數(shù)字電視接收機同步時間估測方法

路 程 張曉林

(北京航空航天大學 電子信息工程學院,北京 100191)

數(shù)字電視接收機同步時間估測方法

路 程 張曉林

(北京航空航天大學 電子信息工程學院,北京 100191)

數(shù)字電視接收機同步時間是數(shù)字電視服務質(zhì)量的一項重要指標,但同步時間在現(xiàn)有設備條件下不能直接測量得到.為此使用誤碼測試儀和脈沖噪聲源設備,通過多次測試脈沖噪聲造成的誤碼秒的個數(shù),計算得出數(shù)字電視接收機同步時間.由于采用隨機時刻觸發(fā)的方式,修正了原方法中與起始時刻相關的局限性;由于對脈沖噪聲的長度沒有限制,可用于測試更長交織時間的系統(tǒng)的同步時間;測量精度達到 0.1 s,與直接測量方法相比提高一個數(shù)量級.此方法經(jīng)過數(shù)學推導驗證,并通過數(shù)字電視地面廣播標準接收機的實測數(shù)據(jù)討論了測量參數(shù)對同步時間的影響.

數(shù)字電視;廣播;接收機;同步;測試

數(shù)字電視廣播的接收過程包括下變頻、模數(shù)轉(zhuǎn)換、同步、信道估計、解交織、解碼等過程,每一次數(shù)字電視接收機開啟電源、更改頻點、受到強干擾或是信道深衰落,都會經(jīng)過重新同步的過程.本文研究的接收機同步時間是指接收機從收到良好的射頻信號時刻起,到接收機輸出正確碼流的時刻之間的時間,即數(shù)字電視接收機下變頻和解調(diào)過程所需的時間.用戶開啟接收機或切換射頻頻道所需的等待時間,以及受干擾之后的恢復時間,都取決于該時間,若不能快速同步將降低電視的服務質(zhì)量.不同數(shù)字電視廣播標準的接收機所需的解調(diào)時間是不同的,而且同一標準的接收機解調(diào)處理方法的區(qū)別也會導致同步時間的差異.目前,對于數(shù)字電視接收機同步時間沒有直接測量的方法[1],因為數(shù)字電視廣播中的碼流是傳輸流(TS,Transport Stream),目前數(shù)字電視測試系統(tǒng)中的誤碼分析儀,不能測出誤碼發(fā)生的精確時刻,故不能借之判斷恢復接收的準確時間,現(xiàn)有設備只能測量單位時間內(nèi)的誤碼率(最小為 1 s),即測試傳輸過程的誤碼秒.

本文在傳統(tǒng)的接收機同步時間估測方法[2]的基礎上,對原有測試過程的步驟和參數(shù)進行了改進,修正了原方法的固有偏差,增加了原方法的適用范圍.

1 數(shù)字電視接收處理過程

數(shù)字電視接收機普遍采用高頻頭加解調(diào)芯片作為下變頻與信道解調(diào)部分的解決方案,以DVB-T接收機為例,這兩部分的工作過程見圖 1.

圖1 典型DVB-T接收機下變頻和信道解調(diào)部分框圖

射頻輸入信號進入高頻頭,高頻頭將輸入信號下變頻到中頻頻率,中頻信號首先轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號輸入解調(diào)芯片,之后下變頻到基帶,經(jīng)過內(nèi)插和符號、載波、時鐘恢復過程,進入 FFT(Fast Fourier Transform)模塊,然后經(jīng)過導頻和信道估計的處理,還原出基帶符號流,之后經(jīng)過解映射、解交織過程形成比特流,最后進入信道解碼器進行FEC(Foward Error Correction)解碼,輸出 TS流[3].在高頻頭內(nèi)的處理還包括頻率鎖定和自動增益控制(AGC,Automatic Gain Control)過程等.

接收機經(jīng)過上述過程輸出 TS碼流所需的時間為同步時間,但它不是一個精確固定的值,因為同步時間的組成包括高頻頭的鎖定頻率、AGC鎖定功率、幀頭同步、信道估計/均衡、解交織、信道解碼等時間,而這些處理每次所需的時間可能是變化的,例如幀頭同步的初始相位和信道解碼所需的迭代次數(shù)的變化等.本文提出的方法不是指測量某次接收機同步的精確時間,而是估測數(shù)字電視接收機同步所需的平均時間.

2 同步時間估測方法

2.1 原有的估測方法

數(shù)字電視接收機同步時間傳統(tǒng)估測方法[3]設備連接如圖 2所示.誤碼分析儀輸出偽隨機序列 TS碼流[4]給標準調(diào)制器,調(diào)制器按照數(shù)字電視標準進行調(diào)制并輸出調(diào)制后的射頻信號到合路器,脈沖發(fā)生器控制高斯白噪聲發(fā)生器輸出白噪聲脈沖,白噪聲脈沖也輸出至合路器,合路器將調(diào)制器射頻信號與噪聲信號相加,輸入功分器,功分器將一路輸入頻譜儀,用于監(jiān)測頻譜和測量信號功率,另一路信號輸入數(shù)字電視接收機.接收機對輸入信號進行下變頻和解調(diào),輸出碼流給誤碼分析儀,誤碼分析儀統(tǒng)計傳輸中的誤碼率.

圖2 接收機同步時間估測方法設備連接框圖

接收機同步時間估測方法分為 4個步驟[1].

步驟 1 設定脈沖發(fā)生器和高斯白噪聲發(fā)生器為關閉狀態(tài),誤碼分析儀和調(diào)制器正常輸出,調(diào)整調(diào)制器的帶內(nèi)輸出功率為某一定值 C0,dBm(如 -53dBm[2]).此時由于無噪聲,接收機正常接收,誤碼分析儀顯示無誤碼.

步驟 2 開啟高斯白噪聲發(fā)生器并設置在連續(xù)輸出狀態(tài),此時其輸出信號為連續(xù)的高斯白噪聲,增大白噪聲功率直至接收機失同步,然后以一定步進(如 0.1dB)減小白噪聲功率,直至接收機恢復同步且誤碼率小于客觀判據(jù)門限值(如3.0×10-6)[2],記此時白噪聲功率為 N0,dBm.可得系統(tǒng)高斯白噪聲門限 h=C0-N0.

步驟 3 保持調(diào)制器輸出功率不變,將高斯白噪聲輸出功率增加 30dB,并將高斯白噪聲發(fā)生器設置在脈沖控制狀態(tài),開啟脈沖發(fā)生器將脈沖寬度設為 1 s,脈沖周期為 10 s.

步驟 4 誤碼分析儀記錄在 L個脈沖噪聲之后接收機產(chǎn)生的總誤碼秒數(shù) Rsum,并計算 Rsum/L-2的值,作為被測接收機的平均同步時間.

2.2 改進的估測方法

改進的估測方法與原方法設備連接方法相同,如圖 2所示.步驟 1和步驟 2與原方法相同,步驟 3和步驟 4改為[5]:

步驟 3:保持調(diào)制器輸出功率不變,將高斯白噪聲輸出功率增加 ΔN,dB,并將高斯白噪聲發(fā)生器設置在脈沖控制狀態(tài),開啟脈沖發(fā)生器并將輸出脈沖寬度設為 Ws(W為整數(shù)),脈沖間隔為隨機數(shù),對脈沖間隔的具體要求為,下一脈沖起始時刻必須在上一脈沖導致的接收機誤碼結束之后,脈沖由測試者手動觸發(fā),觸發(fā)具體時刻無要求.

步驟 4:誤碼分析儀記錄在 L個脈沖噪聲之后接收機產(chǎn)生的總誤碼秒數(shù) Rsum,并計算 Rsum/L-W-1的值,作為被測接收機平均同步時間.

改進后的方法主要特點是:將白噪聲功率增加值和脈沖寬度設為可調(diào)值;將脈沖起始時間由固定值改為測試者手動觸發(fā),即隨機觸發(fā);其他測試步驟與原方法相同.

3 接收機同步時間估測方法原理

圖3為測試中第 i個(i=1,2,…,L)脈沖噪聲與接收機同步時間的關系示意圖.

圖3 脈沖噪聲與接收機同步時間關系示意圖

設第 i個脈沖的起始時刻在誤碼統(tǒng)計時間的第 Mi秒中,脈沖起始時刻與第 Mi秒起始時刻之間的時間差為ti(0≤ti＜1),因為脈沖由測試者手動觸發(fā),觸發(fā)時刻沒有要求,所以認為時間差 ti服從[0,1)上的均勻分布.待測的接收機同步時間平均值設為.設的整數(shù)部分為 τint,小數(shù)部分為 τdec(0≤τdec＜1),即.

由第 2節(jié)所述,每次接收機的同步時間不是完全相同的,它與解調(diào)運算處理(特別是同步、解交織和信道解碼)的參數(shù)初值有關,同步時間將在小范圍內(nèi)波動,但不會劇烈變化,被測接收機同步時間波動在 1s以內(nèi),并且單臺被測接收機的同步時間在波動范圍內(nèi)的變化是均勻分布的.設Δτi為 τi與之間的差值,即服從 [στ,στ]內(nèi)的均勻分布,其中 0 ＜στ≤1.

由圖 3可知第 i次脈沖造成的誤碼秒數(shù)的計算式為

其中函數(shù) Int(x)表示對 x的值向下取整.

記 ti對應的隨機變量為 ξi,Δτi對應的隨機變量為 ηi,由于 L次接收機同步時間測試是相互獨立的,因此,隨機變量 ξ1,ξ2,…,ξL及 η1,η2,…,ηL彼此相互獨立.式(1)可以寫成

將 L次測試結果相加后取平均:

由切比雪夫(Chebyshev)定理知,當 L很大時:

其中,E[· ]表示數(shù)學期望.由于 ξi為[0,1)內(nèi)的均勻分布,故 ξi的概率密度函數(shù) fX=1;ηi為[-στ,στ]內(nèi)的均勻分布,故 ηi的概率密度函數(shù)為 fY=1/(2στ),ξi與 ηi是獨立的,所以 (ξi+ηi)的聯(lián)合概率密度為 fXY=fX· FY=1/(2στ).而 τdec是一常數(shù),經(jīng)過推導(詳細過程略)可求得

這樣,將式(3)代入式(2)可得

所以,可得接收機平均同步時間:

原測試方法分析:在 2.1節(jié)描述的原測試方法中,脈沖觸發(fā)間隔是固定的整秒時間,這樣時間差 ti為常數(shù),式(1)可寫為:Ri=τint+2+Int(ti+τdec+ηi), ηi是[-στ,στ]上均勻分布的隨機變量 ,且 0 ＜στ≤1,而 ti∈ [0,1)且 τdec∈ [0,1),則ti+τdec∈ [0,2),經(jīng)過推導求得 Ri與 ti是相關的,即誤碼秒數(shù)與起始時刻的位置相關,測試結果引入了 ti的影響;而改進的測試方法,Ri結果與起始時刻 ti不相關,改正了原方法中固有的偏差.

4 估測結果與分析

以本文的估測方法對我國數(shù)字電視地面?zhèn)鬏敇藴?GB20600—2006)接收機的同步時間進行了測試,接收機解調(diào)芯片為凌汛公司 LGS8G44芯片,高頻頭為 SHARP 8977型,廣播標準工作模式為:多載波 、星座映射 16QAM、FEC 0.8、幀頭 420、長交織、無導頻、幀頭旋轉(zhuǎn)、最大傳輸速率21.657Mbit/s,測試脈沖次數(shù) L=30,脈沖寬度W=1s.

測試分為 2組,第 1組噪聲功率 ΔN=5 dB,第 2組噪聲功率 ΔN=30dB,數(shù)據(jù)記錄見圖 4.

同步時間計算結果為:ΔN=5dB時,接收機同步時間為 2.67 s;ΔN=30 dB時,接收機同步時間為 4.28s.從測試記錄可以看出:

圖4 數(shù)字電視地面?zhèn)鬏敇藴式邮諜C同步時間測試記錄

1)每個測試過程中誤碼秒的記錄值都是在4個連續(xù)整數(shù)之間變化,符合接收機同步時間變化規(guī)律的假設.

2)從估測結果看出,在脈沖噪聲功率較大的情況下,同步時間相對較長,這是由于在大脈沖噪聲過后,AGC電路的追蹤有用信號時間變長,而不是解調(diào)過程時間增長,即估測過程的 ΔN參數(shù)對結果有較大影響.當 ΔN過大時,會引起 AGC電路追蹤時間過長,引入不必要的延遲;當 ΔN過小時,脈沖噪聲可能不能引起接收機完全失同步,所以 ΔN應依據(jù)具體傳輸系統(tǒng)的特征進行分析加以確定,而不應為某一固定值,具體參考該工作模式下的白噪聲門限進行確定.不同接收機進行比較時,ΔN需作為測試條件加以明確.

3)在數(shù)字電視地面?zhèn)鬏攪覙藴手?交織器采用的是基于符號的時域卷積交織,交織是在多個信號幀之間進行的,屬于幀間交織.在長交織模式下,交織深度為 720個符號,交織/解交織總的數(shù)據(jù)延時為 510個信號幀[6],延時具體長度在幀頭 420模式下為 510×555.5μs=283.305ms,所以采用脈沖寬度 W=1 s足以使接收機進入失同步狀態(tài),并且交織器內(nèi)也不能存留正確的數(shù)據(jù).但是,某些其他的數(shù)字廣播標準可能有更長的交織工作時間,如 DAB(Digital Audio Broadcasting)標準,時間交織工作在 384ms上[7];DVB-H標準的某些研究中也有交織時間長度達 873ms的討論[8];甚至某些 OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)通信系統(tǒng)中交織時間長度超過1s,即寬度為1s的脈沖噪聲在某些情況下不能使接收機輸出處于完全錯誤的狀態(tài),所以脈沖寬度W的值也應根據(jù)具體被測系統(tǒng)的參數(shù)確定.

5 結束語

數(shù)字電視接收機的同步時間是一項重要的技術指標,關系到數(shù)字電視廣播對用戶的服務質(zhì)量,若接收機不能及時同步,將延長用戶的等待時間.該同步時間指標與標準采用的幀結構、調(diào)制和編碼方式相關,也與解調(diào)采用的具體技術相關.

本文提出了一種新的同步時間估測方法,以我國數(shù)字電視地面廣播國家標準的已有測試方案為基礎,提出了改進的測試方法.在不需要精確測量誤碼時刻的情況下,在現(xiàn)有數(shù)字電視測試平臺基礎上,通過多次測試的方法,實現(xiàn)同步時間的估測,修正了原測試方法的局限性.測試精度達到0.1s,比現(xiàn)有設備直接測量精度提高一個數(shù)量級.本文提出的測試方法不僅用于數(shù)字電視廣播,還可用于其他通信系統(tǒng)同步時間的測試.

References)

[1]張曉林.數(shù)字電視設計原理[M].北京:高等教育出版社,2008:410-411 Zhang Xiaolin.The principle of digital television design[M].Beijing:Higher Education Press,2008:410-411(in Chinese)

[2]馮景鋒,鄧向冬,陳志國.地面數(shù)字電視傳輸系統(tǒng)測試[J].廣播與電視技術,2006,33(8):52-54 Feng Jingfeng,Deng Xiangdong,Chen Zhiguo.Terrestrial digital television transmission system testing[J].Radio＆TVBroadcast Engineering,2006,33(8):52-54(in Chinese)

[3]李春宇,張曉林,張展.基于 FFT的國標數(shù)字電視系統(tǒng)幀頭模式捕獲方法[J].北京航空航天大學學報,2009,35(4):393-397 Li Chunyu,Zhang Xiaolin,Zhang Zhan.Acquisition method of frame head PN mode in DTMB system based on FFT[J].Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics,2009,35(4):393-397(in Chinese)

[4]CCITT Recommendation O.151 Error performance measuring equipment operating at the primary rate and above[S].1993

[5]張曉林,路程.一種數(shù)字電視接收機同步時間測試系統(tǒng)及其測試方法:中國,CN 101540929[P].2009-09-23 Zhang Xiaolin,Lu Cheng.A system and method for measuring recovery time of digital television receiver:China,CN101540929[P].2009-09-23(in Chinese)

[6]GB20600-2006數(shù)字電視地面廣播傳輸系統(tǒng)幀結構、信道編碼和調(diào)制[S]GB20600-2006 Frame structure,channel coding and modulation for digital television terrestrial broadcasting system[S](in Chinese)

[7]顧麗華.淺談數(shù)字地面廣播電視移動接收技術[J].現(xiàn)代電視技術,2006(5):112-115 Gu Lihua.On digital terrestrial television reception technology for mobile[J].Advanced Television Engineering,2006(5):112-115(in Chinese)

[8]Kornfeld M.Optim izing the DVB-H time interleaving scheme on the link layer for high quality mobile broadcasting reception[C]//William Lumpkins.IEEE International Symposium on Consumer Electromics,ISCE 2007.Dallas,Texas,USA:IEEE,2007:1-6

(編 輯 :婁 嘉)

Method for measuring recovery time of digital television receiver

Lu Cheng Zhang Xiaolin

(School of Electronics and Information Engineering,Beijing University of Aeronautics and Astronautics,Beijing 100191,China)

Recovery time of digital television(DTV)receiver is an important indicator of DTV service quality but the recovery time can not be measured directly with existing equipments.A new method was presented which measure the recovery time by bit error rate(BER)tester and impulse noise source through a series of the errored seconds caused by impulse noise.Different from the traditional way,a random trigger of pulses was used in this method,which resulted that the estimation of recovery time was not associated with the pulse's start time.Without limit of the impulse noise length,the method can be used for measuring recovery time of the longer time-interleaver transmission systems.The recovery time measured in this method is with a precision of 0.1s,which is an order of magnitude lower than past experiments.The effect of experimental parameters on recovery time was analyzed with the test result in a digital terrestrial multimedia broadcasting(DTMB)receiver.

digital television;broadcasting;receivers;recovery;testing

TN 949.197

A

1001-5965(2010)05-0584-04

2009-07-01

北京市教育委員會共建項目專項資助

路 程(1980-),男,天津人,博士生,routelu@163.com.