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        CMMB地面轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)時(shí)間同步信號解調(diào)方法*

        2010-06-07 02:04:26劉斌彬葛啟宏王秋生
        電視技術(shù) 2010年9期
        關(guān)鍵詞:發(fā)信數(shù)據(jù)信號門限

        劉斌彬,葛啟宏,陳 文,王秋生,陶 濤

        (國家廣電總局 廣播科學(xué)研究院 北京泰美世紀(jì)科技有限公司,北京 100097)

        1 引言

        中國移動多媒體廣播(China Mobile Multimedia Broadcasting,CMMB)是我國研發(fā)的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的數(shù)字多媒體廣播標(biāo)準(zhǔn)。CMMB通過衛(wèi)星和地面轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)天地一體的大面積廣播覆蓋,即通過衛(wèi)星進(jìn)行大面積廣播覆蓋。而對于衛(wèi)星覆蓋的陰影區(qū),則采用地面轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)對信號進(jìn)行增補(bǔ),并采用獨(dú)立的分發(fā)信道向地面轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)分發(fā)廣播信道數(shù)據(jù)。用戶可以通過移動終端接收多路音、視頻廣播業(yè)務(wù)。

        在地面轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)與衛(wèi)星的組網(wǎng)中,最關(guān)鍵的問題就是時(shí)間同步。為此,CMMB在衛(wèi)星分發(fā)信道中采用了將時(shí)間同步信號以擴(kuò)頻弱信號的形式疊加在數(shù)據(jù)信號上的方案[1]。地面轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)通過與同步信號進(jìn)行同步,在指定的時(shí)間對數(shù)據(jù)進(jìn)行OFDM調(diào)制和轉(zhuǎn)發(fā)[2],實(shí)現(xiàn)與衛(wèi)星廣播信號的時(shí)間同步。

        為了避免影響對數(shù)據(jù)信號的解調(diào),疊加在其上的時(shí)間同步信號的功率僅為數(shù)據(jù)信號的1%。然而對于時(shí)間同步信號來說,數(shù)據(jù)信號是一個(gè)強(qiáng)度超過20 dB的干擾。如何在強(qiáng)干擾的環(huán)境下完成與同步信號的同步,并解調(diào)出時(shí)間信息,是地面轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。

        2 CMMB衛(wèi)星分發(fā)信道

        在CMMB的衛(wèi)星分發(fā)信道中,數(shù)據(jù)信號承載的是廣播信道OFDM調(diào)制之前的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)按照逐時(shí)隙、逐頻點(diǎn)的順序組成分發(fā)數(shù)據(jù)包,并按照GB/T 17700-1999標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行調(diào)制[3]。數(shù)據(jù)信號的2個(gè)支路X,Y與系統(tǒng)時(shí)鐘同步,且速率值與系統(tǒng)時(shí)鐘的頻率值相同。

        時(shí)間同步信號的2個(gè)支路TX,TY為兩路擴(kuò)頻信號,所使用的擴(kuò)頻序列為二進(jìn)制偽隨機(jī)序列PN1和PN2。PN1由圖1所示的偽隨機(jī)序列生成器產(chǎn)生,生成多項(xiàng)式為x13+x4+x3+x+1,移位寄存器初始值為0110101010010,循環(huán)周期為P1=213-1。類似的,PN2的生成多項(xiàng)式為x18+x17+x16+x13+x12+x10+x8+x6+x3+x+1,移位寄存器初始值為011010101001010101,循環(huán)周期為 P2=218-1。PN1和 PN2序列生成器的移位時(shí)鐘與系統(tǒng)時(shí)鐘同步,且頻率值相同。

        擴(kuò)頻信號通過異或的方式產(chǎn)生。PN1與編碼后的時(shí)間信息異或生成TX,每個(gè)PN1循環(huán)周期調(diào)制1 bit時(shí)間信息。PN2上的調(diào)制信息保留,PN2與比特“1”異或生成TY。從系統(tǒng)零時(shí)刻開始(對應(yīng)PN1和PN2移位寄存器狀態(tài)均為初始值的時(shí)刻),每個(gè)系統(tǒng)時(shí)間循環(huán)周期內(nèi)調(diào)制(218-1)bit時(shí)間信息,共分為1024個(gè)時(shí)間信息編碼幀。

        同步信號(TX,TY)疊加在數(shù)據(jù)信號(X,Y)上進(jìn)行星座映射,生成分發(fā)信道的基帶I,Q信號,如圖2所示,其中比特順序?yàn)閄 Y TXTY。

        3 時(shí)間同步信號解調(diào)

        時(shí)間同步信號的解調(diào)結(jié)構(gòu)如圖3所示。其中最關(guān)鍵的模塊有同步捕獲、整數(shù)頻偏估計(jì)、分?jǐn)?shù)頻偏估計(jì)、同步跟蹤和頻偏跟蹤。

        3.1 同步捕獲與初始頻偏估計(jì)

        系統(tǒng)啟動后,由于輸入的采樣信號可能位于信號的任何位置,而不是擴(kuò)頻序列的起始位置,因此需要進(jìn)行同步捕獲。

        對采樣信號進(jìn)行頻偏預(yù)補(bǔ)償

        其中,Δfsys為系統(tǒng)時(shí)鐘頻率,頻偏預(yù)補(bǔ)償值Δfpre可以任意選取。

        以2P1點(diǎn)為窗長,在頻偏預(yù)補(bǔ)償后的采樣信號中滑動,抽取出 1 個(gè)采樣信號序列 ri(k),k=0,1,…,P1-1,i=0,1,…,P1-1。 將 ri(k)與本地同步序列 PN1(k)相乘

        并對其末尾補(bǔ)零后進(jìn)行(P1+1)點(diǎn)的快速傅里葉變換

        計(jì)算 Si(j)的峰值功率 Ppeak(i)和平均功率 Paverage(i),檢測是否有頻域相關(guān)峰存在。設(shè)定合適的門限,若最大峰均功率比大于門限,則認(rèn)為捕獲到采樣信號的同步位置[4]。

        否則更換一個(gè)頻偏預(yù)補(bǔ)償值,重新進(jìn)行同步捕獲。

        由于信號的載波頻率和系統(tǒng)的下變頻頻率之間可能存在著偏差,因此還需要進(jìn)行頻偏估計(jì)和補(bǔ)償。

        整數(shù)頻偏值可以由同步捕獲中SI(j)的峰值位置得到[5]

        根據(jù)整數(shù)頻偏估計(jì)的結(jié)果,對同步后的采樣信號序列 rI(k)進(jìn)行整數(shù)頻偏補(bǔ)償?shù)玫?rI′(k)。 將其末尾補(bǔ)零后分成2段,分別與截短的本地同步序列PN1(k)進(jìn)行互相關(guān)

        對相關(guān)值進(jìn)行前后自相關(guān),分?jǐn)?shù)頻偏值可以由自相關(guān)值的相位得到[6]

        初始頻偏值為頻偏預(yù)補(bǔ)償值、整數(shù)頻偏值、分?jǐn)?shù)頻偏值之和。根據(jù)初始頻偏值,對采樣信號進(jìn)行頻偏補(bǔ)償。

        3.2 同步跟蹤與頻偏跟蹤

        在系統(tǒng)工作過程中,由于受到A/D采樣頻率偏差等因素的影響,采樣信號的同步位置可能發(fā)生漂移,因此需要進(jìn)行同步跟蹤。

        以2P1點(diǎn)為窗長,在采樣信號的同步位置前后m(t)點(diǎn)滑動,抽取出 1 個(gè)采樣信號序列 ri(k),k=0,1,…,P1-1,-m(t)≤i≤m(t)。 m(t)與距離上一次同步跟蹤或同步捕獲的時(shí)間間隔t成正比。將ri(k)與本地同步序列PN1(k)進(jìn)行互相關(guān)

        計(jì)算s(i)的峰值功率和除峰值以外的平均功率,檢測是否有時(shí)域互相關(guān)峰存在。設(shè)定合適的門限,若峰均功率比大于門限,則認(rèn)為跟蹤到采樣信號同步位置的偏移[4]

        根據(jù)同步位置的偏移,對A/D采樣時(shí)鐘的頻率進(jìn)行動態(tài)調(diào)整,實(shí)現(xiàn)與系統(tǒng)時(shí)鐘的精確同步。對PN2序列的同步跟蹤與此類似。根據(jù)同步位置,可以找到系統(tǒng)零時(shí)刻,并對采樣信號進(jìn)行解擴(kuò)、均衡、解碼等處理,解調(diào)出時(shí)間信息。

        由于受到溫度變化等因素的影響,載波頻率的偏差也可能發(fā)生變化,因此還需要進(jìn)行頻偏跟蹤。

        根據(jù)同步跟蹤的結(jié)果,將2個(gè)相鄰的同步后的采樣信號序列 rI0(k)和 rI1(k)與本地同步序列 PN1(k)進(jìn)行互相關(guān)

        對互相關(guān)值進(jìn)行前后自相關(guān),并計(jì)算自相關(guān)值的相位θ,頻偏跟蹤值可以由相限翻轉(zhuǎn)后的相位得到[6]

        根據(jù)頻偏跟蹤值,對頻偏補(bǔ)償值進(jìn)行動態(tài)調(diào)整。

        4 實(shí)驗(yàn)性能與分析

        在不同信噪比的衛(wèi)星信道環(huán)境下,同步捕獲和同步跟蹤的峰均功率比如圖4所示??紤]到噪聲和干擾的峰均功率比通常在11 dB以下,設(shè)定同步捕獲和同步跟蹤的門限為11 dB和12 dB。該條件下同步捕獲和同步跟蹤的錯(cuò)誤概率如表1所示??梢钥闯觯讲东@和同步跟蹤具有較強(qiáng)的可靠性。當(dāng)信噪比大于6 dB(低于數(shù)據(jù)信號的解調(diào)門限)時(shí),同步的錯(cuò)誤概率已經(jīng)可以趨近于零。

        表1 同步捕獲和同步跟蹤錯(cuò)誤率

        初始頻偏估計(jì)和頻偏跟蹤的方差如圖5所示。可以看出,初始頻偏估計(jì)的方差落在頻偏跟蹤的范圍內(nèi)。且頻偏跟蹤具有較高的準(zhǔn)確性,當(dāng)信噪比大于6 dB時(shí),頻偏跟蹤的方差可以控制在40 Hz以內(nèi)。該量級的載波頻偏可以完全由均衡來對抗,從而保證時(shí)間信息的正確解調(diào)。

        5 小結(jié)

        提出了一種用于CMMB地面轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)的時(shí)間同步信號解調(diào)方法,并對其中同步捕獲、同步跟蹤和載波頻偏估計(jì)等關(guān)鍵算法進(jìn)行了詳細(xì)闡述。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該方法具有較高的可靠性和準(zhǔn)確性,可以很好地滿足系統(tǒng)的需求。

        [1]GY/T 220.9-2008,廣播電影電視行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) 移動多媒體廣播 第9部分:衛(wèi)星分發(fā)信道幀結(jié)構(gòu)、信道編碼和調(diào)制[S].2008.

        [2]GY/T 220.1-2006,廣播電影電視行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) 移動多媒體廣播 第1部分:廣播信道幀結(jié)構(gòu)、信道編碼和調(diào)制[S].2006.

        [3]GB/T 17700-1999,衛(wèi)星數(shù)字電視廣播信道編碼和調(diào)制標(biāo)準(zhǔn)[S].1999.

        [4]SIMON M,OMURA J,SCHOLTZ R,et al.Spread spectrum communications handbook(revised edition)[M].New York: McGraw-Hill,1994.

        [5]LUISE M,REGGIANNINI R.Carrier frequency acquisition and tracking for OFDM system[J].IEEE Trans.Communications, 1996,44(11): 1590-1598.

        [6]KELLER T,PIAZZO L,MANDARINI P,et al.Orthogonal frequency division multiplex synchronization techniques for frequency-selective fading channels[J].IEEE Journal on Selected Area in Communications,2001, 19(6):999-1008.

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