（通信与信息系统专业论文）atsc+dtv系统中定时技术研究.pdf

摘要 本文针对全数字a t s c 接收机，对定时恢复算法进行了研究和改进。首先介 绍了a t s c 数字电视标准，阐述了全数字接收机中的定时恢复算法的一般原理和 关键技术，论证了补偿算法的意义和作用。接着提出了利用场同步进行预处理提 高定时恢复环路稳定性的方法，并通过使用一个新颖的段同步补偿算法的结构， 提升了定时恢复算法在多径下的性能。最后以a t s c 标准的8 - v s b 为例，仿真了 几种定时恢复算法在不同类型多径下的性能。整个系统已经完成m a t l a b 和c 语言的仿真，为集成电路芯片的实现做好了准备。 关键字：定时补偿定时恢复a t s c 接收机 a b s t r a c t i nt h i sp a p e rt i m i n gr e c o v e r ys c h e m ei na l l d i g i t a la t s cr e c e i v e r si ss t u d i e da n d i m p r o v e d f i r s t l y , a t s cs t a n d a r di sp r e s e n t e d ，a n db a s i cp r i n c i p l e sa n dk e yt e c h n i q u e s i nt i m i n gr e c o v e r ya r ed i s c u s s e d n e x t ，t h ev a l u ea n de f f e c to f c o m p e n s a t i o nt e c h n i q u e i sd e m o n s t r a t e d a tt h em e a n t i m e ，p r e t r e a t m e n tu s i n gf i e l ds y n ci sp r o p o s e dw h i c hc a l l i m p r o v et h es t a b i l i t yo f t i m i n gr e c o v e r yl o o p t h e nan e wc o m p e n s a t i o ns c h e m eu s i n g s e g m e n ts y n ci sc o n s t r u c t e d ，w h i c hc a nu p g r a d et h ep e r f o r m a n c eo f t i m i n gr e c o v e r y u n d e rm u l t i p a t h f i n a l l y t a k i n g8 - v s bi na t s cs t a n d a r df o re x a m p l e ，p e r f o r m a n c eo f s e v e r a lt i m i n gr e c o v e r ys c h e m e si ss i m u l a t e du n d e rd i f f e r e n tm u l t i p a t h t h ew h o l e s y s t e mh a sb e e ns i m u l a t e dw i t hm a t l a b a n dc ，a n di sr e a d yf o ra s i c ( a p p l i c a t i o n s p e c i f i ci n t e g r a t e dc i r c u i t s ) i m p l e m e n t a t i o n k e yw o r d ：t i m i n gc o m p e n s a t i o n t i m i n gr e c o v e r y a t s cr e c e i v e r 学位论文创新性声明 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 本人签名 本人承担一切的法律责任。 目期：趟2 11 ：! 竺 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 结合学位沦文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电予科技大学。 ( 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： 钡! 牟 燃 日期：日主! ! 芝 日期：耳l l t 盟 第一章绪论 第一章绪论 高清晰度数字电视( h d t v ) 是数字信号处理、大规模集成电路制造、计算 机等领域的多项高科技成果的结晶，是继黑白电视、彩色电视之后的第三代电视。 目前，高清晰度数字电视技术已作为一项重大产业越来越受到各国的重视，蕴藏 着巨大的市场潜力。 1 1 研究背景 现在世界上已经形成了三大数字电视标准体系：美国的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 ) 、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 ) 以及日 本的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 8 7 年2 月1 7 日，美国5 8 个广播组织及公司向美国联邦通信委员会( f c c ： f e d e r a lc o m m u n i c a t i o n sc o m m i t t e e ) 提出开始h d t v 研究的建议，同年1 1 月1 7 日，f c c 组建的先进电视业务咨询委员会( a c a t s 。a d v i s o r yc o m m i t t e eo n a d v a n c e dt e l e v i s i o ns e r v i c e ) 标志着美国民用h d t v 研究的正式丌始。1 9 8 8 年， f c c 曾要求美国a t v 必须与现行n t s c 制式兼容，但随着美国的全数字h d t v 研制的飞速发展，经过专家组论证，1 9 9 0 年春，f c c 决定放弃与现有n t s c 制式 兼容的要求而选择“同播”( s i m 、1 l c a s t ) 方式，提出了关于h d t v 的指导性意见。 在f c c 确定了h d t v 的发展框架之后，美国有关公司、研究单位、大学参 加了h d t v 方案的角逐。a c a t s 给f c c 提交了一份推荐报告，对前期丌发h d t v 的情况进行全面总结，并推荐四种全数字h d t v 方案：d i g i c i p h e r ，d s c h d t v ， a d - h d t v ，c c d c 。为了获得一个各方面均可达到设计指标的h d t v 方案，f c c 希望四种方案能取长补短，综合形成一种最优方案。1 9 9 4 年5 月，公御正式的大 联盟( g a ，g r a n d a l l i a n c e ) 方案，该方案集中了其它几种方案的优点，采用2 1 3 速率的t c m 和能纠正l o 个错误字节的r s ( 2 0 7 ，1 8 7 ) 组成的级联码，同时采 用前向7 8 阶，后向1 7 7 阶的自适应判决反馈均衡器，利用梳状滤波器束抑制n t s c 的同频干扰。在1 9 9 6 年1 2 月2 4 日正式采纳g a 的h d t v 标准作为高清晰度电 视的正式标准。 由于数字h d t v 的巨大优越性，欧洲于1 9 9 3 年放弃了模拟h d t v 研制，大 力推广数字h d t v 的研究，成立了欧洲开发数字图像广播行动小组( e l g ， e u r o p e a nl a u n c hg r o u p ) ，包括1 1 个国家的1 3 0 多个组织。将归属在e l g 下制定 的数字总规划称为d t b 2 0 0 0 。其地面广播的信源编码采用m p e g 2 ，信道编码用 c o f d m ，伴音用m u s i c a m 。o f d m 是一种多载波调制技术，其基本思想是把 2a t s cd t v 系统中定时技术研究 高速率的信息流通过串并变换，形成n 个并行的低速率流，然后用n 个相互正 交的载波进行调制。c o f d m 是结合了信道编码的o f d m 技术，它用编码技术结 合时域和频域交织技术来消除信道的频率选择性衰落。 9 0 年代中期，欧洲制定了数字电视传输标准，称为d v b 。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。 d v b - s ( 数字卫星电视系统) 和d v b c ( 数字有线电视系统) 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。 1 9 7 2 年，日本广播协会( n h i ( ，n i p p o nh o s ok y o k a i ) 首先开始了h d t v 的 研究工作，分别在1 9 8 7 年和1 9 8 3 年公布了非兼容制的h d t v 系统和在卫星广播 中的m u s e ( m u l t i p l es u b - n y q u i s ts a m p l i n ge n c o d i n g ) 制式，并在1 9 8 6 年的c c i r ( c o n s u l t a t i v ec o m m i t t e eo f i n t e r n a t i o n a lr a d i o ，国际无线电咨询委员会) 第1 6 次 全会上进行m u s e 的现场演示。1 9 9 1 年1 1 月开始的正式h d t v 卫星广播标志 m u s e 技术的成熟。m u s e 是一种模拟h d t v ，无法充分利用现代数字技术。9 0 年代后期由于国际上数字电视强劲发展，n h k 只能转移到数字电视的轨道上来， 放弃m u s e 的推广，提出日本的数字电视制式，最终于9 8 年由日本数字广播专 家组d i b e g ( d i g i t a lb r o a d c a s t i n ge x p e r tg r o u p ) 制定了自己的标准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 ，综合业务数字广播) 。日本也选用了 c o f d m ，但又根据自己的研究有所创新，提出了综合业务数字地面广播( i s d b t ) 方案。与欧洲标准不同的是它将整个带宽分割成若干个频率段，称为o f d m 段。 i s d b - t 的带宽分为两种：5 6 m h z ( 宽带i s d b - t ) 和4 3 0 k h z ( 3 0 0 0 7 k h z ，窄带 i s d b - t ) 。每个o f d m 段可以独立的选取调制方式、内码码率和时间交织，使之 能够满足综合业务接收机的需要，提供灵活多样的广播服务。 目前，美国、韩国、加拿大等少数几个国家和地区采用了a t s c 标准，欧洲 大部分国家如英国、德国、西班牙等，以及澳大利亚、巴西、墨西哥、新加坡、 我国香港等较多数国家和地区采用了d v b 标准，仅日本采用i s d b 标准。数字电 视的发展有三个阶段：传统视频音频业务数字广播，增值数据广播服务，交互数 字电视服务。国外发达国家正在渗透第一阶段市场，开发第二阶段业务。美国国 会制定了一个计划，规定2 0 0 6 年美国全部的模拟电视要被数字电视所替代。日本 计划定于2 0 1 0 年全国数字电视地面广播收视率达到8 5 以上，同时在2 0 1 0 年结 束模拟电视地面广播。预计到2 0 1 0 年全球数字电视及相关产业产值将达到3 0 0 0 亿美元，数字电视将成为世界经济新的增长点。 第一章绪论 1 2 我国数字电视的发展 为了占领数字电视发展的制高点，保护和促进我国数字电视及相关产业的发 展，国家科委于1 9 8 9 年组织了“高清晰度电视科学研究专家组”及“八五高清晰 度电视攻关课题”，确定了我国高清晰度数字电视的发展方向。1 9 9 3 年国家科委 组织成立了“高清晰度电视战略研究专家组”，为我国的数字高清晰度电视发展做 出了规划安排。国务院成立“h d t v 协调小组”，其成员由广电部、电子部等部委 的负责人组成，同时这个协调小组还专门成立了办公室，下面设有“h d t v 专家 组”、 h d t v 总体组”。“九五”期间，h d t v 作为国家重点科技产业工程项目，国 家科委高技术研究发展中心就h d t v 功能样机系统的7 个专题进行了公开招标。 1 9 9 6 1 9 9 8 年，“h d t v 总体组”组织实施“数字h d t v 功能样机系统”的研制并演 示，1 9 9 8 年9 月8 日，世界第四台h d t v 功能样机系统在北京宣布诞生并进行 了为期一周的演示。并且中央电视台于1 9 9 9 年l o 月1 日，采用我国自行研制的 数字电视地面广播系统，对国庆节阅兵式进行了试播。 我国在数字电视地面传输领域已经逐步形成了多个具备自主专利技术的实现 方案；国家高清晰度数字电视总体组( 上海交通大学，浙江大学和西安电子科技 大学) 的c o f d m 和a d t b t 方案，广播科学研究院的q a m ，清华大学提出的 d m b - t ( t e r r e s t r i a ld i g i t a lm u l t i m e d i at e l e v i s i o nb r o a d c a s t i n g ) 的t d s o f d m 方 案和成都电子科技大学的o f d m 方案等。面对国外标准咄咄逼人的商业化气势， 这对我国标准的制定除了压力之外，更包含着巨大的发展契机。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 ，s i n g l ef r e q u e n c yn e t w o r k ) 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。在2 0 0 6 年7 月，国 家标准出台，国家标准整合v s b 和c o f d m 技术，标志着我国h d t v 产业化正 式开始。 近年来，国内在日用电子消费品上的产能不断增加，已经向欧美国家出口大 量h d t v 机顶盒等数字电视产品，但其中的数字电视的核心芯片的制造技术还掌 握在欧美国家手中，随着国内i c 设计技术的发展以及国内生产企业降低成本的要 求，迫切需要拥有自主知识产权的h d t v 芯片，可以预见，h d t v 芯片存在着很 大的市场需求。 1 3 本文的主要工作 本文主要研究了全数字a t s c 接收机中的定时恢复技术，详细讨论了全数字 定时恢复技术的主要功能模块，针对a t s c 数据格式，给出了多个定时恢复算法， 4a t s cd t v 系统中定时技术研究 分析了其优劣为了获得良好的多径性能，运用定时补偿技术提升定时饮复算法 的性能，结合段同步的性质，提出了基于段同步的定时补偿算法。本文的主要工 作有： 分析了定时恢复算法的基本思想，剖析了其中的各个模块的结构，以及这些 模块对定时恢复算法性能的影响。 给出多个定时恢复算法，分析和比较了这些定时恢复算法的优缺点以及对抗 多径的性能。 研究了定时补偿算法的意义，提出了段同步补偿算法，提出了新颖的补偿算 法的结构，提出了段场同步联合检测算法，同时，还利用场同步对信号的采样偏 进行粗略估计，从而提高定时环路的性能。 本文共分七章，具体安排如下： 第二章介绍了a t s c 系统的传输方案，对发射机和接收机分别做了说明，同 时还讨论了信道模型，正是通过信道模型来衡量定时恢复算法的优劣。 第三章分析了定时恢复算法的原理，给出了全数字接收机中定时恢复算法的 基本结构。分别说明了各个关键模块的结构与原理，指出这些模块对定时恢复模 块性能的影响。 第四章讨论了全数字a t s c 接收机中的几种典型的定时恢复算法，比较了这 些算法在多径下的性能，接着说明了在多径情况下补偿算法的优越性，介绍了场 同步补偿算法，提出了段同步补偿算法，分析这两种补偿算法的优劣。还给出了 利用场同步进行牟r 略定时误差估计的算法。 第五章通过仿真比较了几种典型的定时恢复算法的性能，对其中的关键模块， 段场同步检测和内插滤波器的性能作了仿真比较。 第二章a t s c 传输系统的结构 第二章a t s c 传输系统的结构 a t s c 数字电视标准【1j 【2 】使用了6 m h z 带宽的地面广播通道，可以可靠的传送 约1 9 m b p s 的数字信息，而在6 m h z 带宽的电缆通道中则可传送3 8 m b p s 的数字 信息。系统的方框图如图2 1 所示，采用i t u - rt e c hg r o u p l l 3 模式系统由三 个子系统组成：1 ) 源编码和压缩；2 ) 业务复用与传送；3 ) r f 发射系统。 图2 1i t u r 数字地面广播系统 源编码与压缩分别用来得到视频、音频和辅助数据流。辅助数据( a n c i l l a r y d a m ) 指控制数据、条件接收控制数据和与视频、音频节目有关的数据，如隐蔽 字幕等。数字电视系统采用m p e g - 2 视频编码和a c - 3 数字音频编码。地面广播 系统采用8 电平残留边带( 8 - v s b ) 调制技术，电缆通道则采用1 6 - v s b 调制。 本文只讨论地面广播模式，即8 - v s b 调制。 2 1a t s c 发射机 发射机的结构如图2 2 ，输入数据首先进行随机化，然后进行前向纠错编码， 附加2 0 字节纠错码后，每个数据包变为2 0 8 字节，再经2 3 格形编码输出到复 用器，与数据段同步和场同步复接。由于地面传输条件恶劣，a t s c 采用段场结 构，在数据符号流中周期性的插入段同步和场同步。其数据帧结构如图2 3 所示。 6 a t s cd t v 系统中定时技术研究 翻2 2 发射机结构 每个数据帧( d m af r a m e ) 分为两个数据场( d a mf i e l d ) ，每个场有3 1 3 个数 据段( s e g m e n t ) ，其中第一个数据段是场同步( d a mf i e l ds y n c ) ，包括用于接收 机均衡的训练序列。剩余的3 1 2 段数据，每个数据段携带了1 8 8 字节的信息和前 向纠错编码。由于有交织，因此实际上每段中的数据可能来自不同的数据包。一 段有8 3 2 个符号，每个数据段的前4 个符号为段同步( d a m s e g m e n t s y n c ) ，是+ 5 ， - 5 ，- 5 ，+ 5 的脉冲。段同步和场同步均采用2 电平的映射方式，有助于简化接收 机利用段场同步时的复杂度。 4 卜一8 2 8 s y m b o l s 叫 卜絮嚣叫 图2 38 - v s b 数据帧结构 在6 m h z 带宽内的频谱如图2 4 所示，在两侧各安排了形状为平方根升余弦 响应的过渡段各3 1 0 k h z ，3 d b 带宽为6 - 0 6 2 = 5 3 8 m h z ，可以支持的符号率为 母= 2 x 5 3 8 = 1 0 7 6 m h z( 2 1 ) 这样段速率为厶= 母8 3 2 = 1 2 9 4 k s e g j ， 帧速率为厶= 厶6 2 6 = 2 0 6 6f r a m e j 。 由此得到符号率与传送输出比特率的关系是 瑶 n 丁f凇i卡撇i上|卜bli卡i一上 一 3 聊 ，刚 第二章a t s c 传输系统的结构 7 e = 2 x ( 1 8 8 2 0 8 ) x ( 3 1 2 3 1 3 ) s ，= 1 9 3 9 m b p s i o 0 7 o翰 苓 ( 2 - 2 ) o ，3 1 一卜 5 3 8 m h z 叫卜卅3 1 图2 4v s b 信道频谱安排 8 - v s b 传输系统使用2 3 格形编码，也就是说对于输入的2 比特，其中l 比 特不进行格形编码处理但进行预编码处理，而另一个比特则进行格形编码处理， 比率是l 2 。格形编码使用的调制波形是8 电平( 3 比特) 一维星座图，如图2 5 所示。 干扰滤波预娃理器格形编码嚣 8 电平符号匹配嚣 。，一r 、 y 2 m a p 7 划 r毛o ix r 0 0 0- 7 0 0 15 00- 3 y l x 1 0l- l 旧嫡 r 1 0 0+ l 1 0 l ” 寸 l l o+ 5 1 1 l + 7 ( d - 1 2 符号时延) 图2 58 - v s b 预处理、格形编码和符号映射 经过格形编码的数据最后经1 2 一l 复用器并插入数据段同步和数据场同步最 后输出，数据段的结构如图2 6 所示。 数据段数据+ 纠错码数据段 同步 | | 同步 | | |f 目坠 叫 4 符号7 8 2 8 个符号4 符号 插入前 r 【l 平 ；f 、 2 0 8 b y k 图2 68 - v s b 的数据段结构 8a t s cd t v 系统中定时技术研究 场同步的结构如图2 7 所示，开始于数据段同步二进制信号，与普通段同步 信号一样，占4 个符号位“1 0 0 1 ”( 这里“1 ”代表“+ 5 ”，“0 ”代表“5 ”) 。随 后是由9 个移位寄存器产生的5 l l 比特最大长度伪随机序列p n 5 1 l ，起始值是 “0 1 0 0 0 0 0 0 0 ”。接着是三段同样的由6 位移位寄存器产生的6 3 比特最大长度伪随 机序列p n 6 3 ，起始值是“1 0 0 1 1 1 ”。中间一段的p n 6 3 序列每隔一个数据场求一 次反。紧接着3 个p n 6 3 的是v s b 模式共占2 4 个符号位，前两个字节是预留的， 建议填入的码是“0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 ”。下两个字节定义为p a b c p a b c ，其中p 是偶校验比特，也是m s b 位，a b c 代表模式，如“1 0 0 ”为1 6 - v s b 电缆，1 0 1 为8 - v s b 地面，其余尚未定义。最后的1 0 4 个符号是预留的，建议填入连续的 p n 6 3 序列。在8 - v s b 模式中，场同步最后1 2 个符号位应是前一段的最后1 2 个 符号。 导 的 预编码 图2 7 场同步结构 v s b 频谱中，在抑制载波频率上加有一个同相位的小幅度导频信号。这个导 频信号是通过在每个符号的基带信号和同步的电平上( l ，3 ，5 ，7 ) 加上很 小的数字直流分量1 2 5 ，导频的功率低于数字平均信号功率1 1 3 d b 。 2 2a t s c 接收机 a t s c 的接收机方案如图2 8 所示。直接对调谐器出来的i f 信号进行a d 变 换，然后经过自动增益控制( a g c ) 控制模块，为了对付多普勒( d o p p l e r ) 频移， a g c 要有快速响应的特性。载波恢复主要利用导频来实现，然后进行定时恢复， 可以利用段同步信号提取定时误差。将定时恢复后的数据送入抗n t s c 干扰滤波 器，消除模拟电视信号的干扰，之后数据送给均衡器，消除多径的影响。紧接着 是相位跟踪器，以消除因高频头频率合成器和载波恢复引入的相位噪声。相位跟 踪器的输出送往格形译码器、解交织器、r s 译码器、解扰码，分别是格形编码、 第二章a t s c 传输系统的结构 9 图2 , 8a t s c 接收机框图 2 3 无线信道 从一个固定台向一个或多个移动台传送消息，在很大程度上受到无线信道 3 1 特性的影响。射频( r f ) 信号不但可以通过直达路径到达接收天线，而且通常还 会受到路径上自然和人造物体的反射。信号经过多次反射到达接收机，并叠加在 直射信号上。当接收到的合成信号能量大于单一路径的接收的能量时，这种叠加 是有利的。而当信号的相位相反而使信号抵消时，这种叠加就是有害的。通常在 无线接收中，这种影响称为衰落。另外，当传送数字信号时，如果反射信号( 与 直接接收到的信号相比) 延时一个或多个信号周期到达接收机，且场强很强的话， 相邻的符号就会受到干扰。此外，当移动台运行速度很高时，接收频率可能会因 为多普勒效应而产生偏移，这样接收机在判定调相载波的瞬时相位时，就可能会 出现问题，即使场强足够高，这两种现象也都会导致高的误码率。 传播媒质对无线电波的影响与频率有关。低频信号受到地表特性和电离层的 影响较大，而高频信号则易受大气( 特别是雨) 的影响。 2 3 1 信道模型 无线电波受到反射、衍射、频率选择性衰落和多普勒效应的影响，为了设计 一个适合典型无线信道中接收的调制和差错控制方案，需要用一个数学模型来描 述信道。 在市区接收，移动台的接收信号来自几条不同方向的路径而不是一条直 达路径。信号由于反射造成信号的延时相对较长。在临近接收机的地方， 信号的延时相对较短。 如果子路径彼此白j 统计独立，在天线接收端叠加而成的信号，会引起相 当可观的与时间和位置有关的场强变化，场强变化的幅度服从瑞利 ( r a y l e i g h ) 分布。 如果除反射的路径之外，也接收到直线路径的信号，那么场强变化为莱 i oa t s cd t v 系统中定时技术研究 斯( r i c e ) 分布。 当直射路径占主导地位时，分布服从高斯( g a u s s i a n ) 分布，其中心之为 直射路径的场强。 2 3 2 信道冲激响应 信道模型可以由信道冲激响应来简单的表示。假设一个具有很大幅度的窄脉 冲，理想情况下的冲激响应8 ( t ) 在t 。= 0 时由发送天线发送，到达接收天线的不仅 有直射脉冲，也有不同时延的反射脉冲。由于移动接收机和一些引起反射的物体 都是运动着的，所以信道的冲激响应是时间和延时0 的函数，即符合式( 2 3 ) 。 矗( f ，f ) = 口，艿( f f f ) ( 2 3 、 式( 2 - 3 ) 表示了不同时间t 下的j 函数，会引起无线信道的不同反应。在许 多的实验研究中，各种地理模型都有典型的反射模型。最重要的有：农村地区， 典型的市区，电磁环境差的市区，山区。图2 9 是信道冲激响应的示意图。 0 t o f if 2 乃f 4t 圈2 9 信道冲激响应 2 4 本章小结 本章简要介绍了a t s c 数字电视标准的系统构成以及a t s c 接收机和发射机 一般框图。定时恢复模块是接收机中的重要组成部分，起到了给后续的处理单元 提供时钟的作用。还介绍了a t s c 的帧结构和频率特性。a t s c 数据帧中包含段 同步和场同步信号，可以利用它们进行定时恢复。最后，介绍了无线衰落信道的 一般特点和信道模型的构造方法。信道模型是计算机仿真的基础，通过构造在不 同环境下典型的信道模型，比较各种定时恢复算法在不同信道模型下的仿真结果 来评价接收机性能，从而为定时恢复等算法的选择提供标准 第三章定时恢复原理 第三章定时恢复原理 符号同步是接收机生产厂商关注的一个热门研究领域。早期的a 5 3 ( a t s c 标准) 兼容式接收机依靠a 5 3 帧结构专门提供的数据段同步( d s s ) 序列完成同 步。最新的接收机则为了在动态多径中改善定时恢复的强健性，在设计中用频带 边沿检测，光谱亮线检测或其他技术弥补和取代基于d s s 的方式。 在确定的多径条件下，还没有一种符号相位和频率侦测的理论是非常有效的。 但在任何特定的真实接收条件下，多种技术的结合使用同样可以有效地提高符号 同步的性能。当然，由移动车辆接收环境的快速变化也将给保持符号同步带来相 当严峻的考验。 3 1 定时恢复的目的 定时饮复的目的就是产生和符号率相匹配的本地时钟，获得最佳采样点。 接收机的时钟和发射机的时钟往往是不同步的例，原因是：1 ) 发射机和接收 机使用的频率源不同；2 ) 发射机到接收机有一段传播时延；3 ) 运行过程中的接 收机和发射机的温度改变；4 ) 元件老化等原因。 f 2 夸 趋 曲蛙l | 7 ， 。， 、 ，一卜 、 曲线2 j 、 0i o2 03 04 05 06 07 08 09 01 0 0 坝) 图3 1 温度对两种不同切型的晶体的影响 例如，石英晶体对温度非常的敏感，如图3 1 所示。器件受温度的影响的程 度取决于它的切割方式和封装形式。晶体的频率也随时间发生变化，由于谐振器 表面发生质量改变或者器件内部的应力削弱，引起器件的老化。为了达到长期的 稳定度，通常使用恒温控制晶体振荡器和温度补偿晶体振荡器。 坫 m ， o 舯 彤 啪 a t s cd t v 系统中定时技术研究 数据接收机的必须能够产生和接收到的数字信号中的符号同步的时钟信号。 同步可以分为两个部分：频率同步和相位同步频率同步用来是保证采样频率和 符号率相匹配，使采样率正好是符号率的整数倍。相位同步就是确定采样时刻， 使采样时刻处于最佳时刻，此时的误码率是最小的 在模拟的接收机中1 4 】，典型的同步利用一个反馈环路调整本地时钟的相位( 图 3 2 ) ，或者使用一个前反馈的结构依据接收信号重新产生采样时钟( 图3 3 ) 。本 地时钟用束采样经过解调器的已滤波信号，每隔一个符号问隔采样一次。数掘信 息通过这些采样点得以恢复，通过最优检测来调整采样点的时钟。 在全数字的接收机中，不存在调整采样时钟这个方法，时钟始终是固定的( 图 3 4 ) 。内插器通过固定时钟产生的采样点恢复数据信息。内插是一种数掘调整算 法，基于采样点而不是通过改变本地时钟，这和模拟调制器完全不同。 信 信 信 图3 2 模拟定时恢复 图3 3 混合定时恢复 输出 输出 输出 图3 4 数字定时恢复 全数字接收机中的定时恢复的目的就是要得到最佳的观测值【5 1 。图3 5 所示， 以固定采样率五对输入的模拟信号进行采样，在本文中，采样率约为符号率的两 倍。通过a d 采样后一个符号对应两个采样点。根据这两个点和在它旁边的若干 点，计算一个最佳的观测值，并产生新的时钟，送给后面的均衡器等模块。 第三章定时恢复原理 采样时钟 l 2 t 图3 5 定时恢复示意图 还可以把定时恢复看作一个采样率的转换器，实际的系统中，使用的采样率 往往稍大于两倍符号率，这是考虑到实际中的晶体振荡器的振荡频率在标称值附 近，可能大也可能小，某些定时恢复算法，例如g a r d n e r 算法，需要在两倍符号 率下工作，如果本地时钟的最高频率小于两倍符号率，就无法产生两倍符号率的 时钟，无法满足g a r d n e r 算法正常运行的条件。 定时恢复的算法多种多样，可以分为两类：数据辅助算法和非数掘辅助算法。 数据辅助算法就是利用段场同步这些冗余数据进行定时恢复，a t s c 的数掘帧中 有段场同步信号，可以使用数据辅助算法非数据辅助算法是利用数据中隐含的 统计信息，和具体的帧结构没有关系。实际上，非数据辅助算法也是利用数据中 的冗余信息，例如g a r d n e r 算法就是利用奈奎斯特带宽1 2 4 ，因此g a r d n e r 算法的 性能和成型滤波器的滚降因子息息相关 多径对定时恢复算法的影响不可忽略。多径会产生相位误差，使采样时刻偏 离最佳采样时刻。基于数据段的定时同步算法在长延时多径时产生的采样偏差可 以忽略不计，但小于3 个符号的短延时多径，会引入较大的采样偏差，大大降低 定时恢复的性能；g a r d n e r 算法同时受到长延时多径和短时延多径的影响，这两 种多径都会引入不同程度的采样偏差。 3 2 定时恢复的基本结构 定时恢复的基本结构t 4 1 1 6 1 如图3 6 所示。时间连续的模拟信号经过a d 采样 之后送入内插滤波器，内插滤波器在数控振荡器( n c o ，n u m b e r - c o n t r o l l e d o s c i l l a t o r ) 的控制下的输出值送到滤波器输出，经过定时误差检测，送给环路滤 波器，环路滤波器的输出反馈给n c o ，从而形成一个前向反馈环路，不断调整至 相位误差最小。 输入信号必须是带限信号，这样经过l r s 的采样后将不会产生频谱混叠。如 果不是限带信号，将会引入失真从而导致性能下降，内插滤波器不适合使用在宽 带信号的场合。输入信号通常有i ，q 两路信号，定时恢复只用到其中的i 路信号 在内插滤波器之后，还有可能存在的是载波恢复和匹配滤波。匹配滤波和输 出端的成型滤波有关，一般是一个均方根升余弦滤波器。之所以把载波恢复和匹 1 4a t s cd t v 系统中定时技术研究 配滤波放在内插滤波器之后而不是之前，最主要的原因是内插滤波器之前的数据 是两倍符号率，之后的数据为l 倍符号率，从降低运行频率就会降低能耗和复杂 度的角度考虑，载波恢复和匹配滤波放在内插滤波器之后无疑是有优势的。但是， 这里有两个限制条件：1 ) 定时恢复环路对载波频偏不敏感；2 ) 由于引入匹配滤 波和载波恢复而带来的延时不会影响定时恢复。g a r d n e r 算法已经被证明满足以 上两个条件。由于载波恢复和匹配滤波不是本文讨论的重点，所以此后的定时恢 复环路中都不包含这两个内容。 信 图3 6 定时恢复的基本结构 3 3 内插滤波器 内插滤波器【4 】是全数字接收机中定时恢复算法中不可缺少的一个组成部分， 选择好的内插滤波器对性能有比较大的影响。 内插原理可以幽图3 7 来说明。内插器相当于一个采样速率转换器。以t 为 采样问隔的信号经过d a 变换后送到滤波器，形成模拟连续信号，再以正为周期 对这个信号采样。内插的实质是相当于低通滤波之后的二次采样过程，任何内插 系统都必须具有类似低通的特性，并且越接近于理想低通( 边带抑制度越大，通 道幅度越平坦) ，其内插性能越好。 图3 7 与内插等价的采样速率转换器 设a d 采样后的数据为x ( m l ) ，内插滤波器的输出为，( 后z ) ，其中互为采样 间隔，z 为恢复出的符号率。则j ，( 后瓦) 可以表示为式( 3 1 ) 。 m ) ，( 姗= x ( m r , ) h ( k r i _ 一m t s ) l ( 3 - 1 ) 第二章定时恢复原理 再假设i = i m 蝎t , 卜m ，i n t x 】表示最大整数，m = i n t k t l 】，小数f j 隔 表示为胁= k t , 正一t n k0 胁 2 其中，g = 獗n ，对于ts ，2 ，式( 3 1 0 ) 可另写成。 岛= 1 + p 啦靠“”+ p 伽“州) + c o s ；r t( 3 1 1 ) 把式( 3 1 1 ) 代入式( 3 - 9 ) ，可以得到： 朋= 专斗+ 缮1 g e j 斋k t + ) p t 动 其中，g = 。笺x ( m ) e - j ：z 圳w ，k = 一譬+ l ，譬n 2 其中，g = 时酬”， = 一譬+ l ，譬 埘i _ + 1 。 实际实现时，可以用f f t 电路来计算g ，用正余弦查找表和乘法器或角度旋 转器来完成内插值加) 的计算。 式( 3 一1 2 ) 可以进一步简化，令c ，2 = o ，这样就减少了一个正余弦查找表 或旋转器。以n = 4 为例，实现框图和幅频响应见图3 1 2 。 a ) 三角内插结构 ”三角内插幅频响应 图3 1 2 三角内插的结构和幅频响应 从图3 1 2 a 可以看出，三角内插比三次内插实现更为简单，所用的硬件资源 较少，前一部分相当于f f t 中的蝶形运算，求解c ，后一部分在复平面上旋转c l 角度7 r z 2 后，取实部参与运算。角度的旋转可以用旋转器来实现或通过正余弦 查找表，用两个乘法器和一个减法器来计算： r e ( c 1 ) c o s ( , r g 2 ) 一i r a ( c , ) s i n ( 死z 2 ) ( 3 - 1 3 ) 从图3 1 2 b 也可以看出，三角内插在幅频响应上比三次内插有更好的抑制镜 a t s cd t v 系统中定时技术研究 像频率的作用，因而有更好的内插滤波特性。 3 3 3 改进多项式优化算法 传统的利用多项式设计内插滤波器的方法以及新型的利用多分段或者三角的 方法在求解滤波器系数时，都是在基于常用的方法之下，对每一组可能的系数， 求出设计的内插滤波器与理想内插滤波器的均方误差( m s e ) 或者是峰值误差，当 误差最小时，即为所需要的最佳系数。当系数较少，而且滤波器抽头系数量化可 以较低时，可以采用穷搜索的方法来寻找最佳系数。但是穷搜索在内插滤波器系 数较多或者需要的精度较高时，并不适用。如果信号对内插滤波器的要求很高， 相应的内插滤波器的系数也就会不可避免的增多，可以选择多项式来更好的分段 拟合啊，减小拟合偏差，使内插性能更优【1 2 1 。该方法利用理想内插的脉冲响应 以及m a t l a b 中的曲线拟合函数p o l y f i t ，在经过推导处理后得出一组系数，并 对此系数进行m s e 计算，逐步修正系数。 采用了如式( 3 - 1 4 ) 的多项式进行分段拟合： 舢； 噎一j 虹“正 ( 3 _ 1 4 ) l o 其它 其中t 是符号周期，n = 0 ，1 ，2 ，l - 1 。 利用了4 条曲线石，石，五，石来拟合所求函数，它们可以达到很 好的性能。 囊圈| | 囫| | 囹；| 囡 图3 1 3 多项式五( f ) ，n = 0 ，l 2 ，3 拟合后的滤波器响应为： ，2 - 1 岛= 6 ( 嘶( f f 瑚 ( 3 - 1 5 ) t = - n ，z 月t u 其中，岛( 1 ) 就是滤波器系数。通常，啊( r ) 可以取一n t , 2 t s n t , 2 范围内， n 为偶数。 为了实现简单，规定啊偶对称。并且发现，如果使得整组系数满足式( 3 1 6 ) 第三章定时恢复礞理2 1 式( 3 1 9 ) 关系，可以根据对称性大大节省硬件实现资源，而且也满足滤波器实 际准则。 “( 0 = 1 矗( 田= ( _ 1 ) 4 “o 1 ) ，v n 靠2 ( i ) = 一，( j ) ，栉= 0 ，1 并且i 一1 ，0 岛+ 2 ( 0 + “( j ) = ( - 矿0 5 ，以= 0 ，l 并且f = 一l ，0 式( 3 一t 9 ) 简化为： n | 2 - 1 1 啊= 6 蹶o i t s ) ，卸n f f i 0 其中， 函一i t s ) = 五9 一i t s ) + ( - l y 二p + ( f + 剿 ( 3 - 1 价 ( 3 - 1 7 ) ( 3 - 1 8 ) ( 3 1 9 ) ( 3 - 2 0 ) i t s f o + 1 ) 乃 一( f + 1 ) 乃s ， 一乃( 3 - 2 1 ) 其它 利用此方法设计出一组滤波器系数如表3 2 所示。 表3 2 内插滤波器系数g ( f ) t l - 4- 321o l2 3 c oo o l1 3 20 0 4 8 5 6- o ，1 5 ”7o 。6 1 4 4 20 6 1 4 4 2- 0 1 5 2 7 7o f 0 4 8 5 60 o l1 3 2 c lo ，0 0 0 7 60 0 0 4 0 2- 0 ，0 4 0 8 90 6 0 1 8 8_ o ，6 0 1 8 80 0 4 0 8 9椰，0 0 4 0 20 0 0 0 7 6 c 2 0 0 】1 3 2- 0 0 4 8 5 60 ，1 5 2 7 7 0 11 4 4 20 1 1 4 4 20 1 5 2 7 7 0 0 4 8 5 6 0 0 1 1 3 2 c 30 0 0 0 7 6- 0 0 0 4 0 20 0 4 0 8 9- o 1 0 1 8 8o 1 0 1 8 80 0 4 0 8 90 0 0 4 0 20 ，0 0 0 7 6 1-| 落。 a t s cd t v 系统中定时技术研究 图3 1 4 岛( ，) 的构造过程 图3 1 4 说明了函数函( f ) 和系数岛o ) 构造岛( f ) 的过程。整个脉冲响应是由从上 到下四个子响应函数合并迭加而成，并且满足： 岛( o ) = l ，啊( 后z 力= 0 ，k = 士1 ，2 ，一，n ( 3 。2 2 1 图3 1 5 和图3 1 6