DVB-T系统中OFDM信号检测算法的研究

王雁涛,胥 桓，熊 刚

(1.海军装备部驻重庆地区军事代表局,重庆 400042；2.中国电子科技集团公司第30研究所，成都 610041)



DVB-T系统中OFDM信号检测算法的研究

王雁涛1,胥 桓2，熊 刚2

(1.海军装备部驻重庆地区军事代表局,重庆 400042；2.中国电子科技集团公司第30研究所，成都 610041)

针对地面数字视频广播(DVB-T)系统中正交频分复用(OFDM)信号的盲检测问题，提出了一种基于差分处理结合相关运算的联合检测新算法。该算法利用了OFDM循环前缀的差分性质和相关特征，并对检测门限进行优化，最终达到了提高算法检测性能的目的。通过理论分析和计算机仿真结果表明，该算法能在较低的信噪比情况下正确地检测出信号，性能优于过去的算法。并且不需要很多先验信息，实用性好，还可为认知无线电领域的用户检测提供新方法途径。

DVB-T系统；OFDM信号；循环前缀；联合检测

0 引 言

正交频分复用(OFDM)调制技术已广泛应用于目前的各种无线通信系统，如数字视频广播系统(DVB)和数字音频广播系统(DAB)等。在地面数字视频广播(DVB-T)中，由于采用了OFDM技术，使其具有较高的数据传输速率和频谱利用率；并且该标准开放性好，兼容能力强，从而得以推广，DVB-T已经成为当今全球使用最广泛的标准之一。另一方面，在军事应用中，新一代的DVB系统也逐渐发挥重要的价值，例如对于美军的全球广播业务(GBS)，为了提高向各种战术用户传输数据、视频和图像的容量和抗干扰性能，正在进行技术更新，重新设计调制信号发送站和用户终端。

基于相关的DVB-T系统的检测算法必须获得信号各种确定的先验参数信息[1]。但是在网络电磁对抗环境中，不能直接获取信道状态信息的情况，无法对OFDM信号实现直接的相干检测处理，因此常将DVB-T系统中OFDM信号的盲检测问题作为分析研究的一个难点[2-3]。

过去还有一些信号检测方法是基于能量检测的思路，但在实际应用时，算法判决门限在检测授权频段中难以合理选取，导致了信号检测正确概率降低。为解决上述问题，本文提出了一种DVB-T系统中OFDM信号盲检测算法。该算法可以提高检测性能，运算复杂度也较小，最后通过计算机仿真实验验证了新方法的有效性。

1 信号模型分析

假设OFDM信号中有N个子载波，且循环前缀和数据符号一起经过OFDM调制后再进行发送。OFDM信号模型可表示为：

(1)

如果信道的冲激响应在每帧里不会随时间变化，则信号在多径信道下的时域冲激响应可表示成：

(2)

式中:J为多径信道路径数目;ak为第k条路径上的衰落因子;τk为第k条信道路径的时延。

在DVB-T系统中，信号主要有3种参数，分别是带宽、模式和循环前缀(CP)的长度。信号带宽可在5 MHz, 6 MHz, 7 MHz 和8 MHz任选一种；模式参数决定了OFDM调制的子载波数量，取值为2K,4K和8K分别代表2 048个，4 096个和8 192个子载波；循环前缀长度是根据OFDM符号持续时间比例定义，取值为1/4，1/8，1/16或1/32。1帧信号数据由68个连续OFDM符号组成。

DVB-T信号在时域上可表示为：

(3)

其中基函数ψp,l,k(t) 的定义式如下：

ψp,l,k(t)=

(4)

式中:Ts为OFDM符号的持续时间;Δ为循环前缀CP的持续时间;m∈{2,8},为模式参数的取值范围;fc为载波频率。

为保证DVB-T相邻信道间保护间隔，一些子载波未使用，如在2K和8K模式里，有用子载波数分别是1 705和6 817。子载波间隔为106B/(896m)Hz,其中B为子载波对应的净码流符号速率,单位为Mb/s,即106bit/s。作为例子，表1对信号在8 MHz带宽时符号长度参数进行说明。

表1 DVB-T信号8 MHz时的各种符号参数

表1中，TU代表符号持续时间，则Ts=TU+Δ。信号相关可由下面各式说明：

(5)

(6)

(7)

式中:f[m]和g[n+m]为信号的相关分量，可由信号的采样点通过采用加窗函数处理得到;设2种窗长度都为L个采样点，L的值取决于CP的长度Δ和信号采样频率fSAMP；TD为窗之间的时间间隔，为常数值;TU则为它们的起始时刻之差。

进行相关运算处理时，上述2种窗函数都是按照每个采样点为步进实现连续滑动的，这些信号窗的相关函数可根据每次步进的值来求得，如果第1种窗的位置与信号循环前缀的采样点部分准确匹配，那么第2种则在理论上能够与OFDM符号的末尾部分重合，因此，将会出现一个相关峰值，也即相关函数的最大值。

图1是DVB-T信号实现相关检测的原理示意图，该方法的优势在于能够在较低的信噪比情况下正确检测出信号；缺点是必须知道较多的DVB-T信号明确的先验信息，否则无法检测[4]；而且由于在瑞利衰落信道中的信号相关峰值会受到影响变化，导致此时的检测性能降低。

2 DVB-T信号检测算法

2.1 基于差分处理的检测思路

在瑞利衰落信道情况下，DVB-T信号的传输表达式r(k)为：

(8)

式中:s(k)为信号的基带复数表达形式;n(k)为零均值高斯白噪声;c(k,τm)代表瑞利衰落信道的过程，τm对应表示多径传输中的延时，τm的最大值设为τM，即传输最大延迟时间，它必须小于OFDM符号的保护间隔。

图1 DVB-T信号相关检测的原理示意图

信号经差分运算处理后的表达式为：

[s(k-τm)c(k,τm)]}+ndif(k)

(9)

式中:ndif(k)=n(k-T)-n(k)。

由于循环前缀扩展的实质是相应的OFDM符号的后半部分，故：

(10)

式中:Tg为OFDM符号的保护间隔时间，l是整数。

由此rdif(k)还可表示成：

rdif(k)=

然后为了简化的目的，假设l=0，并且在上式中，OFDM信号的最大多普勒频移相对于各符号的载波频率而言很小，因此c(k-T,τm)-c(k,τm)的值可近似为0。此外，当信噪比较高时，ndif(k)的平均值也近似为0，故rdif(k)在τM≤k≤Tg时的平均值也近似为0。长度为L的信号的滑动平均能量可由下式计算得到：

(12)

根据前面的推导，rrave(k)的值在L取合理的值并且τM≤k≤Tg-L+1时，近似为0。

rrave(k)的取值在τM≤k≤Tg-L+1范围时近似为0，而在k=Tg-L+2时变为取最大值。上述检测方法的思路通过计算rrave(k)的变化量，由于rrave(k)是一个从取值0到最大值的变化量，故可用下面的rdiv(k)来表示检测判决量：

(13)

rdiv(k)在Tg-L+2时取峰值，所以可通过检测这个峰值来判断出信号，且不会受到传输信道延迟影响。

2.2 改进的联合检测算法思路

下面提出一种基于差分处理和循环前缀相关的联合检测算法思路，并对判决门限进行优化，进一步提高了检测性能。如前所述，由于OFDM循环前缀是信号数据其它部分的复制，所以和需检测的DVB-T信号具有较强的相关性，且当利用CP进行滑动时，它与后面的信号部分都具有相同的子载波数量和信道路径延时，这些特性可用来实现差分结合相关的联合检测思路，即一方面通过信号的差分性质实现处理，另一方面再结合利用循环前缀相关后结果实现判决，检测门限由这2种方式各自检测概率的加权系数表达式合并而形成，获得了优化门限值和最佳检测性能。由于采取差分处理和平均计算的思路，该方法可减弱瑞利衰落信道中各路径分量变化时带来的影响。图2是以差分处理和相关运算为基础的联合检测算法处理流程框图。

图2 改进的联合检测算法处理流程框图

在图2中，信号与其延迟N个采样点后的数据进行相关的表达式如下：

N],0≤k<Ν+L

(14)

式中:L为CP长度;M为符号平均数量。

接收到的数据信号能量部分可表示为：

(15)

接收信号的延迟部分的能量表达式为：

(16)

接下来采用循环前缀的分集相关思路，并定义D1代表时间的测度值，也即：

(17)

再根据差分处理思路，还可利用信号能量差分的方式，求出M个符号的平均量并构造确定的OFDM信号的时间测度：

|r(k+m(N+L)]|2, 0≤ k

(18)

由于CP的能量差分特性，CP部分的差分数值应最小。Pdif(k)是凸函数波形，为了简化运算，可进行如下修正：

(19)

式中:Mean(Pdif(k))为信号序列Pdif(k)的平均值，定义如下：

(20)

再对算法的检测门限进行一些优化处理。由于在认知无线电信号处理中，DVB-T信号的检测通常都可以视作一种二元假设的检验问题，即：

(21)

式中:N为采样点数；x(n)为DVB-T系统的接收信号;s(n)为实际发送的DVB-T用户信号，也即需检测的目标信号；v(n)为加性高斯白噪声；H0为DVB-T目标信号不存在的假设；H1为目标信号存在的假设。

设用户接收到的信号x(n)的检测统计量表示为Y，通过门限λ和Y进行比较，判断信号有无，则检测概率pd和虚警概率pf可表示为：

(22)

式中:Fprod为计算相应假设H0或H1下概率矩阵中分量元素的连乘积函数。

因此，优化判决门限可由虚警概率和检测概率的加权系数表达式合并形成，如下：

(23)

式中:ρ1为虚警概率的加权系数;ρ2为检测概率的加权系统，且0<ρ1<1，0<ρ2<1，ρ1+ρ2=1。

在已知pd与pf计算式的前提下，通过对上式进行最小化处理，可以获得优化的判决门限值，从而达到最佳的检测性能。根据推导，可得优化后的判决门限表达式为：

(24)

式中:r为信噪比;Q(·)为高斯Q函数。

3 算法仿真和分析

首先，对信号在各信噪比情况下的相关性进行MATLAB软件仿真,作出性能曲线图。以8 MHz带宽DVB-T系统OFDM信号为例，设信号传输模式8K，调制方式64正交幅相调制(64QAM)，循环前缀因子为1/4，信号采样率为50 MHz。

图3横轴坐标表示采样点数，纵轴坐标表示利用CP得出的相关值。不同颜色曲线代表不同信噪比情形，从图中可以看出，相关峰值随信噪比降低而减小。

图3 各信噪比情况下信号相关值变化曲线

图4是对改进的OFDM信号联合检测算法与传统的基于差分处理检测算法的性能对比图。横轴

坐标表示信噪比，单位为dB，纵轴表示该算法的检测正确概率。

图4 2种算法的检测正确率曲线

从图4可以看出，在信噪比较低的情况下，联合检测新算法的性能要好于单一的基于差分处理的检测算法，而且新算法在信噪比为2 dB左右时检测概率可达到98%以上。

4 结束语

本文分析了一种DVB-T系统中改进的OFDM信号检测算法，通过循环前缀相关结合差分处理的思路提升了抗噪性能，对检测门限进行了优化。新算法不仅无需先验信息，并且和过去的方法相比提高了在低信噪比下OFDM信号的检测正确概率。今后将进一步优化，为解决对抗环境中非协作接收信号的检测和处理提供一种更有效的手段，并为今后认知无线电领域中频谱感知技术的发展提供一定程度的参考作用。

[1] 薛伟宏,宋春林,兰利宝,等.DVB-T中Viterbi译码器的设计及FPGA 实现 [J].通信技术，2014，47(3):324-329.

[2] YANG L H，REN G L，Qiu Z L.A novel Doppler frequency offset estimation method for DVB-T system in HST environment [J] .IEEE Transactions on Broadcasting，2012，58(1):139-143．

[3] 张昊晔，包志华，张士兵．基于循环谱能量的自适应频谱检测算法[J]．通信学报，2011，32(11):95-103．

[4] CHAUDHARI S,KOIVUNEN V,POOR H V.Autocorrelation-based decentralized sequential detection of OFDM signals in cognitive radios[J].IEEE Transactions on Signal Processing,2009,57(6):2690-2700.

Research into OFDM Signal Detection Algorithm in DVB-T System

WANG Yan-tao1,XU Huan2,XIONG Gang2

(1.Military Representative Office of Navy Equipment Department in Chongqing,Chongqing 400042,China;2. No.30 Research Institute,CETC,Chengdu 610041,China)

Aiming at the blind detection problem of orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) signal in digital video broadcasting-terrestrial (DVB-T) system,this paper puts forward a new joint detection algorithm based on differential processing combining with correlated operation.The algorithm uses the difference characteristic of OFDM cyclic prefix to optimize the detection threshold,which improves the performance of algorithm detection.The theoretical analysis and computer simulation result show:the proposed algorithm can be used for detecting signals correctly in the state of lower signal-to-noise ratio (SNR),has performance better than traditional algorithms,and need not much prior information,has good practicability,moreover can provide a new path for user detection in cognitive radio domain．

DVB-T system;orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) signal;cyclic prefix;joint detection

2016-01-22

TN911.23

A

CN32-1413(2016)04-0077-05

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2016.04.018