（通信与信息系统专业论文）基于ofdm的移动多媒体广播系统同步技术研究.pdf

摘要 本文主要研究频率时间选择性衰落信道下，无线o f d m 系统接收机频率与时 间同步的关键技术。 论文首先简要介绍了各国移动多媒体广播技术的发展，阐述了o f d m 传输技 术的基本思想和数学原理，并对无线传输信道模型的基本特征和重要参数进行了 分析；随后，结合相干解调理论和数字信号处理理论，推导分析了符号定时偏移、 载波频率偏移和采样钟偏移对无线o f d m 系统性能的影响，并重点以中国移动多 媒体广播系统( c m m b ) 为例，在各类传统的o f d m 系统时频同步算法的基础上， 根据c m m b 系统特定的帧格式，深入分析并提出了两种适用于该系统的高效的符 号定时和载波同步算法，有效克服了传统算法相关峰不明显的缺陷。全文算法均 采用m a t l a b 对性能进行了充分的仿真和比较，仿真结果表明，所提算法在多种复 杂信道环境下具有较好的抵抗频率时间选择性衰落的性能；最后，论文还结合实 际的物理层传输控制机制，设计了一套完整的c m m b 接收机时频同步系统解决方 案，并用实际采集数据对系统的整体结构进行了验证，结果表明，该方案能够满 足c m m b 系统对于突发传输和移动接收的要求。 关键词：正交频分复用移动多媒体广播符号定时同步载波频率同步 采样钟同步 a bs 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 et i m i n ga n df r e q u e n c ys y n c h r o n i z a t i o n t e c h n o l o g yi nw i r e l e s so f d mr e c e i v e ru 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 e f a d i n gc h a n n e l s f i r s t ，t h ed e v e l o p m e n 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 gt e c h n o l o g yw o r l d w i d ei s i n t r o d u c e db r i e f l y f o l l o w e db yt h es u m m a r i z a t i o no ft h eb a s i ci d e aa n dm a t h e m a t i c a l p r i n c i p l e so fo f d mt e c h n o l o g y t h e nt h eb a s i cc h a r a c t e r i s t i c sa n dk e yp a r a m e t e r so f w i r e l e s sc h a n n e lm o d e la r ed i s c u s s e d w i t ht h ea i do fc o h e r e n td e m o d u l a t i o na n dd i g i t a l s i g n a lp r o c e s s i n gt h e o r y , t h ei n f l u e n c e so fs y m b o lt i m i n g ，c a r r i e rf r e q u e n c ya n d s a m p l i n gc l o c ko f f s e tt ow i r e l e s so f d ms y s t e ma l ea n a l y z e di nd e t a i l i nt h es t u d yo f 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 gs y s t e m ，t w oi m p r o v e ds y m b o lt i m i n ga n d c a r t i e rs y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h m s 谢t hk g he f f i c i e n c ya r ep r o p o s e db a s e do ni t s s p e c i f i cf r a m es t r u c t u r ea n de x i s t e dt i m i n ga n df r e q u e n c ys y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h m si n t r a d i t i o n a lo f d ms y s t e m ，w h i c hg a i nb e t t e rc o r r e l a t i o nr e s u l t st h a nt r a d i t i o n a l a l g o r i t h m s a l lt h ea l g o r i t h m si nt h i sp a p e ra r es i m u l a t e da n dc o m p a r e ds u f f i c i e n t l y w i t hm a t l a ba n dt h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ep r o p o s e da l g o r i t h m sa r er o b u s t u 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 gt a k i n gt h e p 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 si n t oa c c o u n t ，at o t a ls o l u t i o ni s p 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 h et i m i n ga n df r e q u e n c ys y n c h r o n i z a t i o nm o d u l e i nc m m bs y s t e mr e c e i v e 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 gd a t aa c q u i r e d i 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 ei ss u i t a b l ef o rc m m b s y s t e mi nb u r s tt r a n s m i s s i o nm o d ea n dm o b i l er e c e p t i o nc o n d i t i o n k e y w o r d ：o f d m m o b i l em u l t i m e d i a b r o a d c a s t i n gs 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 c a r r i e rf r e q u e n c ys y n c h r o n i z a t i o n s a m p l i n g c l o c ks y n c h r o n i z a t i o n 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：剑俊 日期 婴z ：l 兰 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攥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，在一年解密后适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 日期型2 ：墨：! 墨 日期2 学纠二 一d 汐倦t t 垒够一 赴咩 盟茑 第一章绪论 第一章绪论弟一早珀。下匕 1 1 移动多媒体通信技术发展概述 随着通信和信息技术的迅猛发展，人类获取信息的方式正在从固定设备转向 移动便携设备，由获取单纯的语音信息转向获取全方位的多媒体信息。目前，能 够在移动环境中向大量用户提供数据业务服务的网络结构主要有3 种l l 】：基于蜂窝 网的移动通信网络( 2 5 g 3 g 系统) ，w l a n 系统( w i r e l e s sl o c a la r e a n e t w o r k ， 无线局域网) ，d t t b 系统( d i g i t a lt e l e v i s i o nt e r r e s t r i a lb r o a d c a s t i n g ，数字电视地 面广播) 。上述系统的使用人群分布在移动的交通车辆、室外的公众聚集场所等传 统电视媒体覆盖的盲区中，是电视这个传统媒体产业链的巨大延伸。 从全球范围来看，广播网络的发展暂时要领先于蜂窝移动通信网络。当前国 际上有几种主流的移动多媒体广播标准，其中包括欧洲的d v b h t 2 l ( d i g i t a lv i d e o b r o a d c a s t i n g h a n d h e l d ，数字视频广播便携) 标准、韩国的d m b ( d i g i t a lm u l t i m e d i a b r o a d c a s t i n g ，数字多媒体广播) 标准、日本的i s d b t t 3 】( i n t e g r a t e ds e r v i c ed i g i t a l b r o a d c a s t i n g t e r r e s t r i a l ，综合业务数字广播地面) 标准以及美国高通公司的 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。上述的前3 个标准主要通过地面广 播网络提供移动多媒体业务服务，而m e d i a f l o 则结合基于c d m a 2 0 0 0 1 x e v - d o 的m b m s ( m u l t i m e d i ab r o a d c a s t i n g m u l t i c a s ts e r v i c e ，多媒体广播多播业务) 来 提供移动多媒体业务服务。 国外移动多媒体广播技术的发展 在欧洲，d v b 组织于2 0 0 4 年1 月制定出了d v b h 标准的基本框架，它是 d v b t ( d i g i 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 ，数字视频广播= 睦面) 标准的扩展和 优化，能使终端具有更低的功耗，移动接收和抗干扰性能更为优越。d v b h 能够 承载数十套节目，可支持g s m 、g p r s 、w c d m a 网络，基于该标准的组网试验 早已经在欧洲、美国展开，如欧洲的i n s t i n c tp r o j e c t ，b m c o 计划。d v b h 标准 在2 0 0 5 年便投入了使用，目前欧洲已基本确定将d v b h 作为其移动数字电视的 唯一标准。更引人注目的是，2 0 0 8 年9 月在阿姆斯特丹举行的i b c 大展上，基于 新一代地面数字电视标准d v b t 2 的调制器与解调器均已亮相，该标准在d v b t 的基础上进行了较大的改进，能够对移动多媒体业务提供更完善的支持。 另一个引入注目的标准是韩国的d m b 标准【4 】，它是基于欧洲的e u r e k a - 1 4 7 的 d a b 【5 j ( d i g i t a la u d i ob r o a d c a s t i n g ，数字音频广播) 技术发展而来，并充分利用了 d a b 原有的技术优势，在功能上将传输单一的音频信息扩展到传输文字、图形与 2 基于o f d m 的移动多媒体广播系统同步技术研究 视频等多种载体，完成了数字音频广播到数字多媒体广播的飞跃。韩国s k 电信公 司在2 0 0 4 年3 月发射了专用的卫星，推出了基于卫星技术的s - d m b 收费业务， 这样一来可以在很宽广的地区充分满足移动终端接收多媒体节目的需求。2 0 0 6 年 以后韩国又开始采用基于地面广播传输技术的t - d m b ，向广大用户提供手机多媒 体业务服务，这些充分表明d m b 标准已经在韩国得到了较成功的应用。 而在美国，v e r i z o n 在2 0 0 5 年底宣布推出由高通公司开发的、基于 c d m a 2 0 0 0 l x e v - d o 网络m e d i a f l o 技术的手机电视服务，f l o 技术能够大大降 低同时向大批用户发送相同多媒体内容的成本，并确保良好的用户体验即用 户不仅能够享受传统的语音和数据业务，还能通过同一手机在许多节目间切换浏 览，从而摆脱传统的地面和卫星传输模式的束缚。 在日本和巴西，主要使用i s d b t 标准进行地面数字电视广播和移动多媒体广 播。该标准的一个显著特点是时间交织的深度达0 8 8 秒，这种强力时间交织使得 系统在接收条件十分恶劣的情况也具有良好的接收性能。 移动多媒体广播技术在中国的发展 移动多媒体广播在中国也显示出了勃勃生机。2 0 0 6 年8 月中国正式公布了地 面数字电视强制国家标准g b 2 0 6 0 0 2 0 0 6 6 j ，该标准使用了能实现快速同步和高效 信道估计的p n 序列( p s e u d on o i s es e q u e n c e ，伪随机序列) 作为o f d m ( o r t h o g o n a l f 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 ，正交频分复用) 符号的保护填充，具有很高的频 谱利用率，能够较好地支持移动接收。 而在2 0 0 6 年1 1 月，中国国家广播电影电视总局下属的广播科学研究院正式 提出了具有我国自主知识产权的移动多媒体广播行业标准叫m m b 标准( c h i n a 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 g ，中国移动多媒体广播) 。该标准采用的s t i m i 传输 技术是针对移动多媒体广播优化设计的无线信道传输技术，它充分考虑了移动多 媒体广播业务的特点，针对手持设备接收灵敏度、移动性要求高的特点，采用先 进的信道纠错编码和o f d m 调制技术，提高了抗干扰能力和对终端移动接收的支 持；针对电池节电的需求，采用时隙传输技术降低终端功耗，提高终端续航能力。 2 0 0 8 年中期，中国基本确定将t m m b 标准( t e r r e s t r i a lm o b i l em u l t i m e d i a b r o a d c a s t i n g ，地面移动多媒体广播) 作为手机电视的国家标准。该标准在向下兼 容欧洲d a b 标准的基础上( 可以进行全球漫游) ，全面扩展了d a b 的原有内容； 引入了高阶差分调制方式，在降低解调复杂度的前提下大大提高了数据率；使用 了自主设计的l d p c 码( l o wd e n s i t yp a r i t yc h e c kc o d e ，低密度校验码) 并加强 了比特交织，从而在保证性能的前提下省略了级联的外码。测试表明，其在高速 移动中具有良好的性能。 从总体上来说，地面数字广播网络方式的优势在于视频流的传输速度和质量 与无线网络的带宽无关，对突发及应急事件的承受能力强，适合公共广播的应用。 第一章绪论 但它需要多方合作参与；而蜂窝网的优点在于可利用现有的且逐渐升级的移动通 信网络，不用更改手机的硬件平台。同时由于网络的互动能力强大，适合个性化 的应用，但缺点是图像质量受网络带宽的影响，一旦用户数量饱和则视频质量严 重下降。两者的适当融合应该能够优势互补，进一步提升各种业务的服务质量。 1 2 本文工作及内容安排 本文的研究成果和贡献 为了更好地适应便携、移动接收的需求，基于o f d m 技术的移动多媒体广播 系统的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，因此这类系统的一个关键问题就是：在高速移动的频率选择 性衰落信道下，如何快速、准确地获取符号定时、载波频率和采样钟频率的同步。 本文以c m m b 系统为例，具体分析了各种非理想同步因素对系统性能的影响， 并在此基础上结合c m m b 系统的特点，主要针对该系统中8 m h z 模式的时、频同 步技术进行了相应的研究。本文取得的研究成果与主要贡献包括： 提出了种适合突发传输的时隙定时同步算法； 提出了一种基于频域差分相关的整数倍频偏估计算法； 设计了整个物理层时频同步环路的基本构架以及完整的传输控制机制； 本文章节内容安排 第二章介绍o f d m 系统的基本原理、系统基本构架、技术特点及其在各类通 信系统中的应用；对无线信道的基本特性和重要参数进行了分析，阐述了无线宽 带传输条件下的两类主要的信道衰落特性；简要介绍了基于o f d m 技术的c m m b 系统的帧格式定义，并对本文所涉及的o f d m 系统时频域同步技术的研究对象， 以及各部分的内在关系进行了定义和说明。 第三章研究c m m b 系统中的o f d m 时隙定时同步和符号定时同步算法。首 先从突发传输系统的接收要求和o f d m 传输系统数学模型出发，分析了两类符号 定时同步偏移对接收机性能的影响，接着在分析传统算法不足的基础上，根据突 发传输系统的特点，提出了一种基于反向共轭对称的时隙定时同步算法，以及一 种基于信道能量解析的o f d m 符号定时同步算法，并在多种复杂信道环境条件下 对提出的算法进行了仿真验证。 第四章研究c m m b 系统中的载波频率同步算法。首先分析了载波频率偏移对 整体系统性能的影响，并结合c m m b 系统帧格式的特点，给出了相应的粗小数倍 频偏估计算法；随后，针对传统整偏估计算法相关峰不明显的缺点，提出了种 4 基于o f d m 的移动多媒体广播系统同步技术研究 对时隙定时同步偏移不敏感、且抗频率时间选择性衰落的整数倍频偏估计算法； 最后，在典型多径信道条件下测试了整个载波同步环路的跟踪性能。 第五章研究c m m b 系统中的采样钟同步算法。通过对采样钟偏移带来的频域 数据相位偏差的分析，给出了基于离散导频的采样偏、细小偏联合估计算法；随 后，结合数据时域内插恢复原理以及环路滤波器的滤波机制，在恶劣多径信道和 移动接收条件下，对采样钟偏移估计算法的性能和采样钟恢复环路的跟踪性能进 行了仿真验证。 第六章设计了一套完整的c m m b 系统时频同步模块构架方案，并结合实际需 求设计了相应的符号定时同步、载波频率同步和采样钟同步的控制机制；最后， 使用实际采集数据对整体同步构架进行了验证。 第七章对全文内容进行相应的回顾和总结，并结合该技术领域目前的研究进 展，指出了进一步研究工作的方向。 第二章o f d m 技术的基本原理及其发展 第二章o f d m 技术的基本原理及其发展 o f d m 技术是众多无线通信系统中物理层的核心技术，本章首先简要介绍该 技术的基本原理、优缺点及其发展的基本历程，随后分析了信号的传播环境 无线信道的基本特征和重要参数，最后介绍了基于o f d m 技术的中国移动多媒体 广播系统的基本帧结构定义，并给出本文所要研究的同步技术的基本类别划分。 2 1o f d m 技术概述 o f d m 技术的基本原理 假设源端发送的比特流数据率为r ，带宽为b ，若信道的相关带宽为劈 毋则表示信号带宽大于信道的相关带宽，即信 号的某些频率成分无法顺利通过信道，这表示信号经历了频率选择性衰落，反之 则表示信号经历了平坦衰落。相关带宽表征了在既不加入均衡又要不引入信道失 真的情况下，系统所能达到的传输速率的上限。 d e l a y # 0 2 u s 豳i i a y l l 懈 图2 9 频率选择性衰落示意图 在图2 9 中，给出了4 个时延不同的信道( 延迟分别为0 2 、l 、5 、l o u s ) 的 c t f ( c h a n n e lt r a n s f e rf u n c t i o n ，信道传输函数) 2 9 1 ，信号传输带宽范围为8 8 0 m h z 9 0 0 m h z 。从图2 9 可以看出，随着信道延时的增大，信道相关带宽逐渐变小，会 有更多的信号频率点处于c t f 的频率深衰落点上，使得信号发生较大的失真。 一p)专；，岳专 第二章o f d m 技术的基本燎理及其发鹱 时间选择性衰落( t i m es e l e e f i v ef a d i n g ) 其次，从信道的时变特性上考虑，由于移动终端、基站之间的相对运动，每 条多径反射波都会有动态的载波频率偏移。由移动接收0 起的信号频率的动态偏 移称为多普勒频移 ，它与收端( 或发端) 的运动速度成正比，如式( 2 7 ) 所示： ，d2 j c o s 0 ( 2 - 7 ) 其中，v 为收端( 或发端) 的运动速度 为无线电波的波长，0 为无线电波与移 动台运动方向之间的夹角，也称为到达角。移动接收会造成信号频谱的多普勒扩 展( d o p p l e rs p r e a d ) ，记为b ，它是一种由多普勒频移现象引起的衰落过程中的 频率扩散( f r e q u e n c yd i s p e r s i o n ) ，是谱展宽的一个测量值，也是描述信道时间选 择性衰落的重要参数。 多普勒扩展的倒数称为相关时f h j ，i 己为r 。它是一个与时间选择性衰落紧密 聩系的参数，表征了信道冲激响应保持一定相关度的时间间隔。如果将其定义为 信号包络相关度为0 5 ，则根据式( 2 6 ) 可知，r 。9 ( 1 6 ，) 。 设信号的符号周期为r ，若r r 则表示信号经历了快衰落，即任何一个多径 成分的幅度、相位、时延都比传输信号的变化要快，反之则表示经历了慢衰落。 在慢衰落信道中，可以认为信道参数在一个或多个信号码元周期内是稳定的。 ；。翌。搿 i mi o i 忡 圈21 0 时变信道下信号包络的起伏示意幽 在图21 0 中，给出了一个单频信号通过多径并受到多普勒频移影响后的接收 信号包络示意圈。从图2 1 0 中不难看出，随着多普勒频穆的增大，信道的相关时 间逐渐变小，信号包络的变化速率( 从一个峰值到另一个峰值的时问间隔) 不断 变快，即信号受到了时日j 方向上的快衰落的影响。 综上所述，从时、频两域分析信道的特性之后，可以得到图21 1 所示的信道 重要参数的对应转换关系： 。 一 一 1 2 基于o f d m 的移动多媒体广播系统同步技术研究 l r ( a t ) 。 |、| | u r i e r s f o n i l 丁啡c o t i m e 卟tv f j j s ( u ) 2 l 1 p f d 。 f c -f d r q s p e c t r a lb r o a d e n i n g u 图2 1l 信道时、频域分析的重要参数转换关系 2 3 中国移动多媒体广播系统简介 中国移动多媒体广播系统物理层帧格式简介 c m m b 标准是我国自主提出的、具有自主知识产权的新一代移动多媒体广播 标准。按照标准制定者中国国家广播电影电视总局广播科学研究院的计划，c m m b 系统最终会在中国形成“天地一体 的覆盖体制，即利用大功率s 波段卫星覆盖 全国1 0 0 的国土范围，同时利用地面增补转发网络( 使用u 波段) 对卫星信号盲 区( 约5 国土，主要为城市楼群遮挡区域) 或部分重点区域进行补点覆盖，并利 用移动通信网络构建回传通道实现交互，形成星网结合、单向广播和双向互动相 结合、中央和地方相结合的全程全网、无缝覆盖的系统。 下面给出c m m b 系统的基本参刿3 0 】，如表2 1 所示： 表2 1c m m b 系统基本参数 带宽模式8 m h z 模式( u 波段)2 m h z 模式( s 波段) 数据速率 子载波数保护间隔长度 信标同步块长度 连续离散导频数 星座调制方式 l d p c 码率 r s ( 2 4 0 ，k ) 交织深度 7 5l2 m h z 1o m h z1 5 3 6 m h z 2 5 m h z 4 0 9 6 51 2 1 0 2 4 1 2 8 2 0 4 8 2 5 1 2 2 8 2 38 42 8 7 8 b p s k ，q p s k ，1 6 q a m 1 2 ，3 4 k = 2 4 0 ，2 2 4 ，1 9 2 ，1 7 6 与l d p c 码率和星座映射方式有关 第二章o f d m 技术的基本原理及其发展 1 3 总体上来说，c m m b 系统具有如下的技术特剧3 1 】【3 2 】：1 采用基于时隙的帧结 构支持终端省电；2 采用o f d m 调制技术支持移动接收和单频组网；3 采用l d p c 码和深度交织来提高系统接收性能；4 采用信标实现快速同步；5 采用逻辑信道 技术实现业务的灵活组合。c m m b 系统可以工作在3 0 3 0 0 0 m h z 的频率范围内， 物理层支持8 m h z 和2 m h z 两种带宽模式，支持高速移动接收。 c m m b 系统一个很有特点的地方是其帧结构是基于时隙的，每一秒钟为一帧， 划分成4 0 个时隙，每个时隙为2 5 m s ，如图2 1 2 所示： 图2 1 2 基于时隙的c m m b 系统帧结构 每个时隙最前端的信标序列由一个发射机标识信号( t x i d ) 和两个完全相同 的长同步序列组成。前者用于标识不同地区的不同发射机，而后者用于实现系统 的快速同步捕获，信标的结构如图2 1 3 所示： 图2 1 3 帧头信标序列的结构 对于每个时隙内部的数据o f d m 符号而言，均插入了c p 作为保护间隔。而 相邻o f d m 符号之间又加入了g i ( g u a r di n t e r v a l ，保护带) ，并通过窗函数加权 后，使得前一个符号尾部的g i 和后一个符号头部的g i 相互重叠，这主要起到使 符号间平滑作用，并能加快o f d m 信号功率谱带外部分的下降速度。数据o f d m 符号部分的结构如图2 1 4 所示： 厂。 o f d m l x o f d m 2 、 卜g h一g 卜- 卜_ g 卜一 售出- i 一是警= ，l 一 j l _ ，_ 一_ 一 膨册黝浏 j个 lj 芡r p ， t 图2 1 4 数据o f d m 符号的结构 参照传统的d v b 系统，c m m b 系统的数据o f d m 符号内部也插入了连续导 频和离散导频，用来进行同步和信道估计。导频插入的结构如图2 1 5 所示： 1 4 基于o f d m 的移动多媒体广播系统同步技术研究 囫连续导频m 离散导频口数据 图2 1 5 导频分布图 在c m m b 系统中，广播信道物理层以p l c h ( p h y s i c a ll o g i c a lc h a n n e l ，物理 层逻辑信道) 的形式向上层业务提供传输速率可配置的传输通道，可同时提供一 路或多路独立的广播信道。p l c h 分为c l c h ( c o n t r o ll o g i c a lc h a n n e l ，控制逻辑 信道) 和s l c h ( s e r v i c el o g i c a lc h a n n e l ，业务逻辑信道) 。物理层只有一个固定 的c l c h ，占用系统的第0 时隙发送，用于承载系统控制信息；s l c h 由系统配置， 用于承载广播数据业务，每个s l c h 占用整数个时隙，如图2 1 6 所示： c l c h i s l c h 0 i s 删- i p l c h s l c h l s l c h 一寸古一一一0 一一一一一一一卜一一 信道编码、调制、时隙分配 j rj r 士j r j r 士i r l 1 时隙时隙 时隙时隙时隙 时隙时隙 时隙时隙时隙时隙 ol2345kk + l k + 23 83 9 图2 1 6c m m b 系统广播信道物理层逻辑信道 下面给出c m m b 系统物理层调制器的框图结构，如图2 1 7 所示： 埘叫墨h 鉴h 錾h 篓 珊罐窭堆副黧 ： | ： 控制信息n 雪冁 信标 o f d m 频域 符号 形成 加扰码 图2 1 7c m m b 系统调制端框图 0 f d m 调制 调制到 射频 第二章o f d m 技术的基本原理及其发展 1 5 o f d m 系统同步算法研究对象及整体同步方案 o f d m 系统的同步总体上可分为时域、频域两部分，前者建立时间快但较为 粗略，后者建立时间较长但精度高，只有将两者有机结合才能达到快速、准确的 同步。按照同步的对象划分，典型o f d m 系统的同步主要包括以下三个方面： 1 符号定时同步 符号定时同步主要分为两个部分：粗符号定时同步( 或突发模式下的粗帧同 步、时隙同步) 和细符号定时同步。其中前者是同步模块中最先进行工作的模块， 主要作用是检测是否有新的o f d m 符号( 或突发帧) 到来，并给出粗略的符号起 始点的位置，主要在时域上进行工作；后者主要是结合粗符号给出的位置进行相 应的调整，最终给出一个较为理想的f f t 解调窗口的起始位置。它通常需要在频 域上完成，且必须在载波偏移基本被消除的前提下才能获得正确的估计值。 2 载波频率同步 在典型o f d m 系统中，通常将载波偏移量以系统子载波间隔进行归一化，例 如，1 0 05 0 0 h z 5 0 0 0 h z = 2 0 1 倍子载波间隔，故载波频率同步主要完成三个部分的 内容：粗小数倍频偏估计，整数倍频偏估计，细小数倍频偏估计。粗小偏通常在 时域上和粗符号同步进行联合估计。粗小偏被纠正后，系统会结合符号定时信息， 利用一些时域或频域上具有特殊性质的数据序列进行整数倍频偏的估计，即整偏 的估计既可以在时域进行也可以在频域进行( 通常在频域进行) 。整偏被纠正后， 残留的载波偏移很小( 通常为1 0 。3 1 0 2 倍子载波间隔) ，此时可以进一步在频域上 对残留载波偏移进行估计，并联同粗小偏和整偏一起反馈补偿后端的数据。 3 采样钟同步 在典型o f d m 系统中，主要利用频域上的冗余信息来估计采样钟偏移的信息， 并反馈到前端的内插恢复模块，结合内插恢复原理，在时域上进行采样钟偏移的 恢复。采样钟偏移信息的提取需要在粗小偏和整偏估计、细符号定时同步均完成 之后才能进行。 下面给出简化的典型o f d m 系统整体同步方案，如图2 1 8 所示： 蓄萎h 麓 反馈细小偏和采样 i li 给出f f t i 蒜高赢网起甲鼍丽压蒜 数倍频偏联合估计卜- j h 同步调整| h 频偏估计 ( 时域) l! i ( 频域) ll ( 频域) 反馈租小但：i：i 二二二 和整偏时域处理+ + 频域处理 图2 1 8 典型o f d m 系统整体同步结构 细小数倍频偏和 采样偏联合估计 ( 频域) 第三章c m m b 系统符号定时同步算法研究 1 7 第三章c m m b 系统符号定时同步算法研究 在2 3 节中，阐述了典型o f d m 系统中同步算法所研究的对象及其相互之间 的关联，其中符号定时同步模块担负着捕获o f d m 符号、给出合理的f f t 开窗位 置的重要责任。因此，本章主要研究c m m b 系统中基于信标训练序列的符号定时 同步算法，包括o f d m 时隙定时同步和o f d m 符号定时同步两部分内容，首先分 析这两类同步偏移对系统性能的影响，随后再给出相应的算法。 3 1 符号定时同步偏移对系统性能的影响 o f d m 时隙定时同步的影响 在现有的基于多载波传输模式的地面数字电视广播系统中，不论是欧洲的 d v b t 1 3 3 l 系统还是我国自主研发的地面数字电视系统( g b 2 0 6 0 0 2 0 0 6 ) ，其数据流 的形式都是完全连续的。故在这些系统的同步算法中，允许丢弃一部分数据，利 用粗同步点之后的多个符号或多帧进行反复判断，最终锁定一个较为合理的粗符 号同步定时位置或粗帧定时同步位置。 虽然c m m b 系统也是一个广播系统，但其节目业务是时分传输的，并不一定 是连续的。鉴于这种突发的传输模式，接收机必须在有新时隙来临的时候迅速检 测到该时隙前端所携带的同步信息，并在此基础上确定将哪个采样点作为本时隙 的起始位置最为合适，否则就会出现漏过5 3 个有效o f d m 数据的现象。也就是说 在突发的传输模式下，系统对时隙捕获的速度要求比较高。正是考虑到这一点， c m m b 标准在每个时隙的最前端布置了很长的两段同步序列，通过降低有效数据 传输效率、增大冗余度的方式，来换取突发传输模式下时隙定时同步的可靠性与 准确性。 o f d m 符号定时同步偏移的影响 g 附 | | | | i s l 4 r e e理想一步点1 o f d m d a t a g i ，1。i 。 1 图3 1 数据o f d m 符号的结构 c m m b 系统从某种意义上可以看作是一个基于8 0 2 1 x 的w l a n 系统和传统 o f d m 广播系统的结合体。这是由于c m m b 系统在每个时隙的最前端附加了两段 相同的长同步序列，这点和8 0 2 1 x 系统类似，而有效数据部分与传统的o f d m 系 1 8 基于o f d m 的移动多媒体广播系统同步技术研究 统基本相同( c m m b 系统还有额外的零保护带) ，如图3 1 所示。 下面来分析o f d m 符号定时偏移对系统性能的影响【3 4 1 ，为了简化分析的过程， 在推导的过程中简化了信道的影响，即将信道全部的影响用一个因子风来表示。 经过信道以后的接收数据如式( 3 1 ) 所示： 1 一l 儿= 专五凰2 砌，l = - l ，- l + i 0 ，1 n - 1 ( 3 一1 ) vk = 0 当符号定时同步存在玩个采样点的偏移，但该同步点位于图3 1 的a 区域中 时，数据经过f f t 之后，第k 个子载波上的数据可以表示为式( 3 2 ) ： 五- - z r , 恍) m o d ，p 一7 2 砌7 2 乙l v - i ( 万1 乙i v - | n = o1 = 0 五马p 伽坳一m ) p 川砌 ( 3 2 ) f j 2 l = x l h l e - j 2 幽s | n 三e 一舯q 一n j 一 rj j 1 = 0 vn = 0 = x , h t e j 2 1 白- | n 而当符号同步点的偏移同样为吃个采样点，但不在c p 之中而是落入图3 1 的 b 区域的时候，文献【3 5 】指出，在多径环境下数据经过f f t 之后，第，个o f d m 符 号的第k 个子载波上的数据可以表示成如式( 3 3 ) 所示： 巧乒= p 7 2 石7 地a ( ) 茑，i q 乒+ 珞 + 7 k ，j ( 3 3 ) 其中a ( 恢) e p _ o - ti h p 、1 ) 1 2 孚，p 是多径的总数，彬是第p 条多径和理想同步 位置的偏移，吃则包含了i c i ( i n t e r - c a r r i e ri n t e r f e r e n c e ，载波间干扰) 和i s i 。 从式( 3 2 ) 的推导中不难看出，对于符号定时同步点而言，当它落在c p 中的a 区 域时，虽然同步点偏离了最理想的位置，但仅仅是在频域给每一个子载波上附加 了一个p 川咖的相位因子，这个因子可以在后面的信道估计模块中去除；从式 ( 3 - 3 ) 中可以看出，如果符号同步点落在了b 区域中，那么每个子载波上的数据不 仅发生了幅度的衰减和相位的旋转，同时还引入了i c i 和i s i ，这会严重影响系统 的性能，所以这种情况必须极力避免；而当符号同步点落在了c 区域中的时候， 虽然仍然在c p 之中，但是存在前一个符号的i s i ，同样会造成系统性能的下降。 而对于后端的信道估计而言，文献1 3 6 1 3 刀已经指出，当采用基于m m s e ( m i n i m u m m e a ns q u a r ee r r o r ，最小均方误差) 的估计算法时，符号定时同步的偏 移会对信道估计的准确性产生较大的影响。 第三章c m m b 系统符号定时同步算法研究 1 9 3 2 o f d m 时隙定时同步算法 综合3 1 节中的叙述，对于时隙定时同步算法的研究重点放在以下两个方面： 如何利用帧格式中的冗余信息迅速捕获到突发传输的时隙； 对于基于滑动相关的时隙定时同步算法而言，如何改进算法使得相关峰值更 为锐利，从而便于时隙同步位置的确定； 3 2 1 基于最大似然估计的传统算法 算法简介 由于o f d m 系统的数据经过了i f f t 调制，其携带的数据在时域被充分随机 化，当子载波数目非常大时，由中心极限定理【3 8 】【3 9 1 知这些时域数据近似服从均值 为零的复高斯分布。设发射信号s ( 玎) 经过高斯信道，噪声为( 以) ，归一化频偏 = ( z 一z ) 瓦，0 为理想时隙定时同步点。则接收到的信号序列可表示为式( 3 - 4 ) ： ，( 刀) = s ( 刀一日) p 厅叫+ c o ( ，z ) ( 3 - 4 ) 取接收到的2 + 三个连续信号采样点尹= 【厂( 1 ) ，( 2 ) ，( 2 + 彤作为观 察向量，这其中包含两个完全相同的序列。定义区间i = 0 ，0 + 1 ，日+ 一l l ， ，- _ 矽+ n ，0 + n + 1 ，p + 2 一l l ，其中，表示观察向量中，第一个采样点序 列的区间，则表示第二个采样点序列的区间。由于只有区间，和，内的采样点是 成对相关的，其它点之间可以认为是互不相关的，故有如下关系【删： j + m = 0 ，n 1 e ，( 门) ，( 刀+ 脚) = 仃；e 一口庇m = n ，n i ( 3 5 ) lo其它m ，n 在式( 3 - 5 ) 中，盯。2 和o 。2 分别为信号功率和噪声功率。由于一般的多载波广播 系统中的o f d m 符号的子载波数目较大，根据大数定理可以认为其时域数据服从 复高斯分布。这样可以推导出a 和s 的联合对数概率密度函数的表达式，如式( 3 6 ) 所示： a ( o ，) = l y ( 0 ) c o s ( 2 7 r 苫+ a 唱 y ( p ) 】) 一j d 考( 8 ) ( 3 6 ) y ( 。) = o + l - i ( 七+ ) ，善( p ) = 三1 o 乞+ l - r ( k ) r k = 0 1 i ，( 后) | 2 + i 厂( 后+ ) r ( 3 7 ) ) ，( d ) = ( 七+ ) ， 善( p ) = i 乞i ，( 后) 1 2 + i 厂( 后+ ) 1 2 女= d 、 仃2s n r 、7 胪痛。s n r + 1 为了简化计算，通常将( p ，) 这个二维的问题求解转化为两个一维的问题来求 基于o f d m 的移动多媒体广播系统同步技术研究 解，则有式( 3 8 ) ： 酡2 醒 l y ( 8 ) 卜硝( 8 ) ，= 去么y ( 配) ( 3 - 8 ) 式( 3 8 ) 表示的就是j b e e k l 4 1 1 提出的o f d m 符号定时同步的m l ( m a x i m u m l i k e l i h o o d ，最大似然) 估计检测算法。考虑到p 很难获得，j b e e k 又提出了基于 m c ( m a x i m u m c o r r e l a t i o n , 最大相关) 检测的算法，此时假定系统的s n r ( s i g n a l t on o i s er a t i o ，信噪比) 比较低，从而p 专0 ，则式( 3 8 ) 退化为