數(shù)字電視地面廣播COFDM傳輸中的軟判決技術(shù)研究

榆林市廣播電視中心：鄭浩 劉延霖

作為利用先進(jìn)圖像壓縮技術(shù)、數(shù)字通信技術(shù)所開發(fā)出的全新產(chǎn)品，數(shù)字電視已在諸多國家得到推廣。該產(chǎn)品的地面?zhèn)鬏敇?biāo)準(zhǔn)主要有三個(gè)，分別是基于COFDM的DVB-T標(biāo)準(zhǔn)（歐洲）、基于8-VSB的ATSC標(biāo)準(zhǔn)（美國）、基于BST的ISDB-T標(biāo)準(zhǔn)（日本）。上世紀(jì)末至今，國內(nèi)學(xué)者始終致力于數(shù)字電視研究，并在地面?zhèn)鬏旑I(lǐng)域獲得了矚目成績，多項(xiàng)專利技術(shù)的誕生，為數(shù)字電視的升級(jí)提供了支持。本文便以此為背景，圍繞COFDM軟判決技術(shù)展開討論，供相關(guān)人員參考。

1.COFDM基本原理與性能

1.1 技術(shù)原理

從本質(zhì)上看，OFDM屬于多載波通信系統(tǒng)，通過頻率相同的載波形成，可將符號(hào)序列分成N個(gè)段，各段可調(diào)節(jié)N個(gè)載波，且功率譜形狀一致，主要因載波中的調(diào)制信號(hào)均為方波。OFDM系統(tǒng)內(nèi)載波數(shù)量為幾百，在應(yīng)用時(shí)難以達(dá)到FDM系統(tǒng)的效果，可利用多個(gè)振蕩器進(jìn)行調(diào)節(jié)，例如，將信號(hào)傳遞周圍設(shè)定為[0，T]，該周期內(nèi)傳輸符號(hào)數(shù)量用N表示，求該區(qū)段內(nèi)OFDM信號(hào)值，公式如下：

式中，fk代表的是載波，計(jì)算公式為fc與k△f之和，其中fc代表的是發(fā)射載頻；△f是載波間隔的最小值；Ck代表的是復(fù)數(shù)，t代表的是原本串行的符號(hào)周期。串行數(shù)據(jù)系統(tǒng)內(nèi)符號(hào)為串行傳輸，且各個(gè)符號(hào)頻譜可占用全部有效帶寬。在并行傳輸系統(tǒng)應(yīng)用后，支持不同序列一同傳輸，可隨時(shí)傳輸多個(gè)數(shù)據(jù)，有效彌補(bǔ)串行系統(tǒng)的傳輸弊端。此類系統(tǒng)中數(shù)據(jù)在頻帶中的占比較小，可根據(jù)需求選擇頻率，將其擴(kuò)展到不同符號(hào)上，將脈沖干擾變成多個(gè)小符號(hào)，降低干擾能力，使信號(hào)接收更加完整高效。因信道由多個(gè)較窄的子信道構(gòu)成，各個(gè)信道頻率較為和緩，在原本信道內(nèi)的占比較小，整體傳輸較為均衡簡便。

1.2 性能分析

在廣播信道中干擾因素種類較多，接收端周圍信號(hào)在脈沖、衰減等影響下，依靠理論分析與檢驗(yàn)等方式，創(chuàng)建HDTV信道模型。與模擬傳輸相比，數(shù)字傳輸在抗干擾方面性能較為理想，具體如下。

（1）依靠導(dǎo)頻跟蹤解調(diào)相位噪音。COFDM系統(tǒng)依靠多載波傳遞信號(hào)，不同載波間隔較小，更易受到載波頻率的干擾。接收設(shè)備如若出現(xiàn)微小的頻率誤差，都會(huì)對(duì)子信道之間正交性產(chǎn)生較大破壞。在給定系統(tǒng)中，其性能受載波量、偏移位置的影響較大。發(fā)端上下行轉(zhuǎn)換器的數(shù)量均會(huì)對(duì)噪聲產(chǎn)生影響，可依靠導(dǎo)頻跟蹤解調(diào)相位噪音，通過降低數(shù)據(jù)流量凈負(fù)荷，達(dá)到理想效果；

（2）改變信道環(huán)境。在信道編碼確定后，COFDM可將強(qiáng)大的回波干擾消除，依靠計(jì)算機(jī)仿真分析，使BER性能得到優(yōu)化。在信道衰減的基礎(chǔ)上，受震動(dòng)、搖晃等因素影響，時(shí)變信號(hào)會(huì)出現(xiàn)動(dòng)態(tài)鬼影，由此產(chǎn)生誤碼。對(duì)此，可利用并行傳輸系統(tǒng)，使時(shí)變信道環(huán)境得到良好改善；

（3）載波均衡。在復(fù)雜信道環(huán)境下，如C/N明顯低于標(biāo)準(zhǔn)值，且干擾因素較多，信號(hào)衰減嚴(yán)重，這便要求COFDM擁有強(qiáng)大的載波恢復(fù)技能。在載波檢測中，依靠導(dǎo)頻與參考符號(hào)的方式，使載波與子信道之間實(shí)現(xiàn)均衡。

2.COFDM傳輸中的軟判決技術(shù)要點(diǎn)

2.1 Viterbi譯碼模塊應(yīng)用

解調(diào)數(shù)據(jù)軟判決流程如下：先由COFDM解調(diào)端均衡數(shù)據(jù)、校正數(shù)據(jù)相位偏轉(zhuǎn)，再將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移至軟判決模塊，結(jié)合調(diào)制端所提供星座映射，對(duì)比特?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行借調(diào)?？紤]到維特比譯碼對(duì)信息可信度所提出要求較高，采取更加可信的軟判決是必然選擇。獲得軟信息后，由系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行量化處理，將插入導(dǎo)頻去除，待解內(nèi)交織環(huán)節(jié)告一段落，盡快利用糾錯(cuò)碼對(duì)信道傳輸所存在突發(fā)錯(cuò)誤做離散處理，并將數(shù)據(jù)送往譯碼模塊，最后由譯碼模塊對(duì)其進(jìn)行譯碼。

圖1：軟判決流程圖

其中，yk代表所接收信號(hào)，zk代表發(fā)送信號(hào)預(yù)估值，代表信道響應(yīng)預(yù)估值。當(dāng)前數(shù)字電視與廣播對(duì)畫面清晰圖要求嚴(yán)格，對(duì)于COFDM系統(tǒng)來說，需要在解調(diào)端進(jìn)行數(shù)據(jù)均衡，使相位偏轉(zhuǎn)到標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，再傳輸?shù)杰浥袥Q模塊內(nèi)，依照調(diào)制端的區(qū)別，得出與星座映射相對(duì)應(yīng)的比特?cái)?shù)據(jù)，因后續(xù)要威特比翻譯，與硬判決相比，軟判決技術(shù)的應(yīng)用更加可靠，可獲得更為清楚準(zhǔn)確的“軟信息”。在數(shù)據(jù)4bit量化后，將符號(hào)內(nèi)各類導(dǎo)頻傳輸出來，經(jīng)過解內(nèi)交織后，對(duì)突發(fā)錯(cuò)誤離散化處理，使糾錯(cuò)碼得到高效利用，最后將數(shù)據(jù)傳遞到Viterbi譯碼模塊內(nèi)進(jìn)行翻譯和轉(zhuǎn)換。對(duì)于不同導(dǎo)頻信號(hào)來說，類型不盡相同，OFDM信道內(nèi)估計(jì)技術(shù)可分成兩個(gè)類型，一種是在頻域新聯(lián)基礎(chǔ)上的信道，另一種是導(dǎo)頻訓(xùn)練的信道。經(jīng)過仿真分析可知，需要對(duì)系統(tǒng)特征、精度偏差、相位噪音等指標(biāo)綜合分析，利用FPFI估計(jì)算法，對(duì)衰落特性信道內(nèi)的不同計(jì)算方式進(jìn)行對(duì)比。

2.2 碼元計(jì)算

根據(jù)處理形式不同，可將解調(diào)完畢的信號(hào)分成兩種形式進(jìn)行譯碼，即硬判決、軟判決。前者是以譯碼器為介質(zhì)，碼元只有兩個(gè)值，非0即1，該項(xiàng)技術(shù)操作簡便，適用范圍較廣。后者是采集信號(hào)波形，從中提取有價(jià)值的信息，在AWGN信道內(nèi)，與硬判決相比超過2dB增益，在衰落信道內(nèi)，其增益超過3dB。為了使信號(hào)波形內(nèi)的信息得到高效應(yīng)用，可借助譯碼器將正確率最高的判決傳輸?shù)拇a子進(jìn)行量化處理，從譯碼器中輸出的高正確率的碼子數(shù)量基本不是一個(gè)，而是有Q個(gè)，需要采用Q進(jìn)制序列進(jìn)行軟判決譯碼。該系統(tǒng)內(nèi)所用的BPSK信號(hào)用于兩個(gè)碼元傳遞，計(jì)算公式如下：

式中，E代表的是信號(hào)能量；信號(hào)經(jīng)過白噪聲信道后進(jìn)入到解調(diào)器的輸入端。在實(shí)施硬判決的過程中，判決門限的最優(yōu)值為0，如若解調(diào)設(shè)備輸出值為負(fù)數(shù)，則電平為0；如若為正數(shù)，則電平為1。但是，在軟判決期間，根據(jù)上述公式得出的結(jié)果位于±1范圍內(nèi)，需要實(shí)施Q進(jìn)制量化后再傳輸?shù)阶g碼器中進(jìn)行解碼。

2.3 糾錯(cuò)編碼

在軟判決應(yīng)用中，通過糾錯(cuò)編碼的應(yīng)用可使編碼增益提升，具有代表性的是LDPC編碼、Turbo編碼，二者在糾錯(cuò)性能方面具有較大優(yōu)勢。前者屬于低密度奇偶校驗(yàn)碼，譯碼難度較低，結(jié)構(gòu)多變，適用于光纖通信、數(shù)字視頻、音頻廣播等方面；后者為對(duì)大誤碼的糾錯(cuò)能力較強(qiáng)，可將2.5e-2的誤碼下降到1e-5以下。在100G DWDM設(shè)計(jì)中，依靠數(shù)字相干接收調(diào)制技術(shù)，在糾錯(cuò)編碼方面將7%硬判決與13%軟判決相聯(lián)合，將其放入ASIC內(nèi)，由此組合成三級(jí)鏈接碼。在新系統(tǒng)配置方面，不但采用了Turbo編碼強(qiáng)大的糾錯(cuò)能力，還將LDPC編碼靈活的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢引入進(jìn)來，最大限度地降低編碼復(fù)雜程度，實(shí)現(xiàn)最佳性價(jià)比。在三級(jí)連接糾錯(cuò)編碼中，軟硬兩種判決形式在信號(hào)處理流程方面大體一致，其區(qū)別主要在于軟判決可為前一種編碼單元提供更多相關(guān)可信度信息，但硬判斷則單純提供比特判決相關(guān)信息，可信度信息較少，在數(shù)字接收、模數(shù)轉(zhuǎn)換方面軟判決的優(yōu)勢更為顯著。

3.數(shù)字電視COFDM傳輸中軟判決技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用

某區(qū)域地面模擬電視為PAL-D制式，在廣播頻段上分成兩個(gè)部分，即VHF頻段與UHF頻段，頻道數(shù)量有56個(gè)，DS12—DS48屬于廣播業(yè)務(wù)專用頻道，DS49—DS68為其他業(yè)務(wù)頻道。在COFDM傳輸期間，需要根據(jù)地面數(shù)字電視頻率規(guī)劃要點(diǎn)，綜合分析資源配置、規(guī)劃頻段、組網(wǎng)模式等因素，最大限度地利用最小頻譜資源實(shí)現(xiàn)模數(shù)過渡頻率規(guī)劃效果。同時(shí)，依靠軟判決技術(shù)的應(yīng)用，精準(zhǔn)提取CSI，并對(duì)數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，實(shí)施同頻干擾消除技術(shù)，取得理想應(yīng)用成果。

3.1 數(shù)據(jù)信號(hào)調(diào)制

在單載波通信系統(tǒng)運(yùn)行中，將信號(hào)調(diào)整到單一載波的位置，對(duì)解調(diào)位置的全部信號(hào)進(jìn)行疊加平均噪聲頻率，信號(hào)接收單純受數(shù)值與門限間的距離的影響，可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行數(shù)據(jù)信號(hào)調(diào)制。簡單來講，對(duì)于相同位置的載波頻率來說，無論出于時(shí)域或者頻域上，均帶有均衡特點(diǎn)，對(duì)于所有信號(hào)的判決都能夠一視同仁。但是在多載波系統(tǒng)中，如果傳輸端的信號(hào)為衰落信道，則會(huì)產(chǎn)生不同的信噪比SNR。在信號(hào)判決期間，被調(diào)制的信噪比與低信噪比相比來說更加可靠。在正式判決之前，需要先檢驗(yàn)可靠性信息，將其用CSI表示，使信道動(dòng)態(tài)變化得到良好保障。受信道變化影響，這種不公平的可信度在軟判決解碼期間需要重點(diǎn)分析。在COFDM系統(tǒng)應(yīng)用中，因不同載波上的噪聲功率不盡相同，在軟判決期間應(yīng)采用以下公式計(jì)算，即：

式中，F(xiàn)代表的是概率密度函數(shù)；Q1代表的是符號(hào)內(nèi)的第1各子載波；d1代表的是信號(hào)均值，d2代表的是噪聲均值，二者相減的絕對(duì)值便是解映射結(jié)果。在解調(diào)端進(jìn)行譯碼之前，對(duì)CSI提取十分關(guān)鍵，這同樣也是與單一載波系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)方面相區(qū)別之處。

3.2 信道狀態(tài)信息提取

CSI信息常常被定義成各個(gè)載波點(diǎn)的信噪比，傳統(tǒng)方法為SNR可對(duì)信號(hào)、噪聲功率分別估計(jì)，再計(jì)算出二者的比值。但此種方式操作難度較大，且對(duì)硬件要求較高。在實(shí)際應(yīng)用中，新出一種新的信道狀態(tài)采集方式，即依靠歸一化計(jì)算平均噪聲功率，只需將不同載頻點(diǎn)的信噪比計(jì)算出來即可。根據(jù)信號(hào)均衡結(jié)果可知，噪聲功率比值不但包括有效信號(hào)，還包括此類信號(hào)伴隨的噪聲功率。在COFDM系統(tǒng)調(diào)制端中，許多數(shù)據(jù)信號(hào)是在隨機(jī)處理后進(jìn)行映像，因此常量值單純與星座圖相關(guān)。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)盡可能減少計(jì)算量，可先對(duì)噪聲功率均值計(jì)算出來，再采用歸一法進(jìn)行均方功率計(jì)算，便可將查表映像展現(xiàn)出來。對(duì)于頻率衰落變化來說，在選擇性信道內(nèi)，只有經(jīng)過大量計(jì)算才可將噪聲特性準(zhǔn)確展現(xiàn)出來。在該項(xiàng)目開展中，采用統(tǒng)計(jì)設(shè)備利用數(shù)據(jù)緩存設(shè)備進(jìn)行數(shù)值更新，再計(jì)算出均值，系數(shù)對(duì)迭代速度進(jìn)行改善功能，且時(shí)間與信噪特點(diǎn)息息相關(guān)，在長時(shí)間運(yùn)行下可將噪聲特性準(zhǔn)確體現(xiàn)出來，進(jìn)而得出各個(gè)點(diǎn)位的CSI信息。同時(shí)，CSI屬于平均統(tǒng)計(jì)值，可在較大程度上避免信道內(nèi)窄帶對(duì)估算產(chǎn)生的不良影響。

3.3 信道狀態(tài)信息的應(yīng)用

3.3.1 應(yīng)用原理

該項(xiàng)目中的CSI信息需要先經(jīng)過均衡處理后，依照影像星座圖與狀態(tài)信息結(jié)合起來，實(shí)施軟判決，在每次軟判決過程中，可信度可依靠信號(hào)星座點(diǎn)傳遞到判決限距離中，依靠64QAM星座圖對(duì)可信度度量進(jìn)行判斷，如圖2所示（圖中a線代表解映射首位與第二位的度量值；b線代表第三和第四的度量值；c線代表第五和第六的度量值，第一與第二為判決門限為0，第三和第四的門限為+4和-4，第五和第六的門限為+6和-6）。按照QAM信號(hào)特點(diǎn)可知，首位與第二位的優(yōu)先級(jí)超過剩余幾位，而第三和第四位的優(yōu)先級(jí)超過第五和第六，可利用上述特點(diǎn)進(jìn)行可信度度量。因信道狀態(tài)CSI可將信號(hào)可信度直觀表示出來，公式如下。

式中，DEFt代表的是第s個(gè)點(diǎn)位上CSI數(shù)值；v代表的是該載波判決值的排位。為了高效利用解調(diào)信號(hào)，使譯碼更加準(zhǔn)確可靠，要求可靠值進(jìn)行量化后，傳入到譯碼器進(jìn)行翻譯。量化電鈴與碼元可信度具有正比關(guān)系，當(dāng)電平量越多時(shí)，說明接收到的碼元更具可信度。

3.3.2 仿真分析

將該項(xiàng)目中的相關(guān)數(shù)據(jù)代入到公式中，根據(jù)DVB-T標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行仿真分析，根據(jù)結(jié)果可知，在內(nèi)碼為2/3碼率的情況下，利用64QAM星座圖進(jìn)行映射，保護(hù)間隔為1/16。根據(jù)上述結(jié)果可知，在萊斯信道模式下，歸一法的應(yīng)用效果更加理想，與傳統(tǒng)的非歸一法計(jì)算模式相比，在相同前提下可使性能進(jìn)一步提升。究其原因，該法基礎(chǔ)上采集到的狀態(tài)信息，是在長期迭代的前提下獲得，能夠?qū)⑿诺涝肼暯y(tǒng)計(jì)特點(diǎn)充分體現(xiàn)出來，在移動(dòng)接收、窄帶干擾等信道中的應(yīng)用更加理想，如圖3所示。根據(jù)圖3可知，在瑞利與萊斯兩個(gè)信道中，瑞利的歸一法與非歸一相比，在萊斯信道中的性能更為理想，究其原因，因瑞利信道與真實(shí)的無線移動(dòng)信道更加貼近，與萊斯相比衰落特征更加惡劣。非歸一法應(yīng)用中，采用信號(hào)功率轉(zhuǎn)移函數(shù)作為信道狀態(tài)信息，忽視了噪聲統(tǒng)計(jì)特征的改變，因此不適用于衰落速度過快、窄帶干擾較強(qiáng)的信道中，且操作難度較大，適用于固定接收、衰落較為緩慢的信道內(nèi)。

圖2：星座圖

圖3：信道狀態(tài)提取法對(duì)比

4.結(jié)語

綜上所述，在數(shù)字化時(shí)代背景下，數(shù)字電視、音頻廣播等設(shè)備受到消費(fèi)者的歡迎，并對(duì)高清圖像、音質(zhì)提出嚴(yán)格要求。在音視頻信號(hào)傳輸中很容易受到各類干擾，需要對(duì)COFDM傳輸中的軟判決技術(shù)加強(qiáng)研究，準(zhǔn)確提取出信道狀態(tài)信息，將信道動(dòng)態(tài)變化準(zhǔn)確全面地反映出來。同時(shí)，還應(yīng)牢牢把握Viterbi譯碼模塊應(yīng)用、碼元計(jì)算、糾錯(cuò)編碼等技術(shù)優(yōu)勢，掌握COFDM傳輸技術(shù)原理與系統(tǒng)性能，克服傳統(tǒng)技術(shù)的缺陷，使干擾噪音得到有效攔截，在長期迭代的前提下獲得信號(hào)，將信道噪聲統(tǒng)計(jì)特點(diǎn)充分體現(xiàn)出來，在移動(dòng)接收、窄帶干擾等信道中取得更加理想的應(yīng)用效果。