章理為,萬(wàn) 戈,邸 娜,丁文伯,楊 昉
(1.國(guó)家廣播電影電視總局廣播科學(xué)研究院無(wú)線(xiàn)技術(shù)研究所,北京 100045;2.清華大學(xué)電子工程系微波與數(shù)字通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100084)
為配合國(guó)家地面數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)全面實(shí)施,為單頻網(wǎng)[1]網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)指導(dǎo),筆者等人開(kāi)展了國(guó)標(biāo)地面數(shù)字電視單頻網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)增益判定方法及模型研究課題研究,其預(yù)期目標(biāo)是針對(duì)固定接收情況,提出一種國(guó)標(biāo)GB20600—2006[2]條件下地面數(shù)字電視接收機(jī)在單頻網(wǎng)內(nèi)多個(gè)同步信號(hào)干擾或增益判定的方法,該方法可以根據(jù)單頻網(wǎng)規(guī)劃軟件計(jì)算得到的場(chǎng)強(qiáng)、延時(shí)等參數(shù)對(duì)單頻網(wǎng)覆蓋情況進(jìn)行判斷。同時(shí)進(jìn)行國(guó)標(biāo)單頻網(wǎng)多個(gè)同步信號(hào)干擾或增益判定及模型研究,形成可計(jì)算的網(wǎng)絡(luò)增益判定模型。
無(wú)線(xiàn)通信中,由于反射或折射等因素,數(shù)據(jù)信號(hào)不是通過(guò)單一的直射路徑傳輸,而是經(jīng)過(guò)多個(gè)路徑抵達(dá)接收天線(xiàn),這種信道稱(chēng)為多徑信道。多徑效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致接收到的信號(hào)存在時(shí)間擴(kuò)散和碼間干擾,進(jìn)而影響信號(hào)傳輸?shù)馁|(zhì)量,造成系統(tǒng)接收性能的降低。而2徑、3徑信道的建模以及簡(jiǎn)化是工程研究的基礎(chǔ)性以及決定性工作。3徑模型是研究多徑效應(yīng)的關(guān)鍵部分,對(duì)于超過(guò)3臺(tái)基站的情況,可以通過(guò)能量的等效合并或者主次分離等方法將模型簡(jiǎn)化成1個(gè)或者多個(gè)3徑信道的疊加,由于實(shí)際工程中只需要信號(hào)的強(qiáng)度,與相位無(wú)關(guān),因此這種方法能夠很好地幫助運(yùn)營(yíng)商簡(jiǎn)化和分析信道。
收集了目前市場(chǎng)上的商用接收機(jī),通過(guò)測(cè)試,得到了其在單頻網(wǎng)下的性能數(shù)據(jù),通過(guò)對(duì)這些接收機(jī)性能數(shù)據(jù)的分析,分析出與3徑信道有關(guān)的模型。
研究分為前期測(cè)試實(shí)驗(yàn)、理論數(shù)學(xué)建模以及利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和模型進(jìn)行預(yù)測(cè)3個(gè)部分。用多徑模擬器模擬3徑信道,測(cè)試了接收機(jī)性能指標(biāo);而后對(duì)信道下的數(shù)據(jù)進(jìn)行了研究,結(jié)合理論公式和工程簡(jiǎn)化計(jì)算的要求,給出了數(shù)學(xué)模型,并利用模型進(jìn)行數(shù)據(jù)仿真,仿真結(jié)果表明3徑信道的信道接收門(mén)限能夠較好地符合上面得到的模型。
測(cè)試的系統(tǒng)框圖如圖1所示。測(cè)試使用國(guó)標(biāo)信號(hào)發(fā)生器、多徑模擬器[3]。通過(guò)多徑模擬器的模擬,擬得出接收機(jī)在單頻網(wǎng)下存在多徑時(shí)的性能規(guī)律。
圖1 實(shí)驗(yàn)室測(cè)試系統(tǒng)設(shè)備連接框圖
步驟1:主徑0 dB,第2徑位于 20 μs處,幅度為-3 dB,改變第3徑的幅度和延時(shí)。第3徑的幅度分別為0,-1,-2,-3,-4,-5,-10,-15 dB,時(shí)延分別為1 μs,5 μs,10 μs,25 μs,35 μs,50 μs,55 μs,失敗點(diǎn)。同時(shí)對(duì)稱(chēng)測(cè)量前回波數(shù)據(jù)。
步驟2:保持第2徑的延時(shí)不變,改變第2徑的幅度為-5 dB,重復(fù)步驟1。
步驟3:保持第2徑的延時(shí)不變,改變第2徑的幅度為-10 dB,重復(fù)步驟1。
步驟4:主徑0 dB,第2徑位于30 μs處。調(diào)整第2徑的幅度為-3 dB,改變第3徑的幅度和延時(shí)。第3徑的幅度與時(shí)延同步驟1。同時(shí)對(duì)稱(chēng)測(cè)量前回波數(shù)據(jù)。
步驟5:保持第2徑的延時(shí)不變,改變第2徑的幅度為-5 dB,重復(fù)步驟4。
步驟6:保持第2徑的延時(shí)不變,改變第2徑的幅度為-10 dB,重復(fù)步驟4。
步驟7:主徑0 dB,第2徑位于40 μs處。調(diào)整第2徑的幅度為-3 dB,改變第3徑的幅度和延時(shí)。第3徑的幅度與時(shí)延同步驟1。同時(shí)對(duì)稱(chēng)測(cè)量前回波數(shù)據(jù)。
步驟8:保持第2徑的延時(shí)不變,改變第2徑的幅度為-5 dB,重復(fù)步驟7。
步驟9:保持第2徑的延時(shí)不變,改變第2徑的幅度為-10 dB,重復(fù)步驟7。
3徑下的測(cè)試點(diǎn)數(shù)量:8 064。
實(shí)際測(cè)試中,根據(jù)保護(hù)間隔不同,相應(yīng)地調(diào)整了測(cè)試時(shí)延的步長(zhǎng),使待測(cè)點(diǎn)個(gè)數(shù)相等。
設(shè)備連接如圖1所示,其測(cè)試步驟為:將信號(hào)發(fā)生器設(shè)置為廣電總局推薦的7種模式之一[3];然后將測(cè)試平臺(tái)框圖中的“多徑模擬器”設(shè)為3徑組合模型(射頻多徑信道仿真器設(shè)為2徑,不加入任何干擾源),并根據(jù)要求給定3徑回波強(qiáng)度比,同時(shí)根據(jù)要求設(shè)置3徑的延時(shí)。完成初始化工作后,調(diào)節(jié)C/N值,直到則被測(cè)接收機(jī)達(dá)到客觀判據(jù)接收成功的門(mén)限,記錄此時(shí)的C/N值。重復(fù)以上工作。測(cè)試流程圖如圖2所示。
圖2 測(cè)試方法流程圖
由于商用機(jī)頂盒一般不具有TS碼流接口,無(wú)法使用誤碼率BER法測(cè)試系統(tǒng)的性能。故采用主觀失敗判據(jù):參照ITU -R BT.1368 -2[4]定義的主觀失敗點(diǎn)(SFP)評(píng)價(jià)法,在3個(gè)相繼20 s的每個(gè)20 s內(nèi)所觀察到的圖像損傷多于一個(gè)則判定為失敗。
對(duì)于一般的多徑信道模型,主徑幅度為0 dB,第i從徑相對(duì)于主徑時(shí)延為τi,幅度為Δi(i=1,2)。根據(jù)定義3徑信道沖激響應(yīng)模型為[5]
在OFDM系統(tǒng)中,k可以理解為子載波的編號(hào),將傳輸?shù)臄?shù)字信號(hào)對(duì)應(yīng)到相應(yīng)的子載波上,0≤k<3 780。
在噪聲條件下,并以dB為單位時(shí)可得發(fā)送端和接收端信噪比的關(guān)系:
由于理論上載噪比C/N與信噪比S/N只相差一個(gè)常數(shù),因此可以完全用H(k)來(lái)表示C/N,有
結(jié)合式(5)和式(6),利用指數(shù)函數(shù)和對(duì)數(shù)函數(shù)的泰勒展開(kāi),忽略掉3階以上的項(xiàng),并保留交叉項(xiàng),可以獲得
采用 Levenberg - Marquardt[6]全局優(yōu)化方法,經(jīng)過(guò)擬合比較,合理省略掉權(quán)重不大的交叉項(xiàng)以減少運(yùn)算量,最終獲得簡(jiǎn)化建模公式
1)大體上,3徑信道的載噪比門(mén)限隨場(chǎng)強(qiáng)差變化呈遞減關(guān)系,隨延時(shí)差變化呈遞增關(guān)系。編碼碼率越小,門(mén)限隨時(shí)延變化越明顯。
2)在3徑情況下,門(mén)限受第3徑時(shí)延變化的影響明顯減弱,門(mén)限變化較為平緩(一般同一場(chǎng)強(qiáng)差不同時(shí)延的門(mén)限差距小于1 dB)。但是在某些延時(shí)點(diǎn),特別是第3徑延時(shí)與第2徑延時(shí)相近的情況下,會(huì)出現(xiàn)門(mén)限明顯增高或明顯降低的情況(門(mén)限值變化大于2 dB),出現(xiàn)許多不規(guī)律的門(mén)限值。
3)一般情況下,3徑情況門(mén)限比對(duì)應(yīng)2徑情況門(mén)限高。若第2徑較強(qiáng),則門(mén)限隨第3徑強(qiáng)度變化較小,基本接近于2徑情況下的門(mén)限(相差1 dB內(nèi));若第2徑較弱,則門(mén)限隨第3徑強(qiáng)度變化較大,隨著第3徑相對(duì)主徑的場(chǎng)強(qiáng)差增大,可觀察到門(mén)限明顯降低(差距在2 dB以上)。
4)單載波模式的總體變化趨勢(shì)和多載波模式相同,門(mén)限隨第3徑強(qiáng)度和延時(shí)的變化比多載波模式更為明顯。
如圖3所示,是在模式3下,JC3018 2號(hào)接收機(jī)的3徑性能擬合曲線(xiàn)與實(shí)測(cè)值的比較。
圖3 模式3下擬合值與實(shí)測(cè)值的比較
由于理論分析通過(guò)多載波模式給出了較好的模型,推廣到單載波情況下數(shù)據(jù)的預(yù)測(cè)功能更好。如圖4所示,是在模式4下,金網(wǎng)通(桑普拉斯Au8820)接收機(jī)的3徑性能擬合曲線(xiàn)與實(shí)測(cè)值的比較??梢园l(fā)現(xiàn)在單載波模式下,模型的匹配程度更高,這也是由單載波模式相對(duì)于多載波模式下信道模型更加簡(jiǎn)單所決定的。所有模式下的擬合后參數(shù)詳見(jiàn)表1。
圖4 模式4下擬合值與實(shí)測(cè)值的比較
筆者等人通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試和數(shù)學(xué)建模,得出了單頻網(wǎng)模式下3徑模型的擬合公式,相比于理論公式要有很大的簡(jiǎn)化,能夠保證在一定精確范圍之內(nèi)達(dá)到快速工程計(jì)算的要求。既能滿(mǎn)足較為復(fù)雜的信道情況的分析計(jì)算,又能符合工程簡(jiǎn)化的需求。對(duì)于更多徑的信道,在只考慮幅度的情況下,通過(guò)一系列的等效合并以及主次徑分離,可以轉(zhuǎn)化為一個(gè)或多個(gè)3徑信道進(jìn)行研究。
表1 部分測(cè)試模式下的擬合參數(shù)
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