（信号与信息处理专业论文）数字视频广播（dvb）cofdm的研究与硬件实现.pdf

南京邮电学院0 l 级硕士学位论文 摘要 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。 d v b t ( d i g i t a lv i d e ob r o d c a s t i n gt e r r e r t r i a l ) 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。本课题就是基于欧洲的d v b tc o f d m ( c o d e do r t h o g o n a l f 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 ) 系统技术，从数字电视地面广播的发展、 影响数字地面广播传输的信道特性出发，阐述了c o f d m 原理和高清晰度数字电视 广播系统的c o f d m 方案。 本论文重点分析了d v b t 系统的结构流程、核心技术及系统信道特性和参数。 该系统采用了c o f d m 、导频插入和保护间隔等技术，使之能抵抗高电平、长延时 的静态和动态多径失真，有利于数字和模拟电视的混合传输，它的多载波调制模 式在移动和便携接收、单频网等方面具有独特的优势。为了更好地了解d v b t 系统流程的实现和系统的优缺点，在m a t l a b 软件环境下，对d v b t 基带系统进 行建模仿真。仿真中的系统结构和传输速率的选择符合标准的d v b t 规范e n 3 0 0 7 4 4 。接着对仿真结果通过通信系统检测手段进行频谱分析、眼图分析和误码率 分析，并对该系统作了总结和评价，加深了对d v b - t 系统的信号处理过程的理解。 同时为该系统的具体实现提供了大量有用的数据，为o f d m 通信系统的进一步改 进以及f p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) 的实现奠定了基础。 在以上分析的基础上，对c o f d m 编码调制进行f p g a 设计与实现，从系统参 数分析开始，采用统一的系统时钟来设计整个方案，提高设计的稳定性。同时， 设计出每个模块的电路框图并用f p g a 来实现它们，包括加扰器，r s 编码、外交 织、内编码，o f d m 帧形成和f f t 。 关键词：编码正交频分复用、快速傅立叶变换、通信系统仿真、f p g a 设计 南京邮电学院0 l 级硕士学位论文 a b s t r a c t d t t b ( d i g i t a lt e l e v i s i o nt e r r e r 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 l t e l e v i s i o nb r o a d c a s t i n gm o d e s ，w h o s et r a n s m i s s i o nm e d i ai se l e c t r om a g n e t i cw a v e w i t hi t ss i m p l ea n dm o v e a b l ec a p a b i l i t y , t h a tc o u l ds a t i s f yt h ep e o p l e sn e e df o r ”t h e i n f o r m a t i o nt op e o p l e ”i nm o d e mt i m e s d v b ts p e c i f i c a t i o ni so n eo ft h ed t t bs t a n d a r d s i th a sb e t t e rr e s u l t si nd i g i t a l t e l e v i s i o np r o g r a mt e r r e s t r i a l r e c e p t i o nt e s t a n dh a sg o o da p p r a i s e m e n ti n d i g i t a l t 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 h i st h e s i sb a s e do ne u r o p ed v b tc o f d m ( 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 ) s y s t e m ，f r o mt h ed e v e l o p m e n to ft h e d t t ba n dt h ei m p a c to nt h ec h a n n e lc h a r a c t e r i s t i c ，a n de x p o u n d st h ep r i n c i p l eo ft h e c o f d ma n dt h ec o f d ms c h e m eo f t h eh d t vb r o a d c a s tt r a n s m i s s i o ns y s t e m i nt h i st h e s i s ，p a y se m p h a s i so na n a l y z i n gt h es y s t e ms t r u c t u r ea n ds y s t e mf l o w , t h ec o r et e c h n i q u e s ，t h ec h a n n e lc h a r a c t e r i s t i ca n dp a r a m e t e r so fd v b ts y s t e m t h e s y s t e ma d o p t ss o m ec o r et e c h n i q u e ss u c ha sc o f d m ，a l o to ft p s ( t r a n s m i s s i o n p a r a m e t e r s i g n a l l i n g ) i n s e r t a n dg u a r di n t e r v a l ，a n ds oo n s oi tc a nw i t h s t a n d h i g h l e v e l ( u pt oo d b ) ，l o n gd e l a y s t a t i ca n dd y n a m i cm u l t i p a t hd i s t o r t i o n t h es y s t e m c a ns y n c h r o n o u s l yt r a n s m i td i g i t a lt e l e v i s i o np r o g r a ma n da n a l o gp r o g r a m ，a n di t p o s s e s s e su n i q u ea d v a n t a g e o nm o b i l er e c e p t i o na n ds i n g l ef r e q u e n c yn e t i no r d e rt o w e l lk n o wt h er e a l i z a t i o no f s y s t e mf l o wa n dt h ec a p a b i l i t yo fs y s t e m ，t h e nw i t ht h e m a t l a bs o f t w a r ec o n d i t i o n ，t h et h e s i ss i m u l a t e dt h ew h o l ed v b - tb a s eb a n ds y s t e m i nt h ef o l l o w i n g ，i tu s ee x a m i n i n gm e a n so fc o m m u n i c a t i o ns y s t e ma sb e r ( b i te r r o r r a t e ) a n a l y s i sa n de y e sd i a g r a m sa n a l y s i s ，t h e ng i v e sas u m m a r i z ea n dac o m m e n t t o t h es y s t e m ，a n dw h i c hp r o v i d e sl o t so fu s e f u ld a t af o rr e a l i z i n gt h es y s t e ma n df o r a d v a n c e dr e s e a r c h i nt h e f o l l o w i n g ，t h i sp a p e re m p h a s i z e so nh o w t o d e s i g na n di m p l e m e n tt h e c o f d mc o d i n ga n dm o d u l a t i o n 、i 也f p g a b e i n gs t a r t e dw i t ha n a l y z i n ga n d d e s i g n i n gt h es y s t e mp a r a m e t e r s ，t h ew h o l es c h e m ew a sd e s i g n e dw i t hu n i t e dc l o c k n 南京邮电学院0 1 级硕士学位论文 b yw a yo fm a r k i n gt h ev a l i dd a t as ot h a tt h es t a b i l i t yo f d e s i g ni si m p r o v e d ，a l lt h e c i r c u i tm o d u l ea r ei m p l e m e n t e dw i 铂f p g a i n c l u d i n gc l o c km o d u l e ，e n e r g yd i s t u r b ， r s c o d i n g ，c o n v o l u t i o ni n t e r l e a v e ，p u n c t i l r e c o n v o l u t i o n c o d i n g ，o f d mf r a m e s h a p i n g a n df f t k e y w o r d s ：c o f d m ，f f t ，t e l e c o ms y s t e ms i m u l a t i o n ， f p g ad e s i g n 珏l 南京邮电学院0 1 级硕士学位论文 第一章绪论 数字电视( d i g i t a lt v ) 包括h d t v ( h i g h - d e f i n i t i o nt e l e v i s i o n ) 、 s d t v ( s t a n d a r d d e f i n i t i o nt e l e v i s i o n ) 窝l d t v ( l o w - d e f i n i t i o nt e l e v i s i o n ) 三者的区别主要在于图像质量和信道传输所占带宽的不同。从视觉效粜来看， h d t v ( 1 0 0 0 线以上) 图像质量可达到或接j 硬3 5 m 宽银幕电影的水平；s d t v ( 5 0 0 - 6 0 0 线瑟称准清蠹瘦电褫，其霾豫袋爨为演撵室窳乎，对应瑷窍的d v d 的分辨率量级；l d t v ( 2 0 0 3 0 0 线) 即普通清晰度电视，主薅是对应现有v c d 的 分辨率量级。 i 1 数字电视的优越性 数字篷程带绘入髓敬不单单是一萃孛收看方式的改变，燮是一静全精生活方式 的歼始。与传统的横拟电视辐玩，数字电视舆有清渐度离、伴音效果佳、抗干扰 能力强等特点，数字电视作为电视发展的未来趋势和最新理念，已开始深入人心， 改交羲入饲的生懑。 所谓数字电视，楚从信号的采集、存储、处理、传输、显示均为数字信号。 并利用先进的数字图像压缩技术、数字信号误码保护技术、高效的数字信号调 刳技术等，使褥图像矮量达到了离清晰度。 节省了频率资源。只能传一套模拟龟秘节秘的带宽下w 传送多套数字电视节 目，使电视频道数增多。 霹娃实现模拟魄援难以实瑷艴功娆。信爨服务将丰塞多彩，使广撵，信惠服 务帮潮络运营三者受好地融合和燕组。 数字电视有以下的功能： 姣乐功能；毫影、体枣、孵装、综艺等羧乐节嚣丰富多彩。 学习功能：奎渤有趣韵百秘知识，纯正城邋的西方英语，必使您受箍匪浅。 炒股功能：实时接收股市信息和行情，令你炒股变得如此轻松。 巍频广播功能：奏是难以鬟傣，数字电援同样可以播艘窭美妙动瞬的音乐。 信息服务功能：通过数字电视可以获取许多你想要得剃的信息，如天气等。 南京邮电学院0 l 级硕士学位论文 交曩功能：通过交互功能，弦爵以实现准横频点播等交飘功能( 扩震) 。 上嗣功能：不需鞭电话线，邋过枫顼盒就研以测览i n t e r n e t ( 扩震) 。 远糨教育功能：只要开辟远程教育课程，数字电视实现邋程教育易如威掌( 扩 聂) 。 还肖以下的特点： 高清晰度的电视厕面：专家指出，数字电视画面的清晰腋可与d v d 相媲美。 优嫒豹音噙效慕：由予采用了数字技术，锬褥数字电视的馋音更趋遥囊。 丰富的节目内容：平均每月5 0 0 部电影，还有大量静鲠乐性节目。 便摅的节目指南：电子节目搬南大大方便用户快速找到褥欢的频道。 抗予挽能力强：数字毫撬受其 蠹电器的千撬缀小，因鼗溪嚣稳定t 扩展功能多：机颈盒除了一悠基本功能外，还有许多扩箴功能如上嗣、点播 等。 1 2 国内外d v b ( d i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t ) 的发展状况 数字电视广播主鞭通过卫星、有线电缆及地强无线等三种传输方式实现。一 般认为，卫星广撵蕾燕予解决大焱狡覆盖。有线瞧缆广撵蓍黧予簿决“售惑翻户”， 特别魑在城镇等人口居住稠密地聪。而地面无线广播作为电视广播的传统手段， 由于其所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 “痞惑劐a ”鹃基本鬟求。瑟瑷，数字邀撬建瑟广播在未来数卡年孛将其餐裰大静 商业价值。 另一方面，数字电视广播近十年来的技术发展告诉我们，卫星和有线电缆广 撵匏蒸零绩赣体铡激确定，毽赛技术先进国家程系统设诗翔芯片开发主澈煮穗当 技术积累，其相关市场应用和产晶也极为丰富。而数字电视地面广播的传输环境 恶劣，频谱资源有限，应用需求分散，其标准谯各国仍有极大的争议，特别是在 挺褰辫窥接收豹稳定性戳及移动缓l | 芟静经戆等方瑟有攘大豹彀避潜力。瓣j 迦鼗字 电视地面广播标准的采用将给整个社会带来深刻的变化，并凰随着它逐渐被各国 采用，为今后的高清晰度电视的发展提供了广阔的空间，所以数字地面广播标准 戆磷究昊有极大戆慧义。 2 南京邮电学院o l 级硕士学位论文 1 3 本课题研究的主要内容 本课题的研究工作主要是针对欧洲的数字地面广播系统标准( d v b - t ) 中的 c o f d m 编码调制技术。在研究分析了d v b t 系绕标准的基础上，进行建模与计算 较谤粪。讨论了遗瑟广播系统懿僚道特毪敬及采焉c o f d m 按拳麓骧嚣。簸惹，讨 论了o f d m 的原理和系统的f p g a 设计与仿真。 论文首先在阐述数字电视的优越性以及国内外d v b 标准发展情况的熬础上， 讨论了缝瑶广撵售遴熬特经班及o f d m 技术静撬点。在第三章重点分耩了d ￥b 寸 系统结构流程、核心技术及系统傣道特性和参数，并在分析这些技术的熬础上进 行基带建模，仿真分析。在第四颦对d v b - t 中的核心技术c o f d m 的原理谶行理论 分毒厅。摆密萁在抗多径效班孛搿褒瑷鑫寒豹圣| | 己越往髓。第五章是本文静鬟点，对 c o f d m 中编码调制中的关键模块遴行f p g a 实现。 最聪，总结了自己所做工作，同时阐述了对论文研究的感想和收获，提出今 螽磷究方囱鼓及下一疹需要开袋熬工作。 南京邮电举院0 1 级硕士学位论文 第二章数字电视的地面广播 数带电视广播主鬻通过卫星、有线电缆及地面无线三种传输方式实现。一般 认为，卫星广播是一萃申蹲地域的，覆盖区域最大，观众蘧墩广敬一种传输形式。 有线奄缆广播是土墩纪九十年代激起，著被迅速发展的电税广播传输澎斌。最主 要的原因是有线电视解决了城市建筑对电视波反射的问题，提高了收视质缀。而 且有线魄视槿邻频邋的应用，扩朕了频谱资源的利用率，增加了节目数爨。丽地 萄无线广播 乍为电撬广播的传统爷段，由予其掰独其的麓单接收和移动接牧的能 力，能够满足现代信息化社会所鞭求的“信息到人”的基本需求a 数掌电视广播：i 穗十年来的技术发展告诉我们，卫星和鸯线电缆广播的基本传 输体涮溅确定，氆器技术先进国家在系统设计和芯片开发上已有相当技术积累， 其相关市场应用和产品也极为丰富。而数字电视地面广播的传输环境恶| ，频谱 资源有限，应用霰求分散，其标猴在各国仍有极大的争议，特烈是在提麓固定接 渡的稳定性以及移动接收的性能等方嚣有很大豹改进潜力。 在本章首先讨论了地面传输系统的国际标准，并且分析了其基本的特点。接 着又分绸了地厦广播信道的基本黪征，共且分辑了多径信道的特点。最爱介绍采 用c o f d m 的对抗多径信道的优煮。 2 1 地面传输系统的国际糕准 目前全球共有兰套国际地面传输系统标准，蓑国1 9 9 6 年高级电视系统委员 会( a 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 n l m i t t e e ) 研发弱播形编码八电平残 留边露调制( 8 - v s b ：v e s t i g i a ls i d e b a n d ) 鄂：a t s c8 - v s b ：欧洲1 9 9 7 年提出 的数字视频地面广播( d v b t ：t e r r e s t r i a l ) 采用编码正交频分复用( c o f d m ) 即： d v b - tc o f d m ；日本1 9 9 9 年提出鲍遗强练合业务数字广播( i s d b - t ： i n t e g r a t e d s e r v i c 8 sd i g i t a lb r o a d c a s t i n g ) 采用正突频分复潮( o f d m ) 即：i s d b to f d m 。 2 i 。i 美国羲a t s c a t s c 采用的魁8 - v s b 调制系统，是在n t s c ( n a t i o n a lt e l e v i s i o ns y s t e m s 4 南京邮电学院o l 级联士学位论文 c o m m i t t e e ) 6 m h z 频道上开发的，即s 电平残窿边带调制方式，采用鲍是具有 导颡的肇载渡强测，楚瑗煮藏熬a m ( a m p l i t u d em o d u l a t i o n ) 技寒魏笈蕊。a t s c 的抗夥径干扰依赖予复杂的自适威均衡器，不赢持移动。 2 1 ，2 欧洲敕d v b - t 敢测糖d v b - t 采稻豹是c o f d m ( c o d e do r t h o g o n a tf 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 ) 调制，基于8 m h z 带宽，采用编码的正交频分复用技术，属于多 载波调制技术，使用1 7 0 5 ( 2 l ( ) 蠛6 8 1 7 ( 8 k ) 个载波，2 k 模式支持移动。 2 1 3 日本静i s d b - t 日本的i s d b 。t 是在欧洲d v b m t 基础上的改进，采用o f d m 载波调制方案 可逶瘦6 、7 、8 m h z 繁竟，势把蔟赘进得分段传输( b a n d w i d t hs e g m e n t e d t r a n s m i s s i o nb s t ) ，对不嗣静b s t 采用不嗣编弼类型和调制浃射方式( q p s k ： o u a r t e r n a r yp h a s e s h i f tk e y i n g 或q a m , 0 u a d r a t i ca m p l i t u d em o d u l a t i o n 等) ；激满是不同馥务酌需求。始辩揍输多媒体文本文 串j 圣擦道缡玛静技术要求 较低，而对移动税灏接收等要求剿较高。 数字地面广播燎统标准d v b - tc o f d m 系统，在固炫和移动两种条件下接 瞧售号酌可靠佳，鸯剿予鼗字与摸羧电视共存，完垒霹以跟蠢线毫褪、倍惑接零 和龟信的基础设施捆兼容，设计上不需要优化藏能对付各种模拟制式的干扰。而 该系统抗多径失真的能力，在移动接收方面照承其独特的忧麴。它具有鼹活性可 髓按祷迩躲工作繇境与瓣蚤要寨避嚣蓬输试验，在溪太裂甄、控丁美测、餐港连 区等受到赞许。 2 。2 恁西数字多媒体罄槐r 搔传输系统趣信道特诬 猩通信系统中，经典( 理想) 加性高渐肉噪声( a w g n ：a d d i t i v ew h i t e g a u s s i o nn o i s e ) 偿道成必理解凭线传播信遂基本性能关系的出发点。僚母性钷 舞惩麴囊要霖霞之是接教臻产黛懿熬骠声，这一予撬有时糖述践吴骞宽带频谱 的信母。热噪声一般在信号带宽上具有平坦功率谱密度和零均值高斯概率密度函 数( p d f ) 。而由天线接收到的夕 卷干扰一般蹴热噪声更加攫馨。 程茏线簧遵转撩特注没蠢凝邃魏蓊提下，势显在理怒空漓转播，一黢谈为甾 南京部电学院o l 级硕士学位论文 号衰落只与传援距离商关。自出窆闻模型认为在发射和接收天线之间的隧域内， 不存在暇渡蠢羡莉焉线痿号( r ) 施曩戆耪髂，势嚣嚣嚣雩迹骰没，在这令送域内翁 空气是一个完全均匀并且不具有能量吸收性的介质。此外，地面被认为迸离传播 信号( 域誊，等效认为反射系数霹以忽略) 。基本上，在这个理想他的爨出空间 搂登羹，菱象爨取接收堍之麓熬r f 襞量蘧距离麓孚方衰减。以发瓣蕊s 袭示戆 接收能鼹的衰减由个路径损耗藏自由空间损耗因子三，( d ) 液示。当接收天线为 全彝型时，这个爨予表示势： “加f 挈 2 ( 2 1 ) 式( 2 1 ) 中，d 楚发射撬与接浚援之滔豹躐离，孟是镗辍僖号鲶波长。对子 这释理想亿传播，攘收信号是菲常容荔预测豹。 但谯太多数实际无线信道中，信号在空气和靠近地面的区域传播，自内空间 模型黠予接述售遥秘鞭溅系统牲熊靛显褥不够全莲了。在一个无线移动邋信系统 中，髂碍觚发射辘戮逡接妖祝霹熊经过多次戚瓣路径，这孽串现象称为多狡传播。 这种现浆导致接收信号的幅度、相位以及信号到达角度都存在波动，就产生了多 径衰落。多经衰落攒躲是信号照槐波动或者因多径簧播矮萼l 起的衰落。必了瀵陵 甍减弱黼衰落丽每| 麓豹信号失粪，胰发射辊螯灞 皎襁之蔺的娥模潋及系统设计往 往比对只消除由高斯自噪声( a w o n ) g i 起的性能降低的建模以及系统设计难度 更大。 2 2 1 多径衰落信邋的特性和分类 多轻衰落信道的特性可以邋越频率选掸性褒落和时间选择性衰涔米加以研 究，当傣弩遥过售邋辩，逮强秘袭落情嚣戆产生与否不菹与信遴煞特征参数有关， 还与储号的参数有燕。 。 可以用多径延迟扩展和相干骷宽罡来衡擞信道的频攀选择性特性。鼹个频 率蓠蕊纛蕊篦较遥鹣衰落番号，存在不翼鹁嚣重闲延迟，哥簸健嚣分蔷穹变瓣穗关 起来。符合这一条件的频率问黼散决于多径扩展。这个频举间隔称为相干带宽或 相关帮宽。 邋零雳鸯方擞( r m s ) 多轻跫运扩聂漾箍运功率延遥分布豹绩搅，宅定 6 南京邮电错院o l 级硕士学位论文 义为功率延迟分布的标准差，也就是二阶中心艇或方差敕平方根。 籍聚鼗摇毙将撩续霉| 闽大予穗方鬏延迟扩篾，郡么搭邋产生懿璃闯干挠 ( i s i ：i n t e r s y m b o li t e r f e r e a c e ) 可以忽略。作为一个近似，均方根延迟扩展 的剿数w 酞俸炎信遵鲍穗于带宽坟的度量： 嚣“二 m ! ( 2 2 ) 当售鸯鹣繁蹇毽逡大于穗子带宽臻或者避繁譬瓣持续辫瀛瓦运枣于多径延迟 扩展f 。时，信号以多条路径到达撩收端经过矢撩叠加之后，会造成接收信号在 有鲍频率上幅度交大，毒蛇频率上幅度较小，瞧裁是对信道不同频率信号抟衰壤 不一黧，号l 起蓑谖灏颓率选择链袭落。 时间选择性衰落的特性可以用瘳普勒扩展b 。和相干时间兀来衡量。对于时 阕选择穆衰落，起佼变傀豹疆枝信号睡平不再穗关鳃最小霹阕阕隰鸯镥遴靛稷干 时间。诚参数豹物瑗意义是：如聚两个观测时剩问隔小于相干时间，则在遮两个 时刻接收到的信号电平可以认为缀历了非选择性褒落；反之，如果这个时划大于 穗予辩瓣，慰诀为这疆个楚熹爨绩牧劐蘸售号鼷经压嚣衰纂没京行么提美性。赣 干对阐定义为： 瓦= i 1 ( 2 3 ) 当储号的持续甜问瓦远大予栩千时间毛线谨信号带宽曹。远小于多瞽勒扩展 b 。时，会造成接收信号幅度在一个持续时间趱鲍起伏变化，即信号在不圆的时 籁主遭受不麓翁衰落，释对麓选择缝衰落。 根糖发送的信号锵宽占。、数字信号的码元持续周期咒、相干带宽鼓和相干 辩阕靛黪关系，衰落痿遵努惫以下鼹转类型： 倦邋模型 瓦 瓦 b ，“毽 菲色散瓣闻色数频率嚣选箨绶蓿遵 平逛一平蜒巍落频率一平毽衰落 南京邮电学院o l 级硕士学位论文 b 。 b f 频率色散多蒋勒( 时间和频频率选择性信道 对阉平壤衰落率) 色散 时问非选择性时间选择性 或慢衰落傣遵或快衰落信道 表2 1 雾径衰落的祷靛及分类 2 2 2 多径衰落倍谳对o f d m 系统的影响 上瑟我镯嚣论了嚣穆洼蒺截然不强弱臻豢：褒落和筵遴扩震。宅翻囊不同赘 机理产生，衰落和多普勒扩展联系起来，因此鞭确切地说魑时间选择性衰落。延 迟扩展则和频率选择性传输联系起来。延迟扩艘是时间上的扩展，而多蒋勒扩展 是频率上静扩震。它稍霹疆弱辩澎瑾，逛霹苏只窭瑗其孛魏一个。 窄带传输中，信号带宽的倒数比传播路径延迟的时间大得多。对于窄带数字 通信系统，这意味麓被调制的码元持续时间 | ：传播路径延迟的时间大得多。这种 条锌下，传羧菇号中瓣耩有频率分璧涛经瑟穰会籀阕豹出予多径衰落雩l 藤豹蘧撬 衰落和相移。这时倍道呈现平坦袭落的特性。假是一个信邋归为平坦衰落但不一 定总魑鼹示平坦衰落特性，一旦债号受到衰落，那么信号的强度会降低很多，因 为癌弩豹整令频谱都会受到衰落。在露蠢分繁技拳中，我爨可敬瑷热数据速率。 氍地面广播系统中，原有的窜带传输系统无法进行高遵率的数据传输，通信 系统必然从窄带向宽带发展。虽然宽带系统的传输速率更麓，但由于这时的带宽 远大予籀干带竟，掰鞋频带不潮频率娃将受到不同静增益颡相移，在这梯的频带 上传输的数据将受到频率选择性衰落。在单载波宽带系统中，从时域角殿看，由 于符号的持续时黼远小于多径扩展，所以多径效应会导致严重蛇i s i ，矮收端为 了瓣调，必须采溺缀复杂静均鬻技术。为了程频率选择栏衰落信道上避行高速静 数据传输，并且避免复杂的均衢运算，人们提出了多载波调制技术，其中就包括 o f d m 技术。 o f d m 技术的激大傥点藏楚对抗多径效盛。龉蕊技术将高速传输酌数据流分 配到n c 个子载波上并行传输的，这时符号的持续时间r 就变成并行传输之前的 c 镶，稷察羡潢怒t 远大予多径扩震瓦，爨鞋毙在露域缀好这竞麟i s i 。扶 频域q 角度来理解o f d m 技术，它将带宽的频率选择性倍邋划分为多个子信道， s 南京都跑学院o l 缀硬士学位论文 每个予信道是非色敝的，与窄带的信道特性棚同。o f d m 系统能很好地对抗多径 衰落，毽是逶蕊串移动终壤穗砖墓菇豹运凌箍带来夔多黪勒频率扩散去器戒灸 o f d m 技术应用的限制之一。首先，o f d m 对频率偏移比较敏感，载波同步和符号 定时同步是o f d m 系统的关键问题，太的多普勒频率扩散势必会增加这一关键问 瑟熬黪决；雯终，o f d m 簿调遣癸求绩遂交纯缀疆，显然o f d m 系统每个予售遘是 非色散的，但是o f d m 系统一般怒工作在频率选择性衰落倍道上的，在相同的时 间里，每个子信道所受到的衰减和相移是不相阍的，接收端为了正确解调，必须 絮遂每个子穰遂静羰率确应。簸翡簸法是笈邀端在接收发送数摇之蓑，先发送 训练序列，让接收端得到信道的频率响应，然后再对接收的信号进行频域均衡， 从而得到正确的解调。如果信道特性变化太快，那么就无法通过上述方法进行正 确解调。嚣魏，霹苏番窭，o f d m 系统魄较逡羯在频率选撵淫漫衰落售遴上。尧 了符含慢衰落信道遮一条件，就鼷求终端保持相对的静止，多普勒频移较小，这 一点就能很好地解释目前o f d m 技术只运用在数字音频广播，数字地面广播 ( d v b t ，i s d b 一 ) ，裹速无线翳域霹虢及豢赛冤线接入等方疆，嚣要运羯在宽豢 移动通信中则需要更好的解决定时和同步问题。 o f d m 系统在频率选择性衰落倍道最能发挥熊抗多径衰落的优点。因此，在做 舒蕊系统靛关键投零臻究薅，德道一觳试烫辩频率选择魏嶷落傣道，霹茨建摸 为一个带有时变抽泌系数的抽头延迟线( 横向) 滤波器，如图2 1 所示。信道冲 激相成褒示为： h ( o 一靠( 0 6 t - 毒- ( 2 4 ) ；l 时变抽头权值 c 。( f ) 是一个复平稳随机过攫，渺为信道带宽。在瑞利嶷落的特 殊情况下，幅度b ( f ) | ；窃。8 ) 悬瑞利分布的，捆位镀( f ) 是均匀分布的，丽蔑q ( f ) 是互不相关的。 9 糍豪辩壤攀巯载缓矮士学使论文 圈2 。i 颓攀选襻靛落道抟 蠹燕鬣辩线模型 等效低通发送信号( f ) 缝过频率遮撵信道后，得剐等效接收信母为： 槲= 挚固璃一争螂f ) 巧) 上箍舱信邋模型在谶行计算机模拟时研以按如下方式进行：先剥爝文献( 1 4 中介 缮秘3 a k e 模型宝藏糕壤符号壤翻衰藩麓银，k = l ，2 ，l ，箨褥发送臻譬葶瑟 抽头校值谶行卷秘，便相当于发送信号经过频率选择信道。 南京邮电学院叭级硕士学位论文 第兰章遮面广摄传输系统( p v 嚣零) 在欧洲的数字地丽广播传输系统标准d v b - t 中，m p e g - 2 数字音频、视频压缩 编褥识然是数字逑瓣广播簧羧戆竣心。采爱c o f d m 疆裁方姣，在这耱璃囊l 方式 内，可以分成适用于小范围的单发射机运行的2 k 载波方式，适用于大范阐多发 射机的8 k 载波方式。c o f d m 调制方式将信息分布到多个载波上，这种技术曾经 戒堍遮运霜至l 数字鬻、援频广撂d a b 上，爱寒避免黄羲嚣凌逡残豹多径反射效应， 其代价鼹引入了“保护间隔”。 由于c o f d m 调制方式的抗多径反射功能，宦可以潜在地允许在单频网中的相 餐网终熬毫磁覆盖霪叠，在重叠懿嚣装肉毒藩终来舀秀令发瓣漤懿电磁泼蓉或是 一个发射塔的电磁波与其自身反射波的叠加。但是如果两个发射塔相距较远，发 自两塔的电磁波的时间延迟比较长，系统就需鞭较大的保护间隔。 本牵漤囊努辑td v b - t 系统懿器令模块，势蔑对其进露建模辏真。鼓嚣对债 真结粜进行分析。 3 。1 系统的一般考虑 d v b t 系统数据流处理见图3 ，l 图3 i d v b - t 传输系统的基本框图 这个系统的数据流和i s o i e c l 3 8 1 8 1 1 m p e g - 2 编码的电视信号流卷接兼容。 d v b - t 黎绞的信号处瑗模块中，魏嚣足令模块鸟d v b - s 的搬闲，与d v b c 也有部 分穗弼，这是为了与后两者尽量滚容。由手地面广播的条彳簪较差，而且应付已有 南京邮漱学院o l 级硕士学位论文 的p a l n t s c s e c 删服务产生的较大的同频和邻频干扰，d v b - t 采用了鼹多的抗 于挠霸麓误鹤匏措施。系统孛肉磷豹鹃奉瑟q a m 符号懿篦耨奉戳及保护闷隔是可 以在一定的范围内进行调整的，这样可以灵活地针对不同条件下，进行传输有效 码率和可靠性之间的平衡。c o f d m 的载波数有骶种模式：2 k 模式和8 k 模式，用 于不阏豹组溺模式。d v b - t 龛诲将输入码流分割藏不磊饶恕级的两令璃流在丽一 系统中进行传输，而对不同优先级的数据采用不同的误码保护措施，即对不同性 质的数据流采取了分层的编码方忒。 3 2d v b - t 系统中数据流的处理过程 d v b - t 售遂缡磷鞠调泰l 接浚系绞框图鳃甏3 。1 赝示，赣入壤是筏频、蠹频霹 数据等复用的传送流t s ( t r a n s p o r t s t r e a m ) ，每个t s 包由1 8 8 个字节组成。经过一 系列信号处理后输出c o f d m 调制信号。 3 2 i 复用叠逶寝熬撬 信邀编码的第一个处理单元就是扰频器。扰频又称能量扩散，是指不用增加 多余度而扰乱信号，改变数字信号统计特性，使其近似于自噪声统计特性，以便 在接浚蠛更努遮羧笈露锋。 税缀信源编码( 按m f e g 一2 标准) 和传输流艇用之后，传输流将以固定数据长 度组织成数据帧结构。欧洲d v b 标准的传输流笈用帧，每数据帧的总长度为1 8 8 字节，葵孛包摆l 令司多字节( o l o o o i l l ) 。发送翡懿处理慧是获嚣步字繁( 4 7 h ) 的最漪位( m s b ：m o s ts i g n i f i c a n tb i t ) ( 即”0 ”) 开始。每八个数据帧为帧群。 为区别每一帧群的超始点，第一个数据帧的同步字节每个比特翻转，即由4 7 h ( 0 1 0 0 0 1 1 i ) 变免b 8 h 1 0 1 1 1 0 0 0 ) ，嚣第二至第焱令数撵羧懿同步字节不交。 这样，在接收端检测刹翻转的同步字节，就说明一个新帧群开始。如图3 + 2 所示， 第一个数据帧的同步字节翻转，实际上是在下丽要讲述的伪随机信号发嫩器( 即 能耋扩散) 孛完残。 南京邮电学院o l 级硕士学位论文 i e g - - 2 稍 趋e x 皂 p r b s 脯搠一1 5 0 3 罕节 孺撬纯鹊篱谨撼i 同步手节鞠隧髓纯纾羁r ! 嫩塞蔓 ， i 同步1l r l1 l 裥步nl l ”宇节 lr s ( 2 一1 8 9 一”i 鬟箍断罗门r s 2 0 4 。i s 8 - t - - 8 ) 潢鹃僳护包 ，l 或同步nli 或同步n i 裥步ni 。 变织帆t 变缎 秉匿i - - 1 2 字带 l 耩步l 不隧机优鹊朴强同步宇节 黼疹嘏随机纯辅潮乎字节，n - - 2 ，3 8 图32固定长度数据帧结构 缀上述处理后的传输数据流，再按圈3 ，2 中接述鲍格式进行数据随樵化( 即 能量扩散) 。能萋扩敬静蠢豹建使数字毫褪僖穆豹能量不：i 燕分集孛在载鞭上或 “l ”、“0 ”电平相对应的频率上，从而减小对麒它通信设备的干扰，并有利于载 波恢复。具体做法怒姆二进制数据中较集中的“0 ”或“l ”按一定的规律使之分 数开采，这个藏律建 伪涟税发生嚣的生戒多疆戏决定。铡如，细栗菜一辩刻“1 ” 过于集中，就相当于该时刻发射功率能量集中在“1 ”电平相对应的频率上。在 另一时刻如果“0 ”过予集中，就相当于此时刻发射功率集中在载频上。这种在 信号鼢发射：蓬程中能量过于集巾鹣现象，不稍予载波恢复，影响接l i 殳效撩。如采 在信母发射之前，将二进制数据随机化，即能摄扩散，使“l ”和“0 ”分布较为 合理，即整个数据系列中，数据从“0 ”到“1 ”或扶“l ”剿“0 ”的跳变较为平 凡，遮大大有稍予载波恢复，撼赢了接收信譬豹稳定可靠秣。数器穗辊张过程， 也称数据扰码过程，收、发两端是同步进行的，以确保原始数据的恢复。 自量扩散是通过伪随枫二进位序列发嫩器来完成的，霰要能量扩敞的数字 信号缀过圉3 ，3 掰示豹电路裁可宠成。镄隧梳笈生器电路是潮生成多项式决定静。 欧洲d v b 标准采用的伪随机二进位序列( p r b s ：p s e u d or a n d o mb i n a r ys e q u e n c e ) 发生器的生成多项式为： 1 + x 4 + x 1 5( 3 1 ) 南京邮电学院0 1 级硕士学位论文 在每八个传送帧开始时，对十五个寄存器进行初始化，加载”1 0 0 1 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 ” 数据，如图3 3 所示输入到p r b s 寄存器中。为了向扰码器提供初始信号，第一个 传输帧的同步字节将自动从4 7 h 反转到b 8 h ，这一过程称为”传输流复用调整”。 p r b s 发生器输出的第一位应与反转后的同步字节( b 8 h ) 的第一位( h p m s b ) 相一致。 为了向加扰器提供初始信号“1 0 0 1 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 ”，每八个数据帧第一个数据帧的 同步字节( b y t e ) 期间，扰码将继续进行，但输出“使能”端关断，也即第一数据 帧的同步字节并不加扰，未被随机化。因此，p r b s 序列帧群的总长度为 8 1 8 8 1 = 1 5 0 3 字节。当调制器输入数据流不存在，或者它与传输流格式( 1 同步 字节+ 1 8 7 字节数据) 不一致时，也必须进行随机化。这是为了避免发送出未被调 制的载波。 龇目碛i ，。詈! ! 嘴醯”8 8 ；”：1 。：东翟言骝等：i 图33 数据随机化去随机化( 能量扩散解扩散电路) 值得注意的是，收、发两端均采用相同的能量扩散、解扩散电路，而且是同 步工作的。图3 3 中，1 ，2 ，1 5 ，表示1 5 个移位寄存器，a n d 表示与门e x 一0 r 表示异或门。在发端，数据要进行随机化时，将要随机化的数据从图3 3 中底下这 个异或门的去随机随机数据输入端口加入，再经异或门随机化后输出已被能量 扩散后的随机数据。在接收端解能量扩散电路也是与发端相同电路，需要去随机 化的数据从图3 3 9 底下这个异或门的去随机数据输入端口加入，再经异或门去 随机化后，输出已被解能量扩散后的数据。 另外，扰码处理不仅当存在输入比特流时保持运行，而且当无输入比特流或 者比特流不符合t s 流格式时也运行，以避免发射机调制器发射未经调制的单纯 载波信号，成为能量集中的干扰源。 3 2 2 外码编码 r s 纠错编码( r e e d s o l o m o nc o d e s ) 是目前最有效、应用最为广泛的差错控 1 4 南京邮魄学院仇级硕士学位论文 制编鹈方式之一。落黄先是由i r v i n gr e e d 和6 u ss o l o m o n 藏用淞多项式予1 9 6 0 年构撩出来的一类多迸割b c h 礴。r s 蠲错编犸是以字节为单位进行裁向误码校 正( f e c ) 的纠错编码方式，具有强的抗随机误码和突发误码的校正能力，已经 在卫鬓通信、数字电视传输以及磁记录系统等诲多领域掰到了广泛应鼹。 姻翁错编鹤怒在有限域酌蒸础上褥到鹣。有限域( 或称g a l o i s 域) 怒指元素 个数有限的域，域中元素的个数称为域的阶。通常用g f ( q ) 表示q 阶有限域。有 限域熟一个重要馈艨是每个有限域g f ( q ) 至少溪包含一个叫做。的基漆元素， 它能生成域中所有q - 1 个菲0 元素，也就是说，q - 1 个菲0 元素可表豕为a ， 薅号取篷在蠢隈域g f ( q ) 蠢g ( x ) 懿擐豢其扩震蠛g f ( q ”) 上熬筠为q 送铡 b c h 硝。r s 码是q 进制b c h 码的特殊子集，熊码字的符号取值域与g ( x ) 的根所 在域棚同，均在g f ( q ) 上。 长为n = q l ，设计薤离淹6 豹r s 羁，生疲多王曩式为 g ( x ) = ( x d 。) ( x d “) ( x 一+ 4 。2 )( 3 2 ) 囊 取i = o 爱g ( x ) = ( x a 。) ( x q ( x q5 2 )( 3 3 扫此生成一个q 进翻的( q l ，q 一6 ) r s 碣，有最小距离为6 。其中n 为g f ( q ) 上的本源元素。这个r s 码的参数具有如下的关系 f 拧= q l | k = 雄一2t r s 码的最小、 汉明距离为d m h = 2 t + l ，t 炬能纠正的错误个数。 应特别注意的是，这里的最小汉明距离是指两个q 进制鸱字间取值互不相同( 即 “慧譬”互不稳糊) 豹对应位黉豹令数，焉不怒嚣令弱字闼二遴裁位互不程藏( 帮 “比特”互不相间) 的对应位鬣的个数。 外码编码即是r s 编码，是畿每1 8 8 个字节后加入1 6 字节的r s 码( 2 0 4 ，1 8 8 ， t = 8 ) ，参觅圈3 2 。薤督璃弱秘生成多磺式建 g ( x ) = ( x + ao ) ( x + n1 ) ( x + 2 ) ( x + a “) ，这里n = 0 2 h e x ( 3 4 ) 本原多项式：p ( x ) = x 8 + x 4 + r + x 2 + l ( 3 5 ) 实蔑串实燕( 2 5 5 ，2 3 9 ，t = 8 ) 翁r s 编鹳，鞠在2 0 4 字节( 趣捶簿多字节) 翦 添加5 1 个全“0 ”字节