（信号与信息处理专业论文）基于dtmb的回波消除算法研究及仿真实现.pdf

摘要 摘要 中国数字电视地面广播标准的出台加速了模拟电视向数字电视的转换，为了 消除信号传输过程中存在的弱信号区，实现数字电视在全国范围的普及，针对中 国数字电视地面广播标准的具有回波消除功能的数字直放站的研究，越来越引起 人们的重视。 所谓具有回波消除功能的数字直放站，是指能够在直放站内部估计直放站外 部耦合信道的传输特性及耦合回波，然后从直放站接收天线接收到的信号中减掉 直放站内部估计的耦合回波，消除直放站因隔离度不够而引入的同频耦合干扰。 相比于传统的直放站，具有回波消除功能的数字直放站优点是可以降低直放站对 隔离度的要求、降低安装复杂度以及有效避免系统自激。 在具有回波消除功能的直放站设计过程中，回波消除器是关键，也是论文研 究的重点，其关键技术包括信道估计算法和回波消除方案。论文针对上述两点进 行展开，工作如下： 一、研究了中国数字电视地面广播标准及无线信道传输特性，产生了用于仿 真实验的数字电视信号源。 二、研究了三种信道估计算法，并进行了m a t l a b 仿真实验。对基于m 序 列循环相关的信道估计算法的改进方案中，通过仿真实验发现在高信噪 比下，改进后的方案在信道估计的均方误差性能上较改进前有明显提 高。 三、研究了两种回波消除方案，参与了基于训练序列回波消除方案的确定， 并对其进行了m a t l a b 仿真实验。仿真结果表明，该方案使信道估计 器在工作过程仍能够跟踪外部耦合信道的变化。 四、完成基于l m s 信道估计算法的d s p 实现，为回波消除算法的d s p 实 现做了初步探索。 本文主要针对信道估计算法及回波消除方案进行了较为深入的研究，并采用 m a t l a b 软件进行仿真、分析，为回波消除器的工程实现提供理论依据。 关键词：中国数字电视地面广播标准，信道估计，回波消除 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t hd 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 t e l e v i s i o nb r o a d c a s t i n g ( d t m b ) i n t r o d u c e d ， c h i n as p e e d su pt h ea n a l o gt vt od i g i t a lt vc o n v e r s i o n i no r d e rt oe l i m i n a t et h e w e a ks i g n a la r e a si nc o m m u n i c a t i o na n da c h i e v et h ep o p u l a r i t yo fd i g i t a lt e l e v i s i o n a c r o s st h ec o u n t r y , p e o p l ep a ym o r ea n dm o r ea t t e n t i o nt ot h e 。d e v e l o p m e n to fd i g i t a l r e p e a t e r sw i t he c h oc a n c e l l a t i o ns y s t e mf o rt h ed t m b t h em a i nf u n c t i o no fe c h oc a n c e l l a t i o ns y s t e m sd i g i t a lr e p e a t e ri st oe s t i m a t e t h ee x t e r n a lc o u p l i n gc h a n n e l st r a n s m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c sa n dc o u p l i n ge c h o ，a n d t h e ns u b t r a c tt h ee s t i m a t e de c h o s i g n a lf r o mt h er e c e i v e ds i g n a l t h u s e c h o c a n c e l l a t i o ns y s t e m sd i g i t a lr e p e a t e rc a nc a n c e li n t e r f e r e n c eo ft h ec o u p l i n ge c h o t h ea d v a n n g eo ft h i sd i g i t a lr e p e a t e rc a nr e d u c et h ei s o l a t i o nr e q u i r e m e n t s ，r e d u c e i n s t a l l a t i o nc o m p l e x i t ya n da v o i dr e p e a t e r ss e l f - e x c i t a t i o ne f f e c t i v e l y i nt h ed e s i g no ft h i sd i g i t a lr e p e a t e r , t h ee c h oc a n c e l l e ri st h es t i c k i n gp o i n t ，a n di t a l s ot h em a i nc o n t e n to ft h es t u d yi nt h i sd i s s e r t a t i o n t h ek e yt e c h n o l o g i e so ft h ee c h o c a n c e l l e ra r ec h a n n e le s t i m a t i o na l g o r i t h ma n de c h oc a n c e l l a t i o np r o p o s a l i nt h i s d i s s e r t a t i o n ，t h em a i nw o r ki sa sf o l l o w s f i r s t ，d t m ba n dr a d i oc h a n n e lt r a n s m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c sa r es t u d i e d d i g i t a l t v s i g n a ls o u r c ei sg e n e r a t e df o rt h es i m u l a t i o n s e c o n d l y , t h r e ek i n d so fc h a n n e le s t i m a t i o na l g o r i t h m sa r es t u d i e da n ds i m u l a t e d i nm a t l a b7 0 1 a n di m p r o v e dc y c l i cc o r r e l a t i o nc h a n n e le s t i m a t i o na l g o r i t h m b a s e do nms e q u e n c e si ss i m u l a t e d s i m u l a t i o nr e s u l ts h o w st h a tt h ei m p r o v e d a l g o r i t h mh a sg o o dm s ep r e f e r e n c ea th i g hs n r t h i r d l y , t w ok i n d so fe c h oc a n c e l l a t i o np r o p o s a l sa r es t u d i e d e c h oc a n c e l l a t i o n p r o p o s a lb a s e do nms e q u e n c e si ss i m u l a t e di nm a t l a b7 01 s i m u l a t i o n sr e s u l t s s h o wt h a te c h oc a n c e l l e rs t i l lt r a c kt h ec h a n g e so ft h ec o u p l i n gc h a n n e li nt h ew o r k p r o c e s s f i n a l l y , l m sa l g o r i t h mi si m p l e m e n t e di nd s p , a n d ap r e l i m i n a r ye x p l o r a t i o ni s m a d ef o rt h ee c h oc a n c e l l a t i o na l g o r i t h m s i m p l e m e n t a t i o ni nt h ed s e i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，c h a n n e le s t i m a t i o na l g o r i t h m sa n de c h oc a n c e l l a t i o np r o p o s a l s i i a b s t r a c t a r es t u d i e da n ds i m u l a t e di nm a t l a b7 0 1 s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h e s e a l g o r i t h m sc a l le s t i m a t ee x t e r n a lc o u p l i n gc h a n n e le f f e c t i v e l y t h e s er e s e a r c h e si nt h i s d i s s e r t a t i o np r o v i d eat h e o r e t i c a lb a s i sf o rt h ee c h oc a n c e l l e r si m p l e m e n t a t i o n k e yw o r d s ：d t m b ，c h a n n e le s t i m a t i o n ，e c h oc a n c e l l a t i o n i i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，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作了明 确的说明并表示谢意。 签名： 盎塞立日期：矽口年朋3 旧 论文使用授权 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：盎嬗导师签名： e t 期：m 年j 明；旧 第一章绪论 第一章绪论 数字电视传输标准共包括地面传输标准、有线电视标准和卫星电视标准三个 标准，其中对数字电视产业影响最大、最重要的标准是地面传输标准。中国数字 电视地面广播( 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 t e l e v i s i o nb r o a d c a s t i n g ，d t m b ) 标 准出台以前，国际上流行的、被国际电讯联盟( i n t e r n a t i o n a l t e l e g r a p h u n i o n ，i t u ) 批准的数字电视地面广播标准有三个，分别为：欧盟的d v b t ( d i g i t a lv i d e o b r o a d c a s t i n g t e r r e s t r i a l ) 标准、美国的a t s c ( a d v a n c e dt e l e v i s i o ns y s t e m c o m m i t t e e ) 标准和日本的i s d b t ( i n t e g r a t e ds e r v i c e sd i g i t a lb r o a d c a s t i n g ) 标准。 1 1 国内外数字电视地面广播标准介绍 d v b t 是欧洲电信协会在1 9 9 6 年6 月正式提出的数字电视地面广播标准， 它是利用地面传输介质进行电视传输的标准，显著特点是采用编码正交频分复用 技术( 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 i n g ，c o f d m ) 。c o f d m 信 号编码调制技术提供2 k 和8 k 两种子载波模式、q p s k 、1 6 q a m 和6 4 q a m3 种 调制方式和4 种保护间隔。通过不同的载波模式、调制方式和保护间隔选项可以 组合产生多种传输模式。d v b t 优点是由于插入大量导频信号，使得系统具有抗 多径能力，支持移动接收，可以组建单频网，即使在楼群密集处或屏蔽的山区也 能良好接收；缺点是频带利用率下降，覆盖面积小【j 】。 同年1 2 月2 4 日，美国高级电视系统委员会( a t s c ) 出台了针对h d t v 为 基础的数字电视地面广播标准f 2 】，a t s c 显著特点是采用格型编码的八电平残留 边带调制系统( t r e l l i s c o d e d8 - l e v e lv e s t i g i a ls i d eb a n d ，8 - v s b ) 。a t s c 标准为具 有导频的单载波传输系统，是a m 技术的发展，针对固定接收，频谱利用率高， 信道估计及均衡很难跟踪时变信道，所以不支持移动接收。a t s c 的显著优点是 传输容量大，噪声门限值低，易接收、覆盖范围广；缺点是不能跟踪快速变化的 动态信道，抗多径和抗干扰依赖于复杂的自适应均衡器，容易造成不稳定接收。 2 0 0 1 年，日本i s d b t 标准被正式纳入世界数字电视传输国际标准。i s d b t 标准【l - 2 】采用频带分段传输正交频分复用技术( b a n d w i d t hs e g m e n t e dt r a n s m i s s i o n o f d m ，b s t - o f d m ) ，它是在欧洲编码正交频分复用基础上做了部分改进，采用 电子科技大学硕士学位论文 的o f d m 载波调制适应6 、7 、8 m h z 的带宽，并把带宽进行分段传输( b a n d w i d t h s e g m e n t e dt r a n s m i s s i o n ，b s t ) 。为了满足不同的业务需求，对不同的b s t 使用 不同的编码类型和调制映射方式，能够较好的支持固定接收和移动接收。 i s d b 标准的两个显著特点是频谱分段传输和强化移动接收，它们是日本根 据本国国情及产业发展状况，通过对地面数字电视体系参数进行分析、优化组合 后得出的结论。 为了适应我国广播电视数字化发展的需求，保护我国相关电视产业的利益， 更有效地利用有限的无线频谱资源，自2 0 世纪9 0 年代初，我国就组织展开了数 字电视地面广播传输体制和标准的研究工作。经过多年的研究，终于在2 0 0 6 年8 月出台了具有自主知识产权的中国数字电视地面广播标准( 下面简称“d t m b ”) 。 d t m b 的核心技术是时域同步的正交频分复用技术( t i m ed o m a i n s y n c h r o n o u 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 ) ，即采用p n 序列取代循环前缀作为保护间隔，能够更快的实现同步。它突破了之前国际数字 电视地面广播传输标准中流行的编码正交频分复用的技术壁垒，并在技术、性能 上超越了它。2 0 0 9 年在古巴、秘鲁及委内瑞拉等南美三国的对比测试中，d t m b 较其他三大数字电视地面传输标准全面领先。 1 2 课题的来源及研究的意义 我国幅员辽阔、传输环境复杂，通信网络不可能达到无缝连接。想要快速实 现数字电视、移动多媒体广播的全面覆盖，对于信号传输过程存在的弱信号区、 一些偏远地区及用户数目不是很多的信号盲区，架设模拟或数字基站成本太高， 基础设施也较为复杂；基于成本和传输条件的考虑，提供一种成本低、架设简单、 却具有小型基站功能的直放站是十分有必要的。 近年来，各种信号传输纷纷从“模拟”转换到“数字”，因此直放站的数字化 也被列入到各厂商的计划中。同传统的模拟直放站相比，数字直放站的抗干扰能 力强，可以通过通信过程中脉冲的有无来判断信息的存在与否，只要噪声绝对值 不超过设定的门限值，就可以判断脉冲的有无。 对于传统的直放站而言，如果收发天线间的隔离度不够大，输出天线的部分 信号会泄露到输入天线，影响通信质量，严重时会导致系统自激【3 1 。而具有回波 消除功能的数字直放站能够避免自激问题的产生，降低直放站对隔离度的要求， 极大的降低工程的安装费用，提高设备的稳定性，具有高增益、高功率、高稳定 第一章绪论 性和易维护的特点。 具有回波消除功能的数字直放站的基本原理是可以自动检测反馈信道的传输 特性，在直放站内部产生对外部反馈信道输入的干扰信号的估计值，然后从直放 站接收天线接收到的信号中减去估计信号，实现回波消除的目的。 目前，在具有回波消除功能的数字直放站方面，韩国处于领先状态，国内京 信、国人等几个大的直放站厂家也在进行该方面的研究。具有回波消除功能数字 直放站框图如图1 1 所示，主要由以下模块组成：接收信号的射频( 1 心) 接收子 系统( 包括预选器、低噪放大器、射频滤波、模拟下变频) 、模数转换子系统( 包 括模数( ，d ) 采样、数字下变频( d d c ) ) 、基带数字信号处理子系统( f p g a d s p 中实现干扰抑制) 、数模转换子系统( 包括数字上变频( d u c ) 、数模( d a ) 转 换) 和射频发射子系统( 包括模拟上变频为射频信号、功率放大) 处理等，其中 本文主要关注基带数字信号处理子系统模块。该模块的主要作用是估计外部反馈 信道的传输特性和反馈回波，然后从接收到的信号中剔除估计的反馈回波，这也 是具有回波消除功能的数字直放站同传统直放站的差别，因此信道估计算法及回 波消除方案的研究是十分重要的。 一一，一一一一一一一一一一一一一一一一一、 v 瞰谳 、秒 耵接收天线重发磁耵 鬻h 鬻子系统l i 子系统 基带数字信号 处理子系统 f f p g a d s p 中实现干扰抑 制) 数模转换j 1 射频发射 子系统广- 1 子系统 图1 1 具有回波消除功能的数字直放站系统框图 1 3 论文研究内容与结构安排 信道估计算法及回波消除方案是具有回波消除功能的数字直放站的重要组成 部分。本文围绕适用于d t m b 标准的具有回波消除功能的数字直放站的关键技术 进行展开，主要包括信道估计算法、回波消除方案设计，以及对基于l m s 信道 电子科技大学硕士学位论文 估计算法的d s p 实现进行初步探索。 本论篇章设计如下： 第一章简要介绍了目前国内外流行的四大数字电视地面广播标准及本论文课 题来源及研究意义。 第二章详细介绍了d t m b 定义的数据帧、信号帧结构及特点，无线信道传输 特性及用于仿真实验的符合d t m b 标准的信号源。 第三章研究了目前用于信道估计的三种主要算法，分别为基于m 序列相关的 信道估计算法、基于重构的信道估计算法和基于l m s 自适应算法的信道估计算 法。基于相关的信道估计算法又包括滑动相关的信道估计算法和循环相关的信道 估计算法，针对基于m 序列循环相关信道估计算法的改进方案，仿真表明在高 信噪比下，改进后的算法在信道估计的均方误差性能上较改进前有明显提高。此 外，本章还对上述三种信道估计算法在信道估计的均方误差性能、计算量等方面 做了比较。 第四章介绍了两种回波消除方案，分别为基于训练序列的回波消除方案和基 于增益控制的回波消除方案，并对基于训练序列的回波消除方案进行了m a t l a b 仿真实验。此外，本章还利用v i s u a l d s p + + 4 5 软件平台，采用c 语言初步探索了 基于l m s 信道估计算法的d s p 实现。 第五章是对全文的总结及展望，分析了本文的主要研究成果，并对未来需要 进行改进的工作进行了分析与展望。 4 第二章d t m b 标准及无线信道传输特性 第二章d t m b 标准及无线信道传输特性 2 0 0 6 年8 月，中国出台了具有自主知识产权的中国数字电视地面广播标准一 m 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( 英文 简称d t m b ) 。作为强制性的国家标准，d t m b 支持传统的电视广播服务和扩展 的广播电视服务；支持固定接收和移动接收：支持多频网和单频网两种组网模式； 支持多业务的混合模式h 。 本章主要介绍了d t m b 标准中规定的信号帧结构及无线信道传输特性，并产 生了用于m a t l a b 仿真实验的信号源。 2 1d t m b 标准介绍 2 1 1d t m b 数据帧结构 日帧 ( 2 4h ) 0 1 1ili 1 1 4 3 1 l lli 。l 一? 一2 4 ：0 一0 i 一譬 一号 一l i 一 l 锄 图2 - 1d t m b 数据帧 d t m b 中的数据帧结构如图2 1 所示，自下至上分别为信号帧、超帧、分帧 电子科技大学硕士学位论文 和日帧，数据帧与自然时间同步，且具有周期性。从2 1 图可以看出信号帧为 d t m b 标准中数据帧的基本单元，由帧头和帧体两部分构成。为了满足不同的应 用场合，d t m b 标准定义了三种帧头模式，三种帧头长度不同，对应的帧体长度 均为3 7 8 0 ，构成信号帧的长度也不相同。 2 1 2 帧头 同其他数字电视地面广播标准相比，d t m b 标准最显著的特点是采用伪随机 序列( p s e u d on o i s e ，p n ) 作为保护间隔。在数字通信中，m 序列是最常见的二 进制p n 序列。在m 序列中，“l ”的数目比“0 ”的数目多1 ，其自相关函数近似 于万函数，功率谱近似于平坦的连续剖5 1 。由于1 t i 序列的这些特性，在d t m b 标 准中，帧头既可以用于信道估计又可以用于帧同步。 为了满足不同应用场合的需要，d t m b 给出了三种帧头模式，分别对应 p n 4 2 0 、p n 5 9 5 、p n 9 4 5 ，均采用线性反馈移位寄存器( l i n e a rf e e d b a c ks h i f t r e g i s t e r ，l f s r ) 实现，其中p n 4 2 0 和p n 9 4 5 分别通过循环扩展的8 阶和9 阶m 序列构成，p n 5 9 5 采用1 0 阶的m 序列截短而成，三者的l f s r 对应的生成多项 式如下所示。 g 8 ( x ) = 1 + x + x 5 + x 6 + x 8 g 1 0 ( x ) = 1 + x 3 + x l o g 。( x ) = l + x 2 + x 7 + x 8 + x 9 ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) 以帧头模式1 为例，对应的p n 4 2 0 信号结构如图2 2 所示，它由一个前同步 码、一个8 阶的m 序列和一个后同步码构成，其中前同步码和后同步码均由8 阶 m 序列的循环扩展构成，前同步码长8 2 ，后同步码长8 3 。 = ，二一蒜i 、= li i ；。8 3 个簪号_ j ； 8 阱；毒釜 j ：后同步瓯+ + | 前同费硎 i ；| l l | ii | l 图2 - 2p n 4 2 0 结构 根据( 2 1 ) 式所示的8 阶m 序列的生成多项式，其对应的l f s r 框图如图2 3 所示，图中d l ，d 2 ，d 8 表示l f s r 的初始相位，c 1 ，c 8 表示连线情况。d t m b 中定义了两种p n 4 2 0 模式，一种是定相位的p n 4 2 0 模式，一种是变相位的p n 4 2 0 6 第二章d t m b 标准及无线信道传输特性 模式。定相位的p n 4 2 0 模式是指构成每一信号帧帧头的m 序列均采用相同的初 始相位，即国标定义的序号为0 的初始相位；而变相位的p n 4 2 0 模式是指构成超 帧的2 2 5 个信号帧帧头的m 序列的初始相位均不同，根据m 序列的相关性，d t m b 选出了2 2 5 种使得相邻序号产生的m 序列相关性最小的初始相位。 二进制 输出 图2 - 38 阶r n 序列l f s r 结构 产生的4 2 0 个二进制符号作为单极性基带信号的代码，在实际的基带传输系 统中，容易积累直流分量，可能造成信号严重畸变。按照d t m b 标准的要求，将 ”0 ”映射为1 ，将”1 ”映射为”一1 ”，实现单极性码到非归零的双极性码的转换， 然后将”+ 1 ”、i - 1 ”的实数码元按照i 路、q 路相同的4 q a m 调制成复数符号。所 谓i 路、q 路相同的4 q a m 调制是将”l ”映射为”1 + ，”，将”一1 ”映射为- 1 - j ，同 时将i 、q 两路信号幅值置为4 5 。此时，符合d t m b 标准的帧头星座图如图2 4 所示。 i - 43 2 10 4 234 同相分量 图2 - 4 帧头星座映射图 7 4 3 2 ， o o 之 4 4 捌隶杈h 电子科技大学硕士学位论文 2 1 3 帧体 2 1 3 1 加扰 由于长“0 ”串或长“l ”串不利于定时信号的提取，可能导致收发双方的失 步，因此输入的二进制码元需要进行随机化处理。d t m b 标准采用1 5 阶的线性 反馈移位寄存器产生的二进制伪随机序列作为扰码，其生成多项式如( 2 4 ) 式所示， 将输入的码流与产生的扰码逐位模2 加，即对数字电视信号进行加扰处理。l f s r 的初始相位为1 0 0 1 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 ，在每一帧信号的初始时刻扰码器的初始相位需 复位，l f s r 的结构框图如2 5 图所示。 g 1 5 ( x ) = 1 + x 1 4 + 一5( 2 4 ) 初始相位10010i01000000 0 图2 5 扰码器组成框图 2 1 3 2 前向纠错 由于数字信号在传输过程中容易受到干扰的影响，使信号码元波形变形，使 得接收端发生错误判断，因此需要对加扰后的码元进行纠错编码，d t m b 标准中 的前向纠错采用外码( b o s e c h a u d h u r i h o c q u e n g h e mc o d e ，b c h 码) 和内码( l o w d e n s i t yp a r i t y c h e c k ，l d p c 码) 级联实现。b c h 码是以发明这种码的三个人 “b o s e c h a u d h u r i h o c g u e n g h e m 的名字来命名的，是应用较为广泛和有效的一 种纠错编码1 5 。国标中定义的b c h ( 1 0 2 3 ，1 0 1 3 ) 是能纠正单个错误的本原b c h 码，其中“1 0 1 3 ”，代表每组二进制信息码元的数目，“1 0 2 3 表示编码组的总位 数，即码长，信息位在前，监督位在后，其生成多项式! t l ：l ( 2 5 ) 式所示。 g b c h ( x ) = l + x 3 + x ( 2 5 ) b c h ( 1 0 2 3 ，1 0 1 3 ) 编码的信息码是由2 6 1 个比特0 和长度为7 5 2 的输入数 据流组成，编码后获得1 0 2 3 个比特码( 信息位在前) ，然后剔除前2 6 1 个比特0 ， 实现b c h ( 7 6 2 ，7 5 2 ) 编码，最后将获得的7 6 2 个比特码作为l d p c 编码的信息 码。 l d p c 码是一种准循环低密度的奇偶校验码【6 】( q c l d p c ) ，l d p c 码可由它 第二章d t m b 标准及无线信道传输特性 的奇偶校验矩阵来定义。若校验矩阵中大部分元素为零，则该校验矩阵为一稀疏 矩阵，低密度奇偶校验码就是这样一个稀疏矩刚7 1 。 l d p c 编码的生成矩阵由( 2 6 ) 式所示，其中i 是b x b 维的单位矩阵，0 是b x b 维的零矩阵，而g u 是6 6 维的循环矩阵，0 f 尼一1 ，0 c 一1 。需要注意 的是，b c h 编码信息位在前，监督位在后，而l d p c 编码的信息位在后，监督位 o 、 征月o g 侧= g o o g 1 o ： g - 1 o g o 1 g 1 ，l ： g “1 g o 。一1 10 0 g 1 。一l 0i 0 g 一1 。一1 00 i ( 2 6 ) 为了满足不同应用场合的需求，d t m b 标准定义了3 中不同码率的l d p c 编 码，编码效率分别为0 4 、0 6 、0 8 ，对应的f e c 编码分别为f e c ( 7 4 8 8 ，3 0 0 8 ) 、 f e c ( 7 4 8 8 ，4 5 1 2 ) 、f e c ( 7 4 8 8 ，6 0 1 6 ) ，三者对应( 2 6 ) 式中的k 、c 、b 三个参 数不同，但是都需将l d p c 编码后的前5 个校验删除。 2 1 3 3 星座映射 对应模拟调制中的调幅、调频和调相，数字调制中有幅度键控( a s k ) 、移频 键控( f s k ) 和移相键控( p s k ) 三种【8 】，是指用数字数据调制模拟载波信号。一 般情况下载波信号用下( 2 7 ) 式表示，其中口( f ) 表示载波幅度，矽( f ) 表示载波相位， 心表示载波频率，同相分量a ( t ) c o s ( 疹( t ) 用，( f ) 表示，正交分量a ( t ) s i no ( t ) 用q ( t ) 表 示。 s 三a 口o ( t ) c c 。o s s 妒心( t 7 ) + c o 矿s w c 3 t 一口u ) s i n 矽( f ) s i n 心f ( 2 7 ) = 一口( f )矽( f ) 心f 、7 在带宽有限的通信系统中，必须采用高进制的调制来传输信息，如果仅用幅 度、频率、相位来携带信息，星座图上的星座点将会仅仅分布在一条直线或者一 个圆上，并不能充分利用信号平面。而正交幅度调制( q u a d r a t u r ea m p l i t u d e m o d u l a t i o n ，q a m ) 在保证最小欧式距离的前提下，增加平面内星座点数目，正 交分量q 用纵轴表示，同相分量i 用横轴表示。 2 1 3 4 交织 在数字通信中，为了避免接收信号因传输过程中受到的各种干扰而产生错误， 9 电子科技大学硕士学位论文 需要采用信道编码和交织来提高系统的性能。通常情况下，纠错编码可以纠正随 机的错误：而交织技术可以抵抗突发错误。交织的作用就是打散信道中连片的突 发错误，减轻信道编码的纠错压力：解交织技术就是在接收端通过与交织相反的 处理，恢复数据的顺序，这样通过交织与解交织技术就可以将一条突发错误信道 转换成一条随机错误信道【9 舢】。 d t m b 标准定义了时域符号交织和频域交织两种交织技术，其中时域符号交 织是在多个信号帧的数据块间进行的。为了适应不同的应用需求，d t m b 标准定 义了两种交织模式，交织深度分别为2 4 0 、7 2 0 ，交织宽度均为5 2 ，分别存为1 7 0 、 5 1 0 个信号帧的总延迟。 频域交织仅适用于多载波模式，为帧体内的符号交织，目的是将星座点符号 映射到帧体包含的3 7 8 0 个子载波上，结合其后的i f f t 算法，有效避免了码间串 扰，使o f d m 信号具有更强的抗衰落能力和抗干扰能力。 2 1 3 5 帧体数据处理 d t m b 标准规定复接系统信息符号的数据必调制到c 个子载波上才能成为 帧体，帧体占用7 5 6 m h z 的射频带宽，2 k h z 的载波间隔。若复接后的数据符号 用x ( k 1 表示，帧体数据处理后的数据符号用f b ( k ) 表示，则当c = l 时，即单载 波模式时，帧体时域信号可表示为： f b ( k ) = x ( 七) k = 0 ，1 ，3 7 7 9( 2 8 ) 当c = 3 7 8 0 时，即多载波模式时，帧体时域信号为： f b ( k ) ：( 1 厄) 艺x ( 聆) p 口翮石k ：o ，1 ，3 7 7 9 ( 2 9 ) 函 2 2 无线信道 2 2 1 无线信道传输特性 由于信号在传输过程中受到周围环境的影响，通过遮挡、反射、吸收后以不 同的路径到达接天线，导致接收信号在时延、相位、振幅上存在差异，使得信号 产生衰落。此外，如果接收机、发射机之间存在相对运动或信道环境存在变化， 信道特性会随时间变化【1 1 】。总而言之，信号在无线信道中传输可能受信道衰落、 时变、多径的影响。 1 0 第二章d t m b 标准及无线信道传输特性 2 2 1 1 衰落 无线信道的衰减作用主要体现在三个方面，分别为路径损耗、阴影衰落和小 尺度衰落( 快衰落) ，其中前两者相对于后者又被称为大尺度衰落【1 2 】。 路径衰落主要是指接收机与发射机之间实现远距离传输时，由于信道中干扰 物的影响，导致传输信号功率下降。 阴影衰落主要是指传输信号受电磁场中场强的影响而产生的衰落现象，符合 对数正态分布。 小尺度衰落主要是指收发机在数个波长范围传输时，传输信号通过不同路径 到达接收端，由于时延、相位的差异，导致叠加后的信号在幅度上产生增强或衰 减，从而引起信号功率的急剧变化。 2 2 1 2 时变性 无线信道的时变性主要是由发射机、接收机或信道中其他物体的运动引起的， 主要体现在多普勒扩展和相干时间两个参数上【1 3 】。 当发射机和接收机存在相对运动时，接收信号就存在频率偏移。当两者相向 运动时，接收信号的频率高于发射频率；反之则低于发射频率。若发射信号频率 为五，发射机与接收机间的相对运动速率为v ，相对运动方向与电磁波入射方向 夹角为矽，光速为c ，则频率偏移量力用( 2 1 0 ) 式表示。接收到信号的频谱将存在 五一乃石+ 石的频谱分量，接收信号多普勒频谱上不为0 的部分称为多普勒扩 展，用岛表示。若传输的基带信号带宽用e 表示，则当饬 忍时，此时的无线 信道被称为快衰落信道，反之被称为慢衰落信道。 六= f o - c o s ( 2 1 0 ) c 相干时间z 与多普勒扩展成反比，是用来描述频率色散的时变特性。若发射 信号的基带符号周期为c ，则当z t o 时，表示在一个基带信号周期内信道会发 生改变，导致接收信号产生失真。与多普勒扩展类似，当z z 时，无线信道为 快衰落信道，反之为慢衰落信道。 2 2 1 3 多径 在无线通信中，发射信号在传输过程中会受环境的影响，通过不同路径到达 接收端。当收发机间的方位角为随机分布且统计独立时，即没有直达波且存在大 量反射波时，则接收信号的包络符合瑞利分布( r a y l e i g h ) ；相反，若收发机间存 在较强的直达波，则符合莱斯分布( r i c e ) 。通常情况下，距离基站较远的地区符 电子科技大学硕士学位论文 合瑞利分布，较近的地区符合莱斯分布。 2 2 2 仿真信道模型 c o s t2 0 7 作为传统的信道模型，它主要应用于窄带无线传输系统，如g s m 系统，它占用2 0 0 k h z 的信道带宽，而数字电视地面广播带宽约为8 m h z 。因此 c o s t2 0 7 信道模型不适合用于数字电视地面广播系统【1 4 】。19 9 9 年末到2 0 0 0 年初， 经过广泛的场地测试，巴西提出了自己的多径信道模型1 2 ，它是目前在数字电视 地面广播系统中被广泛应用的信道模型，此外还有中国的c t d 8 信道模型【1 5 】。 表2 1 、2 - 2 给出了巴西a e 信道模型和c t d 8 信道模型的信道参数，若信 道符合瑞利衰落，多普勒频移尼= 0h z ，初始相位为0 ，输入信号采样时间 z = 1 3 2 x 1 0 5 秒( 1 7 5 6 m h z ) 时，巴西a - - e 及c t d 8 信道模型时域信道冲激 响应幅值特性曲线如图2 - 6 所示。 表2 1 巴西a e 信道参数 径1径2径3径4径5径6 巴西a幅度d b o一1 3 81 6 2- 1 4 91 3 61 6 4 时延邮 oo 1 52 2 23 0 55 8 65 3 9 巴西b幅度d b 01 2 04 07 o1 5 02 2 o 时延u s oo 3 03 54 4 09 5 01 2 7 0 巴西c幅度d b 2 803 80 12 51 - 3 时延邮 o0 0 8 90 4 1 91 5 0 62 3 2 22 7 9 9 巴西d幅度d b 0 13 82 61 3oo 时延邶 0 1 5 o 6 32 2 2 3 0 55 8 65 9 3 巴西e幅度d b ooo 时延峪 o12 表2 - 2c t d 8 信道参数 路径幅度d b 时延雌 o1 81 8 1 oo 22 0o 1 5 32 01 8 41 05 7 5o3 0 1 2 第二章d t m b 标准及无线信道传输特性 ( a ) 巴西a ( c ) 巴西c ( e ) 巴西e ( b ) 巴西b ( d ) 巴西d 。 一一一i 一一一一4 一一一一l 一一一一 。 一一一f 一一一一j 一一一一l 一一一 _-_ - 。- 一一一1 一一一一r 一一一 一 _ ：= - 一i j 一一 l 一一一4 一一一一一一一一 5 01 1 5 02 0 02 5 03 0 0 n ( f ) c t d 8 图2 - 6 巴西a e 及c t d 8 信道冲激响应幅值 粤孽詈皇掣1 c 童 粤馨( u ) 姆馨，暑 电子科技大学硕士学位论文 2 3 仿真数据产生 如文献 1 5 所述，在实验室仿真过程中，数字电视地面广播信号可按图2 7 产生。以帧头模式1 为例，帧头长度m = 4 2 0 ，采用i 、q 相同的4 q a m 调制。 帧体数据采用随机产生的“o ”、“l ”数据，采用4 q a m 调制，多载波传输时， q a m 映射后的符号还需通过串并转换，再通过i f f t 变换，将星座映射后的符号 调制到3 7 8 0 个子载波上，然后复接帧头信号，再通过并串转换形成符合d t m b 要求的信号源。需要注意的是帧体信号的平均功率应为帧头信号平均功率的2 倍。 帧数hp n 产生器 多载波 串并转换 i 、q 相同的q a m 调制 单载波 图2 7 仿真信号产生框图 并串 转换 图2 8 帧头星座图图2 - 9 帧体星座图 根据图2 7 产生的通过i 、q 相同的4 q a m 调制的帧头星座映射图如2 8 所示， 4 q a m 调制的帧体星座映射图如图2 - 9 所示，信号源时域幅值特性曲线如图2 1 0 所示。在实际应用中，由于频谱资源有限，为了不影响其他频带信号，上述信号 1 4 第二章d t m b 标准及无线信道传输特性 源还需通过成形滤波器模块，对信号频谱加以限制，成形后的信号频谱特性如图 2 - 1 1 所示。 g ；! m w - m u 。 r j r i i ，* i i i “ 。- 。i 。 2 i 漾：誊_ 图2 1 0 信号源时域幅值特性曲线幽2 - 1 1 成形厉信号频谱特性 24 本章小结 本章首先介绍了d t m b 标准及无线信道传输特性，然后介绍了用于数字电视 地面广播系统的信道模型，最后通过m a t l a b 仿真产生了符合d t m b 标准要求 的信号源，为后续章节的展开提供了基础。 电子科技大学硕士学位论文 第三章信道估计算法研究及性能仿真 如前一章所述，d t m b 标准中规定直放站发射数据以“p n 序列+ o f d m 数据 的形式存在，其中p n 序列作为保护间隔，防止符号间干扰( i n t e rs y m b o l i n t e r f e r e n c e ，i s i ) ，同时p n 序列也作为训练序列，可用于信道估计和帧同步。 目前基于p n 序列的信道估计算法主要有三种：第一种是用本地存储的m 序 列和接收到的