（信号与信息处理专业论文）数字电视地面传输中单载波均衡器的fpga设计与实现.pdf

摘要 摘要 2 0 0 6 年8 月3 0 日，国家标准委发布了具有自主知识产权的中国数字电视地面 广播传输系统标准- - - - g b 2 0 6 0 0 - 2 0 0 6 数字电视地面广播传输系统帧结构、信道 编码和调制。该标准突破性的取得了单、多载波调制技术的融合，具有系统性能 好、频谱利用率高、可扩展性强等优点，能适应我国城乡不同应用的需求。 本文对国家标准的收端单载波调制模式进行了研究，并完成了单载波均衡器的 f p g a 设计与实现。该部分设计和实现的单载波模式下的均衡器，是收端单载波调 制模式的重要组成部分。本文设计的均衡器采用了时域和频域联合处理的自适应 均衡技术，其中频域均衡作为d f e 的前馈滤波部分，时域的反馈滤波的部分使用 常规的横向滤波器。用c 语言描述了所设计的均衡器后，通过c a d e n c 宅公司的信 号处理仿真软件s p w 4 8 2 对其性能进行仿真验证。软件仿真验证以后，对设计出 的均衡器的各个模块用v c r i l o g 语言进行了硬件描述，然后使用q u a r t u s i i 对其进行 功能和时序的仿真验证，最后在采用了a l t c r a 公司s t r a t i x 系列e p l s 8 0 8 9 5 6 c 6 的 f p g a 的硬件平台上进行了片上的调试，对结果进行分析，达到了预期效果。 本文在结构上分为六个章节。首先在第一章中介绍了国内外地面数字电视的发 展状况，然后在第二章介绍了单载波均衡器的结构、算法以及f p g a 设计的有关 知识。第三章介绍了在s p w 4 8 2 软件下对均衡器的仿真及验证。第四章重点介绍 了均衡器的f p g a 设计、仿真及硬件调试。第五章介绍了用于信道估计的短p n 的 f f t 模块的f p g a 设计。第六章为文章的总结部分。本论文完成的工作主要有： 1 完成均衡器各模块c 代码的设计和编写，通过s p w 4 8 2 软件仿真验证。 2 用v c d l o g 编写均衡器的各个模块，并在q u m u si i 下完成仿真验证。 3 在硬件平台上对均衡器各个模块进行调试，达到预期目的。 4 用v c d l o g 编写短p n 的f f y 模块并通过q u a r t u s l i 完成验证。 关键词：单载波，频域均衡，时域判决反馈，f p g a ，f f r a b s t r a c t a b s t r a o t g b 2 0 6 0 0 - 2 0 0 6 ，t h es t a n d a r do ft h ec h i n e s ed t r b ( d i 鲋t e r r e s t r i a lt e l e v i s i o n b r o a d c a s t i n g ) h a sb e a np i 删g a t c do n 她3 0 ，2 0 0 6 s i n g j o - e a r l i e ra n do f d m a r e m e r g e di nt h i ss t a n d a r d a n dt h i ss t a n d a r dc h a r a c t e r i z e sb ye x e l l a n ts y s t e mp t 刑妇c n l 孤c c ， h i g hu t i l i z a t i o nr a t i oo ff b q u e n c y ，s t r o n gf l e x i b i l i t ya n de t c ，c a p a b l eo fa d a p t i n gt o d i f f e r e n ta p p l i c a t i o n si nb o t hu r b a na n dr u r a la r e a s t h ef p g ai m p l e m e n t a t i o no ft h ee q u a l i z e rf o rs i n g l e - c a r r i e ro ft h es t a n d a r dh a s b e e nc o m p l e t e di nt h i st h e s i s t h i sp a r ti st h ei m p o r t a n tc o m p o n e n to ft h er e c e i v e ro f s i n g l e - c a r r i e r e q l 璃1 i 2 埘i n 丘e q u a n c yd o m a i na n d d e c i s i o nf e e d b a c ki nt i m ed o m a i n i su s e df o rt h es i n g l e - c a r r i e re q u a l i z e r t h ee q u a l i z a t i o ni nf r e q u e n c yd o m a i ni st h e f e e d - f o r w a r df i l t e r i n go ft h ed f e a n dt h et r a d i t i o n a lt r a n s v e r s a lf i l t e ri su s e di nt h e f e e d - b a c kf i l t e r i n gi nt i m ed o m a i n a r e rf i n i s h i n gt h ecp r o 粤砌o ft h ee q u a l i z e r , t h e e q u a l i z e r sp e r f o r m a n c eh a sb e e nv a l i d a t e db ys p w 4 8 2 s i m u l a t i o n t h ev e r i l o g p r o g r a mh a sb e e nd e s i g n e db a s e do nt h ea l g o r i t h m a n dt h e n , t h ef u n c t i o na n dt i m i n g s i m u l a t i o n sh a v eb e e nd o n eb yq u a r m s i i f i n a l l y , t h eh a r d w a r ed e b u g g i n go nt h e i m r d w a r e - p l a t f o m w h i c hi sb a s e do nt h ea l t e r a sis t r a t i xs e r i e sf p g ac h i p e p l s 8 0 8 9 5 6 c 6 f p g ah a sb e e nd o n e i nt h i sd i s s e r t a t i o n , t h ed 吖e l o i n gs t a t u so fd t v a l lo v e rt h ew o r l di s i n t r o d u c e d f i r s t l y a n dt h e nt h ea l g o r i t h ma n d t h es t r u c t u r eo f t h es i n # e - c a r r i e re q u a l i z a t i o ns y s t e m a sw e l la st h er e l a t e dk n o w l e d g ea b o u tf p g ad e s i g na r ei n t r o d u c e di nc h a p t e r2 t h e s i m u l a t i o no ft h ee q u a l i z a t i o ns y s t e mb a s e do ns p w 4 8 2i si n 佃o d u c e di nc h a p t e r3 t h ef p g ad e s i g na n dr e a l i z a t i o no f t h ee q u a l i z a t i o ns y s t e mi si n t z o d u c e de m p h a t i c a l l y i n c h a p t e r 4 a d d i t i o n a l l y , t h ed 髂i g no f f f t o f t h e p h i b a s e d o n f p g a i s a n o t h e r p a r t o ft h ep r o j e c ta n di ti si n t r o d u c e di nc h a p t e r5 f i n a l l y , t h i sd i s s e r t a t i o ni ss u m m a r e di n c h a p t e r6 t h em a i nw o r kd e s c r i b e di nt h i st h e s i si sl i s t e da sf o l l o w s ： 1 d e s i g nt h ecp r o g r a mo ft h ee q u a l i z e ra n df i n i s hs i m u l a t i o nb a s e do n s p w 4 8 2 2 d e s i g nt h ev e t - f l o gp r o g r a mo ft h ee q u a l i z e ra n df i n i s hs i m u l a t i o nb a s e do n q u a r t o si i n a b s t r a e t 3 d e b u g t h ev e r i l o gp r o g r a mo f t h ee q u a l i z e ro nt h eh a r d w a r e p l a t f o r m 4 d e s i g nt h ev e r i l o gp r o g r a mo ft h ef f to ft h ep na n df i n i s hs i m u l a t i o n b a s e do nq u a r t u si i k e y w o r d s ：s i n g l e - c a r r i e r , e q u a l i z a t i o ni nf r e q u e n c yd o m a i n , d e c i s i o nf e e d b a c ki nt i m e d o m a i n , f p g a f f r 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。据我所知，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 为获得电子科技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 确的说明并表示谢意。 签名：蕉趣盏日期：。年午月，7 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，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应遵守此规定) 签名：壅盈爰导师签名：幽茎垦 日期：如q 年午月，7e t 第一章引言 第一章引言 进入新世纪后，全球进入数字化、信息化时代，数字化是科技发展的必然趋势， 广播电视不可能游离于之外。在经历了机械电视时代、黑白电子电视时代和模拟 彩色电视时代后，广播电视正朝着数字化和高清晰化方向迈进，模拟电视在全世 界范围内正逐步引退。数字化是广电行业的一次技术转型，将会给广播电视带来 一场变革，也会给国家和社会带来变化，改变了人们的生活方式和娱乐方式。随 着数字技术的日益成熟及其在社会各领域里的广泛应用，数字化已经跨越技术本 身而成为国家信息化、社会信息化的重要标志，成为提升国家综合竞争力的重要 内容。 数字电视广播主要通过卫星、有线电视及地面无线等几种方式实现。卫星广播 着重于解决大面积覆盖，有线电视广播着重于解决“信息到户”，而数字电视地面 无线广播作为电视广播的传统方式，由于具有简单接收和移动接收的能力，能够 满足现代信息社会所要求的“信息到人”的基本要求，因此数字电视地面广播在 未来数十年中将具备极大的商业价值。按清晰度分，数字电视分为标准清晰度电 视( s 0 1 、n 和高清晰度电视( h d l v ) 。标准清晰度电视的图像分辨率为普通电视机的 最大值，其码率约为4 4 m b p s 。而高清晰度电视图像像素为普通电视最大值的5 倍， 垂直分辨率可以达到1 0 0 0 线以上，其码率约为2 0 m b p s 。采用数字技术进行编码 和传输可以将原来传送一路模拟电视节目的带宽用来传送一路高清晰度电视节目 加一路标准清晰度电视节目或者4 _ 6 路标准清晰度电视节目。这将是解决目前模拟 电视频道拥挤不堪的局面的最好出路。各国对数字电视的研究也是非常重视。在 下面章节中将简要介绍国内外地面数字电视广播发展的情况。 1 1国外地面数字电视广播的发展状况 经过多年的研究，到目前为止，国际电信联盟( r r u ) 已经受理了三种地面数 字电视广播系统标准建议【n ，即：美国的a t s c f 2 1 ，欧洲的d v b - t t 3 】和日本的i s d b - t ， 下面分别简要介绍。 a t s c 数字电视标准是由美国高级电视系统委员会( a d v a n c e dt e l e v i s i o n s y s t e m sc o m m i t t e e ，a t s c ) 所开发的，它采用格形编码的八电平残留边带 电子科技大学硕士学位论文 ( t r e l l i s - c o d e d8 - l e v e lv e s t i ：g i a ls i d e - b a n d ( 8 - v s b ) ) 调制，是为了能在单个6 m h z 频道中传输高质量视频和音频( h d t v ) 以及辅助数据而设计，用于地面广播和有 线分配系统。它能够可靠地在6 m h z 地面信道中传输1 9 4 m b i t s 的数据吞吐量，在 有线电视信道中数据吞吐量为3 8 8 m b i t s 。它有两种有效的操作模式：8 - v s b “地 面同播模式”，这种模式是为了便于更好地抵抗n t s c 干扰；1 6 - v s b “高码率模 式”，该模式主要用于更干净的有线信道。此系统可以抵抗许多类型的干扰：现 存的模拟电视节目、白噪声、脉冲噪声、相位噪声、连续波和无源反射( 多径) 。 系统提供固定的接收，不支持移动接收。此系统使用单载波调制方案，即八电平 残留边带( 8 - v s b ) 调制，用于单发射机( 多频网m f n ) 实现。虽然此系统是为 6 m i - i z 频道开发和测试的，但它能应用于任何信道带宽( 6 、7 、8 m h z ) ，只是相 应地改变数据容量。 欧洲的数字视频地面广播( d i g i t a lv i d e ot e r r e s t r i a lb r o a d c a s t i n g t e r r e s t d a l 。 d v b t ) 标准是由欧洲数字视频广播组织开发，采用编码正交频分复用( c o d e d 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 ，c o f d m ) 的调制方式。d v b t 标准 是一系列标准中的一个，其它还有卫星( d v b s ) 和有线( d v b c ) 数字视频广 播等，此系列标准考虑到数字视频和音频的传输，以及将来的多媒体节目。对于 地面广播，此系统在现存的已分配给模拟电视传输的u i - i f 频谱内广播。8 m h z 信 道内传输的有效净比特码率在4 9 8 3 1 6 7 m b i t s 范围内，取决于信道编码参数、调 制类型和保护间隔的选择。系统设计本质上要具有内在的适应性，以便能够适应 所有的信道。它不仅能够处理高斯信道，而且也能适应r i e e a n 和r a y l e i g h 信道。 它能够抵抗高电平( o d b ) 、长延时的静态和动态多径失真。此系统能可靠地克服 延时信号的干扰，包括地势或建筑物反射的回波，或者单频网环境中远方发射机 发射的信号。系统具有许多可选择的参数，以适应大范围的载噪比和信道特性。 它允许固定、便携或者移动接收，相应的有用比特码率要进行折衷。可选择的参 数范围允许广播业者选择一种模式，以适应将来的应用。d v b - t 采用编码的正交 频分复用( c o f d m ) 多载波调制技术，有两种操作模式：“2 k 模式”和“8 k 模 式”，分别进行2 k 和8 k 点f f t 运算。系统可以选择不同的q a m 调制级数和不 同的内码码率，也允许两层分级信道编码和调制。此外，长度可选择的保护间隔 允许系统支持不同的网络配置，例如大范围s f n 和单发射机网( m f n ) 。“2 k 模 式”适用于单发射机广播，以及具有有限发射机距离的小的s f n 网。8 k 模式” 既能用于单发射机广播，也能用于小的和大的s f n 网。 日本的地面综合业务数字广播( i n t e g r a t e ds e r v i c ed i g i t a lb r o a d c a s t i n g 一 2 第一章引言 t e r r e s t f i a l ，i s d b t ) 标准由日本无线电工商业协会( a s s o c i a t i o no f r a d i oi n d u s t t i 翻 a n db u s i n e s s o s ，a r i b ) 所开发，采用频带分段传输正交频分复用( b a n d w i d t h s e g m e n t a lt r a n s m i s s i o no f d m ，b s t o f d m ) 的调制方式。它系统地综合了各种 类型的数字内容，每一种可包括从s d t v 到h d t v 的多节目视频、多节目音频、 图形和文本等。因为i s d b 概念覆盖了各种服务，因此系统不得不面对各种需求， 而且一个业务可能和另一个业务是不同的。为了综合不同的业务需求，系统提供 了可选择的调制和误码保护方案和灵活的组合，以便面对这些综合业务的每种需 求。系统采用的调制方法称为频带分段传输( b s t ) o f d m ，由一组共同的称为 b s t 段的基本频率块组成。每段的带宽为b w 1 4 m h z ，这里b w 指的是地面电视 信道带宽( 6 、7 或8 m h z ，依赖于所处地区) 例如，对于6 m h z 信道，每段占 据6 1 4 m i - i z = 4 2 8 6 k h z 频谱，7 段就占据了6 7 1 4 m h z = 3 m h z 的频谱。在o f d m 特性之外，b s t - o f d m 对不同的b s t 段采用不同的载波调制方案和内码编码码率， 依此提供了分级传输特性。每个数据段有其自己的误码保护方案( 内码编码码率、 时间交织深度) 和调制类型( q p s k 、d q p s k 、1 6 q a m 或者6 4 q a m ) ，那么每 段能满足不同的业务需求。许多段可以灵活地组合到一起，提供宽带业务( 例如 h d t v ) 。通过传输不同传输参数的o f d m 段群，可以达到分级传输。 1 2 国内地面数字电视广播的发展状况 我国作为电视机的生产和消费大国，一直对数字电视相当重视。2 0 0 1 年初国 家标准化管理委员会委托全国广播电视标准化委员会公开向国内征集我国数字电 视地面广播传输方案，并于2 0 0 1 年4 月和2 0 0 1 年1 0 月收到了包括清华大学、上 海交通大学和电子科技大学等在内的多家单位提交的方案。其中，清华大学提出 的d m b t ( 地面数字多媒体电视广播传输协议) 方案采用时域同步正交频分复用 ( t d s - o f d m ) 技术【4 】，在信道编码方面采用了t u r b o 纠错编码，在时域中插入 p n 序列作为同步信号，该方案是一种多载波的方案。而上海交通大学的a d t b - t ( 高级数字电视广播系统) 方案则是一种单载波的方案，采用了t p c 信道编码技 术，这两套方案均具有很强的可行性。电子科技大学的朱维乐教授创造性的提出 了融合的思想，即融合两家之长，将多载波调制和单载波调制统一在一个方案中， 即融合方案【5 1 ，在实现时根据不同的应用环境，通过一个开关控制选择哪种调制方 式。该思想提出后得到了广泛的支持与好评。 经过多年的反复论证研究，终于在2 0 0 6 年8 月3 0 日，国家标准委发布了具有 3 电子科技大学硕士学位论文 自主知识产权的中国数字电视地面广播传输系统标准g b 2 0 6 0 0 - 2 0 0 6 数字电 视地面广播传输系统帧结构、信道编码和调制，该标准于2 0 0 6 年8 月1 8 日正式 批准成为强制性国家标准，将于2 0 0 7 年8 月1 日起正式实施。该标准是由国家组 织的数字电视特别工作组负责起草，由全国广播电视标准化技术委员会归1 3 并测 试，国家质检总局、国家标准化管理委员会批准发布。 国家标准支持高清晰度电视、标准清晰度电视和多媒体数据广播等多种业务， 满足大范围固定覆盖和移动接收需要。该标准实现了关键技术创新，形成了多项 具有自主知识产权的专利技术，突破性的取得了单、多载波调制技术的融合，是 我国自主创新的一项新的重要成果。基于该标准的系统性能好、频谱利用率高、 可扩展性强，能够适应我国城乡不同应用的需求。该标准的正式颁布，将推动我 国广播电视事业快速、有序地向数字化过渡，促进我国电视产业的优化升级和可 持续发展。 1 3 本文的研究工作和论文结构 本文主要研究了国家地面数字电视传输标准中单载波调制方式下的时频联合 均衡方法，并使用s p w 4 8 2 软件对设计出的均衡器进行软件仿真验证，在软件仿 真的基础上用v c r i l o g 语言6 】【刀对单载波均衡器进行硬件描述，最后完成均衡器系 数的f p g a 设计和实现。 全文共分两个部分：第一部分是国家地面数字电视传输标准收端单载波均衡器 的f p g a 设计和实现( 第二、三、四章) 。第二部分是为了信道估计而完成的4 2 0 点f f t 的f p g a 设计( 第五章) 。论文共分为六个章节，内容如下： 第一章为引言，介绍了国内外地面数字电视广播的发展近况； 第二章介绍了地面数字电视传输的信道特征和模型以及单载波的时频联合均 衡算法； 第三章简要介绍了s p w 4 8 2 软件，并在l i n u x 平台下对系统进行了仿真验证： 第四章介绍了单载波调制下时频联合均衡算法的结构及均衡系数的f p g a 实 现； 第五章介绍了信道估计需要用到的4 2 0 点f f t 的f p g a 设计； 第六章对本文的工作做了总结。 4 第二章单载波均衡概述及实现方案 第二章单载波均衡概述及实现方案 在本章中，首先介绍数字电视地面广播的信道主要特征，然后介绍单载波均衡 原理，并给出算法公式，最后介绍f p g a 的设计流程和所使用的开发工具及器件。 2 1数字电视地面广播的信道特征 在数字电视广播的三种方式中，地面广播信道面临的干扰最多，也最严重【l j 。 从技术上讲，d t t b ( 地面数字电视广播) 无线信道是一个宽带( 8 瑚z ) 、高速 ( 8 m s p s ) 、高容量( 多级码元) 、大范围( 几十公里) 的信道。一般说来，电磁波在空 间传播主要受反射、衍射和折射的影响。在大部分没有可视直线信道的蜂窝无线 系统中，电磁波都存在强衍射衰落，同时由于存在多物体( 包括建筑物、汽车， 山脉和森林) 反射，到达接收机的电磁波一般都会经历不同的传播路径。经历衍 射和反射的电磁波同时到达接收机就会导致接收信号多径衰落和随发射机到接收 机之间的距离增加而强度衰减的现象。因此，地面数字电视传输信道除常规的干 扰，如高斯白噪声( 电视屏产生雪花) 、脉冲( 家电汽车冲放电产生) 干扰等干扰外， 其主要特征是由移动和多径传播引起的多径衰落现象，有下几个特点【i 】： ( 1 ) 、多径干扰。射频( r f ) 信号会因山7 1j 、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) 多径干扰对模拟 电视影响的结果是使电视屏产生重影( g h o s t ) 多径传输干扰严重时，单靠增加 发射机功率提高接收时的信噪比并不能降低误码率。因此，克服多径干扰成为实 现地面数字电视广播的关键技术。 ( 2 ) 、多普勒频移。地面数字电视广播信道与接收方式有关，接收方式是指 固定接收、车载移动接收或者便携手持接收。接收机或发射机的运动会产生多普 勒频移。例如，当接收机以速度v 移动，并且其运动方向和入射波的夹角为0 ，此 时的多普勒频移由式= c o s p 给出，其中a 为载波的波长。 一 ( 3 ) 、由于同播的要求会受到常规电视干扰影响。同播时相邻服务区的同一 频道的普通电视节目将有可能进入h d t v 接收机，产生强同频干扰。而且在数字 地面广播传输u i - i f v i - i f 频段，还有诸如单载波干扰、邻频干扰等对传输信号迭加 电子科技大学硕士学位论文 影响。信道均衡时我们除了要考虑多径的影响之外，还必须考虑到如何对抗频带 内的单频干扰和同频p a l 模拟电视干扰。所有上述问题均使地面广播问题复杂化， 使得接收信道随时间、频率和地点而发生变化，在传输方案选择时都必须加以考 虑。 2 2 数字电视地面广播的均衡原理 许多通信信道的传输特性相当于冲激响应为t ( f ) 的带限线性滤波器，其频率响 应为：皿盯) = i n o e l e 。 , “。h 与以( f ) 是傅氏变换对，i 珥( 州是信道的幅频 响应，是相频响应，要实现信道的理想( 无失真) 传输，必须满足在信号带 宽w 范围内i 皿l 是常数，晓是频率的线性函数，即要求对信号的所有频率 分量，时间延迟为常数。如果在w 范围内l 皿l 不是常数，则会引起振幅失真； 如果色在w 范围内不是频率的线性函数，则会引起相位失真。诸如衰落信道 的许多信道，振幅和相位的失真通常会同时存在。在传输脉冲序列时，这种失真 表现为信号弥散和拖尾，因此在解调序列中的波形有明显的形变。波形的重叠或 拖尾称为码间串扰，在通信中，码间串扰几乎是不可避免的。当串扰造成严重影 响时，必须对整个系统的传递函数进行校正，使其接近无失真传输条件以消除或 减少码间串扰。这种校正可以采用串接一个滤波器的方法，以补偿整个系统的幅 频和相频特性。如果这种校正在频城进行，则称为频域均衡；如果校正在时域进 行，即直接校正系统的冲击响应，则称为时域均衡嘲。 正如本文在第一章中所述，国家地面数字电视广播标准融合了单载波和多载 波，因此接收端在处理时必须有单载波和多载波两种模式，其均衡原理如图2 1 所示。 ；事二谰 慢萼圃一一逝圃圃十叫 图2 - 1 国家标准中收端均衡原理图 从图2 - 1 中可以看到，多载波和单载波都需要进行频域均衡，且单载波在频域 6 第二章单载波均衡概述及实现方案 均衡后还要进行深衰处理。而在多载波模式下，o f d m 并行地传送多个调制子载 波，每个子载波只占用非常窄的带宽，因此可以通过补偿每个子信道的幅度和相 位来消除频率选择性衰落的影响。由于分工，多载波的研究由教研室其他同学完 成，本文只限于对单载波均衡的研究。 2 2 1单载波模式下均衡算法简介 单载波模式下的均衡，采用时频联合均衡的处理方法。这是因为：频域均衡 所采用的方法实际是迫零均衡，从传统均衡原理可知，这必然导致系统性能对信 道深衰的敏感，因此单纯的频域均衡并不能满足系统性能的要求，必须另想办法； 此外，采用单载波调制时，接收端的均衡采用传统的时域自适应d f e 或线性均衡， 其复杂度将与时延扩张成比例地增加。在地面电视信道中，特别是移动信道中， 有可能出现2 0 脚以上的多径延迟，在高符号率下，均衡器为了抵消如此长的后向 干扰需要长达上百阶的抽头。过长的均衡器阶数会造成噪声积累，加剧误码扩散， 同时也使系统实现过于复杂而难以实现。为此，我们采用时域和频域联合处理的 自适应均衡技术，频域均衡作为d f e 的前馈滤波部分，时域的反馈滤波部分使用 常规的横向滤波器。采用文献【研中提出的结构如图2 - 2 所示。 前向滤波器部分 逐符号减去反馈部分 图2 - 2单载波时频联合均衡结构图 由图2 - 2 可以看出，接收端接收到的信号。经过f f t 之后得到频域上的接收信 号马，再在频域上乘以均衡系数彤完成频域均衡，然后经过m f t 到时域完成d f e 的前馈滤波。在时域的数据进行逐符号判决，然后经过b 阶的反馈滤波，然后去 掉其对后面符号的干扰，从而完成整个均衡。有关前馈滤波器系数形和反馈滤波 器系数丘的推导可参见文献唧，下面只作简要叙述。 由图2 2 可知，判决前的信号可以表示为： 。壶否彬局喇嚣l m ) 一荟。( 2 - 1 ) 7 电子科技大学硕士学位论文 这里m = o ，1 2 ，( m - 1 ) 。其中蜀是接收到的信号的傅氏变换，即： 局= 窆m = o r me x p ( j 吾l m ) ( 2 2 ) 接收端接收到的信号在采样率为1 ，r 下可以表示为： ，_ = q h ( m t - k t ) + n ( m t ) ( 2 - 3 ) 其中，m = o ，1 ，2 ，( m - 1 ) ， ( f ) 是信道的冲击响应，露( 聊r ) 是不相关、零均值、 方差为盯2 的加性噪声的采样。 在频域上式( 2 3 ) 可表示如下： 羁= 蝎4 + 巧 ( 2 - 4 ) 其中，l = o ，1 ，2 ，( m - 1 ) ，喝、4 和巧分别是信道冲击响应的采样 咖d 、 和加性噪声的采n ( m n 的傅氏变换，即： q = 萋坳乃酬印万等 ( 2 - 5 ) 4 = 纂州甲石护m l ( 2 - 6 ) 巧= 薹咖t ) e x p ( - j 2 ，r 孛m l ( 2 - 7 ) 分别作4 、巧和焉的自相关运算： e ( 4 z ) = m 6 ( t , 一之) 。 ( 2 8 ) e ( k 眨) = ，盯2 j ( 卜f 2 ) ( 2 9 ) e ( 磁) = 蝇磁矾一，2 ) 一。+ 吖c r 2 艿( 一之) ( 2 1 0 ) 其中，占( ，) 是冲击响应函数，、厶的取值范围为：o ，之s m 一1 。 由图2 - 2 中可以得出，均衡器的误差为判决前后的差值： = 一a m ( 2 - 1 1 ) 因此可以得到均方误差的表达式如下： 1j ，叫一l， e q 气1 2 ) = 壶善乏贬 日f i d ( 一f 2 ) 一。+ 仃2 占( f l - f 2 ) i o 与砷 一 第二章单载波均衡概述及实现方案 一面2 耽l f m 刍- ! 形q 1 + 荟五唧僻石 ) + “屿y , i 硝+ c 2 也， 也可以表示为： 占( i 1 2 ) = 击m 荟- i i 形q f , 1 2 + 鲁善防1 2 c 2 书) 其中： 纠+ 荟z 州2 石护d ( 2 1 4 ) 本文采用m m s e ( 最小均方误差) 准则【埘，分别以前馈滤波器系数彤和反馈 滤波器系数五为参数，对( 2 1 3 ) 式进行求导运算，令其导数为零，由此来得到 最佳接收机的均衡系数彬和五如- f - 形= 【c r 2 + 研qr i 研最 ( 2 - 1 5 ) 将( 2 1 4 ) 式中的f 的表达式代入( 2 1 5 ) 式，可得： 形= 研i 丕石唧( z 万导) i l ! 垒竺 仃2 + 慨1 2 ( 2 1 6 ) 其中l = 0 , 1 2 ，( m - 1 ) ，磊对应于多径信道中b 个最大幅度回波的相对时延 为了方便多载波的处理，本文在设计模块时将形分为两部分来表示，即： 彬 z 善j 乙i ( 2 - 1 7 ) 岷c r 2 叫可 彤= e ( 2 1 8 ) 至于最佳反馈滤波器系数五则由下式给出： f = 一v 一v ( 2 1 9 ) 其中： 9 电子科技大学硕士学位论文 f = 厶 厶 e v = t 矿= k 一自 一自 一屯 呜 _ 飞一b _ v 0 ( 2 - 2 0 ) u 由下式表示： 屹：万o 2u 台- l i e x p ( 习- j 2 矿f f 告) ( z z 1 ) 其中，t 最。 分析可知，反馈滤波器的阶数b 的大小极大的决定着运算的复杂度，为了降低 运算的复杂度，反馈滤波器的阶数b 的值应尽可能降低。 由于在地面无线广播信道中，比较典型的多径模型是较强的短时延和分散的长 时延多径。根据加拿大通信研究中心在渥太华市区的测试结果表明，无线广播信 道中的副径数目平均为3 条，副径通常滞后于主径，所以，为了进一步降低硬件 资源，我们对d f e 采用3 组活动抽头，每组活动抽头有若干级i i r 滤波器组成。 这3 组活动抽头主要用来对付多径信道中幅度最大的三条多径。具体实现过程是： 首先由信道估计得到信道中的所有位置上的副径幅度，然后选择其中最大的三条， 再根据多径的位置调节延迟模块的延迟数，以使副径刚好落在活动抽头的范围内。 原理图如图2 3 所示。 图2 - 3三抽头的多径处理原理图 接下来，本文将介绍在仿真设计中所用到的信道模型。 l o 第二章单载波均衡概述及实现方案 2 2 2 本文所用到的信道模型 2 2 2 1 多径信道的数学模型 多径信道的离散冲击响应的数学模型为： 村- 1 h ( t ，) = k o ) 一2 坼艿( f 一( f ) ) ( 2 2 2 ) m = o 其中，膨为多径的路径数目，( f ) 是第m 条多径相应的时延，吒o ) 服从瑞利 分布。本文假设在一帧数据内信道不发生变化，也即 ( r ，f ) 为静态信道的冲击响应， l ( f ) 不随时间而变化，因此( 2 2 2 ) 式可以重写如下： - i | i ( f ，力= _ ( f ) p 口斫占( 一o ) ( 2 2 3 ) 。o 这就是本文采用的信道模型的数学模型，下面将介绍本文所采用的具体的信道 模型。 2 2 2 2 本文所采用的信道模型 本文在做软件仿真时采用了5 种信道模型：s u i - 5 信道和文献【l l 】中建议的4 种 多径信道模型。 s u i ( s t a n f o r d u n i v e r s i t y i n t e f i i n ) 信道是i e e e 8 0 2 1 6 3 t 12 】建议的测试无线宽带 的标准信道bs u i 信道共有6 种信道模型，其中s u i 1 和s u i - 2 以丛林密集的山 区信道为其主要特征，信道损失较大；s u i - 5 和s u i - 6 则是以丛林稀疏的平原信道 为其主要特征，信道损失较小；而s u i - 3 和s u i - 4 则是信道损失介于前两种信道之 间的信道模型。 因为s u i 5 信道模型表现了使用全向接收天线的城市郊区的信道特征，具有很 强的代表性，故而本文采用它来进行仿真设计。信道多径示意图如图2 - 4 所示。 os lo(脚) 图2 - 4s u i - 5 信道的多径示意图 n 电子科技大学硕士学位论文 由图2 4 可知，s u i - 5 多径信道的有三条多径，正好与多径数目为3 的假设相 符合，因此很具有代表性。s u i - 5 信道的最大时延为1 0 i s ，三个回波的时延分别 是0 脚、5 9 s 和1 0 a s ，对应的回波功率为0 d b 、5 d b 、1 0 d b 。 为了使仿真结果更具有一般性，本文对文献【l l 】中建议的a 、b 、c 、d 四种信 道模型进行了仿真验证，下面分别进行阐述。 文献【l l 】中建议的a 多径信道模型信道模拟的是较弱回波和较小延迟时间的情 况。其信道多径示意图如图2 5 所示。 6 2 d b 一l 9 曲 5 “5 9 3 ( 芦) 图2 - 5a 多径信道的多径示意图 由图2 5 可知，该多径模型共有6 条径，最大时延为5 9 3 # s ，回波功率最大 的三条径所对应的回波功率分别为0 d b 、1 3 8 d b 和1 3 6 d b ，其对应的时延分别为 0 a s 、o 1 5 u s 和5 8 6 1 m 。 文献【1 1 】中建议的b 多径信道模型信道模拟的是衰减大于4 d b 的多回波且时延 较大的情况。其信道多径示意图如图2 6 所示。 0 曲 ! 7 曲 ，一1 2 d b 1 5 d b - 2 2 d b oi i j ，蠢。 ；j 一1 2 一7 一m ) 图2 - 6 b 多径信道的多径示意图 由图2 - 6 可知，该多径模型共有6 条径，最大时延为1 2 7 a s ，回波功率最大 第二章单载波均衡概述及实现方案 的三条径所对应的回波功率分别为0 d b 、剐b 和7 d b ，其时延分别为0 p s 、3 5 伊 和4 4 口。 文献【u 1 中建议的c 多径信道模型信道模拟的是有多个强回波且时延较小的情 况。其信道多径示意图如图2 - 7 所示。 4 旧 + 一i3 0 oi 耐0 4 1 9 1 5 耐 2 3 2 2 2 7 9 9 “西) 图2 - 7c 多径信道的多径示意图 由图2 - 7 可知，该多径模型共有6 条径，最大时延只有2 7 9 9 9 s ，回波功率最 大的三条径所对应的回波功率分别为0 r i b 、- 0 i d b 和i 3 d b ，其时延分别为 o 0 8 9 s 、1 5 0 6 z s 和2 7 9 9 a s 。 文献【1 1 】中建议的d 多径信道模型信道模拟的是有较小时延且主径时延相对较 大的情况。其信道多径示意图如图2 8 所示。 5 8 6s9 3 ( 芦) 图2 - 8d 多径信道的多径示意图 由图2 8 可知，该多径模型共有6 条径，最大时延为5 9 3 脚，回波功率最大 的三条径所对应的回波功率分别为0 d b 、- 0 1 d b 和1 3 d b ，其时延分别为5 8 6 z v 、 o 1 5 9 s 和3 0 5 t s 。主径位于6 条多径的第五条，相对延迟比较大。 mi蛆 辱 蛐 出 一 电子科技大学硕士学位论文 2 2 3 利用短刚进行信道估计的算法简介 由以上分析可知，联合均衡算法需要估计信道频率响应、信道噪声方差以及多 径时延，即估计信道冲激响应( c i r ) 和噪声方差。下面就简要的介绍一下利用 p n 来对信道信息进行估计的方法。 如前所述，信道冲击响应的采样为 一，信道的复加性高斯白噪声( a w g n ) 的采样为，发送信号的采样为，则接收端接收到的信号在时域上可以表示如 下： = 圆 舯+ n m ( 2 - 2 4 ) 其中。表示卷积运算。将分解为实部和虚部的形式，表示如下： = ( m ) + ，( m ) ( 2 2 5 ) 其中，伽) 和( 埘) 为相互独立的零均值、方差为仃2 2 的高斯白噪声，故 目i n m 的方差为o r 2 。因而，f n 1 2 = 砖+ 砬是由二维正态分布合成的矿分布，其均 值e t l n 1 2 】= 2 x o 2 2 = 盯2 。在本文中假设信道在一个数据块周期内不发生变化，则 o 就是确定的，且由于a w g n 的各个采样是相互独立的零均值的随机变量， 因此可以得到： 吐州= e k = e 0 a m 1 2 + 瓴。k ) + ( 。k ) + 蚶 = e l l a 。h 1 2 卜时 = l a 。p 吒f + c r 2 ( 2 2 6 ) 再对用( 2 2 4 ) 式所表示的求统计平均可以得到： e k 】_ o k ( 2 - 2 7 ) 故信道噪声方差为： 0 - 2 = e 1 1 2 一i e 【1 2 ( 2 2 8 ) 但是，在实际中统计平均是不容易得到的，因此，在q - 程上常采用时间平均代 替统计平均。若a w g n 是各态历经的，则可用时间平均代替统计平均，因此得到 下式： 。k = 叫_ k r = 击善m ( 2 - z ，) 1 4 第二章单载波均衡概述及实现方案 删2 卜砰= 面1 驴m 12(2-30) 其中，拶是接收端第栉段p n 的第m 个取样。因此，a w g n 方差可以作如下 估计： 盯a 2 = 丽一时 2 1 锚2 ， ( 2 - 3 1 ) 盯2 i 乙口m jm 。啦 其中，p 的取值范围为 o ，4 1 9 ，即取整个p n 的长度。 设发送信号的频谱为4 ，则信道转移函数由下式估计： 置：墨