（通信与信息系统专业论文）dttb系统的信道估计算法研究.pdf

摘要 本文主要研究数字电视地面广播( d t t b ) 系统的信道估计与均衡技术，对基于 训练序列的信道估计算法进行了研究，包括基于p n 码相关、p n 频域变换、频域 判决反馈、门限迭代判决反馈、l s 算法等，在此基础上，针对帧头模式l 和3 提 出一种修正本地p n 的信道估计方法，消除了因p n 序列互相关特性非理想对信道 估计精度带来的影响，复杂度是通常迭代干扰消除信道估计的一半。对于时变信 道的估计与均衡，本文提出一种基于二次内插的信道细估计，并在此基础上采用 分段均衡方案来消除i c i 。该方法可抗更大的多普勒频移，有较低的复杂度。论文 综合出了一套完整的适合于d 1 1 1 b 系统的自适应信道估计及均衡方案，通过m a t l a b 仿真验证了方案的有效性。 关键词：数字电视地面广播正交频分复用信道估计均衡 a b s t r a c t t h i sp a p e rm a i n l yd i s c u s s e sc h a n n e le q u a l i z a t i o nf o rd 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 t t b ) s y s t e m as e r i e so f i m p r o v e m e n t sa n dn e wa l g o r i t h m sa r ed e r i v e d f r o mt h ec o n v e n t i o n a lu a i n i i l gs e q u e n c e - b a s e dc h a n n e le s t i m a t i o na l g o r i t h m s ， i n c l u d i n gp nc o r r e l a t i o n b a s e de s t i m a t i o n 、f r e q u e n c yd o m a i nd e c i s i o nf e e d b a c k 、 l s ( l e a s t - s q u a r e s ) a l g o r i t h m se t c f o rt h ef l a m eb e a dm o d e1a n d3 am e t h o do f c h a n n e le s t i m a t i o nw i t hm o d i f i e dp ns e q u e n c e si sp r o p o s e d , w h i c hc a ne l i m i n a t et h e i n f l u e n c ed u et ot h en o n i d e a lo r t h o g o n a lp r o p e r t yo fp ns e q u e n c e sa n dh a sah a l f c o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t yo ft h et r a d i t i o n a li t e r a t i v ei n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o nm e t h o d a l s o ，t h i sp a p e rp r e 粥m sa l li m p r o v e dm e t h o do fn o n l i n e a ri n t e r p o l a t i o nf o rt h ef i n e c h a n n e le s t i m a t i o nu n d e ra t i m e - v a r y i n gm u l t i p a t hc h a n n e la n de q u a l i z a t i o ni ns e v e r a l b l o c k sw h i c hc a l le f f e c t i v d ym i t i g a t ei c ic a u s e db yt h ec h a n n e lv a r i a t i o n sw i t hl o w c o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t y t h i sp a p e ro u t l i n e sac o m p l e t ec h a n n e le s t i m a t i o ns c h e m e s u i t a b l ef o rd m s y s t e m k e y w o r d ：d t t bo 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 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，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：起茎委日期笙堡：塑 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。学校有权保 留送交论文的复印件，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再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，在一年解密后适用本授权书。 本人签名：垫耋萤 导师签名：糊 日期 弦阳 日期迎墨：五：0 第一章绪论 第一章绪论 本章介绍了数字电视广播的发展概况，通过对比分析了当前世界其他国家采 用的同类标准，重点分析和介绍了我国数字电视地面广播传输系统标准的相关内 容，引出了本文研究的目的和意义，最后简要介绍以后章节的主要内容。 1 1 数字电视广播的发展 地面数字电视广播系统是广播电视体系中的重要组成部分，它与卫星数字电 视广播系统和有线数字电视广播系统以及其它辅助系统一起相互协同提供全面的 受众覆盖，是我国广播电视综合覆盖网的重要环节。中国是发展中国家也是世界 彩电的主要生产国，在选择数字电视广播标准上必需慎重考虑自主知识产权问题。 目前，世界上已有三种地面数字电视广播传输标准：美国a t s c 的“d t v ”系 统【1 1 、欧洲d v b 项目的“d v b t ”系统【2 】和日本的“i s d b t ”系统【3 】。这三种方式 的信源编码部分大同小异，都是基于m p e g 2 编码压缩方式，而真正的不同之处在 于传输方式，即采用不同的信道编码和调制方式。 从传输模式、传输码流和适用信道情况来看，美国的d t v 采用格形编码八电 平残留边带( 8 v s b ) 调制技术，在6 m h z 的带宽内传输固定的1 9 3 8 m b s 码流，适用 于固定接收。欧洲的d v b t 采用编码正交频分复用( c o f d m ) 调制技术，在8 m h z 的带宽内传输码流为4 9 8 m b s 至0 3 1 6 7 m b s ，视使用条件可变。载波有2 k 和8 k 模式， 可组成单频网，适合固定接收，可用于移动接收，能够抗动态多径干扰。日本的 i s d b t 采用经修改的正交频分复用( o f d m ) 调制技术，在6 m h z 的带宽内传输码流 为3 6 8 肘矗詹到2 3 4 2 m b s 可变。载波有2 k 、4 k 和8 k 模式，适应信道和接收条件与 d v b t 类似【4 】。 目前，国际上采用美国a t s c 标准的有5 个国家或地区，其中已有两家经过技 术比较研究后退出。决定采用欧洲d v b t 标准的已有3 3 个国家和地区。事实上， 近年来大量的研究和产业发展表明，o f d m 多载波技术是宽带无线传输技术发展的 方向，不仅在数字电视传输方面被多数国家采纳，而且己成为新一代( 3 g ) 移动通信 和宽带无线局域网的主流技术。 从国家和民族的利益考虑，中国希望成为自行打造数字电视地面广播的国 家。以国内4 亿多台全球最大的电视机市场为基础，建立具有自主知识产权和自主 专利的体系。 中国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、 信道编码和调制于2 0 0 6 年8 月3 0 日由国家标准管理委员会发布( g b 2 0 6 0 0 - 2 0 0 6 ) ， 并于2 0 0 7 年8 月1 日起实施。我国地面数字电视的国家标准多载波方案基于 2 d t i b 系统信道估计算法研究 t d s o f d m 孓7 】调制技术的数字地面多媒体电视广播( d i g i t a lt e r r e s t r i a lm u l t i m e d i a b r o a d c a s t i n g ，d t m b ) 传输系统【s 】。该系统的核心就是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 l l r o n o l l so 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 ，t d s o f d m ) 调制技术，可以实现高达( 4 b i t s y h z 的频谱利用率。因此，在8 m h z 带宽下，每个频 道可高达3 3 m b s 有效净荷的信息传输码率。d t t b 传输系统的设计指导思想是将信 道估计与数据检测分别对待，以获得最佳接收效果。d t t b 传输系统将频谱效率高、 抗多径干扰能力强、适用于宽带信号传输的o f d m 调制方式用于数据检测，而对于 信道估计，o f d m 传输系统在时域采用已知的周期伪随机( 踟序列作为参考信号。 与现有的数字电视传输标准相比，d t t b 采用了一种时域信号处理与频域信号处理 相结合的创新技术，可以同时发挥数字信号处理在时域和频域的优势。下面介绍 d t t b 传输系统标准的主要步骤： 1 t d s o f d m 数据帧结构 d t t b 采用了分级帧结构以实现快速稳定的同步。它具有周期性，并且可以和 绝对时间同步。帧结构的2 2 5 个基本单元定义为一个帧群，4 8 0 个帧群定义为一个 超帧。帧结构的顶层称为日帧，由超帧组成。国标d t t b 的每个超帧的持续时间为 1 2 5 m s ，超帧中的第一个信号帧被定义为超帧头( 控制帧) ，用于传输控制该超帧的 信令。超帧的帧头中包含了一个9 b i t 的超帧号标识每一个信号帧惟一的超帧序号。 超帧号被编码在信号帧的传输参数信令( t p s ) 中。在超帧的每个信号帧中重复，只 在新的超帧开始时才能改变。 d t t b 传输系统的1 个分帧包含4 8 0 个超帧，分帧中的每个超帧由其超帧号惟一 识别。分帧的第一个超帧编号为0 ，最后1 个超帧编号为4 7 9 ，每个分帧的持续时间 为1 2 5 m s 4 8 0 = 6 0 s 。d t t b 的日帧由1 4 4 0 ( 6 0 2 4 ) 个分帧组成，以1 个自然日的零 点为1 个新的周期进行周期性重复。 2 d m 的同步传输技术 d t t b 系统在的保护间隔插人长度为4 2 0 ( 或5 9 5 ，9 4 5 ) 的p n 序列作为帧头，与 帧体组合成时间长度为5 5 5 5 6 u s ( 或5 7 8 7 u s ，6 2 5 u s ) 的信号帧。p n 序列一方面作为 块的保护间隔，另一方面在接收端还被用做信号帧的帧同步、载波恢复与自动频 率跟踪、符号时钟恢复、信道估计等用途。对于接收端来说序列是已知序列，因 此，与数据帧体正交时分复用的p n 序列帧头在接收端是可以被分开的。接收端的 信号帧去掉p n 序列后可以看作是具有零填充保护间隔的，与具有循环前缀保护间 隔的o f d m 在理论上是等价的。 3 d 1 1 m 的应用优势 d t t b 以时域正交频分复用( r o s o f d m ) 调制技术为核心，具有自己鲜明的技 术特点。与欧洲d v b t 采用在频域o f d m 符号中插人导频实现同步设置的 c o f d m 系统不同，国标d t t b 通过p n 序列填充时域同步正交频分复用 第一章绪论 ( t d s o f d m ) 的技术，用p n 序列填充传统o f d m 的保护间隔作为帧头，保护间 隔中填充的p n 序列有以下重要作用：( 1 ) 作为o f d m 调制的保护间隔。( 2 ) 用于 实现系统帧、频率、时间等系统同步。( 3 ) 用于信道估计和跟踪相位噪声。d t t b 采用不同于己有数字电视技术标准的、与绝对时间同步的独具特色的分层复帧结 构。这种分层帧结构可以在物理层为单频网提供与t s 流对应的秒同步时钟，特别 适用于单频组网和对信号进行定时接收；也有利于未来系统的双向交互、定位、 手持便携接收等功能扩展，为适应未来数字电视广播系统应用从物理层奠定了良 好基础。 1 2 本文研究的意义 数字电视地面广播的信道与卫星、有线广播信道相比，该信道的干扰是最复 杂的。在地面广播传输环境下，除常规的干扰如高斯白噪声( 电视屏产生雪花) 、脉 冲( 家电，汽车冲放电产生) 干扰等外，其信道还具有以下几个特点：( 1 ) 首先是多径 干扰，其影响的结果是使电视屏产生重影( g h o s t ) ；( 2 ) 频率选择性衰落，这是因为 在宽度信道下，信号占据的带宽与信道的相干带宽是相当的；( 3 ) 通过频道频率分 配与常规电视同播时会产生同频邻频干扰，而且d t t b 还与接收方式有关。接收方 式是指固定接收、车载移动接收，还是便携接收。上述所有问题均使地面广播问 题复杂化，使接收信道随时间、频率和地点而发生变化，在传输方案选择时都必 须加以考虑。 为了获得较好的接收性能就需要准确的信道估计来进行信道补偿。目前进行 信道补偿的采取措施主要分为两大类：均衡和正交频分复用o f d m 调制，以及它们 两者的结合。现有的地面广播系统信道估计一般是要借助于一定的导频【1 q ( 或训练 ；亭n t 9 1 ) ，即数据辅助( d a ) 的方式来进行信道估计。与此相对应是使用盲估计方法。 盲估计方法可使发射机不必发送特殊的训练序列，从而提高了系统的频谱效率， 但该方法需要在接收到足够多得数据情况下才能得到一个可靠的估计。而地面广 播信道是时变的，尤其在移动情况下，这就限制了盲估计方法的使用。 美国a t s c8 - v s b 是传统的单载波系统，主要采用时域判决反馈均衡器来进行 信道补偿，它使用a t s c 数据帧中每场的第一个数据段所携带的训练序列进行估 计。但两个训练序列相隔2 4 m s ，对于快速变化的多径，只能使用自适应盲均衡的 方法进行。盲均衡需要在接收到足够多的数据情况下才能得到一个可靠的估计， 由于信道是时变的，需要大量数据就影响了盲估计方法的准确性。为了消除多径 干扰，并达到良好的效果，d f e 需要的均衡滤波器抽头数量巨大。 欧洲d v b tc o f d m 1 l 】是多载波系统，它将频率选择性衰落信道根据o f d m 子 载波频率分成了很多平衰落子信道，从而克服了由多径带来的i s i 。只要信道时延 d t t b 系统信道估计算法研究 不超过o f d m 符号保护间隔，系统性能不会由于i s i 而恶化。目前c o f d m 系统多采 用频域信道估计的方法，主要包括判决反馈频域估计和梳状导频频域估计。对这 两种估计算法的研究结果表明无论采用哪种频域估计，信道的估计值受噪声的影 响较大，e 使使用了复杂度很高的最小均方差( m m s e ) 方法，抑制噪声的能力也有 限，而且还需要对信道的统计特性有一定了解。基于这样的考虑，很多学者提出 了使用时域训练序列完成o f d m 系统信道估计方法。 d t t b 系统通过p n 序列填充时域同步正交频分复用( t b s - o f d m ) 的技术，使 信道估计变得易于操作。由于t d s o f d m 用于信道估计的p n 序列具有2 0 d b 左 右的扩频增益，同时又没有c o f d m 做信道估计时特有的插值误差，t d s o f d m 的信道估计性能优于c o f d m 。尽管国标d t t b 的样机功能还有待改善，但其 a w g n 信道的测试结果仍优于基于c o f d m 的国外系统。对于多径信道， t d s o f d m 的p n 序列与多径信道造成的干扰信号是统计正交的。虽然 t d s - o f d m 信道估计的性能无法在原理上与c o f d m 直接比较，但是它与其他传 输系统中采用p n 序列进行信道估计的性能相当。 1 3 本文的主要工作 本文主要研究d t t b 系统中的信道估计技术。论文共分为六章，结构安排如 下：第二章较为详细地介绍了移动无线信道的衰落特性及其动态特性，给出了本 文动态信道的计算机仿真模型。第三章主要介绍了o f d m 的基本原理、优缺点、 发展状况，以及d t t b 系统的传输机制、系统框图、帧结构等。第四章重点讨论 基于训练序列的信道估计方法，对不同的帧头模式不同信道延时采用不同的自适 应信道估计方法，包括基于p n 码的相关估计、频域判决反馈、门限迭代判决反馈、 l s 算法等，首先描述各自的算法，提出改进措施与新算法，最后通过计算机仿真 对它们的性能进行分析与比较。第五章重点论述了时变信道下的信道估计和均衡， 包括基于线性内插和基于二次内插的的信道细估计和i c i 消除算法，并对它们进行 了计算机仿真及性能比较。第六章总结全文内容，提出了一系列有待深入研究的 技术问题。 第二章移动无线信道 第二章移动无线信道 无线通信系统的性能主要受到移动无线信道的制约，发射机与接收机之间的 传播路径非常复杂，从简单的视距传播，到遭遇各种复杂的地物，如建筑物、山 脉和树叶等。无线信道不像有线信道那样固定可预见，而是具有极度的随机性， 特别难以分析。本章将讨论移动无线信道的各种特性及其对信号的影响，最后给 出本文动态信道的计算机仿真模型。 2 1 无线信道的特性 区至匦 匣磊赢盾睦两 图2 1 移动无线信道的衰落特性分类框图 本章主要对小尺度的衰落特性进行分析，小尺度衰落是由于同一传输信号沿 两个或多个路径传播，以微小的时间差到达接收机时相互干涉引起的，这些波称为 多径波。多径波在接收天线处合成一个幅度和相位都急剧变化的信号，其变化程 度取决于多径波的强度、相对传播时间以及传播信号的带宽，主要表现在3 个方面： 1 ) 经过短距离或短时间传播后信号强度产生急剧变化；2 ) 在不同路径上，存在着 时变多普勒频移引起的随机频率调制；3 ) 多径传播时延引起的扩展。 移动信道环境中任意时间t 接收的瞬时复信号，( f ) 可以表达为： r ( t ) = a ( t ) e ( 2 1 ) 式中， a ( t ) 代表接收信号r ( f ) 的包络；v t ( t ) 代表，( f ) 的相位。以下分别研究接收 6 d t t b 系统信道估计算法研究 信号的包络特性和相位特性。 瞬时衰落信号的包络a ( t ) 由两个乘性分量口，( r ) 和a ，( r ) 表征为 口( f ) = 口，( f ) a ，( r ) ( 2 2 ) a 。( f ) 代表慢衰落，a ，o ) 代表快衰落。 慢衰落表示接收信号的长期变化，又称为长期衰落，它是由建筑物或自然界 特征的阻塞效应引起的。快衰落或短期衰落对应于接收信号在空间的迅速扰动， 是由移动用户附近的障碍物对信号的散射引起的。 瞬时衰落的接收信号的相位v ( f ) 由衰落过程的频域特性、时域特性和空域特 性来刻画，这些特性分别与多径信号的多普勒扩展、时延扩展和角度扩展有关。 乱多普勒扩展( 时间选择性衰落) 由于移动用户与基站的相对运动，每条多径波都会有一个明显的频率偏移。 由运动引起的接收信号频率的偏移称为多普勒频移，用厶表示，它与移动用户的 运动速度成正比。其关系式为 厶= ；c o s 0 ( 2 3 ) 式中，v 为移动台的运动速度，a 为无线电波的波长，0 为无线电波与移动台 运动方向之间的夹角，即到达角。 多普勒扩展( d o p p l e rs p r e a d ) 是一种由多普勒频移现象引起的衰落过程的频率 扩散( f r e q u e n c yd i s p e r s i o n ) ，又称时间选择性衰落( t i m es e l e c t i v ef a d i n g ) 。 b 时延扩展( 频率选择性衰落) 在多径传播环境下，由于传播路径的差异导致多径信号以不同的时间到达接 收端，如果基站发射的是一个时间宽度极窄的脉冲信号，移动用户接收到的将是多 个具有不同时延的脉冲信号的叠加，显然，接收信号的波形比原脉冲展宽了。由 于信号波形的展宽是由信道的时延引起的，所以称之为时延扩展。 时延扩展( d e l a ys p r e a d ) 是一种由多径现象引起的衰落过程的时间扩散( t i m e d i s p e r s i o n ) ，又称频率选择性衰落( f r e q u e n c ys e l e c t i v ef a d i n g ) 。 c 角度扩展( 空间选择性衰落) 接收端的角度扩展指的是多径信号到达天线阵列的到达角度的展宽。同样发 射端的角度扩展指的是由多径的反射和散射引起的发射角展宽。在某些情况下， 路径的到达角( 或发射角) 与路径时延是统计相关的。 角度扩展( a n g l es p r e a d ) 给出接收信号主要能量的角度范围，产生空间选择性 衰落( s p a c e s e l e c t i v ef a d i n g ) ，意即信号幅值与天线的空间位置有关。 第二章移动无线信道 2 2 衰落信道的动态特性 移动通信中由于移动台的运动，无线信道为时变信道，因此，其动态特性显 得格外重要。相关函数与功率谱在平稳信号的动态特性分析中起着关键性的作用， 本节就来讨论衰落信道的相关函数与功率谱。 假设t 表示电波传播时间( 快变时间) ，f 代表电波经过不同路径的传播时间迟 延，并用s 表示移动接收台的移动时间( 慢变时间) ，s 代表移动接收台接收两个 不同路径的信号的观测时间的迟延。 令e ( r ；t ) 为信道在时间t 的等效低通冲激响应，并假定c ( r ；t ) 是广义平稳的。于 是，我们可以定义自相关函数为 r c ( z l ，r 2 ；s ) = 去e # ( f 1 ；，+ s ) c + ( f 2 ；f ) j ( 2 - 4 ) 二 在广义平稳非相关散射( w i d es e n s es t a t i o n a r yu n e o r r e l a t e ds c a t t e r i n g ，w s s u s ) 的假设下，式( 2 - 4 ) 可以写作 去e p ( f 1 ；f + ) c ( f 2 ；f ) = r c ( r 1 ；a s ) 5 ( r l i 2 ) ( 2 5 ) 二 若令r = f ，- - - - i ，则由式( 2 5 ) 直接给出以下结果 r 。( r ；s ) = e c ( r ；t + a s ) c ( r ；f ) ( 2 6 ) 二 我们将r ， ；s ) 称为信道的时延一时间差相关函数。 类似的，可以定义信道的频率差一时间差相关函数为 ( ；s ) = 去e c u + a f ；t + a s ) c u ；f ) ( 2 7 ) 二 式中，c ( f ；t ) 是等效低通冲激响应c ( z ；t ) 关于变量f 的f o u r i e r 变换。还可以 进一步证明，r c ( a f ；a s ) 是r c ( r ；a e ) 关于变量f 的f o u r s t 变换，即 r c ( a f ；h e ) = 足( f ；s ) e - j 2 8 蟛巩 ( 2 8 ) 利用上述两种相关函数的f o u r i e r 变换，可以引出以下两种不同的功率谱定义： 时延多普勒功率谱( 又称散射函数) s c ( f ；v ) = i 砖( r ；a e ) e - j 2 “d ( s ) ( 2 - 9 ) 频率差多普勒功率谱 s c ( v ；v ) = 【r c ( a f ；a e ) e - j 2 “d ( s ) ( 2 - 1 0 ) 式中，v 为多普勒频率，它是由接收台的移动所引起的接收信号频率的变化。 综上，时延f 和频率差鲈构成一f o u r i e r 变换的变量对，即f h y ；而观 测时间差( 即慢变时间的差) a s 和多普勒频率v 构成另一f o u r i e r 变换的变量对，即 a h v ，其中_ 表示f o u r i e r 变换，卜表示f o u r i e r 逆变换。 d t t b 系统信道估计算法研究 下面分别描述信道的频率变化以及时间变化特性【1 4 1 。 a 信道的频率变化 信道的频率变化由频率间隔相关函数如( 4 厂) = r c ( 够) i 。l o 来刻画。在式 ( 2 - 8 ) 中令a z = 0 ，立即有 r c ( = e r c ( o e - j 2 利 d r ( 2 - 1 1 ) 这一f o u r i e r 变换关系如图2 2 所示 - 如( v _ j 、 i霹 一= 1 o ，+ f o u r i e r p ， 变换对 j l冠酬 足( f ) d 一口f + 图2 2r c ( v ) 与r 。o ) 之间的关系 如图2 2 左图所示，i r c ( 4 纠取非零值的频率差范围称为信道的相关带宽，用 占厶表示；而i r 。0 1 保持非零的f 值范围称为信道的多径扩展，也成为均方根时延 扩展，用符号仃示之，如图2 2 右图所示。 作为r 。0 ) 和r c ( 4 厂) 之间的f o u r i e r 变换关系的一个重要结果，多径扩展盯， 的倒数近似等于信道的相关带宽b 。，即有 1 b “二 ( 2 1 2 ) o f r c ( n 是c c f ，t ) 的频率变量的自相关函数，所以它为我们提供了新的相关性 测度的数学工具一信道的相关带宽，相关带宽本质上就是信道处于较强相关状态 下的频率差范围。因此，两个频率差v 大于相关带宽占厶的正弦波信号受信道的 影响是不相同的。当携带信息的信号通过信道传输时，如果比发送信号带宽小， 那末该信道称为频率选择性信道，在这种情况下，信道使信号严重失真，反之， 称为频率非选择性信道。 b 信道的时间变化 信道的时间变化表现为多普勒扩展，式( 2 1 0 ) 建立了多普勒效应与信道间变化 的关系，令厶厂= 0 & ( v ) = e ( s ) e - j 2 * “d ( a 6 ) = s c ( a f ；v ) 1 v * o ( 2 - 1 3 ) 函数昂( v ) 是一个功率谱，它给出了信号强度与多普勒频率v 之间的关系，因此称 第二章移动无线信道 9 s c ( v ) 为多普勒功率谱。 p h i ( 2 - 1 3 ) ，如果信道是时不变的，则( s ) = 1 ，并且s c ( v ) 变为6 ( v ) ，因此， 当信道不存在时间变化时，在纯单频传输中观测不到频谱的扩散现象。 下图2 3 表明了多普勒功率谱s c ( 力与时间差相关函数r 。( ) 之间的关系。 j l r c ( 盐i 7 。、 r c ( a f o t 目r i e r ) + i ；- j l 一。、1 渤 一= i a d 斗 + 呻 图2 3r c ( a e ) 与& ( 力之间的关系 时间差相关函数陋。( s 取非零值的时间差范围称为信道的相关时间，记作 z 乙，如图2 3 左图所示；而多普勒功率谱i s c ( v ) i 取非零值的多普勒频率v 的取值 范围称为信道的多普勒扩展，用盯。表示，如图2 3 右图所示。 由于s c o ) 和r c ( s ) 之间为f o u r i e r 交换对，所以多径扩展仃d 的倒数就近似 的给出信道相关时间的测度，即 1 7 乙* 二- ( 2 1 4 ) 仃d 相关时间本质上就是信道处于较强相关状态下的时间差范围。显然，一个缓 慢变化的信道具有大的相关时间，或等价地具有小的多普勒扩展。 以上几种相关函数及功率谱之间的关系如下图2 4 所示 时间间隔相关函数时间差一频率差相关函数频率间隔相关函数 多普勒功率谱散射函数时延谱 图2 4 信道相关函数与功率谱之间的关系 1 0 d t t b 系统信道估计算法研究 由上，我们得出结论：功率时延谱r 。( f ) 包含了信道相干带宽的必要信息，描 述了信道的频率变化( 即频率选择性) ；多普勒功率谱& ( v ) 则清楚展示了信道多普 勒扩展的必要信息，它刻画信道时间变化的快慢( 即时间选择性) 。 2 3 经典信道模型 至今人们已经提出了许多种可用于计算机模拟的信道模型，它们都是基于以 上我们讨论的统计特性提出的。由以上对多径信道的理论分析，我们可以知道每 一条径的包络服从瑞利分布( 存在视距成分时服从莱斯分布) ，相位服从【o 一2 兀】的 均匀分布。为了简化信道，这些模型都采用了固定多径，也就是说多径的数量和 时延在模型中假设不变，从实际测量的数据来看，这种假设并不影响模型信道对 数据的预测。这就表明多径时变信道可以用抽头延时线模型表示，如图2 5 所示， 则信道冲击响应可以表示为： 上 c ( r ，f ) = 口，( f ) e x p ( ，谚o ) ) 6 ( f f ，) ( 2 1 5 ) t s l 从以上公式和图2 5 我们知道无线宽带移动信道模型需要产生多条复数单径。 接收机不能区分在f 和f + a r 之间到达的反射信号，我们可以认为传播距离在c f 和c ( r + a o 之间的回波同时到达，因此可以直接相加，当f 和r + a r 之间到达的回 波无穷多时，根据中心极限定理，每条径必须服从如下原则： 图2 5 抽头延时信道模型 1 ) 复数的实部和虚部是相互独立并且均值为零，均方误差相等的高斯随机过 程。可见复数包络服从瑞利分布； 2 ) 径与径是互相独立的，其互相关函数是零。 这些模型中以1 9 6 8 年c l a r k e 提出的c l a r k e 模型和1 9 7 4 年j a k e 提出的j a k e 模型最为著名，一直到今日许多通信系统的设计还是利用这两个模型。下面我们 首先介绍这两种模型，然后在这两种模型的基础之上提出适合o f d m 传输系统的 宽带系统信道模型。 2 3 1c l a r k e 模型 第二章移动无线信道 c l a r k e 在【坍文中根据信道的统计特性提出了c l a r k e 信道模型。模型考虑有n 条多径，任一条径有无数个回波构成。则单径可以表示如下： 瓦o ) = x ( t ) + j y ( t ) ( 2 1 6 ) 厂f m 堋2 、云否c o s ( 2 n f d t e o s a n + 九) ( 2 - 1 7 ) 厂_ m y ( 归恃善8 i n ( 2 碍f a t c o s a n + c n ) ( 2 - 1 8 ) 其中以代表最大多普勒频移，由移动台的速度和载波频率决定。口。代表回波的入 射角，机代表初始相位，可以用平均分布表示。考虑其自相关和互相关函数： 丸0 ) = e x ( t ) x ( t + f ) 】= 厶( 2 n f s r )( 2 - 1 9 ) 妒。( r ) = e y ( t ) y ( t + f ) 】= j o ( 2 刁名r ) ( 2 - 2 0 ) 丸0 ) = e x ( t ) y ( t + f ) 】= 0 ( 2 2 1 ) 丸( f ) = e 【y o ) x o + f ) 】= 0 ( 2 - 2 2 ) 妨( r ) = e t ( t ) t ( t + r ) 】- 2 j o ( 2 n f d r ) ( 2 - 2 3 ) 2 3 2j a k e 模型 j a k e 在c l a r k e 模型的基础上提出了一种简单而被广泛使用的模型，见文献【l 卅 【1 7 】，j a k e 模型使用叠加正弦曲线的方法产生瑞利分布，每个正弦曲线的频率和初 始相位都不相同。我们考虑n 条多径中的第k 条多径，并且假设这条多径由m 个 回波组成，则这条径的时域表示为： 互o ) = x ( f ) + ，y ( f ) ( 2 - 2 4 ) 砸) _ 寿善。c o s ( 7 ) ( 2 - 2 5 ) y ( f ) 2 寿善“c o s ( f ) ( 2 - 2 6 ) 这里m ：4 m 。+ 2 ，t o s = 2 矾= 2 j r 堕，并且 f2 c o s 卢。捍= 1 , 2 ，m o 吒2 似c o s t i m 。甩= + 1 d t t b 系统信道估计算法研究 。f2 s i n 3 。 驴他s i i l 。 p 。= 册 m o ，r 4 f ， 2 万 吼= c 0 8 万 【c o j 珂= 1 , 2 ，m o 一= m o + 1 刀= 1 , 2 ，m o 栉= m o + 1 行= 1 , 2 ，m o 万= + 1 兀代表最大多普勒频移，由移动台的速度和载波频率决定。成代表随机相位，这 里为了简单取固定值。其自相关和互相关函数： 丸( f ) = 研x 0 ) x o + f ) 】= 以( 2 ，无r ) + 以( 2 ，无f ) ( 2 2 7 ) 驴，( f ) = e y ( t ) y ( t + f ) 】= j 0 ( 2 ，兀f ) 一以( 2 ，兀f ) ( 2 2 8 ) 幻o ) 2 蚊o ) 2 姜f s i n ( 4 0 ) c o s ( 2 f d r c o s o ) d o ( 2 - 2 9 ) 妨( f ) = e t ( t ) t ( t + f ) 】= 2 j o ( 2 r r f a r ) ( 2 - 3 0 ) 2 4o f d m 信道模型 针对o f d m 宽带移动传输系统信道的随机性和时变性，我们提出了以下信道 模型，该模型克服了j a k e 模型存在的不足，并且实现比较简单。 假设信道存在n 条独立的多径，每条径有m 个回波构成，第k 回波信号含有 随机相位九，入射角为a 。，并且假设入射角是平均分布的： a m = 等+ 丝 甩：o ，1 埘- 1 ，：0 )mn+aoo k 0 , 1 f i r - 1 ( 2 - 3 1 a m2 万+ 肛o ，1 埘一l ，2 ) 则第k 回波信号可以表示为： 瓦o ) = x o ) + j y ( f ) ，一l = c p “4 哺 h 量o m o - 1m a - i ：c y p ，( f + ) + c y p ，( 一蛳血4 t 。埔m ) j_j- m h - 1m n - 1 + c 艺p “蛳嘲州h 帅+ c 芝p “蛳血4 砘+ 撕 ( 2 3 2 ) 一一 、 月1 0 - - - - 0 第二章移动无线信道 这里c 是归一化因子，o j 。是最大多普勒频移。我们进一步假设九满足如下条 e “日= e j + l n = 0 , 1 。m 、一1 一c j 电“o = e i i _ 3 “日- - e j 机 n = o 1 m o 一1 则我们就可以得到： m o - i x ( f ) = 2 c c o s ( a o d s a m r + 屯) ( 2 3 3 ) 扫- y ( f ) = 2 c s 缸s i n a + 屯) ( 2 3 4 ) 我们考虑其自相关和互相关函数： 丸( f ) = e 【x ( f ) x o + f ) 】= 4 c 2 去c o “c o s a 时f ) ( 2 3 5 ) 幻( f ) = 研y ( f ) y ( f + f ) 】= 4 c 2 去c o s ( 6 0 s i n a m f ) ( 2 3 6 ) 丸( r ) = 研x ( f ) y ( t + f ) 】= 0 ( 2 3 7 ) 妒。( f ) = e y ( t ) x ( t + f ) 】= 0 ( 2 - 3 8 ) 蚊( f ) = e t k ( t ) t l ( t + v ) = 0 k ， ( 2 - 3 9 ) 我们假设c = 三j 击，取a m = 五旨，丸2 叱= 。，并且取= 8 ， m 。= u 4 = 8 ，考虑载波频率位9 0 0 m ，移动接收机的速度为每小时1 2 0 千米，则 最大多普勒频移为1 0 0 h z ，第k 条径的表示如下 = 据耋州2 z r * 5 0 * c o 2 1 7 + 蔫+ 刍r + ，壹 s 似2 z 5 0 c o s ( - 2 丁n n + 丽2 n f + 5 q ”i ) 卅 (2-40)nffi0v 从以上的分析我们可以看到本文所提出的信道模型基本能够满足上文提到的 多径信道的原则，径的实部和虚部是完全独立的高斯随机过程，其包络就服从瑞 利分布，而且径与径也完全不相关，这就克服了j a k e 信道模型的不足，从统计特 性方面来说本文的信道模型与实际信道模型相符合。由以上的分析我们可以得到 d t t b 系统信道估计算法研究 宽带移动信道的时域响应： m n - 1 h ( t ，f ) = 瓦( ，) = 2 c 。( c o s ( c o c o s 口艟f + 九) + ，s i n ( c o s i n a 时f + 屯) ) k = lk = lm - 0 下图2 6 描述了单径包络随着时间的变化，分别给出了疋分别为5 0 h z ，2 0 0 h z 时信道的衰落情况。可看出该模型能够模拟信道的时变特性，多普勒频移以大时， 信道变化快，反之，信道变化较慢。 图2 7 描述了d v b t 瑞利信道某一时间内的时域信道响应和频域信道响应。 其具体信道参数参见附录a 。 图2 6 单径包络 图2 7 信道时频响应 第二章移动无线信道 2 5 本章小结 移动无线信道最大特征是信道的时变性。本章围绕时变信道的物理刻画与数 学描述，首先详细介绍了移动无线信道的各种衰落( 慢衰落、快衰落、选择性衰落 即扩展) ；然后集中对衰落信道的各种动态特性进行全面的分析；概括介绍了最常 用的几种宽带信道的模型，最后总结出适合o f d m 传输的信道模型。 第三章国标d t t b 系统 第三章国标d t t b 系统 国家数字电视地面传输标准d t t b 系统采用了清华的d m b t t l 8 】1 1 9 和h d t v 总体组的a d t b t ，融合了两种调制模式。从标准的处理流程上看，单多载波的区 别已经很小，两种模式并存主要用以适应我国各地广播电视基础设施的环境差异 大，数字电视种类多要求多的现实情况。本章简要介绍d t t b 系统多载波模式 o f d m 的基本原理，在此基础上对d t t b 系统进行详尽的讨论。 3 1o f d m 的基本原理 正交频分复用( o f d m ) t 2 0 l 是一种多载波调制方式，其基本原理是把高速数据流 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成为若干平坦衰落子信道，大大减小了 符号间干扰( 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，保持了子载波问的正交性，减小了载波间干扰( i c i ) 的影响。 只要保护间隔大于信道的最大迟延扩展，就会完全消除i s i 和i c i 的影响。 3 1 1o f d m 信号的数学描述 与传统的单载波调制类似，o f d m 也要对速率为r 的输入数据流进行信号映 射( 通常为q a m ) ，然后将其串并转换，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。 与调制端相逆，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3 1 所示。 从图3 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，这在硬件上是难以实现的。w e i n s t e i n 和e b e r t 提出的用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。 d t t b 系统信道估计算法研究 富 并 转 换 ( a ) 调制 摩嚣 并 飞坷生 由 转 换 癖 号 ( b ) 解调 图3 1o f d m 基带调制解调原理框图 设子载波间隔为矽，则复基带模拟o f d m 信号可表示为如下形式： j