（信号与信息处理专业论文）中国地面数字电视标准中信道估计与均衡的仿真和验证.pdf

摘要 摘要 本文是根据中国数字电视地面广播传输系统标准g b 2 0 6 0 0 - 2 0 0 6 数字电视 地面广播传输系统帧结构、信道编码和调制中关于信道估计与均衡模块的设计 而撰写的。针对在多载波系统中，良好的接收及误码率性能要求准确的信道估计 和均衡这个问题，论文首先分析了地面无线信道的特征，给出了基于p n 序列的时 域循环相关的估计方法。然后根据标准的帧结构的特点，分析和探讨了在三种不 同的多径长度下该方法的具体应用和在两种典型信道模型下的均衡方式，并对移 动信道的估计与均衡进行了研究，采用了一种决策反馈的方法来消除i c i 。最后对 其做出了工程可实现的改进和仿真，在算法和仿真的基础上对信道估计和均衡进 行了逻辑模块设计。 本人完成的主要工作如下： 1 阅读相关文献资料，了解中国地面数字电视标准的整体结构和原理。 2 建立系统发端模型和信道模型，其中包括瑞利和莱斯信道，供接收端 仿真。 3 编写o f d m 多载波系统中信道估计与均衡的程序，包括在三种典型的 保护带长度下的不同估计方式，最后测试性能并做误码率分析。 4 在移动信道中采用决策反馈的方法来消除i c i ，并进行了仿真和分析。 5 利用q u a r t u si i 和m o d e l s i m 等硬件设计工具对信道估计与均衡进行 f p g a 设计，在资源优化的前提下实现了准确的功能和时序仿真结果。 关键词：数字电视，o f d m ，信道估计，均衡，f p g a 设计 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ep a p e ri s 嘶t t c na c c o r d i n gt h es c h e m eo fc h a n n e le s t i m a t i o na n de q u a l i z a t i o n p u tf o r w a r di nc h i n ad i 【g i t a lt e l e v i s i o nt e r r e s t r i a lb r o a d c a s t i n gs t a n d a r dg b 2 0 6 0 0 2 0 0 6 f r a m i n gs t r u c t u r e , c h a n n e lc o d i n ga n dm o d u l a t i o nf o rd i g i t a lt e r r e s t r i a lt e l e v i s i o n ) ) s i n c eag o o dr e c e i v ea n db e rp e r f o r m a n c ei nam u l t i - c a r r i e rt r a n s m i s s i o ns y s t e mn e e d s p r e c i s ec h a n n e le s t i m a t i o na n de q u a l i z a t i o n , t h ew i r e l e s sc h a n n e lc h a r a c t e ro f s c u r c i n e s s i si n t r o d u c e da tf i r s tw i t hac h a n n e le s t i m a t i o nm e t h o do fc i r c u l a rc o r r e l a t i o ni nt i m e d o m a i nb a s e do np ns e q u e n c eb e i n gm e n t i o n e dl a t e r t h es p e c i f i ca p p l i c a t i o no ft h i s m e t h o di sf u l l ya n a l y z e da n dd i s c u s s e di nt h r e ek i n d so fm u l t i - c h a n n e l 谢ld i f f e r e n t l e n g t ha n da l s ot w oe q u a l i z a t i o nm e t h o d si nt w ot y p i c a lc h a n n e lm o d e l s t h e n , t h e c h a n n e le s t i m a t i o na n de q u a l i z a t i o ni nm o b i l ec h a n n e lw a ss t u d i e d ，a n dam e t h o du s i n g d e c i s i o nf e e db a c kb a s e do nt h ea s s u m p t i o nt h ec h a n n e lv a r i a t i o n sa r el i n e a rw i t h i na l l o f d mb l o c kw a s p u tf o r w a r d a tl a s t , s i m u l a t i o na n dm u c hi m p r o v e m e n ta l ed o n et o r e a l i z et h ea l g o r i t h m si n p r o j e c ta n df p g ad e s i g n so fc h a n n e le s t i m a t i o n a n d e q u a l i z a t i o na l ec o m p l e t e d t h ew o r kif i n i s h e di sa sf o l l o w i n g ： 1 r e a dp a p e r sa s s o c i a t e dw i n lt h ep r o j e c ta n dg e tf a m i l i a lw i ms y s t e m 2 e s t a b l i s h e dt h et r a n s m i t t e ra n dc h a n n e lm o d e lf o rt h er e c e i v e rs i m u l a t i o n ，i i l c l u d i n g r i c e a nc h a n n e la n dr a y l e i g hc h a n n e l 3 w r o t ec o d e so fc h a n n e le s t i m a t i o na n de q u a l i z a t i o ni no f d ms y s t e mf o r p e r f o r m a n c et e s ta n db e ra n a l y s i s ，i n c l u d e st h r e ed i f f e r e n te s t i m a t i o nm e t h o d si n t h e c o n d i t i o no ft h r e et y p i c a lc h a n n e ll e n g t h , a n dt w oe q u a l i z a t i o nm e t h o d sw i t hc h a n n e l i n f o r m a t i o n 4 p u tf a l w a l di c ic a n c e l l a t i o nm e t h o du s i n gd e c i s i o nf e e d b a c ki nm o b i l ec h a n n e l 5 u t i l i z e dq u a l t u si ia n dm o d e l s i ms i m u l a t i o nt o o l sf o rf p g ad e s i g n , o b t a i n e dt h e a c c u r a t ed a t ao ff u n c t i o ns i m u l a t i o na n dt i m e - s e q u e n t i a ls i m u l a t i o nw i t hr e s o u , r c e o p t i m i z e d k e yw o r d s ：d i g i t a lt vo f d m ，c h a n n e le s t i m a t i o n , e q u a l i z a t i o n , f p g ad e s i g n h 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。 签名：狻靠啦 日期：少。8 年岁月7 1 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：越盔基导师签名：密塞垦： 日期： d 占年f 月7 日 第一章引言 第一章引言 1 9 2 5 年1 0 月2 日被称做“电视之父苏格兰人约翰洛吉贝尔德( j o h nl o 西e b a i r d ) 在伦敦发明了第一台机械式电视。1 9 3 9 年美国r c a 推出世界上第一台黑白 电视机，到1 9 5 3 年设定全美彩电标准以及1 9 5 4 年推出r c a 彩色电视机。在经历了 机械式电视时代、黑白电子电视时代和彩色电视时代以后，电视在新世纪向着数 字化和高清晰度向前迈进，模拟电视在全世界范围内正在逐步引退。经过多年坚 持不懈的研究和发展，数字电视地面广播( d t t b ：d 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 g ) 取得了很多的成果，世界上已经提出了三个地面数字电视标准；欧 洲的d v b t 【l 】、美国的a t s c 和日本的i s d b t ，且都达到实用阶段。数字电视传输 标准一共包括三个标准：地面传输标准、有线电视标准和卫星电视标准，有线数 字电视标准和卫星电视标准此前已确定采用欧洲标准d v b c 和d v b s ，地面传输 标准是对数字电视产业影响最大也最重要的一个标准。我国2 0 0 6 年8 月18 日颁布了 具有自主知识产权的的地面数字电视传输数字电视地面广播传输系统帧结构、 信道编码和调制国家标准( 标准号为g b 2 0 6 0 0 2 0 0 6 ) ，已从2 0 0 7 年8 月1 日起正式实 施。2 0 1 0 年将全面实现数字广播电视，2 0 1 5 年停止模拟广播电视的播出。 数字电视相对模拟电视在节日制作、节目存储、信号处理、传输以及播出都 发生了革命性变化。其采用数字技术将活动图像和声音等信号加以处理、压缩、 编码、经存储或实时广播后，供用户接收。与传统的模拟电视相比，数字电视在 图像和声音质量两方面都有重大改进。其根据清晰度可分为：标准清晰度数字电 视( s d t v ：s t a n d a r dd e f i n i t i o nt e l e v i s i o n ) 和高清晰度数字电视( h d t v ：h i 曲 d e f i n i t i o nt e l e v i s i o n ) ，码率分别约为4 m b p s 和2 0 m b p s 左右。 1 1 数字电视的优势和特点 数字电视的优势和特点主要表现在5 个方面： ( 1 ) 清晰度高、音频效果好。由于数字电视全过程采用数字信号，不受节目 编辑、传输、转播和接收的影响。s d t v 数字电视节目可以达到d v d 质量，在观看 i - i d t v 节目时清晰度是目前电视的4 倍以上，如3 5 m m 电影般清晰。 ( 2 ) 频带利用率高。原p a l 频道可播放4 到8 套标清数字电视。 电子科技大学硕七学位论文 ( 3 ) 抗干扰性能好。解决了模拟电视中的雪花、重影、亮色互串等问题；可 以实现城市楼群的高质量接收，移动载体中也可接收到清晰的数字电视节目。 ( 4 ) 便于开展各种综合业务和交互业务( 包括因特网业务) ，有利于构建“三 网合一的信息基础设施。 ( 5 ) 节目的加密处理等应用。 1 2 地面数字电视广播的基本需求 对于地面数字电视广播来讲，首先要求数字电视有足够好的接收性能，在室 内采用简单、小型和低增益天线实现稳定接收【2 1 。甚至在较强静态和动态多径的环 境中，系统仍能够稳定工作。其次，考虑到数字电视日后发展的广阔空间和业务 应用的多样性及传输容量需求的不断增长，要有足够高的传输码率，以便在单个 6 8 m h z 信道中提供高质量高清晰节目( 大约2 0 m b p s ) 。还要有利于频率规划， 使用现有分配的电视频道来传输d t v 节目，实现和模拟电视节目的同播；当没有 额外的频道分配时可使用禁用( t 曲o o ) 频道( 由于干扰过大，不能用于模拟电 视的频道) ，并具有和现有模拟电视台相当的覆盖范围。 其它的要求包括：需要先进的信道编码和信道估计方案，以便降低系统c n 门 限，以此降低发射功率，并减少了对现有模拟电视节目的干扰，抵抗各种干扰失 真。高度灵活的操作模式，通过选择不同的调制方案，系统能够支持固定、便携、 步行、手持或移动接收。易于和其它媒介或服务器的接口，支持多节目业务，能 够通过分级调制得到分级服务，具有交互性。高度灵活的频率规划和覆盖区域， 能够使用单频网和同频道覆盖扩展缝隙填充。而且系统应允许多种成本价格的接 收机实现，包括低成本实现等等。 1 3 国外地面数字电视传输的现状 经过l o 年的深入研究，欧洲、美国和日本相继制定出地面数字电视传输标准 d v b t 、a t s c 和i s d b t 。3 种传输标准使用相类似的信源编码方案和不同的信 道编码调制方案，其传输参数比较如表1 1 所示【l 】【引。 可以看到，i s d b t 和d v b t 有很多相似的地方，可以说，日本使用的是修 改的欧洲方案。目前，d v b 成员已经达到2 6 5 个( 来自3 5 个国家和地区) 。a t s c 成员3 0 个，其中美国成员2 0 个，来自阿根廷、法国、韩国等7 个国家的成员1 0 2 第一章引言 个。i s d b - t 筹划指导委员会委员1 7 个，其他成员2 3 个，都是日本的电子公司和 广播机构。由此可以看出，d v b 标准发展最快，普及范围最广。 从表中我们可以看到三套系统的一些区别和联系。a t s c 、d v b t 、i s d b t 标 准的频道宽度均为6 - s m h z ，每个频道都可以设置一个固定接收h d t v ( 高清晰度 电视) 或4 5 个s d t v ( 标准清晰度电视) ，数字电视频道的宽度和原有模拟电视频 表1 - 1 美国、欧洲、日本地面广播传输参数比较 美国的a t s c 标准欧洲的d v b - t 标准日本的i s d b - t 标准 传输方案8 v s b 传输方案o f d m 传输方案分段o f d m 传输 载波数单载波 2 k 、8 k2 k 、4 k 、8 k 视频压缩n 母e g - 2 音频压缩 d o l b ya c 。3 肝e g 一2 层i i 姗s i c a m i p e g 一2 层从c 音频编码音频编码音颛编码 复用方式 m 咿e g - 2 信道外码 r s 码( 2 0 7 ，1 8 7 , 1 - - 1 0 ) r s 码( 2 0 4 ，18 8 ，t = 8 ) r s 码( 2 0 4 ，18 8 , t = 8 ) 信道内码 网格编码( 1 m ) ( 码率2 3 )卷积编码( 码率：1 2 ，2 3 ，3 4 ，5 6 ，7 8 ) 调制技术 8 v s b q p s k 16 q a m 6 4 q a m 总码率1 9 2 8m o p s4 9 8 31 6 7 m b p s3 6 8 - 2 3 4 2m b p s 接收门限呲1 5 d bc 小i 1 9 d b 道相同，处在转换期的同播状况，均采用“放弃信源兼容，坚持信道兼容的政策 。 a t s c 在6 m h z 内可稳定地传输一套h d t v 电视。d v b t 由于保护间隔的插入， 从而减少了频谱的利用率，在6 m h z 内较难稳定地接收一套h d t v 电视，必须加 大带宽才能稳定地接收。目前d v b t 首先采用的是s d t v 电视。 a t s c 采用网格编码调制，理论和实测都表明，接收门限( c n ) 达1 5 d g ， 提高了电视发射机覆盖范围。d v b - t 和i s d b - t 接收门限( c n ) 大约在1 9 招左 右。从接收场强看，a t s c 要优于d v b t 和i s d b t3 4 d b 左右。模拟接收的门 限一般为4 0 柏左右，可见，数字接收大大提高了广播的覆盖范围。 a t s c 不支持移动接收，而d v b t 和i s d b t 都支持移动接收。为增强移动 接收能力，d v b 的工作小组从2 0 0 2 年前后开始研究d v b h ，2 0 0 4 年1 月确定了 3 电子科技大学硕士学位论文 该规格的基本框架。d v b h 是d v b t 的扩展，它的主要应用是在手机、掌上 电脑等手持移动终端上看电视。相对于d v b t 、d v b h 标准主要增加了以下 内容： ( 1 ) 、引入时间切片( t i m es l i c i n g ) 技术，发送数据仍然是连续的，接 收机可以选择接收部分s l i c i n g 而省电。 ( 2 ) 、蜂窝间握手准备。通过对相邻蜂窝监控，将传输流的切换时 间放在接收机的关闭时间，蜂窝转换的握手可以保证服务不中断。 ( 3 ) 、在d v b t 的2 k 和8 k 传输模式之外加入4 k 传输模式，增加组网灵活 性。 1 4 国内地面数字电视传输的发展概况 2 0 0 1 年我国正式在全国范围内广泛征集地面数字电视传输标准，收到了清华 大学、广播科学研究院、h d t v 功能样机系统研究开发项目总体组和电子科技大 学4 家单位提交的5 套技术方案。其中，清华的d m b t ( 地面数字多媒体电视广播 传输协议) 方案采用时域同步正交频分复用( t d s o f d m ) 技术，在信道编码方面 采用了t u r b o 纠错编码，在时域中插入p n 序列作为同步信号。d m b t 由于使 用了时域信道估算技术，所以它的同步时间比d v b t 快很多，d v b t 的同步时间 为1 0 0 毫秒左右，而清华的d m b - t 可以做到5 毫秒以内。d m b t 是一种多载波 方案，共有3 7 8 0 个子载波。上海交大的a d t b t 标准( 高级数字电视广播系统) 是 一种“单载波方案，采用t p c 信道编码技术【3 】。 清华d m b t 地面数字电视标准目前已在全国7 个省市投入了试运营，而上海 交大的a d t b t 数字电视地面标准也在上海地区开展了车载试运营。这两个单位 都开展了相关芯片的研制和测试，在国内的几套标准中走在前列。 2 0 0 6 年8 月3 0 日，国家标准委发布了具有自主知识产权的中国数字电视地面 广播传输系统标准- - - - g b 2 0 6 0 0 2 0 0 6 数字电视地面广播传输系统帧结构、信道编 码和调制，该标准是一个基于清华大学、广播科学研究院、h d t v 功能样机系 统研究开发项目总体组和电子科技大学4 家单位提交的5 套技术方案的融合方案， 而且是一个强制性国家标准，已于2 0 0 7 年8 月1 日起正式实施。按照国家广电总 局的规划，我国将于2 0 0 8 年全面推广数字高清电视的地面传输。目前，随着奥运 会的渐行渐近，各地政府紧跟数字电视步伐加强基础设施建设，促进地面数字电 视产业快速推广和发展。 4 第一章引言 1 5 本文的结构和侧重点 本文第一章为引言部分，主要对数字电视的优点，国际上比较流行的三大标 准的对比以及国内数字电视发展状况做了一个简要的描述；第二章概括了地面数 字电视标准 4 】从发射端到接收端部分的各个主要环节，对其中的信道编码、调制 解调的模式做了简要的叙述；第三章描述了在数字电视地面广播中无线信道的衰 落原因和对o f d m 系统的影响，以及阐述了软件仿真中信道建模的问题；第四章 将详细介绍标准中的时域p n 循环相关估计法，包括几种多径时延超过保护带的情 况的处理，最后并给出移动信道的估计与均衡原理；第五章完成信道估计模块中 p n 相关估计与均衡的f p g a 实现并给出结果；第六章为总结部分。论文以第四章、 第五章为重点。 电子科技大学硕士学位论文 第二章中国地面数字电视系统概述 2 1 地面数字电视发送端总体结构 中国数字电视地面广播传输系统【4 】采用t d s - o f d m ( 时域同步正交频分复用) 技术，用3 7 8 0 个正交子载波来传送h d t v 信号。图2 1 描述的是标准方案信道编码 调制器系统，本系统发送端的输入数据码流经过信道编码( 包括能量扩散、前向 纠错编码和交织等) ，星座映射，并加入系统信息后形成基本数据块，该基本数 据块经过帧体数据处理形成时域信号，随后时域信号与相应的p n 同步序列复合为 信号帧。再经过基带滤波、数字上变频、d a 转换、模拟上变频、最后生成射频信 号放大后发射。帧体数据处理是整个标准系统的精髓和关键，其包括两种模式： 时域数据和频域数据。频域数据模式采用3 7 8 0 个子载波来传送信号，可以有效地 对抗多径时延扩展，提高频谱利用率。 图2 - 1 地标系统发端原理图 地标还允许不同码率的l d p c 前向纠错编码、不同级别的q a m 调制、不同参数 的交织模式、均匀和非均匀两种星座映射方式以及不同长度的p n 帧头。该系统主 要功能模块简述如下： ( 1 ) 能量扩散为了保证在任何情况下进入标准传输系统的数据码流中“0 与“l ”的概率都能基本相等，首先用一个伪随机序列对输入的t s 码流进行随机化 处理。伪随机序列是由一个标准的伪随机序列发生器生成，其中“o 与“l ”出 现的概率接近5 0 。随机化后的数据码流中的“0 与“l 的概率都接近5 0 。从 6 第二章中国地面数字电视系统概述 信号功率谱的角度看，随机化过程相当于将数字信号的功率谱弥散，因此随机化 过程又被称为“能量扩散 。随机化后的数据不仅能保持信号频谱的稳恒，也能 改善帧同步和自适应时域均衡等系统的性能。 ( 2 ) 纠错编码标准中采用l d p c ( 低密度奇偶校验码) 来提高纠错能力。 l d p c 输出数据块长为7 0 4 8 比特，允许0 4 、0 6 、0 8 三种码率的编码方式。l d p c 编码后的比特数据通过q a m 映射实现比特数据到符号数据的转换。系统允许 q p s k 、1 6 q a m 、3 2 q a m 、6 4 q a m 或者q p s k + n r5 种调制方式。为了在收端能 纠正大于l d p c 纠错能力的突发错误，对q a m 映射后的符号数据进行交织编码。 系统采用b ( 交织宽度) = 5 5 ，m ( 交织深度) = 6 3 0 或b = 5 5 ，m - - 2 1 0 两种时域符 号交织模式。交织后的数据与系统信息( t p s ) 组成数据块送入帧体数据处理模块 进行处理。 ( 3 ) 帧体数据处理标准允许2 种帧体数据处理模式：时域和频域模式。在 频域模式下，采用t d s o f d m ( 时域同步正交频分复用) 的多载波传输方式。复 用后的频域数据由3 7 8 0 点子载波组成，每个子载波间隔为2 k ，占用的的r f 带宽为 7 5 6 m h z 。其通过3 7 8 0 点的i f f t 运算变回时域数据，并和p n 帧头数据组成o f d m 符号。其中，p n 帧头数据可由一个f i b o n a c c i 型线性反馈移位寄存器( l f s r ) 来 实现，经“0 到“+ 1 值及“l 到“一1 值的映射变换为非归零的二进制信号。 p n 帧头数据不仅有助于接收机的载波同步、符号同步、定时同步和信道估计，也 能有效的对抗多径干扰。插入帧头数据的长度决定了系统抗多径能力的强弱。方 案允许n = 4 2 0 、5 9 5 、9 4 5 三种长度的帧头模式。 ( 4 ) 信号成形为了消除符号间干扰，o f d m 符号需要进行四倍插值的滚降 滤波。系统采用滚降系数为0 0 5 的s r r c ( 均方根升余弦) 滤波器进行基带脉冲成 形。滤波后的信号进行数字上变频和d a 转换后变成模拟中频信号，再经模拟上变 频至r f 后进行功率放大，最后经天线发射。 2 2 地面数字电视标准0 f d m 数据帧结构 2 2 1 信号据帧及其结构 本系统的数据帧结构如图2 - 2 所示，是一种分层结构。其中，一个基本帧称为 信号帧，信号帧由帧头和帧体两部分组成。超帧定义为一组信号帧。分帧定义为 一组超帧。帧结构的顶层称为日帧( c a l e n d a rd a yf r a m e , c d f ) 。信号结构是周期 7 电子科技大学硕士学位论文 的，并与自然时间保持同步。 _ 图2 2 数据帧分层结构 l 帧头( 4 2 0 个符号) ( 5 5 6 u s ) i 帧体( 含系统信息和数据) ( 3 7 8 0 个符号) ( 5 0 0 u s )l a ) 信号帧结构l l 帧头( 5 9 5 个符号) ( 7 8 7 u s ) i 帧体( 含系统信息和数据) ( 3 7 8 0 个符号) ( 5 0 0 u s )i b ) 信号帧结构2 i 帧头( 9 4 5 个符号) ( 1 2 5 u s ) l 帧体( 含系统信息和数据) ( 3 7 8 0 个符号) ( 5 0 0 u s )l c ) 信号帧结构3 图2 - 3 信号帧结构 信号帧是系统帧结构的基本单元，其结构如图2 3 所示。一个信号帧由帧头和 帧体两部分数据组成。帧头和帧体信号的基带符号率相同，均为7 5 6 m s p s 。帧头 部分由p n 序列构成，有三种选项： ( 1 ) p n 4 2 0 ：p n 序列定义为循环扩展的8 阶m 序列。可由一个f i b o n a c c i 型线 性反馈移位寄存器( l f s r ) 实现，经“0 到“+ 1 值及“1 ”到“一1 值的映射 变换为非归零的二进制信号。l f s r 的初始条件值确定所产生的m 序列的相位。帧 头信号的长度为4 2 0 个符号( p n 4 2 0 ) 。由一个前同步、一个p n 2 5 5 序列和一个后 同步构成。前同步和后同步定义为p n 2 5 5 序列的循环扩展。在一个超帧中共有2 2 5 个信号帧； ( 2 ) p n 5 9 5 ：p n 序列定义为循环扩展的9 阶m 序列。可由一个f i b o n a c c i 型线 性反馈移位寄存器( l f s r ) 实现，经“0 到“+ 1 值及“1 ”到“一l 值的映射 第二章中国地面数字电视系统概述 变换为非归零的二进制信号。l f s r 的初始条件值确定所产生的m 序列的相位。帧 头信号的长度为5 9 5 个符号( p n 5 9 5 ) 。由一个前同步、一个p n 5 1 1 序列和一个后 同步构成。前同步和后同步定义为p n 5 1 1 序列的循环扩展。在一个超帧中共有2 1 6 个信号帧： ( 3 ) p n 9 4 5 ：p n 序列定义为循环扩展的9 阶m 序列。可由一个f i b o n a c c i 型线性 反馈移位寄存器( l f s r ) 实现，经“0 到“+ 1 一值及“1 到“一1 值的映射变 换为非归零的二进制信号。l f s r 的初始条件值确定所产生的m 序列的相位。帧头 信号长度为9 4 5 个符号( p n 9 4 5 ) 。由一个前同步、一个p n 5 11 序列和一个后同步构成。 前同步和后同步定义为p n 5 11 序列的循环扩展。在一个超帧中共有2 0 0 + 信号帧； 帧同步采用b p s k 调制( i 路和q 路信号相同) 。帧体部分包含数据和系统信息。 帧体信号的定义分为时域与频域两种形式。由频域定义的帧体信号要进行i f f t 转 换成时域信号。 2 2 1 系统信息 表2 1 系统信息比特对应的含义 第3 0 比特( s 3 s 2 s l s o ) 表示含义 0 0 0 0 奇数编号的超帧的首帧指示符号 0 0 0 l 4 q a m ，l d p c 码率1 0 0 1 0 4 q a m ，l d p c 码率2 0 0 1 1 4 q a m ，l d p c 码率3 0 1 0 0 3 2 q a m ，l d p c 码率1 0 1 0 1 4 q a m - n r ，l d p c 码率1 0 1 1 0 4 q a m - n r ，l d p c 码率2 0 1 1 l 4 q a m - n r ，l d p c 码率3 1 0 0 0 3 2 q a m ，l d p c 码率2 1 0 0 1 1 6 q a m ，l d p c 码率i 1 0 1 0 1 6 q a m ，l d p c 码率2 1 0 1 1 1 6 q a m ，l d p c 码率3 1 1 0 0 3 2 q a m ，l d p c 码率3 1 1 0 l 6 4 q a m ，l d p c 码率1 1 1 l o 6 4 q a m ，l d p c 码率2 1 1 1 1 6 4 q a m ，l d p c 码率3 第4 比特( s 4 )表示含义 0交织模式1 1 交织模式2 系统信息为每个信号帧提供必要的解调和解码信息，包括符号映射方式、 9 电子科技大学硕士学位论文 l d p c 编码的码率、交织模式信息、帧体信息模式等。本系统中预设了“种不同的 系统信息模式，并采用扩频技术传输。这6 4 种系统信息在扩频前可以用系统信息 由6 个信息比特( s 5 s 4 s 3 s 2 s l s 0 ) 来表示，其中s 5 为m s b ，定义表示如表2 1 。 第5 比特( s 5 ) 为保留比特，该6 比特扩频前的系统信息将采用扩频技术成为3 2 比特长的系统信息矢量，即用长度为3 2 的w a l s h 序列和长度为3 2 的随机序列来映 射保护，经过保护后，每个系统信息矢量长度为3 2 个复符号，在其前面再加4 个复 符号作为数据帧体模式的指示，全零的四个比特指示载波数c = i 对应的帧体数据模 式，这四个比特的其他数值保留将来使用。前置的这四个比特也采用i 、q 相同的 4 q a m 映射为4 个复符号。该3 6 个系统信息符号通过复用模块与信道编码后的数据 符号复合成帧体数据，其复用结构为：3 6 个系统信息符号连续的排列于帧体数据 的前3 6 个符号位置。 2 2 2o f d m 符号及r f 信号 一个o f d m 符号由3 7 8 0 个独立调制的子载波构成，包含数据和系统信息。相邻 的两个子载波间隔为2 k h z ，占用的r f 带宽为7 5 6 m h z ，时域信号块长度为5 0 0 微秒。 生成的时域信号可表示为： 乃。砷) - 万1 c 确广孝，七：0 , 1 ，一c l ( c ：3 7 8 0 ) ( 2 1 ) 其中，x 以) 为通过对星座映射后的数据进行交织并加入系统信息的符号。 调制后的r f 信号可描述为： s ) = r e e x p o 2 艰f ) 口叱) o 砌m 以强 ( 2 2 ) 其中，s ( f ) 一r f 信号； 只一载波频率； 0 一表示卷积运算； 以0 一s r r c 滤波器的脉冲成型函数： 丹投脚e ( f ) 一组帧后的基带信号； 1 0 第二章中国地面数字电视系统概述 2 3 地面数字电视标准接收机系统概述 图2 - 4 地标接收机总体方案简图 在接收端，模拟信号经过高频头下变频为中频信号，为了保证经过下变频后 输出的i 、q 两路基带信号有很好的正交一致性，我们采用数字下变频( d d c ) ， 因此我们必须对中频信号进行带通信号的欠采样来得到数字中频信号。在收端需 要一个和发端完全一样的数字低通滤波器即均方根升余弦滤波器来进行匹配滤 波。对于多载波系统来说，载波频率的偏移会导致子信道之间产生干扰，而且对 于要求子载波保持严格同步的正交频分复用系统来说，载波的频率偏移所带来的 影响会更加严重，因此系统同步将是一个关键模块，接着整个系统还要经过信道 均衡和基带数据反处理( 星座反映射和解码) 等，地标中接收机总体方案简图如 图2 - 4 所示。本文所做的主要工作是接收系统的前端部分即基带变换和整个系统同 步之后，对同步之后的数据进行信道补偿，其部分结构连接图如图2 5 所示，具体 实现过程将在第三章和第四章介绍。由图2 5 可见整个系统同步可以分为两部分： 利用相关器完成本地产生的p n 序列和接收到的数据的相关得到信道的冲击响应以 及利用得到的信道估计对其进行均衡操作。 图2 5 地标接收机信道估计与均衡结构连接图 电子科技火学硕士学位论文 2 4 本章小结 本章简要概述了地面数字电视标准中传输系统的发送端、信道和接收端，提 出了接收端信道估计与均衡部分的结构连接图。 1 2 第三章数字电视地面广播中信道仿真建模 第三章数字电视地面广播中信道仿真建模 3 1 地面广播中无线信道的特征 3 1 。1 衰减作用 移动通信的用户由于要进行自由移动，其位置不受束缚，所以必须利用无线 电波来传输。在无线传输环境中，发送端与接收端只受到加性噪声的干扰( 人为 噪声，自然噪声和内部噪声) ，那么无线信道可以近似为理想的高斯信道。实际上， 发送端与接收端之间除了受到各种加性的噪声干扰，还受到乘性干扰( 即衰落) 。 无线信道对信号的衰落作用使接收信号的功率减小。信号通过无线信道时，会遭 受各种衰落的影响，一般来说接收信号的功率可以表达为： 一l i 一一一 p ( d ) = i d i s ( 矗) r ( d ) ( 3 1 ) 其中d 表示发送端与接收端的距离向量，矧表示发送端与接收端的距离。 根据上式，无线通信信道对信号的影响可以分为三种： ( 1 ) 路径损耗矧”：当发射机与接收机之间的距离在较大尺度上( 数百米或 数千米) 变化时，接收信号的平均功率值与信号传播距离矧的n 次方成反比。n 称为路径损耗指数，n 值一般由具体的传输环境来决定，n 一般为3 - - 4 。对于自由 空间的电波传播，n 取2 。 ( 2 ) 阴影衰落s ( d ) ：表示电磁波在空间传播时受到地形起伏、建筑物和其他 障碍物对地波的阻塞或遮蔽而引发的衰落；阴影衰落是以较大的空间尺度来衡量 的，其统计特性通常符合对数正态分布。 ( 3 ) 小尺度衰落r ( j ) ：由于无线电波在空间传播会存在遮挡、吸收、反射、 散射、折射、衍射等，因此造成信号可以经过多条路径到达接收端，而由于电波 经过多条路径的距离不同，因而各条路径中的发射波到达接收机的时间、相位都 不相同。不同相位的多个信号在接收端叠加，如果同相叠加会使信号幅度增强， 而反相叠加则会削弱信号幅度。当发射机和接收机之间的距离在较小的尺度上( 数 个波长) 变化时，接收信号的功率发生急剧的变化，称之为小尺度衰落。 路径损耗与阴影衰落合并在一起反映了无线信道在大尺度上对传输信号的影 响，称为大尺度衰落，因为这种衰落对信号的影响反映为信号随传播距离的增加 1 3 电子科技大学硕士学位论文 而缓慢起伏变化，所以也称为慢衰落。小尺度衰落又称快衰落，它反映了无线信 号在较短的距离或时间之内的快速变化特性。小尺度衰落是多径和多谱勒频移两 者作用的结果。大尺度衰落主要影响无线区的覆盖，合理的设计可以消除此影响， 通过加大发射机功率来改善路径损耗，通过“宏分集 技术来改善阴影衰落。讨 论大尺度传播不仅对分析信道的可用性、选择载波频率以及切换有重要意义，而 且对于移动无线网络的规划也很重要；而讨论小尺度衰落则对传输技术的选择和 数字接收机的设计至关重要。因此下面主要讨论小尺度衰落。 3 1 2 多径效应 图3 1 信号在无线信道中的传播特性 1 瑞利莱斯衰落 在无线通信中，来自发射机的射频信号在传播过程中往往受到各种障碍物和其 他移动物体的影响，以致到达接收端的信号是来自不同传播路径的信号之和。如果 各条路径信号的幅值和到达接收天线的方位角是随机的且满足统计独立，则接收 信号的包络服从瑞利( r a y l e i g h ) 分布。瑞利分布是用于描述平坦衰落或独立多径 分量情况下接收信号包络统计特性的一种典型分布类型。如果发射机和接收机之 间的多径传播中存在一个主要的静态信号( 非衰落) 分量，还存在衰落的路径，则接 收信号的包络服从莱斯( r i c e ) 分布。这种情况下，从不同角度随机到达的多径分量 叠加在静态的主要信号上，接收机包络检波器的输出端会在随机多径分量上叠加 1 4 第三章数字电视地面广播中信道仿真建模 一个直流分量。 图3 - 2 多径传播 2 时延扩展 发射信号到达接收天线的各条路径分量经历的传播路径不同，因此具有不同的 时间延迟，这就使得接收信号的能量在时间上被扩展。最大时延扩展是第一个到达 接收天线的信号分量与最后到达的信号分量之间的时间差。在实际测试中，接收信 号到达时刻的检测与门限功率有关。这是一个与接收机灵敏度和线性动态范围有 关的参数，比如可以设定为接收机归一化接收功率的- 2 0 d b 。第一次可以被接收机 检测到的接收信号( 功率首次大于一2 0 d b ) 的到达时刻就是计算信道时延的时间起 点，0 = o ，其他所有信道时延都是相对来说的。依据不同的定义，时延扩展有最大 时延扩展、平均时延扩展r 、均方根时延扩展啄等多种参数描述方法。对于这 些参数的定义，请参见文献 5 。表3 - 1 给出了各种不同信道环境下的最大时延扩 展值。 表3 - 1 不同信道环境下的最大时延扩展值f m 腻 环境最大时延扩展最大到达路径差 室内4 0 - - - 2 0 0 n s1 2 6 0 m 室外 l 2 0 p s3 0 0 6 0 0 0 m 在数字通信系统中，由于多径传播的影响，前后发送符号的各条路径分量叠 1 5 电子科技大学硕士学位论文 加起来，会造成符号间干扰( i s l ) 。强的i s i 会使得接收机的符号判决性能出现严 重的下降。从表3 一l 可见，户外环境下的最大时延扩展可达2 0 us ，当发送符号速率 超过l o o k b i t s 时就会产生显著的i s i 。 3 相干带宽频率选择性衰落 从频域看，如果多径信道具有恒定增益和线性相位的带宽范围( 称为相干带 宽) 小于发送信号的带宽，则该信道特性会导致接收信号波形产生频率选择性衰落， 即某些频率成分信号的幅值得到加强，而另外一些频率成分的信号的幅值却衰减。 在这种情况下，信道冲激响应具有多径时延扩展，其值大于发送信号波形带宽的倒 数。此时，接收信号中包含经历了不同衰减和时延的多径波形的叠加，因而，产生接 收信号失真。频率选择性衰落是由信道对发送信号的时间色散引起的。频率选择 性衰落引起数字信号传输出现i s i 。反之，如果多径信道的相干带宽大于发送信号 的带宽，则接收信号经历平坦衰落过程。在平坦衰落情况下，信道的多径结构使发 送信号的频谱特性在接收机内仍能保持不变。但是，多径效应导致信道增益的起伏， 使接收信号的强度随着时间变化。在平坦衰落信道中，发送信号带宽的倒数远大于 信道的多径时延扩展，因此信道的冲激响应可近似看作是一个6 函数。典型的平坦 衰落信道会引起深度衰落，在深度衰落期间需要增加2 0 或3 0 d b 的发送功率，以获 得较低的误比特率。 相干带宽只是表征多径信道特性的一个重要参数，它是指某一特定的频率范 围，在该频率范围内的任意两个频率分量都具有很强的幅度相关性。如果相干带宽 定义为频率相关函数大于0 9 的某特定带宽，则相干带宽近似为 眈击 2 ) 其中，o r 为信道的均方根时延扩展。 3 1 3 时变性 时延扩展和相干带宽描述了无线信道的时间色散特性，但不能描述无线信道 的时变性。无线信道的时变性是由发射机和接收机的相对运动或者信道中其他物 体的运动引起的。描述无线信道时变性的两个重要参数是多普勒扩展和相干时间。 1 6 第三章数字电视地面广播中信道仿真建模 1 多普勒频移 当无线电发射机与接收机作相对运动时，接收信号的频率将会发生偏移。当两 者作相向运动时，接收信号的频率将高于发射频率：当两者作反向运动时，接收信 号的频率将低于发射频率，这种现象称为多普勒效应。对于电磁波而言，因为多普 勒效应造成的频率偏移取决于两者相对运动的速度，可将这种频率偏移写为嘲 厶：f 。! c o s9(3-3)o厶= l 二c o s9 l j 。j j c 其中，五为接收端检测到的发射机频率的变化量，五是发射机的载频，v 是发 射机与接收机之间的相对速度，缈为移动方向与电波入射方向的夹角，c 为光速。 2 多普勒扩展 多普勒扩展描述了无线信道的时变性所引起的接收信