星座旋转及坐标交织在DTMB系统中的应用研究

侯 晔，潘长勇，杨 昉

（1.成都理工大学 继续教育学院，四川 成都 610051；2.清华大学 电子工程系，北京 100084；3.清华大学 信息技术研究院，北京 100084）

责任编辑:薛 京

在地面广播系统中，信道衰落对传输信号的质量和传输可靠性有很大的影响，严重的衰落甚至可能导致传输中断[1]。为了克服衰落信道的影响，通常采用编码、均衡、分集技术等方法来改善通信质量。分集技术即利用无线通信中载有同一消息信号的多个经历不同衰落、接收相关性较小的样本，使用一定信号合并技术改善接收质量，补偿信道衰落的影响。按照实现途径可以将分集技术划分为时间分集、空间分集、频率分集、极化分集。作为一种高效的对抗信道衰落、提高信号接收增益的技术，分集技术在许多广播系统中都得到了广泛应用。本文中研究一种基于星座旋转和坐标交织的信号空间分集技术的抗衰落作用，并将这一空间分集技术应用于DTMB系统中，有效地改善了DTMB系统在衰落信道下的性能。

1 信号空间分集技术

以往人们受到传统星座映射的限制，一直将符号作为一个整体进行处理。随着分集技术的发展，人们逐渐认识到了将符号按维度划分开来，在空间层次上实现分集的可能。因此，J.Boutros和E.Viterbo提出了一种信号空间分集技术（Signal Space Diversity，SSD）[2]，通过坐标交织和适当的星座图旋转，让信号的每个维度在衰落信道下经历独立的衰落，使得分集阶数增加一倍，从而获得信号分集增益。这种信号空间分集技术非但不会影响系统在AWGN信道下的性能，而且对衰落信道下的系统性能有改善作用。

1.1 星座旋转

星座旋转即将星座图旋转一定的角度。假设一个星座图包括M个星座点，记为X={xi},i=0,1,…,M-1，按逆时针方向进行旋转，旋转角度为θ，旋转后的星座图记为Xθ={},i=0,1,…,M-1，其中

以传统的QAM映射为例，显示星座旋转的作用。16QAM映射的星座旋转情况如图1所示，其中标号为i的星座点记为xi。在星座旋转前，星座点x0，x1，x2，x3具有相同的横坐标，仅凭实部的信息无法将它们区分开来，需要接收虚部的信息才能确定符号；类似地，星座点x2，x6，x14，x10具有相同的纵坐标，需要接收实部的信息才能确定符号。也就是说，对于每个符号，都需要同时获得实部和虚部的信息才能进行判断，否则就会丢失信息。而在引入适当的星座旋转后，每个星座点的横坐标和纵坐标都是唯一的，接收时只需要获得实部信息或虚部信息中的一个就能恢复这个符号，相当于用两路16PAM信号同时传递信息。结合坐标交织，可以使得两路信号经历独立的衰落，增加分集阶数。

1.2 坐标交织

坐标交织即将经过星座映射的符号的每个维度分别进行交织，然后重新组合成新的符号进行传输。相应地，在接收端也需对接收的符号进行解坐标交织，再完成后续的解映射等处理，恢复得到初始信息。坐标交织可以使得衰落信道下原本属于同一个符号中的每个维度经历独立的衰落，在星座图的各个维度之间具有一定关联性的情况下，即使一个维度的信息遇到深衰落而丢失时，也可以通过另一个维度的信息来恢复丢失的信息。由于引入坐标交织，同一符号的I路和Q路同时被深衰落的可能性大大降低，从而减小了误符号率，提高了系统的纠错能力。

一般而言，坐标交织需和星座旋转同时作用，才能有效改善系统在衰落信道下的解映射性能。如果只有星座旋转而无坐标交织，在深衰落信道中，同一符号的多个维度信息会同时被衰落，无法判断原始符号。如果只有坐标交织而无星座旋转，符号的的多个维度之间没有相关性，当某个星座点的实部（或虚部）信息遇到深衰落而丢失时，也无法确定原始信号是一组具有相同实部（或虚部）的星座点中的哪一个。采用星座旋转和坐标交织技术的编码调制系统发射端和接收端框图如图2所示。

图2 引入星座旋转和坐标交织的系统框图

2 DTMB系统改进

在2008年公布的欧洲第二代数字电视地面广播传输标准（DVB-T2）[3]中，已经率先采用了结合星座旋转和坐标交织的信号空间分集技术，并获得了一定的分集增益。表1给出了DVB-T2在每种星座映射类型下采用的星座旋转角度。DVB-T2的坐标交织模块采用了循环Q延时技术，即在坐标交织时，一个交织块内符号的I路信号（实部）不变，Q路信号（虚部）循环延迟1个单元，以实现实部和虚部的分离。

表1 DVB-T2的每种星座映射类型对应的旋转角度

中国于2006年8月正式颁布了地面数字电视广播传输标准DTMB[4]，实现了固定电视和公共交通移动电视的数字电视信号传送。在2011年12月，国际电信联盟正式将DTMB纳入国际标准，成为继美、欧、日之后的第4个数字电视国际标准。为了改善数字电视业务质量，可以将信号空间分集技术应用在DTMB系统中，以获得空间分集增益，增强系统在衰落信道下的鲁棒性，提高我国数字电视行业在国际上的竞争力。

2.1 星座旋转设计

星座旋转的角度选取是信号空间分集技术中的一个重要问题。Kiyani和Weber曾在文献[5]中通过大量的计算机仿真来搜索最优旋转角度。值得注意的是，最优旋转角度的选取和映射采用的星座图是相关联的，当星座图改变时，对应的最优旋转角度也随之变化。DTMB标准中支持以下几种星座映射方案：4QAM-NR，4QAM，16QAM，32QAM，64QAM。由于DTMB和DVB-T2同样采用QAM星座映射方式，可以参考DVB-T2在星座旋转方面的研究成果，选择同样的旋转角度。通过大量的仿真实验，也证明了DVB-T2选用的旋转角度是兼顾各种编码方案的最佳选择角度的折中结果，同样适用于DTMB系统。

2.2 坐标交织设计

DVB-T2采用的循环Q延时技术虽然存在实现简便、复杂度低的优点，但同一符号的I路和Q路信号在坐标交织后仅处于相邻符号上。若有连续多个符号同时受到深衰落影响，则其中大部分符号的I路和Q路信号会同时丢失，难以恢复出原始符号。因此，还需要采用其他的交织方法来增大同一符号的I路和Q路信息经历的信道之间的不相关性，使得系统的复杂度增加。在本文中，采用Q路逆序的方式实现坐标交织，具体方案如下：进行星座映射得到复数符号后，在一个坐标交织块内，符号的I路信号不变、Q路信号逆序，重新组合得到新的符号。这一方法可通过简单的逆序操作达到坐标交织的目的，省去针对坐标的交织和解交织器，节省了运算时间。此外，绝大部分符号的I路和Q路信号在交织后都处于相距较远的不同符号上，降低了同一信号的I路、Q路所经历的信道之间的相关性。

3 仿真结果

为了验证本文所述的结合星座旋转及坐标交织的信号空间分集技术对DTMB系统性能的改善，在本节中，将分别仿真DTMB编码调制系统在采用信号空间分集技术和不采用信号空间分集技术两种情况下的系统性能，并进行比较和分析。具体的仿真参数如表2所示。图3为采用4QAM作为星座映射方案的仿真结果，图4为采用16QAM作为星座映射方案的仿真结果。

表2 仿真参数

以误码率为10-4时所需的信噪比值为接收门限值，仿真系统的接收门限值如表3所示。在瑞利衰落信道下，本文所述的信号空间分集技术在4QAM和16QAM情况下都能获得一定的空间分集增益，改善系统的误码性能。在4QAM星座映射、0.8码率的情况下，这一技术甚至能带来高达1.58 dB的增益。而在16QAM星座映射、0.6码率的情况下，信号空间分集技术带来的增益较小，仅有0.10 dB。从图3、图4和表3中可以看出，信号空间分集技术在低阶星座映射、高码率的情况下能带来的增益更为明显。

表3 瑞利衰落信道下DTMB编码调制系统的接收门限

4 小结

本文对一种结合星座旋转和坐标交织的信号空间分集技术进行了研究。该技术能够有效地在信号的空间层次上实现分集，克服衰落信道的影响，获得可观的分集增益，而实现这一技术只需要增加很小的系统复杂度。将这种信号空间分集技术应用于DTMB系统中，在衰落信道下能带来明显的性能改善，提高系统的鲁棒性。这一性能改善在低阶星座映射、高码率的情况下尤为突出。

[1]王劲涛，杨知行，潘长勇，等.空时发射分集技术在DTTB中的应用[J].电视技术，2005，29（8）：83-85.

[2]BOUTROS J，VITERBO E.Signal space diversity:a power-and bandwidth-efficient diversity technique for the Rayleigh fading channel[J].IEEE Trans.Information Theory，1998，44（4）：1453-1467.

[3]EN 302755 V1.1.1，Frame structure channel coding and modulation for a second generation digital terrestrial television broadcasting system(DVB-T2)[S].2009.

[4]GB/20600—2006，数字电视地面广播传输系统帧结构、信道编码和调制[S].2006.

[5]KIYANI N F，WEBER J H.Performance analysis of a partially coherent system using constellation rotation and coordinate interleaving[C]//Proc.IEEE Globecom.New Orleans：IEEE Press，2008：1–5.