DTMB系統(tǒng)的同步算法設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

趙慧冬，黑 勇，喬樹(shù)山

（中國(guó)科學(xué)院微電子研究所，北京100029）

數(shù)字電視地面多媒體廣播DTMB（Digital Television Terrestrial Broadcasting）標(biāo)準(zhǔn)是我國(guó)廣播領(lǐng)域中唯一的強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)，適用于固定和移動(dòng)兩種數(shù)字電視接收模式[1]。DTMB采用單載波和多載波兩種調(diào)制方式，多載波調(diào)制方式使用TDS-OFDM(Time Domain Synchronous Orthogonal Frequency Division Multiplexing)技術(shù)，與傳統(tǒng) OFDM技術(shù)相比采用不同的保護(hù)間隔填充方式。即采用幀頭充當(dāng)保護(hù)間隔，提高了系統(tǒng)的傳輸效率和頻譜利用率[2]。TDSOFDM系統(tǒng)的同步完全在時(shí)域上進(jìn)行。

本文針對(duì)DTMB系統(tǒng)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了幀同步，同時(shí)糾正了載波頻偏的影響，進(jìn)而確定正確的幀頭模式和生成相位序號(hào)。通過(guò)延遲相關(guān)和本地相關(guān)聯(lián)合同步算法準(zhǔn)確地跟蹤幀頭位置。

1 幀結(jié)構(gòu)

DTMB系統(tǒng)幀結(jié)構(gòu)的基本單元是信號(hào)幀。信號(hào)幀由幀頭和幀體兩部分組成，如圖 1所示。幀頭包括前同步、PN序列和后同步三部分。為了適應(yīng)不同應(yīng)用條件，DTMB協(xié)議規(guī)定了三種幀頭模式及相應(yīng)的信號(hào)幀結(jié)構(gòu)，三種幀頭模式中，幀頭分別是420個(gè)符號(hào)、595個(gè)符號(hào)和945個(gè)符號(hào)。以幀頭模式為420個(gè)符號(hào)的PN420為例，其幀頭序列由一個(gè)8階循環(huán)移位寄存器（LFSR）產(chǎn)生，LFSR的初始相位決定了生成序列的相位。為了使幀頭序列的相關(guān)性盡量小，PN420模式下共有225種不同的相位,在幀同步的同時(shí)還需要確定幀頭的模式并跟蹤生成序列的相位。

2 同步方案

為了在多徑和頻偏條件下得到精確的同步，本文提出采用延遲相關(guān)和本地互相關(guān)聯(lián)合同步的算法。圖2是本文同步和載波頻偏估計(jì)的設(shè)計(jì)框圖。首先通過(guò)延遲相關(guān)判斷出幀頭模式并得到幀頭起始位置的范圍。由于本地互相關(guān)極易受到載波頻偏的影響，因此需要進(jìn)行載波頻偏估計(jì)和恢復(fù)后再通過(guò)本地互相關(guān)找到精確的同步位置。根據(jù)前后幀峰值間隔判斷出當(dāng)前幀頭的生成序列相位號(hào)，從而調(diào)整本地生成序列的初始相位跟蹤接收信號(hào)的變化。

2.1 延遲相關(guān)

在DTMB幀頭序列中前同步和后同步是重復(fù)數(shù)據(jù)，利用重復(fù)數(shù)據(jù)的相關(guān)性進(jìn)行延遲相關(guān)同步[3]，找到幀頭的起始位置并根據(jù)相關(guān)峰值間隔確定幀頭模式。相關(guān)公式如下：

其中，r(n)是接收到的 DTMB信號(hào)，N是相關(guān)長(zhǎng)度，L是子載波間隔。在不同的幀頭模式下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。

延遲相關(guān)同步對(duì)載波頻偏敏感度低，但在多徑信道下相關(guān)峰值不明顯，因而不能精確地找到幀頭的起始位置。在存在載波頻偏的條件下，延遲相關(guān)用于確定同步的粗略位置。

2.2 載波同步

在DTMB多載波調(diào)制系統(tǒng)中相鄰兩個(gè)子載波的頻率間隔是2 kHz，對(duì)載波頻偏非常敏感，較小的頻偏都將導(dǎo)致OFDM符號(hào)在載波上的偏移。載波頻偏可以分成整數(shù)倍頻偏和小數(shù)倍頻偏兩部分，小數(shù)倍頻偏會(huì)導(dǎo)致載波間干擾，從而導(dǎo)致整數(shù)倍頻偏估計(jì)的性能下降，因此先進(jìn)行估計(jì)范圍較小的小數(shù)倍頻偏估計(jì)，再進(jìn)行估計(jì)范圍較大的整數(shù)倍頻偏估計(jì)。利用延遲相關(guān)同步中的粗略同步得到小數(shù)倍頻偏估計(jì)：

其中Ts是采樣時(shí)間。

在糾正小數(shù)倍頻偏之后，通過(guò)掃頻的方法確定整數(shù)倍頻偏。將整數(shù)倍頻偏加在本地幀頭序列上，與延遲相關(guān)確定的幀頭進(jìn)行相關(guān)，得到相關(guān)峰值最大時(shí)對(duì)應(yīng)的整數(shù)倍頻偏。

2.3 本地相關(guān)同步

本地相關(guān)同步能夠精確得到幀頭的起始位置，但是極易受到載波頻偏的影響，因此需要在糾正載波頻偏后進(jìn)行本地相關(guān)同步[4]。相關(guān)公式如下：

其中，c是本地PN序列，在不確定幀頭序號(hào)時(shí)其初始相位序號(hào)為0。通過(guò)本地相關(guān)得到精確的同步位置再進(jìn)行后續(xù)的信號(hào)解調(diào)。

2.4 相位跟蹤

根據(jù)本地相關(guān)相鄰幀同步峰值的間距可以判斷幀頭當(dāng)前的生成序列號(hào)，進(jìn)而調(diào)整本地生成序列的初始相位。以PN420為例，峰值間隔dst的表達(dá)式如下：

根據(jù)峰值間隔的數(shù)值可以判斷當(dāng)前生成序列的相位序號(hào)，根據(jù)DTMB協(xié)議可以得到相位序號(hào)與峰值間隔的關(guān)系如式(5)：

通過(guò)上式可以得到當(dāng)前幀頭的序列號(hào)并得到對(duì)應(yīng)的初始相位，從而調(diào)整本地幀頭生成序列的相位，對(duì)幀頭進(jìn)行跟蹤同步。

3 仿真

通過(guò)仿真對(duì)上面提出的聯(lián)合同步算法的性能進(jìn)行評(píng)估。系統(tǒng)的幀結(jié)構(gòu)、編碼方式、映射方式和調(diào)制均按照DTMB協(xié)議完成，幀頭模式選擇PN420，仿真信道采用Rayleigh衰落信道模型，其參數(shù)見(jiàn)表 1。圖3是在TU-6信道下、信噪比等于15 dB、載波頻偏等于30 kHz時(shí)進(jìn)行延遲相關(guān)同步的仿真結(jié)果。圖中相關(guān)峰值呈坡?tīng)罘植?，沒(méi)有明顯的峰值，通過(guò)延遲相關(guān)得到幀頭起始位置的范圍。圖4是本地相關(guān)的仿真結(jié)果，本地序列的初始相位序號(hào)為0。其中圖4(a)是頻偏糾正前的本地相關(guān)，圖中沒(méi)有明顯的峰值，證明本地相關(guān)對(duì)載波頻偏非常敏感。圖4(b)是糾正載波頻偏后的本地相關(guān)峰值，可以精確地找到幀頭起始位置。圖5初始相位確定和跟蹤是本地相關(guān)峰值間隔之差，根據(jù)間隔對(duì)應(yīng)式(5)可以得到當(dāng)前幀頭生成序列的初始相位，進(jìn)而由初始相位生成本地序列，對(duì)同步進(jìn)行跟蹤。

表1 Rayleigh TU-6衰落信道模型

4 實(shí)現(xiàn)

4.1 PN序列生成

DTMB有三種幀頭模式，因此PN序列生成模塊需要生成三種幀頭模式下所有相位的PN序列，一共能夠生成426種PN序列。生成序列的初始相位存儲(chǔ)在ROM中，根據(jù)輸入使能由三種不同的線性反饋移位寄存器生成不同的序列，如圖 6所示。相位初始值默認(rèn)為PN420中序號(hào)為0的初始相位，PN序列生成后輸出給本地相關(guān)。

4.2 相關(guān)運(yùn)算

延遲相關(guān)和本地相關(guān)可以共享存儲(chǔ)器、加法器和乘法器。在本地相關(guān)運(yùn)算中先將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在RAM中，共需要4塊8 192和1塊4 096深度、字長(zhǎng)是26的雙端口RAM。然后從RAM中取出數(shù)據(jù)與本地PN序列相乘，再進(jìn)行加法運(yùn)算。為了節(jié)約運(yùn)算時(shí)間，采用加運(yùn)算并行執(zhí)行的結(jié)構(gòu)，最終輸出累加結(jié)果xcross_result，如圖7所示。

4.3 同步與FFT

圖8中同步成功信號(hào)search_successs輸出，根據(jù)幀頭數(shù)據(jù)位置計(jì)算出FFT起始位置，根據(jù)對(duì)應(yīng)的地址生成單元從RAM中找出數(shù)據(jù)的起始地址，將起始地址后面的3 780點(diǎn)數(shù)據(jù)輸入FFT模塊。

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了DTMB系統(tǒng)的幀同步算法，通過(guò)延遲同步和本地互相關(guān)同步聯(lián)合算法確定精確的同步位置并進(jìn)行載波頻偏糾正。仿真表明，延遲相關(guān)和本地互相關(guān)聯(lián)合同步算法能夠精確地找到幀頭起始位置并準(zhǔn)確跟蹤幀頭的相位信息。

[1]GB 20600-2006.數(shù)字電視地面廣播傳輸系統(tǒng)幀結(jié)構(gòu)、信道編碼和調(diào)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.