（通信与信息系统专业论文）dvbh系统信道估计算法研究与仿真.pdf

摘要 本文对d v b h 系统的信道估计技术进行研究。根据d v b h 不i 司的应用环境， 把信道估计分为慢衰落信道估计利快衰落时变信道估计。对于慢衰落信道，在研 究传统算法的基础上对l s 算法进行了改进，仿真表明在多普勒频移较小时性能有 近1 d b 的改善。最后给出了适合慢衰落信道一i o 的信道估计方案：改进的l s 算法和 时频方向二维插值，仿真表明可以达到较好的复杂度和信道估计性能的折中。 然后对基于泰毡勾级数腱丌f l j t l q 变快衰落信道估计和i c i 消除算法进行改进，在 性能基本不变的情况下，降低了存储容量并大大降低了计算的复杂度。最后根掘 信道脉冲响应在一个o f d m 符号q j 是线性变化的假i 殳，给出了一种估计方案，并 做了进一步简化，降低了计算的复杂度，方便实际应用中的硬件实现。仿真表明， 这种估计方法在快寸变信道秆1 多普衲频移较大的环境中，可以较准确地估计信道， 并可以有效降低i c i 的影响，从而达到较好的系统性能。 关键词：信道估计d v b h 快时变信道i c i 消除 ab s t r a c t t h eo b j e c to ft h i s p a p e ri s t or e s e a r c ht h ec h a n n e le s t i m a t i o nt e c h n o l o g yo f d v b hs y s t e m a c c o r d i n gt ot h ed i f f e r e n ta p p l i c a t i o ne n v i r o n m e n t so fd v b h ，t h e c h a n n e le s t i m a t i o ni sd i v i d e di n t ot w ok i n d s ：s l o wf a d i n gc h a n n e le s t i m a t i o na n df a s t f a d i n gt i m e 。v a r y i n gc h a n n e le s t i m a t i o n a i m i n ga ts l o wf a d i n gc h a n n e l ，t h i sp a p e r i m p r o v e sl h el sa l g o r i t h mb a s e do nt h ed e e pr e s e a r c ha b o u tt r a d i t i o n a la l g o r i t h m s 。 s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tp e r f o r m a n c eo ft h ei m p r o v e da l g o r i t h mi si m p r o v e da b o u t 1d bi nl o w e rd o p p l e ri m p a c t a tl a s t ，ac h a n n e le s t i m a t i o ns c h e m eo fd v b hs y s t e mi s p r o p o s e dw h i c hc o n s i s t so fi m p r o v e dl sa l g o r i t h ma n d t w od i m e n s i o n a ll i n e a r i n t e r p o l a t i o n s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tat r a d e o f fb e t w e e nt h ec o m p l e x i t ya n dt h e p e r f o r m a n c ec a nb ea c h i e v c di nt h es c h e m e t h e n ，as i m p l i f i e da l g o r i t h mi sp r o p o s e d ，w h i c hc o m b i n e st h ef a s tf a d i n gc h a n n e l e s t i m a t i o nb a s e do nf i n i t et h a l e rs e r i e se x p a n s i o na n di c ie l i m i n a t e i nt h ea l g o r i t h mt h e r e s t o r ec a p a c i t ya n dc o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t ya r er e d u c e dw h i l et h ep e r f o r m a n c ei s k e p ta l m o s tt h es a m e f i n a l l y , a n o t h e re s t i m a t i o na l g o r i t h mi sp r o p o s e da n df u r t h e r s i m p l i f i e d ，b a s e do nt h eh y p o t h e s i st h a tt h ec i rc h a n g e sl i n e a r l yd u r i n ga no f d m s y m b 0 1 t h es i m p l i f i e da l g o r i t h mr e d u c e st h ec o m p l e x i t yo fc o m p u t a t i o na n di su s e f u l t oh a r d w a r ei m p l e m e n t a t i o ni na c t u a la p p l i c a t i o n s i m u l a t i o nr e s u l ts h o w st h a ti ti sa n e f f i c i e n tw a yt or e d u c ei c i ，a n di tc a l la c h i e v eb e t t e rp e r f o r m a n c eo ft h es y s t e m k e y w o r d ：c h a n n e le s t i m a t i o n d v b 一1 tf a s tf a d i n gc h a n n e li c ie l i m i n a t i o n 话安t u 子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 声明 秉承学校，厄谨的学j x t , 并h 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墩得的研究成果。尽我所知，除了文中特挣j 1 j h 以标 注和敛附中所罗列的内容以外，论文巾不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为狱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。与我同工作的同志对本研究所做f ( , j , f r - 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： 因墓盛 f lj o j 回：q f ：落 西安f 乜l 子科技大学 关于论文使j f j 授权的说明 本人完全了解西安r 乜子科技大学有关保留和使用学位论文的舰定，即：研究 生在校攻读学位期问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 留送交论文的复印什，允许查阅和借阅论文；学校可以公斫i 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 耳撰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，在年解密后适用本授权书。 本人签名： 导帅签名： 趟鲻 谊 茆一章绪论 第一章绪论 随着通信技术的飞速发展，数字化的尘活方式使人们的生活越来越方便。随 着手机、d v d 、数码棚机、数字电视等数字设备的普及，以及i n t e r n e t 和移动通信 技术的发展，人们可以更加方便地获取臼己需要的信息。虽然广播电视的普及率 越来越高，但仍然满足不了人们益增长的刈个性化多媒体的需求，因此用户希 望可以更方便和主动地狭墩更多高质量的多媒体服务。内容的运营商希望可以用 更便捷的方式来传播信息。这样的需求推动了数字电视广播技术的迅速发展。 d v b h 标准作为地面数字电视传输标准d v b t 的延伸，为包括手机在内的手持 终端带来了提供电视服务的新的技术方式和新的服务渠道，这也必将给用户带来 全新的收视体验。 1 1 数字l 也视概论 数字电视( d t v d i g i t a lt c l e v i s i o n ) 足指采用数字技术将活动图像和声音等信号 进行编码、压缩等处理，经存储或实时广播后，供用户接收、播放的电视系统。 系统的各个环节，包括从演橘室节目：制作，到传送、存储传输，直至接收、显示 等过程都采用数字技术。与传统的模拟i 乜视川比，数字电视在图像和声音质量两 方面都有重大改进，而且具有模拟技术不能达到的新功能，如可移动接收，适合 多种数字网络，可达i 舒清晰度，适合宽大屏幕及各种显示器等，使电视技术进入 一个新时代。 在传统的模拟电视中，模拟电视信号通过洲制在无线咆射频载波上发送出去。 广播信道可以是地面广播、有线电视网或卫星广播。数字电视则是将电视信号进 行数字化采样，其信号的数据率是很高的，演播室质量的数字化信号的数据率在 2 0 0 m b p s 。要在原模拟电视频道带宽内传输如此高速率的数字信号是不可能的。因 此，必须发展数据压缩技术。在信源编码过程中进行数据压缩，主要是利用人类 听觉视觉效应去除信号中的多余成分，在不影l 椰i 女听收看效采的f j ，j 提下尽量压缩 数据率。信源部分的国际标准主要足m p e g ( 活动图像专家组) 提出的m p e g 1 、 m p e g 2 、m p e g 一4 等视音频标准，以及最新的i t uh 2 6 4 m p e ga v c 、 m i c r o s o f t s m p t ev c l 和我国自己制定的a v s 视频编码标准。信源编码是把节目 源的模拟信号变为数字信号，再经过m p e g 2 压缩编码，形成数字信号源，并根 据多个节目传输的要求编成复川码流。m p e g 2 足目f m 。泛使用的广播电视数字压 缩的国际标准，从进入家庭的d v d 到卫星电视、广播电视微波传输都采用了这一 d v b h 系统信逆f ，川算法研究l 仿真 标准。为了提高数据传输的有效性，可以发展新的调制技术，提高单位频宽数据 传输速率。数字信号在信道传输时，山于噪声、衰落以及人为干扰等，将会引起 差错。采用信道编码技术，可以提高系统的抗二f 二扰能力，从而实现可靠通信。根 掘传输媒介的不同，分为卫星、有线、地面三种信道传输标准。当前，地面数字 电视的国际标准主要有三个：欧洲d v b 组织捉出的以c o f d m 为核心技术的 d v b t 标准及其改进标准d v b h ；美囤大联盟组织提出的以8 v s b 为核心技术的 a t s c 标准；f 1 本提出的以b s t - o f d m 为核心技术的i s d b t 标准。在2 0 0 6 年8 月18 同发斫i 了我国具有自主知识产权的地面数字电视传输标准l lj 。它以 t d s o f d m 技术为基础，以多载波技术为主融合了单载波技术，支持单频组网也 支持多频组网，支持固定接收和移动接收。这不仅为我刚的数字电视标准做出重 要贡献，也为成为副际公认标准迈出了第一。步。 在数字电视系统中，信道传输部分是最关键、最需要不断改进的部分，它的 性能极大地影响着系统的质量。经过近十年的发展，卫星和有线电缆广播方式的 基本传输体制已确定。而地面广播方式由于传输所：境恶劣，频谱资源有限，应用 需求不统一，其标准仍有很大的争议，特别是在提高固定接收的稳定性和移动接 收的性能上还有很大的改进余地。这足当i 仃世界信息技术领域的研究焦点之一， 也是本文所研究的方向。 i 2d v b h 简介 d v b 系列标准最早山d v b 项目组在上世纪9 0 年代初提出，其地面广插版本 d v b t ( d i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t i n g t e r r e s t r i a l ) 标准1 2j 是在9 0 年代中期丌发的，并 于19 9 7 年2 月获得e t s i ( e u r o p e a nt e l e c o m m u n i c a t i o n ss t a n d a r d si n s t i t u t e 欧洲电 信标准委员会) 的认可，成为欧洲地面数字电视广播的标准。d v b h 标准1 3 】是完全 堪于d v b t 并针对手持终端所丌发的一项技术，使川该技术可以向使用f u 池的移 动手持终端( 包括手机) 同时传送视频信号和音频信号。该技术主要是为了解决向手 持终端提供数字电视广播业务时所存在的功率消耗问题、 移动环境中的性能问题 以及网络设计的灵活性等问题。d v b h 标准在2 0 0 4 年1 1 月经e t s i 批准成为欧 洲的移动电视标准。 1 2 1d v b h 的市场需求 随着近年来广播技术、无线通信技术、音视频编码技术和火规模集成电路技 术的迅猛发展，移动多媒体广播技术逐渐走出实验室，展现在普通消费者面6 ，j ， 其典型的应用之一就是数字电视业务。d v b h 是实现移动多媒体广播的主要技术 第一帝绪论 方案之一。目f j 仃，主要通过电视机来接收每天的电视节目，但是电视节目的移动 接收也丌始有市场。接收终端除了满足室内固定接收外，还要满足各种室外环境 中的便携接收和车载高速移动拔l 阪打破了以往“在客厅看i 乜视”的局限，满足通 信到人的通信要求，有广阔的市场6 i 景。 面对市场的巨大需求，广播公司需要采取合适的方式来实现电视节目的移动 接收。d v b h 可以保证移动接收终端在移动环境和微功耗的条件下接收电视节目， 因此它可以和移动通信技术相结合。利用非对称的高带宽的d v b h 数字电视广播 网络作为视频内容的下传信道实现高清数字电视节目的传送，同1 1 寸数字电视广播 网络可以借助移动通信的网络作为上行信道作为交互应用，进一步满足广大用户 的个性化多媒体的需求。 1 2 2d v b h 的系统结构 2 0 0 2 年f j 仃后丌始研究的d v b h ( 早期为d v b x ) 标准全称为手持数字视频广 播，是d v b 组织为通过地面数字广播网络阳便携手持终端提供多媒体业务所制定 的传输标准。d v b h 标准被看作足d v b t 标准的扩展应用，但是和d v b t 相比， d v b h 终端具有更低的功耗，移动接收和抗干扰性能更为优越，因此该标准适合 于移动电话、手持计算机等小型便携设备通过地面数字电视广播网络接收数字电 视信号，而不占用移动通信网络中宝贵的频带资源。实际上，d v b h 标准就是依 托目i ，j 的d v b t 传输系统，通过增加一定的i f , i d n 功能和改进技术使手机等便携设 备能够稳定地接收广播电视信号的标准。 i p 1 5 jn e wi o1 7 v i b - h 图1 1d v b i i 系统结构 一个d v b h 系统f j ，j 端由d v b h 封装器和d v b h 调制器构成，d v b h 封装 器负责将i p 数据封装成m p e g 2 系统传输流( t s 流) ，d v b h 调制器负责信道编 码和调制；系统终端山d v b h 解测器刷d v b h 终端构成，d v b h 解调器负责 d v b 1 4 系统信逆什汁竹i k _ f 0 1 夕j ) c j j 。f 信道解调、解码，d v b h 终端负责相关业务的显示、处理。从图1 1 中可以看出 与d v b t 相比，d v b h 系统增加了一些新的模块来满足手持终端的功耗、蜂窝 移动下的性能、网络设计等方面的性能。增加的技术模块主要有：时白j 分片( t i m e s l i c i n g ) 、多协议封装一日，j 向纠错( m p e f e c ) 、4 k 模式和深度符号内交钐l 以及 d v b h 传输参数信令( t p s ) 。 时j 日j 分片技术采用突发方式传输数据，每个突发时间片传输一个业务，在业 务传送时问片内该! j k 务将独占全部数掘带宽，j 二- j r j i = ；下一个相同业务时j 训片产生 的时刻。这样手持终端能够在指定的时刻接收选定的业务，在业务空闲时j 、日j 做节 能处理，从而降低总的平均功耗。d v b h 标准在数据链路层为i p 数据报增加了罩 德所罗门( r s ) 纠错编码，作为m p e 的前向纠错编码，校验信息将在指定的前向纠 错( f e c ) 段巾传送，我们称之为多协议封装f j ，j 向纠错( m p e f e c ) 。m p e f e c 的目 标是提高移动信道中的c n 、多普勒性能以及抗脉冲干扰能力。同时，d v b h 标 准在d v b t 原有的2 k 和8 k 模式下j - 曾k l l 了4 k 模式，通过协调移动接收性能和单 频网规模进一步提高网络设计的灵活性。4 k 模式的性能介于2 k 和8 k 模式之间， 为覆盖范围、频谱效率和移动接收性能的权衡提供一个额外的选择。同时，为了 进一步提高移动接收时2 k 和4 k 模式的抗脉冲二r 二扰性能，d v b h 标准引入了深度 内交织技术。d v b h 的传输参数信令( t p s ) 能够为系统提供一个鲁棒性好、易访问 的信令机制，能使接收机更伙地发现d v b h 业务信号。f 是山于这些新技术的应 用，使d v b h 标准可以更好地支持小型手持移动改备接收数字电视信号。 1 2 3d v b h 标准和其他移动多媒体技术标准的比较 目i 驴，实现移动多媒体广播主要有5 种技术方案：手持式数字视频广播( d v b h ) 技术，地面数字多媒体广播( t d m b ) 技术、卫星数字多媒体广播( s d m b ) 技术、地 面综合服务数字广播( i s d b t ) 技术和m e d i a f l o 技术。曰f j 玎的5 种主要技术方案都 可以实现移动多媒体广播，但是都有各自的特点。 下面简要介绍一下其他几种技术标准。t - d m b 系统是韩罔在e u r e k a l 4 7d a b 系统基础上增加了新的音视频编码方案和附加信道保护形成的，目6 ，j 已经作为标 准草案提交e i s i 和i t u 而且已经进入了商业试运营阶段。由于采用了独有的时间 交织技术，更适合车载移动接收或者高速移动接收。与t - d m b 类似，s - d m b 也 是在d a b 系统的基础上通过添加音视频编码方案改进来的。从2 0 0 5 年5 月份丌 始，s d m b 系统在韩国进入商业运营阶段。其业务主要面向手t ；l , g j 户，系统可以 同时提供1 4 路视频业务、2 4 路音频业务和1 路数据业务。它采用卫星传输方式， 可以覆盖较大的范围和地区，但是对城区等卫星信号覆盖不理想的地方，需要通 过增d r i l l , 点发射机的方式以实现全方位的覆盖。m e d i a f l o 系统是美国高通公司借 第章绪论 鉴时儿种系统的优点 ：结合自己在c d m a 、3 g 领域丌发的相关经验，钏对移动运 营商开发的一种全新的移动多媒体广播系统。m e d i a f l o 系统i 司时采用时分复用和 频分复用，使接收机可以很容易地定位任意一小段未交织的发射信号，从而可以 便捷地实现其特有的本地业务交换功能。i s d b t 系统是同本在欧洲d v b t 系统 的基础上发展起来的数字地嘶广播系统。i s d b t 系统在调制方式上和d v b t 相 似，同样有2 k 、4 k 和8 k 模式，只是在频潜使用上划分得更细。表1 1 给出了这 5 种技术方案的具体参数。 表1 15 种移动多媒体方案技术参数对比 d v b ht - d m bs d m bm e d i a f l oi s d b t 音视频源 h 2 6 4 +h 2 6 4 + b s a c h 2 6 4 +h 2 6 4 + m p e g 4 a v c 编码 a a cp l u sa a cp l u sa a cp l u sa a cp l u sh 2 6 4 + a a cp l u s f e c 算法卷积码+ r sr s 编码d a br s 编码+ 卷t u r b o 码+ r s卷积码+ r s 编码流模式积码编码编码 1 1 1 j j 频段 iv v l j j l l 上行k u ， 4 5 0 m h z iv v 。卜行s k u2 g h z 模拟带宽 5 6 8 m h zi 5 3 6 m h z2 5 m h z6 7 8 m h z6 7 8 m h z l3 频谱利川 0 4 6 b i t l s l l l z -1 5 6 2 50 3 6b i t s h z 0 4 7 b i t s h zo 6 5b i f f s h z j 盔 1 8 6b i t s h zb i t s ! 、l z1 3 6 9 b i t s l t z1 8 7 b i t s h z4 17 0 b i t s h z 沣：表中川为v h f 川( 1 7 4 2 4 0 m h z ) ，i v 、v 为u h f 波段，占用频牢4 7 0 9 6 0 m h z ，l 波段占用频率 1 4 5 0 一一2 6 7 5 m ! i z ，k u 波段1 3 8 2 8 1 3 8 8 3 g h z ，s 波段2 6 3 0 - 2 6 5 5 g l t z 。另外，i s d b t 中把6 7 8 m h z 带宽分 为1 3 个了频带，相：每个1 i 川的了频带都口j 以传送小川的节日，故占用模拟带宽为6 7 8 m h z 1 3 。 i 2 4d v b h 标准的发展趋势 总的来看，在集成了广播、通信、编码等各领域最新技术成果的基础上，这5 种技术方案都基本能够满足移动多媒体广播的要求。但是，由于d v b h 采用了多 协议封装一前向纠错编码技术( m p e f e c ) ，提高了移动接收质量，同时采用了时间 分片( t i m e s l i c i n g ) 技术分口寸问片传输不同业务数据，有效地降低了接收机的功耗， 更适合手持移动接收用户，从而能更好地配合移动通信技术的使用。因此，d v b h 将对广播和通信领域产生重大影响。d v b h 继承于d v b t ，在d v b t 网络上只 要做很小的改动就可以发送符合d v b h 标准的数掘流。目f j ，j - 全球已有5 9 个国家 和地区已使i 或采用d v b t 标准，除了欧洲国家外，还包括：澳大利亚、新西兰、 ，巴西、新力坡等国。从整体应川情况来看，d v b t 技术已经非常成熟。对采用d v b t 标准的国家来说，推广d v b h 的代价棚刈较低，但足对于采用其他地面数字电视 传输标准的国家，这个问题就需要做进一步的探 寸。在美国，地面数字电视传输 标准a t s c 采用8 - v s b 技术，移动性能较差，需要引入新的技术或标准来推广数 6d v b h 系统信道f + 计算法研究与仿真 字r 乜视，日f ：l ，j 已有公司采j i jd v b i i 技术析j 网。征h 水，考虑剑功耗、移动性等因素， d v b h 甚至有取代r 本本土i s d b t 标准的趋势。在中国，能否在最终确定的数 字电视地面传输标准上做微小的改动，推出适合手机等移动便携设备收看数字电 视的标准，值得关注。 移动数字电视具有广阔的发展f j ，j 景，但是未来的多媒体服务需求将是多方位 的，如果仅依靠d v b h 数字i 【! l 丰见j “播i 删络这样一个一点对多点的非对称单向例络 来发展移动数字电视，从长远看是不能符合未来人们的需求的。移动数字电视技 术的发展与移动通信技术的融合将足未来的发展方向。非对称的高带宽的d v b h 数字电视广播网络可作为视频内容的下传信道实现高清数字f 乜i 视节目的传送，同 时数字电视广播网络也可以借助移动网络作为上化信道实现交互式应用和利用其 完善的计费平台进行资费统计。尽管在多网络融合系统和多网络用户统一管理系 统以及全i p 网络的标准化等桐关领域还有许多工作需要进一步研究，但是移动数 字电视的未来发展i ，j 途足光明的。 1 3 信道估计的研究与发展 信道估计是通信领域的一个研究热点，它是进行相干检测、解调、均衡的基 础。信道估计从大的角度可以分为盲估计、非盲估计和在此基础上发展起来的半 盲估计。盲估计是指不用导频信息，通过使用棚应信息处理技术获得信道的估计 值，这使得系统的传输效率大大提高。然而自信道估计算法的收敛速度比较慢， 这是阻碍它在实际系统中应用的主要原因。非盲估计是指在估计阶段首先利用导 频信号或训练序列来获得导频处或训练序列处的信道信息，然后通过一定的算法 获得整个信道的信道响应，但是这样也降低了数据的传输速率。半盲信道估计在 数据传输速率和收敛速度之问做了一个折中，它采用尽量少的导频信号或训练序 列来确定盲信道估计算法所需的初始值，然后利川卣信道估计算法进行跟踪、优 化，获得整个信道的信道响应。在基于o f d m 技术的新一代通信系统中，由于传 输速率较高，并且需要相干检测技术来获得较高的性能，因此通常使用非盲估计 获得较好的估计效果，这样可以更女地跟踪无线信道的变化，提高接收机性能。 基于导频的一1 1 ：- 卣信道估计足在发送帅1 1 1 iy , i 加导频符1 l j 7 ，然后征接收端通过抛h ) ( 导频 信息获得信道响应。 基于导频的信道估计算法可以分为两步：第一步首先是估计导频位置处的信 道响应，第二步是通过算法得到整个信道的响应。从导频位置估计分为最小二乘 准则( l s ) 、最小均方误差( m m s e ) 、线性最小均方误差( l m m s e ) 等。l s 算法最简 单，因为它不需要预先知道信道的特性，只需要一个除法器就可以实现，但是这 种方法受噪声的影响比较大。性能最好的方法是m m s e 方法，但是m m s e 算法的 第一章绪论 计算复杂度比较高，且需要预先知道信道的一些统计信息，限制了它在实际中的 应j | j 。因为m m s e 算：法一l ，的复另鼍皮：1 i 要 t - ：j iq 矩阵求逆，因此m m s e 基础上的 改进主要集中在矩阵求逆的改进上i | 0 2 | 。l m m s e 算法就是在m m s e 算法的基础 上通过低阶近似，利用信道的频域十日关的线性最小均方误差估计算法。 整个信道响应的获得可以分为二维滤波法1 1 3 14 | ，两个级联的一维滤波【”j ，多 项式拟合法和插值算法等。通过导频位置获得的信道响应恢复出完整的信道响应 的最优准则是m m s e ，理论上可以得剑最小均方意义上的最佳滤波器是二维维纳 滤波i 2 导( w i e n e rf i l t e r ) ，但是二维维纳滤波的方法比较复杂( 需要用到信道的某些统 计信息) 且计算量非常大，在实际系统中往往不能得到很好的应用，因此在实际中 可以基于如下两种方式：将二维滤波器分成两个级联的一维滤波器，这样计算量 和计算的复杂度大大降低。虽然两个级联的一维滤波器充分利用了时域和频域两 维信息来进行信道估计，性能与w i e n e r 滤波接近，但与其他的算法相比较计算的 复杂度仍然较高。另一种方法是从变换域束处理信道估计的问题，它的基本思想 是通过把信道估计问题变换到变换域去处理以降低计算的复杂度和运算量。这主 要有基于奇异值分解的信道估计算法1 1 6 j , f l l 基于d f t 的信道估计方法【i 。基于奇异 值分解的信道估计算法仪仪利用了信道频率槲关的特性来进行分析，这样从某种 程度上简化了接收机的结构，从而降低了估计的复杂度，但是由于没有利用时问 相关性，因此它的性能会有所降低；二是它采刚低阶秋近似方法来估计信道，对 接收机中的某些随信道条件变化的参数进行固化，即设定为一个定值，这样就可 以减少求这些时变参数带来的复杂性的提高，更为重要的是在接下来对矩阵的求 逆可以通过奇异值分解得到的近似低阶秋三角矩阵进行简单实现，当然这平某些 参数的固化和低阶秩近似算法在某种程度上降低了系统估计的精度。与基于奇异 值分解的信道估计方法川比，基于d f t 的信道估计方法主要是利用了信号处理过 程q 1 在时域补零等效于在频域进行内捅的原理来恢复出信道的频率响应( c f r ) ，其 本身利用了d f t 来实现信道“! i t - i ，因为d f t 有快速算法，因此其实现的复杂度 可以降低，实时性相列提高，这非常适合于实际系统的需要。但是这样直接应用 d f t 方法要取得好的效果有一个前提条件【i8 j ：信道多径时延扩展应是采样时间的 整数倍。如果不是如此，系统性能将会下降，而实际系统中信道的多径时延扩展 往往不能满足这样的条件。基于这个原因，可以采用加窗函数的方法【1 9 l 来改进这 种估计的性能。基于加窗的d f t 方法通过对信道频域响应进行加窗滤波，通过选 取有特定旁瓣特性的数据窗口来减少反变换后信道冲击响应的扩散，从而提高了 估计效果。 上面介绍的完整信道响应获得的方法( 基于d f t 的内捅方法除外) 普遍具有一 个特点，那就是需要知道信道的统计信息( 如信道白相关函数) ，这也是这些方法估 计性能较为良好的原因之一。然而在实际应片_ j 过程中，信道的统计信息没有或很 d v b h 系统信道估汁算法研究仿吱 难得到。当信道参数不匹配的时候，利川上山的办法得剑m m s e 准则一i v 的最优 信道估计就很难实现。因此出现了一些不需要利刚信道相关信息的估计方法，这 些方法的基本思想足利用已有的数据实现对真实信道的拟合，主要有多项式法1 2 班2 2 j 和内插法【23 l 。这类方法没有利用信道的统计信息，因此性能与上述方法槲i ：g g x 于 较差。多项式法是通过建立拟合信道特性的多项式模型来实王见信道估汁的，在慢 变信道条件下如果模型建立的比较准确，可以在低复杂皮下实现信道估计；但是 如果信道变化较快，就不能很好地估计信道了。此时，可以通过动念地获得变化 的参数束修f 信道模型。内插方法也足一种拟合信道信息的方法，它的最大特点 是实现简单。文献1 2 驯提出了线性内插，高斯内插以及c u b i c 内插的方法，并给出 了它们的性能比较，证明了它们的性能是依次升高的，但是内插易受噪声影响， 产生噪声门i 未( e r r o rf l o o r ) 效应，内插方法带米的噪声h 义决于两个方面：一是导频插 入的数量和方法，导频数量越多，内插得到的数据越好，相应的噪声消除效果越 佳，当然这样也带来了传输数拥有效性的降低；二是取决于内插方法的使用，如 自i 而提到的线性内捅，高嘶内插以及c u b i ci 勺插的方法，通过对内插方法的改进可 以在相同导频方式下获得更好的效果。乍- i 列。内插方法中出玑的门限效应，文献1 2 3 j 也提出了低通滤波减少噪声门限的方法在内捅之后进行低通滤波消除噪声的 影响以降低噪声门限。 如果信道是慢衰落信道，即假i 殳信道在一个o f d m 符号内是不变的或者是慢 变化的，则上述这些算法可以取得较好的信道估计性能。但是由于在无线移动 o f d m 系统中，无线信号的传播将经过一个时变多径信道，信道的多径性和时变 特征成为无线信道的主要特征，而且在实际的无线移动通信系统中，相对于慢衰 落而占，无线移动通信经历的快衰落史为广泛。【 i 于多普仂频移引起的多径信道 的快时变性将导致子载波之i 叫不再正交，山此p - 川q f ；小q , , 的i c i ( 子载波之m 的干扰) 1 旷重 影响系统性能。所以对高速移动情况下的怏哀落信道的估计是一个值得研究的问 题。近年来已经有不少作者发表了关于移动环境下的o f d m 信号的稳定接收问题。 在【2 4 】中提出了时变信道引起的i c l 的影响，利用一i 一心极限定理推出i c l 服从高斯 分和，并研究了它对系统b e r 性能的影响；在 3 1 】1 3 2 】l l 分别提出了时域和频域补 偿技术来降1 g f , i - 变信道的i c i 影响，但是这两种方法都是假设信道是基于平坦瑞利 衰落的；在 2 5 q a ，根据【9 儿2 6 提出的时变信道的模型给出了信道估计的统计方法； 在文献 3 0 q u 提出了一种频域导频块插入的方式来对快衰落信道进行估计；最近， 在【2 7 】 2 8 】中提出了一种新的信道估计方法，这是由于- l t 观察结果在中等衰 落信道下，时变信道在一个o f d m 符号内可以被看作是线性变化的。根据这种观 察结果，在 2 7 】中提出了一种i c l 的简化模型，【2 8 】l ，提出了一种频域均衡技术来 降低多普勒效应引起的i c i 的影响。在 2 9 1 q b ，针划i c i 消除和信道估计提出了一 种一般结构，它的主要思想就足十醍据已知n 勺移动信道的统计特性，对时变信道的 第一窜绪论 频率响应进行有限次泰恸级数展丌。信道响应的扶得和i c i 的消除在频域完成，这 种方法可以使d v b t 系统在高速移动信道利用更高频谱率的6 4 q a m 调制方式。 近年来随着分集技术的发展，特别是空时码的产生和i 发展，研究些于发送分集的 o f d m 系统的信道估汁成了新的研究热点。在m i m o o f d m 系统i 一，也可以采用 盲估计或者基于导频的信道估计，【3 3 3 5 】设计出适 j 于m i m o o f d m 系统的导频 结构。 3 6 3 8 名t 对l s 、m m s e 估i 十。 j 复杂的矩阵求逆算法进行了改进，提出了针 对m i m o o f d m 系统的降低计算复杂度的信道估计算法。这些算法在快衰落信道 中就不再适用，囚j i - l x 1 于高速移动环境c l i 的m i m o o f d m 信道, f d i i ；t 问题将是一个 很值得研究的方向。 1 4 论文主要工作 论文主要研究d v b h 系统的信道估计技术并将重点放在时变快衰落信道中的 信道估计。全文共分为5 个章节。 第一章，介绍了d v b h 标准及其关键技术，指出了数字电视移动接收的广阔 f j ，j 景：通过认真总结信道估计算法的研究和发展，指出了对移动快哀落环境下的 信道估计是信道估计技术的一个发展方向。 第二章，介绍了o f d m 系统的基本原珥! 及无线信道传输特性，并从衰落效应、 多径效应、时变性等几个方面分析了信道对传输信号的影响，并在此基础上建立 了信道仿真模型。 第三章，针对d v b h 的信道估计分三部分讨论算法并对l s 估计算法进行了 改进，仿真表明在多普勒频移较小时，可以使估计性能有i d b 左右的改善；并且 不会使多普恸频移较高时的传输性能下降。最后给出了适合d v b h 系统的信道估 计方案：l s 改进算法+ u j 频二维线性插值，仿真表明可以达到较好的复杂度和信 道估计性能的折中。 第四章，首先研究了【2 9 1 的信道估计算法并改进，仿真表明在性能基本不变 的情况下，计算的复杂度和存储容量大大降低；刘有载波频偏和多普勒频移情况 下，给出了一种信道估计和i c i 消除的方法，可以在消除i c i 的同时降低载波频偏 对系统的影响，并对算法作了进一步简化以降低计算的复杂度。 第血章，总结了论文的内容，并对下一步的研究工作指明了方向。 第一二章o f d m 原j = ! i ! 及无线f j l i j f 占道特性 第二章o f d m 原理及无线传输信道特性 2 1o f d m 技术基本原理 正交频分复用( o f d m ) 是一种高效的调制技术，它具有较强的抗多径干扰和频 率选择性哀落的能力以及较高的频谱利用率，因此已经广泛应用于数字音频广播 d a b 、无线局域i s x ( w l a n ) 、地面数字电视广播等系统的物理层。o f d m 将有用频 谱分成多个予信道，传输时将一串高速并行的码流变成多个低速并行的低码率码 流，在每个子信道上使用一个予载波进行调制，最后将多个载波并行传输。由于 o f d m 可以利用快速傅立叫。变换反变换( f f t i f f t ) 4 - 替多载波调制和解调而得到 广泛应用。用f f t i f f t 实现o f d m 调制解凋，可以大大减少系统的复杂度同时 有效地提高了o f d m 训制解调的速度。 o f d m 调制解调过程如下：在发送端，一串行码元序列d o ，d ，d 州经过串并 变换成n 路子码元，分别调制在正交的n 个子载波厶，石， 一上，然后将n 路 调制信号相加发送出去；在接收端，首先对接收信号进行采样，然后使用n 个相 同的予载波进行n 路解凋，再将这n 路斛调信号并串输出，。陂复出发送的原始信 号。 设 兀 是一组载波，则各载频的关系： = + k lk = o ，1 ，2 一1( 2 - 1 ) 其中瓦是单元码的持续时问，1 瓦是子载波间隔，f o 是发送的频率。 设载波的单元信号组定义： 州啦心。篓 p 2 ， 其频谱相互交叠，所以p 。( ，) 汹足i f 交条件： j i 6p ”( f ) p 埘( t ) d t = i o b t ，刀m 2 甩 ( 2 - 3 ) 一 i= 聆 当以一组取自有限集的d ( n ) 表示数字信号对p 。( ，) 调制时，调制后的传输信号 d ( ，) 为： d ( ，) = d ( n ) e 皿卿t 【o ，瓦】 ( 2 - 4 ) d ( ，) 即为o f d m 信号。对d ( f ) 进, h ：h t t 样有： d v b h 系统信道估计篼法研究! j 仿舆 d ( 七瓦) ：n - i ”) e 1 2 z r 靠：n - i ( 疗) 掣, j2 莉，州：木df7z a (n d f 7 1 k ( 玎) 】0 k n 一1 d ( 七瓦) = ” 靠刖“= ( 疗) 掣莉“= 木 1 k ( 玎) 】 一 ( 2 - 5 ) 可以看到d ( 足) 是d ( 胛) 的i d f t ，所以接收端d ( 胛) 可通过d ( 尼) 的d f t 得到： n - i d ( 胛) = d ( 忌) e 一2 砌川= d f t d ( k ) 】0 门n l ( 2 6 ) k = 0 为了使信号在i f f t 、f f td 仃后功率保持不变，d f t 和i d f t 应满足关系： 础) = 而1 磊n - i 砌) e x p ( ，等蛾 o k n - 1 ( 2 _ 7 ) m ) = 丽| 各n - i 聊) e x 町等n o n n - 1 ( 2 - 8 ) 图2 1 ，图2 2 分别是o f d m 训制解调原理方框图。 - 岛述串 j 数 + 幽2 1o f d m 调制 2 2 无线传输信道特性 ，一，毋i j ， 、d ( 0 ) 。 ，| i l d ( 1 ) o f d m 解州输 p s 口一j 彤v i ， d ( n 一” i 刘2 2o f d m 8 昝凋 在无线通信环境中，电波的传播过程比较复杂。电波不仅会随着传播距离的增 加而发生损耗，而且会受到地形、建筑物等障碍物遮挡发生i 仆j 影哀落，并且信号 会经过反射和折射，形成多条路径信号分量到达接收机。由于路径不同，到达接 收机的信号的幅度、相位和时延都不相同。这些接收信号相互叠加，可能使信号 增强或减弱。因此，接收到的信号幅度将发生急剧变化，即发生严重的衰落。这 种哀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、波形重叠和畸变，甚至造成通信系统解调器输出出现大量 差错，以至完全不能通信。此外，移动通信中的接收机如果移动速度较快会引起 多普恸频移，同时会使信号的传播环境发生急剧变化。因此，无线传播环境是时 变衰落的。为了建立一个更符合实际传输环境的信道模型，有必要先来看一下无 线信道的特性。 筇一：荜o f d m j j i p 。p 及无线4 输信道特性 2 2 1 大尺度哀落和小尺度衰落 电磁波的传播方式分为直射、反射、绕射和敞射等。在典型的城市传播环境 中，发射, j l 牙n 接收机之i h j 通常无直接视距路径，而且高层建筑物产生了强烈的绕 射损耗。此外，山于不同物体的多路径反射，经过不同路径长度的电磁波相互作 用引起多径损耗。刊时随着发射机和接收机之间距离的不断增加而引起电磁波场 强的损耗。当描述发射机和接收机之州的距离为几十或几百米上的场强变化时称 为大尺度传播模型；当描述短距离( 几个波长) 或短时问内的接收场强的快速波动的 传播模型成为小尺度衰落模型。 1 对数距离损耗模型 无论室内还是室外，