数字电视地面广播系统在动态信道下的干扰消除技术

摘要

在数字电视传输系统中，正交频分复用（OFDM）无疑是最具有应用前景的技术之一。OFDM 调制可以有效地消除信号多径传播所造成的符号间干扰，因而被广泛的应用于宽带通信系统。随着数字电视技术更多地转向手持和车载设备，高速移动场景下的数字电视信号传输也越来越受到关注。在用户高速移动的情况下，基站(或发射塔)与用户之间的信道具有很强的时变特性，这种时变特性会破坏OFDM调制的子载波正交性，引起子载波间的干扰，从而降低接收机信号的质量。事实上，高速移动环境下时变信道引起的载波间干扰已经成为限制OFDM系统性能的主要因素之一，因此研究载波间干扰的消除，和如何对抗信道的时变特性，对于数字电视技术向手持化发展具有重大意义。 本文首先分析了时变信道下，多普勒扩展效应引起载波间干扰(Inter Carrier Interference--ICI)的原因，通过详细的数学推导得到ICI的表达式。在全面分析系统的数学模型的基础上，总结了动态信道下的多普勒扩展效应的特性和ICI的能量分布规律。 针对如何消除和抑制多普勒扩展产生ICI的问题，本文首先论述了多种ICI消除的非迭代算法，总结了它们消除ICI的原理，适用场景，计算复杂度，并最后归纳了这些算法的优缺点。然后本文又进而论述了ICI干扰消除的迭代算法：即基于矩阵迭代求逆的ICI消除算法和基于判决反馈的ICI迭代消除算法，以解决非迭代的均衡算法计算复杂度较高的问题。虽然在性能上，迭代算法略低于直接频域均衡的算法，但是通过迭代消除干扰可以避免频域等效信道转移矩阵直接求逆，大幅降低了计算复杂度。本文从理论上证明：随着迭代次数的增加，这种算法能够收敛于理想的发送信号估计值，因而有着较好的ICI消除效果。在判决反馈ICI迭代消除算法的基础上，本文提出了一种改进的MMSE频域迭代均衡消除算法。这种算法基于这样一种考虑：接收信号所受到的ICI干扰，很大部分都来自于跟它左右相邻的子载波，因此这种算法把邻接载波的干扰计算在内，作为初始的均衡器条件进行迭代。分析表明，它的算法复杂度与传统的基于判决反馈的ICI迭代消除方案都是与载波数N的一次方成正比的（即的复杂度），因此复杂度的增加是可以接受的；仿真结果显示，该算法消除ICI方面具有更好的性能，尤其是在信道时变比较剧烈且信噪比较低时，能够更有效的消除干扰。 除了论述ICI消除算法之外，本文还讨论了与ICI消除相关的信道估计方法和参数估计方法。并在其中给出了一种基于时域卷积的等效信道转移矩阵求法，为ICI的消除提供了先决条件。相比按照定义求解的算法，这种算法更加有效的利用了时变信道特性，降低了系统的计算复杂度。它不仅适用于本文描述的算法，同时也可以在其他很多的频域处理算法中得到应用。 最后，文章对全文的结果和理论分析进行了总结，得到了有关载波间干扰消除的一些结论和展望。