数字电视传输系统中信道估计技术的研究.docx

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数字电视传输系统中信道估计技术的研究

实习目的4

实习单位及岗位介绍4

实习安排4

数字电视传输系统中信道估计技术的研究

一、绪论5

（一）什么是数字电视5

（二）数字电视的优越性5

（三）地面数字电视广播的基本需求6

（四）数字地面传输系统6

二、OFDM简介8

（一）OFDM的原理和基本模型8

1、OFDM正交调制解调框图9

2、使用快速傅立叶变换调制解调9

3、循环前缀10

（二）OFDM系统的优缺点13

三、DVB-T系统中的信道传输技术14

（一）什么是DVB-T14

（二）信道估计14

1、什么是信道估计14

2、DVB-T系统中的信道估计方式15

3、信道估计算法16

（1）最小二乘估计（LS）16

（2）MMSE估计17

（3信道估计内插技术17

（4）DVB-T信道的均衡19

四、工作总结21

参考文献22

实习目的：

作为当代大学生，特别是一个工科的大学生，我们的未来直接面向社会，而当代的社会要求我们除了具备基本的理论知识外，还必须具备一定的实践能力。

如何将理论知识运用于实际，需要我们通过实践去体会。

本人在本科学业后还想要继续深入学术领域，为了更好的适应研究生生活，同时熟悉实验室环境，感受科研氛围，参与科研，因此选择在赵力教授处开展我为期四周的实习生活。

实习是为了使我对本专业有个更好的了解，明确学习目的，增强自己的实践操作能力及自信心。

实习单位及岗位介绍：

实习单位：

东南大学信号处理实验室

实习岗位：

在导师赵力教授的指导下，熟悉数字电视传输系统中信道估计技术，并进行相应的理解与仿真工作，熟悉实验室环境，感受并参与科研氛围。

实习安排：

第一周：

熟悉实验室环境，了解相应实习工作，熟悉仪器操作

第二周：

搜集资料，了解熟悉OFDM与数字电视传输系统

第三周：

学习信道估计相关技术

第四周：

资料整理，熟悉数字电视传输系统中信道估计技术，并进行相应仿真工作深入了解

数字电视传输系统中信道估计技术的研究

一、绪论

（一）什么是数字电视

数字电视是指从演播室到发射、传输、接收的所有环节都是使用数字电视信号或对该系统所有的信号传播都是通过由0、1数字串所构成的二进制数字流来传播的电视类型。

是一个从节目采集、节目制作节目传输直到用户端都以数字方式处理信号的端到端的系统。

基于DVB技术标准的广播式和“交互式”数字电视．采用先进用户管理技术能将节目内容的质量和数量做得尽善尽美并为用户带来更多的节目选择和更好的节目质量效果，与模拟电视相比，数字电视具有图像质量高、节目容量大（是模拟电视传输通道节目容量的10倍以上）和伴音效果好的特点。

（二）数字电视的优越性

对于地面数字电视广播来讲，首先要求有足够高的传输码率，其次要实现和模拟电视节目的同播．更重要的是能够支持移动接收和便携接收，还有多业务扩展功能。

数字电视技术与原有的模拟电视技术相比，有如下优点：

信号杂波比和连续处理的次数无关。

电视信号经过数字化后是用若干位二进制的两个电平来表示，因而在连续处理过程中或在传输过程中引入杂波后，其杂波幅度只要不超过某一额定电平，通过数字信号再生，都可能把它清除掉，即使某一杂波电平超过额定值，造成误码，也可以利用纠错编、解码技术把它们纠正过来。

可避免系统的非线性失真的影响易于实现信号的存储，而且存储时间与信号的特性无关，可实现时分多路，充分利用信道容量，利用数字电视信号中行、场消隐时间，可实现文字多工广播（Teletext）。

压缩后的数字电视信号经数字调制后，可进行开路广播，同时可以合理地利用各种类型的频谱资源。

在同步转移模式（STM）的通信网络中，可实现多种业务的“动态组合”（dynamiccombination）。

很容易实现加密／解密和加扰／解扰技术，便于专业应用（包括军用）以及广播应用（特别是开展各类收费业务）。

具有可扩展性、可分级性和互操作性，便于在各类通信信道特别是异步转移模式（ATM）的网络中传输，也便于与计算机网络联通。

可以与计算机"融合"而构成一类多媒体计算机系统，成为未来"国家信息基础设施"（NII）的重要组成部分。

（三）地面数字电视广播的基本需求

数字电视广播主要通过卫星、有线电视及地面无线三种传输方式实现。

一般认为，卫星广播着重解决人面积覆盖：

有线电视广播着重解决“信息到户”，特别是在城镇等人口居住稠密地区的电视接收问题；而地面无线广播作为电视广播的传统手段，首先要求有足够好的接收性能，在室内采用简单、小型和低增益天线实现稳定接收。

甚至在较强静态和动态多径的环境中，系统仍能够稳定工作，能够满足现代信息化社会所要求的“信息到人”的基本需求。

其次，有足够高传输的码率，作为一种不同于卫星和有线电视的覆盖方式，可以发挥其独有的优势，将服务于未来宽带无线接入市场．支持移动接收业务，支持无线双向传输的双向业务．

其他的要求包括：

需要先进的信道编码和信道估计方案，以便降低系统C／N门限，以降低发射功率。

井减少了对现有模拟电视节目的干扰，降低各种干扰/失真。

高度灵活的率规划和覆盖区域，能够使用单频网和同频道覆盖扩展，缝隙填充。

而且系统应允许多种成本价格的接收机实现，包括低成本实现等。

（四）数字电视地面传输系统

经过十年坚持不懈的研究和发展,数字电视地面广播（DigitalTelevisionTerrestrialBroadcasting,DTTB）已经达到了实现阶段.从1998年11月北美和欧洲已经开播DTTB节目,许多国家宣布了它们的DTTB制式选择和实现计划.目前,有三种DTTB传输标准：

1、高级电视系统委员会（AdvacnedTelevisionSystemsCommittee,ATSC）研发的格形编码的八电平残留边带（Trellis-Coded8-LevelVestigialSide-Band（8-VSB））调制系统

2、数字视频地面广播（DigitalVideoBroadcasting-Terrestrial,DVB-T）标准采用的编码正交频分复用（CodedOrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing,COFDM）调制

3、地面综合业务数字广播（TerrestrialIntegratedServiceDigitalBroadcasting,ISDB-T）采用的频带分段传输（BandwidthSegmentedTransmission,BST）正交频分复用OFDM

图1.1

二、OFDM简介

（一）OFDM的原理和基本模型

OFDM（OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing）即正交频分复用技术，其主要思想是：

将信道分成若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制到在每个子信道上进行传输。

正交信号可以通过在接收端采用相关技术来分开，这样可以减少子信道之间的相互干扰ICI。

每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，因此每个子信道上的可以看成平坦性衰落，从而可以消除符号间干扰。

而且由于每个子信道的带宽仅仅是原信道带宽的一小部分，信道均衡变得相对容易。

在过去的频分复用（FDM）系统中，整个带宽分成N个子频带，子频带之间不重叠，为了避免子频带间相互干扰，频带间通常加保护带宽，但这会使频谱利用率下降。

为了克服这个缺点，OFDM采用N个重叠的子频带，子频带间正交，因而在接收端无需分离频谱就可将信号接收下来。

OFDM系统的一个主要优点是正交的子载波可以利用快速傅利叶变换（FFT/IFFT）实现调制和解调。

对于N点的IFFT运算，需要实施N2次复数乘法，而采用常见的基于2的IFFT算法，其复数乘法仅为（N/2）log2N，可显著降低运算复杂度。

　　在OFDM系统的发射端加入保护间隔，主要是为了消除多径所造成的ISI（子载波之间的正交性遭到破坏而产生不同子载波之间的干扰）。

其方法是在OFDM符号保护间隔内填入循环前缀，以保证在FFT周期内OFDM符号的时延副本内包含的波形周期个数也是整数。

这样，时延小于保护间隔的信号就不会在解调过程中产生ISI。

1、OFDM正交调制解调框图

图2.1正交调制的系统框图

首先让我们来看看正交调制的系统框图2.1，码元速率为T，比特速率是Ts，因为串并变换的关系，所以T=NTs。

在上图中，正交关系就表现在调制信号pi（t）和解调信号qi（t）的关系上。

我们在OFDM系统，为了做到子载波之间的正交性，往往选择pi（t）和qi（t）为正余弦信号：

和

。

2、使用快速傅立叶变换调制解调

用离散反傅里叶变换来实现频分复用并行数据传输是由Weinstein和Ebert于1971年提出的。

考虑一个数据序列：

d0,d1,...,dN-1,每个数据都是一个复数（dn=an+bnj是数字调制器的输出，如QAM，PSK等），假设对序列dn进行离散反傅里叶变换，得到N个复数的序列Sm：

（2-1）

m=0,1,2,…,N-1

式中：

fn=n/NTs,tm=mTs。

Ts表示原始序列的符号间隔，将公式中序列的实部通过一个低通滤波器，并且让符号之间的间隔等于Ts,就得到了OFDM信号。

（2-2）

公式中OFDM符号的长度是T，子载波的间隔是1/T,系统包括了N个正交的子载波。

在一个周期内不同的子载波之间具有正交性，即：

（2-3）

而且在一般的OFDM系统中为了使IFFT和FFT前后的信号功率保持不变，对DFT做如下定义：

（2-4）

3、循环前缀

我们假设满足奈奎斯特抽样定理的离散信道模型如图2.2所示。

图2.2离散记忆信道

其中

设输入的某个序列

则其对应的输出用矩阵表示如下

（2-5）

由于信道存在记忆性，结果导致输出快序列

不仅与当前块的输入关系有关，还与上一个块的最后M个输入有关，这就产生了码间干扰。

解决这个问题的方法有两种。

第一种就是加入保护间隔，即在每N点数据块前加入M个0，这样就得到了一个M+N点数据块。

如图2.3所示。

图2.3保护间隔

按照这样的方法合适的选取保护间隔的长度可以消除码间干扰，然而在这种情况下，由于多径传播的影响，则会产生信道间干扰ICI，即子载波间的正交性会遭到破坏，不同的子载波间产生干扰。

如图2.4所示，由于每个OFDM符号中都包括所有的非零子载波信号，而且也同时会出现该OFDM符号的时延信号。

这样的话，在FFT的运算长度内第一个子载波与带有时延的第二个子载波之间的周期的个数之差不再是整数，所以在接收机解调第一个载波时，第二个子载波会对一个子载波造成干扰。

同样，接收机对第二子载波进行解调时，也会存在来自第一子载波的干扰。

图2.4多径情况下空闲保护间隔在子载波间造成的干扰

为了消除由于多径所造成的信道间干扰，OFDM符号需要在其保护间隔内填入循环前缀信号[5]，如图2.5。

这样就可以保证在FFT周期内，OFDM符号的延时副本内所包含的波形的周期数也是整数。

这样时延小于循环前缀长度的时延信号就不会在解调过程中产生信道间干扰。

换句话说，加入CP后，当CP的长度大于最大时延扩展，既可以消除码间干扰，也可以消除信道干扰。

图2.5循环前缀

（二）OFDM系统的优缺点

近年来，OFDM系统已经越来越得到人们的关注，其主要原因在于OFDM系统存在如下的主要优点

1、带宽利用率很高。

OFDM系统中由于各个子载波之间存在正交性，允许子信道的频谱相互混叠，与常规的频分复用系统相比，OFDM系统可以最大限度的利用频谱资源。

当子载波个数很大时，系统的频谱利用率趋于2Band/Hz。

2、把高速数据流通过串并转换，调制到每个子载波上进行并发传输，使得每个子载波上的数据符号持续长度相对增加，有效地减小由于无线信道的时间弥散所带来的ISI。

此外，OFDM采用了循环前缀技术，有效的抵抗多径衰落的影响。

3、各个子信道的正交调制和解调可以通过离散傅立叶反变换（IDFT，InverseDiscreteFourierTransform）和离散傅立叶变换（DFT，DiscreteFourierTransform）的方法来实现。

在子载波数很大的情况下，可以通过采用快速傅立叶变换（FFT）来实现。

4、OFDM系统可以很容易地通过使用不同数量的子信道来实现上行和下行链路中不同的传输速率。

OFDM系统由于采用了正交多载波技术，因此与单载波系统相比存在如下缺点：

1、对同步误差十分敏感，OFDM子信道的频谱相互混叠，信号的解调是通过FFT变换实现的，要求各个子载波之间保持正交，才能解调得到每一路数据，同步误差会引起严重的子信道间干扰（ICI，Inter-channelInterference）。

2、峰值平均功率比（PAPR）较高。

OFDM系统的输出是多个子信道信号的叠加，输出信号的包络起伏很大，当多个信号的相位一致时，所得到的叠加信号的瞬时功率就会远远大于信号的平均功率，导致出现较大的峰值平均功率比。

当峰值平均功率比较大时，要求发射机内放大器具有很大的线性动态范围。

如果放大器的动态范围不能满足信号的变化，则会引起信号畸变，导致各个子信道信号之间的正交性遭到破坏，使系统性能恶化。

三、DVB-T系统中的信道传输技术

（一）什么是DVB-T

DVB,数字视频广播DigitalVideoBroadcasting的缩写，是由DVB项目维护的一系列国际承认的数字电视公开标准。

DVB系统传输方式有如下几种：

卫星（DVB-S及DVB-S2）；有线（DVB-C）；地面无线（DVB-T）；手持地面无线（DVB-H）。

这些传输方式的主要区别在于使用的调制方式，因为不同它们应用的频率带宽的要求不同。

DVB-T是指数字地面电视广播系统标准。

这是最复杂的DVB传输系统。

地面数字电视发射的传输容量，理论上与有线电视系统相当，本地区覆盖好。

DVB-T数字电视系统大量运用公交电视，地铁，楼宇，出租车，车载上面，是能在汽车上面收看电视节目最好的解决方案。

因此我们通常也称为：

移动数字电视。

DVB-T的最大特点是：

电视节目高清晰，可以在汽车高速行驶中无中断接收电视节目。

这是传统模拟信号电视所不具备的。

可以说模拟电视的缺点，都被DVB-T完美的解决。

大致的结构框图如下所示：

（其中输入为二进制别特流）

图3.1

（二）信道估计

1、什么是信道估计

所谓信道估计，就是从接收数据中将假定的某个信道模型的模型参数估计出来的过程。

如果信道是线性的话，那么信道估计就是对系统冲激响应进行估计。

需强调的是信道估计是信道对输入信号影响的一种数学表示，而“好”的信道估计则是使得某种估计误差最小化的估计算法。

信道估计算法从输入数据的类型来分，可以划分为时域和频域两大类方法。

频域方法主要针对多载波系统；时域方法适用于所有单载波和多载波系统，其借助于参考信号或发送数据的统计特性，估计衰落信道中各多径分量的衰落系数。

信道估计的方法通常可以分为三类：

第一类是基于导频（Pilot）符号和插值技术信道估计，根据插入的导频符号在IFFT之前还是之后，分为频域导频符号插入法和时域导频符号插入法；第二类是基于判决反馈信道估计；第三类是基于被传输信息符号的有限字符特性和其统计特性的盲信道估计。

2、DVB-T系统中的信道估计方式

DVB－T系统采用的是频域导频符号插入法，在接受端是经过FFT变换，利用接受到的导频信号与已知的参考导频信号进行比较，得到信道响应的估计值，由于信道响应要通过频域内插得到，这类方法称为频域导频频域内插（FPFI）技术。

欧洲地面数字电视DVB－T的COFDM传输系统中，2k和8k模式采用的导频插入类型如下图所示：

图3.2

对于第L个符号（范围为0－67），其散布导频位置k属于子集

。

这里，只要对于k不超过有效范围

，则p为整数，取大于或等于零的一切可能值。

需要特别注意的是：

其中第一列和最后一列均插入导频。

为了提高信道估计的性能，导频信号功率应大于数据载波的平均功率，导频符号比非导频符号高2.5dB。

导频值由伪随机二进制序列（PRBS）来调制：

（3-1）

其中，m为帧号，l为符号标号，k为子载波频率下标，Wk为随机码序列PRBS中的第k位，值为0或1,如图3-4所示，因此，导频符号的值只是一个实数4/3或-4/3，这有利于信道估计和均衡算法的简化。

3、信道估计算法

（1）最小二乘估计（LS）

从Y（k）中抽取导频点的值

，而发送的导频值

是已知的，

为均衡后导频点的值，令

，信道估计值为

，LS估计算法是希望方差

最小，则：

（3-2）

（3-3）

可见，在各个导频点将接受信号除以发送信号，就可以得到导频点的信道频率响应最小平方估计。

LS信道估计的特点是简单，但是从其代价函数可以看出，在找最优解时没有考虑接收信号中的噪声及子载波间的干扰，因为这种算法估计出的信道对接收信号进行但抽头复系数均衡时，输出信号的均方误差较大，准确度受到限制。

（2）MMSE估计

MMSE信道估计算法对于ICI（子载波间干扰）和高斯白噪声有很好的抑制作用，它是在LS估计的基础上进行的：

（3-4）

其中

为信道频率响应的N阶自相关矩阵，σn2为信道噪声方差。

可知，MMSE算法的运算量要比LS算法大的多，随子载波数N呈指数增长，并需随导频信号X的变化实时进行矩阵的逆运算（（XXH）一1），导致系统效率很低，故该法有一定局限性。

（3）信道估计内插技术

得到导频点位置的信道传输函数的估计值后，数据载波位置的信道响应应通过相邻导频估计信道响应的内插滤波来获得。

常值内插法

常值内插算法是内插算法中最简单的，算法的思想是：

前一个导频子信道的估计值可以近似的作为相邻两个导频子信道间的数据子信道的值。

按照这种思想，序列为k的（mNf

H（k）=H（mNf+l）=Hp（m），

，m=1,2，...Np-1（3-5）

该方法很简单，计算量小，运算速度快，但误差很大，所以一般不采用。

一维线性插值法

在DVB-T系统快衰落估计算法中，一阶线性插值是通过两个相邻导频符号出的信道系数估计值来计算两个导频符号之间的信道系数，从而得到整个信道传输：

（3-6）

一维线性插值是利用一个符号中相邻的导频值内插得到本符号其它频率位置的信道估计值。

每个符号的导频载波即是信道响应的采样，这时，信道可以允许变化很快，因为内插是在每个符号持续时间Tu内完成，因此，信道的相关时间很小，可以用于移动接收。

因为导频之间的间隔为12Δf，所以如果信道的相关带宽大于12Δf，可完成对信道的估计。

线性内插滤波每次估计只需要两个导频符号，在实际应用中非常有效。

这种方法只用两个相邻导频位置的信道估计值，内插得到两个导频之间数据载波位置的信道响应，一维线性内插适合于时变信道，而且设计也较为简单，但是，若导频点之间间隔太长，经过内插滤波后并不能准确地反应此间隔内信道响应的变化情况。

尤其是在频率方向上变化较快的信道。

二维线性插值

二维线性内插在时间和频率两个方向上进行，根据导频的类型及其可实现行，可以将分为两个独立的一维内插过程，首先在频率方向内插，然后在时间方向上对所有的子载波进行滤波。

由于滤波器上线性的，采用另一种顺序也可以获得相同的性能。

下图给出二维线性内插滤波实现过程。

图3.3

时间方向插值：

（3-7）

其中，H为时间方向插值得到的信道响应，k为载波序号，l为符号时域序号，m为导频时域采样间隔（m=4）。

频率方向插值：

（3-8）

其中，H为频率方向插值得到的H，m为时域插值后的等效导频频域采样间隔（m=3），l、k同式（3.5）。

这样，二维内插滤波后就完成了对所有点的信道估计。

二维线形内插由于加上了时间方向的内插，故信道估计结果要好于一维内插，但是大部分频率点的信道估计要用到前后七个符号，所以这也同时要求时间方向上在七个符号周期内信道变化要相对缓慢，而一维线形内插则可以用于信道变化较快的场合。

4、DVB-T信道的均衡

信道均衡技术（Channelequalization）是指为了提高衰落信道中的通信系统的传输性能而采取的一种抗衰落措施。

它主要是为了消除或者是减弱宽带通信时的多径时延带来的码间串扰（ISI）问题。

其机理是对信道或整个传输系统特性进行补偿，针对信道恒参或变参特性，数据速率大小不同，均衡有多种结构方式

信道估计与均衡这两个问题是紧密相联的。

一般情况下，信道估计的目的是为了进行均衡；信道均衡器从实现结构上大致可以分为直接均衡和间接均衡两种方法。

间接均衡就是要依赖信道冲激响应来确定均衡器的系数，一般需要额外的信道估计模块。

而直接均衡不需要关于信道冲激响应的确切知识，直接根据接受信号自适应地更新均衡器的系数。

对经过FFT变换和删除CP后的频域接受数据进行均衡，可以用下式表示：

，0≤k≤N-1（3-9）

其中，

为均衡器系数矢量。

对ZF准则而言，均衡器系数是按使通过均衡器的总的抽样脉冲响应具有最小的ISI来调整的，ZF均衡器抽头收敛的最终结果是趋于每个自带的频域特性的倒数：

，k=0,1,…,N-1（3-10）

数据的估计值：

，这在同一个子带内同样保持恒定，但会使噪声有色化，加大了噪声的功率，这会快速降低系统的性能。

四、工作总结

本论文主要对数字电视地面传输系统中关键技术，主要对信道估计进行了研究。

在实习过程中，通过对相关资料的翻阅和学习，让我对OFDM技术有了更深入的理解，掌握了其系统的原理极其过程，对DVB-T方案也有了更深入和直观的认识。

正交频分复用（OFDM）系统，它可以有效地对抗多径时延扩展。

在发射端，高速串行基带码流经过并/串变换成为N路并行的低速信号，然后分别用N个子载波进行调制，通过把输入的数据流串并变换到N个并行的子信道上，使得每个调制子载波的数据符号周期可以扩大为原始数据符号周期的N倍。

可以通过插入保护间隔来最大限度地消除符号间干扰，通过周期扩展开来消除多径干扰造成的ICI。

DVB-T标准是采用编码正交频分复用（COFDM）调制技术，通过插入导频来进行信道估计，在发射端利用具有循环特性的保护间隔来消除多径回波造成的ISI，在接收端可直接去除在发射端插入的循环前缀，再利用离散导频实现导频点上的信道估计，然后采用时域和频域上的二维插值来实现整个信道的信道估计。

在实习过程中，我更好地将书本知识与实际相结合，熟悉了实验室环境，也亲身体验到了实验室的科研氛围。

我了解到自主学习能力非常重要，团队合作也十分重要。

在实习过程中，我得到了导师还有学长们的无私帮助与指导，在此教师节来临之际，真诚的祝福老师教师节快乐。

在今后的学习中，我会更加注重理论与实际的结合，并且会进一步学习信道估计技术，通过进行仿真来更好得学习和了解信道估计的相关内容与技术。

参考文献：

【1】国家质量监督检验检疫总局，“数字电视地面传输系统帧结构、信道编码和调制”[S]，2006年4月版；

【2】赵珺洁，张海林《OFDM系统原理及关键技术》，《现代电子技术》2007年第3期总第242期；

【3】吴奕彦、BernardCaron、PierreBouchard和GeraldChouinard，加拿大通信研究中心《地面数字电视传输系统的比较：

ATSC8-VSB、D