（信息与通信工程专业论文）cmmb手机数字电视系统中载波恢复和时钟同步算法研究.pdf

摘要 随着信息技术和通信产业的迅猛发展，手机数字电视作为新兴的多媒体业务成为 炙手可热的研究热点。由中国国家广播电影电视总局发布的行业标准c m m b ( 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 ) ，采用我国自主研发的核心传输技术s t i m i 技术， 更能适应中国市场，具有广阔的市场前景，是一种极具潜力的手机数字电视标准。 同步在通信系统中占有非常重要的地位，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 ) ，严重影响系统接收机性能。本文着重研究c m m b 手机数字 电视系统中载波恢复和时钟同步算法，其中时钟同步包括符号定时同步和采样钟同步。 本文首先简要介绍了手机数字电视标准的发展现状和c m m b 手机数字电视系统 的优势。然后在简要介绍了o f d m 技术的基础上，详细介绍了c m m b 手机数字电视 系统。接着介绍无线信道特征，然后分析了同步误差对c m m b 系统性能影响。在建立 c m m b 系统信号模型基础上，分析了符号定时同步误差，采样钟偏移误差，载波频偏 误差对c m m b 系统性能的影响。 时钟同步包括符号定时同步和采样钟同步两个部分。本文提出了适用于c m m b 手 机数字电视系统的符号定时同步算法和采样钟同步算法。符号定时同步包括粗符号定 时同步和细符号定时同步，采样钟同步也包括粗采样钟同步和细采样钟同步。为了验 证算法的可行性，将符号定时同步算法和采样钟同步算法在中国典型信道模型下进行 仿真，并分析仿真结果。 本文也提出了适用于c m m b 手机数字电视系统的载波频率同步算法。载波频率同 步主要包括分数载波频率同步和整数载波频率同步。分数载波频率同步是利用信标结 构中的两个完全重复的同步信号完成的，整数载波频率同步是利用o f d m 符号中的连 续导频信号来完成的。为了验证算法的可行性，将分数载波频偏估计算法和整数载波 频偏估计算法在中国典型信道模型下进行仿真，并分析仿真结果。 关键词：手机数字电视c m m bo f d m 符号定时同步采样钟同步载波频率同步 a bs t r a c t w i t l lt h er a p i dd e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g ya n dt e l e c o m m u n i c a t i o nd o m a i n ， m o b i l ed i g i t a lt e l e v i s i o na sa ne m e r g i n gm u l t i m e d i as e r v i c eh a sb e c o m eap o p u l a rh o t s p o t c m m b ( 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 ) w h i c hi si s s u e db yc h i n ar a d i o ，f i l ma n d t e l e v i s i o nb u r e a uh a sa d o p t e ds t i m it e c h n o l o g ya si t sc o r et r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g y s t i m i t e c h n o l o g yi sr e s e a r c h e da n dd e v e l o p e di n d e p e n d e n t l yb yc h i n e s e c m m bs y s t e mb e t t e r a d a p t st ot h ec h i n e s em a r k e ta n di sav e r yp r o m i s i n gm o b i l ed i g i t a lt e l e v i s i o ns y s t e m s y n c h r o n i z a t i o ni sv e r yi m p o r t a n ti nt e l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ，t h es y n c h r o n i z a t i o n e r r o rw i l lc a u s e si n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e ( i s i ) a n di n t e r - c a r d e ri n t e r f e r e n c e ( i c i ) ，a n d a f f e c t st h es y s t e mp e r f o r m a n c eb a d l y t h i st h e s i sd e a l sw i t ht h ea l g o r i t h m so fc a r d e r f r e q u e n c yr e c o v e r ya n dt i m i n gs y n c h r o n i z a t i o n ，w h e r et i m i n gs y n c h r o n i z a t i o ni n c l u d e sb o t h s y m b o lt i m i n gs y n c h r o n i z a t i o na n ds a m p l i n gc l o c ks y n c h r o n i z a t i o n i nt h et h e s i s ，f i r s t l yi n t r o d u c e st h em o b i l ed i g i t a lt e l e v i s i o ns t a n d a r d sa n dt h e a d v a n t a g e so fc m m bs y s t e mb r i e f l y s e c o n d l yb a s e do nt h eo f d mt e c h n 6 1 0 9 y ，t h ec m m b m o b i l ed i g i t a lt e l e v i s i o ns y s t e mi si n t r o d u c e di n d e t a i l t h i r d l y ，a f t e rg i v i n gas h o r t i n t r o d u c t i o nt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fw i r e l e s sc h a n n e l ，t h ei m p a c t so ft h es y n c h r o n i z a t i o n e r r o ri nc m m bs y s t e ma l ea n a l y z e d b a s e do nt h ec m m bs y s t e ms i g n a lm o d e l ，s y m b o l t i m i n gs y n c h r o n i z a t i o ne r r o r , s a m p l i n gc l o c ko f f s e te r r o ra n dc a r d e rf r e q u e n c yo f f s e te r r o r a r ea n a l y z e dc a r e f u l l y c l o c ks y n c h r o n i z a t i o ni n c l u d e ss y m b o lt i m i n gs y n c h r o n i z a t i o na n ds a m p l i n gc l o c k s y n c h r o n i z a t i o n a l g o r i t h m s o fs y m b o lt i m i n g s y n c h r o n i z a t i o na n ds a m p l i n g c l o c k s y n c h r o n i z a t i o na r ep r o p o s e di nc m m bs y s t e m s s y m b o lt i m i n gs y n c h r o n i z a t i o ni n c l u d e s c o a r s es y m b o lt i m i n gs y n c h r o n i z a t i o na n df i n es y m b o lt i m i n gs y n c h r o n i z a t i o n ，a n ds 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 ni n c l u d e sc o a r s es a m p l i n gc l o c ks y n c h r o n i z a t i o na n df i n es 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 i no r d e rt ov e r i f yt h ef e a s i b i l i t yo fc l o c ks y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h m s ， as e r i e so fs i m u l a t i o n sa r ep e r f o r m e di nc h i n e s et y p i c a lc h a n n e lm o d e l s ，a n dt h es i m u l a t i o n r e s u l t sa l ea n a l y z e df i n a l l y a l g o r i t h m so fc a r t i e rf r e q u e n c ys y n c h r o n i z a t i o na l ea l s op r o p o s e di nc m m bs y s t e m c a r d e rf r e q u e n c ys y n c h r o n i z a t i o ni n c l u d e sf r a c t i o nc 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 na n d i n t e g e rc a r d e rf r e q u e n c ys y n c h r o n i z a t i o n t h ef r a c t i o nc a r d e rf r e q u e n c ys y n c h r o n i z a t i o n a l g o r i t h mi sb a s e do nt h et w os a m es y n c h r o n i z a t i o ns i g n a l so ft h ep r e a m b l e ，a n dt h ei n t e g e r c a r t i e rf 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 mu t i l i z e st h ec o n t i n u a lp i l o t so fo f d ms y m b o l s i no r d e rt ov e r i f yt h ef e a s i b i l i t yo fc 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 na l g o r i t h m s ，as e r i e so f t l s i m u l a t i o n sa r ep e r f o r m e di nc h i n e s et y p i c a lc h a n n e lm o d e l s ，a n dt h es i m u l a t i o nr e s u l t sa r e a n a l y z e df i n a l l y k e yw o r d s ：m o b i l ed i g i t a lt e l e v i s i o n ；c m m bs y s t e m ；o f d m ；s 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 ；s a m p l i n gc l o c ks 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 i ! i 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 随着信息技术与通信产业的迅猛发展，手机数字电视作为新兴的多媒体业务成为 炙手可热的研究热点。手机数字电视是指融合地面数字电视广播和移动通信技术，为 手机提供接收地面数字电视广播的功能，满足用户在任何时间、任何地点、任何状态 下接收电视节目的需求。它是建立在移动数据业务的普及、手机性能的提高以及网络 传输能力增强的基础之上。 1 1 手机数字电视标准发展现状 随着手机电视商用期的到来，手机电视标准之争也愈发激烈。目前国际上有三大 主流手机电视标准：以数字广播为基础的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 a b r o a d c a s t i n g ) 标准、欧洲的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 ) 标准以及美国 高通的m e d i a f l o ( f o r w a r dl i n ko n l y ) 。t - d m b 是韩国推出的地面数字多媒体广播系 统。d v b h 是d v b 组织为通过地面数字广播网络向便携及手持终端提供多媒体业务 所制定的传输标准。m e d i a f l o 是美国高通公司于2 0 0 5 年推出的标准。 t d m b 虽然是由韩国推出的地面数字多媒体广播系统，从严格意义上讲，仍然是 欧洲的国家标准。该标准建立在欧洲厂商开发的尤里卡1 4 7 数字音频广播( d a b ) 系 统的基础上，在技术上作了一些修改，以便向手机、p d a 和其它便携设备传播空中数 字电视节目。t d m b 的最大优势是可以在不影响t d s c d m a 系统原有语音和数据业 务的基础上，为多媒体广播提供一个较高速率的传输通道，节约了大量成本。 d v b h 标准是欧洲d v b 组织在推出数字电视传输的系列标准以后，为通过地面 数字广播网络向便携及手持终端提供多媒体业务所制定的传输标准。d v b h 是建立在 d v b ( 数据广播) 和d v b t ( 传输) 两个标准之上的标准，被认为是d v b t 标准的 扩展应用。为了满足手持式装置接收的特性，如低功耗、高移动性与网络切换服务不 中断等要求，以保证在室内、户外、步行或行驶中的汽车上都能正常收看，作了相关 技术改进。为了降低功耗，d v b h 在耗电上的目标是将天线、电视调谐器和o f d m 译 码电路等的总耗电量控制在1 0 0 m w 以内；为提高电池的使用时间，终端周期性地关掉 一部分接收电路以节省功耗；为了满足便携的需求，d v b 终端的天线更小巧，移动更 为灵活；传输系统能保证在各种移动速率下顺利接收d v b h 业务；系统具有很强的抗 干扰能力，能提供足够的灵活性以满足不同传输带宽和信道带宽应用等。 m e d i a f l o 是高通公司专门为手机电视开发的系统，采用f l o 空中接口技术。他 只发射前向链路( d o w n l i n k ) 信号，而不接收移动终端反向发回( u p l i n k ) 的信号。f l o 空中 接口利用单频网广播技术，显著降低同时向多用户传送节目内容的成本，这使其成为 替代其它移动网络多播技术的更好方案。为保证低功耗，m e d i a f l o 只接收全部发射信 浙江大学硕士学位论文 号中的一部份，同时不减弱频率分集和时间分集的效果。m e d i a f l o 实现节目频道的快 速切换，在多数情况下频道捕获时间小于2 秒。基于特殊的帧结构设计，m e d i a f l o 技 术能够在一个射频信道内同时支持局域和广域覆盖，通过使用单频网络，不需要在覆 盖区域进行复杂的切换。为提供更高质量的服务，m e d i a f l o 技术采用了分层调制技术。 通过分层调制，数据流被分成所有用户均可解码的“基本层和只有收到较强信号的 用户可以解码的“增强层”。m e d i a f l o 在系统和终端表现上都优于t - d m b 和d v b h ， 比如频道切换时间和相同频带可容纳的频道数。但t - d m b 和d v b h 现在的商用成熟 度领先于m e d i a f l o 。 c m m b 【l 】【2 】【3 】【4 】，即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 ( q b 国移动多媒体广播) ， 是中华人民共和国国家广播电影电视总局发布的行业标准。c m m b 指通过卫星和地面 无线广播的方式，供7 英寸以下小屏幕、小尺寸、移动便携的手持类终端如移动通信 手机、p d a 、m p 3 m p 4 播放器、数码相机以及笔记本电脑等接收设备，随时随地接收 广播电视节目和信息服务等业务的系统。 2 0 0 6 年1 0 月，广电总局采纳s t i m i 技术并发布广播电视行业标准g y t2 2 0 1 2 0 0 6 移动多媒体广播第l 部分：广播信道帧结构、信道编码和调制。2 0 0 6 年11 月， 针对s t i m i 技术的结构和移动多媒体码流的特点，广电总局又发布了行业标准g y 厂r 2 2 0 2 2 0 0 6 移动多媒体广播第2 部分：复用。2 0 0 7 年8 月，广电总局发布了行业 标准g y 厂r2 2 0 3 2 0 0 7 移动多媒体广播第3 部分：电子业务指南，其规定了移动 多媒体广播系统中电子业务指南的数据结构、封装和传输方式。2 0 0 7 年1 1 月，广电总 局又颁布行业标准g y t2 2 0 4 - 2 0 0 7 移动多媒体广播第4 部分：紧急广播，紧急 广播是利用广播通信系统迅速向公众通告紧急事件的业务，当发生自然灾害、事故灾 难、公共卫生和社会安全等突发事件时，造成或者可能造成重大人员伤亡、财产损失、 生态环境破坏和严重社会危害，危及公共安全时，紧急广播可以提供一种迅速快捷的 通告方式。 c m m b 是针对我国幅员辽阔、传输环境复杂、东部地区城市密集、西部地区人口 稀疏的特点，以及用户众多和业务需求多样化的情况，立足我国国情，通过吸纳成熟 的先进技术设计的“天地一体化”的技术体系，拥有低成本、可快速实现移动多媒体广 播信号全国覆盖的优点，从而可以促进东西部“数字鸿沟”的弥合。 c m m b 系统采用我国自主研发的核心传输技术s t i m i 技术。s t i m i 技术体系利用大 功率s 波段卫星信号覆盖全国，利用地面增补转发器同频同时同内容转发卫星信号补点 覆盖卫星信号盲区，利用无线移动通信网络构建回传通道，从而组成单向广播和双向 交互相结合的移动多媒体广播网络。s t i m i 技术体系采用了最先进的信道纠错编码 一，d p c 编码、基于时隙的帧结构和o f d m 调制技术、逻辑信道技术、用于快速同步 的信标技术等一系列先进的技术，支持8 m h z 和2 m h z 带宽，数据率范围2 7 1 2m b p s 。 浙江大学硕士学位论文 c m m b 标准与三种国际手机数字电视标准性能比较结果如表1 1 所示。 表1 1c m m b 与t - d m b 、d v b h 、m e d i a f l o 标准性能对比 t d m bd v b hm e d i a f l oc m m b 带宽1 5 4 m h z6 8 m h z6 m h z8 m h z 最大传输速率 1 1 5 m b p s 12 m b p s ( 8 m h z ) 1 1 m b p s1 2 m b p s 频率分集 1 5 m h z8 m h z6 m h z8 m h z 时间分集 0 2 5 s 0 2 5 s 0 7 5 s 0 5 s 频道切换 1 5 s5 s1 5 s1 s 系统理论性能, ( e f f n o ) 2 0 d b2 o d b1 0 d b1 o d b 调制技术o f d mo f d mo f d mo f d m 信道编码r s + c o n vr s + c o n vr s + t u r b ol d p c 业务复接t s 流t s 流自定义 t s 流 逻辑信道无时分时频分 时频分 节电模式无 时分时频分时频分 q o s 支持 无无有有 1 2c m m b 手机数字电视系统的研究意义 由国家广播电影电视总局发布的c m m b 标准，具有完全自主知识产权，采用先进 的传输技术s t i m i 技术，将更能适应中国市场，具有广阔的市场前景。c m m b 标准具 有以下优势。 首先，c m m b 系统利用大功率s 波段卫星覆盖全国范围，利用地面增补转发器同 频同时同内容转发卫星信号，补点覆盖卫星信号盲区，实现全国天地一体覆盖。这个 “天地一体化”的技术体系是针对中国幅员辽阔、传输环境复杂、东部地区城市密集、 西部地区人口稀疏的特点，以及用户众多和业务需求多样化的情况而制定的，具有成 本低、效率高、可快速实现移动多媒体广播信号全国覆盖的优点。 其次，c m m b 标准中采用先进的s t i m i 传输技术。s t i m i 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， 采用了最先进的信道纠错编码l d p c 编码、基于时隙的帧结构和o f d m 调制技术、 逻辑信道技术、用于快速同步的信标技术等一系列先进的技术。l d p c 编码不仅提高了 接收灵敏度，而且极大地降低了整个编译器硬件执行的复杂性，利于芯片实现。星座 映射模式可以选用b p s k 、q p s k 和1 6 q a m 三种模式，适合传输不同服务质量要求的 3 浙江大学硕士学位论文 业务。o f d m 调制不仅提高了频谱利用率，并且提高了抗多径衰落的性能。时间域扩 频信标用于同步捕获，具有定时同步快、抗载波频偏能力前、抗多径时延扩展能力强 的特点。导频技术不仅保证了复杂无线传输条件下可靠的信道估计和均衡，而且降低 了解调模块硬件复杂度，利于芯片实现。时隙技术大大降低了终端功耗，有效提高了 终端续航能力。 最后，出于频段划分的可行性考虑，c m m b 系统可良好地应用于3 0m h z , - , 一3 0 0 0 m h z 频率范围内，所覆盖的频率范围广。根据我国频谱资源的情况，目前c m m b 系 统选择了2 6g h z ，带宽2 5m h z ，支持2 5 套电视节目和3 0 套广播节目以及数据业务。 1 3 本文的主要工作及结构安排 本文主要针对c m m b 手机数字电视系统的同步算法进行了研究，主要内容安排如 下： 第二章首先简要介绍了o f d m 技术基础，然后详细介绍了c m m b 手机数字电视 系统。详细讲述了c m m b 系统物理层结构，物理层帧结构组成及频域o f d m 符号的 组成。 第三章介绍了无线信道特征，然后分析同步误差的存在对c m m b 系统性能影响。 在建立c m m b 系统信号模型基础上，分析了符号定时同步误差，采样钟偏移误差，载 波频偏误差对c m m b 系统接收机性能的影响。 第四章是时钟同步算法及仿真。时钟同步包括符号定时同步和采样钟同步两个部 分。本文提出了适用于c m m b 手机数字电视系统的符号定时同步算法和采样钟同步算 法。符号定时同步包括粗符号定时同步和细符号定时同步，采样钟同步也包括粗采样 钟同步和细采样钟同步。粗符号定时同步在f f t 前利用信标结构中两个完全重复的同 步信号完成，细符号定时同步是在f f t 后利用o f d m 符号中的离散导频信号完成。采 样钟同步都是在f f t 后完成的，粗采样钟同步利用了同步信号作捕获，细采样钟同步 利用o f d m 符号中连续导频信号作跟踪。为了验证算法的可行性，将符号定时同步算 法和采样钟同步算法在中国典型信道模型下进行仿真，并分析仿真结果。 第五章是载波频率同步算法及仿真。提出了适用于c m m b 手机数字电视系统的载 波频偏估计算法。载波频偏估计主要分为分数载波频偏估计和整数载波频偏估计。分 数载波频偏估计是利用信标结构中的两个完全重复的同步信号完成的，整数载波频偏 估计是利用o f d m 符号中的连续导频信号来完成的。为了验证算法的可行性，将分数 载波频偏估计算法和整数载波频偏估计算法在中国典型信道模型下进行仿真，并分析 仿真结果。 第六章是全文的总结。 4 浙江大学硕士学位论文 第二章c m m b 手机数字电视系统 2 1o f d m 基础 o f d m ( 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 ) 即正交频分复用，它是由多 载波传输技术衍生而来。单一载波传输技术是把数据流放在单一载波通道上来传送， 而多载波传输技术是把数据流分解为若干个子比特流，每个子数据流具有低得多的比 特速率，用这样低比特率形成的低速率多状态符号再去调制相应的子载波，从而构成 多个低速率符号并行发送。在单载波系统中，一个衰落或干扰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。 在传统的频分复用中，将整个频带划分成个不重叠的子带，在接收端用滤波器 组进行分离。这种方式可以简单的避免通道间干扰，但是频谱利用率低。o f d m 各个 子载波有1 2 的重叠，但保持相互正交，在接收端通过相关解调技术分离出来，避免使 用滤波器组，同时显著提高频谱利用率。从图2 1 可以看出，使用o f d m 传输技术比 使用传统的频分复用技术可以减少约5 0 的带宽。 信道1信道2信道3信道4信道5信道6 ( a ) 信道1 2 3 456 ii 频率 节省的带宽 一一 yyyy 、 f i 频率 ( b ) 图2 1 ( a ) 子信道非重叠的传统频分复用( b ) o f d m 信道分配 2 1 1o f d m 系统框图 o f d m 将信道分成若干个带宽相等的子信道，将输入的高速串行数据流转换成并 行的低速数据流，分别调制到一组相互正交的子载波上，上变频到射频信号发送到无 线信道中。接收端利用这些子载波之间的正交性，将每一路信号分离出来，从而实现 解调。由于各个子载波之间是正交的，因此在发送端，可以采用i f f t 来实现调制，在 5 浙江大学硕士学位论文 接收端，可以采用f f t 来实现解调。o f d m 技术采用循环前缀作为保护间隔，可以有 效地消除码间干扰( i s i ) ，保持子载波间的正交性，对抗子载波间干扰( i c i ) 。 o f d m 系统典型框图如图2 2 所示。上半部分表示发射机链路，下半部分对应于 接收机链路 4 0 1 。 图2 2o f d m 系统典型框图 串行数据经过通过串并变换转换器形成若干路并行数据，每路信号分别进行星座 图映射。星座图映射存在多种模式，包括b p s k 、q p s k 、4 q a m 、1 6 q a m 等。利用 i d f t i f f t 处理把信息数据调制到多个相互正交的子载波上并行发送。通过并串转换器 把并行信号变成串行信号。加上循环前缀，即把o f d m 符号的最后几个样点复制到最 前面，用于抑制多径衰落引起的码间干扰。通过数模转换器把数字信号变成模拟信号， 发送到信道中。接收机链路是发射机链路的逆过程。首先把接收到的模拟信号通过模 数转换器变成数据信号，去除循环前缀后，通过串并转换器变成并行数据信号。利用 d f t f f t 解调数据信息，通过星座图解映射后，通过并串转换器变成串行数据流输出。 2 1 2 正交性 o f d m 中各子载波之间是正交的，如图2 3 所示。每一个子载波频率的最大值处， 所有其他子信道的频谱值恰好为零。由于在接收端对o f d m 信号作解调时，需要计算 这些点上所对应的每一个子载波频率的最大值，因此可以从多个相互重叠的子信道符 号频率中提取每个子信道符号，而不会受到其他子信道的干扰。 6 浙江大学硕士学位论文 图2 - 3 ( a ) o f d m 中一个载波的频谱( b ) o f d m 中多个子载波频谱 2 1 3 循环前缀 o f d m 技术能够有效地对付无线信道中多径时延扩展问题。通过将串行的数据流 分成个子载波，则每个子载波上的数据率就会降低倍。为了消除码间干扰( i s i ) ， 可以在o f d m 数据体前加入保护间隔，只要保护间隔大于时延扩展，就无码间干扰。 保护间隔可以不包含信号( 即全o ) ，但这样会造成子载波间的干扰( i c i ) ，因为此 时子载波之间不再是正交的。通过引入循环前缀作保护间隔就解决了此问题。循环前 缀就是o f d m 数据体的最后部分复制到最前面，如图2 4 所示。 厂、 循环 l i i 前缀 l i j，、nop p t 革几j 辛 1 r 一、j - 7一j1 7 、j 队，叉 一 n c n 詹位旦必由 一 一u r u i v l l 可弓区厦 一 图2 4o f d m 符号的循环前缀 7 浙江大学硕士学位论文 由图2 5 可知，每个o f d m 符号加上循环前缀后，只要多径信道的延时小于循环 前缀的长度，对接收端的解调均不会造成损害。因为多径延时虽然对循环前缀内的信 号造成了干扰，但并没有落在f f t 窗口范围之内，所以多径延时小于循环前缀长度的 码间干扰并不会影响接收端对数据的正确解调。 无延时信号 循环循环 前缀前缀 多径延时信号 2 1 4o f d m 优缺点 li 卜一f f t 窗口叫 图2 5 抗多径干扰示意图 o f d m 系统具有如下优点。 ( 1 ) 频谱利用率高。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 用频带分离子信道的方式，提高了频谱利用率。 ( 2 ) 抗衰落能力强。o f d m 把用户信息通过多个子载波传输，在每个子载波上的 信号时间比同速率的单载波系统上的信号时间长很多倍，使得其对脉冲噪声和信道快 衰落的抵抗力更强。 ( 3 ) 适合高速数据传输。o f d m 自适应调制机制使不同的子载波可以按照信道情 况和噪声背景的不同使用不同的调制方式。当信道条件好的时候，采用效率高的调制 方式；信道条件差的时候，采用抗干扰能力强的调制方式。 ( 4 ) o f d m 采用了循环前缀，对抗码间干扰的能力很强。 ( 5 ) 实现简单。o f d m 调制解调只需要用i f f t 和f f t 就可完成。由于大量导频 的存在，接收机只要在频域作简单的二维内插就可以得到精确的信道估计【4 0 】。 o f d m 系统具有如下缺点。 ( 1 ) 对同步要求很高，对载波频率偏移非常敏感，o f d m 技术区分各个子信道的 方法是利用各个子载波之间严格的正交性，同步误差的存在会使得各个子载波之间的 正交特性恶化。 ( 2 ) 存在p a p r 即峰均功率比大的问题，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 r 浙江大学硕士学位论文 较大的峰值功率，也就会带来较大的峰值均值功率比，即峰均功率比。峰均功率比大 会增加系统对射频放大器的要求，导致射频信号放大器的功率效率降低 4 0 】。 2 2c m m b 系统物理层结构 c m m b 标准定义了在3 0m h z 3 0 0 0m h z 频率范围内，移动多媒体广播系统广播信 道物理层各功能模块，给出了移动多媒体广播信道物理层传输信号的帧结构、信道编 码、调制技术以及传输指示信息。该标准定义的广播信道物理层带宽包括8m h z 和2 m h z 两种选项。广播信道物理层以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，同时提供一路或多路独立的广播信道。物理层逻辑信道支持多种编 码和调制方式用以满足不同业务、不同传输环境对信号质量的不同要求。该标准定义 的广播信道物理层支持单频网和多频网两种组网模式，可根据应用业务的特性和组网 环境选择不同的传输模式和参数。物理层支持多业务的混合模式，达到业务特性与传 输模式的匹配，实现业务运营的灵活性和经济性【l 】。 移动多媒体广播系统广播信道物理层通过物理层逻辑信道( p l c h ) 为上层业务提 供广播通道。物理层逻辑信道分为控制逻辑信道( c l c h ) 和业务逻辑信道( s l c h ) 。 控制逻辑信道用于承载广播系统控制信息，业务逻辑信道用于承载广播业务。物理层 只有一个固定的控制逻辑信道，占用系统的第0 时隙发送。业务逻辑信道由系统配置， 每个物理层带宽内业务逻辑信道的数目可以为1 - 3 9 个，每个业务逻辑信道占用整数个 时隙，如图2 6 所示【1 】。 一 ； 1r 1r 1r 1 r1 r i ic l c hs l c h 0s l c h ls l c ms l c h l i p l c h l 一 一 1r1 r1 r1r1r l信道编码、调制、时隙分配 i ， 上0上上 、 ， 上上上 1 1 时隙 时隙 时隙时隙 时隙 时隙 时隙时隙时隙时隙时隙 ol2345kk 十ll ( + 23 83 9 图2 6 移动多媒体广播系统广播信道物理层逻辑信道 9 浙江大学硕士学位论文 物理层对每个物理层逻辑信道进行单独的编码和调制，其中控制逻辑信道采用固 定的信道编码和调制模式：r s 编码采用r s ( 2 4 0 ，2 4 0 ) ，l d p c 编码采用1 2 码率，星座映 射采用b p s k 映射，扰码初始值为选项0 。业务逻辑信道的编码和调制模式根据系统需 求可灵活配置，配置模式通过系统控制信息向终端广播。根据编码和调制参数不同， 物理层可提供不同的传输净荷。 物理层逻辑信道的编码和调制功能框图见图2 7 。来自上层的输入数据流经过前向 纠错编码、交织和星座映射后，与离散导频和连续导频复接在一起进行o f d m 调制。 调制后的信号插入帧头后形成物理层信号帧，再经过基带至射频变换后发射【1 】。 l r s 编码和 l d p c比特星座 +- ，+ 字节交织编码交织映射 2 r s 编码和l d p c比特星座 + 字节交织编码交织映射 o f d m 基 频 带 到 域o f d m 成射 r s 编码和 l d p c比特星座 符 扰 调 帧 + 频+ 字节交织。1 + 号 码 + 编码交织映射 制 形 的 成 变 l 传输l 换 i 指示卜 连续i i 信息i 导频r 一 厂 离散1 导频r 1 _ j 图2 7 物理层功能框图 2 3c m m b 系统物理层帧结构 物理层信号每1 秒为1 帧，划分为4 0 个时隙。每个时隙的长度为2 5m s ，包括1 个信 标和5 3 个o f d m 符号。基于时隙划分的帧结构见图2 8 0 。 1 0 浙江大学硕士学位论文 臣困回 基二二二茵 二二二至委三三二二二 三三三三三至至三三二 亟一一一一一一囤 t x i d同步信号同步信号 2 3 1 发射机标识信号 图2 9 信标结构 发射机标识信号( f ) 为频带受限的伪随机信号，用于标识不同发射机。( f ) 长 度记为，取值为3 6 0u s 。发射机标识信号的表达式如式( 2 一1 ) ： ( f ) = 瓦1 笠1 ( f ) e j 2 x i ( a f 枞一k ) ，o f ( 2 - 1 ) v d i - - 0 其中，d 表示发射机标识信号的子载波数，根据不同物理层带宽有不同的取 值。当色= 8m h z 时，d 等于2 5 6 ；当b = 2m h z 时，等于6 4 。( f ) 是指 承载发射机标识序列的b p s k 调制信号，它由发射机标识序列t x l o ( k ) 映射产生，映射 方法如式( 2 2 ) 和式( 2 3 ) ： 彰= 8 m h z ： 浙江大学硕士学位论文 乃= 2 m h z ： 1 1 - 2 x t x l d ( i - 1 ) , 1 i 5 9 5 如( 力= 0 ， i = o 或9 6 s i 1 5 9 ( 2 2 ) 1 1 2 t x l d ( i - 6 5 ) ， 1 6 0 i 2 5 5 1 1 - 2 x t x l d ( i - 1 ) ， 1 i 1 8 如( f ) = o ， i = 0 或1 9 f 4 4 ( 2 3 ) 1 1 - 2 x t x l d ( i 一2 7 ) ，4 5 i 6 3 发射机标识序列a ，d ( 后) 长度为1 9 1 比特( b = 8m h z ) 或3 7 比特( 巧= 2m h z ) ， 定义见c m m b 标准第1 部分。( a t ) 仍表示发射机标识信号的子载波间隔，取值为 3 9 0 6 2 5k h z 。咒d c p 表示发射机标识信号的循环前缀长度，取值为1 0 4u s 。 2 3 2 同步信号 同步信号s 。( ，) 为频带受限的伪随机信号，长度记为乃。同步信号如式( 2 - 4 ) ： s 6 ( f ) = 瓦1j 刍- i ( f ) e j 2 m ( a f ) b t , 0 _ t t b ( 2 - 4 ) 其中6 表示同步信号的子载波数，6 根据不同物理层带宽有不同的取值。当 b = 8m n z 时，6 等于2 0 4 8 ：当乃= 2m h z 时，6 等于5 1 2 。瓦( f ) 表示承载二进 制伪随机序列尸m ( 后) 的b p s k 调制信号，它由p 6 ( 七) 映射产生，映射方式如式( 2 5 ) 和 b f = 8m h z - 1 1 2 x p n b ( f 1 ) ， 1 i 7 6 8 五( f ) = 0 ， i = o 或7 6 9 i 1 2 7 9 ( 2 5 ) 1 1 2 x p n o ( i 一5 1 2 ) ， 1 2 8 0 i 2 0 4 7 毋= 2 m h z ： 1 2 浙江大学硕士学位论文 ( 2 6 ) 二进制伪随机序列矾( 后) 由图2 1 0 所示线性反馈移位寄存器产生，生成多项式 为：一1 + ，+ 1 。移位寄存器初始值对每个同步信号均相同，为0 111 0 1 0 11 0 1 1 。 图2 1 0 同步信号伪随机序列生成器 ( a f ) 6 为同步信号的子载波间隔，取值为4 8 8 2 8 1 2 5 k h z 。 2 3 3o f d m 符号 o f d m 符号由循环前缀( c p ) 和o f d m 数据体构成，见图2 1 l 【1 】。o f d m 数据 体长度( 巧) 为4 0 9 6u s ，循环前缀长度( ) 为5 1 2u s ，o f d m 符号长度( 五) 为4 6 0 8 一、 c po f d m 数据体 乃 瓦 2 3 4 保护间隔 图2 1 lo f d m 符号 发射机标识信号、同步信号和相邻o f d m 符号之间，通过保护间隔( g i ) 相互交 叠，保护间隔的长度( 乇) 为2 4u s 。相邻符号经过窗函数w ( t ) a n 权后，前一个符号 5 4、，一 塔舛 一 一3 筠，一艾惹攒 船跣 以嘞m o = o，巩 浙江大学硕士学位论文 的尾部g i 与后一个符号的头部g i 相互叠加，叠加方式见图2 - 1 2 i 。窗函数w ( t ) 定义 如式( 2 7 ) ： 图2 - 1 2 保护间隔间的交叠 1 0 5 + 0 5 c o s ( 万+ 肼) ，0 t w ( t ) = 1 ， f ( t o + 互) + ( 2 - 7 ) 【0 5 + 0 5 c o s ( 万+ 万( 瓦+ 互一f ) ) ，( t o + 互) + f ( t o + 互) + 2 式中t o 表示数据体长度，互表示循环前缀长度，其取值如表2 - 1 所示 1 】。 表2 - 1 t o 和王取值 信号 t o ( u s )五( u s ) 发射机标识信号 2 5 61 0 4 同步信号 4 0 9 6o o f d m 符号 4 0 9 65 1 2 其中，符号交叠时，每时隙中两段同步信号作为一段信号处理，两段同步信号间 不加保护间隔。 保护间隔信号的选取方式如图2 - 1 3 所示【1 】。 1 4 浙江大学硕士学位论文 复制 吖 ，