（信号与信息处理专业论文）地面数字电视融合方案同步技术的仿真与fpga实现.pdf

摘要 摘要 本文是根据国家地面数字电视联合技术工作组提出的地面数字电视融合方案 而撰写的。针对多载波传输对载波偏移敏感，对同步要求高的特性，论文首先介 绍了多载波o f d m 技术，分析了同步偏移对o f d m 系统性能的影响，给出了基于 导频和循环前缀的两种典型的同步方法。然后根据融合方案的帧结构的特点，分 析和探讨了时域同步算法，包括符号同步、载波频率同步和采样同步算法原理， 指出时域同步有频谱利用率高，同步恢复快等优点，并对其进行了工程可实现的 改进和仿真。最后在算法和仿真的基础上对符号和频率同步完成了逻辑模块设计。 本文的结构如下： 第一章介绍了数字电视的发展及现状，并阐述了数字电视的发展前景。 第二章依据正交频分复用技术的原理，分析了符号偏差，频率偏差和采样偏 差对系统的影响，给出了典型的同步方法。 第三章详细介绍了国家地面数字电视融合方案传输系统帧结构、信道编码和 调制方式。 第四章首先介绍了地面数字电视现有标准中的同步技术，然后对融合方案中 的同步算法进行了分析，在此基础上对时域同步算法进行了仿真验 证，并在f f t 后校正了残余频率偏差，最后给出了仿真结果。 第五章完成融合方案时域同步模块中符号和频率同步各个模块的f p g a 实 现并给出结果。 第六章总结全文。 关键词：正交频分复用，时域同步，伪随机码，循环前缀 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ep a p e ri sw r i r e na c c o r d i n gt om e r g e ds c h e m ep u tf o r w a r db yu n i o nt e c h n i q u e w o r kg r o u po fn a t i o n a lt e r r e s t r i a ld 酒t a lt e l e v i s i o nb r o a d c a s t i n g a i m e da tt h e c h a r a c t e r i s t i c st h a tm u l t i c a r r i e rt r a n s m i s s i o ni ss e n s i t i v et of r e q u e n c yo f f s e ta n d r e q u i r e h i 曲s y n c h r o n i z a t i o np e r f o r m a n c e ，f i r s t l ym u l t i c a r t i e ro f d mt e c h n i q u ei si n t r o d u c e d ， t h ei n f l u e n c eo fs y n c h r o n i z a t i o no f f s e tt oo f d ms y s t e mi sa n a l y z e da n dt w ok i n d so f t y p i c a ls y n c h r o n i z a t i o nm e t h o d sa r eg i y e nb a s e do np i l o ta n dc pi nt h ep a p e r t h e nt i m e d o m a i ns y n c h r o n i z a t i o ni n c l u d i n gs y m b o l ，f r e q u e n c ya n dc a r r i e rs y n c h r o n i z a t i o n a l g o r i t h m si sd i s c u s s e da c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so ff r a m es t r u c t u r ei nm e r g e d s c h e m e a tt h es a m et i m e ，p o i n t e do u ti t sm e r i tt h a th i g hr a t eo fs p e c t r u mu t i l i z e da n d r a p i ds y n c h r o n i z a t i o nr e t r i e v e d a n ds i m u l a t i o na n dm u c hi m p r o v e m e n ta r ed o n et o r e a l i z et h ea l g o r i t h m si np r o j e c t a tl a s t ，f p g ad e s i g n so fs y m b o la n df r e q u e n c y s y n c h r o n i z a t i o na r ec o m p l e t e d t h e p a p e r i so r g a n i z e da sf o l l o w i n g ： c h a p t e r1 t h ed e v e l o p m e n ta n ds t a t u sq u oo fd i g i t a lt e l e v i s i o nb r o a d c a s t i n ga r e i n t r o d u c e da n dt h ep r o s p e c ti se x p a t i a t e do n c h a p t e r2 c h a p t e r3 t h ei n f l u e n c eo fs y m b o l ，f e q u e n c ya n dc a r r i e ro f f s e tt oo f d ms y s t e m i sa n a l y z e da c c o r d i n gt oo f d mp r i n c i p l e sa n dt y p i c a ls y n cm e t h o d s a r eg i v e n t h ef l a m i n gs t r u c t u r e ，c h a n n e lc o d i n ga n dm o d u l a t i o ni nm e r g e d s c h e m ea r ei n t r o d u c e di nd e t a i l c h a p t e r4 s y n c h r o n i z a t i o nt e c h n i q u ei ne x i s t e n c es t a n d a r di si n t r o d u c e df i r s t l y a n dt i m ed o m a i ns y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h m si n m e r g e ds c h e m ea r e d i s c u s s e d t h e ns i m u l a t i o na n dc p ea f t e rf f ta r ec o m p l e t e d c h a p t e r5 t h ef p g ar e a l i z a t i o no fs y m b o la n df r e q u e n c ys y n c h r o n i z a t i o ni s d e s c r i b e da n di t sr e s u l t sa r eg i v e n c h a p t e r6 t h ep a p e ri ss u m m a r i z e d k e yw o r d s ：o f d m ，t i m e d o m a i ns y n c h r o n i z a t i o n ，p nc o d e ，c y c l i cp r e f i x i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，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 为获得电子科技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 确的说明并表示谢意。 签名：超杰日期：砌年幺月万日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：盗丛导师签名：j 妞 日期：p g 年产月玛日 ， 第一章绪论 1 1 数字电视的发展及现状 第一章绪论 随着数字通讯技术和大规模集成电路技术的发展，电子技术的数字化时代正 步入人们的生活，电视广播由模拟向数字逐步过渡并最终全面取而代之也已成为 必然的选择。数字电视广播也因为它的高质量的画面，极高的频谱资源利用效率， 灵活的传输方式和交互式多业务操作等优势，越来越被广大消费者所喜爱。可以 预见，在未来的电视市场里，数字电视将显示出无比强大的生命力。纵观全球，各 国都在大力发展数字电视及其相关产业，并取得了很大进展。由于客观情况、标准、 和制式等的不同，各国的数字电视发展状况也不尽相同。数字电视广播按照其传 输信道的不同主要分为卫星电视，有线电视以及地面电视。地面数字电视传输作 为数字电视广播传输的重要方式之一，由于地面传输信道的恶劣特性，其复杂性 也为三种传输方式之首而受到越来越多的关注。 1 1 1 国内外数字电视的发展及现况 目前，世界上比较成熟并投入商业使用的数字电视传输标准有美国的a t s c 标准，欧洲的d v b ( d i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t i n g ) 系列标准，以及日本的i s d b 标 准。其中a t s c 采用了格形编码的8 电平残留边带调制( t c m 8 v s b ) ，d v b 的 地面传输标准采用了编码正交频分复用( c o f d m ) 技术，日本的综合业务数字广 播采用频带分段传输正交频分复用( b s t _ 0 f d m ) 。 美国在h t d v 方面的研究工作起步较早。1 9 8 8 年联邦通信委员会( f c c ) 提 出了新一代电视的条件，后来在1 9 9 0 年重新做了修订，之后多家公司提出了四 种方案，并于1 9 9 3 年成立大联盟( g a g r a n da l l i a n c e ) ，进行新一代电视方案的 联合研制。1 9 9 5 年对g a 系统方案进行了测试并且制定了a t s c ( a d v a n c e d t e l e v i s i o ns y s t e m sc o m m i t t e e ) 标准，它采用八电平残留边带调制方式，相对于欧 洲多载波标准，a t s c 单载波地面传输方案提高了频谱效率，在相同的高斯噪声 下可以得到较高的数据率，但是在抗多径干扰、移动接收方面明显不足。目前有 电子科技大学硕士学位论文 美国、加拿大、韩国、墨西哥等国家采用这一技术标准。 欧洲的数字电视系列标准的规划自1 9 9 3 年开始，d v b 标准由以下几个组成 部分：基带处理、传输、条件接收、交互操作等。1 9 9 6 年3 月欧洲电信标准协 会( e t s i ) 公布了d v b t ( d i 西t a lv i d e ob r o a d c a s t i n g t e r r e s t r i a l ) 标准草案，并 于1 9 9 7 年3 月公布了d v b t 标准，以后曾多次修订，进行不断的完善与提高。 目前，无论从技术上还是用户规模上都处于稳定的成熟时期。d v b 系列标准作为 世界上应用范围最广泛、技术最成熟的数字电视标准，涵盖了数字电视的各种传 输方式，包括d v b t ( 地面传输标准) 、d v b c ( 有线传输标准) 、d v b s ( 卫星 传输标准) 三个系列。由于欧洲数字电视提供商采取了有效的措麓吸引观众，如 替用户承担了数字电视机顶盒的购置费用，提供丰富的付费节目供用户选择等， 使其互动电视用户数量和规模超过了美国，并不断被越来越多的国家所采用。 日本自1 9 8 3 年起开始研究i s d b ( i n t e g r a t e ds e r v i c e sd i g i t a lb r o a d c a s t i n g ) ，1 9 9 9 年春季制定了i s d b 地面广播的标准，即i s d b 。t ，它与d v b t 一样采用了多载 波调制，可以说是欧洲d v b 系统的衍生系统。不同之处是采用了频带分段多载波 调制，对不同的b s t 段采用不同的载波调制方案和内码编码码率，不同的数据段 有自己的误码保护方案以满足不同的业务需求。可以在6 m h z 带宽中传递h d t v 服务或者多数字节目服务。i s d b t 分宽带和窄带两种，前者将频带划分为1 3 个 子带，以分层传输信号；后者仅由一个o f d m 段组成，适用于语音和数据广播。 该方案抗多径传输信号的能力比较强，比较适合于城市和多山地区，但是这种传 播方式仍然没有能解决c o f d m 系统的实质性问题。目前日本国内采用这一标准 进行数字电视广播。 我国数字电视系统的研究工作始于八十年代，1 9 9 2 年，国务院亲自成立了数 字电视领导小组，负责协调和制定数字电视的战略发展计划。从此，我国的高清 电视事业有了突破性的进展。1 9 9 8 年8 月，我国完成第一台高清数字电视功能样机。 1 9 9 9 年1 0 月，我国成功试用高清晰度数字电视对国庆5 0 周年活动进行了实况转播。 标志着我国在数字高清电视技术方面进入世界先进水平。2 0 0 1 年，我国在北京、 上海、深圳等城市率先进行数字电视的试播。数字电视在中国推行是必然的趋势， 事实上我国广播电视系统已开始了向数字电视的转变，1 9 9 6 年中央电视台率先开 通了卫星数字电视广播业务，截至2 0 0 1 年我国所有的省级电视台都开通了卫星数 字电视频道。根据广电总局的规划，我国将首先局部试播数字电视，并最终在2 0 1 5 年，全面由模拟电视转向数字电视。 经过多年的积累，我国在高清晰度数字电视的传播体制、编解码方式和传输 2 第一章绪论 方式等方面均取得了不少研究成果。与此同时，在硬件方面从可视电话、会议电 视到现行电视的数字化以及信道编解码调制设备的研制，也为自主发展我国的数 字电视事业积累了许多经验。目前，在充分研究欧洲、美国、日本等传输标准优 缺点的基础上，国家有关部门正在组织各方力量制定适合我国特点的自主知识产 权的数字地面电视传输标准。近期有报道称适合我国国情的自主知识产权的数字 电视地面传输标准即将出台，这将会极大的增强我国在数字电视乃至无线移动通 信等领域的国际技术竞争能力，为实现我国广播电视行业的产业升级提供良好的 环境和平台。 1 1 2 数字电视的前景 数字电视的研制成功及开播是电视技术领域的又一个新的里程碑。数字技术 的出色应用，使数字电视具有收视效果好，抗干扰能力强，传输效率高，还可以 对传输的内容进行加密等优点。并且与传统的模拟电视相比，数字电视采用了双 向信息传输技术，增加了交互能力，使人们可以按照自己的需求获取各种网络服 务，包括视频点播、网上购物、远程教学、远程医疗等新业务，使电视机成为名 副其实的信息家电。比如视频点播( v o d ) ，与传统电视用户只能被动地收看电视台 播放的节目相比，它提供了更高的自由度，更大的选择权，更强的交互能力，是 真正根据观众的需要而制定节目，有效地提高了节目的参与性，互动性和针对性。 互联网数据内容与电视视频内容结合之后，电视节目的服务形式不再是简单的电 视画面，还有关于节目的各种信息，消费者可以在需要的时候获得这些信息，使 电视节目更吸引人、信息量更大、娱乐性更强，使提供的服务更具有个性化、专 业化和贴近人性化。例如，可以在家中玩基于电视终端的交互式游戏、查看天气 预报、在体育比赛中查询比分、在观看电影时获得演员资料以及影片的拍摄花絮 等等。总之，数字电视的出现突破了传统电视的收看习惯，改变现有电视的消费 观念，成为承载广播电视综合业务的消费终端而越来越为人们所喜爱。所以可以 肯定的说数字电视是广播电视事业发展的必然趋势，就象彩色电视必然取代黑自 电视一样，数字电视也必将取代模拟电视。 目前，西方主要工业国家关于数字电视的产业技术准备和商业准备已基本完 成，美国、欧洲及日本都已开始了数字电视广播业务，中国的数字电视产业各方 面也正在紧锣密鼓的进行中。可以预计，一旦各方面条件具备，在当前先进的数 字编码技术、数字传输技术、大规模集成电路技术和显示技术的配合下，数字电 电子科技大学硕士学位论文 视产业将会迅猛发展。随之而来的是与数字电视相关的产业也会高速发展，随着 时间的推移，其外延及派生出的各种数字化产品将更加难以预料，它将毫无疑问 地改变人们进行生产、流通、学习、娱乐和交流的方式，使我国的电子信息产业 走入一个全新的阶段，创造巨大的经济及社会效益。 1 2 论文选题依据和主要研究工作 目前，国外三大地面数字电视传输标准及其配套方案均已相对完整，并投入 到商业运营。我国备选的清华大学d m b t 、上海交通大学a d t b t 和广科院 c d t b t 等五套自有知识产权的数字地面电视传输方案虽然有经过测试和论证，但 由于产权和其他诸种因素，标准仍然没有正式推出。随着时间的推移，如若还不 能及时定下我国自有知识产权的数字地面电视传输标准，国外标准将对我国数字 电视市场产生巨大冲击，国内相关产业也不会有太大的发展空间。联合技术工作 组在比较国内外各种标准和方案的优缺点的基础上，结合清华d m b t 多载波抗干 扰能力强，同步恢复快，上海交大a d t b t 单载波大容量，广科院c d t b t 采用l d p c 编码等优点提出了适合我国特点的地面数字电视融合方案。 融合方案充分吸收各方的优点，具有很大的实用价值，并将会对我国自有知 识产权的地面数字电视传输标准的推出产生巨大影晌。本文既是对融合方案中接 收机同步技术作了仿真分析，在此基础上对其进行了工程上可实现的改进，最后 对其进行了相应的逻辑设计。 1 3 论文的组织结构 本文是电子科技大学h d t v 教研室根据国家地面数字电视联合技术工作组提 出的地面数字电视融合方案而撰写的。论文第二章对正交频分复用及其同步技术 进行了阐述和分析。第三章介绍了国家地面数字电视融合方案传输系统帧结构、 信道编码和调制方式，并根据帧结构的特点，分析了融合方案传输系统的优点。 第四章首先介绍了地面数字电视现有标准中的同步技术，然后对融合方案中的同 步算法进行了分析，在此基础上对时域同步算法进行了仿真验证，最后给出了仿 真结果。第五章完成融合方案时域同步模块中符号和频率同步的f p 6 a 实现并给 出实现结果。第六章总结全文。论文以第四、五章为作者研究和设计的重点。 第二章正交频分复用及其同步技术 第二章正交频分复用及其同步技术 2 1 正交频分复用技术原理 正交频分复用( 0 f d m ) 技术的思想最早可以追溯到2 0 世纪5 0 年代末期。6 0 年 代，人们对多载波调制作了许多理论上的工作，论证了在存在符号间干扰的带限 信道上采用多载波调制可以优化系统的传输性能。多载波传输是把数据流分解为 若干个独立的子比特流，每个子数据流将具有低得多的比特速率。用这样低比特 率形成的低速率多状态符号去调制相应的子载波，就构成了多个低速率符号并行 发送的传输系统。1 9 7 0 年1 月有关0 f d m 的专利被首次公开发表【1 。1 9 7 1 年w e i n s t e i n 和e b e r t 在i e e e 杂志上发表了用离散傅立叶变换实现多载波调制的方法，8 0 年代， 人们对多载波调制在高速调制解调器、数字移动通信等领域中的应用进行了较为 深入的研究，但是由于当时技术条件的限制，多载波调制没有得到广泛的应用。 9 0 年代，由于数字信号处理技术和大规模集成电路技术的进步，o f d m 技术在高速 数据传输领域受到了人们的广泛关注。目前，o f d m 已经在欧洲的数字音视频广播 ( 女 i d v b ) 、欧洲和北美的高速无线局域网系统( 如i e e e 8 0 2 1 l a ) 、以及高比特率 数字用户线( 如a d s l ) 中得到了广泛的应用。 2 。1 1o f d m 符号的定义 o f d m 是一种多载波传输技术。多载波传输系统可表示为如图2 1 所示。 设五( k = 1 ，2 ，n ) 为个子载波频率，则多载波已调信号在第f 个码元间隔内可 以表示成 n - 1 ( f ) = x 。( 露，t ) e x p ( j 2 r c f d ) ( 2 1 ) k = 0 其中，置( ，f ) 是信号在第f 个码元间隔内所携带的信息，它决定了薯( f ) 的幅度和 相位，一般情况下它们是只与码元标号i 有关的复常数，它们携带了要传输的信 5 电子科技大学硕士学位论文 息。本文为表述方便，在次选择一个载波的信号来描述，略去码元标号i ，子载 波采用q a m 调制时，置( 后，t ) 与t 无关。所以公式( 2 1 ) 式可以简化为 图2 - 1 多载波传输系统 一l x ( f ) = zx ( k ) e x p ( j 2 e r f + t ) t ；0 ( 2 2 ) 对公式( 2 - 2 ) 离散化可以得到 z ( 七) = 专薹z ( _ j ) e x p ( ，2 n ：n k n ) ( 2 3 ) 由公式( 2 3 ) 可见，x ( 女) 就是x ( k ) 的i d f t 变换。所以o f d m 符号的调制可以 看着是信号经过一个i d f t 变换的过程。同样的在接收端为了恢复原始数据符号 x ( k ) ，可以对x ( k ) 进行d f t 变换得到 第二章正交频分复用及其同步技术 x ( i ) = 2x ( k ) e x p ( 一j 2 z r n k n ) ( 2 4 ) 根据以上分析可以看出，o f d m 多载波传输系统的调制和解调可以分别由i d f t 和d f t 来代替。通过n 点i d f t 运算，将频域数据符号x ( 妨交换为时域数据符 号x ( 七) ，经过载波调制后发送到信道中。在接收端，将接收信号进行相干解调后， 得到的基带信号进行n 点d f t 运算，便得到发送的数据符号x ( k 1 。在实际应用 中，可以采用更加方便快捷的快速傅立叶变换( 正f t f f t ) 来实现调制和解调。 n 点i d f t 运算需要实施2 次的复数乘法，而i f f t 可以显著地降低运算的复杂 度。对于常用的基2 i f f t 算法来说，其复数乘法的次数仅为( 2 ) l o g ：( ) ，而采 用基4 i f f t 算法来实施傅立叶变换，其复数乘法的数量仅为( 3 8 ) n ( 1 0 9 ：一2 ) 。在 数字信号处理和大规模集成电路快速发展的今天，o f d m 的调制和解调已经变的 很容易实现了。o f d m 符号时域波形和频域频谱如图2 - 2 所示。 时域 图2 2o f d m 波形 2 1 2 正交频分复用技术的特点 正交频分复用技术作为一种多载波传输系统有很多引入注目的优点。 ( 1 ) o f d m 具有非常高的频谱利用率。普通的频分复用系统为了分离开各子信 道的信号，需要在相邻的信道间设置一定的保护间隔( 频带) ，以便接收端能用带 通滤波器分离出相应子信道的信号，造成了频谱资源的浪费。o f d m 系统各子信 电子科技大学硕士学位论文 道问不但没有保护频带，而且相邻信道间信号的频谱的主瓣还相互重叠( 见图 2 2 ) 。o f d m 系统的各子信道信号的分离( 解调) 是靠这种正交性来完成的。另 外，o f d m 的子信道上还可以采用多进制调制( 如频谱效率很高的q a m ) ，进一 步提高了o f d m 系统的频谱效率。 ( 2 ) 调制和解调比较简单。当子信道上采用q a m 或m p s k 调制方式时，调制 过程可以用i f f t 完成，解调过程可以用f f t 完成，既不用多组振荡源，又不用 带通滤波器组分离信号。 ( 3 ) 抗多径干扰能力强，抗衰落能力强。由于一般的o f d m 系统均采用循环前 缀( c y c l i cp r e f i x ，c p ) 来充当保护间隔，使得o f d m 系统在一定条件下可以完 全消除信号多径传播造成的码间干扰，减少多径传播对载波间正交性的破坏，因 此o f d m 系统具有很好的抗多径干扰能力。o f d m 的子载波把整个信道划分成 许多窄信道，尽管整个信道有可能是极不平坦的衰落信道，但在各子信道上的衰 落却是近似平坦的，这使得o f d m 系统子信道的均衡特别简单，甚至有时可以不 需要均衡器。并且在单载波系统中，一次衰落或者干扰有时可以导致整个链路失 效，但是在多载波系统中，某一时刻只会有少部分的子信道受到深衰落的影响， 而不会影响整个数据链路，这给接收端正确解调提供了可能性。 当然，与单载波系统相比，o f d m 也有一些困难问题需要解决。这些问题主 要是： ( 1 ) 同步问题。理论分析和实践都表明，o f d m 系统对同步系统的精度要求 非常高，大的同步误差不仅造成输出信噪比的下降，还会破坏子载波间的正交性， 造成载波间干扰，从而大大影响系统的性能，甚至使系统无法正常工作。 ( 2 ) o f d m 信号的峰值平均功率比( p e a k - t o a v e r a g ep o w e rr a t i o ，p a p r ) 比 较高，使它对放大器的线性范围要求大 术要想在未来通信系统中得到更大发展 的程度。 2 20 f d m 系统的同步技术 同时也降低了放大器的效率。o f d m 技 在很大程度上将取决于这些问题被解决 o f d m 系统中的同步包括载波同步、采样同步和符号同步。不象单载波系统 中载波频率的偏移只会对接收信号产生一定的衰减和相位旋转，多载波系统尤其 是采用正交频分复用的多载波系统突出缺点之一就是对载波频率同步要求苛刻。 第二章正交频分复用及其同步技术 由于o f d m 系统各个子载波之间必须保持严格的正交性，载波偏移将破坏这种正 交性，导致子信道之间产生干扰( i c i ) 。同时，o f d m 系统中的符号定时同步对 f f t 窗口的选择起着关键作用，采样偏差导致f f t 周期的偏差，从而破坏子载波 间的正交性。下面首先分析同步偏差对o f d m 系统性能的影响。 2 2 1 载波频率偏差对o f d m 系统的影响 在o f d m 系统中，载波的频率偏移如果是子载波间隔的整数倍n ( 整数频 偏) ，虽然子载波可以保持正交，但是频率采样值已经偏移了n 个子载波的位置， 造成o f d m 频域内的数据符号误码率高达5 0 ，将导致系统完全不能正常工作； 如果载波频率偏移不是子载波间隔的整数倍，它也将破坏子载波之间的正交性， 导致子信道间的干扰，严重的影响系统的性能。理论分析表明，只有当恢复得到 的载波与发射机载波频率偏差在0 0 1 子载波间隔咀内时，其对系统性能的影响才 可以接受。 我们以理想的高斯信道为传输模型，则接收端接收到的信号可以用公式( 2 - 5 ) 表示。其中珥为第k 个子载波频带上的信道增益，为零均值的复高斯白噪声。 1 k 2 x k + w k l 2 5 ) 以接收端进行了正确的符号和采样同步为前提，假设分数频偏为善。此时，接收 端接收信号可以用公式( 2 6 ) 表永2 k = 丙s 而i n ( z 可g ) 而。x p 【，砖( 一1 ) n x t h ke x 艄) + + 帆 ( 2 6 ) 其中 i k = e x p ( ，们，鬟。五五万s i 矿nci(z丽。：) e x p ( 弦( f ( 一1 ) + 七一f ) q _ ( 2 7 ) 这里0 是初始载波相位。由公式( 2 6 ) 可见，由于分数频率偏移的存在，有用信 号不仅幅度衰减了赢，相位旋转了硝( _ 1 ) ，而且子载波间的正交 性被破坏，引进了载波间的干扰项，。图2 - 3 给出了在载噪比为2 3 d b ，1 7 d b ， 9 电子科技大学硕士学位论文 l l d b 的情况下，存在0 - 0 5 的频率偏移时，实际接收到的信号的载噪比与载波频 率偏差的关系。 s n r 频率偏移的影响 一 3 b ，埝 副r 鞋u 蕊b k 蕊 叁迤， 磷、 00102030405 k 频率德穆 图2 - 3 频率偏移与载噪比损耗关系曲线 2 2 2 符号定时偏差对o f d m 系统的影响 对于一般的o f d m 系统，在实际应用中，发射端数据符号之前会插入一定长 度的保护间隔，目的就是为了最大限度的消除符号间干扰( i s i ) 。因此o f d m 符 号定时同步的起始时刻可以在保护间隔内变化，而不会造成i s i 。但是当f f t 窗 口超出了符号边界，或者落入符号的幅度滚降区间，就会造成i s i 和i c l 。在多 径环境中，为了获得最佳的系统性能，需要确定最佳的符号定时同步。 同样此处为了便于分析符号同步对系统性能的影响，我们假设接收端完成了 载波频率同步与采样频率同步。假设符号定时偏差为p ( 采样间隔归一化) ，则 f f t 窗中含有第i 个o f d m 符号的n p 个样点，和第i + 1 个符号的口个样点。 那么，在接收端f f t 后得到的数据为p 1 缉 幻 博 5 o 辱 一p)正z 第二章正交频分复用及其同步技术 其中 l ，。e x p ( 一，2 h k n ) e x p ( 一j 2 n o k n ) n = o f 一1 + ( 一，) e x p ( 一j 2 口n k n ) + w k h = 0 = h i t 置te x p ( 一j 2 n o k n ) + l k + 0 - 1 = ( 。一，。) e x p ( - j 2 , w n k n ) 月= 0 ( 2 8 ) ( 2 9 ) 是功率谱密度为o 的复高斯白噪声。这里我们可以看出，由于符号定时偏差 的存在，有用符号相位旋转了2 r c o k n ，同时引入符号间干扰。 2 2 3 采样偏差对o f d m 系统的影响 由于收发两端振荡器的不稳定，导致采样偏差。设发送端的采样间隔为丁， 采样频率则为正= 1 t 。假设接收端由于采样偏差，实际的采样频率为f + 。 在符号和频率同步的条件下得到【4 其中 k = x k h k 厶，t + 墨q ，t + ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) 由公式( 2 - 1 0 ) 可以看出，在采样偏差存在的情况下，接收信号衰减并引入 了干扰项。，且不同序号的子载波受到的干扰也不相同。 由上述分析可知，同步偏差包括载波频率偏差，符号定时偏差和采样时钟偏 +七n厅2一 畎 懿 r = 巧 生 兰 蒜 电子科技大学硕士学位论文 差都会干扰多载波系统的接收性能，产生i c i 和i s i 。 2 2 4 地面传输信道对o f d m 系统的影响 信号在地面信道传输时，不仅受到高斯噪声干扰、突发干扰和同频干扰，而 且还有两大突出特点： ( 1 ) 多经带来的时延扩展，在频域表现为频率选择性衰落。发射机发送的信号 都是通过不同的直射、反射和折射等多条路径到达接收机，各条路径的信号到达 接收机的时间和相位都不相同，最终叠加的信号必然会产生衰落。例如发送端发 送一个脉冲信号，在接收端可能收到多个脉冲。这样就造成了信道的时间弥散性 ( t i m ed i s p e r s i o n ) 。假定皿。，为这些接收脉冲的最大时延扩展，与之对应的在频 域内用b = 1 k ，。表示信号的相干带宽，那么符号宽度形必须满足 睚 气。，或1 ，彬 a b ( 2 1 2 ) 才能避免接收信号的一个符号的波形扩展到其他符号中去，造成i s i 。从频域角度 理解，当信号速率较高时，信号带宽超过无线信道的相干带宽，则信号通过无线 信道后各频率分量的变化不一样，引起信号波形失真，造成符号间干扰，此时就 认为信号发生了频率选择性衰落。反之，可以认为信号各频率分量有相同的衰落， 信号波形不会产生失真，没有i s i 。 ( 2 ) 信道的时变性导致的多普勒频移，在时域表现为时间选择性衰落。信道的 时变性是指信道的传递函数是随时间变化的，既在不同时刻发送的相同信号，在 接收端收到的信号是不相同的。时变性在移动通信系统中的具体表现之一就是多 普勒频移( d o p p l e rs h i f t ) 。例如发送端一个单一频率的信号到达接收端时，其频 谱不再是位于频率轴五处的单纯占函数，而是分布在( 厶一厶，矗+ 工。) 内的具有 一定宽度的频谱 4 】，如图2 - 4 。这就是信道的频率弥散性( f r e q u e n c yd i s p e r s i o n ) 。 第二章正交频分复用及其同步技术 一炙 ) 图2 - 4 多普勒频移造成的频率弥散性 实际应用中也用多普勒频移z 。的倒数表示相干时间a t = l f o , 。相干时间是信道 冲激响应维持不变的时间间隔的统计平均值，也就是在一段时间间隔内两个信号 有很强的幅度相关性。如果 彬 z ， ( 2 1 3 ) 可以认为信号经历慢衰落，不会引起波形失真，否则信号的波形可能发生变化 造成信号的畸变，产生时间选择性衰落，既快衰落。 2 2 50 f d m 系统中的同步 由上面几节的分析可知，地面传输信道的恶劣性和同步偏差都将使o f d m 系 统接收端产生i c i 和i s i ，如果不采取措施克服这些干扰，会对系统性能带来非常 严重的地板效应，即无论如何增加信号的功率，都不会改善系统的性能。因此如 何克服i c i 和i s i 是o f d m 系统正常工作的前提。这也更加突显出多载波传输中 接收机同步技术的重要性。 目前，已经有大量文献对o f d m 系统的各种同步技术进行了探讨，根据是否 使用辅助的导频或者训练序列，同步可分为利用导频或训练序列的同步和基于循 环前缀的盲同步两大类。两类同步算法的基本结构 5 】如图2 5 。 电子科技大学硕士学位论文 t s ：抽样间隔c ：匹配滤波器系数 ( b ) 基于c p 的o f d m i 司步 率偏差 号偏差 率偏差 号偏差 图2 - 5o f d m 系统同步算法实现 两种方法各有优缺点，利用导频或训练序列进行同步性能较好，但会造成带宽和 功率的损失，降低了传输的有效性；利用保护间隔循环前缀的相关特性进行的盲 同步简单易实现，但同步范围较小。下面列举两种典型的同步方法。 2 2 5 1 基于训练序列的载波频偏估计 假设两个连续的o f d m 符号，在接收端的时域信号记为 ( n = o ，1 ，2 ，2 n 1 ) ，经过f f t 处理后，第一个o f d m 符号的第k 个子载波的 信号可以表示【4 】为 弓， = e x p ( - j 2 z c k n n ) ；k = o 1 1 1 一，n - 1 ( 2 1 4 ) n = 0 第二个o f d m 符号的第k 个子载波的信号可以表示为 r ，。= e x p ( - j 2 n - k n n ) n = n 一l = e x p ( - j 2 n - k n n ) 一l = r 。e x p ( - j 2 r c k n n ) e x p ( j 2 x 6 ) ；k = o ，l i 1 一，n 一1 n = 0 1 4 ( 2 1 5 ) 第二章正交频分复用及其同步技术 其中为归一化载波频率偏差。由公式( 2 1 4 ) 和公式( 2 1 5 ) 可以得到 rt = r 1 e x p ( j 2 r e ) ( 2 1 6 ) 所以我们有 r = r t 心p q 。= e x p ( 2 船) l ( 2 1 7 ) 由于发射端调制相位是不变的，接收端相移正比与频率偏移量。则归一化载波频 率偏差的估计值为 善= 一艘 ( 2 1 8 ) 该算法简单，但计算量较大。 2 2 5 2 基于循环前缀的符号频率联合估计 前面提到保护间隔循环前缀可以避免象插入导频那样浪费频谱资源，同时利 用循环前缀所携带的信息还可以解决接收端符号频率同步的问题。其中最大似然 ( m l ) 估计算法就是其中一例。假定o f d m 符号的长度为n + l ，其中为子 载波数，l 为循环前缀的长度，符号偏差为d ，载波偏差为a f ，则接收信号可以 表示【4 为 r ( k ) = s ( k d ) e x p ( j 2 x k a f ) 十n ( k ) ( 2 1 9 ) 取2 | v + 个连续样值r ( k ) ，其中包含个完整的n + l 个样值的o f d m 符号。根 据符号偏差d ，定义两个集合 乏强誓麓叫( 2 - 2 0 ) n d l 厶= 埘+ ，- ，+ + 一1 ) 并设观测相量r 如下 r = r ( 1 ) ，( 2 ) ，r ( 2 + 三) 】7 ( 2 2 1 ) 可以得到 电子科技大学硕士学位论文 e r ( k ) r ( 七十m ) ) 其中= e 扣( 七) 1 2 ) ，= e 渺( 刮2 ) ，分别表示有用信号和白高斯噪声的能量。用 ( r l d ，a f l 表示在给定符号偏差d 和载波偏差厂的条件下，2 n + l 个相互独立的 采样点的联合条件概率密度函数，a ( d ，v ) 表示厂( rd ，厂) 的对数似然函数，则 a ( d ，a f ) = l o g f ( r i d ，a f ) ( 2 - 2 3 ) 对公式( 2 - 2 1 ) 进行处理后可得 a ( a ，a t ) = l o g ( 丌厂( ，( 七) ，r ( 七+ ) ) 乩g 哑黼 之4 利用公式( 2 - 2 2 ) 的相关特性，省去对最大似然判决不产生影响的常数后，公式 ( 2 - 2 4 ) 可以简化为 a ( a ，a f ) = l y ( d ) l c o s ( 2 甩y + z y ( d ) ) 一p 西( d ) ( 2 2 5 ) p = r e + l - 1 y ( m ) = r ( 七卜( k + n ) ( 2 - 2 6 ) k = m 。( m ) = 互1r e 邑+ l - 1 i 酬2 + + ) 2 ( 2 2 7 ) ：王：旦( 2 2 8 ) 一- - - _ - - - 一 l 。 + 2 s n r + 1 对公式( 2 - 2 5 ) 的似然函数求关于，的偏导数，并令其等于零，就可以得到使 ( d ，a f ) 最大的载波偏差 ”兰；蚀 删2 对啦州 瞄。啦。o 第二章正交频分复用及其同步技术 吮( d ) = 一去z y ( d ) + c c 为任意常数。在此条件下，对数似然函数为 ( d ，五。( d ) ) = i r ( a ) l p 中( d ) 于是可以得到d 和厂的联合似然估计为 缸= a r g m a x j r ( d ) 一肿( d ) 晚( d ) = 一万1 么y ( 瓦) ( 2 2 9 ) ( 2 3 0 ) ( 2 3 1 ) ( 2 3 2 ) 上述是在开环结构中得到的最大似然估计值乱和( d ) ，如果在几个o f d m 符号内d 和a f 保持不变，可以考虑加上反馈锁相环，采用闭环结构，这将会大大 提高最大似然估计的性能。 2 3 本章小结 本章首先解释了o f d m 的原理和其特点，然后就符号、频率、采样偏差和地 面信道对o f d m 系统的影响做了分析，最后给出两种比较典型的同步方法。 电子科技大学硕士学位论文 第三章地面数字电视融合方案系统帧结构、信道编码和调制 数字电视信号在地面信道中传输容易受到时间和频率选择性衰落的影响而发 生波形失真和畸变，并且在高数据率的情况下，因为信道的干扰而容易产生误码， 所以必须采用高效实用的方式组织和传送数据，才能在接收端解调到所需的信号。 同时，数字电视要在现有的7 5 6 m h z 的带宽内传输大数据信号，尽管信源经过了 m p e g 2 编码，仍然需要采用先进的信道编码和调制技术才能满足接收性能的要 求。 地面数字电视融合方案采用时域同步正交频分复用的多载波调制技术和先进 的信道纠错编码技术，特别适用于具有多经干扰和多普勒频移的地面传输信道。 同时，时域中插入的p n 序列作为保护间隔，还可以用作同步和载波恢复、信道 估计和均衡。先进的信道编码和交织技术还能对抗a w g n 干扰和突发干扰，增 强系统的健壮性。 3 1 融合方案系统结构 融合方案系统发送端接收的输入数据码流( t s 流) 经过信道编码( 包括 能量扩散、前向纠错编码和交织等) 、符号星座映射，并加入系统信息后形成基本 数据块，该基本数据块经过帧体数据处理形成时域信号，随后时域信号与相应的 p n 同步序列复合为信号帧。此后，经过基带滤波，再变频生成射频信号放大后 ，帧头 组帧 复用 i f f t h 图3 ，1 融合方案发射端结构 第三章地面数字电视融合方案系统帧结构、信道编码和调制 发射。接收端同样将接收到的信号进行相应的逆处理，解调出原信号。发射端调 制模块结构如图3 - 1 。 (