变特性在时域中表现为相干时间，而在多普勒频 移域中表现为信道衰落速率或是多普勒频展。 2 1 1 3 多径传播 在典型的无线信道中，发送信号的多次反射导致了多径传播。不同的传播路径具有不同的 延迟特性，从而使得信号表现出时间色散特性，进一步导致了信号产生频率选择性衰落或者平 坦衰落。 多径传播与瑞利衰落 在没有直射路径的环境中，多径衰落信号的幅度概率密度函数p p ) 为【1 l j ： ，2 p ( ，) ：三日一孑 r 0 盯。 ( 2 3 ) 其中，r 为信号幅度，盯2 为信号幅度的标准方差。 多径衰落的相位概率密度函数p ( 口) 为：p ( 口) = 磊1 ( 2 _ 4 ) 由( 2 3 ) ( 2 - 4 ) 可知：接收信号服从瑞利分布，相位服从均匀分布，所以称此种衰落为瑞 利衰落。 由( 2 3 ) 式可知得到瑞利衰落的一些特征参数： 第8 页 翟l墨专 罩)弓釜私更 嚣，i基kll 第二章o f d m 技术的原理与关键技术 均值m = 嘶) = r 邝( r ) d r = j 号盯_ 1 2 5 3 盯 均方值 e ( ，2 ) = i _ r 2 p ( r ) d r = 2 0 r 2 多径传播与频率选择性衰落 通过频率分析可得：多径传播会产生频率选择性衰落，即信号的频谱分量受到不同程度的 幅度增益和相移影响。 移动信道中，通常存在多条电波传播路径。如果移动终端处于运动状态，多条路径的相对 时延差f 随时间变化而变化，造成接收信号幅度的谷点和峰点也随时间而变化，信道的传输函 数很难进行表述。通常，用展大时延f 。来描述各个传播路径的相对时延差，并以此定义多径信 道传播媒质的相干带宽为： 1 a f = 二一 ( 2 5 ) f m 如果传输信号的频谱大于相干带宽厂，则信号通过多径传输将产生频率选择性衰落。特别 是，当数字信号传播速率较高时，频率选择性衰落现象尤为突出，并容易引起严重的符号间干 扰。 为了降低此种衰落对传输质量的影响，可是信号的带宽小于多径传输媒质的相关带宽。现 在业界研究热点之一的正交频分复用( o f d m ) 技术，通过将数据调制剑各个正交子载波上进 行传输，降低了单个子载波上的数据传输速率，从而在很大程度上减小了频率选择性衰落的影 响。 多普勒频移 多普勒频移是由于接收机相对于发射机的运动而产生频率上的偏移。如果接收机运动的速 1 ， 度v 与基站传输点播方向相反，则信号的多普勒频移为a f = + 兰。如果接收机运动方向与电 o 1 ， 波传输方向一致时，则多普勒频移为a f =