（微电子学与固体电子学专业论文）基于导频的频域信道估计算法及vlsi实现研究.pdf

摘要 摘要 无线通信的迅猛发展引发了整个电视广播产业链的变革，作为数字电视重要 的发展方向，手机电视已成为国际公认的薪兴媒体。目前，广播运营商发展的地 面广播手机电视标准主要有t 欧洲手机电视标准d v b h 、韩国手机电视标准 t - d m b 、以及中国移动多媒体广播系统行业标准c m m b 等。 无线移动通信需要疲对豹一个主要蜒题就是电磁波的传输所弓l 入的多径时 延扩展和多普勒频移干扰。如何在恶劣的地面广播环境下，设计一个工作稳定的 接收系统仍然是地面数字电视广播系统的根本技术难点和磺究焦点所在。而对于 移动接收，低功耗、低复杂度的设计显得尤为重要。 本论文针对基于导频的频域信道估计和均衡技术进行研究。在分析和研究 o f d m 多载波系统的基础上，以欧标d v b h 数字电视系统为平台，对信道估计 和均衡中的各项关键技术进行了详细的分析和设计。 首先，介缓论文的磷究背景，系统地分析了无线移动信道瓣特性和对传输信 道的影响，从而建立了囱己的仿真信道。同时通过对d v b h 系统进行分析，给 出了基于d v b h 标准的调制和解调的系统模型，以及频域信道估计和均衡的基 本思想。 接着，本文深入研究了d v b h 系统中的常用的信道估计与均衡算法，针对 不同的信道，擞据2 k 4 k 8 k 三种模式的特点和各种常罱信道傣诗方法的优缺点， 提出套融合维暑维的自适应的信道插值算法，以及对本符号的均衡算 法。鬻对分析了糯垃噪声和多普勒频移的影响，并提出对应的消除措施。仿真表 明该算法可以满足不同信道条件下的需要。 最后，本义在综合前述改进算法的基础上，完整地提出了信道估计与均衡的 v l s i 实现粲构，并详缀分析数据通路和信号处理流程，以及各个重要子模块的 设计和优化工作。随后提出了一种系统级验证平台，并基于该平台完成了f p g a 的验涯。验证结果表暖本文所提毽豹算法秘电路结构均达到颈期的设计要求，具 有良好的实际应用价值。最后，本文进行了a s i c 的低功耗设计及后端设计。 关键词： 无线移动通信、信道建模、d v b h 标准、导频、频域信道估计、均衡、 低复杂度、v l s i 实现、验证平台 中图分类号：t n 4 3 2 tt n 9 1 3 8 ；t n 4 9 2 a b s t r 绷 a b s t r a c t d i g i t a lt e l e v i s i o nt e c h n o l o g yi sb r i n g i n gu pa n e wi n d u s t r yr e v o l u t i o nw o r l d w i d e 。 a so n eo ft h em o s ti m p o r t a n ta p p l i c a t i o n ，t r a n s m i s s i o no fd i g i t a lt vt oh a n d h e l d r e c e i v e r ss u c h 鑫sm o b i l et e l e p h o n e sa n dp d a s ，a f ek n o w na st h en e w e s ta n dm o s t p o p u l a rm e d i a n o wt h er e l a t e ds p e c i f i c a t i o no rs t a n d a r d s f o rt e r r e s t r i a lm o b i l e m u l t i m e d i ab r o a d c a s t i n ga r e 豁b e l o w ：d v b - h ，w h i c hi sp r o p o s e db ye t s i ，t = d m b ， w h i c hi sp r o p o s e db yk o r e aa n dc m m b ，w h i c hi sp r o p o s e db yc h i n a i nm o s tw i r e l e s st r a n s m i s s i o ne n v i r o n m e n t s ，aw i d e b a n dr a d i oc h a r m e li s t i m e - v a r i a n t ，f r e q u e n c y - s e l e c t i v ea n dn o i s y s oc h a n n e le s t i m a t o ra n de q u a l i z e ra r e v e r yi m p o r t a n t f o rt h em o b i l et e r m i n a l ，h o wt oc o m p e n s a t ef o rt h ep e r f o r m a n c e d e g r a d a t i o ni n d u c e db yc h a n n e li n t e r f e r e n c e ，w h i l ea c h i e v el o wc o m p l e x i t ya n dl o w p o w e r , h a v eb e c a m er a t h e rd i f f i c u l ta n d c r i t i c a l i nt h i st h e s i sw ea r et a r g e t i n ga tt h ep i l o tb a s e dc h a n n e le s t i m a t i o na n d e q u a l i z a t i o no nf r e q u e n c yd o m a i n a c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l eo fo f d m ，a n dt a k et h e d v b hs t a n d a r da sb a c k g r o u n d ，w ea n a l y z e da l lk i n d so ft e c h n o l o g ya b o u tc h a n n e l e s t i m a t i o na n de q u a l i z a t i o nc a r e f u l l y t h e s ea r et h ek e yt od 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 b r o a d c a s t i n g f i r s t l y , a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i so fw i r e l e s sc h a n n e l ，ac h a n n e lm o d e lf o r s i m u l a t i o ni sg i v e n b a s e do nt h ep r i n c i p l eo ft h em o d u l a t o ra n dd e m o d u l a t o rf o r d v b hs y s t e m ，t h em a i nt e c h n o l o g yo 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 no n 疔e q u e n c yd o m a i ni sd e v e l o p e d s e c o n d l y , ab r i e fo v e r v i e wo ft h ep i l o t - b a s e do f d mo nt h eb a c k g r o u n do f d v b * hi sg i v e n b a s e do nt h ev a r i o u sc h a n n e lm o d e l s ，as e l f - s e l e c ta l g o r i t h m ，i n w h i c ht h ei n t e r p o l a t i o no ft h ec h a n n e l ，i n c l u d i n go n eo r d e rl i n e a ri n t e r p o l a t i o n ，t w o o r d e rl i n e a ri n t e r p o l a t i o n s ，a n df r e q u e n c yd o m a i nw i e n e ri n t e r p o l a t i o nw i t ht i m e d o m a i nl i n e a ri n t e r p o l a t i o n ，c a nb eu s e da c c o r d i n gt ot h ec h a n n e lc o n d i t i o n s e q u a l i z a t i o na n di n t e r p o l a t i o ni su s e dt ot h es a m es y m b o l ，a n dt h ee f f e c to fp h a s e n o i s ea n dd o p p l e rf r e q u e n c ya r ea l s oc o n s i d e r e d c o m p u t a t i o n a ls i m u l a t i o nr e s u l t s s h o wt h a tt h ep r o p o s e ds c h e m eh a sl i r l eb e rl o s s i nd i f f e r e n tk i n d so fc h a n n e l m o d e l s ，a n dt h i sm e t h o di sp r e f e r a b l et r a d e o f fb e t w e e np e r f o r m a n c ea n dc o m p l e x i t y f i n a l l y , o nt h eb a s i so fa f o r e m e n t i o n e da l g o r i t h m s ，艄o p t i m i z e dv l s i a r c h i t e c t u r ef o rc h a n n e le s t i m a t i o na n d e q u a l i z a t i o ni sp r o p o s e d o nd e t a i l e da n a l y s i s o ft h ev l s ia r c h i t e c t u r e ，d a t a - p a t ha n ds i g n a lp r o c e s s i n gf l o w , a sw e l la sm o d u l e ￥珏 a b s t r a e t r e u s ei n f o r m a t i o ni si l l u s t r a t e d s o m ec r i t i c a ls u bm o d u l e s ，s u c ha se q u a l i z a t i o na n d f i l t e rf o rc h a n n e li m p u l s er e s p o n s ea 托o p t i m i z e d 。t h e nt h ev l s ii m p l e m e n t a t i o n r e s u l t sa l ep r e s e n t e d 。ag e n e r a lv e r i f i c a t i o np l a t f o r mf o rd v b hs y s t e mi si n t r o d u c e d a n dt e s t i n gt h ea b o v ed e s i g n t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ep r o p o s e da l g o r i t h m sa n dv l s i s t r u c t u r ea c h i e v et h ed e s i g nr e q u i r e m e n t sa n dh a sp r o m i s i n ga p p l i c a t i o nv a l u e 。a s i c b a c k e n dd e s i g ni sg i v e ni nt h ee n do ft h i sp a p e r k e yw o r d s ：w 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 lm o d e l ；d v b hs t a n d a r d ；p i l o t ； c h a n n e le s t i m a t i o no nf r e q u e n c yd o m a i n ；e q u a l i z a t i o n ；l o w c o m p l e x i t y ；v l s i i m p l e m e n t a t i o n ；v e r i f i c a t i o n c l cn u m b e r ：州4 3 2 ；t n 9 1 3 8 ；t n 4 9 2 v 珏l 主要英文缩略词表 a d c a d s l a s l c a t s c a w g n b e r c i r c m m b c o f d m c p c n r c s l 气b d a c d f m d f t d s p d t m b d m d v b d v b c d v b s d v b t d v b 重 d r c e r c e t s i f d m f e c f f t f i f o f i r f p g a g l 卸d s l h d t v l c l i d f t i f l f 玎 i s d b t 主要英文缩略词表 a n a l o g - t o d i g i t a lc o n v e r t e r a s y m m e t r i c a ld i g i t a ls u b s c r i b e rl o o p a p p l i c a t i o ns p e c i f i ci n t e g r a t e dc i r c u i t s 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 a d d i t i v ew h i t eg a u s s i a nn o i s e b i te r r o rr a t e c h a n n e li m p u l s er e s p o n s e c h i n am o b i l em u l t i m e d i ab r o a d c a s t i n g 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 c y c l ep r e f i x c a r r i e r - t o n o i s er a t i o n c h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n d i g i t a la u d i ob r o a d c a s t i n g d i g i t a l - t o - a n a l o gc o n v e r t e r d e s i g nf o rm a n u f a c t u r i n g d i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r m d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g d i g i t a lt e r r e s t r i a im u l t i m e d i ab r o a d c a s t i n g d i g i t a lt e r r e s t r i a lt e l e v i s i o nb r o a d c a s t i n g d i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t i n g d i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t i n g - c a b l e d i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t i n g - s a t e l l i t e d i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t i n g - t e r r e s t r i a l d i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t i n g - h a n d h e l d d e s i g nr u l ec h e c k e l e c t r o n i cr u l ec h e c k e u r o p e a nt e l e c o m m u n i c a t i o n ss t a n d a r d si n s t i t u t e f 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 f o r w a r de r r o rc o r r e c t f a s tf o u r i e rt r a n s f c i r m f i r s t - i n 。f i r s t - o u t 娠i 建r e g i s t e r f i n i t ei m p u l s er e s p o n s e f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y g u a r di n t e r v a l h i g h b i t - r a td i g i t a ls c r i b el i n e h i g hd e f i n i t i o nt e l e v i s i o n i n t e rc a r r i e ri n t e r f e r e n c e i n v e r s ed i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o i l l l i n t e r m e d i a t ef r e q u e n c y i n v e r s ef a s tf o u r i e r 乃罾n s f o r m i n t e g r a t e ds e r v i c ed i g i t a lb r o a d c a s t i n gf o rt e r r e s t r i a l i v 主要英文缩略词表 i s i l a n l f s r l s l v s m c m m i m 0 m e m m s e m p e m p e g m s e n t s c o f d m o f d m a p a p r p s k q a m q p s k r a m 髓 r o m r s r 死 s c 。f d e s e r s f n s 腿 s i r s i r s n r t - d 【b t d s o f d m 翟s v l s i v s b w i 副a x w l a n w s s u s i n t e rs y m b o li n t e r f e r e n c e l o c a la r e an e t w o r k l i n e a rf e e d b a c ks h i f tr e g i s t e r l e a s ts q u a r e l a y o u tv e r s u ss c h e m a t i c m u l t i c a r r i e rm o d u l a t i o n m u l t i i n p u tm u l t i o u t p u t m a x i m u ml i k e l i h o o d m i n i m u mm e a ns q u a r ee r r o r m u l t i p r o t o c o le n c a p s u l a t i o n m o v i n gp i c t u r ee x p e r t sg r o u p m e a ns q u a r ee r r o r n a t i o n a lt e l e v i s i o ns y s t e m sc o m m i t t e e 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 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 ea c c e s s p e a kt oa v e r a g ep o w e rr 撕0 p h a s es h i f tk e y i n gm o d u l a t i o n q u a d r a t i ca m p l i t u d em o d u l a t i o n q u a d r a t i cp h a s e s h i f tk e y i n g r a n d o ma c c e s sm e m o r y r a d i of r e q u e n c y r e a do n l ym e m o r y r e e d s o l o m o n r e g i s t e rt r a n s f e rl e v e i s i n g l e c a r r i e rf r e q u e n c yd o m a i ne q u a l i z a t i o n s y m b o le r r o rr a t e s i n g l ef r e q u e n c yn e t w o r k s i g n a l - t o i n t e r f e r e n c e - p l u s - n o i s er a t i o s i g n a l i n t e g r a t i o n s i g n a l - t o i n t e r f e r e n c er a t i o s i g n a lt on o i s er a t i o t e r r e s t r i a l - d i g i t a lm u l t i m e d i ab r o a d c a s t t i m ed o m a i ns y n c h r o n o u so f d m t r a n s m i s s i o np a r a m e t e rs i g n a l i n g v e r yl a r g es c a l ei n t e g r a t e dc i r c u i t v e s t i g i a ls i d e b a n dm o d u l a t i o n w o r l d w i d ei n t e r o p e r a b i l i t yf o rm i c r o w a v ea c c e s s w i r e l e s sl o e a la r e an e t w o r k w i d es e n s es t a t i o n a r yu n c o r r e l a t e ds c a t t e r i n g v 第一章绪论 第一章绪论 本章首先阐述本论文的研究背景，指出无线移动通信的发展历程和数字电视 的广阔前景，列举了o f d m 技术的运用和欧洲d v b t h 标准。然后分析了论文 的选题动机。最后介绍本文的主要工作及组织结构。 1 1 论文研究背景 1 1 1 无线移动通信茂展历程 无线移动数据通蕊是通过无线电波传送数据信息的一季孛通信方式。它是在有 线数据通信的基础上发展起来的，能实现移动状态下的数据通信。随着移动电话 通信懿迅速发展，笔记本计算机的迅速普及，固定计算机之阍的数据通信已不能 满足需要。人们希望能随时随地进行数据信息的传送和交换。于是数据通信传输 媒体开始从有线扩展到无线，出现了无线移动数据通信。 无线移动逶信技术硪在以前所未有的速度向前发展。上世纪六十车代，b e l l 实验塞首先提出了蜂窝通信的概念，拉开了全新移动通信时代的帷幕。八十年 代的第一代移动通信系统 1 g ) 是模拟系统( 如a m p s ) ，侵黑频分复鼷技术；丸 十年代第二代移动通信系统( 2 g ) 是数字系统，使用t d m a ( 时分多址) 或 c d m a ( 码分多址) 接入方式。欧洲的g s m ( 全球移动通信系统) 就是一个具有自己 的t d m a 接入方式的2 g 数字系统，其关键特点之一就是秃缝漫游。目前商用 的第三代( 3 g ) 移动通信系统，是描述目标数据传输率为2 m b i f f s 的蜂窝数据通 信的总括性术语。它的霹标是面意高速和多媒体应用。近年来，随着下代无线 移动通信系统( 4 g ) 的研发，寻求一种可以提供更高传输数据速率、更高可靠 性、更大覆盖范围的通信技术成为宽带无线通信系统物理层研究的核心问题。 无线移动通信需要应对的一个主要问题就是电磁波的传输所引入的多径时 延扩展和多普勒频移干扰。克服多普勒扩展的传统方法是采用信道编码加交织技 术来抵抗信道性能的下降。最近的发展是剽用多普勒分集技术将多普勒扩展变害 为利，从而提高系统的性能。在信道估计及均衡时采用基于最小均方差( m m s e ) 的自透应滤波器等技术。 1 1 2 数字电视简介 无线通信麴迅猛发展弓| 发了整个电视广播产业链的变革，数字电视正是这一 变革巾的关键环节。数字电视就是指从演播室到发射、传输、接收的所有环节都 是搜用数字电视信号或对该系统所有的信号传播都是通过由0 、l 数字串所构成 的数字流来传播的电视类型。数字电视按信号传输方式分类可以分为地面无线传 第一章绪论 输( 地面数字电视) 、卫星传输( 卫星数字电视) 、有线传输( 有线数字电视) 三 类。有线电视蔫重于解决“信息到户”，两数字电视地面无线广播作为电视广播 的传统方式，酝于具有简单接收和移动接收的能力，能够满足现代信息社会所簧 求的“信息到人的基本要求。而按清晰度分类可以分为低清晰度数字电视( 图 像水平清晰度大于2 5 0 线，如v c d 图像格式) 、标准清晰度数字电视( 图像水 平清晰度大于5 0 0 线，如d v d 图像格式) 、以及高清晰度数字电视( 图像水平 清晰度大于8 0 0 线，霹h d t v ) 。 作为数字电视重要的发展方向，移动数字电视融成为国际公认的新兴媒体。 它覆盖广泛、反映迅速、移动性强，极大地满足了快节奏社会中人们对信息的需 求。丽作为最熏要的移动设备，手机己被称为继电视机、p c 之盖的“第三电视 。 手机电视是指以手机为终端设备，传输电视内容的一项技术或应用。目前， 手机电视韭务的实现方式主要有三种。第一是利用蜂窝移动网络实现，如美国的 s p r i n t 。第二是利用卫星广播的方式，韩国的运营商计划采用这种方式。第三种 是在手机中安装数字电视的接收模块，直接接收地越广播的数字电视信号。目前 蜂窝移动通信和卫星广播都不能满足移动新媒体的要求，第三种方式是最被看好 的手机电视技术。 霉前，广播运营商发展的地震广播手枫电视标准主要有：欧洲手机电视标准 d v b h 、韩国手机电视标准t - d m b 、以及中国移动多媒体广播系统行业标准 c 姗等。 1 1 3o f d m 技术简介 o f d m 作为多载波调制( m c m ) 技术的一静翻，其主要思想是：信道分成 若干派交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制到每个子信 道上进行传输。在向b 3 c 雅g 演进的过程巾，o f d m 是关键的技术之一，可以结 合分集，时空编码，干扰和信道问干扰抑制以及智能天线技术，最大限度的提高 了系统性能。o f d m 包括以下类型：v - o f d m 、w - o f d m 、f o f d m 、m i m o 0 f d m 和多带一o f d m ，在通信领域得到了广泛应用。恻翔，欧渊数字音频广播( d a b ) 标准采用了4 相差分相移键控调制的o f d m 3 】【们，数字视频广播( d v b ) 标准包 含了多幅度调制的o f d m 5 j ，薪一代无线届域网的标准8 0 2 。ll n 则采用了m i m o 和o f d m 相结合的技术来提升数据传输速率和无线信号质量【6 】。 o f d m 具有m c m 由于每个予载波上传输的数据持续时间增加，可以减轻无 线信道的多径时延扩展对系统的影响的特点外，还具有更高的频谱莉用率。图 l - l 为o f d m 信号的频谱。从图中可以看到，o f d m 符号的频谱是一组位于各 个子载波频率上鹣s 函数与s i n c 函数的卷积。在每一个子载波频率处，当前子载 波的频谱值取到最大值，而所有其它子载波的频谱值为零。在对o f d m 符号解 2 第一章绪论 调时，只要能够得到每子信道上载波频率位置处的频谱值，就可以不受干扰地 从相互重叠的予信道符号频谱中提取出每个子信道符号。 o f d m 采用i d f t 和d f t 来实现o f d m 的基带调制和解调，并应用f f t 技 术，从而大大降低了系统实现的复杂度l ，j 。图1 2 给出了o f d m 系统基带调制 解调框图。调剽端将经过期移键控( p s k ) 或正交幅度调制( q a m ) 后的数据 符号调制到多个子载波上，并相加形成o f d m 基带信号。而解调端将输入信号 分别熙个子载波混频和积分，恢复出发送端的数据符号。 ：奠： 。i ：1j i “ j 。o 。，一，i 。 卜 1 曩甜l 51h lii， ；1 ： o ： t l * 峥r “ j t 1nh ： flj ll i 1 5 ! i ； f 飘 f，t + ， 、- t l ； ； ； ll，r j ：+ 黔j 。 警藜鳓孵 7 _ 妒辩 。 ：；， “ ， ：- ， 哆 图l - l单个子信道的频谱( a ) 和o f d m 符号的频谱( b ) 图1 2o f d m 系统基带调剖解调框蘑 1 1 4 欧洲d v b t h 标准 欧渊d v b tc o f d m 系统是欧洲数字电视广播( d v b ) 开发的系列标准中 的数字地面电视广播系统标准，在系列标准中d v b t 是最复杂的d v b 系统。 便爱m p e g - 2 传送比特流复用，里德索罗冀( 爻s ) 蓠向纠锘系统，采惩c o f d m 调制方式，把传输比特分割到数千计的低比特率副载波上，用1 7 0 5 个载波( “2 k ，) 第一章绪论 或6 8 1 7 个载波( “8 k ”) 模式。“2 k 模式用于普通网，“8 k 模式用于大小 单频网( s f n )，“2 k 与“8 k 系统是兼容的。 d v b t 标准中放置了大量的导频信号，能够较为及时地跟踪信遂特性的变 化，用来完成系统同步和信道估计。为进一步降低多径造成的码间干扰，又使用 了崭保护间隔”的技术，由此抵御多径麴影响。可以认为，大量导频信号插入帮 保护间隔技术是d v b t 系统的技术核心。另外，欧洲系统还对载波数目、保护 间隔长度和调钊星座数嗣等参数进行组合，形成了多种传输模式。 数字电视地面广播标准d v b t 于1 9 9 7 年发布。标准的初衷并不面向移动接 收，然而，在新加坡和德国试运营中证明d v b t 在高码率传输移动环境中表现 非常好。2 0 0 2 年前后开始研究的d v b h 标准全称为手持数字视频广播，是欧、渊 数字电视广播标准化团体组织为通过地面数字广播网络向便携手持终端提供多 媒体业务所制订的传输标准垮l 。d v b h 标准被认为是d v b t 标准的扩展应震。 但是和d v b 。t 相比，d v b h 终端具有更低的功耗，移动接收和抗干扰性能更为 优越，因此该标准适用予移动电话、手持计算机等小型便携设备通过地面数字电 视广播网络接收数字电视信号，而不占用移动通信网络中宝贵的频带资源。实际 上，d v b h 标准就是依托目前d v b t 传输系统，通过增加一定的附加功能和改 进技术使手机等使携设备能够稳定遗接收广播电视信号的标准。 d v b 标准中支持4 种数据广播的方式：数据管道、数据流、多协议封装和 数据轮播，虽然它靛原则上都可以传送l p 数据，僵d v b - h 只使用了多协议封装 ( m p e ) 方式。 d v b h 传输系统具有的特殊要求： 1 由于接收终端采用电泡供电，为提蒿电池的使用时闯，终端应能够周期 性地关掉一部分接收电路以节省功耗； 2 对于漫游酶焉户，当用户进入薪区域后应仍能j 常顺利的接收d v b 。h 业务； 3 对于室内、室外、步行、乘车等不同的接收方式，传输系统废能保证在 各种移动速率下顺利接收d v b h 业务； 4 在充斥大量脉冲干扰的环境中，传输系统成能采取有效的措施减少该类 干扰带来的影响； 5 d v b - h 作为手持终端的通用业务规范，系统应能提供足够的灵活性以满 足不困传输带宽黧信道带宽应用。 d v b h 是d v b 数据广播和d v b t 两种技术的融合，虽然d v b t 已经被 证明在固定、移动、便携接收等方面具有非常出众的性能，但是对于手持设备而 言还需要进行迸一步的改进，主要问题在予： 4 第一章绪论 1 功耗：d v b h 终端采用电池进行供电，因此要求射频接收和信道解调、 解码郝分的功耗小于1 0 0 m w ，面d v b t 计划2 0 0 7 年才能将该指标降到6 0 0 m w ， 显然三者要求相距甚远。 2 蜂窝环境下的性能：由于蜂窝环境下的信道状况多变，因此d v b t 要 在以下3 个方面进行改进：移动信道的c n 、移动信道的多普勒效应和抗脉渖予 扰能力。 d v b h 为此增老霆了耨的技本模块以期解决上逐问题，它们主要包括： 1 时间分片：时间分片技术采用突发方式传送数据，每个突发时间片传送 一个业务，在业务传送时间片内该业务将单独占有全部数据带宽，并指出下一个 相同业务时间片产生的时刻。这样手持终端能够在指定的时刻接收选定的业务， 在业务空闲时间处于休眠或关闭状态，从而降低总的平均功耗。d v b h 信号就 是由许多这样的时阔片组成的，这类似于t d m 传输方式中时隙的概念。从接收 机的角度而言，接收到的业务数据并非是如传统恒定速率的连续方式，数据以离 散的方式间隔到达，因此称之为突发传送。突发带宽一般为固定带宽的l o 倍左 右。突发带宽在固定带宽两倍的情况下功耗就可以节省5 0 ，因此如果带宽为 1 0 倍，可以节省9 0 。 2 。m p e - f e c ：d v b h 标准在数据链路层为l p 数据报增加了里德所罗f - j ( r s ) 纠错编码，作为m p e 的前向纠错编码，校验信息将在指定的前向纠错( f e c ) 段中 传送，我 | 、 称之为多协议封装前向纠错( m p e f e c ) 。m p e - f e c 的曩标是提高移 动信道中的c n 、多普勒性能以及抗脉冲干扰能力。 3 4 k 模式深度符号交织：d v b h 标准在d v b - t 原有的2 k 和8 k 模式下 增加74 k 模式，通过协调移动接收性能和单频丽勰模进一步提高网络设计的灵 活性。同时，为迸一步提高移动时2 k 和4 k 模式的抗脉冲干扰性能，d v b h 标 准特为两者弓| 入了深度符号交织技术。在p 潍t 系统中，2 k 模式可陇8 k 模式 提供更好的移动接收性能，但是2 k 模式的符号周期和保护间隔非常短，使得2 k 模式仅仅适用于小型单频网。薪增加的4 k 模式符号具有较长的周期和保护阅隔， 能够建造中型单频网，网络设计者能够更好地进行网络优化，提高频谱效率。 4 d v b ht p s - d v b h 的传输参数信令( t p s ) 能够为系统供一个鲁棒性好、 易于访闯的信令机制，麓使接收机更快遗发现d v b h 鲎务信号。t p s 是一个具 有良好鲁棒性的信号，即使在低c n 的条件下，解调器仍能快速将其锁定。d v b h 系统使用两个新的t p s 比特来标识时间片和判断可选豹m p e f e c 是否存在，另 外用d v b t 中已存在的些共享比特表示4 k 模式、符号交织深度和蜂窝标识。 王。2 论文的选题动机 d v b h 将对广播和通信领域产生重大影响。d v b h 继承于d v b t ，在 第一章绪论 d v b t 网络上只要做很小的修改就可以发送符合d v b h 标准的数据流。对采用 d v b t 的国家( 约有5 0 多个国家，主要集中在欧洲) 来说，推广d v b h 的代价 相对较低。d v b h 可以保证移动终端在移动环境和微功耗条件下接收数字电视 节目，可以很好地和3 g 网络配合使用。在美国，地面数字电视传输标准a t s c 采用8 - v s b 技术，移动性较差，需要零| 入新豹技术或标准来推广数字电视，遨 前已有公司采用d v b h 技术布网；在日本，考虑到功耗、移动性等因素，d v b h 甚至有取代日本本土i s d b t 标准的趋势。 地面无线传输信道存在多径、多普勒频移等干扰，如何在恶劣的地面广播环 境下，设计一个高性能的接收系统是地面数字广播系统的根本技术难点和研究焦 点所在，而信道估计模块正是其中豹关键部分。对于d v b - h 标准的c o f d m 系 统，需要在频域对信道进行内插处理，这是一种最熊型的基于导频的频域信道估 计方法，c m m b 、w i m a x 等标准豹信道估计采震的也是这群方法。但对这种遴 用的算法，对信道估计仍是不足：c o f d m 中的导频信号是一个亚采样信号，在 理论上就不可能完全精确地描绘出信道特性，这也是欧洲系统始终无法达到理论 值的原因之一。而相比于d v b t ，d v b h 对移动信道下的性能要求更高，同时 又要求更低的功耗实现，因此必须在算法上和硬件实现上有所创新。 综上所述，d v b h 广阔的发展蓠景，基于d v b h 的导频徽频域信道估计与 均衡的通用性，以及如何在现有标准下最有效地对付恶劣多径信道以及高速移动 信遘，犀时有效地降低复杂度积功耗，是本文的选题动机。 1 3 论文的内容安排 本论文主要研究在o f d m 系统中，基于导频豹信道佶计及均衡。论文结构 上分为六章，内容安排如下： 第一章弓| 富部分介绍了论文的研究背景，包括宽带无线通信的发展历程，数 字电视的发展现状和应用前景，o f d m 技术的运用和欧洲d v b 硼标准。随厩 阐述了以d v b h 数字电视系统为平台，研究基于导频的频域信道估计和均衡作 为本论文研究课题的动机和设想。 第二章讨论了无线信道的主要特征，介绍了无线衰落信道中的大尺度效应和 小尺度效应，弱时介绥了地匿数字电视广播的主要信道模型，以及本文算法研究 时分别针对长多径信道和高速移动信道采用的信道模型。然后进行了信道建模， 包括了高颠信道、静态多径信道，以及动态瑞剥衰减信道三种常用的信道模型。 可以根据需要对不同信道模型，加频偏、相位噪声、高斯白噪声、多径，以及多 普勒频移干扰。 第三章介缨d v b - h 系统的板结构及导频的分布，接着将给窭d v b h 系统 的调制解调架构及基带信号模型，最后给出了d v b h 系统的信道估计和均衡的 6 第一章绪论 系统模型，以及频域信道估计和均衡的基本思想。 第四章首先概述了信道估计和均衡的作用，并以d t m b 系统为例简单介绍 了基于时域导频的频域信道估计算法。然后详细分析了d v b h 系统的信道插值 算法。考虑到节省存储量，对2 1 d 4 k 和8 k 模式采用不同的时域插值方法；考虑 到低功耗实现，对频域插值采用线性维纳自适应切换的方法。给出了算法仿 真结果及性能分析。在介绍均衡时，综合考虑了移动信道下i c i 的影响及硬件实 现的复杂度，从而得出本论文所采用的信道估计和均衡的算法。最后介绍了相位 噪声的影响和消除方法。 第五章首先介绍d v b h 系统信道估计与均衡的v l s i 实现架构，通过分析 经典架构，加入本论文的相位噪声消除、线性插值等模块，在硬件架构上进行了 优化。数据流从插值到均衡，中间不需要存储单元，并对同步和信道估计的存储 器实现分时复用。然后详细介绍了各个重要子模块的设计和优化工作。接着提出 整个系统的验证平台，整个硬件部分最后用f p g a 实现并测试通过。最后进行了 a s