汪大軍,胡遠(yuǎn)洲,李自強(qiáng),張啟晨,孟 巍,陳 赟,曾曉洋
(1.西南石油大學(xué) 基建處,成都 610500; 2.復(fù)旦大學(xué) 專用集成電路與系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 201203)
中國(guó)數(shù)字電視地面多媒體廣播(Digital Terrestrial Multimedia Broadcast, DTMB)于2006年被確定為中國(guó)數(shù)字電視地面廣播標(biāo)準(zhǔn)[1].長(zhǎng)回波信道會(huì)引起符號(hào)間干擾(Inter Symbol Interference, ISI),進(jìn)而會(huì)嚴(yán)重地影響DTMB接收機(jī)的性能.文獻(xiàn)[2-4]提出了針對(duì)長(zhǎng)回波信道情形的信道估計(jì)算法.文獻(xiàn)[2]中的方法可以滿足全模式的要求,但其計(jì)算復(fù)雜度很高.基于文獻(xiàn)[2]中的方法,我們提出了一種簡(jiǎn)化的算法.
本文提出了一種低成本全模式的信道估計(jì)算法.與文獻(xiàn)[2-4]中基于已估計(jì)的幀體(Frame Body, FB)數(shù)據(jù)的方法不同,這里提出的方法使用已接收且已估計(jì)的幀頭(Frame Head, FH)數(shù)據(jù)來重構(gòu)幀頭數(shù)據(jù).新算法中實(shí)際接收到的有干擾的幀頭數(shù)被相應(yīng)的已接收且已估計(jì)的幀頭數(shù)據(jù)取代,所以新的幀頭數(shù)據(jù)是沒有干擾的.然后,使用新的幀頭數(shù)據(jù)和已傳輸?shù)膫坞S機(jī)(Pseudorandom Noise, PN)序列求得一個(gè)更加準(zhǔn)確的幀頭承諾信息速率(Committed Information Rate, CIR)數(shù)據(jù),并把它們送入下一個(gè)迭代過程.本文中已估計(jì)的信道長(zhǎng)度L決定了實(shí)際接收到的有干擾的幀頭數(shù)據(jù)中要被已估計(jì)的幀頭數(shù)據(jù)替換的長(zhǎng)度.該長(zhǎng)度L隨著迭代的進(jìn)行而改變并可以很容易地從最小均方誤差估計(jì)(Minimum Mean-Square Error , MMSE)中得到.通過應(yīng)用新的幀頭重構(gòu)方法,我們的算法在性能可以與其他方法媲美甚至更優(yōu)的情況下,計(jì)算復(fù)雜度更低.
時(shí)域相關(guān)算法的關(guān)鍵為幀頭數(shù)據(jù)的重構(gòu)方式,研究學(xué)者從不同角度提出了很多相關(guān)算法[5-12].文獻(xiàn)[5-6]從多進(jìn)單出(Multiple Input Single Output, MISO)應(yīng)用入手提出時(shí)域算法,將拖尾消除與循環(huán)重建技術(shù)運(yùn)用在算法中消除符號(hào)間干擾與子信道干擾.文獻(xiàn)[7]使用了額外的基于數(shù)據(jù)的信道估計(jì),以重構(gòu)的正交頻分復(fù)用(Orthogonal Frequency-Division Multiplexing, OFDM)符號(hào)數(shù)據(jù)作為虛擬訓(xùn)練序列,應(yīng)用一維和二維移動(dòng)平均技術(shù)與維納濾波獲取更精確的估計(jì)值.文獻(xiàn)[8-12]在單進(jìn)單出(Single Input Single Output, SISO)上實(shí)現(xiàn)信道估計(jì),其中文獻(xiàn)[12]Gui的算法通過從相鄰的幾幀或十幾幀幀頭中分別抽取部分不受ISI干擾的數(shù)據(jù),組成當(dāng)前幀的重構(gòu)幀頭.這使得重構(gòu)的幀頭數(shù)據(jù)比較理想,性能得以提升.但是硬件實(shí)現(xiàn)需要考慮從不同時(shí)間到達(dá)的幀數(shù)據(jù)中取幀頭數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)比較困難.本節(jié)我們對(duì)于DTMB SISO系統(tǒng)提出一種新的性能優(yōu)異同時(shí)硬件實(shí)現(xiàn)比較簡(jiǎn)單的相關(guān)算法.
DTMB系統(tǒng)包含了長(zhǎng)度為M的幀頭數(shù)據(jù)和長(zhǎng)度為N的幀體數(shù)據(jù).標(biāo)準(zhǔn)中定義了3種幀頭模式: 2種是多載波模式,它們的M=420或945;1種是單載波模式,其M=595.以PN420模式為例,其幀頭數(shù)據(jù)由長(zhǎng)度為v的偽隨機(jī)序列和長(zhǎng)度分別為82和83的前同步碼和后同步碼組成,這里v等于255.
DTMB信號(hào)的傳輸過程如圖1所示.傳輸過程可以被看作1個(gè)卷積過程.已傳輸?shù)臄?shù)據(jù)可表為:
(1)
其中:i表示幀序數(shù);而k表示每一幀中節(jié)的序數(shù).
那么,傳輸過程如下:
ri,k=hi,k?ti,k+wi,k,
(2)
這里: “?”表示線性卷積;h表示長(zhǎng)度為L(zhǎng)的信道沖擊響應(yīng);w為信道的加性高斯白噪聲(Additive White Gaussian Noise, AGWN).
接收到的數(shù)據(jù)可表示為:
(3)
圖1 DTMB信號(hào)傳輸過程Fig.1 Transmission of DTMB signal
幀頭和幀體數(shù)據(jù)在長(zhǎng)回波信道情形下都會(huì)受到污損.我們對(duì)每一幀數(shù)據(jù)都使用判決反饋干擾消除的方法來優(yōu)化CIR.我們提出的算法的迭代過程如下:
第一步: 初始化.
(4)
其中N1為2048.為了能夠完成N1點(diǎn)快速傳里葉變換(Fast Fourier Transform, FFT),我們?cè)趓i,k和PNi,k后加上一定數(shù)量的0數(shù)據(jù)來補(bǔ)滿N1個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn).
第二步: 迭代過程.
(5)
(6)
(7)
(8)
(9)
(10)
(11)
其中N為3780.
(12)
對(duì)于多載波,S就是結(jié)果了,單載波需要S做快速傳里葉逆變換(Inverse Fast Fourier Transform, IFFT),s代表這個(gè)結(jié)果.
如果是多載波模式,那么Si,k就是我們要得到的數(shù)據(jù).如果是單載波模式,那么想要得到的數(shù)據(jù)Si-1,k須再經(jīng)IFFT才能得到:
(13)
基于DTMB系統(tǒng)的仿真參數(shù)如表1所示.采用的調(diào)制方式為16QAM,幀數(shù)據(jù)采用PN420多載波模式.我們選擇中國(guó)數(shù)字電視8頻道(Chinese Digital Television 8, CDT8)的信道模型作為仿真中的長(zhǎng)回波信道.
表1 仿真參數(shù)
表2 CDT8頻道的參數(shù)
圖2 不同方法在CDT8信道下比特錯(cuò)誤率的表現(xiàn)Fig.2 Bit Error Rate(BER) performance of different methods under CDT8 channel
計(jì)算復(fù)雜度情況如表3所示.由表可知,本文提出的算法與文獻(xiàn)[2-3]中的相比,計(jì)算復(fù)雜度大幅下降.如果采用的是多載波模式,N點(diǎn)IFFT就不再需要了,因此N點(diǎn)FFT/IFFT過程就會(huì)減少到只有2次.而N1點(diǎn)FFT/IFFT的使用量只有文獻(xiàn)[3](文獻(xiàn)[2])的41.7%(35.7%).復(fù)數(shù)的乘法和除法操作有所減少.由此可以得出結(jié)論,本文的方法更容易實(shí)現(xiàn)且面積花費(fèi)更少.
本文中我們提出了一種針對(duì)DTMB系統(tǒng)中的長(zhǎng)回波信道進(jìn)行全模式估計(jì)的算法.仿真結(jié)果表明,對(duì)比現(xiàn)有算法,該方法在較低SNR時(shí)性能有1~2dB的提升,而在較高SNR時(shí)略有優(yōu)勢(shì)或保持性能相當(dāng).計(jì)算復(fù)雜度較現(xiàn)有算法大幅降低,且更易于實(shí)現(xiàn).
復(fù)旦學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)2018年4期