（通信与信息系统专业论文）dvbt中ofdm信道估计技术研究与软件实现.pdf

中文摘要 中文摘要 正交频分复用技术( o f d m ) 已经成为宽带通信的主要实现方法，它以其众 多优点而被广泛应用在各种高速数据通信中，因为o f d m 系统能有效对抗多径 衰落造成的符号间干扰( i s i ) ，因此它可以在频率选择性衰落信道中实高速率的 无线通信：而信道估计是o f d m 系统中需要解决的重要问题， 本文主要结合欧洲地面电视广播系统( d v b t ) 对信道估计技术进行了深 入研究，首先研究了无线多径信道的特征，讨论建立瑞利多径衰落信道模型的 方法，然后针对o f d m 接收机中各种基于导频的信道估计的算法和各种插值算 法进行了理论探讨和仿真研究，从而得到了适合在d v b t 系统中应用的信道估 计模块设计方案，并利用m a t l a b 中的仿真软件包s i m u l i n k 对该信道估计方案 进行了仿真实现，并通过反复试验论证，优化设计方案，获得了良好的信道估 计效果。 关键词：正交频分复用，欧洲地面电视广播系统，信道估计，仿真实现 a b s t r a c t 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 ) h a sb e c o m et h em a i n m e t h o do fb r o a d b a n dc o m m u n i c a t i o n s ，a n dw i t hi t sm a n yb e n e f i t s ，o f d mh a sb e e n w i d e l yu s e di nv a r i o u sh i g h s p e e dd a t ac o m m u n i c a t i o ns y s t e m s b e c a u s et h eo f d m s y s t e mc a nb ee f f e c t i v ea g a i n s tt h ei n t e r s y m b o li n t e r f e r e e n c e ( i s i ) c a u s e db yt h e m u l t i f a d i n g ，s o i tc a ns u p p o r tt h eh i g h - s p e e dc o m m u n i c a t i o n si n t h ef r e q u e n c y s e l e c t i v ef a d i n gc h a n n e l ，w h i l et h ec h a n n e le s t i m a t i o ni sap r o b l e mi nt h eo f d m s y s t e m t h i sp a p e rf o c u s e so nt h et e c h n o l o g yo fc h a n n e le s t i m a t i o ni nt h ee u r o p e a n t e r r e s t r i a lt e l e v i s i o ns y s t e m s ( d v b t ) f i r s tid os t u d yi nt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h e w i r e l e s sm u l t i - c h a n n e la n dd i s c u s st h ee s t a b l i s h m e n to fm u l t i - - r a y l e i g hf a d i n g c h a n n e lm o d e l a n dt h e n ，i nt h ep i l o t - b a s e dc h a n n e le s t i m a t i o nf o ro f d mr e c e i v e r , i d os o m es t u d ya n ds i m u l a t i o no ft h ev a r i o u sa l g o r i t h m sa n di n t e r p o l a t i o na l g o r i t h m ， b yw h i c hif i n dad e s i g nm e t h o ds u i t a b l ef o rt h ec h a n n e le s t i m a t i o no fd v b t s y s t e m a tl a s t ，t h es i m u l a t i o nw a si m p l e m e n t e du s i n gm a t l a bs i m u l a t i o ns o f t w a r e p a c k a g es i m u l i n k ，a n da f t e rr e p e a t e dt e s t i n gd e m o n s t r a t i o n ，t h ed e s i g nw a si m p r o v e d ， a c c e s s i n gag o o dc h a n n e le s t i m a t i o nr e s u l t s k e y w o r d ：o f d m d v b - tc h a n n e le s t i m a t i o ns i m u l a t i o n i i 南开大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解南开大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本：学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：钇目无办 2 0 0 8 年，月2 9 日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签学位论文作者签 名：名： 解密时年月 日 间： 各密级的最长保密年限及书写格式规定如下： 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均己在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名：亏艺眈乞 z p o 方年工月谄日 第一章绪论 第一章绪论 计算机、通信，多媒体等数字技术的发展，使广播事业发生了日新月异的 变化，高清数字电视( h d t v ) 成为数字电视领域的发展趋势。d v b 联盟发布 的数字地面电视( d t t v ) 广播的标准即d v b t 标准l l j ，是基于c o f d m ( 编码 的正交频分复用调制) 技术，此前c o f d m 技术已经在d a b 系统试验成功。 o f d m ( 正交频分复用技术) 是目前频谱利用率最高的通信系统，它将数字调制、 数字信号处理、多载波传输技术有机结合起来，使它在频谱利用率、功率利用 率、系统复杂度等方面具有很强的竞争力，是支持未来无线通信的主要技术之 一。o f d m 技术在u h f v h f 频带非常适合数字视频广播。它在8 m h z 带宽内能 够提供2 4 m b i t s 以上的数据传输速率。 o f d m 技术是现今通信领域的热门技术，此技术完美的应用于d v b 各标准 中，在o f d m 系统中有许多关键技术，包括同步技术、信道估计、降低峰均比 ( p a r ) ，编码以及分集技术( m i m o o f d m ) 等诸多领域。本论文的主要研究工作 是无线o f d m 系统中的信道估计问题。 第一节d v b t 系统概况 随着数字化的时代来临，电视广播也逐渐从传统的模拟式系统转换成数字 式系统，正如行动通讯从第一代的模拟式系统演进到第二代以语音为主和第三 代能够提供多媒体服务的数字式系统。数字电视广播相对于传统的模拟电视广 播，除了可以提供更高画质与更好音质的节目以及更佳频谱使用效率之外，更 重要是它能够提供各种数据服务。目前，全球数字地面电视广播( d i 百t a l t e r r e s t r i a lt e l e v i s i o nb r o a d c a s t i n g ：d t t b ) 标准包括有：美标a t s c 、欧标d v b t 、 以及日标i s d b t 。其中以欧标d v b t 为最多国家所采用。除了欧洲国家外， 确定采用d v b t 标准尚包括有：澳洲、纽西兰、巴西、新加坡。数字式视频广播 系统能够克服现有模拟系统因地形地物因素造成接收不良或忽强忽弱的现象， 提供更高画质与更佳音质的节目。同时，频谱的使用也更为有效率，在同一带 宽可以传送更多的节目。更重要的一点，数字视频广播能够提供数据广播所衍 第一章绪论 生的各种增值服务( 例如p c t v 服务) 。 数字电视的国际标准按传输方式分为地面、卫星、有线3 种，这3 种标准 又以欧洲、美国、日本为代表。1 9 9 7 年，欧洲通信标准研究所( e t s i ) 发表了它 的数字广播技术规范，包括卫星、有线和地面电视等通用广播电视传输媒体， 它分别对应的d v b 标准为d v b s 、d v b c 、d v b t 等，d v b s 和d v b c 己 被世界各国采纳。基于m p e g 2 的d v b 普通数字电视在美国、南美、亚洲、大 洋洲和非洲通过卫星进行广播。美国的a t s c 标准接收门限低、传输远、覆盖范 围广，但对多径反射不能适应。欧洲的d v b t 标准正好能弥补其短处，具有较 强的多径反射适应能力，在大城市密集的楼群中不仅能良好接收，还能够移动 接收，并可建立单频网。d v b t 标准的不足是传输功率不够，覆盖面较小。日 本的数字电视标准是在d v b t 的基础上发展起来的。 d v b t 网络出现在d v b c 网络之后，不可能在传统业务上与d v b c 竞争， 因此必须发挥其移动的特点，在增值业务上下功夫，目前在欧洲运行的几个 d v b t 网络都是以增值服务为核心的。而众所周知，移动设备的功耗一直是制 约移动设备功能的一大瓶颈。降低功耗不仅仅是对于加工工艺提出的要求，同 时也是对于芯片设计本身提出的要求。 d v b t 采用级联码( 卷积码和r s 码级联) g q 错检测技术和o f d m ( 正交频分 复用) 调制技术，传输m p e g 2 码流。o f d m 具有很强的抗多径干扰的能力。 d v b t 相对于传统模拟传输系统其优势主要在于： ( 1 ) 提高了地面传输质量，因此可提供高质量广播电视节目： ( 2 ) d v b t 充分利用了信道带宽，提高了广播电视频谱资源的利用率： ( 3 ) d v b t 采用数据复用方式可将各种图像、声音、数据比特流组合成同 一格式的数据流传送。所以d v b t 能为将来开展多功能业务提供最有效的方法。 d v b t 移动数字电视接收系统可以接收数字电视节目，实现在个人电脑上或嵌 入式系统中解码并实时播放高清或标清电视画质的m p e g 2 视频信号和音频信 号，适合运用电脑收看电视节目，并可以移动接收，这对促进数字电视产业化 具有重要意义，在商业领域有其突出的作用，市场前景看好。 2 第一章绪论 第二节o f d m 技术简介 1 2 1发展历史 正交频分复用( o f d m - - o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i d e dm u l t i p l e x ) 技术作为 一种高频谱利用率的调制技术是2 0 世纪5 0 - 6 0 年代提出来的，其基本思想就 是通过采用允许子信道频谱重叠，但又互不影响的频分复用( f d m ) 的方法来 并行传送数据。不仅有较高的频谱利用率，而且有较强的抗脉冲噪声及抗多径 衰落能力。 但是在早期的o f d m 系统中，发射机和相关接收机所需的副载波阵列是由 正弦信号发生器产生，并且在相关接收时各个副载波需要准时的同步，因此当 子信道数很大时，系统就显得非常复杂和昂贵。 s b w e i n s t e i n 和p m e b e r t 在1 9 7 1 年发表的论文中指出多路正交载波的调制 解调可以利用d f t i d f t 来快速实现，为o f d m 技术的广泛应用迈出了坚实的 第一步。他们的工作解决了如何快速有效地实现o f d m 调制解调的问题，避免 了使用一组子载波振荡器来产生子载波信号，这样简化了系统的硬件规模，为 实现o f d m 的全数字化方案作了理论上的准备。但是他们并没有解决如何在多 径信道中消除信道间干扰( i c i ) 和符号间干扰( i s i ) 。 1 9 8 0 年，a p e l e d 和a r u i z 开创性地将循环前缀( c y c l i cp r e f i x ，c p ) 技术 引入o f d m ，解决了这一问题。他们不是在符号间插入另外设计的保护间隔， 而是插入o f d m 符号的周期扩展，有效地将信道与发送信号之间的线性卷积近 似成循环卷积对应为频域的乘积，成功地解决了载波间正交性难以维持的 问题。当c p 的长度大于信道脉冲响应时能很好的保证子信道之间的正交性。同 时这种技术也带来了正比于c p 长度的能量损失，但是只要o f d m 系统实现良 好的同步，付出这些代价是非常有价值的。 o f d m 适合于从有线通信到无线通信的广泛应用领域，各种基于o f d m 技 术的通信标准相继出现：欧洲的数字视频广播( d ) 和数字音频广播( d a b ) 的物理层标准就采用了o f d m 调制解调技术。无线局域网( w l a n ：w i r e l e s s l o c a la r e an e t w o r k s ) 和无线城域网( w m a n ：w i r e l e s sm e t r o p o l i t a na r e a n e t w o r k s ) 是o f d m 的另一个应用热点。e t s i 和i e e e 的新一代w l a n 物理层 标准h i p e r l a n 2 和8 0 2 1 1 a 都使用了o f d m 作为物理层标准，来达到最高 第一章绪论 5 4 m b p s 的数据速率。e t s i 和i e e e 也正在制定采用o f d m 技术的无线城域网标 准。2 0 0 1 年1 2 月，d s r c ( 专用短距离通信) 标准化小组正式批准了采用o f d m 物理层的8 0 2 1 l a r a 标准，用于智能公路系统安全与交通管理。移动通信中的 b 3 g 标准也将o f d m 作为候选技术之一。有线通信中的a d s l 和v d s l 也都采 用o f d m 技术作为物理层标准。 1 2 2o f d m 的优势与不足 o f d m 技术主要有如下几个优点： 首先，抗衰落能力强。o f d m 把用户信息通过多个子载波传输，在每个子 载波上的信号时间就相应地比同速率的单载波系统上的信号时间长很多倍，使 o f d m 对脉冲噪声( i m p u l s e n o i s e ) 和信道快衰落的抵抗力更强。同时，通过子 载波的联合编码，达到了子信道间的频率分集的作用，也增强了对脉冲噪声和 信道快衰落的抵抗力。因此，如果衰落不是特别严重，就没有必要再添加时域 均衡器。 其次，频率利用率高。o f d m 允许重叠的正交子载波作为子信道，而不是 传统的利用保护频带分离子信道的方式，提高了频率利用效率。 再者，适合高速数据传输。o f d m 自适应调制机制使不同的子载波可以按 照信道情况和噪音背景的不同使用不同的调制方式。当信道条件好的时候，采 用效率高的调制方式。当信道条件差的时候，采用抗干扰能力强的调制方式。 再有，o f d m 加载算法的采用，使系统可以把更多的数据集中放在条件好的信 道上以高速率进行传送。因此，o f d m 技术非常适合高速数据传输。 此外，抗码间干扰( i s l ) 能力强。码间干扰是数字通信系统中除噪声干扰 之外最主要的干扰，它与加性的噪声干扰不同，是一种乘性的干扰。造成码间 干扰的原因有很多，实际上，只要传输信道的频带是有限的，就会造成一定的 码间干扰。o f d m 由于采用了循环前缀，对抗码间干扰的能力很强。 o f d m 技术的不足之处包括以下方面： 对频偏和相位噪声比较敏感。o f d m 技术区分各个子信道的方法是利 用各个子载波之间严格的正交性。频偏和相位噪声会使各个子载波之间的正交 特性恶化，仅仅1 的频偏就会使信噪比下降3 0 d b 。因此，o f d m 系统对频偏 和相位噪声比较敏感。 4 第一章绪论 功率峰值与均值比( p a p r ) 大，导致射频放大器的功率效率较低。与 单载波系统相比，由于o f d m 信号是由多个独立的经过调制的子载波信号相加 而成的，这样的合成信号就有可能产生比较大的峰值功率，也就会带来较大的 峰值均值功率比，简称峰均值比。对于包含n 个子信道的o f d m 系统来说，当 n 个子信道都以相同的相位求和时，所得到的峰值功率就是均值功率的n 倍。 当然这是一种非常极端的情况，通常o f d m 系统内的峰均值不会达到这样高的 程度。高峰均值比会增大对射频放大器的要求，导致射频信号放大器的功率效 率降低。 负载算法和自适应调制技术会增加系统复杂度。负载算法和自适应调 制技术的使用会增加发射机和接收机的复杂度，并且当终端移动速度每小时高 于3 0 公里时，自适应调制技术就不是很适合了。 第三节论文主要研究内容和论文结构 本文主要在研究组前期人员的理论研究基础上，专门针对基于d v b 。t 标准 的o f d m 系统中的信道估计技术作了深入的研究，设计出d v b t 系统的信道估 计方案，并采用m a t l a b 中的仿真软件包s i m u l i n k 对该方案进行了仿真和分析， 达到了理想的预期效果。 本文的论文结构如下： 第一章是绪论，介绍了本课题研究的背景，即d v b t 标准的简单情况及 o f d m 技术的发展历程和应用现状。第二章介绍了欧洲地面广播系统传输方案 以及该方案的特点，介绍了其发射框架，导频技术等。第三章介绍本文所应用 的通信相关原理知识，如o f d m 系统的组成和基本原理，包括o f d m 符号、用 i d f t d f t 实现o f d m 的调制解调、循环前缀等；以及无线衰落信道的相关知 识，重点介绍了瑞利信道的特征及其仿真方法。第四章介绍了o f d m 系统中的 信道估计技术，包括导频的选择和插入、获取导频位置信道信息的算法以及恢 复信道信息的插值算法，并且对频域中的信道估计算法和时域中的信道估计算 法进行了仿真及性能比较。第五章中，利用m a t l a b 中的仿真模块s i m u l i n k 对信 道估计方案以及整体的d v b t 信号同步接收方案进行了仿真。 5 第二章欧洲数字地面广播( d v b t ) 第二章欧洲数字地面广播( d v b - t ) 随着数字信号处理技术( 图像压缩、数字解调、信道编码) 和大规模集成 电路的迅速发展，数字电视逐渐成为广播电视行业必然的发展趋势。 1 9 9 2 年，数字视频广播联盟开始制定覆盖全部传输媒介的新的数字电视标 准，d v b 联盟在1 9 9 4 年3 月发布了d v b c 和d v b s 标准。1 9 9 7 年，d v b 最 终确定了数字地面电视( d t t v ) 广播的标准即d v b t 标准【l 】，它是基于编码 的正交频分复用调制( c o f d m ) ，此前c o f d m 技术已经在d a b 系统试验成功。 许多欧洲国家都使用d v b t 标准，并且逐步在全世界范围内推广，用它代替当 前模拟广播方案或使它成为模拟广播的补充方式。o f d m 技术在u h f v h f 频带 非常适合数字视频广播。它在8 m h z 带宽内能够提供2 4 m b i t s 以上的数据传输 速率。 第一节系统框图 图2 1d v b - t 发射端结构功能酣1 】 在d v b t 发射端，首先对电视信号按照m p e g 2 标准进行编码压缩。然后 6 第二章欧洲数字地面广播( d v b t ) 与其他控制信息一起进行复用，形成数字电视流，再与多节目流进行传输复用。 采用编码和交织级连进行信道编码，外层使用r s ( 2 0 4 ，1 8 8 ，8 ) 编码和深度为 1 7 1 2 的块交织，内层使用卷积编码、比特交织和字节交织。r s ( 2 0 4 ，1 8 8 ，8 ) 码长 2 0 4 个字节，信息位1 8 8 个字节，最多可以纠正8 个字节的错误。它是广泛应用 在数字电视传输系统中的一种纠错编码技术，具有很强的随机误码及突发误码 纠正能力。数据交织常常用来对抗突发差错，以使码元能够分散分布，将错误 码元数量控制在r s 编码纠错范围之内，再利用r s 编码技术进行纠错。系统采 用正交频分复用调制传输数据，一个o f d m 帧的所有数据载波可以选择q p s k ， 1 6 q a m 和6 4 q a m 映射以满足不同的数据传输速率。 o f d m 信号中包含三种导频信号：连续导频、分散导频和传输导频，它们 都是以提升功率发送的。并且导频信号对接收机是已知的。它们用来进行o f d m 信号的同步接收以及信道估计和补偿。 d v b t 系统还支持两级分层信道编码和调制发射，发送端首先根据优先级， 把复用器输出的码流分成两个独立的传输流，各自进行信道编码( 能量随机化、 r s 编码、交织) ，再通过映射器和调制器把编码后的码流映射在信号星座图上。 为了降低接收机的复杂度，分层仅限于信道编码和调制，而不对信源编码进行 分级使用。所以可以根据节目信号的健壮性来选择不同的抗干扰信道进行发射。 接收是发送的逆过程。接收机经过天线接收到高频信号后，先进行下变频，变 成中频模拟信号，经过a d 采样转变成数字基带信号。把串行数据分成并行n 路数据一并进行f f t 运算，完成o f d m 解调。由于传输过程中信号会受到信道 的干扰造成信号延迟、幅度衰减和频率相位的偏移，并且由于接收发送采样振 荡器不能完全匹配，会产生采样定时误差，所以必须进行符号同步、频率同步 和定时同步才能恢复出o f d m 信号。同时根据导频信号对接收机的己知性，通 过频域上对时间和频率两次插值的方法，把两个导频之间的其他子载波的信道 畸变求出来，并补偿到载波中从而去除信道对其产生的影响，最终得到理想的 接收解调信号。最后再进行信号映射，经信道解码( r s 解码、解交织、解卷积) 后送入解复用器和信源解码器中得到电视信号流。 7 第二章欧洲数字地面广播( d v b t ) 第二节o f d m 帧结构 2 2 1o f d m 帧参数 调制完毕的信息以帧的形式进行传送。 一帧数据包含6 8 个o f d m 符号，持续时间为t f ，编号为0 6 7 。一个o f d m 符号包含1 7 0 5 个载波( 2 k 模式) 或6 8 1 7 个载波( 8 k 模式) ，每个载波的时间 间隔为t s ，它由两部分组成：有用时间间隔t u 和保护间隔u 。保护间隔可以是 1 4 t u 、1 8 t o 、1 1 6 t u 、1 3 2 t u 。 每个符号都由数据和导频组成。载波编号在2 k 模式是从k l l i i 】= 0 到 k l 眦= 1 7 0 4 ，8 k 模式是从k i l l i n = o 到k 嗽= 6 8 1 6 。相邻载波频率间隔为1 厂r u ，载 波k i l i n 和k t 嘲之间的载波间隔可以根据( k 1 ) t u 来确定。o f d m 在2 k 模式和 8 k 模式下的参数如下图所示。 表2 12 k 和8 k 模式下o f d m 参数 参数8 k 模式2 k 模式 最小载波序号k 血n 00 最大载波序号k m 积 6 8 1 61 7 0 4 持续时间t u 8 9 6 u s2 2 4 u s 载波间隔l 厂r u 1 1 1 6 h z4 4 6 4 h z 最小载波与最大载波间隔 7 6 1 m h z7 6 1m h z ( k 一1 ) t u 发射信号的数学表达式为： s ( f ) = r e e 7 2 确 t 加( f ) ) ( 2 1 ) 其中： ：弘等( 卜n 及乃“8 棚蚓( 1 + 6 8 x m ) l 立( 1 + 6 8 x m + 1 ) e 1 0 其中：k 表示载波数，l 表示o f d m 符号数，m 表示传输帧数，t s 表示符号 持续时间，表示射频信号的中心频率，c i l j c 表示第m 帧中第1 个符号中的第 k 个子载波对应的复数信号。 2 2 2o f d m 导频 第二章欧洲数字地面广播( d v b t ) 在每个o f d m 符号中，有部分载波单元( 2 k 模式中1 9 3 个，8 k 模式中7 6 9 个) 以提升功率( 1 6 9 倍普通载波能量) 发射，这些载波的信息对接手机已知， 从而用于定时同步，频率同步，信道估计，模式检测，等等，这些载波被称为 导频。 导频分为三种：连续导频，分散导频，传输参数信号导频。 连续导频在每个符号中位置固定，下表给出连续导频的位置( 2 k 模式) 表2 22 k 模式下连续导频载波序号 分散导频在每个符号中位置不固定，令m 表示帧序号，k 表示载波，l 表示 符号序号，则分散导频的序号为： k = k 岫+ 3 ( 1 m o d 4 ) + 1 2 p p 为一切非负整数使k k 曲：k 。】。 k n 血= 0 i o o o o 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 o o 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 o o o o o o 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 o 0 0 0 0 0 0 0 o o o o o o o o o o 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 o o o o o o o o 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 o o o o 0 0 0 0 o 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 o o 0 0 0 0 0 0 o o o o o o o o o o o o o o o o 0 0 0 0 o o o o o o o o 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 ( 2 2 ) k 麟= i7 0 4 i f 2 k k m = 68 1 6 i f 8 k i o o o o o o o 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 o o o o 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 o o 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o 0 0 0 0 0 0 0 0 o o o o o 0 0 0 0 o o 0 0 0 0 0 0 0 0 0 o o o o o o o o o 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 t p sp i l o t sa n dc o n t i n u a lp i l o t sb e t w e e nk 劬a n d 雏en o ti n d i c a t e d b o o s t e dp i l o t od a t a 图2 2 分散导频在o f d m 符号中的分布图 9 连续导频位置( 序号k ) 04 8 5 48 71 4 11 5 6 1 9 22 0 12 5 5 2 7 9 2 8 23 3 34 3 2 4 5 0 4 8 3 5 2 55 3 16 1 86 3 6 7 1 47 5 97 6 57 8 0 8 0 48 7 3 8 8 89 1 8 9 3 99 4 29 6 99 8 41 0 5 01 1 0 11 1 0 71 1 1 01 1 3 71 1 4 01 1 4 6 1 2 0 61 2 6 91 3 2 31 3 7 71 4 9 11 6 8 31 7 0 4 酊o ，2 3 o o o o o 瓣灿 第二章欧洲数字地面广播( d v b t ) 传输信号导频( t p sp i l o t ) 用于传输相关参数，例如映射方式，分级信息等， 像传输模式和保护间隔等也需要利用t p s 进行检测。在2 k 模式中，t p s 有1 7 个载波，他们的载波序号为：3 4 、5 0 、2 0 9 、3 4 6 、4 1 3 、5 6 9 、5 9 5 、6 8 8 、7 9 0 、 9 0 1 、1 0 7 3 、1 2 1 9 、1 2 6 、1 2 8 6 、1 4 6 9 、1 5 9 4 、1 6 8 7 。 导频信号利用一个伪随机序列发生器的输出、进行调制，见下图2 3 连续导频和分散导频的调制公式为： r e c m a , , ) = 4 3 x2 ( 1 2 一纨) i m c f t ) = 0 ( 2 3 ) 而传输信号导频的调制公式为： r e ( c f t ) = 2 ( 1 2 一( - o k ) i m c f 女) = 0 ( 2 4 ) i n 1 a l l z a 扫l s e q u e n e e 1111111l111 图2 3 伪随机序列发生器 第三节本章小结 1 0 r b s 孽_ _ * m - n ：t l l l l l l l l l l 本章主要介绍d v b t 系统的概况，第一节主要对d v b t 发射端结构进行 大致的说明，主要介绍数字视频码流的编码、交织、映射等调制过程。 第二节主要介绍帧结构和o f d m 导频，在d v b t 系统中，插入导频是非常 重要的技术之一，而本文所研究的d v b t 中的信道估计技术，也是基于导频的 信道估计，这些我们将在下文逐步提到，所以在这里也首先详细的介绍一下此 系统中导频的分布情况和调制公式。 l o 第三章通信相关理论基础 第三章通信相关理论基础 在第二章关于d v b t 系统的描述中我们可以看到，此标准所利用的关键技 术就是正交频分复用( o f d m ) 技术，在绪论中对此技术的概况进行了简单说明， 在本章将对o f d m 的技术要点进行比较详细的介绍。 本论文主要研究o f d m 的信道估计技术，信道估计技术主要是为了消除信 号在空间传播所受到的信道影响，我们首先需要直观的理解衰落信道的特征， 所以在本章还将介绍衰落信道的信道特征，并给出瑞利信道的模型设计方案。 第一节o f d m 技术 3 1 1o f d m 基本调制原理 o f d m 是将高速串行数据分成成百上千路并行数据，并分别对不同的载频 进行调制，这种并行传输体制大大扩展了符号的脉冲宽度，提高了抗多径衰落 的性能。 假设信道数为n ，o f d m 符号宽度为t ，d i ( i - o ，1 ，n 1 ) 为分配给每个子 信道的数据符号( 一般是经过了p s k 或q 蝴调制映射的信号) ，则从饩开始 的一个周期的o f d m 复基带符号表示为【2 】： ，2 - 1 s ( f ) = r e 盔+ 2 r e c t ( t 一乓一专) e x p j 2 n t ( t 一乓) 】f 岛+ r ( 3 1 ) 调制原理图如下页图3 1 。 第三章通信相关理论基础 五= 朋0 9 2 朋 卜一 ( 符号，秒) r b i t s 毒一 母 辫+ 调制技术 转换 ( m q i 地m p s 贼 d p s k ) e 1 ， 赵卜一 图3 1o f d m 调制原理图 o f d m 和普通f d m 的最大区别，就是用于各个子载波调制的各个频率是相 互正交的，下图3 2 是一个有四个载波的o f d m 符号的时域表示，在图中我们 可以看到，每个子载波在一个o f d m 符号周期内都包含整数倍个周期，而且各 个相邻的子载波之间相差1 个周期。各子载波之间满足正交性。 图3 2 包含四个载波的o f d m 符号 频域同样可以解释o f d m 符号的正交性，每个o f d m 符号在其周期t 内包 括多个非零的子载波，因此其频谱可以看作是周期为t 的矩形脉冲的频谱与一 1 2 第三章通信相关理论基础 组位于各个子载波频率上的6 函数的卷积。矩形脉冲的频谱幅值为s i n e ( f r ) 函 数，这种函数的零点出现在频率为1 整数倍的位置上。如图3 3 所示，图中给出 了相互覆盖的各个子信道内经过矩形波形成型得到的符号的s i n c 函数频谱。在 每个子载波频率的最大值位置，所有其它子载波的频谱值恰好为零。 图3 3 四个子载波o f d m 符号的频谱图 3 1 2o f d m 的f f t i f f t 实现 我们来研究o f d m 基带调制模型，式( 3 1 ) 她) = r e n 2 - 1 一tdi+n2rect(t-t。t e x p 【，z 万；l i( ) 】以f 幺+ 丁= - n 2 s ( f ) = r e 一百j e x p 【，z 万彳o 一乓) 】 以f 幺+ 丁 二工 不失一般性的，对其进行简化处理，忽略矩形函数，令t s = o ，对信号s ( t ) 进行采样，速率为n t ，令仁斟厂r ( k = o ，1 ，2 ，n 1 ) 得到 一1 一一二l s k = s ( k t n ) = 盔e x p u 等) o k 一1 ( 3 2 ) i = 0 1 对比i d f t 的调制公式，可以发现，若把d i 看作为频域采样信号，则s k 就是 其对应的时域的信号，即我们可以利用i d f t 来实现o f d m 的发射端的调制。 同理，在接收端，同样可以利用d f t 来实现o f d m 的解调恢复。 f f t 是d f t 的快速算法，在实际应用中一般利用f f t i f f t 来实现o f d m ， n 点i d f t 运算需要实施n 2 次复数乘法，而常用的基2i f f t 算法，复数乘法的 次数仅为( n 2 ) l 0 9 2 ( n ) ，n 越大，这种算法复杂度之间的差距越明显【3 j 。 1 3 第三章通信相关理论基础 即把数据的信道编码看作是在频域进行，经过i f f t 变换转化为时域的信号 再发送出去，接收端通过f f t 变换再恢复出原始的频域信号。 3 1 3o f d m 的保护间隔( g u a r di n t e r v a l ) 和循环前缀( c y c l i cp r e f i x ) 应用o f d m 的一个重要原因在于它可以有效的对抗多径时延扩展。通过把 数据流串并转换到n 个并行的子信道中，每个用于去调制子载波的数据周期扩 大为原始数据符号的周期的n 倍，因此时延扩展与符号周期的数值比也同样降 低n 倍。为了最大限度地消除符号间干扰，还可以在o f d m 符号之间插入保护 间隔，而且该保护间隔长度要大于无线信道中的最大时延扩展，这样一个符号 的多径分量就不会对下一个符号造成干扰。 在这段保护间隔内可以不插入任何信号，即是一段空白的传输时段。然而 在这种情况下，由于多径传播的影响，会产生信道间干扰( i c i ) ，即子载波间的 正交性遭到破坏，不同的子载波之间产生干扰。为了消除由于多径所造成的i c i ， o f d m 符号需要在其保护间隔内填入循环前缀。 循环前缀是指将一个o f d m 符号进行周期扩展，用扩展信号填充保护间隔， 保护间隔内的信号称为循环前缀。在o f d m 符号中加入循环前缀可以保证在一 个f f t 周期内，o f d m 符号的时延副本所包含的波形周期个数也是整数。这样， 时延小于保护间隔t 。的时延信号就不会在解调过程中产生i c i 。 循环前缀的结构如下图所示： 原始数据 i s oss 铲l s p 2s 珂_ l i c p ：l 插入循环前缀后的数据 图3 4 循环前缀 加入循环前缀的典型o f d m 发射和接收系统框图如下： 1 4 第三章通信相关理论基础 图3 5o f d m 系统框图 引入循环前缀不可避免的带来了信息速率和功率的损失，其实功率损失可 以定义为： 下 删= 1 0 l o g l o ( 等+ 1 ) ( 3 3 ) _ f 从上式中可以看到，当保护间隔占到符号周期的2 0 时，功率损失也不会 达到l d b ，但是会带来2 0 的信息速率( 带宽) 损失。但是插入保护间隔能够 有效的消除i s i 和多径造成的i c i ，所以这个代价是很值得的。 3 1 4 带外辐射功率和加窗技术 根据式( 3 1 ) ，可以得到功率归一化的o f d m 符号复包络： 嘶) = 面1 缶n - i 舭酬f 一吾) e x p ( 2 万弦) ( 3 4 ) o f d m 符号的功率谱密度l s ( f ) 2 l 为n 个子载波上信号的功率谱密度之和： 1 5 第三章通信相关理论基础 i s c 厂，1 2 = 专篓i 西丁s i n 万( 万。厂( f 一- 力f i r t ) i 2 ( 3 5 ， 在图3 6 中给出了n = 1 6 的o f d m 符号的信号功率谱密度图。 营 蟊 掘 童 鼍 霄 图3 6o f d m 符号功率谱密度 图是由各个子载波的功率谱密度合成得来，各个子载波功率谱分别由第一 个子载波的在频率上位移1 厂r 得到，由图可以推测，n 越大，在频率【- 0 5 ，0 5 内 的幅频响应会越平坦，而边缘也会越陡峭。 图中为了比较，特画出了b p s k 的功率谱。 但是计算得到，即使在n 为2 6 5 的情况下，其4 0 d b 的带宽仍为3 d b 带宽 的4 倍，详见图3 7 。 图3 7 载波数分别为1 6 ，6 4 ，2 5 6 的o f d m 符号的功率谱密度 1 6 第三章通信相关理论基础 因此，我们一般情况下还要对o f d m 符号进行整形处理，也就是应用加窗 技术( w i n d o w i n g ) ，加窗技术是为了令符号边缘的幅度逐渐过渡到零，通常情 况是用升余弦函数做窗函数： io 5 + o 5 c o s u r + f 万( z ) ) 0 t 乃 w ( f ) = 1 0 以t 互 ( 3 6 ) 【o 5 + 0 5 c o s ( ( t 一互) 万( 互) )互t ( 1 + ) 乃 其中t s 表示加窗前的符号长度，加窗后的符号长度为( 1 + 1 3 ) t s ，从而允 许了相邻符号存在互相覆盖的区域。b 为升余弦函数的滚降系数。 图3 8 给出了6 4 个载波，利用不同系数升余弦函数加窗后的频率功率图密 度，由图中可以看出，t 3 越大，带外辐射功率下降越快，但同时降低了o f d m 符号对延时扩展的容忍程度。 著 、_ ， 謇 图3 8 加窗函数对o f d m 系统功率谱密度的影响 3 1 5o f d m 参数选择 各种o f d m 参数的选择就是需要在多项要求冲突中进行折中考虑，通常来 讲，首先要确定三个参数：带宽、比特速率以及保护间隔。按照惯例，保护间 隔的时间长度应该为应用移动通信信道时延扩展均方值的2 到4 倍。一旦确定 1 7 第三章通信相关理论基础 了保护间隔，则o f d m 符号周期长度就可以确定。为了最大限度地减少由于插 入保护比特所带来的信噪比损失，希望o f d m 符号周期长度要远远大于保护时 间间隔长度。但是符号周期长度不可能任意大，否则意味着o f d m 系统中要包 括更多的子载波，从而导致子载波间隔相应减小，系统的实现复杂度增加，而 且还可加大了系统的峰值功率平均比，同时使系统对频率偏移更加敏感。因此 在实际应用中，一般选择符号周期长度是保护间隔长度的5 倍左右，这样由于 插入保护间隔所造成的信噪比损失只有l d b 左右。 在确定了符号周期和保护间隔之后，子载波的数量可以直接利用3 d b 带宽 除以子载波间隔得到。或者可以利用多要求的比特速率除以每个子信道的比特 速率来确定子载波的数量。每个子信道中所传输的比特速率可以由调制类型、 编码速率和符号速率来确定。 第二节无线衰落信道 3 2 1 无线衰落信道的传播特征 在无线通信中，发射信号在传播过程中，往往会受到环境中的各种物体所 引起的遮挡、吸收、反射、折射和衍射的影响，形成多条路径信号分量到达接 收机。不同路径信号的分量具有不同的传播时延、相位和振幅，并附加有信道 噪声，它们的迭加会使复合信号相互增强或者抵消，导致严重的衰落。这种衰 落会降低可获得的有用信号功率并增加干扰的影响，使得接收机的接收信号产 生失真、波形展宽、波形重迭和畸变，甚至造成通信系统解调器输出出现大量 差错，以至于不能完全通信。此