地面數(shù)字電視單頻網(wǎng)多徑模型研究與性能預(yù)測(cè)

章理為，萬(wàn) 戈，邸 娜，丁文伯，楊 昉

(1.國(guó)家廣播電影電視總局廣播科學(xué)研究院無(wú)線技術(shù)研究所，北京 100045;2.清華大學(xué)電子工程系微波與數(shù)字通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084)

0 引言

為配合國(guó)家地面數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)全面實(shí)施，為單頻網(wǎng)［1］網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)指導(dǎo)，筆者等人開(kāi)展了國(guó)標(biāo)地面數(shù)字電視單頻網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)增益判定方法及模型研究課題研究，其預(yù)期目標(biāo)是針對(duì)固定接收情況，提出一種國(guó)標(biāo)GB20600—2006［2］條件下地面數(shù)字電視接收機(jī)在單頻網(wǎng)內(nèi)多個(gè)同步信號(hào)干擾或增益判定的方法，該方法可以根據(jù)單頻網(wǎng)規(guī)劃軟件計(jì)算得到的場(chǎng)強(qiáng)、延時(shí)等參數(shù)對(duì)單頻網(wǎng)覆蓋情況進(jìn)行判斷。同時(shí)進(jìn)行國(guó)標(biāo)單頻網(wǎng)多個(gè)同步信號(hào)干擾或增益判定及模型研究，形成可計(jì)算的網(wǎng)絡(luò)增益判定模型。

無(wú)線通信中，由于反射或折射等因素，數(shù)據(jù)信號(hào)不是通過(guò)單一的直射路徑傳輸，而是經(jīng)過(guò)多個(gè)路徑抵達(dá)接收天線，這種信道稱為多徑信道。多徑效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致接收到的信號(hào)存在時(shí)間擴(kuò)散和碼間干擾，進(jìn)而影響信號(hào)傳輸?shù)馁|(zhì)量，造成系統(tǒng)接收性能的降低。而2徑、3徑信道的建模以及簡(jiǎn)化是工程研究的基礎(chǔ)性以及決定性工作。3徑模型是研究多徑效應(yīng)的關(guān)鍵部分，對(duì)于超過(guò)3臺(tái)基站的情況，可以通過(guò)能量的等效合并或者主次分離等方法將模型簡(jiǎn)化成1個(gè)或者多個(gè)3徑信道的疊加，由于實(shí)際工程中只需要信號(hào)的強(qiáng)度，與相位無(wú)關(guān)，因此這種方法能夠很好地幫助運(yùn)營(yíng)商簡(jiǎn)化和分析信道。

收集了目前市場(chǎng)上的商用接收機(jī)，通過(guò)測(cè)試，得到了其在單頻網(wǎng)下的性能數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)這些接收機(jī)性能數(shù)據(jù)的分析，分析出與3徑信道有關(guān)的模型。

研究分為前期測(cè)試實(shí)驗(yàn)、理論數(shù)學(xué)建模以及利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和模型進(jìn)行預(yù)測(cè)3個(gè)部分。用多徑模擬器模擬3徑信道，測(cè)試了接收機(jī)性能指標(biāo);而后對(duì)信道下的數(shù)據(jù)進(jìn)行了研究，結(jié)合理論公式和工程簡(jiǎn)化計(jì)算的要求，給出了數(shù)學(xué)模型，并利用模型進(jìn)行數(shù)據(jù)仿真，仿真結(jié)果表明3徑信道的信道接收門(mén)限能夠較好地符合上面得到的模型。

1 測(cè)試內(nèi)容

測(cè)試的系統(tǒng)框圖如圖1所示。測(cè)試使用國(guó)標(biāo)信號(hào)發(fā)生器、多徑模擬器［3］。通過(guò)多徑模擬器的模擬，擬得出接收機(jī)在單頻網(wǎng)下存在多徑時(shí)的性能規(guī)律。

圖1 實(shí)驗(yàn)室測(cè)試系統(tǒng)設(shè)備連接框圖

1.1 測(cè)試方法

步驟1:主徑0 dB，第2徑位于 20 μs處，幅度為－3 dB，改變第3徑的幅度和延時(shí)。第3徑的幅度分別為0，－1，－2，－3，－4，－5，－10，－15 dB，時(shí)延分別為1 μs，5 μs，10 μs，25 μs，35 μs，50 μs，55 μs，失敗點(diǎn)。同時(shí)對(duì)稱測(cè)量前回波數(shù)據(jù)。

步驟2:保持第2徑的延時(shí)不變，改變第2徑的幅度為－5 dB，重復(fù)步驟1。

步驟3:保持第2徑的延時(shí)不變，改變第2徑的幅度為－10 dB，重復(fù)步驟1。

步驟4:主徑0 dB，第2徑位于30 μs處。調(diào)整第2徑的幅度為－3 dB，改變第3徑的幅度和延時(shí)。第3徑的幅度與時(shí)延同步驟1。同時(shí)對(duì)稱測(cè)量前回波數(shù)據(jù)。

步驟5:保持第2徑的延時(shí)不變，改變第2徑的幅度為－5 dB，重復(fù)步驟4。

步驟6:保持第2徑的延時(shí)不變，改變第2徑的幅度為－10 dB，重復(fù)步驟4。

步驟7:主徑0 dB，第2徑位于40 μs處。調(diào)整第2徑的幅度為－3 dB，改變第3徑的幅度和延時(shí)。第3徑的幅度與時(shí)延同步驟1。同時(shí)對(duì)稱測(cè)量前回波數(shù)據(jù)。

步驟8:保持第2徑的延時(shí)不變，改變第2徑的幅度為－5 dB，重復(fù)步驟7。

步驟9:保持第2徑的延時(shí)不變，改變第2徑的幅度為－10 dB，重復(fù)步驟7。

3徑下的測(cè)試點(diǎn)數(shù)量:8 064。

實(shí)際測(cè)試中，根據(jù)保護(hù)間隔不同，相應(yīng)地調(diào)整了測(cè)試時(shí)延的步長(zhǎng)，使待測(cè)點(diǎn)個(gè)數(shù)相等。

1.2 測(cè)試方法說(shuō)明

設(shè)備連接如圖1所示，其測(cè)試步驟為:將信號(hào)發(fā)生器設(shè)置為廣電總局推薦的7種模式之一［3］;然后將測(cè)試平臺(tái)框圖中的“多徑模擬器”設(shè)為3徑組合模型(射頻多徑信道仿真器設(shè)為2徑，不加入任何干擾源)，并根據(jù)要求給定3徑回波強(qiáng)度比，同時(shí)根據(jù)要求設(shè)置3徑的延時(shí)。完成初始化工作后，調(diào)節(jié)C/N值，直到則被測(cè)接收機(jī)達(dá)到客觀判據(jù)接收成功的門(mén)限，記錄此時(shí)的C/N值。重復(fù)以上工作。測(cè)試流程圖如圖2所示。

圖2 測(cè)試方法流程圖

1.3 主觀判別依據(jù)

由于商用機(jī)頂盒一般不具有TS碼流接口，無(wú)法使用誤碼率BER法測(cè)試系統(tǒng)的性能。故采用主觀失敗判據(jù):參照ITU －R BT.1368 －2［4］定義的主觀失敗點(diǎn)(SFP)評(píng)價(jià)法，在3個(gè)相繼20 s的每個(gè)20 s內(nèi)所觀察到的圖像損傷多于一個(gè)則判定為失敗。

2 模型研究

2.1 理論分析

對(duì)于一般的多徑信道模型，主徑幅度為0 dB，第i從徑相對(duì)于主徑時(shí)延為τi，幅度為Δi(i=1，2)。根據(jù)定義3徑信道沖激響應(yīng)模型為［5］

在OFDM系統(tǒng)中，k可以理解為子載波的編號(hào)，將傳輸?shù)臄?shù)字信號(hào)對(duì)應(yīng)到相應(yīng)的子載波上，0≤k＜3 780。

在噪聲條件下，并以dB為單位時(shí)可得發(fā)送端和接收端信噪比的關(guān)系:

2.2 模型簡(jiǎn)化

由于理論上載噪比C/N與信噪比S/N只相差一個(gè)常數(shù)，因此可以完全用H(k)來(lái)表示C/N，有

結(jié)合式(5)和式(6)，利用指數(shù)函數(shù)和對(duì)數(shù)函數(shù)的泰勒展開(kāi)，忽略掉3階以上的項(xiàng)，并保留交叉項(xiàng)，可以獲得

采用 Levenberg － Marquardt［6］全局優(yōu)化方法，經(jīng)過(guò)擬合比較，合理省略掉權(quán)重不大的交叉項(xiàng)以減少運(yùn)算量，最終獲得簡(jiǎn)化建模公式

2.3 數(shù)據(jù)及模型分析

1)大體上，3徑信道的載噪比門(mén)限隨場(chǎng)強(qiáng)差變化呈遞減關(guān)系，隨延時(shí)差變化呈遞增關(guān)系。編碼碼率越小，門(mén)限隨時(shí)延變化越明顯。

2)在3徑情況下，門(mén)限受第3徑時(shí)延變化的影響明顯減弱，門(mén)限變化較為平緩(一般同一場(chǎng)強(qiáng)差不同時(shí)延的門(mén)限差距小于1 dB)。但是在某些延時(shí)點(diǎn)，特別是第3徑延時(shí)與第2徑延時(shí)相近的情況下，會(huì)出現(xiàn)門(mén)限明顯增高或明顯降低的情況(門(mén)限值變化大于2 dB)，出現(xiàn)許多不規(guī)律的門(mén)限值。

3)一般情況下，3徑情況門(mén)限比對(duì)應(yīng)2徑情況門(mén)限高。若第2徑較強(qiáng)，則門(mén)限隨第3徑強(qiáng)度變化較小，基本接近于2徑情況下的門(mén)限(相差1 dB內(nèi));若第2徑較弱，則門(mén)限隨第3徑強(qiáng)度變化較大，隨著第3徑相對(duì)主徑的場(chǎng)強(qiáng)差增大，可觀察到門(mén)限明顯降低(差距在2 dB以上)。

4)單載波模式的總體變化趨勢(shì)和多載波模式相同，門(mén)限隨第3徑強(qiáng)度和延時(shí)的變化比多載波模式更為明顯。

3 數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)

如圖3所示，是在模式3下，JC3018 2號(hào)接收機(jī)的3徑性能擬合曲線與實(shí)測(cè)值的比較。

圖3 模式3下擬合值與實(shí)測(cè)值的比較

由于理論分析通過(guò)多載波模式給出了較好的模型，推廣到單載波情況下數(shù)據(jù)的預(yù)測(cè)功能更好。如圖4所示，是在模式4下，金網(wǎng)通(桑普拉斯Au8820)接收機(jī)的3徑性能擬合曲線與實(shí)測(cè)值的比較。可以發(fā)現(xiàn)在單載波模式下，模型的匹配程度更高，這也是由單載波模式相對(duì)于多載波模式下信道模型更加簡(jiǎn)單所決定的。所有模式下的擬合后參數(shù)詳見(jiàn)表1。

圖4 模式4下擬合值與實(shí)測(cè)值的比較

4 小結(jié)

筆者等人通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試和數(shù)學(xué)建模，得出了單頻網(wǎng)模式下3徑模型的擬合公式，相比于理論公式要有很大的簡(jiǎn)化，能夠保證在一定精確范圍之內(nèi)達(dá)到快速工程計(jì)算的要求。既能滿足較為復(fù)雜的信道情況的分析計(jì)算，又能符合工程簡(jiǎn)化的需求。對(duì)于更多徑的信道，在只考慮幅度的情況下，通過(guò)一系列的等效合并以及主次徑分離，可以轉(zhuǎn)化為一個(gè)或多個(gè)3徑信道進(jìn)行研究。

表1 部分測(cè)試模式下的擬合參數(shù)

［1］陽(yáng)輝，馬杰，潘長(zhǎng)勇.地面數(shù)字電視單頻網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)［J］.電視技術(shù)，2006，30(2):4 －6.

［2］GB/20600—2006，數(shù)字電視地面廣播傳輸系統(tǒng)幀結(jié)構(gòu)、信道編碼和調(diào)制［S］.2006.

［3］丁文伯，章理為，尹衍斌，等.地面數(shù)字電視單頻網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試與模型研究［J］.電視技術(shù)，2011，35(9):1－2.

［4］ITU －R BT.1368 －2，Planning criteria for digital terrestrial television services in the VHF/UHF bands［S］.1998.

［5］PROAKIS J G.Digital communications［M］.New York:McGraw －Hill，1995.

［6］EYCEOZ T，DUEL － HALLEN A L，HALLEN H.Deterministic channel modeling and long range prediction of fast fading mobile radio channels［J］.IEEE Communications Letters，1998，2(9):254 －256.