（通信与信息系统专业论文）dvbt内接收机系统的设计与仿真.pdf

摘要 近年来，由于数字领域取得的巨大发展以及人们对图像质量、视听享受的不 断追求，促进了数字电视产业的蓬勃发展。根据不同的媒介，数字电视可分为有 线、卫星和地面数字电视，地面数字电视广播是使用最为广泛的传输方式。国际 上现存有4 种地面数字电视传输标准，其中，d v b t ( d i g 妇lv i d e ob r o a d c a s t i n g t e 仃e s t r i a l ) 系统是目前评价最高和使用最广泛的标准。 本文主要针对d v b t 标准做了系统仿真和分析，提出了完整的内接收机设 计方案。 ( 1 ) 论文首先阐述了地面数字电视的基本理论基础，介绍无线信道的基本 特性时给出了d t 系统的测试信道模型；接着针对该系统使用的c o f d m 调 制技术进行了分析。 ( 2 ) 论文对d v b t 标准进行了系统的研究，根据信源变换的每个环节采用 s i m u l i n l ( 软件搭建了d v b t 系统的理想信号源模型，并对搭建的模型进行仿真， 通过观察数据变化更加清楚、透彻的了解该标准：并在此基础上给出了实际信号 源的处理流程。通过对d t 系统的信号处理过程的理解，提出了内接收机设 计的整体方案框图。 ( 3 ) 针对d v b t 系统对定时误差和载波偏移的敏感性，论文重点讨论了该 系统的同步机制模块的设计方案，通过仿真给出了所提方案和算法的可行性分 析。 ( 4 ) 针对d v b t 系统对相干解调和恢复信道特性的高标准要求，论文在最 后一章重点讨论了信道估计和信道均衡两个模块，并通过评判e 和m e r 参 数，验证整体系统设计的可行性。 关键词ld v b t ；信号源模型；系统同步；信道估计：信道均衡 a bs t r a c t i n 舱c e n ty e a 璐，t 1 1 ed e v e l o p m e n to fd t vi n d u s 虹yh a sb e e ng r e a t i yp r o m 咖db y t 1 1 ep r o g r c s si nt h ed i g i t a ld o m a i na sw e l l 髂p e o p l e se n d l e s sp u r s u ef o r h i g hi m a g e q 吼l 时锄da u d i o - v i 戳l a le n j o y m e n t b a s e do nd i 侬r c n tm e d i a ，d i g i t a lt vc 锄b c d i v i d e di n 幻c a b l e ，s a t c l l i t e 锄dt e 盯c s t r i a ld i g i t a lt v ，蛐dt l l e 锄代s 廿i a ld i g i t a lt v b r o a d c a s t i n gi st h em o s tw i d e l yu dm e 锄so ft h e 地m s m i s s i o n t h e r ea 陀f o u rk i n d s o fe x i s t i n gi n t e m a t i o 他lt e r r e s t r i a ld i g i t a l1 v 仇m s m i s s i o ns t 粕d a r d ，锄o n gt h e m ，t l l e d t i g i t a lv i d c ob r o a d c a s t i n gt e 玎c s t r i a l ) s y s t c mi st h et o pm t e d 锄dm o s t w i d e l y 叩p l i c a b l es t a n d a r d s t h i sp a p c ri st 0d e s i 印t h ed v b - ti 肌e r 他c e i v e rs y s t c m b a d d t s t a n 姗，s y s t c ms i m u l a t i o n 锄d 锄a y s i sh a v eb e d o n e ，锄dac o m p l e t ei 仰e r 坞c e i v e rd e s i g r ii sp r o p o s c d ( 1 ) p 印盯f i r s td e s c r i b e st l l eb a s i ct l l d ，o ft e 丌e s t r i a ld i g i t a lt vf 0 帅d a t i o n ，t h e n g i v e sat e s td v b - tc h a 仰e lm o d e lo f t l l es y s t e m 邪i n t r o d u c i n gt 1 1 em n d a m e n t a l c h 嬲瓶e r i s t i c so fw i r e l e s sc h a 衄e l ；f i 眦l i y 锄a l y 瑟st i l ec o f d mm o d u l a t i o n ( 2 ) t h ep a p c rs y s t c m a t i c a l l y 他s e a r c h e st i i ed v b - ts t 锄d a r d c o r d i n gt 0t h e u r c e 心a n s f 0 玎i l ，w eb u i l t 锄ds i m u l a t em ei d 髓ls i g n a ls o u r c em o d e lo fd v b - t s y s t e m b yo b r v i n gt h ec h 锄g e s0 f t l l ed a 协，w ec 踟蚰d e 倒c a l l dt l l es t 锄捌m o 他 c l e a d y 舳dt l l o r o u g h l y a n dt h e 、i l ，h o i e h e m eo f 廿l e t u a ls i 印a ls o u r c ei sg i v 蚰 ( 3 ) d u et 0t h ed v b ts y s t c m ss e n s i t i v i t yf o rt i m i n ge 订0 r 锄dc a r r i e ro f f 醅t ，t h i s p 印盯f o c u s e s 伽m es ”c h r o n 妇i o nm e c h 锄i s m o fm es y s t c m 锄dc h a e l e s t i m a t i o n ，c h 踟e le q u a l i z a t i o n t h l 0 u g ht i l es i m u l a t i o n ，w ep r o p o s e df c 弱i b l e 锄a l y s i sd b o u tt l l ea l g o r i ( 4 ) b e c a u s eo f t l l eh i g hs t 锄d a l r so fd v b - ts y s t e mf o rc o h e r e n td e m o d u i a t i o na n d 他c o v e 巧o f t 1 1 ec h 猢e lc h a m c t e r i s t i c s ，t h i sp a p e rf o c u s e so nt h ec h a 衄e le s t i m a t i o n 蚰dc h 锄e le q u a l i z a t i o n i nt 1 1 ee n d ，t l l ef c a s i b i l i 够o ft h eo v e m l ls y s t c md e s i g ni s v e r i f i e db yj u d g i n gt i i ep a 姗e t e 体：e v ma n dm e r k e yw o r d s ld v b t ，s i 印a ls o 眦em 0 d e l ，s ”c h 枷i z a t i o f s y s t e m ，c h 锄e l e s t i i l l a t i ，c h 锄e le q u a l i z a t i 第一章绪论 1 1 研究背景和意义 第一章绪论 随着计算机技术、图像数字处理技术的高速发展，数字处理技术的巨大进步， 以及人们对高质量视听生活的不断追求，促成了数字化时代的到来，模拟电视向 数字电视的过渡也成为一个必然趋势。数字电视广播系统成为一个数字信号传输 平台，接收机内部采用数字信号处理技术，将模拟信号经过抽样、量化和信源编 码转换成数字信号，然后进行图像音频处理、数字信号传输，明显改善了传输质 量，提高信道资源利用率，而且还提供了很多种增值业务，如数据广播、电子商 务等，为消费者提供更加全面的服务。 传统模拟电视进行传输时，把信息作为“连续值”处理，即：通过载波的振 幅、相位、频率等参数与所发信息成比例变化，以此来实现信息的线性或者非线 性调制和传输，这种方式对传输技术和解调技术提出了很高的要求，与模拟电视 技术相比，数字电视具有很多的优势【1 】【2 】： 抗干扰能力强、无噪声积累 只要噪声不超过一定得门限值，可以通过信号再生技术去掉噪声；即使在一 定范围内造成误码，也可以通过纠错技术、解调技术予以纠正。 清晰度高，音频效果好 数字电视只要系统设计和使用合理，就不会降低节目的视听质量，不受节目 编辑、传输、转播和接收的影响。 频谱利用率高 数字电视广播可以更合理的分配频谱资源，同样的带宽资源可以传送更过的 电视节目。 保密性好，拓展性好 数字信号的编码、传输为加密提供了可能性和可行性。数字电视业便于添加 增值业务，比如电子商务等，这也为运营商提供了商机，为消费者提供了便利。 根据传输介质的不同，可将数字电视划分3 种不同的传输方式【3 】：地面 ( t e r r e s t r i a l ) 、有线( c a b l e ) 和卫星( s a t e l l i t e ) ，其各有不同的使用范围和条件： 地面电视广播：利用超短波进行传输和覆盖的一种广播方式，即通过发 射台发射无线电波而覆盖服务区，用户通过各种形式的接收天线和接收 终端收看电视节目。 第一章绪论 _ 有线电视广播：利用有线网络进行电视信号的传输和分配的广播系统， 着重于解决“信息到户 ，特别针对城镇等居民区。 一卫星电视广播：利用地球同步卫星对电视信号进行转播的广播系统，着 重于解决大面积覆盖。 地面电视广播是3 中方式中使用最广泛、最基本的传输形式，也是数字电视 系统中实现难度最高和最具发展前景的一个分支系统【4 】，在我国，尚有三分之二 的电视用户靠无线信号进行覆盖；且地面数字电视具有快速恢复广播电视的能 力，对于未来的电视机，不管是卫星的、有线还是地面的，都必须安装能接收地 面数字电视广播信号的设备，同时数字电视产业的发展可以带动相关产业的发 展，因此开展地面数字电视广播业务，已成为世界各国数字化技术的一个重要方 面。 1 2 国内外地面数字电视广播发展动态 数字电视在美国、欧洲和日本等国家的发展几乎是同步进行的。由于标准的 制定在某种程度上受相关标准的影响，如m p e g 视频和音频编码标准，因此在 不同的标准之间存在一定的相似性；然而这些国家的数字电视标准化组织又都有 强烈的知识产权意识，从而导致了各国之间的标准又存在着一定的差异。迄今为 止，国内外主要有4 种地面传输标准1 5 】，通过下面两节进行详细介绍。 1 2 1 国外发展现状和动态 在地面数字电视广播传输方面，目前国外已经形成美国高级委员会a t s c ( a d v 锄dt e l e v i s i o ns y 咖m sc o m m i t t e e ) 、欧洲数字视频地面广播d v b t ( d i g b lv i d e 0b r o a d c a s t i n gt e m s t r i a l ) 和日本地面综合业务数字广播i s d b t ( t c r r e s t r i a l i n t e m a t i o n a ls e r v i c ed i g i t a lb r o a d c a s t i n g ) 3 个主要的国际地面数字电 视广播传输标准，并已经在一些国家和地区进行了相应的地面数字电视商业广播 和产业化推广。 美国 6 】 1 9 8 8 年9 月美国联邦通信委员会( f e d e r a lc o m m u n i c a t i o n sc o m m i s s i o n ，f e c ) 提出新一代的数字电视必须与现有的n t s c 电视标准兼容的传输标准，开始了数 字电视广播的开发历程；1 9 9 3 年，整合了4 种协议制定统一标准g a ( g m n d a l i i 蛳c e ) ；1 9 9 6 年1 2 月，f c c 通过了美国数字电视地面传输标准，称之为a t s c ( a d v a n c e dt c l e v i s i o ns v s t c m sc o m m i n c e ) 。g a 中a t s c 8 v s b 描述了一个针 对地面广播的残留边带调制方式，系统带宽为6 m h z ，有效载荷为1 9 2 8 m b i t s 。 2 第一章绪论 a t s c 标准具有较高的功率效率和频谱效率，需要有较好的传输和接收环境 才能获得理想的视听效果，在实际中的普及应用受到了很大的限制。后来通过技 术改进，已经克服了该问题。目前全美已经有超过1 6 0 0 个电视台播出a t s c 信 号，理论上，a t s c 已经完成1 0 0 覆盖，超过8 4 的家庭可以至少收到8 个a t s c 的节目，美国己于2 0 0 9 年6 月全面停止模拟电视广播。除美国外，墨西哥、加 拿大、韩国和洪都拉斯也采用了a t s c 标准。 - 欧洲【刀 1 9 9 3 年欧洲1 5 0 个组织合作开发了数字视频广播( d v b ) 计划，成立d v b 联盟。在欧洲委员会的支持下，d v b 项目组提供一个数字视频广播系统标准框 架( d v b c 、d v b s 、d v b t ) ，这些标准均得到欧洲电信标准化协会( e t s i ) 和国际电信联盟( i t u ) 的通过。标准规定统一使用m p e g 2 标准作为音频视频 信源编码、系统信息和复用的标准。 数字电视地面广播d v b t 是在9 0 年代中期开发并于1 9 9 7 年2 月获得e t s i 的认可，成为欧洲地面数字电视广播的标准。1 9 9 6 年4 月，法国开始第一个欧 洲商业数字电视广播，1 9 9 8 年1 0 月，第一个地面数字电视b b c 的o nd i g i t a l 在英国开播。之后，芬兰、荷兰、葡萄牙等欧洲国家陆续跟进，到2 0 0 5 年底， d t 信号的覆盖面已经达到3 2 9 【引。目前，欧洲的数字电视进程已经走在了 世界前列，荷兰已经成为世界上首个关闭模拟电视的国家，英国等国家也计划在 2 0 1 0 年关闭地面模拟电视。除欧洲外，d v b t 标准在澳大利亚、拉美、新加坡、 香港等地也得到广泛的采用【9 1 。但是对于d v b t 的手机接收性能还是存在着很 大的难题，比如功耗问题，d v b h 标准就是在此基础上形成的，也将成为手持 移动电视业务中最具潜力的标准之一。 -日本【1o 】 日本于1 9 9 4 年开始研发数字电视标准，1 9 9 9 年提出了地面综合业务数字广 播标准，即i s d b t 标准。该标准主要规定了信道编码和调制传输系统，信源部 分也采用m p e g 2 ，选择多载波调制。该标准在d v b t 标准基础上加入了频谱 分段技术，宽带信息和带信息同频道兼容传输，抗干扰能力有所提高。 2 0 0 3 年在东京、大阪和横滨开播，年底日本全面开始数字电视试播。2 0 0 6 年实现了数字高清电视节目全国覆盖，计划到2 0 1 1 年底关闭模拟电视。i s d b t 在日本政府的支持下，也努力拓展海外市场，目前巴西已经采用该传输标准。 1 2 2 国内发展现状和动态 中国在电视产业方面相对来说起步较晚，1 9 9 4 年1 1 月成立了“高清晰度电 视开发小组”，开展对数字高清晰度电视系统技术的研发工作。在经历了各个研 第一章绪论 发单位独立进行技术研究和系统开发的“竞争 阶段后，2 0 0 4 年开始进入从各 个技术方案分散研发走向集中“融合”的阶段。最终在2 0 0 6 年8 月正式颁布了 中国地面数字电视广播国家强制性技术标准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【l l 】。国标融合了各个技术方案的特点，采用 时域同步正交频分复用( t d s o f d m ) 体制，具有较强纠错能力的l d p c 作为 前向纠错码，实现单、多载波工作模式共存。 国家已经拟定了庞大的数字电视部署计划：2 0 0 8 年完成了包括奥运7 城市在 内的3 7 个省会、直辖市和计划单列市的国标播出：2 0 0 9 年在3 6 0 个地市级推广 国标；2 0 1 0 年在2 0 7 7 个县级市全面推广国标；计划到2 0 1 5 年停止模拟电视广 播。 1 3 论文的主要工作及内容安排 本论文主要对基于d v b t 标准的内接收机进行了研究，并在此基础上通过 软件编程实现其内接收机的的系统设计方案。具体完成了以下工作： l 、对d v b t 标准进行了全面系统的研究，了解了d t 标准的发展过 程，总结了基本的同步机制以及在实际推广方面遇到的技术问题，并 提出了d v b t 系统内接收机的设计方案。 2 、深入研究了d v b t 标准的信源编码和信道调制部分，并熟练掌握使 用s i m u l i i l l ( 软件系统建模，搭建了d v b t 理想信号源的系统模型， 并对信号源进行了仿真实验。并在此基础上给出了实际信号源的处理 流程图。 3 、针对d v b t 系统内接收机的同步问题进行了详细的讨论，通过分析 同步偏差对系统产生的不同影响，对其进行分类讨论。针对符号定时 同步、载波频率同步、采样钟同步分别给出了可实现的算法和仿真曲 线。 4 、针对d t 内接收机的信道估计和均衡部分，论文从一维和二维两 个角度讨论信道估计算法，在信道估计的基础上给出了均衡的概念。 并在最后介绍了衡量所设计系统的可行性的参数标准，并对其详细讨 论和分析。 本论文的总体结构和内容安排如下： 第一章：绪论。主要介绍国内外地面数字电视传输标准的发展动态、研究中 完成的主要工作和本文的总体结构与内容安排。 4 第一章绪论 第二章：地面数字电视广播的理论基础。首先简述了地面广播信道的基本特 性，主要介绍了小尺度衰落模型对地面广播信道的影响，给出了d v b - t 信道测 试模型；其次给出了数字调制技术的基本概念，详细阐述了现存的地面数字电视 传输标准的调制方案；最后介绍了o f d m 技术的基本原理和国内外的主要研究 现状，给出了限制o f d m 技术发展的瓶颈因素，并详细介绍了o f d m 技术在地 面数字电视传输标准中的具体应用即c o f d m 技术。 第三章：d v b t 标准研究及内接收机设计方案。介绍了d t 标准的系统 发端框图、信道编码和调制、o f d m 帧结构以及辅助数据的添加等环节；在对 信号源透彻了解的基础上，用s i m u l i n k 软件搭建了d v b t 信号源模型；最后本 章给出了d v b t 标准内接收机的系统设计方案。 第四章：d v b t 系统中的同步问题。本章分别对符号定时同步、载波频偏 同步和采样钟同步进行了详细的分析。在每节的开始首先介绍该种同步机制产生 的原因以及产生偏差对系统造成的影响；然后详细的给出了经典算法和本论文采 用的算法并对其仿真曲线进行分析，确定系统采用的同步算法。 第五章：d t 系统中的信道估计和均衡。论述了信道估计和均衡在内接 收机设计中的重要性；然后给出了d t 系统中信道估计采用的方法，并对 d v b t 系统的信道均衡进行了简要的讨论；最后给出了衡量系统设计的参数标 准并用仿真星座图阐述了整个系统最终要实现的目标。 第六章：结束语。对研究进行了总结，并提出了在该研究基础上可以进一步 改进和完善的内容。 第二章地面数字电视广播的理论基础 第二章地面数字电视广播的理论基础 2 1 地面数字电视广播系统的信道特性 电波的传播特性是研究通信系统时首先遇到的问题，传播特性直接关系到无 线通信设备各个指标的确定以及实现可靠通信的所必须采取的一系列措施。 d v b t 系统使用的是 f i j h f ( v e 巧h i g hf m q u e n c y 舢l t 随h i 曲f q u e n c y ) 频 段，经历的传输环境比有线信道复杂的多：发射信号可能经过直射、散射、衍射 等变化，加上地形起伏、建筑物障碍等因素，使得无线信道难以预测。 人们在研究无线信道时，通常将无线信道分为大尺度传播模型( 1 a 唱e - a l e ) 和小尺度传播模型( s m a l l s c a l e ) 两类讨论1 1 2 】。大尺度效应主要是用于预测无线 覆盖范围，用来描述接收信号功率的本地平均值随收发信机间距离变化的情况： 小尺度效应主要描述信号的多径传播，即描述短距离或者短时间内接收信号强度 经历的剧烈变化。其比较可以参考图2 1 。 对敦鼯膏 图2 1小尺度模型与大尺度模型比较 从设计接收机的角度来讲，信号的大尺度变化仅影响接收机的接收门限，小 尺度变化会影响到传输技术的选择和接收机参数的确定。本论文主要讨论的是 d v b t 内接收机的设计方案，而需要更多的考虑的是小尺度变化引起的接收信 号的损耗，因此在本节中主要讨论小尺度变化模型。小尺度模型主要描述的是短 距离或者短时间内接收信号强度经历的剧烈变化，这个剧烈变化主要是由于多径 传播引起的。要在复杂的无线信道条件下获得良好的传输质量，就必须采用各种 技术来降低或者抑止衰落对信号的影响，下面就介绍一下小尺度模型中两种主要 的信道特性：多径时延扩展和多普勒频移。 第二章地面数字电视广播的理论基础 2 1 1 多径时延扩展 多径传播是陆地无线信道的主要特征就。在传播过程中会遇到各种建筑物以 及起伏的地形，引起能量的损失和电波的反射、折射以及散射等，到达接收天线 的信号就是许多接收路径信号的合成，可以通过图2 2 来描述多径信道模型。 图2 2 典型的信号传播环境 从时域角度来看，各个路径的长度不同导致信号的到达时间不同，反应在信 号的公式上就是相位不同。不同相位的直射波、反射波和散射波在接收地点叠加， 从而使信号产生深度且快速的衰落，这种衰落就称为多径衰落。 假设发送信号为理想脉冲信号，即 s ( r 户万( f ( 2 1 ) 经过多径传输后( 不考虑加性噪声) ，接收端接收到的信号为 纽 ，( r ) = 岛万( r 一) ( 2 2 ) ，= o 式中岛和0 分别表示第f 径的衰减因子和时延，表示多径数目。 由式( 2 - 2 ) 可知：如果发射端发送一个脉冲信号，则接收端接收到的信号 不仅包含这个信号，还包含它的各个时延信号，这种现象称为时延扩展，图2 3 为接收信号示意图。 7 第二章地面数字电视广播的理论基础 功 塞 图2 3多径时延扩展 附注： ( a ) 气麟定义为最大时延扩展； ( b )丁定义为多径延时的平均值 从时域看，数字接收机的设计主要考虑多径效应所引起的脉冲信号的时延扩 展，因为时延扩展会引起符号间串扰，影响数字接收机的传输质量，为此要求符 号宽度远大于麒。确定所在地区的多径延时标准很重要，它是确定无码间干扰 传输速率的重要依据。 从频域分析，不同时延的多路信号叠加表现为频率选择性衰落，信号经信道 传输后，波形将发生畸变。与时域参数相对应，相干带宽e 是频域上表征信 道频率选择性的重要参数，最大时延扩展眦和信道相干带宽皿称作信道时间色 散参数，二者有如下的关系： 2 1 2 多普勒频移 忍= 形 m - 吒 频率 一厶 兀频率 图2 - 4 多普勒频移示意图 8 ( 2 - 3 ) 第二章地面数字电视广播的理论基础 发射机或者接收机的运动会产生多普勒频移，即单一频率信号经过时变衰落 信道以后，成为具有一定带宽和频率包络的信号，如图2 - 4 所示。 多普勒频移体现的是信道时变特性，即不同时刻发送同样的信号，接收信号 却不相同。多普勒频移与移动速度、信号载波频率及入射角有关，其关系为： 厶：羔c o s p ：堕c o s 目 ( 2 - 4 ) ，j = 一c o s = - ：里c o s6 【2 - 4 ) 。 力c 当ic o s 口l - l 时，得到最大多普勒频移值为： e = 丝 ( 2 5 ) 。 c 式中，z 表示载波频率，c 表示光速，v 表示发射机与接收机之间的相对运动速 率，占表示入射波与相对运动方向之间的夹角。 从时域来看，多普勒频移在时域的表征值可用相干时间z 来阐述。最大多普 勒频移厶和信道相干时间互是表征时间选择性衰落的两个重要参数，称其为信 道频率色散参数。二者之间的关系可表示为： 瓦= 去 c 2 - 6 ) 从频域角度分析，由式( 2 - 4 ) 可知，单一频率为兀的发射信号经过信道传 输后，频谱由位于兀处的单纯6 函数变为分布在( 石一兀，工+ 厶) 范围内的频 谱。 2 1 3d v b t 测试信道模型 d v b t 当初的设计目标就是室内室外固定接收，并且提供便携接收。为此 d v b - t 标准提出了自己的信道测试模型：固定接收( f i x e d 佗c e p t i o n ，简称f 1 ) 和便携接收( p r o b a b i e 陀c e p t i o n ，简称p 1 ) 信道模型【1 儿7 】。这两种模型主要是针 对时不变信道环境的，多径衰落信道冲激响应可以表示为： 髓可( f ) = 肛p 一7 2 嘲j ”叶 ( 2 - 7 ) ，l o 式中，= 0 代表视距路径；工= 2 0 表示回波数；岛表示第，条路径散射的相移；岛 表示第，条路径的幅度衰减：f ，表示第，条路径的相对时延。 固定接收信道( f 1 ) 是一个莱斯信道，莱斯因子x 为： k ；1 生( 2 8 ) 彳 ，- l 在d t 标准中，定义莱斯因子k = 1 0 ，可得 9 上辱 第二章地面数字电视广播的理论基础 风= ( 2 9 ) 在求解固定接收信道冲击响应的时候，其他的参数和便携接收信道参数一 致。 便携接收信道( p 1 ) 是一个瑞利衰落信道，即不存在主径( 岛= o ) 。模型 中使用到的参数f 、岛和岛，其值如表2 - 1 所示。 表2 - l d v b - t 信道模型中b 、岛和f 抽头t | 睡s e | h 口d 。 l 1 0 0 3 0 1 9o 0 5 7 6 6 24 8 5 5 1 2 l 25 4 2 2 0 9 lo 1 7 6 8 0 93 4 1 9 1 0 9 3o 5l8 6 5 0o 4 0 7l6 35 8 6 4 4 7 0 42 7 5 1 7 7 2 o 3 0 3 5 8 52 2 1 5 8 9 4 5o 6 0 2 8 9 5o 2 5 8 7 8 2 3 7 5 8 0 5 8 6 1 0 1 6 5 8 5o 0 6 1 8 3 l5 4 3 0 2 0 2 70 1 4 3 5 5 6o 1 5 0 3 4 0 3 9 5 2 0 9 3 8 o 1 5 3 8 3 2o 0 5 1 5 3 41 0 9 3 5 8 6 9 3 3 2 4 8 6 6o 1 8 5 0 7 45 7 7 51 9 8 l o1 9 3 5 5 7 00 4 0 0 9 6 7 0 15 4 4 5 9 llo 4 2 9 9 4 80 2 9 5 7 2 35 9 2 8 3 8 3 1 23 2 2 8 8 7 2 o 3 5 0 8 2 53 0 5 3 0 2 3 1 3o 8 4 8 8 3l0 2 6 2 9 0 9 o 6 2 8 5 7 8 1 4 o 0 7 3 8 8 3o 2 2 5 8 9 42 1 2 8 5 4 4 l5o 2 0 3 9 5 2 0 17 0 9 9 61 0 9 9 4 6 3 1 6 0 1 9 4 2 0 7o 1 4 9 7 2 3 3 4 6 2 9 5l 1 7o 9 2 4 4 5 0 0 2 4 0 1 4 03 6 6 4 7 7 3 1 81 3 8 1 3 2 00 1 1 6 5 8 7 2 8 3 3 7 9 9 1 9 o “0 5 1 20 2 2 1 1 5 53 3 3 4 2 9 0 2 01 3 6 8 6 7 l0 2 5 9 7 3 0 o 3 9 3 8 8 9 在实际信道仿真中，每个模型都要确定多径路径数上等参数，这些参数的确 定要结合实际应用给出。 l o 第二章地面数字电视广播的理论基础 2 2 现有地面数字电视广播标准的调制方案 2 2 1 数字调制技术 从本质上说，调制就是一个函数变换的过程，它将待传输的信号映射成为具 有某种属性的载波波形，通过控制载波的幅度、相位和频率来实现信号的可靠传 输和有效传输，在数字电视中，主要采用的是线性调制技术。由于地面数字电视 信号所经历的无线信道是带通信道，基带信号没有办法实现无差错传输，因此基 带信号在传输前，必须进行相应的调制变换以适应复杂的无线信道。 调制 r 一一一一一一一一一一一一一一一一一i ii 毛 差粪盛i ii 厂一一一一一一一一一一一一一一一一一 籼； 菱薹嚣 i 解调 图2 5 线性调制解调模型 ， 信道 基本的线性调制解调模型可用图2 5 表示。在实际应用中，线性调制信号可 以用两个标准正交基函数展开，假设信号波形集 一( ，) ，f = l ，2 ，m 构成一个信 号空间，则： 仍( f ) = ( 2 - 1 0 ) ( f ) 一拉咖2 砸7 q j d 式中，乃表示信号波形墨( f ) 的持续时间，仍( ，) 、( ，) 为墨( f ) 的正交分量和同相 分量。 这时线性调制波形就可以用星座图【1 3 】在二维平面中表示出来，内接收机的设 计目的就是可以尽可能准确的恢复出星座图。 在一个系统中，数字调制方案的选择要考虑很多方面的因素，如传输速率、 误码率、频谱效率、载噪比、硬件复杂度、硬件成本等。不同的系统对上述参数 第二章地面数字电视广播的理论基础 的侧重点不同，有的系统可能需要高数据流传输，有的系统可能要求信息传输的 可靠性，有的则要求系统能量需要低功率传输，有的系统则要求尽量占用最小带 宽。为了满足系统的需求，就要在以上约束条件下进行折中取舍，从而获得最佳 性能。 2 2 2 现有地面数字电视标准的调制方案 表2 2地面数字电视传输标准调制方案 现有的地面数字电视传世标准主要有4 种：美国的a t s c 标准、欧洲的 d t 标准、日本的i s d b t 标准和中国的d t m b 标准。表2 - 2 对这四种标准 进行了比较。 1 美国a t s c 标准【1 4 】 裂最 裟 转换 c o s 2 以， ( a ) 8 - v s b 调制框图 - 53 - l l3 5 ( b )调制星座图 图2 6a t s c 的8 v s b 调制框图及星座图 a t s c 标准的传输带宽为6 m h z ，采用8 v s b 调制技术，其调制框图如图2 6 所示。首先将输入的二进制码流分组，3 b i t 组，形成8 进制的基带信号；然后进 1 2 第二章地面数字电视广播的理论基础 行频谱搬移，调制到与信道相适应的载波上进行传输。由数字信号处理知识知， 调制信号载频两边的边带携带的信息相同，为了提高频谱利用率，a t s c 标准用 余弦滚降残留边带滤波器从调制信号中滤除一个边带。在a t s c 标准中，滚降滤 波器的中心频率为形= o 3 l 幽沈，相当于口= o 1 1 5 。 2 欧洲d v b t 标准【7 】 d v b t 起初的标准带宽是8 m h z ，经过进一步的扩展和改进，现在已经可以 在5 、6 、7 、8 m h z 的带宽中使用该标准。它采用了c o f d m 调制方式，其优势 在于把o f d m 技术与基于软判决的信道编码和交织技术融合在一起，降低错误 概率。d v b t 标准中规定了两种工作模式：2 k ( 1 7 0 5 个载波) 模式和8 k ( 6 8 1 7 个载波) 模式，这两种模式都有自己的适用范围，这两种模式除了可以适用于固 定接收外，2 k 模式可以支持移动接收，8 k 模式可以支持大范围的单频网络。 3 日本i s d b t 标准l l u j i s d b t 标准适用6 、8 m h z 带宽，采用了频带分段的o f d m ( b t s o f d m ) 调制方式，其原理是：系统将传输带宽z 0 分成一组成为b t s 段的基本o f d m 频 率块，其中1 3 个频段用于传输数据，另一个提供保护间隔。这种调制方式的特 色是：每个频段都可以有自己的误码保护方案和调制类型，可以单独工作也可以 灵活组合，提高带宽利用率。 4 中国d t m b 标准i i l 】 d t m b 标准采用的是时域同步正交频分复用( t d s o f d m ) 数字传输方式， 我国首次提出了“时频结合的新体制 。实现t d s o f d m 的关键在于精心设计 帧头和帧体的结构，t d s o f d m 的帧头是一个带自身保护的p n 序列，保护间 隔采用了p n 填充技术，p n 序列扩频技术的高保护同步传输作用相比d v b t 的 循环前缀来说，更好的提高了系统的频谱利用率。d t m b 相对其他标准来说， 可以更好的支持移动接收和多媒体电视广播。 本文主要是针对d v b t 标准进行的讨论和展开的进一步工作，下面是针对 d t 标准的相关技术介绍。 2 3o f d m 和c o f d m 调制技术 在宽带数字传输中，多径引起的频率选择性衰落是限制其传输可靠性的一个 瓶颈，克服频率选择性衰落的传统方法是采用均衡器或者扩频调制。随着信息速 率的进一步提高和对频率资源的合理利用，传统方法受限于技术的复杂度，很难 达到很好的性能指标。近些年集成电路技术的飞速发展以及d s p 技术的日益成 第二章地面数字电视广播的理论基础 熟，在某种程度上克服之前提到的问题，使得多载波调制技术又重新受到科研人 员的青睐和关注。 当前无线传输应用最广泛的多载波调制技术是正交频分复用( o n h o g o n a l f 陀q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p i e x i n g ，o f d m ) 技术，本节主要叙述0 f d m 的基本原 理以及研究现状，重点介绍其在d t 系统中的应用。 2 3 1o f d m 系统基本原理 堕生 l ，妻盟磐 彝q 蓁钆罩掣射换 、+ 一 f 1 - 、 积分d ( o l 鬈积分d l - 萋“。| | 彳 委。”；篓 积分州。 弋n 、 图2 - 7o f d m 系统基本原理 图2 - 7 是o f d m 系统的基本原理框图。o f d m 的一个技术优点就是不同的子 载波可以采用不同的调制方式，调制方式可以选择p a m 、q p s k 、m q a m 等。 假设信号的周期为z ，令子载波间隔= l z ，则子载波可用公式表示为 m ( r ) = p ，2 聊( 七= 0 ，l ；2 - ； ( 2 1 2 ) 式中，五= 石+ 七可= 五+ 瓦。发射机的输出信号为 d ( ，) = r e l d ( 七) 甲 ( f ) i = r e i d ( 七) p 口以纠m 叫 ( 2 - 1 3 ) 由于 f 钉：甲七( f ) 甲：( f ) 衍= # ：主笺 ( 2 1 4 ) 式中，f 为任意常数。 由式( 2 - 1 4 ) 可知各个子载波在符号周期z 内相互正交，利用上述正交性， 理想情况下，就可以在接收端正确的恢复出发送信号，式( 2 1 5 ) 可证。 d & ) = 专r ( 篓d ( 七) 甲加) ) 甲；破= d ( d c 2 一- 5 ， 要想实现图2 7 所表示的系统，就要为每一路子载波配备一套完整的调制解 调器，尤其是面对现在高速率的传输要求，其复杂度之高是不可能实现的。随着 1 4 第二章地面数字电视广播的理论基础 d s p 技术和集成技术的发展，研究人员把离散傅里叶变换( d f t ) 应用于o f d m ， i d f t d f t 的运算实质就是频域数据d ( 七) 与时域数据d ( 玎) 的转化，在实际应用 中，d f t 的实现一般多采用快速傅里叶变换( f f t ) 实现。解决了计算复杂度问 题，也使o f d m 技术重新回到了无线技术的舞台。 o f d m 系统为了更好的消除符号间干扰，引进了2 个新的定义：保护间隔 ( g 帆r di n t e r v a l ，g i ) 和循环前缀( c v c l i cp r c f i x ，c p ) 。 图2 8 零保护间隔 保护间隔的填充方式有两种，一种是可以不插入任何信号，即零保护间隔， 见图2 8 。从图2 8 中可以看出，在f f t 运算时间长度内第l 子载波与带有延时 的第2 子载波之间的周期之差已经不是整数倍，子载波间的正交性受到破坏，产 生子信道间干扰( i c i ) 。 i耳蠢i 开1 1 r 廿时呻l i ，子t t 问i r 州 ii ： i ii ： i 八爪八八八， li ： i l i： i i i： l 八八趴八八扒，： ii ： i ii ： i 图2 - 9 带有循环前缀的o f d m 符号 1 5 ? 第二章地面数字电视广播的理论基础 另一种保护间隔类型为循环前缀( c p ) 。在o f d m 系统中，填充长度为 的保护间隔的信号与o f d m 符号尾部宽度为l 的部分相同。采用循环前缀技术 可以很好的消除或者降低多径传播引起的符号间干扰( i s i ) 和子信道间干扰 ( i c i ) 。从图2 9 可以更清楚的表达循环前缀的作用及优点。 从图2 9 中可以看出，加入循环前缀后，只要时延扩展的长度不超过，就 可以保证符号间的正交性，正确恢复发射信号。在实际系统中，循环前缀加在 o f d m 符号进行信道传输之前。在接收端，首先将接受符号前端长度为疋的信 号去掉，然后将剩余宽度的信号进行傅里叶变换和解调。 2 3 2o f d m 技术的发展 o f d m 技术是从多载波技术逐渐演变而来的。最早起源于2 0 世纪5 0 年代中 期，1 9 6 6 年c h 锄g 【1 5 j 针对分散性的衰落信道最早提出了o f d m 模式，1 9 7 0 年1 月首次公开发表了有关o f d m 的专利，1 9 7 1 年w e i s t e i l l 和e b e 蛆【1 6 】提出了完整 的o f d m 系统，利用离散傅里叶变换( d f t ) 实现o f d m 系统的调制和解调， 使得o f d m 技术更趋于实用化。1 9 8 0 年，p e l e d 【。7 】提出了简化了的o f d m 调制 工具。1 9 8 9 年，l o l e t 【1 8 】发表了关于无线通信信道中应用o f d m 的性能分析和探 索性的实验成果。从此，o f d m 技术在通信领域得到蓬勃发展。 1 9 9 5 年e t s l 制定了d v b 【1 钟标准，这是第一个使用o f d m 的标准。除了国 际现存的地面数字电视标准采用了o f d m 技术外，w l a n 、e t s i 等物理层接入 方案、3 g 系统以及4 g 技术、l t e 等都把o f d m 技术作为首选。随着快速傅里 叶变换、高阶q a m 调制解调、格形编码、软判决及信道自适应技术的发展，o f d m 技术理论越来越成熟，性能也得到了进一步的优化。 地面广播目前面临两个问题：一是由多径传播引起的回波；二是频率资源的 使用逐渐饱和的问题。目前单频网技术用来解决地面广播的频率资源逐渐饱和的 问题，虽然这样可以提高频谱利用率，但是在不同地点用相同频率播出节目时就 会产生相互干扰，称之为回波，回波会从根本上影响一个广播系统的性能。而 o f d m 技术可以有效的利用这种回波来解决数字电视地面传输的问题，因此在 地面数字电视的标准制定中，o f d m 技术具有很强的竞争力，也被大多数标准 采用为核心技术。由于这些优势，o f d m 技术拥有广阔的发展空间和市场前景。 但同时o f d m 技术也存在一些关键技术难题需要解决，主要包括系统同步、载 波同步、频率偏差、信道估计、信道均衡、峰均比等。目前很多研究机构都针对 这些难点进行了深入研究，为无线通信技术的发展奠定了基础。 1 6 第二章地面数字电视广播的理论基础 2 3 3c o f d m 系统介绍 c o f d m ( c o d e do r t h o g o n a lf 他q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) ，即编码正交 频分复用，凭借o f d m 技术的正交性，再加上其特有的信道编码和调制技术， 成为目前世界上最有发展潜力的调制技术。本节将主要介绍