TDS-OFDM系統中的差分空頻發(fā)射分集方法

cn 1223/n清華大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)2007年第47卷第10期Tsinghua Univ (Sci Tech), 2007, VoL 47, No 101617-1621TDS-OFDM系統中的差分空頻發(fā)射分集方法王勁濤,宋健,潘長(cháng)勇,楊知行清華大學(xué)電子工程系,微波與數字通信技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗室,北京100084)癮要:在采用相干檢測方法的發(fā)射分集方案中,進(jìn)行信道(DTTB)系統和傳輸性能會(huì )受到很大影響,而多天估計需要付出很高的代價(jià),為了降低接收端的實(shí)現復雜度,線(xiàn)分集技術(shù)是抵抗衰落的一項有效技術(shù)。相同信根據時(shí)城同步正交頻分復用( TDS-OFDM)系純構的特息經(jīng)過(guò)多個(gè)不相關(guān)的信道傳輸后在接收端進(jìn)行合點(diǎn),提出了差分空頻發(fā)射分集及相應的非相干檢測方法。該成,可以平滑信道衰落,從而改善系統的誤碼性能。方法在時(shí)城進(jìn)行差分編碼,而在頻域進(jìn)行空頻編碼以獲得分集增益。理論分析和仿真結果表明,盡管非相干檢測方法損按照多天線(xiàn)應用位置的不同,可以分為接收分集和失了一定的接收性能,但無(wú)需進(jìn)行信道估計,在慢衰落和快發(fā)射分集,它們均能提供分集增益。但接收分集技術(shù)表落信道中均能適用是一種比較好的實(shí)現復雜度與接收性應用于DTTB領(lǐng)域時(shí)會(huì )受到限制:在接收端設計多能之間的折衷方法。套射頻前端處理設備,增加了接收機的成本和復雜關(guān)鍵詞:屯視數字技術(shù),羲字電視地面廣播;時(shí)域同步正交度;接收天線(xiàn)間的距離要足夠大以滿(mǎn)足各路接收信頻分復用;空頻發(fā)射分集;差分編碼號不相關(guān)的要求(2,這對于很多小型移動(dòng)或便攜式中圖分類(lèi)號:TN941.3文獻標識碼接收終端很難實(shí)現。因此廣播系統更適于應用發(fā)射文章編號:1000054(2007)101617-05分集技術(shù)?？諘r(shí)分組編碼(STBC)技術(shù)是實(shí)現發(fā)射分集的Differential space-frequency transmit一種有效方法,研究表明,基于編碼矩陣正交性質(zhì)設diversity scheme for TDS-OFDM system計的正交STBC方案可以提供最大分集增益,而且接收端進(jìn)行最大似然(ML)譯碼的復雜度很小4WANG Jintao, SONG Jian, PaN Changyong, YaNG Zhixing由于正交頻分復用(OFDM)系統有時(shí)域頻域2種(State Key Laboratory of Microwave and Digital CommunicationDepartment of Electronie Engineering, Tsinghua University符號,因此將STBC技術(shù)應用于OFDM系統時(shí)就存Beijing 100084, China在空時(shí)編碼和空頻編碼2種實(shí)現方式。Abstract: Estimates of the channel state information are very costly在傳統的STBC系統中,接收端都采用相干檢in coherent transmit diversity schemes. To reduce the receiver測的方式,這就需要及時(shí)準確地估計出信道信息complexity, a differential space-frequency transmit diversity schemewas developed with a noncoherent detection method based on the因為信道估計的偏差會(huì )極大地影響接收端的信號判framehe time domain synchronous-orthogonal決。盡管實(shí)際中的許多系統都會(huì )進(jìn)行信道估計,但這frequency division multiplexing( DS-OFDM)wtem,The會(huì )極大地增加接收機處理的復雜度,尤其是當采用ce-frequency coding is processed in the frequency domain to多天線(xiàn)分集系統時(shí),準確地跟蹤每條信道的狀態(tài)信achieve the diversity gain.. Theoretical analyses and simulations息非常困難。因此,應用于STBC系統的無(wú)須進(jìn)行信wt- It the scheme w則 In both slow a計到dg道估計的非相干檢測方法的研究成為熱點(diǎn)此時(shí)發(fā)the bit-error-rate(BER) rformance., The system is a good射端要進(jìn)行相應的差分編碼6,trade-off between realization complexity and system performanc清華大學(xué)提出的采用時(shí)域同步正交頻分復用Key words; digital TV; digital television terrestrial broadcasting( TDS-OFDM)調制技術(shù)的地面數字多媒體/電視廣(DTTB): time domain synchronous-orthogonalfrequency division multiplexing (TDS-OFDM)space-frequency transmit diversity i differential coding收稿日期:20060905作者簡(jiǎn)介:王勁濤(1978-),男(漢),河北,博土通訊聯(lián)系人:楊知行,教授在無(wú)線(xiàn)衰落信道下,數字電視地面廣播E-mail:yangzhx@mail.tsinghua.edu.cn1618清華大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)2007,47(10)播(DMBT)協(xié)議是一種具有自主知識產(chǎn)權的惟一表示為DTTB制式,目前它已成為中國標準的一個(gè)重要候2(3)選對象。本文基于 TDS-OFDM系統提出了一種差其中分空頻發(fā)射分集實(shí)現方法,在時(shí)域進(jìn)行差分編碼,而a=s+52在頻域進(jìn)行空頻編碼以獲得分集增益,而且該方法(4)F=s2-551的運算復雜度小。令集合P由所有的調制星座點(diǎn)組成,定義如下1差分符號映射2個(gè)集合:T={p|y=(53s),Vs3∈P,s4∈P},差分編碼技術(shù)已在傳統的通信系統中應用,E=ele=(aB),a和β由式(4)得到,Ⅴ(s3s)如DPSK調制即將發(fā)射的信息符號編碼為原始信∈T}。若給定s1和s,由式(3)和(4)可定義集合T息中兩個(gè)連續符號之間的相位差。差分編碼一般按和E之間的一個(gè)一一映射。照以下步驟進(jìn)行:首先提供參考符號,其對于發(fā)射以QPSK調制為例,調制星座點(diǎn)的集合P為:和接收雙方都是已知的,然后發(fā)送差分相移符號接P={-1/2-j/2,-12+j2,1/2-j/2,1/2+j收端通過(guò)將當前接收到符號的相位與前一個(gè)符號的2},給定51和52均為1/2+j/2,由式(4)可知集合相位相比較,即可譯碼得出實(shí)際傳輸的信息E包含16個(gè)元素:E={(1,0),(1/2+j/2,1/2-j將上述差分編碼思想擴展到STBC系統中,為2),(1/2-j/2,1/2+j2),(0,1),(1/2-j/2,-1/2了闡述簡(jiǎn)單后文的分析和仿真中均采用兩發(fā)射天2),(0,-n),(-j,0),(-1/2-j/2,1/2-j/2),線(xiàn),調制方式為MPSK其結果可以直接推廣到采(1/2+j2,-1/2+j/2),(,0),(0,j),(-1/2+j/用更多發(fā)射天線(xiàn)和調制方式的STBC系統中2,1/2+j2),(0,-1),(-1/2+j/2,-1/2-j/2),由于將調制后的單個(gè)信息符號的能量歸一化為(-1/2-j/2,-1/2+j/2),(-1,0)}1/2,這樣對于給定的一對符號s1和:,復向量需要指出的是,基向量選擇v1=(51s2)和v2v1=(5152)和v2=(52-5)滿(mǎn)足以下性質(zhì)(s2-s)可以減小發(fā)射端的實(shí)現復雜度,這在(v1,V2)=512-s251=0(1)后面將會(huì )詳細敘述‖=lv2‖=(+2)2=1.(2)2差分空頻分集結構因此,n1和v2組成了二維復向量空間的一組標準正圖1是差分空頻發(fā)射分集方法的發(fā)射端結構交基此空間中的任意一個(gè)向量ν=(3s)可以被框圖。延時(shí)頻域插入幀頭DA和差分映射符號計算PN序列1射頻前端空頻編碼插入幀頭射頻前端圖1差分空頻分集系統的發(fā)射端結構框圖假設X(k,1)表示頻域輸入序列,k和l分別為輸出為X(k,l-1)。與上節的介紹類(lèi)似,向量子載波和信號幀序號。X(m,D)和X。(m,1)分別表[X2(m,1)x(m,1)]和[X。(m,1)-X(m示序列X(k,D)按照序號奇偶順序分成的偶數子序1)]構成一組正交基向量,由式(4)可得頻域差分映列和奇數子序列,文中下標e和o的含義均與此相射為同,其中,0≤m≤N/2-1ap(m)=X(m,l)X(m,1)+X。(m,)X。(m,1)系統在傳輸開(kāi)始時(shí)先發(fā)送一個(gè)收發(fā)雙方都已知Pp(m)=X,(m,)X。(m,1)-X。(m,l)X(m,1)的OFDM幀信號X(k,1),然后,將隨后輸入的幀(5)信號進(jìn)行差分編碼后發(fā)送。假設當第l幀信號X(k接著(zhù)進(jìn)行差分編碼可得)送入“頻域差分映射”模塊時(shí),前一幀差分編碼的王勁濤,等: TDS-OFDM系統中的差分空頻發(fā)射分集方法1619x(m,1)=a4(m)x(m,l-1)+其中:在第t時(shí)刻,第i條發(fā)射支路的第k個(gè)子信道Rp(m)x。(m,l-1),的頻率響應記為HA(k);Wk,t)表示第k個(gè)子信X(m,)=a(m)X(m,-1)(6)道上的復加性噪聲假設信道狀態(tài)在連續兩個(gè)信號幀的傳輸時(shí)間內(m)X。(m,l-1)及相鄰的兩個(gè)子信道上基本不變,即記x(m,D)和X(m,D)的N2點(diǎn)反離散 Fourier變4(m)=H;-1(2m)換(IDFT)的運算結果為x1n(n,l)和x10(n,1),其H,-1(2m+1)≈H,(2m)≈H1(2m+1)中,0≤n≤N/2-1,則第一條發(fā)射支路的時(shí)域信號(13)為由式(12)可得下列3個(gè)等式:xr(n,l)=[x12(n,l)+x10(n,l)WN]/2,xm1(n+N/2,D)=[x1(n,l)-x10(n,D)Wx]/2.RF(2m+1,l-1)H1(m)H2(m)T「x2(m,-1)經(jīng)過(guò)空頻編碼可得H(m)H(m)兒x?！?m,l-1)x2(n,l)=x10((-n)wa2;D),(8)W(m,-1)x2(n,1)=-x1((-n)M2,l)進(jìn)而,第2條發(fā)射支路的時(shí)域信號為W:(m,l-1)xmx(n,D)=[x1(n,l)+x1(n,l)W"]/2,Rp(2m+1,l-1)xm(n+M/2,)=[x1(n,D)-x2(n,D)W]/2RF(2m, L-1(9)利用離散 Fourier變換(DFT)的運算性質(zhì),可得H2(m)H'(m)L-x:(m,l-1)DFT(N/2)W。(m,lr,,(n, D-X。(m,l),(15)(10)DFT(N/2)-W.(m, l-X '(m, D).R(2m, D)因而發(fā)射支路的等效頻域信號為(省去幀序號l)RF(2m+1,D)xm=Dx(o),x(1)…x(2m)H1(m)H2(m)T「x(m,)X"(2m+1)…￥Xy(N-2),X(N-1)],Xm2=[X'(1),-X(0)…X‘(2m+1)H:(m)Hi(m)JLX:'(m, LW (m,x·(2m)…X·(N-1)(16)X(N-2)](m,D)」(11)接著(zhù)進(jìn)行差分譯碼,可得在接收端連續兩幀接收信號為Rei(m)=R(2m,-1)=H1-1(2m)X(m,-1)+RF(2m,l-1)RE(2m, D)H2-1(2m)x‘(m,l-1)+W,(m,l-1),R(2m+1,-1)」LR:(2m+1,D)Rp(2m+1,l-1)=(|H1(m)|2+|H2(m)|)[x(m,D)x(m,l-1)+H1-1(2m+1)X(m,-1)X·(m,D)X。(m,l-1)]+H2-1(2m+1)X(m,-1)+H1(m)H2(m)12W。(m,l-1),x(m,-1)L-H2(m)H(m)R(2m,D)=H1(2m)x(m,D)+H21(2m)X(m,)+W(m,D)Rp(2m+1,D)=H14(2m+1)X(m,D)W:(m,)」Lw:(m,H21(2m+1)X(m,l)+W(m,D)H,(m) H,(m)lr X(m, 4)1620清華大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)2007,47(10)W(m,l-1)1"「W(m,D)W:(m,-1)LW:(m,D(17)3性能分析與仿真在上節介紹的差分空頻分集系統中,由于向量Re?(m)[X(m,1)X8(m,1)和[X(m,1)-X。(m,Rp(2m+1,l-1)R(2m, n)1)]是一組標準正交基,由式(5)和(10)可知RF(2m, L-1)J LRF(2m+1, 4)[X(m,)X。(m,)]和[ap(m)Ap(m)是基于標準正交基的線(xiàn)性變換,所以,在分析接收端信噪比(|H1(m)2+|H2(m)2)[X(m,D)X。(m,l-1)時(shí),可以用分析[ap(m)p(m)來(lái)代替[x2(m,l)X(m,D)X,(m,-1)]+X。(m,)]。在式(19)中噪聲項WF1(m)和WP2(m)X(m,l-1)H1(m)H2《(m)1均如式(17)和(18)所示,是3個(gè)噪聲項的和其中最-x(m,-1)」L-H(m)H(m)后一項是噪聲項的二階小量。假設W(k,D)為獨立同分布的零均值復Gaus白噪聲,方差為a,則當W.(m, L)W。(m,l-1)比較小時(shí),噪聲項的二階小量可以忽略不計。而W(m,1)」"L-W:(m,-1)Wn(m)和W2(m)中的其他兩項相互獨立,且方差H1(m)H2(m)T「x2(m,1)1相同因此,差分系統與其相應的相干檢測系統相H2(m)Hi(m)JLXI(m, D)比,在信號能量不變的情況下,噪聲能量卻近似加W(m,l-1)「W2(m,D)倍,誤碼率(BER)性能就會(huì )有3dB損失。這與傳統(18)的單天線(xiàn)系統中的DPSK調制情況類(lèi)似W:(m,l-1)」Lw:(m,D)我們將差分空頻分集系統( DSFC-OFDM)與其上2式中等號右邊的后3項均為復噪聲,令相應的相干檢測系統(即, STC-OFDM和SFCWF1(m)和W2(m)分別表示2式中這3項的和。由OFDM)的BER性能進(jìn)行仿真對比。在仿真中,式(6)可得TDS-OFDM信號幀的保護間隔長(cháng)度設為1/9,子Re(m)載波調制方式為QPSK,無(wú)信道編碼。仿真所采用R2(m)」的典型DTTB信道模型如表1所示,每徑均為獨立(H1(m)2+1H(m)//(m)1,「Wn(m的 Rayleigh衰落Pr(m)F2喪1DTTB傳輸信道模型(19)多徑延時(shí)/s幅度/dB通過(guò)式(19),接收端可由集合E中的元素估計出ap(m)和P(m),進(jìn)而,由頻域差分映射的逆映射,可得最后的譯碼輸出3.5X2(m,D)=a(m)X2(m,1)+Pp(m)X。(m,1),9.5X。(m,1)=q(m)X。(m,1)-β(m)X(m,1),(20)上述接收譯碼過(guò)程如圖2所示系統在慢衰落和快衰落時(shí)的仿真結果如圖3所示。其中,在慢衰落信道中,引入的最大 Doppler頻移為f=20Hz;在快衰落信道中,引入的最大DA&OFDM解調上Rn和Rq計算Doppler頻移為fa=100Hz由仿真結果可見(jiàn),在慢衰落信道下,STC輸出額率域差分逆映射和兵OFDM和 SFC-OFDM系統的BER性能基本相同圖2差分空頻分集系統的接收端結構框圖而 DSFC-OFDM系統稍差,但3條BER曲線(xiàn)的斜另外,如圖1所示,在差分空頻分集系統的發(fā)射率基本相同,這表明這3個(gè)系統可以提供相同的分集增益階數,只是當信噪比較高時(shí),DSFC端兩條發(fā)射支路復用了一個(gè)IFT模塊,減少了發(fā)oFDM系統的BER性能比相應的相干檢測方法損射端的運算量。失約3dB,這與前面的分析一致;在快衰落信道王勁濤,等: TDS-OFDM系統中的差分空頻發(fā)射分集方法1621下, STC-OFDM系統因為受信道時(shí)變特性影響較參考文獻( References)大,BER性能下降很多,而 DSFC-OFDM與SFCOFDM系統受 Doppler頻移的影響很小。[1] Rappaport T S. 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IEEE Signal Processing Letters,2002,9(2):57-604結論[8]清華大學(xué).地面數字多媒體/電視廣播系統:中華人民共和國,專(zhuān)利號0123597,4[P]2001為了提高數字電視廣播系統在無(wú)線(xiàn)衰落信道下Tsinghua University. Terrestrial Digital Multimedi的接收性能,可以使用STBC技術(shù)來(lái)實(shí)現發(fā)射分集。Television Broadcasting System: P R China, Patent本文基于 TDS-OFDM系統的一種差分空頻發(fā)射分00123597.4[P].2001.( in Chinese)[9] Proakis J G. Digital Communications [M]. 4th ed.New集實(shí)現方法,在時(shí)域進(jìn)行差分編碼,而在頻域進(jìn)行空York: McGraw Hill, 2001.頻編碼以獲得分集增益。該方法在接收端無(wú)須進(jìn)行[10 J Jafarkhani H, Tarokh V. Multiple transmit antenn信道估計,而且利用了DFT運算的對稱(chēng)性質(zhì),降低了收發(fā)雙方的運算復雜度U]. IEEE Trans on Information Theory, 2001, 47(6)通過(guò)仿真分析表明,差分空頻發(fā)射分集方法可[1]raoM, Cheng R. Differential space-time block codes [C]以提供與相應的相干檢測方法基本相同的分集增益Proc of IEEE GLOBECOM'o1. San Antonio, IEEE, 2001:階數而且受 Doppler頻移的影響較小,只是當信噪1098-1102.比較高時(shí),其BER性能會(huì )有約3dB損失。