（通信与信息系统专业论文）cofdm同步问题的研究.pdf

北京科技人学硕十学位论文 摘要 d v b - h ( d i 西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 ，数字视频广播手持式接收) 是基于 d v b - t ，并针对手持终端的数字电视标准，使用该技术可以向使用电池的移动手持终端 ( 包括手机) 同时传送多个视频频道和音频频道。 本课题基于欧洲的d v b - hc o f d m ( c o d e do n h o g o n a f 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 ) ，从移动数字电视的发展、d v b - h 物理层的特性出发，阐述了c o f d m 同步原理，分析了符号、载波频率和采样各个环节同步误差对系统性能的影响，以及研 究了估计符号定时、载波频率偏移和采样定时的算法。 本文的主要工作是c o f d m 系统载波频率同步的研究。由于c o f d m 系统中的 o f d m 符号含有大量的导频信号，采用循环前缀作为保护间隔，所以本文主要研究了在 c o f d m 系统中，采用导频估计整数倍频偏和精小数倍频偏的各种算法以及用循环前缀 在f i t 之前进行粗小数倍频偏的算法。在此基础上，用m a f l a b 成功搭建了c o f d m 收 发平台，并在收发平台上，实现了c o f d m 的频率同步方案。最后，结合c o f d m 特 点，对原有精小数倍频偏算法作出改进。仿真结果表明，改进后的算法具有较好的频偏 估计性能，并且降低了误码率。 本文的主要研究工作包括：阅读相关文献资料，掌握d v i h 系统原理和整体结 构；研究c o f d m 传输方式及特性，用m a a b 搭建c o f d m 物理平台，其中包括加性 高斯白噪声和瑞利衰落信道模块1 分析c o f d m 载波频率偏差对c o f d m 整体性能的影 响；对已有载波频率同步算法进行分析、归纳和总结，对利用连续导频估计精小数倍频 偏的算法进行改进；完成接收端c o f d m 系统频率同步方案的设计；用m a t l a b 实现频 率同步方案，在已搭建的c o f d m 平台上对频率同步方案进行验证。这些对于c o f d m 载波频率同步的后续研究都有较好的参考价值。 关键词：移动数字电视，d v b h ，编码正交频分复用，载波频率同步 北京科技人学硕十学位论文 r e s e a r c ho ns y n c h r o n i z a t i o nt e c h n i q u eo fc o f d m 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 g - h a n d h e l d ) i sb a s e do nd v b - t t h i sl e d m o l o g y e n a b l e st h eb a t t e r yd r i v e nm o b i l eh a n d h e l dt e r m i n a l sh a v et h ea b i l i t yt or e c e i v em u l t i p l e c h a n n e l so f v i d e oa n da u d i o p r o g r a m s t h i sr e s e a r c hf o c u s e so nc o f d m ( c o d e d o r t h o g o n a lf r e q u e n c y d i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ) s y s t e m , w h i c hi sa tp h y s i c a ll a y e ro fd v b - h s t a r t i n gf r o mt h er e s e a r c ho ft h e d e v e l o p m e n to f m o b i l ed j g i t a lt va n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so fp h y s i c a ll a y e ro fd v b - hs y s t e m , t h e nt h es y n c h r o n i z a t i o no fc o f d ms y s t e mi ss t u d i e d , a n dt h ee f f e c t st h es y n c h r o n i z a t i o nj a l t o r b r i n # n gt ot h ew h o l es y s t e ma r ea n a l y z e d t h em a i na l g o r i t h m so ft h et h r e es y n c h r o n i z a t i o n p h a s e s - f r a m e c a r r i e rf r e q u e n c y a n d s a m p l i n g - a r ea l s os t i l d i e d t h i sp a p e rm a i n l yd or e s e a r c h e so nt h ec a r f i e lf r e q u e n c ys y n c h r o n i z a t i o no fc o f d m s y s t e m t h eo f d ms y m b o lo ft h es y s t e mc o n t a i n sal o to fp n o ts i g n a la d d sc i r c l ep r e f i xa s g u a r di n t e r v a l , s ot h er e s e a r c hc ：0 n c e l n st h ea l g o r i t h m so fu s m g p i l o ts i g n a l sa n dc i r c l ep r e f i x m o s t l y b a s i n go nt h a t , t r a n s m i t t e ra n dr e c e i v e ro fc o f d ms y s t e m 疵b u i l tw i t hm a t l a b a n d t h ef r e q u e n c ys y n c h r o n i z a t i o ns c h e m ei sr e a l j z e do nt h es y s t e m f i n a l l y , i m p m v e m e n th a sb e e n m a d e i n t h e f f o ( f i n e f r e q u e n c y o f f s e t ) e s t i m a d o n a l g o r i t h m t h e t , e s u l t s o f t h es i m u l a t i o n a l s o p r o v e t h a tt h e i m p r o v e da l g o r i t h mh a sb e t t e rp c 撕啪锄c c ，a n dr e d u c c st h eb e r ( b i te r r o rr a 哟 t h er e s e a r c ho ft h i sp a p e ri n c l u d e s ：p a p e r sc o l l e c t i o n , c l a s s i f i c a t i o na n da n a l y z i n gf o rt h e n e e do fl e a r n i n gt h et h e o r ya n ds t r u c t u r eo ft h ed v b - hs y s t e m ；t h es i g n a lt r a n s m i t t i n ga n d r e c e i v i n gp l a t f o r mi sb u i l tu s i n gm a t l a b , a w g na n dr a d e yc h a n n e l sa r ea l s oi n c l u d e d ；t h e e f f e c t sb r o u g h tb yt h ec a n i e rf r e q u e n c yb i a si s a n a l y z e d ；a l g o r i t h m so fc a r t i e rf r e q u e n c y s y n c h r o n i z a t i o na i cc o l l e c t e d , a n a l y z e da n dc o m p a r e d , t h e r ei sa l s oi m p r o v e m e n to nt h ef f o e s t i m a t i o na l g o r i t h m ；t h ec o m p l e t ef i e c l u e n c ys y n c h r o n i z a t i o ns c h e m eo f t h ec o f d m s y s t e mi s d e s i g n e da n d 咒a l i z e d b ym a n a bo nt h et r a n s m i t t i n ga n dr e c e i v i n gp l a t f o r m , a n dc o n c l u s i o n sa r e d e r i v e do nt h er e s u l t so ft h es i m u l a t i o n h o p ea l lo ft h e s er e s e a r c hj o b sc a l lb eh e l p f u lt ot h e r e s e a r c ha f t e r w a r d s k e yw o r d s ：m o b i l ed i g i t a lt v ，d v b - h ，c o f d m ， c a r r i e rf r e q u e n c ys y n c h r o n i z a t i o n i i 北京科技人学硕士学位论文 图1 1 系统同步算法框图。 插图或附表清单 图1 2 系统信道估计与均衡框图 图2 1d v l 3 - h 发射系统图 6 6 8 1 0 1 0 1 1 图2 2c ) f t ) m 信号的时域波形 图2 3c ) f r d m 信号的频域波形 图2 , 50 f i ) m 保护间隔示意图 图2 6 导频位置分布图二1 5 图3 1 载波同步与不同步情况的示意图。： 图3 2 信号功率与l a 功率随归的变化曲线 图3 3 定时同步与循环前缀的关系 图3 4 利用保护间隔求符号同步 图3 5 截短的g i 相关 图3 6 落入g i 的粗同步误差 图4 1 载波频率精同步算法。 图4 2 载波频率精同步算法改进 图5 10 f d m 调制器原理图 图5 2o h ) m 解调器原理图 图5 3 发送模块 图5 4 编码后的二进制码流 图5 5 预发送数字信号 图5 6 预发送模拟信号。 图5 7 信道模块4 6 图5 8 信道数据图4 7 越 殂 龙 笱 拍 刀 北京科技大学硕士学位论文 图5 9 接收模块。 图5 1 0 解调后的信号 图5 1 1 采样后信号 图5 。1 2 接收到的数据 图5 1 3 数据分析模块 4 8 4 8 4 9 4 9 图5 1 5 粗小数倍频偏估计与补偿5 1 图5 1 6 整数倍频偏估计与补偿5 2 图5 1 7 精小数倍频偏估计与补偿5 4 图5 1 8 整数倍频偏估计。5 5 图5 1 9 传统算法精小数倍额偏估计。5 6 图5 2 0 改进算法精小数倍频偏估计5 6 图5 2 1 不同信噪比下的b e l l 曲线5 7 图5 2 2 不同信噪比下的m s e 曲线5 7 表2 14 k 模式下c o f d m 频域参数 表2 2 4 k 模式下c o f d m 时域参数 表2 3 t p s 比特定义内容 表5 1 仿真参数设置 1 3 1 6 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，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的研究成果，也不包含为获得 北京科技大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。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做了明确的说明并表 示了谢意。 签名： 日期：碑主垦 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 签名：堆导师签名：王皴日期： 凯7 王吝 北京科技大学硕士学位论文 引言 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，眦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。简而言之，d v b - h 标准就是 依托目前d v 蜀旧传输系统，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。事实上，由于d v b - h 是一种支持多媒体业务的标准，除 了电视业务外它还可以开展电子报纸、电子拍卖、旅游向导、游戏、视频点播和交互等 多种综合性业务。 d v b - h 的物理层采用c o f d m ( 0 d d c do a 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 f i p l c x i a g ) 调制技术，它具有很高的频谱利用率，可以进一步提高抗干扰能力，满足 电视系统的传输要求，并且可以有效地解决多径时延扩展问题。因此，研究d v b - h 中 的c o f d m 技术，是d v b - h 整体系统研究的基础，具有非常重要的意义。 c o f d m 系统中的关键技术主要包括：同步、信道估计和降低均峰比。这些技术直 接影响整个系统的性能。因此，本文重点研究c o f d m 系统中的同步问题，着重讨论了 其中的载波频率同步的算法和实现，并且在仿真c o f d m 收发平台上，对算法加以实现 和比较。 北京科技大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 移动数字电视发展状况 1 1 1 移动数字电视的实现技术介绍 随着便携式多媒体业务的迅速普及，以及数字电视技术和网络的发展，移动数字电 视在国内已逐渐成为一个炙手可热的话题1 1 j 。从目前的应用情况来看，移动数字电视的 实现方式主要可分为以下几种：第一种是基于地面广播的方式，包括欧洲的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 g - h a n d h e l d ) 技术、韩国的t - d m b ( t e r r e s t r i a l - d i g i t a l m u l t i m e d i ab r o a d c a s t i n g ) 技术、以及美国q u a l c o m m 推出的m e d i a f l o 技术等；第二种 是基于卫星传播的方式，包括韩国的s d m b ( s a t e l l i t ed i g i t a lm u l t i m e d i ab r o a d c a s t i n g ) 和欧洲s d m b 技术；第三种则是基于移动网络的3 g p pm b m s ( m u l t i m e d i a b r o a d c a s t m u l t i c a s ts e r v i c e ) 技术和流媒体技术；此外，还有一种很重要的技术是与承载 网络无关的o m ab c a s t ( o p e nm o b i l ea i l i a n o ：m o b i l eb r o a d c a s ts e r v i c e s ) 标准。 1 1 2d v b - h 发展 成立于1 9 9 3 年9 月的d v b ( d i s t a lv i d e ob r o a d c a s t i n g 数字视频广播) 项目组是 在电视广播业中一个市场导向的公开组织。此项目组的目标是建立一个框架，推广基于 m p e g - 2 数字电视服务。习前该项目组包括了来自全球2 5 个国家的2 0 0 多个组织。 d v b 系列标准最早由d v b 项目组在上世纪9 0 年代初提出，其地面广播版本 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 g - t e r r e s t r i a l ) 是在9 0 年代中期开发的，并于1 9 9 7 年2 月获得e t s i ( 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 ，欧洲电信标准委员会) 的认可，成为欧洲地面数字电视广播的标准。目前全球已有5 9 个国家和地区已使用或 采用d v b - t 标准：除了欧洲国家外，还包括：澳大利亚、新西兰、巴西、新加坡等 国。从整体应用情况来看，d v b - t 技术已经非常成熟。 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 g - h a n d h e l d ，数字视频广播手持式接收) 是完全 基于d v b - t ，该技术主要是为了解决向移动手持终端提供数字电视广播业务时，所存 在的功率消耗问题、移动环境中的性能问题以及网络设计的灵活性等问题。 d v b h 的技术规范工作主要由d v b 项目组实施。d v b - h 技术组在2 0 0 2 年9 月正 式启动，2 0 0 4 年1 月技术标准在技术组内部接受，2 0 0 4 年1 1 月经e t s i 批准成为欧洲 的移动电视标准闭。另外，基于d v b - h 的应用层技术( 即i pd a t a c a s t 解决方案) 正由 d v b c b m s ( c o n v e r g e n c e o f b r o a d c a s ts e r v i c e s ) 技术组进行研究和制定。 2 北京科技大学硕十学位论文 目前芬兰、英国、德国、法国、瑞士、美国等国家已经开始了基于d v b - h 的移动 数字电视业务测试，其中芬兰的手机电视业务已进入商业试运营阶段。另外，意大利、 荷兰、瑞典、澳大利亚、中国台湾等地也正在进行d v b - h 测试的准备工作。 手机电视业务为整个产业链提供了非常具有吸引力的机会，但要使这项业务实现， 还需要通信行业、媒体和内容提供商以及广播行业共同努力。耳前，内容提供商、广播 业务提供商、移动运营商以及广播网络运营商正在努力实现该项业务，n o k i a 和其他行 业厂商也正在开发使手机电视成为人们日常生活一部分的技术。 d v b - h 技术通过对d v b - t 技术的改进，实现了对手机等手持式移动终端接收地面 数字广播电视信号的良好支持，包括省电、软切换、移动环境中的抗干扰能力以及灵活 的组网能力等。同时基于d v b - h 的i p d c 解决方案为手机电视的应用提供了一个端到 端的、开放的、标准的解决方案，创造了一个全球的、水平化的市场，使得服务、终端 和网络基础设施的提供方均是一个多厂商的市场。目前n o k i a 正在为全球多个手机电视 试验和商业试运行项目提供端到端的删d c 方案。随着手机电视业务的发展，整个设各 提供方的市场也将蓬勃发展。 从d v b - h 在欧洲、美国等地的运营测试结果来看，d v b - h 作为一项移动数字电视 标准，已经逐渐走向成熟。但是在移动网络和数字广播网络之间进行合作，也还需要有 相关管制政策的支持，使得多媒体内容可以通过各种各样的网络进行传送，为整个水平 市场的各参与方提供平等的机会。另外，通过对广播频段的管理和许可来协调全球范围 内的频段使用，对于移动数字电视业务的发展也非常重要。 1 1 3d v b - h 技术概要 简单地讲，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 能和改进相关技术使手机等便携设备能够方便有效地接收包括数字电视在内的移动多媒 体业务，它是d v b - t 和口数据广播技术的有机结合，以口数据报作为处理对象，通 过多协议封装技术( m p e ) 完成对m 网与d v b - t 网的连接，d v b 。h 的关键技术包 括：多协议封装前向纠错技术、c o f d m 同步、时间分片技术、4k 模式和深度交织、 d v b - h 传输参数信令等。 总结起来，d v b - h 标准具有以下技术特点： 1 ) 采用时间分片技术( t i m es l i c i n g ) 将数据组织在l 以m b i t 的突发脉冲中，通过优 化的电源管理机制可实现在片段之间的大部分时问做节能处理或者邻网监测，从而保持 很低的电池功耗和蜂窝问业务的无缝切换： 3 北京科技人学硕十学位论文 2 ) 增加4 k 模式实现灵活的组网设计，对2 k 和4 k 模式进行深度符号交织，并采 用m p e f e c 前向纠错技术为数据提供额外的纠错功能，提高移动性能和更鲁棒的信号 覆盖； 3 ) 采用口数据广播可以轻松适应手持终端较小的屏幕，引入传输参数信令，实现快 速的服务网络搜索和锁定； 4 ) 具有( 5 、6 、7 、8 ) m h z 灵活的传输带宽和高达1 5 m b s 的传输速率( 基于8 m h z 带宽) ，与d v b - t 系统有良好的兼容性，利用对d v b - t 系统中部分设备的改动 实现良好的性价比。d v b - - h 的系统前端由d h 封装机和d v b - h 调制器构成， d v b - h 封装机负责将口数据封装成m p e g 2 系统传输流，d v b - h 调制器负责信道编 码和调制，系统终端由d v b h 解调器和d v b - h 终端构成，d v b - h 解调器负责信道解 调、解码，d v b - h 终端负责解封装以及相关业务显示、处理。 d v b h 技术由于其对手机等便携设备接收数字广播电视信号的良好支持，同时基 于该技术的解决方案融合了广播网络低成本、高带宽的优势以及移动网络成熟的用户服 务系统和可提供个性化点播服务的优势，已被越来越多的国家和地区所认可m 。 1 1 4d v b h 和3 g 的互补关系 3 g 网络或者通讯网络，它的特点是一对一的网络，所以是点播然后下载服务的一 个过程，收费便利；另外有互动，这是3 g 网络的特点。相反，d v b - h 这样的广播网络 有单到多的优势。不难想到2 0 0 8 年奥运会的时候，用手机就可以看比赛，要在3 g 网 络上大规模同一时间下载，网络将不能承受，而且3 g 、2 g 网络其实不适于做这样的网 络。所以在这种情况下，d v b - h 这样的广播网就有了很大的作用，主要就是即时性， 可以第一时间看到。所以d v b - h 网络和3 g 网络是互补的，如果把这两个功能结合在 一起，其实就形成了一个新的媒体。现在电视只能在家里看，有了移动数字电视可以随 时随地走着看，再加上3 ( 3 网络的反馈信道就变成了互动电视。现在有很初步的互动 性，比如看电视节目就可以用手机投票，这是已经有的业务，是很简单的互动。今后可 以在看电视的同时进入网上讨论区发表评论参与电视节目嘲。 d v b - h 和3 g 并不冲突，其实应该是一个互补的关系。相信更加重要的一个趋势 就是透过d v b - h 这样一个业务来带动别的业务1 7 1 。 1 2d v b h 中的c o f d m d v b h 物理层是以编码正交频分复用c o f d m 为核心技术的1 8 1 ，该标准抵抗宽带多 径衰落和多普勒衰落的能力较强，并具有支持移动接收和单频网应用的能力。 4 北京科技大学硕士学何论文 其技术核心是频域连续周期和离散带内的导频技术，用于同步估计、信道估计和相 位噪声估计等。由于导频信号需要较高的能量，并占用频谱资源，使其白噪声接收灵敏 度和频谱利用率降低。o f d m 技术本身也存在峰均功率比高和对相位噪声相对敏感等问 题【9 l 。 c o f d m 系统中的关键技术包括符号定时同步、载波频率偏移估计以及相干解调中 需要的信道估计等问题。 在无线数字通信系统中，发送机到接收机的传播时延一般是未知的，而o f d m 信号 是以符号形式处理的。符号定时同步就是从接收到的连续信号流中找至i j o f d m 符号准确 的起点以正确进行瞅换。 其次，收、发端的变频器中心频率和相位不可能完全一致，导致收端下变频后的信 号在频域信号上子载波的相位发生翻转，失去正交性，不但会降低予载波上的信号功 率，还会产生载波间干扰( i c i ) 。因此频率同步必须实时估计并校正这个偏移，恢复 载波之间的正交性。此外，收端对接收到的时域连续信号进行采样来恢复原始信号，而 收发两端的采样晶振在频率和相位上一般有差异，从而引入采样钟频偏，这个频偏也是 必须校正的。 c o f d m 系统的符号同步和频率同步部分在系统框架中以f f f 为界分为时域同步估 计、同步控制，频域同步估计。按功能包括符号定时同步、频率同步和采样钟同步三部 分。 符号同步的方法主要是基于保护间隔的符号同步。频率同步还可划分为几部分：粗 小数倍频偏估计、精小数倍频偏估计和整数倍频偏估计。从图1 1 可以看出，同步采用 了反馈环路来实现。 数字信号通过无线信道进行传播，为了让信道对数据的影响减至最小，必须估计出 信道的特性，并利用均衡减少信道的影响。信道估计是在频域进行的，是在时域同步和 频域同步的基础上进行的，主要利用o f d m 符号中的导频信息和多种信道模型来进行。 其框图见图1 2 。 5 一 北京科技人学硕士学位论文 图i , i 系统同步算法框图 图1 2 系统信道估计与均衡框图 从以上的概述可以看出，c o f d m 系统的特点，正是在充分考虑信道的特性及其对 传送数据的影响，同时考虑到接收机实现的可行性、可靠性。帧结构的特点、引入的冗 余数据给算法提供了发挥的空间。数据的冗余会降低有效数据的传输率，同时也能确保 数据正确无误的传输和接收。合理的帧结构，恰当的冗余数据是整个c o f d m 系统完 善、可靠、高效工作的前提。 1 3 论文选题依据 目前，虽然现有的移动数字电视地面传输标准各有优缺点，但是欧洲移动数字电视 地面传输标准( d h ) 作为世界上应用范围最广泛的数字电视传输标准，得到了世界 范围内越来越多的关注。 相对于单载波系统，d v b h 的编码正交频分复用( c o f d m ) 具有更好的抗多径性 能，对地面传输的恶劣信道环境具有更强的抵抗能力，并且可以较为容易的实现移动接 收，组建单频网络，适合于不同的应用场合，具有更广阔的发展前景。 正交频分复用系统中，载波频率同步是其重点与难点之一。因此，对d v b - h 传输 方案频率同步技术的研究具有重大的理论和实际应用价值。 6 北京科技人学硕十学伊论文 1 4 本文主要工作 本文主要任务是研究c o f d m 系统的同步技术，重点是载波频率同步问题。具体 展开如下研究： 1 ) 阅读相关文献资料，掌握d v b - h 系统原理和整体结构； 2 ) 研究c o f d m 传输方式及特性，用m a n a b 搭建c o f d m 收、发物理平台； 3 ) 分析c o f d m 同步偏差对系统性能的影响； 4 ) 对已有c o f d m 同步算法进行分析、归纳和总结，重点研究了频偏估计算法， 对利用连续导频估计频偏的算法进行改进； 5 ) 完成接收端c o f d m 系统载波频率同步方案的设计； 6 ) 用m a a b 实现c o f d m 系统载波频率同步，在己搭建c o f d m 平台上对频率同 步设计进行验证，比较不同信噪比下不同算法估计频偏的正确率，以及整个系统的误码 率，得出结论。 一7 一 北京科技大学硕十学位论文 2 d v b h 物理层 2 1d v b - h 物理层结构 d v b - h 发射机系统主要由信道编码和c o f d m 调制两部分构成，具有2 k 、4 k 和 8 k 三种工作模式。2 k 模式比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。新增加的4 k 模式符号 具有较长的周期和保护间隔，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，虽然这种优化不如8 k 模式的效率高，但是4 k 模式比8 k 模式的符 号周期短，能够更频繁的进行信道估计，提供一个比8 k 更好的移动性能。总之，4 k 模 式的性能介于2 k 和8 k 之间，为覆盖范围，频谱效率和移动接收性能的权衡提供了一 个额外的选项。d v b - h 发射机系统还允许不同级别的q a m 调制、不同的内码码率、 两级的分层通道编码和调制、均匀和非均匀两种星座映射方式、不同长度的保护间隔 1 1 1 1 。 图2 1d v b i t 发射系统图 传 送 舅 天 境 e n e r g yd i s p e r s a l ( 能量扩散) ：利用伪随机序列与输入码流异或对输入数据随机化 处理。 o u t e rc o d e r ( 外编码) ：采用r s ( 2 0 4 ，1 8 8 ) 编码，具有很强的纠错能力，可纠正8 个字节的突发错误。 8 北京科技大学硕士学位论文 o u t e ri n t e r l e a v e r ( 外交织) ：采用1 = 1 2 ， 包中的字节交织后不出现在同一个r s 包中， 错误的能力大大增强。 m = 1 7 的卷积交织，使交织之前在一个r s 与r s 编码配合使信道外编码的纠正突发 i n n e rc o d e r ( 主卷积码) ：采用1 2 卷积码，可以进行收缩而产生2 3 ，3 4 ，5 6 ， 7 8 等多种卷积码率。 i n n e ri n t e r l c a v e r ( 内交织) ；分成两部分，一部分是基于块交织的比特交织，另一 部分是基于随机交织的符号交织( 又叫频率交织) 。 m a p p e r ( 星座映射) ：包括q p s k ，1 6 q a m ，6 4 q a m ，同时映射方式还分为均匀 和非均匀两种。 p t i o i s & t p ss i g n a l s ( 导频及t p s 插入) ；在o b d m 符号中插入一些参考信号，包 括连续导频、分散导频和传输信令参数( 1 p s ) 。导频有助于接收机的载波同步和信道 状态估计，t p s 主要是给接收机提供系统模式和参数。 o f d m ：一般是采用i f f t 实现o f d m 调制，根据实现o f d m 时用的姻f 1 r 点数可 以将d v b - h 系统的工作模式分为2 k 、4 k 和8 k 三种模式。 2 2o f d m 基本原理 o f d m ( 正交频分复用) 技术是在频分复用的基础上发展起来的，是一种无线环境 下的高速传输技术，是一种多载波调制方式【1 2 1 。在传统的频分复用( f d m ) 系统中， 各载波上的信号频谱没有重叠，以便接收机中能用传统的滤波器方法将其分离、提取， 这样做的最大缺点是频谱利用率低，造成频谱浪费。o f d m 技术区分各个子信道的方法 是利用各个子载波之间严格的正交性。它允许子载波频谱部分重叠，只要满足子载波问 相互正交则可以从混叠的子载波上分离出数据信息。当载波间最小间隔等于数据码字周 期倒数的整数倍时，可满足正交条件。为了提高频谱效率，一般取最小间隔等于数据码 字周期的倒数( 1 f r ) 。o f d m 的信号频域和时域分别如图2 2 ，图2 3 所示，每一子载 波的频谱形状均为s i n x x 函数形。 o f d m 系统通过把高速数据流通过串并转换，将高速数据码流变成低速数据码流， 然后调制到各个子载波上( q p s k 或o a m ) ，如将1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 的数据码流经过 串并转换分割成1 0 1 0 、1 0 1 0 、1 0 1 0 、1 0 1 0 四个较低比特数的码流( 称为码字) ，显 然，每个比特数据的持续时间的长度将增加( 是原来的4 倍) ，从而大大减少传输的误 码率。例如，假设某系统码字率( 应该说是符号率，在这里为了和o f d m 的符号区分 开来，所以称为码字率) 为6 9 5 6 5 m b s ，那么其码字长度是：1 6 9 5 6 5 = 0 1 4 3 8 肚s 。如 9 北京科技人学硕十学位论文 用o f d m ( 2 k ) 来调制，则有0 1 4 3 8 x 1 7 0 5 = 2 4 5 1 7 9 a s ，如用8 k 模式则有 0 1 4 3 8 x 6 8 1 7 = 9 8 0 2 8 4 6 a s ，可见码字长度增加了很多。 图2 20 i d m 信号的时域波形 图2 3o f d m 信号的频域波形 ， 由于存在多径接收的原因，无线信道的频率响应曲线，大多是非平坦的，而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，在每个子信道上用一个 子载波进行调制( 采用q p s k 或q a m 调制) ，并且各子载波并行传输，这样，尽管总 的信道是非平坦的，但在每个子信道上进行的是窄带传输( 带宽很窄) ，所以每个子信 道是相对平坦的，从而能抵抗多径引起的频率选择性衰落。 1 0 北京科技人学硕十学位论文 在d v b - h 的c o f d m 系统中，在8 m h z 的射频带宽内等间隔地设置了多个子载 波，如1 7 0 5 个( 为2 k 模式) 或6 8 1 7 个( 8 k 模式) 。这样8 m h z 内就有1 7 0 5 个或 6 8 1 7 个间隔为4 4 6 4 7 k h z 或1 1 1 6 k h z 的子载波，符号长度是2 2 4 # s 或8 9 6 a s 。 原理上，要对一个高码率的数据信号进行o f d m 调制，首先将此数据信号经串并 转换成低码率信号，然后，对各个子载波进行q a m 调制，最后将所有已调的子载波通 过一个加法器加起来，形成一路总合路信号，即0 f d m 信号。在接收端，对o d f m 信 号再进行反变换，就可还原出原数据信号了。 在具体实现o d f m 调制时，不可能产生有严格相位关系的几千个载波和相应的调 制器，实际做法是利用快速富里叶反变换( 珂盯) 原理，依靠高速集成芯片来构成简单 的调制器现在，大部分o f d m 系统结构的核心是一对傅立叶变换输入的比特流经 串并转换，变为n 路并行的分组，每组的比特数为x ( 如2 、4 、6 比特，视采用什么调 制方式而不同，对应q p s k 、1 6 q a m 、6 4 q a m ) ，通过信号映射，将每比特组的4 个 比特的状态映射成1 6 q a m 星座图中相应的点上，产生i ，q 值并用复数表示： q l + j q ，这个复数序列经过哪变换后，得到了由n 个复数组成的矢量集，就 得到正交的时域上的经过o f d m 调制的信号了。 2 3c o f d m 系统帧结构 o f d m 符号 保 护 有用数据 问 隔 t 图2 4c o f d m 系统帧结构 如图2 4 所示，c o f d m 系统中，o f d m 帧定义如下： 1 巨级帧= 2 超级帧； 1 超级帧= 4 帧； 1 帧= 6 8 符号； o f d m 超级数据帧 北京科技大学硕士学位论文 1 符号= 6 8 1 7 个载波( 8 k ) ，3 4 0 9 个载波( 4 k ) ，1 7 0 5 个载波( 2 k ) ； 1 载波= 2 比特( q p s k ) ，或4 比特( 1 6 q a m ) ，或6 比特( 6 4 q a m ) ； 在c o f d m 系统中，有四种类型的子载波【1 4 1 ： 1 ) 数据予载波：用来数据传输； 2 ) 导频子载波：用于信道估计、频率偏移估计； 3 ) 传输参数信令载波( t p s ) ； 4 ) 虚拟子载波： 在有效载波数的基础上，通常会加入一些虚拟载波使其载波总数 达到2 的n 次方。例如：加入虚拟载波以后8 k 模式的总载波数量为8 1 9 2 ，是2 的 1 3 次方，2 k 模式的总载波数量为2 0 4 8 ，是2 的1 1 次方，以方便计算机采用快速傅 立叶反变换，这也是2 k 和8 k 模式名称的由来。在接收机端，通过采用快速傅立叶 变换，解调器可以解调出2 k 或8 k 的o f d m 信号。 c o f d m 信号采用分帧传输方式，每一个帧包含6 8 个o f d m 符号，每4 帧组成一 个超帧嘲。4 k 模式下每个o f d m 符号由k = 3 4 0 9 个载波组成，并且在以t s 为符号持 续期的时间内发射。符号持续期包含两个部分：有用持续期t u 和保护间隔。保护间隔 与有用符号期构成周期性连续段，并且插在有用符号期的前面。除了传输数据，一个 o f d m 帧还包括下述参考信息：分散导频、连续导频、传输参数信令( t p s ) 。导频信息 可以用于帧同步、频率同步、信道估计、传输模式识别，也可以用于相位噪声跟踪。 一个c o f d m 帧的o f d m 符号序号记为0 - - 6 7 。所有符号都包含数据和参考信息。 由于o f d m 信号由若干独立调制的载波构成，因而每个符号可分为由许多单元构成， 每一个单元对应一个载波在一个符号期内调制的信息。相邻载波间隔为1 t 。u 表2 1 4 k 模式下c o f d m 频域参数 频域参数8 1 7 1 恤6 瑚z 载波数 3 4 0 93 4 0 93 4 0 9 最小载波标号k 。 ooo 最大载波标号k 堋3 4 0 83 4 0 8 符号持续时间毛 4 4 8 u s5 1 2 u s5 9 7 - 3 3 3 淞 载波问隔1 五 2 2 3 2 1 4 3 h z1 9 5 3 1 2 5 h z1 6 7 4 1 0 7 h z k 。和k 载波i 、日j 隔 7 6 l m h z 6 6 6 m h z5 7 1 m h z 一1 2 北京科技大学硕十学位论文 表2 2 4 k 模式下c o f d m 时域参数 时域参数8 m h z 信道 有效符号持续时间 4 0 9 6 t 4 4 8 “s 保护间隔比例t , ：r l 4 1 81 1 6 1 3 2 保护问隔持续时间 1 。| 2 盯5 1 z r2 5 6 t1 2 8 t 1 1 2 i 岱5 6 u a2 8 淞1 4 u s 总符号持续时间t 一+ 毛 5 1 2 0 r i 4 1 5 0 盯4 3 5 2 t4 2 2 4 t 5 6 0 埘5 0 4 船4 7 6 u , i t4 6 2 l 巧 o i d m 中，由于存在多径接收的原因，所以存在符号问的干扰当反射信号的延时 时间较长时，反射信号将可能落在有效予载波的位置，造成符号间的干扰，为避免可能 的符号问干扰，采用了在有效符号持续期互的起始部分加入段保护间隔乞的方法， i 的长度可以是t 的1 似、1 8 、1 1 6 或1 3 2 ，瓦一z + 乏是总的符号持续期。o f d m 的 保护间隔示意图如图2 5 所示。 臣丑丑至1 工! 正互目反射波 臣丑丑玉1 工! 卫三国主波 巫 匝 夏 匝! ， l 同步窗口f h 制 图2 5o f d m 保护间隔示意图 图2 5 中表明，在保护间隔i 时间内传输的是t 中最后一部分的内容( 循