CMMB信號抗多徑性能的分析與仿真

李俊俊，華宇，黃長江

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CMMB信號抗多徑性能的分析與仿真

李俊俊1,2,3，華宇1,3，黃長江1,2,3

（1. 中國科學院國家授時中心，西安 710600；2. 中國科學院研究生院，北京 100039； 3. 中國科學院精密導航定位與定時技術重點實驗室，西安 710600）

從CMMB(中國移動多媒體廣播)體系結構入手，研究了CMMB信號抗多徑性能。以信號中有、無循環前綴(CP)為例給出了抗多徑性能的詳細推導，通過Matlab7.1對該系統在典型動態多徑信道情況下的性能進行了仿真。結果表明：該系統有很強的抗多徑能力，在信噪比為30 dB時接收CMMB信號與接收普通OFDM(正交頻分復用)信號相比，誤碼率有2個量級的改善，有利于提高導航定位的精度。

中國移動多媒體廣播(CMMB)；抗多徑；循環前綴(CP)；正交頻分復用（OFDM）；動態多徑信道

0 引言

CMMB是中國移動多媒體廣播（China Mobile Multimedia Broadcasting）的簡稱，是國內自主研發的第一套面向手機、PDA、MP3、MP4、數碼相機、筆記本電腦多種移動終端的系統。CMMB系統總體結構如圖1所示。CMMB信號主要由S波段衛星覆蓋網絡和UHF波段地面覆蓋網絡實現信號覆蓋。S波段衛星網絡廣播信道用于直接接收，Ku波段上行，S波段下行。分發信道用于地面增補轉發接收，Ku波段上行，Ku波段下行，由地面增補網絡轉發器轉為S波段發送到CMMB終端[1]。

圖1 CMMB系統總體結構圖

CMMB信號和光信號的傳播一樣，也會受到反射，因此，地面接收設備不僅接收來自衛星的原始信號，同時也接收經過高大建筑物、山體或大面積水域的反射干擾信號。接收機接收的多徑干擾信號與直達信號同相時，多徑信號造成的延遲相關峰會疊加到直接峰上使直達信號增強；當多徑信號與直達信號反相時，多徑信號對直達信號產生相消性干擾，削減直達信號，造成位置計算誤差，該誤差是影響CMMB定位精度的重要誤差源之一。在CMMB導航增強系統中，多徑干擾使信號的調制發生畸變，同時也使載波相位發生畸變，造成系統的定位精度降低，并使處理時間加長。當前對CMMB定位的研究，主要集中在如何消除多徑傳播引起的時延擴展和多徑衰落，以及如何通過TDOA（time difference of arrival）重構或者估計算法來減小非視距傳播誤差對定位的影響方面，而對于信號體制，特別是信號在多徑情況下對定位精度的具體影響，缺乏定量的研究。本文基于CMMB體系結構，研究了CMMB信號在多徑情況下的抗多徑性能，從而有助于對定位的方法和結果做出評價和處理，更有助于定位算法改進、布站選擇等問題的研究。

1 CMMB體系結構

CMMB系統的幀結構是按時隙劃分的，其信號帶寬分為2種：2 MHz和8 MHz，本文以8 MHz為例來做仿真驗證。1 s時間劃分為40個時隙，每個時隙25 ms，包括了1個信標和53個OFDM（orthogonal frequency division multiplexing）符號。信標中含有發射機的標識信號（TxID）以及2個長度、信息完全相同的同步信號。一個OFDM符號由OFDM數據體和長度為51.2μs的循環前綴（cyclic prefix，CP）構成，如圖2所示。在8 MHz帶寬信號中，每個OFDM符號包含了4 096個子載波，其中2 610個是數據子載波，384個是離散導頻，82個是連續導頻，其余是空子載波[1]。連續導頻在符號中的位置是固定的，而離散導頻的位置則每隔一個符號重復一次。

CMMB系統為了保證在接收端能夠準確地恢復出原信號，在發送端除了添加循環前綴外，還在發射機標識信號、同步信號和相鄰OFDM符號之間增加了額外的保護間隔（GI），保護間隔的長度為2.4μs，也是采用OFDM信號的循環擴展。通過保護間隔相互交疊，可以保證非恒定信號幅度部分不會落入FFT的時間區域內，這樣在接收端精確同步的前提下就可以去除窗函數，取出所需要的時域信號，通過FFT恢復出發送端所發送的數據。

圖2 CMMB體系結構

2 抗多徑性能分析

OFDM系統中，不加CP的傳輸信號表示如下[3]：

第個子信道接收到的數據則表示如下：

第個子信道數據則表示如下：

上述推導證明了CMMB信號中CP可以消除部分CMMB傳輸中的OFDM符號間串擾，當信道的最大多徑時延小于CP長度51.2μs時，OFDM系統傳輸中不產生符號間串擾。因為CMMB信號中也以同樣的方式插入了2.4μs的保護間隔，故CMMB系統理論上可以抵抗時延小于53.6μs的多徑影響，相當于減小測距誤差16.08 km。

3 仿真與驗證

本文使用Matlab7.1建立系統模型，目的是觀察在不同信噪比（SNR）信道條件下CMMB系統的誤碼情況，由導航定位的解算方程可知，若信號的誤碼率低，解算的定位精度則高；若誤碼率高，則解算的定位精度低[5-6]。按照CMMB信號體制產生理想的輸入信號，經過調制、串/并變換后，進行傅里葉變換和并/串轉換，然后插入保護間隔，再經過數/模變換后形成OFDM調制后的信號。該信號經過加性高斯白噪聲信道和多徑信道后，接收到的信號經過模/數變換，去掉保護間隔以恢復子載波之間的正交性，再經過串/并變換和傅里葉變換后，恢復出OFDM的調制信號，并/串變換后還原出輸入的符號。仿真中的多徑信道是典型的動態多徑信道，具體參數見表1，更多具體多徑信道參數見文獻[7]。

表1 城市車載接收多徑模型(TU12)

注：1）“TU12”是文獻[7]中典型的多徑模型代號；2）表中（1）和（2）是“TU12”模型中的2種較通常的情況。

圖3給出了加性高斯信道和典型動態多徑信道下系統的誤碼率曲線圖。該曲線圖表明CMMB系統在多徑信道環境下，系統的性能急劇惡化，在低信噪比時誤碼率比加性高斯白噪聲（AWGN）信道的信號要高，在高信噪比時誤碼率的改善也不明顯，僅提高一個量級，而AWGN信道在高信噪比時誤碼率相對于低信噪比情況提高可達3個量級。

圖3 高斯信道下和多徑信道下系統的誤碼率曲線

圖4給出了典型動態多徑信道下有循環前綴和沒有循環前綴的系統誤碼率曲線圖，該曲線表明添加循環前綴可以有效提高系統抗多徑干擾。在信噪比較低的情況下，系統的干擾主要是高斯白噪聲干擾，添加循環前綴對系統性能影響小于2×10-5；當信噪比提高后，系統干擾轉變為多徑干擾為主，添加循環前綴對系統性能改善明顯，在信噪比為30dB時沒有循環前綴的誤碼率為2~3×10-3，而有循環前綴的信號誤碼率小于2×10-5。

圖4 多徑衰落信道下有循環前綴與無循環前綴的系統誤碼率曲線

4 結論

本文對CMMB系統進行仿真研究，用Matlab7.1語言仿真了整個流程。仿真結果表明CP和GI可以消除部分CMMB傳輸中的OFDM符號間串擾，當信噪比為20dB時無多徑的誤碼率約為4×10-5，而有多徑影響信號的誤碼率高達10-2；添加循環前綴后，在低信噪比情況下多徑信道的誤碼率與沒有添加之前差別不大，信噪比提高后則有循環前綴的信號誤碼率有顯著的改善。

抗多徑技術是一個具有多年歷史的研究課題，但所涉及的基本理論與技術仍有待于進一步的發展與完善，多徑信道通信理論尚未有完備的理論體系，多徑衰落信道對移動通信所產生的影響是有利還是有弊尚無法定論。由于技術上的限制，一些復雜的最優處理方法（如自適應角分集、多用戶檢測、級聯編碼技術等），目前尚難應用于實際系統中，還有許多工作有待于更深一步的研究。

[1] 中國國家廣播電影電視總局. GY/T 220.1—2006移動多媒體廣播[S]. 2006.

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Analysis and simulation of anti-multipath performanceof China Mobile Multimedia Broadcasting(CMMB)

LI Jun-jun1,2,3, HUA Yu1,3, HUANG Chang-jiang1,2,3

(1. National Time Service Center, Chinese Academy of Sciences, Xi′an 710600, China;2. Graduate University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100039, China;3. Key Laboratory of Precision Navigation and Timing Technology, National Time Service Center,Chinese Academy of Sciences, Xi′an 710600, China)

In this paper the anti-multipath performance of the CMMB(China Mobile Multimedia Broadcasting) signal is studied based on the CMMB system structure. The anti-multipath performance is derived in detail for the signals with or without CP(circular prefix), and the performance of CMMB system in case oftypical dynamic multipath channel is simulated by using Matlab7.1.The resultsshow that the CMMB system is powerful in resisting the multipath effect, and the bit error rate for receiving CMMB signal is improved by two orders of magnitude compared with that for receiving ordinary OFDM(orthogonal frequency division multiplexing) signal when the SNR is 30 dB, being helpful to improve the precision of navigation /positioning.

China Mobile Multimedia Broadcasting(CMMB); anti-multipath; circular prefix(CP); orthogonal frequency division multiplexing(OFDM); dynamic multipath channel

TN919

A

1674-0637(2012)04-0244-06

2012-03-05

國家自然科學基金資助項目（0915ZK1301）

李俊俊，女，碩士研究生，主要從事CMMB導航增強中抗多徑技術研究。