陳為剛，趙 干，李 思，楊晉生

(天津大學(xué)電子信息工程學(xué)院，天津300072)

歐洲地面數(shù)字電視廣播(DVB-T)標準采用編碼正交頻分復(fù)用(Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing，COFDM)技術(shù)，具備較高的頻譜利用效率和強大的抗多徑干擾能力［1］。依據(jù)該標準建立的地面數(shù)字電視系統(tǒng)正為全世界范圍內(nèi)的電視用戶提供標清和高清電視節(jié)目傳輸服務(wù)。

目前用于DVB-T信號接收的設(shè)備多采用專用功能的硬件芯片實現(xiàn)，此種實現(xiàn)架構(gòu)憑借運行效率高、性能穩(wěn)定等優(yōu)點得到了眾多設(shè)備生產(chǎn)商的認可。但該實現(xiàn)架構(gòu)存在如下缺點:首先，開發(fā)過程中較高的硬件制作成本導(dǎo)致不能充分對比不同設(shè)計方案的優(yōu)劣性;其次，難以伴隨數(shù)字電視傳輸標準的發(fā)展實現(xiàn)設(shè)備的快速更新。隨著軟件無線電概念的提出和發(fā)展，可通過模/數(shù)轉(zhuǎn)換盡早實現(xiàn)信號數(shù)字化，并通過各種數(shù)字信號處理設(shè)備完成基帶信號處理［2］?；诖朔绞娇傻玫揭环N新的實現(xiàn)架構(gòu)，即采用軟件無線電架構(gòu)實現(xiàn)DVB-T信號接收。采用軟件無線電架構(gòu)實現(xiàn)DVB-T接收機具有開發(fā)周期短和靈活度高的優(yōu)點，可以快速實現(xiàn)對不同設(shè)計方案的驗證和對比。意大利比薩大學(xué)研究小組利用通用軟件無線電外設(shè)(Universal Software Radio Peripheral，USRP)實現(xiàn) DVB-T 發(fā)射機，證明了采用軟件無線電架構(gòu)的可行性［3］。但是，考慮到接收端算法較發(fā)送端更為復(fù)雜，利用軟件無線電架構(gòu)實現(xiàn)有一定的困難，因此，本文依據(jù)歐洲地面數(shù)字電視廣播標準，基于由USRP和通用計算機組成的軟件無線電平臺，實現(xiàn)DVB-T接收機。

1 軟件無線電與USRP

軟件無線電是指以通用、標準、模塊化的硬件平臺為依托，通過軟硬件編程實現(xiàn)無線電處理的各種功能［4］。相比功能單一的硬件電路，軟件無線電的一個顯著特性是在軟硬件方面都具備可重構(gòu)性，即在不改變軟硬件結(jié)構(gòu)的情況下，可采用不同的參數(shù)配置和算法設(shè)計實現(xiàn)不同的無線電功能。

本文采用的軟件無線電平臺由USRP和通用計算機組成。USRP是一套基于數(shù)字中頻架構(gòu)的可配置軟件無線電射頻前端，由母板和覆蓋不同頻段的射頻子板組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。在接收路徑中，射頻子板的功能是對天線接收的信號進行正交下變頻，產(chǎn)生I、Q兩路中頻模擬信號。母板主要由12位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)芯片、FPGA芯片和USB控制器芯片構(gòu)成。ADC芯片完成I、Q路中頻模擬信號的數(shù)字采樣;FPGA芯片對ADC采樣得到的中頻信號進行數(shù)字下變頻，并通過級聯(lián)梳狀濾波器對采樣值進行可變速率的抽取，形成低速率的基帶采樣信號;USB控制器芯片用于控制USRP與通用計算機間的基帶信號傳輸。通用計算機采用軟件編程實現(xiàn)基帶信號的后續(xù)處理。

圖1 USRP結(jié)構(gòu)

DVB-T標準在現(xiàn)有的甚高頻(VHF)和特高頻(UHF)頻段提供地面數(shù)字電視信號的傳輸服務(wù)。本文采用WBX寬帶子板，其頻率覆蓋50 MHz～2.2 GHz，滿足基本頻段要求。

2 接收機實現(xiàn)

2.1 實現(xiàn)架構(gòu)

根據(jù)實現(xiàn)功能的不同，接收機可分為三個部分:USRP射頻前端、內(nèi)接收機和外接收機。接收機實現(xiàn)架構(gòu)如圖2所示。USRP射頻前端實現(xiàn)接收信號的下變頻、模/數(shù)轉(zhuǎn)換和下采樣處理，將天線接收的模擬信號轉(zhuǎn)換為基帶數(shù)字信號;內(nèi)接收機完成基帶數(shù)字信號的定時和頻率同步，并實現(xiàn)對信道參數(shù)的估計和均衡處理;外接收機對同步均衡后的信號進行解調(diào)、信道譯碼和視頻解碼，實現(xiàn)接收視頻流的實時播放。

圖2 接收機實現(xiàn)架構(gòu)

2.2 USRP 射頻前端

USRP為接收機的射頻前端，可配置參數(shù)主要包括母板FPGA抽取系數(shù)和子板射頻中心頻率。DVB-T標準定義了6 MHz、7 MHz和8 MHz三種信道帶寬模式。三種帶寬模式編碼映射方式、交織方式和幀結(jié)構(gòu)完全相同，唯一不同的是采樣周期Ts，分別等于7/48 μs、1/8 μs和7/64 μs。采用第一代USRP作射頻前端時，受限于USB 2.0總線的傳輸速率(Rmax=32 Mbyte/s)，在I、Q路復(fù)采樣信號量化精度為Nbits=32 bit的情況下，最小采樣周期為

不滿足8 MHz信道帶寬模式對采樣周期的要求。接收機實現(xiàn)中針對7 MHz信道帶寬模式，在USRP模/數(shù)轉(zhuǎn)換器芯片AD9862固定采樣速率為64 MSample/s(兆采樣/s)情況下，F(xiàn)PGA抽取系數(shù)設(shè)置為8，即滿足該模式對采樣周期的要求。在射頻中心頻率配置方面，選擇與DVB-T固定頻道中心頻率一致。

2.3 內(nèi)接收機

國內(nèi)外學(xué)者已針對DVB-T信號的接收提出了眾多同步和信道估計方案，本文在考慮算法性能和復(fù)雜度的基礎(chǔ)上，選擇恰當(dāng)算法實現(xiàn)內(nèi)接收機各信號處理模塊。整個同步過程分為捕獲階段和跟蹤階段。捕獲階段完成定時、頻率偏差值的大致捕獲;跟蹤階段完成剩余偏差值的估計和跟蹤校正。接收機進入穩(wěn)定跟蹤狀態(tài)之后，再進行信道估計和頻域均衡。

1)符號定時與小數(shù)倍載波頻偏捕獲

內(nèi)接收機運行過程中，首先需要完成對OFDM符號起始位置的捕獲。內(nèi)接收采用基于OFDM符號循環(huán)前綴的最小均方誤差估計算法，同時實現(xiàn)對OFDM符號起始位置和小數(shù)倍載波頻偏值的捕獲［5］。該算法不需要對接收信噪比進行估計，可有效降低捕獲的實現(xiàn)復(fù)雜度，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 符號定時與小數(shù)倍載波頻偏捕獲實現(xiàn)結(jié)構(gòu)

2)整數(shù)倍載波頻偏捕獲

接收機與發(fā)射機晶振頻率的差別，可能造成較大的載波頻率偏差。若傳輸過程中存在整數(shù)倍載波頻偏，則FFT變換后OFDM符號中所有子載波產(chǎn)生整體移位，導(dǎo)致解調(diào)數(shù)據(jù)完全錯誤。DVB-T標準中連續(xù)導(dǎo)頻在每個OFDM符號中占用固定子載波，內(nèi)接收機基于連續(xù)導(dǎo)頻采用頻域相關(guān)算法，實現(xiàn)對整數(shù)倍載波頻偏值的捕獲［6］。采用頻域相關(guān)算法，運算復(fù)雜度與使用連續(xù)導(dǎo)頻的數(shù)目成正比。DVB-T標準2K模式共有45個連續(xù)導(dǎo)頻，內(nèi)接收機實現(xiàn)中使用直流載波附近的15個連續(xù)導(dǎo)頻，完成整數(shù)倍載波頻偏值的捕獲。

3)符號定時精同步

完成對OFDM符號起始位置的捕獲后，剩余符號定時偏差主要有兩部分:一部分是符號起始位置捕獲值與實際值的差值;另一部分是采樣偏差導(dǎo)致的符號定時漂移。DVB-T標準中離散導(dǎo)頻在每個OFDM符號中等間隔分布，內(nèi)接收機采用基于相鄰離散導(dǎo)頻相位差的估計算法，實現(xiàn)對OFDM符號定時偏差值的精確估計［7］。

4)剩余載波頻偏估計

剩余載波頻偏導(dǎo)致接收星座點發(fā)生相位旋轉(zhuǎn)并具有累加效應(yīng)。內(nèi)接收機基于相鄰OFDM符號連續(xù)導(dǎo)頻相位差，采用最小平方準則估計算法，實現(xiàn)對剩余載波頻偏值的估計［8-9］。內(nèi)接收機實現(xiàn)中預(yù)先建立最小平方準則系數(shù)矩陣，并存儲為查找表，可有效避免重復(fù)運算。此外，為減小估計抖動，首先將剩余載波頻偏估計值通過環(huán)路濾波器進行平滑濾波，然后再進行反饋和補償。

5)信道估計與均衡

衰落信道下各子載波信號會產(chǎn)生不同程度的相位旋轉(zhuǎn)和幅度畸變，需要進行信道估計和均衡，保證相干解調(diào)的正確進行。內(nèi)接收機基于每個OFDM符號中等間隔分布的離散導(dǎo)頻信號，首先在頻域內(nèi)采用最小二乘算法估計導(dǎo)頻位置的信道響應(yīng)值;然后，采用頻域線性插值方法預(yù)測非導(dǎo)頻位置處的信道響應(yīng)值;最后，在頻域內(nèi)采用相除方式實現(xiàn)對全部子載波信號的均衡處理。

2.4 外接收機

外接收機根據(jù)DVB-T標準定義的發(fā)射信號生成方式，反向處理恢復(fù)原始傳送流(Transport Stream，TS)。為正確提取系統(tǒng)信息，同時保證RS碼譯碼器的輸入為完整RS碼碼字，外接收機首先需要實現(xiàn)超幀同步。超幀同步利用本地存儲的同步字序列與差分解調(diào)后傳輸參數(shù)信令(Transmission Parameter Signaling，TPS)中的同步字序列進行滑動相關(guān)，若相關(guān)結(jié)果大于預(yù)設(shè)閾值且?guī)栃蛄袨椤?0”，則可確定超幀的起始位置。

超幀同步后，對每個OFDM符號中的數(shù)據(jù)子載波進行硬判決解調(diào)和解內(nèi)交織，并將解交織比特序列送入卷積碼譯碼器。卷積碼譯碼器采用硬判決維特比譯碼算法進行譯碼。譯碼完成后，將譯碼信息比特序列轉(zhuǎn)換為字節(jié)序列，并采用移位寄存器法實現(xiàn)基于字節(jié)的解卷積交織［10］。卷積交織/解交織產(chǎn)生的總延時為11個RS碼碼字，因此RS碼譯碼器在接收11個RS碼碼字后啟動。數(shù)據(jù)解擾是在檢測到取反同步字節(jié)(0xB8)后，將接收數(shù)據(jù)與DVB-T標準定義的偽隨機序列進行異或運算。最后，借助開源多媒體音視頻處理工具FFmpeg，對接收TS流進行解碼和播放。

3 軟件實現(xiàn)

接收機實現(xiàn)中，USRP的參數(shù)配置以及內(nèi)接收機和外接收機對基帶信號的處理全部在通用計算機中完成。選擇恰當(dāng)?shù)男盘柼幚矸绞讲⒃O(shè)計合理的軟件流程，對提高接收機程序運行效率尤為重要。同時，為實現(xiàn)接收視頻的實時播放，需完成視頻顯示界面的開發(fā)。

3.1 軟件流程

在通用計算機中實現(xiàn)基帶信號處理的方式有兩種:借助軟件開發(fā)工具如GNU Radio、LabVIEW等，通過構(gòu)建流圖并創(chuàng)建信號處理模塊實現(xiàn);調(diào)用USRP應(yīng)用程序編程接口(Application Programming Interface，API)函數(shù)讀取基帶信號，并編寫信號處理函數(shù)實現(xiàn)。本文采用第二種方式，該方式不必使用其他軟件，可實現(xiàn)對各運算單元輸入/輸出數(shù)據(jù)的完全控制，因此通用性更強。

內(nèi)接收機和外接收機流程如圖4所示，各運算單元采用封裝的C++函數(shù)實現(xiàn)，封裝函數(shù)的接口參數(shù)為本運算單元的輸入、輸出數(shù)據(jù)。接收機主程序通過控制函數(shù)調(diào)用，實現(xiàn)各運算單元的連接，保證數(shù)據(jù)處理的連續(xù)性。

圖4 接收機流程

3.2 多線程處理

為提高程序運行效率，接收機編程實現(xiàn)中采用多線程模式。根據(jù)實現(xiàn)復(fù)雜度，將整個接收機劃分為3個線程:內(nèi)接收機線程、外接收機線程和視頻解碼播放線程。各線程獨立運行，并通過循環(huán)阻塞隊列實現(xiàn)線程間的數(shù)據(jù)交互，循環(huán)阻塞隊列結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 循環(huán)阻塞隊列結(jié)構(gòu)

接收機程序啟動后，首先申請能夠存放N×M_BYTES byte的內(nèi)存，其中N為隊列節(jié)點數(shù)目，M_BYTES表示每個節(jié)點的字節(jié)長度。讀寫線程通過調(diào)用get函數(shù)和put函數(shù)，實現(xiàn)隊列數(shù)據(jù)的讀取和寫入操作。若隊列空，則get函數(shù)阻塞;若隊列滿，則put函數(shù)阻塞。接收機實現(xiàn)中，需要建立兩個循環(huán)阻塞隊列，分別用于實現(xiàn)內(nèi)接收機線程與外接收機線程、外接收機線程與視頻解碼播放線程間的數(shù)據(jù)交互。各線程并行運行，可較大程度提高程序運行效率，保證接收機實時穩(wěn)定運行。

3.3 視頻顯示界面

在實現(xiàn)接收機的基礎(chǔ)上，進一步采用QT用戶圖形化界面開發(fā)工具，開發(fā)了視頻顯示與配置界面，如圖6所示。通過該界面可對USRP母板FPGA抽取系數(shù)和子板射頻中心頻率進行配置，啟動后可實現(xiàn)接收視頻流的實時播放。

圖6 接收機視頻顯示界面(截圖)

4 測試與驗證

針對所實現(xiàn)接收機，利用標準調(diào)制信號驗證其接收功能的正確。發(fā)射端采用荷蘭DekTec公司生產(chǎn)的調(diào)制卡DTA-115產(chǎn)生符合DVB-T標準的調(diào)制信號;接收端采用主頻3.4 GHz，Intel Core i7-3770 CPU的通用計算機作為宿主機運行接收機程序。經(jīng)驗證，接收機可實現(xiàn)對7 MHz信道帶寬、2K模式、內(nèi)碼碼率1/2、QPSK映射、1/4保護間隔模式信號的實時穩(wěn)定接收，接收TS流比特速率為4.354 Mbit/s。

進一步，在室內(nèi)場景下對接收TS包的誤包率進行了測試。實際測試中，射頻中心頻率為226.5 MHz，收發(fā)天線距離為3.5 m，測試結(jié)果如圖7所示。發(fā)射端通過設(shè)定功率參數(shù)改變發(fā)射功率的大小，接收機根據(jù)RS碼譯碼結(jié)果，對接收TS包的誤包率進行統(tǒng)計?？梢钥闯?，在發(fā)射功率為-8 dBm時，TS包誤包率降低至1.3×10-6。該系統(tǒng)被用于海洋上綜合業(yè)務(wù)通過TS流的傳輸，具有良好的擴展性和較低的成本。

圖7 TS包誤包率測試結(jié)果

5 小結(jié)

本文依據(jù)歐洲地面數(shù)字電視傳輸標準，選擇合適的信號同步和信道估計算法，基于由通用軟件無線電外設(shè)和通用計算機組成的軟件無線電平臺實現(xiàn)了DVB-T接收機。測試表明，接收機可實現(xiàn)對固定模式DVB-T信號的穩(wěn)定接收和視頻實時播放。

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