空频发射分集技术在TDS－OFDM中的实现

竺旭东，王劲涛

(清华大学电子工程系;清华信息科学与技术国家实验室;微波与数字通信技术国家重点实验室，北京 100084)

地面数字电视传输技术中，OFDM调制系统因其天然抗频率选择性衰落的能力而得到了广泛应用。然而在频率和时间双选择性衰落信道下，接收信号的信噪比差异很大，增加了误码率，接收机判决错误的概率较大。

发射分集技术是能够改善在恶劣信道下接收机性能的有效方法之一，本文将发射分集技术[1－3]应用到OFDM系统中，具体实施如下:在OFDM调制过程中，将其频域数据空频编码，得到2个发射机的发射信号;在接收端，为了能够得到2条信道的参数，需要对2个发射机的时域同步训练序列进行特殊设计，之后进行接收数据的空频解码过程。在快衰落信道下，空频编码的分集系统能够提供明显的分集增益，提高接收机的接收性能。

1 发射分集架构[4]

空频编码的OFDM发射分集系统结构如图1所示，主要由串并转换、空频编码、时频变换、保护间隔添加、信道估计等模块组成。

在信道环境恶劣的情况下，发射分集技术在OFDM系统中增强了接收端的分集增益。在地面数字电视传输中，少量发射机服务于众多的接收机，增加天线数量带来的成本相对较低，而接收机带来的增益效果则相当可观。

图1 空频编码的OFDM发射分集系统结构

本文设计了发射分集技术在实际TDS－OFDM系统中的应用方案，并实现了双天线发射、单天线接收的硬件系统，核心模块包括空频编码、双信道估计、空频解码等。

2 系统设计方案

2.1 算法设计概述

本文设计了OFDM系统中发射分集技术的实现方案，核心为空频编码在OFDM系统中的应用，而且为了能够在接收端得到2个信道的参数，采用了特殊的保护间隔训练序列。

其中核心算法涉及:空频编码的OFDM系统;特殊的保护间隔训练序列;空频解码设计。下面进行详细介绍。

2.2 空频编码算法[5]

在OFDM系统中，需要传输的数据有时域和频域两种存在形式，空频编码将需要传输的数据在频域和空间这两个维度中进行编码，采用Alamouti提出的传输矩阵对相邻两个子载波上的符号进行编码[6]，即传输矩阵中的每个符号X(k)在此都表示1帧OFDM信号中子载波上的符号。OFDM系统中原始传输数据频域表示为

对原始数据进行空频编码后，2个发射机的发射信号为

式中:N为OFDM系统的子载波数，且0≤k≤N/2－1。

空频编码后，将原来1帧OFDM信号中的数据一分为二，输出为2路数据，通过添加特殊设计的时域训练序列后，由2根天线同时发射出去。

2.3 特殊的保护间隔训练序列[7]

本文在使用传统伪噪声训练序列的基础上，采用了特殊的双天线数据帧构成方法，如图2所示，使其能在接收机中用于2个信道的参数估计。接收机收到的每一帧数据可以划分为3部分，即

图2 双天线数据帧结构

式中:m表示PN序列的长度;n表示OFDM数据块的长度;PN和H表示训练序列和信道函数的频域形式;“*”表示频域对应点的乘积。用于信道估计的数据是PN训练序列部分，改写为

式中:Y1和Y2分别表示一帧数据中头尾训练序列经过信道传输后的数据。对式(4)进行简单变换后，即可得到2个信道的频域估计值为

将得到的频域信道估计值变换到时域后，即完成了双天线、双信道的信道估计。

2.4 空频解码算法[8]

传统Alamouti方案在接收端进行分离译码处理时，需要假设信道参数在同一帧OFDM信号内连续2个子载波上基本不变，一般传输信道中，可以满足这个假设，但是在地面数字电视传输中，往往存在快速衰落信道，本文采取了改进算法，可以满足在信道频域快速衰落的情况下取得良好的空频解码性能。

本文实现的系统中，发射机采用2×2的传输矩阵进行编码，只需考虑2个子载波上的符号解码即可，得到相邻2个子载波上的接收数据为

将式(6)简单变换后，即可得到频域的OFDM传输数据为

改进后的空频解码算法，可以在传输信道时、频选择性衰落的情况下依然取得良好的性能，从而提高了系统抗多径和多普勒效应的能力。

3 MATLAB仿真及FPGA实现

本文中设计的方案先在MATLAB仿真平台中进行代码编写、性能测试，得到预期结果后，在Quartus II 10.1平台上进行硬件设计和代码编写，并在ModelSim 6.5中进行时序和功能仿真，最后下载到发射机和接收机芯片上进行实际测试，结果与理论、仿真一致。

3.1 MATLAB 仿真结果

发射分集实现方案的MATLAB仿真分为单天线和双天线两种工作模式，仿真时使用TDS－OFDM系统，每个子载波采用64QAM调制方式，保护间隔长度为1帧长度的1/8，采用无编码传输，均衡输出后使用硬判决方式，引入多普勒频移fd=20 Hz。

为了真实地模拟数字电视地面传输的实际情况，仿真所采用的典型DTTB信道模型如表1所示，均采用Rayleigh分布。

表1 信道模型参数

各信道下的系统误码率仿真结果如图3所示，其中三角标识点线表示单天线工作在信道1下的仿真结果，菱形标识点线表示单天线工作在信道2下的仿真结果，圆圈标识点线表示双天线工作在信道1和信道2下的仿真结果。

图3 单天线与双天线系统性能比较

由仿真结果可见，相对于单天线工作模式，双天线工作模式能够提供较明显的分集增益。在相同的信噪比时，误码率显著降低，性能有明显提升。以误码率BER=10－2为例，相比于单天线工作在信道1和信道2的情况下，双天线工作模式约有3～5 dB的增益。

3.2 硬件实现及测试

在理论上进行仿真验证后，本文进一步设计、实现了双天线发射分集的硬件系统。具体实现使用TDS－OFDM系统，1帧数据中OFDM数据为4096个星座映射点，保护间隔长度为256，即有效数据的1/8，星座映射可以采用QPSK，16QAM和64QAM。在地面数字电视传输中，极少数的发射机可以服务于众多的接收机，所以接收机结构的简化、成本的降低可以带来巨大的经济效益。

在结构设计上:为了能够节省硬件资源，系统中的核心模块都进行了多次复用;为了能够实时快速处理数据，硬件采用了流水线处理结构，并在同一系统中兼容单、双天线两种工作模式。下面分别进行详细介绍。

3.2.1 核心模块复用

在接收机的硬件设计中，从上文的算法不难发现，信道估计、空频解码、均衡输出等大量计算模块都需要将数据在频域和时域之间不断变换，所以FFT和IFFT将是硬件设计中的核心模块。

由理论算法可知，从接收到的时域保护序列估计得到时域信道参数，需要1对FFT和IFFT变换，而双信道估计便是2对，为了消除保护序列和OFDM数据之间的相互影响，又需要2对FFT和IFFT变换，这样总共需要4对256点的FFT和IFFT，之后需要对频域数据进行空频解码和均衡输出，双信道和OFDM数据变换到频域需要3个4096点的FFT。

而在硬件系统的实现中，采用了模块复用的办法，将双信道估计按先后次序进行，OFDM数据块重建时复用信道估计的FFT和IFFT模块，双信道和OFDM数据变换到频域时也按先后次序进行，复用1个4096点的FFT，算法理论上的资源占用和实际系统的资源占用比较如表2所示。

表2 理论资源和实际资源占用比较表

3.2.2 流水线处理及工作模式兼容

为了能快速实时处理接收到的数据，流水线结构在整个系统的硬件设计中得到了广泛应用，例如在信道估计模块，其流水线结构框架如图4所示。

图4 信道估计模块流水线结构

信道估计模块由FFT变换、本地PN序列解卷积、IFFT变换、信道滤波等子模块组成，整个处理流程采用流水线结构后，模块之间不需要存储数据，节省了大量硬件存储空间。

与此同时，本文中设计、实现的系统是在单天线工作的基础上兼容了双天线的工作模式，这使得两套硬件系统合二为一，实际应用中大大降低了接收机成本，增强了接收机功能。

4 小结

本文介绍了一种发射分集技术在TDS－OFDM系统中的应用方案，并通过理论仿真和硬件实现验证了这个方案的可行性和增益效果，可以作为地面数字电视传输中发射分集技术的具体实现方案。该方案在TDS－OFDM传输系统的基础上，兼容实现了双天线发射、单天线接收的工作模式，用增加发射机的较小成本换取接收机增益提高的良好性能。在设计中，采用空频编码、特殊的训练序列结构、双信道估计、空频解码等多种先进算法;在实现中，利用了模块复用、流水线结构设计、多种工作模式兼容等技术手段。

[1]DU Dengbao，WANG Jintao，GONG Ke，et al.A transmit diversity scheme for TDS－OFDM system[J].IEEE Trans.Broadcasting，2008，54(3):482－488.

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[3]LEE K F，WILLIAMS D B.A space－frequency transmitter diversity technique for OFDM systems[C]//Proc.IEEE Global Telecommunication Conference，2000.San Francisco:IEEE Press，2000:1473－1477.

[4]杨知行.地面数字电视传输技术与系统[M].北京:人民邮电出版社，2009.

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[8]王劲涛，潘长勇，杨知行.基于TDS－OFDM系统的发射分集技术[J].清华大学学报:自然科学版，2006(1):58－62.