李俊俊，華宇，黃長(zhǎng)江

?

CMMB信號(hào)抗多徑性能的分析與仿真

李俊俊1,2,3，華宇1,3，黃長(zhǎng)江1,2,3

（1. 中國科學(xué)院國家授時(shí)中心，西安 710600；2. 中國科學(xué)院研究生院，北京 100039； 3. 中國科學(xué)院精密導(dǎo)航定位與定時(shí)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710600）

從CMMB(中國移動(dòng)多媒體廣播)體系結(jié)構(gòu)入手，研究了CMMB信號(hào)抗多徑性能。以信號(hào)中有、無循環(huán)前綴(CP)為例給出了抗多徑性能的詳細(xì)推導(dǎo)，通過Matlab7.1對(duì)該系統(tǒng)在典型動(dòng)態(tài)多徑信道情況下的性能進(jìn)行了仿真。結(jié)果表明：該系統(tǒng)有很強(qiáng)的抗多徑能力，在信噪比為30 dB時(shí)接收CMMB信號(hào)與接收普通OFDM(正交頻分復(fù)用)信號(hào)相比，誤碼率有2個(gè)量級(jí)的改善，有利于提高導(dǎo)航定位的精度。

中國移動(dòng)多媒體廣播(CMMB)；抗多徑；循環(huán)前綴(CP)；正交頻分復(fù)用（OFDM）；動(dòng)態(tài)多徑信道

0 引言

CMMB是中國移動(dòng)多媒體廣播（China Mobile Multimedia Broadcasting）的簡(jiǎn)稱，是國內(nèi)自主研發(fā)的第一套面向手機(jī)、PDA、MP3、MP4、數(shù)碼相機(jī)、筆記本電腦多種移動(dòng)終端的系統(tǒng)。CMMB系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。CMMB信號(hào)主要由S波段衛(wèi)星覆蓋網(wǎng)絡(luò)和UHF波段地面覆蓋網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)信號(hào)覆蓋。S波段衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)廣播信道用于直接接收，Ku波段上行，S波段下行。分發(fā)信道用于地面增補(bǔ)轉(zhuǎn)發(fā)接收，Ku波段上行，Ku波段下行，由地面增補(bǔ)網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)器轉(zhuǎn)為S波段發(fā)送到CMMB終端[1]。

圖1 CMMB系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

CMMB信號(hào)和光信號(hào)的傳播一樣，也會(huì)受到反射，因此，地面接收設(shè)備不僅接收來自衛(wèi)星的原始信號(hào)，同時(shí)也接收經(jīng)過高大建筑物、山體或大面積水域的反射干擾信號(hào)。接收機(jī)接收的多徑干擾信號(hào)與直達(dá)信號(hào)同相時(shí)，多徑信號(hào)造成的延遲相關(guān)峰會(huì)疊加到直接峰上使直達(dá)信號(hào)增強(qiáng)；當(dāng)多徑信號(hào)與直達(dá)信號(hào)反相時(shí)，多徑信號(hào)對(duì)直達(dá)信號(hào)產(chǎn)生相消性干擾，削減直達(dá)信號(hào)，造成位置計(jì)算誤差，該誤差是影響CMMB定位精度的重要誤差源之一。在CMMB導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng)中，多徑干擾使信號(hào)的調(diào)制發(fā)生畸變，同時(shí)也使載波相位發(fā)生畸變，造成系統(tǒng)的定位精度降低，并使處理時(shí)間加長(zhǎng)。當(dāng)前對(duì)CMMB定位的研究，主要集中在如何消除多徑傳播引起的時(shí)延擴(kuò)展和多徑衰落，以及如何通過TDOA（time difference of arrival）重構(gòu)或者估計(jì)算法來減小非視距傳播誤差對(duì)定位的影響方面，而對(duì)于信號(hào)體制，特別是信號(hào)在多徑情況下對(duì)定位精度的具體影響，缺乏定量的研究。本文基于CMMB體系結(jié)構(gòu)，研究了CMMB信號(hào)在多徑情況下的抗多徑性能，從而有助于對(duì)定位的方法和結(jié)果做出評(píng)價(jià)和處理，更有助于定位算法改進(jìn)、布站選擇等問題的研究。

1 CMMB體系結(jié)構(gòu)

CMMB系統(tǒng)的幀結(jié)構(gòu)是按時(shí)隙劃分的，其信號(hào)帶寬分為2種：2 MHz和8 MHz，本文以8 MHz為例來做仿真驗(yàn)證。1 s時(shí)間劃分為40個(gè)時(shí)隙，每個(gè)時(shí)隙25 ms，包括了1個(gè)信標(biāo)和53個(gè)OFDM（orthogonal frequency division multiplexing）符號(hào)。信標(biāo)中含有發(fā)射機(jī)的標(biāo)識(shí)信號(hào)（TxID）以及2個(gè)長(zhǎng)度、信息完全相同的同步信號(hào)。一個(gè)OFDM符號(hào)由OFDM數(shù)據(jù)體和長(zhǎng)度為51.2μs的循環(huán)前綴（cyclic prefix，CP）構(gòu)成，如圖2所示。在8 MHz帶寬信號(hào)中，每個(gè)OFDM符號(hào)包含了4 096個(gè)子載波，其中2 610個(gè)是數(shù)據(jù)子載波，384個(gè)是離散導(dǎo)頻，82個(gè)是連續(xù)導(dǎo)頻，其余是空子載波[1]。連續(xù)導(dǎo)頻在符號(hào)中的位置是固定的，而離散導(dǎo)頻的位置則每隔一個(gè)符號(hào)重復(fù)一次。

CMMB系統(tǒng)為了保證在接收端能夠準(zhǔn)確地恢復(fù)出原信號(hào)，在發(fā)送端除了添加循環(huán)前綴外，還在發(fā)射機(jī)標(biāo)識(shí)信號(hào)、同步信號(hào)和相鄰OFDM符號(hào)之間增加了額外的保護(hù)間隔（GI），保護(hù)間隔的長(zhǎng)度為2.4μs，也是采用OFDM信號(hào)的循環(huán)擴(kuò)展。通過保護(hù)間隔相互交疊，可以保證非恒定信號(hào)幅度部分不會(huì)落入FFT的時(shí)間區(qū)域內(nèi)，這樣在接收端精確同步的前提下就可以去除窗函數(shù)，取出所需要的時(shí)域信號(hào)，通過FFT恢復(fù)出發(fā)送端所發(fā)送的數(shù)據(jù)。

圖2 CMMB體系結(jié)構(gòu)

2 抗多徑性能分析

OFDM系統(tǒng)中，不加CP的傳輸信號(hào)表示如下[3]：

第個(gè)子信道接收到的數(shù)據(jù)則表示如下：

第個(gè)子信道數(shù)據(jù)則表示如下：

上述推導(dǎo)證明了CMMB信號(hào)中CP可以消除部分CMMB傳輸中的OFDM符號(hào)間串?dāng)_，當(dāng)信道的最大多徑時(shí)延小于CP長(zhǎng)度51.2μs時(shí)，OFDM系統(tǒng)傳輸中不產(chǎn)生符號(hào)間串?dāng)_。因?yàn)镃MMB信號(hào)中也以同樣的方式插入了2.4μs的保護(hù)間隔，故CMMB系統(tǒng)理論上可以抵抗時(shí)延小于53.6μs的多徑影響，相當(dāng)于減小測(cè)距誤差16.08 km。

3 仿真與驗(yàn)證

本文使用Matlab7.1建立系統(tǒng)模型，目的是觀察在不同信噪比（SNR）信道條件下CMMB系統(tǒng)的誤碼情況，由導(dǎo)航定位的解算方程可知，若信號(hào)的誤碼率低，解算的定位精度則高；若誤碼率高，則解算的定位精度低[5-6]。按照CMMB信號(hào)體制產(chǎn)生理想的輸入信號(hào)，經(jīng)過調(diào)制、串/并變換后，進(jìn)行傅里葉變換和并/串轉(zhuǎn)換，然后插入保護(hù)間隔，再經(jīng)過數(shù)/模變換后形成OFDM調(diào)制后的信號(hào)。該信號(hào)經(jīng)過加性高斯白噪聲信道和多徑信道后，接收到的信號(hào)經(jīng)過模/數(shù)變換，去掉保護(hù)間隔以恢復(fù)子載波之間的正交性，再經(jīng)過串/并變換和傅里葉變換后，恢復(fù)出OFDM的調(diào)制信號(hào)，并/串變換后還原出輸入的符號(hào)。仿真中的多徑信道是典型的動(dòng)態(tài)多徑信道，具體參數(shù)見表1，更多具體多徑信道參數(shù)見文獻(xiàn)[7]。

表1 城市車載接收多徑模型(TU12)

注：1）“TU12”是文獻(xiàn)[7]中典型的多徑模型代號(hào)；2）表中（1）和（2）是“TU12”模型中的2種較通常的情況。

圖3給出了加性高斯信道和典型動(dòng)態(tài)多徑信道下系統(tǒng)的誤碼率曲線圖。該曲線圖表明CMMB系統(tǒng)在多徑信道環(huán)境下，系統(tǒng)的性能急劇惡化，在低信噪比時(shí)誤碼率比加性高斯白噪聲（AWGN）信道的信號(hào)要高，在高信噪比時(shí)誤碼率的改善也不明顯，僅提高一個(gè)量級(jí)，而AWGN信道在高信噪比時(shí)誤碼率相對(duì)于低信噪比情況提高可達(dá)3個(gè)量級(jí)。

圖3 高斯信道下和多徑信道下系統(tǒng)的誤碼率曲線

圖4給出了典型動(dòng)態(tài)多徑信道下有循環(huán)前綴和沒有循環(huán)前綴的系統(tǒng)誤碼率曲線圖，該曲線表明添加循環(huán)前綴可以有效提高系統(tǒng)抗多徑干擾。在信噪比較低的情況下，系統(tǒng)的干擾主要是高斯白噪聲干擾，添加循環(huán)前綴對(duì)系統(tǒng)性能影響小于2×10-5；當(dāng)信噪比提高后，系統(tǒng)干擾轉(zhuǎn)變?yōu)槎鄰礁蓴_為主，添加循環(huán)前綴對(duì)系統(tǒng)性能改善明顯，在信噪比為30dB時(shí)沒有循環(huán)前綴的誤碼率為2~3×10-3，而有循環(huán)前綴的信號(hào)誤碼率小于2×10-5。

圖4 多徑衰落信道下有循環(huán)前綴與無循環(huán)前綴的系統(tǒng)誤碼率曲線

4 結(jié)論

本文對(duì)CMMB系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究，用Matlab7.1語言仿真了整個(gè)流程。仿真結(jié)果表明CP和GI可以消除部分CMMB傳輸中的OFDM符號(hào)間串?dāng)_，當(dāng)信噪比為20dB時(shí)無多徑的誤碼率約為4×10-5，而有多徑影響信號(hào)的誤碼率高達(dá)10-2；添加循環(huán)前綴后，在低信噪比情況下多徑信道的誤碼率與沒有添加之前差別不大，信噪比提高后則有循環(huán)前綴的信號(hào)誤碼率有顯著的改善。

抗多徑技術(shù)是一個(gè)具有多年歷史的研究課題，但所涉及的基本理論與技術(shù)仍有待于進(jìn)一步的發(fā)展與完善，多徑信道通信理論尚未有完備的理論體系，多徑衰落信道對(duì)移動(dòng)通信所產(chǎn)生的影響是有利還是有弊尚無法定論。由于技術(shù)上的限制，一些復(fù)雜的最優(yōu)處理方法（如自適應(yīng)角分集、多用戶檢測(cè)、級(jí)聯(lián)編碼技術(shù)等），目前尚難應(yīng)用于實(shí)際系統(tǒng)中，還有許多工作有待于更深一步的研究。

[1] 中國國家廣播電影電視總局. GY/T 220.1—2006移動(dòng)多媒體廣播[S]. 2006.

[2] 奧本海姆. 信號(hào)與系統(tǒng)[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2009.

[3] 戈盧布, 范洛恩, 袁亞湘, 等. 矩陣計(jì)算[M]. 北京: 人民郵電出版社, 2011.

[4] 尹長(zhǎng)川, 羅濤, 樂光新. 多載波寬帶無線通信技術(shù)[M]. 3版. 北京: 北京郵電大學(xué)出版社, 2004.

[5] 尹澤明, 丁春利. 精通MATLAB6[M]. 北京: 清華大學(xué)出版社, 2002.

[6] 謝鋼. GPS原理與接收機(jī)設(shè)計(jì)[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2009.

[7] 夏治平, 胡軍. 移動(dòng)電視多徑信道仿真模型淺析[J]. 廣播電視信息, 2008, 2: 35-37.

Analysis and simulation of anti-multipath performanceof China Mobile Multimedia Broadcasting(CMMB)

LI Jun-jun1,2,3, HUA Yu1,3, HUANG Chang-jiang1,2,3

(1. National Time Service Center, Chinese Academy of Sciences, Xi′an 710600, China;2. Graduate University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100039, China;3. Key Laboratory of Precision Navigation and Timing Technology, National Time Service Center,Chinese Academy of Sciences, Xi′an 710600, China)

In this paper the anti-multipath performance of the CMMB(China Mobile Multimedia Broadcasting) signal is studied based on the CMMB system structure. The anti-multipath performance is derived in detail for the signals with or without CP(circular prefix), and the performance of CMMB system in case oftypical dynamic multipath channel is simulated by using Matlab7.1.The resultsshow that the CMMB system is powerful in resisting the multipath effect, and the bit error rate for receiving CMMB signal is improved by two orders of magnitude compared with that for receiving ordinary OFDM(orthogonal frequency division multiplexing) signal when the SNR is 30 dB, being helpful to improve the precision of navigation /positioning.

China Mobile Multimedia Broadcasting(CMMB); anti-multipath; circular prefix(CP); orthogonal frequency division multiplexing(OFDM); dynamic multipath channel

TN919

A

1674-0637(2012)04-0244-06

2012-03-05

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（0915ZK1301）

李俊俊，女，碩士研究生，主要從事CMMB導(dǎo)航增強(qiáng)中抗多徑技術(shù)研究。