摘 要：信道估計(jì)是通信領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)，它是進(jìn)行相關(guān)檢測(cè)、解調(diào)、均衡的基礎(chǔ)。針對(duì) DMB-T系統(tǒng)中的時(shí)域同步信道估計(jì)進(jìn)行了研究，在算法級(jí)對(duì)其進(jìn)行了詳細(xì)的分析并提出了改進(jìn)得到更優(yōu)的性能。提出的算法采用 PN 序列的相關(guān)技術(shù)得到信道估計(jì)，通過(guò)比較不同的相關(guān)方法所得到的信道，確定最終輸出的信道沖激響應(yīng)。

關(guān)鍵詞：TDS-OFDM；信道估計(jì)；PN序列；DMB-T

中圖分類號(hào)：TN911.23 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1004-373X(2008)11-047-03

Method Research of Channel Estimation in TDS-OFDM System

HUANG Wei1，HUANG Yuan2

(1.Ruyi Electric Corporation，Xianyang，712099，China;2.Shaanxi Administration School，Xi′an，710098，China)

Abstract：Channel estimation technique is the hotspot of research on the communications filed as being groundwork for processing the correlation detecting，demodulation and equalization.To estimate the channel impulse response definitely without increase the complexity of the system has become a research direction.In this thesis，we analyze the time-domain synch-ronous，using PN sequence correlation to get channel estimation，optimize and confirm the final estimation after comparing.The arithmetic simulation indicates the correctness of the design.

Keywords：TDS-OFDM;channel estimation;PN sequence;DMB-T

1 引 言

在近十余年中，數(shù)字電視地面廣播(DTTB)已達(dá)到了實(shí)際應(yīng)用階段。目前已被國(guó)際電信聯(lián)盟(ITU)承認(rèn)的DTTB傳輸標(biāo)準(zhǔn)有3個(gè)，即：美國(guó)先進(jìn)電視系統(tǒng)委員會(huì)提出的格型編碼8電平殘余邊帶調(diào)制(8VSB)系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱ATSC)，歐洲開(kāi)發(fā)的基于編碼正交頻分復(fù)用(COFDM)技術(shù)的數(shù)字視頻地面廣播標(biāo)準(zhǔn)(DVB-T)和日本采用的分段正交頻分復(fù)用的地面綜合業(yè)務(wù)數(shù)字廣播標(biāo)準(zhǔn)(ISDB-T)?，F(xiàn)階段對(duì)這3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的比較和測(cè)試見(jiàn)諸多文獻(xiàn)［1］，一般來(lái)說(shuō)，這3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)各有特點(diǎn)。ATSC系統(tǒng)為傳統(tǒng)的單載波(SC)系統(tǒng)，它使用復(fù)雜的信道均衡器來(lái)進(jìn)行信道估計(jì)，消除多徑干擾。該算法的對(duì)均衡器要求比較高，均衡器設(shè)計(jì)的復(fù)雜度很高。歐洲D(zhuǎn)VB-T多載波系統(tǒng)是在OFDM頻譜中插入導(dǎo)頻信號(hào)的，它規(guī)定了分散導(dǎo)(Scattered Pilot) 頻和連續(xù)(Continuous Pilot)導(dǎo)頻。連續(xù)導(dǎo)頻在每個(gè)COFDM符號(hào)中的位置都是固定的，散布導(dǎo)頻的位置在不同的COFDM符號(hào)中有所不同。然而該方案在使用了大量導(dǎo)頻來(lái)完成估計(jì)和均衡，使得系統(tǒng)有效數(shù)據(jù)的傳輸率較低。ISDB-T是日本無(wú)線電工商業(yè)協(xié)會(huì)開(kāi)發(fā)的，系統(tǒng)采用的調(diào)制方法稱為頻帶分段傳輸(BST)OFDM，由一組共同的成為BST段的基本頻率塊組成，屬于單載波傳輸。

在上述背景下，我國(guó)制定了中國(guó)地面?zhèn)鬏敂?shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)(簡(jiǎn)稱DTMB)。歐洲的DVB-T與和日本的ISDB-T標(biāo)準(zhǔn)都是采用具有循環(huán)前綴保護(hù)間隔的編碼正交頻分復(fù)用，即COFDM調(diào)制。而DTTB標(biāo)準(zhǔn)采用了PN序列作為循環(huán)間隔，時(shí)域同步正交頻分復(fù)用(TDS-OFDM)進(jìn)行調(diào)制。

然而，要想完全實(shí)現(xiàn)OFDM技術(shù)所帶來(lái)的性能的提高，還需要進(jìn)行關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，而信道估計(jì)就是其中之一。本文針對(duì)清華所提出的DMB-T系統(tǒng)中信道估計(jì)部分進(jìn)行了研究，對(duì)迭代算法進(jìn)行了優(yōu)化，使得估計(jì)得到的信道沖激響應(yīng)更加精準(zhǔn)，從而提高系統(tǒng)的性能。 

2 TDS-OFDM 信道估計(jì)算法

2.1 TDS-OFDM 的系統(tǒng)模型 

TDS-OFDM 是現(xiàn)在清華提出的DMB-T傳輸系統(tǒng)的核心調(diào)制技術(shù)，它是時(shí)域同步的正交頻分復(fù)用技術(shù)，或者稱為以 PN 序列為保護(hù)間隔的正交頻分復(fù)用調(diào)制。 系統(tǒng)的離散系統(tǒng)模型如圖1所示。

圖1 TDS-OFDM系統(tǒng)模型

信號(hào)通過(guò)串并變換，經(jīng)過(guò) IFFT 調(diào)制，然后再并串變換，加入PN序列，形成信號(hào)幀。一個(gè)信號(hào)幀由幀同步和幀體兩部分組成，考慮到信道的時(shí)間選擇性(多普勒分布約為100 Hz)，每個(gè)信號(hào)幀的長(zhǎng)度定義為<600 μs。一個(gè)信號(hào)幀可以作為一個(gè)正交頻分復(fù)用(OFDM)塊。對(duì)于TDS-OFDM來(lái)說(shuō)，幀同步序列(即PN序列)作為 OFDM 的保護(hù)間隔，而幀體作為IFFT塊，以DMB-T傳輸系統(tǒng)為例，信號(hào)幀的結(jié)構(gòu)如圖2所示。 

圖2 DMB-T信號(hào)幀結(jié)構(gòu)

信號(hào)幀中的幀同步由前同步、8階PN序列和后同步三部分組成。PN序列定義為 255 個(gè)符號(hào)，前同步和后同步定義為 PN 序列的循環(huán)擴(kuò)展，如圖3所示。 

圖3 PN序列的循環(huán)擴(kuò)展結(jié)構(gòu)

8階PN序列定義為本原多項(xiàng)式x8+x6+x5+x+1的m序列，其初始條件將確定所生成的m 序列的相位，而初始條件是由每一個(gè)幀的幀號(hào)所決定的。信號(hào)幀群中的每個(gè)信號(hào)幀分配有惟一的幀同步信號(hào)，以此作為信號(hào)幀的識(shí)別特征。也就是說(shuō)，在接收端，我們只要確定m序列的相位，就可以確定幀號(hào)，從而可以達(dá)到同步的目的。 

2.2 PN序列自相關(guān)實(shí)現(xiàn)信道估計(jì) 

在 DMB-T系統(tǒng)中，采用 TDS-OFDM(時(shí)域同步正交頻分復(fù)用)調(diào)制技術(shù)，沒(méi)有插入 OFDM 導(dǎo)頻信號(hào)，而是在 OFDM 的保護(hù)間隔中插入時(shí)域 PN 信號(hào)作為同步頭。不考慮數(shù)據(jù)對(duì)同步頭的干擾，接收到的同步頭可以表示為：



r(k)=∑l-1l=0c(k-l)#8226;hc(l)+n(k)



式中c(k)為選用的PN序列，它具有良好的相關(guān)特性，其歸一化相關(guān)函數(shù)可表示為：



ρ(n)=1k∑k-1k=0c(n-k)*#8226;c(k)1[WB]n=k0other[JB)]



通過(guò)時(shí)域的相關(guān)，即r(k)和本地的c(k)相關(guān)，可以得到信道的時(shí)域沖激響應(yīng)的粗估計(jì)(n)。得到的粗估計(jì)(n)中的小電平值被丟棄，因?yàn)榇嬖诎自肼暫投鄰綍r(shí)，這些小電平已經(jīng)不用考慮了。

相關(guān)使用的PN序列有K=255個(gè)符號(hào)，所以提出的信道估計(jì)算法能給出的信道估計(jì)長(zhǎng)度為K，即要求L≤K。我們所得到的粗估計(jì)(n)時(shí)由信道的第一條路徑來(lái)定位的，實(shí)際中一般以主徑來(lái)定位，而主徑前的旁徑造成相對(duì)于主徑的信號(hào)的向前擴(kuò)散，主徑后的旁徑造成相對(duì)于主徑的信號(hào)的向后擴(kuò)散。前同步緩沖和后同步緩沖定義為 PN 序列的循環(huán)擴(kuò)展，它們作為 PN 序列的保護(hù)段，只要信道的前徑長(zhǎng)度和后徑長(zhǎng)度分別小于前同步長(zhǎng)度和后同步長(zhǎng)度，就可以得到比較準(zhǔn)確的時(shí)域沖激響應(yīng)。

根據(jù)得到的粗估計(jì)(n)，可以構(gòu)造PN序列經(jīng)過(guò)信道沖激響應(yīng)后得到的信號(hào)y(k)，通過(guò)接收的信號(hào) r(k)減去y(k)，可以得到數(shù)據(jù)部分通過(guò)信道后的響應(yīng)信號(hào)x(k)。對(duì)x(k)進(jìn)行時(shí)域的判決反饋處理，均衡后得到z(k)，這里的z(k)是凈化后的 x(k)。由于需要得到純凈的 y(k)通過(guò) y(k)和本地PN序列的頻域相除得到信道的沖激響應(yīng))，所以再分段從r(k)中減去上一幀數(shù)據(jù)部分對(duì)本幀幀頭的影響 x[CD#*2]pre(k)以及本幀數(shù)據(jù)部分對(duì)本幀幀頭的影響 z(k)，重建了幀頭y(k)，然后根據(jù)頻域上的除法，就可以得到比較精確的信道估計(jì):



hiter=j+1n，k=IFFTYiter=j+1n，kCn，k



其中的iter=j+1，表示經(jīng)過(guò)幾次迭代之后所得到的最終的信道估計(jì)。接收端去除 PN 序列之后的幀體經(jīng)過(guò) FFT 操作之后，得到頻域輸出Y(n，k)，然后使用所得到的信道頻率響應(yīng)估計(jì)(n，k)(這里的n指的是第n幀)對(duì)本幀的頻域數(shù)據(jù)Y(n，k)進(jìn)行信道均衡，即z(n，k)=y(n，k)/(n，k)。整個(gè)信道估計(jì)的過(guò)程如圖4所示。

圖4 TDS-OFDM時(shí)域相關(guān)信道估計(jì)

通過(guò)如圖4所示的信道估計(jì)，在頻域通過(guò)除法運(yùn)算即可實(shí)現(xiàn)信道均衡，簡(jiǎn)單的均衡器正是多載波調(diào)制優(yōu)于單載波的一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)。這種通過(guò)時(shí)域相關(guān)的方法直接得到信道沖激響應(yīng)，有效地減少了白噪聲的干擾。 

3 仿真結(jié)果

仿真采用M幀數(shù)據(jù)，比較迭代估計(jì)得到的信道沖激相應(yīng)和理想信道，分析并確定算法最優(yōu)性能時(shí)各參數(shù)的選取。 從圖5粗估計(jì)和理想信道比較結(jié)果圖可以看到，通過(guò)相關(guān)得到的粗估計(jì)和實(shí)際的理想信道有一定的差異，做均方差比較，得到的值channel[CD#*2]MSE為0.006 251 1，達(dá)到10-3級(jí)。

1次迭代以后得到的信道估計(jì)和理想信道估計(jì)比較的結(jié)果圖如圖6所示?？梢钥吹?，迭代以后得到的估計(jì)相對(duì)粗估計(jì)要更接近理想信道，做均方差比較可以得到，迭代1次以后的channle[CD#*2]MSE[CD#*2]iter 為 0.000 141 53，已經(jīng)達(dá)到了10-4級(jí)。 [LM]

圖5 粗估計(jì)和理想信道比較

圖6 1次迭代估計(jì)和理想信道估計(jì)比較

4次迭代以后得到的信道估計(jì)和理想信道估計(jì)比較的結(jié)果圖如圖7所示， 可以看到，迭代以后得到的估計(jì)相對(duì) 1 次迭代估計(jì)已經(jīng)非常接近理想信道，做均方差比較可以得到，迭代 4 次以后的channle[CD#*2]MSE[CD#*2]iter為3.350 6e-006，已經(jīng)達(dá)到了10-6級(jí)。 

圖7 4次迭代估計(jì)和理想信道估計(jì)比較

8次迭代以后得到的信道估計(jì)和理想信道估計(jì)比較的結(jié)果圖如圖8所示， 可以看到，迭代以后得到的估計(jì)幾乎和理想信道時(shí)重合的，做均方差比較可以得到，迭代 8 次以后的 channleMSEiter 為 1.328 6e-008，已經(jīng)達(dá)到了10-8 級(jí)。 

圖8 8次迭代估計(jì)和理想信道估計(jì)比較

下面比較粗估計(jì)得到的數(shù)據(jù)點(diǎn)星座圖和8次迭代均衡以后得到的星座圖，可以看到迭代之后得到的信道估計(jì)星座映射效果相對(duì)比較好。根據(jù)粗估計(jì)得到的星座圖如圖9所示，8次迭代之后得到的星座圖如圖10所示。

通過(guò)圖9和圖10可以看出，迭代8次以后得到的信道沖激應(yīng)用于均衡，均衡效果明顯優(yōu)于粗估計(jì)的均衡效果。

圖9 粗估計(jì)信道星座圖

圖10 8次迭代估計(jì)信道星座圖

4 綜合分析

表1為8次迭代估計(jì)過(guò)程中信道估計(jì)的均方差(MSE)和均衡之后的誤比特率(BER)的比較：Iternum = 8。

表1 8次迭代過(guò)程中的參數(shù)比較

從圖11和圖12中可以看出，經(jīng)過(guò) TDS-OFDM 的信道估計(jì)方法，經(jīng)過(guò) 8 次迭代，信道估計(jì)的精度已經(jīng)很高了，均衡之后的誤碼率也相對(duì)較小。幾次迭代之后的信道估計(jì)與理想信道的比較說(shuō)明了迭代算法的效果是很明顯的，同時(shí)均衡后的誤比特率在一定的條件下，也隨迭代次數(shù)的增加下降的比較塊。軟件的仿真結(jié)果表明了信道估計(jì)算法的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的準(zhǔn)確性。圖12 ChannealMSE和iter times的關(guān)系

5 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)清華所提出的DMB-T系統(tǒng)中信道估計(jì)部分進(jìn)行了以上分析和研究，對(duì)迭代算法進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)果表明，優(yōu)化后的信道估計(jì)方法在保證了良好信道估計(jì)性能和系統(tǒng)誤碼的同時(shí)具有較低的復(fù)雜度，并且得到的信道沖激響應(yīng)更加精準(zhǔn)，MSE更小，系統(tǒng)性能更好，是一種非常具有實(shí)用意義的信道估計(jì)算法。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］Wu Y，Pliszka E，Caron B.Comparison of Terrestrial DTV Transmission System:the ATSC 8-VSB，the DVB-T [LL]COFDM and the ISDB-T BST-OFDM.IEEE Trans.Broadcasting，2000，46(2):101-113.

［2］Wang Jun，Yang Zhixing，Pan Changyong，et al.Iterative Padding Subtraction ofthe PN Sequence for the TDS-OFDM over Broadcast Channels\\[J\\].IEEE Transactions on Broadcasting，2005，51(4):1 148-1 152.

［3］Song Bowei，Gui Lin，Guan Yunfeng.On Channel Estimation and Equalization in TDS-OFDM-based Terrestrial HDTV Broadcasting System\\[J\\].IEEE Transactions on Consumer Electronics，2005，51(3):790-797.

［4］Zhang Ziwei，Yang Zhixing，Pan Changyong.Synchro-nization and Channel Estimation for TDS-OFDM Systems\\[C\\].IEEE 58th Vehicular Technology Conference，2003(2):1 229-1 233.

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注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文。