簡介

隨著科技與無線通訊技術的與日遽增，人們對於通訊的傳輸速率要求 也越來越高。而正交分頻多工(OFDM)技術，其高速率傳輸的能力與對抗 多重路徑效應的特性，是無線傳輸中最重要的技術之一。目前OFDM 技術 已被採用為多種傳輸技術標準。在有線環境中，主要應用於非對稱數位用 戶迴路(Asymmetric Digital Subscriber Loop，ADSL)，DMT(Discrete

Multi-Tone)是 OFDM 在有線應用上之另一名稱。此外，在無線的傳輸環境 中，目前OFDM 為歐規(ETSI)數位音訊廣播(Digital Audio Broadcasting，

DAB)及數位電視廣播(Digital Video Broadcasting，DVB)標準所採用，還有 在IEEE 802.1x 系列傳輸標準中，目前已確定許多規範採用 ODFM 技術來 傳送高速率之無線區域網路資料。

在無線傳輸的環境下，傳送與接收器的非理想特性會對訊號產生影 響，如類比電路元件間的不匹配造成I-Q 通道不平衡的效應，振盪器的頻 率飄移造成載波間的干擾(ICI)等，本論文首先探討 I-Q 不平衡效應，我們 將介紹三種現存之演算法來針對I-Q 不平衡效應作修正處理，分別是適應 性頻域等化器[4] (Adaptive Frequency-domain equalizer，AFEQ)、適應性時 域補償器[5] (Adaptive Time-Domain Compensator，ATDC)及決策迴授修正 架構[6] (Decision-Feedback Correction Scheme，DFCS)。適應性頻域等化器 是利用pilot 訊號訓練來得到最後收斂的等化器係數，進而用來修正訊號，

此方法可以同時解決因通道效應及I-Q 不平衡效應所產生的失真問題，但 缺點是等化器係數收斂的速度較慢。適應性時域補償器則是基於干擾消除 (Interference Cancellation)的原理來運作的，此方法之效能非常好，幾乎可 以把I-Q 不平衡效應完全給移除掉，而且並未使用到 pilot 訊號，但缺點同 樣是補償器的係數收斂速度很慢。而決策迴授修正架構主要是把所接收到

便是I-Q 不平衡效應不能太大，因為若 I-Q 不平衡效應太大的話，則在對 接收到的失真訊號作決策的動作時明顯地會有較大的決策錯誤，因而影響 到效能。

上述所提及之三種現存演算法都只能單一地處理I-Q 不平衡效應問 題，若同時再考慮載波頻率偏移的情況，則上述之三種方法皆無法有效地 運作，因此在本論文中，我們將提出一種新的演算法來解決當I-Q 不平衡 效應以及載波頻率偏移同時存在之情況。

此外，符元間干擾(Inter-Symbol-Interference，ISI)亦會對訊號造成破 壞，使收到的資料解調錯誤，因此本論文第二部分即探討如何能夠有效地 抑制ISI。在 OFDM 系統中對抗 ISI 的有效方法就是在每個 symbol 之前加 上一段保護區間(Guard interval)，其長度必須大於等於通道響應的長度。

因此通道響應若很長時，Guard interval 也要很長，然而在這段 Guard interval 裡並無法傳送資料，造成頻寬使用效率的降低，亦減少系統的整體傳輸 量。為了解決此問題，我們可以在接收端加上一濾波器，將通道響應的長 度縮減至Guard interval 以內，此濾波器即所謂的時域等化器(TEQ)。

求取TEQ 係數的方法有很多種，最早是由 Chow 和 Cioffi [11]所提出 的最小均方誤差(Minimum Mean Square Error，MMSE)演算法，其參數求 取原理是求得目標脈衝響應(Target Impulse Response，TIR)和縮短脈衝響應 (Shortening Impulse Response，SIR)之間的均方誤差值，使其達到最小。由 於其牽涉到反矩陣運算，以及需要估計通道的統計特性，因此有以適應性 遞迴求解的替代方法，目前此種演算法在商業上被廣泛的運用。不過由於 OFDM 系統的特性，此法並不保證能達到最佳系統效能的情況。另外作者 Melsa [12]提出以縮短通道脈衝響應，求得最大的縮減訊雜比(Shortening SNR，SSNR)來決定 TEQ 的係數。這種方法雖然能得到不錯的縮減效果，

但需作矩陣之運算，實際應用有困難。上述之使用TEQ 來縮短通道脈衝響 應以避免ISI 的方法，並無法適用於任何的通道狀況下，當通道狀況很差

時，上述之方法皆無法有效地運作，因此，在本論文中，我們提出一種新 的演算法來降低ISI 的影響，其主要原理是將前一個 symbol 對於目前 symbol 所產生的干擾項直接扣除，此方法在任何通道情況下皆能適用，但 缺點是計算複雜度較高。

本論文將以數位電視為應用範例，研究上述之主題。在接下來的章節 中，第二章將介紹歐規數位電視地面廣播之規格。第三章則詳細介紹 OFDM 的系統架構及其調變原理以及重要的同步問題。第四章將探討 I-Q 不平衡效應對系統所造成的影響，並且介紹三種現存之補償架構，最後提 出新的演算法來解決當I-Q 不平衡效應以及載波頻率偏移同時存在之情 況，藉由模擬結果來觀察其系統效能並討論其優缺點。第五章則描述如何 有效地抑制ISI，包括幾種常見的時域等化器(TEQ)架構以及所提出之新的 演算法，同樣地藉由模擬結果來觀察其系統效能並討論其優缺點。第六章 則是最後的結論。

第二章 歐規數位電視地面廣播(DVB-T)傳輸標準介紹

數位電視廣播相較於傳統的類比電視廣播，除了可以提供更高畫質與 更好音質的節目以及更佳頻譜使用效率之外，更重要是它能夠提供各種數 據服務。目前，全球數位地面電視廣播(Digital Terrestrial Television

Broadcasting; DTTB)標準包括有：美規、歐規、以及日規。其中以歐規 DVB-T 為最多國家所採用。歐規數位電視傳輸標準，主要包含了通道編碼、正交 多工調變技術以及導頻插入技術等，將於本章節中做一詳細之介紹。

2.1 前言：

隨著數位化的時代來臨，電視廣播也逐漸從傳統的類比式系統轉換成 數位式系統，正如行動通訊從第一代的類比式系統演進到第二代以語音為 主和第三代能夠提供多媒體服務的數位式系統。數位式視訊廣播系統能夠 克服現有類比系統因地形地物因素造成接收不良或忽強忽弱的現象，提供 更高畫質與更佳音質的節目。同時，頻譜的使用也更為有效率，在同一頻 寬可以傳送更多的節目。更重要的一點，數位視訊廣播能夠提供數據廣播 (data broadcasting)所衍生的各種加值服務。

數位視訊廣播媒介包括：有線、衛星、微波、地面等方式。數位地面 視訊廣播標準包括有美規的ATSC (Advanced Television Systems Committee) [1]，歐規的 DVB-T (Digital Video Broadcasting - Terrestrial) [2]，以及日本 的ISDB-T (Integrated Services Digital Broadcasting - Terrestrial)。其中美規 ATSC 是在 1996 年 12 月被美國 FCC (Federal Communications Commission) 採用，成為美國數位地面電視廣播標準，並於1998 年 11 月開始在都會區 播放數位電視節目。

歐規DVB-T 是在 1997 年 2 月獲得歐洲電信標準協會(European Telecommunication Standard Institute；ETSI)認可，成為歐洲數位地面電視

廣播標準。除了歐洲國家外，確定採用DVB-T 標準尚包括有：澳洲、紐 西蘭、巴西、新加坡。我國原選擇ATSC 標準，然而於 2001.5.24 公聽會後，

政府決定對標準採取技術中立。電視學會於2001.6.8 決定採 DVB-T 標準，

並且以呈報交通部電信總局通過。至目前，除了英國British Digital Broadcasting 率先於 1998 年 11 月開始提供數位地面電視廣播服務之外，

還包括有：瑞典、芬蘭、西班牙以及澳洲。日本於1997 年 10 月公佈數位 地面廣播暫定的相關規格。原訂於2000 年全面廣播。由於日本正處於經 濟蕭條之際，所以數位地面電視廣播時程將延緩至2003 年實施。

2.2 通道編碼 (Channel Coding)

DVB-T 標準採用 COFDM(Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing)技術，如同一般的數位傳輸系統可以概分為通道編碼 解碼 (channel coding/decoding)及調變 解調(modulation/demodulation)兩大部 份。DVB-T 系統架構圖如圖 2.1 所示，如 DVB 標準所規定，個別節目之 影像及聲音需經過MPEG-2 壓縮技術，再經由 MPEG-2 多工傳送之處理，

變為一長串之傳送資料流封包(Transport Stream Packet)。圖 2.1 中左方的區 塊為通道編碼的部分，右方則為調變的部份。通道編碼部份包括有：亂碼 器(randomizer)、外編碼器(outer coder)、外交錯器(outer interleaver)、內編 碼器(inner coder)和內交錯器(inner interleaver)。在正交多工調變傳輸技術 中，另提供了階層式(Hierarchical)傳輸技術架構，此一技術之觀念在於同 時提供兩種不同傳輸資料量之節目資料流，此兩種資料流在經過不同通道 編碼技術後，再透過不同的調變映成技術，如低傳輸量節目以QPSK 方式 傳輸，高傳輸資料量以16QAM 方式傳輸，藉由映成技術，使其在星狀圖 上被視為64QAM 調變技術，但接收機方面卻可分別解調出此兩種調變方 式不同之節目資料流，藉以提供行動及固定接收兩種不同等級之服務模

圖2.1 DVB-T 系統架構圖

2.3 亂碼器 (Randomizer)

通道編碼的第一個處理單元就是亂碼器。其輸入資料之格式是一個長 度為188 位元組(bytes)的 MPEGⅡ運輸封包。每個封包包含一個同步位元 組(sync byte)和 187 個資料位元組(data bytes)。亂碼器不會改變一個封包的 長度，只是將資料(同步位元組例外)和一串所謂的 PRBS (Pseudo Random Binary Sequence)作 Exclusive-OR 的運算，如圖 2.2 這個 PRBS 序列可利用 一個16-bit 之 shift register 來產生，在一般情形下，原始資料很有可能出現 一長串的"1"或"0"。亂碼器主要目的在於降低傳送一長串的"1"或"0"之機 率，以避免在接收端作時脈回復(time recovery)造成不良後果。例如，當有 連續1000 個"0"傳送時，接收端可能會很難決定到底是 999 個或是 1000 個 或是1001 個"0"。在接收端，其對應的解亂碼器(de-randomizer)只需要將相 同的PRBS 與接收到的資料 (同步位元組除外)作 Exclusive-OR 運算就可得 到原來的資料。在歐規數位電視標準中產生PRBS 之多項式產生器之方程 式為1+X¹⁴+X¹⁵。

圖2.2 亂碼器方塊圖 2.4 外編碼器 (Outer Coder)

接在亂碼器之後的是外編碼器，使用的編碼方式為Reed-Solomon code (RS 碼)。此 RS 編碼器的輸入是長度為 MPEG 188Ⅱ 位元組的封包，並計 算出長度為16 位元組的 parity，並將之加在原來 188 位元組的封包之後成 為一個長度為204 位元組的封包。這個長度為 204 位元組的封包在傳送過 程中如果發生錯誤，只要錯誤的個數不超過8 個位元組，接收端的 RS 解 碼器就能夠將錯誤糾正回來。這樣的RS 碼可以寫成 RS(204,188,t=8)。其 碼產生(Code Generator)多項式為

g(x)=(x+λ )(x+λ )(x+λ ) (x+λ )

"

p(x)=x +x +x +x +x

2.5 外交錯器 (Outer Interleaver)

RS 編碼器主要功用是用來糾正隨機雜訊(random noise)所造成的錯 誤，這種錯誤的發生通常是零零散散的。然而，在傳送過程中，有些時候 會有一連串錯誤(burst error)發生，這種錯誤很可能會超過 RS 編碼的錯誤 糾正能力。其解決之方法就是：在資料傳送之前，先把原來同一封包的資

RS 編碼器主要功用是用來糾正隨機雜訊(random noise)所造成的錯 誤，這種錯誤的發生通常是零零散散的。然而，在傳送過程中，有些時候 會有一連串錯誤(burst error)發生，這種錯誤很可能會超過 RS 編碼的錯誤 糾正能力。其解決之方法就是：在資料傳送之前，先把原來同一封包的資