考虑同步与均衡的数字电视地面传输系统设计

王仙强， 郭里婷， 吴林煌， 李 停

(福州大学物理与信息工程学院， 福建 福州 350116)

考虑同步与均衡的数字电视地面传输系统设计

王仙强， 郭里婷， 吴林煌， 李 停

(福州大学物理与信息工程学院， 福建 福州 350116)

提出一种基于数字电视地面广播传输标准(DTMB)的同步和均衡系统的设计方案. 系统经过初同步后， 针对频偏估计复杂度高、 计算量大， 提出一种精简的基于累加算法的频偏细估计方案， 并根据累加模值的大小判定来应对突发频偏. 然后通过对同步后帧体数据和当前信道估计值的并行处理， 捕获及处理定时同步和信道估计间的影响. 仿真表明： 在多径信道下， 该系统具有良好的同步和均衡性能， 并能对突发情况作出相应处理.

数字电视地面广播传输标准； 频偏估计； 定时同步； 信道估计； 均衡

0 引言

数字电视地面广播传输系统中多载波模式(DMB-TH)采用了时域同步正交频分复用( TDS-OFDM) 技术， 对同步要求较为苛刻. 对于DMB-TH系统而言， 载波频偏和采样时钟偏差均会引入子载波间干扰(ICI)、 码间干扰(ISI)， 而恶劣的传输信道也会导致严重的码间干扰(ISI). 已有的一些频偏估计算法虽然复杂度低但是估计精度也低， 无法满足系统要求[1]； 有的算法虽然估计精度和估计范围达到系统要求， 但存在复杂度过高的缺陷[2]. 据此， 提出一种精简的基于累加的频偏细估计方案， 具有计算量小、 复杂度低的优点.

对于DMB-TH系统的同步和均衡， 已经有相关文献的研究. 但是或者仅单独研究同步算法[3]， 未考虑多径信道对定时估计的影响； 或者仅分别对同步、 信道估计和均衡进行研究[4-5]， 没有对同步和均衡系统进行整体衔接设计. 在参考已有算法的基础上， 考虑各个同步和均衡算法间的影响， 提出一种基于DMB-TH的同步和均衡系统设计方案， 并通过对信道估计结果的处理判定， 使定时同步更加稳定.

1 DMB-TH系统的帧结构

图1 信号帧结构(模式1)Fig.1 Structure of signal frame(Mode 1)

我国数字电视地面传输系统的帧结构基本传输单元为信号帧， 由包含Nc=3 780个符号的帧体和帧头组成. 帧头分为3种模式， 多载波系统采用模式1和模式3， 单载波系统采用模式2. 以模式1为例， 如图1所示， 帧头长度Nfhead=420， PN(pseudo-noise)序列长度LPN=255， 前同步为82个符号， 后同步为83个符号， 信号帧长度Nframe=4 200. 模式3结构类似.

2 同步和均衡系统设计

同步和均衡系统的实现框图如图2所示[6]. 数字中频信号经过下变频模块后先进行定时调整， 将输入的4倍过采样(30.4 MB·s-1)序列恢复成4倍符号率(30.24 MB·s-1)序列， 再进入后续的同步环节， 最后将估计的帧头模式、 已同步信号帧及其对应的PN序列送入信道估计及均衡模块.

图2 同步和均衡系统框图Fig.2 Block diagram of synchronization and equalization system

2.1 系统粗同步

接收信号经过初步采样处理后， 得到4倍下采样后的数据. 首先采用文献[7]提出的方法进行帧头模式检测和帧头位置粗估计， 然后将估计出的帧头模式和帧头位置先分别送入PN序列发生器和频偏粗估计模块. 此时， 信号存在较大频偏， 采用一种变步长变累加窗长度扫频算法进行频偏粗估计[8].

2.2 定时同步

经过粗同步和频偏校正后， 首先进行帧头相位捕获和帧头位置细估计. 将定时调整后的4倍符号率数据与本地PN序列滑动互相关， 根据相关输出的峰值位置就可以估计出信号帧的PN序列相位和帧头位置[9]. 然后启动采样细同步环路， 包括定时误差检测环节和定时调整环节. 这里, 采用定时误差提取器、 环路滤波器和环路锁定器结合的方式进行定时误差检测[10]， 并将结果送入内插控制器, 求得定时调整模块所需的内插步长[11-12]， 定时调整模块根据帧头位置和内插步长对信号帧进行内插调整.

2.3 频偏细估计

当系统采样同步稳定后， 就可以进行频偏细估计了. 文献[13]采用D-space算法(differential-space)和相干AFC算法(auto-frequency-control)同时进行估计的方法.

2.3.1 D-space算法和相干AFC算法结合

假设忽略噪声和多径干扰的影响， 可得所估计的频偏如式(1)所示：

其中：c(n)为经过定恢复后的单倍符号率的任一帧的帧头序列， 由式(1)可算得该算法的归一化频偏估计范围， 模式1约为(-7.4, 7.4)， 模式3约为(-3.7, 3.7).

在上述基础上， 再同时进行更为精细的相干AFC算法. 该算法先取出间隔为lNframe， 长为Nc的帧头序列c(n)和c(n+lNframe)分别与本地对应的PN序列进行逐点共轭相乘：

再对上述两式进行相关， 可得频偏估计值：

2.3.2 基于累加的改进算法

由于相干AFC算法需要进行相干运算， 计算复杂， 不利于实现， 根据已有的一种累加算法[14]， 基于DMB-TH系统对其进行改进， 并使其能够与D-space算法进行结合. 具体算法如下， 分别对式(3)～(4)进行累加可得：

其中：

同理可得：

由式(6)～(7)可得：

2.3.3 一种改进的频偏细估计模块设计方案

对于D-space算法和相干AFC算法结合的方案， 为应对突发频偏的情况， 需要同时运行两种算法得到两个估计值， 用于检测频偏是否超出算法的估计范围. 两种算法同时运行， 会导致资源的更大消耗， 并且相干AFC算法计算复杂， 实现困难.

对此进行改进， 首先， 采用D-space算法进行频偏估计和校正， 使残余频偏位于基于累加的算法估计范围内. 然后， 停止D-space算法， 切换为基于累加的算法进行单独估计和校正. 由式(6)可知, 两序列和的模值与频偏值Δf有关， 其总体大小随频偏增大而减小， 模值太小会加大噪声的影响. 根据这一特性， 当残余频偏曲线收敛后， 针对突发频偏的情况， 设计一个频偏估计判定模块. 首先提取基于累加的频偏细估计模块中每一帧的序列和， 令模值阀值为α， 设判定条件为：

2.3.4 复杂度分析

设计的D-space算法与基于累加的算法结合的方案， 同一时刻仅需运行一种频偏细估计算法. 而对于D-space算法与相干AFC算法结合的方案， 需同时运行两种算法. 以模式1为例， D-space算法需要计算420次复数乘法和419次复数加法， 相干AFC算法需要计算420×3次复数乘法和419次复数加法， 基于累加的算法需要420×2复数乘法和419×2次复数加法. 系统稳定后， 如表1所示， 所设计的方案相对于D-space算法与相干AFC算法结合的方案大约减少了一半的计算量； 运用QuartusII 9.0工具在Altera公司的StratixII系列EP2S90F1020C4芯片上进行FPGA实现， 该方案节省了一个相关模块和4Nc个存储单元， 并且该系统同一时刻只运行一种频偏细估计算法， 消耗能源更低.

表1 两种算法对比

2.4 信道估计与均衡算法设计

对同步后的数据进行进行分离得到帧头和帧体， 采用文献[15]提出的改进时域信道估计算法进行信道估计， 并利用循环重构(TCCR)技术对帧体重构， 最后采用基于峰值失真准则的频域迫零均衡(ZF-FDE)进行均衡. 同时， 定时同步的精确与否关系到所采用的信道估计方法的估计精确度[16]， 这里添加信道估计结果判定模块， 其判定条件为：

其中：r为同步校正后信号帧的帧头序列； PN为当前帧对应的本地帧头序列；h为估计的信道时域响应； *表示卷积；β为所设阀值. 当上述条件成立时， 表明信道估计不准确， 定时同步不理想， 切换系统状态， 重新进行帧头位置细估计、 采样同步和频偏细估计.

3 系统仿真结果

仿真所采用的参数： 帧头模式1， 调制方式为4 QAM， 帧头位置为2 344， 起始帧序号为3， 归一化频偏为-73， 信噪比为15 dB， 信号经过Brazil B信道. 接收信号经过系统后， 首先估计到正确的帧头模式1， 帧头粗估计位置为2 396， 偏频粗估计为-76.673， 估计结果满足下一步的细估计条件. 经过帧头相位捕获和帧头位置细估计， 估计得到起始帧头序号为3， 帧头位置为2 344， D-space频偏细估计的归一化残余偏频约为50 Hz. 在此基础上进一步进行频偏细估计， 图3为采用相干AFC算法和本文基于累加的算法得到频偏细估计仿真结果， 可以看出， 本文算法在大量降低计算量和实现难度的情况下， 其估计性能与相干AFC算法基本一致， 残余频偏均约为2 Hz.

在系统稳定后， 引入突发频偏(8 kHz)， 如图4所示. 根据式(9)计算得知其序列和的模值小于所设阀值， 判定条件成立. 由于突发频偏在D-space算法估计范围内， 系统切换至D-space算法进行估计校正后， 继续切换回基于累加的频偏细估计算法进行估计跟踪.

图3 频偏估计算法性能对比Fig.3 The contrast of frequency offset estimation algorithm performance

图4 突发频偏处理Fig.4 The processing of sudden frequency deviation

图5 不同信道下的MSE比较Fig.5 The comparison of MSE under different channel

图5是在不同信道和信噪比下， 其他仿真条件不变， 信号经过该同步和均衡系统后得到的信道估计的均方误差(MSE). 从图中可以看出， MSE曲线随着SNR的递减， 基本呈现线性递减， 在SNR=20 dB下， 其MSE均小于10-5， 其估计误差主要受噪声影响. 该系统无论是在Braizl信道下， 或者Rayleigh信道和TU信道下， 均有良好的信道估计性能.

图6为信号经过系统后， 均衡前后的星座图. 其中, 图(a)是信号经过同步后， 但由于存在多径信道的影响， 星座图呈现相位旋转和弥散现象. 图(b)是在图(a)的基础上， 进行信道估计和均衡后的星座图， 由图中可以看到， 对帧体进行循环重构和均衡后， 消除了信道的影响， 均衡效果良好.

(a) 同步但未均衡

(b) 同步和均衡后

4 结语

针对DMB-TH系统的频偏估计， 设计一种改进的基于累加的频偏估计方案， 将累加算法与D-space算法进行结合. 同时, 提出一种基于累加模值的突发频偏应对措施， 该方案解决了已有算法存在的计算量大、 估计速度慢、 耗费资源多等缺点. 并设计了一种基于DMB-TH的同步和均衡系统方案， 该方案分别考虑了各个频偏算法的有序结合、 频偏估计与定时估计间的影响、 定时估计与信道估计间的影响， 来进行合理的衔接设计. 仿真结果表明， 该系统在多径信道下可以很好地实现同步和均衡. 同时， 能够快速应对突发频偏及定时估计不良对信道估计的影响， 系统可靠性高.

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(责任编辑： 沈芸)

Design of digital television terrestrial multimedia broadcasting system considering the synchronization and equalization

WANG Xianqiang， GUO Liting， WU Linhuang， LI Ting

(College of Physics and Information Engineering, Fuzhou University, Fuzhou, Fujian 350116, China)

In this paper, a synchronization and equalization system design scheme based on the digital television terrestrial multimedia broadcasting(DTMB) standards is presented.For the frequency offset estimation with high complexity and large amount of calculation, this paper presents a fine frequency offset estimation scheme based on accumulation after the initial synchronization.According to determine the size of cumulative value to deal with sudden frequency offset.Based on the parallel processing of the synchronous frame body data and current channel estimation value, we capture and manage the influence between timing synchronization and channel estimation. Simulations show that under multipath channel, the system has good performance of synchronization and equalization, and makes the corresponding processing to the emergency.

digital television terrestrial multimedia broadcasting; frequency offset estimation; timing synchronization; channel estimation; equalization

10.7631/issn.1000-2243.2015.04.0476

1000-2243(2015)04-0476-06

2014-09-06

郭里婷(1976-), 副教授， 博士， 主要从事图像通信、 无线通信研究, guoliting@fzu.edu.cn

福建省高校产学合作科技重大项目(2012H6012)； 福州大学科技发展基金资助项目(2011-xq-29)

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