（通信与信息系统专业论文）dtv地面广播网中定位参数估计与算法.pdf

重庆邮电大学硕士论文 摘要 摘要 随着数字电视技术的发展，数字电视( d t v ) 广播技术也变得越来越完善，在城 市中，人们获得定位信息的来源己不局限于以往的定位系统和设施，已开始考虑基 于d t v 信号进行定位。而在城市中，地面数字电视网络是最完善的电视网络，因此 基于数字电视地面广播信号的定位成为近年来研究的热点之一。由于d t v 无线信道 中的多径会引起严重的信号衰落，使得在定位过程中对d t v 信号的检测变得更加困 难，这直接影响了定位的精度，因此，如何通过参数估计提高d t v 信号的检测精度 成为本文的研究重点。 首先，在详细研究d t v 系统的无线传输信道特性及系统结构基础上，分析了基 于线性最小二乘( l s ) 的信道估计算法的优缺点，最后本文给出了基于数据干扰消除 的信道估计新方法，仿真结果验证本文给出的算法能够很好的提高信道估计性能。 其次，针对d t v 系统对同步频率偏移的敏感性，以及在信号检测过程中存在的 被检测信号峰值位置波动较大，并且存在伪峰误判的情况，本文深入研究了符号同 步算法，并对最大似然估计算法进行改进。通过数值分析以及m a t l a b 仿真，表明 该算法具有很高的定时精度，可以准确的达到帧同步状态，因此在定位中可以准确 的获得信号帧的起始时间。 最后，本文给出了基于d t v 信号定位的伪距模型，以t d o a 定位算法中时间延 迟参数为例，确定在d v b t 中用于定位算法的参数估计方法，并通 x 亦a n g 算法进行 了性能仿真，分析了其误差来源。仿真结果表明：该方案在高斯信道和瑞利信道下 都能达到较高的定位精度，可实现非视距( n l o s ) 环境下的较准确定位。 关键词：数字电视，参数估计，帧同步，定位 重庆邮电大学硕士论文 摘要 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fd i g i t a lt e l e v i s 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 ( d t b r o a d c a s t i n gt e c h n o l o g yb e c o m em o r ep e r f e c t ，i nt h ec i t i e s ，a c c e s st ot h es o u r c eo f l o c a t i o ni n f o r m a t i o ni sn ol o n g e rc o n f i n e dt ot h ep a s t ，p o s i t i o n i n gs y s t e m sa n df a c i l i t i e s ， h a sb e g u nt oc o n s i d e rt h ed t v s i g n a l sb a s e do np o s i t i o n i n g i nt h ec i t i e s ，t h et e r r e s t r i a l d i g i t a lt vn e t w o r ki st h em o s tc o m p r e h e n s i v et e l e v i s i o nn e t w o r k ；t e r r e s t r i a ld i g i t a lt v b r o a d c a s ts i g n a l sb a s e do nt h ep o s i t i o n i n gt ob e c o m et h er e s e a r c hh o t s p o ti nr e c e n ty e a r s b e c a u s ed t v m u l t i p a t hw i r e l e s sc h a n n e lc a l lc a u s es e r i o u ss i g n a lf a d i n g ，m a k i n gt h e p o s i t i o n i n gp r o c e s so ft h ed t vs i g n a ld e t e c t i o nm o r ed i f f i c u l t ，w h i c hd i r e c t l ya f f e c t st h e p o s i t i o n i n ga c c u r a c y , t h e r e f o r e ，h o wt oi m p r o v et h ep a r a m e t e re s t i m a t i o ns i g n a ld e t e c t i o n a c c u r a c yd t v ar e s e a r c hf o c u so ft h i sa r t i c l e f i r s t ，ad e t a i l e ds t u d yo fw i r e l e s sd t vt r a n s m i s s i o ns y s t e mc h a n n e lc h a r a c t e r i s t i c s a n ds y s t e ma r c h i t e c t u r eb a s e d0 1 1t h ea n a l y s i sb a s e do nl i n e a rl e a s ts q u a r e s ( l s ) c h a n n e l e s t i m a t i o na l g o r i t h mo ft h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s ，i n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o nb a s e d o nt h ed a t ag i v e nt h ec h a n n e le s t i m a t i o nm e t h o d ，t h es i m u l a t i o nr e s u l t sv e r i f yt h e p r o p o s e da l g o r i t h mc a l lw e l li m p r o v et h ec h a n n e le s t i m a t i o np e r f o r m a n c e s e c o n d ，r e g a r d i n gt h ed t vs y s t e ms e n s i t i v et of r e q u e n c yo f f s e ts y n c h r o n i z a t i o na n d d e t e c t i n gt h es i g n a lp r e s e n c ei sd e t e c t e dt h es i g n a lp e a ko ft h ef l u c t u a t i o n s ，a n dt h e m i s j u d g m e n to ft h es i t u a t i o nt h e r ei sp s e u d o - p e a k , t h i si n - d e p t hs t u d yo ft h es y m b o l s y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h ma n dm le s t i m a t i o na l g o r i t h mi si m p r o v e d n u m e r i c a la n a l y s i s a n dm a t l a bs i m u l a t i o ns h o w st h a tt h ea l g o r i t h mh a sah i 。g h t i m i n ga c c u r a c yc a l l a c h i e v ef r a m ea c c u r a t es y n c h r o n i z a t i o ns t a t u s ，a n dt h e r e f o r ep o s i t i o n i n gs i g n a l sc a nb e f r a m ea c c u r a t es t a r tt i m e f i n a l l y , t h i sp a p e rd t vs i g n a l sb a s e do np s e u d o r a n g ep o s i t i o n i n gm o d e lt ot d o a l o c a t i o na l g o d t h mi nt h et i m ed e l a yp a r a m e t e r , f o re x a m p l e ，t od e t e r m i n et h ed 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 l b r o a d c a s t i n gs y s t e mi nt h el o c a t i o na l g o r i t h mf o rp a r a m e t e r e s t i m a t i o na n da l g o r i t h mp e r f o r m a n c eb yf a n gs i m u l a t i o n , a n a l y s i so fi t se r r o rs o u r c e s s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t ：t h ep r o g r a mg a u s s i a na n df a d i n gc h a n n e lc h a n n e lt o a c h i e v eh i 曲p o s i t i o n i n ga c c u r a c yc a nb ea c h i e v e du n d e rt h en l o se n v i r o n m e n t ，t h e m o r ea c c u r a t ep o s i t i o n i n g k e yw o r d s ：d i g i t a lt e l e v i s i o n , p a r a m e t e re s t i m a t i o n , f r a m es y n c h r o n i z a t i o n , p o s i t i o n i i 重庆邮电大学硕士论文图目录 图2 1 图2 2 图2 3 图2 4 图2 5 图2 6 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图4 7 图4 8 图4 9 图5 1 图5 2 图5 3 图5 4 图5 5 图5 6 图5 7 图5 8 图5 9 图5 1 0 图5 1 1 图目录 o f d m 信号频谱5 f d m 和o f d m 频谱效率比较5 o f d m 循环前缀示意图6 d v b - t 收发机结构图7 16 q a m 符号星座图8 复帧的四层结构1 0 块状导频o f d m 系统帧结构1 2 系统接收数据帧结构示意图1 9 d v b t 信道估计算法m s e 比较。2 3 c h i n a8 信道计算法m s e 比较2 4 观测间隔示意图2 6 多径时延同步要求2 9 落入保护间隔的粗同步误差3 0 m l e 算法仿真图3 2 正确符号定时概率随s n r 变化曲线3 3 粗符号同步误差3 4 细符号同步误差随s n r 变化曲线3 4 粗符号同步的正确概率3 5 细符号同步的正确概率3 5 g c c 方法实现t d o a 测量。3 8 t d o a 双曲线模型3 9 伪距模型4 1 d v b t 信号定位模型4 2 不同信噪比下的平均测距误差图。4 3 不同信噪比下的测距均方根误差4 4 基站分布4 4 不同信噪比下的平均定位误差4 5 不同信噪比下的定位均方根误差4 5 定位平均误差与小区半径的关系4 6 定位均方根误差与小区半径的关系4 6 v 重庆邮电大学硕士论文 缩略词 缩略词 缩略词英文名称中文名称 a o a a n g l eo f a r r i v a l 到达角度 b s b a s es t a t i o n 基站 c pc o n t i n u a lp i l o t连续导频 d t v d i g i t a lt e l e v i s i o n 数字电视 d v b t d i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t t e r r e s t r i a l 数字地面电视广播 g it h eg u a r di n t e r v a l保护间隔 g p sg l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m 全球定位系统 i c ii n t e r - c h a n n e li n t e r f e r e n c e子载波间干扰 i s i i n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e符号间干扰 l m sl e a s tm e a ns q u a r e最小均方 l o sl i n eo fs i g h t 视距 l sl e a s ts q u a r e最小二乘 m sm o b i l es t a t i o n移动台 m s em e a ns q u a r ee r r o r均方误差 n l o sn o n el i n eo fs i g h t非视距 p i 己b sp s e u d o r a n d o mb i n a r ys e q u e n c e伪随机二进制序列 s n r s i g n a ln o i s er a t e信噪比 s o a s t r e n g t ho f a r r i v a l到达场强 t o a t i m eo f a r r i v a l 到达时间 t p st r a n s m i s s i o np a r a m e t e rs i g n a l i n g 传输参数信令 t d o at i m ed i f f e r e n c eo f a r r i v a l 到达时间差 v i 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 无线定位与其他类型的定位一样，当初主要应用于导航系统中，接收机终端根 据接收到的导航台所发送的信号的频率、时间以及相位等参数的不断变化，继而通 过一些特定的计算方法来计算自己的位置【l 】。 随着人造卫星技术的发展，基于卫星基础的导航系统以其全球覆盖，全天候， 高精度等巨大优势受到人们史无前例的重视【2 】。虽然这样，但是它也有许多的不足， 人造卫星从2 0 ，0 0 0k m 的高空向地面传输信号时，会存在轨道误差，多径，延迟等 误差，并且g p s 技术应用在市区中时只有6 0 的定位概率，如果是在室内，则为0 ， 因此若用于紧急搜救则很有因为定位困难而造成损失，并且g p s 定位实时性比较 差，大约要耗3 0 s 的冷启动时间来进行初始化以及搜星的准备工作，转而进入工作 状态，可能会因此厌恶紧急救援工作；g p s 还因为s a ( s e l e c t i v ea v a i l a b i l i t y 选择可 用性) 政策等原因，在特殊情况下定位会受到干扰，定位精度也因此而更低；同时， g p s 接收机价格高，功耗大，对相关的处理设备要求也比较高【3 】。 在无线定位系统中，对于m s 的定位主要是通过测量移动用户户多个基站之间 的信号电参量，再将这些电参量通过特定的转换方程转换成与之对应的定位参数， 再采用相应的算法计算来实现定位的。其中，最重要的定位参数有三个，距离，距 离差以及信号到达角( a o a ，d o a ) 闱。其中可以通过测量终端的电波场强，结合信号 衰减模型以及发射信号的场强计算得到距离；也可以采用t o a 与距离的线性关系 得到；通过测量两个信号的波达时间的差值得到波达时间差( t d o a ) 【5 】，利用距 离差和时间差的关系可以得到距离；也可以通过测量两个信号的到达时间差得到。 a o a 主要通过对基站的天线阵列信号的得到。 采用数字电视( d t v d i g i t a lt e l e v i s i o n ) 信号定位不受多普勒效应、电离层延迟 等影响，利于提高定位精度：数字电视信号频率低，更加适应于复杂的城市室内定 位，提高了其定位速度和覆盖率；电视信号的带宽约为6 m h z ，可以有效抑制多径， 提高定位精度。 地面d t v 信号采用正交频分复用( o f d m ) 技术，各子载波相互正交，大大提高 了频谱利用率。该技术有以下优点【6 】： 1 ) 串并转换：增加了子载波的数据符号长度，有效地减少了i s i ，并且可以通 过插入循环前缀的方法来消除i s i 的不利影响。 2 ) o f d m 子载波相互正交性，允许子信道的频谱相互重叠，可以最大限度地利 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 用频谱资源。 3 ) 正交调制和解调可以通过采用d f t 和d f t 方法实现。子载波数比较大时， 可以通过i f f t 和f f t 实现。 4 ) 针对无线数据业务所存在的非对称性，o f d m 系统通过使用不同数量的子 信道来实现上行和下行链路中不同的传输速率【7 1 。 d t v 信号具有较强的抗多径干扰能力，同时具备较好的发射站分布，且发射 站位置不变，不必像基于卫星定位的情况进行频繁更新，使得基于d t v 信号的无 线定位成为研究新热点。 1 2 国内外研究现状和趋势 1 2 1 基于数字电视信号的定位技术研究现状 1 9 8 6 年，英国h d g r i f f i t h s 和n e w l o n g 公布了基于电视信号的非合作式双 基地雷达。该实验系统采用c r y s t a lp a l a c e 电视台传输的信号为发射信号，在相距 1 1 8k m 的伦敦大学设置了接收机。该接收机由2 个信道组成，一个用于接收电视 直达信号，一个用于接收目标散射信号【8 l 。 1 9 9 2 年，h d g r i f f i t h s 等人又公布了一种基于卫星电视信号的非合作式双基地 雷达，接收系统依然采用分别接收直达信号和目标散射信号的2 个信道【9 1 。 1 9 9 9 年，英国p e h o w l a n d 也公布了一个工作在v h f u h f 频段的系统。与 g r i f f i t h s 不同的是，系统的2 个信道全部用于接收目标散射信号，而用稳定度高的 信号源为这2 个信道提供参考信号，使接收机可以提取目标信号的多普勒频移f l o 】。 7 0 年代初，南京电子技术研究所也进行了相关研究，所设计的系统采用了“正 交滤波”技术，将广播信号中的微弱散射信号提取出来【】，利用广播调幅信号作为 探测信号，观察到了7 0 k m 外的飞机目标。 最值得关注的，当属“沉默哨兵”( s i l e n ts e n t r y ) 1 2 】全被动式空中监视系统。该 系统以被动方式跟踪到了4 8 k m 以外飞行的飞机，定位精度与常规的空中搜索雷达 相差无几。其信号处理的核心算法被称为被动相参定位( p c l ) 算法【1 3 】。 1 2 2 参数估计技术研究现状 对m s 的位置进行估计，需要估计的参数为距离、距离差和到达角。距离信息 可通过对电场的场强测量或对信号的到达时间测量得到；距离差信息可通过测量信 号的到达时间，然后相减得到，或直接测量时间差得到；到达角主要通过对基站的 阵列天线接收信号处理得到。 2 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 到达时间的传统扩频测量方法有两种：一种是采用互动相关或匹配滤波器的粗 测方法，它能将时延估计值锁定在一个码片内：另一种采用延时锁相环( d l l ) 的 精测方法，由d l l 维持本地码与输入p n 序列的一致。在有多径效应和多址干扰的 环境中，传统测量方法将产生误差，为了减小多径效应的影响，在粗测中主要采用 子空间方法测量波达时间，包括m u s i c 方法、r o o t m u s i c 方法以及t l s e s p r i t 方法。在精测中主要采用基于d l l 的修正技术和基于扩展卡尔曼滤波的技术测量 t o a 参量。基于d l l 的修正技术有m e d l l ( m u l t i p a t he s t i m a t i n gd l l ) 方法、 p a k e d l l 方法及2 - m o d ed l l 方法。采用扩展卡尔曼滤波技术主要用于提高跟踪 环在多径下的鲁棒性。减小多址干扰影响的有效方法是将多用户检测与参数估计联 合进行研究i l4 。 t d o a 的直接测量一般采用相关技术来实现。即将一个基站接收的信号与另一 个基站接收的信号进行互相关运算。为了提高估计精度，在互相关前先对两个接收 信号进行滤波。除了采用相关技术测量波达时间差外，还有一些高分辨估计的方法， 包括基于相位数据的方法、最小二乘方法【l5 1 、最小均方方法以及最大似然估计方法 【1 6 】。 1 3 章节安排 本文的章节安排如下： 第一章概述无线定位的需求、发展和研究现状以及定位参数估计方法的研究现 状。 第二章详细分析了基于欧洲d v b t 标准的d t v 广播系统的无线传输的信道特 性及系统的结构特点，重点介绍了d t v 地面广播系统的系统参数及帧结构。 第三章在分析了d t v 系统结构及参数后，结合d v b t 的特点，对信道估计算 法进行了深入的研究，介绍了基于线性最小二乘的矩阵求逆估计算法，并分析了其 优缺点，在此基础上通过推导多径信号中帧体数据与帧头数据互相干扰的表达式， 给出了一种基于数据干扰消除的信道估计的改进方法，最后结合欧洲标准的d t v 系统信道特性，给出m a t l a b 仿真结果，验证了改进后的方法所具有的优点。 第四章介绍了基于d t v 系统的符号定时同步算法，并针对不同的信道模型进 行了仿真，为第五章中要进行的t o a ，t d o a 的定位参数估计奠定基础，并通过 计算得到d t v 发射台同移动台间的距离。 第五章详细介绍了基于时间参数的t o a 、t d o a 测量与估计方法，并给出了在 数字电视地面广播系统中的伪距测量原理和模型，通过性能仿真，分析其误差来源。 第六章对本文的研究成果做一个总结，并对下一步的研究方向提出自己的意见。 3 重庆邮电大学硕士论文第二章o f d m 原理和数字电视地面广播系统介绍 第二章0 f d m 原理和数字电视地面广播系统介绍 在高速数字传输时要满足奈奎斯特无失真传输条件，基带信号必然有很宽的带 宽，远大于信道的相干带宽：电视信号在地面信道传输受到严重的频率选择性多径 失真；移动接收时，还会因接收环境的时变受到严重衰落。同时数字电视要在现有 的电视频带( p a l 制的有效带宽为7 6 m h z ) 内传输信号，尽管基于m p e g 2 的信源 编码对视频数据进行了有效的压缩，但是信号的传输码率仍很高。因此需要采用高 效的调制传输方案和先进的信道编码技术。 d v b t 系统采用了正交频分复用( c o f d m ) 技术，c o f d m 具有抗多径和频率选 择性失真、抗脉冲噪声、频带利用率高、能实现移动接收等优良特性。 本章首先分析无线传输信道的特点，在此基础上介绍了o f d m 的基本原理，最 后介绍了d v b t 系统结构及其特点。 2 10 f d m 基本原理 o f d m 作为无线环境下的一种高速传输技术，在频域内将信道分成多个正交子 信道，在每个子信道上使用一个子载波进行调制，并且各子载波并行传输。o f d m 系统中各个子信道的载波相互正交，其频谱相互重叠，这样不但减小了子载波间的 相互干扰，同时又提高了频谱利用率。 o f d m 把高速数据流通过串并转换，使每个子载波上的数据符号持续长度相对 增加，减少了单个码元占用的带宽，抵抗多径引起的频率选择性衰落，从而可以减 少由无线信道的时间弥散所带来的符号间干扰【1 7 】。 2 1 10 f d m 信号描述 在时刻f ，一个码元宽度丁内，o f d m 信号可用下式表示： - i s ( t ) = z m ( n ) e j 2 1 r m t tte 0 ，卅式( o 1 ) n = o 其中，m ( n ) 为第n 个信道的调制信号，为并行传输信道数，2 删为第力个信 道载波。上式离散化： x ( 尼) 2 亩1 萎- i x ( 珂矽2 枞 ， 式( o 2 ) 信号经d a 转换及滤波后再调制到射频上传输并由下式得到输出信号： 4 重庆邮电大学硕士论文 第二章o f d m 原理和数字电视地面广播系统介绍 2 1 2 频谱利用率 一l x ( ，1 ) = x ( k ) e 口酬 k - - o 式( o 3 ) o f d m 信号具有图2 1 所示频谱，与f d m 系统相比，o f d m 的优势是它具有 比较高的频谱利用率【1 8 】。 厂、厂，、 ， 锄槲 俐m m ( a ) o f d m 子带频谱( b ) 0 f d m 信号频谱 图2 1o f d m 信号频谱 如图2 2 所示，传输速率为r 的b p s k 信号，o f d m 符号波形为矩形，当载波为 6 时，f d m 和o f d m 信号的每一路子载波都传送( r 6 ) b i t s 信号，带宽为尺3 。普通 的f d m 要占用矿= 2 尺的带宽，而采用了子载波相互正交的的o f d m 占用带宽仅为 = 7 r 6 。当一0 0 ，f d m 系统形= 2 r ，o f d m 形专r ，但两者符号速率相同， 因此o f d m 系频谱利用率是f d m 的两倍。 o f d m 多载波调制技术 图2 2f d m 和o f d m 频谱效率比较 2 1 3i f f t f f t 调制解调 蠹 蛊 假定o f d m 系统包含个子载波，每个用来传输数据的子载波都被一个经基 带调制的复数数据符号置。( 第1 个o f d m 符号第k 个子载波) 调制，则等效o f d m 基带信号为： 5 重庆邮电大学硕士论文第二章o f d m 原理和数字电视地面广播系统介绍 f “i 即) ：妻l 艺五，。e s ：卿k ( t - l t ) i t ) ：羔五o ) 式( o 4 ) s ( f ) = l 五，。2 卿b = 五o ) 式( o 4 ) 扣“卜监2j 净“ lj 其中，g ( f ) = 苌芸了，z 为o f 。m 符号长度，以= 衫丁，七= 。 1 ，2 ，一1 是 第意个子载波频率。保证了各子载波之间的正交性，当较大时，对信号按t n 的 速率进行采样，可以得到： ：。b 羔l ml 崤圳专。n 羔, n i x t , k e 伽堑) = n 一c ，舢， 其中，薯。是五。t 的i d f t 。在接收端，为了恢复出原始的数据符号五可以对 而。d f t 得到： 。专，2 蜀 n u - i 伽等户屯础训谢似6 ， 综上，o f d m 调制解调可以采用i d f t d f t 实现，也可以采用i f f t f f t 以降低复 2 1 4 循环前缀 o f d m 可以有效地对抗多径时延。为了更好的消除i s i ，o f d m 采用了保护间 隔，该保护间隔长度乙大于无线信道的最大多径时延时延，p e l e d 和r u i z 于1 9 8 0 年提出循环前缀( c p ) 的概念【1 9 】，采用在符号间插入符号的周期扩展的方法有效抑制 了i c i 和i s i 。 厂蒯、 循环前缀 。k i 、 1 1 5 7 求g 图2 3o f d m 循环前缀示意图 6 重庆邮电大学硕士论文第二章o f d m 原理和数字电视地面广播系统介绍 2 1 50 f d l l 系统同步 o f d m 系统要求严格同步，不准确的符号定时或者不同步的载波频率都会影响 o f d m 系统性能o f d m 系统主要有4 种同步。 1 ) 帧同步 帧同步是为了在o f d m 符号流中找到帧的开始位置。 2 ) 符号定时同步 符号定时同步是为了找到f f t 窗的起始位置。符号定时就是为了获得最好的 f f t 窗，使子载波保持正交，以便最大限度的降低i s i 。 3 ) 载波同步 o f d m 系统的子载波间的频率间隔较小，能容忍的频偏非常有限。载波频率不 同步不仅会造成解调后输出信号的幅度衰减，严重的还会出现i c i 。 4 ) 采样时钟同步 采样时钟同步是指发射端d a 变换器与接收器a d 变换器的频率保持一致。 2 2d v b t 系统结构及特点 d v b t 是广播电视系统的重要组成部分，不但必须具有支持传统电视广播服务 的基本功能，而且还要具有适应广播电视服务的可扩展功能。 d v b t 系统支持多频网和单频网两种组网模式，可根据应用业务的特性和组网 环境不同选择传输模式和参数。 2 2 1d v b - t 系统结构 d v b t 的系统结构如图2 4 所示。 图2 4d v b - t 收发机结构图 7 重庆邮电大学硕士论文第二章o f d m 原理和数字电视地面广播系统介绍 星座映射主要包含b p s k 、q p s k 、1 6 q a m ) 及t 6 4 q a m 等几种符号映射关系，各 种符号映射都会加入相应的功率归一化因子，使各种符号映射的平均功率大致相同。 1 6 q a m 如图2 5 所示。 v 1 0 0 0l l 1 0 1 1 1 0 1 0 。 1 1 0 01 1 0 1 l l l ll l l 0 - 2 - j - i t 0 1 0 00 1 0 i o l l io l l o 川 0 0 0 0 0 0 0 ll l0 0 1 0 - _ 图2 51 6 q a m 符号星座图 o f d m 帧除传输有效数据，还传输c p 、s p 以及t p s 等参考信号，其中s p 和c p 采用b p s k 调制，t p s 携带的是o f d m 系统参数，采用b c h 码差错控制并采用频率分 集的传输方式，以参数传输过程中的误码率，以确保接收端能够准确的解码。 在符号定时同步、载波频率同步和采样时钟同步过程中，导频和参数都起到了 巨大的作用，并且在信道时变跟踪，等过程中都起到了至关重要的作用。 d v b t 系统在每个o f d m 符号间都插入了长度可选的循环前缀，循环前缀延长 了o f d m 调制信号的持续时间，当循环前缀大于多径的最大时延扩展，可以消除i s i ， 并保持子载波间的正交性。 上变频和下变频通过信号z ( f ) 与一个复旋转向量相乘得到： y ( f ) = x ( t ) e 弘8 印 式( 0 7 ) 其中，：为载波频率。 对式( 0 7 ) 进行数字化，引入满足采样定理的采样周期r ，数字上变频和下变频 可以写为： y ( k r ) = x ( k t ) d 2 刀矽式( o 8 ) f d m 帧除了传输有效的数据信号外，还传输连续导频( c p ：c o n t i n u a lp i l o t ) 、分散 导频( s p ：s c a t t e r e dp i l o t ) 和传输参数信令( t p s ：t r a n s m i s s i o np a r a m e t e rs i g n a l i n g ) 参考 信号。这些信号的调制由伪随机二进制序3 i o ( p r b s ：p s e u d o r a n d o mb i n a r ys e q u e n c e ) 导出，为使参考信号具有较高的抗干扰性能，连续导频和分散导频采用b p s k 方式 调制，以高于数据载波平均电平2 5 d b 发射。t p s 携带了一些o f d m 的系统参数，控 制接收端正确解码。它以频率分集的方式传输，接收端通过合并获得1 2 3 d b 增益。 重庆邮电大学硕士论文 第二章o f d m 原理和数字电视地面广播系统介绍 t p s 采用b c h 码进行误码保护，进一步减少传输参数误码率。 这些导频和参数可以有效的进行符号定时同步、载波频率同步以及采样钟同步， 并及时跟踪信道变化，完成均衡处理，在移动接收和对付动态多径中，都显示了巨 大的作用。 2 2 2 系统参数与0 f i ) m 帧结构 表2 1 给出的是d v b t 系统参数。 表2 1d v b - t 系统中o f d m 参数 o f d m 参数2 k 模式8 k 模式 子载波数 1 7 0 56 8 1 7 有用载波数1 5 1 26 0 4 8 1 r u ( h z ) 44 6 411 1 6 有用带宽( k h z ) 7 6 0 97 6 1 2 有用符号长度t u 2 0 4 8 木t = 2 2 4 k t s 8 1 9 2 宰t = 8 9 6 z s 保护间隔周期a ( 比s ) 5 62 81 472 2 41 1 25 62 8 符号期( j ) 互= 乃+ a 2 8 02 5 22 3 82 3 1 1 1 2 01 0 0 8 9 5 29 2 4 发射点最大距离( k m ) 2 41 2639 64 82 41 2 保护间隔比率 1 4 “8 1 1 6 1 3 21 4 1 8 1 1 61 3 2 信道带宽 7 6 l m h z 调制方式 q p s k , 1 6 q a m ，6 4 q a m 1 2 ，2 3 ，3 4 ，5 6 ，7 8 在t v b t 系统中，传输信号采用帧结构形式。每帧的时间为乃，包含6 8 个o f d m 符号。每4 帧构成一个超帧。每个符号由6 8 1 7 ( 8 k 模式) 和1 7 0 5 ( 2 k 模式) 个载波组成， 以五符号持续时间发射。符号持续期包含：有用符号期霉，和保护间隔。保护间隔 紧接着有用部分组成一个周期。o f d m 帧里的符号从0 6 7 编号，所有的符号都包含 数据和参考信息。 d v b t 中o f d m 帧结构如图2 6 所示。 9 重庆邮电大学硕士论文第二章o f d m 原理和数字电视地面广播系统介绍 1 f 孟籍号一 r 于 06 7 _ o f 嘲数据帧 图2 6 复帧的四层结构 2 2 3c o f d m 传输方案特点 1 ) 频谱效率提高近一倍。o f d m 的频带利用率为【n ( n + 1 ) xl o g ：m ，为一个 o f d m 符号的长度，魄q a m 映射点数；单载波的频带利用率为( 1 2 ) 1 0 9 ，m 。 2 ) o f d m 能在较大的失真和突发性脉冲干扰环境下对传输的数字信号提供有效 的保护。并行传输机制将信息分散到大量子载波中，将高速数据流比特速率尺降为 速率为删个子流，使调制符号的时间间隔远大于信道的时延扩展，减小了系统 对迟延扩展的敏感程度，从而也就减小了i s i 的影响。 3 ) 通过时域插入循环扩展的保护间隔，系统保护间隔长度取f f t 点数的1 3 2 ， 1 1 6 ，1 8 和1 4 。在严重衰落的无线传输环境下，延长o f d m 调制信号的持续时间， 使保护间隔大于最大多径的最大时延扩展，可进一步消除多径带来的i s i 和i c i ，保 持子载波之间的正交性。 4 ) o f d m 系统利用发端插入的已知导频，在时间和频率方向上进行内插，可以 很好地跟踪信道变化，进行信道估计和均衡。 5 ) 调制信号在时域插入保护间隔，频域加入各种导频信号，可在恶劣的地面环 境下有效进行符号同步、频率同步和采样时钟同步，保证接收机时钟和子载波间的 正交性，利于接收机得到关于调制参数的配置信息。 2 3 本章小结 本章主要介绍t o f d m 的基本原理和d v b t 系统的结构及特点。d v b t 系统采 用o f d m 编码方式，因而具有较高的频谱效率和系统容量，并且可以有效地对抗多 径衰落，循环前缀地加入使这种能力更加强大，d f t ( 特别是n 玎) 的应用降低了系统 实现的复杂度和开发成本，有利于实现系统基带信号处理部分的全数字化：d v b - t 系统运用分散导频和连续导频的插入能实现对信道响应的快速跟踪；高效的信道编 l o 重庆邮电大学硕士论文第二章0 f d m 原理和数字电视地面广播系统介绍 码和时频交织技术还能有效地对抗突发差错和a w g n 干扰引起的随机差错。但 o f d m 对定时和频偏特别敏感，这也是多载波通信的个普遍问题。 重庆邮电大学硕士论文 第三章d v b - t 系统信道估计研究 第三章d v b - t 系统信道估计研究 总的来说，信道估计算法分为两大类，一类为盲估计算法，一类为基于训练序 列( 导频) 的估计算法。因为d v b t 系统在发送信号中插入训练序列( 或者在频域端插 入，或者在时域端插入) ，所以本文将不再讨论信道盲估计算法，只是针对基于导频 训练序列的信道估计算法进行研究。本章将在介绍分析d v b t 系统现有信道传输系 数估计算法基础上，结合d v b t 系统p n 帧头的特点给出一种信道估计方法。 3 1 基于d v b - t 系统的信道传输系数估计方法 基于训练的估计算法主要是通过在信号中插入导频序列，在接收端利用这些已 知的信息来进行相应的参数估计，然后求得信道响应。基于导频的估计算法可以通 过不断地发送导频信号来实现对信道的实时测量、连续跟踪【2 0 1 。 d v b t 系统的信道估计一般采用基于训练( 导频) 序列的估计算法，这就需要在 发送端加入一定数量的已知训练数据，根据添加训练数据的方式可以分为两类：一 类是在频域加入导频序列，一类是在时域加入训练序列。 作为o f d m 系统的重要参数，导频结构的选择直接影响到估计结果的精度。选 择导频结构的依据是信道的最小相关带宽、最小相关时间以及估计算法，时频域内 导频符号的位置必须能够使信道估计器跟上信道的不断变化。d v b t 就是采用的频 域导频，d v b t 系统中关于基于频域导频的信道估计，主要的思路是利用导频序列 估计出信道在导频位置的频域响应，然后通过各种内插算法恢复全部信道响应。 重庆邮电大学硕士论文 第三章d v b - t 系统信道估计研究 在发射端的i f f t 变换模块之后添加这些已知的o f d m 符号子载波信息，块状导频就 可以转化看作是时域训练序列，但此时在时域上看这样的已知序列是不够规则的， 但d v b t 系统在时域加入了规则的p n 训练序列【2 l 】，因此本章的核心就是重点讨论如 何利用这些添加在时域的规则p n 训练序列进行信道传输参数的估计。 基于时域训练序列的信道估计算法通常情况下按以下思路进行：首先通过利用 已知的时域训练序列得到信道时域冲激响应( c u ，然后利用c i r 做响应的处理恢复 出全部的信道响应。下面将详细介绍几个典型的基于时域训练序列和d v b t 系统的 信道估计算法。 3 2 基于线性最小二乘的矩阵求逆估计算法 3 2 1 线性最, b - - 乘( l s ) 算法分析 基于线性最小二乘的矩阵求逆估计算法是基于观测误差平方和最小的信道估计 算法f 2 2 】。定义接收信号由公式y = 办幸x + w 表示，在不考虑噪声w 影响的情况下，采 用l s 估计算法估计信道的时域冲激响应石，就是为了使观测误差平方和( y 一石石) 2 最 小化。l s 估计器的代价函数表示为： ，( 日) = 一日x ) ( r - - x )式( 3 1 ) 其中，x 为发送信号值，l ，为接收信号值，詹为信道响应估计值。为使代价函数 ，( 疗) 最