空頻發(fā)射分集技術(shù)在TDS－OFDM中的實(shí)現(xiàn)

竺旭東，王勁濤

(清華大學(xué)電子工程系;清華信息科學(xué)與技術(shù)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室;微波與數(shù)字通信技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084)

地面數(shù)字電視傳輸技術(shù)中，OFDM調(diào)制系統(tǒng)因其天然抗頻率選擇性衰落的能力而得到了廣泛應(yīng)用。然而在頻率和時(shí)間雙選擇性衰落信道下，接收信號(hào)的信噪比差異很大，增加了誤碼率，接收機(jī)判決錯(cuò)誤的概率較大。

發(fā)射分集技術(shù)是能夠改善在惡劣信道下接收機(jī)性能的有效方法之一，本文將發(fā)射分集技術(shù)[1－3]應(yīng)用到OFDM系統(tǒng)中，具體實(shí)施如下:在OFDM調(diào)制過(guò)程中，將其頻域數(shù)據(jù)空頻編碼，得到2個(gè)發(fā)射機(jī)的發(fā)射信號(hào);在接收端，為了能夠得到2條信道的參數(shù)，需要對(duì)2個(gè)發(fā)射機(jī)的時(shí)域同步訓(xùn)練序列進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)，之后進(jìn)行接收數(shù)據(jù)的空頻解碼過(guò)程。在快衰落信道下，空頻編碼的分集系統(tǒng)能夠提供明顯的分集增益，提高接收機(jī)的接收性能。

1 發(fā)射分集架構(gòu)[4]

空頻編碼的OFDM發(fā)射分集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由串并轉(zhuǎn)換、空頻編碼、時(shí)頻變換、保護(hù)間隔添加、信道估計(jì)等模塊組成。

在信道環(huán)境惡劣的情況下，發(fā)射分集技術(shù)在OFDM系統(tǒng)中增強(qiáng)了接收端的分集增益。在地面數(shù)字電視傳輸中，少量發(fā)射機(jī)服務(wù)于眾多的接收機(jī)，增加天線數(shù)量帶來(lái)的成本相對(duì)較低，而接收機(jī)帶來(lái)的增益效果則相當(dāng)可觀。

圖1 空頻編碼的OFDM發(fā)射分集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)了發(fā)射分集技術(shù)在實(shí)際TDS－OFDM系統(tǒng)中的應(yīng)用方案，并實(shí)現(xiàn)了雙天線發(fā)射、單天線接收的硬件系統(tǒng)，核心模塊包括空頻編碼、雙信道估計(jì)、空頻解碼等。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

2.1 算法設(shè)計(jì)概述

本文設(shè)計(jì)了OFDM系統(tǒng)中發(fā)射分集技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方案，核心為空頻編碼在OFDM系統(tǒng)中的應(yīng)用，而且為了能夠在接收端得到2個(gè)信道的參數(shù)，采用了特殊的保護(hù)間隔訓(xùn)練序列。

其中核心算法涉及:空頻編碼的OFDM系統(tǒng);特殊的保護(hù)間隔訓(xùn)練序列;空頻解碼設(shè)計(jì)。下面進(jìn)行詳細(xì)介紹。

2.2 空頻編碼算法[5]

在OFDM系統(tǒng)中，需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)有時(shí)域和頻域兩種存在形式，空頻編碼將需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)在頻域和空間這兩個(gè)維度中進(jìn)行編碼，采用Alamouti提出的傳輸矩陣對(duì)相鄰兩個(gè)子載波上的符號(hào)進(jìn)行編碼[6]，即傳輸矩陣中的每個(gè)符號(hào)X(k)在此都表示1幀OFDM信號(hào)中子載波上的符號(hào)。OFDM系統(tǒng)中原始傳輸數(shù)據(jù)頻域表示為

對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行空頻編碼后，2個(gè)發(fā)射機(jī)的發(fā)射信號(hào)為

式中:N為OFDM系統(tǒng)的子載波數(shù)，且0≤k≤N/2－1。

空頻編碼后，將原來(lái)1幀OFDM信號(hào)中的數(shù)據(jù)一分為二，輸出為2路數(shù)據(jù)，通過(guò)添加特殊設(shè)計(jì)的時(shí)域訓(xùn)練序列后，由2根天線同時(shí)發(fā)射出去。

2.3 特殊的保護(hù)間隔訓(xùn)練序列[7]

本文在使用傳統(tǒng)偽噪聲訓(xùn)練序列的基礎(chǔ)上，采用了特殊的雙天線數(shù)據(jù)幀構(gòu)成方法，如圖2所示，使其能在接收機(jī)中用于2個(gè)信道的參數(shù)估計(jì)。接收機(jī)收到的每一幀數(shù)據(jù)可以劃分為3部分，即

圖2 雙天線數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)

式中:m表示PN序列的長(zhǎng)度;n表示OFDM數(shù)據(jù)塊的長(zhǎng)度;PN和H表示訓(xùn)練序列和信道函數(shù)的頻域形式;“*”表示頻域?qū)?yīng)點(diǎn)的乘積。用于信道估計(jì)的數(shù)據(jù)是PN訓(xùn)練序列部分，改寫為

式中:Y1和Y2分別表示一幀數(shù)據(jù)中頭尾訓(xùn)練序列經(jīng)過(guò)信道傳輸后的數(shù)據(jù)。對(duì)式(4)進(jìn)行簡(jiǎn)單變換后，即可得到2個(gè)信道的頻域估計(jì)值為

將得到的頻域信道估計(jì)值變換到時(shí)域后，即完成了雙天線、雙信道的信道估計(jì)。

2.4 空頻解碼算法[8]

傳統(tǒng)Alamouti方案在接收端進(jìn)行分離譯碼處理時(shí)，需要假設(shè)信道參數(shù)在同一幀OFDM信號(hào)內(nèi)連續(xù)2個(gè)子載波上基本不變，一般傳輸信道中，可以滿足這個(gè)假設(shè)，但是在地面數(shù)字電視傳輸中，往往存在快速衰落信道，本文采取了改進(jìn)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(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)中，發(fā)射機(jī)采用2×2的傳輸矩陣進(jìn)行編碼，只需考慮2個(gè)子載波上的符號(hào)解碼即可，得到相鄰2個(gè)子載波上的接收數(shù)據(jù)為

將式(6)簡(jiǎn)單變換后，即可得到頻域的OFDM傳輸數(shù)據(jù)為

改進(jìn)后的空頻解碼算法，可以在傳輸信道時(shí)、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(tǒng)抗多徑和多普勒效應(yīng)的能力。

3 MATLAB仿真及FPGA實(shí)現(xiàn)

本文中設(shè)計(jì)的方案先在MATLAB仿真平臺(tái)中進(jìn)行代碼編寫、性能測(cè)試，得到預(yù)期結(jié)果后，在Quartus II 10.1平臺(tái)上進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)和代碼編寫，并在ModelSim 6.5中進(jìn)行時(shí)序和功能仿真，最后下載到發(fā)射機(jī)和接收機(jī)芯片上進(jìn)行實(shí)際測(cè)試，結(jié)果與理論、仿真一致。

3.1 MATLAB 仿真結(jié)果

發(fā)射分集實(shí)現(xiàn)方案的MATLAB仿真分為單天線和雙天線兩種工作模式，仿真時(shí)使用TDS－OFDM系統(tǒng)，每個(gè)子載波采用64QAM調(diào)制方式，保護(hù)間隔長(zhǎng)度為1幀長(zhǎng)度的1/8，采用無(wú)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(shí)地模擬數(shù)字電視地面?zhèn)鬏數(shù)膶?shí)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(shù)

各信道下的系統(tǒng)誤碼率仿真結(jié)果如圖3所示，其中三角標(biāo)識(shí)點(diǎn)線表示單天線工作在信道1下的仿真結(jié)果，菱形標(biāo)識(shí)點(diǎn)線表示單天線工作在信道2下的仿真結(jié)果，圓圈標(biāo)識(shí)點(diǎn)線表示雙天線工作在信道1和信道2下的仿真結(jié)果。

圖3 單天線與雙天線系統(tǒng)性能比較

由仿真結(jié)果可見，相對(duì)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(shí)，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(shí)現(xiàn)及測(cè)試

在理論上進(jìn)行仿真驗(yàn)證后，本文進(jìn)一步設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)了雙天線發(fā)射分集的硬件系統(tǒng)。具體實(shí)現(xiàn)使用TDS－OFDM系統(tǒng)，1幀數(shù)據(jù)中OFDM數(shù)據(jù)為4096個(gè)星座映射點(diǎn)，保護(hù)間隔長(zhǎng)度為256，即有效數(shù)據(jù)的1/8，星座映射可以采用QPSK，16QAM和64QAM。在地面數(shù)字電視傳輸中，極少數(shù)的發(fā)射機(jī)可以服務(wù)于眾多的接收機(jī)，所以接收機(jī)結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化、成本的降低可以帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上:為了能夠節(jié)省硬件資源，系統(tǒng)中的核心模塊都進(jìn)行了多次復(fù)用;為了能夠?qū)崟r(shí)快速處理數(shù)據(jù)，硬件采用了流水線處理結(jié)構(gòu)，并在同一系統(tǒng)中兼容單、雙天線兩種工作模式。下面分別進(jìn)行詳細(xì)介紹。

3.2.1 核心模塊復(fù)用

在接收機(jī)的硬件設(shè)計(jì)中，從上文的算法不難發(fā)現(xiàn)，信道估計(jì)、空頻解碼、均衡輸出等大量計(jì)算模塊都需要將數(shù)據(jù)在頻域和時(shí)域之間不斷變換，所以FFT和IFFT將是硬件設(shè)計(jì)中的核心模塊。

由理論算法可知，從接收到的時(shí)域保護(hù)序列估計(jì)得到時(shí)域信道參數(shù)，需要1對(duì)FFT和IFFT變換，而雙信道估計(jì)便是2對(duì)，為了消除保護(hù)序列和OFDM數(shù)據(jù)之間的相互影響，又需要2對(duì)FFT和IFFT變換，這樣總共需要4對(duì)256點(diǎn)的FFT和IFFT，之后需要對(duì)頻域數(shù)據(jù)進(jìn)行空頻解碼和均衡輸出，雙信道和OFDM數(shù)據(jù)變換到頻域需要3個(gè)4096點(diǎn)的FFT。

而在硬件系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)中，采用了模塊復(fù)用的辦法，將雙信道估計(jì)按先后次序進(jìn)行，OFDM數(shù)據(jù)塊重建時(shí)復(fù)用信道估計(jì)的FFT和IFFT模塊，雙信道和OFDM數(shù)據(jù)變換到頻域時(shí)也按先后次序進(jìn)行，復(fù)用1個(gè)4096點(diǎn)的FFT，算法理論上的資源占用和實(shí)際系統(tǒng)的資源占用比較如表2所示。

表2 理論資源和實(shí)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(shí)時(shí)處理接收到的數(shù)據(jù)，流水線結(jié)構(gòu)在整個(gè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)中得到了廣泛應(yīng)用，例如在信道估計(jì)模塊，其流水線結(jié)構(gòu)框架如圖4所示。

圖4 信道估計(jì)模塊流水線結(jié)構(gòu)

信道估計(jì)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(gè)處理流程采用流水線結(jié)構(gòu)后，模塊之間不需要存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，節(jié)省了大量硬件存儲(chǔ)空間。

與此同時(shí)，本文中設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)是在單天線工作的基礎(chǔ)上兼容了雙天線的工作模式，這使得兩套硬件系統(tǒng)合二為一，實(shí)際應(yīng)用中大大降低了接收機(jī)成本，增強(qiáng)了接收機(jī)功能。

4 小結(jié)

本文介紹了一種發(fā)射分集技術(shù)在TDS－OFDM系統(tǒng)中的應(yīng)用方案，并通過(guò)理論仿真和硬件實(shí)現(xiàn)驗(yàn)證了這個(gè)方案的可行性和增益效果，可以作為地面數(shù)字電視傳輸中發(fā)射分集技術(shù)的具體實(shí)現(xiàn)方案。該方案在TDS－OFDM傳輸系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，兼容實(shí)現(xiàn)了雙天線發(fā)射、單天線接收的工作模式，用增加發(fā)射機(jī)的較小成本換取接收機(jī)增益提高的良好性能。在設(shè)計(jì)中，采用空頻編碼、特殊的訓(xùn)練序列結(jié)構(gòu)、雙信道估計(jì)、空頻解碼等多種先進(jìn)算法;在實(shí)現(xiàn)中，利用了模塊復(fù)用、流水線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、多種工作模式兼容等技術(shù)手段。

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