（信号与信息处理专业论文）drm接收机的dsp实现.pdf

摘要 摘要 早在2 0 0 3 年国际电工委员会( i e c ) 就已表决通过了d r m 标准，其数字传输技术早已 成熟，目前影响其大范围推广的主要障碍就是d r m 接收机的实现复杂度和成本过高。目 前国外已经开发出多种类型的d r m 接收机，掌握手持式d r m 接收机的关键技术有重要 意义。本文提出了基于d r m 标准的电子报纸系统，设计并实现了基于d s p 平台的d r m 接收机基带处理系统。具体内容包含以下几个方面： 1 ) 接收机系统算法介绍 介绍了d r m 系统物理层核心技术c o f d m ，描述了所需实现的d r m 接收机摹带系统 框架及核心算法，为实现整套接收机奠定算法理论荩础。 2 ) 算法移植及代码优化 在参考框架r f 3 的基础上构建了整套d r m 接收机基带处理系统，包括数据流的实现、 存储器管理、线程调度以及算法c 语言实现。实现了对接收机主要算法代码的剖析和简单 优化，接收机中某些复杂算法模块的运行效率得到了较大提升。利用d s p b i o s 的图形化 数据显示工具对接收机算法的运行结果进行了验证。 3 ) 驱动开发 借助t i 提供的开发工具包d d k 实现了d r m 接收机系统的驱动软件，并在硬件平台 s e e d d e c 6 713 上运行通过。 最后对全文进行了总结，并提出一些新的设想和改进方案。 关键字：数字调幅广播；数字信号处理器；正交频分复用；电子报纸 a bs t r a c t d r ms p e c i f i c a t i o nw a sp r o p o s e db yi e ci n2 0 0 3 ，w h i c hh a sm a t u r e dw i t hs e v e r a ly e a r s d e v e l o p m e n t t h em a i no b s t a c l ew h i c hi m p e d e st h el a r g e s c a l ep r o m o t i o no fd r m i st h ec o s to f r e c e i v e r , a st h ed r m r e c e i v e ri sc o m p l i c a t e d n o w , s e v e r a lk i n d so fd r mr e c e i v e rh a v eb e e n d e v e l o p e di no t h e rc o u n t r y i t sq u i t ei m p o r t a n tf o ru st oh o l dt h ek e yt e c h n o l o g yo ft h ed r m r e c e i v e r t h ee - n e w s p a p e rb a s e do nd r mi sp r o p o s e dh e r ea n dab a s e b a n ds i g n a lp r o c e s s i n g s y s t e mo fd r m r e c e i v e ri sr e a l i z e do nt h ep l a t f o r mo fd s p t h i sp a p e rc a nb ed i v i d e di n t ot h r e e p a r t s ： 1 ) m a i na l g o r i t h mo ft h ed r mr e c e i v e r f i r s ti st h ei n t r o d u c t i o no fc o f d m ，w h i c hi st h ek e yt e c h n o l o g yo ft h ep h y s i c a ll a y e ro f d r m t h em a i nf r a m e w o r ko ft h ew h o l eb a s e b a n ds i g n a lp r o c e s s i n gs y s t e ma n ds e v e r a lk e y a l g o r i t h m sa r ed e s c r i b e dh e r e t h i si st h eb a s e m e n t o ft h ew h o l es y s t e m 2 ) a l g o r i t h mr e a l i z a t i o na n dc o d eo p t i m i z a t i o n t h eb a s e b a n ds y s t e mo fd r mr e c e i v e ri sb u i l tb a s e do nr e f e r e n c ef r a m e w o r k3 ，i n c l u d i n g r e a l i z a t i o no f d a t ai o 、m e m o r ym a n a g e m e n t 、t h r e a ds c h e d u l i n ga n dd e v e l o p m e n to f a l g o r i t h m ( cl a n g u a g e ) t h eo p t i m i z a t i o no ft h es y s t e mb a s e do nt h ep r o f i l e i si m p o r t a n th e r e ，t h e e f f i c i e n c yo ft h ec o d eo p t i m i z e dh a sb e e np r o m o t e do b v i o u s l y a tl a s tt h ea l g o r i t h mi sv e r i f i e d w i t ht h eh e l po fg r a p h i c a ld i s p l a yt o o l si nc c s 3 ) d r i v e rd e v e l o p m e n t t h ed d ko f f e r e db yt im a k e st h ed e v e l o p m e n to f d r i v e rm u c he a s i e r t h ed r i v e rw a st e s t e d o nt h es e e d - d e c 6 7 1 3p l a t f o r ma n dp r o v e dt ob ew o r k a b l e a tt h ee n d ，as u m m a t i o ni sg i v e nt ot h ew h o l ep a p e ra n ds o m en e wi d e ao fp r o m o t i o na b o u t t h er e c e i v e ri sp r o p o s e d k e yw o r d s ：d i g i t a la mb r o a d c a s t ；d i g i t a l s i g n a lp r o c e s s o r ( d s p ) ；o r t h o g o n a lf r e q u e n c y d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ( o f d m ) ；e - n e w s p a p e r i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 东南大学学位论文使用授权声明 力驴琴7 i u 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学 位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外， 允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文 的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 签名越猢期：印身凋堋 第1 章绪论 1 1 选题背景及意义 第1 章绪论 始于1 9 2 0 年代的3 0 m h z 以下频段的中、短波调幅( a m ) 广播，以其覆盖范围大、传输 距离远、接收机简单且价格低廉等突出优点，一直被世界各国作为基本的信息传播技术手 段之一，但也存在着传输质量差、业务单一和易被干扰等缺点。随着调频( f m ) j “播和电视 的普及，以及多种新型数字无线传输手段的出现，模拟a m 广播面临着严峻的挑战，寻找 出路，使之适应时代的要求迫在眉睫。随着数字技术的发展，出现了a m 波段数字广播技 术，目前最为成熟的足已成为国际标准的d r m ( d i g i t a lr a d i o m o n d i a l e ) 系统。 早在2 0 0 3 年国际电工委员会( i e c ) 就已表决通过了d r m 标准，其数字传输技术早已 成熟，目前影响其大范围推广的主要障碍之一就足d r m 接收机的实现复杂度和成本过高。 目前国外已经开发出多种类型的d r m 接收机，包括固定式、车载式、手持式以及基t - p c i 总线的p c 接收卡等，但都价格不菲，并未得到大范围的推广，而围内尚未见到有d r m 手 持式接收机的面世。掌握手持式d r m 接收机的关键技术有以下重要意义： 1 ) 将为我国数字a m 广播产业及其标准制定打下坚实的基础，推动我国声音广播产业 的技术升级； 2 ) 利用数字a m 广播频道传送各种附加数据及多媒体信息，开拓新的多工广播服务和 业务。本课题最直接的应用就是利用d r m 技术实现电子报纸服务，带来传统报业的变革。 3 ) 可为用户提供一种新的数据传输服务，在某些突发事件时发挥其广域覆盖优势。 1 2 数字调幅广播特点 数字调i 隔广播系统d r m 与数字音频广播( d a b ) 一样，都是以数字技术为手段，由 广播机构向移动、固定或便携式接收机传送声音节目和数据业务。d r m 为3 0 m h z 以下频 段的数字广播，与现今的模拟a m 广播j 【= 作频段完全相同。d r m 信号可以通过地面单频 网、卫星和电缆( 光缆) 传输。 d r m 广播与模拟a m 广播相比具有很多优点： 1 ) 可以在不增加原有调幅带宽的条件下，利用数字调制和多载波技术，产生与调频相 媲美的优良立体卢音质，同时还可以提供附加的数据服务； 2 ) 现有模拟调幅发射设备可以改装为数字设备，数字化改造投入较低； 3 ) 可大幅降低发射机功率，若使用同等功率等级的设备，节目的覆盖范围将极大扩展； 4 ) 数字信号传输，可避免电离层衰落和多径传播造成的干扰，确保接收的可靠性，适 合大而积覆盖及移动便携接收； l 东南 学硕论i 5 ) 存规定的带宽内同时传送模拟信号和数字信号盘现同播 1 3 基于d r m 接收的电子报纸技术 数字a m 广播系统个屉大的特点就是可以提供附加的数据服务，基丁d r m 传输的 电r 报纸技术就足筚r 这种数据服务所提出柬的。 电子报纸技术井非一个全新的概念，早期的电子报纸诞卡丁网络，移动运营商还推f | ； 了基丁g p r s 和e d g e 传输 机报纸业务，这肚业务部曾风靡一时怛与电子报纸的实际 古义仍然相当甚远。髓若“电子油墨”的诞生，科学家们预计要到2 0 1 5f h 才能广泛应用的电 子报纸技术也许将提前进入人们的生活。从【】袋罩掏m 一份折叠的屯子撤纸、浏览网r 内 容，将成为人们日常生活的一部分。 阁1 - 1 为电子_ i l i 纸的概念h ，| ；f f 着这种。折叠的电子纸的笈叫电千报纸的安耻将小 冉遥远，现n 所简要昔虑的是采川何种方式来进行电于报纸数据的传输。数7 通信的飞速 发展舯r 多种数据传输技术，包括现在炙手可热的3 g 技术以及尚在快速艘展中的l i e 技 术。数字a m 广_ | 番相对于以上几种传输方式有蝗适合实现电了报纸业务的优点： 图l 一1 ：电子报纸概念图 1 1 敛字a m 广播是一种一点到多点的广播式业务t 发射设备成本较低，且覆盖范崮广， 2 ) 电子报纸对数据的传输速率要求井不高，数字a m 广播所提供的数据传输速率完拿 第1 章绪论 满足电子报纸传输的需要： 3 ) 数字a m 广播提供的数据服务资费相对其它传输方式要低： 基于以上这些优点，采用数字a m 广播技术实现电子报纸的数据传输是可行的。 1 4 本文的主要内容及组织结构 本文的主要内容是设计一个d r m 数宁接收机，在d s p 平台上实现d r m 接收机基带 处理软件系统。本文的主要安排如下。 第二章主要介绍d r m 系统、关键技术以及接收机的算法组成，详细描述了部分核心 算法模块。 第三章描述本文d r m 接收机的硬件平台组成、关键集成电路芯片和所用数字信号处 理器( d s p ) 的软件开发环境。 第四章介绍t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 系列d s p 的开发方法，详细描述整个接收机基带处理系统 的构建，包括系统资源管理、算法实现以及驱动开发等。以流程图的方式描述了各主要算 法模块的c 语言实现。 第五章给出基于c 6 0 0 0 系列d s p 开发的软件的优化流程，描述了接收机算法的优化方 法。分析了d r m 软件接收机的算法运行结果。 第六章总结全文，同时简要描述后续工作。 3 第2 章d r m 系统与关键技术 第2 章d r m 系统与关键技术 2 1 物理层传输技术 2 1 1 发射系统组成 d r m 标准协议e s t ie s2 0 19 8 0v 2 2 1 中规定了数字a m 广播系统的基本框架，其发 射系统的结构组成如图2 - 1 所示。 音频 数据流 数据流 f a c 信息 s d c 信息 m u t i p l e x e r d r m 传 输 信 号 图2 - 1 ：d r m 发射机框图 d r m 发射机包含3 条数据通道：主服务通道m s c ，服务描述通道s d c 和快速获取通 道f a c ，这3 条数据通道中包含不同的“扰码”和信道编码技术，其中m s c 还包含一个 单元交织模块。导频单元生成器模块用于产生导频单元，在o f d m 单元映射模块中3 条数 据通道上产生的数据和导频数据按照一定的方式排列，形成o f d m 数据帧。最后利用快速 逆傅立叶变换( i f f t ) 进行o f d m 凋制，产生可以在物理信道上传递的d r m 传输信号。 d r m 物理层采用多载波调制技术o f d m ，利用一组频域上相互正交的子载波来传输 信号。同时在各个数据通道上还采用了多种数字信号处理技术，以保证信息正确高速传输。 2 1 2o f d m + q a m 调制 o f d m 技术可以提高频带利用率，正交幅度调常0 ( q u a d r a t u r ea m p l i t u d em o d u l a t i o n ， q a m ) 技术的引入又提高了单个载波上传输符号所含的信息量。 一个o f d m 符号内包含多个经过数字调制的子载波的合成信号，可以由下式表示： 如m e 丢n - i 棚( 一三) e x p h z 铲i 训 归”r 亿。， s ( t ) = 0 t r + 乞 其中，n 表示子载波个数，t 表示o f d m 符号宽度，d i 是分配给每个子信道的数据符号， z 是第0 个子载波的载频，r e c t ( t ) = 1 ，i t i ：r 2 ，上式表示的是从f = 开始的o f d m 符 5 东南大学硕士论文 号。o f d m 系统可以利用快速傅立叶变换( f f t ) 来实现调制和解调，从而可以大大简化系 统实现的复杂度。 在o f d m 系统的每个子载波上都可以采用不同的数字调制方式，d r m 系统使用q a m 。 在q a m 中，数据信号由相互正交的两个载波的幅度变化表示。q a m 信号可表示为： s m o ) = r e ( 彳，c + j n ，。，占t ，c j 2 。r f c 】( m = l ，2 ，m ，0 t d ，。 = a , 。g ( t ) c o s2 j r z t 一如g ( t ) s i n2 r c f 。t 。 q a m 信号可以看作是组合幅度和相位调制，它的发射信号集可以用星座图方便地表 示。数字通信中数据通常采用二进制表示，此时星座点的个数一般是2 的幂，常见的q a m 形式有1 6 q a m 、6 4 一删、2 5 6 q a m 。d r m 系统中用到了4 - q a m ，1 6 q a m 和6 4 q a m ， 点数越大，每个符号能传输的信息量就越大。 2 1 3 信道编码 卷积码是伊莱亚斯1 9 5 5 年提出的一种信道编码技术。在卷积码的约束长度内，前后各 码组密切相关，一个组的监督码元不仪取决于奉组的信息码元，也取决于前m 组的信息码 元，其中m 是编码记忆。卷积码可以表示为( n ，l 【，m ) ，其中n 是码长，k 是消息序列被分化 成的子段的长度，m 是存储器级数或记忆长度【4 】。 d r m 系统采用了删除卷积码，是在卷积码的基础上，通过删余矩阵删除卷积码码字 中的部分比特而得到的。协议中规定的删除卷积码的母码是( 4 ，i ，6 ) 码，码率是1 4 ，可 以通过选择不同的删余矩阵来获得不同的码率。 卷积码的编码器通过一个6 位的移位寄存器实现，码字由下式定义： 6 0 j = a io q 一2o q 一3a a 一5o q “； 6 i j5 a j o a i i o 口i 一2 0 q 一3a i - 6 ； 6 2 i = a fo a i lo 口j - 4o 口j “； 6 3 2 a to a i 一2o q 一3a i 一5a j 一6 ； ( 2 3 ) 其中：i = 0 ，1 ，2 ，3 ，1 + 5 。当a 的下标不属于 0 ，1 ，2 ，3 ，i - l 时，按照定义q 的值设置为0 。 图2 - 2 ：卷积码编码器框图 6 第2 章d r m 系统与关键技术 图2 2 给出了该卷积码的编码器框图，由一组移位寄存器组成。按该结构可以生成( 4 ， 1 ，6 ) 码，即母码，然后选择合适的删余矩阵来获得所需码率。协议中给出了1 3 种不同的 删余矩阵，对应的码率从1 4 到8 9 不等。 2 1 4 能量扩散 能量扩散也称为“扰码”，目的是减少连0 和连1 的出现，以确保比特定时恢复。 其原理是将_ 进制数字序列进行随机化处理，限制连续0 码和连续l 码的长度。 d r m 系统中能量扩散的具体实现方法是先产生一组伪随机序列( p r a s ) ，然后将这组 序列以模2 加的形式对原序列进行扰码处理。协议中的伪随机序列由f 式定义： 尸( x ) = x 9 + x 5 + 1 ( 2 4 ) p r b s 也可以通过一个反馈移位寄存器来实现，伪随机序列发生器如图2 3 所示。 虮也物h 嘶叫d 图2 3 ：伪随机序列发生器 图示的伪随机序列发乍器中，所有的初始化字设置为1 ，产生的伪随机序列的开始1 6 位分别是：0 0 0 0 0 1 1 1 1 01 1 1 1 1 0 。 能量扩散在3 条不同的数据通道( m s c 、f a c 、s d c ) 中分别进行。 除了上述几种技术外，d r m 系统中还采用比特分配、比特交织、分等级信道编码以 及孽元交织等多种技术。 2 2 传输结构 2 2 1 传输帧结构 d r m 时域的传输帧结构如图2 4 所示，以超帧( s u p e rf r a m e ) 形式进行数据传输，1 个超帧包含3 个传输i l i ! i f ( f r a m e ) 。传输帧包含3 部分数据：导频单元，控制单元( f a c + s d c ) 以及数据单元( m s c ) 。 d r m 中定义了4 种鲁棒模式，分别是鲁棒模式a 、b 、c 、d ，同时还定义了6 种频 带占用宽度。对应于这些不同的鲁棒模式以及不同的带宽，限定了各自的子载波个数和间 隔。本文系统采用了固定的鲁棒性模式b ，带宽设置为3 k h z ，这种组合下的传输参数如下： 7 末南大学碗论文 图2 ：d r m 的怙输帧结构 1 个o f d m 符号长2 13 3 眦r r 载波数为5 0 ( k 广l ，恤= 5 1 ) ：1 个传输帧包含1 5 个 符号，1 个超帧的前2 个符号存破s d c 数据块，后而的符号存放m s c 数据和f a c 数据块。 2 2 2 导频单元 在o f d m 传输帧中插入了一蝤导频单元，有画定的桂j 位和幅度，主要州丁信道估讣和 同步。为了优化性能，需要台师选择这牡导频单元的位置、相位和幅度。d r m 系统中主 要乜舍3 种导频单元：频域骞考导频、时域参考导频和增益参考导额。 频域参考导频土要片j 于检划接收信号是否存在、估接收信号频偏以及进行信道估计 等。坼议中规定了3 个频域参考导频，它们相对于d c 子载波的频率分别是：7 5 0 8 2 、2 2 5 0 h z 、 3 0 0 0 h 日功辛是普通信号的2 倍，接收机可以通过这3 个导频点进行频率耔i 同步。 时域参考导频出现在每个传输帧的第1 个o f d m 符号r 这些导频单兀通常用来检测 一个传辅帧的第1 个符号，也可用来 嵌频偏估计。 增益参考导频土要用于相干解调，f 日时带助这些分散存整个时额域空间的增益导颁单 元，接收机可以进行信道传递函数的估计。 2 3 接收机结构 d r m 协议仅仅规定了发射机结构，并束限定接收机本的接收机框图如圈2 - 5 所示。 接收机从声卡接口或音频编解码器( c o d 优1 读入数据，经过一系列数字信号姓理算法模 块，最终解调出所需信息。数字信号处理主要可以分为嘣步、信道估计与均衡、信道解码。 最常见的同步操作是频睾同步和o f d m 符号时间同步。在d r m 系统中，还需要其它 的同步算法d r m 系统中，o f d m 符号绑定在帧中这些帧长通常是4 0 0 “b 。每一帧中 的第1 个o f d m 符号中还包含用于帧同步的导颏符号，借助这些导频符号可以估计出每一 帧数据的起始符号位置，后续算法中的信道估计和o f d m 复合帧的解映射都需要知道数据 帧的起始符号位置。 ?| | 一 一 口口 第2 章d r m 系统与关键技术 寸怔三卜 三卜一 分等级 信道解码 时问跟踪 信道估计 帧同步 重采样 频偏跟踪 频率修正 o f d m 解渊 鲁棒模式 检测 时间粗同步 提取 有用部分 图2 5 ：d r m 接收机算法框图 另一个问题是不同的鲁棒模式对应不同的参数，例如：载波间隔1 n t 或者足保护问 隔长度n 。，除了频率获取模块，其它各模块都需要事先获知鲁棒模式，因此需要事先进行 鲁棒模式估计。同步的主要目的如下： 1 获取一个粗的频偏估计 前面已经提到过，协议中规定了3 个固定的频域导频点，借助它们可进行频率粗同步， 这3 个固定的导频点在任何鲁棒模式下都固定不变，所以在进行频率粗同步时不需要得到 鲁棒模式的信息。 2 检测鲁棒模式，进行时间粗同步 这两种算法都利用接收符号的c p 相关性来检测。由于d r m 协议中规定了多种不同的 带宽模式，接收机无法获知发射端所占用的频带宽度，所以我们一般假设为最小带宽，以 避免其它信号影响估计过程。在进行鲁棒模式检测和时间粗同步之前，接收信号要经过一 个带通滤波器的处理，其带宽对廊于带宽最窄的d r m 模式，滤波器的中心频率决定于前 面频率获取模块中所得到的结果，这个滤波器设计成一个h i l b e r t 滤波器。 3 采样率修正 由于p c 的声卡可能产生一个较大的采样率偏移，所以引入了采样率修正模块。 为消除时变传输信道所带来的干扰，在接收机算法中引入了信道估计和均衡。通过采 用时频域二维的维纳捅值可以获得很好的信道估计结果，但运算量较大。通过利用时域、 频域分离的一维维纳插值来代替二维维纳插值可以减少运算量，同时保持较好的估计效果。 信道译码采用了维特比译码算法，由于电子报纸传输的是数据信息，所以本文并未考 虑信源编解码( 音频解码) 。下面将分模块详细介绍接收机算法。 2 4 同步算法 2 4 1 频率粗同步 频率粗同步是d r m 接收机第一个信号处理模块。接收机首先检测接收信号中3 个固 定的频域导频位置，然后将这个检测到的导频位置与理想的导频位置进行相关比较，并以 9 东南大学硕士论文 此获得一个租的频偏估计。具体的估计算法描述如f ： 首先，接收机估计接收信号的功率谱密度，这里利用周期图法进行估计 毛= 去鄙l ：。- tr n + ( k - o n s 叫2 亿5 ， 其中：代表n 时刻接收符号，取刚。次估计结果求均值，m 代表一个o f d m 符号包 含的数据个数，这里札包含循环冗余前缀c p ，一次选取4 个o f d m 符号进行功率谱估计。 功率谱估计结果和已知导频位置的相关结果用下式表示： j = 最f + ，洲) ( 2 6 ) 其中 ( f ) = 4 乃( f ) ( 等+ 1 ) ( 2 刀 p ( i 1 表示频率导频所在的子载波标签。 考虑频率选择性信道中的功率谱衰减，可以将相关结果j 对信号功率进行归一化， 以此来改进峰值检测的方法，最终的频率粗同步估计结果由下式给出： 厶c 护丧鹕 等 c 2 固 其中畦，是信号功率，x , ja “进行频率轴上的低通滤波可以近似获得这个功率值。 2 4 2 时间粗同步 o f d m 信号中的循环冗余前缀( c p ) 可用于进行时问粗同步，c p 截取自o f d m 符号 尾部，接收机利用相关性检测粗略获取一个o f d m 符号的起始位置。基于最大似然准则可 以推出如下的算法： ) = 卦讹1 2 帆f 2 ( 2 9 ) 其中a ( f ) 是相关估计的结果，表示接收符号中第n 个数据。o f d m 符号起始位置的最大 似然估计表示如下： k = a r g m a x ， a o ) ( 2 i o ) 上式表示相关估计值最大的位置就是一个o f d m 符号的起始位置，本文采用的算法在 卜式的基础上做了改进： 。= 嘤严曙叫 亿 改进方法是在整个保护间隔( c p ) 上进行估计，找到一个相关性最大值，该值所在的位 置就是一个o f d m 符号的起始位置。 第2 章d r m 系统与关键技术 由于事先不知道鲁棒模式，所以上述算法需针对不同的鲁棒模式进行4 次估计，然后 利用这4 次估计结果进行鲁棒模式检测和时间粗同步。 2 4 3 帧同步 前已述及，每帧数据第1 个o f d m 符号中都插入了若下个时间导频，帧同步利用这些 时间导频估计出一帧数据的起始符号位置。时间导频都足相邻的，我们可以定义这些相邻 的导频为导频对。这些导频相邻排列的物理意义是在频域卜相邻，即相邻的导频对应于相 邻的子载波。我们首先假设相邻的两个导频点所对应的子信道传递函数近似相等，例如： 峨埔( 订吼以。“，这里只( f ) 代表导频对中的第1 个导频。在此假设的摹础上，我们可 以对导频点所在的子信道进行信道估计，并计算接收单元和导频单元之间的距离平方。 雕) ：乳州，警，等等卅f 2 1 = 0 i，竹i f )i ( 2 1 2 ) 其中l r 是导频对的个数。 总的平方误差 y ( 尼) ，k = o ，) 达到最小时，所对应的符号就是该帧第1 个符号， 表示一帧数据中所包含的o f d m 符号数。 2 4 4 频率和采样率偏移跟踪 这部分算法是在f f t 之后，即o f d m 解调以后进行。首先给出一个适合在频率选择 性信道环境下进行频率跟踪的频域估计方法： 壶弓= 鹕 蔫( 和，( 厶) 啪，( 厶) ) ) c 2 ) 其中：q = 2 7 r a f ，p ( j ) 是频域导频的位置 这种估计方式用来跟踪d r m 信号中的3 个频域导频，算法基于由频率偏移所引起的 相邻符号间的相位偏差。帧同步所用的数据来源于前面o f d m 解调模块中的f f t 单元， 厶。表示f f t 单元的输入数据已经修正了频率粗同步中所检测出来的频偏。 采样率偏移估计利用了3 个频域导频点各自的频偏估计，通过计算两个相邻导频点所 在频率位置的差值，并将这个值与期望值相比较町以得到采样率偏移估计： f 2 击喜考南 ( 2 1 4 ) 东南大学硕士论文 f i , r , = a r g z k “删) ( 厶) 五删( 厶) ) ( 2 1 5 ) 频偏估计结果的微小变化都会引起采样率偏移估计的较大变化，可以采用一个闭环算 法结构来解决这种反馈。 2 4 5 时间跟踪 时间租l 司步采用c p 的相关性估计来实现，这种估计中仅仅使用了部分有用信恩，估 i , t 。结果并不精确。时间偏移会造成码间t 扰( i s i ) 甚至造成同步丢失，因此一个精确的时间 估计结果对提高接收机性能非常重要。我们采用了一种基于信道估计结果的时间跟踪方法 来改进时问估计，首先将估计出来的信道传递函数日通过一个汉明窗i ，= o ，n 一1 ， 然后在开个帧上求平均，这样可以得到一个信道的功率时延估计： 辄) = 瓦1pl刍一-1睫1n - i w e j 等槲1 2 ( 2 1 6 ) 通过检测p 。 ) 垅= 0 ，n l j 中第1 个峰值的范围可以得到第1 径时延的估计： 一占( 后) = 三i n i n 棚s i n ( k ) r ，口以d 文( 七) 量+ 。( 七) ( 2 1 7 ) 这里边界f 由下式定义： r = 一p 稿珏1 0 _ 品 仁聊 其中：。和曲分别是包( 后) 的最大值和最小值，l 和r 2 都设置为2 5 d b 时可以获得很 好的结果。 2 5 信道估计与均衡 o f d m 系统中，信号按时域和频域两维分布，因此二维信道估计是必需的。 图2 - 6 所示的是一个o f d m 帧的结构图，横轴为时域，纵轴是频域。图中所示的表示 1 个帧包含9 个o f d m 符号，每个o f d m 符号内包含n c - 7 个子载波。黑色填充框表示用 于信道估计的导频单元所在位置，白色填充框表示数据符号。基于导频符号的信道估计可 分为两步：第一步先估计出导频符号处的信道传递函数；第二步利用导频符号处的信道传 递函数进行二维维纳滤波。 维纳滤波是一种遵循最小均方误差( m m s e ) 准则的滤波器，是最优线性滤波器。假 定我们需要估计一个二维的宽平稳( w s s ) 随机过程而( 尼，) ，该二维随机过程受到一个宽 1 2 第2 章d r m 系统与关键技术 时闷 l 一擘 _ 豳 j 一， 米 i i ii l | l l i _ 沁 一 i善 y - 致摄符号 - _ _ _ - - - _ 一 导撷符垮 欲依诤的 镪臻甄 图2 - 6 ：导频符号成正方形分布的o f d m 符号帧结构 平稳的加性离散噪声n ( k ，) 的影响。本文所需估计的随机过程就是信道传递函数，k 和1 分别表示信道估计过程中的时域和频域。接收信号序列表示如f ： r ( k ，) = h ( k ，) + 刀( 七，) v 0 k k - 1 ，0 ，l - 1 ( 2 1 9 ) 假设厂( 七，) 仅在采样点( 本文即为导频点所在位置) 获取，导频位置标号设为尼7 ，7 ， 导频个数为 ，茹，选择的预测滤波器为离散、线性、移变的，预测信号表示如下： j j 6 ( 七，) = w ( k ，1 ；k 7 ，) r ( 枷) ( 2 2 0 ) 其中：五( 后，) 表示预测结果，w ( k ，l ；k ，) 表示维纳滤波器的冲击响应。 预测滤波器结果的均方误差表示如下： ，( 丝( 七，) ) = e | j j l ( 后，) 一五( 七，) 1 2 ( 2 2 1 ) 维纳滤波要保证预测的均方误差达到最小，因此利用正交投影原理得到： 其l - ( ) + 表示复数共轭。 e ( 五( 七，) 一石( 七，) ) ，( 后。，) = o ( 2 2 2 ) 假设这个维纳滤波器物理上可以实现，即存在最优维纳滤波器系数w o ( 七，l ；k 7 ，) 使得 预测的均方误差达到最小。将式( 2 2 0 ) 代入式( 2 2 2 ) 可得： 1 3 田 东南大学硕上论文 e e h ( * ，) ，( 七。) - 萋w o ( k ，l ；k ，l ) e e h ( k ，l ) r ( 忌，”) ， v k ，l ” p 定义互相关函数为： o ( k - k ”，l - i ”) = e j l z ( 尼，) 广( 七”，l ”) 同时定义自相关函数为： ( 一矿，一，”) = e ，( ，) ，( 旷，广) 代入式( 2 2 3 ) 町以得到w e i n e r - h o p f 方程： 簖( 尼，) = 旦r ( 七，) 雪q ( 2 2 3 ) ( 2 2 4 ) ( 2 2 5 ) ( 2 2 6 ) 其中：_ w o ( k ，) 表示最优维纳滤波器系数矩阵，o ( k ，) 表示瓦相关矩阵，虫表示自相关 矩阵，( ) 1 表示逆矩阵。 由于二维维纳滤波运算量很大，通常采用两个级连的一维维纳滤波器来达到性能和复 杂度的折衷。它的基本方法足先对包含导频符号的o f d m 符号在时问方向滤波，然后在频 率方向进行滤波。一维的维纳滤波器系数也可以通过w e i n e r - h o p f 方程获得。 通常采用列文森递归的方法去解w e i n e r - h o p f 方程，具体实施过程如下： 1 ) 初始化 a o ( o ) = 1 ；x o ( o ) = 6 ( o ) ( o ) ；= ，_ ( o ) ( 2 2 7 ) 2 ) 对j = 0 ，1 ，p 一1 ( 口) 乃= r ，( j + 1 ) + z a j ( i ) r ，( j - i + 1 ) ( b ) f 川= 一r j 巳 ( c ) 对i = 1 ，2 ，j ，a ，+ 。( i ) = a j ( f ) + r j + 。巧( 一i + 1 ) ( d ) a j + 。( + 1 ) = r 川 ( p ) 。+ 。= 。 1 一l r ，卅1 2 ( 厂) t = _ ( f ) ( 一f + 1 ) ( g ) q 川= 6 ( + 1 ) 一t ( h ) 对i = o ，1 ，j x j + l ( f ) = _ ( f ) + g 川巧+ 。( 一i + 1 ) ( i ) x j + ，( + 1 ) 2q 川 ( 2 2 8 ) 1 4 第2 章d r m 系统与关键技术 按照上述步骤进行递推可以计算出维纳滤波器的系数。 2 6 信道译码 卷积码的译码过程可以用网格图形式来表示，图2 7 就是一个码率为1 3 ，k = 3 的卷积 码的网格图表示。 a b c d o a _ a ， o c b o l a c ， l c d o o oo o o ol b 叶a ， b _ c 0l d b d d o o oo o o f 稳定状态 图2 7 ：码率1 3 ，k = 3 卷积码的网格图 维特比译码过程就是搜索以上所示的网格图，寻找一条最佳路径。搜寻嘲格图时所用 的量度可以是汉明距离，也可以是欧式距离。 从网格图可以看出，在达到稳定状态后，从t 1 时刻到t 时刻的状态转移路径就固定不 变了。从网格图中可以抽取一些蝶形单元，如图2 - 8 所示，这个蝶形单元包含了一对源状 态和目标状态，4 条相瓦关联分支。当相应的源输入位1 时，状态a 和b 都从下支路到 达状态c ，当相应的源输入位0 ，状态a 和b 都从上支路到达状态a 。 时刻t 1t 图2 - 8 ：从图2 7 中抽取的蝶形单元 网格图中的每个时刻每个状态都会有两个输入路径，蝶形运算的核心就是从两条输入 路径中选取一条幸存路径。最后从所有幸存路径中选择一条最佳路径并获得译码后的序列。 1 5 东南大学硕上论文 常用的维特比译码器主要包含3 个单元：支路度量计算单元b m g 、加比选单元以及 幸存路径计算单元，结构框图如图2 - 9 所示。 输 ，百蕊甄a x 函厂= = = 、 孽 存储单元i ( b m m ) l 1 r 1 支路度最 汁箨单元 ( b m g ) 口路径度盈存储器 比 较 新路径度量存储器( s m ) 选 择 著 图2 - 9 ：维特比译码器结构 维特比译码器中最为核心的是加比选单元a c s ，主要功能包括： a 1 将支路度量值与相连的前面的路径度量值相加得到延伸后的新路径的度量值； b ) 比较连接在同一个状态上的两条新路径的度量值： c ) 选择其中度量值较小的那条路径( 幸存路径) ，并将其度量值存储到新路径度量存储器 ( s m ) 中，幸存路径值( 对应编码状态的输入何) 存储到路径存储器( p m ) 中。 幸存路径计算单元，主要功能是找到幸存路径中度最值最小的一个( 最大似然路径) ， 通过回溯操作( t r a c e b a c k ) 在p m 中找出该路径对应的所有输入位，依次输出即为译码结果。 a c s 操作在总的运算时间里占丫很大的比例。程序优化的主要工作就是设法减少每个 a c s 操作所需要的时钟周期数。 2 7 小结 本章介绍了d r m 系统物理层核心技术c o f d m ，描述了本文所需实现的d r m 接 收机基带系统算法的框架以及核心算法，为实现整套接收机奠定算法理论基础。 1 6 第3 章接收机硬件平台与d s p 开发环境 第3 章接收机硬件平台与d s p 开发环境 3 - 1 平台结构简介 一个完整的d r m 接收机硬件平台包含3 个主要部分：a m 接收解调( 射频前端) ；以 d s p 为核心的数字基带处理模块；基于a r m 的用户接口。 如图3 - 1 所示，a m 接收解调采用睢片集成的解决方案，使用一片高度集成的f m a m 收音机芯片s i 4 7 3 1 加少量外嗣电路实现；数字基带处理在t i 的岛性能浮点d s pt m s 3 2 0 c 6 7 1 3 上实现：三星推出的$ 3 c 2 4 1 0 外接液品湿示器( l c d ) 和键柱组成了用户接口模块。 广藏圃 图3 1 ：d r m 接收机硬件结构框图 设计开发平台时，各模块之间的接u 可以有多种考虑。我们采用的接口方式描述如下： 1 ) s i 4 7 3 与d s p 接口：s i 4 7 3 的数字音频输出l j 与c 6 7 1 3 的多通道音频口m c a s p 相 连，c 6 7 1 3 通过1 2 c 总线实现对s i 4 7 3 的初始化和控制； 2 ) d s p 与a r m 接口：这两个模块之间仅存在数据交互，c 6 7 1 3 的多通道缓冲串口 m c b s p 与$ 3 c 2 4 1 0 的串口相连； 3 ) a r m 与l c d 、键盘接口：$ 3 c 2 4 1 0 为用户提供了丰富的片上外围设备，其中就 包含l c d 控制器，设计时直接用l c d 控制器对应的管脚与l c d 相连。 下面将简要介绍d r m 接收机硬件平台的3 个主要模块。 3 2a m 接收芯片s i 4 7 3 1 s i l i c o n 公司于2 0 0 7 年1 月推出了s i 4 7 3 x 调幅调频收音机芯片系列，可以将调幅调频 收音机功能轻易导入消费性电子产品。s i 4 7 3 x 系列芯片将从接收输入信号到输出音频信号 的所有功能令部集成至单芯片，所需外围电路很少，最小系统只需要两片外部元件，整个 接收系统可以控制在2 0 m m 2 的电路板空间内。s i 4 7 3 x 系列芯片还提供了诸如先进的电台搜 索算法、软静音以及f m 屯体声处理等多种功能。同时本课题中使用到的s i 4 7 3 1 还支持欧 洲的r a d i od a t as y s t e m ( r d s ) 标准以及美国r a d i ob r o a d c a s td a t as y s t e m ( r b d s ) 标准，这 些标准可用来传输简单的电台信息和节目信息【1 2 】。 如图3 - 2 所示，s i 4 7 3 芯片分为以下几个丰要部分：射频端、数字信号处理模块、模拟 输出、数字输出以及控制模块。只需在射频端添加少量外围器件就可实现一个a m f m 接 1 7 东南大学硕士论文 收机，s i 4 7 3 x 提供了一个模拟音频输出口，经过放大可直接转换为广播节目。 尉x 玎 l o u t o 5 珏v 菱匮蚕基艟 图3 - 2 ：s i 4 7 3 功能框图 本文主要涉及数字输出接u 和控制接口，数字输出口提供3 种数字音频传输接口：1 2 s 数字音频格式、l e f t - j u s t i f i e d 数字音频格式及d s p 数字音频格式。控制接口也提供3 种接 口模式：两线控制接口模式( 支持1 2 c ) 、三线控制接口模式以及s p i 总线控制接口模式。 3 3