数字电视地面广播COFDM传输中的软判决技术研究

榆林市广播电视中心：郑浩 刘延霖

作为利用先进图像压缩技术、数字通信技术所开发出的全新产品，数字电视已在诸多国家得到推广。该产品的地面传输标准主要有三个，分别是基于COFDM的DVB-T标准（欧洲）、基于8-VSB的ATSC标准（美国）、基于BST的ISDB-T标准（日本）。上世纪末至今，国内学者始终致力于数字电视研究，并在地面传输领域获得了瞩目成绩，多项专利技术的诞生，为数字电视的升级提供了支持。本文便以此为背景，围绕COFDM软判决技术展开讨论，供相关人员参考。

1.COFDM基本原理与性能

1.1 技术原理

从本质上看，OFDM属于多载波通信系统，通过频率相同的载波形成，可将符号序列分成N个段，各段可调节N个载波，且功率谱形状一致，主要因载波中的调制信号均为方波。OFDM系统内载波数量为几百，在应用时难以达到FDM系统的效果，可利用多个振荡器进行调节，例如，将信号传递周围设定为[0，T]，该周期内传输符号数量用N表示，求该区段内OFDM信号值，公式如下：

式中，fk代表的是载波，计算公式为fc与k△f之和，其中fc代表的是发射载频；△f是载波间隔的最小值；Ck代表的是复数，t代表的是原本串行的符号周期。串行数据系统内符号为串行传输，且各个符号频谱可占用全部有效带宽。在并行传输系统应用后，支持不同序列一同传输，可随时传输多个数据，有效弥补串行系统的传输弊端。此类系统中数据在频带中的占比较小，可根据需求选择频率，将其扩展到不同符号上，将脉冲干扰变成多个小符号，降低干扰能力，使信号接收更加完整高效。因信道由多个较窄的子信道构成，各个信道频率较为和缓，在原本信道内的占比较小，整体传输较为均衡简便。

1.2 性能分析

在广播信道中干扰因素种类较多，接收端周围信号在脉冲、衰减等影响下，依靠理论分析与检验等方式，创建HDTV信道模型。与模拟传输相比，数字传输在抗干扰方面性能较为理想，具体如下。

（1）依靠导频跟踪解调相位噪音。COFDM系统依靠多载波传递信号，不同载波间隔较小，更易受到载波频率的干扰。接收设备如若出现微小的频率误差，都会对子信道之间正交性产生较大破坏。在给定系统中，其性能受载波量、偏移位置的影响较大。发端上下行转换器的数量均会对噪声产生影响，可依靠导频跟踪解调相位噪音，通过降低数据流量净负荷，达到理想效果；

（2）改变信道环境。在信道编码确定后，COFDM可将强大的回波干扰消除，依靠计算机仿真分析，使BER性能得到优化。在信道衰减的基础上，受震动、摇晃等因素影响，时变信号会出现动态鬼影，由此产生误码。对此，可利用并行传输系统，使时变信道环境得到良好改善；

（3）载波均衡。在复杂信道环境下，如C/N明显低于标准值，且干扰因素较多，信号衰减严重，这便要求COFDM拥有强大的载波恢复技能。在载波检测中，依靠导频与参考符号的方式，使载波与子信道之间实现均衡。

2.COFDM传输中的软判决技术要点

2.1 Viterbi译码模块应用

解调数据软判决流程如下：先由COFDM解调端均衡数据、校正数据相位偏转，再将数据转移至软判决模块，结合调制端所提供星座映射，对比特数据进行借调。考虑到维特比译码对信息可信度所提出要求较高，采取更加可信的软判决是必然选择。获得软信息后，由系统对数据进行量化处理，将插入导频去除，待解内交织环节告一段落，尽快利用纠错码对信道传输所存在突发错误做离散处理，并将数据送往译码模块，最后由译码模块对其进行译码。

图1：软判决流程图

其中，yk代表所接收信号，zk代表发送信号预估值，代表信道响应预估值。当前数字电视与广播对画面清晰图要求严格，对于COFDM系统来说，需要在解调端进行数据均衡，使相位偏转到标准状态，再传输到软判决模块内，依照调制端的区别，得出与星座映射相对应的比特数据，因后续要威特比翻译，与硬判决相比，软判决技术的应用更加可靠，可获得更为清楚准确的“软信息”。在数据4bit量化后，将符号内各类导频传输出来，经过解内交织后，对突发错误离散化处理，使纠错码得到高效利用，最后将数据传递到Viterbi译码模块内进行翻译和转换。对于不同导频信号来说，类型不尽相同，OFDM信道内估计技术可分成两个类型，一种是在频域新联基础上的信道，另一种是导频训练的信道。经过仿真分析可知，需要对系统特征、精度偏差、相位噪音等指标综合分析，利用FPFI估计算法，对衰落特性信道内的不同计算方式进行对比。

2.2 码元计算

根据处理形式不同，可将解调完毕的信号分成两种形式进行译码，即硬判决、软判决。前者是以译码器为介质，码元只有两个值，非0即1，该项技术操作简便，适用范围较广。后者是采集信号波形，从中提取有价值的信息，在AWGN信道内，与硬判决相比超过2dB增益，在衰落信道内，其增益超过3dB。为了使信号波形内的信息得到高效应用，可借助译码器将正确率最高的判决传输的码子进行量化处理，从译码器中输出的高正确率的码子数量基本不是一个，而是有Q个，需要采用Q进制序列进行软判决译码。该系统内所用的BPSK信号用于两个码元传递，计算公式如下：

式中，E代表的是信号能量；信号经过白噪声信道后进入到解调器的输入端。在实施硬判决的过程中，判决门限的最优值为0，如若解调设备输出值为负数，则电平为0；如若为正数，则电平为1。但是，在软判决期间，根据上述公式得出的结果位于±1范围内，需要实施Q进制量化后再传输到译码器中进行解码。

2.3 纠错编码

在软判决应用中，通过纠错编码的应用可使编码增益提升，具有代表性的是LDPC编码、Turbo编码，二者在纠错性能方面具有较大优势。前者属于低密度奇偶校验码，译码难度较低，结构多变，适用于光纤通信、数字视频、音频广播等方面；后者为对大误码的纠错能力较强，可将2.5e-2的误码下降到1e-5以下。在100G DWDM设计中，依靠数字相干接收调制技术，在纠错编码方面将7%硬判决与13%软判决相联合，将其放入ASIC内，由此组合成三级链接码。在新系统配置方面，不但采用了Turbo编码强大的纠错能力，还将LDPC编码灵活的结构优势引入进来，最大限度地降低编码复杂程度，实现最佳性价比。在三级连接纠错编码中，软硬两种判决形式在信号处理流程方面大体一致，其区别主要在于软判决可为前一种编码单元提供更多相关可信度信息，但硬判断则单纯提供比特判决相关信息，可信度信息较少，在数字接收、模数转换方面软判决的优势更为显著。

3.数字电视COFDM传输中软判决技术的实际应用

某区域地面模拟电视为PAL-D制式，在广播频段上分成两个部分，即VHF频段与UHF频段，频道数量有56个，DS12—DS48属于广播业务专用频道，DS49—DS68为其他业务频道。在COFDM传输期间，需要根据地面数字电视频率规划要点，综合分析资源配置、规划频段、组网模式等因素，最大限度地利用最小频谱资源实现模数过渡频率规划效果。同时，依靠软判决技术的应用，精准提取CSI，并对数据信号进行调制，实施同频干扰消除技术，取得理想应用成果。

3.1 数据信号调制

在单载波通信系统运行中，将信号调整到单一载波的位置，对解调位置的全部信号进行叠加平均噪声频率，信号接收单纯受数值与门限间的距离的影响，可根据实际情况进行数据信号调制。简单来讲，对于相同位置的载波频率来说，无论出于时域或者频域上，均带有均衡特点，对于所有信号的判决都能够一视同仁。但是在多载波系统中，如果传输端的信号为衰落信道，则会产生不同的信噪比SNR。在信号判决期间，被调制的信噪比与低信噪比相比来说更加可靠。在正式判决之前，需要先检验可靠性信息，将其用CSI表示，使信道动态变化得到良好保障。受信道变化影响，这种不公平的可信度在软判决解码期间需要重点分析。在COFDM系统应用中，因不同载波上的噪声功率不尽相同，在软判决期间应采用以下公式计算，即：

式中，F代表的是概率密度函数；Q1代表的是符号内的第1各子载波；d1代表的是信号均值，d2代表的是噪声均值，二者相减的绝对值便是解映射结果。在解调端进行译码之前，对CSI提取十分关键，这同样也是与单一载波系统在结构方面相区别之处。

3.2 信道状态信息提取

CSI信息常常被定义成各个载波点的信噪比，传统方法为SNR可对信号、噪声功率分别估计，再计算出二者的比值。但此种方式操作难度较大，且对硬件要求较高。在实际应用中，新出一种新的信道状态采集方式，即依靠归一化计算平均噪声功率，只需将不同载频点的信噪比计算出来即可。根据信号均衡结果可知，噪声功率比值不但包括有效信号，还包括此类信号伴随的噪声功率。在COFDM系统调制端中，许多数据信号是在随机处理后进行映像，因此常量值单纯与星座图相关。在实际应用中，应尽可能减少计算量，可先对噪声功率均值计算出来，再采用归一法进行均方功率计算，便可将查表映像展现出来。对于频率衰落变化来说，在选择性信道内，只有经过大量计算才可将噪声特性准确展现出来。在该项目开展中，采用统计设备利用数据缓存设备进行数值更新，再计算出均值，系数对迭代速度进行改善功能，且时间与信噪特点息息相关，在长时间运行下可将噪声特性准确体现出来，进而得出各个点位的CSI信息。同时，CSI属于平均统计值，可在较大程度上避免信道内窄带对估算产生的不良影响。

3.3 信道状态信息的应用

3.3.1 应用原理

该项目中的CSI信息需要先经过均衡处理后，依照影像星座图与状态信息结合起来，实施软判决，在每次软判决过程中，可信度可依靠信号星座点传递到判决限距离中，依靠64QAM星座图对可信度度量进行判断，如图2所示（图中a线代表解映射首位与第二位的度量值；b线代表第三和第四的度量值；c线代表第五和第六的度量值，第一与第二为判决门限为0，第三和第四的门限为+4和-4，第五和第六的门限为+6和-6）。按照QAM信号特点可知，首位与第二位的优先级超过剩余几位，而第三和第四位的优先级超过第五和第六，可利用上述特点进行可信度度量。因信道状态CSI可将信号可信度直观表示出来，公式如下。

式中，DEFt代表的是第s个点位上CSI数值；v代表的是该载波判决值的排位。为了高效利用解调信号，使译码更加准确可靠，要求可靠值进行量化后，传入到译码器进行翻译。量化电铃与码元可信度具有正比关系，当电平量越多时，说明接收到的码元更具可信度。

3.3.2 仿真分析

将该项目中的相关数据代入到公式中，根据DVB-T标准进行仿真分析，根据结果可知，在内码为2/3码率的情况下，利用64QAM星座图进行映射，保护间隔为1/16。根据上述结果可知，在莱斯信道模式下，归一法的应用效果更加理想，与传统的非归一法计算模式相比，在相同前提下可使性能进一步提升。究其原因，该法基础上采集到的状态信息，是在长期迭代的前提下获得，能够将信道噪声统计特点充分体现出来，在移动接收、窄带干扰等信道中的应用更加理想，如图3所示。根据图3可知，在瑞利与莱斯两个信道中，瑞利的归一法与非归一相比，在莱斯信道中的性能更为理想，究其原因，因瑞利信道与真实的无线移动信道更加贴近，与莱斯相比衰落特征更加恶劣。非归一法应用中，采用信号功率转移函数作为信道状态信息，忽视了噪声统计特征的改变，因此不适用于衰落速度过快、窄带干扰较强的信道中，且操作难度较大，适用于固定接收、衰落较为缓慢的信道内。

图2：星座图

图3：信道状态提取法对比

4.结语

综上所述，在数字化时代背景下，数字电视、音频广播等设备受到消费者的欢迎，并对高清图像、音质提出严格要求。在音视频信号传输中很容易受到各类干扰，需要对COFDM传输中的软判决技术加强研究，准确提取出信道状态信息，将信道动态变化准确全面地反映出来。同时，还应牢牢把握Viterbi译码模块应用、码元计算、纠错编码等技术优势，掌握COFDM传输技术原理与系统性能，克服传统技术的缺陷，使干扰噪音得到有效拦截，在长期迭代的前提下获得信号，将信道噪声统计特点充分体现出来，在移动接收、窄带干扰等信道中取得更加理想的应用效果。