數字電視地面廣播中干擾消除技術研究

孫　力

[摘要]在數字電視地面廣播傳輸信道中存在多種信號干擾，嚴重影響有用信號的傳播，因此就數字電視地面廣播中常見的干擾消除技術進行研究。

[關鍵詞]數字電視 信號干擾 消除

中圖分類號：TN94 文獻標識碼：A文章編號：1671－7597（2009）0510027－01

數字電視地面廣播的信道是空中接口，載體是無線電波，發射臺發射出的射頻信號通過無線電波，經過直射、反射、繞射等后，在接收端接收到的信號是各路信號疊加起來的混合信號。數字電視地面廣播是工作在幾百赫茲的頻段。在這樣一個復雜的信道中，存在各種各樣的對有用信號的干擾，其中主要的干擾有：高斯白噪聲干擾、多徑干擾、同鄰頻干擾、多普勒頻移等。下面討論數字電視地面廣播中干擾消除技術。

一、信道編解碼消除白噪聲

對白噪聲一般是通過在信息中加入冗余來達到消除的目的。加入冗余的方法主要就是采用信道編碼。信道編碼主要分兩種:分組碼和卷積碼。分組碼對信息比特分組，對每組的信息比特通過與生成矩陣的計算，加入冗余比特，得到編碼后的比特；卷積碼對分組后的信息比特計算后，編碼后的比特不僅僅與當前分組內信息有關，還與其他分組內信息有關系。

1948年，香農（Shannon）發表了《通信的數學理論》一文，為通信的可靠傳輸提供了理論基礎。香農指出：任何信道都存在一個最大的傳輸速率，稱為信道容量，在低于或等于信道容量的傳輸速率下，隨機產生的足夠長的碼可以獲得任意小的錯誤概率，實現可靠的通信。但是香農定理并未給出在實際中能實現同時又能達到最佳性能的編碼方法。在香農定理之后的幾十年中，相繼出現了多種編碼方法，包括代數碼和卷積碼，但這些碼的性能與香農極限（Shannon Limit）都相差甚遠，以至于人們普遍認為香農極限是不可能達到的。直到1993年C.Berrou等人提出了一種稱為Turbo碼的并行級聯卷積碼，其性能非常接近香農極限同時復雜度也可以接受，因此Turbo碼的出現為編碼領域帶來了革命性的變化，也引發了對基于圖論的迭代譯碼算法的研究熱潮，其中就包括低密度校驗碼（Low Density Parity Code,低密度校驗碼）所采用置信傳播譯碼算法。隨著對Turbo碼研究的深入，人們重新發現了LDPC。目前基于密度演化算法所構造的非規則LDPC碼已經超過了迄今為止最優的Turbo的性能，例如在加性白高斯噪聲信道中，1/2碼率的低密度校驗碼在誤碼率為10-6時，距離香農限僅0.04dB。最近幾年，LDPC碼取代Turbo碼作為信道編解碼標準的趨勢已經很明顯。歐洲數字電視廣播組織（DVB）已經在其下一代衛星數字電視標準(DVB-S2)中采用LDPC碼作為前向糾錯的編碼方案。最近公布的中國數字電視地面傳輸標準中前向糾錯編碼也采用了LDPC碼。低密度校驗碼已經成為當今信道編碼領域的最有力競爭者。

二、多徑干擾的消除

美國ATSC系統中消除多徑干擾是通過時域自適應均衡來實現的。它的參考設計就是一個256抽頭(前向濾波器64階，后向反饋濾波器192階)的自適應濾波器。其中符號數據在進入前向濾波器之前，會有一個消去直流分量的操作，這是為了消除數字電視基帶信號中的零頻分量--導頻信號，直流分量大小是通過檢測場同步信號的直流分量獲得的。采用判決反饋形式，通過場同步信號的訓練和盲均衡來加速起始收斂速度，當眼圖初步張開之后，采用面向判決的方式加快跟蹤信道的能力，這種工作結構和模式在靜態近多徑信道下取得了很好效果。但是缺點也很明顯，在對付惡劣的信道條件時（如間隔較遠的強多徑干擾），由于判決的不可靠，不正確的判決會累積在后向反饋濾波器中，使得DFE出現誤碼擴散，很難收斂到一個比較好的效果。此外在動態信道條件下，抽頭更新速度跟不上信道的變化，性能也不夠好。歐洲的DVBT系統中，采用OFDM調制，將N個串行傳輸的符號變換為N個并行傳輸的符號(一個OFDM符號塊)，每個符號持續時間擴展了N倍，使其遠遠大于多徑時延，提高了對多徑干擾的抵抗能力。在頻域來看，多徑干擾表現為頻率選擇性衰落，而OFDM是將信息調制到很多個子載波上，在每個子載波上，信道幅頻響應基本不變，但是在每個子載波上仍會有平坦衰落，這樣均衡就簡單了很多。同時，在相鄰OFDM符號塊之間加入循環前綴CP(cyclic prefix)，消除相鄰OFDM符號的干擾。

三、梳狀濾波器消除模擬同頻干擾

在美國的ATSC系統中，使用的是梳狀濾波器來消除模擬同頻干擾。在模擬電視的三個載波：圖像主載波、色度信號載波和伴音信號載波。模擬信號的主要能量主要集中在這三個載波附近，圖像信號與色度信號的頻譜實現相互交錯間隔，使總的信號帶寬保持不變。合理設置梳狀濾波器頻譜零點，使得三個載波的位置正好濾波器頻譜零點。但是這種梳狀濾波器的加入會使載噪比門限上升約3dB。在歐洲的DVB-T系統中，由于模擬電視的能量集中在視頻載波、色副載波以及伴音載波附近,可以直接在頻譜上開槽來消除同頻干擾,而且開槽寬度與同頻干擾抑制能力成正比。這種方法不需要額外增加濾波器，但是代價就在于降低了頻譜利用率。

四、動態多普勒衰落

在對付多普勒頻移方面，單載波系統中可以快速收斂的自適應更新算法如RLS等作為均衡器的抽頭更新算法，但是這些算法一般計算比較復雜，或者對舍入誤差敏感，容易發散，實際中一般較少采用。但是通過對均衡器的進行適當的參數控制，可以部分地提高對付動態信道的能力，然而由于信道突然衰落帶來的判決錯誤會由于采用了判決反饋濾波器而進一步擴散，這種誤碼擴散作用一直困擾著均衡器的發展。隨著硬件處理能力的提高，Turbo接收機技術也在不斷發展，原有的內接收機（同步和均衡）和外接收機（信道解碼）的分界線日益模糊，融合同步均衡解碼是目前解調技術發展的趨勢。從本質上說，這是如何能同時利用歐氏距離（星座點間距離）和漢明距離（碼距離）的問題。這種充分利用2種增益的方法用于對付動態多普勒衰落是非常有效的。

在多載波系統中，在系統設計上要保證以下2個前提：一是多載波符號周期小于信道相干時間，子載波的間隔小于信道相干帶寬。在滿足這兩個條件下的信道可以被認為是準靜態子載波平衰落信道。這樣傳統的基于導頻的信道估計可以按照多載波符號間隔來進行并作補償。但是這2個前提本身是矛盾的，要滿足第一個條件，符號周期要小，即子載波間隔要大，而第二個假設要求子載波間隔小。所以多載波系統對抗動態衰落能力會受制于系統設計。實際動態多普勒衰落總有概率成為多載波系統的子載波間（ICI）干擾。

參考文獻：

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