CMMB信号抗多径性能的分析与仿真

李俊俊，华宇，黄长江



CMMB信号抗多径性能的分析与仿真

李俊俊1,2,3，华宇1,3，黄长江1,2,3

（1. 中国科学院国家授时中心，西安 710600；2. 中国科学院研究生院，北京 100039； 3. 中国科学院精密导航定位与定时技术重点实验室，西安 710600）

从CMMB(中国移动多媒体广播)体系结构入手，研究了CMMB信号抗多径性能。以信号中有、无循环前缀(CP)为例给出了抗多径性能的详细推导，通过Matlab7.1对该系统在典型动态多径信道情况下的性能进行了仿真。结果表明：该系统有很强的抗多径能力，在信噪比为30 dB时接收CMMB信号与接收普通OFDM(正交频分复用)信号相比，误码率有2个量级的改善，有利于提高导航定位的精度。

中国移动多媒体广播(CMMB)；抗多径；循环前缀(CP)；正交频分复用（OFDM）；动态多径信道

0 引言

CMMB是中国移动多媒体广播（China Mobile Multimedia Broadcasting）的简称，是国内自主研发的第一套面向手机、PDA、MP3、MP4、数码相机、笔记本电脑多种移动终端的系统。CMMB系统总体结构如图1所示。CMMB信号主要由S波段卫星覆盖网络和UHF波段地面覆盖网络实现信号覆盖。S波段卫星网络广播信道用于直接接收，Ku波段上行，S波段下行。分发信道用于地面增补转发接收，Ku波段上行，Ku波段下行，由地面增补网络转发器转为S波段发送到CMMB终端[1]。

图1 CMMB系统总体结构图

CMMB信号和光信号的传播一样，也会受到反射，因此，地面接收设备不仅接收来自卫星的原始信号，同时也接收经过高大建筑物、山体或大面积水域的反射干扰信号。接收机接收的多径干扰信号与直达信号同相时，多径信号造成的延迟相关峰会叠加到直接峰上使直达信号增强；当多径信号与直达信号反相时，多径信号对直达信号产生相消性干扰，削减直达信号，造成位置计算误差，该误差是影响CMMB定位精度的重要误差源之一。在CMMB导航增强系统中，多径干扰使信号的调制发生畸变，同时也使载波相位发生畸变，造成系统的定位精度降低，并使处理时间加长。当前对CMMB定位的研究，主要集中在如何消除多径传播引起的时延扩展和多径衰落，以及如何通过TDOA（time difference of arrival）重构或者估计算法来减小非视距传播误差对定位的影响方面，而对于信号体制，特别是信号在多径情况下对定位精度的具体影响，缺乏定量的研究。本文基于CMMB体系结构，研究了CMMB信号在多径情况下的抗多径性能，从而有助于对定位的方法和结果做出评价和处理，更有助于定位算法改进、布站选择等问题的研究。

1 CMMB体系结构

CMMB系统的帧结构是按时隙划分的，其信号带宽分为2种：2 MHz和8 MHz，本文以8 MHz为例来做仿真验证。1 s时间划分为40个时隙，每个时隙25 ms，包括了1个信标和53个OFDM（orthogonal frequency division multiplexing）符号。信标中含有发射机的标识信号（TxID）以及2个长度、信息完全相同的同步信号。一个OFDM符号由OFDM数据体和长度为51.2μs的循环前缀（cyclic prefix，CP）构成，如图2所示。在8 MHz带宽信号中，每个OFDM符号包含了4 096个子载波，其中2 610个是数据子载波，384个是离散导频，82个是连续导频，其余是空子载波[1]。连续导频在符号中的位置是固定的，而离散导频的位置则每隔一个符号重复一次。

CMMB系统为了保证在接收端能够准确地恢复出原信号，在发送端除了添加循环前缀外，还在发射机标识信号、同步信号和相邻OFDM符号之间增加了额外的保护间隔（GI），保护间隔的长度为2.4μs，也是采用OFDM信号的循环扩展。通过保护间隔相互交叠，可以保证非恒定信号幅度部分不会落入FFT的时间区域内，这样在接收端精确同步的前提下就可以去除窗函数，取出所需要的时域信号，通过FFT恢复出发送端所发送的数据。

图2 CMMB体系结构

2 抗多径性能分析

OFDM系统中，不加CP的传输信号表示如下[3]：

第个子信道接收到的数据则表示如下：

第个子信道数据则表示如下：

上述推导证明了CMMB信号中CP可以消除部分CMMB传输中的OFDM符号间串扰，当信道的最大多径时延小于CP长度51.2μs时，OFDM系统传输中不产生符号间串扰。因为CMMB信号中也以同样的方式插入了2.4μs的保护间隔，故CMMB系统理论上可以抵抗时延小于53.6μs的多径影响，相当于减小测距误差16.08 km。

3 仿真与验证

本文使用Matlab7.1建立系统模型，目的是观察在不同信噪比（SNR）信道条件下CMMB系统的误码情况，由导航定位的解算方程可知，若信号的误码率低，解算的定位精度则高；若误码率高，则解算的定位精度低[5-6]。按照CMMB信号体制产生理想的输入信号，经过调制、串/并变换后，进行傅里叶变换和并/串转换，然后插入保护间隔，再经过数/模变换后形成OFDM调制后的信号。该信号经过加性高斯白噪声信道和多径信道后，接收到的信号经过模/数变换，去掉保护间隔以恢复子载波之间的正交性，再经过串/并变换和傅里叶变换后，恢复出OFDM的调制信号，并/串变换后还原出输入的符号。仿真中的多径信道是典型的动态多径信道，具体参数见表1，更多具体多径信道参数见文献[7]。

表1 城市车载接收多径模型(TU12)

注：1）“TU12”是文献[7]中典型的多径模型代号；2）表中（1）和（2）是“TU12”模型中的2种较通常的情况。

图3给出了加性高斯信道和典型动态多径信道下系统的误码率曲线图。该曲线图表明CMMB系统在多径信道环境下，系统的性能急剧恶化，在低信噪比时误码率比加性高斯白噪声（AWGN）信道的信号要高，在高信噪比时误码率的改善也不明显，仅提高一个量级，而AWGN信道在高信噪比时误码率相对于低信噪比情况提高可达3个量级。

图3 高斯信道下和多径信道下系统的误码率曲线

图4给出了典型动态多径信道下有循环前缀和没有循环前缀的系统误码率曲线图，该曲线表明添加循环前缀可以有效提高系统抗多径干扰。在信噪比较低的情况下，系统的干扰主要是高斯白噪声干扰，添加循环前缀对系统性能影响小于2×10-5；当信噪比提高后，系统干扰转变为多径干扰为主，添加循环前缀对系统性能改善明显，在信噪比为30dB时没有循环前缀的误码率为2~3×10-3，而有循环前缀的信号误码率小于2×10-5。

图4 多径衰落信道下有循环前缀与无循环前缀的系统误码率曲线

4 结论

本文对CMMB系统进行仿真研究，用Matlab7.1语言仿真了整个流程。仿真结果表明CP和GI可以消除部分CMMB传输中的OFDM符号间串扰，当信噪比为20dB时无多径的误码率约为4×10-5，而有多径影响信号的误码率高达10-2；添加循环前缀后，在低信噪比情况下多径信道的误码率与没有添加之前差别不大，信噪比提高后则有循环前缀的信号误码率有显著的改善。

抗多径技术是一个具有多年历史的研究课题，但所涉及的基本理论与技术仍有待于进一步的发展与完善，多径信道通信理论尚未有完备的理论体系，多径衰落信道对移动通信所产生的影响是有利还是有弊尚无法定论。由于技术上的限制，一些复杂的最优处理方法（如自适应角分集、多用户检测、级联编码技术等），目前尚难应用于实际系统中，还有许多工作有待于更深一步的研究。

[1] 中国国家广播电影电视总局. GY/T 220.1—2006移动多媒体广播[S]. 2006.

[2] 奥本海姆. 信号与系统[M]. 北京: 电子工业出版社, 2009.

[3] 戈卢布, 范洛恩, 袁亚湘, 等. 矩阵计算[M]. 北京: 人民邮电出版社, 2011.

[4] 尹长川, 罗涛, 乐光新. 多载波宽带无线通信技术[M]. 3版. 北京: 北京邮电大学出版社, 2004.

[5] 尹泽明, 丁春利. 精通MATLAB6[M]. 北京: 清华大学出版社, 2002.

[6] 谢钢. GPS原理与接收机设计[M]. 北京: 电子工业出版社, 2009.

[7] 夏治平, 胡军. 移动电视多径信道仿真模型浅析[J]. 广播电视信息, 2008, 2: 35-37.

Analysis and simulation of anti-multipath performanceof China Mobile Multimedia Broadcasting(CMMB)

LI Jun-jun1,2,3, HUA Yu1,3, HUANG Chang-jiang1,2,3

(1. National Time Service Center, Chinese Academy of Sciences, Xi′an 710600, China;2. Graduate University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100039, China;3. Key Laboratory of Precision Navigation and Timing Technology, National Time Service Center,Chinese Academy of Sciences, Xi′an 710600, China)

In this paper the anti-multipath performance of the CMMB(China Mobile Multimedia Broadcasting) signal is studied based on the CMMB system structure. The anti-multipath performance is derived in detail for the signals with or without CP(circular prefix), and the performance of CMMB system in case oftypical dynamic multipath channel is simulated by using Matlab7.1.The resultsshow that the CMMB system is powerful in resisting the multipath effect, and the bit error rate for receiving CMMB signal is improved by two orders of magnitude compared with that for receiving ordinary OFDM(orthogonal frequency division multiplexing) signal when the SNR is 30 dB, being helpful to improve the precision of navigation /positioning.

China Mobile Multimedia Broadcasting(CMMB); anti-multipath; circular prefix(CP); orthogonal frequency division multiplexing(OFDM); dynamic multipath channel

TN919

A

1674-0637(2012)04-0244-06

2012-03-05

国家自然科学基金资助项目（0915ZK1301）

李俊俊，女，硕士研究生，主要从事CMMB导航增强中抗多径技术研究。