（通信与信息系统专业论文）单载波时域均衡在dtmb系统中的应用研究.pdf

摘要 单载波调制解调技术已成功应用于多种无线数字通信系统中，是无线传输领 域的重要研究方向之一。本文主要研究d t m b 系统中单载波时域均衡器的设计方 案。首先，通过分析各类均衡器结构的工作特性和计算复杂度，将l m s 自适应 的分数间隔判决反馈均衡器作为基本结构，把相关的操作统一到符号间隔上。其 次，针对信道在多径尤其是强多径情况下，误差扩散严重的问题，采用盲均衡算 法作为一种补充手段，提高了均衡器的收敛速度。最后针对d t m b 系统中p n 帧 结构的特点，通过采用不同的步长控制，进一步划分均衡器的工作流程，提出了 一种盲均衡与分数间隔判决反馈均衡相结合的改进算法。仿真结果表明改进后的 算法保证了均衡器在信道特性恶劣的情况下，具有更快的收敛速度和更小的稳态 误差。 关键词：单载波时域均衡判决反馈最小均方误差自适应算法恒模算法 a bs t r a c t s i n g l ec a r r i e rm o d u l a t i o na n dd e m o d u l a t i o nh a v eb e e na p p l i e dw i d e l yi nw i r e l e s s d i g i t a lc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，a n di ti sa ni m p o r t a n tr e s e a r c ha s p e c t h o wt od e s i g n t h et i m ed o m a i ne q u a l i z e rf o rs i n g l ec a r t i e rm o d u l m i o ni nd t m bs y s t e mi ss t u d i e di n t h i sp a p e r f i r s t l y ，w ea n a l y z et h ec h a r a c t e r i s t i c sa n dc o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t yo f e q u a l i z e r sa n da d o p tf r a c t i o n a l l y s p a c e dd e c i s i o nf e e d b a c ke q u a l i z e ra d a p t e db yl m s a st h eb a s i cw h o s eo p e r a t i o ni su n i f i e do ns y m b o lr a t e s e c o n d l y ，f o rt h er e a s o nt h a t w h e nt h ec h a n n e lp r e s e n t sm u l t i p a t h ，p a r t i c u l a r l ya r o n gm u l t i p a t h ，e r r o rp r o p a g a t i o n i nt h ef e e d b a c kf i l t e rs e v e r e l ya f f e c t st h ep e r f o r m a n c eo ft h ee q u a l i z e r , w eu s et h e b l i n de q u a l i z a t i o na l g o r i t h ma sas u p p l e m e n t a r ym e a n st oi m p r o v et h ec o n v e r g e n c e r a t eo fd e c i s i o nf e e d b a c ke q u a l i z e r f i n a l l y ，a c c o r d i n gt ot h ef e a t u r e so fp nf r a m e s t r u c t u r ei nd t m bs y s t e m ，b yt h ea d o p t i o no fd i f f e r e n ts t e pc o n t r o lm e c h a n i s m sa n d t h ef u r t h e rd i v i s i o no ft h ee q u a l i z e rw o r k f l o w , w ep r o p o s ea ni m p r o v e da l g o r i t h m b a s e do nt h ec o m b i n a t i o no fb l i n de q u a l i z a t i o na n dd e c i s i o nf e e d b a c ke q u a l i z a t i o n t h es i m u l a t i o nr e s u l t sd e m o n s t r a t et h ee f f e c t i v e n e s so ft h ea l g o r i t h mw h i c hc a nf u r t h e r i m p r o v et h ec o n v e r g e n c er a t ea n ds t a b l es t a t ep e r f o r m a n c e k e y w o r d ：s i n g l ec a r d e r t i m ed o m a i ne q u a l i z a t i o nd e c i s i o nf e e d b a c k l m sc m a 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 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 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为获得西安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做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名： 压。生+ 日期之塑丝 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生 在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保留 送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内容， 可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后结合 学位论文研究课题再攥写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在一年解密后适用本授权书。 本人签名：庭生日期 导师签名： 州0 9 ，j = f 3 日期2 乒丛l l 第一章绪论 第一章绪论弟一早三百t 匕 高清晰度电视代表了电视制作和广播传输的最高水平。从世界范围看，以数 字电视为代表的广播电视技术的数字化，是自上世纪末通信技术数字化以来，全 球信息革命不可阻挡的新浪潮。数字电视涉及现代通信技术、数字信号处理技术 和微电子技术，是一个国家科学技术发展水平的反映。模拟电视到数字电视的转 变涉及电视台到终端用户设备整个技术链的改造和替换，这是一个规模巨大的产 业。发达国家都投于巨大的人力和物力，抢占这个产业的先机。并设立了从模拟 电视到数字电视转换的时间表。美国已经在2 0 0 8 年完成转换，欧洲、日本和韩国 预计要到2 0 1 0 2 0 1 2 年完成转换。我国已在2 0 0 8 年奥运会期间播出数字电视， 并将于2 0 1 5 年关闭模拟电视网络。 1 1 数字电视发展历史及其现状 到目前为止，国际电信联盟( i t u ) 已经受理三种数字地面电视广播系统标准建 议：美国的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 mc o m m i t t e e ) ，欧洲的d v b t ( d i g i t a l v 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 ) 和日本的i s d b t ( i n t e g r a t e ds e r c i c ed i g i t a l t e r r e s t r i a lb r o a d c a s t i n g ) 。 a t s c 系统采用8 v s b 调制的单载波体制，采用r s 码( r e e d s o l o m o n ) 为信 道外码加上网格编码t c m ( t r e l l i sc o d e dm o d u l a t i o n ) 为信道内码的信道编码方 案，已于2 0 0 6 年采用全数字化传输。但由于美国启动过早，技术发展不成熟，所 以a t s c 系统并未表现出移动接收能力。 d v b t 系统采用基于多载波体制的c o f d m ( c o d e do r t h o g o n a lf r e q u e n c y d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 系统，载波数有2 k 、8 k 两种模式，可选择q p s k 、1 6 q a m 、 6 4 q a m 三种调制技术，采用r s 码为信道外码，卷积编码为信道内码的编码方案。 d v b t 有较好的移动接收能力，已经在欧、澳及东南亚的一些地区取得较好的发 展。 i s d b t 系统与d v b t 系统相似，i s d b t 标准采用分段o f d m 传输方案， 载波数有2 k 、4 k 、8 k 两种模式，其余i s d b t 和d v b t 一样，载波均可选择 d q p s k 、q p s k 、1 6 q a m 、6 4 q a m 三种调制技术，均采用r s 码为信道外码，卷 积编码为信道内码的编码方案。计划于2 0 1 1 年实现所有电视节目的数字化。 其它一些国家通过对不同标准制式的测试确定了的自己的地面传输标准，如 澳大利亚选用了欧洲d v b t 制式，亚洲的韩国和我国台湾地区选用了a t s c 制， 并于2 0 0 1 至2 0 0 3 年开始地面数字电视广播，印度、新加坡、中国香港等地区也 2 单载波时域均衡在d t m b 系统中的应用研究 开始发展数字电视广播。 随着通信和信号处理技术的发展，已有的三大国际标准均已显得不能适应 b 3 g 的发展局面。以空时处理和时频联合处理为理论基础，以基站化双向化为 结构基础，以大城市居民的车载和个人便携式信息终端为市场目标的新一代数字 地面电视，正在北美、欧洲、以色列等先进国家中讨论、酝酿和试验。 我国于1 9 9 4 年1 0 月正式开始数字电视广播研究。1 9 9 6 年，数字电视列入“八 五 重大科技产业工程项目，并成立了以现任上海交通大学副校长张文军教授担 任组长的数字高清晰度电视总体组。经过总体组全体人员的努力，1 9 9 9 年，在国 庆5 0 周年阅兵仪式上，首次应用数字电视地面广播的方式完成实况转播。2 0 0 3 年，中国工程院对上海交通大学、浙江大学和西安电子科技大学联合提出的基于 单载波调制方式的a d t b t 方案和清华大学的基于多载波调制的d m b t 方案开 始严格测试。并在2 0 0 4 年底，对这两套方案进行融合。2 0 0 6 年l o 月，正式决定 融合方案作为中国数字电视地面广播标准。同时保留这两种方案的调制方式，广 电总局广播科学研究院提出的l d p c ( l o wd e n s i t yp a r i t yc h e c kc o d e s ) 技术作为 纠错码。我国的数字电视地面广播传输标准同时支持高码率h d t v 固定接收和低 码率s d t v 移动接收。特别指出的是，a d t b t 是世界上第一个实现单载波移动 接收的方案，破除了人们认为单载波系统不能支持移动的认识。目前，a d t b t 和d m b t 在全国各地作了很多有益的试验和探索。如a d t b t 在崇明岛开展的 “神州家家通 工程。该解决方案只需有线网络3 0 建设成本、2 0 左右维护费 用和1 0 建设周期，适合有线电视难于覆盖或覆盖成本高昂的地区。这些对于以 后的数字电视地面广播系统的普及和应用提供很好的经验。中国数字电视地面广 播传输标准d t m b 也在我国的一些城市进行了试验，获得了经验。它们为我国数 字地面广播业务的推广和普及奠定了良好的基础。 1 2 单载波技术简介 单载波系统是一种很成熟的传输系统。尤其单载波系统的射频技术已经很成 熟，要比o f d m 系统的优越得多。现在大部分的通信系统都属于单载波传输体系。 对于地面传输标准有两大不同的技术体系：单载波调制和多载波调制n 2 】【3 】【4 1 。 两者相比，在抗相位噪声和峰值平均功率两方面，单载波有自身的优势，表 现为： 在抗相位噪声上，单载波调制采用的时域处理技术，相位跟踪器可以在每个 时钟都对相位进行调节，所以单载波调制对相位噪声不敏感。多载波调制采用频 域处理技术，以一个f f t 块为单位进行处理，相位噪声将导致严重的子载波干扰， 使系统性能急剧恶化，所以多载波调制对相位噪声极为敏感。 第一章绪论 3 在峰值平均功率比上，单载波调制的能量分布依赖于星座点和成型滤波器的 滚降系数，峰值平均功率比小于8 d b ；多载波调制的子载波数目很多，所以已调 信号表现出高斯分布特性，峰值平均功率比高到1 2 d b ，对发射机的线性范围提出 了很高的要求。 但是单载波调制仍存在许多的不足。表现在抗连续波干扰c w ( c o n t i n u o u s w a v e ) 上，单载波调制是时域处理的，c w 所造成的干扰是连续的，所以单载波 调制抗c w 性能差；而且由于无线信道的传播环境十分恶劣，在高速率数据传输 条件下多径传播引起的时延扩展对系统会有比较大的影响，为了消除信道对传输 系统性能的影响，就需要进行信道估计和信道均衡。单载波系统的均衡技术一般 都在时域中进行，通常采用训练序列来正确设置时域均衡器的抽头系数，而均衡 器的自适应算法在接收数据时可以跟踪不断变化的信道。如在美国的数字电视地 面传输系统a t s c8 v s b 中使用了单载波数字调制系统。和有线调制解调器，数 字蜂窝电话或其它系统一样，8 v s b 接收机的自适应均衡是在时域进行的。时域 均衡器典型的结构就是判决反馈均衡器，前向和后向滤波器的系数根据一个或多 个迭代算法来自适应变化，最后收敛于一组最接近最佳接收滤波器的系数。在时 变信道的情况下，系数更新还需要跟踪时变。 理论上讲，理想均衡时的单载波系统和多载波o f d m 系统性能是一样的，但 由于硬件资源的限制，实际时域均衡器达不到最佳性能。不管是线性还是非线性 均衡器，传统的时域均衡复杂度是和最大多径时延扩展成正比的。而且对于严重 的多径和高动态信道条件下，可能加导频的优点就很受限制。所以单载波系统中 时域均衡器性能提高的研究是很重要的课题。如何改进使其能有效的对付强多径 和快速变化的动态多径更是当务之急。 另外单载波频域均衡系统5 1 1 6 1 1 7 】【8 1 是宽带无线传输中一种很有前途的抗多径 干扰的方法，但目前研究尚较少。2 0 0 3 年4 月出台的i e e e 8 0 2 1 6 a 标准在 i e e e 8 0 2 1 6 的基础上制定了2 1 1g h z 租用频带的空中接口标准，并规定了 s cf d e 系统和o f d m 系统两种传输模式。 而频域均衡的单载波系统针对多载波o f d m 系统有以下特点：s c 系统降 低了峰均功率比p a p r ，所以不需要使用昂贵的线性功率放大器；存在时延扩 散时，使用频域均衡的s c 系统能够获得与o f d m 系统近似的性能；与非自适 应o f d m 系统不同，s c 系统不需要使用编码技术克服频率选择性干扰。 总的来说单载波调制技术是高速发展的无线通信系统的一个极具竞争力的技 术，将来也一定能得到更广泛，更深入的运用。 4 单载波时域均衡在d t m b 系统中的应用研究 1 3 自适应均衡发展概况 2 0 世纪中叶，对最优化电子系统的研究及实际的需要推动了对自适应信号处 理系统的研究。而“自适应滤波器 ( a d a p t i v ef i l t e r ) 则最先由j a k o w a t z 等人于 六十年代初用来描述一个从噪音中提取出现时刻随机的信号的系统。在1 9 5 7 年至 1 9 6 0 年间，美国通用电气公司的豪厄尔斯( p h o w e l l s ) 和阿普尔鲍姆 ( p a p p l e b a u m ) 与他们的同事们研究和使用了简单的自适应滤波器，用以消除混 杂在有用信号中的噪声和干扰。而结构更为复杂的自适应滤波器的研究工作，则 由美国斯坦福大学的维得罗( b w i d r o w ) 和霍夫( m h o f f ) 始于1 9 5 9 年。此间， 他们提出的最小均方( l m s ) 自适应算法对自适应技术的发展起到了极大的作用。 同时，他们提出了一种采用被称作为“自适应线性单元( f - j 限逻辑) 的模式识别 方案。而自从自适应滤波理论发展起来后，很快在信道均衡技术中得到了应用， 并提供了更为有效的均衡方法。6 0 年代，自适应信道均衡技术主要集中在线性均 衡器。主要有在最小均方误差( m m s e ) 准则下的最佳发送滤波器和接收滤波器 和在均衡器采样时刻无码间干扰的约束条件下的迫零算法( z f ) 。这种算法在最 大后验概率( m a p ) 系统中得到应用。没过多久，人们开始研究l m s 自适应均 衡器。而均衡器的结构也从线性横向滤波器转向性能更好的判决反馈均衡器 ( d f e ) 以及具有分数间隔的线性横向滤波器和判决反馈均衡器。判决反馈均衡 器一般有前馈滤波器和反馈滤波器两部分组成。前馈部分的输入信号是接收的信 号，以符号发送间隔t 采样或以符号发送的分数间隔f 采样，相当于线性横向均 衡器。反馈滤波器的输入是已经检测出来的符号，用来抵消以前发送符号对当前 符号判决产生的码间干扰。在检测符号判决正确的情况下，只有判决时刻以后的 发送符号才能对当前符号的判决产生影响，所以d f e 的性能要优于线性横向滤波 器。d f e 的缺点是存在错误传播，即有误判时反馈回来的符号可能产生新的错误， 这是影响判决反馈均衡系统最终性能的主要因素之一。如何提高判决的正确性， 提供更可靠的反馈输入也成为很有价值的研究方向。 到7 0 年代，d g o d a r d 把k a l m a n 滤波理论引入到自适应信号均衡器中。这种 算法通常称为k a l m a n g o d a r d 算法，也称作r l s 算法。k a l m a n g o d a r d 算法最主 要的优点就是它是一种收敛速度很快的自适应算法。但是它存在着两个不足之处， 其一是运算量太大，其二是算法不稳定。针对k a l m a n g o d a r d 算法的第一个缺点， d d f a l c o n e r 和l l j u n g 提出了快速k a l m a n 算法。而针对k a l m a n g o d a r d 算法的 第二个缺点，m h s u 又提出了平方根k a l m a n 算法。同时也在研究新的结构和简 化算法。1 9 7 9 年，e h s a t o r i u s 提出了自适应格型算法，它是建立在对接收信号 取样值进行正交化处理基础上，利用g r a m s c h m i d t 正交方程对接收信号进行递推 第一章绪论 5 运算。j g p r o a k i s 和f l i n g 又在高频信道均衡器的最d x - - 乘格型算法上进行了研 究。 1 9 7 5 年，s a t o 首次提出了盲均衡( 自恢复) 的概念。盲均衡技术是一种新兴 的均衡技术，它能够不借助训练序列，仅利用接收序列本身的先验信息来均衡信 道特性，使输出序列尽量接近发送序列，能有效补偿信道的非理想特性、克服码 间干扰、减小误码率、提高通信效率，在通信领域有着极其重要的应用价值。目 前自适应均衡器应用十分广泛，以判决反馈式均衡器为主体的调制解调器是人们 研究较多的一种。其中以l m s 算法构成的判决反馈式自适应均衡器有许多突出 的优点：运算量比较少，稳定性较好，但是它的收敛速度比较慢。所以人们又研 究其它收敛速度快，均衡精度高和稳定性好，算法运算量较小的算法和自适应均 衡器结构。 结合d t m b 系统的特点，本文设计的均衡器采用了判决反馈的结构和l m s 自适应更新算法。该均衡器能够工作于多种模式，并在盲均衡模式、训练模式和 判决导引模式之间进行切换。具体的均衡器设计见后文。 1 4 本文的工作内容及主要成果 本文针对d t m b 系统中单载波的时域均衡技术进行了一定的研究。首先，从 均衡器的结构入手，通过对线性均衡器，分数间隔均衡器，判决反馈均衡器这三 种常用均衡结构的分析比较，基于复杂度和性能的折中考虑，将l m s 自适应的 分数间隔判决反馈均衡器作为基本结构， 均衡器参数设计进行了比较深入地分析。 把相关的操作统一到符号间隔上，并对 其次，在分数间隔判决反馈结构的基础 上，考虑到均衡器在恶劣信道下并不能收敛到稳定状态，考虑把盲均衡作为训练 模式和d d 模式的一种有效补充即f s e d f e + c m a 算法，并在此基础上针对 d t m b 系统中p n 帧结构的特点，通过采用不同的步长控制，进一步划分均衡器 的工作流程，提出了一种改进后的f s e d f e + c m a 算法，新的算法不仅收敛速度 更快，而且稳态误差也更小。 以下是本文的各章节安排： 第二章首先介绍了信号在无线信道中的传输机制，无线信道对于传输信号造 成的影响主要分为大尺度衰落和小尺度衰落。在数字电视地面广播中，小尺度衰 落对于接收机性能影响更加复杂，所以详细讨论了信道带宽，信号传输速率和小 尺度衰落信道分类之间的关系。重点介绍了中国数字电视传输标准d t m b 系统的 原理和特点，给出了单载波调制方式下的系统模型，该模型是后面均衡算法仿真 的基础。最后重点讨论了单载波方式下时域均衡的基本原理。 第三章根据数字电视地面广播信道的特点，详细分析了各种均衡器的工作特 6单载波时域均衡在d t m b 系统中的应用研究 性，考虑到性能和计算复杂度的最佳折衷，将l m s 自适应的分数间隔判决反馈 均衡器作为均衡器的基本结构，并给出它的符号间隔等效结构。但是该均衡器在 恶劣信道下并不能收敛到稳定工作的性能，因此引入了盲均衡技术。 第四章，首先介绍了盲均衡的基本理论和算法，其中重点讨论了c m a 算法， 并将其应用到第三章中讨论的分数间隔判决反馈均衡器结构中，其作用是为了改 善d f e 的误差扩散问题，把盲均衡作为训练模式和d d 模式的一种有效补充即 f s e d f e + c m a 算法，并在此基础上，针对d t m b 标准下p n 帧结构的特点，提 出了一种改进的基于分数间隔判决反馈均衡器的f s e d f e + c m a 算法，并与 f s e d f e + c m a 算法进行了仿真比较。 第五章，总结全文，分析目前还未解决的问题及待改进的地方，并对未来研 究工作进行展望。 第二章无线信道特性及均衡原理 7 第二章无线信道特性及均衡原理 无线信道通常被认为是一种恶劣的通信介质，由于建筑物、树木、山川及空 气等的反射、折射和散射作用，发射信号往往经过多条路径到达接收端。多径传 播使接收信号产生幅度衰落现象，造成码元波形问的相互干扰，导致错误判决， 严重影响信息传输的可靠性，在高速的宽带无线通信中更是如此。因此，信道的 传播特性是通信系统设计中的基本因素，细致地了解传播环境对成功开发一个系 统是非常必要的。 本章首先简单介绍无线信道特性及使用的信道模型，然后重点介绍了中国数 字电视传输标准d t m b 系统的原理和特点，并给出了单载波调制方式下的系统模 型。最后重点讨论了单载波方式下时域均衡的基本原理。 2 1 无线信道的传输特性 在无线信道中，由于传输环境的影响( 如传输媒质，地形，障碍物等) ，信号 的传播机制一般可归结为如下三类：反射( r e f l e c t i o n ) ，衍射( d i f f r a c t i o n ) ，散射 ( s c a t t e r i n g ) 。这三种机制取决于发送信号的波长与障碍物之间的关系。当障碍物 的体积( 如地球表面，建筑物，墙面) 远远大于信号的波长时，就会发生反射。当 障碍物的体积和信号的波长相当时，就会发生衍射。当障碍物的体积远小于信号 的波长相当时，就会发生散射。无线信道对于传输信号的影响分为大尺度衰落和 小尺度衰落两类。大尺度衰落模型用于预测从发射机到某一个接收点上的信号平 均功率，它表示信号衰落的宏观方面。而小尺度衰落模型用于描述在很短距离范 围内( 几个波长) ，在很短时间范围内( 秒级) 信号强度的快速变化，它表示信号衰落 的微观方面。这两种衰落模型很好的刻画了信号在传播过程的变化【9 】【1 0 1 【1 1 1 。小尺 度衰落对于接收信号的影响更为复杂，接收机性能很大程度体现在如何有效的对 付小尺度衰落【4 引。下面分别介绍这两种衰落。 2 1 1 大尺度衰落 大尺度衰落又叫路径损耗，它描述了发射机和接收机之间接收信号的缓慢变 化，这些变化是由于发射机和接收机之间不同的地表特征( 如海边、内陆、丘陵、 山地等) 和传输媒质( 如空气、水等) 引起的。深刻理解大尺度衰落的传播特性对于 设计数字电视地面广播系统的发射功率和有效覆盖有着重要的意义。 在自由空间中，根据电磁波的传输原理，接收信号的功率表示为 8 单载波时域均衡在d t m b 系统中的应用研究 p r ( d ) = 器甍 ( 2 1 ) 在式( 2 1 ) 中，d 表示从发射机到测试信号点的距离；表示发射功率；g f 和 g ，分别表示发射天线增益和接收天线的增益；九表示传输信号的波长；l 表示系 统损耗因子。可以看出接收信号的功率和波长的平方成正比，和距离的平方成反 比。在实际传输环境中，由于不同的地表特征和传输媒质的影响，接收信号的功 率表示为 p r ( d ) ：丝譬丝( 2 - 2 ) 在式( 2 2 ) 中，接收信号的功率p r ( d ) 和发送天线的高度红的平方、接收天线h r 的平方成正比，和距离的四次方成反比。可以通过增加只，曩，h r ，得到尽可能 大的信号覆盖范围。但是，由于受现有的发射设备技术，设备安装条件和接收终 端的限制等，不能通过上述的途径达到完全的路径覆盖。当一个发射塔没法覆盖 到所有的用户区域时，可以通过单频网来覆盖这些信号盲区，但会产生强多径， 这对于接收机的设计提出更高的要求。大尺度衰落对于接收信号的影响，可以用 接收机前端的a g c 电路使得接收信号的电平保持在一定的范围【l o 】。 2 1 2 小尺度衰落 信号在无线信道中由于反射、绕射和散射，使得到达接收机的信号有多条， 可以称之为多径。这多条信号的幅度、相位和到达时间都不一样，它们的叠加使 得波形的幅度和相位在短时内急剧变化，可以称之为衰落。衰落对于接收信号的 影响主要表现在三个方面： ( 1 ) 在很短时间和距离范围内，信号强度的剧烈变化。 ( 2 ) 多径扩散导致接收信号脉冲在时间上的展开，表现为信号脉冲的“长胖”。 ( 3 ) 不同多径信号上的变化的多普勒漂移使得接收信号的随机频率调制。 对于每一类型的衰落，都可以从时域和频域两个方面来描述。并且，小尺度 衰落对于接收信号的影响更为复杂，接收机性能很大程度体现在如何有效的对付 小尺度衰落，对于小尺度衰落的透彻理解有助于更好的设计接收机。下面详细描 述在那些条件下呈现那种类型的衰落【4 引。 用信道功率谱密度函数来刻画衰落多径信道的特性 1，_ 屯0 l ，f 2 ；，) = 去e lc ( f l ；f ) c ( r 2 ；f + r ) i ( 2 3 ) 一 一 在式( 2 3 ) 中，c ( r ；t ) 表示信道的等效低通脉冲相应。假设c ( r ；t ) 是广义平稳的， 第二章无线信道特性及均衡原理 9 1 c ( r l ；，) 和c ( r 2 ；f ) 不相关，则 晚( ，r 2 ；a t ) = 晚( q ；，) 艿( 1 一f 2 )( 2 4 ) 使得a t = o ，则屯( f ；o ) 三屯( r ) 表示信道的平均功率，称为信道的延迟功率谱。 对应晚( f ) 有非零值的f 的范围乙，称之为多径引起的延迟扩j 畏( d e l a ys p r e a d ) 。多 径扩展是对于多径信道的时域描述。对应于频域，用相干带宽( c o h e r e n c e b a n d w i d t h ) ( a f ) 。来描述信道的多径特性。 1 ( 鲈) 。i 享 ( 2 5 ) 埘 对于信道的时变特性，可以从频域开始，对时变信道的脉冲相应作傅立叶变 换得到时变信道转移函数c ( f ；t ) ， c ( 厂；f ) = ic ( r ；t ) e 1 功 d r ( 2 - 6 ) 假设信道c ( r ；t ) 为广义平稳复值零均的高斯随机过程，定义相关函数 c a f , ，六；出) 屯( 石，五；a t ) = je c ( 石；f ) c ( 以；，+ 出) ( 2 - 7 ) 根据式( 2 - 7 ) 屯( 石，石；岔) = o c ( a f ；f ) ( 2 8 ) a f = 五一石 ( 2 - 9 ) 对咖c ( a f ；a t ) 作傅立叶变换得s c ( a f ；a ) s a a f ；t ) = e f i 。( a f ；a t ) e - j 2 幽d a t ( 2 - 1 0 ) 当矽= 0 时 疋( a ) = e 晚( f 旷, a 址d a t ( 2 11 ) 可以称芝( a ) 为信道的多普勒功率谱，对应足( 旯) 有非零值的旯的范围饬，可 以称之为多普勒扩展( d o p p l e rs p r e a d ) 。对应于时域，可以用相干时i 百q ( c o h e r e n c e t i m e ) ( a t ) 。来描述信道的时变特性。 1 ( a t ) c 玄( 2 - 1 2 ) 信号在无线信道传播的过程经受的衰落取决于信号参数( 带宽e 和符号间隔 互) 和信道参数( 延迟扩展乙、相干带宽( a f ) 。) 、多普勒扩展饬和相干时间( 出) 。之 间的关系【4 3 1 。它们之间的关系如表2 1 。 l o 单载波时域均衡在d t m b 系统中的应用研究 表2 1 在小尺度衰落下的衰落模型 小尺度衰落 信道的多径延时信道的时变 平坦衰落频率选择性衰落快衰落慢衰落 ( ) 。 壤，乙 五，饬 1 ，那么l m s 收敛的就比较 慢。因此许多学者在加快l m s 算法初始收敛特性方法上做了大量的研究工作， 一种可以直观得出的简单方法【2 0 1 是：开始使用较大步长，然后步长随着抽头系数 收敛到其最佳而减小。 第二章无线信道特性及均衡原理 1 7 ( 2 ) r l s 算法 为了克服l m s 收敛速度慢、信号非平稳适应性差的缺点，可采用新的准则， 即在每个时刻对所有的已输入信号而言重新估计的平方误差最小准则2 1 1 即l u s 准则) 。 r l s 所遵循的准则是决定使误差气的加权平方和e 最小? _ e = a 【订 ( 2 2 8 ) i f f i 0 其中a 是取值为0 8 l 范围内的加权因子，e 是在所有旧数据上用新抽头增 益向量所测得累计平方误差。令e 的梯度为零，得 ( 七) = 最( 七) ( 2 - 2 9 ) 其中采样值自相关矩阵和输入向量k ( k ) 与期望输出之间得互相关矩阵 只( k ) 分别为： 2 n k ( 七) = 矿置墨一。 ( 2 - 3 0 ) i = 0 2 b ( 尼) = a 扣。允咒一。 ( 2 - 3 1 ) j = 0 由式( 2 3 0 ) 和式( 2 - 31 ) 得 尽料( k ) = a 尽( 七一1 ) + 五爿： ( 2 3 2 ) 利用矩阵的求逆引理可得哌的迭代表达式为： = 一l + 瓯e k ( 2 3 3 ) 其中 q ：r ；高了( k - - 0x k(2-34) l 十j l l t 地= 正砝( 七一1 ) 也 ( 2 3 5 ) 上述算法为k a l m a nr l s 算法。每次迭代运算量2 5 n 2 + 4 5 n ，而l m s 的运 算量为2 n + 1 。一般来说r l s 算法比l m s 算法收敛快得多，然而这并不意味着 r l s 算法比l m s 算法更实用。在实际的无线通信接收机中l m s 算法比r l s 算 法的应用更广泛原因是：r l s 算法的稳定性依赖于输入数据而l m s 算法只要适 当选取步长总是稳定的；l m s 算法对时变信道的跟踪特性比r l s 算法好；r l s 算法得复杂度正比于2 ，而l m s 仅正比于。 1 8 单载波时域均衡在d t m b 系统中的应用研究 2 3 2 单载波时域均衡系统的p n 帧结构 数据帧结构的简洁有利于接收系统的低成本实现，有利于快速同步与均衡。 一个简洁的数据帧结构基本单元至少包括三部分：确知信息、系统信息以及编码 数据。本系统所研究的d t m b 标准的一大特点就是数据结构以“帧”为基本单元， 包括帧头( 确知信息) 、加强保护的系统信息、经高效编码保护的数据信息。帧头 应该选择具有伪随机特性的序y l j ( p n ) ，插入的周期应该在5 0 0 u s 1m s 之间， 序列长度应大于判决反馈均衡器的级数，这样既保证了传输效率，又能够提高抗 信道动态衰落的能力。 在d t m b 标准中，满足以上帧头要求的帧格式为帧头模式2 ，其中帧头( 5 9 5 个符号) ( 7 8 7p s ) ，帧体( 含3 6 个符号的系统信息和3 7 4 4 个符号的数据) ( 共3 7 8 0 个符号) ( 5 0 0 i s ) 。其中明确规定了“帧头模式2 采用1 0 阶最大长度伪随机二进制 序列截短而成，帧头信号的长度为5 9 5 个符号，是长度为1 0 2 3 的m 序列的前5 9 5 个码片。帧头信号的平均功率与帧体信号的平均功率相同 。 由于均衡器抽头w 的最佳维纳解是： w = r 。1 p( 2 3 6 ) 其中尺是均衡输入的相关矩阵，p 是均衡输入数据与期望恢复值之间的相关 矢量。采用非循环简洁的伪随机二进制序列作为帧头，保证在帧头阶段( 均衡器抽 头收敛的最佳时期) ，信道输入的足是对角阵，这有利于信道均衡快速收敛到最 佳解；期望恢复值由接收机中的本地p n 序列产生，因此p 是本地p n 相关矩阵 与信道冲击响应相乘的结果，均衡器抽头w 的最佳维纳解就等于实际信道的冲击 响j 立。 帧头功率与帧体信号的平均功率相同保证了单载波信号的低峰均比特性，也 有利于网络的大面积覆盖。 该单载波系统对抗多径干扰主要依赖于接收机的均衡l m s 算法，通过数据 本身产生的误差信号进行判决反馈来跟踪多径变化，结合p n 序列良好的自相关 性来分离多径影响 4 9 1 。 2 4 本章小结 本章首先介绍了信道的相关理论基础；阐述了中国数字电视广播传输标准 d t m b 的系统原理，并给出了相应的系统模型；最后，详细讨论了单载波时域均 衡原理，包括自适应均衡的原理以及两种常用的自适应均衡算法。 第三章单载波无线系统时域均衡技术研究 1 9 第三章单载波无线系统时域均衡技术研究 由于数字电视地面广播传输信道中强多径和长多径的存在，不可避免地带来 了非常严重的符号间干扰i s i 问题【2 2 】，大大降低了接收信号的质量。本章主要研 究抑制符号间干扰的均衡方法。其中，线性均衡器能大大地降低计算复杂度，但 对于频率选择性严重的信道，由于噪声增强效应，导致性能下降。判决反馈均衡 器，在性能和计算复杂度之间有比较好的折衷1 4 引。由于线性均衡器对定时误差很 敏感，所以考虑采用分数间隔均衡器【2 3 】【2 4 1 。在实际中，信道特性往往是未知或时 变的，所以，均衡器必须自适应地学习和跟踪信道的特性犯5 l z 6 1 1 2 7 1 1 2 8 1 。本文采用 l m s 算法自适应的分数间隔判决反馈均衡器作为设计均衡器的基本结构瞄圳，并给 出了其符号间隔的等效结构。 3 1 时域均衡器结构分析与比较 本节和下面各节将介绍信道均衡的方法以此来补偿i s i 。其中包括线性均衡 器，分数间隔均衡器以及判决反馈器，通过分析各个均衡器的原理和特点，从而 分析和确定适合在d t m b 系统中单载波时域均衡的方法。 3 1 1 线性均衡器 最常用于均衡的线性滤波器是一个横向滤波器，如图3 1 。均衡输入是图2 4 的序列 ) ，输出是信息序列 厶) 的估计值。 图3 1 线性横向滤波器 第n 个符号的估计值可以表示为： 2 0 单载波时域均衡在d t m b 系统中的应用研究 7 。= 乃一， = 一n ( 3 - 1 ) 式( 3 1 ) 中， 厂) 是均衡器的2 n + 1 个复抽头加权系数。估计值，。被均衡到最 接近( 在距离上) 的信息符号，以形成判决厶。如果，。与发送信息符号不同，判 决发生一次差错。 人们在均衡器系数 厂) 最佳化的准则上已经做了大量的研究。因为对数字通 信系统性能最有意义的度量是平均概率，所以希望选择该系数以使该性能指数最 小化。然而，错误概率是 f ) 的高度非线性函数，因此，以错误概率作为均衡器 抽头加权系数最佳化的性能指数计算起来比较复杂【4 2 j 。 两个准则已经在均衡系数 厂) 最佳化中得到广泛应用，一个是峰值失真准则 ( z f 准则) ，另一个是均方误差准则。 ( 1 ) 峰值失真准贝j j ( z f 准则) 峰值失真可简单定义为均衡器输出端最坏情况下的符号间干扰。这个性能指 数的最小化称为峰值失真准则。 可以看出，具有冲激响应瓴) 的等效信道模型与具有冲激响应 以) 的均衡器 级联结构可以用单一的等效滤波器来表示，其冲激响应为： 生 吼= 乃c 州 ( 3 - 2 ) 即 吼) 就是 z ) 与 巳) 的卷积。在第n 个抽样时刻，其输出可以表示成如下 形式： ? 。：g 。l + l 札。+ 艺乃一， k 1 , n j = - - 。 式( 3 3 ) 中的第一项表示标度变化形式的信息符号。为方便计算， 为1 。第二项是符号问干扰，该干扰的峰值称为峰值失真，表示为 ( 3 - 3 ) 将吼归一化 因此，d ( f ) 是均衡器抽头权值的函数。 当采用无限抽头的均衡器时，有可能选择抽头权值使得d ( f ) = 0 ，即除玎= 0 外，对所有n ，都有吼= 0 。也就是说，符号间干扰可以被完全消除。实现此目标 的抽头权值由下列条件确定： 4 0 乃 引 。一。一枷。一棚 i i f f 力 d 第三章单载波无线系统时域均衡技术研究 2 l 吼= 砉肫，= 髋： 对式( 3 5 ) 进行z 变换得到： q ( z ) = f ( z ) c ( z ) = 1 或 砟) = 赤 ( 3 5 ) ( 3 - 6 ) ( 3 7 ) 式中，f ( z ) 表示 乃) 的z 变换。注意，具有传递函数 乃) 的均衡器是等效信 道模型的逆滤波器。换言之，完全消除符号间干扰要求使用一个c ( z ) 的逆滤波器。 这种滤波器称为迫零均衡器。图3 2 说明了该等效离散时间的信道和均衡器。 in 等效信道 ，、 。戈衡气 - 一 ( + ) f ( z ) = 高 c ( z ) u i 图3 2 带有迫零均衡器的信道方框图 无限抽头均衡器完全消除了符号间干扰，其性能可以用其输出端的信噪比 s n r 表示： 厂 1 舻i 飘一如l p 8 ， 其中，y 的下标表示均衡器有无限个抽头。可以看出，如果c ( w ) 的折叠谱 l c + 2 7 r 刀丁) 1 2 具有任何零点，那么被积函数变成无穷大而s n r 变成0 。 换言之，无论何时，折叠谱特性具有零点或较小的值，均衡器的性能都比较 差，这主要是因为均衡器在消除符号间干扰的同时增强了加性噪声。例如，如果 信道在它的频率响应中含有一个谱零点，那么线性迫零均衡器试图在该频率处引 入无穷大的增益来补偿它，但是这种对信道失真的补偿是以增加加性噪声为代价 的。另一方面，结合适当的信号设计而不产生符号间干扰的理想信道的折叠谱将 满足下列条件： 妻i c ( + 2 丌刀丁) 1 2 ：丁 ( 1 w l 季) ( 3 - 9 ) 单载波时域均衡在d t m b 系统中的应用研究 ( 2 ) 最小均方误差准贝j j ( m m s e 准则) 在m m s e 准则中，调整均衡器的抽头权值系数 f j ) ，以使下列误差的均方值 最小： s 。= 厶一i n ( 3 - l o ) 当信息符号是复数时，m m s e 准则的性能指数定义为