摘 要:中國移動多媒體廣播(CMMB)作為國內(nèi)自主研發(fā)的第一套面向多種移動終端的系統(tǒng)，采用OFDM調(diào)制方式，在接收端，如何在終端簡單而又準(zhǔn)確地檢測到信號實(shí)現(xiàn)同步，直接關(guān)系到CMMB系統(tǒng)的性能。采用能量檢測法和相關(guān)檢測法兩種不同的方法實(shí)現(xiàn)CMMB信號的同步檢測，并通過仿真表明兩種方法在低信噪比下也能很好地實(shí)現(xiàn)同步。

關(guān)鍵詞: CMMB; 同步檢測; 相關(guān)檢測; 能量檢測

中圖分類號:TN911 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)11-0082-04

Research of Synchronization Algorithm for CMMB Signal

BAO Han

(Jilin Province Broadcast Television Information Network Group Co. Ltd.， Changchun 130021， China)

Abstract: As the first system developed by Chinese government for various mobile terminals， the system of CMMB(China mobile multimedia broadcasting) employs the OFDM modulation. At the receiving terminal， it is significant for the performance of the CMMB system to detect the signal precisely and realize the synchronization detection. The synchronization detection of CMMB signal was implemented with two different methods (energy detection and correlation detection). The simulation results show that both of the two methods can realize the synchronization detection even at low SNR.

Keywords: CMMB; synchronization detection; correlation detection; energy detection

2008年8月，北京第29屆奧運(yùn)會前夕，國家廣電總局在全國37個(gè)省會及奧運(yùn)舉辦城市開通了移動多媒體廣播(China Mobile Multimedia Broadcasting，CMMB)系統(tǒng)，這標(biāo)志著自2002年開始由國家廣電總局廣播科學(xué)研究院及相關(guān)院校、企業(yè)著手研究的、具有自主知識產(chǎn)權(quán)的中國多媒體廣播技術(shù)正式投入運(yùn)行[1-2]。CMMB是通過衛(wèi)星或地面無線廣播方式，供7寸以下小屏幕、小尺寸、移動便攜的手持終端(如手機(jī)、PDA，MP3、數(shù)碼相機(jī)、筆記本電腦等)，隨時(shí)隨地接收廣播電視節(jié)目和信息服務(wù)等業(yè)務(wù)的系統(tǒng)。

1 CMMB的物理層幀結(jié)構(gòu)[3-5]

CMMB物理層信號每1 s為1幀，劃分為40個(gè)時(shí)隙。每個(gè)時(shí)隙的長度為25 ms，包括1個(gè)信標(biāo)和53個(gè)OFDM符號，基于時(shí)隙劃分的幀結(jié)構(gòu)如圖1所示。

信標(biāo)包括發(fā)射機(jī)標(biāo)識信號Tx以及2個(gè)相同的同步信號，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.1 發(fā)射機(jī)標(biāo)識信號(TxID)

發(fā)射機(jī)標(biāo)識信號SID(t)為頻帶受限的偽隨機(jī)信號，用于標(biāo)識不同發(fā)射機(jī)。SID(t)長度記為TID，取值為36.0 μs(包括循環(huán)前綴長度TIDCP)。發(fā)射機(jī)標(biāo)識信號的表達(dá)式為:

SID(t)=1NID∑NIDi=0XID(i)ej2π(Δf)ID(t-TIDCP)， 0≤t≤TID(1)

式中:NID是發(fā)射機(jī)標(biāo)識信號的子載波數(shù);XID(i)為承載發(fā)射機(jī)標(biāo)識序列的BPSK調(diào)制信號;(Δf)ID表示發(fā)射機(jī)標(biāo)識信號的子載波間隔，取值為39.062 5 kHz。

圖1 基于時(shí)隙劃分的幀結(jié)構(gòu)

圖2 信標(biāo)結(jié)構(gòu)圖

1.2 同步信號

同步信號Sb(t)為頻帶受限的偽隨機(jī)信號，長度記為Tb，取值為204.8 μs。同步信號的表達(dá)式為:

Sb(t)=1Nb∑Nb-1i=0Xb(i)ej2π(Δf)bt，0≤t≤Tb(2)

式中:Nb表示同步信號的子載波;Xb(i)為承載二進(jìn)制偽隨機(jī)序列PNb(k)的BPSK調(diào)制信號;(Δf)b是同步信號的子載波間隔，取值為4.882 812 5 kHz。

承載二進(jìn)制序列偽隨機(jī)PNb(k)的BPSK調(diào)制信號Xb(i)由PNb(k)映射產(chǎn)生。另外，OFDM符號由循環(huán)前綴(CP)和OFDM數(shù)據(jù)體構(gòu)成。發(fā)射機(jī)標(biāo)識信號、同步信號和相鄰OFDM符號之間，通過保護(hù)間隔GI相互交疊(符號交疊時(shí)，每時(shí)隙中兩段2.4 μs同步信號作為一段信號處理，兩段同步信號間不加保護(hù)間隔)。相鄰符號經(jīng)過窗函數(shù)加權(quán)后，前一個(gè)符號的尾部GI與后一個(gè)符號的頭部GI相互疊加。

2 CMMB同步的實(shí)現(xiàn)

評估幀同步常用到兩個(gè)指標(biāo)——虛警概率和檢測概率[6]。虛警概率Pf表示實(shí)際沒有信號幀到達(dá)，算法誤測為信號幀到來的概率;檢測概率Pd表示實(shí)際有信號幀到達(dá)，檢測算法正確檢測為信號幀到來的概率。另外還有漏檢概率，表示實(shí)際有信號幀到達(dá)而算法沒有檢測到的概率，可以表示為Pm=1-Pd。這里同步算法主要評估能量檢測法和相關(guān)檢測法。

2.1 能量檢測法

能量檢測法[7]是一種比較簡單的信號檢測方法，屬于非相干檢測能量檢測法，即將輸入信號通過一個(gè)帶寬為W的帶通濾波器，取出感興趣的頻段，然后進(jìn)行平方運(yùn)算，通過積分器在一段時(shí)間T內(nèi)進(jìn)行積累，得到判決統(tǒng)計(jì)量V，其檢測框圖如圖3所示。

圖3 能量檢測法原理圖

對于一個(gè)持續(xù)時(shí)間為T，帶寬為W的信號，可由N=2TW個(gè)采樣點(diǎn)來表示。對于低通情況，以2W的頻率采樣，采樣時(shí)間為T，就可以得到N=2TW個(gè)采樣點(diǎn)。設(shè)輸入信號為y(t)，則能量檢測器的輸出為統(tǒng)計(jì)量V=1T∫T0y2(t)dt，對應(yīng)的檢測門限為Th，則判決模型為:

V

式中:H0表示輸入信號為噪聲;H1表示輸入信號為信號和噪聲。為方便計(jì)算，取統(tǒng)計(jì)量為V′=1N0∫T0y2(t)dt。

在低通情況下，噪聲n(t)在(0，T)上可近似為2TW項(xiàng)的和，即:

n(t)=∑2TWi=1aisin[c(2Wt-i)]， 0

則n(t)在(0，T)上的能量可表示為:

∫T0n2(t)=12W∑2TWi = 1a2i(4)

假設(shè)H0:輸入信號只有噪聲時(shí)，即y(t)=n(t)，能量檢測器的輸出統(tǒng)計(jì)量為:

V0′=1N0∫T0y2(t)dt=1N0∫T0n2(t)dt=∑2TWi=1b2i(5)

式中:bi=ai2WN0;N0是AWGN的功率譜密度。此時(shí)V0′是2TW個(gè)均值為0，方差為1的高斯隨機(jī)變量的平方和，從而V0′～χ22TW。

假設(shè)H1:輸入信號為信號和噪聲，兩者不相關(guān)，即y(t)=s(t)+n(t)，則:

y(t)=∑2TWi=1(αi+ai)sin[c(2Wt-i)]， 0

(6)

能量檢測器的輸出統(tǒng)計(jì)量為:

V1′=1N0∫T0y2(t)dt=∑2TWi=1(βi+bi)2(7)

式中:βi=αi2WN0;αi=si2W，則V0′～χ22TW(2λ)，其中λ為非中心系數(shù)。由定義計(jì)算可得:V0′的均值和方差分別為N和2N，而V1′的均值和方差分別為λ+N和λ+2N。

由此可得虛警概率和檢測概率分別為:

Pf=P{V0>Th|H0}=QN2Th2WN0-1〗(8)

Pd=P{V1>Th|H1}=QN2WN0Th-(γ+N)2N+γ〗(9)

式中:Q(x)=12π∫∞0ey22dy。

2.2 相關(guān)檢測法[8-9]

由于CMMB信號中信標(biāo)部分的兩段同步信號是一樣的，可以利用Schimdl和Cox提出的延遲相關(guān)方法來檢測同步信號的存在，從而判斷整幀CMMB信號的存在，其對應(yīng)的原理圖如圖4所示。

根據(jù)延遲自相關(guān)的原理，滑動窗口P是接收信號和接收延時(shí)信號中相關(guān)能量的檢測窗，延時(shí)L=204.8 μs，這是CMMB中一段同步信號的長度;滑動窗口R對應(yīng)延時(shí)L后接收信號的能量檢測窗，該窗口的目的是歸一化相關(guān)能量，確保相關(guān)值的大小與信號絕對能量大小無關(guān)。其算式如下:

M(d)=P(d)\\22(10)

式中:P(d)=∑L-1m=0(r*d+mrd+m+L)，R(d)=∑L-1m=0rd+m+L2。對相關(guān)檢測器的性能進(jìn)行分析，基于以下假設(shè):

(1) H0:輸入信號只有噪聲，即rm=nm;

(2) H1:輸入信號為信號和噪聲，即rm=sm+nm;

(3) 在以上兩種情況下，均假設(shè):E

圖4 相關(guān)檢測法原理圖

假設(shè)H0:輸入信號只有噪聲，此時(shí)有rm=nm，對于:

P(d)=∑L-1m=0(r*d+mrd+m+1)=∑L-1m=0(n*d+mnd+m+L)(11)

則P(d)2服從2Lσ4rχ22分布，均值為4Lσ4r，方差為16L2σ8r。

同理，對于R(d)有:

R(d)=∑L-1m=0rd+m+12=∑L-1m=0nd+m+12(12)

根據(jù)中心極限定理，R(d)服從高斯分布。由于R(d)的標(biāo)準(zhǔn)差遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其均值，所以{R(d)}2也服從高斯分布，即有{R(d)}2～n\\，由于:

M(d)～12Lχ22n1，4L≈12Lχ22-n0，4L3≈12Lχ22(13)

則M(d)的均值為1/L，方差為1/L2。

假設(shè)H1:輸入信號為信號和噪聲，即rm=sm+nm，則P(d)服從均值為2Lσ2s的高斯分布，R(d)服從均值為2L(σ2s+σ2n)的高斯分布。M(d)可近似看作高斯隨機(jī)變量，則有M(d)～n(μ1，σ21)。

由虛警和檢測的定義可得:

Pf=P{M(d)>Th|H0}=

P12Lχ22>Th=P{χ22>2LTh}(14)

Pd=P{M(d)>ThH1}=QTh-μ1σ1(15)

式中:Q(x)=12π∫∞0ey22dy。

3 仿真結(jié)果

下面將介紹CMMB信號兩種同步算法的仿真實(shí)現(xiàn)，信道模型分別為高斯白噪聲信道。通常，對于信號幀同步算法的虛警概率和檢測概率的評估，仿真信噪比SNR一般設(shè)定在較低區(qū)間進(jìn)行評估。

在AWGN信道環(huán)境下，能量檢測法的理論和仿真性能曲線(Pf-Pm)如圖5所示。

其中，“SNR=-10 dB仿真”、“SNR=-9 dB 仿真”、“SNR=-8 dB 仿真”分別表示能量檢測法在認(rèn)知用戶檢測到主用戶信號的SNR在-10 dB，-9 dB，-8 dB時(shí)的仿真性能曲線，“SNR=-10 dB理論”，“SNR=-9 dB理論”，“SNR=-8 dB理論”分別表示能量檢測法SNR在-10 dB，-9 dB，-8 dB時(shí)的理論性能曲線。

圖5 AWGN信道下能量檢測法的性能曲線

由圖4可知，在AWGN信道條件下，隨著信號幀SNR的增大，同一虛警概率Pf對應(yīng)的漏檢概率Pm減小?？梢则?yàn)證，這一規(guī)律同樣適應(yīng)于衰落信道(例如TU模型[10-11])。由此可見，在信道環(huán)境一定時(shí)，能量檢測法的性能隨著信號幀的SNR增大而提高，這一規(guī)律并不隨信道環(huán)境的不同而變化。由上述可知，能量檢測法的出發(fā)點(diǎn)是信號加噪聲的能量大于噪聲的能量。隨著信號幀SNR增大，信號加噪聲的能量與噪聲能量之間的差別變大，故檢測性能提高。因此，能量檢測法性能在高SNR條件下較好。

在AWGN信道環(huán)境下，相關(guān)檢測法的理論和仿真性能曲線(Pf-Pm)如圖6所示。

圖6 AWGN信道下相關(guān)檢測法的性能曲線

其中，“SNR=-12 dB仿真”、“SNR=-11 dB 仿真”、“SNR=-10 dB仿真”分別表示信號幀的SNR 在-12 dB，-11 dB，-10 dB時(shí)的仿真性能曲線，“SNR=-12 dB 理論”、“SNR= -11 dB 理論”、“SNR=-10 dB理論”分別表示信號幀的SNR 在-12 dB，-11 dB，-10 dB時(shí)的理論性能曲線。由圖6可知，在信道環(huán)境一定(AWGN或TU)的條件下，隨著信號幀的SNR的增大，同一虛警概率Pf對應(yīng)的漏檢概率Pm減小。這一規(guī)律同樣適應(yīng)于衰落信道。由此可見，在信道環(huán)境一定時(shí)，相關(guān)檢測法的性能隨著SNR的增大而提高，這一規(guī)律并不隨信道環(huán)境的不同而變化。由上述可知，相關(guān)檢測法的出發(fā)點(diǎn)是兩段相同信號加噪聲做相關(guān)性運(yùn)算得到的相關(guān)系數(shù)大于噪聲的相關(guān)系數(shù)，隨著接收信號幀的SNR增大，這兩段信號加噪聲做相關(guān)性運(yùn)算得到的相關(guān)系數(shù)與噪聲的相關(guān)系數(shù)之間的差別變大，故檢測性能提高。因此，同樣提高相關(guān)檢測法的性能可以通過增加接收信號的SNR實(shí)現(xiàn)。

4 結(jié) 語

CMMB是我國科技創(chuàng)新的重大成果，是推動我國信息數(shù)字化快速發(fā)展的一個(gè)重要領(lǐng)域。信號的同步在CMMB技術(shù)中有著至關(guān)重要的作用。本文通過能量檢測法和相關(guān)檢測法兩種基本的方法實(shí)現(xiàn)了信號的同步算法，通過仿真可以得出，在信號環(huán)境一定時(shí)，兩種同步檢測算法的性能都隨著接收信號信噪比的增加而有所改善。

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