（信息与通信工程专业论文）基于cmmb的信道估计算法研究.pdf

摘要 正交频分复用( o f d m ) 技术在宽带无线通信领域具有显著优势，因此在移动数 字电视地面广播中得以广泛应用。o f d m 系统中接收端通过信道估计获得对信道状态 信息豹估计。信道估计是接收端均衡由无线信道引起的各种衰落的登需条件。基于 o f d m 技术的c m m b 标准，是国家广播电影电视总局颁布的具巍自主知识产权的移动 多媒体广播技术行业标准。本文研究基于c m m b 标准的o f d m 系统信道估计方案。 本文首先阐述了移动多媒体广播业务的定义和发展。本文对目前的主要移动多媒 体广播标准进行了分柝和比较，讨论了其中主要的物理层技沭特点，指出了移动多媒 体广播瑶i 临的主要挑战，论证了信道估计对移动多媒体广播传输的重要性。 本文分柝了c m m b 标准应用的无线移动广播信道特点，指出了信道频率选择性衰 落和快衰落对无线接收信号的影响，讨论了目前广泛应用的几种无线广播信道模型。 本文探讨了o f d m 技术的基本原理，分析了c m m b 标准的物理层主要技术和帧结构， 为设计针对c m m b 标准的信道估计算法奠定基础。 本文阐述了c m m b 的信道德计主要算法，卵基于带限频域p n 序列相关估计方法、 基于离散导频的信道估计方法弄h 信道估计均方误差( m s e ) 的抑毒4 方法。这些方法充 分利用了c m m b 标准中的信标和离散导频的接收端先验信息，具有较好的估计性能。 针对c m m b 物理层帧结构特点，本文设诗了基于捕获跟踪的c m m b 信道估计系统方 案。该方案通过对基于信标、基于离散导频信道估计及估计值的m s e 抑制方法的有机 结合，增强了系统抵抗频率选择性衰落和快衰落的能力。 本文搭建了无线移动广播信道仿真模型和c m m b 基带传输链路平台。本文对设计 的主要算法进符了仿真验证，通过m s e 和误比特率( b e r ) 对算法僬能进行评估。仿 真结果验证了基于带限额域p n 序列相关估计算法和基于离散导频信道估计算法的可 行性，讨论了不同的设计方案的性能差异。仿真结果同时显示了各种抑制估计m s e 算 法所带来的估计性能提升。仿真结果验证了基予捕获跟踪的c m m b 信道估计系统方 案适应各种不同的广播信道环境，在同等条传下和常规算法相比获得了性能提升。 本文最后对全文工作遴行了总结，并对今后工作进行了展望。 关键词：c m m bo f d m 移动多媒体广播信道估计 a b s t r a c t b e c a u s eo fs i g n i f i c a n ta d v a n t a g e si nt h ef i e l do fb r o a d b a n dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s o 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 g ( o f d m ) t e c h n o l o g yh a sb e e nw i d e l ya p p l i e d i nm o b i l ed i g i t a lt vt 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 c h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o nc a l lb e e x t r a c t e db a s e do nc h a n r l e le s t i m a t i o nm e t h o d sf o ro f d ms y s t e mr e c e i v e r c h a n n e l e s t i m a t i o ni sn e c e s s a r yf o re q u a l i z a t i o ni nt h ew i r e l e s sr e c e i v e r c m m bw a si s s u e da sa 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 gt e c h n o l o g yi n d u s t r ys t a n d a r d sb yt h es t a t ea d m i n i s t r a t i o n o fr a d i o ，f i l ma n dt e l e v i s i o nw i t hi n d e p e n d e n ti n t e l l e c t u a l p r o p e r t yr i g h t s 。c h a n n e l e s t i m a t i o ns o l u t i o nf o rc m m bi si n d i c a t e di nt h et l l e s i s t h ed e f i n i t i o na n dd e v e l o p m e n to 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 gs e r v i c e sa l e i n d i c a t e d i nt h i st h e s i s ，c u r r e n tm a j o rm o b i l em u l t i m e d i ab r o a d c a s t i n gs t a n d a r d sw e r e a n a l y z e da n dc o m p a r e d 。t e c h n i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fp h y , i m p o r t a n c ea n dm a j o rc h a l l e n g e s o f c h a n n e le s t i m a t i o ni nt h em o b i l em u l t i m e d i ab r o a d c a s t i n gs y s t e m sw e r ea n a l y z e d c h a r a c t e r i s t i c so fw i r e l e s sm o b i l er a d i oc h a n n e lf o rc m m bs t a n d a r dw e r ea n a l y z e d 。 i m p , a c t i o n so fc h a n n e lf r e q u e n c ys e l e c t i v ef a d i n ga n df a s tf a d i n gw e r ep o i n t e do u t s e v e r a l w i d e l yu s e dw i r e l e s sb r o a d c a s t i n gc h a n n e lm o d e l sw e r ed i s c u s s e d b a s i cp r i n c i p l e so f o f d mt e c h n o l o g y , p h yt e c h n o l o g ya n dt h em a i nf r a m es t r u c t u r eo fc m m bw e r ei n d i c a t e d f o rc h a n n e le s t i m a t i o na l g o r i t h m sd e s i g n m a i nc m m bc h a n n e le s t i m a t i o nm e t h o d sw e r ei n d i c a t e di nt h et h e s i s t h e ya r el i m i t e d b a n df r e q u e n c yc o r r e l a t i o np ns e q u e n c ee s t i m a t i o nm e t h o d s ，s c a t t e rp i l o t se s t i m a t i o n m e t h o d sa n dc h a n n e le s t i m a t i o nm e a ns q u a r ee r r o r ( m s e ) s u p p r e s s i o nm e t h o d s t h e s e m e t h o d sm a k ef u l lu s eo ft h ec m m bs t a n d a r do ft r a i n i n gs e q u e n c e sa n dp i l o t s ，a n dt l l e y h a v e g o o dp e r f o r m a n c e b a s e d o rc m m bp h yf r a m es t r u c t u r e c h a r a c t e r i s t i c s ， c a p t u r e - t r a c k i n gc m m b c h a n n e le s t i m a t i o ns y s t e ms o l u t i o nw a sp r o p o s e di nt h et h e s i s t l l i ss o l u t i o nm a k e sc o m b i n a t i o n so ft r a i n i n gs e q u e n c e s , p i l o t sa n dm s es u p p r e s s i o n m e t h o d s w i r e l e s sm o b i l er a d i oc h a n n e ls i m u l a t i o nm o d e la n db a s e b a n dt r a n s m i s s i o nl i n k c m m bs i m u l a t i o np l a t f o r mw e r ec o n s t r u c t e d s i m u l a t i o n sa n dv e r i f i c a t i o n so f m a i nc h a n n e l e s t i m a t i o nm e t h o d sw e r ep e r f o r m e d m s ea n db i te r r o rr a t e ( b e r ) p e r f o r m a n c ee v a l u a t i o n w e r ea c h i e v e d t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wf e a s i b i l i t yo fl i m i t e db a n df r e q u e n c yc o r r e l a t i o n p ns e q u e n c ee s t i m a t i o nm e t h o d sa n ds c a r e rp i l o t se s t i m a t i o nm e t h o d s s i m u l a t i o nr e s u l t s a l s os h o wp e r f o r m a n c ei m p r o v e m e n t sb a s e do rs e v e r a lc h a n n e le s t i m a t i o rm s es u p p r e s s i o n m e t h o d s v e r i f i c a t i o na n ds i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wa d a p t i o na b i l i t yo fd i v e r s i t yb r o a d c a s t i n g c h a n n e le n v i r o n m e n t so fc a p t u r e t r a c k i n gc m m bc h a n n e le s t i m a t i o ns y s t e ms o l u t i o n s i m u l a t i o nr e s u l t sa l s os h o wp 幽船a n c ei m p r o v e m e n t so f t h es o l u t i o n f i n a l l y , t h ew o r ko f t h i st h e s i si ss u m m a r i z e da n ds o m en o t i o n sf o rt h ef t l t 啦er e s e a r c h a r e g i v e n k e y w o r d s ：c m m b ，o f d m ，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 ，c h a n n e le s t i m a t i o n i i i 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。除了文中特别加畈标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人己经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得迸望基堂或其他教育机构的学位或 证书丽使用过的材孝辛。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谢意。 学位论文储虢形嗷签字麟矽孑年莎m 目 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝姿墨璧有权保留并向国家有关部门或机 构送交本论文的复印体和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权迸望盘堂 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 矽彀 签字日期：朋占年月口斟 刷谧氢彩 z 7 z - 签字只期：沙一箩年 月。a 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 数字化是一场全世界范围的新技术革命，是广播电视发展的必然趋势。广播电视 行业的数字化，也已经成为当前行业的重点。无论是有线还是无线传输方式，数字电 视均能给收视用户提供更加清晰稳定的电视节目，能采用互动形式给用户带来更好的 体验。因此，移动多媒体广播已经成为目前炙手可热的发展热点。移动多媒体广播业 务是指通过卫星和地面无线广播方式，在具有七英寸以下的小屏幕移动便携式终端或 其他移动终端上，实现随时随地接收广播电视节目收视与信息服务。随着数字广播电 视技术的发展，各种技术应用的不断创新，通过广播电视传输覆盖网开展移动多媒体 广播业务，已经成为满足大众日益增长的精神文化需求、保护民族工业、弘扬民族文 化产业的必要手段。 中国移动多媒体广播( c h i n a m o b i l e m u l t i m e d i a b r o a d c a s t i n g ，c m m b ) 标准在这样 的背景下应运而生，作为我国在移动多媒体广播行业具有自主知识产权的标准，c m m b 能够扩展当前用户的多媒体体验，实现移动终端的多媒体化，促进产业的巨大发展。 1 1 移动多媒体广播业务的兴起与发展 随着社会经济文化的发展，人们对传媒和信息的获取方式已经趋于多样化。现代人 的生活节奏明显加快，需要随时随地都能获取信息。然而，传统的电视设备仅仅限于 固定及有线的接收方式，大大限制了人们获取实时节目的范围。在这一环境之下，移 动多媒体广播很快切入人们的视角，获取了巨大的发展空间。 1 1 1 移动多媒体广播的定义 移动多媒体广播技术是指面向移动设备，如手机、车载接收机、p d a 等高速移动 或者便携电子设备广播传送实时音视频内容、多媒体以及数据等增值业务广播电视新 技术。业界之所以对移动多媒体广播技术高度重视，是因为该项新技术的应用已突破 了原有的看电视必须在固定地点的局限，广播电视通讯界都认为是各自的又一个业务 增长点，是带动广电和通讯产业发展的一个新链条，是今后几年广播电视技术发展的 一个必然趋势。 在2 0 0 7 年国际电联i t u rw p6 m 会议上，各国专家对移动多媒体广播系统的技 术特点提出了如下要求【1 】：移动多媒体广播应该能够同时满足室内接收机固定接收、 各种室外便携接收机和车载接收机高速移动接收( 但在目前的试验中，运营主体更注重 室外接收，因为室内有更适合的方式) ；在广播内容方面，移动多媒体广播的内容应该 1 浙江大学硕士学位论文 能够尽量同时满足多种不同显示终端的显示需要，同时它应该在使用l t 领域近年来各 种新兴技术的基础上，满足内容交互、交换、内容保护、条件接收等各方面的需要； 在接收机方面，应该在显示格式、节目切换时间、功耗方面进行大量优化，以延长播 放时间和交互业务的需要。 1 1 2 移动多媒体广播的优势 作为一个目前的研究和投资热点，移动多媒体广播的兴起不是偶然。相对传统传 媒而言，移动多媒体广播在以下几个方面具有十分突出的优势： 首先，移动多媒体广播的受众面广【2 】。庞大的流动人群是移动多媒体广播的最大 优势，这一特征使得移动数字电视具有广阔的生存空间，不用担心受到传统电视节目 的挤压。传统的电视受众是固定在某一地点的静止人群，而移动多媒体广播覆盖的则 是包括城市各种运载工具和人流密集区域的流动人口，它的触角可以遍及城市的公共 交通甚至城际的铁路列车等各个系统。 其次，移动多媒体广播具有很强的实时性。移动多媒体广播让移动人群随时可以 收看电视节目，获取新鲜资讯，满足了快节奏社会人们对信息的需求。 再次，移动多媒体广播的信息利用率高。移动多媒体广播业务开展之后，投资建 设者可以是传统电视媒体，它可以充分利用已有的人力和节目资源创造更大的经济效 益；另一方面可以成立专门的移动数字电视频道，整合新闻和信息资源，通过移动多 媒体广播为更广阔的受众群体服务，达到资讯利用的最大化。 1 1 3 移动多媒体广播的发展 由于移动多媒体广播采用了数字电视技术，交通工具在时速1 2 0 k i n 之内的运动状 态中，也可以稳定、清晰地接收节目，实时性比较强，因而逐渐被人们所接受。 移动多媒体广播于2 0 0 1 年2 月首先于新加坡出现，全国共建设8 个发射台，在1 5 0 0 辆公交车上安装了移动电视设备，为1 5 0 万人提供服务。韩国t u 传媒在世界范围首 先引入卫星移动多媒体广播的概念，采用卫星发送、掌上手机接收信号，成为数字多 媒体广播( d i g i t a lm u l t i m e d i ab r o a d c a s t i n g ，d m b ) 。实际可采用地面和卫星两种传播方 式。在日本，移动广播电视公司于2 0 0 4 年5 月2 0 日获得了日本总务省的广播电视许 可证，朝商业化迈出了第一步。2 0 0 4 年7 月开始免费在口韩两国面向移动电视终端和 车载导航仪开通卫星广播电视服务。欧洲方面主要进行了基于d v b h 标准的移动多媒 体广播试验和商用。在芬兰，d i g i l a 于2 0 0 6 年3 月开始在全国布网，在摆脱了有关节 目版权的相关纠纷后于2 0 0 7 年5 月开始运营。意大利方面业务开通较多，2 0 0 6 年就有 2 浙江大学硕士学位论文 包括沃达丰在内的3 家公司开通了服务。法国也计划于2 0 0 8 年开通相关业务。 1 1 4c m m b 标准的出台 当前，国家广播电影电视总局已经明确自主知识产权的移动多媒体广播技术体系， 并为此成立移动多媒体广播技术研究工作组，联合相关企事业单位、研究机构的技术 力量共同开展移动多媒体广播系统技术规范的研究编制、试验系统建立和产业化准备 等各项工作，建立我国移动多媒体广播系统标准体系，实现以自主知识产权为核心的 移动多媒体广播系统。2 0 0 6 年1 0 月2 4 日，广电总局正式颁布了中国移动多媒体广播 c m m b 系统的广播信道行业标准g y 仃2 2 0 1 2 0 0 6 移动多媒体广播第1 部分：广播 信道帧结构、信道编码和调制【3 】，确定了采用我国自主研发的移动多媒体广播传输 技术标准星地交互式多服务体系架构( s a t e l l i t e t e r r e s t r i a li n t e r a c t i v em u l t i s e r v i c e i n f r a s t r u c t u r e ，s t i m j ) 。 该标准采用了多载波调制的正交频分复用( o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ，o f d m ) 系统【4 】【5 】。在o f d m 系统中，子载波的数据速率远，j 、于总数 据速率，各子信道的带宽也远小于系统总带宽。使用o f d m 调制方式，通过引入循环 前缀的方式可以消除符号问干扰【4 】。该标准采用高度结构化的l d p c 码，提供接近香 农极限的纠错性能。为了降低终端功耗，c m m b 标准采用了时隙技术成帧【3 】。 1 2 主要移动多媒体广播标准及比较 目前，国际上比较成熟的移动多媒体广播相关技术标准包括：欧洲d v b h 标准、 韩国t - d m b 标准、日本i s d b t 标准、美国m e d i a f l o 标准及日韩s - d m b 标准等。 同时，我国国家标准化管理委员会于2 0 0 6 年8 月发布中国数字电视地面广播传输系统 标准( d 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 ，d t t b s ) 。 d v b h 系统是欧洲数字电视广播标准d v b t 系统基础之上发展起来的手持电视 广播标准，基本兼容原有的标准【6 】。d v b h 网络结构可以支持单频网、实时广播、流 媒体等多种业务类型。信道调制部分采用了与d v b t 相同的信道编码和调制方式【7 】。 针对手持终端的考虑，采用了时间分片节电设计。针对提高移动接收性能进行改进， 采用了多协议封装前向纠错协议，实现i p 包封装和额外的纠错性能。在信道估计方面， d v b h 系统主要沿用了d v b t 中的离散导频估计方法，将导频点信道响应估计后， 在频域和时域通过内插的方式完成均衡。由此可见，d v b ，h 设计的主要考虑是兼容现 有的d v b - t 标准，满足欧洲已有的嘲络状况。这种理念在节省投资和降低移植复杂度 的同时，限制了在技术方面的改进。因而，d v b h 的传输性能的进一步优化将变得困 3 浙江大学硕士学位论文 难重重。 t - d m b 8 是根据欧洲数字音频广播( d i g i t a l a u t ob r o a d c a s t i n g ，d a b ) 技术改进 的，物理层与d a b 系统完全一致。它的特点是支持地面单频网的网络结构，面向手持 移动终端，业务类型包括了实时音视频广播和流媒体，但对终端省电问题没有给予考 虑。在信道估计方面，由于d a b 系统采用的是差分o f d m ( d o f d m ) 系统，因而事 实上不需要对信道进行估计均衡。因此，在这一标准中，信道估计能带来的性能提升 极为有限。 i s d b - t 【9 】是日本提出的地面数字电视传输方案，其基本结构和d v b t 类似，在 其基础上增加了频率分段和频率交织。从这一点可以看出，与c m m b 的时分降低功耗 的思想类似，i s d b t 通过频分的方式也事实上降低了手持设备的功耗。其系统特点是 可以支持实时音视频广播、流媒体、数据业务，网络结构方面支持地面单频网。在信 道估计方面，其无例外地选择了离散导频进行信道估计。 m e d i af l o i o 方案是美国高通公司提出的采用单向广播网络和3 g 移动通信网相 结合的网络结构，采用o f d m 调制加t u r b o 码的信道传输方案，支持实时广播、流媒 体和非实时数据广播业务系统。高通的m e d i af l o 方案在复接方面定义了复用协议； 在功耗节省方面，考虑了时域和频域综合技术降低终端的功耗，在用户认证方面采用 了3 g 网络类似的认证系统。在信道估计的设计方面，该系统主要利用时域导频进行估 计，和普通的频域离散导频估计系统具有类似的性能。 s d m b 1 l 】系统是日本率先提出的利用s 波段卫星对地面手持和移动设备进行直 接广播，在城市阴影区域通过设立增补转发系统，接收k u 波段卫星转发信号进行信号 处理后，实现s 波段同频信号再生和地面同步发射，对卫星覆盖阴影区域进行信号补 充，实现对移动接收设备的实时广播、流媒体和非实时广播业务。s - d m b 拥有专门的 导频信道，为带导频信道的码分帧结构，采用导频对信道进行估计。 d t t b s 1 2 是我国国家标准化管理委员会2 0 0 6 年8 月发布的数字电视地面广播强 制标准。该标准中采用了许多最新研究成果，其中信道编码采用了b c h 和l d p c 码， 关于信道估计和同步方面，更是采用了具有自主知识产权的时域同步正交频分复用系 统( t i m ed o m a i ns y n c h r o n o u so 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 g t d s o f d m ) 。 这一系统采用了时域伪随机序列进行快速同步和信道估计，在o f d m 符号中不再加入 循环前缀和离散导频。 综上所述，c m m b 与其他支持移动广播的标准主要技术对比如表卜l 所示： 4 浙江大学硕士学位论文 表1 1c m m b 及其他国际移动广播标准技术对比 1 3 信道估计在移动多媒体广播接收中的重要- | 生 与有线信道的高质量不同，无线信道对于信息传送而言通常是比较恶劣的。在地 面移动多媒体广播系统中，由于用户的移动和信道的动态变化，无线信道呈现随时间 随机变化的特性。同时，s t i m i 系统设计的接收系统可处于多种不同的信道环境中。 因而，即使o f d m 系统仅需要在频域上做较为简单的均衡【5 】，信道估计仍然成为影响 系统性能，尤其是误码率的重要因素。 o f d m 系统的信道估计通常依靠训练序列和离散导频实现。在c m m b 系统中，可 以使用频域伪随机同步信号和插入o f d m 的离散导频对信道进行估计。系统在导频设 计上还采用了时频二维导频技术【3 】。如何尽量利用c m m b 物理层帧结构的特性，适应 无线移动地面广播的信道环境，成为c m m b 系统信道估计的重要课题。 1 4 研究意义 c m m b 标准是我国自主研发的、具有完全知识产权的移动多媒体广播标准。现有 的国外相关技术标准并不适合我国国情。 首先，c m m b 系统具有经济性的特点。我国幅员辽阔、传输环境复杂，经过多种 模式的比较，广电总局认为卫星加地面覆盖的形式，是成本最低、效率最高的模式。 如果采用c m m b 方式完成全国国土及城市应用l o o 的无缝覆盖，约需人民币2 3 0 2 4 0 浙江大学硕士学位论文 亿元，而完全采用地面模式进行覆盖，则成本高达8 0 0 亿元【1 3 】。 其次，c m m b 标准中的技术，是在目前最先进的宽带无线传输技术基础上，针对 广电应用环境通过三年多的大量研发工作所开发出的种新技术。该种技术结合我国 频率资源使用的特点进行优化。由于模拟电视尚未停止播出，v h f 和u h f 的频段资源 较为紧张，c m m b 标准可以良好应用于3 0 m h z 至3 0 0 0 m h z 之间的频率范围，且国家 已经规划了独立的频段 1 4 1 。 7 0 年代党中央提出改革开放，带来我国2 0 年经济高速发展；现在党中央提出自主 创新，不但将大规模提升我国综合实力，还将有助于中国经济结构趋于合理化。通过 自主创新、满足自身需求、推动技术向更高水平发展也是国人的期待。因此，实现我 国自有的移动多媒体广播标准，具有十分重大的现实意义。 在c m m b 系统中，接收机的设计具有十分重要的意义，这直接关系到系统的性能。 面向c m m b 的o f d m 系统中，虽然均衡技术得以简化，然而如何捕获多样复杂的地 面移动电视广播信道特性，成为接收机设计的重中之重【1 5 】。因此，针对c m m b 标准 的信道估计技术意义重大。目前，基于o f d m 系统的信道估计技术方法较多，但针对 c m m b 标准的信道估计技术研究和分析还很少。如果能够设计一种恰当的信道估计体 系，并能适应多种信道环境，必将进一步提升基于c m m b 标准的系统性能，增强标准 本身的竞争力，进一步推动移动电视在中国的发展。 1 5 本文的主要工作 本文的研究重点为基于c m m b 标准的o f d m 信道估计算法设计和评估。 本文在第二章中分析了c m m b 标准应用的无线移动广播信道特点，指出了恶劣的 无线信道对无线接收信号的影响，讨论了目前广泛应用的几种无线广播信道模型。本 文探讨了o f d m 技术的基本原理，分析了c m m b 标准的物理层主要技术和帧结构， 为设计针对c m m b 标准的信道估计算法奠定基础。 本文在第三章中阐述了c m m b 的信道估计主要算法，即基于带限频域p n 序列相 关估计算法、基于离散导频的信道估计方法和信道估计均方误差( m s e ) 的抑制方法。 针对c m m b 物理层帧结构特点，本文设计了基于捕获跟踪的c m m b 信道估计系统方 案。该方案通过对基于信标、基于离散导频信道估计及估计值的m s e 抑制方法的有机 结合，增强了系统抵抗频率选择性衰落和快衰落的能力。 本文在第四章中介绍了搭建的无线移动广播信道仿真模型和c m m b 基带传输链 路平台。本文对第三章中设计的主要算法进行了仿真验证，通过m s e 和误比特率( b e r ) 对算法性能进行评估。仿真结果验证了基于带限频域p n 序列相关估计算法和基于离散 6 浙江大学硕士学位论文 导频信道健计算法的可行佳，讨论了不圆的设计方案的性能差异。仿真结果同时显示 了几种抑制估计m s e 算法所带来的估计性能提升。仿真结果同时验证了基于捕获跟 踪的c m m b 信道估计系统方案适应各种不同的广播信道环境，在瞬等条件下和常规算 法相比获得了性能提升。 本文的刨新点主要有三点：首先，本文基于c m m b 的特殊信标，设计了基于带隰 频域p n 相关信道估计方法，该方法将获取信道估计响应的过程映射为相关运算：其次， 本文讨论了o f d m 系统信道估计结果m s e 抑制的方法，对设计的几种方法性能进行 了分析；再次，本文设计了基于捕获跟踪的c m m b 信道估计方案，充分利用了c m m b 标准中定义的接收机先验信息，具有较强的实用价值。 7 浙江大学硕士学位论文 第二章c m m b 系统物理层基本原理 c m m b 标准是我国自主研发的、具有完全知识产权的移动多媒体广播标准。在广 播信道帧结构、信道编码和调制方面，c m m b 标准采用了目前广泛应用于无线通信中 的多载波调制o f d m 架构。本章首先描述无线广播信道的特征，然后叙述o f d m 通信 系统的基本原理，接着分析c m m b 系统物理层的结构，最后对本章内容进行小结。 2 1 无线广播信道 如何让无线广播信道成为移动多媒体广播可靠的高速通信媒质存在着严竣的挑战。 无线广播信道存在着路径自由空间的损耗，易受到噪声、干扰和其他信道因素的影响。 由于用户的移动和信道的动态变化，这些因素还在随时间随机变化。由于c m m b 系统 的应用范围所限，我们主要研究频率范围为3 0 0 m h z 3 0 0 0 m h z 的超高频( u l t r ah i g h f r e q u e n c y , u h f ) 频段的无线信道。图2 - 1 是一个典型的无线广播信道衰落产生示意图： 图2 1 典型的无线广播信道衰落产生示意圈 2 1 1 大尺度传播效应 本节主要讨论由路径损耗和阴影效应引起的接收信号变化。路径损耗是指由发射 功率的辐射扩散和信道本身的传播特性所产生的无线信道衰落；阴影效应则是由发射 机和接收机之间的障碍通过吸收、皮射、散射等方式产生的无线信道衰落。 8 浙江大学硕士学位论文 首先我们考虑自由空问的路径损耗情况。假设信号经过自由空间到达距离d 处的 接收机，发射机和接收机之间没有任何障碍物，信号沿直线传播。自由空间路径损耗 使接收信号相对于发射信号引入了一个复数因子，即产生的接收信号为f 1 6 】： 啪= k 譬狮 ( 2 1 ) 式( 2 1 ) 中( t 是在视跬方向上发射天线和接收天线的增益积，e 印“2 是由传播 距离d 引起的相移。如果设发射信号s ( ，) 的功率为p f ，由式( 2 1 ) 可得接收功率和发射功 率的比值为： 号_ f 鲁t ， 由上式可以看出，接收功率与收发天线之间的距离d 的平方成反比。事实上，在其 他的一些以介电峡谷传播模型为代表的模型中接收功率随d 下降的速度更快【1 7 】。上式 还表明，接收功率与信号的波长平方成正比，因此载波的频率越高衰减越大。 因此，自由空间传播时，为了更加清楚地反映出各损耗因素的影响，接收功率可 以表示为d b m 的形式： p ( d b m ) = 只( d b m ) + 1 0 1 0 蜀。( g i ) + 2 0 1 0 9 。( 五) 一2 0 l o g l 0 ( 4 n ) - 2 0 l o g 。( d ) ( 2 3 ) 所以，在无线广播信道中，我们通常定义自由空间路径损耗为自由空间模型下的 路径损耗： 巾) _ 1 叭净器 根据自由损耗公式和不同环境的实测数据，人们提出了许多经验路径损耗模型。 这其中比较经典的模型包括奥村模型【1 8 】、哈塔模型【1 9 和c o s t 2 3 1 模型【2 0 】。关于具 体的广播信道复合模型，在2 1 3 小节中会详细描述。 广播信号在无线信道的传播中遇到障碍物，会产生散射、漫射等诸多的变化。这 一变化的结果使某一特定距离处的接收信号功率发生随机变化。同时，当信g - 通过散 射体时也有相类似的结果。对于这一现象，通常采用对数正态阴影模型来进行表征， 这一模型已经被实测数据证实。 9 浙江大学硕士学位论文 对数正态阴影模型把发射和接收功率的比值= 只g 假设为一个对数正态分布的 随机变量： 咖，= 南e 冲卜嗡 仁s ， 其中的f 为常数1 0 ，k 1 0 ，k 和盯。分别表示分布的均值和标准差。均值通常采 用解析模型或者根据实际的测量结果确定。根据式( 2 5 ) ，如果我们把矿以分贝的形式 表示，则其分贝值服从均值为，k 、标准差为a k 的正态分布： p t 廿赤唧 - 掣 ， 许多广播信道( 室外信道) 的测量结果表明【2 l 】【2 2 】【2 3 】，标准差的范围在4 d b m 3 d b 之间。均值的大小则取决于式( 2 4 ) 所示的路径损耗和和所在区域的建筑物属性。简单 的一个理解是：均值的变化一是由于路径损耗随距离的变化，二是距离增加的时候障 碍物的数量会增加，两个因素共同带来了平均衰减的增加。 2 1 2 小尺度传播效应 本节主要讨论由于多径效应和多普勒频移所带来的无线广播信道小尺度传播效应。 多径效应是指无线信道中不同的传播路径之间产生时延，在时域上产生信号的弥散。 这一效应由于不同相位和时延的多径相互叠加，常常带来信道频域响应的深衰落或者 深度相位畸变，称之为频率选择性衰落。根据是否含有主导的多径分量，多径衰落通 常分为瑞利衰落( r a y l e i g hf a d i n g ) 和莱斯衰落( r i c i a nf a d i n g ) ，还有一个类似通用分 布的n a k a g a m i 分布。由于接收机相对发射机运动，带来的多普勒频移会造成信号的频 域弥散，通常称为快衰落。 我们首先研究多径效应所带来的影响。考虑这样的一种情形：由不同的相互作用 体反射或散射产生了n 个均匀的平面波，即多径分量。 假设多径分量的绝对振幅在观察区域内不变，振i 疆的平方和为： l o 浙 【大学硕士学位论文 意h 1 2 ：c p ( 2 7 ) 其中c p 是常量。但是，相位的变化是非常剧烈的，通常可以认为在【o ，2 兀】均匀分 布的随机变量。 为了计算总场强，我们考虑信号的实带通表示： ( ，) = h i c o s 【2 ，孵+ 锻】 ( 2 8 ) ，t 1 将式( 2 8 ) 采用实带通信号的同相和正交分量表示，有： 其中， e n e ( t ) = l ( t ) c o s ( 2 玩f ) 一q ( f ) s i i l ( 2 晚f ) ( 2 9 ) 巾)l a , l c o s 够 q ( f ) = h s i n 仍 ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) ，( ，) 及q ( f ) 是多个随机变量之和，而由我们的假设，其中没有一条多径是主导的。 因此由中心极限定理，这种变量之和的概率密度函数是正态分布，而这与每条多径幅 值的分布无关。 由实部和虚部的统计量出发，【2 4 】推导得出接收信号振幅和相位的统计量。相位的 概率分布是一个均匀分布： p ( 妒) = 五i 而振幅的概率密度函数是个瑞利分布： 外，= 扣 一导 ( 2 1 2 ) r 2 1 3 ) 为了定性地观察瑞利衰落产生的频率选择性衰落，我们考察一个具有典型效应的 浙江大学硕士学位论文 二径信道。假设载波频率9 0 0 m h z ，信道存在4 p s 和6 9 s 延时的两条多径，他们的幅值 分别为1 和o 9 5 。假设初始相位差为0 ，则其在9 0 0 m h z 9 0 1 m h z 的i m h z 带宽上频 率响应如图2 2 所示。从图中看以看出，信道对信号会产生频率选择性衰落，在两条 多径相消干涉的频点处尤为严重。将这一结果推广到其他多径环境，不难想见多径效 应对信道频率响应所带来的巨大影响。 图2 - 2 一个典犁的二径信道产生的频率选择性衰落 瑞利分布被应用于无线广播信道模型中，主要基于以下的原因：首先，在许多实 际的应用情形中，它都是一个非常好的近似，这已经被大量的观测所证实，当然，在 存在强视距( l i n eo f s i g h t ，l o s ) 的情况下，会有更准确的莱斯分布；其次，瑞利分布 描述了在没有主导信号分量前提下的情形，其造成频率选择性衰落的较差信道情形对 于设计一个稳健的系统十分有用；再次，它依赖于平均接收功率这一单一参数，其造 成的信道失真出错几率较小。 当一个主导的多径分量存在时，衰落统计量会产生变化。这种情况下，振幅和相 位的联合概率密度函数可以用类似推导瑞利分布的方法得到【2 5 】： 嘶叫= 寺c x p ( 一生学) ( 2 1 1 4 ) 其中a 是主导分量振幅。与式( 2 1 2 ) 署n 式( 2 1 3 ) 不n ，式( 2 1 5 ) 中分布振幅和相位是 不可分离的。通常而言，对相位积分可以获取振幅的概率密度函数，成为莱斯分布： 浙江大学硕士学位论文 舯扣( 等m 等) 亿柳 式( 2 1 5 ) 中i 。( x ) 是第一类修正零阶贝塞尔函数 2 6 】。根据式( 2 1 5 ) n 以定义主导分 量功率与所有非主导分量功率的比率为莱斯因子： 足= 刍 ( 2 1 6 ) 从上述推导中可以看出，莱斯分布扩展了瑞利分布在无线广播信道模型中的应用， 适用于存在视距路径的情况。 更一般的场强概率分布为n a k a g a m i 分布 2 7 1 1 2 8 。这一分布中，中心极限定理不 一定是必须有效的。 接下来研究由于发射机和接收机相对运动所引起的频率偏移带来的多普勒效应。 如果接收机移动，多径分量以不同方向到达移动台，这会造成不同的频率偏移。当一 束波从单一方向到来时，我们得出其多普勒频移的表达式。多普勒效应导致接收频率 为： 厂= ，一三c oc 。s c ， = 正一以 c z ， 式( 2 1 7 ) 中的y 表示了运动方向与波束传播方向的方向角，而石则反映了频率的偏 移值。显然，从式( 2 1 7 ) 中可以看出，频率的偏移依赖于波束和运动的方向，其范围限 定于z 一矗z + 矗之间，其中f o = f ：c 。 如果有多个多径分量，则我们需要知道入射波功率随y 变化的概率分布。我们将此 分布定义为p ( ，) a 如果考虑了接收机天线增益的加权g ( ，) ，接收功率谱就可以表示为 s ( ，) = 研p ( ，) g ( y ) + p ( 一y ) g ( 一，) ( 2 1 8 ) 式( 2 1 8 ) 表明，从方向y 和方向一y 来的波产生了相同的多普勒频移，就推导多普勒 频谱而言没有必要区分。对于式( 2 1 8 ) ，如果使用变量兀替代，则j a c o b i a n 矩阵为： 浙江大学砸士学位论文 刖讣商2 商2 南9 ) 将瓦( 2 1 9 ) 珂瓦【z 1 9 ) 儆父重瞀珙，得到： ( 石) ：j 乃 ，( y ) g ( y ) + p ( 一，) g ( 一，) 南一k 1 ，( 2 2 。) 【0 其余” 注意到式( 2 2 0 ) 中，特定的天线分布和天线模式均对应了不同的功率谱分布。一般 情况而言，对于均匀方向角入射和垂直