TDS-OFDM系统中的差分空频发射分集方法

cn 1223/n清华大学学报(自然科学版)2007年第47卷第10期Tsinghua Univ (Sci Tech), 2007, VoL 47, No 101617-1621TDS-OFDM系统中的差分空频发射分集方法王劲涛,宋健,潘长勇,杨知行清华大学电子工程系,微波与数字通信技术国家重点实验室,北京100084)瘾要:在采用相干检测方法的发射分集方案中,进行信道(DTTB)系统和传输性能会受到很大影响,而多天估计需要付出很高的代价,为了降低接收端的实现复杂度,线分集技术是抵抗衰落的一项有效技术。相同信根据时城同步正交频分复用( TDS-OFDM)系纯构的特息经过多个不相关的信道传输后在接收端进行合点,提出了差分空频发射分集及相应的非相干检测方法。该成,可以平滑信道衰落,从而改善系统的误码性能。方法在时城进行差分编码,而在频域进行空频编码以获得分集增益。理论分析和仿真结果表明,尽管非相干检测方法损按照多天线应用位置的不同,可以分为接收分集和失了一定的接收性能,但无需进行信道估计,在慢衰落和快发射分集,它们均能提供分集增益。但接收分集技术表落信道中均能适用是一种比较好的实现复杂度与接收性应用于DTTB领域时会受到限制:在接收端设计多能之间的折衷方法。套射频前端处理设备,增加了接收机的成本和复杂关键词:屯視数字技术,羲字电视地面广播;时域同步正交度;接收天线间的距离要足够大以满足各路接收信频分复用;空频发射分集;差分编码号不相关的要求(2,这对于很多小型移动或便携式中图分类号:TN941.3文献标识码接收终端很难实现。因此广播系统更适于应用发射文章编号:1000054(2007)101617-05分集技术。空时分组编码(STBC)技术是实现发射分集的Differential space-frequency transmit一种有效方法,研究表明,基于编码矩阵正交性质设diversity scheme for TDS-OFDM system计的正交STBC方案可以提供最大分集增益,而且接收端进行最大似然(ML)译码的复杂度很小4WANG Jintao, SONG Jian, PaN Changyong, YaNG Zhixing由于正交频分复用(OFDM)系统有时域频域2种(State Key Laboratory of Microwave and Digital CommunicationDepartment of Electronie Engineering, Tsinghua University符号,因此将STBC技术应用于OFDM系统时就存Beijing 100084, China在空时编码和空频编码2种实现方式。Abstract: Estimates of the channel state information are very costly在传统的STBC系统中,接收端都采用相干检in coherent transmit diversity schemes. To reduce the receiver测的方式,这就需要及时准确地估计出信道信息complexity, a differential space-frequency transmit diversity schemewas developed with a noncoherent detection method based on the因为信道估计的偏差会极大地影响接收端的信号判framehe time domain synchronous-orthogonal决。尽管实际中的许多系统都会进行信道估计,但这frequency division multiplexing( DS-OFDM)wtem,The会极大地增加接收机处理的复杂度,尤其是当采用ce-frequency coding is processed in the frequency domain to多天线分集系统时,准确地跟踪每条信道的状态信achieve the diversity gain.. Theoretical analyses and simulations息非常困难。因此,应用于STBC系统的无须进行信wt- It the scheme w则 In both slow a计到dg道估计的非相干检测方法的研究成为热点此时发the bit-error-rate(BER) rformance., The system is a good射端要进行相应的差分编码6,trade-off between realization complexity and system performanc清华大学提出的采用时域同步正交频分复用Key words; digital TV; digital television terrestrial broadcasting( TDS-OFDM)调制技术的地面数字多媒体/电视广(DTTB): time domain synchronous-orthogonalfrequency division multiplexing (TDS-OFDM)space-frequency transmit diversity i differential coding收稿日期:20060905作者简介:王劲涛(1978-),男(汉),河北,博土通讯联系人:杨知行,教授在无线衰落信道下,数字电视地面广播E-mail:yangzhx@mail.tsinghua.edu.cn1618清华大学学报(自然科学版)2007,47(10)播(DMBT)协议是一种具有自主知识产权的惟一表示为DTTB制式,目前它已成为中国标准的一个重要候2(3)选对象。本文基于 TDS-OFDM系统提出了一种差其中分空频发射分集实现方法,在时域进行差分编码,而a=s+52在频域进行空频编码以获得分集增益,而且该方法(4)F=s2-551的运算复杂度小。令集合P由所有的调制星座点组成,定义如下1差分符号映射2个集合:T={p|y=(53s),Vs3∈P,s4∈P},差分编码技术已在传统的通信系统中应用,E=ele=(aB),a和β由式(4)得到,Ⅴ(s3s)如DPSK调制即将发射的信息符号编码为原始信∈T}。若给定s1和s,由式(3)和(4)可定义集合T息中两个连续符号之间的相位差。差分编码一般按和E之间的一个一一映射。照以下步骤进行:首先提供参考符号,其对于发射以QPSK调制为例,调制星座点的集合P为:和接收双方都是已知的,然后发送差分相移符号接P={-1/2-j/2,-12+j2,1/2-j/2,1/2+j收端通过将当前接收到符号的相位与前一个符号的2},给定51和52均为1/2+j/2,由式(4)可知集合相位相比较,即可译码得出实际传输的信息E包含16个元素:E={(1,0),(1/2+j/2,1/2-j将上述差分编码思想扩展到STBC系统中,为2),(1/2-j/2,1/2+j2),(0,1),(1/2-j/2,-1/2了阐述简单后文的分析和仿真中均采用两发射天2),(0,-n),(-j,0),(-1/2-j/2,1/2-j/2),线,调制方式为MPSK其结果可以直接推广到采(1/2+j2,-1/2+j/2),(,0),(0,j),(-1/2+j/用更多发射天线和调制方式的STBC系统中2,1/2+j2),(0,-1),(-1/2+j/2,-1/2-j/2),由于将调制后的单个信息符号的能量归一化为(-1/2-j/2,-1/2+j/2),(-1,0)}1/2,这样对于给定的一对符号s1和:,复向量需要指出的是,基向量选择v1=(51s2)和v2v1=(5152)和v2=(52-5)满足以下性质(s2-s)可以减小发射端的实现复杂度,这在(v1,V2)=512-s251=0(1)后面将会详细叙述‖=lv2‖=(+2)2=1.(2)2差分空频分集结构因此,n1和v2组成了二维复向量空间的一组标准正图1是差分空频发射分集方法的发射端结构交基此空间中的任意一个向量ν=(3s)可以被框图。延时频域插入帧头DA和差分映射符号计算PN序列1射频前端空频编码插入帧头射频前端图1差分空频分集系统的发射端结构框图假设X(k,1)表示频域输入序列,k和l分别为输出为X(k,l-1)。与上节的介绍类似,向量子载波和信号帧序号。X(m,D)和X。(m,1)分别表[X2(m,1)x(m,1)]和[X。(m,1)-X(m示序列X(k,D)按照序号奇偶顺序分成的偶数子序1)]构成一组正交基向量,由式(4)可得频域差分映列和奇数子序列,文中下标e和o的含义均与此相射为同,其中,0≤m≤N/2-1ap(m)=X(m,l)X(m,1)+X。(m,)X。(m,1)系统在传输开始时先发送一个收发双方都已知Pp(m)=X,(m,)X。(m,1)-X。(m,l)X(m,1)的OFDM帧信号X(k,1),然后,将随后输入的帧(5)信号进行差分编码后发送。假设当第l帧信号X(k接着进行差分编码可得)送入“频域差分映射”模块时,前一帧差分编码的王劲涛,等: TDS-OFDM系统中的差分空频发射分集方法1619x(m,1)=a4(m)x(m,l-1)+其中:在第t时刻,第i条发射支路的第k个子信道Rp(m)x。(m,l-1),的频率响应记为HA(k);Wk,t)表示第k个子信X(m,)=a(m)X(m,-1)(6)道上的复加性噪声假设信道状态在连续两个信号帧的传输时间内(m)X。(m,l-1)及相邻的两个子信道上基本不变,即记x(m,D)和X(m,D)的N2点反离散 Fourier变4(m)=H;-1(2m)换(IDFT)的运算结果为x1n(n,l)和x10(n,1),其H,-1(2m+1)≈H,(2m)≈H1(2m+1)中,0≤n≤N/2-1,则第一条发射支路的时域信号(13)为由式(12)可得下列3个等式: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)经过空频编码可得H(m)H(m)儿x。·(m,l-1)x2(n,l)=x10((-n)wa2;D),(8)W(m,-1)x2(n,1)=-x1((-n)M2,l)进而,第2条发射支路的时域信号为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)利用离散 Fourier变换(DFT)的运算性质,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)因而发射支路的等效频域信号为(省去帧序号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)接着进行差分译码,可得在接收端连续两帧接收信号为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清华大学学报(自然科学版)2007,47(10)W(m,l-1)1"「W(m,D)W:(m,-1)LW:(m,D(17)3性能分析与仿真在上节介绍的差分空频分集系统中,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)]是一组标准正交基,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)是基于标准正交基的线性变换,所以,在分析接收端信噪比(|H1(m)2+|H2(m)2)[X(m,D)X。(m,l-1)时,可以用分析[ap(m)p(m)来代替[x2(m,l)X(m,D)X,(m,-1)]+X。(m,)]。在式(19)中噪声项WF1(m)和WP2(m)X(m,l-1)H1(m)H2《(m)1均如式(17)和(18)所示,是3个噪声项的和其中最-x(m,-1)」L-H(m)H(m)后一项是噪声项的二阶小量。假设W(k,D)为独立同分布的零均值复Gaus白噪声,方差为a,则当W.(m, L)W。(m,l-1)比较小时,噪声项的二阶小量可以忽略不计。而W(m,1)」"L-W:(m,-1)Wn(m)和W2(m)中的其他两项相互独立,且方差H1(m)H2(m)T「x2(m,1)1相同因此,差分系统与其相应的相干检测系统相H2(m)Hi(m)JLXI(m, D)比,在信号能量不变的情况下,噪声能量却近似加W(m,l-1)「W2(m,D)倍,误码率(BER)性能就会有3dB损失。这与传统(18)的单天线系统中的DPSK调制情况类似W:(m,l-1)」Lw:(m,D)我们将差分空频分集系统( DSFC-OFDM)与其上2式中等号右边的后3项均为复噪声,令相应的相干检测系统(即, STC-OFDM和SFCWF1(m)和W2(m)分别表示2式中这3项的和。由OFDM)的BER性能进行仿真对比。在仿真中,式(6)可得TDS-OFDM信号帧的保护间隔长度设为1/9,子Re(m)载波调制方式为QPSK,无信道编码。仿真所采用R2(m)」的典型DTTB信道模型如表1所示,每径均为独立(H1(m)2+1H(m)//(m)1,「Wn(m的 Rayleigh衰落Pr(m)F2丧1DTTB传输信道模型(19)多径延时/s幅度/dB通过式(19),接收端可由集合E中的元素估计出ap(m)和P(m),进而,由频域差分映射的逆映射,可得最后的译码输出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)上述接收译码过程如图2所示系统在慢衰落和快衰落时的仿真结果如图3所示。其中,在慢衰落信道中,引入的最大 Doppler频移为f=20Hz;在快衰落信道中,引入的最大DA&OFDM解调上Rn和Rq计算Doppler频移为fa=100Hz由仿真结果可见,在慢衰落信道下,STC输出额率域差分逆映射和兵OFDM和 SFC-OFDM系统的BER性能基本相同图2差分空频分集系统的接收端结构框图而 DSFC-OFDM系统稍差,但3条BER曲线的斜另外,如图1所示,在差分空频分集系统的发射率基本相同,这表明这3个系统可以提供相同的分集增益阶数,只是当信噪比较高时,DSFC端两条发射支路复用了一个IFT模块,减少了发oFDM系统的BER性能比相应的相干检测方法损射端的运算量。失约3dB,这与前面的分析一致;在快衰落信道王劲涛,等: TDS-OFDM系统中的差分空频发射分集方法1621下, STC-OFDM系统因为受信道时变特性影响较参考文献( References)大,BER性能下降很多,而 DSFC-OFDM与SFCOFDM系统受 Doppler频移的影响很小。[1] Rappaport T S. 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IEEE Signal Processing Letters,2002,9(2):57-604结论[8]清华大学.地面数字多媒体/电视广播系统:中华人民共和国,专利号0123597,4[P]2001为了提高数字电视广播系统在无线衰落信道下Tsinghua University. Terrestrial Digital Multimedi的接收性能,可以使用STBC技术来实现发射分集。Television Broadcasting System: P R China, Patent本文基于 TDS-OFDM系统的一种差分空频发射分00123597.4[P].2001.( in Chinese)[9] Proakis J G. Digital Communications [M]. 4th ed.New集实现方法,在时域进行差分编码,而在频域进行空York: McGraw Hill, 2001.频编码以获得分集增益。该方法在接收端无须进行[10 J Jafarkhani H, Tarokh V. Multiple transmit antenn信道估计,而且利用了DFT运算的对称性质,降低了收发双方的运算复杂度U]. IEEE Trans on Information Theory, 2001, 47(6)通过仿真分析表明,差分空频发射分集方法可[1]raoM, Cheng R. Differential space-time block codes [C]以提供与相应的相干检测方法基本相同的分集增益Proc of IEEE GLOBECOM'o1. San Antonio, IEEE, 2001:阶数而且受 Doppler频移的影响较小,只是当信噪1098-1102.比较高时,其BER性能会有约3dB损失。