應(yīng)用于地面數(shù)字電視單頻網(wǎng)的時(shí)鐘鎖頻技術(shù)

蔡 凡，王丹丹，何大治

（1.廣州海格通信集團(tuán)股份有限公司，廣東 廣州 510663；2.上海交通大學(xué)，上海 200240）

應(yīng)用于地面數(shù)字電視單頻網(wǎng)的時(shí)鐘鎖頻技術(shù)

蔡 凡1，王丹丹1，何大治2

（1.廣州海格通信集團(tuán)股份有限公司，廣東 廣州 510663；2.上海交通大學(xué)，上海 200240）

晶振自身的頻率老化會(huì)使得晶振的輸出頻率與標(biāo)稱頻率具有較大的偏差，晶振頻率的穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度會(huì)影響地面數(shù)字電視單頻網(wǎng)發(fā)射機(jī)的性能，導(dǎo)致單頻網(wǎng)環(huán)境下的動(dòng)態(tài)多徑情況，從而影響接收機(jī)的接收性能。通過和外部衛(wèi)星頻標(biāo)的比對(duì)，可以在開始階段對(duì)發(fā)射器的晶振輸出頻率進(jìn)行良好的校準(zhǔn)，從而保證單頻網(wǎng)環(huán)境下各個(gè)發(fā)射器的一致性，實(shí)現(xiàn)各個(gè)發(fā)射機(jī)信號(hào)的絕對(duì)同步。該方法實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度低，完全可以利用發(fā)射機(jī)現(xiàn)有的資源實(shí)現(xiàn)。

單頻網(wǎng)；晶振；老化；校準(zhǔn)

傳統(tǒng)的地面數(shù)字電視覆蓋網(wǎng)采用多頻網(wǎng)（Multiple Frequency Network，MFN）的方式來增加解決信號(hào)覆蓋問題，多頻網(wǎng)采用對(duì)不同地區(qū)發(fā)射不同的頻率信號(hào)的方式，由于各個(gè)發(fā)射點(diǎn)采用不同的頻率，相鄰傳輸?shù)貐^(qū)間的干擾很小，但其使用頻率資源的效率非常低，需要大量的頻率資源。

單頻網(wǎng)（Single Frequency Network，SFN）是目前國(guó)內(nèi)外廣泛采用的一種組網(wǎng)方式，用來解決地面數(shù)字電視信號(hào)覆蓋問題。單頻網(wǎng)是由多個(gè)位于不同地點(diǎn)的發(fā)射機(jī)組成的數(shù)字電視覆蓋網(wǎng)絡(luò)[1]，在覆蓋的區(qū)域內(nèi)，多個(gè)處于同步狀態(tài)的發(fā)射機(jī)以同一頻率發(fā)射同一套數(shù)字電視節(jié)目，即各發(fā)射天線發(fā)送的信號(hào)是完全一樣的；接收到的多個(gè)發(fā)射機(jī)信號(hào)可以被視為多徑信號(hào)，接收機(jī)通過均衡技術(shù)來實(shí)現(xiàn)多徑之間的相互貢獻(xiàn)、相互補(bǔ)償[2]，從而恢復(fù)出發(fā)送的數(shù)字電視節(jié)目。

單頻網(wǎng)可以實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一業(yè)務(wù)采用相同的頻率在較大區(qū)域內(nèi)進(jìn)行覆蓋，對(duì)頻率資源使用的效率很高，但其缺點(diǎn)是會(huì)給接收機(jī)帶來額外的多徑信號(hào)，且不能為整個(gè)覆蓋區(qū)的某一部分提供額外業(yè)務(wù)，靈活度不高。

1 SFN建網(wǎng)要求

單頻網(wǎng)的建網(wǎng)中要求不同發(fā)射點(diǎn)的發(fā)射信號(hào)必須滿足頻率同步和比特同步的要求，同時(shí)，為了保證來自不同發(fā)射點(diǎn)的信號(hào)之間的時(shí)延在一定的范圍內(nèi)，可以被接收機(jī)視為多徑信號(hào)而加以處理，單頻網(wǎng)中不同發(fā)射點(diǎn)之間的信號(hào)還必須滿足時(shí)間同步的要求。

1.1 頻率同步

為了保證接收機(jī)各個(gè)發(fā)射信號(hào)視為多徑，單頻網(wǎng)中各發(fā)射點(diǎn)發(fā)射的信號(hào)頻率應(yīng)完全相同，這就要求發(fā)射機(jī)本身有很高的頻率精度和穩(wěn)定度，且各個(gè)發(fā)射機(jī)之間的頻率偏差需要控制在一個(gè)很小的范圍內(nèi)，實(shí)踐證明偏差在1～5 Hz內(nèi)是可以被接受的。為了達(dá)到這個(gè)要求，各個(gè)發(fā)射機(jī)的振蕩器的頻率都必須滿足一個(gè)容差范圍，以保證發(fā)射信號(hào)的頻率滿足必要的精度。通常采用的方法是各個(gè)發(fā)射機(jī)的振蕩器都由同一個(gè)參考振蕩源來驅(qū)動(dòng)。實(shí)際應(yīng)用中，一般都選用GPS輔助高穩(wěn)晶振產(chǎn)生的10MHz信號(hào)作參考振蕩源。

1.2 時(shí)間同步

為了使來自不同發(fā)射點(diǎn)的信號(hào)之間的時(shí)延在接收機(jī)能夠處理的時(shí)延范圍內(nèi)，要求各個(gè)發(fā)射機(jī)之間的發(fā)射信號(hào)能滿足絕對(duì)時(shí)間同步。

在單頻網(wǎng)的分配網(wǎng)絡(luò)中，從適配器到各個(gè)激勵(lì)器之間的網(wǎng)絡(luò)延時(shí)并不相同。為了實(shí)現(xiàn)不同發(fā)射點(diǎn)之間的時(shí)間同步，需要設(shè)定一個(gè)統(tǒng)一延時(shí)，且該統(tǒng)一延時(shí)要大于分配網(wǎng)中的最大延時(shí)。不同發(fā)射點(diǎn)的發(fā)射機(jī)在收到分配網(wǎng)絡(luò)中的傳輸流時(shí)，會(huì)根據(jù)設(shè)定的統(tǒng)一延時(shí)和絕對(duì)參考時(shí)鐘對(duì)傳輸流進(jìn)行延時(shí)并發(fā)射，從而保證了不同發(fā)射點(diǎn)信號(hào)之間的時(shí)間一致性。

實(shí)際應(yīng)用中，一般都選用GPS輸出的絕對(duì)參考秒脈沖作為各個(gè)發(fā)射點(diǎn)的絕對(duì)參考時(shí)鐘。

1.3 比特同步

除了滿足了時(shí)間同步和頻率同步，還要求單頻網(wǎng)中各發(fā)射機(jī)發(fā)送相同的信號(hào)的，這就要求各個(gè)發(fā)射點(diǎn)之間調(diào)制信號(hào)幀的數(shù)據(jù)逐比特對(duì)應(yīng)相同，這就是所謂的比特同步。為保證比特同步，除了保證輸入到SFN中各個(gè)激勵(lì)器的碼流逐比特對(duì)應(yīng)相同，同時(shí)還要求各個(gè)激勵(lì)器對(duì)輸入碼流的分組相同，使得對(duì)一個(gè)信號(hào)幀調(diào)制的數(shù)據(jù)逐比特對(duì)應(yīng)相同。

我國(guó)的地面數(shù)字電視國(guó)標(biāo)DTMB具有這方面的優(yōu)勢(shì)，國(guó)標(biāo)DTMB所有模式在1 s內(nèi)能滿足整數(shù)個(gè)傳輸包，不同的激勵(lì)器只需要滿足相同的處理方式并采用基于秒脈沖的系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)間就能保證比特同步。

圖1的單頻網(wǎng)架構(gòu)采用GPS的秒信號(hào)作為絕對(duì)時(shí)間參考，各個(gè)發(fā)射機(jī)之間以及發(fā)射機(jī)與單頻網(wǎng)適配器之間的時(shí)間同步可以利用GPS時(shí)間來實(shí)現(xiàn)，GPS接收機(jī)可以同時(shí)提供頻率參考（10 MHz）和絕對(duì)參考秒脈沖（1 PPS，即1pulse per second）。

圖1 單頻網(wǎng)架構(gòu)

圖1為采用GPS秒信號(hào)作為絕對(duì)時(shí)鐘參考的單頻網(wǎng)技術(shù)方案，通過配置外部時(shí)鐘基準(zhǔn)，各個(gè)發(fā)射點(diǎn)可以利用GPS秒信號(hào)鎖定發(fā)射機(jī)中的高穩(wěn)晶體振蕩器，從而獲得一個(gè)短期及長(zhǎng)期穩(wěn)定度都比較優(yōu)良的時(shí)間頻率標(biāo)準(zhǔn)，也使得頻率準(zhǔn)確度得到提升。

2 本振頻率偏差帶來的影響

通常情況下，單頻網(wǎng)發(fā)射機(jī)中的上變頻器與D/A變換器使用同一頻率源，因此頻率源的輸出頻率信號(hào)的偏差會(huì)傳遞給經(jīng)過上變頻的射頻信號(hào)，從而使得多普勒頻移值的估計(jì)誤差增大。

設(shè)接收機(jī)中進(jìn)入D/A變換器的中頻信號(hào)的頻率為

式中：fVCO為頻率源的標(biāo)稱值；ΔfVCO為頻率源的標(biāo)稱值與輸出信號(hào)的實(shí)際頻率值的誤差；fc為載波信號(hào)的頻率；N為頻率源信號(hào)的倍頻數(shù)，以使載波的頻率從初始值下變頻到預(yù)定中頻；fd為載波的多普勒頻移值。

在載波鎖相環(huán)中，由于頻率源的偏差值未知，則其環(huán)路中NCO的本振值為 fc-N×fVCO，因此，當(dāng)環(huán)路跟蹤運(yùn)行后，由環(huán)路輸出的相位值計(jì)算得到的多普勒頻率值含有N×ΔfVCO的偏差，造成了多普勒頻率估計(jì)值的不準(zhǔn)確。如果頻率源的準(zhǔn)確度在10-6量級(jí)，那么多普勒頻移估計(jì)值的偏差將在幾赫茲甚至幾十赫茲以上。這樣在某些涉及計(jì)算物體運(yùn)動(dòng)速度（比如高速車載系統(tǒng)）的場(chǎng)合中，該多普勒值的偏差會(huì)給計(jì)算結(jié)果帶來較大的影響[3]。

頻率穩(wěn)定性是影響系統(tǒng)整體性能的一個(gè)重要指標(biāo)，因?yàn)槭⒕w具有較穩(wěn)定的固有頻率，單頻網(wǎng)發(fā)射機(jī)通常都采用高精度的石英晶體振蕩器。但是，石英晶體振蕩器存在頻率老化的現(xiàn)象，即振蕩器的頻率隨工作時(shí)間的增加而呈現(xiàn)緩慢變化的趨勢(shì)[4]。雖然老化引起的頻率變化的絕對(duì)值較小，但在一些精度要求較高的場(chǎng)合，這種變化會(huì)導(dǎo)致解調(diào)算法性能的下降，尤其是在設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間斷電以后，開機(jī)后頻率漂移的值會(huì)更加明顯。所以，克服高性能石英晶體振蕩器頻率的老化問題，是保證發(fā)射機(jī)的射頻穩(wěn)定度是一個(gè)關(guān)鍵的問題。

選取兩個(gè)發(fā)射機(jī)中的恒溫高穩(wěn)晶振（穩(wěn)定度標(biāo)稱值為5×10-10/24 h）進(jìn)行老化測(cè)試，測(cè)量頻率漂移值，其測(cè)量方法如下：1）接收GPS的秒脈沖1 PPS信號(hào)，利用此秒脈沖與恒溫高穩(wěn)晶振產(chǎn)生的秒脈沖1 PPS信號(hào)進(jìn)行時(shí)間比對(duì)；2）接著利用FPGA中的時(shí)間間隔測(cè)量程序?qū)Ρ镜孛朊}沖信號(hào)和GPS秒脈沖信號(hào)兩者間的時(shí)鐘間隔進(jìn)行計(jì)數(shù)。經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的測(cè)量統(tǒng)計(jì)從而得到恒溫高穩(wěn)晶振的頻率偏移曲線。圖2分別給出了1天時(shí)間內(nèi)晶振的測(cè)試曲線，其中橫軸為測(cè)量時(shí)間（單位為s），縱軸為本地秒脈沖信號(hào)與GPS秒脈沖信號(hào)的時(shí)間間隔（單位為μs）。從圖中可知，晶振在自由運(yùn)行的情況下，每天的時(shí)差會(huì)達(dá)到8ms左右，這對(duì)于高帶寬信號(hào)的解調(diào)而言會(huì)增加位同步估算和糾正的頻度。

圖2 晶振漂移測(cè)試結(jié)果

3 提升本振頻率準(zhǔn)確度的方法

3.1 偏差的估算

利用GPS的1 PPS信號(hào)，結(jié)合時(shí)間間隔測(cè)量技術(shù)，將它與本地晶振的分頻信號(hào)進(jìn)行比對(duì)，按照相位差的變化速率計(jì)算出相對(duì)頻差，并綜合考慮本地晶振的壓控靈敏度，產(chǎn)生出對(duì)本地晶振的控制電壓。經(jīng)過反復(fù)控制，最終實(shí)現(xiàn)了本地晶振的長(zhǎng)期穩(wěn)定度和GPS秒信號(hào)的穩(wěn)定度相一致，其原理框圖如圖3所示。

圖3 基于GPS秒脈沖鎖定高穩(wěn)晶振原理框圖

時(shí)間間隔的測(cè)量過程是在FPGA中來完成，時(shí)間間隔測(cè)量的分辨率由FPGA中能夠達(dá)到的最高頻率的時(shí)鐘決定，可達(dá)到10 ns量級(jí)。這樣理論上在設(shè)備上電后，通過與GPS秒脈沖的比對(duì)和晶振的控制，就可以達(dá)到1×1011的穩(wěn)定度和1×10-9的準(zhǔn)確度。

3.2 偏差的補(bǔ)償

在FPGA中通過鎖相環(huán)來完成對(duì)頻率偏差的補(bǔ)償，主要完成以下過程。首先對(duì)GPS秒脈沖和本地晶振的秒脈沖進(jìn)行時(shí)差比對(duì)，計(jì)算得到的時(shí)差值進(jìn)行平均濾波后再進(jìn)行Kalman濾波，然后輸出給DA轉(zhuǎn)換成模擬電壓控制晶振。通過監(jiān)控晶振輸出的秒脈沖和GPS秒脈沖的時(shí)差值可以了解整個(gè)算法的運(yùn)行過程。大約7 h內(nèi)的時(shí)差測(cè)量結(jié)果如圖4所示。

從圖中可看出，跟蹤過程分為捕獲階段和穩(wěn)定階段。在穩(wěn)定階段，晶振的頻率不再處于偏移狀態(tài)，而是被控制為一個(gè)固定值，表現(xiàn)為GPS秒脈沖和本地晶振的秒脈沖為固定時(shí)延。此時(shí)晶振實(shí)際輸出正弦波的頻率值會(huì)非常接近晶振的頻率標(biāo)稱值（比如10 MHz），誤差在0.01 Hz以內(nèi)。運(yùn)行過程中時(shí)鐘的抖動(dòng)遠(yuǎn)小于1μs。

圖4 采用Kalman濾波的鎖相環(huán)跟蹤過程

為了提高跟蹤階段的準(zhǔn)確度和抗抖動(dòng)能力，采用基于卡爾曼濾波算法，對(duì)時(shí)差數(shù)據(jù)分解為抖動(dòng)誤差、突發(fā)誤差2個(gè)部分，利用Kalman濾波器減小抖動(dòng)誤差，設(shè)置跟蹤門限值來消除突發(fā)誤差的干擾，從而提高了晶振的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度指標(biāo)。

鎖相環(huán)中的濾波器可以采用平均濾波算法和Kal?man濾波算法，但兩者對(duì)于噪聲的處理存在差異。對(duì)于突發(fā)的抖動(dòng)，Kalman濾波器會(huì)有較好的優(yōu)勢(shì)。

由GPS接收機(jī)接收到的數(shù)據(jù)得到一組鐘差時(shí)間觀測(cè)序列信息進(jìn)行狀態(tài)向量估值。

狀態(tài)方程為

觀測(cè)方程為

式中：Xk為狀態(tài)參數(shù)向量；Lk為觀測(cè)向量；Φ(k,k-1)為狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣；Ak為系數(shù)矩陣；Wk為模型噪聲；ek為觀測(cè)噪聲[5]。

根據(jù)卡爾曼濾波算法可知，當(dāng)在測(cè)量序列中出現(xiàn)野值或者突發(fā)抖動(dòng)時(shí)，必將影響新息序列的原有性質(zhì)，導(dǎo)致濾波器估計(jì)不準(zhǔn)，濾波精度下降。基于卡爾曼濾波器新息序列的特性，這里采用對(duì)卡爾曼濾波新息序列進(jìn)行修正，提高測(cè)量的抗抖動(dòng)能力和去野值能力[6]。如果使用平均濾波，那么突發(fā)抖動(dòng)會(huì)導(dǎo)致穩(wěn)定度的指標(biāo)會(huì)有一定的影響，圖5為采用平均濾波算法下的跟蹤結(jié)果。

從圖中可以看出，平均濾波沒有辦法去除大的抖動(dòng)。平均濾波就是連續(xù)取N次采樣值進(jìn)行平均運(yùn)算。算術(shù)平均值濾波法適用于對(duì)具有隨機(jī)干擾的信號(hào)進(jìn)行濾波。這種信號(hào)的特點(diǎn)是有一個(gè)平均值，信號(hào)在某一數(shù)值范圍附近上下波動(dòng)。信號(hào)的平滑度和靈敏度取決于N。當(dāng)N較大時(shí)，信號(hào)平滑度較高，但靈敏度較低；當(dāng)N較小時(shí)，信號(hào)平滑度較低，但靈敏度較高。算術(shù)平均值濾波法的缺點(diǎn)是對(duì)于測(cè)量速度較慢或要求數(shù)據(jù)計(jì)算速度較快的實(shí)時(shí)控制不適用[7]。

圖5 采用平均濾波的鎖相環(huán)跟蹤過程

4 結(jié)束語

時(shí)間統(tǒng)一的概念已廣泛應(yīng)用于包括導(dǎo)彈、航天、衛(wèi)星等多個(gè)領(lǐng)域，根據(jù)不同任務(wù)的需要，對(duì)時(shí)間統(tǒng)一的性能提出了不同的要求。地面數(shù)字電視單頻網(wǎng)中，由于寬帶傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，需要非常精準(zhǔn)的絕對(duì)時(shí)間同步（達(dá)到納秒級(jí)別），GPS的時(shí)鐘源是完全可以用來提供一個(gè)參考時(shí)鐘，來提高設(shè)備的時(shí)間同步精度。本文研究的基于GPS時(shí)間源，其重要特征是具備長(zhǎng)期的頻率穩(wěn)定度，利用高準(zhǔn)確度的標(biāo)準(zhǔn)秒信號(hào)，結(jié)合高分辨率的時(shí)間間隔測(cè)量技術(shù)，在較短時(shí)間內(nèi)將發(fā)射機(jī)內(nèi)部的晶體振蕩器鎖定在了標(biāo)稱頻率，具備較高的頻率準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度。該方法的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度很低，時(shí)間間隔測(cè)量和Kal?man濾波都可以在單頻網(wǎng)發(fā)射機(jī)中的FPGA中完成，因此不會(huì)增加設(shè)備體積。上述方法簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)，既提高了晶振的穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度，也間接提升了單頻網(wǎng)發(fā)射機(jī)的性能。

[1]楊延冬，呼和，黃艷萍，等.地面數(shù)字電視廣播單頻網(wǎng)（SFN）組網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)與測(cè)試方法[J].中國(guó)有線電視，2014（8）：374-377.

[2] 張立軍，歸琳，喬艷濤，等.帶波束形成的在單頻網(wǎng)廣播中的信道均衡[J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，38（11）：1857-1860.

[3]張秀忠，蔡凡，尹燕.采樣頻率偏移對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)的影響[J].江蘇大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2006，27（2）：155-159.

[4] 柳麗，陳之純，曾元峰.石英晶振老化的建模與模型求解[J].上海航天，2004（31）：1-6.

[5]陳軍，李建文，張成軍，等.白噪聲Kalman濾波模型在GPS單向授時(shí)中的應(yīng)用[J].海洋測(cè)繪，2010（1）：29-31.

[6]張向征，樂四海，陶春燕，等.修正Kalman濾波在北斗授時(shí)中的應(yīng)用[J].無線電工程，2012，42（4）：56-58.

[7] 田鳴，王瑞清.基于GPS校準(zhǔn)的數(shù)字式守時(shí)鐘守時(shí)算法研究[J].計(jì)算機(jī)與數(shù)字工程，2011（3）：12-16.

Technology on Frequency Lock Applied in Single Frequency Network of Terrestrial Digital TV

CAI Fan1，WANG Dandan1，HE Dazhi2
（1.Guangzhou Haige Communications Group Incorporated Company，Guangzhou 510663，China；2.Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China）

The stability and accuracy of crystal oscillator will affect the demodulation performance of the terrestrial digital television SFN transmitter.With the complex multi-path problem in single frequency network（SFN），the receiving performance of the receiver is affected.Through the comparison with the external satellite frequency standard，crystal oscillator can be calibrated at the beginning stage of the transmitter，so as to ensure each transmitter having the same frequency.The absolute synchronization of all transmitters is realized.The method proposed in this paper can be finished in the transmitter by using the existing device.

SFN；crystal oscillators；frequency aging；calibration

TN965.5

A

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2014-08-07

【本文獻(xiàn)信息】蔡凡，王丹丹，何大治.應(yīng)用于地面數(shù)字電視單頻網(wǎng)的時(shí)鐘鎖頻技術(shù)[J].電視技術(shù)，2014，38（18）.

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（11103066）