TDS-OFDM系统的设计

【摘要】介绍了TDS- OFDM系统的调制编码方式和接收端实现技术。与欧洲DVB- T 循环前缀OFDM的性能对比中，TDS- OFDM在地面电视广播等领域中表现出显著的优势。

【关键词】TDS- OFDM标准；OFDM标准；地面数字多媒体/电视广播传输标准（DMB- T）

引言

1999 年，针对我国电视广播产业跨越式发展的要求，清华大学提出了地面数字多媒体/电视广播传输标准 DMB- T）方案。历经7 年的研究，开发和测试，DMB- T 地面广播系统从粗糙的原型系统到今天的初步构建了产业链，始终坚持自主创新道路，不断充实提高。与国际现有的数字电视地面传输标准比较，DMB- T 具有频谱利用率高，获取同步时间短，抗多径衰落，适合移动环境接收，硬件实现复杂度低等优点，数项关键性指标在数字电视地面广播领域居于领先地位。

时域同步正交频分复用（Time Domain Synchronous-Orthogonal Frequency Division Multiplexing，TDS- OFDM）是一项多载波通信技术，它是DMB- T 广播方案中的核心技术，清华大学拥有其多项基础性发明专利。与循环前缀 Cyclic- Prefix，CP）OFDM比较，TDS- OFDM具有多项鲜明的应用特点、先进的整体性能以及完整的自主知识产权体系。

TDS- OFDM系统的构成

无线视频广播通信是一个频率选择性衰落信道，高速数据流间存在严重的符号间串扰 ISI）。OFDM将单个的高速数据流分解成若干个正交的低速数据流，以正交的、并行的方式在多个窄带信道上传输。在每个子信道上，符号周期得以加长并大于信道多径时延，有效地对抗了多径衰落。但是，随机多径信道无法保证不出现零传输因子，此时，OFDM系统的数个子载波完全丢失数据，无论信噪比如何高。因此，OFDM系统需要牺牲部分带宽，在传输系统中加入前向纠错编码 FEC）部分，恢复丢失的数据。带有FEC 的OFDM系统一般称为编码OFDM COFDM）系统。实际使用的TDS- OFDM系统和CPOFDM系统都为COFDM系统。

TDS- OFDM的信道编码
如图1 所示，TS 码流经过加扰后，其二进制信息流送入二进制LDPC编码器，系统采用的LDPC 码码长为7488，信息长度有3 种，分别是3048，6 096 和6 635，编码速率分别对应为4/9，2/3 和8/9。完成LDPC 编码后，进行符号星座映射， 符号星座采用QPSK，16QAM 和64QAM。



早期的TDS- OFDM系统采用内码为Turbo 码和外码为Reed- Solomon 码的级联码，内外码间为比特交织。现在，TDS- OFDM系统采用单一的LDPC 码，放弃了级联码，取消了比特交织，简化了信道编码部分的结构。这是LPDC码第一次在地面广播中的应用。TDS- OFDM系统中选用的LDPC 码性能非常优越，在AWGN 信道中，其误码平层的误码率仅为10^{- 12}。TDS- OFDM系统中的LDPC码具有准循环性，降低了编码器实现的复杂度。
LDPC 编码后的数据，经过星座调制，送入卷积交织器，经过TDS- OFDM调制，被发送出去。针对地面无线广播信道的频域选择衰落特性，TDS- OFDM进行符号卷积交织编码，TDS- OFDM为卷积交织器设计了4 种工作模式，最大交织深度为720，最大交织宽度为52，单位为星座符号。

TDS- OFDM调制及其参数选取

一个TDS- OFDM信号帧由帧同步和帧体两部分组成，如图2 所示,它们具有相同的基带符号率7.56 MSps。TDS- OFDM信号帧的帧体是3780 长的IDFT 数据块。帧同步部分作为保护间隔，消除OFDM符号间串扰。TDSOFDM调制实施步骤如下：

（1）星座调制后的符号经由串并变换，形成长度为3780 的频域数据块；

（2）采用DFT 将IDFT 数据块变换为长度为3780的时域离散样值帧体；

（3）在OFDM的保护间隔插入长度为945 或420的PN 序列作为帧头，将帧头和帧体组合成信号帧；

（4）采用具有线性相位延迟特性的FIR 升余弦平方根低通滤波器（Square Root Raised Cosine，SRRC）对信号进行整形；

（5）将基带信号进行上变频调制到RF 载波上。



TDS- OFDM调制的主要优点在于：保护间隔中的伪随机序列PN 码，能在时域实现快速准确的同步。TDSOFDM通过在时域插入导频信号，将同步任务和数据解调分隔开。由于将两个随机源进行了分隔，从设计的观点看算法的复杂度大大降低，同时便于系统模块化设计。由于同步使用已知序列PN 序列完成，所以与数据采用的调制方式无关。

一般来说，无线广播信道可简化为广义平稳非相关散射信道（WSSUS）。对WSSUS 信道而言，均方时延扩展（信道相干带宽）和均方多普勒频率（信道相干时间）这两个信道参数可概括其主要的统计特性。

通过大量的实验，证明以下的选择是比较理想的。在信道相干时间一定的情况下，选择OFDM符号帧的长度为Ts=500 !s，从DFT 的定义上讲，OFDM符号的长度（周期）的倒数就是子载波的频率间隔，由此得到OFDM子载波的频率间隔为△F=1/500 s=2 kHz。

为了充分利用电视的8 MHz 频谱带宽，同时兼顾最后输出成型滤波器的实现难易，OFDM信号的基带带宽范围应为7.5 MHz最后，确切的选择子载波数N还要考虑便于IDFT和DFT 的快速实现。为得到全部的DFT 系数，直接计算N 点DFT 需要N² 次复数乘法和N ^{N- 1}）次复数加法，计算数据量非常大，必须采用快速DFT 算法 FFT）减少计算次数。FFT 的基本原理是将DFT 分解为一连串简单的DFT 运算的综合。理论上，N 分解的基数越少越好。在上述3 750～4 000 范围内，经过寻找比较，最终可确定OFDM符号的子载波数为3 780。此时，信号的基带带宽为2 kHz×3 780=7.56 MHz。

PN 保护间隔的长度主要由信道多径时延扩展的长度确定，根据不同的应用环境，取定945 个符号和420 个符号，以7.56 MHz 基带频率计算，可抵抗的多径长度分别为945/7.56=125 !s 和420/7.56=55.56 !s，足够满足绝大多数广播传输环境的应用。

TDS- OFDM的传输能力
TDS- OFDM的子载波调制方式有3 种选择：QPSK，16QAM和64QAM。其保护间隔可选55.6 !s 和125 !s，内码码率可选4/9，2/3 和8/9。综合以上的选项，TDSOFDM的净载荷传输速率由4.813 Mbps 到32.486 Mbps有18 种选择方式，见表1。


TDS- OFDM系统的接收端

TDS- OFDM的接收端完成发射端逆向的功能。但由于无线信道中存在着多径和噪声，因此接收端的实现远比发射端复杂。首先接收端要建立起同步：这包括帧同步，即发现连续数据流中的帧头和帧体；载波同步，这是同步接收的必要条件，它的功能是给予下变频器准确的参考载波频率；定时同步，确定符号采样率，从连续的模拟信号中抽取TDS- OFDM数字基带信号。由于多径带来的时延扩展，TDS- OFDM接收端需要完成信道估计和均衡，以消除信号间的串扰。同步和均衡部分被称为是接收端的内接收机。相对于内接收机的是外接收机，它完成FEC 译码，恢复出发送比特流。

图3 是TDS- OFDM接收端完整框图。根据设定的频道，调谐器（Tuner）接收到数字电视信号，送入A/D 转换器，得到数字基带信号。自动增益控制（AGC）根据数字基带信号的平均幅度控制调谐器的放大增益，既保证A/D转换器的精度被有效利用，又保证其不出现非线性失真。数字基带信号经由内插滤波，升余弦滚降滤波成型后送入PN 相关器，与本地PN 码作相关运算，运算结果送入自动频率跟踪（AFC）模块，定时恢复模块和信道估计（CE）模块。AFC 根据PN 码相关器提供的结果调整送入混频器的本振频率，完成载波同步功能。定时恢复模块计算出内插滤波器的参数。信道估计（CE）模块的输入符号速率为TDS- OFDM符号速率，它得到信道状态信息 CSI），提供给PN 码去除模块和均衡器。PN 码去除模块将TDS- OFDM符号帧中的PN 序列部分剔除，完成由TDS- OFDM符号帧到ZP- OFDM符号帧（ZP：零填充）的转变。现在的TDS- OFDM系统均衡器采用ZP- OFDM重叠相加均衡法。完成均衡后，再进行去交织，星座符号软判决。软判决后得到的比特似然度信息送入LDPC 译码器。LDPC 译码器迭代译码后输出比特流，送入解扰器，其输出即为TS 码流。



PN 序列是TDS- OFDM系统中的关键部分，一方面，PN 作为OFDM块的保护间隔。另一方面，在接收端，PN序列是载波恢复与自动频率跟踪、符号时钟恢复、信道估计等用途的训练数据。欧洲DVB- T 标准代表了国际上当前的OFDM多载波技术在无线宽带传输领域的最高技术水平。DVB- T 采用的是循环前缀 CP）保护间隔的OFDM调制，无论采用CP 或PN 作为保护间隔，它传递的实际上都是冗余信息，将占用额外的频谱和功率资源。CP- OFDM为了获得较好的同步性能，除了使用保护间隔，还要在频域插入大量导频信号，导频信号大约占数据符号10%。相对与CP- OFDM，TDS- OFDM将保护间隔和导频信号合在一起，可提高大约10%的信道容量。

TDS- OFDM与CP- OFDM的性能对比

通过系统实测并结合计算机仿真，可以比较TDSOFDM系统和CP- OFDM系统的性能。在带宽和功率受限的条件下，系统的有效性和可靠性综合指标接近香农理论极限曲线的程度，是衡量该传输系统优化水平的客观标准。在加性高斯白噪声AWGN 和多径干扰信道下，分别测试了QPSK，16QAM和64QAM调制下两个系统的性能。系统参数分别取：

DVB- T：8K 模式和2K 模式，保护间隔都为56 !s；

DMB- T：3 780 个子载波，保护间隔55.56 !s。

图4 绘制了仿真结果。图中的横坐标为比特信噪比Eb/N0，纵坐标为频谱利用率—— R_b/B （比特每秒每赫兹）。此图代表了AWGN 信道下系统性能的比较，图中断续线绘制的是理论极限，靠近此线系统性能则优，远离则劣。



当系统传输高清晰电视数据，即净码流要大于20 Mbps，两个系统都要采用64QAM调制。由图4 可知，DMB- T 高码率的频谱利用率比DVB- T 好4%，同时归一化噪声（E_b/N₀）门限比DVB- T 好1.68 dB。当采用16QAM调制，DMB- T 频谱效率优于DVB- T 方案4.1%，E_b/N₀ 门限优于DVB- T 方案1.67 dB。当采用QPSK 调制, 净码流约为5 Mbps，DMB- T 频谱效率优于DVB- T方案8%，E_b/N₀ 门限优于DVB- T 方案2.6 dB。

图5 是两个系统在多径信道下仿真比较。图中的数据来自清华DMB- T 方案鉴定会测试组的测试数据，多径信道模型为广电1- 10 和巴西A- E。表中的SNR 曲线为多径信道模型测试条件下的白噪声门限均值。

由图5 所示，DMB- T 的归一化信噪比门限在低码率（QPSK）多径接收条件下优于DVB- T 4.1 dB，在高码率（64QAM）多径接收条件下优于DVB- T 4.99 dB。DMB- T信噪比门限的统计方差也说明了其系统的鲁棒性明显优于DVB- T 系统。两个系统在AWGN 系统和多径信道下的性能比较如图6 所示，此图代表了理想环境下的理论值和多径环境下系统实现统计值之间的差值。





在多径情况下，在相似频谱效率下的两个系统中，DMB- T 的E_b/N₀ 性能恶化最少。这说明DMB- T 系统的整体设计更符合多径传输，更能适应室内、室外、移动、便携等各种应用环境，更适合于传输HDTV 和SDTV，以及即时消息、个性化信息等各种信息业务。

2005 年，北京市在中央电视塔和京广大厦上以1000 W和500 W双站同时发射DVB- T 信号，同时仅以300 W在中央电视塔上单站发射DMB- T 信号，在同一辆移动测试车，接收结果显示：DMB- T 的接收成功率为99.6%，明显优于欧洲DVB- T 的92.5%。

结论

时域同步正交频分复用（TDS- OFDM）的多载波调制方式，针对地面数字电视广播传输信道的特性所设计，相对传统的CP- OFDM，其频谱效率提高10%。结合最新的软判决迭代译码技术—— LDPC，TDS- OFDM传输系统在恶劣传输环境下的鲁棒性显著提高。采用TDS- OFDM的中国地面数字电视传输方案DMB- T 在与欧洲DVB- T系统比较中，DMB- T 系统无论是计算机仿真中还是实际系统测试比较，都表现出显著的优势。

TDS- OFDM标准；OFDM标准；地面数字多媒体/电视广播传输标准（DMB- T）