基于子載波間干擾自消除的數字電視地面傳輸改進方案
2008-01-01 00:00:00秦彭啟琮
計算機應用研究 2008年1期
目前已經發布的數字電視地面傳輸方案中，采用了OFDM技術的包括歐洲的DVB T[1]、日本的ISDB T[2]，以及國內剛發布的DMB TH[3]。這些方案無一例外地均采用了包含卷積碼的前向糾錯串行級聯編碼方案。由于串行級聯碼存在難以避免的門限效應[4]，在信道質量不好時，相對于單級信道編碼，可能會適得其反，導致誤碼擴大，變得更加嚴重。同時，由于OFDM系統對子載波之間的正交性非常敏感，在無線信道環境下，存在多譜勒頻展、載波偏移等引起子載波間干擾（ICI）的因素，導致系統性能嚴重下降。對ICI的消除，常用方法是頻域均衡[5]。但是均衡的效果依賴于可靠的信道估計。這無疑對信道估計提出了較高的要求，且系統計算復雜度也很高。特別是在數字電視傳輸系統中，由于是高數據率通信，采用的子載波數很多，這樣信道估計將得到一個高階矩陣，用于均衡需要對此矩陣進行復雜的求逆運算。通常采用了很多近似的做法，但也同時降低了均衡的效果。針對這種情況，Zhao和Hggman提出了ICI自消除技術[6]，取得了較好的效果，使計算復雜度得到了極大的降低，但也帶來了OFDM的頻譜利用率降低的問題。
目前，對ICI自消除技術的研究以及所得出的系統性能分析結果僅集中在OFDM系統本身，而沒有將其置于一個完整的傳輸方案中來考慮。本文從數字電視地面傳輸方案的整體出發，針對串行級聯碼和ICI消除這兩個看似孤立的問題，從綜合的角度分析系統的性能，提出在不改變數據傳輸率和帶寬的情況下，放棄級聯碼中的卷積碼，引入以符號變換為基礎的ICI自消除模塊，最終使系統整體性能得到顯著的提高。
1系統描述與ICI分析
首先分析現有的數字電視地面傳輸方案。其發送端的系統框圖如圖1所示。
在前面所提到的各個標準中，外糾錯碼和內糾錯碼均選用了RS碼和卷積碼，只是在參數上略有不同。卷積碼是一種面向比特的糾錯碼，編碼效率為1/2，即能產生一倍于原數據的冗余數據。通過刪余的方法，可以產生其他編碼效率的編碼。這樣雖然減少了編碼冗余，提高了比特傳輸率，但同時也降低了編碼結果的比特糾錯能力。以DVB T[1]為例，其中的卷積碼根據加入的冗余碼長度，可以分成1/2、2/3、3/4、5/6、7/8五種編碼效率。
經過信道糾錯編碼后，數據碼流將通過QAM映射，然后進行以IFFT為實現方法的OFDM調制；調制信號再經過插入保護間隔和D/A變換，最后上變頻發射出去。這樣，完成了整個數字電視的發射過程。同樣，接收端將用相反的路徑，分別進行每一個模塊的接收。
歸納起來，數字電視地面傳輸系統中的兩個重要部分分別是信道編碼和OFDM調制。OFDM技術是整個系統的核心。其具有頻譜利用率高、抗多徑時延等優點。但從另一方面看，OFDM技術采用了各子載波相互正交的并行傳輸方式，因此對子載波的正交性要求較高。一旦正交性被破壞，系統性能將顯著下降。在無線傳播環境中，存在著多譜勒頻展、載波偏移等多種導致ICI的因素。因此，正交性的破壞將無法避免，只能采取其他方法使這種影響盡量減小。
對ICI的存在進行一個大致的推導，也可以發現產生ICI自消除技術的理論基礎。
2改進傳輸方案
顯而易見，ICI是影響OFDM性能的重要原因。如何有效地消除ICI成為眾多研究者關心的問題。傳統的頻域均衡方法是通過估計信道，建立傳輸矩陣，再進行矩陣求逆，以得到消除了ICI的接收符號。實際上，這種方法不適合于采用了較多子載波數的數字電視傳輸系統。因為它面臨兩個難題，即信道的有效估計[7]和高階矩陣求逆[8]。如果解決不好，均衡將達不到效果，且系統復雜度很大，還會增加系統的線性失真，降低系統的信噪比。
如圖3所示，CIR提高了約40 dB。由此可見，這種基于符號變換的ICI自消除方法帶來了系統性能的巨大改善。
從Zhao等人的方法變換規則可以看出，系統實際上只傳輸了原有子載波數一半的符號，即使用了兩個子載波傳輸一個符號。對此，還可以擴展變換規則，得到其他分配比例的ICI自消除方案，便系統性能得到進一步提高。但這都是以降低頻譜利用率換來的。
如果孤立地看，這種方法確實有頻譜利用率低的缺點。在實際應用中，需要對OFDM系統的數據傳輸率或帶寬作出相應的調整。要么數據傳輸率降低一倍，要么帶寬增加一倍。這都是系統難以接受的。但是，如果從整個數字電視地面傳輸系統的角度來看，由于ICI自消除技術在消除ICI上的卓越表現，在很大程度上減輕了糾錯編碼的壓力；同時考慮到串行級聯碼所具有的門限效應，本文提出取消卷積碼模塊，以換回在數據傳輸率上的損失。這樣保證了在數據傳輸率不變的情況下，帶寬也保持不變。同時，這樣的改進降低了整個系統的復雜度，而系統的性能卻得到極大的改善。
改進的數字電視地面傳輸方案發送端的結構框圖如圖4所示。
需要說明的是，卷積碼具有多種編碼效率，而ICI自消除方法同樣具有多種符號變換方案，可以保證與其相對應，以達到在不改變原有傳輸方案的數據傳輸率的情況下，使性能得到提高。
3仿真結果
在不同的信道環境下，比較這種改進方案和已有方案在誤碼率性能上的不同。所有的仿真都是在傳輸數據率相同、帶寬相同、子載波數相同、映射方式相同的情況下進行的。已有的數字電視地面傳輸方案選取DVB T的2k模式作為比較。其中映射方式采用QPSK，卷積碼率為1/2，改進方案中ICI自消除模塊采用Zhao所提出的符號變換方法。同時，兩種方案均采用相同的同步技術。另外，由于主要目的在于比較替換后的性能改善，兩種方案均未進行信道估計和均衡操作。
首先，將兩種方案分別應用于頻率平坦衰落信道，且發送端與接收端存在300 km/h的相對運動。圖5描述了仿真所得到的誤碼率曲線。可以看出，改進方案在不同SNR的情況下具有明顯而穩定的優勢。再將兩種方案分別應用于具有多徑傳播的無線信道中，即存在頻率選擇性衰落。同樣，發送端與接收端以300 km/h的速度相對運動。仿真所得到的誤碼率比較如圖6所示。從圖中可以看出，改進的傳輸方案比現有方案具有明顯的性能改善，隨著SNR的增大，這種趨勢更加突出。
4結束語
本文對現有的采用OFDM技術的數字電視地面傳輸方案中所存在的ICI問題進行了分析，介紹了現有的ICI自消除方法。結合該方法的特點與現有數字電視地面傳輸方案的不足，提出改進方案，在不改變任何原有參數的情況下，將卷積糾錯碼取消，增加了ICI自消除變換模塊。通過仿真表明，這一改進帶來了系統性能的顯著提高，是對數字電視地面傳輸方案進一步完善的有益嘗試。
參考文獻：
［1］ETSI EN 300 744 v1.5.1，Digital video broadcasting (DVB):framing structure， channel coding and modulation for digital terrestrial television[S].2004.
[2]ARIB.Terrestrial integrated service digital broadcasting (ISDB T):specification of channel coding， framing structure， and modulation[S].
[3]GB20600—2006，數字電視地面廣播傳輸系統幀結構、信道編碼和調制[S].
[4]FORNEY G D.Concatenated codes[M].Cambridge:MIT Press，1966.
[5]WANG Tie jun，PROAKIS J G，ZEIDLER J R.Techniques for suppression of intercarrier interference in OFDM systems[C]//Proc of IEEE Communications Society(WCNC 2005).New Orleans:[s.n.]，2005：39－44.
[6]ZHAO Yu ping，HGGMAN S G.Intercarrier interference self cancellation scheme for OFDM mobile communication systems[J].IEEE Trans on Communications，2001，49(7):1185 1191.
[7]YCEK T，ARSLAN H.ICI cancellation based channel estimation for OFDM systems[J].IEICE Trans on Communications，2005，E88B(5):22002201.
[8]WU H C，WU Yi yan.A new ICI matrices estimation scheme using hadamard sequence for OFDM systems[J].IEEE Trans on Broadcasting，2005，51(3):305－314.
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