地面數(shù)字電視接收機(jī)幀與載波的同步模塊設(shè)計(jì)與仿真

1 引言

中國于2006年8月頒布了數(shù)字電視的地面廣播標(biāo)準(zhǔn)GB20600-2006，成為繼美國ATSC、歐洲D(zhuǎn)VB-T、日本ISDB-T之后又一重要的地面數(shù)字電視廣播的國家標(biāo)準(zhǔn)。GB20600-2006中對(duì)中國數(shù)字電視地面?zhèn)鬏?DigitalTerrestrial Television Broadcasting，DTTB)系統(tǒng)傳輸?shù)膸Y(jié)構(gòu)、信道編碼和調(diào)制作了具體的規(guī)定。其中幀結(jié)構(gòu)的基本單元——信號(hào)幀采用了循環(huán)擴(kuò)展的時(shí)域幀頭結(jié)構(gòu)，即在每3780個(gè)符號(hào)的幀體前加入一定長度的經(jīng)循環(huán)擴(kuò)展后的偽隨機(jī)序列作為幀頭，為系統(tǒng)提供同步和信道估計(jì)。本文提出一種接收機(jī)同步算法的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)，利用已知的時(shí)域幀頭，聯(lián)合進(jìn)行幀同步和載波同步，減少了載波偏差對(duì)符號(hào)同步的干擾。同時(shí)對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行了FPGA實(shí)現(xiàn)，以驗(yàn)證其可行性和復(fù)雜度。

2 系統(tǒng)模型及基本算法介紹

2.1 國標(biāo)系統(tǒng)的信號(hào)幀結(jié)構(gòu)

國標(biāo)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)幀是一種4層結(jié)構(gòu)，其中的信號(hào)幀是系統(tǒng)幀結(jié)構(gòu)的基本單元。如圖1所示，它包含幀體和幀頭2個(gè)部分。幀體部分有3 780個(gè)符號(hào)，持續(xù)時(shí)間為500μs，包含了傳送的數(shù)據(jù)符號(hào)和一些系統(tǒng)信息。幀頭為m偽隨機(jī)序列(PN序列)，長度視系統(tǒng)采用的幀頭模式而定。幀頭的序列相對(duì)于接收端是已知的，因此可以用來實(shí)現(xiàn)接收機(jī)的同步和信道估計(jì)等算法。

幀頭部分的長度和內(nèi)容在不同模式下有不同的規(guī)定，但總體結(jié)構(gòu)是相似的。這里僅例舉模式1說明幀頭的結(jié)構(gòu)。在模式1中，幀頭長度是420個(gè)符號(hào)，由一個(gè)83個(gè)符號(hào)長度的前同步段、一個(gè)PN255序列和一個(gè)82個(gè)符號(hào)長度的后同步段構(gòu)成，前同步段和后同步段定義為PN255序列的循環(huán)擴(kuò)展。

2.2 針對(duì)時(shí)域幀頭的常用同步算法

2.2.1 符號(hào)同步算法

在已知的PN序列作為幀頭的系統(tǒng)中，常用的符號(hào)同步算法是將接收信號(hào)與本地PN序列時(shí)域相關(guān)，然后在相關(guān)的結(jié)果中尋找峰值。具體的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)見圖2。

由于國標(biāo)系統(tǒng)的幀頭具有循環(huán)擴(kuò)展結(jié)構(gòu)，在存在多徑信道環(huán)境的情況下，幀頭信號(hào)與本地PN序列滑動(dòng)相關(guān)的結(jié)果近似為信道的數(shù)字域等效的沖激響應(yīng)。因此可以根據(jù)預(yù)先制定的規(guī)則，選擇其中的一條多徑作為開窗位置的參考徑。通常的做法是針對(duì)相關(guān)結(jié)果給定一個(gè)門限，相關(guān)值超過門限的第一條多徑作為開窗起始位置的參考徑。此做法的好處是可把能量較大的徑的信號(hào)包含在開窗范圍內(nèi)，減少符號(hào)間干擾(ISI)，同時(shí)又能夠忽略掉一些能量較小的前徑。

2.2.2 載波一般估計(jì)和精細(xì)估計(jì)算法

在圖3所示的國標(biāo)系統(tǒng)的幀頭中，PN序列的前后端分別加入了循環(huán)擴(kuò)展。即每幀幀頭的第83～165個(gè)符號(hào)的區(qū)域A，與第338～420個(gè)符號(hào)的區(qū)域B發(fā)送的是相同的信號(hào)，同步模塊可利用這一循環(huán)結(jié)構(gòu)估計(jì)載波頻偏。

假設(shè)接收信號(hào)為

式中：l表示第l幀的符號(hào)；n表示幀內(nèi)的第n個(gè)符號(hào)；s是發(fā)端信號(hào)；△F是歸一化載波頻率誤差；N表示一幀的幀體符號(hào)數(shù)；Ns表示一幀的符號(hào)數(shù)。

A段幀頭符號(hào)和B段幀頭符號(hào)做互相關(guān)得

取共軛運(yùn)算?；ハ嚓P(guān)的結(jié)果Rmiddle經(jīng)過取角度運(yùn)算，即可提取出載波頻率誤差△F。

同樣，精細(xì)估計(jì)部分利用前后相鄰兩幀的幀頭做互相關(guān)，得到

式中：LEN表示相關(guān)窗的寬度；Ns=4 200。

2.3 傳統(tǒng)符號(hào)同步和載波同步算法的局限性

傳統(tǒng)符號(hào)同步方法主要利用了PN序列良好的自相關(guān)特性，本地PN序列與幀頭相關(guān)后會(huì)得到一個(gè)尖銳的相關(guān)峰，可以根據(jù)這一相關(guān)峰的位置來定位幀頭。但當(dāng)接收信號(hào)存在較大的載波偏差時(shí)，PN序列的自相關(guān)特性會(huì)遭到破壞，相關(guān)峰的幅度衰落。載波偏差越大，相關(guān)峰的幅度衰落越明顯，因此較大的載波偏差可能導(dǎo)致同步模塊無法精確地定位幀頭位置。

本文提出了一種符號(hào)同步和載波粗同步的聯(lián)合結(jié)構(gòu)，減少了載波偏差對(duì)符號(hào)同步的干擾，又對(duì)載波偏差進(jìn)行初步糾正，把剩余偏差控制在載波一般估計(jì)的范圍內(nèi)。

3 聯(lián)合同步模塊架構(gòu)與FPGA實(shí)現(xiàn)

3.1 硬件實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)框圖

筆者提出的國標(biāo)系統(tǒng)接收機(jī)同步模塊框圖見圖4。信號(hào)的捕獲和同步過程分為3個(gè)階段：

1) 掃頻符號(hào)同步階段。同步模塊先對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行掃頻，即載波同步模塊對(duì)數(shù)字振蕩器(NCO)先依次輸出預(yù)先給定的頻率，并在每個(gè)頻點(diǎn)上停留一段時(shí)間，以便相關(guān)和峰值檢測模塊能找到并跟蹤幀頭位置，如沒有出現(xiàn)相關(guān)峰則再掃描下一個(gè)頻點(diǎn)。

2) 一般估計(jì)階段。當(dāng)相關(guān)和峰值檢測模塊成功獲取幀同步信息后，進(jìn)入一般估計(jì)階段。由于掃頻模塊對(duì)載波偏差進(jìn)行了初步糾正，剩余頻偏此時(shí)局限在一般估計(jì)的有效頻率范圍內(nèi)，保證了一般估計(jì)的有效性。

3) 精細(xì)估計(jì)階段。當(dāng)剩余頻偏在一個(gè)相對(duì)較小的范圍內(nèi)時(shí)，控制模塊將轉(zhuǎn)為精細(xì)估計(jì)模式。精細(xì)估計(jì)的范圍比一般估計(jì)小，但是精度高于一般估計(jì)，因此可用來最終跟蹤載波頻偏。

3.2 掃頻符號(hào)同步模塊的實(shí)現(xiàn)

掃頻符號(hào)同步是一個(gè)掃描檢測反饋的過程，其具體實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)如圖5，主要分為3個(gè)部分：

1) 檢測部分。包括相關(guān)器和峰值檢測模塊。相關(guān)器對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行與本地PN序列的滑動(dòng)相關(guān)。峰值檢測模塊需要一個(gè)預(yù)先設(shè)置好的門限值，并把滑動(dòng)相關(guān)結(jié)果與該門限值比較，如果出現(xiàn)相關(guān)值大于門限的情況則對(duì)與其間隔一幀的各個(gè)點(diǎn)的相關(guān)值進(jìn)行跟蹤。如果持續(xù)3幀都出現(xiàn)大于門限，即判定為幀同步完成，并輸出一個(gè)幀同步信號(hào)。為了同時(shí)實(shí)現(xiàn)控制模塊的功能，峰值檢測模塊還要輸出一個(gè)峰值跟蹤信號(hào)給掃頻控制模塊。

2) 掃頻控制。其主要功能是控制掃描頻率。在模塊的ROM中依次存儲(chǔ)了被掃描的各個(gè)頻點(diǎn)的頻率值，控制模塊根據(jù)峰值檢測輸出的信號(hào)決定鎖定該頻點(diǎn)還是進(jìn)入下一個(gè)頻點(diǎn)。為排除突發(fā)干擾的影響，對(duì)于每個(gè)頻點(diǎn)，掃頻模塊都應(yīng)在該頻點(diǎn)停留一定的時(shí)間，以便相關(guān)檢測能夠正確地跟蹤幀頭。由于反饋環(huán)路存在延時(shí)，掃頻在每個(gè)頻點(diǎn)的停留時(shí)間應(yīng)比幀頭檢測跟蹤時(shí)間要適當(dāng)延長。

掃頻相鄰頻點(diǎn)的頻率間隔應(yīng)小于載波一般估計(jì)的有效頻偏范圍，這樣保證載波估計(jì)模塊有效估計(jì)出掃頻后的剩余頻偏。相關(guān)檢測部分的門限也要與掃頻跨度相對(duì)應(yīng)，使得當(dāng)剩余頻偏大于掃頻間隔時(shí)系統(tǒng)無法檢測出大于門限的相關(guān)峰。

3) 載波偏差糾正。這里NCO采用累加器實(shí)現(xiàn)，輸入為估計(jì)的頻率，對(duì)該頻率進(jìn)行累加(積分)，即得到相位值。輸出的正弦波和余弦波通過查表實(shí)現(xiàn)。

3.3 載波一般估計(jì)和精細(xì)估計(jì)模塊

載波一般估計(jì)對(duì)剩余頻偏的有效估計(jì)范圍是，它需要系統(tǒng)確定幀頭位置。因此載波一般估計(jì)模塊在掃頻符號(hào)同步結(jié)束后就開始工作。

一般估計(jì)模塊的實(shí)現(xiàn)框圖如圖6。這里采用幀頭的A段與B段的相關(guān)估計(jì)載波頻偏。選擇A段和B段是因其位于幀頭相對(duì)靠后的位置，不容易受到影響。對(duì)于ISI比較嚴(yán)重的情況，因?yàn)榻邮招盘?hào)被認(rèn)為是零均值的隨機(jī)數(shù)，所以ISI也是零均值的隨機(jī)信號(hào)。這樣可用長的相關(guān)窗取平均的方法在一定程度上消除ISI干擾。為對(duì)前后信號(hào)做互相關(guān)運(yùn)算，模塊需要1個(gè)RAM來存儲(chǔ)一段幀頭信號(hào)。由標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的幀結(jié)構(gòu)，循環(huán)后綴的長度為82個(gè)符號(hào)，因此這里RAM存儲(chǔ)不超過82個(gè)符號(hào)長度的數(shù)據(jù)。

精細(xì)估計(jì)和一般估計(jì)同時(shí)進(jìn)行，但只在一般估計(jì)跟蹤了載波頻偏一段時(shí)間，且剩余頻偏小于精細(xì)估計(jì)的最大范圍之后才開始輸出。精細(xì)估計(jì)對(duì)前后相鄰兩幀的幀頭做互相關(guān)，互相關(guān)的兩組數(shù)據(jù)間隔為幀長4 200。該模塊的實(shí)現(xiàn)可用一般估計(jì)已存儲(chǔ)在RAM中的上一幀A段數(shù)據(jù)與本幀A段數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)。如圖6所示，當(dāng)A段數(shù)據(jù)到來時(shí)，此時(shí)RAM中存儲(chǔ)的為上一幀A段的數(shù)據(jù)，因此可以讀出RAM中的數(shù)據(jù)，與接收到的信號(hào)做相關(guān)即可完成精細(xì)估計(jì)。具體實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)如圖7，這里RAM是先讀后寫的，因此數(shù)據(jù)進(jìn)入RAM有一個(gè)符號(hào)的延遲，這對(duì)算法并沒有影響。

3.4 控制掃頻模塊

控制模塊是同步部分最核心的模塊，其主要功能有：

1) 控制掃頻功能。包括掃頻頻率的輸出，掃頻點(diǎn)變換的控制；

2) 控制一般估計(jì)和精細(xì)估計(jì)的轉(zhuǎn)換。在一般估計(jì)模式中，對(duì)估計(jì)出的頻率與精細(xì)估計(jì)的頻率范圍作比較，如果發(fā)現(xiàn)估計(jì)的剩余頻偏一直處在精細(xì)估計(jì)的范圍內(nèi)(例如連續(xù)5幀)，則轉(zhuǎn)換為精細(xì)估計(jì)；

3)控制模塊還包括了反饋環(huán)路中的低通濾波器部分，對(duì)載波頻率的估計(jì)進(jìn)行低通濾波和累加。

4 仿真及分析

在FPGA平臺(tái)上進(jìn)行了基帶模塊的仿真以驗(yàn)證其功能。用于仿真的接收數(shù)據(jù)中加入了21.17 kHz的載波偏差。仿真的環(huán)境見表1。

圖8說明了仿真的結(jié)果，其中，縱坐標(biāo)為NCO的輸入頻率，橫坐標(biāo)為經(jīng)過的幀數(shù)。

從圖8中可以看出，在同步模塊工作的初期，由于載波偏差過大，相關(guān)模塊無法找到相關(guān)峰。模塊通過掃頻、反饋環(huán)路與載波一般估計(jì)、精細(xì)估計(jì)的協(xié)同工作，跟蹤載波頻偏，同時(shí)掃頻幀同步還獲取了幀同步信息。由于硬件實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)化計(jì)算精度有限，經(jīng)過載波同步模塊的信號(hào)仍然會(huì)有少量的載波頻偏，這種偏差可通過后邊的相位鎖定或均衡器模塊糾正。

對(duì)本文提出的同步模塊架構(gòu)通過FPGA實(shí)現(xiàn)并用Altera QuartusII軟件進(jìn)行了仿真和綜合，資源的占用情況如表2。如果采用T／2或更高頻率的系統(tǒng)時(shí)鐘，幀頭檢測的相關(guān)器可以被I／Q兩路復(fù)用，大大減少資源占用。由于算法簡單，而且對(duì)數(shù)據(jù)的處理速度要求不高，因此該模塊具有占用資源少、運(yùn)行頻率高等優(yōu)點(diǎn)，完全滿足國標(biāo)系統(tǒng)接收機(jī)的設(shè)計(jì)要求。

5 小結(jié)

本文基于中國地面數(shù)字電視國家標(biāo)準(zhǔn)提出的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了接收機(jī)幀同步與載波同步的聯(lián)合同步模塊，并對(duì)硬件實(shí)現(xiàn)中可能遇到的問題進(jìn)行了討論。仿真證明，這種結(jié)構(gòu)可有效解決幀同步與載波同步互相牽制的問題，準(zhǔn)確獲取幀頭信息，且能對(duì)抗相對(duì)較大的載波頻率偏差。如果采用較高的計(jì)算精度，載波頻率跟蹤的準(zhǔn)確性則可以得到保證。