DTMB系统的同步算法设计与实现*

赵慧冬，黑 勇，乔树山

（中国科学院微电子研究所，北京100029）

数字电视地面多媒体广播DTMB（Digital Television Terrestrial Broadcasting）标准是我国广播领域中唯一的强制性标准，适用于固定和移动两种数字电视接收模式[1]。DTMB采用单载波和多载波两种调制方式，多载波调制方式使用TDS-OFDM(Time Domain Synchronous Orthogonal Frequency Division Multiplexing)技术，与传统 OFDM技术相比采用不同的保护间隔填充方式。即采用帧头充当保护间隔，提高了系统的传输效率和频谱利用率[2]。TDSOFDM系统的同步完全在时域上进行。

本文针对DTMB系统设计并实现了帧同步，同时纠正了载波频偏的影响，进而确定正确的帧头模式和生成相位序号。通过延迟相关和本地相关联合同步算法准确地跟踪帧头位置。

1 帧结构

DTMB系统帧结构的基本单元是信号帧。信号帧由帧头和帧体两部分组成，如图 1所示。帧头包括前同步、PN序列和后同步三部分。为了适应不同应用条件，DTMB协议规定了三种帧头模式及相应的信号帧结构，三种帧头模式中，帧头分别是420个符号、595个符号和945个符号。以帧头模式为420个符号的PN420为例，其帧头序列由一个8阶循环移位寄存器（LFSR）产生，LFSR的初始相位决定了生成序列的相位。为了使帧头序列的相关性尽量小，PN420模式下共有225种不同的相位,在帧同步的同时还需要确定帧头的模式并跟踪生成序列的相位。

2 同步方案

为了在多径和频偏条件下得到精确的同步，本文提出采用延迟相关和本地互相关联合同步的算法。图2是本文同步和载波频偏估计的设计框图。首先通过延迟相关判断出帧头模式并得到帧头起始位置的范围。由于本地互相关极易受到载波频偏的影响，因此需要进行载波频偏估计和恢复后再通过本地互相关找到精确的同步位置。根据前后帧峰值间隔判断出当前帧头的生成序列相位号，从而调整本地生成序列的初始相位跟踪接收信号的变化。

2.1 延迟相关

在DTMB帧头序列中前同步和后同步是重复数据，利用重复数据的相关性进行延迟相关同步[3]，找到帧头的起始位置并根据相关峰值间隔确定帧头模式。相关公式如下：

其中，r(n)是接收到的 DTMB信号，N是相关长度，L是子载波间隔。在不同的帧头模式下N和L有不同取值，PN420 中 L=255，N=165；PN595 中 ，L=4 375，N=595；PN945 中 L=511，N=434。

延迟相关同步对载波频偏敏感度低，但在多径信道下相关峰值不明显，因而不能精确地找到帧头的起始位置。在存在载波频偏的条件下，延迟相关用于确定同步的粗略位置。

2.2 载波同步

在DTMB多载波调制系统中相邻两个子载波的频率间隔是2 kHz，对载波频偏非常敏感，较小的频偏都将导致OFDM符号在载波上的偏移。载波频偏可以分成整数倍频偏和小数倍频偏两部分，小数倍频偏会导致载波间干扰，从而导致整数倍频偏估计的性能下降，因此先进行估计范围较小的小数倍频偏估计，再进行估计范围较大的整数倍频偏估计。利用延迟相关同步中的粗略同步得到小数倍频偏估计：

其中Ts是采样时间。

在纠正小数倍频偏之后，通过扫频的方法确定整数倍频偏。将整数倍频偏加在本地帧头序列上，与延迟相关确定的帧头进行相关，得到相关峰值最大时对应的整数倍频偏。

2.3 本地相关同步

本地相关同步能够精确得到帧头的起始位置，但是极易受到载波频偏的影响，因此需要在纠正载波频偏后进行本地相关同步[4]。相关公式如下：

其中，c是本地PN序列，在不确定帧头序号时其初始相位序号为0。通过本地相关得到精确的同步位置再进行后续的信号解调。

2.4 相位跟踪

根据本地相关相邻帧同步峰值的间距可以判断帧头当前的生成序列号，进而调整本地生成序列的初始相位。以PN420为例，峰值间隔dst的表达式如下：

根据峰值间隔的数值可以判断当前生成序列的相位序号，根据DTMB协议可以得到相位序号与峰值间隔的关系如式(5)：

通过上式可以得到当前帧头的序列号并得到对应的初始相位，从而调整本地帧头生成序列的相位，对帧头进行跟踪同步。

3 仿真

通过仿真对上面提出的联合同步算法的性能进行评估。系统的帧结构、编码方式、映射方式和调制均按照DTMB协议完成，帧头模式选择PN420，仿真信道采用Rayleigh衰落信道模型，其参数见表 1。图3是在TU-6信道下、信噪比等于15 dB、载波频偏等于30 kHz时进行延迟相关同步的仿真结果。图中相关峰值呈坡状分布，没有明显的峰值，通过延迟相关得到帧头起始位置的范围。图4是本地相关的仿真结果，本地序列的初始相位序号为0。其中图4(a)是频偏纠正前的本地相关，图中没有明显的峰值，证明本地相关对载波频偏非常敏感。图4(b)是纠正载波频偏后的本地相关峰值，可以精确地找到帧头起始位置。图5初始相位确定和跟踪是本地相关峰值间隔之差，根据间隔对应式(5)可以得到当前帧头生成序列的初始相位，进而由初始相位生成本地序列，对同步进行跟踪。

表1 Rayleigh TU-6衰落信道模型

4 实现

4.1 PN序列生成

DTMB有三种帧头模式，因此PN序列生成模块需要生成三种帧头模式下所有相位的PN序列，一共能够生成426种PN序列。生成序列的初始相位存储在ROM中，根据输入使能由三种不同的线性反馈移位寄存器生成不同的序列，如图 6所示。相位初始值默认为PN420中序号为0的初始相位，PN序列生成后输出给本地相关。

4.2 相关运算

延迟相关和本地相关可以共享存储器、加法器和乘法器。在本地相关运算中先将数据存储在RAM中，共需要4块8 192和1块4 096深度、字长是26的双端口RAM。然后从RAM中取出数据与本地PN序列相乘，再进行加法运算。为了节约运算时间，采用加运算并行执行的结构，最终输出累加结果xcross_result，如图7所示。

4.3 同步与FFT

图8中同步成功信号search_successs输出，根据帧头数据位置计算出FFT起始位置，根据对应的地址生成单元从RAM中找出数据的起始地址，将起始地址后面的3 780点数据输入FFT模块。

本文设计并实现了DTMB系统的帧同步算法，通过延迟同步和本地互相关同步联合算法确定精确的同步位置并进行载波频偏纠正。仿真表明，延迟相关和本地互相关联合同步算法能够精确地找到帧头起始位置并准确跟踪帧头的相位信息。

[1]GB 20600-2006.数字电视地面广播传输系统帧结构、信道编码和调制[S].2006.

[2]YANG Z，YANG L，GONG K，et al.Technical review on Chinese digital terrestrial television broadcasting standard and measurements on some working modes[J].IEEE Transactions on Broadcasting，2007，53(1)：1-7.

[3]Wang Chinliang.A new synchronization scheme for OFDM systems[C].IEEE Vehicular Technology Conference，2004，2:1100-1104.

[4]SCHMIDL T M，COX D C.Robust frequency and timing synchronization for OFDM[J].IEEE Transactions on Communications，1997，45(12)：1613-1621.