侯 曄，潘長勇，楊 昉

（1.成都理工大學 繼續(xù)教育學院，四川 成都 610051；2.清華大學 電子工程系，北京 100084；3.清華大學 信息技術(shù)研究院，北京 100084）

責任編輯:薛 京

在地面廣播系統(tǒng)中，信道衰落對傳輸信號的質(zhì)量和傳輸可靠性有很大的影響，嚴重的衰落甚至可能導(dǎo)致傳輸中斷[1]。為了克服衰落信道的影響，通常采用編碼、均衡、分集技術(shù)等方法來改善通信質(zhì)量。分集技術(shù)即利用無線通信中載有同一消息信號的多個經(jīng)歷不同衰落、接收相關(guān)性較小的樣本，使用一定信號合并技術(shù)改善接收質(zhì)量，補償信道衰落的影響。按照實現(xiàn)途徑可以將分集技術(shù)劃分為時間分集、空間分集、頻率分集、極化分集。作為一種高效的對抗信道衰落、提高信號接收增益的技術(shù)，分集技術(shù)在許多廣播系統(tǒng)中都得到了廣泛應(yīng)用。本文中研究一種基于星座旋轉(zhuǎn)和坐標交織的信號空間分集技術(shù)的抗衰落作用，并將這一空間分集技術(shù)應(yīng)用于DTMB系統(tǒng)中，有效地改善了DTMB系統(tǒng)在衰落信道下的性能。

1 信號空間分集技術(shù)

以往人們受到傳統(tǒng)星座映射的限制，一直將符號作為一個整體進行處理。隨著分集技術(shù)的發(fā)展，人們逐漸認識到了將符號按維度劃分開來，在空間層次上實現(xiàn)分集的可能。因此，J.Boutros和E.Viterbo提出了一種信號空間分集技術(shù)（Signal Space Diversity，SSD）[2]，通過坐標交織和適當?shù)男亲鶊D旋轉(zhuǎn)，讓信號的每個維度在衰落信道下經(jīng)歷獨立的衰落，使得分集階數(shù)增加一倍，從而獲得信號分集增益。這種信號空間分集技術(shù)非但不會影響系統(tǒng)在AWGN信道下的性能，而且對衰落信道下的系統(tǒng)性能有改善作用。

1.1 星座旋轉(zhuǎn)

星座旋轉(zhuǎn)即將星座圖旋轉(zhuǎn)一定的角度。假設(shè)一個星座圖包括M個星座點，記為X={xi},i=0,1,…,M-1，按逆時針方向進行旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)角度為θ，旋轉(zhuǎn)后的星座圖記為Xθ={},i=0,1,…,M-1，其中

以傳統(tǒng)的QAM映射為例，顯示星座旋轉(zhuǎn)的作用。16QAM映射的星座旋轉(zhuǎn)情況如圖1所示，其中標號為i的星座點記為xi。在星座旋轉(zhuǎn)前，星座點x0，x1，x2，x3具有相同的橫坐標，僅憑實部的信息無法將它們區(qū)分開來，需要接收虛部的信息才能確定符號；類似地，星座點x2，x6，x14，x10具有相同的縱坐標，需要接收實部的信息才能確定符號。也就是說，對于每個符號，都需要同時獲得實部和虛部的信息才能進行判斷，否則就會丟失信息。而在引入適當?shù)男亲D(zhuǎn)后，每個星座點的橫坐標和縱坐標都是唯一的，接收時只需要獲得實部信息或虛部信息中的一個就能恢復(fù)這個符號，相當于用兩路16PAM信號同時傳遞信息。結(jié)合坐標交織，可以使得兩路信號經(jīng)歷獨立的衰落，增加分集階數(shù)。

1.2 坐標交織

坐標交織即將經(jīng)過星座映射的符號的每個維度分別進行交織，然后重新組合成新的符號進行傳輸。相應(yīng)地，在接收端也需對接收的符號進行解坐標交織，再完成后續(xù)的解映射等處理，恢復(fù)得到初始信息。坐標交織可以使得衰落信道下原本屬于同一個符號中的每個維度經(jīng)歷獨立的衰落，在星座圖的各個維度之間具有一定關(guān)聯(lián)性的情況下，即使一個維度的信息遇到深衰落而丟失時，也可以通過另一個維度的信息來恢復(fù)丟失的信息。由于引入坐標交織，同一符號的I路和Q路同時被深衰落的可能性大大降低，從而減小了誤符號率，提高了系統(tǒng)的糾錯能力。

一般而言，坐標交織需和星座旋轉(zhuǎn)同時作用，才能有效改善系統(tǒng)在衰落信道下的解映射性能。如果只有星座旋轉(zhuǎn)而無坐標交織，在深衰落信道中，同一符號的多個維度信息會同時被衰落，無法判斷原始符號。如果只有坐標交織而無星座旋轉(zhuǎn)，符號的的多個維度之間沒有相關(guān)性，當某個星座點的實部（或虛部）信息遇到深衰落而丟失時，也無法確定原始信號是一組具有相同實部（或虛部）的星座點中的哪一個。采用星座旋轉(zhuǎn)和坐標交織技術(shù)的編碼調(diào)制系統(tǒng)發(fā)射端和接收端框圖如圖2所示。

圖2 引入星座旋轉(zhuǎn)和坐標交織的系統(tǒng)框圖

2 DTMB系統(tǒng)改進

在2008年公布的歐洲第二代數(shù)字電視地面廣播傳輸標準（DVB-T2）[3]中，已經(jīng)率先采用了結(jié)合星座旋轉(zhuǎn)和坐標交織的信號空間分集技術(shù)，并獲得了一定的分集增益。表1給出了DVB-T2在每種星座映射類型下采用的星座旋轉(zhuǎn)角度。DVB-T2的坐標交織模塊采用了循環(huán)Q延時技術(shù)，即在坐標交織時，一個交織塊內(nèi)符號的I路信號（實部）不變，Q路信號（虛部）循環(huán)延遲1個單元，以實現(xiàn)實部和虛部的分離。

表1 DVB-T2的每種星座映射類型對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)角度

中國于2006年8月正式頒布了地面數(shù)字電視廣播傳輸標準DTMB[4]，實現(xiàn)了固定電視和公共交通移動電視的數(shù)字電視信號傳送。在2011年12月，國際電信聯(lián)盟正式將DTMB納入國際標準，成為繼美、歐、日之后的第4個數(shù)字電視國際標準。為了改善數(shù)字電視業(yè)務(wù)質(zhì)量，可以將信號空間分集技術(shù)應(yīng)用在DTMB系統(tǒng)中，以獲得空間分集增益，增強系統(tǒng)在衰落信道下的魯棒性，提高我國數(shù)字電視行業(yè)在國際上的競爭力。

2.1 星座旋轉(zhuǎn)設(shè)計

星座旋轉(zhuǎn)的角度選取是信號空間分集技術(shù)中的一個重要問題。Kiyani和Weber曾在文獻[5]中通過大量的計算機仿真來搜索最優(yōu)旋轉(zhuǎn)角度。值得注意的是，最優(yōu)旋轉(zhuǎn)角度的選取和映射采用的星座圖是相關(guān)聯(lián)的，當星座圖改變時，對應(yīng)的最優(yōu)旋轉(zhuǎn)角度也隨之變化。DTMB標準中支持以下幾種星座映射方案：4QAM-NR，4QAM，16QAM，32QAM，64QAM。由于DTMB和DVB-T2同樣采用QAM星座映射方式，可以參考DVB-T2在星座旋轉(zhuǎn)方面的研究成果，選擇同樣的旋轉(zhuǎn)角度。通過大量的仿真實驗，也證明了DVB-T2選用的旋轉(zhuǎn)角度是兼顧各種編碼方案的最佳選擇角度的折中結(jié)果，同樣適用于DTMB系統(tǒng)。

2.2 坐標交織設(shè)計

DVB-T2采用的循環(huán)Q延時技術(shù)雖然存在實現(xiàn)簡便、復(fù)雜度低的優(yōu)點，但同一符號的I路和Q路信號在坐標交織后僅處于相鄰符號上。若有連續(xù)多個符號同時受到深衰落影響，則其中大部分符號的I路和Q路信號會同時丟失，難以恢復(fù)出原始符號。因此，還需要采用其他的交織方法來增大同一符號的I路和Q路信息經(jīng)歷的信道之間的不相關(guān)性，使得系統(tǒng)的復(fù)雜度增加。在本文中，采用Q路逆序的方式實現(xiàn)坐標交織，具體方案如下：進行星座映射得到復(fù)數(shù)符號后，在一個坐標交織塊內(nèi)，符號的I路信號不變、Q路信號逆序，重新組合得到新的符號。這一方法可通過簡單的逆序操作達到坐標交織的目的，省去針對坐標的交織和解交織器，節(jié)省了運算時間。此外，絕大部分符號的I路和Q路信號在交織后都處于相距較遠的不同符號上，降低了同一信號的I路、Q路所經(jīng)歷的信道之間的相關(guān)性。

3 仿真結(jié)果

為了驗證本文所述的結(jié)合星座旋轉(zhuǎn)及坐標交織的信號空間分集技術(shù)對DTMB系統(tǒng)性能的改善，在本節(jié)中，將分別仿真DTMB編碼調(diào)制系統(tǒng)在采用信號空間分集技術(shù)和不采用信號空間分集技術(shù)兩種情況下的系統(tǒng)性能，并進行比較和分析。具體的仿真參數(shù)如表2所示。圖3為采用4QAM作為星座映射方案的仿真結(jié)果，圖4為采用16QAM作為星座映射方案的仿真結(jié)果。

表2 仿真參數(shù)

以誤碼率為10-4時所需的信噪比值為接收門限值，仿真系統(tǒng)的接收門限值如表3所示。在瑞利衰落信道下，本文所述的信號空間分集技術(shù)在4QAM和16QAM情況下都能獲得一定的空間分集增益，改善系統(tǒng)的誤碼性能。在4QAM星座映射、0.8碼率的情況下，這一技術(shù)甚至能帶來高達1.58 dB的增益。而在16QAM星座映射、0.6碼率的情況下，信號空間分集技術(shù)帶來的增益較小，僅有0.10 dB。從圖3、圖4和表3中可以看出，信號空間分集技術(shù)在低階星座映射、高碼率的情況下能帶來的增益更為明顯。

表3 瑞利衰落信道下DTMB編碼調(diào)制系統(tǒng)的接收門限

4 小結(jié)

本文對一種結(jié)合星座旋轉(zhuǎn)和坐標交織的信號空間分集技術(shù)進行了研究。該技術(shù)能夠有效地在信號的空間層次上實現(xiàn)分集，克服衰落信道的影響，獲得可觀的分集增益，而實現(xiàn)這一技術(shù)只需要增加很小的系統(tǒng)復(fù)雜度。將這種信號空間分集技術(shù)應(yīng)用于DTMB系統(tǒng)中，在衰落信道下能帶來明顯的性能改善，提高系統(tǒng)的魯棒性。這一性能改善在低階星座映射、高碼率的情況下尤為突出。

[1]王勁濤，楊知行，潘長勇，等.空時發(fā)射分集技術(shù)在DTTB中的應(yīng)用[J].電視技術(shù)，2005，29（8）：83-85.

[2]BOUTROS J，VITERBO E.Signal space diversity:a power-and bandwidth-efficient diversity technique for the Rayleigh fading channel[J].IEEE Trans.Information Theory，1998，44（4）：1453-1467.

[3]EN 302755 V1.1.1，F(xiàn)rame structure channel coding and modulation for a second generation digital terrestrial television broadcasting system(DVB-T2)[S].2009.

[4]GB/20600—2006，數(shù)字電視地面廣播傳輸系統(tǒng)幀結(jié)構(gòu)、信道編碼和調(diào)制[S].2006.

[5]KIYANI N F，WEBER J H.Performance analysis of a partially coherent system using constellation rotation and coordinate interleaving[C]//Proc.IEEE Globecom.New Orleans：IEEE Press，2008：1–5.