劉菁菁，張 超，潘長勇

（清華大學(xué) 電子工程系 清華信息科學(xué)與技術(shù)國家實驗室，北京 100084）

新一代地面數(shù)字電視系統(tǒng)中的前導(dǎo)符號設(shè)計

劉菁菁，張 超，潘長勇

（清華大學(xué) 電子工程系 清華信息科學(xué)與技術(shù)國家實驗室，北京 100084）

新一代地面數(shù)字電視廣播（DTTB）系統(tǒng)需要快速穩(wěn)健的系統(tǒng)同步和對多種工作模式的自適應(yīng)支持與可靠識別。針對新一代DTTB系統(tǒng)中的符號定時同步和載波同步問題，介紹了利用正交頻分復(fù)用（OFDM）前導(dǎo)實現(xiàn)同步方法的發(fā)展，詳細分析了歐洲第二代地面數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)（DVB-T2）與中國的地面數(shù)字電視廣播傳輸演進系統(tǒng)（DTMB-A）中前導(dǎo)結(jié)構(gòu)的設(shè)計，論述了兩種前導(dǎo)符號的特點，并仿真分析比較了兩種結(jié)構(gòu)的同步檢測方法與性能。

【本文獻信息】劉菁菁，張超，潘長勇.新一代地面數(shù)字電視系統(tǒng)中的前導(dǎo)符號設(shè)計[J].電視技術(shù)，2015，39（2）.

新一代地面數(shù)字電視廣播；正交頻分復(fù)用；前導(dǎo)符號；定時同步；載波估計

正交頻分復(fù)用（OFDM）作為一種高效的多載波通信技術(shù)在寬帶無線傳輸中被廣泛使用，如數(shù)字電視廣播、無線局域網(wǎng)（WLAN）、3GPP長期演進計劃（3GPP LTE）等。雖然OFDM具有頻譜效率高、可有效抵抗多徑信道等諸多優(yōu)點，但是它對系統(tǒng)的同步要求很高。而地面數(shù)字電視廣播系統(tǒng)（DTTB）由于信號傳輸環(huán)境復(fù)雜多變，對OFDM系統(tǒng)接收機的同步參數(shù)檢測提出了更高的要求。

針對OFDM中的同步算法，Moose通過研究發(fā)現(xiàn)，要想信噪比高于20 dB，系統(tǒng)載波頻偏需要小于相鄰子載波間隔的4%[1]。而在實際傳輸中，本地振蕩器的頻率不穩(wěn)定、采樣時鐘的頻率漂移、多普勒效應(yīng)等都會造成一定的頻偏，從而增加了系統(tǒng)同步的難度。為了實現(xiàn)快速參數(shù)同步，歐洲第二代DTTB系統(tǒng)（DVB-T2）中采用了P1符號來完成信號的檢測與參數(shù)初始同步，而我國地面數(shù)字電視演進系統(tǒng)（DTMB-A）則采用了特殊設(shè)計的基于頻域距離檢測的前導(dǎo)符號來完成參數(shù)同步與信令傳輸。

1 OFDM同步技術(shù)的發(fā)展

針對OFDM系統(tǒng)的同步技術(shù)，1980年，Peled和Ruiz提出循環(huán)前綴和循環(huán)后綴來抵抗多徑、保持載波正交性和消除符號間干擾[2]。1997年，Beek和Sandell給出了利用循環(huán)前綴進行符號定時和載波頻偏的最大似然估計算法[3]，雖然該方法可以在不增加開銷的基礎(chǔ)上實現(xiàn)系統(tǒng)同步，但是它也存在頻偏估計范圍窄、同步速度較慢的問題。

為了實現(xiàn)快速同步，人們提出了犧牲部分帶寬，在OFDM系統(tǒng)中增加一段前導(dǎo)序列的方法。1994年，Moose在文獻[1]中給出了利用頻域兩個重復(fù)的OFDM符號計算載波頻偏的最大似然算法，為前導(dǎo)結(jié)構(gòu)的設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。1997年，Schmidl and Cox在文獻[4]中提出了包含兩個OFDM符號的前導(dǎo)結(jié)構(gòu)，并利用了頻域PN序列。Schmidl and Cox提出的算法計算簡單、頻偏估計范圍大，但是它在定時同步上存在一定的平臺期，即峰值會持續(xù)一段較長的時間，造成定時偏差。

隨后，Minn提出了兩種改進方法[5]，但是也相應(yīng)地引入了多個相關(guān)峰。Liu在文獻[6]中改進了Minn提出的攜帶了系統(tǒng)的信令前導(dǎo)結(jié)構(gòu)，在增加計算復(fù)雜度的前提下提高了符號定時同步的精度，擴展了前導(dǎo)的功能。

2 DVB-T2的P1符號結(jié)構(gòu)與同步算法

2.1 DVB-T2超幀結(jié)構(gòu)

DVB-T2中傳輸流是由超幀組成，一個超幀是由T2幀和未來擴展幀（FEF）構(gòu)成，而T2幀則由P1、P2和數(shù)據(jù)符號構(gòu)成[7]。P1符號相當(dāng)于T2幀的前導(dǎo)，用來進行信號捕獲、同步以及系統(tǒng)傳輸參數(shù)信令的傳遞，DVB-T2的信號幀結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 DVB-T2的信號幀結(jié)構(gòu)

2.2 DVB-T2P1符號結(jié)構(gòu)

DVB-T2中，P1符號為[C A B]的結(jié)構(gòu)，“A”為OFDM符號，采用1 024個子載波，“C”和“B”長度分別為542和482，是“A”的時域數(shù)據(jù)經(jīng)頻移后生成的，其數(shù)學(xué)表達式為

式中：P1A（n）為長度為1 024的OFDM符號“A”的時域信號。

在這1 024個子載波中有384個有效子載波，其中128個子載波為S1信令，可取8組不同的值，攜帶3 bit信令。另外256個子載波為S2信令，可取16組不同的值，攜帶4 bit信令。這24組序列彼此正交，即滿足δ函數(shù)的自相關(guān)特性和幾乎為0的互相關(guān)特性。P1符號生成的流程圖以及其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.3 DVB-T2中P1的同步算法

假設(shè)接收到的數(shù)據(jù)為x（n），P1符號的檢測算法流程圖如圖3所示，其目的是檢測P1符號的存在、提供粗定時同步和修正小數(shù)倍頻偏[8]。預(yù)設(shè)一個閾值，當(dāng)P1檢測輸出大于閾值時，就認為P1符號存在。假設(shè)P1檢測的輸出為y（n），則小數(shù)倍頻偏估計算法為

圖2 P1符號的生成流程圖以及P1的結(jié)構(gòu)

式中：fs為基準(zhǔn)符號速率；angle（·）為求輻角函數(shù)；max（·）為求最大值函數(shù)。

圖3 P1符號的檢測流程圖

修正小數(shù)倍頻偏后，提取出P1中的“A”部分z（n），經(jīng)過1 024點FFT變換后得到Z（k）。為了消除單頻干擾等頻域干擾脈沖對信令檢測的影響，預(yù)設(shè)一個頻域閾值M，當(dāng)|Z（k）|＞M時令Z（k）=0，從而消除頻域強脈沖。

假設(shè)384個有效子載波的位置為CDS（n）（0≤n＜384），則可根據(jù)功率檢測法確定整數(shù)倍頻偏，其算法為

之后，提取出信令部分有效子載波S（n）=Z[I+CDS（n）]（0≤n＜384），解擾后與本地的8組S1序列和16組S2序列分別進行相關(guān)，求使相關(guān)值最大的S1和S2序列，從而確定系統(tǒng)的傳輸參數(shù)信令。

3 DTMB-A的前導(dǎo)符號與同步算法

3.1 DTMB-A幀結(jié)構(gòu)

DTMB-A系統(tǒng)中傳輸流由復(fù)幀構(gòu)成，一個復(fù)幀由復(fù)幀同步信號、控制幀和數(shù)據(jù)幀構(gòu)成，復(fù)幀同步信號即為復(fù)幀的前導(dǎo)符號，用來進行傳輸流檢測、系統(tǒng)同步和信令的傳遞?？刂茙蛿?shù)據(jù)幀都由信號幀構(gòu)成。DTMB-A系統(tǒng)幀結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 DTMB-A系統(tǒng)幀結(jié)構(gòu)

3.2 DTM B-A前導(dǎo)結(jié)構(gòu)

圖5 DTMB-A中前導(dǎo)符號結(jié)構(gòu)

本文將所有數(shù)據(jù)分成建模期(1997—2012年)和獨立檢驗期(2013—2015年)。利用建模期吉林省春夏地面常規(guī)氣象要素日值建立SOM統(tǒng)計分析模型,即建立天氣模態(tài)與逐日降水之間的關(guān)系,再將獨立檢驗期吉林省春夏地面常規(guī)氣象要素日值映射到所建立的天氣模態(tài)與逐日降水之間的關(guān)系中,利用蒙特卡羅模擬逐日降水量。

式中：0≤l＜255。對于l=0，定義a（-1）=1。

3.3 DTM B-A前導(dǎo)符號同步算法

DTMB-A中前導(dǎo)符號的檢測同樣基于自相關(guān)檢測方法，其檢測算法結(jié)構(gòu)與圖2所示結(jié)構(gòu)類似，與DVB-T2檢測結(jié)構(gòu)相比區(qū)別在于，DTMB-A中的兩個延時單元的延時長度均為512個時域采樣符號，兩個移動平均單元的累加長度同樣均為512個符號。自相關(guān)輸出結(jié)果與預(yù)先設(shè)定的閾值相比較，當(dāng)自相關(guān)輸出信號的模大于此閾值時，就認為前導(dǎo)符號存在，并根據(jù)最大模值所對應(yīng)的自相關(guān)信號的輻角求小數(shù)倍頻偏。

DTMB-A前導(dǎo)符號中整數(shù)倍頻偏估計和信令檢測算法流程如圖6所示。

圖6 DTMB-A前導(dǎo)符號信令檢測方法

式中：“*”表示復(fù)數(shù)共軛運算；mod（·）表示取模函數(shù)。

與本地PN進行相關(guān)之后，由于OFDM信令符號頻域由兩段PN序列構(gòu)成，因此相關(guān)信號R（k）中將存在2個明顯的相關(guān)峰。令兩個相關(guān)峰的位置分別為pos1和pos2，則解調(diào)出的信令信息可表示為

4 性能對比

4.1 計算復(fù)雜度分析

為了比較兩種前導(dǎo)符號的接收復(fù)雜度，以檢測方法所需要的復(fù)數(shù)乘法和加法的次數(shù)作為衡量指標(biāo)進行對比分析。

DVB-T2中P1符號的檢測所需的復(fù)乘數(shù)包括：頻移修正的1 024點復(fù)乘，“C”、“B”分別與“A”的對應(yīng)點相乘的2 048次復(fù)乘，以及兩部分乘累加結(jié)果對應(yīng)點相乘的1 024次復(fù)乘；DT?MB-A的前導(dǎo)符號檢測所需的復(fù)乘數(shù)包括1 024點重復(fù)的“B”部分的對應(yīng)點復(fù)乘和1 024點的乘累加結(jié)果的對應(yīng)點乘。

對于整數(shù)倍頻偏估計和信令檢測模塊，DVB-T2需要1 024點復(fù)乘求1 024個子載波的能量，同時需要計算1 024組長度為384的累加計算有效子載波的能量和，從而確定有效子載波的分布位置和整數(shù)倍頻偏；提取出有效子載波后，需要進行384點復(fù)乘來進行差分解碼，需要16組長度為256和8組長度為128的累加來檢測S1、S2信令。而DTMB-A則需要1 024次復(fù)乘計算子載波能量，需要1 024次復(fù)乘進行DBPSK解調(diào)，需要計算1 024組長度為256的累加來計算頻域符號與本地PN序列相關(guān)的結(jié)果，從而確定PN序列的位置并計算整數(shù)倍頻偏。

兩種前導(dǎo)符號的計算復(fù)雜度對比如表1所示。

表1 DVB-T2和DTMB-A前導(dǎo)的同步復(fù)雜度分析

4.2 信令檢測性能

根據(jù)文獻[9]，在高斯信道（AWGN）中，DTMB-A的相關(guān)結(jié)果R（k）的實部滿足分布

R（k）的虛部滿足分布N(0,σ2R)。R（k）的兩個峰值滿足相同的萊斯分布

式中：I0(·)為修正的0階第一類貝塞爾函數(shù)。非R（k）的兩個峰值處滿足瑞利分布

由此可以得到ΔL的錯檢概率為

式中：

DVB-T2和DTMB-A的信令檢測性能如圖7所示。

圖7仿真的是高斯信道下DVB-T2與DTMB-A的信令檢測性能，并給出了利用數(shù)值計算得到的信令檢測的理論極限。由圖7可知，實際系統(tǒng)由于定時偏差以及小數(shù)倍頻偏的存在，其性能比理論極限低0.4 dB左右。另外，仿真結(jié)果表明DTMB-A中前導(dǎo)的誤信令率與DVB-T2的S1誤信令率基本相當(dāng)，優(yōu)于S2的誤信令率約0.5 dB。

圖7 DVB-T2和DTMB-A在高斯信道（AWGN）中誤信令率對比

5 小結(jié)

本文針對新一代地面數(shù)字電視系統(tǒng)中的同步技術(shù)，分析了基于OFDM傳輸方式的同步方法，詳細對比分析了歐洲第二代地面數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)（DVB-T2）與中國數(shù)字電視地面廣播傳輸演進系統(tǒng)（DTMB-A）中前導(dǎo)符號的結(jié)構(gòu)設(shè)計與同步算法。論文分析了兩種前導(dǎo)符號的結(jié)構(gòu)特點，給出了兩種結(jié)構(gòu)的同步檢測方法，分析了兩種結(jié)構(gòu)的接收機同步與信令檢測的計算復(fù)雜度，論述了信令檢測的理論性能，并通過計算機仿真進行了性能對比分析。分析和仿真結(jié)果表明，DTMB-A前導(dǎo)符號的同步算法所需的相關(guān)模塊數(shù)顯著少于DVB-T2的P1符號，計算復(fù)雜度低于DVB-T2的P1符號。而在誤信令率上，DTMB-A的信令檢測性能與DVB-T2的S1信令相當(dāng)，且明顯優(yōu)于DVB-T2的S2信令。

[1] MOOSE P H.A technique for orthogonal frequency division multi?plexing frequency offset correction[J].IEEE Trans.Communica?tions，1994，42（10）：2908-2914.

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[3]VAN DE BEEK J-J，SANDELL M，BORJESSON P O.ML esti?mation of time and frequency offset in OFDM systems[J].IEEE Trans.Signal Processing，1997，45（7）：1800-1805.

[4]SCHMIDL TM，COX D C.Robust frequency and timing synchro?nization for OFDM[J].IEEE Trans.Communications，1997，45（12）：1613-1621.

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[7] ETSIStd.EN 302 755，Digital Video Broadcasting（DVB）；frame structure，channel coding and modulation for a second generation digital terrestrial television broadcasting system（DVB-T2）[S].2012.

[8] ETSIStd.TS 102 831，Digital Video Broadcasting（DVB）；Imple?mentation guidelines for a second generation digital terrestrial tele?vision broadcasting system（DVBT2）[S].2012.

[9] HE L，WANG Z，YANG F，et al.A novel preamble design for OFDM transmission parameter signaling[C]//Proc.IEEE Interna?tional Conference on Communications.[S.l.]：IEEE Press，2011：1-5.

責(zé)任編輯：薛 京

Preamble Design of Second Generation DTTB System s

LIU Jingjing,ZHANG Chao,PAN Changyong
（Tsinghua National Laboratory of Information Science and Technology,Department of Electronic Engineering,Tsinghua University,Beijing 100084,China）

The second generation digital terrestrial television broadcasting(DTTB)systems should support fast and robust system synchronization and have the reliable detection ability of multiple working service modes.In this paper, the preamble design used in the second generation DTTB systems based on OFDM technology is analyzed.The preamble structure adopted in European DVB-T2 standard and Chinese DTMB-A systems are detailed introduced.Simulation results of these two preambles are also provided for the performance comparison.

the second generation DTTB;OFDM;preamble;time synchronization;carrier frequency estimation

TN92

A

10.16280/j.videoe.2015.02.001

2014-05-14

中國電力科學(xué)研究院項目（20142000191）；國家自然科學(xué)基金項目（61321061）