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东南人学硬i ：论文 摘要 数字电视地面广播系统中同步技术的应用开发 硕士研究生潘磊导师邹采荣教授 东南大学无线电工程系 本文对数字电视地面广播( d i g i t a it e l e v i s i o nt e r r e s t r i a lb r o a d c a s t i n gd t t b ) 系统中 的同步技术进行了研究，并重点仿真了d v b t 系统，以及中国新出台的国家标准。 简而言之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使用数字电 视信号或对数字电视信号进行处理和调制的全新电视系统。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，数字信号的传播速率是每秒1 9 1 3 9 兆字节， 如此大的数据流的传递保证了数字电视的高清晰度，克服了模拟电视的先天不足。 本文首先介绍了数字电视的发展史，阐述了它与模拟电视的区别以及其优点，然后 分别介绍一下各国的成熟标准。着重介绍了d m b t 标准，该标准利用了o f d m 技术， 比较具有代表性。 然后针对o f d m 技术进行了详细的介绍，o f d m 技术广泛的用于数字通信，而在 数字电视地面广播系统中也同样占有相当重要的地位，欧标，刚出台的国家标准都利用 了o f d m 技术。o f d m 技术的主要思想就是在频域内姆给定信道分成许多正交子信道， 在每个子信道上使用一个予载波进行调制，而且各子载波并行传输。这样就可以把宽带 变成窄带，解决频率选择性衰落问题。 然后本文分析了频率偏差，符号定时误差，采样时钟偏差对整个o f d m 系统性能 的影响，结果被用来帮助确定o f d m 系统同步算法的指标。分析还显示，在一定条件 下，采样时钟的偏差和载波频率的偏差相比，在子信道个数比较小的情况下。其影响可 以忽略不计。 接着本文介绍了几种经典的o f d m 同步方案，描述了这些方案的思想以及各个主 要步骤。并相互比较其优缺点。主要有基于循环前缀的同步估计方案：利用导频信号进 行频率估计的m l 方案；s c h m i d l 和c o x 提出的使用训练符号的方案等，这些方案为数 字电视地面传输系统中的同步方案提供了有利的参考。 在参考和比较了一些经典算法以后，本文针对数字电视地面传输国家标准的各种帧 结构模式，提出了一种同步方案。并结合算法对各个模块进行了仿真，仿真表明，该算 法能检测大范围频率偏移，运算简单，在恶劣信道条件下能保持很好的可靠性。与此同 时，也对欧洲标准进行了仿真，以作为比较。 最后，根据数字电视地面传输国家标准的参数，以及其他系统模块的实际仿真结果， 在s i m u l i n k 下搭建了整个传输系统。并在高斯和多径信道条件下对系统的误符号率进行 了仿真，给出了衡量通信系统性能的最直接的指标。 关键词：j f 交频分复用，数字电视，同步，循环前缀，伪随机序列 东南人学碰i ：论文 a b s t r a c t c a n d i d a t e ：p a nl e i ，s u p e r v i s o r ：z o uc a i - r o n g d e p a r t m e n to fr a d i oe n g i n e e r i n g ，s o u t h e a s tu n i v e r s i t y , c h i n a t h i sp a p e rs t u d i e dt h es y n c h r o n i z a t i o nt e c h n o l o g yo ft h ed 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 gs y s t e m ，a n ds i m u l a t e dt h ec l a s s i cd v b ts y s t e ma n dt h en a t i o n a ls t a n d a r d s y s t e m i naw o r d ，d t vm e a n sas y s t e mw h i c hu d i g i t a ls i g n a l sw h i l et r a n s m i ta n dr e c e i v e t h a t m e a n sa l lt h es i g n a l si t t r a n s p o r ta r em a d eu po fn u m b e r0a n di i t sb i tr a t ei sa b o u t 1 9 3 9 m b y t e s s u c hh j i g hb i tr a t ea s s u r e st h eh i 曲d e f i n i t i o no fd t v w h i c ht h ea n a l o g ivd i d n o th a v e a tf i r s t ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h eh i s t o r yo ft h ed t v , a n a l y s e st h ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h e a n a l o gt va n dd t v t h e nt h i sp a p e ri n t r o d u c e ss o m ed t vs t a n d a r do fm a n yc o u n t r i e s i f o c u so nt h ed m b - ts t a n d a r d ，b e c a u s ei tu s et h eo f d m t e c h n o l o g y t h e nt h ep a p e ri n t r o d u c e st h eo f d mt e c h n o l o g y , w h i c hi s w i d e l y u s e di nd i g i t a l c o m m u n i c a t i o n i ti sa l s ou s e di nd t vs y s t e m ，s u c ha sd v b ，d m b t h ek e yo fo f d mi st o c u tt h ew h o l ec h a n n e lt os o m es u bc h a n n e l ，a n dm o d u l a t et h es u bc h a n n e lb yd i f f e r e n t c a r r i e r s t h e nt h ep a p e ra n a l y s e st h ee f f e c tc a u s e db yf r e q u e n c yo f f s e t , t i m eo f f s e ta n ds a m p l eo f f s e t if o u n dt h a ti ns o m ec a , s e ，t h ef r e q u e n c yo f f s e ti sm o r ei m p o r t a n tt h a ns a m p l eo f f s e t t h e nt h ep a p e ri n t r o d u c e ss o m ec l a s s i co f d ms y n c h r o n i z a t i o nm e t h o d sa n dc o m p a r e s t h e s em e t h o d s t h em e t h o d si n c l u d et h eo n eu s e dc y c l i c p r e f i x t h eo n eu s e dp i l o ts i g n a l sa n d t h eo n eu s e dp nc o d ew h i c hs u b m i t t e db ys c h m i d la n dc o x a n dt h e s em e t h o d sw i l lb eg o o d r e f e r e n c e s a f t e rs t u d i e dt h ec l a s s i cs y n c h r o n i z a t i o nm e t h o d s ，t h ep a p e rc r e a t eas y n c h r o n i z a t i o n m e t h o db a s e do nt h ef r a m es t r u c t u r eo f t h ec h i n e s ed t vg b t h i sm e t h o dc o u l de s t i m a t et h e f r e q u e n c y o f f s e tw e l la n dh a v es i m p l ec o m p l e x i t y t h e nis i m u l a t e dt h em o d u l eb ym a t l a ba n db u i l dt h ew h o l es y s t e m 、i t i lo t h e rm o d u l e sb y s i m u l i n k a tl a s t , w ec o m p a r e d 、“t l lt h ee u r o p es t a n d a r da n dg e tt h eg o o dr e l i a b i i i t , u n d e r t h eg a u s sa n dm u l t i p a t hc h a n n e l s ， k e yw o r d s ：o f d m ，d t v , s y n c h r o n i z a t i o n , c y c l i c - p r e f i x ，p nc o d e 2 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人往导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果爆我所知，除 了文中特别加以标注和致谢的地方外，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 得东南大学或其它教育机构的学能或证书而使_ h j 过的材科与我同t 作的同志对奉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 东南大学学位论文使用授权声明 东南人学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留奉人所送交学位论文的复印件和电子文档， 可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文本人电_ 了文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密 期内的保密硷文外。允许沦文被查阅用i 借阅，町以公布( 包括刊黉) 沦文的个部或部分内容论文的公布 ( 包括刊登) 授权东南大学研究乍院办理。 东南人学硬i ：论文 第一章绪论 1 1 数字电视发展史 如今，数字电视是人们谈论最多的热闹话题之一由于数字电视【l 】是种新鲜事物， 一些相关报道及文章介绍中出现似是而非的概念，诸如“数码电视”、“全数字电视”、“全 媒体电视”、“多媒体电视”等，造成大众感到困惑，茫然不知所措。其实，“数字电视” 的含义并不是指我们一般人家中的电视机，而是指电视信号的处理、传输、发射和接收 过程中使用数字信号的电视系统或电视设备。其具体传输过程是：由电视台送出的图像 及声音信号，经数字压缩和数字调制后，形成数字电视信号，经过卫星、地面无线广播 或有线电缆等方式传送，由数字电视接收后，通过数字解调和数字视音频解码处理还原 出原来的图像及伴音。因为全过程均采用数字技术处理。因此，信号损失小，接收效果 好。 其实，数字电视由来已久，我们可以通过一些历史事件来跟踪一下。 1 9 4 8 年，电视信号数字化( 理论与实践丌始) 1 9 8 0 年。国际电联( 现i t u r ) 提出6 0 1 建议( 4 ：2 ：2 ，即数字电视基础建议) 1 9 8 2 年，德国n t 研制出一套p a l 接收机中使用的数字处理芯片 1 9 9 1 年春，公布j p e g 静止图像编码建议( 草案) 1 9 9 1 年秋，公布m p e g l 活动图像及其伴音编码建议( 草案) 1 9 9 3 年初，力燕v c d 机在我国大陆上市 1 9 9 4 年夏，美国d i r e c t v 开始数字卫星( s d t v ) 直接广播 1 9 9 4 年中秋，欧洲公布d v b 数字视频广播标准( 草案) ：包括d v b - - s 和d v b - - c ，d v b t ，随后又制订了系列标准 1 9 9 6 年底，美国”联邦通信委员会”( f c c ) 批准数字电视标准。此间1 9 9 4 年春第一 轮四个方案测试结束，成立”大联盟”( g a ) ； 1 9 9 7 年4 月初，美国f c c 会议作出两项重要决定；( 1 ) n t s c 向d i n 过渡的日程 表( 2 0 0 6 年底) ；( 2 ) 电视地面广播的政策( 含频谱规定) 1 9 9 8 年秋( 圣诞节前) ，d t v 包括普通标准数字电视广播s d t v 和高清晰度数字电 视广播h d t v 在美国市场启动 1 2 数字电视的特点 将电视的视音频信号数字化后，其数据量是很大的，非常不利于传输，因此数据压 缩技术成为关键。实现数据压缩技术2 i t s 法有两种：一是在信源编码过程中进行压缩， 东南人学颂i ：论文 i e e e 的m p e g 专家组已发展制订了 s o i e c l 3 8 1 8 ( m p e g 2 ) 国际标准，m p e g 一2 采用不 同的层和级组合即可满足从家庭质量到广播级质量以及将要播出的高清晰度电视质量l j j 不同的要求，其应用面很广，它支持标准分辨率1 6 ：9 宽屏及高清晰度电视等多种格式， 从进入家庭的d v d 到卫星电视、广播电视微波传输都采用了这一标准。二是改进信道 编码，发展新的数字调制技术，提高单位频宽数据传送速率。如，在欧洲d v b 数字电 视系统中，数字卫星电视系统( d v b s ) 采用正交相移键控调锘j j ( o p s k ) 数字有线电视系 统( d v b c ) 采用f 交调幅调制( q a m ) ：数字地面丌路电视系统就( d v b 采用更为复杂 的编码正交频分复用调 1 0 j ( c o f d m ) 。 与模拟电视相比，数字电视具有以下几个优点1 4 1 ： 1 ) 收视效果好。图像清晰度商，音频质量高，满足人们感官的需求。 2 ) 抗干扰能力强。数字电视不易受处界的干扰，避免了串台、串音、噪声等影响。 3 ) 传输效率高。利用有线电视网中的模拟频道可以传送8 一l o 套标准清晰度数字电视 节目。 4 1 兼容现有模拟电视机。通过在普通电视机前加装数字机顶盒即可收视数字电视节目。 5 ) 提供全新的业务。借助双向网络，数字电视不但可以实现用户自点播节目、自由选 取网上的各种信息，而且可以提供多种数据增值业务。 数字电视虽然在世界上已经风起云涌，但是在我国的百姓中间还属于新鲜事物，针 对数字电视的知识，不能一句话说得明白，9 0 年代曾出现多种具有画中画、倍行和其他 质量的、改进的”数字电视机”，不过这些电视机接收的仍是模拟电视信号，仍处于模拟 传输的模拟系统中，所以只能称为”数字模拟电视机”，并不是真正意义上的数字电视。 1 3 数字电视的基本需求 所谓需求条件，就是设计一个系统所需达到的主要性能要求。只有首先明确系统哪 些需求要满足，才能从技术上寻找对应的或是经过折衷的相对最佳解决方案。对于地面 数字电视广播来讲，首先要求数字电视有足够好的接收性能，在室内采用简单、小型和 低增益无线实现稳定接收。甚至在较强静态和动态多径的环境中，系统仍能够稳定工作。 其次，有足够高的传输码率，以便在单个8 m h z 信道中提供高质量高清喙节目( 大约 2 0 m b p s ) 考虑到数字电视r 后发展的广阔空b j 和业务应用的多样性，对传输容量的需 求不断增长。还要有利于频率规划，使用现有分配的电视频道中传输d t v 节目，实现 和模拟电视节目的同播；当没有额外的频道分配时可使用禁用( t a b o o ) 频道( 由于干扰 过大，不能用于模拟电视的频道) ，并具有和现有模拟电视台相当的覆盖范围。其它的 要求包括：需要先进的信道编码和信道估计方案，以便降低系统c n 门限，以此降低 发射功率，并减少了对现有模拟电视节目的干扰，抵抗各种干扰，失真。高度灵活的操作 模式，通过选择不同的调制方案，系统能够支持固定、便携、步行、手持或移动接收。 易于和其它媒介或服务器的接口，支持多节目业务，能够通过分级调制得到分级服务， 具有交互性。高度灵活的频率规划和覆盖区域，能够使用单频网和同频道覆盏扩展缝隙 填充。而且系统应允许多种成本价格的接收机实现，包括低成本实现等等。总结上述需 求条件，可见d t t b 系统的主要设计目标是实现频谱的高效利用，在保证足够大的数 据传输速率下提供稳定的固定和移动接收能力。在数字电视广播三种方式中，地面广播 2 东南大学磺1 ：论文 是使用最广泛的，特别适用于地域广大、广播网较复杂的国家。但是地面广播信道面临 的干扰最多，也最j 孵重，尤其是多径的时延和幅度的变化速度远比卫星和有线电缆信道 复杂。卫星和有线电缆的广播环境与理想的a w g n 信道极为接近，采用优秀的信道编 码和信号调制方式一般可以使卫星和有线电缆广播系统性能接近理论值。而在地面环境 中，广播的环境显然不满足a w g n 信道，系统能稳定工作的区域有限。再加上地面广 播要求与现有模拟电视广播兼容，大功率非线性发射使相邻频道卸的干扰加剧，对系统 稳定性要求苛刻。因此，在这样恶劣的地面广播环境下，如何设计一个各个功能模块正 常工作的系统，是数字电视地面广播系统的根本技术难点。 1 4 国内外数字电视的发展现状 在国外，总共有三套已经成为国际标准1 5 1 的地面传输系统，分别为美国的a t s c l 6 1 ， 欧洲的d v b t 和同本的i s d b t 。从技术上讲，这三者各有千秋。a t s c 采用m p e g - 2 视频编码标准、杜比a c 3 进行音频压缩信道编码采用r s 码，为提高抗干扰能力还采 用了格状编码( t c m ) 、数据随机化及卷积交织技术，传输方面以地面广播通信为主， 数字调制方式采用8 - v s b ( 8 电平残留边带) 或1 6 - v s b ( 1 6 电平残留边带) 调制方式。 d v b 主要强调图像可分级性，该标准是一个完整的数字电视广播体系d a b 标准规定数 字电视系统使用统一的m p e g 一2 视频、音频和系统复用系统。d v b t 采用c o f d m 调 制方式，该标准形在逐步被世界各国所采用；1 9 9 8 年英国民营广播公司采用d v l 3 - t 制 式，共开通6 个频道，复接为2 0 多个子频道的标准清晰度( s d t v ) 节目。至2 0 0 1 年， 这家公司的用户已有l l o 力；2 0 0 1 年元旦，澳大利亚正式采用欧洲d v b t 制式，在五 大城市播出5 个频道和1 1 个子频道数字电视节目；2 0 0 1 年底德、法、意、比、荷等国 宣布了将联合丌展数字电视地面广播实验，使用的制式是d v b t 。i s d b 标准既传数字 电视节目，又传其他的数据综合业务服务系统，传输信道主要考虑卫星信道信源编码的 视频编码、音频编码及系统复用仍遵循m p e g - 2 标栏“，调制采用o f d m 调制方式 由此可见，o f d m 技术以其优越的性能成为了d t v 的技术核心，而美国之所以采 用单载波技术是由它的平坦的地貌所决定的。中国是一个地形比较复杂的国度，不能简 单的套用这些成熟标准，必须订制出一套适合自己的标准。 在国内，中国地面数字电视传输标准提案主要有：清华大学地面数字多媒体电视广 播传输协议f f d s o f d mb a s e dd m b d ，上海交通大学的高级数字电视广播系统 ( a d t b - t ) ，广播科学院的啊m i 系统。 其中d m b - t 采用了p n 序列填充的时域同步f 交频分复用( t d s o f d m ) 多载波 调制技术，这种独特的先进技术有机地将信号在时域和频域的传输结合起来，在频域传送 有效载荷，在时域通过扩频技术传送控制信号以便进行同步、信道估计，实现快速码字 捕获和稳健的同步跟踪性能。于是成为了国家标准的最初模型。 由于考虑到农村和城市以及不同省市的地貌差异，数字电视国家传输标准兼容了多 载波与单载波方案，并最终于2 0 0 6 年8 月1 8 号由中国国家标准化管理委员会正式发布。 其中的多载波部分就是由d m b - t 演化而来。 东南人学颂i ：论文 1 5 论文内容安排 本文的主要任务是研究数字电视地面传输系统中的同步技术，对于数字电视的地面 接收来说，同步是相当重要的一个环节，根据不同的帧结构，不同的信道模型，必须提 出一种适合的同步方案，才能确保传输的质量。 第二章介绍了数字电视地面传输中最为关键的o f d m 技术，介绍了其数学原理以及 系统构成，o f d m 是多载波传输的精髓所在，在数字通信中运用的相当广泛。 第三章介绍了o f d m 系统中的同步任务，分析了各种非理想的同步对系统接收性能 的影响，然后介绍了一些典型同步算法以及一些协议中所使用的同步方案，并分析了他 们各自的优缺点。 第四章首先比较了d v b - t 标准与中国国家标准的系统帧结构，然后分析其各自的 同步方案，然后仿真了d v b - t 的同步算法，并在此基础上提出了一种基于国家标准的 同步方案。最后把该同步模块整合进数字电视传输系统中，观察其整体性能。 最后总结本文工作提出今后进一步改进的方向和进一步研究的技术问题。 本文的重点是讨论了地面数字电视传输中的同步技术，并基于国标提出了自己的同 步算法 1 0 本章小结 作为全文的绪论，本章首先简要介绍了数字电视的发展史，并与模拟电视相比较阐 述了其特点与优点，然后对国内外数字电视的发展进程作了一个纲要性的回顾，指明了 我国在数字电视领域的发展现状。最后介绍了全文的结构安排以及工作重点 4 东南人学颂i ? 论文 第二章o f d m 系统介绍 o f d m 哺j 的主要思想是将高速串行码流转变成并行的低速码流，调制到等频率间隔 的一组相互正交的子载波上。其基本原理是将总的信道带宽分成多个带宽相等的子信 道，每个子信道单独通过各自的予载波调制各自的信息符号，因此在时域的每个o f d m 符号持续时间比单载波长很多，于是抗多径衰落性能比单载波好很多。另外，o f d m 符 号中引入的保护自j 隔能有效地克服多径信道的延时扩展，消除码问干扰，因此消除了采 用复杂均衡器的必要。 2 1 单载波调制与多载波调制 用一个信号去调制一个载波，并且在一个信道中只有一个载波信号，即一个已调信 号占据了信道的所有带宽。在单载波调制技术中，调制信号改变载波的三个特征：振幅、 频率和相位。在数字调制技术中，相应地为振幅键控( a s k ) 、频移键控( f s k ) 、移相 键控( p s k ) 、正交调幅( q a m ) 和其它的一些调整方法。 多载波调制( m u l t i - c a r t i e rm o d u l a t i o n ，m c m ) 的原理就是将要传输的高速数据流 分解成若干个低速比特流，并且用这些比特流去并行调制若干个子载波。即在频域内将 给定的一个信道分成许多子信道，在每个子信道上使用一个子载波进行调制。一般予信 道之问没有频谱重叠。m c m 本质上可以看作是一种频分复用f d m 调制。多载波调制 的主要优点是具有抵抗无线信道时删弥散的特性。 2 2o f d m 信号 2 2 1 频分复用 在一个通信系统中，一个信道所提供的带宽一般远远大于传送一路信号所需要的带 宽。如果一个信道只用于传输一路信号将是极大的浪费，因此，为了充分利用信道带宽， 提出了信道分配复用技术。所谓的“复用”就是将许多彼此独立的信号合并为一个可在 同一个信道上传输的复合信号的方法，其中按信号所占频率区分的复用称为频分复用 ( 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 d m ) ，而按时倒区分的复用称为时分复用( t i m e d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，t d m ) 。 正交频分复用调制( 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 ，o f d m ) 是一种多 载波调制技术，其予载波之问保持正交性，有重叠。由于o f d m 系统中的载波数量常 达几百，所以在实际应用中不可能象传统的f d m 系统中那样。使用n 个振荡器和锁 相环阵列进行相干解调。直到s b w e i n s t e i n 提出了一种用离散付立叶变换d f t 实现 5 东南大学磺l ：论文 o f d m 的方法，简化了系统实现，才使得o f d m 技术实用化。s b w e i n s t e i n 的核心思 想是将通常在通带实现的正交频分复用信号o f d m 转化为在基带实现，先得到o f d m 的等效基带信号，再乘以一个载波将等效基带信号搬移到所需的频带上。在过去的几十 年中，o f d m 作为高速数据通信的调制方法，在数字音频广播( d i g i t a la u d i o b r o a d c a s t i n g ，d a b ) 、地面数字视频广播( t e r r e s t r i a ld i g i l a lv i d e ob r o a d c a s t i n g 。d v b - t ) 、 无线局域网8 0 2 1 l 和8 0 2 1 6 、非对称数字用户环a d s l 和甚高速数字用户环v d s l 等 方面得到实际的应用。o f d m 技术的主要思想就是在频域内将给定信道分成许多正交 子信道，在每个子信道上使用一个子载波进行调制，而且各子载波并行传输。这样就可 以把宽带变成窄带，解决频率选择性衰落问题。在传统的频分复用f d m 传输系统中， 各个频带没有重叠，频谱利用率低。但o f d m 的各个子载波是相互j 下交的，子载波闻 有部分重叠，所以它比传统的f d m a 提高了频带利用率 2 2 20 f d m 原理 o f d m 的概念诞生于二十世纪五六十年代。图2 1 是基本的o f d m 系统，在发射 端，簖速串行基带码流经过并串变换成为n 路并行的低速信号，然后分别用n 个子载 波进行调制基带码流可以是实数或复数，也就是说，每一路子载波可以采用p a m 、 q p s k 或m q a m 等数字调制方式，不同的子载波采用的调制方式也可以不同。 岫豺 信 害 镶i 丐 d i 映 - - - 9 并 壹 射 换 硝- 数 毽广一 图2 1 0 f d m 系统框图 假设每一路并行信号的符号周期为乃，那么就令子载波间隔矿= l t , 不失一般性， 我们可以把子载波表示为复数形式： 帆( ，) = e j z t a 。，k = o ，l ，n l( 2 1 ) 式中五= 五+ 七可= f o + k i t 。而发射机输出信号为： i v - iv - i d ( f ) = r 七【d ( 七) y ( f ) 】= g e d ( k ) e 。2 后“伍”】 ( 2 2 ) k = 0t 口 东南人学硬i ：论文 容易证明，子载波在符号周期z 内互相正交，即 n w 肛骸： ( 2 3 ) 式中r 为任意常数。利用这个正交性，在理想信道和理想同步下，在接收端我们很容易 推出： a ( t ) = 毒r ：( 蓑d ( 七) 杪( ，) ) 蚧( ，) 出= d ( 后) ( 2 4 ) 这就是说，接收端利用乖交性可以正确地恢复出每个子载波的发送信号，不会受到其他 载波发送信号的影响。 2 3 正交载波与频谱重叠 从本质上说，o f d m 是实现多载波系统的一种新方式。与一般的f d m 信号不同的 是o f d m 由于采用了j 下交的子载波，允许各个子载波频谱重叠，因此可以极大得提高 频谱利用率。下面用最简单的例子来给出o f d m 与单载波频谱以及传统多载波频谱的 比较。假定单载波符号波形也为矩形，o f d m 符号波形为矩形，当子信道个数n = 1 6 时， 两者的频谱比较如图2 2 所示，显然o f d m 的频谱衰减要比单载波系统的频谱快很多。 叩州r 一 j盯_ _ = 一，、j 图2 2o f d m 信号与单载波信号频谱比较( n = 1 6 ) 7 东南人学硬l ：论文 图2 3o f d m 与f d m 信号的频谱比较 假定系统传输速率为rb i t s 的b p s k 信号，o f d m 符号波形为矩形，且只考虑频谱 主瓣。如图2 3 所示，o f d m 系统所用的主瓣带宽为= ( ，+ i ) t ，而传输速率 震= r ，这里r 为o f d m ，f d m 时域符号的长度，且l r 为o f d m 子载波间隔。而对 于f d m 系统，为保证接收端正确区分各个子载波，f d m 个子载波之间的主瓣不能重叠， 所以f d m 的信号主瓣带宽为m = 2 n t ，同样传输速率r = r 。因此当n 趋向于 无穷大时。f d m 系统的所用带宽仍为2 r ，丽o f d m 系统的带宽为 恕脚= 舰( j + d t = 熙旦尹震= 胄，比f d m 系统节约了一半带宽，而两者的信 号速率相同，所以o f d m 系统的频谱利用率= 导是f d m 系统的两倍。另外可以发现， 当n 足够大时，则可忽略o f d m 两端子载波的旁瓣。其带宽近似为n a f ，而系统抽样率 也为n a f ，恰好等于其奈奎斯特抽样率，引起的频谱失真很小。 2 4 用i d f t d f t 实现调制解调 要实现一个o f d m 传输系统，需要一组振荡器产生n 个子载波，接收端也要对n 个载波进行同步。当n 很大时，系统的硬件构成是非常庞大而不经济的。1 9 7 1 年， w e i n s t e i n 和e b e r t 提出将d f t 技术引入到o f d m 系统，使o f d m 系统变得经济实用 对o f d m 的基带信号在符号周期内以z = t n 为自j 隔进行抽样，考虑第，个时隙的 o f d m 码字，得到的离散抽样值为： = 轨。止砖k = 孰2 焉 o n s n - i ( 2 5 ) 可见，对唧( ，) 以z 抽样得到的n 个样值矗 j 下好是 葺j 的i d f t 因此实际的 o f d m 系统都在基带使用i f f t 算法来实现，然后经过低通滤波、d a 转换。如果使用 基带有线传输，如a d s l 中，直接送入传输信道；如果使用无线传输，如d v b d a b 系 统以及w l a n ，则调制到射频载波上发射出去。同样，在接收端，先对接收信号咋( ，) 采 8 东南人学碗i ：论文 样得到岛 ，再对岛，) 求d f t 即可得也， ，即 巧。= j | f n 刍- i ，e 一止，等= 去i d f t ( f , ( 行) ) ( 2 6 ) 其中在接收端乘以系数击目的是保证i f f t 或f f t 交换前后能量一致。由以上推导 ， 可以看出可以用i d f t d f t 来实现o f d m 系统的调制。图2 4 给出了基于i d f t d f t 快 速调制和解调实现的o f d m 系统： 7 奢 j 6 o 、 i 嫩i ， z 丙习 、 l o i - j l 一 x n i _ ( a ) o f d m 调制 髓 r i o y t o精 毯， 一 鞲 样 y u 球 妊r l i 。 z 晕 壤 亡 哥 赢 凸 赢 靼 ， 靶 丹 n iy 州1 妆 ( b ) o f d m 解调 图2 4 基于i d f t d f t 快速调制和解调实现的o f d m 基带系统 2 5 共轭扩展和虚载波 2 5 1 共轭扩展 在o f d m 系统中，传输的数据经过n 点i f f t 变换调制到n 个子载波上，构成一 个o f d m 符号值得注意的是，此时的o f d m 信号是一个复信号，而实际传送的信号 应为实信号。有线通信和无线通信处理这个问题有着不同的方法。无线通信是通过v q 路调制到载频上，如图2 5 所示。而有线通信一般使用频段较低，并不需要载频，因此 在有线通信中采用的方法是把要传输的并且已经经过星座映射的数据共轭扩展成2 n 个 点，然后对这些点做2 n 点i f f t 就产生实际传送的信号，如图2 6 所示。 9 东南人学颂f ：论文 专 i f f r 井 亍 n 申行 争 图2 5 ，无线信道中o f d m 系统调制框图 i f f t 并行， 卫q串行 2 5 2 虚载波 图2 6 ，有线信道中共轭扩展o f d m 系统调制框图 另外一点需要说明的是，经过i f f t 调制的o f d m 信号是数字信号，因此其频谱是 以系统采样率n i t 为周期循环的。为了在带宽有限的信道中传送o f d m 信号，必须对 其进行滤波。 周期性的o f d m 信号频谱图如图2 6 ( a ) 所示。它由n 个子载波频谱组成，子载波间 隔为a f = i t 。因此由于发送出去的信号一般会经过一个带限滤波把信号限定在一定频 带内由于理想的矩形滤波器是不可实现的，必须使用具有一定过渡带的滤波器，最常 使用的是升余弦滤波器在升余弦滤波器的过渡带内，信号有较大的衰落，显然在这个 频带内的子载波是不适合传输数据的。另外，由于在靠近第0 个子载波以及靠近第n - 1 个子载波的部分会出现频谱混叠，因此，同样把频带边界的子载波弃置不用，即o f d m 的子载波群两端都要留出只个子载波作为保护带，这些子载波上的数据簧为零，如图 2 7 所示。 东南人学颈i ：论文 2 6 保护间隔 ( a ) 没有虚载波的数字o f d m 信号频谱 n 个子载波的频谱 ( b ) 数字o f d m 信号通过升余弦滤波器 n 个子载波的频谱 蝉 n l n l 靼 n12 ( c ) 带有2 尸价虚载波的o f d m 信号频谱 图2 7 虚载波的引入 2 6 1 保护间隔的填充形式 在o f d m 系统中，o f d m 信号结构是块结构，每个信号块称为o f d m 符号，它 在时域中由两个部分组成，一个是数据部分，另一个是保护间隔。o f d m 信号块的数 据部分是在频率域定义的。o f d m 信号块的保护间隔是为了抗多径干扰必须有的，其 保护间隔长度一般大于传输多径信号的传播延时。根据o f d m 符号的保护问隔中的填 充信号，有三种定义： ( 1 ) 第一种是是零值填充的( z e r o - p a d d i n g ) 的保护自j 隔( 简称z p o f d m ) ，由于接 收端处理算法稍微复杂，一直没有得到广泛应用，但是由于其他的优点，最近又成为研 究的对象 ( 2 ) 第二种则是被目前广为应用的循环前缀填充( c y c l i c p r e f i x ) 的保护间隔( 简称 c p - o f d m ) ，目前采用o f d m 的传输系统都是采用这种保护间隔。b m u q u c t 等作者己 东南人学磺i j 论文 经证明，具有零填充保护间隔的o f d m 与具有循环前缀( c p ) 保护白】隔的o f d m 在理论 上是等价的 ( 3 ) 在清华d m b t 协议中定义了以p n 序列( p n p a d d i n g ) 为保护白j 隔的o f d m 信号( 简称t d s - o f d m ) 。在d m b - tt d s o f d m 系统中，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。p n 序列在接收端是已知的。进而可被去除，因 而理论上等同为零填充( z e r o - p a d d i n g ) 的保护白j 隔。 ( 2 ) 用于系统同步。p n 序列作为同步序列，被用于实现系统帧同步、频率同步、时 间同步等。 ( 3 ) 用于信道估计和跟踪相位噪声。在接收端可用该p n 序列通过相关计算获得对 于无线信道的时域冲击响应的估计，以及抑制相位噪声。c o f d m 与b s t - o f d m 都是 采用具有循环前缀保护间隔的c o f d m 调制，无论采用c p 或z p 作为保护间隔，它传 递的实际上都是冗余信息，将占用额外的频谱和功率资源。同时为了获得较好的同步性 能，除了使用保护侧隔，还要在频域插入大量导频信号，导频信号大约占数据符号1 0 。 由此可知，t d s o f d m 将保护间隔和导频信号合在一起，可提高大约1 0 的信道容量， 克服了多载波调制系统传输效率低的缺点。 2 8 2 保护间隔的作用 o f d m 子载波上的符号周期比单载波调制扩大了n 倍，但是仍然不能完全消除多 径衰落的影响。在多载波系统中，多径回波不仅使同一载波的前后相邻符号互相叠加， 造成符号闯干扰o s d ，还会破坏予载波f b j 的难交性，造成载波嘲串扰( i n t e r - c a r r i e r i n t e r f e r e n c e ，i c i ) 。这是因为多径回波使子载波的幅度和或相位在一个积分周期瓦内发生 了变化，以至接收信号中来自其它载波的分量在积分以后不再为0 了。解决这一问题的 方法是在每个符号周期上增加一段保护间隔时间a ( g u a r di n t e r v a l ) 。此时实际的符号传 输周期为c = + 。如图2 8 所示，如果保护间隔大于信道冲激响应的持续时间( 即多 径回波的最大延时) ，那么根据卷积的性质可知。前一符号的多径延时完全被保护间隔 吸收，不会波及到当前符号的有用信号周期内。在接收端只需仍在有用信号周期内 进行积分就可以了。 对于o f d m 系统的d f t 实现形式来说，上述方法等效于在发射端n 个i d f t 样 点( 称为一个o f d m 周期或o f d m 符号) 前增加m 个样点的保护间隔，这m 个样点 通常采用o f d m 周期的循环扩展。在接收端首先要去除保护问隔，再对n 点有用信号 进行d f t 变换。 2 衷i ；i 人学磺i ：论文 r 一一 传输总周期f i 一一一 保护问隔a 有用信号周期l 厂、厂、 卜。 敝 信道冲激晌应 图2 8 0 f d m 的保护间隔 下面定量分析保护间隔在多径衰落信道下对o f d m 信号的保护作用。我们把o f d m 的发射信号表示为： 砷一i d ( ，) = r e d , ( k ) e x p j 2 1 r f 。( t - i t , w ) g ( f 一 ( 2 7 ) j o j - 0 式中变量i 表示不同的o f d m 周期，g ( t ) 为矩形脉冲波形，即 删= 麓器， ， 在静态的频率选择性衰落信道下，信道冲激响应为： r i + 吖， 1 l ( ，) = 艺h ，6 ( t - r , ) ( 2 9 ) 其中岛为第1 条接收路径的复包络。f 为回波延时。假设回波延时不超过信号的传输周 期，在所有回波中，落于保护间隔a 内的有m 1 个，超出a 的有m 2 个。即 羞嚣m 芜lm m l 二m 2 ， 【s c x ，= + l ， + ) 、7 那么经过多径信道后，接收机的输入信号应该为： d ( o 2 id ( t r ) h ( r ) d r + n ( t ) ( 2 1 1 ) 式中n ( t ) 为复高斯随机噪声。在第i 个o f d m 周期，接收机完成d f t 变换后的判决结 1 3 末南大学颈l ：论文 果是 z 2 毒西，l 吲印咖一z ；) l a r = 兰 吲。w r l ) + 苫王p 机州叩一五- ) ) 一艺：芝丘玲唰叫一无一歹也二掣止驾妇r ( 业萼止坐m ) kmdi“oj,t：0 5 + 笺薹气，删m z ( r , - t ) - j 塑半当州卫生半型乩 式中第一项为所需信号，第二项为载波问的干扰( 1 c 1 ) 。第三项为o f d m 周期间的干扰 ( 包括同一子载波的i s i 和不同子载波的串扰) 最后一项为随机噪声。由此式可见，时 延小于保护间隔a 的m 1 个回波只决定判决结果的复系数，并不会对判决结果产生破坏。 当所有回波都落在保护问隔之内时，上式简化为： 孑，( i ) ： 兰啊e x p ( 一j 2 疗五f ，) ) z ( 七) + 啊( 七) ( 2 1 3 ) 通常o f d m 信号的每个子载波频带小于信道相关带宽，也就是说每个子载波上的衰落 可认为是平衰落。我们定义 ， = 岛e x p ( - y 2 x f , r , ) k = 0 1 n - i ( 2 1 4 ) ，t 显然，式中的皿就是信道在n 个子载波上的传递函数。如果收端通过信道估计得到准 确的珥，就可以恢复出发端原始信息。 2 6