（通信与信息系统专业论文）基于tdsofdm的信道估计算法研究与实现.pdf

摘要 论文结合数字电视地面传输国标，研究了基于t d s o f d m 的信道估计算法。 t d s o f d m 以p n 序列作为保护间隔和时域导频信号，有效提高了系统的频带利 用率，也为信道估计提出了新的课题。 首先，针对短时延多径信道环境下传统的循环相关信道估计算法需要复杂的 迭代运算来提高估计精度的问题，利用循环矩阵的逆与傅立叶变换矩阵的关系， 提出了消除p n 序列非完全理想自相关特性的低复杂度快速滤波改进算法，该算法 可以通过简单的求和运算滤除p n 序列循环相关值的旁瓣干扰，有效提高了计算效 率；进一步，对于长时延多径信道的估计，改进了迭代p n 重构信道估计算法，通 过检测信道分布及控制抽头以降低噪声引起的迭代误差，仿真表明算法提高了信 道估计的稳定性和收敛速度；同时，为了提高算法在频率选择性衰落严重的信道 环境下的性能，引入了基于d f t 码的均衡算法，得到了优于传统的迫零均衡算法 的性能。 最后，论文设计了完整的信道估计算法系统实现方案，提出了低复杂度的累 加平均直流分量消除算法，有效减小了帧头残余的直流分量对信道估计的影响， 提高了信道估计硬件实现的精度。经过硬件调试，本文提出的系统设计方案可以 稳定运行。 关键词：t d s o f d mp n 序列信道估计均衡 a b s t r a c t i nt i ) s o f d m ( t i m ed o m a i ns y n c h r o n o u s - o r t h o g o n a lf 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 ) s y s t e m ，p ns e q u e n c e sa r es e r v e da sg u a r di n t e r v a la n dt i m ed o m a i np i l o t s i g n a l s ，w h i c hc o u l da v a i l a b l yi n c r e a s et h es p e c t r u me f f i c i e n c y , a n dp r o v i d ean e w s u b j e c tt oc h a n n e le s t i m a t i o n t h i st h e s i sm a i n l yi n v e s t i g a t e so nat d s o f d mb a s e d c h a n n e le s t i m a t i o na l g o r i t h mi nc o m b i n a t i o nw i t hs t a t ed i g i t a lt e l e v i s i o nt e r r e s t r i a l b r o a d c a s t i n gs t a n d a r d f i r s to fa l l ，u n d e rt h es h o r td e l a ym u l t i p a t hc h a n n e lc o n d i t i o n s ，ac o m p l e xi t e r a t i v e c o m p u t a t i o nm u s tb e u t i l i z e dt o i m p r o v et h ee s t i m a t i o np r e c i s i o ni n t r a d i t i o n a l a l g o r i t h m ，s oa l li m p r o v e ds i m p l ef a s tf i l t e ra l g o r i t h mw h i c hu t i l i z e st h er e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h ei n v e r s eo fc y c l i cm a t r i xa n df o u r i e rt r a n s f o r m a t i o nm a t r i xi sp r o p o s e d ，a n d t h es i d el o b ej a m m i n go fc y c l i cc o r r e l a t i o ni np ns e q u e n c e sc o u l db ee l i m i n a t e d t h r o u g has i m p l es u m m a t i o no p e r a t i o n ，w h i c hc o u l di m p r o v et h ec a l c u l a t i o ne f f i c i e n c y t h e n ，f o rt h ee s t i m a t i o no fl o n gd e l a ym u l t i p a t hc h a n n e l ，a ni m p r o v e di t e r a t i v ep n r e c o n s t r u c t i o na l g o r i t h mo fc h a n n e le s t i m a t i o ni sp r e s e n t e d ，a n dad e t e c t i o nm o d u l ef o r c h a r m e ld i s t r i b u t i o ni sa d d e di nt h ei t e r a t i v ei n i t i a l i z a t i o nt od e c r e a s et h ee r r o r sb r o u g h t b yn o i s ea n di m p r o v et h es t a b i l i t ya n dc o n v e r g e n c er a t eo fe s t i m a t i o n f u r t h e r m o r e ，i n o r d e rt oi n c r e a s et h es y s t e mp e r f o r m a n c ei nf r e q u e n c ys e l e c t i v ef a d i n gc h a n n e l ，a n e q u a l i z a t i o na l g o r i t h mb a s e do nd f t c o d e si si n t r o d u c e d ，w h o s ep e r f o r m a n c ei sb e t t e r t h a nt r a d i t i o n a le q u a l i z a t i o nm e t h o d 、析mz e r o - f o r c i n g f i n a l l y , t h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o ns c h e m e so fp r o p o s e dc h a n n e le s t i m a t i o n a l g o r i t h ma r ep r e s e n t e d ，af r a n l e h e a dl o c a t i o n d e t e c t o rt o g e t h e rw i t hac h a n n e l e s t i m a t o rb a s e do nc y c l i cc o r r e l a t i o na r ei m p l e m e n t e db yh a r d w a r e , a n dal o w c o m p l e x i t ys c h e m eo fr e m o v i n gt h ed i r e c tc u r r e n tc o m p o n e n tb ys u m m a t i o na n d a v e r a g i n gi sp r o p o s e dt oi m p r o v et h ep r e c i s i o no fh a r d w a r er e a l i z a t i o n i ti sp r o v e dt h a t t h ed e s i g n e dc h a n n e le s t i m a t o rc o u l do p e r a t es t a b l yt h r o u g hh a r d w a r ed e b u g g i n g k e y w o r d s ：t d s o f d m c h a n n e le s t i m a l i o n p ns e q u e n c e e q u a l i z a t i o n 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师的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过或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大 学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作过的同志对本研 究所作的任何贡献均已在论文中作了明确说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名： 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。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 学校有权保留送交的论文的复印件，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、缩印或其他的复制手段保存论文。 ( 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：么圭 导师签名： 日期：玉盟。主：墨 日期：弛乏匝 ， 第1 章绪论 第1 章绪论 数字电视是一种以数字方式摄制、存储、处理、传输和接收活动图像( 含 伴音) 信息的新型彩色电视系统。与模拟电视相比，数字电视的频谱利用率高、 图像清晰度高、抗干扰能力强、伴音质量好、可提供环绕立体声。它的成本低， 可靠性高，易实现信号的存储和与其他数字业务的数据交换。通过加密一解密 和加扰一解扰技术，数字电视可开展各类收费业务，它已成为当今世界电视的 发展趋势。数字电视广播传输方式包括卫星、有线和地面无线广播。其中，地 面无线广播简称地面广播，它具有覆盖面大、发射灵活、组网简单等优点，已 成为数字电视广播的一种重要方式。 1 - l 数字电视地面广播的发展和现状 2 0 世纪9 0 年代起美国在实施高清晰度电视( h i g hd e f i n i t i o nt v , h d t v ) 方 案时采用的全数字传输系统取得了明显的成功，9 0 年代后期，美国、欧洲和 日本相继进入了开发数字电视传输标准的时期，并分别提出了a t s c 标准、 d v b t 标准和i s d b t 标准，上述三套标准己被国际电信联盟( i n t e r n a t i o n a l t e l e c o m m u n i c a t i o nu n i o n ，i n j ) 接纳【。 1 1 1 国际标准的发展与现状 1 美国的a t s c 标准 先进电视系统委员会( 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 ，a t s c ) 【2 】标准 1 9 9 7 年被国际电信联盟批准为国际标准，是世界上第一个数字电视传输国际 标准。其地面广播调制方式采用单载波8 - v s b 技术，频谱利用率较高。该系 统加入了o 3 d b 导频信号，用于辅助载波恢复；并加入段同步信号，用于同步 和时钟恢复；还加入了长达5 1 1 的两电平场同步信号，用于系统同步和均衡器 的训练；系统采用了较强的内外信道编码保护措施。这些设计方式使得该系统 的噪声门限接近于1 4 9 d b 的理论值，可以在6 m h z 带宽内传输1 9 3 m b s 的码 流并且易于实现固定接收。 该系统的设计思想、导频放置、数据结构等使得该系统不能有效抵抗强多 径和快速变化的动态多径信道，造成某些环境中固定接收不稳定以及不支持移 动接收，并且单频组网方面的表现亦明显不足。国际上有5 个国家或地区采用 a t s c 标准，其中已有两家经过技术比较研究后退出。 2 欧洲的d v b t 标准 2基于t d s o f d m 的信道估计算法研究与实现 欧洲数字电视地面传输标准( d i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t i n gt e r r e s t r i a l ， d v b t ) 【3 】于1 9 9 8 年2 月经i t u 批准成为正式国际标准。该标准采用编码正交 频分复厍 ( c o d e do 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 ，c o f d m ) 调制技 术，能够在8 m h z 的带宽内传输4 9 8 m b s 到3 1 6 7 m b s 的码流。该系统中放置 了大量的导频信号，穿插于数据之中，并以高于数据3 d b 的功率发送，用于完 成系统同步、载波恢复、时钟调整和信道估计。由于导频散布在数据中，因而 能够较为及时的发现和估计信道特性的变化；该系统使用循环前缀作为保护间 隔，进一步降低多径造成的码间干扰。大量导频信号的插入和保护间隔的使用 是该系统的技术核心，使得该系统抗强多径和动态多径以及移动接收的性能优 于美国的a t s c 系统。 但是导频和保护间隔至少占据了有效带宽的1 4 ，若采用大的保护间隔， 此数值将超过1 0 - - 3 0 ，因此严重降低了频带利用率；并且导频信号只是 一个亚采样信号，再加上c o f d m 系统每次上千点的块信号处理方式，使得根 据导频信号在理论上不可能完全精确的描述出信道特性，这也是该系统始终无 法达到理论值的原因之一( 与理论值差2 d b - - 3 d b ) 。同时，该系统在交织深 度、抗脉冲噪声干扰及信道编码等方面的性能存在明显不足。目前已有3 3 个 国家和地区决定采用d v b t 标准。 3 日本的i s d b t 标准 日本的数字电视广播专家组成立于1 9 9 7 年，致力于综合业务数字地面广 播( i n t e g r a t e ds e r v i c e sd i g i t a lb r o a d c a s t i n gt e r r e s t r i a l ，i s d b t ) 【4 j 标准的制定和 发展，其i s d b t 标准1 9 9 9 年正式推向世界。该标准衍生于欧洲系统，能够 在6 m h z 的带宽内传输3 6 8 m b s 到2 3 4 2 m b s 的码流，由于c o f d m 系统抗 多径传输信号能力较强，因而对岛国多山的日本来说较为合适。该系统借鉴了 d v b t 的成功经验，因此与a t s c 、d v b t 相比，移动接收比较灵活，更具 技术优势，而且可以与地面数字音频广播系统兼容。该系统的传输信号由1 3 个o f d m 段组成，可分层传输；并且规定了多种o f d m 传输的数字调制方案 和不同的内码编码码率；这些参数对每个o f d m 段可独立选择，能够满足综 合业务接收机的需要，提供灵活多样的播放服务。为了增强移动接收能力，该 标准采用了长时间交织机制，最长的交织时间达0 5 s 。 但日本的i s d b t 系统并没有解决c o f d m 系统中的实质问题【5 1 。比如增 加交织深度所引入的长达数百毫秒的延迟，不但在频道转换时难以接受( 图像 显示有明显的时间间隔) ，在未来的双向业务中也可能是致命的不足。现在采 用该标准的主要有日本和巴西。 第1 章绪论 1 1 2 我国的数字电视地面广播标准的发展 我国的数字电视地面广播起步较晚，但是一直在密切关注国际上数字电视 地面广播的标准制定和产业化进程。回顾美国、欧洲、日本等数字电视技术的 先行者，在发展本国数字电视产业之初，都立足于制定具有自主知识产权的数 字电视传输标准，我们也由此得到启示，应该制定适合本国特点、具有自主知 识产权的数字电视传输标准，以推动数字电视产业的发展。 我国于1 9 9 4 年开始启动数字电视地面广播标准的研究【6 】，1 9 9 5 年从各高 校和研究机构抽调人员成立了h d t v 专家组，经过三年的努力，开发出了第 一台h d t v 样机，并且成功转播了1 9 9 9 年的国庆5 0 周年阅兵。我国的数字 电视地面广播传输系统标准数字电视地面广播传输系统帧结构、信道编码和 调制( g b 2 0 6 0 0 2 0 0 6 ) t7 j 最终于2 0 0 6 年8 月3 0 日由国家标准管理委员会发布， 并于2 0 0 7 年8 月1 日起实施。 不同于基于单载波的a t s c 标准和基于多载波的d v b t 和i s d b t 标准， 我国的数字电视地面广播标准是单载波和多载波两种传输方案的融合。单载波 方案基于上海交通大学提出的a d t b t 系统【引，该系统支持移动接收和单频组 网，具有峰均比低、频谱效率高、载噪比低、抗多径信道和动态信道的特性。 多载波方案基于清华大学提出的d t m b 系纠9 1 ，该系统的核心是信号帧采 用了时域同步正交频分复用( t i m ed o m a i ns y n c h r o n o u s o f d m ，t d s o f d m ) 调 制技术【l0 1 ，帧体采用多载波调制方式，频率域子载波序列长度为3 7 8 0 ，相邻 子载波的间隔为2 k h z ，由于帧体数据没有前后缀，极大地提高了频谱利用率， 帧头以时域p n 序列作为保护间隔。因此t d s o f d m 可以通过时域和频域的 混合处理，简单方便的实现快速码字捕获及稳健的同步跟踪和信道估计，形成 了与d v b t 和i s d b t 的全频域处理方式不同的自主核心技术。总的来说， 我国的数字电视地面传输标准具有高数据传输码率、支持单频网、支持固定和 移动接收、快速同步等特点1 1 1 1 ，适合我国的国情。 1 2 本文的内容和章节安排 本文主要研究t d s o f d m 系统的信道估计算法。结合我国数字电视地面 传输国标和t d s o f d m 系统特有的帧结构，分析推导了不同环境下的信道估 计算法，取得了以下研究成果： 1 提出了一种基于低复杂度快速滤波的循环相关信道估计改进算法； 2 提出了一种改进型的迭代p n 重构信道估计算法； 3 针对算法硬件实现时，残余的直流分量对信道估计精度的影响，提出 了种低复杂度的累加平均直流分量消除算法。 4基于t d s o f d m 的信道估计算法研究与实现 本文的章节安排如下： 第2 章介绍了o f d m 传输技术和无线信道的特点。首先简介了o f d m 系 统的数学原理及其发展和演进，并对o f d m 技术的优缺点进行了总结；随后， 介绍了国标t d s o f d m 的系统模型，特别是决定信道估计算法选择和实现的 信号帧结构；最后分析了无线信道的基本特性和对信道估计影响较大的小尺度 衰落的特点和分类。 第3 章主要研究基于p n 序列的信道估计和均衡。本文首先分析了基于p n 序列的o f d m 系统传输模型，随后，通过算法性能、实现复杂度等衡量依据 分析了现有的几种典型的基于p n 序列的信道估计算法，指出了其各自的不足 与缺陷；依照文中给出的设计目标，本章提出了两种改进型的信道估计算法： 消除p n 序列非完全理想自相关特性的低复杂度快速滤波算法和改进型的迭代 p n 重构信道估计算法。最后，为了提高系统在频率选择性衰落严重的信道下 的性能，引入了基于d f t 码的均衡技术，得到了优于传统迫零均衡的性能。 第4 章主要研究信道估计的系统设计和实现方案。结合硬件实现过程中遇 到的实际问题，提出了累加平均的直流分量消除算法，可有效消除帧头残余的 直流分量对信道估计的影响，最后对本文提出的实现方案进行了硬件验证。 第5 章总结全文，回顾了本文的主要工作，并结合本文的研究内容提出了 有待深入研究的技术问题。 第2 章o f d m 传输技术与无线信道特性 第2 章o f d m 传输技术与无线信道特性 2 1o f d m 传输技术 正交频分复用( 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 ) 是一种 多载波调制方式1 1 2 1 ，其基本原理是将高速数据流分成若干低速数据流并行地在 相互正交的子载波上传输，这样，多径衰落的时间弥散相对减少，频率选择性 衰落信道转化为若干平坦衰落子信道，大大减小了符号间干扰( i n t e r - s y m b o l i n t e r f e r e n c e ，i s i ) 。为了能够完全消除i s i ，通常在o f d m 符号中引入保护间隔。 由于码元符号是周期的，保持了子载波间的正交性，减小了载波间干扰( i n t e r - c a r r i e ri n t e r f e r e n c e ，i c i ) 的影响。只要保护间隔大于信道的最大时延扩展，就 能完全消除i s i 和i c i 的影响。 2 1 1o f d m 系统的数学原理 与传统的单载波调制类似，o f d m 也要对速率为灭的输入数据流进行信 号映射( 通常为q a m ) ，然后对其进行串并转换，以速率r n 分配到各个子信 道，并对每个子载波进行正交调制，调制后的信号经过叠加和频谱成形就得到 基带o f d m 信号。与调制端相对应，解调端把接收到的基带o f d m 信号与同 样的个本地子载波相乘并积分，再经过并串转换和解映射就得到与原始数据 流对应的接收数据。传统的o f d m 基带调制解调原理如图2 1 所示。 审弦 并 静 转 换 叫俨 1 弛哗 并 富 转 ： 换 叫泸 ( a ) 调制( b ) 解调 图2 1o f d m 基带调制解调原理框图 从图2 1 可以看出，用传统的方法实现o f d m 的调制解调，需要产生 个相互正交的载波和个窄带带通滤波器，这在硬件上是很难实现的。 w e i n s t e i n 和e b e r t t l 4 1 提出的用离散傅立叶变换( d i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r m ， d f t ) 对并行数据进行基带调制和解调处理的思路大大降低了o f d m 系统的 实现复杂度。