（通信与信息系统专业论文）cmmb传输系统中符号同步和载波同步技术研究.pdf

重庆邮电大学硕士论文 摘要 摘要 随着广播电视的数字化及移动技术的相互融合，移动多媒体广播作为新兴的 多媒体业务将成为未来广播电视研究的一个重要方向。目前，国内外已经出现了 许多移动多媒体广播标准，而以手机电视为代表的中国移动多媒体广播( c 啪) 标准就是一个值得关注的标准，也是我国众多多媒体标准中发展最快的标准。 c m m b 系统中的一个关键技术是o f d m 技术，o f d m 技术能够有效对抗由多径干 扰引起的频率选择性衰落，并且能够充分利用其频谱资源，以实现高速传输各种 音频和视频信息。但该技术对同步的要求非常高，很小的符号定时偏移和载波频 率偏差都会导致系统接收端性能的急剧下降。本文针对c m m b 传输系统的符号同 步和载波同步问题进行了较为深入的研究。 首先简单概述了移动多媒体通信技术的发展和研究现状，在简要介绍o f d m 技术的基础上，通过研究c m m b 相关标准，详细介绍了c m m b 系统的体系架构， 物理层结构及其它相关技术。 然后对无线广播信道传播特性进行了分析，针对c m m b 系统主要是在中国复 杂的地形条件下传输应用，选择了更接近中国无线电波传输环境的信道模型作为 仿真对象，并结合数字信号处理知识，推导分析了符号定时偏差和载波频偏误差 对c m m b 系统传输性能的影响，其中通过仿真进一步说明了同步误差对系统性能 的联合影响。 最后给出了适合c m m b 系统同步的整体解决方案，并在分析o f d m 系统传 统同步算法的基础上，结合c m m b 传输系统特点，找到了适合该系统的符号同步 和载波同步的改进算法。文中的符号同步算法包括粗符号同步算法和细符号同步 算法，载波同步算法包括捕获阶段的粗小数倍载波频偏估计和整数倍载波频偏估 计，以及跟踪阶段的细小数倍载波频偏估计。全文算法均在a w g n 信道和多径信 道模型下，采用m a t l a b 对其进行性能的仿真和比较。仿真结果表明，符号同步改 进算法能有效克服传统算法中相关峰不明显的缺陷，并在信道环境较差情况下也 能实现c m m b 系统中o f d m 符号起始位置的正确定位；载波同步改进算法能够 快速实现载波同步，并具有较强的抗干扰能力，算法的实现较简单，满足c m m b 系统对抵抗载波频偏的要求。 关键词：c m m b ，o f d m ，同步信号，符号定时同步，载波频偏估计 重鏖坚皂盔堂堡迨銮些塑堕 a b s t r a c t a l o r i gw i t ht h ed i g i t a l i z a t i o n o fr a d i oa n dt va n dm u t u a lf u s i o no fm o b i l e t e c h n o l o g i e s ，m o b i l em u l t i m e d i ab r o a d c a s t i n ga sa ne m e r g i n g m u l t i m e d i as e r v i c ew l l l b e e o m ea ni m p o r t a n tr e s e a r c hd i r e c t i o nf o rt h ef u t u r eo fr a d i oa n di v a tp r e s e n t ，t h e d o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a lh a v ea p p e a r e dal o to fm o b i l em u l t i m e d i ab r o a d c a s t i n g s t a n d a r d s t h ec h i n am o b i l em u l t i m e d i ab r o a d c a s t i n g ( c m m b ) s t a n d a r dr 印r e s e n t e db y m o b i l et vi st h eo n eo fw o r t hp a y i n ga t t e n t i o n ，i t sd e v e l o p m e n ti s t h ef a s t e s tmo u r c o u n t r y o n ek e yt e c h n o l o g yi s o f d mt e c h n o l o g yi nc m m bs y s t e m ，t h eo f d m t e c h n o l o g yc a l le f f e c t i v e l y r e s i s tf r e q u e n c ys e l e c t i v i t yf a d i n gc a u s e db ym u l t i p a t h i n t e 出e n c e a n di tc a nm a k ef u l lu s eo fi t sf r e q u e n c ys p e c t r u mr e s o u r c e st oa c h i e v e h i 幽一s p e e dt r a n s m i s s i o no fv a r i o u sa u d i oa n dv i d e o i n f o r m a t i o n b u tt h i st e c h n o l o g y h a sv e r ys t r i c tr e q u i r e m e n t sf o rs y n c h r o n i z a t i o n ，b e c a u s eas m a l ls y m b o lt i m i n g 锄r a n dc a r r i e rf r e q u e n c yo f f s e te i t o f w i l lc a u s et h ep e r f o r m a n c eo fs y s t e mr e c e i v e rt od r o p s h a r p l y t h i sp a p e rd i s c u s s e ds y m b o ls y n c h r o n i z a t i o na n d c a l t l e rs y n c h r o m z m i o n p r o b l e mf o rc m m b t r a n s m i s s i o ns y s t e mt h o r o u g h l y f i r s n y ，s l l m m a r i z e dt h ed e v e l o p m e n ta n dr e s e a r c hs t a t u s o fm o b i l em u l t i m e d i a c o m m l 】n j c a t i o nt e c h n o l o g y , i n t r o d u c e do f d mt e c h n o l o g yb r i e f l y , a n db a s e do nt h e r e s e 硼c hf o rc m m b r e l a t e ds t a n d a r d ，i n t r o d u c e dc m m bs y s t e ma r c h i t e c t u r e ，p h y s i c a l s t r u c t u r ea n do t h e rc o r r e l a t i o nt e c h n o l o g i e si nd e t a i l s e c o n d l y , a n a l y z e dt h er a d i ob r o a d c a s t i n gc h a n n e lt r a n s m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c s ，m v i e wo fm e 咖l s m i s s i o no fc m m bs y s t e mi sm a i n l yu n d e r t h ec h i n a sc o m p l e xt e r r a i n c i l v i r o n m e n t ，c h o s eac h a n n e lm o d e la sas i m u l a t i o no b j e c tw h i c hi sc 1 0 s et ot h ec h i n a r a d i ow a v et r a n s m i s s i o ne n v i r o n m e n t a n dc o m b i n e dw i t hd i g i t a l s i g n a lp r o c e s s i n g 虹o w l e d g e ，d e r i v e da n da n a l y z e ds y m b o lt i m i n ge r r o ra n dc a r d e rf r e q u e n c y o f f s e te 玎0 r o nt h ei n f l u e n c eo fc m m bs y s t e mt r a n s m i s s i o np e r f o r m a n c e f i n a l l v g a v eo v e r a l ls o l u t i o nw h i c hi ss u i t a b l ef o rc m m b s y s t e ms y n c h r o n i z a t i o n , a n db 勰e do nt h ea n a l y s i so fa l lk i n d so ft r a d i t i o n a ls y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h m sf o r o f d ms y s t e m ，c o m b i n e dw i t hc m m bt r a n s m i s s i o ns y s t e mc h a r a c t e r i s t i c ，p o u n d s v n l b o ls y n c h r o n i z a t i o na n dc a r t i e rs y n c h r o n i z a t i o ni m p r o v e m e n ta l g o r i t h mw h i c h i s s u i t a b l ef o rt h i ss y s t e m s y m b o ls y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h mi n c l u d e s c o a r s es y m b o l s y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h ma n df i n es y m b o ls y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h m ，a n dt h ec 锄e r f r e q u e n c ys y n c h r o n i z a t i o nc a nb ed i v i d e di n t ot w os t a g e s ：c o a r s ed e c i m a lf r e q u e n c y 。低e te s t i m a t i o na n di n t e g e rf r e q u e n c yo f f s e te s t i m a t i o n 1 1 1c a p t u r es t a g e ，f i n ed e c l m a l 细u e n c yo f f s e te s t i m a t i o ni nt r a c k i n gs t a g e u n d e rt h ea w g n c h a n n e la n dm u l t i p a t h c h 锄e lm o d e l ，a l la l g o r i t h m su s em a t l a bt oc a l t yo np e r f o r m a n c es i m u l a t l o n a n d c o m p a r i s o n t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a ts y m b o ls y n c h r o n i z a t i o ni m p r o v e m e n t a l g o r i t h mc a ne f f e c t i v e l yo v e r c o m e t h ec o r r e l a t i o np e a kt h a ti sn o to b v i o u si nt r a d i t i o n a l a 1 留o r i t l l m s ，a n dw h e nt h ec h a n n e le n v i r o n m e n ti sb a d ，t h i sa l g o r i t h m c a l la l s oa c c u r a t e l y e s t i m a t et h es t a r t i n gp o s i t i o no fo f d ms y m b o li nc m m b s y s t e m ；c a r r i e rf r e q u e n c y o f f s e te s t i m a t i o ni m p r o v e m e n ta l g o r i t h mc a nq u i c k l ya c h i e v ec a r r i e rs y n c h r o n i z a t i o n ， 锄d 觚t i i n t e r f e r e n c ea b i l i t yi ss t r o n g ，t h ei m p l e m e n t a t i o no fa l g o r i t h mi s r e l a t i v e l y s i m p l e ，m e e t i n gt h er e q u i r e m e n to fc m m b s y s t e mt or e s i s tc a r e e rf r e q u e n c y o l l s e t k e y w o r d s ：c m m b ，o f d m ，s y n c h r o n i z a t i o ns i g n a l ，s y m b o lt i m i n gs y n c h r o n i z a t i o n ， c a r r i e rf r e q u e n c yo f f s e te s t i m a t i o n i 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 1 1 课题背景及意义 第一章绪论 数字化是一场全世界范围的新技术革命，在迅猛地发展变化中逐使着广播电 视行业的飞速发展。广播电视领域中当前的一个重大趋势就是由模拟传输向数字 传输转变，由获取单纯的语音信息向获取全方位的多媒体信息转变。数字电视克 服了模拟电视噪声大、有重影、视觉立体感差等缺陷，可以传输宽屏幕高清晰度 电视( h d t v ) 节目【l 】，此外还可以传输多声道、增强的声音节目以及其它一些数 据业务，无论是有线传输还是无线传输，数字电视均能给收视用户提供更加清晰 稳定的电视节目，采用互动形式给用户带来更好的体验，现在已经得到了广泛的 发展。广播电视行业的数字化，也已经成为当前行业发展的重点，广播电视应该 是我国当前发展最快，最便捷最普及的文化娱乐信息工具，中国移动多媒体广播 ( c h i n am o b i l em u l t i m e d i ab r o a d c a s t i n g ，c m m b ) 是广播电视数字化带来的新技 术在新领域中的应用，填补了广播电视对移动人群的服务空白，凭借快捷、普及、 低成本的特点，特别是点对面传播这一传统的方式，c m m b 在对大众的普遍服务 上具有先天的优势。 c m m b 业务是指通过卫星和地面无线广播方式，在具有七英寸以下的小屏幕 移动便携式终端或其它移动终端上，实现随时随地接收广播电视节目及其它相关 信息服务【2 1 。随着数字广播电视技术的发展，各种通信技术应用的不断创新，通过 广播电视传输覆盖网开展移动多媒体广播业务，可以满足大众日益增长的精神文 化需求，c m m b 标准【3 】就是在这样的背景下应运而生的，作为我国在移动多媒体 广播行业具有自主知识产权的标准，c m m b 能够扩展当前用户的多媒体体验，实 现移动终端的多媒体化，促进产业的巨大发展。目前，c m m b 相关协议标准已经 颁布了十多个，它是国内自主研发的第一套面向手机、p d a 、m p 3 、m p 4 、数码相 机、笔记本电脑等多种移动终端的系统，利用s 波段卫星信号覆盖全国，并且在 卫星信号覆盖的部分盲区利用s u 波段增补转发器进行覆盖，利用无线通信网络 构建回传通道，形成单向广播和双向互动相结合、地方和中央相结合的全程全网、 无缝覆盖的系统，标志着我国正式进入手机电视国梨4 1 。 c m m b 经过四年多的发展，目前，北京已成立c m m b 运营总公司，河南、山 东、天津、四川、云南、辽宁等1 6 省成立了c m m b 运营省市公司，其它各地c m m b 省市运营公司也将陆续成立。运营公司的成立和用户对业务需求量的剧增，推动 了我国移动数字多媒体广播的快速发展，据新闻报道，目前中广传播已经完成的 基础覆盖网络建设多达3 3 1 个地级市和3 6 个百强县，各城区的室外覆盖率已经到 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 9 0 以上，全国网络的大面积覆盖基本完成【5 1 。 c m m b 系统采用卫星和地面网相结合的“天地一体、星网结合、统一标准、 全国漫游 的技术体系，可实现我国幅员辽阔，环境复杂的有效覆盖【6 】。c m m b 系统的关键技术是s t i m i 传输技术，该技术充分考虑到移动多媒体广播业务的特 点，针对手持设备接收灵敏度要求高，移动性和电池供电的特点，采用最先进的 信道纠错编码和正交频分复用( o f d m ) 调制技术，提高了抗各种干扰能力和对移 动性的支持。同时，为了降低终端功耗，该系统采用了时隙节电技术，从而提高 终端的续航能力。 c m m b 系统物理层采用o f d m 调制方式，在无线系统标准中，欧洲数字音频 ( d a b ) ，陆地数字视频( d v b ) ，无线局域网m e e 8 0 2 1 l a g n 都选择o f d m 作为 物理层的调制方式。采用o f d m 技术的c m m b 系统具有优良的易均衡，抗多径， 抗频率选择性衰落等优点，但对同步系统提出了较高要求。为了更好地适应便携、 移动接收的需求，基于o f d m 技术的c m m b 系统帧格式已经预先进行了相应的优 化，但整个系统的正常工作必须建立在良好的同步基础之上，同步误差的存在会 引起码间干扰( i s i ) 和子载波间干扰( i c i ) ，使接收信号的误码率( b e r ) 性能 恶化加剧，严重影响系统的通信性能。由于信道的时延，以及接收端对发送端发 送信号确切时刻的未知，因此接收端首要解决的问题就是找到o f d m 符号的正确起 始位置，去掉保护间隔，让接收端f f t 数据变换窗位置和发送端i f f t 保持一致，即 符号同步，符号同步的实现是频偏估计与信道估计的前提，因此需要先行完成。 由于c m m b 传输系统有一个很明显的缺点就是对载波频率的偏移敏感，系统存在 的载波频偏会破坏o f d m 符号子载波间的正交性，导致子载波间干扰，从而带来较 高的误码率，严重影响接收端性能，所以c m m b 载波同步在c m m b 接收系统中占 有极其重要的地位。由于c m m b 标准是我国近几年新出的手机电视标准，目前国 际权威文献中很少有针对c m m b 系统的符号同步和载波同步算法进行研究的，因 此我们可以在分析借鉴其它多媒体系统已有同步算法的基础上，根据c m m b 系统 特点对符号和载波同步算法进行改进，从而尽可能的减少系统同步误差，提高信 号接收的可靠性。基于o f d m 调制技术的c m m b 系统，作为中广总局推出的最新 行业标准，具有高系统性能和低实现成本的特点，值得深入研究。 1 2 移动多媒体通信技术的发展和研究现状 1 2 1 移动多媒体广播技术的发展 由于移动多媒体广播采用了数字电视技术，交通工具在限定时速之内的运动 2 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 状态中，也可以稳定清晰地接收节目，实时性比较强，因而逐渐被人们所接受。 国外的各种移动多媒体标准起步较早，现今典型的手机电视标准形式包括：欧洲 地面数字电视广播d v b h ( d i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t i n g h a n d h e l d ) 标准【7 】、美国高 通公司的m e d i a f l o ( m e d i af o r w a r dl i n ko n l y ) 标准【8 】，韩国推出的地面数字多媒 体广播t - d m b ( t e r r e s t r i a l d i g i t a lm u l t i m e d i ab r o a d c a s t i n g ) 标准【9 】以及日本的数字 广播i s d b t ( i n t e g r a t e ds e r v i c ed i g i t a lb r o a d c a s t i n g t e r r e s t r i a l ) 标准【l o 】。其中技 术最成熟的是t - d m b ，它不仅频率资源丰富，组网成本低廉，而且系统性价比非 常高，因此被全球认可并迅速推广。 d v b h 技术规范在2 0 0 2 年9 月由d v b 项目组启动，并在2 0 0 4 年1 1 月经e t s i 批准正式成为欧洲的移动电视标准。d v b h 是d v b t 标准的扩展和改进，是针 对手持终端而开发的一项新技术，它能够使用电池供电的移动手持终端( 包括手 机) 同时传送多个音频频道和视频频道。d v b h 终端的功耗比较低，抗干扰性能 和网络设计的灵活性较强，可以满足不同传输带宽和信道带宽的应用。d v b h 支 持g s m 、g p r s 、w c d m a 网络，并兼容于d v b t ，能很好的做到移动通信网和 广电网的融合。 m e d i a f l o 是美国高通公司于2 0 0 5 年正式推出的手机电视标准。采用3 g 移动 通信网和单向广播网络相结合的网络结构，专门为手机终端接收广播式多媒体节 目而设计，具有低功耗、高频谱效率、高移动性能、快速频道切换等优点。f l o 技术能够减少同时向多个多媒体用户发送相同信息的成本，并能够满足用户的各 种体验。但由于m 础a f l o 系统是一个独立的系统，没有兼容性，并缺乏成熟的 终端产品和现成的实验网络，以致只能在本地推广，商用化不成熟。 2 0 0 5 年7 月，韩国推出的地面数字多媒体广播系统t - d m b 获得e t s i 批准， 该标准基于欧洲e u r e k a 1 4 7 的d a b ( d i g i t a la u d i ob r o a d c a s t i n g ) 系统基础之上的， 是d a b 标准的继承和发展，t - d m b 充分利用d a b 的技术优势，并在其功能上进 行扩展，以便向手机、p d a 等便携式设备提供多种数字电视节目。t - d m b 的一个 最大优势是在为多媒体广播提供传输通道时，不影响移动通信网中原有的语音和 数据业务，从而降低了通信中的资源成本。 日本提出的i s d b t 标准，采用o f d m 调制技术，m p e g 2 传送比特复用， 使用的传输、调制、编码方式基本与d v b tc o f d m 相同，可以说该标准是欧洲 移动电视标准的修改，只是在接收端增加了分层传输和部分接收功能，该标准的 一个显著特点是增加了时间交织深度，在接收条件十分恶劣的情况下，这种强力 的时间交织也能使系统的接收性能良好。巴西于2 0 0 6 年6 月也将i s d b t 作为地 面数字电视标准，并不断改建其网络，使之得到广泛应用【l 。 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 目前中国国内的多媒体标准也有好几个，比如t - m m b 、d m b 、c m m b 等。 t - m m b 是国标，而c m m b 是中国自主研发的多媒体标准。在国内，着重发展的 是c m m b 网络，不断对其规划和优化，该标准的产业化进程是最快的，已经远远 领先于其它标准，成为中国事实上的“国标。 c m m b 标准与其它支持多媒体广播标准主要技术的比较如表1 1 所示： 表1 1c m m b 标准及其它国际多媒体广播标准技术比较 星座 标准频率范围保护间隔信道编码带宽同步 映射 4 7 0 7 9 8 b p s k 2 m h z 连续导频 c m m o e lm h z 循环前缀 l d p c + r s q p s k 8 m h z 信标 2 6 g h z 1 6 q a m 2 6 3 2 6 5 5b p s k s d m b c + r s 2 5 ；m h z导频信道 g h z q p s k 4 7 0 8 9 0 5 , 6 ，7 ，8 循环前缀 q p s k d v b h 循环前缀 c + r s m h zm h z连续导频 1 6 q a m 1 4 7 - 2 7 0 t - d m b循环前缀c + r s1 5 4 m h z 同步信道 q p s k m h z 4 7 0 7 7 0 循环前缀 i s d b - 1 循环前缀 c + r s4 2 9 k h z d 4 q p s k m h z 连续导频 5 , 6 ，7 ，8 时域导频 q p s k m e d i a f l o7 1 9 m h z 循环前缀眦o + r s m h z 信道1 6 q a m 1 2 2c m m b 标准简述 中国国家广电总局于2 0 0 6 年1 0 月2 4 日正式颁布c m m b 移动多媒体广播行 业标准【3 1 ，确定了采用我国自主研发的移动多媒体广播传输技术标准星地交互式多 服务体系架构( s a t e l l i t e t e r r e s t r i a li n t e r a c t i v em u l t i s e r v i c ei n f r a s t r u c t u r e ，s t i m i ) ， 之后陆续颁布了其它相关业务标准。c m m b 标准工作在3 0 m h z 3 0 0 0 m h z 频率范 围内，定义了移动多媒体广播系统物理层各功能模块，给出了信道物理层传输信 号的帧结构、调制技术、信道编码等关键技术，标准中还定义了8 m h z 和2 m h z 两种广播信道物理层带宽，介绍了系统的复用结构、电子业务指南、紧急广播、 数据广播、接收解码终端技术等。 c m m b 系统主要利用卫星覆盖全国，结合地面增补覆盖实现卫星信号盲区的 传输，通过采用o f d m 调制、快速同步、l d p c 编码、时频逻辑信道等先进技术， 4 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 提高抗干扰能力和对终端移动接收的支持，以实现面向便携的手持类终端的广播 电视和信息服务。c m m b 是立足我国国情，针对我国幅员辽阔、复杂的传输环境、 西部人1 3 稀疏、东部城市密集的特点，以及用户众多和业务需求多样化的情况， 通过吸纳国外先进多媒体技术而设计的技术体系【1 2 】。 1 2 3c m m b 的研究现状 c m m b 标准是国内移动多媒体产业化进程最快，影响最大的标准。在网络方 面：自2 0 0 7 年8 月以来，c m m b 已在北京、上海、天津等6 个奥运城市，加上深 圳、广州共8 个城市开通了传输c m m b 信号的发射站，并实现地面网络的大面积 覆盖。在奥运前期，基本完成了3 7 个主要城市的建网。2 0 1 0 年6 月北京地区已建 设成了拥有1 0 个发射点的c m m b 网络，基本可以实现六环以内范围的覆盖，而 在其它一些小城市先建设一个发射点，主要实现城区的有效覆盖。到目前为止， 全国已拥有5 0 0 多个发射点，完成了3 0 0 多个大中小城市不同范围的覆盖，已经 成为了全球最大的移动多媒体广播覆盖网。同时，在北京和上海建造的单频网， 其建设规模是世界的第一大和第二大。广电总局还在国内各大城市不断地部署一 些大规模的c m m b 网络，不久的将来也将会发射专属的卫星，以便更好地实现全 国覆盖。 在终端和信息内容方面：目前，广电总局将招标c m m b 终端近1 0 0 万部，吸 引了国内外2 0 0 多家企业参与产业联盟，在短时间内，完成了从标准原型机向适 合市场商用产品的跨越，实现了终端产品的规模化。c m m b 终端采集结果表明， 我国移动多媒体广播电视设备产业链已经全面成熟，设备制造产业规模越来越庞 大。c m m b 是我国拥有自主知识产权的技术，通过全面推广应用这项新技术，我 国移动多媒体广播电视终端的研发制造水平已经超过国外同类产品，从发端到终 端的整个设备产业链中，民族工业均占主导地位，形成了运营商和设备产业界和 谐共赢的局面，实现了中央提出的“立足自主知识产权，立足民族工业”的目标， 具有广阔的市场前景。 1 3 论文的主要工作及内容安排 1 3 1 论文的主要工作 本文首先介绍o f d m 技术的基本理论，然后研究c m m b 系统的体系架构及 关键技术，并说明c m m b 系统工作原理及系统的实现方式。接着重点分析无线广 播信道特征，针对c m m b 系统在地面传输应用中面临的复杂地形条件，选择适合 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 的信道模型，并基于c m m b 系统的o f d m 调制技术，分析符号定时同步误差， 载波频偏误差对c m m b 系统性能的影响。在前期项目和工作的基础上，跟踪国内 外关于广播网络的最新动态及技术，构造出适合c m m b 系统的同步模块整体方案， 并在研究常用的符号同步和载波同步算法基础上，根据c m m b 系统特点，充分考 虑硬件实现的复杂度，深入分析并给出适合该系统的高效的符号定时同步和载波 频偏估计改进算法，然后在已选择的信道模型下，采用m a t l a b 对提出算法的性能 进行仿真，并对仿真结果进行分析总结。 1 3 2 章节内容安排 本论文以c m m b 系统的同步问题为主要研究对象，依托实验室的科研项目， 针对c m m b 移动多媒体广播系统的符号同步和载波同步算法进行了分析和研究。 全文共分为六章，各章研究内容安排如下： 第一章是绪论，简单概述课题的背景意义，移动多媒体技术的发展以及c m m b 的研究现状和论文的主要工作内容安排。 第二章首先介绍c m m b 系统的关键技术o f d m 调制技术，然后对c m m b 系统的体系结构和技术特点进行分析，其中详细介绍系统中定义的帧格式，并对 本文所涉及的时频域同步技术的研究对象及各部分的内在关系进行说明和定义。 第三章分析无线广播信道影响，讨论并选择比较接近我国地形环境的典型无 线多径信道模型。然后结合文中将要用到的c m m b 信号模型，分析同步误差对 c m m b 系统造成的影响，并通过仿真给出同步误差对系统性能的联合影响结论。 第四章首先给出适合c m m b 系统的同步模块整体方案，并针对方案中的符号 同步构造出符号同步环路结构，接着研究o f d m 系统常用的符号同步算法，并通 过推导这些同步算法公式，分析其常用算法的不足，然后根据c m m b 传输系统的 特点，给出适合该系统的符号同步改进算法，符号同步算法包括粗符号同步算法 和细符号同步算法，为了验证提出算法的可行性，将其放在a w g n 信道和多径信 道环境下仿真，并对仿真结果进行分析比较。 第五章首先针对载波同步过程给出载波同步环路结构，接着研究o f d m 系统 常用的载波同步算法，在此基础上，结合c m m b 系统特有的帧格式，给出适合该 系统的载波频偏估计改进算法，然后对各种算法进行描述和仿真分析，验证其算 法的性能。本文中的载波频偏估计算法主要分为捕获阶段的粗小数倍载波频偏估 计和整数倍载波频偏估计，以及跟踪阶段的细小数倍载波频偏估计。 6 重庆邮电大学硕士论文 第二章c m m b 传输系统概述 第二章c m m b l 5 传输系统概述 弟一早 1 可删糸现僦尬 2 1 正交频分复用( o f d m ) 技术 2 1 1o f d m 技术基本原理 o f d m 是f d m 技术衍生而来的多载波调制方式，是一种能在频率选择性信道 中传输数据的技术，其基本思想是将高速的数据流经过串并变换，转换成低速的 路并行数据流，分配到传输速率较低的个子信道上传输，并利用这些数据去调 制个相互正交的载波，再将调制后的个信号相加就可得到发射信号【l3 1 。传输 中多载波数据传输速率相对较低，并扩展了信号的脉冲宽度，使每个子信道中的 符号周期增加，所以在无线信道中可以减少多径时延扩展对系统造成的影响。在 所传输的频带内，各个子信道之间是相互正交重叠的，充分利用了频谱资源。而 且还可以在o f d m 符号间插入循环前缀作为保护间隔，令保护间隔长度大于无线信 道的最大多径时延扩展，这样就可以最大限度的减少和避免多径带来的符号间干 扰( i s i ) ，从而有效抵抗多径衰落，并且在调制和解调时分别利用逆快速傅立叶变 换( i f f t ) 和快速傅立叶变换( f f t ) 实现 1 4 】，其复杂度非常低。到目前为止， o f d m 技术已被众多无线通信标准所采纳，是应用最广的一种多载波传输方案。 2 1 2o f d m 系统基本模型 每个o f d m 符号都是由经过调制的各个子载波信号之和组成，其中的子载波 信号是经过相移键控( p s k ) 或正交幅度调制( q a m ) 的信号，o f d m 系统的基 本模型如图2 1 所示。图中的表示符号子载波数，珥o = 0 ，1 ，l ，n 一1 ) 表示分配给 第f 个子信道上的数据符号，z 表示第f 个子载波的频率，丁表示一个o f d m 符 号的持续时间周期，矩形函数为r e c t ( t ) = 1 ，l t i _ t 1 2 ，则从t = 0 开始的o f d m 符 号第f 个子载波上的信号母( f ) 可以表示为： 丁 岛( f ) = 露，p c r o 一) e x p ( 2 7 r 石f ) 0 ，t ( 2 1 ) z 叠加所有子载波信号后的o f d m 符号j ( f ) 为： n - _ jt s ( f ) = e d j r e c t ( t 一寻) e x p ( j 2 ，r f t ) 0 f 鲥、 i - ol、二， j o ) 等0t t 其中，石= f o + r ( 扣o ，1 ，l ，一1 ) ，j o ) 的实部和虚部分别对应o f d m 符号 的同相和正交分量，在实际应用系统中可分别与相应的子载波c o s 分量和s i n 分量 7 重庆邮电大学硕士论文第二章c m m b 传输系统概述 ? e j 。j 小 j 叫梦一 j 一 一 串，并 + 变换 西一 e j 2 | 印 1 p 一 铲1 “ 到卜一 图2 1o f d m 系统的基本模型 相乘【1 5 】，然后把所有子信道信号相加求和，最后得到的就是输出的o f d m 信号， 它通常可用等效基带信号来描述，即式( 2 2 ) 等效为： j ( f ) 2 善棚c f ( 卜) e x p ( j 2 万事) 鲥 ( 2 3 ) f 兰0 上 厶j j s ( f ) = 0 t t 此时等效子载波频率石= i t ( i = o ，1 ，l ，一1 ) ，可见在o f d m 符号周期内，每 个子载波都包含整数倍载波周期，且相邻子载波之间相差一个周期，这一特性保证 了子载波之间的正交性，即满足： 亍1re ) ( p ( 2 万z ，) e x p ( 一j 2 r c f m ，) d r = 6 m 棚= n 以 ( 2 4 ) 接收端对式( 2 3 ) 中第f 个子载波进行解调的过程为：将e x p ( 一j 2 z c i t t ) 与s ( f ) 相 乘，然后在时间长度丁内积分，即： 岔= ；r e x p ( 一j 2 f f 歹i ，) 篓盔阳c r o 一弓e x p ( 2 万事，) 沈 ，趴 = 7 1 去n - i 以r 唧( 伽等f ) a t = 4 一 由式( 2 5 ) 可以看出，由于各子载波之间是相互正交的，所以对第f 个子载波进 行解调即可恢复出所期望的数据。而对其它载波来说，在积分区间丁内频差 ( 七一i ) t 可以产生整数倍周期，因此积分结果为零。也可以从频域角度理解正交 性，经调制后，各个非零子载波的频谱相互重叠，并在每个子载波频率最大值处 正好对应其它子信道频谱值的零点。从式( 2 3 ) 可以看出，o f d m 符号的频谱可以 看作是周期为r 的矩形脉冲的频谱与一组位于各个子载波频率上的艿函数的卷积， 矩形脉冲的频谱幅值为函数s i i l c ( 归) ，其零点在频率为1 r 的整数倍位置上出现， 如图2 2 所示。 重庆邮电大学硕士论文第二章c m m b 传输系统概述 | 、 1 j ? n j-_l。 _一 _一p 、厂、 彳1i 澍 if 一 一 _一 t ，、 碰数 毯2 僦躐 图2 2 0 f d m 子载波频谱 频谱图中的每个子载波呈s i n c 函数形状，彼此相互交叠，并具有正交性，在 每个子载波频率的最大值处，所有其它子信道的频谱值恰好为零，这样接收端就 可以很好的恢复数据。因为在对o f d m 符号进行解调时，需要计算每个子载波频 率最大值所对应的信号值，所以可以从多个相互重叠的子信道符号频谱中提取出 每个子信道符号，而不会受到其它子信道干扰【l6 1 ，这不仅可以避免子信道间相互 干扰的i c i 出现，而且大大节省了频谱资源，提高了频谱利用率。 由于实际系统中的符号子载波数目非常多，子载波间隔非常小，要实现高的 频率分辨率是很困难的，而且在接收端每路子载波的解调都用到积分器，使得系 统结构庞大，造成资源浪费，并且不利于a s i c 实现。因此可以采用数字信号处理 中的离散傅里叶逆变换( i d f t ) 方法【1 7 】来代替式( 2 3 ) 中的o f d m 基带等效信号， 为了叙述更简洁，这里忽略了其中的矩形函数，以吖的速率对信号s ( f ) 进行抽样， 此时f = k t n ( k = o 1 ，l ，n 1 ) ，式( 2 3 ) 可变为： 瓯= s ( k r n ) = 儡e x p ( 兰等竺) k = o ，1 ，l ，n l( 2 6 ) i = 0 v 从上式可以看出，& 等效为对4 进行点的i d f t 运算，那么在接收端，为 了恢复出数据符号西，可以对以进行 r 点d f t 变换【1 8 】，可表示为： 西= & e x p ( 一_ ，兰芋) f = o ，1 ，l ，一1( 2 7 ) 否万 v 通过上文分析可以看到，o f d m 系统的调制和解调可分别由i d f t 和d f t 代 替，该方法不仅可以简化o f d m 系统调制解调器的设计，而且还可以实现多路子 载波的调制解调。随着数字信号处理技术的快速发展，为了更加方便快捷的实现 o f d m 系统调制和解调功能，可以采用伍f t 和h 叩分别代替i d f t 和d f t j 匡算【1 9 1 ， 9 重庆邮电大学硕士论文第二章c m m b 传输系统概述 图2 3 是一个基于i f f t f f t 的o f d m 系统框图。 o f d m 系统接收端 i j 图2 3 0 f d m 系统框图 2 1 3 循环前缀和保护间隔 由前面分析o f d m 原理我们知道，在无线广播信道中，采用o f d m 技术可有 效对抗多径干扰引起的时延扩展，通过将输入的高速串行数据流分配到个并行 的子信道上传输，使每个用于调制子载波的数据符号周期扩大为原始数据符号周 期的倍，因此时延扩展与符号周期的比值就降低了倍，这样可以在一定程度 上抑制多径干扰对系统造成的影响【2 0 1 。但时域上多径干扰较大时，前一个o f d m 符号的部分数据就会与后一个符号的部分数据重叠，造成数据间的相互污染，最 后解调出的数据就会出错，从而影响整个数据信号的恢复。为了消除符号间干扰， 相邻o f d m 符号之间引入了保护间隔( g u a r di n t e r v a l ，g i ) ，当g i 的长度正大于 无线信道的最大时延扩展时，前后o f d m 符号数据就不会相互干扰。在g i 内， 可以不插入任何信号，即文献 2 1 提出的插零( z e r o p a d d i n g ，z p ) 方式，但由于 多径传播的影响，这种方式难以保证各子载波数据的正交性，从而产生i s i 干扰。 为了更好的完善o f d m 技术，尽可能