（微电子学与固体电子学专业论文）地面数字电视接收芯片中信道估计的设计与实现.pdf

摘要 地面数字电视广播( d t t b ) 所具备的极大商业价值，使该技术得到了迅速的发展，目前世界上 主要有三个标准。我国的起步虽然比较晚，但是也已开发出拥有自主知识产权的标准，清华大学提 出的地面数字多媒体电视广播传输标准( d m b - t ) 是其中最重要的部分。d m b - t 以时域同步正交 频分复用( t d s o f d m ) 为核心技术，使用伪随机( p n ) 序列为保护间隔和训练序列。 本文首先对地面无线衰落信道进行研究，分析了o f d m 技术的原理及其在对抗多径干扰时的优 点。在给出t d s o f d m 系统及其帧结构和p n 序列特性的基础上，着重研究接收端的信道估计技术。 在信道估计系统设计中，简单介绍了频域变换法和频域判决反馈法，重点从理论上分析时域相关法， 包括其原理、局限性、适用范围，并在几种常用信道下采用m a t l a b 进行了仿真验证。论文重点设 计了采用时域相关的信道估计模块的总体架构和各功能模块，特别是相关器的设计。对不同结构的 相关器进行比较，结合实际应用，确定采用倒置折叠结构，并对其中子电路进行优化设计。 在算法到电路的实现中，通过逻辑化简、时分复用等方法，实现了性能、面积和功耗的折衷优 化。整个信道估计模块采用v e d l o g 语言进行描述，使用v c s 仿真，用d c 进行逻辑综合。逻辑仿 真和f p g a 验证表明，经过信道估计和均衡，星座图收敛，均衡器输出误码率达到要求。 关键词：地面数字电视广播，时域同步正交频分复用，信道估计，伪随机序列，相关 东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h eg r e a tb r i g h tf u t a r eo f t h g i t a lt vt e r r c a t r i a lb r o a d c a s t i n g ( d t t b ) m a k e st h eg r e a t d e v e l o p m e n to f t h i st e c h n o l o g y , a n dt h e r ea l et h r e es t a n d a r do nt h ew o r l d t h er e s e a r c h i n gi nt h i s a r e a j u s t b e g i n sa t h o m e a n d w e p a y m o r ea t t e n t i o n t o b u i l d i n gu po u r o w ns t a n d a r d ，t h e d i g i t a l m u l t i i i l 甜i ab r o a d c a s t i n gf o rt e r r e s t r i a l ( d m b - t ) i st h ek e yp a r tw h i c hw a sp r o p o s e db y t s i n g h u au n i v e r s i t y , u s i n gt h ek e yt e c h n o l o g yo f t i m e m o m a i ns y n c h r o n o u so f d m ( t d s - o f d m ) i n s t e a do f u s i n gc pa st h a ti nd v b - t ，t d s 旬f d mu s e st h ep s e u d o - n o i s e ( p n ) s e q u e n c ep a d d i n ga st h eg u a r di n t e r v a l ，w h i c ha l s os e l v e st h ep u r p o s eo f t h et r a i n i n gs y m b o l s a tf i r s tt h i sp a p e ri n v e s t i g a t e st h et r a n s m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c so f w i r e l e s sc h a n n e l s t h e nt h e t h e o r yo f o f d ms y s t e m sa n dt h ef e a t u r eo f c o m b a t i n gt h em u l t i p a t hi n t e r f e r e n c ea r ei n t r o d u c e d b a s e do nt h ef r a l l l es t r u c t u r eo f t d s - o f d m s y s t e m sa n dt h ec h a r a c t e r i s t i co f p ns e q u e n c e s ， c h a n n e le s t i m a t i o ni si n v e s t i g a t e di nd e t a i l ，e s p e c i a l l yt h et i m e - d o m a i nc o r r e l a t i o n t h et h e o r ya n d a p p l i c a t i o no f t i m e - d o m a i nc o r r e l a t i o na r ed i s c u s s e d t h e nt h e ya r ew 时丘e da n de v a l u a t e du s i n g m a t l a bs i m u l a t i o ni nd i f f e r e n tc h a n n e i s a tl a s tt h et o t a la r c h i t c c t o mo f c h a o n e le s t i m a t i o na n d t h e i m p l e m e n t a t i o n o f e a c hs u b m o d u l e a r eg i v e n a n d t h e c o r r e l a t o r i s t h e k e y p o i n t a t k - r c o m p a r i n gd i f f e r e n tc o r r e l a t o r s ，t h ei n v e r s ef o l d e df i rs t r u c t u r ei sa d o p t e d t h r o u g ht h ew h o l ep r o c e s sf r o ma r i t h m e t i ct oc i r c u i to f c h a n n e ls e t i m a t i o n ，v e r i l o gc o d i n g ， r t ls i m u l a t i o n ，s y n t h e s i sa n dv e r i f i c a t i o ni sa c c o m p l i s h e d t h er e s u l to f l o g i cs i m u l a t i o na n d f p g av e r i f i c a t i o ns h o w st h a tt h eb e ra f t e re q u a l i z e rm e e t st h ed e m a n do f t h es y s t e m k e y w o r d s ：d i g i t a lt v t e r r e s t r i a lb r o a d c a s t i n g ( d t t s ) ，t i m e d o m a i n s y n c h r o n o u so f d m ( t d s - o f d m ) ，c h a n n e le s t i m a t i o n ，p ns e q u e n c e s ，c o r r e l a t i o n 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： 粒日期：孕掣 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( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 第一章绪论 第一章绪论 电视对于当今世界任何国家来说都是最重要的消费电子产品。在经历了机械电视时 代、黑白电子电视和彩色电视时代咀后，电视现在已经进入了一个新时代：数字电视时代。 数字电视是指全部采用数字方式制作、传输和接收电视节目，能使观看者收看到相当于电 视台演播室节目质量的图像、声音，没有重影和“雪花”。它是集数字信号及信息处理技术， 数字通信技术、计算机及网络技术、微电子技术等高新技术发展于一体的高科技产物。数 字电视广播主要通过卫星、有线及地面无线三种传输方式实现。般认为，卫星广播着重 于解决大面积覆盖。有线广播着重于解决“信息到户”，特别是在城镇等人口居住稠密地区。 而地面无线广播作为电视广播的传统手段，由于其所独具的简单接收和移动接收的能力， 能够满足现代信息化社会所要求的“信息到人”的基本需求。所以，地面数字电视广播 ( d i g i t a lt v t e r r e s t r i a lb r o a d c a s t i n g ，d t t b ) 在未来数十年中将具备极大的商业价值。 1 1 数字电视及其优点 数字电视是一个包含数码流发射、传输和接收的系统工程，就是将电视画面的每一个 像素、伴音的每一个音节都用二进制数编成多位数码，并以非常高的比特率进行数码流发 射、传输和接收的系统工程川1 2 j 。说得通俗一点，数字电视就是把模拟电视信号转变为数 字信号并进行数字信号处理、存储、控制、传输和显示的系统。 图1 1 为数字电视系统的框图。图中左半部分为发送端，数字的视频信号、伴音信号 以及数据信号经过压缩编码使数码率压缩到几十分之一，以提高传输的有效性；继而再进 行信道编码，加入各种纠错编码，以提高传输的可靠性；最后进行数字调制，以提高信道 的频谱利用率。该数字电视信号经发射机发送出去，在接收端由调谐器接收，经过数字解 调、信道解码及解调复用器后，分别通过视频、伴音及数据的压缩解码，恢复出原来的数 字电视信号。图中虚线框所包含的部分为数字电视综合接收解码器( i r d ) ，或称数字电视 接收机顶盒。 显示终端 功藏 簸据输出 图1 1 数字电视系统方框图 从通信的角度来说，整个数字电视系统由三大部分组成：信源部分( 发送端) 、信道部 分( 传输) 和信宿部分( 接收端) 。按照信道的不同，数字电视而已分为为地面无线传输( 地 面数字电视) 、卫星传输( 卫星数字电视) 、有线传输( 有线数字电视) 三类。 地面数字电视是最普及的电视广播方式，用于在地面f u 肺广播信道上传输数字电视 节目。但是地面广播信道面临的干扰最多，也最严重，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。数字电视地面广播使得移动接收数字电视节目成为可能，因 此在与其他传输方式的竞争中具有不可替代的优点，但是其接收机设计难度较高。 东南大学硕士学位论文 卫星电视广播的特点是覆盖面广、质量较好，并且资源丰富。但是其接收机价格昂贵。 有线电视传输质量高，节目频道多，便于开展按节目收费( p p v ) 、节耳点播( v o d ) 及其他 双向业务，适合于家庭用户。卫星与有线的广播环境与理想的加性高斯白噪声( a w g n ) 信道极为接近，采用优秀的信道解码和信号调制方式一般可以使卫星与有线电缆广播系统性 能接近理论值。 数字电视与模拟电视的根本区别在于用什么方式传输和处理音频信号和视频信号。数字 电视采用数字存贮、数字处理与数字传输，因此，数字电视与模拟电视相比较有下列优点： 数字信号只存在二进制“0 ”和“l ”两个电平，它可在连续处理或连续传输过程中引入 噪声，噪声幅度只要不超过某一额定电平，都可通过数字信号再生来消除，即使某一噪声电 平超过额定值，造成了误码，也可利用纠错编、解码技术纠正，故数字信号传输质量高，抗 干扰能力强。 数字电视可实现信号的存贮，易于实现多画面显示、画中画显示和制式转换处理，及在 任意瞬间使画面静止显示等，这是模拟电视无法实现的。 还有，数字电视信道通融性和电路通用性强；数字视频能够被压缩；可以节省发射功率； 兼容性和互操作性好，等等。 1 2 地面数字电视广播系统及其比较 地面电视广播系统的主要设计目标是高效率利用频谱、足够大的数据传输容量、稳定 的固定接收和移动接收能力。 目前，世界上主要有三种d t t b 传输标准 3 1 q 5 1 【6 j ，即： 美国高级电视系统委员会( a d v a n c e d t e l e v i s i o ns y s t e m sc o m m i t t e e ，a t s c ) 研发的格 形编码的把电平残留边带( 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 e - b a n d ，8 - v s b ) 调制系统； 欧洲数字视频地面广播( d i g i t a l v 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 ，d v b - t ) 标准采用的编 码正交频分复用( 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 r i p l e x i n g ，c o f d m ) 调制i 日本地面综合业务数字广播( i n t e g r a t e ds e r v i c ed i g i m lb r o a d c a s t i n g t e r r e s t r i a l ， i s d b - t ) 采用的频带分段传输( 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 ，b s t ) 正交频分复用 ( o f d m ) 。 d i t b 系统都是由压缩层、传送层和传输层三大部分组成，其系统结构图如图1 2 所 示。其中压缩层就是信源编码，包括声音和图像的压缩编码，目前主要有i s o i e c 的m p e g 系列标准。随着技术的发展，可以采用其它新的压缩编码，例如小波编码、分形编码等。 码流复接属于传送层，主要根据m p e g - 2 系统层的规范或其它相应的规范对单路或多路基 本码流进行复接，把音频码流、视频码流、数据码流等多种多个码流组合成一个传输码流， 其长度是固定的。以便于信道传输，同时插入各种时间标签用于指示和同步。 信遴 解码 信源 及解码 i 图像压缩编码卜_ 叫i _ j 解调 信道 码流一 编码 复接及 调制 l 声音压缩编码f - 压缩层传送层佶输屋 图1 , 2d i t b 系统结构 2 第一章绪论 信道编码和信道解码属于传输层，数字电视传输系统性能的优越性主要来源于信道编 码和信号调制方式。目前d t t b 方案中的压缩层和传送层基本上都是一样的，区别就是传 输层上。根据不同的信道情况和不同的应用需求，数字电视系统采用了不同的纠错编码和 调制技术方案，其构成见图1 3 。纠错编码部分基本上都采用了级联纠错码，包括外码纠错、 时域交织、内码纠错、频域交织。而调制技术目前主要采用两种方案，单载波调制和多载 波调制。属于单载波的有美国的a t s c8 0 v s b 调制，属于多载波的有欧洲的d v b t c o f d m 和日本的i s d b - tb s to f d m 。由于技术方案选择和具体参数的不同，导致了不同系统之 间性能的差异。 图l _ 3 地面数字电视传输层 a t s c 数字电视标准是高级电视系统委员会开发的。最初的设计目标是用于室外固定 接收的地面广播和有线分配系统，不支持便携和移动接收，室内接收效果也不好。它是成 熟的现有a m 调制技术的高度发展，其性能高度依赖于自适应均衡器，因此为了抵抗多径 回波和各种干扰，需要非常复杂的均衡器。 8 - v s b 系统加入了o 3 d b 导频信号，用于辅助载波恢复。传输信号采用段、场结构， 成帧发送。加入的段同步信号用于系统同步和时钟恢复；而长度达5 1 1 的两电平场同步信 号，用于系统同步和均衡器训练，通过采用精心设计的自适应判决反馈均衡器来消除多径 衰落引起的回波干扰。为抗n t s c 同频干扰，采用在接收机中加入干扰抑制滤波器，也称 梳状滤波器。另外，系统配以较强的内外信道编码纠错保护措施，如此设计的8 - v s b 系统 和d v b t 和i s d b - t 相比，对于加性高斯白噪声( a w g n ) 和小的重影信道有更强的抵抗性、 更高的频谱效率、更低的峰值一均值比和对脉冲噪声的更高的可靠性。 但美国a t s c 系统存在一系列问题，最主要的是对付强动态多径困难。这是由系统的 原有设计思想、帧结构本身的缺陷造成的。在时延小的强多径情况下，导频信号会受到严 重影响，同步出现困难。尤其是均衡器性能急剧下降：系统虽然使用了训练序列，但两个 训练序列之间相隔2 4 r n s ，期间多径的快速变化无法被跟踪，虽然使用结构复杂的判决反馈 f d f e ) ，利用数据本身产生的误差信号进行自适应调节，用以跟踪变化快的多径，但d f e 需要信道被均衡到定程度( 错误判决少于1o ) 才能正常工作，而且d f e 是无限冲激响 应结构( i i r ) ，在强多径下，系统是不稳定的。另外，为了对付同频干扰使用的梳状滤波 器使系统门限上升3 d b ，且实现复杂。 d v b - t 系统是欧洲数字视频广播组织开发的。设计目标是室内室外固定接收，并且提 供便携接收而非移动接收。因此，它的移动接收效果也不好。它采用的c o f d m 技术，能 有效地克服多径干扰。 3 东南大学硕士学位论文 c o f d m 系统利用频域变换技术将信号样值由数千个载波分别传输。c o h m 系统中 放置了大量的导频信号，穿插于数据之中，并以高于数据3 d b 的功率发送。这些导频信号 一举多得，完成系统同步、载波恢复、时钟调整和信道估计。由于导频信号数量多，且散 步在数据中，能够即使地发现和估计信道特性的变化。为进一步降低多径造成的码间干扰， c o f d m 系统又使用了保护间隔的技术，即在每个符号块前加入一定长度的该符号后段重 复数值，由此抵御多径的影响。和美国的8 - v s b 调制技术相比，c o f d m 技术属于能够得 到不断发展和提高的新技术，尤其在抵抗高电平( 高至0 d o ) 、长延时静态和动态多径失真 方面具有性能优势，此系统能可靠地克服延时信号的干扰，包括地势或建筑物反射的回波， 或者单频网环境中远方发射机发射的信号。 d v b - t 也存在一些缺陷。首先是过多的导频使得频带损失严重。分析d v b 的导频不 难发现，导颏信号和保护间隔至少占据了有效带宽的1 4 左右，若采用大的保护间隔，此 数值将超过3 0 。因此，d v b - t 是以过分下降宝贵的系统传输容量为代价来换取系统的 抗多径性能。其次，c o f d m 细同步算法要利用导频信号在频域上实现，而导频是在d f t 之前插入的，进行d f t 计算又需要首先同步( 之后才能进行正确解调) 。因此，c o f d m 采 同步需要使用迭代逼近算法，这样就存在一个收敛误差和收敛时间问题。而且与单载波 8 - v s b 相比，c o f d m 对同步误差更加敏感，同步性能不好会导致接收机性能明显下降， 这也是c o f d m 在a w g n 和时延短、能量小的多径情况下性能不如8 - v s b 的原因。另外 使用c o f d m 进行信道估计时，将多径衰落信道看成是在时间和频率上的一个二维信号， 利用采样插值即可得到整个信道的频率响应值。要获得一次全信道估计需要连续4 个 c o f d m 帧，估计时间也较长，使得对随时间快速变化信道的跟踪性能不好。 i s d b - t 系统是日本无线电工商业协会开发的。设计目标是综合业务的室内室外固定、 便携和移动广播接收。系统采用的调制方法称为频带分段传输( b s t ) o f d m ，由一组共 同的称为b s t 段的基本频率块组成。除o f d m 特性之外，b s t - o f d m 对不同的b s t 段采 用不同的载波调制方案和内码编码码率，依此提供了分级传输特性。每个数据段有其自己 的误码保护方案( 内码编码码率、时间交织深度) 和调制类型( q p s k ，d q p s k ，1 6 一q a m 或 者6 4 q a m ) ，这样每段能满足不同的业务需求。许多段可以灵活地组合到一起，提供宽带 业务f 例如h d t v ) 。该系统衍生于欧洲系统，主要变动是针对多媒体广播和移动接收的需 求，将频带进行了分段，并大大加长了交织深度( 最长达0 5 秒) ，以改善移动接收效果。虽 然日本系统在移动测试中表现出一定的优越性( 也相应证明了欧洲系统需要改进) ，但它并 没有解决c o f d m 中的实质性问题。 我国的清华大学数字电视传输技术研发中心，在借鉴国际现有的三大标准的经验和教训 的基础上，融合数字电视通信最新发展的成熟技术，提出了地面数字多媒体电视广播传输标 准( d m b - t ) 方案”“”。清华d m b t 中采用的时域同步正交频分复用( t i m ed o m a i n s y n c h r o n o u so f d m ，t d s - o f d m ) 属多载波技术，但与欧洲的c o f d m 不同，在t d s o f d m 中没有插入频域导频信号，而是利用了扩频通信技术，插入了p n 序列在时域进行帧同步、 频率同步、定时同步、信道传输特性估计和跟踪相位噪声等。由于使用了扩频码，使得d m b - t 具有了扩频通信的优越性能，从而使得系统既具有c o f d m 的优点，又回避了其缺点。 因此，本文将主要对t d s - o f d m 系统进行研究。 1 3 本文主要工作 芯片是信息产业的核心，如何在降低成本的同时，快速设计出高性能芯片是信息产业发 展的决定性因素之一。本文的主要工作是对t d s o f d m 系统接收芯片中信道估计模块的设 计与实现，包括算法、仿真以及v l s i 实现。 4 第一章绪论 第一章首先阐述了数字电视的和地面数字电视广播系统，随后分析比较世界上的三种 地面数字电视广播传输标准，最后介绍了清华大学的d m b t 方案。 第二章首先对地面数字电视广播系统信道模型进行研究，并阐述了o f d m 的原理，为 后面的算法等奠定基础。最后介绍了t d s o f d m 系统，重点是其帧结构。 第三章研究t d s o f d m 中信道估计的算法。首先对p n 序列研究，分析其特性。在此 基础上，详细研究时域相关信道估计法，对其基本理论、适用范围、门限和结果进行分析 和仿真。 第四章研究t d s o f d m 中信道估计的实现。首先介绍了v l s i 设计流程，然后对第三 章中研究的时域相关信道估计算法进行v l s i 设计，主要集中于其中的相关器。在算法到 电路的实现中，通过逻辑化简、时分复用等方法，实现了性能、面积的折衷优化。最后给 出逻辑仿真和f p g a 验证结果。 5 东南大学硕士学位论文 第二章o f d m 系统 在地面数字电视广播系统中，所有的信息都是在无线信道中传输的。无线衰落信道是通 信中最复杂的信道。在无线信号的传播途中会有各种各样的障碍物使信号产生多径效应、阴 影效应、散射和衍射产生衰落，信号也会受到地形的影响。当移动站处于高速移动的状态下 信号还会产生多普勒频移效应，而所有的这些因素又会因为移动站或反射物的移动而快速变 化。 正交频分复用( o f d m ) 是一种多载波调制方式，其基本原理就是把高速的数据流通过 串并转换，分配到传输速率相对较低的若干个子信道中进行传输。由于每个子信道中的符号 周期会相对增加，因此可以减轻由无线信道的多径时延扩展所产生的时间弥散性对系统造成 的影响。并且还可以在o f d m 符号之间插入保护间隔，使保护间隔大于无线信道的最大时延 扩展，这样就可以最大限度地消除由于多径而带来的符号间干扰( i s i ) 。 2 1 地面数字电视广播系统信道模型研究 在无线通信系统中，无线信道的特性对整个通信系统的性能有着重大影响。电磁波作为 传播媒质，可能在传播过程中与周围环境发生复杂的作用，如反射、绕射、散射等，这将导 致整个无线信道衰落明显，时变剧烈。因此对无线移动通信信道统计特性的分析成为研究无 线移动通信系统的基础和前提。 发射机和接收机之间的传播路径非常复杂，二者之间可能存在简单的视距传播( l o s ) 路径，但更一般的情况是只存在非视距传播( n l o s ) 路径。即使是在简单的视距传播中， 在周围物体的作用下，无线信号也会发生反射、绕射和散射。在非视距传播中，无线信号更 是可能会遭遇到山丘、建筑物及树木等各种物体的阻挡。因此，在无线通信系统中，信号从 发射机发出后，其功率首先会随着传播距离的增加而减小。其次，在传播的过程中信号会受 到地形起伏、建筑物等物体的阻挡，功率也会发生衰减。最后，发射信号经过反射、绕射和 散射后，以不同的时延从不同的方向通过多条路径到达接收机，在这种情况下，接收信号是 来自多条路径上的信号通过矢量叠加合成后得到的。由于各条传播路径上的信号幅度、时延 以及相位都是随机变化的，导致接收信号发生衰落，其电平是随机起伏、不稳定的。 通常，无线信号经过信道的传输后所产生的衰落主要可以分为两类：从宏观上描述接收 信号的场强变化的数字电视地面广播信道模型称为大尺度传播模型：而小尺度传播模型则 从微观上描述短距离或短时间的接收信号场强的快速波动。在接收机设计中，总是更多地关 注小尺度衰落模型，考虑多径时延引起的时间扩展和多普勒频移。 2 1 1 无线多径衰落信道的特征 无线衰落信道有两个基本特征p q 。一是具有多径效应，即接收机所收到的信号是通过 不同的直射、反射、衍射、散射等路径到达接收机的，如果在发射端发送一个窄脉冲信号， 在接收端可以收到多个窄脉冲，每个窄脉冲的衰落和时延都不相同，该特征在信道传输的信 号中引入了时间扩展。 第二个特征是时变特性，即在不同的时间重复发送窄脉冲，将会看到接收脉冲串的变化， 包括各个脉冲大小和脉冲问相对延时的变化，还包括脉冲数量的变化，如图2 1 所示。 发送信号一般可以表示为： 6 第二章o f d m 系统 图2 1 多径延时示意图 s ( f ) = r e b ( f ) e 州1 ( 2 1 ) 假设存在m 条传播路径，且与每条路径有关的是传播延时和衰减因子。传播延时和衰减 因子两者都因媒质结构的变化而随时问变化。于是，接收的带通信号为： j l ，一1 x ( f ) = ( f ) j ( f _ ( f ) ) ( 2 2 ) n - - 0 式中，( t ) 是第n 条传播路径上接收信号的衰减因子，磊( t ) 为第n 条传播路径的传播 延时。将( 2 1 ) 式代入，有： 巾) = r o e 篓啪弦口毗们北吲纠p 聊) 眨s ， jj 从式( 2 3 ) 可以看出，等效低通接收信号为： m - i _ ( f ) = ( f ) ，7 2 砒7 丑( 卜矗( f ) ) ( 2 4 ) h 3 0 因此，等效低通信道可用如下时变脉冲响应描述： m - i 而( c f ) = ( f ) e 讲砒艿( 卜乞( f ) ) ( 2 5 ) ；0 由上式可见，媒质大的动态变化将使( t ) 变化足够大，从而引起接收信号大的变化 另一方面，每当毛( f ) 变化1 z 时，e - 2 蛭将变化2 石弧度，而且l z 很小，媒质比较 小的动态就引起2 石弧度的变化。与不同信号路径相关联的延时气( t ) 以不同的速率，而且 以不可预测的( 随机) 方式变化。当存在大量路径时，可应用中心极限定理，认为信道冲 激响应为复高斯随机过程。 当信道冲激响应】 z ( f ；f ) 建模为零均值复高斯随机过程时，任何时刻t 的包络是瑞利 ( r a y l e i g h ) 分布的，在这种情况下，该信道成为瑞利衰落信道。在媒质中，除了随机运 动散射外分量外，还存在固定散射或信号反射分量，矗( f ；r ) 不再建模为具有零均值的，包 7 n l 几一 ft 5一n 1 4 l 几一 几n 几亿 东南大学硕士学位论文 络具有赖斯( r i c e ) 分布，该信道称为赖斯衰落信道。 2 1 2 等效离散f i r 模型 首先我们引入多普勒( d o p p l e r ) 频移表征信道时变。接收机与发射台之间的相对运动 会产生多普勒频移。假设移动接收机以恒定速率v 运动，其运动方向与信号入射方向之问的 夹角为疗，发射信号波长为五，则多普勒频移为： 无= c o s 0 ( 2 6 ) 可见，若接收机朝向入射波方向运动，则多普勒频移为正，否则多普勒频移为负。多普勒频 移造成的直接后果是，接收信号的载波频率和符号时钟发生漂移，给符号采样时钟的同步带 来困难。在移动接收机中载波恢复和符号时钟电路能够及时跟踪这一变化从而给出精确的符 号采样时钟。因此，在单模块仿真时，信道模型将不考虑多普勒频移的影响，而只将考虑多 径的影响。 我们采用复等效低通信号域上的多抽头时变横向滤波器来表征宽带多径无线信道。把 式( 2 5 ) 改写为： 吖- 1 h ( t ) - - 声( f 矽( f 一毛( ，) ) ( 2 7 ) 式中，p ( t ) = 线e 7 2 碟i f ) ，气( f ) 为多径的延时，m 为最大多径数。 上式可以写为离散f i r 结构： 肘- i | j ( n ) = 以占( 打一r ) ( 2 8 ) m = 0 其中，尾为第i n 条多径的衰减，t 为符号周期，乇为整数，表示第i n 条多径的相对延时。 多径信道等效f i r 模型可以用图2 2 来表示。 输入 叫 互卜炉 分叶臣 私加 路法 器 ： ：器 _ 压j 砧 信号 图2 2 多径信道模型 假设发射信号为5 ( 月) ，加性离斯白噪声为n ( n ) ，则接收到的信号为： f l j ，( n ) = s ( ”) ( ”) + ”( ”) = 尻s ( 一一乇) 十栉( n ) ( 2 9 ) n = o 其中，“$ ”表示线性卷积。 8 第二章o f d m 系统 2 2o f d m 的原理 正交频分复用( o r t h o g o n a l f 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 ，o f d m ) 【1 0 】【t i l l ”】，是一种 多载波( m u l t i - c a r r i e r ) 的传输方式。它既可以被看作是一种复用技术，同时也可以被看作 是一种调制方式。与单载波传输不同，通过串并转换，o f d m 系统将高速数据流拆分成多 路低速数据流，并通过多个载波分别进行发送。由于每个载波上的数据传输速率被大幅度 降低，数据符号的持续时间相应的被大大加长。因此，o f d m 系统对无线传输环境中普遍 存在的多径时延扩展具有较强的抵抗力，减小了符号间干扰( i s i ) 对系统性能的影响，即有 效的对抗了频率选择性衰落和各种窄带干扰。这也是人们选择o f d m 技术的一个主要原 因。 2 2 1o f d m 的基本模型 在o f d m 系统中，高速串行数据码元l 、2 、n 。其信号带宽为b ，码元速率为r ， 码元周期为= l r ，假若信道的最大时延扩展a ， a 经串并变换后为n 个低速的并行码 元，其码元速率为r n 、周期为t = n t , ，然后再分别调制在n 个相互正交的子载波上， 最后在时域波形上合并发送至信道。所以o f d m 实质是一种并行调制方式。将符号周期延长 了n 倍，从而提高了对多径干扰的抵抗能力。其原理框图如图2 3 所示。 串行 盟如 串 c o s ( 孕卵) 并盟如 加 变 法 换 器 业氅卜 m s ( 2 h - l f ) 信道 ( a ) 发射端 信道 各越d 鹦 c o s ( 2 7 r 戽) - + 毒叫硝 并 审 | 变 祭 换 s ( 2 讥一。，) 、 ( b ) 接收端 图2 3o f d m 系统的原理框图 9 东南大学硕士学位论文 图中，f o 为最低子载波频率t 五= f o + n a f ，a f 为载波间隔， 2 2 2o f d m 系统的f f t 实现 o f d m 系统的一个重要优点就是可以利用离散傅立叶变换( d f t ) 实现调制与解调， 从而避免了直接生成n 个载波时由于频率偏移而产生的交调，而且可以采用快速傅立叶变 换( f f t ) 技术实现，可以大大简化系统实现的复杂度，以便于利用v l s i 技术。 多载波信号s ( f ) 可写为如下复数形式： s ( ，) = z ( f ) ( 2 1 0 ) 其中够= 鳓+ 地口为第i 个载波频率，d t ( t ) 为第i 个载波上的复数信号，若设定在 一个符号周期内d t ( t 1 为定值( 即非滚降q a m ) ，有 4 ( t ) = 4 设信号采样频率为1 r ，则有 - i j ( 后r ) = 4 一q + “神” t = 0 一个符号周期t 内含有n 个采样值，即有： z = n t 不失一般性，令编= 0 ，则： s ( 灯) = 4 e s ( n - i酬”= 4 2 埘打 一l 若取： 缈2 专2 击 则由式( 2 1 4 ) 得： s ( 七r ) = 码一2 椰 可以看出，上式就是离散傅立叶反变换( i d f t ) 形式。 1 0 ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) 第二章o f d m 系统 由 瘩 图2 ，4o f d m 的系统结构 图2 4 就是利用快速傅立叶变换的o f d m 系统。输入的二进制串行数据序列先进行串 并转换和编码映射，编码方式可以采用m p s k 、q a m 等，每几个比特为一组映射成一个 复数，该复数是第k 个载波信号星座中的一点。然后对n 个复数( 一帧) 用i f f t 进行基 带调制，再经过并串变换、d a 转换及低通滤波后调制到主载频发射到信道。接收端的处 理过程与发射端相反，信道出来的信号先经过主载频解调、低通滤波、a d 转换及串并变 换后，再进行f f t 得到一帧数据。对所得数据可以进行均衡，以校正信道失真。然后进行 译码判决和并串转换，恢复出原始的二进制数据序列。 由于o f d m 采用的基带调制为离散傅立叶变换，所以我们可以认为数据的编码映射是 在频域进行，经过i f f t 转化为时域信号发送出去，接收端通过f f t 恢复出频域信号。 为了使信号在i f f t ( f f r ) 前后功率不变，d f t 按下式定义； 脚：耶) = 丽1 刍n - i 小) e x p ( 一歹等七) ，1 n _ 忉 i d f t ：小) = 万i 白n - i 耶) 唧( ，等珂) j l ：o ，l ，- 埘 2 2 3o f i d m 系统的特点 传统的频分复用( f d m ) 中，将频带分为若干个不相交的子频带来传输并行的数据流， 在接收端用一组滤波器来分离各个子信道。这种方法的优点是简单、直接，确定是频谱的 利用率低，子信道之间要留有足够的保护频带，而且多个滤波器的实现也有不少困难。而 o f d m 系统由于各个子载波之间存在正交性，允许子信道的频谱相互重叠，因此与常规的 频分复用相比，o f d m 系统可以最大限度地利用频谱资源，如图2 5 。 子信道 图2 5f d m 与o f d m 的频谱比较 东南大学硕士学位论文 o f d m 系统的正交性可以从两个方面来理解。由上节，若选取载波频率间隔为l 丁， 贝每个子载波在一个o f d m 符号周期内都包含整数倍个周期，而且各个相邻子载波之间相 差一个周期。这一特性可以用来解释子载波之间的正交性，即： ；r e 砷嘲唧( 卿) = 佬：i ： 亿惭 这种正交性还可以从频域的角度来理解。我们知道，每个o f d m 符号在其周期z 内包含 多个非零的子载波。因此其频谱可咀看做是周期为z 的矩形脉冲的频谱与一组位于各个子 载波频率上的函数的万的卷积。矩形脉冲的频谱幅值为s i n e f i 自数这种函数的零点出现在频 率为1 z 整数倍的位置上。这种现象可以参见图2 6 ，其中给出了相互覆盖的各个子信道内 图2 6o f d m 系统中子信道频谱 经过矩形波形成型得到的s i n e 函数频谱。在每一个子载波频率的最大值处，所有其它子信道 的频谱值恰好为零。由于在对o f d m 符号进行解调的过程中，需要计算这些点上所对应的每 一个子载波频率的最大值，因此可以从多个相互重叠的子信道符号频谱中提取出每个子信道 符号，而不会受到其它子信道的干扰。 从图2 , 6 可以看出，o f d m 符号频谱实际上可以满足奈奎斯特准则，即多个子信道频 谱之间不存在相互干扰，但这是出现在频域中的。因此这种一个子信道频谱的最大值对应 于其它子信道频谱的零点可以避免子载波间干扰( i c i ) 的出现。 虽然，o f d m 系统通过并行传输机制，扩展了信号持续时间，减小了系统对延时扩展 的敏感程度，即减小了码间干扰的影响。但是在严重衰落的无线传播环境下，码间干扰的 影响仍然是不可避免的。解决这以问题最简单的方法就是增加符号周期( 即增加载波数目) ， 使失真的影响相对减弱。但是增加符号周期的同时也减小了子载波频率间隔。考虑到载波 稳定性，多谱勒频移，f f t 规模大小以及延时扩展等因素，这种方法受到了很大的限制。 在传输前对码元符号增加保护间隔( g u a r di n t e r v a l ) ，可以作为一种有效方法。由于保 护间隔的加入，延长了o f d m 调制信号的持续时间，从而减小了o f d m 信号对信道影响 的敏感程度，可以抵消i s i 的影响。但若是在保护间隔内添零，就会破坏子载波问的正交 性，从而导致信道间干扰( i c i ) 。最有效的保护问隔是使用符号的循环扩展，简言之就是 把符号结尾的一段复制到符号的起始端( 如图2 7 ) ，c o f d m 系统就是采用这样的结构， 第二章o f d m 系统 称为循环前缀( c p ) 。这样，由于码元符号是周期的，保持了载波的正交性，从而减小i c i 的影响；同样，相邻符号也不会互相重叠，从而减小了i s i 的影响。只要保护间隔大于信 道的延时扩展，就会消除码问干扰( i s l ) 。 复制复靓 、 勿彦浏蕊 一l 。 图2 7 插入保护间隔的o f d m 符号 但是o f d m 也存在一些缺点。酋先，o f d m 对载波的频率偏移和相位噪声比较敏感，容 易带来衰落和损耗。主要表现在两个方面，一是接收端载波匹配滤波器输出信号幅度减小； 二是破坏各载波间的正交性。因为只有各载波相互正交。接收机才能正确解调发送信号。假 若传输信道发生畸变，这将引起频率偏移和相位噪声，另外，收发端本振频率的差别也将引 起频率偏移。频率的偏移导致正交性的破坏，各载波彼此间的正交性遭到破坏后，接收端的 某载波的信号经解调后含有其它载波的分量即子载波问干扰，这使系统误码性能的下降。 根据前面的分析，由于保护间隔的加入，虽然带来功率与信息速率的损失，但延长了 o f d m 调制信号的持续间隔，从而减少了o f d m 信号对信道的敏感性，一方面可以消除码间 干扰；另一方面，也可以抵消部分由于正交性遭到破坏带来的影响。由于移动信道是一种很 复杂的信道，在接收端要对信道进行估计。 另夕 ，o f d m 对非线性失真较敏感，o f d m 的峰值功率与平均功率比值相对较大，由于 o f d m 信号时域上表现为n 个正交子载波信号的叠加，当这n 个信号恰好均以峰值点相加时， o f d m 信号也将产生最大峰值，该峰值功率是平均功率的n 倍。尽管峰值功率出现的概率较 低，但为了不失真地传输这些高峰均功率比( p a p r ) 的o f d m 信号，发送端对赢功率放大 器( h p a ) 的线性度要求很高且发送效率极低，接收端对前端放大器以及a d 变换器的线性 度要求也很高。因此，高的p a p r 使得o f d m 系统的性能大大下降甚至直接影响实际应用。 时域同步正交频分复用( t d s - o f d m ) 1 3 1 1 7 1 3 】【4 1 是一种多载波通信技术，是d m b - t 广播方案中的核心技术。t d s o f d m 最大的特点是利用时域的伪随机( p n ) 序列作为保 护间隔，同时在接收端，p n 序列还可以用做