（通信与信息系统专业论文）数字电视地面广播系统采样钟恢复算法研究与实现.pdf

摘要 本文主要研究中国数字电视地面广播传输标准t d s o f d m 系统中的采样钟 恢复技术。首先，论文介绍了传统的基于内插的采样钟恢复结构，对内插滤波器 设计的基本原理以及实现方法进行了重点研究，给出了两类分别基于数据和基于 导频信号处理的定时误差检测算法；其次，针对t d s o f d m 系统特殊的帧结构， 给出了一种结合p n 序列相位捕获的定时误差检测算法，并通过系统的实时控制 来选择最佳采样点，提出了一种具备实时跟踪特性的联合数控振荡器的下采样算 法；此外，提出了一种改进的定时误差估计算法，以提高恶劣多径信道的检测性 能；并针对实际系统正向和负向采样偏移的表现特点，提出了一种改进的估计控 制机制；仿真结果表明，上述算法在多种复杂信道下具有良好的抵抗频率选择性 衰落和残留频偏的性能；最后，提出了一套完整的t d s o f d m 采样钟频率恢复 系统硬件解决方案，并用实际采集对其性能进行了充分验证，结果表明该系统结 构合理。 关键词：数字电视地面广播内插滤波器采样钟恢复数控振荡器p n 序列 a b s t r a c t t h i sp a p e rm a k e sad e e pr e s e a r c ho nt h es y m b o lt i m i n g s y n c h r o n i z a t i o n a l g o r i t h mi nc h i n e s et e l e v i s i o nt e r r e s t r i a lt r a n s m i s s i o ns y s t e m f i r s to fa l l ，m a k e sa d e e pr e s e a r c ho nt h et r a d i t i o n a ls t r u c t u r eo fs y m b o lt i m i n gr e c o v e r yb yi n t e r p o l a t i o n t h ee m p h a s i si sf o c u s e do nt h ei n t r o d u c e do ft h ep r i n c i p l e sa n dr e a l i z a t i o nm e t h o do f t h ei n t e r p o l a t o r , a l s ot h ea l g o r i t h mf o rd e t e c t i o no ft i m i n ge r r o ri sa n a l y z e df r o mt i m e d o m a i na n df r e q u e n c yd o m a i n t h e n ，b e c a u s eo ft h es p e c i f i cf r a m es t r u c t u r eo ft h e t d s - o f d ms y s t e m ，an o v e lc o d ea c q u i s i t i o na n ds y m b o lt i m i n gr e c o v e r ym e t h o di s a d o p t e d an e wa l g o r i t h mo fd o w ns a m p l ec o m b i n e dw i t hn u m b e rc o n t r o lo s c i l l a t i o n ( n c o ) i sp r o p o s e d ，a n da ni m p r o v e da l g o r i t h mi sp r o p o s e dw h i c hp e r f o r m sw e l lu n d e r t h em u l t i - p a t hc h a n n e l t h ed i f f e r e n c eo fp o s i t i v es a m p l i n gf r e q u e n c yo f f s e ta n d n e g a t i v es a m p l i n gf r e q u e n c yo f f s e ti sa n a l y s e d ，a n da ni m p r o v e ds t r u c t u r eo ft h e s y s t e mi sp r e s e n t e d s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ea l g o r i t h m sp r o v i d eb e t t e r s y n c h r o n i z a t i o np e r f o r m a n c eu n d e rf r e q u e n c ys e l e c t i v ea n dt i m es e l e c t i v ef a d i n g c h a n n e l s f i n a l l y , t a k i n gt h ep r a c t i c a lp h y s i c a ll a y e rt r a n s m i s s i o nc o n t r o lm e c h a n i s m s i n t oa c c o u n t ，at o t a ls o l u t i o ni sp r o p o s e dt ot h ew h o l ea r c h i t e c t u r ef o rt i m i n gr e c o v e r y s y s t e mi nd t t bs y s t e md e m o d u l a t o r , w h i c hi st e s t e da n dv e r i f i e db yd e m o d u l a t i n g d a t aa c q u i r e di nf i e l dt e s t t h et e s tr e s u l t ss h o wt h a tt h ep r o p o s e da r c h i t e c t u r ea n d c o n t r o lm e c h a n i s m sa r er e a s o n a b l ea n dl o w c o m p l e x k e y w o r d s ：d t t b p ns e q u e n c e i n t e r p o l a t o r s y m b o lt i m i n gr e c o v e r y n c o 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 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 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为获得西安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做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名：象目整 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在年解密后适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 醐立烨 第一章绪论 第一章绪论 目前，世界各国都非常关注高清晰数字电视技术的研究与开发，我国作为电 视的产量和销量大国尤其要重视这一行业的发展。随着数字电视产业的不断形成 和发展，我国将逐渐地从模拟电视向数字电视过渡。这样不但会带动相关产业的 发展，而且对广播电视媒体的经营方式以及其在人们头脑中传统的观念都将产生 深刻的影响。 1 1 数字电视传输技术的背景与发展 电视技术研究起始于4 0 年代，到现在已有半个多世纪的历史。如今的电视已 从当初用电子管元件组装的黑白电视发展到今天的高度集成的彩色电视，并且电 视机的性能不断提高，色彩更加鲜艳，图像更加逼真。然而随着社会的进步和科 技的日新月异，人们对信息的需求与重视与日俱增，人们要求电视不仅满足其跨 越时空、沟通感情和传递信息的要求，同时还要求传递的图像与声音具有临场感 和真实感，其图像的层次应更加分明，更加清晰。但由于现行的模拟电视自身的 缺陷，无法满足人们越来越高的要求，从而促使人们转向高清晰度电视的研究。 1 9 9 6 年1 2 月，美国联邦通信委员会通过了a t s c ( a d v a n c e dt e l e v i s i o ns y s t e m s c o m m i t t e e ) 标准【l l f 2 】【3 1 ，成为电视技术发展史上的一个里程碑。a t s c 研发的格型 编码的8 电平残留边带( 8 - v s b ) 调制系统，在6 m h z 的带宽内传输固定的 1 9 3 8 m b s 的码流，适合高斯信道接收，只能用于固定接收，且需要架设室外天 线。9 0 年代中期，欧洲制定了数字电视传输标准，称为d v b t 4 1 ( d i g i t a lv i d e o b r o a d c a s t i n g ) 。1 9 9 7 年该标准经欧洲通讯标准组织和国际电信联盟( i t u ) 通过。 d v b 是一个系列标准，其中又分为d v b s ，d v b c ，d v b t 三种，分别对应卫 星广播、电缆电视和地面广播。数字卫星电视系统( d v b s ) 和数字有线电视系 统( d v b c ) 已经成为了全世界应用在卫星和有线电视网络中数字电视的传输标 准。欧洲数字视频地面广播( d v b t ) 标准【4 1 ，采用编码正交频分复用调制 ( c o f d m ，c o d eo r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) ，在8 m h z 的带宽 内传输码流为4 9 8 m b s 到3 1 6 7 m b s ，视使用条件可变。载波有2 k 和8 k 的模式， 可以组成单频网，适合高斯、莱森、瑞利信道接收，可用于移动接收，使用简单 天线即可，能够抗静态和动态多径干扰。日本地面综合业务数字广播( i s d b - t ) ， 采用频带分段传输正交频分复用调制( b s t - c o f d m ) ，在6 m h z 的带宽内传输的 码流为3 6 8 m b s 到2 3 4 2 m b s 可变。载波有2 k 、4 k 和8 k 模式，适应信道和接 2 数字电视地面广播系统采样钟恢复算法研究与实现 收条件与d v b t 类似。 纵观国外的三种系统标准，在其系统设计时在技术方面上限于当时的设计方 向、使用环境、技术水平和硬件支持能力，因此这些系统并没有发挥出其应有的 潜力。在充分研究国外标准的调制技术的基础上，着眼于提高频谱利用率、抗多 径干扰、移动接收、便携接收、多层次接收、多址技术及单频网( s f n ) 技术等要求， 取长补短，研制适合我国国情的具有自主知识产权的数字信道编码传输技术，从 而制订出我国自己的数字电视广播地面传输标准。2 0 0 6 年8 月3 0 日，中国国家 标准委发布了数字电视地面广播传输系统标准( d t t b ，d i g i t a lt e l e v i s i o n t e r r e s t r i a lb r o a d c a s t i n g ) 。地面数字电视传输标准运用了具有自主知识产权的单载 波和多载波技术融合的技术标准，其中多载波部分采用了t d s o f d m ( t i m e d o m a i ns y n c h r o n o u s o f d m ) 技术。 1 2 本文主要工作 尽管t d s o f d m 传输系统具有抗多径能力强等诸多优点，但这些优点是建 立在完好的同步基础之上的，非理想同步因素将严重影响t d s o f d m 接收机的 性能。因此，t d s o f d m 接收机设计中的一个关键问题就是如何针对不同的信道 进行各种非同步参数估计。本文主要研究适于t d s o f d m 系统的采样钟恢复算 法，以及该采样钟恢复系统的f p g a 实现。本文内容安排如下： 第二章介绍了o f d m 的基本思想和数学原理，简要介绍了数字电视地面传输 系统的帧格式，并对无线通信信道的基本特征和重要参数进行了分析。 第三章分析了采样钟偏差对系统的影响，对传统的基于内插的采样钟恢复结 构进行了分析。重点研究了其中内插滤波器的设计方法，以及基于数据和基于导 频的定时误差检测算法。 第四章研究适于地面数字电视传输t d s o f d m 系统的定时误差检测算法； 提出了一种新的结合数控振荡器的下采样算法，可以实时跟踪恢复出的最佳采样 点；提出了适于两径信道的改进的定时误差估计算法。 第五章提出了简化的系统实现结构，给出了一套完整的t d s o f d m 系统采 样钟定时同步方案，并给出了各个主要模块的实现方法。 第二章无线o f d m 传输技术的基本原理 3 第二章无线o f d m 传输技术的基本原理 信道特性是所有通信系统设计所面临的首要问题，其中移动通信的信道最为 复杂，因此掌握无线移动信道的传播特性对无线传输技术的研究具有重要意义。 本章主要介绍了正交频分复用调制技术的基本原理，地面数字电视传输系统 的传输帧结构，以及与o f d m 同步密切相关的多径传播信道的基本特征。 2 1 1o f d m 基本原理 2 。1o f d m 系统基本原理 正交频分复用( o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) t 9 1 调制是针对严重 多径衰落信道下实现高速数字通信的一种技术。它是一种多载波调制方式，其基 本思想是把单个用户的信息流串并变换为多个低速率码流，每个码流都用一个载 波发送，即将速率为r 的高速信息数据编码后并行地分配到n 个相互正交的子载 波上，每个载波上的调制速率变为r n 。o f d m 信号n 个子载波信号的频谱为s i n e 函数并且与相邻子载波信号的频谱有1 2 的交叠，从而获得最佳的频谱利用率， 如图2 1 所示。 ( a ) 单个o f d m 子载波频谱( b ) o f d m 信号频谱 图2 1 单个子载波和o f d m 信号频谱 其具体实现方按是：在发送端，串行码元序列先进行基带调制输出d o ，d ， d ，然后进行串并转换成n 路子信道码元，分别调制在两两正交的n 个兀， z ，厶一。子载波上，然后将这n 路调制信号相加发送出去；在接收端首先对 接收信号进行采样，然后使用n 个相同的子载波进行n 路解调，再将这n 路解 调信号并串输出，实现发送的信号。 4 数字电视地面广播系统采样钟恢复算法研究与实现 o 耐 p 串 ? 祥量卜卜俨 并 并 出 转 。矿州： 转 换 ： 换 盟氅i 叫p 邗 图2 2o f d m 系统框图 则根据图2 2 经过调制后的合成多载波信号s ( f ) 可写为如下复数形式： s ( r ) = 以( f ) p 旭7 ( 2 1 ) 其中d ( 甩) 为第n 个调制码元。 设厶= 0 ，对信号进行抽样r = 惦代入式( 2 - 1 ) 有： s ( ) = d ( n ) e 伽州n t b 煽= d ( n ) e 伽驯= n 幸i d f t d ( n ) 】o 忌n - 1 ( 2 2 ) 可以看到s ( k ) 是d ( n ) 的逆傅里叶变换( i d f t ，i n v e r sd i g i t a l f o u r i e r t r a n s f o r m ) ，接收端在理想情况下d ( 刀) 是s ( k ) 的傅理叶变化( d f t ，d i g i t a lf o u r i e r t r a n s f o r m ) ： d ( 疗) = d ( k ) e 叩砌卅= d f r s ( k ) 】0 玎n - 1 ( 2 - 3 ) o f d m 调制原理虽然是用n 个相互正交的载波分别调制n 路子信道码元序 列，但实际系统中很难采用这种方式，因为调制解调时无法防止子载波之间的邻 道干扰。o f d m 之所以成功应用的一个重要原因是它可以采用v l s i 技术来实现 调制和解调过程，即如上所分析，可以通过f f t 来实现o f d m 调制和解调。使 用f f t 实现时n 个子载波自然是正交的，由此避免了由本振产生各子载波调制和 解调时导致的子载波频偏。 为保持信号在调制解调前后功率不变，d f t 和i d f t 可按下式定义： d f t ：x k - 而1 驴n - i 一等砌( o a k ) ( 2 4 ) i 。f t ：矗= 而1 荟n - i 五p ，等h ( 0 刀 忉 ( 2 5 ) 用i f f 聊f t 实现o f d m 调制解调，有效地提高了o f d m 调制解调速度。而 第二章无线o f d m 传输技术的基本原理 5 且随着数字信号处理器件的不断发展，f f t 的硬件实现越来越容易，这使得o f d m 调制解调的实现变得越来越简单。 为了使调制系统有效地克服符号间干扰，在o f d m 调制输出时符号之间插入 保护间隙，有时也称为循环前缀。所插入的保护间隙的时间长度要大于最大时延 扩展r 晰积。由于循环前缀的隔离作用，多径信号时延小于t m a x 时，前一符号的时 延扩散在一个循环前缀的时间内已经完全衰减了，不会对下一个符号构成符号串 扰，从而有效地消除码间干扰。当然，插入保护间隔会使得数据传输效率下降为 原来的n ( n + l ) ，l 为所插入的保护间隙的长度。实际应用中，保护间隔对于接 收端符号同步是有很大的意义。 2 1 2o f d m 优缺点及关键技术 和单载波技术相比，o f d m 技术有以下优缺点【1 1 1 1 1 2 1 【1 3 】： ( 1 ) o f d m 技术主要有如下优点： 首先，频率利用率高。o f d m 允许重叠的正交子载波作为子信道，而不是传 统的利用保护频带分离子信道的方式，提高了频率利用效率。其次，可以有效地 对抗窄带干扰和窄脉冲干扰。因为窄带干扰只能频率选择性地影响一小部分载波 上的数据，而窄脉冲干扰则被平均分配到各个子载波上；最后，抗码间干扰( i s i ) 能力强。码间干扰是数字通信系统中除噪声干扰之外最主要的干扰，它与加性的 噪声干扰不同，是一种乘性的干扰。造成码间干扰的原因有很多，实际上，只要 传输信道的频带是有限的，就会造成一定的码间干扰。o f d m 由于采用了循环前 缀，对抗码间干扰的能力很强。 ( 2 ) o f d m 技术的不足之处包括以下方面【1 1 】【1 2 】： 首先，由于子载波间隔较小和d f t 的泄漏，使其对载波频率偏移和相位噪声 比单载波更为敏感；其次，峰平比较高，与单载波系统相比，由于o f d m 信号是 由多个独立的经过调制的子载波信号相加而成的，这样的合成信号就有可能产生 比较大的峰值功率，也就会带来较大的峰值均值功率比，简称峰平比。对于包含 n 个子信道的o f d m 系统来说，当n 个子信道都以相同的相位求和时，所得到 的峰值功率就是均值功率的n 倍。当然这是一种非常极端的情况，通常o f d m 系统内的峰平比不会达到这样高的程度。从而对放大器的线性要求比单载波信号 严格，使射频放大器的功率效率相对下降。 鉴于o f d m 的上述特点，在具体应用中，o f d m 系统需要解决的关键问题【1 1 1 1 1 2 1 有以下几个方面： 1 同步问题 同步是o f d m 系统中的关键问题。数据流从一个地点发送到另一个地点时， 6 数字电视地面广播系统采样钟恢复算法研究与实现 发射机和接收机通常在不同的位置，有着各自的本地晶振。在接收机里，模拟前 端要将接收到的信号从射频变换到基带然后再送到数字解调部分。由于发射机和 接收机的r f 单元的中心频率偏差和各自的采样时钟都是独立的晶振，而由于生 产的缘故，彼此会存在一定的频率偏差和相位偏差，这样就产生了载波频率偏移 和采样钟频率偏移，从而导致了载波间干扰( i c i ) 和采样点增减现象，这就需要频 率同步和采样钟同步。同时在解调过程中，接收机是在时域上的任意点开始接收 数据的，这就需要符号定时同步。定时偏差和频率偏差的存在会导致i c i 和i s i 的引入，从而使得系统无法正确的解调，为了得到较好的系统性能，必须能够较 好的估计出定时偏移和频率偏移以达到正确的定时同步和频率同步。由于o f d m 信号的波形，使得很多为单载波系统设计的同步算法不能被采用。因此该算法的 设计必须从o f d m 本身的角度出发。鉴于其本身的实现方法，o f d m 的同步功 能既可在时域也可在频域实现。基于o f d m 技术所应用的系统不同，其对同步的 要求也不一样。一般情况下所涉及的同步问题有：定时同步和频率同步。 2 信道估计 信道估计对于采取连续调制方法的o f d m 系统来说是必需的，否则就不能进 行正确的解调。它也可以改善采用非相干调制方案的o f d m 系统性能。信道估计 主要面临两个问题，其一是关于导频信息的选择，特别是在无线信道中，由于信 道常常是衰落信道，需要对信道不断进行跟踪，因此导频信息也必须不断的传送。 其二是如何设计出既有较低的复杂度又有良好的导频跟踪能力的信道估计器。它 主要有三种方法：基于导频的算法、利用训练序列的方法、盲算法。其中，盲算 法又分为全盲和半盲。 3 降低峰平比 在时域中，o f d m 信号是n 路正交子载波信号的叠加，当着n 路信号按相 同极性同时取最大值时，o f d m 信号将产生最大峰值。该峰值信号的功率与信号 的平均功率之比称为峰值平均功率比，简称峰平比。在o f d m 系统中，p a r 与n 有关，n 值越大，峰平比越大，n = 1 0 2 4 时，峰平比可达3 0 d b 。大的峰平比值， 对发端的功率放大器的线性度要求很高。如何降低o f d m 信号的峰平比值对 o f d m 系统的性能和成本都有很大的影响。 2 2t d s o f d m 系统帧格式定义 中国数字电视地面传输系统【1 4 1 1 1 5 1 【1 6 】中多载波的传输方案采用的是时域同步正 交频分复用( t d s - o f d m ) 系统，其不再是对每个o f d m 符号之间的保护间隔填充 循环前缀，而是填充伪随机p n ( p s e u d on o i s e ) 序列，在每个o f d m 保护间隔周期 性地插入时域正交编码的帧同步序列。p n 序列在接收端是已知的，若信道的冲 第二章无线o f d m 传输技术的基本原理 7 激响应能够准确获得，p n 序列可以在接收信号中移除，因而在理论上等同于零 填充正交频分复用【1 7 l 【1 3 1 。 信号帧由帧头和帧体两部分组成。为适应不同应用，定义了三种可选帧头长 度。三种帧头所对应的信号帧的帧体长度和超帧的长度保持不变。对于图2 3 所 示的帧结构，模式一每2 2 5 个信号帧组成一个超帧；模式二每2 1 6 个信号帧组成 一个超帧；模式三每2 0 0 个信号帧组成一个超帧。根据帧头的不同，有三种结构。 l 帧( 肌4 2 0 ，衢) 帧体( 含系统信息和数据) ( 3 7 8 0 个符号) ( 5 0 0 u s ) a ) 信号帧结构1 i 帧m ( 凡5 9 5 s ，特) 帧体( 含系统信息和数据) ( 3 7 8 0 个符号) ( 5 0 0 u s ) b ) 信号帧结构2 f帧专三；三三个符号) 帧体( 含系统信息和数据) ( 3 7 8 0 个符号) ( 5 0 0 u s ) c ) 信号帧结构3 图2 3 信号帧结构 帧头模式1 采用的p n 序列定义为循环扩展的8 阶m 序列。长度为4 2 0 个符 号的帧头信号( p n 4 2 0 ) ，由一个前同步、一个p n 2 5 5 序列和一个后同步构成。前 同步和后同步定义为p n 2 5 5 序列的循环扩展。l f s r 的初始条件值确定所产生的 p n 序列的相位。在一个超帧中共有2 2 5 个信号帧。每个超帧中各信号帧的帧头 采用不同相位的p n 信号作为信号帧识别符。在每个超帧开始时复位。 l 前同步8 2 个符号i p n 2 5 5 l 后同步8 3 个符号l 图2 4p n 4 2 0 结构 帧头模式2 采用1 0 阶最大长度的伪随机二进制序列( m 序列的截短) ，帧头 信号的长度为5 9 5 个符号，是长度为1 0 2 3 的m 序列的前5 9 5 个码片。该最大长 度的伪随机二进制序列由1 0 比特的移位寄存器组产生。在一个超帧中共有2 1 6 个信号帧。每个超帧中各信号帧的帧头采用相同的p n 序列。 帧头模式3 采用的p n 序列定义为循环扩展的9 阶m 序列。长度为9 4 5 个符 号的帧头信号( p n 9 4 5 ) ，其中9 4 5 个符号由一个前同步、一个p n 5 1l 序列和一个 后同步构成。前同步和后同步定义为p n 5 1 1 序列的循环扩展。l f s r 的初始条件 值确定所产生的p n 序列的相位。在一个超帧中共有2 0 0 个信号帧。每个超帧中 各信号帧的帧头采用不同相位的p n 信号作为信号帧识别符。 l 前同步2 1 7 个符号l p n 5 1 1 l 后同步2 1 7 个符号l 图2 5p n 9 4 5 结构 8 数字电视地面广播系统采样钟恢复算法研究与实现 2 3 无线通信信道 从发射机发出的无线电波在传播路径上受到周围环境中地形地物的作用，产 生绕射、反射或散射。这样，到达接收机时将是从多条路径传来的多个信号的叠 加。多径传播引起接收信号的幅度、相位和到达时间的随机变化，同相叠加使信 号增强，反相叠加使信号减弱。接收信号的幅度剧烈变化，产生所谓的多径衰落。 多径传播引起接收信号的幅度、相位和到达时间的随机变化，接收机相对运动产 生的多普勒频移使得信号在时间方向上产生附加频率偏移，从而导致接收信号幅 度的剧烈变化以及接收信号在不同维的扩展( 时间、频率、空间) ，严重影响信号 的传输质量。移动信道环境中任意时间f 接收的瞬时复信号厂( f ) 可以表达为 r ( t ) = t r ( t ) e 腆) ( 2 6 ) 式中， a ( t ) 代表接收信号，( ，) 的包络；妒( f ) 代表，( f ) 的相位。以下分别研究 接收信号的包络特性和相位特性。 1 相位特性 接收信号的相位特性由衰落过程的频域特性、时域特性和空域特性刻画【7 1 。 这些特性分别与多径信号的多普勒扩展、时延扩展和角度扩展有关。 a ) 时间选择性衰落 移动用户或引起反射的物体与基站的相对运动引起的接收信号频率的偏移称 为多普勒频移，记为厶，它与移动用户的运动速度成正比。当接收机以速度v 移 动，并且其运动方向和入射波的夹角为0 时，此时的多普勒扩展为( 兄为入射波 的波长) ： 厶：等： c o s 0 ( 2 7 ) l 当假设接收机采用全向天线，并认为信号到接收机天线的入射角是一个均匀 分布于 0 , 2 r e ) 的随机变量，则当发射机发射一个单频信号，接收信号的功率谱密 度函数为： ( 厂) =( 2 8 ) 其中s 为接收到的平均信号功率，正为载波频率，= 2 x 厶。该功率谱密 度函数就是著名的j a k e 模型。多普勒扩展的最大值厶和接收机的运动速度及载 波频率成正比。当信号带宽远大于信道多普勒带宽时，多普勒扩展对于信号的影 响可以忽略。 相关时间是多普勒扩展在时域的表示，用于在时域描述信道频率扩展的时变 第二章无线o f d m 传输技术的基本原理 9 特性。相关时间与多普勒扩展成反比，它是新到冲击响应维持不变的时间间隔的 统计平均值，也就是指一段时间间隔，在该间隔内两个到达信号有很强的幅度相 关性。如果基带信号的带宽倒数大于信道相关时间，那么传输中基带信号可能就 会发生变化，导致接收机解码失真。若时间相关函数定义为大于o 5 ，则相关时间 近似为【7 】【8 l t c 而9 = 旦= 丽9 c ( 2 - 9 ) 1 6 n u 1 6 万厶1 6 删z b ) 频率选择性衰落 从频域看，如果多径信道具有恒定增益和线性相位特性的带宽范围( 称为相 干带宽) 小于发送信号的带宽，该信道特性会导致接收信号波形发生频率选择衰 落，即某些频率成分信号的幅值得到加强，而另外一些频率成分的信号幅值却衰 减。在这种情况下，信道冲击响应具有多径时延扩展，其值大于发送信号波形带 宽的倒数。 假设一个具有很大幅度的窄带脉冲( 理想情况下的冲激脉冲8 ( t ) ) 在f 0 时刻 由发送天线发送。到达接收天线的不仅有直射脉冲，也有不同延时t 和路径损耗 所造成的不同幅度的反射波。无线信道的冲激响应是所有的接收脉冲的和。由于 移动接收机和一些引起反射的物体都是运动着的，所以信道冲激响应是时间和延 时t 的函数，即符合办( r ，f ) = ：。a , 8 ( t - r , ) ，其中口f 表示衰减，n 表示多径的数 目。由信道脉冲响应可知，接收的能量是怎样在每种反射中分布的。用信道的相 关带宽来描述在多宽的频率范围内信道的传递函数的幅度还能够保持恒定，它和 信道的时延扩展有着紧密的联系。频率相关性为0 9 的相关带宽可以近似为【8 1 氐 ( 2 1 0 ) d u g 月m 而相关性为0 5 的相关带宽近似为： b o _ l ( 2 1 1 ) ) f 崩” 当系统带宽大于信道的相关带宽时，则系统面临的是一个频率选择性衰落信 道，此时信道的频域响应在整个系统带宽中剧烈变化，并且某些深衰落的地方可 能出现频率响应的零点，这将严重衰减该频率处的信号。而当系统带宽小于信道 的相关带宽时，信道面临的是一个频率非选择性信道，此时信道相当于只有一条 路径，但这时如果该路径处于深衰落时，则信号面临完全被衰减的危险。一般来 说，当系统的传输带宽大于信道的相关带宽时，接收机就要使用均衡器来对抗符 号间干扰( i s i ) 。 1 0 数字电视地面广播系统采样钟恢复算法研究与实现 2 包络特性 接收信号的电平由信号包络a ( t ) 来刻画【7 】，其中口( f ) 可以分解为两个乘性分 量口。( ，) ，口，( f ) ，其中口，( f ) 代表慢衰落，口，( ，) 代表快衰落。 口( f ) = 口，o ) 口，( ，) ( 2 - 1 2 ) a ) 慢衰落 慢衰落表示接收信号的长期变化，又称为长期衰落，它是由建筑物或自然界 特征的阻塞效应引起的。快衰落或短期衰落对应于接收信号在空间的迅速扰动， 是由移动用户附近的障碍物对信号的散射引起的。慢衰落嗷( ，) 表示接收信号的长 期变化，表征的是快衰落信号的局部中值随时间的变化情况。大量测试数据表明， 信号局部中值变化较为缓慢，它的平均接收功率服从对数正态分布，可用下面的 概率密度函数来描述： 跑，： 志e 坤 - 譬卜 p 【0 ，x 、二r e ( 1 监- 1 生n ) l k p ( 3 2 8 ) 同理，当仅存在样值定时偏差出时， k = 最p 一2 ”地删+ 刁。 ( 3 - 2 9 ) 先对上式利用发送导频符号最进行相位修正，达到修正信号= k e , 的相位 为( 尼) = 一2 7 r k a t ( n t , ) 它与子载波k 和样值间隔偏差出有关。因此，计算两个 导频位置上得到的修正信号。和：复共轭的乘积： l = l 2 + = e x p ( 一j 2 x ( k l - k 2 ) a t ( n t 。) ) ( 3 - 3 0 ) 根据其相位纨即可得到样值定时偏差出的估计 第三章采样钟同步技术研究 2 l ：一竺魄 ( 3 3 1 ) 2 a ( q 一也) 、 也可以利用所有导频位置上得到的修正信号的相位，直接得到样值定时偏差 ，的估计： 讧芝p = o 掣2 n k ( 3 - 3 2 ) 二一 。 、。 另外，由于样值定时偏差不会引起接收信号幅度的变化，也可以利用前后两 个o f d m 符号在同一子载波上插入的导频符号进行同步。 多载波系统对定时偏差较为敏感，基于导频的定时误差估计算法广泛的用于 多载波的通信系统中，例如d v b t 等多载波的数字多媒体解调器中都应用了基 于导频的采样钟恢复算法。 x 1 0 4 ： 堡4 棼 洙3 点 j g2 1 0 0 1 1 1 柏伯d1 埘 o f d m 符号数 山 c i ) 芝 掣 披 轻 信噪比d b ) ( a ) 估计采样偏跟踪曲线 ( b ) 采样偏跟踪性能 图3 1 1 环路闭环跟踪采样偏性能 图3 1 l 为环路闭环时仿真结果。其中图( a ) 为估计误差跟踪曲线，图( a ) 的仿真 条件为b r a z i l a 信道，信噪比l o d b ，q p s k ，零频偏，采样偏为0 0 0 0 0 5 ( 5 0 p p m ) ； 图( b ) 为相同条件，不同信道下跟踪采样偏的均方根误差随信噪比变化的曲线。由 于采样偏数量级较小，这里用均方根误差来表征系统跟踪性能。均方根误差计算 式为： r 一 脚= ( 乃一y ) 2 n ( 3 - 3 3 ) y ，- l 其中咒为估计采样偏，y 为实际采样偏。 仿真所用帧格式为：每个o f d m 符号有2 0 4 8 个子载波，循环前缀长度为5 0 4 ， 每隔8 个子载波插入一个连续导频。 2 2 数字电视地面广播系统采样钟恢复算法研究与实现 3 3 2 基于数据的定时误差估计算法 时域定时误差检i 9 1 9 ( t e d ) 的方法有许多种，例如比较早出现的是迟早门算法 ( e l de a r l y 1 a t eg a t ea l g o r i t h m ) ，它利用最佳采样点前后的两个采样点在存在定时 误差时幅度的不同来提取误差信息。当前后采样值幅度不同时，它们的幅度差值 产生一个定时误差；当时域恢复环路收敛同步时，它们的幅值相等，此时前后采 样值中间的样值就是所需要的符号值，送入后端处理。因此每个符号至少需要三 个采样点，对许多输入高数据率的系统是不适用的。 在时域的采样钟同步算法中应用最广泛的就是g a r d n e r 误差检测算法【2 1 1 ，实 现简单，本节主要介绍g a r d n e r 误差检测算法。 该算法是由g a r d n e r 提出，是在b p s k q p s k 下的一种基于过零检测的t e d 算法【2 l 】，是一种不需要进行载波同步的定时误差估计算法。每个符号需要两个采 样点，一个在符号判决点附近，另两个在这个点两边距离为( t 为有偏差的采 样钟，z 为准确采样钟时间间隔) 。这种定时误差检测( t e d ) 每个符号需要2 个采 样点，用三个连续的采样点来求得定时误差。 rt s l + 图3 1 2 采样偏差示意图 计算公式可以表示为： e 。= r e x n - 1 2 ( x ：一x ：一1 ) ) 通过适当的操作计算，我们可以得到一个更加清晰的表达式： p 。= x ：一l ，2 ( x ：一一1 ) + x o l ，2 ( x ：一x 0 1 ) ( 3 - 3 4 ) ( 3 3 5 ) 其中，为矗的实部，群为x 。的虚部。 下面讨论g a r d n e r 算法的性能分析，并经过仿真给出算法的s 曲线。设传输 的符号为 c k ) ，采样后接收端收到的信号为： x ( r ) = c i g ( t - i t + r ) + n ( t ) ( 3 3 6 ) 第三章采样钟同步技术研究 假设e 互不相关，q = 1 ，方差为蠢，t = f 一；，g a r d n e r 检测器的输出均 值( 即s 特性曲线) 为： e ( ) = e r e i x 圳：( 一一。) ；4 y i s t n ( 2 万争+ 秒 3 3 7 其中，厂= 1 7 i 旷rg ( 一) g ( 吾一厂) s i n 万f ra y ，当= 一丝2 z r 时，g a r d n e r 算 法的鉴相曲线过零点，输出均值为零。所以g a r d n e r 误差检测算法的理想s 曲线 如图3 1 3 所示。 鼍 霸 田 擘 、。3 ， 7 t 7 j k 、。 足盯倔意 图3 1 3g a r d n e r 检测器的s 曲线 下面分析算法的独立性，也即算法不受载波频偏的影响。 设接收到的数据时域连续复信号为x ( t ) = 口( ，) + j b ( t ) e 脚，它可以被分解成： x ，( f ) = 口( f ) c o s 口一6 ( f ) s i n 目 ( 3 - 3 8 ) x o ( t ) = a ( t ) s i n a o + 歹幸b ( t ) c o s a o ( 3 3 9 ) 其中，乡是载波相位跟踪偏差，认为是随机的固定值。将式带入g a r d n e r 算法表达式，化简可得： e ( t ) = a ( t t 2 ) a ( t ) 一a ( t 一丁) ) + b ( t t 2 ) b ( t ) 一b ( t 一丁) ) ( 3 4 0 ) 该式所有与a 0 有关的各项或被抵消或由c o s 2a 0 + s i n 2a o = 1 合并，所以该定 时误差估计算法与a o 无关，也就是说g a r d n e r 算法不受载波频偏影响，因此该定 时环路可以在载波恢复之前。 图3 1 4 和图3 1 5 给出了符号速率为5 3 6 1 m h z ，采样率为2 8 8m h z ，1 6 q a m 调制，信噪比3 0 d b ，采样偏为5 0 p p m 条件下，采用g a r d n e r 算法恢复出的数据， 以及小数因子收敛情况。其中图3 1 5 中为恢复出数据的星座图。 g a r d n e r 算法是基于两倍符号率的，本系统采样率高于两倍符号率，需要加 入固定因子d e l a y 。在本仿真条件下，k = 2 8 8 m h z ，厶捌= 5 3 6 1 m h z ，刀= 2 ， 2 4 数字电视地面广播系统采样钟恢复算法研究与实现 代入公式( 3 5 ) 计算出本仿真条件下的固定因子。 恢复数据 1 0 5 姜 o 5 1 0 4681 01 2 一孽孳螫。、 。1 d 小数因子( 已放大) 2 ，1 3 121 3 1 521 3 221 3 2 521 3 32 1 3 3 52 1 3 42 1 3 4 52 1 3 62 1 3 r - a 5 符号数 x1 0 5 图3 1 4 恢复数据及小数因子 图3 1 5 恢复数据星座图3 1 6 恢复数据星座图 图3 1 6 和图3 1 7 给出了符号速率为5 3 6 1 m h z ，采样率为1 0 7 2 2m h z ， 1 6 q a m 调制，1 0 k h z 频偏，采样偏为5 0 p p m 条件下，采用g a r d n e r 算法恢复出 的数据，以及小数因子收敛情况。其中图3 1 6 中为恢复出数据的星座图。从实际 结果看此时域恢复算法能i l i o n 完成可变速率的符号同步，并且对载波频偏不敏感。 由于本仿真条件采样率为整两倍符号率，所以不需要附加固定因子d e l a y 。 0 5 警o s - 1 0 1 至0 5 0 图3 1 7 恢复数据及小数因子 xl 矿 第四章t d s o f d m 系统采样钟同步算法研究 第四章t d s o f d m 系统采样钟同步算法研究 基于t d s o f d m 特殊的帧格式，传统的g a r d n e r 算法和基于导频的检测算法 已经不再适用于本系统，本文采用基于内插的采样钟恢复结构，利用帧头的伪随 机序列获得定时误差信息，并加入误差补偿因子扩大了系统的检测误差范围，最 后给出了动态信道下的误差检测方法。由于d t t b 接收机在经过定时同步模块前 依次经过了帧头模式检测模块，粗帧同步模块以及粗载波恢复模块，以下算法中 帧头模式和帧头位置都为己知信息。 由于无论p n 序列相位检测，定时误差检测，还是定时误差补偿的计算，都 需要本地p n 序列与接收数据的滑动相关结果，并且需要检测相关峰。为了避免 多次重复滑动相关以及相关峰的检测，本文采用了一种基于p n 的联合相位检测 的采样钟定时同步结构，结构框图如图4 1 所示。最初用零相位的本地p n 序列 与接收