黃華松，王長(zhǎng)龍，常 林，曹 文

（1.深圳數(shù)字電視國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，廣東 深圳 518057；2.深圳市國(guó)微電子有限公司，廣東 深圳 518057）

為了促進(jìn)數(shù)字電視的推廣普及，世界各國(guó)政府和科研機(jī)構(gòu)都積極研究和制定數(shù)字電視廣播傳輸標(biāo)準(zhǔn)。這些標(biāo)準(zhǔn)主要包括衛(wèi)星傳輸、有線傳輸以及地面無(wú)線傳輸三種傳輸方式，其中以地面數(shù)字電視傳輸標(biāo)準(zhǔn)備受關(guān)注。幾乎所有國(guó)家均將地面數(shù)字電視作為公益事業(yè)，和地面模擬電視一樣均采用免費(fèi)收看模式，無(wú)論有線、衛(wèi)星是否覆蓋，地面數(shù)字電視是一種必備的手段。經(jīng)過(guò)多年堅(jiān)持不懈的研究和發(fā)展，世界各國(guó)在地面數(shù)字電視廣播技術(shù)領(lǐng)域取得了很多成果，目前已經(jīng)提出的歐洲的DVB-T、美國(guó)的ATSC、日本的ISDB-T、中國(guó)的DTMB這4個(gè)地面數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)，并且都達(dá)到實(shí)用階段。

針對(duì)中國(guó)的DTMB系統(tǒng)而言，如何提高和改善信道估計(jì)算法的精度，以及信道均衡技術(shù)，已成為制約其接收性能的主要因素之一。

中國(guó)的DTMB系統(tǒng)采用兩種載波模式，同時(shí)融合了多載波和單載波傳輸技術(shù)，它的數(shù)據(jù)幀均由幀頭以及幀體兩部分組成，可分成3種組合方式，其中一種組合包括420個(gè)符號(hào)的幀頭以及3 780個(gè)符號(hào)的幀體，此組合為PN420組合，另外兩種模式的幀頭符號(hào)不相同，分別為PN595組合（單載波）和PN945組合（多載波）。

傳統(tǒng)的信道估計(jì)的方法主要分為兩種[1-2]：

1）對(duì)接收到的數(shù)據(jù)（幀頭數(shù)據(jù)）以及本地?cái)?shù)據(jù)（本地已知的PN碼）做快速傅里葉變換（FFT），然后對(duì)應(yīng)點(diǎn)相除，再對(duì)商做快速傅里葉反變換（IFFT），得到信道估計(jì)的沖激響應(yīng)值，簡(jiǎn)稱頻域法。

2）對(duì)接收到的數(shù)據(jù)（幀頭數(shù)據(jù)）以及本地?cái)?shù)據(jù)（本地已知的PN碼）做循環(huán)相關(guān)，消除循環(huán)頭帶來(lái)的干擾徑（只有多載波模式下的兩種幀頭模式存在這種干擾，單載波模式下不存在該項(xiàng)干擾），得到信道估計(jì)的沖激響應(yīng)值，簡(jiǎn)稱時(shí)域法。

但是無(wú)論哪種方法得到信道估計(jì)的沖激響應(yīng)值，都無(wú)法避免含有噪聲干擾，使得后面信道均衡效果變差。本文介紹了一種基于沖激響應(yīng)濾波的信道估計(jì)及均衡改進(jìn)算法，在頻域法的基礎(chǔ)之上，通過(guò)設(shè)計(jì)和優(yōu)化算法，提高了信道估計(jì)和信道均衡的性能，從而提高接收機(jī)的接收性能。

1 DTMB信道時(shí)域沖激響應(yīng)濾波方法

DTMB系統(tǒng)的內(nèi)接收機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 DTMB系統(tǒng)的內(nèi)接收機(jī)結(jié)構(gòu)框圖

DTMB系統(tǒng)的內(nèi)接收機(jī)分為兩個(gè)模塊：1）定時(shí)同步與載波同步；2）信道估計(jì)與均衡。此處定義射頻端接收到的信號(hào)用Rx(t)表示，即

式中：data(t)表示發(fā)射端發(fā)射的DTMB的連續(xù)幀數(shù)據(jù)；n(t)表示高斯白噪聲信號(hào)；?表示卷積運(yùn)算；h(t)表示傳輸空間的多徑干擾。假設(shè)其是一個(gè)廣義平穩(wěn)非相關(guān)散射下的多徑時(shí)變信道，信道沖激響應(yīng)可表示為

式中：hi為第i條路徑的復(fù)數(shù)增益；τi為第i條路徑的延時(shí)；N是總路徑數(shù)，各條路徑之間互不相關(guān)。

定時(shí)同步與載波同步模塊消除了由晶振頻率的偏差以及收發(fā)系統(tǒng)的采樣率帶來(lái)的偏差，并指示出數(shù)據(jù)中的幀起始位置。本文把消除上述偏差之后的數(shù)據(jù)用離散序列Rx(n)表示，即

式中：n表示采樣點(diǎn)，有n=k∈ Ts，k∈ (0,∞)；Ts表示單倍采樣周期，在本文中采用1/Ts=30.24MHz。

信道估計(jì)與均衡模塊主要功能是從同步模塊的輸出信號(hào)Rx(n)中恢復(fù)出data(n)，具體步驟如下：

1）根據(jù)同步模塊[3-4]指示的幀頭起始信號(hào)，接收長(zhǎng)度為l=pn_l+h_l的數(shù)據(jù)。并根據(jù)幀序號(hào)產(chǎn)生本地Pn。其中，pn_l為Pn的長(zhǎng)度。針對(duì)不同的幀頭模式，其大小不一樣。對(duì)幀頭模式一來(lái)講，pn_l=420；對(duì)幀頭模式二來(lái)講，pn_l=595；對(duì)幀頭模式三來(lái)講，pn_l=945；h_l為信道沖激響應(yīng)的長(zhǎng)度，在此設(shè)置為 pn_l+300。如果按此設(shè)置，可知本文信道估計(jì)的最長(zhǎng)延時(shí)為t=h_l×Ts=h_l×Fs。

2）首先將接收到的幀頭數(shù)據(jù)填充0，使得其長(zhǎng)度為N ，有N＞pn_l+h_l，用Rxpn(n)表示。

3）同樣，將本地產(chǎn)生的Pn填充0，使得其長(zhǎng)度為N ，用lcpn(n)表示。

4）分別對(duì)第2）、第3）步的數(shù)據(jù)計(jì)算N點(diǎn)FFT，分別得到頻域上的數(shù)據(jù)，如式（4）、式（5）所示。在本文中，為電路實(shí)現(xiàn)方便，取N=3 780。

5）計(jì)算信道沖激響應(yīng)的頻域響應(yīng)，即

如果 pF的3 780個(gè)點(diǎn)中含有0值時(shí)，則在對(duì)應(yīng)點(diǎn)上設(shè)置HF=DF。

6）將第5）步得到的信道沖激響應(yīng)的頻域響應(yīng)轉(zhuǎn)換成時(shí)域沖激響應(yīng)，即

7）對(duì)第6）步中得到的時(shí)域沖激響應(yīng)值根據(jù)不同情況進(jìn)行濾波，為和均衡時(shí)的方法區(qū)分，該濾波的方法可以稱為時(shí)域?yàn)V波。將經(jīng)過(guò)濾波后的數(shù)據(jù)記為hf(n)。

8）對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行循環(huán)重構(gòu)。循環(huán)重構(gòu)分為數(shù)據(jù)幀體和幀頭重構(gòu)，重構(gòu)的方法如圖2所示，重構(gòu)后的數(shù)據(jù)用dm(n)表示。

對(duì)于圖2中幀頭尾1的計(jì)算方法如下：

首先，計(jì)算第i幀幀頭序列（本地PN序列） ph(n)。

其次，計(jì)算第i幀幀頭經(jīng)過(guò)信道hf(n)后的幀頭對(duì)幀體的干擾1，記為c(n)，如

式中：hf_l為hf(n)的長(zhǎng)度。

假設(shè)接收的第i+1幀幀頭數(shù)據(jù)記為Rxpn(n)，對(duì)于圖2中數(shù)據(jù)尾2（用data_suf(n)表示）計(jì)算方法如

9）對(duì)循環(huán)重構(gòu)后的數(shù)據(jù)進(jìn)行均衡，用equ(n)表示

式中：Hf_ave為頻域?yàn)V波后的數(shù)據(jù)，為前后相連兩幀估計(jì)得到的Hf=FFT(hf(n))的平均值。

在上述步驟中，最為重要的部分就在于第7）步信道估計(jì)的時(shí)域?yàn)V波這個(gè)過(guò)程，現(xiàn)將整個(gè)過(guò)程描述如下：

1）通過(guò)第6）步，計(jì)算信道估計(jì)值h(n)，找出能量最強(qiáng)的6根徑h(pi)，按能量從大到小排序，得到當(dāng)前幀的能量徑函數(shù)，并獲得所述能量徑對(duì)應(yīng)位置的位置函數(shù)。

在h(n)中找到最強(qiáng)徑并排序，如

2）連續(xù)接收三幀估計(jì)值，根據(jù)位置函數(shù)以及粗估計(jì)函數(shù)計(jì)算當(dāng)前幀的方差和，區(qū)分信道特征，即區(qū)分傳輸信道的動(dòng)靜態(tài)特性，方法如下：

（1）當(dāng)前幀的粗估計(jì)函數(shù)在位置函數(shù)對(duì)應(yīng)位置的值與前一幀的估計(jì)函數(shù)在相同位置的值的差的平方；當(dāng)前幀統(tǒng)計(jì)位置函數(shù)所有位置的平方，并與前一幀的統(tǒng)計(jì)值相加，得到當(dāng)前幀的方差和，用V ari表示。

式中：h0，h-1，h-2分別表示當(dāng)前幀、上一幀、上上幀的信道估計(jì)沖激響應(yīng)；p0i，p-1i表示當(dāng)前幀和上一幀信道沖激響應(yīng)值最強(qiáng)6根徑的位置。

（2）將方差和與當(dāng)前幀的最強(qiáng)能量徑的8倍進(jìn)行判斷，若連續(xù)16幀的方差和均大于其對(duì)應(yīng)的當(dāng)前幀的最強(qiáng)能量徑的8倍，即V ari＞8×(h0(p0i))2，則判斷動(dòng)靜態(tài)信道類型為動(dòng)態(tài)信道（ChDplFlg=1），否則判斷動(dòng)靜態(tài)信道類型為靜態(tài)信道（ChDplFlg=0）。

3）當(dāng)信道類型為靜態(tài)信道時(shí)，區(qū)分類高斯信道及普通多徑信道。類高斯信道主要包括高斯信道和萊斯信道，這類信道的主要特點(diǎn)是信道能量主要集中一根徑。這樣在做FFT時(shí)則需要更多的位寬，需要FFT電路邏輯資源比較多。解決方法是遇到類高斯信道時(shí)則將輸入信號(hào)的能量降低0.8倍或者將輸入信號(hào)進(jìn)行相位旋轉(zhuǎn)使得h(p0)=hi(p0)+i×hq(p0)的 復(fù) 分 量 能 量 相 等（ ||hi(p0)= ||hq(p0)）即可。判斷方法如下，當(dāng)下面的表達(dá)式滿足時(shí)則為類高斯信道

4）判斷兩條強(qiáng)徑0 dB信道（FlgTwoPath=1）和普通長(zhǎng)時(shí)延多徑信道（FlgTwoPath=0）。這兩種信道頻域均衡影響很大，在反復(fù)計(jì)算FFT時(shí)，會(huì)帶來(lái)很多的計(jì)算誤差和信道誤差。

判斷方法如下：

計(jì)算{ pi}中的最大值以及最小值，記為 pi_max，pi_min。

當(dāng) pi_max-pi_min≥220 且 |h(pi_max) |＜0.5× | h(p0)|時(shí)，信道道類型為普通長(zhǎng)時(shí)延多徑信道。

當(dāng) pi_max-pi_min≥220且 | h(pi_max)|≥0.5×| h (p0)|且 pi_max≠ p0時(shí)，信道類型為普通兩強(qiáng)徑0 dB信道。

否則，為普通多徑信道。

5）計(jì)算信道噪聲。連續(xù)接收3幀估計(jì)值h0，h-1，h-2，并按照動(dòng)靜態(tài)信道類型對(duì)其求平均，即

計(jì)算信道噪聲方法如下

6）設(shè)置時(shí)域沖激響應(yīng)的第一級(jí)濾波處理。

設(shè)置一級(jí)濾波器的噪聲門限noi_th，如下式所示

對(duì)have(n)進(jìn)行濾波得到hf1(n)，如

7）設(shè)置時(shí)域沖激響應(yīng)的第二級(jí)濾波處理。

設(shè)置第二級(jí)濾波的噪聲門限noi2_th，如

在hf1(n)中不為0的位置（即 ||hf1(pos)≠ 0）左右開(kāi)窗，開(kāi)窗大小為左右6根徑，即

第6）步、第7）步濾波示意圖如圖3所示。

8）根據(jù)動(dòng)靜態(tài)性能進(jìn)行多徑同步以及頻域?yàn)V波。

由于動(dòng)態(tài)信道的首徑很難跟蹤，從而使得均衡接收到的幀頭可能會(huì)發(fā)生偏移，最終導(dǎo)致信道沖激響應(yīng)的首徑可能會(huì)發(fā)生偏移。主要的解決方法是統(tǒng)計(jì)幀長(zhǎng)是否為標(biāo)準(zhǔn)幀長(zhǎng)，如果連續(xù)多幀發(fā)生偏移則確認(rèn)本次偏移。頻域?yàn)V波方法即采用前后兩幀的信道估計(jì)的頻域響應(yīng)的平均值。

2 算法的實(shí)現(xiàn)以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)上文的信道估計(jì)及均衡以及信道沖激濾波的方法，本文設(shè)計(jì)一次迭代的算法，算法流程如圖4所示。

依照上文設(shè)計(jì)的算法，信道估計(jì)及均衡的性能得到了很大的提升，圖5是在多載波PN420的幀頭模式下的性能仿真結(jié)果。

選取表1中DTMB系統(tǒng)常用的4種多載波工作模式，并對(duì)使用該算法的FPGA驗(yàn)證平臺(tái)進(jìn)行接收性能的評(píng)估。

表1 DTMB系統(tǒng)常用的4種多載波工作模式

測(cè)試結(jié)果如表2所示。

相同工作模式下，中國(guó)地面數(shù)字電視接收性能指標(biāo)要求[5-6]如表3所示。

表2 該算法在FPGA驗(yàn)證平臺(tái)上的測(cè)試結(jié)果

表3 中國(guó)地面數(shù)字電視接收性能指標(biāo)

對(duì)比表2與表3的結(jié)果，可以清楚地看到使用該算法的接收機(jī)的接收性能在不同信道中的表現(xiàn)已經(jīng)超過(guò)越了中國(guó)地面數(shù)字電視接收標(biāo)準(zhǔn)所要求的指標(biāo)，進(jìn)一步提高了DTMB接收機(jī)的接收性能。

在實(shí)驗(yàn)室所使用的測(cè)量方法嚴(yán)格依照工業(yè)及信息化部頒布的《地面數(shù)字電視接收器測(cè)量方法》[7]、《地面數(shù)字電視接收機(jī)測(cè)量方法》[8]執(zhí)行。

3 小結(jié)

從實(shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果來(lái)看，該算法極大地提高了性能，已經(jīng)超越了現(xiàn)有的中國(guó)地面數(shù)字電視接收標(biāo)準(zhǔn)要求。另外，從電路設(shè)計(jì)角度來(lái)看，本算法模塊化比較明顯，可以極大地利用和共用各種資源。從FPGA綜合結(jié)果來(lái)看，信道估計(jì)及均衡總共使用了150萬(wàn)門電路，其中FFT模塊占用了大約60萬(wàn)門，除法器占用了大概12萬(wàn)門，RAM大約占用了大約60萬(wàn)門，這在市場(chǎng)上也是極具挑戰(zhàn)性和極強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)力的。

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[1]YANG Fang，WANG Jintao，WANG Jun，et al.Channel estimation for the Chinese DTTB system based on a novel iterative PN sequence reconstruction[C]//Proc.IEEE International Conference on Communi?cations Workshops.Beijing：IEEE Press，2008：285-289.

[2]趙小祥.多載波數(shù)字電視廣播系統(tǒng)中的同步和信道估計(jì)算法研究及實(shí)現(xiàn)[D].杭州：浙江大學(xué)，2007.

[3]趙修齊.中國(guó)地面數(shù)字電視多載波模式（DMB-T）同步技術(shù)研究[D].成都：電子科技大學(xué)，2008.

[4]GB20600—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]GB/T 26683—2011，地面數(shù)字電視接收器通用規(guī)范[S].2011.

[6]GB/T 26686—2011，地面數(shù)字電視接收機(jī)通用規(guī)范[S].2011.

[7]GB/T 26684—2011，地面數(shù)字電視接收器測(cè)量方法[S].2011.

[8]GB/T 26685—2011，地面數(shù)字電視接收機(jī)測(cè)量方法[S].2011.