（通信与信息系统专业论文）dtmb系统中信道估计算法的研究与实现.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 经过十多年的发展，数字电视技术已非常成熟，将全面取代模拟电视，成 为新兴的信息支柱产业之一。地面数字电视广播主要形成了四大标准：欧洲的 d v b t 、美国的a t s c 、日本的i s d b t 、中国数字电视地面传输标准( 简称d t m b ， 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 ab r o a d c a s t i n g ) 。 信道估计和信道均衡是数字电视地面广播标准接收机设计中所要考虑的核 心问题之一。在单载波数字电视地面广播接收机中，可以采用对接收信号直接 进行自适应均衡的方案；在多载波数字电视地面广播接收机中，通常采用信道 估计和频域均衡相结合的间接均衡方案，有些单载波数字电视接收机也采用间 接均衡。因此，信道估计和均衡之间有着紧密联系。本论文的主要研究内容是 针对数字电视地面广播国标中的信道估计与均衡。 本课题依托d t m b 数字电视基带解码芯片研发项目撰写论文，首先介绍了 数字电视的基本知识以及国内外地面传输系统，重点阐述了中国地面传输系统， 并对地面传输方式的信道特征进行了分析。接着在众多信道估计技术中选取了 基本适用于国标d t m b 帧结构的三种常用信道估计算法，分析其优劣，计算实 现复杂度，然后提出了一种适用于d t m b 系统的l m s 信道估计算法并详细给出 了整体实现方案。为达到国标要求以及提高算法性能，提出了三种改进算法的 方法，特别针对l m s 算法收敛速度与估计精度矛盾的问题，增加了多普勒估计 模块，用估计的多普勒频率动态调整参数，从而使算法不仅快速收敛，而且估 计精度提高。仿真结果表明，本算法在达到国标t o v 要求的基础上能在多种信 道下达到较优性能。本信道估计与均衡方案适用于一切时域已知序列的o f d m 系统。 本文完成的工作主要包括：总结了三种常用信道估计方案，分析其优劣及 实现复杂度；提出了一种基于l m s 算法的信道估计算法，并详细实现；针对算 法缺陷给出了三种改进方法，使算法性能不仅满足国标要求，并在多种信道中 表现卓越。 关键词：数字电视地面广播，信道估计，均衡，l m s 算法 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t i n t e g r a t i n gw i t l lt h em o d e mc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y ，t h ed i g i t a lt e l e v i s i o n w i l lt a k et h ep l a c eo ft h ea n a l o gt e l e v i s i o na c r o s s - t h e - b o a r da n db e c o m ea l li m p o r t a n t p a r to ft h ei n f o r m a t i o ni n d u s t r y t h e r ea r e f o u rm a i ns t a n d a r d so ft e r r e s t r i a l b r o a d c a s t i n go fd i g i t a lt e l e v i s i o n ：d v b t ( e u r o p e ) ，a t s c ( u s a ) ，i s d b - t ( j a p a n ) a n dc h i n e s 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 lt r a n s m i s s i o ns t a n d a r d ( f o rs h o r t ：d t m b ) c h a n n e le s t i m a t i o na n de q u a l i z a t i o na r eo n eo ft h ec o r ep r o b l e m si nt h ed e s i g n o fr e c e i v e r s i n d t m b f o r t h e s i n g l e c a r r i e r d i g i t a l t e l e v i s i o n b r o a d c a s t i n g t e r r e s t r i a lr e c e i v e r ，t h em e t h o do fd i r e c ta d a p te q u a l i z a t i o nc a n b eu s e d f o rm u l t i c a r d e rd i g i t a lt e l e v i s i o nb r o a d c a s t i n g t e r r e s t r i a lr e c e i v e r ，i t sc o m m o nt o u s ei n d i r e c te q u a l i z a t i o nm e t h o dw h i c hc o m b i n e sc h a n n e le s t i m a t i o na n de q u a l i z a t i o n h a v ec o m p a c tr e l a t i o n s h i p i nt h i sp a p e r ，t h ec h a n n e le s t i m a t i o na n de q u a l i z a t i o ni n d t m b s y s t e ma r es t u d i e d t h i sd i s s e r t a t i o nd e p e n d so nt h ep r o je c to fb a s e b a n dd e c o d e dc h i po fd t m b d t vs t a n d a r d f i r s t l yt h ew r i t e ri n t r o d u c ei t st e c h n i c a lb a c k g r o u n da n dp r e s e n t t e r r e s t r i a lt r a n s m i s s i o ns y s t e ma th o m ea n da b r o a d ，i l l u s t r a t et h eb a s i cs t r u c t u r eo f d t m b ，a n a l y z et h ec h a n n e lc h a r a c t e ro ft e r r e s t r i a lt r a n s m i s s i o nm o d e a n dt h e nt h e w r i t e rs e l e c tt h r e ec o m m o n l yu s e dc h a n n e le s t i m a t i o na l g o r i t h m sw h i c ha r eb a s i c a l l y s u i t a b l ef o rd t m bf r a m es t r u c t u r ef r o mn u m e r o u sa l g o r i t h m s ，a n a l y z et h e i r a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e sa n dc a l c u l a t et h e i rc o s to fi m p l e m e n t a t i o n ，a f t e r w a r d p r e s e n ta l la l g o r i t h mw h i c hi ss u i t a b l ef o rd t m bs y s t e ma n dg i v ed e t a i l so ft h e o v e r a l ls o l u t i o n i no r d e rt oa t t a i np e r f o r m a n c eb a s e do nd t m ba n di m p r o v e a l g o r i t h mc a p a b i l i t y ，s t u d yt h r e ek i n d so fa p p r o a c ht oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c e p a r t i c u l a r l ya i ma tt h ec o n t r a d i c t o r yp r o b l e m so fl m sa l g o r i t h mc o n v e r g e n c es p e e d a n de s t i m a t i o na c c u r a c y ，t h e r ei sa ni n c r e a s eo ft h ed o p p l e re s t i m a t i o nm o d u l e ，u s i n g t h ee s t i m a t e dd o p p l e rf r e q u e n c yi sd y n a m i c a l l ya d j u s t e dp a r a m e t e r s ，s ot h a tn o to n l y f a s tc o n v e r g e n c ea l g o r i t h m ，a n di m p r o v ee s t i m a t ea c c u r a c y s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w t h a tt h ea l g o r i t h mr e a c h e da tg bt o vb a s i cr e q u i r e m e n t s ，f u r t h e r m o r ei tr e p r e s e n t b e t t e rp e r f o 衄a n c eo nav a r i e t yt y p eo fc h a n n e l s t h ec h a n n e le s t i m a t i o n a n d e q u a l i z a t i o np r o j e c ta p p l i e s t oa l lk n o w ns e q u e n c e so ft i m e - d o m a i no f d ms y s t e m m 1 a tt h ew r i t e rh a sd o n ei sa sf o l l o w s ：s u m m e du pt h et h r e ec o m m o n l yu s e d c h 锄e le s t i m a t i o np r o g r a m ，t oa n a l y z ei t sm e r i t sa n dc o m p l e x i t yo fi m p l e m e n t a t i o n ； p r o v i d e 锄a l g o r i t h mb a s e do nl m s a n dad e t a i l e di m p l e m e n t a t i o n ；f o ra l g o r i t h m d e f e c t sg i v et h r e em e t h o d st oi m p r o v e ，s ot h a ta l g o r i t h mp e r f o r m a n c ew i l ln o to n l y m e e tt h en a t i o n a ls t a n d a r dr e q u i r e m e n t s ，a n ds h o we x c e l l e n c ep e r f o r m a n c e i na v a r i e t yo fc h a n n e l s k e yw o r d s ：d i g i t a l t 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 g ，c h a n n e le s t i m a t i o n , e q u a l i z a t i o n ，l m sa l g o r i t h m i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的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。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 武汉理工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。 签名： 盘，2 整日期：型2 互：! 三 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：岛原导师( 签名) 翔蛔q t 弓| s 。 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 在以数字化为中心的信息时代发展浪潮的推动下，数字化技术得到了极充 分的应用。在通信、医疗卫生、工业、军事、科研教学、金融、商贸、交通运 输、新闻出版等领域，数字化技术充分展示了其抗干扰性强、保密性好、传输 性能佳和融合性强等优势。据有关资料显示，数字化技术最大的市场还是在通 信设备和消费类电子产品领域。数字电视( d t v ) 是消费类电子产品的核心和集 成，因而目前己成为国际社会竞争的焦点。近几年来，数字电视正处于蓄势待 发的状态，而随着无线通信理论的成熟以及半导体、集成电路技术的高速发展， 宽带无线传输技术获得了广泛的应用，接收机的全数字化已成为可能。高清晰 度数字电视技术已作为一项重大产业越来越受到各国重视，蕴藏着巨大的市场 潜力。 1 1 数字电视概论 数字电视是指采用数字技术将活动图像和声音等信号加以处理、压缩、编 码，经存储或实时广播后，供用户接收、播放的电视系统。系统的各个环节， 包括从演播室节目制作，到处理、传送、存储传输，直至接收、显示等过程都 采用数字信号。数字高清晰度电视是数字电视( d t v ) 标准中最高级的一种，简称 为h d t v ( h i g hd e f i n i t i o nt v ) ，与之对应的是标准清晰度数字电视，简称为 s d t v ( s t a n d a r dd e f i n i t i o n1 v ) ，两者码率分别约为2 0 m b i t 和4 m b i t 左右。 数字电视和现行的模拟电视的最大区别是数字电视图像清晰而稳定，在覆 盖区域内图像质量不会因信号传输距离的远近而变化，在信号传输整个过程中 外界的噪声干扰都不会影响电视图像。而模拟电视随着信号传输距离越远，图 像质量越差。近年来，技术开发实力较强的企业开始在视频处理电路中采用数 字技术处理信号，提高了模拟电路的性能，例如：使模拟电视的行频、场频提高， 实现逐行扫描和倍场( 1 0 0 h z ) 扫描，以消除闪烁和提高图像质量。但是这同前面 提到的数字电视在工作原理上是完全不同的，其效果还是比数字电视差很多。 例如：高清晰度电视的显示格式1 9 2 0 x 1 0 8 0 i 图像像素密度可达1 3 5 电影胶卷的 图像质量。数字电视还具有多种清晰度等级不同的图像显示格式。我国的高清 武汉理工大学硕士学位论文 显示格式为1 9 2 0 x 1 0 8 0 i 5 0 h z 隔行扫描，而美国的高清晰度电视显示格式有 1 9 2 0 1 0 8 0 拍0 h z 隔行扫描，1 2 8 0 x 7 2 0 p 6 0 h z 逐行扫描，标准清晰度显示格式有 7 2 0 x 4 8 0 p 6 0 h z 逐行扫描，这些都是模拟电视所没有的。我国已于1 9 9 9 年1 0 月 1 日进行过建国5 0 大庆阅兵的数字高清晰电视节目试播。开发适合我国国情的 h d t v 已成为彩电行业的当务之急。 1 1 1 数字电视的分类和系统结构 数字电视可以按以下几种方式分类： ( 1 ) 按信号传输方式分类：可以分为地面无线传输( 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。 ( 2 ) 按产品类型分类：可以分为数字电视显示器、数字电视机项盒、一体 化数字电视接收机。 ( 3 ) 按清晰度分类：数字电视可以分为数字高清晰度电视( t v ) ，数 字标准清晰度电视( s d t v ) 和数字低清晰度电视( l d t v ) 。区别在于图像质量 和信号传输时所占信道带宽的不同。从视觉效果来看，h d t v 的图像质量可达 到或接近3 5 m m 宽银幕电影的水平，显示图像分辨率达1 9 2 0 x 1 0 8 0 ；s d t v 的图 像质量相当于演播室水平，显示图像分辨率为7 2 0 x 5 7 6 ( p a l 制) 或7 2 0 x 4 8 0 ( n t s c 制) ；l d t v 对应于现有v c d 的图像分辨率。 ( 4 ) 按显示屏幕幅型分类：可以分为4 ：3 幅型比和1 6 9 幅型比两种类 型。 ( 5 ) 按扫描线数( 显示格式) 分类：可以分为h d t v 扫描线数( 大于1 0 0 0 线) 和s d t v 扫描线数( 6 0 0 - 8 0 0 线) 等。 数字电视涉及3 个领域：电视系统的信源部分( 发送端) 、信道部分( 传输 存储) 和信宿部分( 接收端) ，整个过程都是数字化的。其中第一部分的重点是 信源( 图像声音数据) 的压缩编码和数字多路复用：第二部分是纠错编码数字 调制，以便于数字信号的传输和存储；解调制解纠错码和解复用解压缩编码是 第三部分的重点。其详细结构框图如图1 1 所示。 在数字电视，包括i - i d t v 系统结构中，由于广泛采用了数字信号处理和高 效压缩编码技术，使数字电视的结构成为一种分层结构，包括图像层、压缩层、 传送层和传输层，其中图像层和压缩层解决有效性问题，传送层和传输层解决 可靠性问题。传送层中的包结构技术使系统的后向兼容不成问题，同时，使得 2 武汉理工大学硕士学位论文 信道带宽对各基本比特流来说是动态分配的，这从根本上改变了现行模拟电视 的概念，使得h d t v 这种媒体在承载信息以及信息种类、其他系统的互操作性 和交互性等方面均具有无可比拟的灵活性。 数 字 信 息 源 节 目 源 复 用 器 传 送 流 复 用 器 外码 外交织内码 q a m q p s k v s b 调制 或o f d m 形成 调 谐 器 解调解捌解外码i 一解多路u m p e g 一2 解外交织解内码ll 复用il 解码 图1 1 数字电视系统结构框图 1 1 2 国内外数字电视地面传输标准的状况 视频a d 音频a d 目前，地面数字电视的国际标准主要有三个：欧洲d v b 组织提出的以 c o f d m 为核心技术的d v b t 【1 1 ( 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 ，数字视频 地面广播) 标准；美国大联盟组织提出的以8 v s b 为核心技术的a t s c l 2 ( a d v a n c e d t e l e v i s i o ns y s t e mc o m m i t t e e ，高级电视系统委员会) 标准；日本提出的以b s t - o f d m 为核心技术的i s d b t 【3 】【4 】( 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 ，综 合业务数字广播) 标准。这三个标准分别于1 9 9 8 年、1 9 9 7 年和2 0 0 1 年被i t u ( 国 际电信联盟) 接受。a t s c 是一种单载波系统，而d v b t 和i s d b t 属于多载波 系统。 早期的数字电视地面广播测试，如2 0 0 0 年的b r a z i l 5 】测试，表明d v b t 在 移动接收和单频网组网等方面优于a t s c 8 v s b ，而后者在频谱利用率和峰均功 率比( p a p r ) 等方面优于d v b t 。但是经过近几年的研究进展，配备了高效率 的自适应均衡器的单载波系统同样可以解决移动接收和单频网的问题。目前， 支持a t s c 和其它单载波方案的移动接收机已经问世【6 】，而且测试结果显示了优 良的移动接收性能。在已成标准的三个制式中，总的来说，a t s c 系统对于加性 高斯白噪声( a w g n ) 信道具有更强的抵抗能力、更高的频谱效率、更低的p a p r 和对脉冲噪声的更高可靠性。 我国自1 9 9 4 年起，也开始了高清晰度电视的研究工作。并于1 9 9 8 年研制 3 差一 武汉理工大学硕士学位论文 成功了中国第一代高清晰度电视功能样机，从而填补了我国在这个领域的空白。 数字电视地面广播标准的制定工作也从9 0 年代末开始起步，目前只剩下两种备 选方案a d t b t 和d t m b 。其中a d t b t 属于单载波制式，而后者为多载波制 式。a d t b t 方案既承接了以美国a t s c 系统为代表的单载波方案所具备的传输 容量大、工作门限低、相同覆盖条件下要求发射功率低、抗脉冲干扰能力强、 对调谐器的要求低等优点，又通过突破关键技术，使本方案同时拥有了以欧洲 d v b t 系统为代表的多载波方案所具备的抗多径能力强、系统同步强健、多模 式多码率工作模式、能够用于移动接收等优点。也就是说，它同时兼备了欧洲 多载波标准和美国单载波标准的优点，是满足我国未来数字电视地面广播固定 和移动稳定接收的有效途径。 我国有五家单位对地面数字电视传输系统的关键技术做了深入的研究。上 海交通大学和浙江大学提出了0 q a m 调制的单载波方案，对单载波系统的时间 和频率同步作了重要改进，对单载波的长时延时域均衡作了深入研究，并首次 完成了系统的移动接收演示。清华大学提出了基于多载波方案的d t m b 系统， 引入逐符号的短p n 序列以改进d v b t 系统时域同步和频域均衡性能，并规避 了d v b - t 的导频专利。广播科学研究院对我国地面数字电视广播体制的平稳过 渡和双向化发展作了深入的考虑，并完成了演示系统的设计。西安电子科技大 学对多载波方案的同步、导频设置和相位噪声的影响作了深入的试验分析。电 子科技大学提出了“同步多载波扩频( s m c c p l u s ) ”方案，对“数字地面电视与后 3 g 相结合”的全面发展，多基站单频网的全局同步，加强时域处理的连续导频和 并行扩频同步，以及对欧洲d v b t 导频和帧结构优化改进并设置技术壁垒等均 有所创新。 1 2 论文研究意义 在实际应用中，通常有相干o f d m 系统和非相干o f d m 系统之分。在非相 干检测o f d m 系统中，不需要知道信道的状态信息，因此接收机比较简单，但 其系统性能比相干检测o f d m 系统要降低3 - 4 d b 左右。为了提高系统的频谱利 用率，o f d m 系统经常采用m q 创调制，在这种情况下，接收机需要先知道 信道的状态信息c s i ( c h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n ) 才能进行相干解调，即使对于正 交相移键控q p s k ( q u a d r a t u r ep h a s es h i f tk e y i n g ) 这样幅度恒定的调制方式，利用 c s i 进行相干解调也要比差分解调提高系统的性能3 _ 4 d b 7 】。因为接收端进行相 4 武汉理工大学硕士学位论文 干检测需要先知道信道的状态信息，所以信道估计在o f d m 系统中占有重要地 位。因此，对信道估计技术的研究具有重要的意义。 1 3 论文内容安排 信道估计技术是数字电视接收技术中的重要组成部分，中国地面数字电视 传输标准d t m b 是具有自主知识产权的中国标准，本文紧紧围绕研究的课题， 找到一种适用于d t m b 系统的信道估计方案，主要进行了以下几个方面的工作： 第一章概述数字电视基本知识以及国内外地面传输标准的现状； 第二章对d t m b 系统进行分析，分为发端和收端，发端模型在中国地面数 字电视标准中给出，收端模型需要根据发端结构自行开发，在第二章中对地面 传输方式的信道特征也进行了详细分析； 第三章总结了三种常用信道估计算法，分析各自优劣、适用环境以及实现 复杂度，然后提出了一种适用于国标d t m b 系统的信道估计算法； 第四章对提出的信道估计算法进行实现，并提出三种改进方案弥补算法的 缺陷并优化了整体性能，然后提出了一种适用于本信道估计方法的均衡解决方 案； 第五章对提出的信道估计方案进行仿真，先通过仿真确定了两个关键参数 的取值，然后对本信道估计方案进行可行性验证及性能测试； 第六章是对全文的总结，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。 5 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章d t m b 系统及其信道特征分析 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晰 节目( 大约8 0 m b p s ) ，考虑到数字电视日后发展的广阔空间和业务应用的多样 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来传输d t v 节目，实现和 模拟电视节目的同播，当没有额外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盖扩展缝隙填充。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。 因此，d t m 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。 2 1d t m b 系统概述 具有自主知识产权的中国数字电视地面广播传输系统标准- - 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，于2 0 0 6 年8 月1 8 日 正式批准成为强制性国家标准，2 0 0 7 年8 月1 日起实施。该标准是由国家组织 的数字电视特别工作组负责起草，由全国广播电视标准化技术委员会归口并测 试，国家质量监督检验检疫总局、国家标准化管理委员会批准发布的。 该标准规定了数字电视地面广播传输系统信号的帧结构、信道编码和调制 6 武汉理工大学硕士学位论文 方式。该标准实现了关键技术创新，形成了多项有自主知识产权的专利技术， 主要关键技术有：能实现快速同步和高效信道估计与均衡的p n 序列帧头设计和 符号保护间隔填充方法、低密度校验纠错码( l d p c ) 、系统信息的扩频传输方 法等。该标准支持4 8 1 m b i t s 3 2 4 8 6 m b i t s 的净荷传输数据率，支持标准清晰度 电视业务和高清晰度电视业务，支持固定接收和移动接收，支持多频组网和单 频组网。 2 1 1 发送端总体结构 清华大学数字电视传输技术研发中心提出了地面数字多媒体电视广播传 输标准( d t m b ) 方案，该方案采用的是自主原创的时域同步正交频分复用 ( t d s o f d m ) 技术，并拥有多项基础性发明。它采用以下几项主要技术： ( 1 )时域同步的正交多载波技术。t d s o f d m 通过时域和频域混合处理， 简单方便地实现了快速码字捕获和稳健的同步跟踪，形成了与欧、日多载波技 术不同的自主核心技术。 ( 2 )保护间隔的p n 填充技术。d t m b 发明了基于p n 序列扩频技术的高 保护同步传输技术，并用其填充o f d m 保护间隔，使系统的频谱利用效率提高 1 0 ，并有2 0 d b 以上同步保护增益。 ( 3 )快速信道估计技术。针对现有地面数字电视传输标准的信道估计迭 代过程较长( 一次有效参数估计约需1 0 2 4 m s ) 的不足，d t m b 发明了新的 t d s o f d m 信道估计技术，通过正交相关和傅立叶变换实现快速信道估计( 一 次有效参数估计约需0 6 m s ) ，提高了系统移动接收性能。 ( 4 )前向纠错编码与相位映射相结合的纠错技术。d t m b 发明了一种新 的系统级联纠错内码和最小欧氏距离最大化映射技术，使采用多载波技术的系统 信噪比门限获得1 0 以上的改善。 ( 5 )与自然时间同步的帧结构。绝对时间同步机制有利于单频网同步发 送信号的功能控制，使d t m b 单频网同步设备比国际现有标准的同类设备更容 易实现。 ( 6 ) 系统信息传送。d t m b 传输协议为每一个长度5 0 0 , u s 信息数据的信 号帧设定了独特地址的帧头，方便数据信息的识别和分离，具有融合多业务广 播的技术基础，故称“多媒体电视广播”。 清华d t m b 主要系统参数如下表所示i 引： 7 武汉理工大学硕士学位论文 表2 1d t m b 系统主要参数 d t m bt d s o f d m 源 视频i s o i e c1 3 8 1 8 2 ( m p e g 一2 一视频部分) 编音频i s o i e c1 3 8 1 8 3 第1 、i i 层和d o l l b ya c 一3 码 传送码流i s o i e c1 3 8 1 8 1 ( m p e g - 2t s ) 传送码流t s 外码 r s ( 2 0 8 。1 8 8 。t = o ) 信 外码交织交织宽度= 5 2 ，交织深度= 2 4 字节 道 纠 内码 2 3 、8 8 卷积码，4 9 串行卷积级联码 错 约束长度= 4 ，多项式( 八进制) 1 5 和1 3 编 ( 0 ，o ) 、( 5 2 ，4 8 ) 、( 5 2 ，2 4 0 ) 和( 5 2 ，7 2 0 ) 时域交织； 码 内码交织 3 7 8 0 点符号内频交织，比特交织 数据随机化 1 6 - b i t p r b s 调制方案时域同步正交频分复用t d s o f d m 均匀星座图q p s k ，16 q a m 和6 4 q w 信 分级调制多分辩率星座图( 1 6 q 瞄和6 4 q a m ) 道 调 载波数目 共3 7 8 0 ，有效3 7 4 4 ，t p s3 6 制保护间隔o f d m 符号1 4 、1 9 被p n 序列共用 带宽8 m h z ，有效带宽7 5 6 m h z 净码率5 3 2 m b p s 数字电视地面广播系统发送端完成从输入数据码流到地面电视信道传输信 号的转换。输入数据码流经过扰码器、前向纠错编码、比特流到符号流的星座 映射，再进行交织后形成基本数据块，基本数据块与系统信息复用后经过帧体 数据处理形成帧体，帧体与相应的帧头复接为信号帧，经过基带后处理转换为 基带输出信号( 8 m h z 带宽内) 。该信号经正交上变频转换为射频信号( u h f 和 v 耶频带范围内) 【9 】【1 0 1 。本系统的发送端原理如图2 1 所示。 码 帧头卜 l 基 正 帧 组 带 交 体 帧 后上 处变 复 数 - 呻 一 频 射i用据 理 处 理 图2 1 发送端原理框图 8 出 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 2 接收端总体结构 国标中并未规定接收部分的标准，但根据发端标准中规定的技术标准，可 以得到收端需要进行的工作，数字电视接收机的作用是对接收到的数字电视射 频信号进行二系列处理，最终以m p e g 2t s 码流的形式输出，其具体的原理框 图如图2 2 所示。 射 输 码 图2 2 接收机原理框图 通过天线接收到的射频信号首先经高频头下变频搬移到中频，经自动增益 控制( a g c ) 后进行a d 采样，再通过正交解调，中频信号被搬移到基带；时钟 恢复模块用于解决采样速率偏差和相位偏差，获得最佳采样点，载波恢复模块 对频率和相位偏差进行调整；实现同步之后，信号进入均衡器进行信道补偿和 载波相位跟踪，均衡器恢复后的信号同时进行3 7 8 0 f f t ，均衡输出和f f t 的输 出同时进行参考信息的提取和识别，用以判断发送模式，若是多载波信号，则 选取f f t 的输出进行信息处理，若是单载波信号，则直接选取均衡和相位跟踪 后的信号进行信息处理，这一信息处理过程包括解帧、帧体数据处理、解复用、 解映射解交织、前向纠错解码以及解扰，从而输出t s 码流。 2 2 地面数字电视广播的典型信道特征 在数字电视广播的三种方式中，地面广播信道面临的干扰最多，也最严重。 从技术上讲，d t m b 无线信道是一个宽带( 8 m h z ) 、高速( 8 m b p s ) 、高容量( 多 级码元) 、大范围( 几十公里) 的信道。在地面广播传输环境下，除常规的干扰， 如高斯白噪声( 电视屏产生雪花) 、脉冲( 家电汽车冲放电产生) 干扰等，其 信道还具有以下几个特点： 9 武汉理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 多径干扰。射频畔) 信号会因山川、建筑物、移动物体的影响产生 反射，这样经不同路径到达接收机的信号相位相互影响，从而导致瑞利衰落( 快 衰落) ，同时也会引起信号频谱的深度衰落( 频率选择性衰落) 。多径传输干扰严 重时，单靠增加发射机功率提高接收时的信噪比并不能降低误码率。因此，克 服多径干扰成为实现地面数字电视广播的关键技术。 ( 2 ) 多普勒频移。地面数字电视广播信道与接收方式有关，接收机或发射 机的运动会产生多普勒频移。例如，当接收机以速度1 ，移动并且其运动方向和 入射波的夹角为秒，此时的多普勒频移由式给出： 力= 盖c 。s 乡以 ( 2 1 ) 其中，厶为多普勒频率，1 ，为移动体的移动速度，见为载波波长。 ( 3 ) 由于同播的要求会受到常规电视干扰影响。同播时相邻服务区的同一 频道的普通电视节目有可能进入h d t v 接收机，产生强同频干扰。信道均衡时 除了要考虑多径的影响之外，还必须考虑到如何对抗频带内的单频干扰和同频 p a l 模拟电视干扰。 在地面电视广播中，在研究地面对电波发射时，都是按地面波处理，即电波 在反射点的入射角等于反射角，电波相位发生一次反相。在接收端的接收信号 是直达波和多个反射波的合成。由于大气折射随时间变化，传播路径也随时间 和近端地形地物变化，信号有时同相相加，有时反相抵消，由此造成了接收端 信号的幅度的变化，即衰落。所有上述问题均使地面广播问题复杂化，使得接 收信道随时间、频率和地点而发生变化，在传输方案选择时都必须加以考虑。 2 3 本章小结 本章介绍了中国地面数字电视传输系统结构，发端模型由国标d t m b 规定， 包括8 个主要功能模块，完成从输入数据流到无线射频信号输出的整个转换过 程。接收部分与发端相对应，需要进行下变频、正交解调、同步、均衡、前向 纠错解码等过程，最终以m p e g 2t s 码流形式输出。 地面电视广播的_ 个重要基础就是无线电波的传输，无线电波主要以地波 方式传播。信号在被传输过程中会有衰落、噪声等复杂问题，设计地面数字电 视系统时需要使用多种技术，如我国提出的t d s o f d m 技术、保护间隔的p n 填充技术、快速信道估计技术等，来应对复杂的传输问题。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章信道估计算法研究 国标d t m b 方案采用了自主原创的时域同步正交频分复用( t d s o f d m ) 技术，其中快速的信道估计技术就是其中的一个特色。通过保护间隔p n 序列 ( p s e u d o n o i s es e q u e n c e ) 的正交性以及傅立叶变换可以实现快速的信道估计。 信道估计与均衡的目的就是估计出信道的时域或频域响应，并对接收到的数 据进行校正与恢复，以获得相干检测的性能增益。信道的最大多径时延、用户 的移动速度( 或最大的多普勒频移) 、接收机的噪声和利用不同训练序列的估计方 式都是影响信道估计算法性能的重要因素。 本章首先说明什么是信道估计，为什么要做信道估计；然后总结几种信道 估计方法并分析其优劣；最后提出一种适应于d t m b 系统的信道估计方法。 3 1 信道估计技术 根据利用的信道估计资源不同，o f d m 信道估计可以大致分为两类【l u ：第一 类是基于导频( 训练序列) 符号和插值技术信道估计；第二类是基于被传输信息符 号的有限字符特性和其统计特性的盲信道估计。 根据采样定理，对任一带限一维随机过程进行采样，若采样频率大于n y q u i s t 采样率，均可以完全恢复。多维情况下，采样定理同样成立。只要采样频率在 时域和频域满足n y q u i s t 采样准则，利用采样插值即可得到整个信道的频率响应 值。假设归化的信道带宽矗血和鲈，则n ，和n 厂必须满足1 7 1 ： j 厶。+ g n ， 1 2( 3 】) lz m a x a f n ， 1 2 其中，n 。和厂分别是时域方向和频域方向上的导频间隔。允和是信道 衰落的最大多普勒频移和最大多径延迟。巧+ g 茭t j o f d m 帧周期，鲈= 1 册。是 子载波间隔。为了通过滤波有效地减小噪声，导频符号间隔通常应该满足： jk 巧+ g n t 1 7 4 ( 3 2 ) lf 。a f ， 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 r o o o o o o r o o o o o o o l o o oo oon oo ooo oo o ooo oo ooo 子o o o o o o一：o o o o o o o o o o o o o o o o o 萤o o o o o o工o o o o o o o 妊o o o o o o oooooooooo o o o o o o 一o o o o o ooooooooooo o o o o o o o l o o o o o o o o o o o o o 工o o o o o ooooooooooo o o o o o o 卜o f d m 符号l 图3 。1o f d m 常见的导频结构 梳状导频结构的特点是每隔一定的频率插入导频信号，从时间角度看，在各 个子信道上传输的信号或一直保持为数据信号或一直保持为导频信号，故每一 个o f d m 符号内都包含有导频信号。基于梳状导频的信道估计仅需要进行频域内 插，而不需要进行时域内插。而这种导频结构对信道频率选择性敏感，但可克 服信道快衰落的不利影响。 离散分布要在时域和频域两方向上都等间隔的插入导频信号。为了能比较准 确的估计边缘处的值，要使第一个子载波和最后一个子载波上都包含有导频信 号，并尽量使每帧中的第一个和最后一个o f d m 符号内都要包含有导频信号。基 于这种导频结构的信道估计必须进行时域和频域二维内插滤波，但二维滤波的 计算量很大，故通常可以采用两个一维滤波器级联的方法来降低其运算量。 许多高速o f d m 传输系统根据信道的特性采用了不同的导频形式，如 e e 8 0 2 1 1 a 采用图3 1 ( a ) 形式【1 2 l ，而欧洲数字电视系统( d v b t ) 采用图3 1 ( c ) 形 式。对于t d s o f d m 由于p n 训练序列在时域，也可看成是图3 1 ( o 的形式，通过 合理的设计o f d m 帧头与帧体的长度，能够抵抗一定的快衰落的影响。 对于存在导频的o f d m 系统，传统的信道估计方法一般是先利用l s 1 3 l ( l e a s t 武汉理工大学硕士学位论文 s q u a r e ，最小二乘) 或m m s e t l 4 】( m i n i m u mm e a n - s q u a r ee r r o r ，最小均方误差) 或 l m m s e t l 5 】( l i n e a rm i n i m u mm e a n - s q u a r ee r r o r ，线性最小均方误差) 等算法，来 计算出导频位置的信道响应，然后结合一阶线性插值、分段抛物线插值、拉格 朗日三次多项式插值、低通插值、f f t 插值等插值方法可以得到所有时间所有频 点的信道响应【1 6 1 。 3 2 循环相关算法 时