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)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201203)

中國數(shù)字電視地面多媒體廣播(Digital Terrestrial Multimedia Broadcast, DTMB)于2006年被確定為中國數(shù)字電視地面廣播標(biāo)準(zhǔn)[1].長回波信道會引起符號間干擾(Inter Symbol Interference, ISI)，進(jìn)而會嚴(yán)重地影響DTMB接收機(jī)的性能.文獻(xiàn)[2-4]提出了針對長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)替換的長度.該長度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.

1 DTMB系統(tǒng)模型

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)比較簡單的相關(guān)算法.

DTMB系統(tǒng)包含了長度為M的幀頭數(shù)據(jù)和長度為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)由長度為v的偽隨機(jī)序列和長度分別為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表示長度為L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信號傳輸過程Fig.1 Transmission of DTMB signal

2 迭代算法

幀頭和幀體數(shù)據(jù)在長回波信道情形下都會受到污損.我們對每一幀數(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)，我們在ri,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)

3 仿真結(jié)果

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.

4 結(jié) 論

本文中我們提出了一種針對DTMB系統(tǒng)中的長回波信道進(jìn)行全模式估計(jì)的算法.仿真結(jié)果表明，對比現(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).