（通信与信息系统专业论文）基于fpga的drm接收机信道估计与解复用实现.pdf

中文摘要 d r m 是一个针对频率在3 0 m 以下的调幅广播的数字广播系统国际标准。根 据该标准制作的广播系统采用了o f d m 调制方式以及多级信道编码，交织，差 错保护等多种先进调制技术，使信号的传输质量和稳定性大大提高，可以在复杂 的无线信道中实现高速可靠的信号传输。 本论文首先介绍了d r m 标准与d r m 系统整体结构。接下来深入分析了 d r m 系统的信道估计模块与解复用模块的原理。d r m 系统应用中的无线通信信 道，在实际条件下往往是一个存在着时间与频率衰落、多普勒频移和传播延迟的 随机时变响应信道。因此必须在系统中对信道特性进行实时估计，并对接收结果 进行均衡。在d r m 系统中使用的是基于导频的信道估计方法。本文主要研究了 其中的线性估计，二维维纳滤波估计和基于d f t 的信道估计算法，对于这三种 算法给出了理论分析和实现流程。在对数据进行均衡之后，需要使用解复用模块 从完整的超帧数据中分别获得m s c 信道，f a c 信道与s d c 信道数据。文中探 讨了d r m 系统中复用与解复用的原理，并对解复用模块的算法流程进行了详细 阐述。本论文在项目组已经完成了m a t l a b 仿真和c 语言仿真的情形下，将信道 估计模块与解复用模块改写为v e r i l o g 语言，并利用m o d e l s i m 软件进行了功能仿 真。在实现部分，首先阐述了用c 语言配合v e r i l o gh d l 来设计算法的硬件电路 模块的主要流程，接下来比较了c 语言与v e r i l o g 语言的不同以及由此带来的改 写模块时的注意事项。最后在论文中给出了项目的整体实现过程，包括程序实现 流程图，接口设计，数据测试方法，并附上了仿真结果的波形图，对结果进行了 验证。 关键词：d r m ：信道估计；线性插值；解复用；f p g a ；v e r i l o g a b s t r a c t d r mi sd e s i g n e da sa l li n t e r n a t i o n a ld i g i t a lb r o a d c a s t i n gs y s t e ms t a n d a r df o rt h e f r e q u e n c yu s e db e l o w3 0 m h z o f d ma s w e l la sm u l t i - c h a n n e l c o d i n ga n d m u l t i m o d u l a t i o ni s a d o p t e db yd r m c o m b i n i n gw i t hi n t e r l e a v i n ga n de r r o r p r o t e c t i o nt e c h n o l o g y , d r mc o u l dd e c r e a s et h ee f f e c to ff r e q u e n c ys e l e c t i v ef a d i n g ， m u l t i - p a t ht i m ed e l a ya n dd o p p l e re f f e c t t h u st h er o b u s t n e s so ft h es i g n a lt r a n s m i t t e d i se n h a n c e d d r ms t a n d a r da n dt h ew h o l es y s t e ms t r u c t u r ea r eg i v e na tf i r s t t h e nt h et h e o r y o ft h ec h a n n e le s t i m a t i o nm o d u l ea n dt h ed e m u l t i p l e x e ra rea n a l y z e d t h ew i r e l e s s c h a n n e ld r mi sa p p l i e di n ，i su s u a l l yar a n d o mt i m e - v a r y i n gr e s p o n s ec h a n n e l ， i n c l u d i n gt i m ea n df r q u e n c yf a d i n g ，d o p p l e rf a d i n g ，a n dt i m ed e l a y t h e r e f o r , t h e r e a l - t i m ec h a n n e le s t i m a t i o nh a st ob ed o n ea tt h er e c e i v e ra n di t sn e c e s s a r yt o e q u a l i z et h es i g n a l sr e c e i v e d t h ec h a n n e le s t i m a t i o na l g o r i t h mb a s e do np i l o ti su s e d i nd r m t h el i n e a re s t i m a t i o nm e t h o d 2 - dw i e n n e rf i l t e r i n ge s t i m a t i o nm e t h o da n d t h ee s t i m a t i o nb a s e do nd f tm e t h o da r er e a s e a r c h e di n t h i st h e s i s a l s o 也et h e o r y a n a l y z i n ga n dt h eo p e r a t i o np r o c e s sa y eg i v e n t h ed a t as i g i n a ln e e d st ob ed e v i d e d i n t om s cc h a n n e ld a t a ，f a cc h a n n e ld a t aa n ds d cc h a n n e ld a t aa f t e rt h ec h a n n e l e s t i m a i o n t h et h e o r yo ft h em u l t i p l e x i n ga n dd e m u l t i p l e x i n gi nd r ms y s t e mi s d i s c u s s e di nt h et h e s i s ，a n dt h ea l g o r i t h mp r o c e s so fd e m u l t i p l e x e ri sd e s c r i b e di n d e t a i l i nt h et h e s i s ，c h a n n e le s t i m a t i o nm o d u l ea n dt h ed e m u l t i p l e x e ri sr e d e s i g n e d i nv e r i l o ga n ds i m u l a t e di nm o d e l s i ms o f t w a r e ，a c c o r d i n gt ot h es i m u l a t i n gr e s u l t si n m a t l a ba n dc i nt h ed e s i g n n i n gp a r t ，t h ep r o c e s so fd e s i g n n i n gt h ec i r c u i ti nca n d v e r i l o gi si n t r o d u c e da tf i r s t a n dt h e nt h et i p so fr e d e s i g n n i n gt h em o d u l ea r eg i v e n ， a sar e s u l to ft h ed i f f e r e n c eb e t w e e nca n dv e f i l o g f i n a l l y , t h ew h o l ep r o j e c t d e s i g n n i n gp r o c e s s ，t h ep r o g r a m m i n gf l o wc h a r t ，i n t e r f a c ed e s i g n n i n g ，d a t at e s t i n g m e t h o d ，a n dt h es i m u l a t i n gw a v e f o r mc h a r ta r eg i v e ni nt h et h e s i s ，a n dt h er e s u l ti s a l s ot e s t e d k e yw o r d s ：d r m ；c h a n n e le s t i m a t i o n ；l i n e a ri n t e r p o l a t i o n ；d e m u l t i p l e x e r ； f p g a ；v e r i l o g 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和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨盗盘鲎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了谢意。 学位论文作者签名：为罐友 签字同期：冲7年f 月同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤鲞盘鲎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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：乃镡殳 签字同期：r 7 年月f 同 导师虢红争 签字同期：o 。p 夕年月，同 第一章绪论 第一章绪论 1 1 传统模拟a m 广播的不足 传统的模拟a m 调制( 幅度调制) 是以高频振荡的幅度变化表示节目信息 的广播技术，是一种研发于二十世纪早期的广播技术，并在上个世纪得到了广泛 应用。其优点主要在于传输范围广，传输距离远且稳定；调制技术简单，接收机 结构简单价格低廉；广播节日既适合在固定地点收听或旅行时便携接收，也适合 在高速移动情形下接收。到目前为止3 0 m h z 以下的长、中、短波广播大部分采 用的都是模拟调幅技术( 舢) ，a m 广播接收机也在全世界的范围内得到了广泛 的应用。可以说，a m 广播时至今日仍然具有广泛的市场与用户群。即使在信 息接收手段多元化的今天，电视，因特网及卫星广播等其它媒体，仍然不能完全 替代长、中、短波广播的作用。在旅行或乘坐交通工具时的信息接收，突发事件 救援等方面，广播依然具有不容忽视的作用。 但是，由于一些自身技术上的固有缺陷，传统a m 广播的不足也非常明显。 1 接收信号易受干扰，传输质量不高，接收质量不好。在我国主要使用中波 ( 5 2 6 5 到1 6 0 6 5 k h z 和5 2 5 到1 7 0 5k h z ) 和短波( 2 m h z - 2 4 m h z ) 两大波段 的无线电进行广播。中波广播主要靠地波传播，也伴有部分天波；短波广播主要 靠天波传播，近距离内伴有地波。无线信号传输的信道是很不稳定的，直接影响 了接收质量。 2 中波的传播主要受电离层的影响。电离层导电性能在白天和夜间不同，会 随时间变化，影响信号传输。由电离层引起的多径传播带来的频率选择性衰落也 会严重影响传输质量。短波的主要传播途径是天波，在天波传播过程中，路径衰 耗、时间延迟、大气噪声、多径效应、电离层衰落等因素，都会造成信号的弱化 和畸变，影响短波通信的效果。 3 对发射机而言，模拟a m 广播能量利用率过低。在a m 发射功率中很大 一部分能量是用于高频载波的，这对于传送信息本身用处不大，而且造成巨大的 电磁污染，提高了运行费用。 4 带宽利用率过低。由于可用于广播的频带是有限的，广播电台数量较大， 分配给每一个电台的频带就相对较窄，如我国中频电台只有9 k h z 。而a m 本身 的频带利用率极低，这样就直接影响了收听质量。 第一章绪论 5 业务单一。一部发射机使用一个载波频率，只能传送一套单声道声音广播 节目，不能加入其它信息，实现多媒体广播。 综上可见，对传统的模拟a m 调制技术进行数字化改进，使之适应现代社会 的要求，是当前必须完成的一个任务。为了改变调幅广播的现状，使调幅波段的 广播在较窄的带宽内传输高质量的音频信号以及其他服务，必须进行从模拟到数 字的数字化转变。而d r m ( d i g i t a lr a d i om o n d i a l e ) 正是适应这一要求的数字化 调幅广播国际标准。 1 2d r m 技术的优势 d r m 系统是世界上唯一非专利的数字调幅广播系统，并且结合了许多当前 的先进技术。d r m 技术采用a a c ( 先进音频编码) 作为其主要的信源编码方 式，并有效地使用s b r ( 频带恢复技术) 作为补充，可以大大地改善收听的音 频质量；d r m 的信道编码和调制采用m l c ( 多级编码) 和o f d m ( 正交频分 复用) 技术，再以交织技术和差错保护、差错纠正技术作为补充，能够显著降低 平坦衰落、多径干扰产生的频率选择性衰落、时延以及多普勒效应的影响，提高 了传输质量，接收也更加稳定、可靠。 先进的技术使d r m 具备了模拟调幅广播一i 可比拟的巨大优势，主要有以下 几点： 1 极大增强了抗干扰能力。由于是数字信号的传输，避免了电离层衰落和多 径传输造成的干扰，使得接收机能够稳定准确的接收到信号。确保了a m 波段信 号传送和接收的可靠性； 2 显著降低了发射机功率。在保持相同覆盖的情况下，由于数字传输本身具 有的特性，d r m 发射机比模拟a m 发射机的功率可降低四分之三以上，即降低 6 - 8 d b e 。这样有利于减小电磁污染、降低功耗，即提高了发射的效率又提高了 经济效益；而保持同等功率等级，信号的覆盖范围将得到极大的扩展； 3 在保持现有带宽9 k h z 或10 k h z 的情况下，传送的音频质量得到大幅提高。 利用先进的音频数据压缩技术a a c ( 先进音频编码) 和s b r ( 频带恢复技术) 以及d s p 技术，传送音质可达到f m 质量，如果带宽加倍，可达到c d 质量； 4 可以使广播不再局限于单一的音频业务。随着科学技术的发展，d r m 的 应用已经不仅仅局限于声音广播，它可以提供新业务，包括提供有与节目相关或 无关的数据、文本、图形、图像业务等等； 5 可以充分利用现有设备进行改装，节约成本。要使用新的数字调幅广播技 术，只需在现有的中短波广播发射机的基础上添加数字化模块即可。如：数字信 第一章绪论 源编码器( 采用m p e g - 4 低比特率) 、调制器( 采用c o f d m ) 、数字频率合成器， 便可继续使用原有的p d m 、p s m 、d x 系列发射机组成d r m 传输发射系统； 6 可以做到模拟与数字信号传送兼容。可在一个信道内传送一个模拟信号和 一个数字信号，实现数模同播，也可在不同的信道内传送模拟与数字信号而实现 多路广播。 从社会效益和经济效益角度来说，d r m 技术可以使听众，电台与设备制造 商三方都受益。听众得到了优质的音频服务以及其他如文本，图像等多种数据业 务；对于广播机构而言，数字化广播可以使他们巩固原有音频业务并提供多种新 兴数据业务，同时降低了发射功率，节约了发射成本。设备制造商也可以再新市 场的开辟中得到新的机遇。 1 3d r m 标准的发展 1 9 9 8 年3 月5 日，世界上二十多个知名的广播组织在中国广州签署了“d r m 谅解备忘录”，正式成立世界性数字a m 广播组织d r m 。在这期间，d r m 也成 为i t u 广播分部的成员。2 0 0 1 年9 月，e t s i ( 欧洲电信标准协会) 公布了d r m 系统技术规范【2 】。在2 0 0 1 年柏林i f a 期间，d r m 系统首次进行试验演示与公众 见面。 2 0 0 3 年1 月3 0 日，i e c ( 国际电工委员会) 给d r m 颁发了最高级别的通 行证- d i 蝴数宁声音广播系统成为世界标准。i e c 表决通过了标准 e c 2 27 2 i e d i ：d i g i t a lr a d i om o n d i a l e ( d r m ) p a n ：系统规范1 。它是唯一的、经过测试的、 非专利的、发展的世界标准。 迄今为止，全球已经有7 0 多个广播商使用中波频率和短波频率开始了d r m 的直接广播，与此同时，在这些广播商的努力下，d r m 的发射设备和接收设备 的技术也日趋成熟完善，渐渐走向市场、走向用户。 目前，我国也在积极开展数字中短波的研究和试验。1 9 9 8 年d r m 组织在 中国启动以来，我国一直致力于d r m 技术的研发与推广。在多个省市进行了 d r m 广播的试播与接收，都获得了成功。 1 4 本课题研究的意义 在d r m 广播的发射端，完全可以使用原有设备改造而成。一般来说，只需 将原有的a m 发射机输入端接上d r m 调制器，保证发射机的音频带宽在1 0 0 k h z 以上【3 1 ，通过频谱分析适当设定各项参数，就可以基本满足d r m 发射机的要求。 第一章绪论 当然也可以直接用d r m 接收机来代替那些陈旧的不值得改进的发射机，价格也 是可以接受的。 因此目前国内外的研究工作主要集中于d r m 数字接收机的开发。必须开发 出拥有我国自主知识产权的价格合理且功能强大的便携式d r m 接收机，才能在 将来的市场中占得先机。 在d r m 系统中，信道估计与均衡具有重要的意义。调幅广播传输分为天波 和地波两种方式。对天波传输方式而言，调幅广播信道是一种时变色散的信道， 它利用电离层的反射传送信息。由于电离层是分层、不均匀、各向异性、随机、 有时空性的介质，信道存在多径时延、衰落、多普勒频移、频移扩散、近似高斯 分布的白噪声和电台干扰等一系列复杂现象。 对于实际的无线通信信道，在信道较恶劣的情况下，已不能简单的看成是传 统的a w g n 信道，而是存在着时间、频率衰落，多普勒频移和传播延迟的随机 时变响应信道。这样的信道必然会对传输信号造成不良影响，使传输信号出现失 真，影响接收机的性能。 因此，为了能准确解调出传送的信息，在接收d r m 广播信号时，对信道进 行估计是一个不可或缺的处理过程。 d r m 的输入信号经过信道估计与均衡以后，进入解复用模块，从完整的超 帧数据中分别获得m s c 信道、f a c 信道与s d c 信道数据，然后再将不同用途 的数据在解码模块中进行信道解码。 1 5 论文组织结构 本论文主要包括六个部分： 第一部分从总体上介绍了d r m 系统以及本论文的研究方向与现实意义； 第二部分简要介绍了d r m 系统的工作原理及工作流程，实现方法等； 第三部分主要介绍了d r m 系统中信道估计的研究，阐述了d r m 中信道估 计的实现原理和方法； 第四部分主要介绍了d r m 复用器的原理以及解复用的算法与实现方法； 第五部分给出了基于v e r i l o g 的d r m 信道估计与解复用模块的具体实现； 第六部分是总结与展望，总结了所做的工作，接着给出了下一步工作方向的 建议。 最后是参考文献和致谢部分。 第二章d r m 系统简介 第二章d r m 系统简介 2 1d r m 发射系统简介 d r m 系统发射机主要结构如下图1 1 所示。d r m 发射机系统包含如下几个 组成部分【7 】： m s c 蛋i 两僳护 ! l l 交织 声塑刭源编码l + | 能量信道 斗 扩散编码 据流 i晦保垆 源编码模块 复 常规保圪 用 器 导频单 o o 1 = 悔保护 元生成 q f o 。 一- 互 d 调 匆 苴 器 传 兀 + m- 映 输 射 符 1 看 快速访问信道 预编码能量信道 f a r l 器 号 号 ( f a c ) 信息 _ 扩散编码 生 业务描述信道 成 ( s d c ) 信息 预编码 能量信道s d ( _ - _ 扩散编码 o f d m 模块 图2 1基于d r m 标准的数字调幅广播发射系统结构 1 信源编码模块： 信源编码器模块的主要作用是确保输入数据流格式为适宜的数字传输模式。 按照系统传输数据的功能来划分，d r m 传输的数据可以分为三类，相应的可将 传输系统分为三个信道，分别是主业务信道m s c ( m a i ns e r v i c ec h a n n e l ) 、快速 访问信道f a c ( f a s ta c c e s sc h a n n e l ) 和业务描述信道s d c ( s e r v i c ed e s c r i p t i o n c h a n n e l ) 。 主业务信道( m s c ) ：主业务信道包含了d r m 多路复用中所有业务所需的数 据。多路复用可以实现1 4 个业务的复用，这些业务既可以是音频数据流，也 可以是常规数据流。每一个数据流分为长为4 0 0 m s 的逻辑帧进行传输。每一个 逻辑帧一般包含两个部分，每一部分的长度可以独立指定，可以有不同或相同的 保护等级。从而实现相等差错保护( e e p w e q u a le r r o rp r o t e c t i o n ) 和不等差错保护 ( u e p w u n e q u a le r r o rp r o t e c t i o n ) 。它们通过复用器的复合和处理后，形成一个信 第一二章d r m 系统简介 号进行传输，然后经能量分配电路，最终送入信道编码器中进行编码。m s c 传 输数据比特率取决于调幅广播信道带宽和所选用的传输模式。 快速访问信道( f a c ) ：快速访问信道用来快速获取访问的服务选择信息，例 如提供频谱占用模式和交织深度等参数。接收端可根据这些信息调整解复用器的 参数，以解调出各种传输业务，或者按照发射端的提示来改变接收频率重新搜索 信号。它的帧周期也为4 0 0 m s 。 业务描述信道( s d c ) ：它载有m s c 如何译码的相关信息，以及相同数据的 替换源搜索和复用业务的归属等信息。s d c 的数据量根据频率占用模式的不同 以及其它参数的不同变化，它的帧周期为1 2 0 0 m s 。 与三种业务信道相对应，d r m 系统中分别对它们进行了编码。下面主要介 绍主业务信道( s d c ) 的编码相关内容。 d r m 系统的信道带宽较窄( 一般在9 k h z 或1 0 k h z ，最多也不过是1 8 k h z 或 2 0 k h z ) 。在这样的条件限制下，d r m 系统根据使用条件的不同，根据不同的给 定比特率选择了不同的信源编码方式，包括以下几种方式： ( 1 ) m p e g 4 子集a a c ( 先进音频编码) ，用于普通单声道和立体声广播。 主要在传输条件良好时使用，包括抗差错健壮性处理。 ( 2 ) m p e g 4 子集c e l p ( 码本激励线性预测) 语音编码，用于单声道语音 广播，在传输条件一般时应用，在很低比特率时相当有效，或者适合于在要求较 高的抗差错健壮性的情况。 ( 3 ) m p e g 4 子集h v x c ( 谐波矢量激励编码) 语音编码，在传输条件恶劣， 用于很低比特率和抗差错健壮性单声道语音广播时使用。特别适合于基于语音数 据的应用。 除了上述的编码方法外，为了获取较高的音频质量，在d r m 系统中还应用 了频带恢复( s b r - - s p e c t r a lb a n dr e p l i c a t i o n ) 技术，s b r 是一种音频编码增强技 术，它可以在只使用低比特率情况下恢复完全音频带宽。它可以与a a c ，c e l p 或者h v x c 编码技术联合应用，构成目前能力最强的j 玉缩方法。仅a a c 本身效 率已经比众所周知的m p 3 方法高出了3 0 ，但由于带宽有限，仅使用a a c 是 不够的。借助附加应用的频带恢复技术，可以在保持同样高的音频质量的情况下， 数据率还可以再减低4 0 【4 。 为了在容易出现误码情况的信道情况下改进系统性能，d r m 系统还使用了 不等差错保护技术( u e p ) 。在这种系统中，根据传送内容中不同信息对于出现 差错的灵敏度不同，将传送内容分为高保护和低保护两部分分别编码。图2 2 和 图2 3 所示是d r m 系统信源编码与解码系统构成方框图。 第二章d r m 系统简介 图2 2d r m 系统信源编码模块结构图 图2 3d r m 系统信源解码模块结构图 2 复用器模块 m s c 复用是先将4 0 0 m s 的编码之后音频流和数据流组成一个m s c 逻辑帧， 然后对m s c 逻辑帧采用了不等差错保护( u e p ) ，所谓u e p 是先将数据流划分为 高保护部分和低保护部分，然后对这两个部分分别采用不同的编码率进行编码， 即将m s c 逻辑帧分成两块( 块a 和块b ) ，然后选用不同的编码率对这两个部分 进行编码，最后将经过u e p 编码之后的块a 和块b 数据连接在一起组成一个复 用帧【5 1 。 3 能量扩散模块 能量扩散的目的是通过随机化处理使信号频谱扩散，减少连0 连1 的出现， 避免在信号码流中出现我们所不希望得到的规整性，以保证比特按时恢复【6 1 。能 量扩散足在三个信道( m s c 、s d c 、f a c ) 分别进行的，复用器出来的三个信道 的数据分别与准二进制随机序列模二相加。 4 信道编码模块 第二章d r m 系统简介 d r m 广播传输系统的信道编码过程基于多级编码方法( m l c ) 7 1 ，采用删余 卷积编码。多级编码的原理是，通过编码和调制的最佳结合而达到最好的传输性 能。编码模块主要采用多级编码的方式，它把差错保护和q a m 映射结合起来考 虑，对q a m 映射中易于受信道噪声干扰的比特采用较高的保护，而对于相对较 难受干扰的比特采用较低的保护，从而平衡了它们总体的差错概率，达到较理想 的低误码高传输均衡。根据服务的要求，我们既可以对一个服务的不同部分提供 不同的保护能力，也可以对复用的多个不同的服务提供不同的保护能力，该性能 特点依靠在复用帧中提供高低保护( 总体差错概率) 两部分来实现。 5 o f d m 模块 d r m 采用o f d m 调制方式。o f d m ( o r t h o g o n a lf r e q u e n c y d i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ) 臣p 正交频分复用技术，是多载波调制( m u l t i c a r r i e rm o d u l a t i o n ) 的 一种。 在时域来看，o f d m 将信道分成若干正交子信道，在每个子信道上使用一 个子载波进行调制，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制到各子载 波并行传输。由于每个子信道的速率低，每个o f d m 符号前加入了保护间隔这 就大大减低甚至消除了多经干扰带来的码间串扰【8 】。每个子载波对应一个子信 道，各子载波上的信号相互正交( 正交信号可以通过在接收端采用相关技术来分 开，这样可以减少子信道之问的相互干扰i c i ) 。 由于o f d m 将串行的高速数据流分成并行低速数据流，因此码元宽度变宽， 在码元宽度大于多径时延的情况下，可以有效的消除i s i 。但是如果多径时延很 长，还是有残余的i s i ，为了彻底消除i s i ，o f d m 在两个符号之间加了保护间隔。 但是保护间隔的引入将导致子载波不正交，因此又人为地引入了子载波间干扰 i c i ，为了既利用保护间隔消i s i ，又不人为引入i c i ，就把每个符号末尾的一些 比特复制到符号的前面，当作保护前缀，因而也叫循环前缀【9 】。 d r m 传输系统巾的o f d m 模块不只是单一的o f d m 功能单元，而是包含 导频生成、o f d m 单元映射、o f d m 符号生成等运算处理，以及与d r m 传输 帧密切相关的多功能单元，如图2 3 。它是将每个传输帧单元和导频信号按照 o f d mm a p 映射成为o f d m 符号【l 们，进行o f d m 调制之后再加上循环前缀( 用 来防止由多径传输带来的符号间干扰i s i ) 。 6 调制模块 本模块将得到的o f d m 信号调制到实际的载波，成为空间带通信号。 第二章d r m 系统简介 图2 _ 4d r m 系统o f d m 调制模块框图 2 2d r m 接收机系统简介 d r m 接收机的主要模块如图所示： 图2 5 接收机数字信号处理结构 其各部分的主要原理与功能如下： 9 第二章d r m 系统简介 1 射频前端模块 射频前端的主要作用是接收高频载波，并把接收到的模拟信号转化为数字信 号以利于下一步处理。射频前端可以由传统的调幅接收机改造而成，也可以采用 芯片重新搭建。若由调幅接收机改造，可在接收机中频4 5 5 ( 或4 6 5 ) k h z 信号 之后，加下变频模块，将其变为低频载波信号。之后，送入模数转换器。基本结 构如图2 5 所示： 5 5 0 - - 1 6 p 二蚓带通滤波卜_ 1 叫8 纠低通滤波i t 。i 可调承振 l 本振4 6 7l 1 0 0 5 z 2 1 0 5 图2 - 6d r m 射频前端结构图 由于中频较低，也可以对中频4 5 5 信号直接a d 采样，将数字下变频放在 数字信号处理模块中完成。采样后就可以开始进行下一步的数字化处理。 2 复基带获取模块 复基带模块的主要作用是南射频前端得到的实带通信号得到复基带信号，实 际复基带信号的获取的实现，是将f i r 低通滤波器、下采样和下变频三个步骤统 一由一个多项分解抽取滤波器来实现。 3 同步模块 对于无线传输信道而言，信道具有多径传输和终端移动接收等特点，因此会 产生时延扩展和多普勒频移，造成o f d m 符号间的干扰( i s i ) 和子载波频率的偏 移。另外，由于发射端和接收端的晶振也会存在频率不稳现象，这也会导致接收 信号的载波产生偏移。 o f d m 系统同步主要包括以下三个方面【i i 】： ( 1 ) 频率同步：校正接收端的子载波使之与发端同频同相，以便于进行 o f d m 的相干解调； ( 2 ) 时间同步：符号同步、定时同步和帧同步，目的是确定o f d m 符号与每 一个o f d m 传输帧的起始时间； ( 3 ) 采样频率同步：对模数转换频率偏移进行校正，使接收端与发射端拥有 相同的采样起始时刻和采样时钟。 第二章d r m 系统简介 4 o f d m 解调模块： 对已去除保护间隔并完成了同步的o f d m 符号，用f f t 来实现o f d m 解调， 完成信号从时域到频域的转换。需要注意的是，根据信道情况的不同，d r m 系 统中规定了4 种传输模式，在解调前将会首先完成模式的识别。对于不同模式， f f t 的点数不同，而且也不都是基2 的，因此f f t 快速算法要采用特殊的f f t 算法12 1 。 5 信道估计模块 对于实际的无线通信信道，在信道较恶劣的情况下，已不能简单的看成是传 统的a w g n 信道，而是存在着时间、频率衰落，多普勒频移和传播延迟的随机 时变响应信道【13 1 。因此，在接收d r m 广播信号时，对信道进行估计是一个不可 或缺的处理过程。信道估计方法分为盲估计和基于导频信号估计方法，d r m 系 统中采用的是基于导频信号的信道估计方法，具体的说就是利用d r m 系统在时 域和频域均匀分布的导频得到导频处的增益，通过不同的插值方法得到每个子载 波上的信道冲激响应，然后利用冲激响应完成信道均衡【1 4 】。 具体处理过程为： 1 ) 在发送端的适当位置插入所选择的导频单元； 2 ) 在接收端利用导频恢复出导频位置的信道响应； 3 ) 通过导频位置获取的信道信息得到信道所有时刻的信道响应。 信道估计是d r m 系统接收中的关键技术，所采用的算法有三种：线性插值、 加窗的f f t 插值和w i e n e r 滤波插值。 6 解复用模块 d r m 信号的业务是以超级帧为基础的。每个超帧由三个传输帧组成，至此获 取到的单元符号除了导频和保留单元外，便是控制单元符号( f a c 、s d c ) 和数 据单元符号( m s c ) 。具体的分布情况见参考文献 7 。由于信道解码是对于三 个信道分别进行的，所以需要把三部分首先分开，然后进行下一步处理。 7 信道解码模块 本模块主要完成信号q a m 解调与信道解码。由于广播信道的特殊性，d r m 系统采用不同保护级别( a 、b 两种) 的多层编码( m l c ) 方式，同时调制方式 对于不同的数据流( f a c 、s d c 、m s c ) 也不同，对于主要的数据流m s c 还可 以采用不同的映射方法。在解码端为了降低误码率，可以采用软判决的迭代维特 比译码算法来实现信道解码。 8 音频解码模块 完成音频流和数据流的解码并将最终结果输出。对于音频文件而言，首先通 过解码得到低频带信号，最后再采用s b r 技术来重建得到音频的高频带信号。 第二章d r m 系统简介 这样就可以恢复原始的音频信号，从而得到令人满意的音频质量。 2 3d r m 系统的主要参数 d r m 系统采用o f d m 调制，系统的抗信道多径延迟性能和传输效率之间存 在着矛盾。对o f d m 每个子载波，循环前缀的加入延长了每个子载波的码元间 隔的长度，即降低了码元速率【l5 1 。而各子载波码元时间延长的部分共同组成了 o f d m 的循环前缀。换句话说，循环前缀的加入，降低了系统的频谱占用效率。 因此d r m 系统针对不同的信道传输情况设计了四种传输模式( r o b u s t n e s s m o d e ，即健壮性模式) 一一a 、b 、c 、d 。每一种模式用于不同的传播衰减条件， 如下表所示，以保证信号有不同的健壮性。 表2 1各种传输模式的使用条件 传输模式典型传输模式 a高斯信道，伴随较弱的衰减 ，。 b时间和频率选择性信道，伴随较大的传输时延 c 在b 模式的条件下，有较高的多普勒频移 d 在b 模式的条件下，有较大的延迟和多普勒频移 而不同的健壮性，即不同的传输模式，所对应的信源和信道编码、o f d m 子 载波的q a m 调制方式等都有一定的差别。如表2 1 和表2 2 所示。 表2 2各种传输模式的典型应用 传输模式 a bc d 预期调制6 4 q a m 6 4 16 q a m 1 6 q a m6 4 i6 q a m 典型应用地波( m w l w )天波( m w s w )强天波( s w )垂直耦合( s w ) 交织 短长长最大 码率i 司 中 低低 音质同 由 中低低 健壮性中等同 高很高很高 为了适应不同的频带情况，和不同的发射机频带发射方式，d r m 规定了六 种频谱占用方式。不同传输模式和频谱占用方式下的o f d m 符号参数与子载波 设计如表2 - 3 ： 第_ 二章d r m 系统简介 表2 3d r m 系统各种健壮模式下o f d m 符号参数 梦数强j 士梗式a强挫模式b强j 士梗式c强社梗式d t( us ) s 3l ，38 3i ，3s 3l ，38 31 3 t 乜( 嬲) 2 4 ( 2 8 9 r ) 2 11 ：3 ( 2 5 6 n1 42 3 ( 1 7 6 d91 3 f 1 1 2 t ) t ( m s ) 22 3 ( 3 2 下】51 3 ( 6 4 d51 ，3 ( 6 4 t )71 3 ( 8 8 d t g k l _ ，9l 髑4 1 1l l l l 4 t 一k + k ( m s ) 2 62 _ ，3 2 6 粥2 01 62 ，3 丁f ( m s )4 0 04 0 04 0 04 8 0 副筑渗间隔( i t z ) 4 l6 64 68 86 81 81 0 71 4 占用帝宽( k h z )4 5 5 9 1 l8 ，2 045 ，5 ，9 ，l0 ，1 8 ，2 0 1 0 2 0 1 0 ，2 0 戟狡总数1 0 1 4 6 l9 1 4 l l1 3 8 2 8 88 5 1 7 8 o f d m 符号膪输锁1 51 52 02 4 o f d m 符号s d c 块 2233 s e x 净数据摹( b 括)1 3 4 1 4 0 0 1 0 3 1 0 9 22 3 5 1 8 0 0 1 2 l ，5 4 2 1 0 k h z 1 幻蝴缀玛毫0 5 ) ( 6 6 5 )( 5 2 5 )( 4 7 0 )( 2 4 2 ) m s c 净数据翠勋括，6 2 7 1948 5 6 191 4 546 0 3 06 1 0 k f a 删v i 缡碑率0 5 ) ( 2 6 6 、 ( 2 1 f 1 66 )( 1 l0 ) 推箨工作频段l f 。m f ( 日) m f ( 狡) ，陋 搏盱 载波间隔f 是符号有效期毛的倒数( 矽= 蜉) ，根据所使用的射频带宽，就 - “ 可以计算出载波总数k 。 o f d m 符号参数表示为： z ：o f d m 符号持续期； z ，：o f d m 符号中有有效持续期； 疋：保护间隔持续期； l ：o f d m 符号组合的传输帧持续期； 表2 4 不同模式和频谱方式的载波编号 频谱占用方式 传输模式子载波 ol2 3 4 5 k l i l i n 221 0 21 1 4 9 81 l o a k 。 1 0 21 1 41 0 21 1 43 1 43 5 0 k 蛐 l19 11 0 38 79 9 b k m 9 11 0 39 1 1 0 32 7 93 1 1 k l n i n n an 久n a6 9n a6 7 c k n an an a6 9n a2 1 3 k n an an f a 4 4 n a4 3 d k l i l i 。 n ? 久n an a4 4n a1 3 5 第二章d r m 系统简介 表2 4 中，k 表示最小子载波编号，墨一表示最大子载波编号。不同频谱占用 方式的带宽如表2 _ 4 所示： 表2 5 频谱方式的带宽 l 频谱占用方式 o123 4 5 信道带宽 4 559l o1 82 0 由表2 5 可以看出，频谱占用方式是基于9 k h z 和1 0 k h z 基准的。对于这两 种基准的频谱，分别如图2 - 6 所示： 频谱占用 模式o l r 一 频谱占用 模式2 频谱占用 模式4 【二 载频f 卜竺l 一 顿谱占用 模式l ；p _ l 一 额滑占用 馘3 1 鬻砦 一 【二亡 模式5 i _ i 1 图2 7 两种频谱占用基准 载频f l _ ! ! 些 一 - i 叫 由图中载频位置可以看到，对于频谱占用的4 、5 模式，频谱对于载频是非 对称的，这一点必须引起注意，以免在具体调制时引起频谱混叠。为了能够清楚 地解调信号同时不产生频率混叠，必须满足奈奎斯特采样定理，采样频率应该是 信号频率带宽中最高频率的两倍以上，以保证信号的正确还原，则中频厶必须满 足： 厶5 带宽半频带最大5 k h z 厶+ 1 5 4 8 2 = 2 4满足奈牵斯特采样定理 所以中频厶范围5 厶9 ，在d r m 基带传输系统中我们采用了6 k h z 。 2 4 本章小结 本章首先介绍了d r m 系统的发射机结构和主要功能，主要包括信源编码模 块，复用器模块，能量扩散模块，信道编码模块，o f d m 调制模块，载波调制 第二章d r m 系统简介 模块。接下来介绍了d r m 系统接收机的各主要模块，包括射频前端模块，复基 带获取模块，同步模块，o f d m 解调模块，信道估计与均衡模块，解复用模块， 信道解码模块与音频解码模块。最后介绍了d r m 系统的主要传输参数，阐述了 不同的信道条件下不同的传输模式与频谱占用模式，以及相对应的o f d m 调制 参数。 第三章d r m 系统信道估计与均衡的原理 第三章d r m 系统信道估计与均衡的原理 3 1 无线信道的传播特性 信道是指信号经过发射端发送以后，在到达接收端之前所经历的路径。按传 输媒介的不同，可分为有线和无线信道。有线信道信道响应是平稳的，可预测的， 而无线信道则是非常复杂的动态信道。对于实际的无线通信信道，在信道较恶劣 的情况下，已不能简单的看成是传统的a w g n 信道，而是存在着时间、频率衰 落，多普勒频移和传播延迟的随机时变响应信道 1 6 】。 信号通过无线移动通信信道时会受到各种衰落的影响，主要有大尺度衰落， 阴影衰落和多径衰落三种。 3 1 1 无线信道的三种主要损耗 1 无线信道的大尺度衰落。无线信号在自由空间里传输，其信号功率会随着 传播距离的增加而减小，这会对数据传输速率和系统性能带来不利影响。最简单 的大尺度路径损耗的模型可以表示为： l = 鲁= k 与d ( 3 - ，) 7 其中，p 表示本地的平均发射