康玉文

(漳州職業(yè)技術學院　電子工程系,福建　漳州　363000)

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一種改進的數(shù)字電視地面廣播傳輸系統(tǒng)的頻偏跟蹤方法

康玉文

(漳州職業(yè)技術學院電子工程系,福建漳州363000)

摘要:針對我國數(shù)字電視地面廣播傳輸系統(tǒng)DTMB中頻偏跟蹤算法抗多徑和噪聲干擾性能不足、無法完全消除頻偏影響的問題，基于對相干AFC頻偏細估計算法的分析，提出了改進算法。首先介紹DTMB系統(tǒng)幀結構以及跟蹤環(huán)路結構，然后對頻偏跟蹤算法依次進行理論演繹和仿真驗證。MATLAB仿真表明，改進算法在較強干擾下能夠基本消除頻偏影響。

關鍵詞:頻偏跟蹤；相干AFC；DTMB系統(tǒng)；頻率同步

中國地面數(shù)字電視標準(DTMB)系統(tǒng)中有多載波和單載波兩種模式。兩種模式均采用偽隨機PN序列插入到相鄰兩個幀體之間，利用PN序列進行時頻參數(shù)捕獲和跟蹤[1]。

對于多載波模式，收發(fā)兩端之間的頻率偏差將引起載波間干擾(ICI)，導致信噪比的損失；對于單載波模式，頻率偏差導致幀體星座點發(fā)生相位旋轉，無法被正確解調。因此需要對DTMB系統(tǒng)頻率偏移進行估計及其校正。在實際應用中，DTMB系統(tǒng)頻率偏移主要集中在±300KHz的范圍內，頻偏估計模塊必須將剩余頻偏控制在子載波間隔的2%范圍內才不至于影響解碼模塊的性能[2]。由于頻偏分布的范圍較大，因此需要先對頻偏進行精度較低的捕獲，然后在粗捕獲的基礎上定期的進行精度較高的跟蹤。文獻[3]提出了基于CP-OFDM的頻偏跟蹤算法,不適合用于DTMB系統(tǒng)。文獻[4]對D-spaced算法和累加算法的性能進行了理論分析和仿真驗證；仿真結果表明，信道中存在干擾的情況下，兩種算法均無法將頻率偏移控制在子載波間隔的2%范圍內。文獻[5]提出的頻偏跟蹤環(huán)路中加入Kalman濾波器加快環(huán)路的收斂，但是環(huán)路收斂的速度依賴于頻偏估計算法精度，剩余頻偏仍然很大。

DTMB系統(tǒng)進入跟蹤階段以后，頻偏跟蹤算法的性能關系到誤碼率大小、系統(tǒng)的抗干擾能力以及系統(tǒng)失步概率，因此本文提出基于文獻[6]提出相干AFC的改進算法。本文首先介紹適用于DTMB系統(tǒng)的頻偏跟蹤環(huán)路，然后在相干AFC頻偏估計算法的基礎上通過理論演繹，得到該算法的改進型算法。最后，通過MATLAB仿真對比改進型算法與文獻[6]所提出算法的性能。

1DTMB系統(tǒng)的幀結構及其時頻參數(shù)跟蹤環(huán)路

以DTMB標準中幀模式三為例，其幀結構表示為：

(1)

其中PN(n)為偽隨機PN序列，S(k)為幀體數(shù)據(jù)，NG為幀頭長度945，Nc為子載波個數(shù)3 780。幀結構圖如圖1所示。

圖1　DTMB系統(tǒng)幀結構圖

考慮到時延、頻偏和多徑信道影響，接收的信號為：

(2)

式中，r(n)表示接收端第n個抽樣時刻的信號；ε為相對于子載波間隔2kHz歸一化后的載波頻率偏移，下文所提到的頻偏均為歸一化頻偏；由于ε等于實際頻偏除以2kHz，所以歸一化頻偏的單位為“一”，可以省略。L為多徑信道的信道個數(shù)；h(l)為第1個子信道的幅度衰減；ml表示第1個子信道的信道時延；v(n)為加性高斯白噪聲。

如圖2所示，模擬前端接收到的信號經(jīng)過下變頻和過采樣等處理得到30.24M波特率的中頻IF數(shù)字碼流，經(jīng)過數(shù)字下變頻后生成4倍過采樣的基帶信號。然后對碼流進行采樣同步及校正(或者稱為定時同步)，得到7.56M波特率的基帶信號。PN序列發(fā)生器產(chǎn)生與當前基帶碼流幀相位對應的PN序列并傳送到互相關模塊；互相關模塊根據(jù)上一碼流段的幀頭位置得到當前碼流段幀頭的先驗值，利用該PN序列與基帶碼流進行滑動互相關，檢測相關峰的位置從而得到幀頭位置。頻偏跟蹤模塊根據(jù)幀頭位置，對碼流進行頻偏細估計，估計結果反饋回數(shù)字下變頻模塊，用以控制NCO的頻點。至此完成一次時頻參數(shù)的跟蹤。下一碼流段接收完成以后重復上述步驟，如此循環(huán)往復。由于頻偏跟蹤環(huán)路定時的對頻偏進行跟蹤和校正，剩余頻偏保持在零附近波動，波動范圍受到算法精度、多徑干擾強度、高斯信噪比以及接收端運動速率變化等因素的影響。因此，設計頻偏跟蹤算法時，估計范圍應該盡量大，剩余頻偏應基本小于0.02。

圖2　DMB-TH系統(tǒng)接收端時頻同步框圖

2相干AFC算法原理及其性能分析

現(xiàn)有的頻偏跟蹤算法有D-spaced算法[7-8]或者相干AFC算法等，下面介紹相干AFC算法的原理及其特點，以便在后文中提出改進算法。

暫時忽略多徑干擾，只考慮高斯噪聲和頻率偏移的影響，并且假設幀頭位置估計完成。幀相位為k的PN序列表示為PNk(n)，則接收碼流中的第k幀的幀頭序列可以表示為：

(3)

利用本地PN序列發(fā)生器產(chǎn)生對應的PN序列,與r(n)共軛相乘，得到序列z(n)：

(4)

若令PN序列平均功率為P，則序列z(n)可以整理為：

(5)

然后利用序列z(n)進行間隔為511的自相關運算，得到自相關結果設為corr：

(6)

代入(5)式并整理，得：

(7)

(8)

式(7)中第一項是理想信道環(huán)境下的自相關結果，后三項是高斯噪聲引起的干擾項，其幅度和相位會導致corr相位模糊。通過觀察式(7)和式(8)可以看出：自相關間隔越大，式(7)中的干擾項所引起估計誤差就越?。涣硗?，由于|arg(corr)|恒小于π，因此自相關間隔與頻偏估計范圍成反比。

如上所述，相干AFC算法的估計精度隨著自相關間隔的增大而增大。但是，受幀頭長度的限制，該參數(shù)無法大于945。下面將對相干AFC算法做改進。取出連續(xù)兩幀的幀頭，分別表示為rk(n)和rk+1(n)：

(9)

(10)

本地PN序列發(fā)生器產(chǎn)生對應的PN序列，分別與兩個幀頭共軛相乘，得到序列zk(n)，zk+1(n)：

(11)

(12)

整理得：

(13)

(14)

序列zk(n)，zk+1(n)進行互相關運算，得到corr′：

(15)

與式(7)類似，式(15)前一項是理想信道環(huán)境下的相關結果，后一項是由高斯噪聲引起的干擾項。取corr′的相位信息，乘以一定的系數(shù)即可得到頻偏的估計值。

(16)

3各算法性能仿真結果以及分析

(17)

(18)

對比式(17)和式(18)可以得到，在相同信噪比SNR的信道環(huán)境下，改進的相干AFC算法的估計方差比相干AFC算法的估計方差小數(shù)百倍。

圖3為不同信噪比下相干AFC算法和聯(lián)合估計算法性能對比圖，仿真中理論頻偏值為2.5，每點仿真次數(shù)為一萬次。左圖表示的是不同信噪比下兩種估計算法剩余頻偏超出0.02的概率，可以看出：隨著信噪比的增加，剩余頻偏超出0.02的概率呈遞減趨勢，聯(lián)合估計算法在高斯信道或者多徑信道下的概率均遠小于相干AFC算法的概率；聯(lián)合估計算法在高斯信道下的性能最好，在不同信噪比下剩余頻偏超過0.02的概率均為0，因此縱軸為對數(shù)坐標的曲線圖中無法顯示出該曲線。右圖表示的是兩種算法在不同信噪比下的估計方差，可以看出：隨著信噪比的增加，估計方差不斷遞減；聯(lián)合估計算法在Brazil D信道下的估計方差比相干AFC算法的估計方差小了一個數(shù)量級，而聯(lián)合估計算法在高斯信道下的估計方差比相干AFC算法的估計方差小了兩個數(shù)量級。綜上所述，聯(lián)合估計算法的估計性能遠高于原算法。注意，仿真采用6徑Brazil D信道，信道增益為1.000 0、0.977 2、0.416 9、0.549 5、0.741 3、0.524 8，對應的信道延遲44、1、5、17、23、45(單位為1/7.56us)。

分別仿真了相干AFC和聯(lián)合估計兩種算法在不同頻偏下的估計精度，使用的信道模型是Brazil D信道，信噪比為0dB。如圖4所示，橫軸表示的是頻偏理論值，縱軸表示剩余頻偏的大小，圖中每個點對應的是每次仿真，總仿真次數(shù)為八千次。從左圖可以看出，當頻偏理論值的絕對值小于3.7時，兩種算法的估計誤差均較小。圖3中右圖為左圖的部分放大圖，可以看出聯(lián)合估計算法的剩余頻偏小于相干AFC算法。圖4說明：聯(lián)合估計算法不僅具有原相干AFC算法的估計范圍，而且具有較高的估計精度，使頻偏跟蹤環(huán)路基本上消除了頻率偏移對整個接收端的影響。圖3和圖4在其他信道下(例如brazil A信道，brazil B信道)的仿真結果，性能高于在brazil D信道下的仿真結果，低于高斯信道下的仿真性能。究其原因，在brazil A或者brazil B信道模型中，雖然存在多徑干擾，但是子路徑增益較小，影響也隨之減小。從仿真的結果得出：本文所提出的聯(lián)合算法比文獻[6]所提出算法及其他算法在不同頻偏下誤差小，抗多徑和抗噪聲性能的性能好。

圖4　不同頻偏下，兩種算法估計誤差曲線

本文根據(jù)DMB-TH系統(tǒng)的特點，提出了相干AFC算法的改進算法和原算法相結合的聯(lián)合算法，既保留了原算法估計范圍±3.7的特點，又大大的提升了其估計精度，將頻率偏移控制在0.02范圍內杜絕了對后續(xù)信源信道解碼的影響，并通過MATLAB軟件進行仿真驗證。仿真表明，上述聯(lián)合估計算法具有較好的抗多徑和抗噪聲性能，基本上能夠消除頻率偏移對DMB-TH系統(tǒng)接收端的影響。

參考文獻：

[1]中國國家標準化管理委員會. GB20600—2006,數(shù)字電視地面廣播傳輸系統(tǒng)幀結構、信息編碼和調制[S].北京：中國標準出版社，2006.

[2]鄒輝，葛建華，王顯煜，等．一種TDS-OFDM系統(tǒng)的載波恢復算法[J]．數(shù)字電視與數(shù)字視頻，2007,31(10)：10-43．

[3]鄭文彥，李白萍，王飛．一種OFDM時頻捕獲與頻率跟蹤方案[J]．信息傳輸與接入技術，2007,33(3)：22-24．

[4]許奧林，王軍，彭克武，等．TDS-OFDM系統(tǒng)兩種載波頻偏估計算法及對比[J]．數(shù)字電視與數(shù)字視頻，2007,31(12)：8-10．

[5]戴凌龍，符劍，王軍，等．DTMB中系統(tǒng)的高精度頻率跟蹤方法[J]．電視技術，2008,32(11)：4-7．

[6]Huang Qiuyuan,Wu You,Chen Wei,et al. An Algorithm Design and Performance Analysis for Carrier-frequency Offset Estimation in DMB-T System[J]. Communications Circuits and Systems,2008，235：264-267.

[7]Li Yuefeng,Wei Xin,Zhao Li. Synchronization Technique Research of Chinese DTTB Standard[J]. IEEE International Conference,2008,159: 728-732.

[8]Jan-Jaap van de Beek,Magnus Sandell，Per Ola Borjesson. ML Estimation of Time and Frequency Offset in OFDM Systems[J]. IEEE Transactions on signal Processing,1997,45: 1800-1805.

[9]Christian Bergogne,Philippe Sehier,Michel Bousquet. Reduced Complexity Frequency Estimator Applied to Burst Transmission[J]. IEEE International Conference,1995(4): 231-235.

[10] 許奧林，王軍，彭克武，等．TDS-OFDM系統(tǒng)兩種載波頻偏估計算法及對比[J]．數(shù)字電視與數(shù)字視頻，2007，31(12)：8-10．

[責任編輯：張永軍]

A New Frequency Offset Tracking Algorithm for the DTMB System

KANG Yu-wen

(Department of Electronic Engineering, Zhangzhou Institure of Technology, Zhangzhou, Fujian 363000, China)

Abstract:Base on the analysis of the coherent AFC frequency fine estimation algorithm,this paper puts forward an improved algorithm on the problem of the inadequate performance on resisting to multipath and noise and unable to eliminate the frequency offset completely in china digital terrestrial television broadcasting transmission system DTMB. This paper firstly introduces frame structure and trace-loop structure of DTMB system,and then interprets the frequency offset tracing algorithm theoretically and simulates the algorithm. MATLAB simulation shows that the improved algorithm can eliminate the frequency offset in the strong interference.

Key words:frequency offset tracking; coherent AFC; DTMB system; frequency synchronization

中圖分類號：TN943

文獻標識碼：A

文章編號：1673-162X(2016)01-0075-06

作者簡介：康玉文(1964—)，男，福建龍海人，漳州職業(yè)技術學院電子工程系副教授；研究方向：計算機與通信技術。

基金項目：福建省科技平臺建設-重點實驗室( 2008J1002)資助。

收稿日期：2015-09-10修回日期：2015-12-02