（信号与信息处理专业论文）dttb国家标准中单载波模式均衡技术的研究.pdf

摘要 摘要 d t t b 国家标准中单载波模式均衡技术的研究 研究生李岳峰导师赵力 东南大学信息科学与工程学院 本文重点关注数字电视地面广播( d i 舀t a lt v t e 仃e s t r i a lb r o a d c a s t i n g ，d t t b ) 中的 信道均衡算法。在对一些经典的均衡算法进行了分析比较后，本文提出了一种新的应用 于中国d t t b 国家标准的单载波均衡算法。 本文首先简要介绍了数字电视相关的一些概念，以及目前国际和国内数字电视产业 的发展状况。中国数字电视地面广播国家标准于2 0 0 6 年8 月正式发布。该标准拥有自 主知识产权，对于推动我国数字电视产业的发展具有深远的意义。在该标准中，规定了 中国数字电视地面广播系统帧结构、信道编码和调制方式。这些强制规定只是针对发射 端的，而接收端的设计完全是对各厂商开放的。这就要求各接收机生产厂商要针对这一 全新的标准，设计适当的算法来完成诸如信道估计，均衡等一系列接收端处理过程。 在第二章中，介绍了和本文仿真有关的一些无线信道模型相关的概念，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 t 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。 第三章中，对数字电视地面广播中常用的一些信道均衡技术各自的特点进行了研究 与分析，从理论推导出发比较了o f d m 与单载波技术各自的优劣。总的来说，o f d m 由于其每个子信道单独通过各自的子载波调制各自的信息符号，因此在时域的每个 o f d m 符号持续时间比单载波长很多，于是抗多径衰落性能比单载波要好。而相比较之 下，传统的单载波技术虽然具有一些自己的优势，但其性能与o f d m 还有一定差距。 第四章是本文的重点。在对中国数字电视地面传输标准的基本内容进行了简要描述 后，本文提出了一种新的基于国家标准单载波模式的信道均衡算法。针对传统的单载波 均衡在减小i s i 的同时会造成噪声放大这一问题，采用了一种在频域均衡后继以时域判 决反馈的处理，来逐符号消除干扰造成的噪声放大。对于算法中所用到的参数，给出了 相应的推导和求法。最后连同第三章研究的两种信道均衡技术一起，进行了性能仿真， 并对仿真结果进行了分析和论述。从结果来看，本文提出的算法在性能上要好于传统的 单载波频域均衡算法，介于其与o f d m 之间。 关键词：数字电视地面广播，正交频分复用，p n 码，信道估计，信道均衡，多载波调 制，单载波调制，频域均衡，判决反馈 a b s t f a c t a b s t r a c t r e s e a r c ho ns i n g l ec a r r i e re q u a l i z a t i o nt b c h n o l o g yo fc h i n e s ed t t b s t a n d a r d c a n d i d a t e ：l iy - u e 梳s u p e r v i s o r ：z h a o “ s c h o o lo fi i l f o m a t i o ns c i e n c ea 1 1 de n 百n e 嘶n g ，s o u t h e a s tu i l i v e r s 咄c h i n a t h i sp 印e rp a i ds p e c i a la t t e n t i o nt 0c h a l l l l e le q u a l i z a t i o na l g o 订t h mo fd i 舀t a lt v t b 腓s t r i a lb r o a d c a s t i n gs y s t e m o nt h eb a s i so fa n a l y z i n ga n dc o m p 撕n gs o m ec l a s s i c e q u a l i z a t i o na l g o r i t l l i i l s ，“sp a p e rp r o p o s e dam e t h o dw h i c hc o u l db eu s e di nt l l es i n 百e c a i n e rm o d eo fc h i n e s ed t t bs t a n d a r d t h i sp a p e rf i r s t l yi n n o d u c e ds o m eb a c k 蓦孓o u n dk n o w l e d g ea n dc u r r e n td e v e l o p m e n t s i t u a t i o no fd i 西t a lt vc h i n e s ed t t bs t a n d a r dw a u sp u b l i s h e di na u g u s t ，2 0 0 8 t h i ss t a n d a r d r e 星l a t e st h e 丘狮es t m c t l l r e ，c h 猢e lc o d i n ga i l dm o d u l a t i o nm o d eo fc h i n e s ed t t bs v s t e m t h e s er e g u l a t i o n sj u s ta i ma tm e 仃a n s m i t t i n ge n d ，a n dh o wt od e s ig nm er e c e i v i n ge n di s d e c i d e db yt h er e c e i v c rm a n u f a c t u r e r s t 1 1 i sm e a n st h er e c e i v e rm a l l u f a c t l 】r e r sh a v et od e s i 趴 c h a i m 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 r o r i t t l i l l sb ym e m s e l v e s i nc h a p t e r2 ，t h i sp a p e ri n t m d u c e ds o m e c o n c e p t sr e l a t e dt ow i r e l e s sc h a n n e l ，w h i c hw i l l b eu s e 允li nc h 印t e r4 a r e rd i s c u s s i n gt h em u l t i - p a mf a d i n gi nt h ed i 百t a lt vs i 印a 1 仃 m s m i s s i o n ，t h es t a t i s t i c a ld e s c r i p t i o na l l dd e f i n i t ed e s c r i p t i o no fw i r e l e s sc h a n n e lw e r e 酉v e i l ，a 1 1 dm ee q u i v a l e i l tb a s e - b a l l dd i s c r e t em o d e lo fd t t bc h a r u l e lw a sa l s o 百v 吼t h e s e a r ef o u n d a t i o n so ft h ef o l l o w i n gd i s c u s s i o n c h 印t e r3a i l a l y z e da i l dr e s e a r c h e ds o m ec o m m o n l vu s e dd t t bc h a i l i l e le c i u a l i z a t i o n a l g o r i t h l l f l sa i l dc o m p a r e do f d ma n ds i n g l ec a l l r i e rt h e o r e t i c a l l v g e n e r a n ys p e d k i n 碌w i t h e a c hs u b - c h a n n e lm o d u l a t i n gi t si n f o m a t i o ns y r n b o l sw i mi t so w ns u b c 删i i lt i m ed o m a i n ， o f d 【s y l ：i l b o ld u r a t i o nt i m ei sm u c hl o n g e rt h a nt l l ec o u l 雠e r p a r to fs i n g l ec 硎e rm o d e s o o f d lh a sab e t t e ra 1 1 t i m u l t i - p a t hf a d i n gp e r f o 姗a n c et h a ns i n g l ec a m e r s i n 9 1 ec 甜n e r m o d ed o e sh a v es o m ea d v 锄t a g e s ，b u ti ti ss t i l lw o r s et h a no f d mi ns o m ek e yf e a t u r e s c h 印t e r4i sm em o s ti m p o r t a n tp a r to ft h i sp a p e r f i r s t ，t h j sc h a p t e rb r i e f l yi n t r o d u c e d c h i i l e s ed 7 i r bs t a n d a r d t h e i li tp r o p o s e dan e we c i u a l i z a t i o nm e t h o df o rt 1 1 es i n g l ec a 玎i e r m o d eo fc l l i n e s ed t t bs t a n d a r d n a d i t i o n a ls c f d ew i l l 锄p l i 母n o i s ew h i l ee l i m i n a t ei s i r i en e wm e m o da d d sat i m ed o m a i nd e c i s i o nf e e d b a c kp a r ta r e rm u e n c yd o m a i n e q u a l i z a t i o nt or e d u c en o i s es 1 呻b o lb ys y i n b 0 1 t h j sc _ h a p t e rd e r i v e da n dg a v et h em e m o dt 0 e v a l u a t em ep a r a m e t e r sw h i c hw o u l db eu s e db yt h en e w l vp r o p o s e dm e t h o d f i n a l l y ，w e s i m u l a t et l l i sm e t l l o dw i mt l l e 缸a d i t i o n a le q u a l i z a t i o n 西v e ni nc _ h a p t e r3 a r e ra i l a l y z e dt h e s i m u l a t i o nr e s u l t s ，w ec a ns e e st h a tt l l ep e r f b m a n c eo fm i sn e wm e m o di sb e t w e e i ls c f d e a 1 1 do f d m k e yw o r d s ：d t t b ，o f d m ， m u l t i c 硎e rm o d u l a t i o n ，s i n 百e f e e d b a c k p ns e q u e n c e ，c h a r m e le s t i m a t i o 玛 c a 州e rm o d u l a t i o n ，f k q u e n c yd o m a i n 1 1 c h a n n e l e q u a l i z a t i o n ， e q u a l i z a t i o n ，d e c i s i o n 附图目录 附图目录 图3 1 接收端星座图的弥散失真一1 l 图3 2 均衡之后的星座图1 2 图3 3o f d m 基本系统框图【4 l 1 3 图3 4o f d m 信号与单载波信号频谱比较( n = 1 6 ) 1 4 图3 5o f d m 与f d m 信号的频谱比较1 4 图3 6o f d m 调制1 5 图3 7o f d m 解调1 6 图3 8o f d m 的保护间隔 4 1 l6 图3 9 完整的o f d m 发射和接收系统【4 】1 7 图3 1 0 带循环前缀的o f d m 符号。1 8 图3 1 1 使用循环前缀的发送和接收图1 9 图3 1 2 单载波时域线性均衡器结构2 l 图3 1 3 单载波时域判决反馈均衡器( d f e ) 结构【6 1 2 l 图3 1 4s c f d e 系统结构图【2 】2 2 图3 1 5s c f d e 均衡器结构【2 1 2 3 图3 - 1 6s c f d e ，o f d m 系统的发射机和接收机前端框图2 5 图4 1 发送端原理框图。2 9 图4 2 扰码器组成框图3 0 图4 36 4 q a m 星座图3l 图4 44 q a m 星座图3 2 图4 5 卷积式数据块间交织3 2 图4 6 分级复帧结构3 3 图4 7 信号帧结构3 4 图4 8p n 4 2 0 结构3 4 图4 9p n 9 4 5 结构。3 4 图4 1 09 阶m 序列生成结构3 5 图4 1 1 帧体信息结构3 5 图4 1 2s c d f e 系统结构3 7 图4 1 3p n 序列的循环生成结构4 2 v 附图目录 图4 1 4p n 9 4 5 帧头模式4 3 图4 15 两种信道估计方法的均方误差4 5 图4 1 6 未均衡的星座图一4 5 图4 - 1 7 采用o f d m 模式均衡后的星座图4 6 图4 一l8 采用s c f d e 模式均衡后的星座图4 6 图4 19 采用s c d f e 模式均衡后的星座图4 6 图4 _ 2 0d t t b 国家标准的系统基带仿真框图4 7 表格目录 表格目录 表1 1 数字电视地面广播三大标准的参数特点。2 表4 - lf e c 码参数3 0 表4 2 典型城市( 聊i c a lu r b a i l ，t u ) 信道模型一4 4 表4 3o f d m 模式三种信道内解码的误码率和信噪比4 7 表4 4s c f d e 模式三种信道内解码的误码率和信噪比4 8 表4 5s c d f e 模式三种信道内解码的误码率和信噪比4 8 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己在论文中作了明确的说明 并表示了谢意。 研究生签名：缉日期：啦! 司 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。 第l 章绪论 第1 章绪论 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 】【4 1 。 1 1 数字电视发展史 其实，数字电视由来已久，我们可以通过一些历史事件来跟踪一下。 1 9 4 8 年，电视信号数字化( 理论与实践丌始) 1 9 8 0 年，国际电联( 现i t u r ) 提出6 0 1 建议( 4 ：2 ：2 ，即数字电视基础建议) 1 9 8 2 年，德国i t t 研制出一套p a l 接收机中使用的数字处理芯片 1 9 9 1 年春，公布j p e g 静止图像编码建议( 草案) 1 9 9 1 年秋，公布m p e g 一1 活动图像及其伴音编码建议( 草案) 1 9 9 3 年初，万燕v c d 机在我国大陆上市 19 9 4 年夏，美国d i r e c t v 开始数字卫星( s d t v ) 直接广播 1 9 9 4 年中秋，欧洲公布d v b 数字视频广播标准( 草案) ：包括d v b s 和d v b c ，d v b t ，随后又制订了系列标准 1 9 9 6 年底，美国”联邦通信委员会( f c c ) 批准数字电视标准。此间1 9 9 4 年春第一 轮四个方案测试结束，成立”大联盟”( g a ) 1 9 9 7 年4 月初，美国f c c 会议做出两项重要决定；( 1 ) n t s c 向d t v 过渡的日程 表( 2 0 0 6 年底) ；( 2 ) 电视地面广播的政策( 含频谱规定) 1 9 9 8 年秋( 圣诞节前) ，d t v 包括普通标准数字电视广播s d t v 和高清晰度数字电 视广播h d t v 在美国市场启动 1 2 数字电视技术的优越性 对于地面数字电视广播来讲，首先要求有足够高的传输码率，其次要实现和模拟电 视节目的同播，更重要的是能够支持移动接收和便携接收，还有多业务扩展功能。与模 拟电视相比，数字电视技术有以下特点和优势： ( 1 ) 更有效地利用各类频道资源，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( 其关键技术是信源压缩和高效信道编码调制 东南大学硕十学位论文 技术) 。 ( 2 ) 采用数字录像机和非线性编辑制作节目，使得数字电视节目质量明显提高， 节目易于存贮处理。 ( 3 ) 视觉清晰度高、音频效果好、抗干扰能力强。数字电视信号的传输不象模拟 信号在传输过程中受噪声积累的影响，在接收端收看到的电视图像非常接近演播室水 平。此外，数字电视的音频效果很好，可支持杜比数码( a c 3 ) 5 1 环绕立体声家庭影 院服务。 ( 4 ) 可开展多功能业务。随着电视传输和用户接收的数字化，以往用模拟方式无 法提供的服务将成为可能，电视网站、交互电视、股票行情与分析、视频点播等新业务 的开展将变得更加容易，用户将从单纯的收视者变为积极的参加者。 ( 5 ) 数字电视网和因特网是相辅相成的，数字电视接收机完全可以作为因特网的 终端显示器，将各家各户与因特网连接在一起，加快了社会信息化的进程。数字电视网 络还是相对低廉的宽带资源，在有线广播8 m h z 带宽上可传送3 8 m b s 数据。 1 3 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 j ，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 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 4 国外地面数字电视传输现状和技术特点 迄今为止，全球共有三套己成为国际标准的地面传输系统，分别由美国( 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 ) 研制开发而成。从技术上而言， 限于当时的设计方向、使用坏境、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刻5 6 】【8 】【9 1 。 表1 - 1 数字电视地面广播三大标准的参数特点 a t s c ( 美国)d 一t ( 欧洲)i s d b t ( 日本) 频道宽度 6 m h z 6 m h z 、7 m h z 、8 m h z6 m h z 、7 m h z 、8 m h 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 h lh d 下vm p h lh d t vm p h lh d t v m p m ls d t vm p m l s d t v m p m ls d t v 第l 章绪论 图像格式h d t v1 9 2 0 1 0 8 0h d t v1 9 2 0 1 0 8 0h d t v1 9 2 0x1 0 8 0 1 6 ：9 1 6 ：91 6 ：9 s 【) t v7 0 4 4 8 0 4 ：3s d t v7 0 4 5 7 64 ：3s d t v7 0 4 4 8 04 ：3 音频压缩 d o l b ya c 3 音频编码 m 【p e g 2 层i im u s i c a mm p e g 2 层i u a a c 音频编码 音频编码 复用方式m p e g 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 = l o )r s 码( 2 0 4 ，18 8 ，t = 8 )r s 码( 2 0 4 ，1 8 8 ，t 三8 ) 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l 2 ，2 3 ，卷积码( 码率1 2 ，2 3 ， 3 4 ，5 6 ，7 8 13 | 4 ，5 | 6 ，1 | & 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 8v s b 调制 l6 q a m 3 2 q a m 6 4 q a ml6 q a m 3 2 q a m 6 4 q a m 中选择中选择 总码率 l9 2 8 m b i t s ( 6 m h z ) 4 9 8 31 6 7m b i 讹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 ( c n ) ：1 5 d b( c n ) ：1 9 d b( c 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多径干扰能力强克服多径干扰能力强 有效的覆盖区域可做单频网可做单频网 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 f 6 _ 5 p 7 0 d b )( p 灿r = 9 5 d b ) 1 5 国内数字电视地面传输的发展状况 中国作为一个电视生产和消费大国，一个币在融入全球经济一体化并面临全球性技 术竞争的发展中国家，已认识到掌握和拥有关键技术、自主研制重要的数字电视系统标 准能够为国家经济带来巨大发展空间和机遇。一个国家若要凝聚自己的技术实力，保护 和扩大本国企业的市场分额，必须在标准问题上采取“以我为主，借鉴先进 的策略， 另外，中国拥有巨大的数字电视潜在市场，不同于那些本国市场狭小的出口型国家，关 于这一点，就连国外公司的专家也承认：中国的市场规模足以支撑形成一个新的数字电 视标准。若简单选用国外某一标准，不仅会扼杀代表未来高技术竞争力的相关关键技术 研究的源动力，而且会被迫过早启动市场，帮助先进国家的市场培育，肢解本国现有彩 电工业体系，使得企业的主要利润都用于支付国外的专利费和授权费，遗患无穷。中国 在政府组织下，对数字高清晰电视系统技术已开展了近十年的研发工作，依据现有研究 基础和推进速度，中国完全有可能在各级政府部门的全力支持下，在较短的时间内，经 过测试、分析和改进，集众家所长，制定出具有自己特色和自主知识产权的中国数字电 视地面广播传输标准。 东南大学硕士学位论文 2 0 世纪9 0 年代初，中国的一些科研院校便开始了数字电视的跟踪研究。1 9 9 5 年国 家批准组建了：h d t v 总体组，实施国家重大科技产业研究开发项目一“h d t v 功能样 机系统研究开发工程 ，参与数字电视广播传输系统方案研究的主要单位有上海交通大 学、浙江大学、西安电子科技大学等单位。 1 9 9 6 年5 月开始，由总体组承担，跟踪和研究国外h d t v 的发展情况，并自主研 制h d t v 传输系统，提出并研制了基于单载波技术的a d t b t 传输方案【7 】和基于多载波 技术的b d b t 传输方案。广播科学研究院在“八五 期间国家攻关项目“高清晰度电 视的研究”工作的基础上，于1 9 9 9 年提出了单载波和多载波混合调制方式的地面数字 电视传输方案。 2 0 0 0 年初，清华大学提出了“时域同步正交频分复用”t d s o f d m 传输方案和 d m b t 传输协议，随后基于该方案丌发了传输系统原理样机和专用a s i c 收发芯片组。 2 0 0 1 年，国家标准化管理委员会向全社会广泛征集具有中国自主知识产权的地面数 字电视标准方案，截止2 0 0 1 年4 月3 0 同，收到包括以上4 个方案和电子科技大学提出 的“同步多载波扩频地面数字电视传输系统( s m c c ) ”共5 个传输方案。 国家质量监督检验检疫总局于2 0 0 6 年4 月发布了数字电视地面广播传输系统帧结 构、信道编码和调制方案的征求意见稿，该方案包含时域数据模式，也包含频域数据模 式，即有单载波和多载波两种工作模式的融合方案。 由于考虑到农村和城市以及不同省市的地貌差异，数字电视国家传输标准兼容了多 载波与单载波方案，并最终于2 0 0 6 年8 月1 8 号由中国国家标准化管理委员会正式发布。 1 6 选题背景和意义 中国有3 2 亿多电视用户，其中有线电视用户近1 亿，而7 0 的用户家庭依靠无线 方式接收广播电视节目，卫星直播仅在“村村通广播电视”范围内试点。因此，地面广 播捌有大多数用户，是中国广播影视数字化的重点和难点。目前，中国数字电视地面传 输标准已j 下式出台，其中融合了清华大学提出的多载波方案和上海交通大学提出的单载 波方案这两种传输模式。对于多载波o f d m 模式，由于是目前的研究热点，故而对其 同步以及信道均衡技术的研究已经比较全面了；而对于相对传统的单载波模式，由于受 到上海交大专利方面的限制，目前对其信道均衡技术的研究还很有限。由于国标强制要 求接收机生产厂商的设备必须同时支持多载波和单载波两种模式，因此，采用适用于国 标单载波模式的性能优良的信道均衡算法就成了接受机厂商生产设备的重要前提，所以 对数字电视地面广播传输标准中的单载波模式以及其中信道估计均衡等关键技术的研 究就具有极大的意义。 1 7 论文章节安排 本文的主要任务是研究适用于数字电视地面广播( d i 百t a l t vt e ：r r e s t r i a l b r o a d c a s t i n g ，以下简称d t t b ) 中国国家标准中单载波模式的信道均衡算法。对于数字 电视的地面接收来说，信道均衡是相当重要的_ 个环节。根据不同的帧结构，不同的信 道模型，必须提出一种适合的信道均衡方案，才能确保传输的质量。 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l 章绪论 第三章介绍了多载波o f d m 技术和单载波技术相关的一些背景特点，研究分析了 一些传统的分别适用于以上两者的信道均衡技术，并就二者的本质特点进行了探讨比 较，给出了一定的结论。 第四章首先介绍了我国数字电视地面传输标准的出台背景及技术特点，接着介绍了 融合标准的信道编码、调制以及帧结构。基于以上内容，最后提出了一种新的适用于国 家标准中单载波模式的信道均衡技术，并给出了相应的仿真结果。 第五章总结了本文工作，提出今后进一步改进的方向和有待进一步研究的技术问 题。 本文的重点是研究并提出了一种适用于数字电视地面广播国家标准中单载波模式 的信道均衡技术，并通过仿真给出了其性能。 1 8 本章小结 作为全文的绪论，本章由什么是数字电视、数字电视相对于模拟电视的优点，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。 1 9 参考文献 【1 】黎洪松编著数字视频技术及其应用，清华大学出版社，北京，1 9 9 7 年5 月； 【2 】余兆明编著数字电视和高清晰度电视，人民邮电出版社，北京，1 9 9 7 年5 月； 【3 】清华大学，地面数字电视传输技术白皮书，2 0 0 4 ； 4 】郑志航编著全数字高清晰度电视和d v b ，中国广播电视出版社，北京，1 9 9 7 年2 月； 5 】李日勤，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 ； 6 】杜百川，数字电视，北京：广播电视科技快报特辑，1 9 9 8 ； 7 】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； 8 】e t s ie n 3 0 07 4 4v 1 4 1 ，2 0 0 1 一o l ，d i 西t a l d e ob r o a d c a s t i n g ( d v b ) ：f r 锄i n g 咖c m l e ，c h a n n e lc 0 d i n g 锄dm o d u l a t i o nf o rd i 西t a lt e n e s t r i a lt e l e v i s i o n ； 9 】a d v a n c e dt e l e v i s i o ns y s t 锄c o m m i t t e e ，a t s cd i 西t a lt e l e v i s i o ns t a l l d a r d ( 5 3 ) r e v i s i o ne ： 东南人学硕士学位论文 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直射路径的信号，但在实际的信道中， 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，如果接收机或发送机移动的话，还会带来载波频率的偏移，所以信道特性 至关重要。 2 1 无线通信信道的主要特点 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【l 】。衰落是由于同一传输信号沿两个或多个路径传播，以微小的时间差达到接收机的 信号相互干涉所引起的。这些波称为多径波。 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，经不同路径到达接收机的信号相位相互影响，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) 。 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。 延时扩展就是第一条和最后一条到达接收机信号时间上的差值。 多普勒频移 接收机与发射台之间的相对运动会产生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口，发射信号波长为五，则多普勒频移为 疋= c o s 秒。可见，若接收机朝向入射波方向运动，则d o p p l e r 频移为正；否则为负。 ” 允 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间不同都会发生变化。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【2 4 】【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 4 】【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【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【6 】【1 0 】【1 3 】。综上所述，信道的 第2 章无线通信信道特性和模型 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一个二维的随机过程，应当用二维概率密度函数表示其 统计特性【2 】【3 】【9 】【12 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 】【l l 】【1 4 】： 讹f ) = ( f ) p 加他什岛万( f 一) ( 2 1 ) 口= o 式中，表示第q 条路径的多普勒频移；巳表示第q 条路径传输时延引起的相移； 万( f ) 表示各路径相对于首达路径的延时时间函数；l 表示以首径为参考点，第q 条路径 的相对时延；( f ) 表示第q 条路径的复增益；( f ) 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 fd e l a yp r o f i l e ，p d p ) 决定【3 】【9 】【l l 】。 信道的p d p 定义为3 1 ：p ( f ) = 巨 p ( 印? ) ) ( 2 2 ) 式中：互 幸) 表示对时间求整体平均值；尸( f ，f ) = i 五( f ，r ) 1 2 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 ( f ，厂) = p ( f ，f ) p 一7 2 斫d f = ( f ) e 一7 2 玎勺 g = l 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： 如o ，f + f ，厂，厂+ 厂) = e 月7 ( f ，厂) h + o + f ，+ 厂) ) 如果时频二维相关函数满足：如( f ，f + f ，厂，+ 厂) = 尺片( f ，厂，+ 厂) 信道彼称为广义平稳( w i d es e n s es t a t i o n a 巧，w s s ) 信道【3 】【9 1 ； ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) 如果时频二维相关函数满足：如( f ，f + 厶f ，厂+ 门= ( f ，f + f ，厂)( 2 6 ) 信道被称为独立散射( u n c o 盯e l a t e ds c a t t 喇n g ，u s ) 【3 】【9 】信道； 如果时频二维相关函数满足：如( f ，f + f ，厂，厂+ 厂) = 如( “，门( 2 7 ) 信道被称为广义平稳独立散射( w s s u s ) 信道； 7 东南人学硕士学位论文 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3 】【9 】： 尺( f ，) = r h ( f ) 宰r 日( 厂) ( 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【7 】【1 5 】。 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叫】【9 】： j i l ( f ) = c ( f 一) g = l ( 2 9 ) c ( f ) 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进行采样对信号进行离散化， 其中乞= 1 ( 厂) ，则信道的离散基带冲激响应的简化形式为4 删1 6 】： 一l 艇g 】_ 办( 织) = c o 一织) ( 2 1 0 ) 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【3 】【9 】： 一l 研g _ 万( r g ) 窜= 0 相应的信道离散传递函数h 可以表示为【3 】 9 】： 一1 日 后 _ 研g 咛 2 石 式中：= p 1 百； ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) 第2 章无线通信信道特性和模型 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。 2 4 等效离散f i r 模型 对于受加性噪声干扰