（通信与信息系统专业论文）dvbt2系统信道估计算法的研究.pdf

摘要 无线通信信道中，加性噪声，多径衰落以及多普勒效应等问题，一直是影响 通信系统性能的主要因素。信道估计技术直接影响着接收机性能的优劣。d v b t 2 标准自2 0 0 9 年颁布以来，由于技术的革新，使得d v b t 2 系统具有很大的优越 性，但同时也给信道估计带来了不少难题。d v b t 2 系统是嵌入导频的o f d m 系统，它的信道估计算法是基于导频的信道估计算法。但是，d v b t 2 系统的导 频种类增加至5 大类，帧头和帧尾包含p 2 导频和f c l 导频，数据符号中包含边 缘导频，连续导频和离散导频，且离散导频又有8 种模式，这些导频种类和模式 的差异使得信道估计算法需要进行多方面的考虑。本文根据各类导频的特性，提 出一种适合于d v b t 2 系统的信道估计算法。 本文的研究工作主要有以下几个方面。分析d v b t 2 系统特性，对比 d v b t 2 系统与d v b t 系统之间的差距，提出按帧单位进行信道估计，并在帧 头和帧尾做特殊处理的方案。针对帧头和帧尾符号内导频在频域方向上分布密集 的特点，提出频域插值和时域平滑滤波相结合的信道估计算法。d v b t 2 系统中 的8 种离散导频模式p p l p p 8 ，分析发现它们在同一子载波上的时域间隔只有3 种取值2 ，4 ，1 6 。其中d v b t 2 系统中时域间隔值不超过4 的p p l p p 7 导频模 式，满足时频插值的条件，且与问隔值只有4 的d v b - t 系统的离散导频分布相 似程度高，故通过对d v b - t 系统的l m sd f e 信道估计算法进行改进，得到可 在p p i p p 7 离散导频模式下适用的d v b - t 2 系统信道估计算法。重点分析了时 域间隔高达1 6 个符号的p p 8 离散导频，p p 8 模式下l m sd f e 改进算法需要很 大的延时和符号存储量，鉴于p p 8 模式下较少的导频信息和p 2 符号可以提供初 始的信道信息，p p 8 模式信道估计采用基于判决反馈的信道估计算法，通过在 c d 3 o f d m 判决反馈信道估计算法的基础上进行时域滤波，星座判决和l m s 算 法的改进，提出了c d 3 s l i c e r - l m s 信道估计算法。 文中对改进的信道估计算法在不同无线信道下进行了仿真与分析，仿真结果 表明，p p l p p 7 模式下导频数目不足时的改进l m sd f e 算法和导频数目足够时 的l m sd f e 算法性能差距不大；p p 8 模式下采用时域去噪方式可使性能改善程 度最大达0 6 d b ，经过l m s 算法高阶调制q a m 性能可提高0 2 d b 。在静态 a w g n f 1 p 1 s s e 信道下，估计出的信道模型和系统信道模型参数也是一致，并 达到标准中提出的s n r 性能要求。 关键字：数字电视，d v b t 2 ，信道估计，插值 a b s t r a c t a d d i t i v en o i s e ，m u l t i p a t hf a d i n ga n dd o p p l e ri nt h ew 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 ，a r ea l w a y sm a i nf a c t o r so fe f f e c to fp e r f o r m a n c e e q u a l i z a t i o nt e c h n o l o g y d i r e c t l yi n f l u e n c e st h eq u a l i t yo ft h er e c e i v e r s i n n o v a t i o no fd v b - t 2t e c h n o l o g y m a k e sd v b t 2s u p e r i o r , a n da l s ob r i n g sal o to fp r o b l e m so f e q u a l i z a t i o n d v b t 2i s p i l o to f d ms y s t e m ，s oi t sc h a n n e le s t i m a t i o na l g o r i t h mi sb a s e do np i l o t s h o w e v e r , p i l o t si nd v b - t 2s y s t e mh a v ei n c r e a s e du pt o5t y p e s t h e r ea r ep 2p i l o ta n df c l p i l o ti nt h eb e g i n n i n ga n de n do ff r a m e d a t as y m b o l si n c l u d ee d g ep i l o t s ，c o n t i n u a l p i l o t sa n ds c a t t e dp i l o t sw h i c he v e nh a v e8m o d e s t h e s ed i f f e r e n c e sa m o n gp i l o t s m a k ec h a n n e le s t i m a t i o nv a r i o u s b a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i c so fa l lk i n d so f p i l o t ，t h e p a p e ra i m st op u tf o r w a r das u i t a b l ed v b - t 2c h a n n e le s t i m a t i o na l g o r i t h m t h em a i nw o r ki si nt h ef o l l o w a s p e c t s a n a l y z ed v b - t 2c h a r a c t e r s i t i c ， c o m p a r ed v b t 2w i t hd v b t ，a n dt h e np u tf o r w a r dc h a n n e le s t i m a t i o ni nf r a m eu n i t a n dd os p e c i a lt r e a t m e n ti nt h eb e g i n n i n ga n de n do ff r a m e p 2a n df c l p i l o t si n d v b - t 2s y s t e mw h o s ed i s t r i b u t i o ni sr e l a t i v e l yd e n s e ，p a p e rp u t sf o r w a r df r e q u e n c y d o m a i ni n t e r p o l a t i o na tf i r s ta n dt h e nf i l t e r i n gi nt i m ed o m a i na l g o r i t h m p p1 一p p 7 p i l o t sw h o s ed i s t r i b u t i o ni sr e l a t i v e l ys p a r s en om o r et h a n4i nt i m ed o m a i n ，a d o p t a d v a n c e dl m s d f eo fd v b - ts y s t e mw h i c hc o u l da v o i dp1a n dp 2 s y m b o l i n t e r r u p t i n gc o n t i n u i t yo fd a t as y m b o l s p p 8p i l o tw h o s et i m ed o m a i ni su pt o16 s y m b o l sw h i c hc o u l d n ta d o p ta d v a n c e dl m s d f ea l g o r i t h m g i v e ni t sl e s sp i l o t n u m b e ra n di n i t i a lc h a n n e lc h a r a c t e r i s t i cp r o p o s e db yp 2s y m b o l ，p a p e rp u t sf o r w a r d ac o d e dd e c i s i o nc h a n n e le s t i m a t i o na l g o r i t h mn a m e dc d 3 一s l i c e r - l m sw h i c ha d d s t e m p o r a lf i l t e r i n g , c o n s t e l l a t i o nd e c i s i o na n dl m sa l g o r i t h mb a s e do nc d 3 - o f d m a l g o r i t h m a l lt h ei m p r o v e da l g o r i t h m sa r es i m u l a t e di nd i f f e r e n tr a d i o f r e q u e n c yc h a n n e l s i np p1 p p 7m o d e ，i m p r o v e dl m s d f ea l g o r i t h mw i t hi n s u f f i c i e n tn u m b e ro fp i l o t a r es i m i l a rw i t hl m s d f ew i t he n o u g hn u m b e ro f p i l o t i np p 8m o d e ，p e r f o r m a n c e f r o mt e m p o r a lf i l t e r i n gc o u l di m p r o v eu pt o0 6 d b a f t e rl m sp e r f o r m a n c eo fh i g h d e g r e eq a m m o d u l a t i o nc o u l di m p r o v e0 2 d b s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tc h a n n e l e s t i m a t i o na g r e e sw i t ha c t u a lc h a n n e lm o d e l a n dd v b t 2e q u a l i z a t i o na l g o r i t h mi n t h ep a p e rc o u l dm e e tp e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t si nd i f f e r e n ts t a t i cc h a n n e l k e yw o r d s ：d i g i t a lt e l e v i s i o n ，d v b t 2 ，c h a n n e le s t i m a t i o n ，i n t e r p o l a t i o n i i 武汉理l ：人学硕十学何论文 第1 章绪论 近十年来，数字电视飞速发展，取代了模拟电视在过去几十年给人们带来娱 乐和信息的地位。数字电视的高清图像，众多的节目选择，满足了人们对电视节 目高质量和多样化的需求。数字电视( d i # t mt e l e v i s i o n 。d t v ) 以数字技术为依 托，其发射、传输和接收的信号都是数字信号。 数字电视信号可以通过有线电视网，卫星和地面无线广播的方式进行传输， 其中地面无线信道中的干扰因素最多，信道中存在噪声，多径效应和多普勒等干 扰因素，因此地面数字电视接收机系统的复杂度最高。但无线地面广播也有一些 系列优势： ( 1 ) 地面电视广播是最普遍的传播方式，由于其不需要构建具体的传输干路， 故运营成本低，并在自然灾害等紧急条件下恢复能力强； ( 2 ) 地面电视广播还具备灵活性和移动性，可满足人们随时收看电视节目的 需求； ( 3 ) 地面电视广播不仅具有电视节目广播功能，还可以在双向交互业务、三 网融合及其他业务拓展方面发挥巨大的潜力。 1 1 研究背景与意义 在美国、欧洲和日本新前沿技术线路的研究和探索中，都有着各自的数字电 视地面标准。研究重点集中在：一是最大程度的发挥地面数字电视的优势，二是 有效抵抗干扰，三是高清移动。目前，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 t o ) 公布的数字电视地面广播传输标准有美国的 a t s c 标准，欧洲的d v b t 厂r 2 标准，日本的i s d b t 标准，以及中国的d t m b 标准。 ( 1 ) 美国a t s c8 - v s b 标准 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 m sc o m m i t t e e ) 标准是为实现在单个6 m h z 频 道中传输高质量节目而设计的地面广播系统。a t s c 主要技术是采用了格形编码 八电平残留边带调制，并在系统中加入段同步信号用于同步，同时加入了0 3 d b 的导频信号用于辅助载波恢复。如此设计，使a t s c 系统具备噪声门限低，传输 容量大的技术优势。但a t s c 系统在强动态多径信道中，性能不理想，同时，若 载波没有精确同步恢复会严重影响均衡器的性能。 武汉理l ：人学硕十学位论文 ( 2 ) 欧洲d v b tc o f d m 标准 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 gt e r r e s t r i a l ) 系统采用“编码正交频分复用” 技术，把传输比特分散到众多低比特率副载波上。d v b t 系统中插入了大量导频 信号，这些导频信息可用于系统同步，信道估计。同时为了降低多径造成的码问 干扰，使用了保护间隔技术。d v b 。t 标准也存在一定的缺陷。导频信息和保护间 隔的插入，占据了大量的有效带宽，使得频带损失严重。 ( 3 ) 欧洲d v b t 2c o f d m 标准 d v b t 2 ( d i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t i n g s e c o n dg e n e r a t i o nt e r r e s t r i a l ) 系统也采用 o f d m 调制方式，通过大量的子载波传输强鲁棒性的信号。与d v b t 相比， d v b t 2 提供了更多的模式选择，从而使其具有很大的灵活性。对于误码保护， d v b t 2 采用了与d v b s 2 相同的纠错编码。通过使用低密度奇偶校验编码l d p c 和b c h 编码，d v b t 2 可以在具有大噪声电平和干扰的环境中传输强鲁棒性的 信号。 ( 4 ) 同本i s d b to f d m 标准 i s d b t ( i n t e g r a t e ds e r v i c ed i g t i a lb r o a d c a s t i n gt e r r e s t r i a l ) 标准，通过分层技 术，把频段划分为1 3 等宽子频带，通过相应组合使每个子段都得到利用。 ( 5 ) 中国d t m bt d s o f d m 标准 d t m b 数据传输技术采用t d s o f d m ( t i m ed o m a i ns y n c h r o n u 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 nm u l t i p l e x i n g 的缩写) ，主要是一项多载波调制技 术，支持单载波和双载波调制方案。主要关键技术有： 支持单载波和多载波双调制模式； 独特的复帧结构； p n 序列帧头可实现快速同步和高效信道估计； l d p c 的高效编码； 正交序列扩频技术来保护系统信息。 1 1 1 课题来源 本课题来源于上海明波通信技术股份有限公司的项目第二代欧洲地面 数字电视广播标准d v b t 2 接收机系统。 1 1 2 研究目的和意义 2 0 0 9 年9 月，d v b 组织正式发布了第二代欧洲地面数字电视广播传输标准 d v b t 2 t 。d v b t 2 中采用了大量目前宽带无线通信领域的领先技术，提供了 更高的清晰度和更为丰富的功能。在d v b t 2 系统中，对单个电视业务解码器， 2 武汉理l ：人学硕十学位论文 系统传输速率达5m b i t s 时，解复用日订误包率小于1 0 ，即传输l 小时发生不可 纠j 下错误事件的次数小于l 。新发布的d v b t 2 标准在技术和性能上都有了很大 的提升，其优越性表现如下： ( 1 ) d v b t 2 系统传输能够使用现有家用接收天线装置，而且能够再利用发射 基础设施，这样排除了考虑采用新接收器和发射天线的m i m o 技术的可能性： ( 2 ) d v b t 2 系统主要瞄准针对固定和便携式接收器的服务； ( 3 ) d v b t 2 系统工作在与d v b t 相同规划的限制和条件下，提供高于 d v b t 最少3 0 的容量增： ( 4 ) d v b t 2 系统提供比d v b t 更改良的单频网( s f n ) 性能； ( 5 ) d v b t 2 系统提供特定于服务的鲁棒性机制，给予某些服务不同水平的鲁 棒性； ( 6 ) d v b t 2 系统提供更灵活的带宽和频率选择。 d v b t 2 系统是在d v b t 系统上扩展衍生出的新一代欧洲数字电视地面标 准，其主要目标是为了提供更有效的高清电视业务。系统中采用了很多先进技术 如物理层多管道技术，l d p c 编码机制以及m i s o 多天线发射机制。这些技术的 革新，使得d v b t 2 标准具有很大的优越性。 无线通信信道中，加性噪声，多径衰落以及多普勒效应等问题，一直是影响 通信系统性能的主要因素。接收机系统必须对传播过程中的信道特性进行准确的 估计，才能恢复出原始的发送信号。故信道估计技术直接影响着接收机性能的优 劣，是数字接收机中的关键技术。d v b t 2 标准颁布时间较短，相关接收系统仍 在不断改进中，各项技术还需深入研究。虽然d v b - t 2 系统沿用了d v b t 的 o f d m 调制方式，但d v b t 2 系统与d v b t 系统仍存在较大的差异，d v b t 2 接收系统有着其自身的技术特点。 分析d v b t 2 系统帧结构可知，d v b t 2 系统是一种全新的三层帧结构，在 帧头新增了p 1 符号和p 2 符号，帧尾引入了帧结束符号。导频种类增加至5 大类， 帧头和帧尾包含p 2 导频和f c l 导频，数据符号中包含边缘导频，连续导频和离 散导频。在信道估计中起着关键作用的离散导频又有8 种模式，这些导频种类和 模式的差异使得信道估计算法的研究需要考虑多种情况。这些多情况的组合，要 求d v b t 2 的信道估计算法必须有较强的健壮性，能在各种条件下得以使用并具 有较好的性能。 到目前为止，d v b t 2 系统信道估计算法的研究，大多只是一些思路上的指 ，导方案，能够具体适用于d v b t 2 系统信道估计算法的研究还是相对较少。要设 计一个全面考虑d v b t 2 系统导频特性的信道估计系统，并在各种干扰条件下 获得较佳的性能，仍需进行大量的研究工作。 3 武汉理l ：人学硕十学位论文 因此，本论文的研究目标是针对d v b t 2 系统特性，根据数字电视地面广播 的技术要求，在研究、比较和改进国内外现有的o f d m 系统中各种信道估计算 法的基础上，提出适用于d v b t 2 系统的信道估计算法。 1 2 国内外研究现状 1 9 9 7 年，d v b 组织正式颁布欧洲数字地面广播标准d v b t 2 】，它是d v b 传输系统中最为复杂的标准。它利用o f d mj 下交频分复用调制方式，音频压缩 编码和m p e g 2 数字视频技术，在8 m h z 带宽内可以传送多套高质量的电视节 目。传输模式包括2 k 和8 k 两种，传输容量在理论上与有线电视系统相当，本 地区覆盖率高。有关统计资料显示，在全球人口众多的1 0 0 多个国家地区中，美 国的a t s c 占有6 份额，欧洲的d v b t 占有份额为4 7 和1 6 可能占有的份 额，日本的i s d b t 占有2 的份额，中国的d t m b 和欧洲的d v b t 2 正在逐步 占有其余的市场份额。 虽然d v b t 标准是在欧洲和其它许多国家都很流行的数字电视标准。但是， 在m p g 4 标准和其它新的卫星数字电视标准( 如d v b s 2 ) 提出后，d v b t 标准受 到了很大程度的威胁。因此，在2 0 0 6 年地面电视广播协会提出一个改进的系统。 经过一系列的标准制定，2 0 0 8 年6 月d v b 指导委员会最终批准d v b t 2 规范在 d v b 网站公布，并且发布给e t s i 正式标准化。2 0 0 9 年9 月d v b 组织正式发布 了第二代欧洲地面数字电视广播传输标准d v b t 2 。d v b - t 2 中采用了大量目前 宽带无线通信领域的领先技术，提供了更高的清晰度和更为丰富的功能。d v b t 2 标准对d v b - t 标准的很多参数进行了扩充，建立了几乎接近信道理论极限容量 的吞吐量，并能最大程度地适应信道的不平坦性。 d v b 。t 2 作为第二代欧洲地面数字电视广播传输标准，继承了第一代标准的 优越性能，并加入了更多的功能和特性，与现存的d v b t 标准相比，d v b t 2 系统性能具有明显的优势。通过采用2 5 6 q 调制、l d p c 和b c h 级联等方法， d v b t 2 提供高于d v b - t 最少3 0 的容量增。l d p c 误码纠错算法可以提高纠 错能力，从而提供比d v b t 更广阔的覆盖率。此外，采用物理层管道技术，可 以传输更多的数据信息，使得用户可以接收高清节目，或者网络运营商在同一频 道传输更多的标清节目。 尽管d v b t 标准迄今为止有十多年的历史，各项技术已经相当成熟，但2 0 0 9 年9 月发布的第二代欧洲地面数字电视广播传输标准d v b t 2 ，由于颁布时间较 短，有关接收系统仍在不断改进中，各项技术还需深入研究。 目前国内关于d v b t 2 系统的研究，清华大学发表的文献主要是针对 4 武汉理i ：人学硕十学位论文 d v b t 2 系统模型特性上的分析。如d v b t 2 系统标准进展【3 】对d v b t 2 系统标 准进行了综合概述。主要包含了d v b t 2 系统总体框图和性能指标的介绍。详细 分析了帧结构，比特交织编码和调制，物理层管道和m i s o 处理等模块的构成， 并对比了d v b t 2 系统和d v b t 系统之间的相同点和不同点，总结概括了 d v b t 2 的主要技术革新，给出了d v b t 2 系统对中国地面数字电视标准d t m b 改进的启示。d v b t 2 物理层管道对国标系统的启示等系统模型上的研究【4 l 着重 分析了d v b t 2 系统的物理层管道( p l p ) 技术。从多业务、物理层信令和帧结构 等方面，分析了物理层管的传输原理，并总结了多业务的物理层管道传输所带来 的优势。在d v b t 2 系统物理层管道的研究基础上，还提出了如何在中国地面数 字电视标准d t m b 系统中划分物理层管道来实现多业务传输的目的，并且能兼 容现在已有的d t m b 接收设备，发挥多业务传输的优势。 国外关于d v b t 2 系统的研究也是分白在d v b t 2 技术的各个方面。在 d v b 1 2 关键技术的研究方面，如p l p 管道技术【5 】，为了提供稳健的业务服务和 最大优化的时域交织存储量，d v b t 2 提供了完全独立的p l p ，每个p l p 的调制 方式，f e c 编码，比特映射等都可以单独对应。发送信号中的图像信号，语音信 号，字幕和交互内容等多业务，都可以在p l p 的物理层管道中进行时分复用传 输。星座旋转【6 】技术，用于降低在频率选择性衰落信道中系统性能损失。星座图 经过一定角度的旋转，每个星座点会映射到不同的i 路和q 路上。在接收机端经 过时域解交织后，i 路和q 路再聚集在一起，因此它们受到的干扰是不同的，使 得v q 两路信号不会同时被干扰信号淹没。组帧技术 7 1 ，帧调度器把时域交织的 输出数据单元映射到o f d m 符号上，同时增加信令信息构造t 2 帧和超帧。这种 映射方式的第一个目标可以达到最大程度的时域分散，使得来自一个p l p 的所 有单元分散在整个一帧上，甚至多个帧上。第二个目标可以最大程度的减少功率 损耗。m i s o 机制【8 】，d v b t 2 允许采用多个发射机在同一频段上发射同一信号 来组建单频网s f n 。d v b t 2 提供了一种有效的双天线发射方式，在这种配置下， 数据在两个发射机上，不会完全一致但非常相关，可以避免深衰落，使得s f n 的性能得到提高。 d v b t 2 系统沿用了d v b t 嵌入导频的o f d m 机制【9 】，关于d v b i 2 系统 信道估计算法的研究考虑将o f d m 系统中已有的信道估计算法沿用到d v b t 2 系统的信道估计算法上。o f d m 系统中的信道估计算法大致可以分为基于训练 序列或导频的信道估计算法，判决反馈信道估计算法和盲信道估计算法三大类。 ( 1 ) 基于训练序列或导频的信道估计 训练序列或导频嵌入的系统，可充分利用训练序列或导频信息来进行信道估 计。训练序列或导频嵌入在传输的信息中，其在传输过程中受到的信道干扰和数 5 武汉理i ：人学颂十学t f = 论文 掘信息受到的干扰是相关的。发射端的训练序列或导频信息x 是已知的，接收 端在收到对应的训练序列或导频信息y 后，可根据y 和x 信息估计出训练序列 或导频在传输过程中受到的信道干扰，进而获知数据符号受到的信道影响。这类 信道估计方法是目前使用最普遍的信道估计算法，它的理论研究已经很成熟，算 法原理相对简单，实现复杂度也较低。 a 基于训练序列的信道估计 设发射端时域训练序列为p ( n ) ，经过信道传输以后，接收端训练序列为 p ( n ) ，可表示为p ( n ) = p ( 刀) 圆矗( 甩) ，其中h ( n ) 为信道时域冲激响应，固表示循 环卷积相乘；经过f f t 变换后可得p ( k ) = 以后) ( 七) ，p ( k ) 表示p 伽) 的f f t 变 换，只尼) 表示p ( 以) 的f f t 变换，( 七) 为信道频率响应， h ( k ) = p ( k ) p + ( 七) ip ( k ) 2 。根据训练序列特性le ( k ) 1 2 k 删，k 刚为训练序列长 度，贝l j h ( k ) = p ( k ) p + ( 七) k p ，根据训练序列的性质得j l l ( 力) = p ( n ) p ( n + i ) k e n ， 该方法又称时域相关法 , o q 2 】。 b 基于导频的信道估计 基于导频的信道估计首先是获得导频点信道估计值，然后利用导频点信道估 计值获取整个信道信息。导频位置信道估计的基本思想包括最小均方误差估计 ( m m s e ) 1 3 】和最小二乘估计( l s ) 。其它的一些估计准则都是基于这两种思想的各 种改进方案【l4 。基于导频辅助的信道估计，m m s e 准则下的信道估计具有较准 确的估计值，但存在高复杂度的矩阵求逆运算，且需预知信道相关特性和高斯噪 声方差。l s 准则无需信道先验信息，一次除法就可实现，但受噪声和其他干扰 影响比较大，性能较m m s e 方法差。为此人们提出了很多对m m s e 的进行方法。 这些改进方法，无论从哪个角度出发，最终目的都是在避免m m s e 矩阵的求逆。 非导频位置的信道估计可通过插值【1 5 - 1 6 】滤波来获取。当导频呈对角线分布状 时，且导频在时域和频域上分布的间隔满足二维n q u i s t 采样定理，可采用基于 m m s e 准则的二维维纳滤波法【1 7 】获得最佳信道估计器。二维维纳滤波的估计值 准确度很高，但计算复杂度大，故常把二维估计简化为两个级联的一维估计【l 引， 即把时频同时估计的二维估计分解到时域和频域上分别进行一维的估计，降低计 算复杂度。基于d f t 变换【l9 】的插值算法，利用d f t 来实现信道估计，因d f t 具有快速运算的特点，可降低实现复杂度，实时性得到提高，满足实际系统的需 要；多项式插值方法【2 0 1 ，利用已知数据对未知数据进行数学模型的曲线拟合，该 方法无需预知信道的统计信息可降低实现代价，但是系统性能较差；奇异值( s v d ) 分解法【2 ，利用符号长度远大于信号冲击响应，通过奇异值分解对信道自相关矩 阵进行降阶分解，简化系统复杂度。此外，自适应滤波的方法【2 2 j ，根据误差因子 更新滤波器系数，来对信道进行实时监测：基于e m 的迭代算法【2 3 1 ，通过对迭代 6 武汉理i ：人学硕十学位论文 次数进行合适的选取，可在计算复杂度和系统性能上达到折中；基于信道模型参 数化的方法，利用最小长度描述准则估计出信道中径的个数，再基于信号参数估 计值的旋转不变性获取信道各路延时的初始信道值，然后借助延迟锁定环路捕捉 信道的变化动态，最后利用信道中径延时估计值计算出m m s e 准则下的信道响 应；另一种模型方法是基于时频多项式【2 4 1 ，在抑制噪声的同时防止能量损失，时 频窗口的大小决定了残留误差的大小，多项式的阶数决定了对模型拟合程度的高 低，在高速变化的信道下，需使用很高阶数的模型才能对信道进行准确的拟合， 进而保证系统的性能。 ( 2 ) 判决反馈信道估计 判决反馈信道估计充分利用信道在时域和频域上的相干性，根据上一个符号 的信道特性值估计当前符号的信道响应，即利用反馈环来不断进行信道估计。由 于是通过上个符号来估计当前符号信道特性，则判决反馈信道估计需要有一个信 道信息的初始值来开始整个判决反馈机制。 判决反馈的方法有滤波器反馈信道估计法，通过低通滤波器降低噪声来获得 高准确度的信道估计值【2 习；高有效率的信道编码纠错能力来降低反馈误差的方 法，利用高有效率的纠错能力可以提高信道估计值的准确性，而准确的信道估计 又可以降低误码率，两者相互调节最终提高系统性能；还有最小均方误差法【2 6 1 ， 奇异值分解法【2 7 】和直接判决预测法【2 8 之9 】等等。 判决反馈信道估计的性能主要依赖于判决的结果 3 0 - 3 1 】，只有判决结果正确， 才可以获得较好的系统性能。判决反馈信道估计是基于相邻两个符号在短时间 内，信道特性值不会发生突变，所以在突发干扰信道下这类算法受到的影响较大， 误差容易扩散，甚至导致系统崩溃。在高速移动环境中，反馈系统的存在，使得 系统收敛速度很慢。 ( 3 ) 盲信道估计 盲信道估计常见的方法主要有c h o l e s k y 分解法【3 2 】及其各种改进算法；传输 序列循环前缀平稳法【3 3 1 ，o f d m 系统中的循环前缀具有一定的抗i s i 干扰的能力， 可利用循环前缀的平稳特性来进行信道估计：子空间分解法【3 4 1 ，通过对接收信号 的自相关矩阵进行分解，把信号空间分解成噪声子空间和有用信息子空间，然后 利用正交性进行信道估计。上述三类算法，只能识别有限的信道特性p 5 1 ，盲信道 估计算法中还有基于传输信号高阶统计量的方法。盲信道估计中不含导频和训练 信息，传输过程中符号利用率高；但它的计算量大，性能也不如基于训练序列或 导频的信道估计算法，并且较慢的收敛速度，这些缺点阻碍了盲信道估计在实际 中的应用。 综上所述，基于训练序列或导频的信道估计算法性能最优，也是实际中最常 7 武汉理i ：人学颂十学位论文 用的方法，但其需要在数据符号中插入一定量的辅助信息，降低了系统的传输效 率：判决反馈信道估计不可以对付突发干扰，且收敛速度较慢；盲信道估计虽然 传输效率高，但算法的复杂度一般都很高。 上述的三大类信道估计方法是o f d m 系统中常用的信道估计算法，而目f j 的文献中针对d v b t 2 系统中的信道估计算法的研究很少。结合d v b t 2 系统的 嵌入导频特性，d v b t 2 系统的信道估计算法偏向与基于导频的信道估计算法。 但是，d v b t 2 系统和以往的o f d m 嵌入导频系统相比，它的离散导频有8 种 模式，并且帧结构也扩展为三层帧结构，每帧的帧头和帧尾的又有新的导频模式， 这使得上面三类方法不能直接应用于d v b t 2 系统。 本文结合d v b t 2 帧结构和导频分布特性，在基于导频的信道估计算法基础 上进行各种改进综合，提出适用于d v b t 2 系统的信道估计算法，并使其在各种 干扰信道下达到性能需求。 1 3 研究内容与组织结构 无线通信信道中的各种干扰是影响通信系统性能的主要因素，从而使得信道 估计技术成为改善d v b - t 2 系统性能的关键技术。结合d v b 1 2 系统的嵌入导频 特性，d v b t 2 系统采用基于导频的信道估计算法。d v b t 2 系统的导频种类有 5 大类，帧头和帧尾包含p 2 导频和f c l 导频，数据符号中包含连续导频，边缘 导频和离散导频，且离散导频又有8 种模式，这些导频种类和模式的差异使得信 道估计算法的研究需要考虑多种情况。针对这情况，本文结合各类导频的特性， 研究适合d v b t 2 系统的信道估计算法。论文的主要工作内容如下： 第l 章介绍了数字电视的特点和整体现状，主要描述了国内外现有的地面数 字电视传输标准的特点。并介绍了d v b t 2 系统的性能优势、课题的研究背景及 意义和o f d m 系统中信道估计算法的研究现状。最后给出了本文研究的主要工 作和结构安排。 第2 章分析了d v b t 2 系统的整体架构，着重介绍了d v b t 2 系统中与信道 估计相关的技术特性，通过对比分析d v b t 2 系统与d v b t 系统之间的差异， 并结合d v b t 2 系统自身的帧结构和导频分布特性，提出了d v b t 2 系统信道估 计的整体方案。 第3 章对o f d m 系统中的导频位置和非导频位置的信道估计算法进行深入 研究，对比分析各种信道估计算法的优缺点，并结合d v b t 2 系统导频特性，寻 找它们对d v b t 2 系统信道估计算法的借鉴和改进点，为d v b t 2 系统信道估计 算法的研究提供算法支持和改进方向。 8 武汉理l ：入学硕十学位论文 第4 章分别针对帧头导频、帧尾导频以及8 种离散导频模式，提出适合 d v b t 2 系统的信道估计算法。针对帧头的p 2 导频和帧尾的帧结束导频提出频 域插值和时域平滑滤波相结合的信道估计算法；针对p p l p p 7 离散导频模式提出 改进的l m sd f e 时频插值的信道估计算法；针对导频量较少的p p 8 模式，在 c d 3 o f d m 判决反馈信道估计算法的基础上进行改进，提出相应的 c d 3 s l i c e r - l m s 信道估计算法。并对各种算法的性能进行了仿真与分析。 第5 章总结与展望。对全文的工作进行总结，并指出研究中的不足和有待解 决的问题。 9 武汉理i ：人学硕十学位论文 第2 章d v b t 2 系统分析 d v b t 2 系统的技术是基于d v b t 和d v b s 2 的技术提出的。d v b t 2 扩 充了d v b t 技术中的很多参数，建立了几乎接近信道理论极限容量的吞吐量， 并能最大程度地适应信道的不平坦性。d v b t 2 系统还采纳了d v b s 2 的系统层 架构和低功率奇偶校验( l d p c ) 纠错码。另外，d v b t 2 系统还增加了许多可 选项，保证了在根据某一频道施加的要求下，把调制方案的丌销降低到最低水平， 同时扩大单频网络的覆盖范围，减小发送和接收机的实现难度。 2d 1d v b t 2 系统架构 d v b t 2 系统主要由模式和流匹配，比特交织编码和调制模块，组帧模块， l 1 信令，频域交织和o f d m 调制模块组成。d v b t 2 系统框图如图2 - 1 所示。 晡夸h f e et - - q 比特效h 燃h 射 纽帧 ( 1 ) 调制技术( 与d v b t 相同) ：o f d m + g i ，它在地面信道上本身就具有了一 定信号的恢复能力； ( 2 ) o f d m 中f f t 大小的扩展，加强了s f n 网络的接收能力，同时提供了更 多g i 的范围，增强了带宽的利用率； ( 3 ) 在同样的基带架构下，使用了d v b s 2 的前向纠错机n ( f e c ) ，增加了 2 5 6 q a m 的调制机制，充分利用了f e c 的纠错机制，引入星座旋转的新概念， 可有效提高系统在频率选择性信道中的性能； ( 4 ) 单个数据业务的p l p 逻辑信道的分开传输，在各个物理层中编码纠错机 制和交织方式都是分丌的，这样可以有效提高业务的稳健性； ( 5 ) 在高速业务下，至少7 0 m s 的时域交织增加了系统抗脉冲干扰的能力； ( 6 ) 灵活的帧结构，可以使数据最大程度的分散在整个帧中或者为了节约功 l o 一匡 一 到一 i 拟t 系 雾剜蒜 赋 驷 武汉理l ：人学硕十学 = ：论文 率集中在有限的范围内； ( 7 ) 导频模式的扩展，离散导频s p 和连续导频c p 在不同信道下采用相应的 可选模式； ( 8 ) 基于a l a m o u t i 的m i s o 多天线机制，双发送天线的机制可以有效减轻 p a p r 的影响； ( 9 ) 在帧结构上留出一些部分用于未来的业务扩展，如时频分片( t f s ) 可用于 多个频率段一起使用以便提高信道的可用率；另一方面f e f 空间的预留可为以 后的帧扩展做准备。 2 2d v b t 2 系统技术 d v b - t 2 系统与d v b t 系统两者的共同点是都使用了频域导频技术、o f d m 技术和q a m 调制技术。对比d v b - t 系统，d v b t 2 的主要改进有3 点： ( 1 ) p l p 的多业务功能； ( 2 ) 提高传输速率的各种技术； ( 3 ) 提高传输性能的各种技术。两者的技术对比如表2 - 1 所示。 表2 1d v b t 2 与d v b t 技术差异 对比项 d v b td v b - 1 1 2 帧结构一层三层 p l p等效一个p l p多个p l p 星座映射星座映射：3 种星座映射：4 种 规则映射规则映射、星座旋转q 延时 交织卷积自然深度交织符号比特频域时域交织 信令t p sp 1 、l l 信令 多大线 s i s os i s o 、m i s o o f d m 参数f f t 大小：2 种f 兀大小：6 种 g i ：4 种g i ：7 种 离散导频：1 种离散导频：8 种 分片技术无时频分片、时间分片 降低峰均比无a c e 技术、预留子载波技术 f e f无有 d v b t 2 系统中对信道估计带来影响的主要技术革新体现在帧结构和 o f d m 调制方式的调整。 武汉理l ：人学硕十学位论文 2 2 1 帧结构 d v b t 2 系统的帧结构如图2 2 所示。d v b t 2 帧结构是一种三层分级帧结 构。帧结构单元为超帧，由若干个t 2 帧和f e f 帧( f u t u r ee x t e n s i o nf r a m e ，未来 扩展帧) 组成。超帧的最大周期一般为6 4 s ，含有f e f 帧时，最大周期可达1 2 8 s 。 t 2 帧持续时间为1 0 0 m s 2 5 0 m s 。 二互二 二二互二 二j 口 ，j - - ， 7一 ，。，一，7 ! ， 臣 围盛 围 么= 、 ，曼墨 ! ! 、一、 圃匿卫翌囹圈 图2 - 2d v b t 2 系统帧结构 一个t 2 帧一般由p i 符号、p 2 符号和数据符号构成，有时还会存在一个帧 结束符号( f r a m ec l o s i n g 符号，以下简称f c l 符号) 。p 1 符号块仅有一个p 1 符号；p 2 符号块包含若干个p 2 符号，具体个数由f f t 大小决定；数据符号块包含若干个 数据符号；f c l 符号块仅包含一个f c l 符号。每个块内符号个数由上层系统结 构配置，具体