（电磁场与微波技术专业论文）dvbt和dvbh的系统仿真与信道估计.pdf

南京邮i u 人学f i ! j if ：g f y e 生学位论义摘要 摘要 近年来，随着数字技术、网络技术以及信息技术等高新技术的迅猛发展，给 人类社会的各个领域都带来了广泛而深刻的影响。而广播电视作为高新技术的应 用部门，也发生了巨大的变化。新一代的数字电视广播系统正在完善中，需要我 们不断进行学习和研究。 欧洲的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 ) 制式是用于 地面7 8 m h z 频道的数字式地面广播电视系统。它最大的特点是c o f d m ( 编码证 交频分复用) 调制方式。d v b h ( d i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t i n gh a n d h e l d ) 是 d v b t 传输技术标准的扩展，通过增加一定的附加功能和改进技术使手机等便 携设备能稳定地接收广播电视信号。 本文按照d v b t 的标准搭建整个系统模型，并模拟它们的传输环境进行信 道仿真，最终寻找一种合适的信道估计算法来确保整个系统能够在一定程度上克 服由噪声和多径衰落带来的失真。由于d v b 。t 和d v b h 的o f d m 帧结构中的 导频位置具有时变性，再加上d v b h 是强调移动接收的新兴技术，传统的信道 估计算法并不适用。所以本文在对d v b t 进行研究的同时也考虑到d v b 。h 的 信道环境，让提出的算法也能适用于d v b h 的系统。 由于d v b t 和d v b h 采用的o f d m 帧结构中子载波的数量高达几千，采 用复杂的信道估计算法会使计算量过大，因此本文没有采用传统的m m s e 、维 纳滤波等复杂算法，而是在l s 估计和频域插值算法的基础上加以改进，在加入 时域平均的算法的同时尽可能地降低信道时变带来的估计误差，虽后将改进前后 的系统性能加以比较和分析。 关键词：o f d m信道特性信道估计均衡系统性能 i j 南京邮电人学坝f 研究生学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，r a p i dd e v e l o p m e n t so fd i g i t a l ，n e t w o r ka n di n f o r m a t i o nb r o u g h t g r e a te f f e c t st oi m m a ns o c i e t y a sa p p l i c a t i o no ft h o s en e wt e c h n o l o g i e s ，g r e a t c h a n g e sa l s ot o o kp l a c eo nt vb r o a d c a s t i n g n e wg e n e r a t i o no f t vb r o a d c a s t i n gi s s t i l lu n d e ri n v e s t i g a t i o n ， t h ee u r o p e a ns t a n d a r d d v b t ( d i g i t a l v i d e o b r o a d c a s t i n gt e r r e s t r i a l ) p r o g r a m sad i g i t a lt vs y s t e mf o rt e r r e s t r i a lb r o a d c a s t i n g i t sm o s ti m p o r t a n tp o i n ti s o f d m ( 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 ) m o d u l a t i o n d v b - h ( d i g i t a l v i d e ob r o a d c a s t i n gh a n d h e l d ) a d d e ds o m en e wt e c h n o l o g i e sa n df u n c t i o n so n d v b - tw h i c he n a b l e dm o b i l ee q u i p m e n t sc a nr e c e i v eb r o a d c a s t i n gt vs i g n a ls t a b l y t h i sp a p e rc o n s t r u c t e dt h ew h o l eb a s e l i n es i m u l a t i o np l a t f o r mo fd v b t ，a n d s t u d i e dc h a n n e ls i m u l a t i o no nt h i sp l a t f o r mi no r d e rt of i n dac h a n n e le s t i m a t i o n s c h e m et h a tc a n e f f i c i e n t l y r e d u c ed i s t o r t i o n b o u g h t b yn o i s e a n d m u l t i p a t h a t t e n u a t i o n a san e wt e c h n o l o g yw h i c he m p h a s i z e sm o b i l er e c e i v i n g ，t r a d i t i o n a l c h a n n e le s t i m a t i o ns c h e m e sa r en o ts u i tf o rd v b hs y s t e m s oi nt h i sp a p e r , w et o o k c h a n n e lc o n d i t i o no fd v b - hi n t oa c c o u n tw h i l es t u d y i n go nd v b t - a n dm a d es u r e t h es c h e m ec a nb eu s e do nd v b hs y s t e m t o o w h i l et h e r ea r et h o u s a n d so f c a r r i e r si no f d ms t r u c r t r eo fd v b ta n dd v b h ， c o m p l e xs c h e m ew i l lm a k ei t d i f f i c u l tt oc a l c u l a t e s oi n t h i sp a p e r , t r a d i t i o n a l m e t h o d sj u s tl i k em m s ea n dw i e n e rf i l t e ra r en o tt o o ki n t oa c c o u n t w et h o u g h t a b o u tl sc h a n n e le s t i m a t i o na n 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 n ，a n dt h e nt r i e dt o r e d u c ea f f e c t i o no ft i m ee f f e c t sw h i l ea d d i n gt i m e d o m a i na v e r a g i n gt ot h e m f i n a l l y , c h a n n e le s t i m a t i o ni ss i m u l a t e da n da n a l y z e d ，a n dt h ep e r f o r m a n c ei se v a l u a t e d k e y w o r d s ：o f d m ；c h a n n e lc h a r a c t e r i s t i c s ；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 s y s t e mp e r f o r m a n c e i 南京邮电大学 硕士学位论文摘要 学科、专业：工学电磁场与微波技术 研究方向：无线通信与电磁兼容 作者：里级研究生海凛 指导教师堡些苤 题目：d v b t 和d v b h 的系统仿真与信道估计 英文题目：s y s t e ms i m u l a t i o na n dc h a n n e le s t i m a t i o no fd v b - t a n dd v b h 主题词：o f d m信道特性信道估计均衡系统性能 k e y w o r d s ：o f d m c h a n n e lc h a r a c t e r i s t i c sc 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 s y s t e mp e r f o r m a n c e 南京邮l u 火学坝衅究生学位论史 箱一章绪论 第一章绪论 近年来，各种高新技术的迅猛发展，给整个世界带来了广泛而掭刻的影响。 其中数字技术的普及是信息领域最大的一次技术革命，这场革命不仅改变了信息 传输方式，还改变了人类的生产方式、生活方式和思维方式。 广播电视领域作为高新技术的应用部门也发生了巨大变化。数字电视、高清 晰度电视、网络、卫星以及计算机等技术的发展，大大提高了广播电视节目的技 术质量、制作能力和工作效率，扩展了频道资源，拓宽了业务能力，开创了有线、 卫星和地面电视的新体系和新局面，给广播电视带来了一场深刻的变革和前所未 有的发展机遇。 数字电视的发展大致可以分为三个阶段。 第一个阶段为个别电视设备的数字化阶段。例如摄像机信号处理部分的数字 化、电视制式转换器与数字特技等。在这个时期，演播室中有数字设各也有模拟 设备，信号要经常作a d 或d a 转换。这一阶段始于2 0 世纪7 0 年代。 第二个阶段为全功能数字电视演播室阶段。在数字演播室中，电视信号从摄 像机输出到后期制作完全是在数字环境下制作的。1 9 8 2 年，国际无线电咨询委 员会( c c i r ) 提出了数字分量演播室编码参数规范r e c 6 0 1 ，1 9 8 6 年又提出了数 字分量演播室视频信号接口规范r e c 6 0 5 。两个标准的提出，极大地推动了数字 电视的发展。 第三个阶段为数字视频广播阶段。数字视频广播实现了数字电视信号的直接 发射和接收，这一步完成了整个电视系统的数字化，意味着电视节目的拍摄、记 录、后期加工、编辑制作、存储、交换、分配发送以及接收等环节，都是在全数 字环境下进行的。这一阶段始于2 0 世纪9 0 年代中期。 1 9 9 3 年，欧洲各国的许多广播电视组织和厂家共同确立d v b ( d i g i t a lv i d e o b r o a d c a s t i n g ) ，即数字视频广播项目。1 9 9 5 年e t s c ( 欧洲电信标准学会) 通过 了d v b s ( d v b 一卫星) 标准，1 9 9 6 年通过了d v b c ( d v b 一有线电视) 标准，1 9 9 8 年通过了d v b t ( d v b 一地面广播) 标准，后来又在d v 8 一t 的基础上推出了d v b h ( d v b 一手持) 标准，它们分别适用于在三种不同的传输媒体中实施数字视频广播。 目前，数字地面广播电视( d v b t ) 标准已经在逐渐被世界各国采用，为今后的 高清晰度电视开辟了广泛的前景。 南京邮i u 人学硕i 研究生学位论义第一章绪论 不同的传输信道有不同的特点，因此= = i i 同的传输媒质就要有不同的信道编码 和调制方法与之相适应。比如用卫星发送数字信号，接收到的信号功率就非常低， 因此在设计系统时，必须使得卫星上的发射机接近它的最高效率状态，还要使得 接收机能够在非常低的载噪比( c n ) 下可靠地检测出信号。由于这两个理由， 促使选择比较简单的调制系统q p s k 。q p s k 的包络恒定，正好使得卫星上的放大 器工作于饱和点。在接收机处，由于相位间隔较大，抗信道噪声的性能比较好。 利用有线信道时主要的限制是信道带宽的限制。至于地面广播遇到的困难，则在 于图像会受到许多在卫星和有线中不会受到的损伤，尤其是多径效应造成的回波 影响。欧洲采用o f d m 调制的方法来解决这个问题。 d v b t 标准全称为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 ，是用于地面 7 8 m h z 频道的数字式地面广播电视系统。m p e g - 2 数字音频、视频压缩编码是它 的核心，而它的另一个特点就是c o f d m ( 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 n m u l t i p l e x i n g 编码正交频分复用) 调制方式。这种调制方式可以分为适用于小 范围单发射机运行的2 k 模式和适用于大范围多发射机的8 k 模式。c o f d m 调制方 式将信息分布到多个载波上面，这种技术曾经成功地运用到了数字音、视频广播 d a b 上面，用来避免传输环境造成的多径反射效应，其代价是引入了“保护间隔”。 保护间隔会占用一部分带宽，通常c o f d m 的载波数量越多，对于给定的最大反射 延时时间，传输容量损失就越小，但是增加载波数量会使接收机的复杂性增加， 从而破坏相位噪声灵敏度，所以需要在他们之间找到一个平衡点。 d v b h ( 早期为d v b x ) 标准全称为d i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t i n gh a n d h e l d ， 它是d v b 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定 的传输标准。该标准被认为是d v b t 标准的扩展应用，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，因此该标准适用于移动 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信号。而且广 播中传统的视频压缩标准如m p e g 一2 已经不能满足d v b h 的需求，将来有可能采 用m p e g 一4 或m e d i a 9 等标准。总而言之，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便携设备能够稳定的接收广播 电视信号。 d v b h 是d v b 数据广播和d v b t 两种技术的融合，但是如果仅仅依靠上述两 南京眦l u 夫学颅h 卅究生学位论文第一章绪论 种技术是不能完全解决d v b l 所面临的问题。例如，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 进行进一步的改进，主要问题在于： 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 码部分的功耗小于l o o m w ，而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 二者要求相距甚远。 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冲干扰能 力。 3 网络设计应充分考虑移动特性。由于d v b h 终端在网络内移动时接收天线 小巧且单一，因此对于大、中型单频网要有优化设计考虑。 i ) v b h 为此增加了新的技术模块以期解决上述问题，它们主要包括： 1 时间分片。基于时分复用技术，用于节省接收终端功耗和便于网络交换。 2 m p e f e c 。基于r s 纠错编码技术，为m p e 增加额外的前向纠错编码，用于 提高系统的移动和抗脉冲干扰能力。 3 4 k 模式。在d v b t 的2 k 、8 k 传输模式基础上增加4 k 模式，用于提高网 络设计的灵活性。 4 d v b - ht p s 。为d v b h 设计专用的传输参数信令，用于提高系统同步和业 务访问速度。 如何保证数字电视的传输质量? 为了满足数字电视用户的需求，这是最需要 解决的问题之一。特别是在移动接收的情况下，要做到这点更为困难。为了使接 收器能更准确地接收和处理信号，一般采用信道估计、均衡、f e c 等方面的技术 来保证接收数据的准确性。 1 1 信道估计 1 1 1 信道估计的作用 无线通信系统的性能主要受到移动无线通信环境的制约。无线通信应用很广 泛，但是无线通信的媒介环境无线信道却由于其衰落的程度而大大影响无线 通信的质量。 总的来说，在无线环境中有两种影响：第一种是多径，由于从建筑物表面或 南京邮l u 人学坝j + 研究生学位论文 笫一章绪论 其它物体反射、散射而产生的短期衰落，通常移动距离是几百英尺；第二种是直 接可见路径产生的主要接收信号强度的缓慢变化，即长期场强变化。地面视距微 波信道由于多径时延差小，信道时变速率与实际通信数码率相比很小，因此可看 成码元在时间量级上信道是不变的，信道的变缓慢变化在若干个码元期间是感觉 不出来的。而在高频和超高频无线信道中的情况则不同，信道变化率和码率相比 较已经达到了不可忽略的程度，并由于多普勒频移，在码元间隔和若干个码元间 隔上已经可以感到信道特性的变化，此时如果不加入信道估计部分，接收信号的 质量将很差。 冲击响应是无线信道的重要特征，它包含了所有用于模拟和分析信道无线传 播的信息，这是因为移动无线信道可建模为一个具有时变冲击相应特性的线性滤 波器，其中时变是由于接收机和空间运动所引起。信道的滤波特性以任意时刻到 达的多径波为基础，其幅度与时延之和影响信道滤波。冲击响应是信道的一个有 用特性，可用于预测和比较不同移动通信系统的性能，以及某一特定移动信道条 件下的传播带宽。移动无限信道的变化与移动无限信道的冲击响应直接相关，而 信道估计接收机能近似信道的冲击相应，逼近实际信道特性。 1 1 2 信道估计技术的现状 信道估计技术已经相当成熟。目前的信道估计技术主要分为p s a m ( 导频辅 助估计) 、盲信道估计和半盲信道估计这几类。传统的信道估计方法是通过在发 送端发送一段训练序列( t r a i n i n gs e q u e n c e ) ，在接收端接收这一序列后，再通过 拟合技术来实现信道估计，这种技术称为标准输入输出技术。标准输入输出技术 对时不变信道来说是非常有效的，仅仅需要在每次通信发起时发送一段足够长的 训练序列即可；但对快速时变信道，则必须要周期性地发送训练序列，这就需要 占用大量的信道带宽，大大降低了通信系统的吞吐量( t h r o u g h p u t ) 。如果发送 信号中包含已知其确切值的导频数据，那么就可以直接使用这些数据进行信道估 计而不需要发送训练序列。盲信道估计( b l i n de s t i m a t i o n ) 是在不发送已知训练 序列的情况下，利用信道的结构信息和输入特性，仅仅通过处理接收序列来获得 信道估计的技术。显然亩信道估计可以大大提高通信系统的吞吐量，但是算法较 为繁琐，收敛一般也比较慢。如果有小部分的发送序列在接收端是可知的，这部 分序列能够提供给接收端关于信道的信息，因此通过线性合并的策略将这些信息 南京邮电人学埘l 研究生学位论文 第一章绪论 合并进盲信道估计中，就形成t - 1 2 _ 盲信道估计( s e m i - b l i n de s t i m a t i o n ) 技术。 由于o f d m 信号是时域和频域的二维信号，其调制和信道估计的方法和一般 方法有所不同，但仍然可以分为p s a m ( 导频辅助估计) 、盲信道估计和半盲信道 估计这几大类。一般来讲，o f d m 系统的信道估计技术有以下几种方法：最小平 方估计( l s ：l e a s ts q u a r e ) 5 ，6 、最小均方误差估计( m m s e ：m i n i m u m m e a n s q u a r ee r r o r ) 5 ，7 、插值滤波器 1 5 ，1 6 ，1 7 等，以及强壮信道估计方法 1 8 、二阶或二阶以上的统计特性方法 1 9 ，2 0 、最大似然方法 2 1 ，2 2 、信道的 迭代估计( i t e r a t i v ec h a n n e le s t i m a t i o n ) 等等。 对于d v b t 或d v b - h 系统中的o f d m 调制来说，由于其帧结构中存在着较多 的连续导频和散布导频，这样就不需要另外发送训练序列而占用额外的的带宽。 因此插值估计法成为对此类系统进行信道估计的主流方法。 1 2o 聊调制技术 数字视频的码率通常很高，一般有几m b i t s 到几十m b i t s ，因而比特周期 ( 或符号周期) 很短，约为1 0 。到1 0 2l i s 量级。用于高频已调数据信号的地面开 路发送时，高速数据易受到多径干扰等影响而发生严重的码间( 或符号问) 干扰 问题，造成接收中的误码率较高。 无线电波在空气中的传播速度约为3 0 0 m u s 。通常情况下，发射的信号到达 接收机，不仅通过发射机与接收机之间的直接的传播路径，而且很多信号在经过 一次或多次障碍物的反射后才和接收天线相遇。这些相遇的信号可能会有多个 u s 的的时延差，延及多个符号周期，会引起大的码间干扰。在最不利的情况下， 还可能导致接收的各信号成分相互抵消。此外，信号是否相互抵消或者有益叠加， 还取决于他的频率，其结果是接收的信号幅度随频率变化。这种由于多径传播而 产生的效应称为“衰落”。 为解决这个问题，可以扩大符号周期，使其大大超过多径反射的延时时间。 于是，一定距离内来的反射波迟于直达波的时间将只占据符号周期的很小一部分 时间，码间干扰问题变得十分微小而不至于造成误码了。为此，必须将高的码率 充分降下来，降至原来的几千分之一，符号周期从而扩大数千倍，达到比如是几 百微秒。从而迟后几微秒甚至几十微秒的反射波其延时量只占符号周期的几百分 之一或几十分之一，不易导致码间干扰。 南京帅 b 人学删 讲究生学位论文 鹋一章绪论 台并进卣信道估计中，就形成了半盲信道估计( s e m i - b l i n de s l i m a t i o n ) 技术。 由于o f d m 信号是时域和频域的二维信号，其调制和信道估计的方法和一般 方法有所不同，但仍然可以分为p s a m ( 导频辅助估计) 、盲信道估计和半盲信道 估计这几大类。一般来讲，o f d m 系统的信道估计技术有以下几种方注：最小甲 方估计( l s ：l e a s ts q u a r e ) 5 ，6 ：、最小均方误差估计( m m s e ：m i n i m u m m e a l l s q u a r ee r r o r ) 5 ，7 、插值滤波器 1 5 ，1 6 ，1 7 等，以及强壮信道估计方法 1 8 、二阶或二阶以上的统计特性方法 1 9 ，2 0 、虽太似然方法 2 1 ，2 2 、信道的 迭代估计( i t e r a f i v ec h a n n e le s t i m a t i o n ) 等等。 对于d v b t 或d v b h 系统中的o f d m 调制来说，由于其帧结构中存在着较多 的连续导频和散布导频，这样就不需要另外发送训练序列而占用额外的的带宽。 因此插值估计法成为对此类系统进行信道估计的丰流方法。 1 - 2 0 f 蹦调制技术 数字视频的码率通常很高，一般有几m b i t s 到几十m b i t s ，因而比特周期 ( 或符号周期) 很短，约为1 0 。1 到l 旷2u s 量级。用于高频已调数据信号的地面开 路发送时，高速数据易受到多径干扰等影响而发生严重的码问( 或符号间) 干扰 问题，造成接收中的误码率较高。 无线电波在空气中的传播速度约为3 0 0 m u s 。通常情况下，发射的信号到达 接收机，不仅通过发射机与接收机之间的直接的传播路径，而且很多信号在经过 一次或多次障碍物的反射后才和接收天线相遇。这些相遇的信号可能会有多个 u s 的的时延差，延及多个符号周期，会引起大的码问干扰。在最不利的情况下， 还可能导致接收的各信号成分相互抵消。此外，信号是否相互抵消或者有益叠加， 还取决于他的频率，其结果是接收的信号幅度随频率变化。这种由于多径传播而 产生的效应称为“衰落”。 为解决这个问题，可以扩大符号周期，使其大大超过多径反射的延时时间。 于是，定距离内来的反射波迟于直达波的时间将只占据符号周期的很小部分 时间，码间干扰问题变得十分微小而不至丁i _ _ 造成误码了。为此，必须将高的码率 充分降下来，降至原来的几千分之一，符号周期从而扩大数千倍，达到比如是几 百微秒。从而迟后几微秒甚至几十微秒的反射波其延时量只占符号周期的几百分 之一或几十分之一，不易导致码间干扰。 之一或几十分之一，不易导致码间干扰。 南京邮电大学坝，i 。研究生学位论文 第一章绪论 要将高码率降低几千倍，可以使串行数据流经串并变换器变换成几千路并 行比特流，每路比特流的码率就是原码率的几千分之一，符号周期相应地扩大几 千倍。接着的处理是使这几千路符号对高频频带内相应地划分出的几千个子载波 分别进行p s k 或q a m 调制，再将处于不同子频段上的几千路已调波混合起来，就 形成了预定的高频频带内的一路综合已调波。可见，此种调制方式不再是单载波 调制而是多载波调制了。因为许多路子载波已调信号是以频分形式合成在一起 的，所以称作f d m ( 频分复用) 调制。 o f d m 调制是指正交频分复用调制。这里的正交是指各个子载波的信号频谱 是相互正交的，即各个载波的频谱间虽然有重叠部分，但解调时利用正交性可以 正确解调每个载波的调制符号，因为每个载波的频谱值峰值正对应于其它载波频 谱的零点。 具体调制方法是在规定的带宽b 内均匀安排n 个频谱相互正交的子载波，同 时将高码率的串行数据流经串并变换器分成n 个并行支路。然后由n 路符号分 别对n 个子载波进行调制，再将各路已调波混合，便可得到总带宽为b 的o f d m 信号。如果是8 m h z 高频带宽的电视频道，n 的值可取2 0 4 8 ，4 0 9 6 或8 1 9 2 ，分别 对应2 k ，4 k 和8 k 三种载波模式。 按照一般的表示法，各个载波角频率可表示为，q ，吐，饥， 其中仇= + 尬为相邻载波的频率间隔值。当对各个载波采用q p s k 或q a m 调 制方式时，每个q 给出s i n e ，k t 和c o s 饥r 两个正交载波，可供n 路数据中的一 路进行调制，可以使用的调制方法有p s k 、d p s k 、q a m 等，而d v b t 和d v b h 采 用q p s k 、1 6 q a m 和6 4 q a m 三种方式进行调制。各路已调波经相加后复用成最终的 o f d m 信号。o f d m 调制器的原理图如图1 1 所示。 6 南京邮l u 人学倾卜倒f 究生学位论文 笫一章绪论 审 串并旦叫孓一 变换 万p 相 c 。s 。， 加 s l n ( o n i t 和 d a尘l 复 用 变换 1 9 一 图1 1o f d m 调制原理框图 接收端对此o f d m 信号的解调是调制的逆过程，这里就不再赘述了。 然而按照上述的o f d m 调制解调原理和框图，在发送端和接收端都需要有n 个等级差频率的振荡器，而n 值可能高达几千，显然难以实际做到。因此，实现 o f d m 调制和解调需要通过数学运算的帮助，具体是利用了i d f t ( 离散傅立叶反 变换) 和d f t ( 离散傅立叶变换) ，而实际应用了i f f t ( 快速离散傅立叶反变换) 和f f t ( 快速离散傅立叶变换) 运算，并由专用的集成块芯片来完成运算，给出 所需要的结果。 由于对每个载波进行正交调制，得到的每个已调波矢量具有该载波独具的相 位和幅度，它们可表示成下式： s k ( f ) = a 女( 咖m ”“ ( 1 1 ) 其中s 。( f ) 为用复数表示的载频魄的已调波函数，a k ( f ) 为已调波的幅度，疵( f ) 为 已调波的相位。实际传输的信号是氐( ，) 的实数部分，其4 ( ，) 和丸( ，) 是随逐个调 制符号变化的。 由于o f d m 信号有n 个调制符号( ，+ j q ) 和n 个载波，所以他们形成的相应复 信号为 如) 2 专荟4 桫叫憎。” ( 1 2 ) 式中，仇= c o o + 魈缈。考虑到一个符号周期t 上信号是一个定值，有4 ( f ) 斗a ， 南京| | | | j l u 大学顾- i ：研究生学位论文 第一章绪论 九( ，) 斗以。串行数据流并行分散到n 个子载波上后，每个符号的传输时间l 是 串行数据流中符号传输时间a t 的n 倍，也即r = n - a t 。对时间上连续的j ( ，) 进 行间隔为a t 的取样，在一个符号周期r 内驳n 个样值，则第n 个样值可表示成： 咖忉= 专静慨m 咖m 州 ( 1 3 ) 为了将上式简化，令= o ，即= 七，它不影响该公式的通用性，于是 s ( 胛r ) = 专薹爿。e m e j 【( a ) a r l ( ，。) 上式实际上是一个离散傅立叶反变换公式。因为= 1 l = 1 ( n a t ) ，所以 k a c o n a t = k 2 x a f n a t = ( 2 n c n ) n 。a k e m 表明了频域内怂功分量的幅度和相位， 定义了离散域的频域信号，标记为a 。e “= s ( ) 。将上式左边写为j ( n ) ，得到 咖) = 专鼢 一，( o n 刀 ( 3 5 ) 当两路信号的路径时延之差大于一个扩频码码片宽度时，我们认为两路信号 是正交的。所以可得到下式： ，g ) = x 窜一气) + x ( 一) ( 3 6 ) 由式( 3 6 ) ，我们可以十分清楚地知道：在c d m a 系统中当两信号的多径时延 相差大于一个扩频码片宽度时，这两个信号是不相关的，或者说是可分离的。我 们习惯上将某一可分离的信号叫作信号的径。 2 ) 空间选择性衰落 多径信号到达天线阵列的到达角度的展宽称为角度扩展。角度展宽给出信号 的主要能量的角度范围，产生空间选择性衰落。 空间选择性衰落用相干距离r 描述， 南京i 乜大学坝i ：1 0 f 究生学位论文 第三章仿真系统中的情道模型 曼= 兰 ( 3 7 ) 其中x 为波长：巾为天线扩散角。 相干距离为两根天线上的信道响应保持强相关时的最大空间距离。相干距离 越短，角度扩展越大；反之，相干距离越长，角度扩展越小。 接收天线距离小于相关距离，信号的相关性很好，信道的衰落特性平坦：大 于相干距离，信号的相关性变差，信道呈空间选择性衰落。 3 ) 频率选择性衰落 假设发射端发射的是一个时间宽度极窄的脉冲信号，经过多径信道后，由于 各信道时延的不同，接收端接收到的信号为一串脉冲，即接收信号的波形比原脉 冲展宽了。这种由于信道时延引起的信号波形的展宽称为时延扩展。时延扩展产 生频率选择性衰落。 频率选择性衰落用相干带宽af 描述， f ：土 2 7 吐 ( 3 8 ) 其中为时延扩展。 相干带宽为信道在两个频移处的频率响应保持强相关时的最大频率差。相干 带宽越小，时延扩展越大；反之，相干带宽约大，时延扩展越小。 传输带宽小于相干带宽，信号的相关性很好，信道的衰落特性平坦；大于相 干带宽，信号的相关性变差，信道呈频率选择性衰落。 另一个常用的描述多径时延扩展的参数是最大时延扩展a 。( x d b ) ，定义为比 直达信号功率下降x d b 的多径信号的相对时延。不存在直达信号的情况下，可以 是最强的多径信号的功率。 4 ) 时间选择性衰落 由于移动用户与基站的相对运动，每个多径波都会有一个明显的频率移动。 由运动引起的接收信号频率的移动称为多普勒频移f d ，它与移动用户的运动速度 成正比。 o = ；c o s 目 a ( 3 9 ) 南京邮电大学颂闱f 究生学位论文第三章仿真系统中的竹道模型 其中v 为移动台的运动速度；凡为无线电波长；0 为电波和移动台运动的 夹角。 多普勒扩展是一种由于多普勒频移现象引起的衰落过程的频率扩散，又称时 间选择性衰落。时间选择性衰落用相干时间t 描述， 岛r ：二 霉 ( 3 1 0 ) 其中b 为最大多普勒频移。 相干时间为两个瞬时时间的信道冲激响应保持强相关时的最大时间间隔。相 干时间越小，多普勒频移越大；反之，相干时间越大，多普勒频移越小。 取样时间间隔小于相干时间，信号的相关性很好，信道的衰落特性平坦：大 于相干时间，信号的相关性变差，信道呈时间选择性衰落。 5 ) 瑞利衰落 在移动通信信道中，由于基站和移动台之间的反射体、散射体和折射体的数 量是相当多的，所以信道的冲激响应表示如下： k 。2 否删t - 咖塘 ( 3 1 1 ) 式中l 代表到达的多径的径数，a l 代表第l 条路径的信号幅度，t 。代表第1 条路径相对第一条路径( t = o ) 的时延，由，代表第1 条路径的信号相位。 当径数较多时，可假设没有直射信道，因此信道的冲激响应h ( t ) 可以看成 一个复高斯过程，其包络的值a 符合瑞利分布： 州) 弓一等胚胁( 31 2 ) 信号包络的均值为4 a z a e r ，方差为o2 。 相位巾符合均匀分布的，即： p ( 扔。玄肚兰幼 ( 3 1 3 ) 此种信道被称为瑞利信道。 6 ) 莱斯分布 当移动台与基站间存在直射波信号时，即有一条主路径，通过主路径传输过 南京邮l 乜大学删j 1 研究生学位论文第三章仿真系统中的信道模型 来被接收的信号为一个稳定幅度a k 和相位巾。，其余多径传输过来的信号仍如上 面“瑞利衰落概率模型”所述。这种情况下，其包络的值a 的概率分布是莱斯分 布： 刚) = 导e 嘶等溉( 警) 一( 3 1 4 ) 式中i 。0 为第一类修正贝赛尔函数。此种信道被称为莱斯信道。 3 1 4 移动通信系统中信号传播的效应 移动信道的特点及其带来的传播上的特点，对接收点的信号将会产生三种效 应。 1 阴影效应 移动台在运动中，由于大型建筑物和其他物体对电波的传输路径的阻挡而在 传播接收区域上形成半盲区，从而形成电磁场阴影，这种随移动台位置的不断变 化而引起的接收点场强中值的起伏变化叫做阴影效应。阴影效应是产生慢衰落的 主要原因。 2 远近效应 由于接收用户的随机移动性，移动用户与基站间的距离也是在随机的变化， 若各用户发射功率一样，那么到达基站的信号强弱不同，离基站近信号强，离基 站远信号弱。通信系统的非线性则进一步加重，出现强者更强、弱者更弱和以强 压弱的现象，通常称这类现象为远近效应。因为c d m a 是一个自干扰系统，所有 用户共同使用同一频率，所以“远近效应”问题更加突出。 3 多普勒效应 它是由于接收的移动用户高速运动而引起传播频率的扩散而引起的，其扩散 程度与用户的运动速度成正比。 随参信道的一般衰落特性和选择性衰落特性，是严重影响信号传输的重要特 性。至于前面所说的慢衰落特性，因为它的变化速度十分慢，通常可以通过调整 设备参量( 如调整发射功率) 来弥补。而为了抗快衰落，通常可采用多种措施， 例如，各种抗衰落的调制解调技术、抗衰落接收技术及扩频技术等。其中，明显 有效且被广泛应用的措施之一，就是分集接收技术。其基本思想就是，快衰落信 道中接收的信号是到达接收机的各径分量的合成，如果在接收端同时获得几个不 南京| | l | i i 乜大学硕l j 形f 究生学位论文第三章仿真系统中的信道模型 同路径的信号，将这些信号适当合并构成总的接收信号，则能够大大减小衰落的 影响。 总之，移动通信系统的信道特性是非常复杂的，而解决这些特性带来的负面 影响则是移动通信系统中的关键技术。我们研究移动通信系统的性能，就必须仔 细研究此系统的信道特性，这对于提高系统的性能非常重要。 3 2 信道模型 确定了信道特征之后就可以确定在我们仿真系统中采用的信道模型。主要采 用两种信道模型，一种是信号只受加性高斯白噪声的影响，这种情况下信号不受 信道衰落的影响，称之为a w g n 信道；另一种情况是信道受多径衰落和a w g n 的影 响，称之为多径衰落信道。 3 2 1a w g n 信道模型 o f d m 信号是在多个载波上并行传输数据，所以它的a w g n 信道模型可以等效 为一系列并行的具有加性噪声干扰的信道( 见图3 1 ) 。 图3 1a w g n 信道模型 图中，。】，一，x 。为分别在不同的载波上传输的数据，n l ，一，珂为均值 为零的高斯白噪声，y o y 一，y 1 为每个载波上的接收信号。 图3 1 描述的是从频域来理解的等效模型，在实际的信道模拟中并不需要在 每个子载波上分别加上高斯白噪声，因为o f d m 调制是将数据在各个子信道上调 制后进行并串变换，最终的输出j ( 疗) 2 专丢x 忙l 。矿也就是进入信道的信号是 串行数据流。这个串行数据流经过信道到达接收端，在接收端收到的时域信号为 享一 南京| | | | 5 l u 火学坝t ：l y f 究生学位论义 第三章仿真系统中的信道模型 ，( h ) = x ( 口) + m ，( 月) ，其中w ( ) 为加性高斯白噪声，”= 0 , 1 ，n 一1 。 3 2 2 多径衰落信道模型 o f d m 多径衰落信道模型同样可以等效为一系列带有相关衰落的并行高斯信 道( 见图3 2 ) 。 苎 ，彦，占 马 苎 ，掌，占 垫，出：! ，占：上； 图3 2 多径信道模型 图中砩，x l ，一，x 。为分别在不同的载波上传输的数据，h i ，h 。为各个 载波子信道的冲击响应，i r l o ，一1 为均值为零的高斯自噪声，y oy i i 一，y 。 为每个载波上的接收信号。 实际中同样不需要对每个子信道进行模拟。在接收端收到的时域信号为 y ( n ) = h ( n ，f ) + x ( n ) + w ( n ) ，其中h ( n ，f ) 是信道的冲击响应，胛= 0 , 1 ，n 一1 。 多径衰落信道一般采用瑞利多径衰落和莱斯衰落信道两种。在d v b t 和 d v b h 系统的信道仿真中我们采用的信道模型称之为指数衰减瑞利衰落信道 ( e x p o n e n t i a l l yd e c a y i n gr a y l e i g hf a d l n gc h a n n e l ) 模型 2 3 ，它由7 条多 径构成，而多径上的信号功率具有按指数衰落的特性。 这样在第 个时刻，接收端得到的数值为 y ( n ) = x ( n m ( f ) + w ( ”) 1n iz m 其中z ( 功= 专z l 丁为o f d m 调制的输出，厅( f ) 是7 条多径上的复数冲击响 vt = 0 应，它们的幅度服从瑞利分布，相位服从均匀分布。 南京i i l l j i b 人学硕h 开究生学位论文第二章仿真系统中的信道模型 3 4 小结 发送端和接收端的全部模块搭建完成之后，在未加入信道模块也就是没有干 扰的情况下测试无误，接收端可以完全恢复出原本的发送信号；但在增加了a w g n 和指数衰减的瑞利多径衰落信道模块之后，符号误码率和比特误码率明显增加， 尤其是在强多径的情况下，接收端完全无法恢复出原本的发送信号。如何在存在 信道干扰的情况下让接收端有效率地恢复出原本的发送信号，这就是我们需要做 的工作。只有在系统中添加后面将要讲解的信道估计模块和均衡模块，才能有效 消除信道的影响。 3 9 南京i 1 1 l l u 人学坝士础 究生学位论文 第1 儿章信道估计算法探讨 第四章信道估计算法探讨 为使o f d m 系统满足其特定的应用条件或提高其抗多径性能，在实际应用中 应注意如下问题：一是保护间隔c p 的长度与子载波间隔的选择。在实际应用中 c p 长度的选择除了需要估计信道环境的最大时延外，还应考虑到信号加窗混叠 与同步误差引起的c p 有效长度的减小。二是利用o f d m 系统的抗多径特性设计 简单有效的信道估计算法以满足系统性能要求。在没有i c i 的情况下，简单的 信道估计与补偿算法既能消除多径的影响，又能降低系统复杂度。 这里讨论适合d v b t 和d v b h 的o f d m 系统的信道估计算法，将信道估计的 结果用于均衡，以提高接收系统的性能。 4 1 信道估计和均衡的原理 假设调制完毕的基带信号为x ( n ) ，经过信道到达接收端。接收端收到的信号 为 y ( 玎) = k ( n ，f ) + z ( 疗) + w ( 胛) ( 4 1 ) 再经过f f t 变换，得到频域序列 r ( k ) = 归忙) + w ( k i k = o ，i ，n 一1 ( 4 2 ) 其中似) 是曲) 的傅立叶变换。为了恢复出发送的信号，必须对h 忙) 进行 估计。设估计结果为存( t ) ，那