王 寵,萬(wàn)顯榮,沈 季,但陽(yáng)鵬

(武漢大學(xué)電子信息學(xué)院，武漢 430072)

外輻射源雷達(dá)利用第三方輻射的電磁波信號(hào)進(jìn)行目標(biāo)探測(cè)和跟蹤，具有反隱身性、抗干擾性及低空探測(cè)性等優(yōu)良特點(diǎn)。隨著外輻射源雷達(dá)信號(hào)逐漸數(shù)字化，利用數(shù)字音頻廣播(digital audio broadcasting,DAB)，數(shù)字視頻廣播(digital video broadcasting,DVB-T)等信號(hào)的無(wú)源探測(cè)成為相關(guān)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)于1997年頒布了第一代采用OFDM(orthogonal frequency division multiplexing)傳輸技術(shù)的地面廣播標(biāo)準(zhǔn)DVB-T，接著又正式發(fā)布第二代歐洲數(shù)字地面廣播標(biāo)準(zhǔn)(second generation European digital terrestrial broadcasting standard，DVB-T2)。外輻射源雷達(dá)的信號(hào)處理流程有：參考信號(hào)重構(gòu)及預(yù)處理、雜波抑制、匹配濾波、目標(biāo)檢測(cè)與跟蹤。參考信號(hào)用作距離多普勒處理過(guò)程中的基準(zhǔn)信號(hào)，與去干擾后的目標(biāo)回波信號(hào)做相關(guān)運(yùn)算，檢測(cè)到目標(biāo)的位置信息。Tao等[1]分析了DVB-T外輻射源雷達(dá)模糊函數(shù)的特征及其信號(hào)處理過(guò)程。O’Hagan等[2]和Baczyk等[3]分別研究了DAB和DVB-T信號(hào)的重構(gòu)方法。DVB-T2幀結(jié)構(gòu)的變化和模式的多樣化使參考信號(hào)重構(gòu)更加復(fù)雜，因此需要研究適應(yīng)DVB-T2系統(tǒng)的重構(gòu)算法。

參考信號(hào)重構(gòu)的主要步驟[4]為同步、信道估計(jì)、信道編碼、均衡、交織、星座映射等，其中同步和信道估計(jì)為關(guān)鍵技術(shù)。針對(duì)不同信號(hào)的外輻射源雷達(dá)參考信號(hào)的重構(gòu)，文獻(xiàn)[5]研究了中國(guó)移動(dòng)多媒體廣播電視(China mobile multimedia broadcasting，CMMB)的重構(gòu)；文獻(xiàn)[6]研究了中國(guó)調(diào)頻頻段數(shù)字音頻廣播(convergent digital radio，CDR)的重構(gòu)；文獻(xiàn)[7-8]研究了數(shù)字地面電視(digital television terrestrial multimedia broadcasting，DTMB)的重構(gòu)及其對(duì)雷達(dá)探測(cè)性能的影響。饒?jiān)迫A等[9]研究了WIFI(wireless fidelity)信號(hào)的重構(gòu)。其中CMMB信號(hào)與CDR信號(hào)的結(jié)構(gòu)相似，先對(duì)其進(jìn)行了深入分析討論，而DVB-T信號(hào)的結(jié)構(gòu)發(fā)生了較大的變化。

同步的目的是找到信號(hào)的幀起點(diǎn)，估計(jì)頻率偏差和采樣誤差并補(bǔ)償，信道估計(jì)用來(lái)估計(jì)信號(hào)傳輸時(shí)的沖擊響應(yīng)。常見(jiàn)的同步算法有最大似然估計(jì)算法、基于訓(xùn)練序列的頻偏估計(jì)算法、對(duì)特定信道條件和調(diào)制方式研究的算法等。DVB-T2幀結(jié)構(gòu)的改進(jìn)使得傳統(tǒng)的同步算法無(wú)法直接應(yīng)用。

信道估計(jì)的常用方法有盲估計(jì)和利用導(dǎo)頻估計(jì)。DVB-T系統(tǒng)導(dǎo)頻模式固定，采用導(dǎo)頻可以較好地實(shí)現(xiàn)信道估計(jì)。DVB-T2系統(tǒng)給出8種導(dǎo)頻模式，需要對(duì)系統(tǒng)的參數(shù)選取原則進(jìn)行討論，根據(jù)不同應(yīng)用場(chǎng)景下信道變化的快慢選取不同的模式，并且要考慮導(dǎo)頻密集度和估計(jì)算法兩點(diǎn)。導(dǎo)頻疏密程度對(duì)系統(tǒng)容量和數(shù)據(jù)傳輸速率有很大影響，這是DVB-T2系統(tǒng)信道估計(jì)的不同之處。此外，DVB-T2模式的多樣性豐富了不同應(yīng)用場(chǎng)景下的信道估計(jì)。

因此，需要對(duì)DVB-T2信號(hào)設(shè)計(jì)適應(yīng)的同步算法。現(xiàn)借鑒上述信號(hào)重構(gòu)的思路，進(jìn)一步提出適用于DVB-T2信號(hào)的重構(gòu)算法。DVB-T2信號(hào)的同步符號(hào)結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性發(fā)生改變，對(duì)此設(shè)計(jì)新的同步算法。對(duì)于信道估計(jì)部分，首先對(duì)DVB-T2的8種導(dǎo)頻模式進(jìn)行討論，然后設(shè)計(jì)合理的線性插值算法。期望能夠通過(guò)頻偏補(bǔ)償消除頻域上數(shù)據(jù)的相移，經(jīng)過(guò)信道估計(jì)與均衡得到正確的星座圖。

1 系統(tǒng)模型

1.1 DVB-T和DVB-T2

DVB-T2延續(xù)了DVB-T的技術(shù)，有效利用了頻譜資源。DVB-T2比DVB-T系統(tǒng)具有更高的數(shù)據(jù)率，信道容量提高30%以上。DVB-T2有更多的可配置參數(shù)，針對(duì)特定服務(wù)提供了對(duì)應(yīng)的魯棒性。DVB-T2支持標(biāo)清、高清、超高清、移動(dòng)電視或者以上的任意組合。DVB-T2系統(tǒng)提供了更高的調(diào)制階數(shù)，更多的快速傅里葉變換(fast Fourier transform,FFT)模式、保護(hù)間隔大小，更靈活的導(dǎo)頻模式、交織方式。DVB-T幀結(jié)構(gòu)僅有1層，DVB-T2幀結(jié)構(gòu)有3層(圖1)，同時(shí)引入的P1符號(hào)有利于快速同步和估計(jì)載波頻偏。DVB-T2和DVB-T的參數(shù)對(duì)比如表1所示。

表1 DVB-T和DVB-T2參數(shù)對(duì)比Table 1 Comparison of DVB-T and DVB-T2 parameters

DVB-T2系統(tǒng)參數(shù)的多樣性加大了參考信號(hào)重構(gòu)的復(fù)雜度。協(xié)議中給出的一些參數(shù)精確度不夠，如P1符號(hào)的長(zhǎng)度(圖2)，實(shí)際測(cè)得C部分的長(zhǎng)度的是59.3 μs，使得同步過(guò)程出現(xiàn)誤差，需要根據(jù)實(shí)測(cè)信號(hào)準(zhǔn)確計(jì)算相關(guān)數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度。信道估計(jì)的過(guò)程需要對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)景、導(dǎo)頻和(快速傅里葉變換)FFT模式進(jìn)行分析討論。

1.2 DVB-T2幀結(jié)構(gòu)

幀建立的作用是裝配數(shù)據(jù)單元，使之成為排列一致的OFDM符號(hào)，加上幀頭組成完整的DVB-T2幀。最長(zhǎng)的幀結(jié)構(gòu)單元為超幀，一個(gè)超幀包含一系列的DVB-T2幀。如果有擴(kuò)展幀F(xiàn)EF，超幀的持續(xù)時(shí)間為128 s，否則為64 s。擴(kuò)展幀F(xiàn)EF是用來(lái)將來(lái)系統(tǒng)升級(jí)的物理資源。DVB-T2信號(hào)幀結(jié)構(gòu)如圖1所示，一幀DVB-T2信號(hào)包含一個(gè)P1符號(hào)、P2符號(hào)和數(shù)據(jù)符號(hào)，其中P2符號(hào)和數(shù)據(jù)符號(hào)數(shù)目不定。P1符號(hào)標(biāo)志著DVB-T2幀的開(kāi)始，采用固定調(diào)制的方式，后面的符號(hào)需要根據(jù)物理層通道的動(dòng)態(tài)信息來(lái)判斷FFT長(zhǎng)度和導(dǎo)頻類型等。

P1、P2、body分別為P1符號(hào)、P2符號(hào)、數(shù)據(jù)體，P1符號(hào)包含A、B、C三部分圖2 P1符號(hào)結(jié)構(gòu)Fig.2 P1 symbolic structure

P1符號(hào)結(jié)構(gòu)如圖2所示，可以分為有用部分A以及兩個(gè)修正的保護(hù)間隔部分C與B，將A循環(huán)延拓和旋轉(zhuǎn)可以得到C和B。帶寬為8 MHz的情況下，P1符號(hào)持續(xù)時(shí)長(zhǎng)TA為224 μs。A部分有1 024個(gè)樣值，持續(xù)112 μs。C部分有542個(gè)樣值，持續(xù)時(shí)長(zhǎng)TC為59 μs。B部分有482個(gè)樣值，持續(xù)時(shí)長(zhǎng)TB為53 μs。P1符號(hào)可以用來(lái)檢測(cè)DVB-T2幀的存在，以區(qū)分?jǐn)U展幀。在853個(gè)有用的1 K符號(hào)載體中，只有384個(gè)被使用的活動(dòng)子載波，其余置零?；顒?dòng)子載波使用DBPSK(差分相于=進(jìn)制相移鍵控)調(diào)制，攜帶7 bit的信令。在7.61 MHz帶寬中，有用子載波占據(jù)約6.83 MHz的波段。

P2符號(hào)用來(lái)攜帶L1信令數(shù)據(jù)或者物理層通道中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，根據(jù)FFT模式來(lái)確定P2符號(hào)的個(gè)數(shù)，且各個(gè)P2符號(hào)的FFT大小和保護(hù)間隔是相同的。

1.3 參考信號(hào)重構(gòu)流程

參考信號(hào)的作用是和外輻射源雷達(dá)的目標(biāo)信號(hào)做相關(guān)運(yùn)算以檢測(cè)目標(biāo)。獲取參考信號(hào)的重構(gòu)流程的步驟為同步、信道估計(jì)、均衡、星座映射、解交織和解碼，最后可以還原出純凈的二進(jìn)制數(shù)據(jù)流。交織和編解碼過(guò)程對(duì)系統(tǒng)信息進(jìn)行了調(diào)制與解調(diào)，糾正信號(hào)的突發(fā)錯(cuò)誤。

2 同步算法

對(duì)于DVB-T2信號(hào)，在一個(gè)超幀內(nèi)存在跨幀映射的情形，給發(fā)射機(jī)組幀過(guò)程及接收機(jī)解幀過(guò)程增添了許多難點(diǎn)。在應(yīng)用擴(kuò)展模式的情形下需要考慮擴(kuò)展幀的存在。循環(huán)前綴、P1符號(hào)、P2符號(hào)和導(dǎo)頻都可以用作DVB-T2系統(tǒng)的同步資源[10-12]。同步可以分為5個(gè)具體步驟，分別為幀定時(shí)同步、符號(hào)定時(shí)粗同步、符號(hào)定時(shí)細(xì)同步、整數(shù)倍載波頻偏估計(jì)、小數(shù)倍載波頻偏估計(jì)。

幀同步用來(lái)確定FFT窗函數(shù)的起始位置。符號(hào)同步是用于找到OFDM符號(hào)的起點(diǎn)。符號(hào)粗同步屬于自相關(guān)同步，用接收信號(hào)結(jié)構(gòu)自身的相關(guān)性作延時(shí)相關(guān)。符號(hào)粗同步的結(jié)果存在幾個(gè)樣值點(diǎn)的偏差，對(duì)頻偏進(jìn)行估計(jì)并補(bǔ)償，再作符號(hào)精同步運(yùn)算。精同步利用符號(hào)的相位特性進(jìn)行估計(jì)。載波同步也稱為頻偏估計(jì)[12]，是將接收機(jī)與發(fā)射機(jī)間的載波頻偏調(diào)整到同步。整數(shù)倍頻偏導(dǎo)致解調(diào)信息的誤碼率增大，小數(shù)倍頻偏帶來(lái)的影響是破壞子載波間的正交性。

2.1 傳統(tǒng)的同步算法

國(guó)家廣播電視總局推出數(shù)字移動(dòng)多媒體視頻廣播CMMB行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，CMMB外輻射源雷達(dá)的一些分析方法與思路可以借鑒到其他系統(tǒng)中，為后續(xù)研究奠定了基礎(chǔ)。

TxID為信標(biāo)，同步信號(hào)由兩部分組成，記為A和A* reverse具有反向共軛對(duì)稱性圖3 CMMB信號(hào)同步符號(hào)結(jié)構(gòu)Fig.3 CMMB signal synchronization symbol structure

以CMMB信號(hào)結(jié)構(gòu)為例，如圖3所示，CMMB信號(hào)具有兩個(gè)完全相同的同步信號(hào)，位于時(shí)隙的起始處，兩個(gè)同步信號(hào)分別占據(jù)2 048個(gè)點(diǎn)。根據(jù)同步信號(hào)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，可以設(shè)計(jì)一個(gè)長(zhǎng)為4 096的窗函數(shù)，將前后的2 048個(gè)點(diǎn)作相關(guān)運(yùn)算，相關(guān)運(yùn)算的結(jié)果為粗同步得到的同步信號(hào)的位置，反映到具體圖譜上是出現(xiàn)一個(gè)峰值點(diǎn)。粗同步運(yùn)算過(guò)程中，當(dāng)且僅當(dāng)兩個(gè)時(shí)域數(shù)據(jù)具有反向互軛對(duì)稱性，才出現(xiàn)相關(guān)峰值點(diǎn)。

2.2 DVB-T2系統(tǒng)同步算法

DVB-T2系統(tǒng)利用P1符號(hào)作雙相關(guān)同步運(yùn)算[10]。P1符號(hào)的結(jié)構(gòu)與CMMB系統(tǒng)中的略有不同，4個(gè)對(duì)稱的同步數(shù)據(jù)塊分為兩個(gè)對(duì)稱的同步數(shù)據(jù)塊，長(zhǎng)度不一致，需要根據(jù)實(shí)際測(cè)得的符號(hào)長(zhǎng)度來(lái)計(jì)算。因此在同步過(guò)程作單次相關(guān)運(yùn)算會(huì)得到兩個(gè)不一致的結(jié)果，為了減少同步的誤差，提出了雙相關(guān)同步算法。將P1符號(hào)的B部分和A部分的后482個(gè)采樣點(diǎn)做相關(guān)運(yùn)算，將C部分和A部分的前542個(gè)采樣點(diǎn)做相關(guān)運(yùn)算，兩個(gè)相關(guān)值乘積最大時(shí)，判定檢測(cè)到P1符號(hào)。C支路相關(guān)運(yùn)算、B支路相關(guān)運(yùn)算分為。

(1)

(2)

Δf=arg(PCPB)/2π

(3)

式中：f為頻偏；Z(i)為第i個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的數(shù)值；Δf為頻率偏差；Z*(i)為Z(i)的共軛；PC、PB、P1A分別為C、B、A部分的相關(guān)函數(shù)；i為第i個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。

相對(duì)于進(jìn)行單次相關(guān)運(yùn)算引起的峰值附近爬坡效果，改善的雙相關(guān)同步算法精確度更高。該方法也可以借鑒到其他信號(hào)的系統(tǒng)中。同步結(jié)果如圖4所示，單次相關(guān)算法得到的峰值平緩，無(wú)法準(zhǔn)確找到符號(hào)起始位置。經(jīng)過(guò)改進(jìn)的雙相關(guān)算法可以準(zhǔn)確找到符號(hào)起始位置為該段采樣信號(hào)的第21 690個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。改進(jìn)的算法可以有效克服傳統(tǒng)算法相關(guān)峰不明顯的缺點(diǎn),性能得到改善。

圖4 符號(hào)幀同步算法結(jié)果Fig.4 Result of symbol coarse synchronization algorithm

造成同步偏移的兩個(gè)原因是多徑信道傳輸時(shí)延和收發(fā)采樣時(shí)鐘不匹配，如果不能準(zhǔn)確估計(jì)出符號(hào)或幀的起始位置，F(xiàn)FT窗口就會(huì)有幾個(gè)子載波偏移量，使得數(shù)據(jù)恢復(fù)更加困難。采樣偏差會(huì)導(dǎo)致實(shí)際幀的起始位置與采樣時(shí)刻不一致，可以通過(guò)插值變頻，使帶寬從10 MHz變?yōu)?.143 MHz。

3 信道估計(jì)算法

DVB-T2標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)于DVB-T擴(kuò)展出8種離散導(dǎo)頻模式，各模式的導(dǎo)頻疏密程度不同。DVB-T2系統(tǒng)的導(dǎo)頻有離散導(dǎo)頻、連續(xù)導(dǎo)頻、邊沿導(dǎo)頻3種。連續(xù)導(dǎo)頻傳送相同信息的子載波，離散導(dǎo)頻發(fā)送已知符號(hào)，邊沿導(dǎo)頻用來(lái)消除信道估計(jì)頻域內(nèi)插時(shí)的邊界效應(yīng)，其調(diào)制方式和離散導(dǎo)頻一樣。

3.1 導(dǎo)頻模式對(duì)應(yīng)用場(chǎng)景的影響

導(dǎo)頻圖的選擇影響信道估計(jì)性能以及系統(tǒng)信息容量，其選擇原則視多普勒性能、容量以及接受場(chǎng)景而定。以DVB-T2信號(hào)導(dǎo)頻模式的PP3為例，如圖5所示。導(dǎo)頻時(shí)域方向上的間隔越小，則有較好的多普勒性，導(dǎo)頻密度越稀疏則可以獲得更大的信息容量。導(dǎo)頻間隔參數(shù)如表2所示。導(dǎo)頻信息傳輸率如表3所示。屋頂固定接收時(shí)沒(méi)有多普勒效應(yīng)，為了提高信息容量可采用PP7模式。移動(dòng)接收時(shí)信道參數(shù)變化加快，需要較多的導(dǎo)頻來(lái)較好地實(shí)現(xiàn)信道估計(jì)，導(dǎo)頻時(shí)間間隔比頻率間隔更關(guān)鍵，可以采用PP2、PP4、PP6模式。便攜式接收時(shí)，信道參數(shù)不快，可以采用PP3和PP4。大范圍的單頻網(wǎng)場(chǎng)景下，要求較長(zhǎng)的保護(hù)間隔，折中考慮多普勒性能和保護(hù)間隔，選擇PP2模式較為合適。

Dx為離散導(dǎo)頻子載波在頻域的重復(fù)周期；Dy為離散導(dǎo)頻子載波在時(shí)域的重復(fù)周期，其數(shù)值的單位為子載波個(gè)數(shù)圖5 PP3導(dǎo)頻模式圖Fig.5 PP3 pilot pattern

表2 導(dǎo)頻間隔參數(shù)Table 2 Pilot interval parameters

表3 導(dǎo)頻信息傳輸率Table 3 Pilot information transmission rate

3.2 二維線性插值算法

線性插值算法[13-14]的原理是根據(jù)導(dǎo)頻信息的線性關(guān)系估計(jì)數(shù)據(jù)點(diǎn)的信息。發(fā)送已知符號(hào)的子載波的可以直接利用最小二乘法(least squares method,LS)算法估計(jì)。LS算法復(fù)雜度低，不計(jì)噪聲的影響，無(wú)法跟蹤信道信息的變化，采用二維線性插值算法分別在時(shí)間和頻率兩個(gè)維度進(jìn)行估計(jì)提高了精確度。此外，常見(jiàn)的最小均方算法和維納濾波算法涉及時(shí)間和頻率自相關(guān)函數(shù)并且有矩陣求逆運(yùn)算，增加了算法復(fù)雜度。時(shí)頻二維信道估計(jì)的具體步驟如下。

步驟1 求取導(dǎo)頻的信道響應(yīng)。根據(jù)LS算法，H為信道響應(yīng)值，Y為輸出信號(hào)值，X為輸入信號(hào)值，則

H=Y/X

(4)

步驟2估計(jì)數(shù)據(jù)符號(hào)的信道響應(yīng)。利用上述求得的導(dǎo)頻信道響應(yīng)值，根據(jù)二維線性插值算法原理來(lái)估計(jì)。

步驟3求取邊沿導(dǎo)頻的信道響應(yīng)。

4 實(shí)測(cè)信號(hào)處理

通過(guò)武漢大學(xué)的外輻射源雷達(dá)系統(tǒng)采集多組實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)不同F(xiàn)FT大小和導(dǎo)頻模式進(jìn)行分析。參數(shù)設(shè)置如表4所示。

表4 DVB-T2實(shí)測(cè)信號(hào)參數(shù)Table 4 DVB-T2 measured signal parameters

對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行16QAM調(diào)制，得到含有數(shù)據(jù)的同向和正交信息的散點(diǎn)圖。未進(jìn)行相位跟蹤前存在頻偏，導(dǎo)致星座圖上復(fù)數(shù)點(diǎn)出現(xiàn)相位旋轉(zhuǎn)，如圖6(a)所示，可以通過(guò)信道估計(jì)與均衡來(lái)糾正，如圖6(b)所示。此外，傳輸過(guò)程中出現(xiàn)的噪聲會(huì)使得接收的信號(hào)出現(xiàn)一定的誤碼率[15]，還需要通過(guò)信道編解碼進(jìn)行糾錯(cuò)。

圖6 星座圖Fig.6 Constellation

5 結(jié)論

對(duì)于DVB-T2信號(hào)，幀結(jié)構(gòu)的改變使得傳統(tǒng)的算法無(wú)法直接使用。通過(guò)借鑒CMMB和DVB-T系統(tǒng)的思路，進(jìn)而提出適應(yīng)DVB-T2信號(hào)的參考信號(hào)重構(gòu)算法。得到以下結(jié)論。

(1)傳統(tǒng)的一次相關(guān)結(jié)果的峰值較為平緩，改進(jìn)后的雙相關(guān)同步算法可以得到的尖銳的峰值，精確度更高，更適用于P1符號(hào)的不對(duì)稱結(jié)構(gòu)，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)處理結(jié)果驗(yàn)證該算法的有效性，可以很好地估計(jì)并補(bǔ)償頻偏。

(2)討論了DVB-T2系統(tǒng)信道估計(jì)過(guò)程的影響因素，討論了不同應(yīng)用場(chǎng)景的信道特點(diǎn)，從而選取合適的導(dǎo)頻模式。

(3)LS算法忽略了噪聲的影響，復(fù)雜度低便于實(shí)現(xiàn)。改進(jìn)的二維時(shí)頻插值算法能夠及時(shí)跟蹤信道的變化，在時(shí)域和頻域兩個(gè)方向進(jìn)行估計(jì)，精度更高，更適用于實(shí)時(shí)處理，后續(xù)還可以考慮高階線性插值算法和曲線估計(jì)算法。