分集技術(shù)在CMMB中的應(yīng)用

摘要：文章首先介紹了CMMB系統(tǒng)的架構(gòu)，接著總結(jié)了移動(dòng)通信中無(wú)線(xiàn)信道的特征，通過(guò)對(duì)衰落信道與AWGN信道的對(duì)比引出了分集的概念。然后從時(shí)間，頻率，空間的角度分析了分集的實(shí)現(xiàn)方法。最后闡述了CMMB系統(tǒng)是如何利用這些分集技術(shù)的。
關(guān)鍵詞：CMMB分集

0 引言
    本文主要研究了CMMB的傳輸技術(shù)以及分集思想在CMMB傳輸中的應(yīng)用。在參考了CMMB傳輸標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合數(shù)字通信的理論，研究了多徑衰落信道對(duì)CMMB傳輸?shù)挠绊懀M(jìn)而將分集的理論與CMMB的傳輸標(biāo)準(zhǔn)結(jié)合，分析了其實(shí)現(xiàn)分集的原理，從時(shí)間分集、頻率分集、空間分集的角度對(duì)分集在CMMB中的應(yīng)用進(jìn)行了歸納和總結(jié)。

1 CMMB系統(tǒng)簡(jiǎn)介
    CMMB是英文China Mobile Multimedia Broadcasting(中國(guó)移動(dòng)數(shù)字多媒體廣播)的簡(jiǎn)稱(chēng)。國(guó)家廣電總局于2006年10月頒布了中國(guó)移動(dòng)多媒體廣播行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，確定采用我國(guó)自主研發(fā)的移動(dòng)電視接收標(biāo)準(zhǔn)STiMi，該標(biāo)準(zhǔn)從同年11月1日起實(shí)施。CMMB是國(guó)內(nèi)自主研發(fā)的第一套面向手機(jī)、PDA、MP3、MP4、數(shù)碼相機(jī)、筆記本電腦等多種移動(dòng)終端的系統(tǒng)，利用大功率S波段衛(wèi)星信號(hào)覆蓋全國(guó)，利用地面增補(bǔ)轉(zhuǎn)發(fā)器同頻同時(shí)同內(nèi)容轉(zhuǎn)發(fā)衛(wèi)星信號(hào)補(bǔ)點(diǎn)覆蓋衛(wèi)星信號(hào)盲區(qū)，利用無(wú)線(xiàn)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建回傳通道，從而組成單向廣播和雙向交互相結(jié)合的移動(dòng)多媒體廣播網(wǎng)絡(luò)。
    CMMB系統(tǒng)的物理層邏輯信道的編碼和調(diào)制功能框圖如圖1所示。來(lái)自上層的輸入數(shù)據(jù)流經(jīng)過(guò)前向糾錯(cuò)編碼、交織和星座映射后，與離散導(dǎo)頻和連續(xù)導(dǎo)頻復(fù)接在一起進(jìn)行OFDM(正交頻分多路復(fù)用)調(diào)制。調(diào)制后的信號(hào)插入幀頭后形成物理層信號(hào)幀，再經(jīng)過(guò)基帶至射頻變換后發(fā)射。

    CMMB物理層通過(guò)物理層邏輯信道(PLCH)為上層業(yè)務(wù)提供廣播通道。PLCH分為控制邏輯信道(CLCH)和業(yè)務(wù)邏輯信道(SLCH)。CLCH用于承載廣播系統(tǒng)控制信息，SLCH用于承載廣播業(yè)務(wù)，如圖2所示。
    物理層對(duì)每個(gè)PLCH進(jìn)行單獨(dú)的編碼和調(diào)制，其中CLCH采用固定的信道編碼和調(diào)制模式。SLCH的編碼和調(diào)制模式根據(jù)系統(tǒng)需求可靈活配置，配置模式通過(guò)系統(tǒng)控制信息向終端廣播。根據(jù)編碼和調(diào)制參數(shù)不同，物理層可提供不同的傳輸凈荷。

2 無(wú)線(xiàn)信道與分集技術(shù)
2．1 無(wú)線(xiàn)信道的特征
    無(wú)線(xiàn)信道的主要特征是信道隨著時(shí)間和頻率的變化，大致可以分為兩種類(lèi)型：大尺度衰落和小尺度衰落。大尺度信號(hào)衰落由發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的主要地形(如山丘、樹(shù)林、建筑等)引起，表示了平均信號(hào)強(qiáng)度的衰減；而小尺度信號(hào)衰落主要是信號(hào)的時(shí)間擴(kuò)展及信道時(shí)變，前者由多徑效應(yīng)引起，表現(xiàn)為頻率選擇性衰落或平坦衰落，后者由多普勒效應(yīng)引起，表現(xiàn)為快衰落或慢衰落。對(duì)于通信系統(tǒng)的研究主要針對(duì)于小尺度衰落，大尺度衰落針對(duì)通信基站規(guī)劃這樣的問(wèn)題更為密切一些。
    多徑效應(yīng)：多徑指無(wú)線(xiàn)電信號(hào)從發(fā)射天線(xiàn)經(jīng)過(guò)多個(gè)路徑抵達(dá)接收天線(xiàn)的傳播現(xiàn)象。大氣層對(duì)電波的散射、電離層對(duì)電波的反射和折射，以及山巒、建筑等地表物體對(duì)電波的反射都會(huì)造成多徑傳播。多徑效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致信號(hào)的衰落和相移。
    移動(dòng)通信系統(tǒng)中與多徑效應(yīng)相關(guān)的一個(gè)重要參數(shù)是多徑時(shí)延擴(kuò)展，常把多徑衰落信道的多徑強(qiáng)度分布基本為零的時(shí)間范圍稱(chēng)為信道的多徑擴(kuò)展。從多徑擴(kuò)展可以引出相干帶寬的概念。相干帶寬與多徑擴(kuò)展之間存在反比關(guān)系。當(dāng)輸入帶寬遠(yuǎn)小于相干帶寬時(shí)，我們通常把這樣的信道稱(chēng)為平坦衰落(flat fading)信道，在這種情況下，多徑時(shí)延擴(kuò)展遠(yuǎn)小于碼元時(shí)間l／W，信號(hào)在平坦衰落信道上傳輸擁有近似的傳播特性，沒(méi)有明顯的畸變，不會(huì)導(dǎo)致時(shí)域波形上的劇烈變化。而當(dāng)輸入帶寬遠(yuǎn)大于相干帶寬時(shí)，通常把這樣的信道稱(chēng)為頻率選擇性衰落(frequen cy-selective fading)信道，在這樣的信道中傳輸，對(duì)不同頻率的電磁波的傳播特性是不一樣的，所以隨著在其中傳送的電磁波的頻率的變化，其信道響應(yīng)也不停地變化，這也就是稱(chēng)作頻率選擇性的本質(zhì)原因。
    多普勒效應(yīng)：信道時(shí)變效應(yīng)是由發(fā)射端和接收端的相對(duì)運(yùn)動(dòng)或信道中的物體運(yùn)動(dòng)引起的，這些相對(duì)運(yùn)動(dòng)都會(huì)導(dǎo)致接收端接收到的電磁波信號(hào)的頻率有所變化，在頻域表現(xiàn)為多普勒頻移。多普勒效應(yīng)會(huì)引起信道的響應(yīng)隨時(shí)間變化。
    移動(dòng)通信系統(tǒng)中與多普勒效應(yīng)相關(guān)的一個(gè)重要參數(shù)是多普勒擴(kuò)展。我們常常把多徑衰落信道的多普勒功率譜基本為零的帶寬范圍稱(chēng)為信道的多普勒擴(kuò)展。從多普勒擴(kuò)展可以引出相干時(shí)間的概念。相干時(shí)間與多普勒擴(kuò)展之間存在反比關(guān)系。如果相干時(shí)間大于時(shí)延要求，那么信道為慢衰落(slow fading)信道，在這種情況下，信道的沖擊響應(yīng)在符號(hào)傳播期間能夠保持較為“一致”，不會(huì)發(fā)生巨大的畸變。慢衰落一般來(lái)說(shuō)所傳信號(hào)頻譜中的各個(gè)頻率分量幾乎產(chǎn)生同樣影響，因而對(duì)信號(hào)損害不大，一般可通過(guò)均衡補(bǔ)償；相反，如果相干時(shí)間遠(yuǎn)小于應(yīng)用的時(shí)延要求，那么信道為快衰落(fast fading)信道，在這種情況下，符號(hào)傳輸期間信道的沖擊響應(yīng)隨時(shí)間變化劇烈，通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)中必須用特殊手段對(duì)抗快衰落。
2．2 無(wú)線(xiàn)通信中的分集技術(shù)
    無(wú)線(xiàn)通信領(lǐng)域權(quán)威David Tse博士在文獻(xiàn)中，分析了窄帶衰落信道中未編碼傳輸?shù)南喔蓹z測(cè)與非相干檢測(cè)，通過(guò)與AWGN信道傳輸?shù)膶?duì)比，指出前兩者傳輸?shù)牟铄e(cuò)概率比AWGN信道的高得多的根本原因并不是因?yàn)榻邮諜C(jī)缺乏關(guān)于信道的知識(shí)，而是因?yàn)樾诺涝鲆媸请S機(jī)的，并且信道處于深度衰落的概率很大這樣的事實(shí)。當(dāng)可靠通信取決于一條路徑的信號(hào)強(qiáng)度，而該路徑處于深度衰落的概率又很大時(shí)，任何通信方案都有可能出現(xiàn)差錯(cuò)。
    提高性能的解決方法是要確保信息碼元通過(guò)多條信號(hào)路徑，并且各路徑的衰落是相互獨(dú)立的，從而只要有一條路徑的信號(hào)足夠強(qiáng)就可以保證可靠的通信。這種技術(shù)在通信中就叫做“分集”，它可以極大地改善衰落信道中的性能。分集的實(shí)現(xiàn)方法有很多，比如時(shí)間分集、頻率分集、空間分集，等等。
    (1)時(shí)間分集。時(shí)間分集是指以超過(guò)信道相干時(shí)間的時(shí)間間隔重復(fù)發(fā)送信號(hào)，以便讓再次收到的信號(hào)具有獨(dú)立的衰落環(huán)境，從而產(chǎn)生分集效果。一般可以對(duì)信息進(jìn)行編碼，并將編碼后的碼元交織分散到不同的相干周期，從而使得碼字的不同部分經(jīng)歷相互獨(dú)立的衰落，實(shí)現(xiàn)時(shí)間分集。
    (2)頻率分集。如果信道是頻率選擇性的，可以將信號(hào)在不同頻率的通道下發(fā)送，只要頻率間隔大于信道相干帶寬，那么它們就會(huì)經(jīng)歷相互獨(dú)立的衰落，從而達(dá)到分集的效果。
    (3)空間分集。也叫天線(xiàn)分集，是一種在發(fā)射端或(和)接收端安裝多根不同位置的天線(xiàn)的分集技術(shù)。若這些天線(xiàn)的距離足夠大，則電磁波受到衰落的影響就相互獨(dú)立，達(dá)到分集的作用

3 CMMB中的分集應(yīng)用
    CMMB在傳輸技術(shù)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)上利用到了上述的分集思想。
3．1 時(shí)間分集
    CMMB在傳輸技術(shù)上主要利用編碼與交織實(shí)現(xiàn)時(shí)間分集。由圖1可見(jiàn)，來(lái)自上層數(shù)據(jù)流在進(jìn)行星座映射、并隨后進(jìn)行OFDM調(diào)制之前經(jīng)歷了如下的處理：RS編碼、字節(jié)交織、LDPC編碼、比特交織。其中RS編碼常被稱(chēng)為外碼，LDPC常被稱(chēng)為內(nèi)碼。在通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)中經(jīng)常采用這種級(jí)聯(lián)碼，RS碼因其具有較強(qiáng)的糾正突發(fā)錯(cuò)誤的能力，再結(jié)合LDPC糾正隨機(jī)誤碼能力較強(qiáng)，使得信道編碼具有十分優(yōu)異的性能。
    CMMB傳輸標(biāo)準(zhǔn)采用了兩次交織，交織的本質(zhì)是把信息離散化，再利用編碼技術(shù)進(jìn)行糾錯(cuò)。兩次交織是為了降低內(nèi)碼和外碼的糾錯(cuò)譯碼相關(guān)性。字節(jié)交織將整個(gè)塊中的信息離散化，比特交織通過(guò)按行寫(xiě)入，按列讀出的方法，使數(shù)據(jù)序列的相關(guān)性大大減弱，而在接收端通過(guò)信道編碼技術(shù)極大地消除突發(fā)錯(cuò)誤的危害。圖3非常直觀(guān)地說(shuō)明了編碼交織與時(shí)間分集的作用，如果沒(méi)有編碼交織，在連續(xù)碼元發(fā)送的情況下，深度衰落會(huì)導(dǎo)致x2碼字完全消失；而在有編碼與交織的情況下，僅會(huì)導(dǎo)致各碼字其中一個(gè)編碼碼元消失，此時(shí)利用級(jí)聯(lián)的信道編碼技術(shù)仍然能夠從其他三個(gè)未衰落的碼元中恢復(fù)出各個(gè)碼字來(lái)。

3．2 頻翠分集
    在CMMB這樣的寬帶無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)中存在的主要問(wèn)題是利用頻率分集的同時(shí)處理由頻率選擇性衰落所引起的符號(hào)間干擾(ISI)問(wèn)題，一般而言，有三種常用的方法：采用均衡技術(shù)的單載波系統(tǒng)、直接序列擴(kuò)頻、多載波系統(tǒng)。CMMB采用的是CMMB這種多載波系統(tǒng)。
    OFDM是近年來(lái)備受人們關(guān)注的一項(xiàng)寬帶多載波傳輸新技術(shù)。由于接收機(jī)所接收到的信號(hào)是通過(guò)不同的直射、反射、折射等路徑到達(dá)接收機(jī)的，這些信號(hào)的到達(dá)時(shí)間和相位都不相同。這樣，接收信號(hào)的幅度將會(huì)發(fā)生急劇變化，從而產(chǎn)生衰落。同時(shí)由于多徑傳輸，在發(fā)射端發(fā)射的一個(gè)脈沖信號(hào)，在接收端將收到多個(gè)脈沖信號(hào)，這就造成了信道的時(shí)間彌散性。這種時(shí)間彌散性會(huì)造成接收信號(hào)中的一個(gè)符號(hào)的波形會(huì)擴(kuò)展到其他符號(hào)當(dāng)中，造成ISI。
    為了避免產(chǎn)生ISI，應(yīng)該令符號(hào)寬度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于無(wú)線(xiàn)信道的最大時(shí)延擴(kuò)展。而增大符號(hào)寬度必然會(huì)使數(shù)據(jù)傳輸速率降低，這就給在無(wú)線(xiàn)信道中高速傳輸數(shù)據(jù)造成了困難。OFDM就是為了解決在無(wú)線(xiàn)信道中高速傳輸數(shù)據(jù)而被提出的。它把數(shù)據(jù)流分解為多個(gè)獨(dú)立的子比特流，這樣每個(gè)子數(shù)據(jù)流將具有低得多的比特速率，用這樣的低比特率形成的低速率符號(hào)，通過(guò)快速傅立葉反變換(IFFT)將數(shù)據(jù)調(diào)制到多個(gè)正交子載波上，在保證總的傳輸速率很高的前提下，使每個(gè)子載波上的數(shù)據(jù)以較低的速率傳輸，構(gòu)成多個(gè)低速率符號(hào)并行發(fā)送的傳輸系統(tǒng)，
從而能克服ISI。
    CMMB系統(tǒng)中，信道呈頻率選擇性衰落。而OFDM正是將信號(hào)分割為N個(gè)子信號(hào)，然后用N個(gè)子信號(hào)分別調(diào)制N個(gè)相互正交的子載波，從而通過(guò)控制每個(gè)子載波的帶寬，使其滿(mǎn)足平坦衰落，以克服多徑效應(yīng)。每個(gè)OFDM符號(hào)包含一個(gè)51．2μs的循環(huán)前綴(CP)和409．6μs的數(shù)據(jù)體，因此OFDM符號(hào)長(zhǎng)度為460．8μs，從而使子載波滿(mǎn)足平坦衰落，避免符號(hào)問(wèn)串?dāng)_。循環(huán)前綴的加入也正是為了保證這一點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)，且不影響數(shù)據(jù)內(nèi)容。CMMB從信號(hào)處理的角度做了大量改進(jìn)。通過(guò)應(yīng)用正交多載波并合理設(shè)計(jì)幀結(jié)構(gòu)、添加循環(huán)前綴、控制OFDM符號(hào)長(zhǎng)度等手段大大削弱了頻率選擇性衰落和多普勒頻移的影響，基本保證了平坦衰落和慢衰落的實(shí)現(xiàn)。
3．3 空間分集
    空間分集，也叫天線(xiàn)分集，是一種在發(fā)射端或(和)接收端安裝多根不同位置的天線(xiàn)的分集技術(shù)。目前，在CMMB終端，特別是手機(jī)終端中，由于受到成本、天線(xiàn)擺放、堆疊等限制，應(yīng)用還不是很廣。但是也有廠(chǎng)商在推廣支持天線(xiàn)分集接收的CMMB解調(diào)芯片。Siano提出了一種解決方案以及他們支持天線(xiàn)分集接受的芯片：SMS1186。傳統(tǒng)的CMMB解調(diào)芯片只有一路U波段的射頻信號(hào)輸入，而這款芯片同時(shí)支持兩路U波段輸入和兩路S波段的輸入，以便于天線(xiàn)分集的使用，如圖4所示。

    廠(chǎng)商聲稱(chēng)來(lái)自?xún)蓚€(gè)天線(xiàn)的信號(hào)經(jīng)過(guò)MRC合并后可以獲得可觀(guān)的分集增益，但由于目前CMMB主要應(yīng)用頻譜還在U波段，典型的波長(zhǎng)在0．5m左右，在手機(jī)中應(yīng)用往往受制于天線(xiàn)擺放無(wú)法滿(mǎn)足空間分集的要求，所以在目前最熱門(mén)的手機(jī)移動(dòng)研發(fā)中實(shí)際應(yīng)用不多?？赡苘?chē)載的CMMB系統(tǒng)會(huì)有其用武之地。
    另外一家廠(chǎng)商DIBCOM也推出了同樣基于MRC(最大比值)合并技術(shù)的天線(xiàn)分集接收方案，如圖5所示：

    廠(chǎng)商稱(chēng)其分集信號(hào)合成算法上領(lǐng)先于競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，并示意如圖6。

    同時(shí)，對(duì)于信道衰落大、或移動(dòng)速度要求更高的環(huán)境下，DIBCOM還可多顆IC采用菊花鏈形式連接實(shí)現(xiàn)分集接收，即每個(gè)芯片都可以把自己接收到的信號(hào)和其他芯片接收到的信號(hào)MRC合并，如圖7所示，這也是DIBCOM公司的專(zhuān)利技術(shù)。

    但是同樣也存在在手機(jī)中應(yīng)用的問(wèn)題，目前針對(duì)U波段的CMMB手機(jī)終端多采用拉桿天線(xiàn)。進(jìn)入智能手機(jī)時(shí)代后，沒(méi)有人希望從手機(jī)中拉出天線(xiàn)，更別提兩根天線(xiàn)，因此，DIBCOM的解決方案也應(yīng)該是更多地應(yīng)用于車(chē)載等其他應(yīng)用場(chǎng)合。
3．4 其他分集方案
    在文獻(xiàn)中還可以看到有其他應(yīng)用分集方案的嘗試，比如在文獻(xiàn)中，作者分析了空間分集、角度分集、以及極化分集，對(duì)其進(jìn)行了理論分析，并采用了極化分集方案，設(shè)計(jì)了兩種雙圓極化、寬波束的結(jié)構(gòu)，分析了某些結(jié)構(gòu)特征對(duì)天線(xiàn)性能的影響。對(duì)CMMB的分集接收有很大參考價(jià)值，但其側(cè)重點(diǎn)是針對(duì)車(chē)載環(huán)境以及CMMB衛(wèi)星接收，同樣無(wú)法應(yīng)用于目前最為火熱的智能手機(jī)平臺(tái)上。