（通信与信息系统专业论文）drm数字接收机关键技术研究.pdf

中文摘要 中文摘要 随着通信技术的飞速发展，数字技术对媒体的传播方式产生了巨大影响。世 界数字广播( d i g i t a lr a d i om o n d i a l e ) 占用传统模拟调幅广播3 0 m h z 以下的发射 频率，由o f d m q a m 系统为载体，引入单元交织和位交织技术，能提升音乐传 输质量并附加数据文件传输能力。国际范围内对d r m 解调芯片的研制尚处于初级 阶段，在此时进入芯片的研发，能够紧跟技术发展趋势，并形成具有自主知识产 权的d 砌解调芯片。 本文根据d r m 基带传输的特点，分析了d r a m 基带仿真所需的两个重要部分： 电离层短波无线信道的建模与仿真，基带接收机的算法结构设计及算法选择。 第一部分详细分析了d r m 的电离层短波无线信道的建模技术。从无线信道的 基本仿真模型开始分析，论述了电离层短波无线信道的特点及w s s u s 仿真模型。 然后根据这种信道模型非对称多普勒功率谱的特点，提出了仿真模型的具体实现 步骤并进行了仿真。其中，单径衰落生成的结构包括高斯功率谱滤波器的生成， 上插值滤波器的选择，多级插值结构的选择以及多普勒频移的添加。多径生成部 分论述了时延抽头近似选取整数倍采样时延的原理。相关方案都进行了仿真实现。 第二部分分两章对接收机的同步技术及信道估计技术进行分析，并设计了基 带接收的架构和具体算法。 第四章，同步技术部分对o f d m 系统的同步原理进行了分析，提出d r m 基 带的接收架构及同步算法。同步算法分f f t 前和f f t 后两部分。f f t 前同步主要 包括基于导频的载波同步，基于循环前缀相关性的最大似然符号同步，以及基于 循环前缀相关序列周期性的健壮模式检测算法；f f t 后同步包括基于导频的帧同 步算法，基于导频的样值频率和细频偏估计算法。针对d r a m 恶劣信道的情况，提 出了适合d r m 的计算方法。仿真表明我们设计的接收架构能够满足误码率指标， 其中频率粗同步方案结合两个算法的运算结果，能够降低同步时间。 第五章，信道估计部分针对d r m 星状导频的特点，分析了信道估计的l s 和 m m s e 估计原理，插值算法原理以及变换域估计原理，并提出了适合d r a m 的信 道估计方法。该方法结合时间方向插值，高斯窗，数据位置置零及变换域噪声消 除，能够满足信道估计的需求，提高高信噪比下的误码率，并易于优化。仿真测 试表明，该设计能够在信噪比大于2 0 d b 的环境下明显降低系统误码率。 中文摘要 第六章对全文进行了总结。 关键词：o f d m 电离层短波无线信道w s s u s 循环前缀星状导频信道估计 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m m u n i c a t i o nt e c h n i q u e s ，d i g i t a ls i g , a lp r o c e s s i n g b r o u g h ti ne n o r m o u sa f f e c t i o n0 1 3 m e d i ab r o a d c a s t i n g t h ed i g i t a lr a d i om o n d i a l e t a k e st h eb a n d w i d t ho ft r a d i t i o n a la m p l i t u d em o d u l a t i o nu n d e r3 0 mh za n di l t i l i z e o f d m ，q a m , v i t e r b ie n c o d i n g , m u l t i l e v e lm o d u l a t i o n , b i ti n t e r l e a v i n ga n dc e l l i n t e r l e a v i n ga sm a i nl r a n s m i s s i o nf r a m ew o r k t h em u s i ct r a n s m i s s i o nq u a l i t yc a l lr e a e l a t h ec dl e v e la n dd a t af i l ec o n v e ya b i l i t yi sa l s op r o v i d e d t h ec h i pp r o d u c t i o no f d r m r c e o i v c rw o r l d w i d ei sc u r r e n t l y0 1 1i n i t i a l i z a t i o ns t a g e i t sag o o dc h l m f o ru st o p r o d u c e ac h i p 、析t ho t u o w n 研： t h i sp a p e rf o e m c so nt h er e s e a r c ho f b a s e b a n dr e a l i z a t i o no f d r mr e c e i v e rw l a i e l a c o m p r i s eo ft w om a i nb l o c k s t h ef i r s to n ei st h ei o n o s p h e r es h o r t - w a v ec h a n n e l s i m u l a t i o n t h es e c o n do n ei sr e c e i v e rf r a m e w o r ka n da l g o r i t h m ss e l e c t i o no f b a s e b a n d p r o c e s s t h ef i r s tp a r td e s c r i b e si nd e t a i lt h ei o n o s p h e r es h o r t - w a v oc h a n n e lm o d e l i n g t e c h n i q u e t h ec h a p t e rs t a r tf r o mt h eb a s i cs i m u l a t i o nm o d e lo f w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n c h a n n e l ，t h e ni n t r o d u c e st h ec h a r a c t e r i s t i co fi o n o s p h e r es h o r t - w a v ec h a n n e la n dt h e w s s u ss i m u l a t i o nm o d e l t h i sm o d e lg o tau n s y m m e t r i c a ld o p p l e rp o w e rs p e c t r u m g a u s s i a nl i k es h a p ea n dw h i t en o i s ef i l t e r i n gm e t h o di si n t r o d u c e dt or e a l i z et h i s m o d e l t h ek e yp o i n to fg e n e r a t i n gs i n g l ep a t ha t t e n u a t i o ni n e l u d c ：t h eg a u s s i a ns h a p e f i l t e rg e n e r a t i n g , t h es e l e c t i o no fu p - s a m p l i n gf i l t e r , m u l t i l e v e lu p - s a m p l i n gs t r u c t u r e a n dt h ed o p p l e rs h i l la f f e c t i o n t h ek e yp o i n to f m u l t i p a t hd e l a yl i n e i st o a p p r o x i m a t e l ys e tt h ed e l a ys a m p l e st ot h ei n t e g e rm u l t i p l yo f s a m p l er a t e t h es e c o n dp a r ti sd e r i v e di n t ot w oc h a p t e r sw h i c hd i s c u s st h es y n c h r o n i z a t i o na n d c h a n n e le s t i m a t i o nt e e l m i q u e so fd i g i t a lr e c e i v e r t h es y n c h r o n i z a t i o np a r ti n c l u d et h e f u n d a m e n t a ls y n c h r o n i z a t i o nt h e o r yo fo f d m ，t h ed r mb a s e b a n dr e c e i v e rs t r u c t u r e a n dt h ed e t a i l e da l g o r i t h m sf o rs y n c h r o n i z a t i o n p r ef f ra n dp o s t - f f ta l g o r i t h m sa s e p a r a t e l yd i s c u s s e d p r e - f f ti n c l u d e st h ee a l t i c rs y n e l a r o n i z a t i o nb a s e d0 1 1f r e q u e n c y p i l o t , t h em a x i m u ml i k e l i h o o dm e t h o df o ro f d ms y m b o ls y n c h r o n i z a t i o nb a s e do n c y c l i cp r e f i xa n dt h er o b u s t n e s sm o d ed e t e c t i o nm e t h o db a s e do nt h ep r i o r i t yo fe y e l i e i l l a 8 s t r a c t p r e f i xc o r r e l a t i o np e e k 1 1 1 ep o s t - f f ti n c l u d e st h ef r a m es y n c h r o n i z a t i o nb a s e do nt i m e p i l o ta n dt h es a m p l er a t ea n df r a c t i o n a lf r e q u e n c ys y n c h r o n i z a t i o nm e t h o db a s e do n f r e q u e n c yp i l o t t h e s ea l g o r i t h m sa r ea n a l y z e di nt h e o r ya sw e l la ss i m u l a t i o nr e m i t p r o p o s e dp a r a m e t e r sa r ed i s c u s s e df o rp r a c t i c a lr e a l i z a t i o no f d r m r e c e i v e r c h a n n de s t i m a t i o ni sd e r i v e df o r mt h es t a rs h a p ep i l o tp o s i t i o no fd r mo d f l s y m b o ls t r u c t u r e b a s i cl sa n d 枷s ee s t i m a t i o na r ei n t r o d u c e d , t h ef o l l o w i n g e s t i m a t i o nm e t h o d sr i t ei n t e r p o l a t i o na l g o r i t h m sa n dt h ef f tb a s e dm e t h o d w t ht h e c o m b i n a t i o no ft h et h r e ep a r t s ，p r o p o s e dc h a n n e le s t i m a t i o nw o r kf l o wi sp r e s e n t e d i t i n t e g r a t e si n t e r p o l a t i o ni nt i m ed i r e c t i o no f p i l o t s ，g a u s s i a ns h a p ew i n d o w , z e r os e t t i n g a td a t ap o s i t i o na n dn o i s ee l i m i n a t i o ni nt i m ed o m a i na f t e rf f to fp r e - e s t i m a t e d c h a n n e lf u n e t i o n t h i sm e t h o dc o u l ds u p p o r tt h eb a s i cr e q u i r e m e n to fd r mc h a n n e l e s t i m a t i o n i nm e d i u ml e v e lo fs n l lt h eb e rc o u l db er a m a r t - 曲l yi m p r o v e d f u r t h e r m o r e , t h ea d v a n h a g eo f t h i sm e t h o dc a n b ea d j u s t e da n do p t l l l 妇de a s i l y k e y w o r d s ：o f d mi o n o s p h e r e s h o r t - w a v ew s s u sc y c l i c - p r e f i x s t a r - s h a p e c h a n n e l - e s t i m a t i o n i v 图目录 图目录 图3 2 1 多普勒衰落示意图 图3 2 - 2 多径时延衰落示意图 图3 3 1 单径远端反射示意图 图3 3 - 2 非对称高斯多普勒谱示意图 图3 4 - l 时变系统抽头延迟线模型 图3 4 2 时变衰落值不连续示意图 图3 4 3 时域截断对频域的影响示意图 图3 4 - 4 插值滤波误差效果图 图3 4 5 插值滤波器频域响应示意图 图3 4 6 单径散射衰落生成器示意图 图3 4 7 单径衰落时频示意图 图3 4 _ 8 单径衰落幅值分布示意图 图3 4 9 单径衰落自相关特性示意图 图3 4 - 1 0 非整数倍时延能量泄漏示意图 图4 2 1 样值频率偏差影响示意图 图4 2 - 2 符号同步位置示意图 图4 2 3o f d m 系统同步位置示意图 图4 3 1d r m 接收机基带处理流程图 图4 4 1 频率粗同步算法示意图 图4 4 - 2 进行滤波均衡后的频域数据示意图 图4 4 3 进行滤波均衡前后的频偏检测结果图 图4 4 - 4 两径m l 相关峰叠加示意图 图4 4 - 5 四径m l 相关峰示意图 图4 4 6 降累加区间效果示意图 图4 4 _ 7 四径0 2 5 n g 下m l 相关平坦顶示意图 图4 4 8 健壮模式周期检测原理 图4 5 1 帧同步算法误检概率多普勒频移分布图 图4 5 - 2 样值频率和细频偏影响示意图 图目录 图4 5 3 环路频率偏移估计方法示意图 图4 5 - 4 频率锁定示意图模式b 信道3 号四径均0 1 h z 多普勒频域设置 图5 3 1 时频二维插值示意图 图5 3 2 时域滤波信道估计流程图 图5 3 3 信道冲击响应时域滤波示意图 图5 3 - 4 变换域信道估计流程图 图5 3 5 时域噪声滤除示意图 图5 3 6d r m 信道估计流程 图5 3 7 时域噪声消除对信噪比影响示意图 v 町 表目录 表目录 表2 3 1 导频间隔与最大多径时延，最大多普勒频移对比表 表5 3 1 时域插值前后导频间隔及多径时延容忍对照表 1 x 主要符号表 主要符号表 缩写符号英文解释中文解释 d p s d o p p l e rp o w e rs p e c t r u m多普勒功率谱 p d pp o w e rd e l a yp r o f i l e功率延迟谱 。 最大多径时延 厶一最大多普勒扩展m a x i m u md o p p l e rs p r e a d 蝇 d e l t ao f c a r r i e rf r e q u e n c y子载波频率增量( 间隔) p 单径能量值 p d p r o b a b i l i t yo f d e t e c t i o n检测概率 p f a p r o b a b i l i t yo f f a l s e a l a r m 虚警概率 p l p r o b a b i l i t yo f l o s t漏检概率 i c ii n t e r - c a r t i e ri n t e r f e r e n c e子载波间干扰 i s i i n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e符号间隔 t s a m p l et i m e 样值时间，等于1 1 2 k h z o f d m 符号有用部分时 t uu s e 削p a r tt i m e 间 o f d m 符号保护间隔时 t g g u a r di n t e r v a lt i m e 间 o f d m 符号完整对域时 t s s y m b o lt i m e 间 c p c y c l i cp r o t e c t i o no f d m 循环前缀 x 主要符号表 毋 f r e q u e n c yr e f e r e n c ep i l o t频率参考单元 p f t i m er e f e r e n c ep i l o t时间参考单元 b g a i nr e f e r e n c ep i l o t增益参考单元 f ， r o u g hc a r r i e rf r e q u e n c y 整数倍载波频率 d f c a r r i e rf r e q u e n c yi n t e r v a l 子载波间隔，即1 ( n t ) 与屯毛 f r a c t i o n a lf r e q u e n c yi n t e r v a l小数倍载波角频率 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。 张弘吼切7 年展2 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： 导师签名：j 年 日期：h 司年二月，口日 第一章绪论 1 1 选题背景及其意义 第一章绪论 随着通信技术的飞速发展，当今世界已进入到一个崭新的数字时代，数字技 术正深刻地改变着人们的生活和工作方式，也对媒体的传播方式产生了巨大影响。 传统的模拟调幅广播使用3 0 m h z 以下的发射频率，包括长、中、短二个波段， 信号覆盖全球。然而由于其传输节目单一，接收声音质量不高，正面临其它数字 媒体手段的巨大挑战，因此调幅广播的全面数字化迫在眉睫。基于这个原因，世 界性数字无线电组织( d i g i t a lr a d i om o n d i a l e ) 制定了数字调幅广播标准【1 1 ，不但保 留了模拟调幅广播覆盖范围广以及适合移动接收的优点，而且克服了模拟调幅广 播传输质量差、业务单一、发射功率大的缺点，并可提供附加数据业务，具有巨 大的发展潜力。使用多个发射台站建立的同频网络，不但可以扩大覆盖范围，同 时利用o f d m 系统自身的抗多径特点，获得多径增益，提高了信道容量。 为了克服中短波信道的时变多径特性带来的信号衰落并充分利用有限的带宽 资源，d r m 标准采用了o f d m q a m 技术、单元交织和位交织技术、v i t e r b i 信道 编码技术。目前，由于受到生产成本的限制，实用的d r m 接收机在世界范围内尚 处在研制阶段，最先进的是t i 和r a d i o s e a p e 公司在2 0 0 6 年联合推出的d r a m 和数 字音频广播( d a b ) 联合f p g a 接收板r s 5 0 0 。相比于d a b ，d r m 的发展潜力 非常巨大。这对于数字调幅广播才刚刚起步的我国来说，这无疑是一个契机。我 国在9 0 年代就已经开始以中国传媒大学为中心进行数字调幅广播的研究，2 0 0 6 年， d r m 在哈尔滨，广州等地进行了试播。 基于上述原因，本人承担了对d r m 进行接收机基带技术的研究。包括电离层 短波无线信道的建模，基带接收结构的设计及相关算法选择。这对研制开发具有 自主知识产权的低成本d r m 接收机及相应数据终端设备具有积极意义。四川虹微 技术有限公司做为芯片自主研发企业，也能借此为通信接收机方面的芯片研发打 下坚实的基础。 电子科技大学硕士学位论文 1 2 数字调幅广播发展简介 最先将数字技术引入到广播领域的是欧洲在二十世纪八十年代中期开始的 e u r e k a1 4 7 工程，即数字音频广播d a b 。这是一种全新的广播系统，设计了新的 发射机和接收机，占用了新的频段( 1 4 5 2 , - , 1 4 9 2 g h z ) 。d a b 可以达到c d 音质，对 多径传输有较强的抵抗能力，可提供各种新的增值数据服务，自1 9 8 8 年公开演示 以来，发展迅猛，我国华北和广东等地都己建立了实验系统。但是d a b 系统工作 在l 和s 波段，需要占用新的频带资源，采用新的发射设备以及昂贵的特殊接收 机，频带利用率不高，这些缺点影响了d a b 系统在我国的迅速推广。 1 9 9 8 年3 月5 日，世界上二十多个知名的广播组织在中国广州签署了d r m 谅解备忘录，正式成立世界性数字a m 广播组织d r m ( d i 西t a lr a d i om o n d i a l c ) ， 其中m o n d i a l c 是法文，即“世界数字广播”集团。在这期间，d r m 也成为i t u ( 国 际电信联盟) 广播分部的成员。2 0 0 1 年9 月，e t s i ( 欧洲电信标准协会) 公布了d r a m 系统技术规范，并在2 0 0 2 年3 月获得i e c ( 国际电工委员会) 通过，d r a m 数字声音 广播系统正式成为世界标准，为a m 广播的数字化铺平了道路。国际上不少广播 机构的部分发射台，己经从2 0 0 3 年6 月1 6 口开始，将d r m 系统正式投入广播运 行，这标志着3 0 m h z 以下广播新时代的开始。中国的d r m 标准也已经由中国传 媒大学提交审核，预计在2 0 0 7 年8 月通过审核。 d r m 系统是一个经过严格的开路试验、技术上比较成熟的系统，它是唯一的、 经过测试的、非专利的、发展的世界标准，受市场的驱动和消费者的导向。d r m 正是致力于为3 0 m h z 以下的短波、中波、长波建立一个全世界的数字性的体系， 它给全世界的生产制造商和世界著名的媒体机构提供了合作的阵地。2 0 0 6 年，d r m 组织已经推出d r mp l u s ，将与d a b 竞争频带资源，提高广播的处理能力。 1 3 论文主要内容 论文的内容包括电离层短波无线信道的建模与仿真，基带接收机的算法结构 设计及算法选择两大部分。第一部分详细分析了d r m 的电离层短波无线信道的建 模技术，并进行了仿真验证。第二部分对接收机的同步技术及信道估计技术进行 分析，分别对f f t 前和f f t 后的同步算法进行选择和性能评估；针对d r m 星状 导频的特点，选择适合的信道估计方法。 本文研究的重点是接收机算法的实际性能，对d r a m 接收系统的信道解码和信 2 第一章绪论 源解码部分没有进行详细描述。仿真根据d r m 提供的6 种信道和性能指标，进行 算法的底限测试，对部分算法在最恶劣环境下进行蒙特卡洛仿真。信噪比选择在 1 5 d b 以下，并且算法设计的重点放在具有强频率选择性的多径信道及信道在多普 勒扩展增长时的算法的性能变化上。 1 4 论文的组织结构 论文每一章的安排都是首先阐述相关技术原理，然后是具体实现过程或算法 步骤。在论述过程中配合示意图对算法设计思想进行解释，并给出性能分析以及 可进一步改进的方案。 第一章介绍了本课题的背景，数字调幅广播的发展及文章研究的主要内容。 第二章对d r m 标准中和基带解调相关的关键技术进行了分析，为后续的信道 仿真，同步和信道估计的描述做出铺垫。 第三章阐述了电离层短波无线信道的建模与仿真技术。从理论和实现的角度 对这种高斯形多普勒功率谱的信道进行了详细描述。并给出了实现过程中若干关 键参数的选择，以及进一步提高仿真器精度的方法。 第四章对d r m 接收机同步结构中的关键算法进行了详细分析。主要分为载频 同步和符号同步，帧同步三个部分。针对d 1 l m 特有的传输模式，分析了d k m 健 壮模式检测的算法，并进行了仿真。 第五章分析信道估计的基本理论，导频位置数据的获取算法，并分析了时频 二维的插值方案，并进行了仿真。 第六章对论文的工作进行了总结，并给出了下一步所要进行的工作。 电子科技大学硕士学位论文 2 1 本章概述 第二章d r m 的关键技术 本章对d r m 中的关键技术进行了介绍，主要侧重于与基带解调相关的技术。 包括四种健壮模式，传输的帧结构，以及o f d m 导频单元的设置。这几项技术是 接收机进行同步和信道估计的基础。 2 2 d r m 的关键技术介绍 2 2 1 d r m 的传输模式 因为在3 0 m h z 以下频段传播条件差，d r m 根据前期对信道的测试情况，在 d r m 标准【1 】中定义了一组o f d m 模式以便处理不同的传输条件，称为健壮模式。 每一种传输模式用信号带宽相关参数和传输效率相关参数定义。信号带宽相关参 数定义了频率带宽的总量和一种传输模式所用的结构，传输效率相关参数允许在 容量( 可用比特率) 与抗噪声、多径干扰和多普勒效应之间进行折衷。不同的o f d m 模式，强度类型有所变化。 模式a 适用于在g a u s s i a n 信道和衰减信道上的传输，它是典型的地波传输( 中 波、长波) 。其它模式能处理时、频选择信道，它们是典型的天波传输( 在晚间的短 波和中波) 。模式c 与b 相比，两者因有相同的保护间隔。它们对延迟漂移具有相 同的强度，但模式c 因o f d m 符号有用时间( 7 u ) 更短从而对多普勒扩展有更好 的抵抗能力。模式d 具有最大的保护间隔时间和最短的死。因此模式d 对严重延 迟和多普勒扩展具有最高的纠错强度，但以最低的数据率为代价。最好的模式选 择对广播商是一个重要的问剧3 2 1 。各模式对应的t u 值等效于o f d m 变换的长度， 分别为2 8 8 ，2 5 6 ，1 7 6 ，1 1 2 。 2 2 2 d r m 的传输帧结构 d r m 每个传输超帧由3 个传输帧组成。每个传输帧固定占据4 0 0 m s 的传输 时间，一个传输超级帧占据1 2 s 。传输帧由s 个o f d m 符号组成，四种健壮模式 4 第二苹d r m 的关键技术 分别为1 5 ，1 5 ，2 0 ，2 4 。一个o f d m 传输帧包括数据单元、控制单元和导频单元。 数据单元来自主业务信道( m s c ) ，用于d r m 多路复用中所有要传送的服务数 据。多路复用可以包含最多4 种服务，每种服务既可以是音频，也可以是数据。 m s c 的传输能力由d r m 的健壮模式和带宽占用决定。d r m 为m s c 提供了等级 调制机制( h i e r a e i e a lm o d u l a t i o n ) 和单元交织来提高数据保护能力。通过设置不 同的等级( 包括数据的保护等级，信道编码速率，q a m 调制级别，交织长度) ， 能够为一个传输帧中m s c 的一个或多个业务提供不同的差错保护能力。 控制单元由快速访问信道0 7 a c ) 与业务描述信道( s d c ) 组成。f a c 提供关于信 道带宽和其它一些参数的信息( 如频带占有和交织深度) ，以及允许接收机快速搜索 的业务选择信息。s d c 在每个传输超级帧开始部分携带。它给出怎样解码m s c 及 找到相同数据的替换源的信息，并给出多路复用中业务的归属。 f a c 在每个传输帧中的位置固定，并不随配置参数的改变而改变。f a c 的成 功解析可以做为接收机获取有效数据的第一个标记。 2 3 d r m 的o f d m 导频单元 d r m 频域设计了3 种导频。分别称为频率参考单元，时间参考单元和增益参 考单元【”。这三个参考单元是进行f f t 后同步的基础。 2 3 1 频率单元和时间单元 频率参考单元p ，在每个o f d m 符号上设置三个位置，分别对应7 5 0 ，2 2 5 0 和 3 0 0 0 h z 的位置。不同的健壮模式下，由于子载波间隔不同，对应的导频位置不同。 在接收端，根据这三个导频的位置和相位可以获得载波频率偏移。 时间参考单元只位于传输帧的第一个o f d m 符号。通过判断o f d m 符号在 对应位置的相关值，可以找到帧起始符号的位置。时间参考单元的数据同时可以 用于载波频率偏移的估计。 2 3 2 增益单元 增益单元b 可以看作时频二维平面上的采样点。为了恢复信道传输函数，采 样点的间隔必须满足二维采样定理。同时，采样点的密度必须足够低，以避免对 数据传输率的影响。定义f 赢为最大多径时延，厶一为最大多普勒扩展；时域方 5 电子科技大学硕士学位论文 向的最小间隔n t ( 以o f d m 符号的时间间隔n = t u + 强为单位归一化) 和频率方 向的时间间隔彤( 子载波频率间隔疋= 1 兀为单位归一化) 分别对应多普勒扩 展以及最大时延扩展。 根据频域抽样定理，对信号在频域的抽样对应于在时域的周期延拓，其延拓 周期1 ( ，c ) 应不小于最大的时延扩展，即： 1 袁 ( 2 矗” 化简得到： 1 ，矗 心册 在时域上的变化对应于多普勒扩展以，根据时域抽样定理，抽样频率1 ( n , t s ) 应不 小于信号带宽的2 倍，即： l ( 乃) 2 厶 ( 2 3 , - 3 ) 化简得到： 川硒1 ( 2 ) 根据d r m 的四种健壮模式，增益导频的间隔不同，所能抵抗的最大多径时延和最 大多普勒频移也各不相同，如表2 3 1 所示： 表2 孓1 导频间隔与最大多径时延，最大多普勒频移对比表 健壮模式m m 吒。 厶一 a52 01 2 m s3 7 5 h z b 363 6 m s 6 2 5 h z c243 7 m s1 2 5 h z d333 i m s1 0 h z 6 第三章电离层短波无线信道的建模及仿真 第三章电离层短波无线信道的建模及仿真 3 1 本章概述 无线系统的性能最终是由信道决定的【2 】，没有可靠的信道模型，很难设计在真 实无线环境中工作的系统。其基本目的是为了更好的系统设计，算法设计以及天 线设计。 本章详细分析了电离层短波无线信道的建模与仿真技术，并介绍了我们的仿 真模型的实现步骤。首先介绍了无线信道的衰落特性，以及通用的数学模型。然 后根据电离层短波无线电信道的多束电波反射以及高斯形状功率谱的特点，分析 了其仿真模型的结构。最后选择白噪声滤波法进行了信道仿真器的设计。白噪声 滤波法要用到高斯形状功率谱生成滤波器，上插值滤波器，以及为了匹配仿真速 率要求的多级插值结构。这是多数信道仿真器不具备的结构。 3 2 无线信道仿真理论 3 2 1 无线信道的衰落特性 移动信道传播特性如何，是研究移动通信首先必须解决的问题。发射机与接 收机之间的无线传播路径非常复杂，从简单的视距传播，到遭遇各种复杂的地物 ( 如建筑物、山脉和树叶等) 所引起的反射、绕射和散射传播等。无线信道不像 有线信道那样固定并可预见，而是具有极度的随机性。而且，移动台相对于发射 台移动的方向和速度，甚至收发双方附近的移动物体也对接受信号有很大的影响。 因此，可以认为无线的传播环境是一种随时问、环境和其它外部因素而变化的传 播环境。无线信道的衰减可以划分为路径损耗，大尺度衰落以及小尺度衰落【2 】： 1 ) 路径损耗是传播造成的能量衰减，随距离成指数衰减。典型的自由空间和 地面传输的路径衰减表达式为： t1 - l i2 0 l o g l o ( 三竿) ，自由空间 k “) = 。： ( 3 2 1 ) l2 0 1 0 9 l o ( ) ，地面传输 7 电子科技大学硕士学位论文 其中，五为信号的波长，k 和 。，分别为发送和接收天线的高度。 2 ) 大尺度衰落表征了由于移动台经过了较大距离的运动而引起的平均接受功 率的衰减。这一现象是受到位于发射机与接收机之间的显著的地形特征影响( 小 山丘、森林，广告牌、建筑群等等) 造成的接收信号幅度缓慢变化。短波无线信 道的大尺度衰落的统计特性随距离成对数正态分布，典型的衰落表达式为： p d f ( l m ) 2 赤c x p ( 一) ( 3 2 - 2 ) 3 ) 小尺度衰落指的是由于在发射机和接收机之间的空间区域内很小的变化 ( 几个波长) ，而导致信号的幅度和相位较大的变化的现象。小尺度衰落是多个独 立幅度和相位的电波在接收端的累积造成的，在没有可视路径时，其衰落特性服 从零均值，方差为0 9 - - 维高斯分布，衰落幅值4 服从参数为矿的瑞利分布；存 在可视路径时，衰落幅值服从参数为的莱斯分布： f善酬一善) 一2 b ：氍。笋垃。( 3 各3 其中，厶o 是零阶贝塞尔函数。小尺度衰落有两种产生机理：多普勒扩展和多 径时延扩展。分别对应多普勒功率谱密度函数( p s d ) 和时延扩展函数( p d p ) 。 这是信道分析和仿真的重点。 多普勒扩展是一个连续的功率谱，根据其大小，信道分为快衰落信道和慢衰 落信道，多普勒扩展越大，信道衰落越快。功率谱边界，也就是最大多普勒扩展 处的影响可以理解为对原始信号进行调制的载波，在时域引起正弦波式的衰落 多普勒扩展大，载波的频率越大，等效于衰落越快。物理上看，多普勒扩展越大， 意味着接收设备运动速度越快，信号变化越剧烈，衰落也更快，如图3 2 1 所示： 8 第三章电离层短波无线信道的建模及仿真 图3 2 - 1 多普勒衰落示意图 多径时延扩展对应了多径信号进行叠加的时间范围，信道也因其大小分为平 坦衰落信道和选择性衰落信道。类似于多普勒扩展的理解方式，最大多径时延扩 展处的脉冲会在频域引起正弦波式的衰落。最大时延越大，衰落的变化特性越强， 衰落的选择性也越强。从物理上看，多径时延越大，意味着信号到达的情况越复 杂，复杂的相差累积会造成频谱选择性的衰落特性，如图3 2 2 所示： 图3 2 - 2 多径时延衰落示意图 图中所示的频谱带宽均为4 8 k h z 。当四径衰落时间间隔在0 0 1 m s 数量级时，衰落 相对平坦；而间隔在l m s 数量级时，产生的衰落选择性非常强，这类信道在进行 信道估计时需要更高的精度来处理。 3 2 2 无线信道的数学模型 单径信道可以由一个复数变量来表达其信道衰落特性： o 电子科技大学硕士学位论文 c ( f ) = a ( t ) e x p u o ) )( 3 2 _ 4 ) 其中d ( f ) 表示当前时刻的信道造成的幅度衰落，( f ) 表达相位变化。 多径信道环境下，每条路径的影响由冲击延迟项表达。在最大传输时延范围 内，信道的影响由若干条能量服从大尺度衰落特性的冲击延迟与该径对应的小尺 度衰落特性来表达： h f t ) = p f c j ( t ) a ( t - r t ) ( 3 2 - 5 ) 1 - 0 其中，三代表了信道多径数目。 w s s u s 传输模型使用传输时延f 以及多普勒频率厶来表达信道干扰。 w s s u s 是一种信道特性的假设。晰d es e n s es t a t i o n a r y ( w s s ) 表明信道的时间相 关性时不变，即不同多普勒频率的影响互不相关。u n c o r r e l a t e ds c a t t e r i n g ( u s ) 表 明信道频率相关性不变，即不同的时延信号造成的影响互不相关。w s s u s 模型将 无线信道的散射函数s ( f ，厶) 转换为相互独立的两个函数关系时延功率谱( p d p ) 以 及多酱勒功率谱( d p s ) ： 矗， p d p ( r ) = is ( f ，厶) 匆0 ( 3 2 - 6 ) 一瓜 d p s ( f d ) = is ( r ，厶) ( 3 2 - 7 ) i 基于w s s u s 信道模型的假设，信道响应的自相关函数在时域仅与时间增量f 相关，在频域仅与频率增量可相关【3 l 。信道响应的自相关函数定义为： ，肼( 蜕的= 去e ( 厂，力日( 厂+ 蜕f + ) ( 3 2 - 8 ) 二 日( 厂，f ) = i ( f ，t ) e x p ( - j 2 z ，f r ) d r ( 3 2 - 9 ) 其中h ( r , t 1 是时变信道的等效低通响应函数。自相关函数与散射传输函数存在如下 的傅立叶变换关系： 岬絮 s ( r ，厶) 2j j7 册( y a ) 唧u 2 m 蜘) 哪u 2 出) d ( d ( 卸 ( 3 2 - l o ) 1 0 第三章电离层短波无线信道的建模及仿真 3 3 电离层短波无线信道仿真模型 电离层短波无线信道仿真模型建立的目标在于产生接近于实际移动无线电接 收机经历的物理信道的时变衰落。理论研究表明，空间信道具有高斯形状的d p s 。 尤其是具有频率选择性的移动无线电信道，d p s 形状与经典的j a k e s 功率谱差异非 常大。它类似于高斯形状，并且一般都会偏离初始频率位置，形成一个具有偏移 量的高斯谱线。这种谱线的产生是由于远端的反射波几乎形成了主要的入射能量 波，造成了这个频率偏移量【4 】。单径远端反射产生的影响示意图如下： 图3 3 - i 单径远端反射示意图 d r m 中的信道属于低频( l f ) ，中频( m f ) 和高频( h f ) 广播传输信道。由 于电磁波的传播受到地球表面和电离层的影响，这三类信道都属于多径信道【5 1 。 d r m 中定义的信道使用带固定统计特性的随机时变模型，并且通过设置通用的仿 真模型的近似参数，把信道定义为优，中等和差三个类别。这类模型中，具有可 调参数的正是前面描述的w s s u s 模型。该模型表达为： 垡 ) o ) = 艺p l c t ( t ) x ( t f f ) ( 3 3 1 1 ) 其中x ( o 和y ( o 分别是发送信号和接收信号的复数表达式。可以看出，该式是输入 信号工经过( 3 1 - 5 ) 表达的信道后产生的结果。t 是每一径的时延，l 个路径的时 延会带来接收信号时间性扩展，导致多径叠加具有频率选择性效应。当信号时间 电子科技大学硕士学位论文 扩展远小于符号周期t 时，信道的影响是非频率选择性的( 在接收机的设计中， 当一 o 1 t 时，可以做非频率选择性假设) ；反之，当信号时间扩展与t 具有可 比性时，信道是频率选择性的【8 1 。 因为频率选择性信道可以看做线性时交的系统，信道在时刻t 对t o 时刻发送的 冲激信号的响应为h o ( t o ，0 ，也就是： 8 ( t - t o ) - - h o ( t o ，力 ( 3 3 1 2 ) 考虑到实际信道中，当前发送的脉冲不可能会对以前时刻造成影响，即系统是因 果的，有： ( 岛，f ) = 0 t t o( 3 3 - 1 3 ) 并将连续信号表示为无穷多个j 函数的加权： 吧 f ) = ix ( t o ) 8