基于Simulink的CMMB算法仿真平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)

田 園，張 峰，劉 佳，3

(1.中科院自動(dòng)化所，北京 100190;2.中國地質(zhì)大學(xué)地球物理與信息技術(shù)學(xué)院，北京 100083;

3.南京理工大學(xué)電子工程與光電技術(shù)學(xué)院，江蘇南京210094)

CMMB(China Mobile Multimedia Broadcasting)標(biāo)準(zhǔn)是2006年11月由國家廣播電總局提出的中國廣播電影電視行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)［1］，現(xiàn)主要應(yīng)用于手機(jī)電視領(lǐng)域。它針對(duì)我國廣播覆蓋面積大、傳輸環(huán)境復(fù)雜、用戶眾多和業(yè)務(wù)需求多樣化的特點(diǎn)，采用OFDM調(diào)制技術(shù)，吸納成熟的“天地一體化”技術(shù)體系，擁有低成本、信號(hào)覆蓋廣、頻譜利用率高、抗衰落能力強(qiáng)、傳輸速率高等優(yōu)點(diǎn)。

1 CMMB概述

1.1 OFDM 原理

CMMB系統(tǒng)采用OFDM調(diào)制技術(shù)。OFDM技術(shù)是多載波調(diào)制的一種，適用于無線環(huán)境下的高速數(shù)據(jù)傳輸，已廣泛應(yīng)用于高速數(shù)字用戶環(huán)路(HDSL)、非對(duì)稱數(shù)字用戶環(huán)路(ADSL)、高清晰度電視(HDTV)、地面數(shù)字電視廣播(DTMB)以及第四代移動(dòng)通信(LTE)等標(biāo)準(zhǔn)中［2］。其主要思想是:將高速的串行信號(hào)轉(zhuǎn)換為低速的并行信號(hào)，再將這些并行信號(hào)調(diào)制到若干個(gè)正交的子載波上傳輸［3］。OFDM系統(tǒng)原理框如圖1所示，從圖中可見正交調(diào)制過程由IFFT模塊實(shí)現(xiàn)，正交解調(diào)過程由FFT模塊實(shí)現(xiàn)。

1.2 關(guān)鍵技術(shù)

OFDM接收機(jī)關(guān)鍵技術(shù)主要包括同步、信道估計(jì)。

圖1 OFDM系統(tǒng)原理框圖

同步技術(shù)分為定時(shí)同步和頻率同步，定時(shí)同步為FFT提供開窗定時(shí)信息，頻率同步為恢復(fù)子載波正交性。

信道估計(jì)技術(shù)通過訓(xùn)練序列估計(jì)并恢復(fù)出所有子載波上的信道特性，實(shí)現(xiàn)接收信號(hào)的正確解調(diào)。

2 CMMB物理層結(jié)構(gòu)

CMMB系統(tǒng)物理層幀結(jié)構(gòu)如圖2所示，每幀持續(xù)1 s，包括40個(gè)結(jié)構(gòu)相同的時(shí)隙。手機(jī)電視信號(hào)中不同的頻道是承載在不同時(shí)隙上傳輸?shù)?。每個(gè)時(shí)隙時(shí)長25 ms，包括1個(gè)信標(biāo)符號(hào)和53個(gè)OFDM符號(hào)。

2.1 信標(biāo)符號(hào)

每個(gè)時(shí)隙開頭先傳輸一個(gè)信標(biāo)符號(hào)。信標(biāo)由TxID(發(fā)射機(jī)標(biāo)識(shí))和兩個(gè)相同的同步頭組成，如圖2所示。信標(biāo)持續(xù)450.4 μs，載波分配如表1所示。同步信號(hào)通過連續(xù)兩個(gè)相同時(shí)域信號(hào)提供快速定時(shí)和頻率信息的捕獲和估計(jì)。

圖2 基于時(shí)隙劃分的幀結(jié)構(gòu)

表1 8 Mbyte帶寬時(shí)CMMB數(shù)據(jù)幀子載波分布

2.2 OFDM 符號(hào)

信標(biāo)符號(hào)后，串行傳輸53個(gè)OFDM符號(hào)。每個(gè)OFDM符號(hào)加入保護(hù)間隔(GI)和循環(huán)前綴(CP)，共持續(xù)463.2 μs。載波分配見表1，保護(hù)間隔和循環(huán)前綴的作用為避免符號(hào)間干擾，并可計(jì)算出定時(shí)信息。

OFDM符號(hào)由4096 個(gè)子載波組成，包括數(shù)據(jù)子載波、連續(xù)導(dǎo)頻、離散導(dǎo)頻和虛擬子載波。其中導(dǎo)頻可用于頻率偏移和信道特性估計(jì)，虛擬子載波起保護(hù)頻率邊帶的作用，數(shù)據(jù)子載波用于承載有用數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)子載波上的數(shù)據(jù)由比特流星座映射產(chǎn)生，CMMB系統(tǒng)的星座映射方式包括BPSK，QPSK，16QAM。

3 CMMB算法仿真平臺(tái)的Simulink模型

3.1 CMMB接收機(jī)算法流程

根據(jù)OFDM關(guān)鍵技術(shù)和CMMB物理層特點(diǎn)，CMMB接收機(jī)流程采用3個(gè)階段實(shí)現(xiàn)。如圖3所示，CMMB接收機(jī)流程3個(gè)階段依次是粗同步、細(xì)同步和信道估計(jì)。

圖3 CMMB接收機(jī)流程

粗同步實(shí)現(xiàn)信號(hào)的捕獲的輸入信號(hào)為同步信號(hào)，通過對(duì)時(shí)域上兩個(gè)相鄰的同步信號(hào)進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算快速得到FFT的開窗定時(shí)信息、采樣率偏差和頻偏信息粗估計(jì)。粗同步后接收機(jī)進(jìn)入細(xì)估計(jì)階段，在該階段可以準(zhǔn)確按照符號(hào)位置進(jìn)行FFT運(yùn)算，得到連續(xù)導(dǎo)頻和離散導(dǎo)頻信號(hào)，通過對(duì)連續(xù)導(dǎo)頻和離散導(dǎo)頻進(jìn)行相應(yīng)運(yùn)算可以準(zhǔn)確估計(jì)出定時(shí)信息、采樣偏差信息、頻偏信息。信道估計(jì)階段是通過對(duì)離散導(dǎo)頻進(jìn)行計(jì)算，準(zhǔn)確恢復(fù)出每個(gè)數(shù)據(jù)子載波上的實(shí)時(shí)信道特性，為數(shù)據(jù)解映射提供準(zhǔn)確的信道特性。

3.2 CMMB接收機(jī)算法仿真平臺(tái)實(shí)現(xiàn)

Simulink是Matlab中的一種可視化仿真工具，用于對(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真和分析。它采用模塊化建模方式，每個(gè)模塊都有自己的輸入/輸出端口，實(shí)現(xiàn)指定功能［4］。Simulink作為一種通用的仿真建模工具，廣泛應(yīng)用于通信仿真、數(shù)字信號(hào)處理、模糊邏輯等領(lǐng)域中。

依據(jù)3.1中流程，采用Siumlink環(huán)境搭建CMMB算法仿真平臺(tái)。如圖4所示，該平臺(tái)包括CMMB信號(hào)發(fā)生模塊、CMMB仿真信道模塊、CMMB數(shù)據(jù)解調(diào)模塊、CMMB同步和信道估計(jì)模塊、誤碼率計(jì)算模塊。

1)信號(hào)發(fā)生模塊根據(jù)CMMB標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)生測(cè)試信號(hào)，用于為接收機(jī)提供理想測(cè)試信號(hào)。其輸入數(shù)據(jù)隨機(jī)比特流，輸出為CMMB理想測(cè)試信號(hào)。數(shù)據(jù)流程依次為星座映射模塊、加導(dǎo)頻模塊、擾碼模塊、IFFT及成幀模塊。

2)仿真信道中包含高斯白噪聲(AWGN)信道和瑞利衰落信道，可以設(shè)置信噪比、多普勒偏移、多徑數(shù)量、多徑位置和多徑增益等參數(shù)，輸入數(shù)據(jù)為CMMB理想測(cè)試信號(hào)，輸出數(shù)據(jù)為經(jīng)過信道衰減的CMMB仿真測(cè)試信號(hào)。

3)數(shù)據(jù)解調(diào)模塊的實(shí)現(xiàn)信號(hào)的解調(diào)過程，其處理順序與信號(hào)發(fā)生模塊相逆。數(shù)據(jù)流程依次為拆幀模塊、FFT、解擾模塊、去導(dǎo)頻模塊及解星座映射模塊。輸入數(shù)據(jù)為CMMB仿真測(cè)試信號(hào)，輸出數(shù)據(jù)為CMMB接收數(shù)據(jù)比特流。其中數(shù)據(jù)解調(diào)模塊需要由同步和信道估計(jì)模塊提供定時(shí)、頻偏以及信道估計(jì)信息。

4)同步及信道估計(jì)模塊實(shí)現(xiàn)定時(shí)、采樣率偏差、頻偏信息估計(jì)以及信道估計(jì)。輸入信號(hào)為時(shí)域同步信號(hào)、離散導(dǎo)頻信息。輸出信號(hào)為定時(shí)信息、采樣率偏差、頻偏信息以及數(shù)據(jù)子載波信道估計(jì)信息。

5)SER模塊為誤碼率計(jì)算模塊，通過比較原始隨機(jī)比特流和數(shù)據(jù)調(diào)制解調(diào)輸出的CMMB接收數(shù)據(jù)比特流計(jì)算誤碼率，可以通過誤碼率評(píng)估算法優(yōu)劣。

4 系統(tǒng)仿真與分析

為評(píng)估算法仿真平臺(tái)的性能，利用Simulink仿真參數(shù)，如表2所示，進(jìn)行AWGN信道不同信噪比環(huán)境下仿真，得到了圖5所示誤碼率曲線和表3所示AWGN信道下不同星座映射誤碼率表。本文中信噪比20 dB表示一個(gè)數(shù)量級(jí)。

圖4 CMMB算法仿真平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

表2 Simulink仿真參數(shù)

圖5 3種星座映射的誤碼率曲線

表3 AWGN信道下不同星座映射的誤碼率

從圖5和表3中可以看出，誤碼率隨信噪比的降低而增大，即噪聲越大誤碼率越高。當(dāng)其中在信噪比較高時(shí)(BPSK，QPSK的SNR＞20 dB時(shí)和16QAM的SNR＞30 dB時(shí))誤碼率為0，說明在信道質(zhì)量較好時(shí)，說明數(shù)據(jù)解調(diào)模塊能準(zhǔn)確恢復(fù)出原始信號(hào)。隨著信噪比降低逐漸出現(xiàn)誤碼，當(dāng)信噪比達(dá)到－20 dB時(shí)誤碼率接近于50%，此時(shí)達(dá)到系統(tǒng)性能極限，接收機(jī)不能正常工作。

另外，從三種星座映射的誤碼率曲線可以看出，在－10 dB＜SNR＜30 dB范圍內(nèi)，BPSK映射和QPSK映射的誤碼率曲線差距很小，而16 QAM映射的誤碼率曲線則與其他兩條距離較遠(yuǎn)，約有10 dB左右的距離?？紤]BPSK映射攜帶信息為QPSK映射攜帶信息量一半，而QPSK映射攜帶信息量為16 QAM映射攜帶信息量的一半，因此QPSK映射可以在不損失性能的前提下攜帶信息量最多，而16QAM映射性能雖有10 dB左右損失，但其信息攜帶量最大。實(shí)際系統(tǒng)中可以考慮在信道惡劣環(huán)境使用QPSK映射，信道質(zhì)量較好環(huán)境使用16QAM。

5 結(jié)論

通過分析OFDM原理和CMMB物理層特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種基于Simulink的CMMB算法仿真平臺(tái)。經(jīng)過實(shí)際仿真，該平臺(tái)各模塊能正常運(yùn)行，能準(zhǔn)確解調(diào)接收信號(hào)，并得到AWGN信道下不同信噪比誤碼率曲線。通過該仿真平臺(tái)，一方面驗(yàn)證了CMMB接收機(jī)算法的正確性，為硬件實(shí)現(xiàn)提供了算法和硬件架構(gòu)的參考，另一方面該平臺(tái)也對(duì)搭建其它基于OFDM調(diào)制技術(shù)的通信系統(tǒng)具有一定的借鑒意義［5－6］。

［1］ 國家廣播電影電視總局.GY－T220.1—2006，移動(dòng)多媒體廣播 第1部分:廣播信道幀結(jié)構(gòu)、信道編碼和調(diào)制［S］.2006.

［2］王玲.基于Matlab的OFDM仿真實(shí)現(xiàn)及性能分析［J］.中國傳媒大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2010，17(2):45－49.

［3］蔣偉雄，王玲.基于Simulink的OFDM系統(tǒng)分析及仿真［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2007(17):92－94.

［4］邵佳，董辰輝.MATLAB/Simulink通信系統(tǒng)建模與仿真實(shí)例精講［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2009.

［5］佟學(xué)儉，羅濤.OFDM移動(dòng)通信技術(shù)理論與應(yīng)用［M］.北京:人民郵電出版社，2003.

［6］李洋，楊波.CMMB接收機(jī)符號(hào)同步與載波同步算法設(shè)計(jì)［J］.電視技術(shù)，2009，33(S2):9－11.