（通信与信息系统专业论文）cmmb接收机关键技术研究.pdf

东南大学学位论文独创性声明删嬲 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 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 并表示了谢意。 研究生签名：主选睦邀 日期： l 口、口l 。2 3 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本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。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括以电子信息形式刊登) 论文的全部内容或中、英文摘要等部分内容。论文 的公布( 包括以电子信息形式刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：；缝照醯导师签名： 氆籀 饺r 7 l ，7 l f 期：翌 ! ：二! ：兰 摘要 摘要 c m l 、仍标准是我国自主研发的移动多媒体广播技术标准，由于o f d m 技术具有 频谱利用率高和对抗多径衰落能力强等诸多优势，所以它c m m b 标准采用o f d m 技 术作为物理层的调制技术，同时由于l d p c 优异的抗噪性能，所以c m m b 标准采用 l d p c 码作为信道编码来提高系统的接收能力。本文研究c m m b 系统接收机的关键技 术，具体是c m m b 系统的信道估计技术和l d p c 译码技术。 本文首先介绍了o f d m 系统的基本原理，通过对o f d m 系统基带模型的分析导 出c n 但系统信道估计的理论基础，之后详细介绍了c m m b 系统物理层各模块和帧 结构。 接下来本文研究了各类典型的适用于c 煳系统的信道估计技术。先是基于同 步信号的辅助信道估计，。然后是基于离散导频的m m s e 信道估计、频域插值拟合信道 估计和传统d f t 信道估计，之后本文提出了基于d f t 的时域弥散抑制信道估计算法。 其性能稳定，在降低噪声的影响及抵抗长时延信道方面均有明显优势。 接下来本文介绍了l d p c 码并说明了c m i 、但系统中u ) p c 码的特点和优势。之 后介绍了几种b p 类译码算法，并通过仿真比较它们的性能。 最后本文对已经完成的工作做了总结并对今后更深入细致的研究指出的几个可能 的方向。 关键词：移动多媒体广播正交频分复用信道估计l d p c 译码 i 一 a b s 奸诎 a b s t r a c t c 肥蛐( 啪i sc m a sm o b i l em 山缸e d i ab r o a d c 缄i n gt e c l l i l o l o g ) rs t a n d 莉d u e t oi t sl l i g l ls p e c 讯me 街c i e n c ya 1 1 ds 仃o n ga b i l i t ) rt oc o m b a tm u l t i p a mf i a d i n ga n dm a n yo t l l e r a d v 嬲t ；a g e s ，o f d mi sa d o p t e di 1 1c m m bs t a l l d a r d ，a i l dd u et 0t h ee x c e l l e n tp e r f o n n a j l c ef o r c o m b a t i i l gc h a n n e ln o i s e ，l d p ci sa d o p t e di l lc m m b i l l t h i sm e s i s ，m ek e yt e c l l l l o l o g yf o r c m m b r e c ：e i v e r m a i n j yc h a 衄e le s 血1 a t i o na 1 1 dl d p cd e c o d i n & a r ci n v e s t i g a t e d t h eb a s i cp r i n c i p l e so fo f d ms y s t e m sa n dm e o 巧o fc h 锄n e le s t i m a t i o ni nc m m b s y s t e ma r ep r e s e n t e d ，a n dt h e i l p h y s i c a ll a y e rs p e c i f i c a t i o no fc m m ba r e 血r o d u c e di n d e t a i l c h 锄舱le s 缸碰o na 1 9 0 甜l m sf o rc 加bs y s t e m ，妣l u d i n g 也e 舢m i a r yc h 锄l e s t i n l a t i o nb a s e d0 ns y n c h r o i l i z a t i o ns i 朗a 1 ，加s ec h 锄e le s t 曲a t i o i l ，c h a i l 】le s t i i i l 撕0 n b a s e d0 n 能q u e n c yd o m a i n 砥印o l a t i o na 1 1 dn 砌i t i o i “d f tc l 姗l e le s t i l i l a t i o na r e i n v e s t i g a t e d ad f t - b a l s e dd i s p e r s i o n邺r e s s i o nc h a l 】n e le s t i m a t i o n a 1 9 0 r i n m i i s p r o p o s e d t h es i i n u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a td f t b a s e dd i s p e r s i o ns u 印p r e s s i o nh 勰s t a b l e r p e r f o 珊a 1 1 c ea 1 1 da d 咖g e i i lr e d u c i n gt h ei r i l p a c to fn o i s e 锄dr e s i s t i r 培m ec h 锄e l 谢t 1 1 l o n gd e l a y l d p cd e c o d i n gi si r l v e s t i g a t e d v a r i o u sb pd e c o d i n ga l g o r i t h m sa r ei n t r o d u c e d 证d e t a i l a n d 也e i rp 豇f o m a n c ea r ec o m p a r e dt 1 1 r o u 曲s i 功【u l a t i o m k e y w o r d s ： c m m bo f d mc h a n n e le s t i m a t i o nl d p cd e c o d i n g 目录 目录 摘要i a b s 们c t i i 目录i i i 插图目录v i i 第1 章绪论1 1 1 移动多媒体广播介绍l 1 2c m m b 系统接收机技术概述2 1 2 1o f d m 系统信道估计技术概述2 1 2 2l d p c 译码技术概述3 1 3 主要工作与章节安排3 1 3 1 论文主要工作及意义3 1 3 2 论文章节安排一4 第2 章c m m b 系统物理层技术简介5 2 1o f d m 系统基本原理5 2 1 1o f d m 技术基本思想6 2 1 2o f d m 系统基带模型7 2 2c m m b 物理层技术9 2 2 1c m m b 系统物理层模型1 0 2 2 2c m m b 系统帧结构和信号分布图案：1 4 2 3 本章总结l7 第3 章c m m b 系统的信道估计1 9 3 1 基于同步信号的辅助信道估计1 9 3 1 1 利用同步信号的l s 信道估计2 0 3 1 2 利用同步信号的d f t 信道估计2 l 目录 3 1 3 利用同步信号估计信道时延2 5 3 1 4 利用同步信号估计噪声功率2 6 3 1 5 仿真结果与分析：2 6 3 2 基于离散导频的m m s e 信道估计算法2 9 3 2 1 离散导频处的m m s e 信道估计算法3 0 3 2 2 数据子载波处的m m s e 信道估计算法。3 1 3 2 3 仿真结果与分析3 3 3 3 基于离散导频的频域插值拟合信道估计算法3 4 3 3 1 线性插值算法3 4 3 3 2 高斯插值算法。3 5 3 3 3 三次样条插值算法3 6 3 3 4 奇异值分解插值算法3 7 3 3 5 仿真结果与分析3 8 3 4 基于离散导频的d f t 信道估计算法4 8 3 4 1 满频系统的经典d f t 信道估计算法4 8 3 4 2c m m b 系统的d f t 信道估计算法4 9 3 5 基于离散导频的改进d f t 信道估计算法5 1 3 5 1 基于d f t 的时域弥散抑制算法。5 1 3 5 2 仿真结果与分析6 3 3 6 本章小结。6 8 第4 章c m m b 系统的l d p c 译码。6 9 4 1c m m b 系统的l d p c 码介绍6 9 4 2c m m b l d p c 码的b p 译码算法一7 1 4 2 1b p 译码算法7l 4 2 2l l rb p 译码算法7 4 4 2 3u m pb p - b a s e d 译码算法7 5 日求 一_ 4 - 2 4n o n i l a l i z e db p b a s e d 译码算法及o 凰e t b p - b a l s e d 算法7 6 4 3 仿真结果与分析7 7 4 4 本章小结7 9 第5 章全文总结81 5 l 完成的工作8l 5 2 展望81 致谢8 3 参考文献8 4 v 插图目录 插图目录 图2 一lo f d m 系统基带模型8 图2 2c 删b 广播信道物理层逻辑信道1o 图2 3c 删b 发射机物理层功能框图lo 图2 4 字节交织与r s ( 2 4 0 ，k ) 编码1 1 图2 5 比特交织1 2 图2 6 基于时隙划分的帧结构1 5 图2 7c 删b 系统的0 f d m 符号信号分布图案1 6 图3 1b 向量的值2 2 图3 2o 2 0 4 7 范围内c i r 的估计值2 3 图3 3o 4 0 范围c i r 的估计值2 3 图3 4 基于同步信号的d f l 信道估计2 5 图3 5 估计同步信号有效子载波上的信道频域响应2 8 图3 6 估计o f d m 符号有效子载波上的信道频域响应。2 8 图3 7 估计噪声功率2 9 图3 8t u 6 信道下离散导频处信道估计3 3 图3 9 静态瑞利信道下离散导频处信道估计3 4 图3 一l ot u 6 信道( 无多普勒频偏，理想同步) 下三种插值算法的n m s e 性能3 9 图3 1 1t u 6 信道( 无多普勒频偏，理想同步) 下三种插值算法的b e r 性能4 0 图3 1 2 静态瑞利信道( 无多普勒频偏，理想同步) 下三种插值算法的n i s e 性能4 0 图3 1 3 静态瑞利信道( 无多普勒频偏，理想同步) 下三种插值算法的b e r 性能4 1 图3 1 4t u 6 信道下( 无多普勒频偏、无噪声、理想同步) 0 f d m 符号有效子载波的c f r 4 2 图3 1 5t u 6 信道( f d = 1 0 0 h z ，理想同步) 下三种插值算法的n m s e 性能4 2 图3 1 6t u 6 信道( f d = 1 0 0 h z ，理想同步) 下三种插值算法的n m s e 性能4 3 i 插图目录 图3 1 74 0 u s 大延时等强两径信道( 理想同步) 下三种插值算法的n m s e 性能4 3 图3 一1 84 0 u s 大延时等强两径信道( 理想同步) 下三种插值算法的b e r 性能4 4 图3 1 94 0 u s 大延时等强两径信道( 无噪声、理想同步) 下o f d m 符号有效子载波的 c f r 。4 4 图3 2 0t u 6 信道( 无多普勒频偏、同步提前) 下三种插值算法的n m s e 性能4 5 图3 2 1t u 6 信道( 无多普勒频偏、同步提前) 下三种插值算法的b e r 性能4 5 图3 2 2 静态瑞利信道( 无多普勒频偏、同步提前) 下三种插值算法的n m s e 性能4 6 图3 2 3 静态瑞利信道( 无多普勒频偏、同步提前) 下三种插值算法的b e r 性能4 6 图3 2 4t u 6 信道( f d = 1 0 0 h z 、同步提前) 下三种插值算法的n m s e 性能4 7 图3 2 5t u 6 信道( f d = 10 0 h z 、同步提前) 下三种插值算法的b e r 性能4 7 图3 2 6 满频系统经典d f t 信道估计算法4 9 图3 2 7 弥散向量a 的幅值5 3 图3 2 8o 4 0 9 5 范围内h 幅度的估计5 3 图3 2 98 0 1 2 0 范围内h 幅度的估计5 4 图3 3 07 6 8 点离散导频导致的弥散向量a 的幅值5 5 图3 3 10 4 0 9 5 范围内h 估计值的幅度5 5 图3 3 28 0 l2 0 范围内h 估计值的幅度5 6 图3 3 3c e l 所使用的离散导频资源5 8 图3 3 4c e 2 所使用的离散导频资源5 8 图3 3 5 连续时间信道的等效离散时间信道6 2 图3 3 6t u 6 信道( 无多普勒频偏，理想同步) 下d f t 算法的n m s e 性能6 4 图3 3 7t u 6 信道( 无多普勒频偏，理想同步) 下d f t 算法的b e r 性能6 4 图3 3 84 0 u s 大延时等强两径信道( 理想同步) 下d f t 算法的n m s e 性能6 5 图3 3 94 0 u s 大延时等强两径信道( 理想同步) 下d f t 算法的b e r 性能6 5 图3 4 0t u 6 信道( 无多普勒频偏、同步提前) 下三种d f t 算法的n m s e 性能6 6 图3 4 lt u 6 信道( 无多普勒频偏、同步提前) 下三种d f t 算法的b e r 性能6 6 v t n 插图目录 图3 4 2 无信道时延估计的d f t 信道估计算法的n m s e 性能6 7 图3 4 3 无信道时延估计的d f t 信道估计算法的b e r 性能6 7 图4 11 2 码率c 姗b l d p c 码校验矩阵7 0 图4 23 4 码率c 删b l d p c 码校验矩阵7 0 图4 3 上面4 6 校验矩阵对应的t a n n e r 图7 1 图4 4l 2 码率l d p c 的译码性能7 8 图4 53 4 码率l d p c 的译码性能7 8 第l 章绪论 1 1 移动多媒体广播介绍 第l 章绪论 移动多媒体广播是指通过卫星和地面无线广播方式，在移动便携手持式终端上， 实现随时随地接收音视频广播电视节目和信息服务等业务。不同于通过3 g 网络或计 算机网络来提供流媒体视频和数据业务的单播方式，移动多媒体广播可以实现大量用 户对同一音频视频和数据业务的同时接收。因此，它没有用户容量限制。 移动多媒体广播于2 0 0 1 年2 月首先于新加坡出现，全国共建设8 个发射台，在 1 5 0 0 辆公交车上安装了移动电视设备，为1 5 0 万人提供服务。韩国则在d a b 技术基 础上率先开发出t - d m b 标准，之后又和日本一起推出s d m b 标准，在世界范围首先 引入卫星移动多媒体广播的概念。2 0 0 5 年，t - d m b 技术和s d m b 技术在韩国都实现 了商用化。在日本，不仅s d m b 技术实现了商用化，而且移动广播机构也推出自己 的标准i s d b t 。在欧洲，多个国家都进行了基于d v b h 标准的移动多媒体广播试验 和商用，同时一些国家也进行了t - d m b 的试播和商用。美国则力推高通公司研发的 m e d i af l o 技术。 目前，国际上比较成熟的移动多媒体广播标准包括：欧洲的d v b h 标准、韩国 的t - d m b 标准、美国的m e d i a - f l o 标准、日本的i s d b - t 标准以及日韩的s d m b 标 准等。另外，我国的c m m b 标准也受到国际上的广泛关注。 2 0 0 6 年1 0 月2 4 日，中国国家广播电影电视总局正式颁布了中国移动多媒体广播 c m m b 系统的广播信道行业标准g y 厂r2 2 0 1 2 0 0 6 移动多媒体广播第一部分：广 播信道帧结构、信道编码和调制【l 】，传输技术采用我国自主研发的s t i m i ( s a t e l l i t e t e r r e s 仃i a li n t e e a c t i v em u l t i s e i c e1 1 1 f h s t m c m 】r e ) 标准。之后广电总局陆续 颁布了其他部分的标准，目前为止，c m m b 标准已经正式颁布并实施了共十个部分的 标准。 c m m b 系统利用同轨大功率s 波段的双星实现全国覆盖，利用地面增补转发器同 频同时同内容地转发卫星信号覆盖卫星信号盲区，利用u 波段地面无线发射来构建城 市u 波段地面覆盖网络，利用地面移动通信网络来构建回传通道，从而组建了“天体 一体的移动多媒体广播网络。c m m b 采用时隙成帧技术来支持终端省电。采用先进 的l d p c 码来提高系统的接收能力，采用信标来实现快速同步，还通过逻辑信道技术 来实现业务的灵活组合。其中，在物理层，c m m b 系统与其他国际主流的多媒体标准 最大的不同是它采用先进的l d p c 码作为内码。 东南大学硕士学位论文 1 2c m m b 系统接收机技术概述 为了对抗信道的多径衰落，c m m b 系统在物理层采用o f d m 调制技术；为了提 高系统的抗噪性能，c m m b 系统采用l d p c 码作为信道编码。信道估计和l d p c 译码 作为c m m b 系统接收机的两项关键技术，直接影响并决定了接收机最终的性能。 1 2 1o f d m 系统信道估计技术概述 如果o f d m 系统【4 】- 【6 】采用差分调制，那么接收端不用做信道估计也能从相邻信 号的差异中获得信息。但是相干检测相对差分检测可以获得3 d b 的性能增益【7 】，因此 o f d m 系统一般采用相干检测，那么在接收端做信道估计就成为必须了。 o f d m 信道估计主要分为两大类：基于导频的信道估计【8 】【3 3 】和盲信道估计 【3 4 】- 【3 6 】。基于导频的信道估计需要在o f d m 符号中插入一定的导频占用系统一定的 频带资源，盲信道估计直接利用信号和信道本身的特性来做信道估计，无需占用系统 的频带资源但是计算复杂度大且性能不如前者。考虑到目前工程实际运用和c m m b 系统本身特点，所以本文仅对基于导频( 梳状结构) 的信道估计做介绍。虽然导频图案、 功率分配和导频数目的最佳设计【8 】- 【1 2 】很重要，但因为本文限于篇幅及针对特定的系 统，所以不做介绍和研究。 如果导频是梳状分布的，那么首先需要将导频处的信道频域响应估计出来，然后 据此将数据处的信道频域响应估计出来。算法大概有三类：基于m m s e 准则信道估计 【1 3 】- 1 9 】、频域插值拟合信道估计【2 0 】- 【2 4 】和基于d f t 的信道估计 2 5 】- 3 3 】。 基于m m s e 准则的信道估计需要信道的二阶统计特性并且运算复杂度很大 【1 6 】【1 7 】。由于信道的二阶统计特性本身并非先验已知的，在接收端需要通过估计得到， 信道二阶统计特性的估计质量直接关系到m m s e 信道估计的性能，此外，再加上巨大 的运算复杂度，所以m m s e 信道估计在实际系统中很少使用。频域插值拟合的信道估 计由于其算法相对简单运算复杂度低实现简单而受到了重视。最简单两种算法是分段 常系数插值和线性插值【4 】 2 3 】。但是，在频域选择性信道中，为了获得满意的估计性 能就需要更多的导频。如果知道信道的频域或者时域( 多普勒频偏) 的一些统计特性， 那么就可以使用高阶的多项式插值来更精确地估计无线信道【2 3 】 2 4 】。另外，基于d f t 的信道估计由于其在低信噪比信道环境下的出色性能也得到了研究。基于d f t 的信道 估计首先将导频上的信道频域响应变转换到变换域，然后在变换域将那些功率大的系 数保留而将那些功率细微的系数去掉，这样可以提高信道估计的性能，特别是在信噪 比较低的情况下。不过需要注意的是，由于去掉的系数通常不完全是由噪声引起的， 所以这样的操作会带来信道估计的性能底限，特别是在边缘子载波上( 虚拟子载波附近 的有效子载波) 13 1 3 0 】。 2 第1 章绪论 1 2 2l d p c 译码技术概述 1 9 6 2 年g a l l a g e r 在其博士论文l o w - d e i l s 时p 撕y c h e c k 中首次提出l d p c ( l o w d e 璐时p a r i y c h e c k ) 码的概念，并且提出了详细的译码方法。虽然g a l l a g e r 已经在 其论文中证明l d p c 码是具有渐进性能的好码，但是由于技术水平的限制( 主要是硬件难 以满足对校验矩阵的存储) ，l d p c 码被认为不是实用好码，加之l d p c 码提出不久，f o n e y 等人提出了级联码，人们普遍认为级联码更有希望在性能和复杂度上取得好的平衡，所 以l d p c 码在此后的几十年里几乎被遗忘了。知道发现1 、曲。码之后，人们才从中得到启 发重新发现了l d p c 码。 l d p c 译码方法主要分为b f ( b i t - f 1 i p p i n g ) 系算法【3 7 】- 4 0 和b p ( b e l i e f p r o p a g a t i o n ) 系算法 4 5 】- 【5 2 】。b f 算法是硬判决算法，计算复杂度很低，但是译码性能不理想。 w b f ( w - e i g h t e db i t - f l i p p l i n 曲采用信道的软信息对比特翻转判决加权，改善译码性能， 后来在w b f 的基础上又出现了k l f w b f 【3 7 】、l p w b f 【3 8 】、i m w b f 【3 9 1 及 砒0 w b f 【4 0 】等很多改进的算法。这些改进算法都是致力于优化比特翻转的权重从而获 得更好的译码性能。1 9 9 9 年，m a c l 琵l y 和n e a l 将b p 译码算法引入到l d p c 码中【4 6 】， 其良好的译码性能马上收到了重视。同年被f o s s o r i e r 等人简化为u m pb p - b a l s e d 算法 ( 也被称为m i l l s u m 算法) 【4 8 】，该算法大大简化了校验节点处消息的迭代运算，使得整 个译码过程只有加减等简单运算，不过相比标准b p 算法，其译码性能有明显下降。 在此基础上，2 0 0 2 年，j c h e n 提出了n o n l l a l i z e db p b a s e d 算法 4 9 】和o 凰e tb p - b a s e d 算法【5 0 】，相比u m pb p - b a s e d 算法，该两种算法分别只增加了一个归一化因子和偏移 因子，在运算量增加极少的条件下使得译码性能能与标准概率b p 算法相当接近，大 大提高了工程实用性。此外，b p 译码算法还有其他的改进 5 l 】 5 2 】。 1 3 主要工作与章节安排 1 3 1 论文主要工作及意义 本文研究c m m b 接收机的关键技术，内容包括c m m b 系统的信道估计和c m m b 系统的l d p c 译码，以信道估计为重点。采用理论研究和计算机仿真相结合的方式， 主要完成了以下三方面工作： 深入地分析和比较了各类o f d m 系统中基于导频的信道估计算法，并且将这些 算法运用于c m m b 系统。然后，在c m m b 标准第七部分要求的测试信道下作了 仿真，结合仿真结果分析了各类信道估计算法运用于c m m b 系统的优缺点。 针对c m m b 系统本身的特点，提出了基于d f t 的时域弥散抑制的信道估计算法。 3 东南大学硕士学位论文 由于该算法考虑到了虚拟子载波的存在所导致的频谱泄露给时域冲激响应带来 的弥散作用，所以它相比于基于d f t 的噪声门限阈值算法显著地提升了性能。 介绍了c m m b l d p c 的概率b p 译码算法及其改进算法，通过仿真分析比较了它 们的性能。 1 3 2 论文章节安排 本文分为五章，各章主要内容简述如下： 第一章：首先介绍了论文的研究背景，包括移动多媒体广播的兴起与发展和世界 主流移动多媒体广播标准的比较。然后，交代了本文主要的工作和章节安排。 第二章：介绍了c m m b 系统物理层技术。由于c m m b 系统采用o f d m 技术， 所以先介绍了o f d m 系统的基本原理，然后介绍了c m m b 系统的物理层模型和帧结 构以及信号分布图案。 第三章：研究了c m m b 系统的信道估计算法。考虑到c m m b 系统的信号分布图 案，本文仅关注基于导频的o f d m 系统信道估计技术。同时考虑到c m m b 系统虚拟 子载波的存在，本文提出了基于d f t 的时域弥散抑制算法，显著地改善了信道估计性 能。 第四章：介绍了c m m b 系统的l d p c 译码算法。首先介绍了c m m b 系统l d p c 码的特点，然后介绍了c m m b l d p c 码的b p 译码算法及其改进算法。 第五章：对全文做了总结，并对c m m b 接收机关键技术的下一步研究做了简单 展望。 4 第2 章c 啪系统物理层技术简介 第2 章c m m b 系统物理层技术简介 由于c m m b 系统物理层采用了o f d m 调制技术，可以说c m 儡系统本身也是 一个o f d m 系统。本文通过对o f d m 系统基带模型的介绍导出c m m b 系统信道估计 的理论基础，之后介绍了c m m b 系统物理层各模块及基本功能，最后介绍了c m m b 系统的帧结构和信号分布图案。 2 1o f d m 系统基本原理 o f d m 技术最早起源于2 0 世纪5 0 年末期的军事高频通信系统中的频分复用。传 统的频分复用( f d m ) 系统使用单载波来调制，虽然可以通过缩短符号周期来提高数据 速率，但是这样反而会遭受更严重的符号间干扰。另外，为了便于带通滤波器的实现， 传统的频分复用系统需要在各子带之间留出一定的保护频段，这样导致了频谱利用率 的降低。这些都限制了传统的频分复用技术的发展。1 9 5 7 年d o e l z 等人实现了一种特 殊的多载波( m u l t i c a 而e r ) 系统，提出了一种使各频率上信号在一个符号周期内正交的频 分复用技术。1 9 6 6 年r w c h a n g 提出了一种可以完全消除符号间干扰( i s i ) 和载波 间干扰( i c i ) 的正交信号多载波传输方案，并于同年为这种o f d m 结构申请了专利。 但当时o f d m 系统的实现非常复杂，需要用到大量的子载波振荡器和相关解调器，代 价高昂。1 9 7 1 年s w b 豳t e 证a n dp e b e r t 提出了可以用离散傅里叶变换来实现o f d m 基带系统的调制与解调，而此时离散傅里叶变化已有快速算法，这样就大大降低了 o f d m 系统实现的复杂度。1 9 8 0 年a p e l e d ，a r u i z 首次在o f d m 符号间用循环前缀 ( c p ) 来代替空白的保护间隔，从而使时域上的线性卷积信道近似为循环卷积信道， 频域上每个子信道上都变成了平坦衰落信道，大大简化了o f d m 系统的均衡。理论上 讲，当循环前缀长度大于信道最大时延的时候，不但o f d m 符号间干扰( 1 s i ) 没有 了，就连o f d m 符号子载波间干扰( i c i ) 也大大降低了，在多普勒频偏较小的情况 下，子载波间干扰也变得很小。1 9 8 5 年c i m i l l i 首先将o f d m 技术运用于移动通信中， 分析了移动信道中o f d m 技术面临的信道时延、频率选择性衰落、限幅和同信道干扰 等问题并提出了解决方法。关于o f d m 技术发展的综述可以参考 2 】。 由于在移动通信中存在诸多优势，2 0 世纪8 0 年代以来，o f d m 技术已经被数字 音频广播( d a b ) 和诸多的移动多媒体广播标准所采用。目前，o f d m 技术和f d m a 技术结合在一起形成o f d m a ，解决了o f d m 系统的多用户接入问题，被3 g 长期演 进( l t e ) 采用，同时0 f d m 技术也被认为是4 g 的关键技术之一。 5 东南大学硕士学位论文 2 1 10 f d m 技术基本思想 o f d m 技术的基本思想是：将高速数据流分解成n 个较低速率的子数据流然后将 子数据流调制到单个o f d m 符号周期内正交的n 个子载波波上，使得每个子载波上 数据的持续时间即o f d m 符号长度大大长于原来高速数据流的符号长度，这样可以有 效地对抗无线信道的多径传播，并且由于子载波上信号的频谱都相互重叠，因此提高 了频谱利用率。 设o f d m 射频信号为： s ( f ) = r e d ( 七弘伽印) 七譬o = r e p 伽力d ( 尼弘伽刖 = r e p 7 2 8 口s o ) ) ( o r c ) ( 2 1 ) 其中，n 为单个o f d m 符号所包含的子载波个数，k 为子载波序号，d ( k ) 为第k 个子 载波所承载的频域信号，五= z + 尼t ，以为第k 个子载波所在的射频频率，z 为 o f d m 射频信号的载频，e 为单个o f d m 符号的长度，s ( r ) 为s ( f ) 的等效低通信号。 那么s ( f ) 的采样信号为： s 唔驴篓m 沙砌讲册 m ) ) ( 2 2 ) 显然，可以由 d ( k ) ) 序列经i d f t 运算得到s e t ) ，然后通过d a c 和低通滤波 v 器可以得到等效低通信号s ( f ) ，再之后通过上变频得到射频信号s ( f ) 。 相比传统的频分复用技术，o f d m 技术拥有许多突出的优势： ( 1 ) 通过将高速的数据流分解成多个低速子数据流，大大拓展了符号长度，所以o f d m 技术可以有效地对抗无线信道的多径传播，减轻符号问干扰( i s i ) 。再通过在 o f d m 符号间插入保护间隔，符号间干扰可以有效消除。如果用长于信道最大时 延的循环前缀代替空白的保护间隔，那么不仅符号间干扰可以完全消除，o f d m 系统的均衡极大简化，连o f d m 符号的子载波间干扰( i c i ) 也可以大大降低。 ( 2 ) o f d m 子载波上的信号频谱相互交叠，系统的频谱利用率高。 ( 3 ) o f d m 调制和解调可以通过i d f t 和d f t 来实现，两者均有快速算法。 6 第2 章c m m b 系统物理层技术简介 ( 4 ) o f d m 系统可以通过调整系统参数比如使用不同的子载波数来支持上下行链路不 同的数据传输速率。 ( 5 ) o f d m 系统可以有效地对抗窄带干扰，因为窄带干扰只能使少数部分子载波上承 载的频域信号受到深衰落，这个可以通过信道编码来纠正。 ( 6 ) o f d m 方案支持单频网覆盖，可以节约宝贵的频率资源。 同时，o f d m 技术也有一些缺陷： ( 1 ) 对频率偏差很敏感。 由于无线信道的时变性而导致的无线信号的频谱偏移，或发射机与接收机本地振 荡器之间存在的频率偏差等都会使o f d m 系统的子载波之间的正交性遭到破坏，导致 子载波上信号的相互干扰。 ( 2 ) 存在较高的峰均功率比 多个子载波上信号在时域上叠加，因此叠加信号的瞬时功率有可能远远超过它的 平均功率，导致较大的峰均功率比，这将导致非常低的射频功放效率和昂贵的发射机 成本。 2 1 20 f d m 系统基带模型 o f d m 基带系统框图如图2 1 所示： 设单个o f d m 符号的子载波数为n ，符号周期为t ，采样间隔为i n ，为使各子 载波之间保持正交性，子载波间隔选为= l 乃。并设 鼍。) 为第n 个o f d m 符号频 域上的数据信号和导频信号，其中导频信号用于估计信道频域响应； 靠，m ) 为 以，。 的n 点i d f t 变换，也即是第n 个o f d m 符号的n 个等效低通采样值； 埘 为接收 端的第n 个o f d m 符号的n 个等效低通采样值， k ，。 为 只，。) 的n 点d f t 变换。 7 东南大学硕士学位论文 图2 一lo f d m 系统基带模型 一个完整的o f d m 系统通常都会有信道编码，用于纠正传输过程中比特流里的随 机错误；而交织的作用在于将信道中产生的突发错误分散为随机错误，便于信道解码 来纠正；星座映射则将交织之后的比特流映射到星座图上，可根据传输质量和数据速 率的要求来选择合适的映射方式；插入导频则是为了在接收端估计数据子载波处的信 道频域响应，以便恢复出发射端的数据子载波上的信息；插入循环前缀( c p ) 则是为 将时域上的线性卷积信道近似为循环卷积信道，在消除符号间干扰( i s i ) 的同时有效 降低子载波间干扰( i c i ) ；低通滤波则是为了减小调制信号的带外功率。 由上述说明可知： ，m = 仍刀 以乒) = 专蓑咒，口砌， ( 2 3 ) 在每个o f d m 符号数据体之前插入了长度为b 的循环前缀之后，发射端包含循 环前缀的第n 个o f d m 符号的采样序列为： 蠕七：意墨 ( 2 4 ) 设信道冲激响应( 此处将信道考虑为线性时不变或慢变的) 为 岛，= 0 ，l ，三一l ， 并有b ，那么接收端去除循环前缀之后的第n 个o f d m 符号的采样序列为： 8 ( 2 5 ) _ _ _ 所吼 + 所 p k = 肼 + 哪似 巧 枷 = 晰 + 甲 x 岛 枷 = 所h 第2 章c m m b 系统物理层技术简介 其中，上式的。是接收端第n 个o f d m 符号m 采样时刻值所叠加的零均值复高斯白 噪声，( ) 表示对取余， k ) 是 岛 经补零而成的n 点序列，o 表示循环卷积。那 么由式( 2 5 ) 及循环卷积的性质得： = 五j 巩j + 。j ( 2 6 ) 其中，致j = d 盯 ) ，为第n 个o f d m 符号第k 个子载波处的信道频域响应；o 础 为叠加在第n 个o f d m 符号第k 个子载波上的复高斯白噪声，并且有0 。j = d 盱 ，m ，。 由此可见，循环前缀的加入使得接收端的均衡变得异常简单，只需要在频域上做一个 简单的除法即可。式( 2 6 ) 也是后面c m m b 系统信道估计算法的基础。 按照书写习惯，式( 2 6 ) 也可以写成： e ( 后) = 五乙( 后) l ( 七) + o 。( 后)( 2 7 ) 在不考虑o f d m 符号序号的情况下，式( 2 7 ) 可以进一步简写成： 】，( j ) = x ( 后) h ( 七) + o ( 七) 2 2c m m b 物理层技术简介 ( 2 8 ) c m m b 标准是我国自主研发具有完全自主知识产权的移动多媒体广播标准。 c m m b 标准第一部分【1 】定义了在3 0 m h z 3 0 0 0 m h z 频率范围内，移动多媒体广播系统 广播信道物理层各功能模块，给出了移动多媒体广播信道物理层传输信号的帧结构、信 道编码、调制技术以及传输指示信息。本标准定义的广播信道物理层带宽( b ，) 包括 8 m h z 和2 m h z 两种选项。广播信道物理层以物理层逻辑信道的形式向上层业务提供 传输速率可配置的传输通道，同时提供一路或多路独立的广播信道。物理层逻辑信道 支持多种编码和调制方式用以满足不同业务、不同传输环境对信号质量的不同要求。 本标准定义的广播信道物理层支持单频网和多频网两种组网模式，可根据应用业务的 特性和组网环境选择不同