MATLAB仿真在现代通信中的应用：数字电视系统

数字电视系统10.1数字电视广播系统10.2卫星广播系统

DVB-T(terrene)用于6～8MHz陆上数字电视广播系统，其传输层的数据码率最大为24Mb/s，采用64QAM调制，并采用COFDM(CodedOFDM)多载波频分复用技术。COFDM在抑制多径传输干扰方面有着显著的优越性。在传输比特率方面，DVB允许比特率可变，对DVB-T而言，在6MHz的频带内传输速率为3.7～23.8Mb/s；在8MHz的频带内，传输速率为4.9～31.7Mb/s。10.1数字电视广播系统

PSK、QAM调制在单个载波上容易产生码间干扰而增加误码率，在多径传播的环境中由于瑞利衰落的影响会造成误码。DVB-T采用正交频分多载波调制OFDM(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing)，先将高速率的串行数据转换成多路低速率数据流，每路低速数据流对一个载波进行调制，组成一个多载波并行传输系统。总的信号带宽被划分为N个互不重叠的子通道，N个子通道进行正交频分多重调制，当每路载波的带宽小于Δf

(多径时延τ的倒数)时，可有效地抑制由频率选择性衰落造成的码间干扰。多径传播会引起平坦性衰落和多普勒频移，结果OFDM各载波间的正交性被破坏。COFDM进行了编码和交错，各载波受到的衰落近似统计独立，消除了平坦性衰落和多普勒频移的影响。OFDM与普通的频分复用(FDM)的区别是存在正交性，不同载波的频谱可以相互交叠，因而获得最佳的频谱利用率(每单位带宽的比特率)。图10-1所示数字视频广播仿真系统(SCHX10_1.mdl)是一个根据ETSI(EuropeanTelecommunicationsStandardsInstitute)EN300744标准制作的演示系统，名为陆地数字视频广播系统(commdvbt.mdl)。该系统取自工具箱通信模块(Toolbox\Commblocks\Commblocksdemos\commdvbt)。它由发射、接收和传输部分、信号源和误码仪组成。

该仿真系统的主要组成及信号流程如下。

1.发射部分

信号源是256进位、采样速率为400ksymbol/s、每帧188符号的整数数据流。数据格式是unit8。

采取的多种信道编码的措施有：整形里德-索洛蒙(RS)编码，信息位长188，码字长204。卷积交织，寄存器行数12，寄存器长度间隔17后，将数据变换为二进制代码(204行变为204

×

8=1632行)。采用网格结构是poly2trellis(7,[171133])以及打孔矢量为[110110]'的缩短卷积码(1632行变为1632

×

2

×

2/3=2176行)。DVB-T特有的内部交织，其中包括块交织，数据块存储变换后变成9072行的数据流，然后进行符号交织。调制方式：将二进制代码映射为通用64QAM调制(9072行变为9072/6=1512行)。

OFDM：将1512行的数据块经过填零操作后变为2048行的数据块，再将数据块的数据重新排列(填零的数据搬移到中间)，填零操作后的选择器(Selector)中的指针(Index)设定为：

[1:7561513:2048757:1512]

进行长度为2048的反向快速傅里叶变换。完成了正交频分多址OFDM操作。

2.传输部分

加性高斯白噪声信道的信噪比设置为18.5dB。

3.接收部分

OFDM接收，正向快速傅里叶变换，去填零。

64QAM解调。

信道解码：DVB-T的内部解交织。解缩短卷积编码。解卷积交织。整形里德-索洛蒙(RS)解码。

4.显示部分

图10-1的仿真系统中，有两个误码仪。(1)在基带信号的收发端，通过整数到二进制数变换器连接到误码仪可以测试仿真系统的误码特性。(2)绕开了卷积交织、解交织，整形里德-索洛蒙(RS)编解码后的误码仪，可以测试系统没有这两种差错控制手段时的误码传输特性。由图10-3的仿真结果表明前者好于后者。

图10-1数字视频广播仿真系统(SCHX10_1.mdl)在接收机的输入端放置一个频谱仪，OFDM解调后放置一个星座图仪，可以测试到数字视频广播仿真系统接收信号的星座图、频谱图，如图10-2所示。

将图10-1稍作改动，即在两个误码仪之前加上提取数据的设备，到工作空间ToWorkspace。改动后的仿真系统是SCHX10_1a。运行程序10-3后得到图10-3所示的系统传输特性图。所有差错控制手段都用上的是左边的曲线，不用里德-索洛蒙(RS)编码和卷积交织(ConvelutionalInterleave)参与差错控制的是右边的曲线，可见在相同误码率的情况下有2dB的差别。

图10-2数字视频广播仿真系统接收信号的星座图、频谱图

图10-2数字视频广播仿真系统接收信号的星座图、频谱图

程序10-3

clear

ErproVec=10:1:20;

forn=1:length(ErproVec)

SNR=ErproVec(n);

sim('SCHX10_1a')

S2(n)=[mean(s)]';

S1(n)=log10(S2(n)+eps);

S3(n)=S2(n)+eps;

EN(n)=[ErproVec(n)]';

S4(n)=[mean(s1)]';

S1A(n)=log10(S4(n)+eps);

S5(n)=S4(n)+eps;

EN(n)=[ErproVec(n)]';

end

semilogy(EN，(S3)，'b.-'，EN，(S5)，'r')

axis([10，20，1e-15，1])

grid

title('陆上数字电视广播的传输特性');

xlabel('信噪比');

ylabel('误码率');

图10-3数字电视广播系统的传输特性

图10-4所示卫星广播系统是一个射频卫星链路演示系统(SCHX10_4.mdl)。该系统取自工具箱通信模块(Toolbox\Commblocks\Commblocksdemos\commrfsatelink)。它由发射、接收、传输、信号源和误码仪组成了仿真系统。10.2卫星广播系统

图10-4卫星广播仿真系统(SCHX10_4.mdl)卫星广播的下行链路仿真系统的主要部分及信号流程如下。

1.发射机

信号源产生16进位、采样速率为400ksymbol/s、每帧100符号的数据流。采用了矩形分布16QAM调制和开平方升余弦发送滤波器(群延迟为3、滚降系数为0.3)。Saleh模式(无记忆非线性)的高功率放大器。蝶形卫星发射天线的增益为12.426。

2.传输环境

采用了工作在4GHz传输36500km的自由空间损耗模块、多普勒频移和相移误差的模块。

3.接收机

采用了蝶形卫星接收天线，增益为12.426。前置放大器是工作在K氏温度20°低温。接下来是多普勒频移和相移误差校正、I/Q信号不均衡校正、直流电平搬移、幅度自动增益控制。矩形分布16QAM解调制和开平方升余弦接收滤波器。系统能够实现较小的接收误差。全系统增益与损耗匹配合理。

4.信号显示

不仅能够显示发送滤波器之后和接收滤波器之前的信号频谱，还能够显示发射机调制器输出端和接收机解调器输入端的信号星座图、发射机高功率放大器输入端和输出端的信号星座图，发射机调制前的基带数字信号与接收机解调后数字信号比较得出的误码率。图10-5是卫星广播仿真系统信号频谱图。图中两条曲线分别表示发射滤波器之后(CH1下)的发射信号频谱与接收滤波器之前(CH2上)的接收信号频谱。可见，接收信号背景噪声提高了。同步卫星在35600km的高空将信号传输到地面，对于4GHz的信号有将近200dB的衰减，通常接收机前置放大器采用低温制冷20K(开氏温度)，以获得低的噪声系数，如-100dBc/Hz的低相位噪声。如图10-5左边的图所示，此时误码仪显示误码率为0。如果前置放大器采用常温293K(开氏温度)，在射频链路演示设置(RFLinkDemoSetting)模块，那么，即使相位噪声不变，频谱图也将如右图所示。背景噪声提高了，误码率变差为0.004。

图10-5卫星广播仿真系统信号频谱图(左)20°(右)293°

图10-5卫星广播仿真系统信号频谱图(左)20°(右)293°图10-6图(a)是卫星广播仿真系统发射信号星座图。此时星座图十分干净。

图10-6图(b)是接收滤波器之后的信号星座图，可见，通过传输环境以及接收处理后有所偏离。

图10-7图(a)是卫星广播仿真系统发射机高功率放大器之前的发射信号星座图。右图是发射机高功率放大器之后的信号星座图。可见，通过高功率放大器后星座图偏离情况基本不变，但信号幅度有很大提高。

图10-6卫星广播仿真系统发射端(a)发射信号星座图

图10-6卫星广播仿真系统发射端(b)信号星座图

图10-7卫星广播仿真系统发射机高功率放大器之前、之后信号星座