空頻發射分集技術在TDS－OFDM中的實現

竺旭東，王勁濤

(清華大學電子工程系;清華信息科學與技術國家實驗室;微波與數字通信技術國家重點實驗室，北京 100084)

地面數字電視傳輸技術中，OFDM調制系統因其天然抗頻率選擇性衰落的能力而得到了廣泛應用。然而在頻率和時間雙選擇性衰落信道下，接收信號的信噪比差異很大，增加了誤碼率，接收機判決錯誤的概率較大。

發射分集技術是能夠改善在惡劣信道下接收機性能的有效方法之一，本文將發射分集技術[1－3]應用到OFDM系統中，具體實施如下:在OFDM調制過程中，將其頻域數據空頻編碼，得到2個發射機的發射信號;在接收端，為了能夠得到2條信道的參數，需要對2個發射機的時域同步訓練序列進行特殊設計，之后進行接收數據的空頻解碼過程。在快衰落信道下，空頻編碼的分集系統能夠提供明顯的分集增益，提高接收機的接收性能。

1 發射分集架構[4]

空頻編碼的OFDM發射分集系統結構如圖1所示，主要由串并轉換、空頻編碼、時頻變換、保護間隔添加、信道估計等模塊組成。

在信道環境惡劣的情況下，發射分集技術在OFDM系統中增強了接收端的分集增益。在地面數字電視傳輸中，少量發射機服務于眾多的接收機，增加天線數量帶來的成本相對較低，而接收機帶來的增益效果則相當可觀。

圖1 空頻編碼的OFDM發射分集系統結構

本文設計了發射分集技術在實際TDS－OFDM系統中的應用方案，并實現了雙天線發射、單天線接收的硬件系統，核心模塊包括空頻編碼、雙信道估計、空頻解碼等。

2 系統設計方案

2.1 算法設計概述

本文設計了OFDM系統中發射分集技術的實現方案，核心為空頻編碼在OFDM系統中的應用，而且為了能夠在接收端得到2個信道的參數，采用了特殊的保護間隔訓練序列。

其中核心算法涉及:空頻編碼的OFDM系統;特殊的保護間隔訓練序列;空頻解碼設計。下面進行詳細介紹。

2.2 空頻編碼算法[5]

在OFDM系統中，需要傳輸的數據有時域和頻域兩種存在形式，空頻編碼將需要傳輸的數據在頻域和空間這兩個維度中進行編碼，采用Alamouti提出的傳輸矩陣對相鄰兩個子載波上的符號進行編碼[6]，即傳輸矩陣中的每個符號X(k)在此都表示1幀OFDM信號中子載波上的符號。OFDM系統中原始傳輸數據頻域表示為

對原始數據進行空頻編碼后，2個發射機的發射信號為

式中:N為OFDM系統的子載波數，且0≤k≤N/2－1。

空頻編碼后，將原來1幀OFDM信號中的數據一分為二，輸出為2路數據，通過添加特殊設計的時域訓練序列后，由2根天線同時發射出去。

2.3 特殊的保護間隔訓練序列[7]

本文在使用傳統偽噪聲訓練序列的基礎上，采用了特殊的雙天線數據幀構成方法，如圖2所示，使其能在接收機中用于2個信道的參數估計。接收機收到的每一幀數據可以劃分為3部分，即

圖2 雙天線數據幀結構

式中:m表示PN序列的長度;n表示OFDM數據塊的長度;PN和H表示訓練序列和信道函數的頻域形式;“*”表示頻域對應點的乘積。用于信道估計的數據是PN訓練序列部分，改寫為

式中:Y1和Y2分別表示一幀數據中頭尾訓練序列經過信道傳輸后的數據。對式(4)進行簡單變換后，即可得到2個信道的頻域估計值為

將得到的頻域信道估計值變換到時域后，即完成了雙天線、雙信道的信道估計。

2.4 空頻解碼算法[8]

傳統Alamouti方案在接收端進行分離譯碼處理時，需要假設信道參數在同一幀OFDM信號內連續2個子載波上基本不變，一般傳輸信道中，可以滿足這個假設，但是在地面數字電視傳輸中，往往存在快速衰落信道，本文采取了改進算法，可以滿足在信道頻域快速衰落的情況下取得良好的空頻解碼性能。

本文實現的系統中，發射機采用2×2的傳輸矩陣進行編碼，只需考慮2個子載波上的符號解碼即可，得到相鄰2個子載波上的接收數據為

將式(6)簡單變換后，即可得到頻域的OFDM傳輸數據為

改進后的空頻解碼算法，可以在傳輸信道時、頻選擇性衰落的情況下依然取得良好的性能，從而提高了系統抗多徑和多普勒效應的能力。

3 MATLAB仿真及FPGA實現

本文中設計的方案先在MATLAB仿真平臺中進行代碼編寫、性能測試，得到預期結果后，在Quartus II 10.1平臺上進行硬件設計和代碼編寫，并在ModelSim 6.5中進行時序和功能仿真，最后下載到發射機和接收機芯片上進行實際測試，結果與理論、仿真一致。

3.1 MATLAB 仿真結果

發射分集實現方案的MATLAB仿真分為單天線和雙天線兩種工作模式，仿真時使用TDS－OFDM系統，每個子載波采用64QAM調制方式，保護間隔長度為1幀長度的1/8，采用無編碼傳輸，均衡輸出后使用硬判決方式，引入多普勒頻移fd=20 Hz。

為了真實地模擬數字電視地面傳輸的實際情況，仿真所采用的典型DTTB信道模型如表1所示，均采用Rayleigh分布。

表1 信道模型參數

各信道下的系統誤碼率仿真結果如圖3所示，其中三角標識點線表示單天線工作在信道1下的仿真結果，菱形標識點線表示單天線工作在信道2下的仿真結果，圓圈標識點線表示雙天線工作在信道1和信道2下的仿真結果。

圖3 單天線與雙天線系統性能比較

由仿真結果可見，相對于單天線工作模式，雙天線工作模式能夠提供較明顯的分集增益。在相同的信噪比時，誤碼率顯著降低，性能有明顯提升。以誤碼率BER=10－2為例，相比于單天線工作在信道1和信道2的情況下，雙天線工作模式約有3～5 dB的增益。

3.2 硬件實現及測試

在理論上進行仿真驗證后，本文進一步設計、實現了雙天線發射分集的硬件系統。具體實現使用TDS－OFDM系統，1幀數據中OFDM數據為4096個星座映射點，保護間隔長度為256，即有效數據的1/8，星座映射可以采用QPSK，16QAM和64QAM。在地面數字電視傳輸中，極少數的發射機可以服務于眾多的接收機，所以接收機結構的簡化、成本的降低可以帶來巨大的經濟效益。

在結構設計上:為了能夠節省硬件資源，系統中的核心模塊都進行了多次復用;為了能夠實時快速處理數據，硬件采用了流水線處理結構，并在同一系統中兼容單、雙天線兩種工作模式。下面分別進行詳細介紹。

3.2.1 核心模塊復用

在接收機的硬件設計中，從上文的算法不難發現，信道估計、空頻解碼、均衡輸出等大量計算模塊都需要將數據在頻域和時域之間不斷變換，所以FFT和IFFT將是硬件設計中的核心模塊。

由理論算法可知，從接收到的時域保護序列估計得到時域信道參數，需要1對FFT和IFFT變換，而雙信道估計便是2對，為了消除保護序列和OFDM數據之間的相互影響，又需要2對FFT和IFFT變換，這樣總共需要4對256點的FFT和IFFT，之后需要對頻域數據進行空頻解碼和均衡輸出，雙信道和OFDM數據變換到頻域需要3個4096點的FFT。

而在硬件系統的實現中，采用了模塊復用的辦法，將雙信道估計按先后次序進行，OFDM數據塊重建時復用信道估計的FFT和IFFT模塊，雙信道和OFDM數據變換到頻域時也按先后次序進行，復用1個4096點的FFT，算法理論上的資源占用和實際系統的資源占用比較如表2所示。

表2 理論資源和實際資源占用比較表

3.2.2 流水線處理及工作模式兼容

為了能快速實時處理接收到的數據，流水線結構在整個系統的硬件設計中得到了廣泛應用，例如在信道估計模塊，其流水線結構框架如圖4所示。

圖4 信道估計模塊流水線結構

信道估計模塊由FFT變換、本地PN序列解卷積、IFFT變換、信道濾波等子模塊組成，整個處理流程采用流水線結構后，模塊之間不需要存儲數據，節省了大量硬件存儲空間。

與此同時，本文中設計、實現的系統是在單天線工作的基礎上兼容了雙天線的工作模式，這使得兩套硬件系統合二為一，實際應用中大大降低了接收機成本，增強了接收機功能。

4 小結

本文介紹了一種發射分集技術在TDS－OFDM系統中的應用方案，并通過理論仿真和硬件實現驗證了這個方案的可行性和增益效果，可以作為地面數字電視傳輸中發射分集技術的具體實現方案。該方案在TDS－OFDM傳輸系統的基礎上，兼容實現了雙天線發射、單天線接收的工作模式，用增加發射機的較小成本換取接收機增益提高的良好性能。在設計中，采用空頻編碼、特殊的訓練序列結構、雙信道估計、空頻解碼等多種先進算法;在實現中，利用了模塊復用、流水線結構設計、多種工作模式兼容等技術手段。

[1]DU Dengbao，WANG Jintao，GONG Ke，et al.A transmit diversity scheme for TDS－OFDM system[J].IEEE Trans.Broadcasting，2008，54(3):482－488.

[2]楊知行，王昭誠.下一代地面數字電視廣播系統關鍵技術[J].電視技術，2011，35(8):22－27.

[3]LEE K F，WILLIAMS D B.A space－frequency transmitter diversity technique for OFDM systems[C]//Proc.IEEE Global Telecommunication Conference，2000.San Francisco:IEEE Press，2000:1473－1477.

[4]楊知行.地面數字電視傳輸技術與系統[M].北京:人民郵電出版社，2009.

[5]ALAMOUTI S M.A simple transmit diversity technique for wireless communications[J].IEEE Journal on Selected Areas in Communications，1998，16(8):1451－1458.

[6]GENG Lujing，WANG Jintao，PAN Changyong，et al.Channel estimation for TDS－OFDM transmit diversity systems over doubly selective channels[C]//Proc.International Conference on Computing，Networking and Communications，2012.[S.l.]:IEEE Press，2012:1098－1102.

[7]GENG Lujing，WANG Jintao.Low complexity implementation of channel estimation and equalization for TDS－OFDM system[C]//Proc.IEEE International Symposium on Broadband Multimedia Systems and Broadcasting，2011.[S.l.]:IEEE Press，2011:1－4.

[8]王勁濤，潘長勇，楊知行.基于TDS－OFDM系統的發射分集技術[J].清華大學學報:自然科學版，2006(1):58－62.