楊　勇，李建新

(揚(yáng)智電子科技(上海)有限公司，上海 200233)

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DVB-T2系統(tǒng)信道估計(jì)算法的研究

楊勇，李建新

(揚(yáng)智電子科技(上海)有限公司，上海 200233)

信道估計(jì)技術(shù)是OFDM寬帶無線通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)之一。提出一個(gè)DVB-T2系統(tǒng)新的信道估計(jì)算法，根據(jù)接收到的導(dǎo)頻點(diǎn)的信道響應(yīng)并進(jìn)行時(shí)域插值的結(jié)果，優(yōu)化DVB-T2系統(tǒng)中不同導(dǎo)頻圖樣下頻域插值器的開銷和性能，從而達(dá)到不同導(dǎo)頻圖樣下頻域插值器的開銷和性能的最優(yōu)化。

DVB-T2；信道估計(jì)；頻域插值

1　DVB-T2導(dǎo)頻圖樣

正交頻分復(fù)用(OFDM)技術(shù)是將信道分成若干正交子信道，將傳輸?shù)男盘?hào)轉(zhuǎn)換成并行的低速子數(shù)據(jù)流，調(diào)制到在每個(gè)子信道上進(jìn)行傳輸，從而提高了頻率利用率并有效地降低符號(hào)間干擾。OFDM技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于寬帶無線通信系統(tǒng)中。比如：ISDB-T/DVB-T/DVB-T2等[1-2]。

信道估計(jì)是OFDM無線通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。在頻域插導(dǎo)頻的通信系統(tǒng)中，為了得到信道估計(jì)的結(jié)果，首先要估計(jì)出導(dǎo)頻點(diǎn)的信道估計(jì)值，然后通過時(shí)間和頻率方向上的插值恢復(fù)出整個(gè)信道的響應(yīng)?？紤]到實(shí)現(xiàn)的開銷、復(fù)雜度以及性能，一般在時(shí)間方向采用線性插值，完成時(shí)域插值，然后在頻率方向可以采用低通濾波插值[3-5]，完成頻域插值。第二代地面數(shù)字電視(DVB-T2)采用離散導(dǎo)頻技術(shù)[2]，如表1所示，有8種導(dǎo)頻圖樣(Pilot Pattern)。在DVB-T2接收機(jī)中，信道估計(jì)完成時(shí)域插值后，根據(jù)表1的導(dǎo)頻圖樣，在頻率方向上，有4種導(dǎo)頻間隔：3，6，12，24。使用傳統(tǒng)的低通濾波器的插值方法很難滿足不同導(dǎo)頻間隔的性能要求，如何進(jìn)行信道估計(jì)，特別是頻域插值器，滿足DVB-T2系統(tǒng)不同導(dǎo)頻圖樣下系統(tǒng)對(duì)性能和開銷的要求是一個(gè)有待解決的問題。

為此，本文提出一種DVB-T2系統(tǒng)的新的信道估計(jì)算法，這個(gè)算法使用導(dǎo)頻點(diǎn)的信道估計(jì)值并進(jìn)行時(shí)域插值的輸出結(jié)果，優(yōu)化DVB-T2系統(tǒng)中不同導(dǎo)頻圖樣下低通濾波頻域插值器的開銷和性能，達(dá)到不同導(dǎo)頻圖樣的開銷和性能的最優(yōu)化，從而提高了DVB-T2系統(tǒng)的整體性能。

2　傳統(tǒng)的信道估計(jì)方法

DVB-T2系統(tǒng)是在頻域插導(dǎo)頻的通信系統(tǒng)，為了得到信道估計(jì)的結(jié)果，首先要估計(jì)出導(dǎo)頻點(diǎn)的信道估計(jì)值，然后通過時(shí)間和頻率方向上的插值恢復(fù)出整個(gè)信道的響應(yīng)。

表1DVB-T2離散導(dǎo)頻圖樣的參數(shù)

PilotpatternSeparationofpilotbearingcarriers(DX)Numberofsymbolsformingonescatteredpilotsequence(DY)PP134PP262PP364PP4122PP5124PP6242PP7244PP8616

如圖1所示，信道估計(jì)輸入為完成同步后的FFT輸出。信道估計(jì)輸入信號(hào)先進(jìn)行導(dǎo)頻點(diǎn)信道估計(jì)，然后在時(shí)間方向上經(jīng)過時(shí)域插值器做時(shí)域插值，并將時(shí)域插值的結(jié)果每兩個(gè)中間點(diǎn)補(bǔ)DX-1個(gè)零[5]，最后將補(bǔ)零后的結(jié)果輸入到頻域插值器選擇合適的低通濾波器系數(shù)，同時(shí)濾除鏡像干擾的影響，得到信道估計(jì)的輸出為

(1)

式中：COE(i)(i=0,1，…,L-1)為低通濾波器的第i個(gè)系數(shù)；HT^(k)為時(shí)域插值器的輸出補(bǔ)零后的第k個(gè)子載波的值；H^(k)為頻域插值器的輸出的第k個(gè)子載波的值。

圖1　傳統(tǒng)CCI消除技術(shù)的結(jié)構(gòu)框圖

3　信道估計(jì)的改進(jìn)技術(shù)

在DVB-T2系統(tǒng)中，有8種導(dǎo)頻圖樣，DX一共4種不同的導(dǎo)頻間隔。在經(jīng)過時(shí)域插值濾波器并在補(bǔ)零后，在整個(gè)帶寬內(nèi)會(huì)根據(jù)導(dǎo)頻間隔產(chǎn)生相應(yīng)數(shù)量的鏡像干擾。如果使用傳統(tǒng)的方法進(jìn)行信道估計(jì)，很難選擇一組合適的低通濾波器系數(shù)濾除不同導(dǎo)頻間隔的鏡像干擾。比如：設(shè)計(jì)一組通帶帶寬相對(duì)寬的低通濾波器系數(shù)進(jìn)行頻率插值濾波可以濾除DX=3時(shí)鏡像干擾，但是很難完成濾除DX=6，12，24時(shí)的鏡像干擾。

為了解決傳統(tǒng)信道估計(jì)特別是頻率插值濾波器的性能問題，并且不增加頻率插值濾波器的開銷，可以在信道估計(jì)完成時(shí)域插值并補(bǔ)零做頻域插值濾波器時(shí)，根據(jù)不同的導(dǎo)頻間隔選擇相同濾波器階數(shù)，不同通帶帶寬等低通濾波器的參數(shù)，這樣保證不同的導(dǎo)頻間隔可以單獨(dú)優(yōu)化。盡可能濾除不同導(dǎo)頻間隔時(shí)的鏡像干擾的影響，從而提高信道估計(jì)的性能。

DVB-T2信道估計(jì)改進(jìn)技術(shù)的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2　DVB-T2信道估計(jì)改進(jìn)技術(shù)的結(jié)構(gòu)框圖

如圖2所示，信道估計(jì)輸入為完成同步后的FFT輸出。信道估計(jì)輸入信號(hào)先進(jìn)行導(dǎo)頻點(diǎn)信道估計(jì)，然后在時(shí)間方向上經(jīng)過時(shí)域插值器做時(shí)域插值，并將時(shí)域插值的結(jié)果每兩個(gè)中間點(diǎn)補(bǔ)DX-1個(gè)零，最后將補(bǔ)零后的結(jié)果輸入到頻域插值器，根據(jù)導(dǎo)頻間隔DX選擇相同的L階濾波器，不同的低通濾波器系數(shù)，濾除不同導(dǎo)頻間隔時(shí)的鏡像干擾的影響，最終得到信道估計(jì)的輸出為

(2)

式中：COEPT1(i)(i=0,1,…,L-1)為DX=3時(shí)低通濾波器的第i個(gè)系數(shù)；COEPT2(i)(i=0,1,…,L-1)為DX=6時(shí)低通濾波器的第i個(gè)系數(shù)；COEPT3(i)(i=0,1,…,L-1)為DX=12時(shí)低通濾波器的第i個(gè)系數(shù)；COEPT4(i)(i=0,1,…,L-1)為DX=24時(shí)低通濾波器的第i個(gè)系數(shù)；HT^(k)為時(shí)域插值器的輸出補(bǔ)零后的第k個(gè)子載波的值；H^(k)為頻域插值器的輸出的第k個(gè)子載波的值。

DVB-T2有4種導(dǎo)頻間隔，每種導(dǎo)頻間隔頻率插值濾波器需要的通帶帶寬不一樣，為了濾除時(shí)域插值補(bǔ)零后的鏡像干擾，導(dǎo)頻間隔為24需要的通帶帶寬比導(dǎo)頻間隔為3要窄得多?？紤]到性能因素，要保證導(dǎo)頻間隔為24的頻域插值濾波器的性能就需要更高的濾波器的階數(shù)；考慮到乘法器的開銷因素，濾波器的階數(shù)需要盡量小。DVB-T2的4種導(dǎo)頻間隔在頻率插值濾波器的性能和開銷上不能兼顧。

為了達(dá)到DVB-T2的4種導(dǎo)頻間隔在頻率插值濾波器的性能和開銷的最優(yōu)化，可以在信道估計(jì)完成時(shí)域插值并補(bǔ)零做頻域插值濾波器時(shí)，根據(jù)不同的導(dǎo)頻間隔選擇不同濾波器階數(shù)，不同通帶帶寬等低通濾波器的參數(shù)，這樣保證不同的導(dǎo)頻間隔性能和開銷的最優(yōu)化，盡可能濾除不同導(dǎo)頻間隔時(shí)的鏡像干擾的影響，從而信道估計(jì)性能最佳。

DVB-T2信道估計(jì)改進(jìn)技術(shù)2的結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3　DVB-T2信道估計(jì)改進(jìn)技術(shù)2的結(jié)構(gòu)框圖

如圖3所示，信道估計(jì)輸入為完成同步后的FFT輸出。信道估計(jì)輸入信號(hào)先進(jìn)行導(dǎo)頻點(diǎn)信道估計(jì)，然后在時(shí)間方向上經(jīng)過時(shí)域插值器做時(shí)域插值，并將時(shí)域插值的結(jié)果每兩個(gè)中間點(diǎn)補(bǔ)DX-1個(gè)零，最后將補(bǔ)零后的結(jié)果輸入到頻域插值器根據(jù)導(dǎo)頻間隔DX選擇不同階數(shù)的低通濾波器，并根據(jù)選擇出的不同的合適的低通濾波器系數(shù)，濾除不同導(dǎo)頻間隔時(shí)的鏡像干擾的影響，最終得到信道估計(jì)的輸出為

(3)

在開銷方面，如圖3所示，導(dǎo)頻間隔為3時(shí)，選擇L階低通濾波器；導(dǎo)頻間隔為6時(shí)，選擇2L階低通濾波器；導(dǎo)頻間隔為12時(shí)，選擇4L階低通濾波器；導(dǎo)頻間隔為24時(shí)，選擇8L階低通濾波器。在頻域插值濾波之前，先要將時(shí)域插值的結(jié)果每兩個(gè)中間點(diǎn)補(bǔ)DX-1個(gè)0。導(dǎo)頻間隔為3時(shí)，每兩個(gè)時(shí)域插值的結(jié)果插入2個(gè)0，頻率插值濾波器的階數(shù)為L，頻率插值濾波器的乘法器的開銷為L/3；導(dǎo)頻間隔為6時(shí)，每兩個(gè)時(shí)域插值的結(jié)果插入5個(gè)0，頻率插值濾波器的階數(shù)為2L，頻率插值濾波器的乘法器的開銷為2L/6=L/3；導(dǎo)頻間隔為12時(shí)，每兩個(gè)時(shí)域插值的結(jié)果插入11個(gè)0，頻率插值濾波器的階數(shù)為4L，頻率插值濾波器的乘法器的開銷為4L/12=L/3；導(dǎo)頻間隔為24時(shí)，每兩個(gè)時(shí)域插值的結(jié)果插入23個(gè)0，頻率插值濾波器的階數(shù)為8L，頻率插值濾波器的乘法器的開銷為8L/24=L/3；所以乘法器的開銷在不同導(dǎo)頻間隔時(shí)都一樣為L/3，而頻率插值濾波器的性能，隨著濾波器階數(shù)的增加而提高，達(dá)到最優(yōu)。

4　仿真結(jié)果

本文通過計(jì)算機(jī)仿真來評(píng)價(jià)新的改進(jìn)的信道估計(jì)技術(shù)的性能。當(dāng)LDPC譯碼器輸出的BER達(dá)到1×10-4后，BCH譯碼器輸出的BER達(dá)到QEF要求的10-11標(biāo)準(zhǔn)。選擇最小均方誤差方法設(shè)計(jì)頻率插值低通濾波器,濾波器的參數(shù)為：[wpass wstop]=[B/8,B/2]，其中B為有效帶寬。導(dǎo)頻間隔為3的仿真參數(shù)采用DVB-T2系統(tǒng)的8K模式，EXT mode，PP1，256QAM，1/4GI，1/2CR；導(dǎo)頻間隔為6的仿真參數(shù)采用DVB-T2系統(tǒng)的8K模式，EXT mode，PP3，256QAM，1/8GI，1/2CR；導(dǎo)頻間隔為12的仿真參數(shù)采用DVB-T2系統(tǒng)的8K模式，EXT mode，PP5，256QAM，1/32GI，1/2CR；導(dǎo)頻間隔為24的仿真參數(shù)采用DVB-T2系統(tǒng)的32K模式，EXT mode，PP7，256QAM，1/128GI，1/2CR。加寬帶加性白高斯噪聲信道。

如圖4～圖7所示，傳統(tǒng)的信道估計(jì)方法用OLD表示，信道估計(jì)改進(jìn)技術(shù)用MEW表示，信道估計(jì)的改進(jìn)技術(shù)2用NEW2表示。圖4為導(dǎo)頻間隔為3時(shí)不同信道估計(jì)算法的性能對(duì)比結(jié)果；圖5為導(dǎo)頻間隔為6時(shí)不同信道估計(jì)算法的性能對(duì)比結(jié)果；圖6為導(dǎo)頻間隔為12時(shí)不同信道估計(jì)算法的性能對(duì)比結(jié)果；圖7為導(dǎo)頻間隔為24時(shí)不同信道估計(jì)算法的性能對(duì)比結(jié)果。

圖4　導(dǎo)頻間隔為3時(shí)不同信道估計(jì)算法的性能比較

圖5　導(dǎo)頻間隔為6時(shí)不同信道估計(jì)算法的性能比較

圖6　導(dǎo)頻間隔為12時(shí)不同信道估計(jì)算法的性能比較

圖7　導(dǎo)頻間隔為24時(shí)不同信道估計(jì)算法的性能比較

從圖4～圖7中可以看出，隨著導(dǎo)頻間隔的增大，NEW和NEW2的性能比OLD的性能改進(jìn)越來越大。導(dǎo)頻間隔為3時(shí)，新算法的性能和傳統(tǒng)方法的算法性能相當(dāng)；導(dǎo)頻間隔為6時(shí)，兩個(gè)新算法的性能相當(dāng)，都比傳統(tǒng)方法算法的性能改進(jìn)0.2 dB；導(dǎo)頻間隔為12時(shí)，新算法NEW2性能比NEW改進(jìn)0.1 dB，NEW2比傳統(tǒng)方法的算法的性能改進(jìn)0.4 dB；導(dǎo)頻間隔為24時(shí)，新算法NEW2性能比NEW改進(jìn)0.2 dB，由于OLD算法的頻域插值濾波器的帶寬太寬，導(dǎo)致鏡像干擾大量殘留，性能不收斂。本文提出的信道估計(jì)改進(jìn)技術(shù)以及信道估計(jì)改進(jìn)技術(shù)2比傳統(tǒng)信道估計(jì)算法的性能有很明顯的提高，特別是在導(dǎo)頻間隔較大時(shí)。

5　結(jié)論

為了解決DVB-T2系統(tǒng)不同導(dǎo)頻圖樣下系統(tǒng)性能和開銷的問題，本文使用導(dǎo)頻點(diǎn)的信道估計(jì)值并進(jìn)行時(shí)域插值的輸出結(jié)果，優(yōu)化DVB-T2系統(tǒng)中不同導(dǎo)頻圖樣下低通濾波頻域插值器的開銷和性能，達(dá)到不同導(dǎo)頻圖樣的開銷和性能的最優(yōu)化，從而提高了DVB-T2系統(tǒng)的整體性能。目前，該算法也實(shí)際應(yīng)用到DVB-T2的接收機(jī)芯片中。

[1]European Telecommunications Standards Institute. ETSI EN 300 744, v1.5.1, Digital video broadcasting (DVB); framing structure, channel coding and modulation for digital terrestrial television[S]. 2004.

[2]European Telecommunications Standards Institute. ETSI EN 302 755, v1.3.1, Digital video broadcasting (DVB); framing structure, channel coding and modulation for a second generation digital terrestrial television [S]. 2012.

[3]COLIERI S，ERGEN M，PURI A，et al. A study of channel estimation in OFDM systems[C]//Proc. IEEE Vehicular Technology Conference. [S.l.]：IEEE，2002：894-898.

[4]COLERI S, ERGEN M, PURI A, et al. Channel estimation techniques based on pilot arrangement in OFDM systems[J]. IEEE tansactions on broadcasting, 2002, 48(3):223-229.

[5]MENDES L L，ROCHA C，SILVEIRA A. Performance analysis of channel estimation scheme for OFDM systems[C]//Proc. IWT-07. [S.l.]：IWT，2007：32-36.

楊勇(1977— )，主要從事IC算法的研發(fā)工作。

責(zé)任編輯：薛京

Study of channel estimation algorithm in DVB-T2 system

YANG Yong, LI Jianxin

(ShanghaiAli(shanghai)Corp.，Shanghai200233，China)

In wide band wireless communication based on OFDM technology, channel estimation is the key technology to effect system performance. In the paper, a new DVB-T2 system channel estimation algorithm is presented. The algorithm optimizes the cost and performance of frequency interpolator in different pilot pattern of DVB-T2 system, based on interpolation result in time direction of receiving pilot channel response. So the cost and performance of frequency interpolator is optimized in different pilot pattern.

DVB-T2; channel estimation; frequency interpolation

TN949

A

10.16280/j.videoe.2016.08.021

2016-04-18

文獻(xiàn)引用格式：楊勇，李建新. DVB-T2系統(tǒng)信道估計(jì)算法的研究[J]. 電視技術(shù)，2016,40(8)：108-111.YANG Y, LI J X. Study of channel estimation algorithm in DVB-T2 system [J]. Video engineering，2016,40(8)：108-111.