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

摘要 本文主要研究数字电视地面广播t d s o f d m 系统接收机中的载波频率恢复 技术。 论文首先阐述了正交频分复用系统的基本原理及技术特点；随后，结合相干 解调理论和数字信号处理理论，推导分析了载波频率偏移对o f d m 系统接收机性 能的影响；分别针对基于c p 和p n 序列两类o f d m 系统帧格式，研究了基于c p 的时域粗小偏估计和基于频域训练序列的整偏估计的时频混合载波恢复算法；进 一步，在分析现有基于p n 序列的载波恢复算法的基础上，提出了一种大频偏快 速精确的估计方法，分析了多径以及采样钟定时偏差对该算法性能的影响，仿真 表明，该算法在多种复杂的信道环境下具有良好的性能；最后设计了一套 t d s o f d m 系统载波恢复硬件实现方案，给出了算法中关键模块的简化硬件实现 方法，并采用f p g a 对其进行了实现，结果表明该系统结构合理，占用较少的硬 件资源。 关键词：正交频分复用频率偏移p n 序列载波恢复扫频 a b s t r a c t i nt h i s p a p e rt h ec a r r i e rr e c o v e r yt e c h n o l o g yi nt d s - o f d ms y s t e mr e c e i v e r b a s e do nd 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 gi si n v e s t i g a t e d f i r s to fa l l ，t h eb a s i cp r i n c i p l e sa n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so fo f d ms y s t e ma r e i n t r o d u c e db r i e f l y 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 ls i g n a lp r o c e s s i n g t h e o r y , t h ei n f l u e n c eo fc a r r i e rf r e q u e n c yo f f s e tt ow i r e l e s so f d ms y s t e mr e c e i v e ri s a n a l y z e di nd e t a i l i no f d ms y s t e m ，c pa n dp ns e q u e n c ec a nb eu s e di nc a r t i e r r e c o v e r y ad e c i m a lf r e q u e n c yo f f s e te s t i m a t i o na l g o r i t h mu s i n gc pi nt i m ed o m a i n a n da n i 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 na l g o r i t h mu s i n gt r a i n i n gs e q u e n c ei n f r e q u e n c yd o m a i na les t u d i e d f u r t h e r m o r e ，a l li m p r o v e dc a r r i e rr e c o v e r ya l g o r i t h m w i t hh i g he f f i c i e n c yi s p r o p o s e db a s e do ne x i s t e dc a r r i e rr e c o v e r ya l g o r i t h m si n t d s - o f d ms y s t e m t h ep e r f o r m a n c eo ft h ep r o p o s e da l g o r i t h mi sa n a l y z e da n dt h e s 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 mi sr o b u s tu n d e rd i f f e r e n tc h a n n e l s f i n a l l y , a ne f f e c t i v ec a r d e rr e c o v e r ya r c h i t e c t u r es u i t a b l ef o rv l s ii m p l e m e n t a t i o ni n t d s o f d ms y s t e mi sp r o p o s e d a n dt h ef p g at e s tr e s u l t ss h o wt h a tt h ep r o p o s e d s t r u c t u r eh a s1 0 w e rc o m p l e x i t yt h a nt r a d i t i o n a ls t r u c t u r e k e y w o r d ：o f d m f r e q u e n c yo f f s e t p ns e q u e n c ec a r r i e rr e c o v e r y f r e q u e n c y s w e e p i n g 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。 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a ( 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：j 鲤2 道 导师签名： 日期碰主：经 日期兰华址 第1 章绪论 第l 章绪论 随着世界科学技术进步和我国经济快速发展，数字化、网络化、信息化成为 我国广播电视行业发展的必然趋势。数字有线电视、地面数字广播、卫星直播电 视、互联网视音频广播、3 g 、数字多媒体广播迅速崛起，广电系统处于从模拟技 术走向数字技术的大转变中。这种转变不仅仅意味着技术形式的变化，更重要的 是它为广电传媒提供了更为广阔的发展空间，如果说1 9 世纪是电报的时代，2 0 世纪是电话的时代，那么，2 l 世纪将是多媒体通信的时代。 1 1 数字电视地面广播技术的发展 伴随着电视广播的全面数字化，数字电视产业将成为新兴的信息支柱产业之 一。电视广播在经历了第一代黑白电视机，第二代彩色电视机后，正式进入了第 三代高清电视，数字高清晰度电视是指全部采用数字方式制作、传输和接收高清 晰度电视节目，能使观看者收看、收听到相当于电视台演播室中的节目质量的图 像、声音；它是集数字信号及信息处理技术、数字通信技术、计算机及网络技术、 微电子技术等高新技术发展于一身的高科技产物。 数字电视地面广播传输系统是广播电视系统的重要组成部分，不但必须具有 支持传统电视广播服务的基本功能，而且还要具有适应广播电视服务的可扩展功 能。数字电视地面广播分为固定接收，移动接收和手持设备接收。 在固定接收模式下，可以提供标准清晰度数字电视业务、高清晰度电视业务、 数字声音广播业务、多媒体广播和数据服务业务。在移动接收模式下，可以提供 标准清晰度数字电视业务、数字声音广播业务、多媒体广播和数据服务业务。数 字电视地面广播传输系统支持多频网和单频网两种组网模式，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，并支持多业务的混合模式，以达到 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。目前世界上主要 发达国家都已经制定或正在制定自己的数字电视标准，如美国高级电视委员会研 发的格型编码的8 电平残留边带调制( a t s c ，a d v a n c e dt e l e v i s i o nv i s i o n b r o a d c a s t i n g ) 1 】【2 1 系统，欧洲的数字视频广播( 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 ) 标 准1 3 ，日本的综合业务数字广播( i s d b ，i n t e g r a t e ds e r v i c ed i g i t a lt e r r e s t r i a l b r o a d c a s t i n g ) 标准1 4 1i 5 1 。 2 0 0 6 年8 月18 日国家标准委颁布的中国数字电视地面传输( d t t b ，d i g i t a l t 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 ) 标准数字电视地面广播传输系统帧结构、信道 编码和调制，是我国自主制定的技术标准，从满足广播业务的实际需求出发，融 2 数字电视地面广播系统载波恢复算法研究与实现 合了上海交通大学、清华大学和广播科学研究院等多家单位自主技术。该标准支 持高清晰度电视、标准清晰度电视和多媒体数据广播等多种业务，满足大范围固 定覆盖和移动接收需要。该标准实现了关键技术创新，形成了多项有自主知识产 权的专利技术，突破性的取得了单、多载波调制技术的融合，其中多载波调制采 用了时域同步正交频分复用( t d s o f d m ，t i m ed o m a i ns y n c h r o n i z a t i o n 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 ) 方案。基于该标准的系统性能好、频 谱利用率高、可扩展性强，适应我国城乡不同应用需求。数字电视地面广播系统 是国家广播电视技术体系的重要组成部分。它与卫星数字电视广播系统和有线数 字电视广播系统以及辅助系统协同提供全面的覆盖，是我国广播电视综合覆盖网 中的重要部分。 1 2 本文工作及内容安排 正交频分复用技术是数字电视地面传输系统中的关键技术，本文主要研究 o f d m 系统解调器中的载波恢复算法，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，而载波频偏会导致子载波之间正交特性的恶化， 因此o f d m 系统对载波频偏比较敏感。本文分析了载波频偏对o f d m 系统性能 影响，并在分析现有载波恢复算法的基础上，提出了一套适合硬件实现的 t d s o f d m 系统低复杂度的时域载波频率恢复算法和方案。 本文研究内容与章节安排如下： 第二章介绍o f d m 的基本原理、系统架构与技术特点，并简要说明中国数字 电视地面传输标准帧结构，以及无线信道基本特征； 第三章重点研究了无线o f d m 系统中的载波恢复技术，分析了载波频率偏移 对o f d m 系统的影响，给出了两种典型o f d m 同步方案；研究了基于循环前缀 ( c p ，c y c l i cp r e f i x ) 和频域训练序列的时频混合载波恢复算法，分析了多径信道对 时域m l 算法的影响以及定时同步误差对频域整偏估计的影响； 第四章研究基于p n 训练序列的载波频率恢复算法，针对现有算法估计范围 和估计速度之间的矛盾，提出了一种适合硬件实现的大频偏快速精确估计方法， 并分析了其在多径信道及下的特点和性能； 第五章提出了一套载波恢复硬件实现方案，给出了各相关组成模块的简化实 现方法，并对整个方案性能进行了仿真与分析。 第2 章o f d m 技术的发展与特点概述 3 第2 章o f d m 技术的发展与特点概述 无线电波在移动环境中传播时，受天线周围物体的影响，会经历各种散射、 绕射、反射过程才到达接收天线。接收天线接收到的信号是经过多个传播路径到 达信号的合成信号。各径信号分量的幅度和相位各不相同，相互叠加之后造成合 成信号幅度会发生急剧变化，引起信号波形畸变。从频域角度来看，多径衰落会 造成信号的频率选择性衰落。o f d m l 6 】技术是一种多载波的传输方法，它通过串 并变换把高速数据流分配至多个相互正交的子载波上进行传输，把频率选择性信 道变成了平坦衰落信道，可以有效对抗信道多径衰落的影响。 2 1o f d m 技术概述 2 1 1o f d m 技术的发展与应用 r w c h a n g 等早在2 0 世纪5 0 年代就已经提出o f d m 的思想，由于使用模拟 滤波器实现起来的系统复杂度较高，所以一直没有发展起来。在2 0 世纪7 0 年代， s b w e i n s t e i n 和p m e b e r t 提出用离散傅里叶变换( d f t ，d i g i t a lf o u r i e rt r a n s f o r m ) 实现多载波调制解调【7 1 ，为o f d m 的实用化奠定了理论基础；a p e l e d 和a r u i z 于 8 0 年代提出了用循环扩展来解决色散信道中子载波问的正交性问题【8 1 。至此，现 代o f d m 的概念就形成了，随后，l j c i m i n i 分析了o f d m 在无线通信应用中存在 的问题和解决方法1 9 1 ，从此以后，o f d m 在无线通信中的应用得到了迅猛发展。 和单载波技术相比，o f d m 技术有以下优点【1 0 】1 1 1 】： 1 ) 有效减小符号间干扰。把高速率数据流通过串并变换，使每个子载波上的 数据符号持续长度相对增加，从而可以有效地减少由无线信道的时间弥散所带来 的符号间干扰( i s i ，i n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e ) ，这样就减少了接收机内均衡的复杂 度，有时甚至可以不用均衡，仅通过采用插入循环前缀的方法就可以消除i s i 的 不利影响。 2 ) 提高频谱利用率。传统的频分多路传输方法是将频带分为若干个不相交的 子频带来传输并行数据流，子信道之间要保留足够的保护频带。而o f d m 系统由 于各个子频带之间存在正交性，允许子信道的频谱相互重叠，因此与常规的频分 复用系统相比，o f d m 系统可以最大限度地利用频谱资源。 3 ) 支持非对称业务。无线数据业务一般存在非对称性，o f d m 系统可以通 过使用不同数量的子信道来实现上下行不同速率传输。 4 数字电视地面广播系统载波恢复算法研究与实现 4 ) 便于使用o f d m a 技术。o f d m 可以容易地与其他多种接入方法结合使 用构成o f d m a 系统，其中包括多载波码分多址m c c d m a 、跳频o f d m 以及 o f d m t d m a 等，使多个用户可以同时利用o f d m 技术进行信息传输。 由于o f d m 技术具有以上的众多优点，因此它广泛地应用于高速数据的传 输。目前，o f d m 用于无线局域网及个人通信系统的下行链路调制引起了广泛的 研究，同时在宽带通信中的应用也引起了广泛的兴趣。 无线通信业务的多媒体化是无线通信的发展方向之一，业务的多媒体化要求 有高速的数据传输来支撑，因而宽带的高速数据传输是无线通信必然的发展趋势。 目前o f d m 主要应用于数字音频、视频广播和高速无线局域网中，如中国数字电 视地面广播( d t t b ) ，中国移动多媒体广播( c m m b ，c h i n am 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 ) ，欧洲的数字音频广播( 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 ) t 1 2 1 、数字视 频广播( d v b ) 以及日本的综合业务数字广播( i s d b ) 等。在双向数据传输方面， o f d m 技术也已获得广泛的应用，如非对称数字用户链路( a d s l ，a s y m m e t r i c a l d i g i t a ls u b s c r i b e rl o o p ) 、1 9 9 9 年通过的5 g h z 频段无线局域网标准i e e e 8 0 2 1 l a t ”1 、 无线城域网标准i e e e 8 0 2 1 6 d e 等。3 g p p ( 3g e n e r a t i o np a r t n e r s h i pp r o j e c t ) 组织开展 的3 g 的长期演进项目( l t e ，l o n gt e r me v o l u t i o n ) 的研究，也采用了以o f d m 为核 心的关键技术。 2 1 2o f d m 基本原理 正交频分复用【1 4 】以数字信号正交处理为基础，充分利用了信号频谱的正交性 而允许各子信道信号频谱有1 2 的重叠，从而获得最佳的频谱利用率，如图2 1 所示。它的基本原理是将速率为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 。 j l 、f 夕欠一 jl 似纽、 忒历忒从2 j 心 ( 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( a ) 和o f d m 信号频谱( b ) “正交性”意味着不同载波之间必须保持一种精确的数学关系。在调制端， 子载波之间相互正交；而在解调端，接收到的子载波数据必须同样保持正交性， 才可能正确地对原始数据进行恢复。 一个o f d m 符号之内包括多个经过调制的子载波的合成信号，其中每个子载 波都可以受到相移键控( p s k ) 或者正交幅度调s s j ( q a m ) 符号的调制。如果表示 第2 章o f d m 技术的发展与特点概述 子信道的个数，丁表示o f d m 符号的宽度，d ，( 卢o ，1 ，n 一1 ) 是分配给每个子 信道的数据符号，z 是第i 个子载波的载波频率，r e c t ( t ) = 1 ，h t 2 ，则从r = f ， 开始的o f d m 符号可以表示为： ) ：委咖似，- 卜) e x p u 2 硝o i ) 】， 铎佟”丁 ( 2 - 1 ) 【0t t + t s 一旦将要传输的比特分配到各个子载波，某一种调制模式将它们映射为子载 波的幅度和相位，通常采用复等效基带信号来描述o f d m 的输出信号： 嘶) ：埃z 删( 一) e x p ( 伽；( ) ) ( 2 - 2 ) 【0 t t + t s 其中j ( ，) 的实部和虚部分别对应于o f d m 符号的同相和正交分量，在实际中 可以分别与相应子载波的c o s 分量和s i n 分量相乘，构成最终的子信道信号和合成的 o f d m 符号。图2 2 给出t o f d m 系统基本模型的框图，其中f = 丘+ i t 。在接 收端，将接收到的同相和正交矢量映射回数据信息，完成子载波解调。 审 一一 岭 卜“ 刊r b 并 e x p | 【- j a l t ) e x p ( i j r - o l t ) 并串 j 卜一毒庐 图2 2 0 f d m 系统的调制解调 由图2 1 ( b ) 可见，每个子载波中心频率并未和其它子载波的中心频率发生交 叠，因此在接收端，如果使用d f t 计算每个子载波中心频率之间的相关值，那么 就可以没有串扰地恢复发送数据。而且在使用d f t 的多载波技术中，频分复用的 实现并不需要专门的带通滤波器，仅仅需要进行基带的数字信号处理。f f t 是实 现d f t 处理的有效手段，近年来随着超大规模集成电路( v l s i ，v e r yl a r g es c a l e i n t e g r a t i o n ) 的发展，使得高速大容量f f t 专用芯片更加具有商业实用性。在调制端 和解调端都可以使用高效f f t 技术，它可以使计算次数由d f t 的2 次降至 n l o g n 次，节约了大量资源。 令式( 2 2 ) 中的f ，= 0 ，并且忽略矩形函数，对信号s ( ，) 以丁的速率进行抽 样，即令f = k t n ( k = o ，1 ，n 一1 ) ，可以得到： 轳 ：n - ! d ie x p f 警1 ( 0 n 一1 ) ( 2 - 3 ) s ( k t n ) d kn s t = = 叫等l ( 0 一1 ) 6 数字电视地面广播系统载波恢复算法研究与实现 可以看到s i 等效为对d ，进行i d f t 运算。i 司样在接收端，为了恢复出原始的 数据符号d j ，可以对s t 进行逆变换，即d f t 得到： 弘芝叩d 一，可2 7 r i k z t ( i k , )n - 1 k ) (2-4)=o 4 = 叩叫一- ，fi ( o f )( 2 4 引入d f t 技术对并行数据进行调制解调时，频谱是s i n c 函数而非带限的( 见图 2 1 ) ，f d m 通过数字信号的基带处理来实现，而不是通过带通滤波器，这大大降 低了f d m 系统实现的复杂性，同时也提高了系统实现的精确性。 为了使信号在i f f t ( f f t ) 前后功率不变，可按下式定义： 。f t ：砸) = 六篓砌) e x p ( 一歹等后) ( 0 七_ 1 ) ( 2 - 5 ) i 。f t ：x ( ，z ) = 了1 万刍n - i x ( 尼) e x p u 百2 n k 功( 。门一1 ) ( 2 - 6 ) 由于o f d m 采用的基带调制为离散傅里叶变换，因此可以认为数据的信道编 码在频域进行，经过i f f t 变换转化为时域信号再发送出去，接收端通过f f t 变 换再恢复出原始的频域信号。 2 1 3o f d m 系统中关键技术 o f d m 技术有自身的优点，但也有许多的不足之处，主要包括以下方面【6 1 ： 首先，对频偏和相位噪声比较敏感。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，频偏和相位噪声会使各个子载波之间的正交特 性恶化。 其次，o f d m 信号峰值与功率均值比大，会导致射频放大器的功率效率较低。 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，简称峰均比。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 系统内的峰均比不会达到这样高的程度。高 峰均比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。 因此o f d m 系统中存在几种需要解决的关键问题，主要包括以下几个方面【1 0 1 ： 1 时频同步技术 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， 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 第2 章o f d m 技术的发展与特点概述 7 和接收机的射频单元的中心频率偏差和各自的采样时钟都是独立的晶振，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 l ，i n t e r - c a r r i e ri n t e r f e r e n c e ) 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 s i 和i c 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。 2 信道估计技术 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。在数字信号处理中所提到的自适应逆滤波 的思想也可用于信道估计中。 3 降低峰均比 在o f d m 系统中，峰均比与子载波数n 有关，n 越大，峰均比的值越大， 大的峰均比值，对发送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 的峰均比值对o f d m 系统的性能和成本都有很大的影响。 4 时变性信道性能 信道的时变性引起接收信号的多普勒扩展，使o f d m 信号的正交性遭到破 坏，引起子载波之间的干扰，造成系统性能的下降。克服多普勒扩展的传统方法 是采用信道编码加交织技术来抵抗信道性能的下降。最新的发展是利用多普勒分 集技术将多普勒扩展变害为利。 除了以上与o f d m 本身相关的技术之外，在具体系统中使用o f d m 技术时， 还应该考虑具体系统的实际情况，在这里不具体做介绍。 2 2t d s o f d m 系统概述 t d s o f d m 系统【1 5 1 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。在t d s o f d m 系统中信道估计、载波恢复、符号定 时等完全依赖于每个o f d m 符号前的时域同步头。t d s o f d m 系统中将保护间 隔和训练信号结合在一起，符号内的传输数据无需增加频域导频，省去了频域中 的导频信号。下面简单介绍一下国标系统中的信号帧结构。 数字电视地面广播系统载波恢复算法研究与实现 数据帧结构的基本单元为信号帧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模式以及相应的信号帧结构，见图2 3 。三种帧头 模式所对应的信号帧的帧体长度和超帧的长度都保持不变。对于图2 3 ( a ) 的帧结 构，每2 2 5 个信号帧组成一个超帧：对于图23 ( b ) ，每2 1 6 个信号帧组成一个超 帧；对于图2 3 ( c 1 ，每2 0 0 个信号帧组成一个超帧。信号帧包含帧头和帧体两个 部分，根据帧头的不同，有三种结构。 竺：! ：兰三二竺：竺! ! ! ! ! 竺竺：竺! ! 竺二! 竺竺一 ( a ) 信号帧结构l 厂- _ 帧头( 5 9 5 个符号) ( 7 57 u s ) 帧件( 含系统信息和数据) ( 3 7 8 0 个符号) ( 5 0 0 u s ) l ( b 瞄号帧结构2 厂厂一一一一 帧头( 9 4 5 个符号) ( 1 2 5 u s )帧体( 含系统信息和数据) ( 3 7 8 0 个符号) ( 5 0 0 u s ) l r c 信号帧结构3 图2 3 信号帧结构图 帧头模式i 采用的p n 序列定义为循环扩展的8 阶m 序列。可由一个f i b o n a e e i 型线性反馈移位寄存器实现。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，如图2 4 所示，p n 4 2 0 在p n 2 5 5 序列前填充8 2 个符号作为前同步，后 面填充8 3 个符号作为后同步。线性反馈移位寄存器的初始条件值确定所产生的 p n 序列的相位。在一个超帧巾共有2 2 5 个信号帧，每个超帧巾各信号帧的帧头采 用不同相位的p n 信号作为信号帧识别符。为了尽量减小相邻序号的相关性经过 计算机优化选择，形成的信号帧序号序列和线性反馈移位寄存器的初始状态见参 考文献【1 5 】。 第2 章o f d m 技术的发展与特点概述 同步和后同步定义为p n 5 1 l 序列的循环扩展，如图2 5 所示，p n 9 4 5 在p n 5 1 l 序 列前填充2 1 7 个符号作为前同步，后面填充2 1 7 个符号作为后同步。线性反馈移 位寄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。 ：k - 斗p n 5 1 1 “ * 一l 口c4 3 _ 图2 5 模式3 帧头结构 同标中帧体数据长度规定为3 7 8 0 个符号，用c 个子载波调制，占用的射频 带宽为7 5 6 m h z ，时域信号块长度为5 0 0 , u s 。c 有两种模式：c = i 或c = 3 7 8 0 ： 即当6 - - l 时帧体数据为单载波调制。由于在同步时只用到了赖头p n 序列，与帧 体数据无关，因此在本文的仿真所用数据都选取c = 3 7 8 0 。 2 3 无线信道特征 在无线通信中，信道对接收信号的影响从统计特性上可以分为太尺度路径损 耗和小尺度衰落i 圳叫8 i 。当接收机处于空间某一位置时，接收信号功率的本地均值 将受到视距路径损耗、绕射、阴影衰落、天气等的影响，这些影响称为大尺度路 径损耗，主要用来预测无线覆盖范围。小尺度衰落描述的是短距离或短时间内的 接收场强的快速波动，主要是指由于多径传播、收发信机的移动造成的信号幅度 剧烈起伏现象。 2 31 无线信道多径效应 无线信道的主要特征就是多径传播【1 ”。即接收机所收到的信号是通过不同的 直射、反射、折射等路径到达的。由于各条路径中反射波到达的时间、相位都不 相同。不同相位的信号在接收端叠加时，会出现同相幅度增强，反相削弱的现象。 这样，接收信号幅度会发生急剧变化，从而产生衰落。从时间上看，由于各条路 径的长度不同，因而信号到达的时间不同。这样如果从基站发送一个脉冲信号， 则接收信号中不仅包含该脉冲，还包含它的各个时延信号。这种由于多径效应引 起接收信号脉冲宽度扩展的现象，称为时延扩展，也称之为信道的时间弥散性。 在传输过程中，由于时延扩展，接收信号中的一个符号波形会扩展到其他符号中， 造成符号间干扰。为了避免产生i s i ，应该令符号宽度远远大于无线信道的最大 _慕 蔓一 l o 数字电视地面广播系统载波恢复算法研究与实现 时延扩展，或者符号速率要小于最大时延扩展的倒数。 多径效应在时域上造成信号波形展宽，而在频域上则会导致频率选择性衰落， 可以用相干带宽来描述。如果相干带宽定义为频率相关函数大于0 9 的某特定的 带宽，则相干带宽近似为： 1 尾二 ( 2 - 7 ) 。 5 0 0 - 、 如果将定义放宽至相关函数值大于0 5 ，则相干带宽近似为 1 置 ( 2 8 ) 3 0 5 其中以为信道的均方根时延扩展。 相干带宽是无线信道中的一个重要特性，是信道频率选择性的测度。在相干 带宽内，两个信号的频谱分量以类似的方式受到信道影响。当信号带宽小于相干 带宽时，信号通过信道传输后各频率分量的变化具有一致性，称为非频率选择性 衰落，也称为平坦性衰落，即在带宽内具有不变的增益和线性相位响应。当信号 带宽超过无线信道的相干带宽时，信号通过信道后各频率分量的变化是不一致的， 引起信号波形失真，发生频率选择性衰落。 2 3 2 无线信道时变性 时延扩展和相干带宽是用于描述本地信道时间色散特性的两个参数【1 6 1 。然而， 它们并未提供描述信道时变特性的信息。这种时变特性或是由发射机和接收机的 相对运动引起的，或是由信道路径中物体的运动引起的。多普勒扩展和相干时间 就是描述小尺度内信道时变特性的两个参数。 v 图2 6 多普勒效应示意图 当设备在运动中进行通信时，接收信号的频率会发生变化，称为多普勒效应， 这是任何波动过程都具有的特性。多普勒效应所引起的附加频率偏移可以称为多 s 彳，- ， ， 第2 章o f d m 技术的发展与特点概述 普勒频移( d o p p l e rs h i f t ) 。如图2 6 ，当移动台以恒定速度v 在长度为d ，端点为x 和 y 的路径上运动时，收到来自s 发出的信号。无线电波从s 发出，在x 点和y 点分别 被移动台接收时所走的路径差为： a i = d s i n 0 = v a t c o s 0 ( 2 9 ) 其中缸为移动台从x 到y 所需的时间，0 是从x 到y 的连线与入射波的夹角。 由于源端距离很远，可假设x ，y 处的口是相同的。所以由路程差造成的接收信 号的相位变化值为： 矽：2 r r a _ _ _ l ：丝坐c o s 0(210)cos 矽= i z - 。 旯力 由此可以得到频率变化值，即多普勒频移尼为： f d 去警= 盖c o s 0 ( 2 - 1 1 ) 由于多普勒效应，随着移动台的运动，散射体或反射体也发生了变化，经多 径传播后，接收信号频率会发生变化，被称为多普勒频率扩展现象，多普勒扩展铱 描述了无线信道的时变特性所引起的接收信号的频谱展宽值。当发送频率为疋的 纯正弦信号时，接收信号谱即多普勒谱在五一厶至z + 厶范围内存在分量，其中 以是多普勒频移。谱展宽依赖于力，兀是移动台的相对速度、移动台运动方向、 与散射波入射方向之间的夹角0 的函数。 相干时间z 是多普勒扩展在时域的表示，用于在时域描述信道频率色散的时 变特性，与最大多普勒频移成反比，但是在现代数字通信系统中，一种普遍的定 义为： z 0 4 2 3( 2 1 2 ) _ f 一 i z i zj 厶 。 相干时间是信道冲击响应维持不变的时间间隔的统计平均值。即相干时间就 是指一段时间间隔，在这段时间间隔内，两个到达信号有很强的幅度相关性。信 道相干时间越大，信道变化越慢；信道相干时间越小，信道变化越快。多普勒频 移产生的多普勒效应将会对发送信号产生慢衰落或快衰落。当信道存在低的多普 勒频移，信道相干时间大于信号符号周期，信道变化慢于基带信号变化时，发送 信号产生慢衰落。当信道存在高的多普勒频移，信道相干时间小于信号符号周期， 信道变化快于基带信号变化时，发送信号产生快衰落。在快衰落信道中，信道冲 激响应在符号周期内变化很快。即信道的相干时间比发送信号的符号周期短，由 于多普勒扩展引起频率色散，从而导致信号失真。在频域可看出，信号失真随多 普勒扩展的增加而加剧。 第3 章无线o f d m 系统载波恢复技术 第3 章无线o f d m 系统载波恢复技术 对于多载波系统载波频率偏移会导致子信道之间产生干扰，而且对于要求子 载波保持严格正交的正交频分复用系统来说，载波频率偏移所带来的影响会更加 严重，因此对载波频率偏移敏感是o f d m 系统的主要缺点之一，而且如果不采取 措施对这种信道间干扰加以克服，会对系统性能带来非常严重的地板效应，即无 论如何增加信号的发射功率，也不能显著地改善系统的性能。对于移动无线通信 来说，无线信道的时变性会或多或少地影响载波频率，使其发生偏移，从而破坏 o f d m 系统内子载波之间的正交性。因此如何减少载波频率偏移对系统性能的影 响是o f d m 系统能得到广泛应用的前提条件之一。 本章首先介绍了载波频率偏移对系统性能的影响，给出了典型同步方案的结 构，重点研究了基于c p 和频域训练序列的载波频偏估计算法。 3 1 载波频偏对o f d m 系统性能的影响 o f d m 系统是一个多载波系统，每一个子载波在所有其它子载波频率处的频 率响应为零，即各子信道之间互相不干扰，也就是具有正交性。当这种子载波间 的正交性被破坏后，就会产生载波问干扰i c i 。o f d m 系统发射端【1 9 】将i f f t 输出的 信号经过d a 后，将其上变频成为中心频率为，：的射频模拟信号发射出去。在接 收端，将接收到的射频模拟信号用带有随机相位矽( ，) 的中心频率为( 一石) 的混 频器下变频为中频信号，再经过滤波和a d ，使其变为数字信号，然后再用中频z 对其进行数字解调，将其变为基带信号。当( 疋时，就产生了载波频率偏移够。 若z 为发送符号的抽样间隔，为子载波数，三为保护间隔长度，当存在载波频率 偏移时，接收到的第p 个o f d m 符号的第刀个采样点的信号的形式为： tr 一一 以，。= 哥1 乞a v - - 1 以乒e j 2 a t n t 。口2 碱 肌三胁肿上 ( 3 1 ) y ，：等一幽| k ：警等x t 胁n 啦+ 椭 n 乒=以一砌秘=寺一，leej2蒯衫nej2t匹f,(“印中”+lit,e-j2 e - j 2 咧 ：一专芝z 驯n e j 2 碱阶乩陟肿m 可伽b , n + i c i ：4 广礅陋) p + 啦吉艺扩磷螺+ 心 。 咆。2 吲( 札) p 札k - 1 ) 锅篇+ i c i 数字电视地面广播系统载波恢复算法研究与实现 由上述推导可以看出，载波频率偏移不仅引起幅度衰减，相位旋转，同时引 起了载波间的干扰。由此所引入的相位偏转从频域看，只与符号的序数有关，与 所处的子载波位置无关。文献【1 0 中推导得到存在载波频偏时信噪比损失为： d f = i o l o g 蚓，惯s i n ( z 。n 蝴m t , ) 阶川_ s 删i n ( r n 蚓4 f , e ) i 21 口筇 其中e ，m 是每个符号的信噪比。当输入信噪比为3 0 d b 时，子载波间隔 的1 的载波频偏会带来约2 d b 的信噪比损失。为了使信噪比损失尽量小最大 的频偏容限为1 的子载波问隔，这也就是频率同步的精度要求。 理姆信道下无任* * # 日 日一化* 自0 0 1 时的墨目 匿o：5os1 1 1 口一化翔* 女o0 4 n 星座目口一m m * o h e 目 网3 1 受频偏影响的星座图 图31 中o f d m 符号的子载波数为3 7 8 0 ，子载波间隔为2 k h z ，理想信道条 件下的星座图。从图中可以看出，很小的载波频率偏移就可以使星座拄生混乱， 不f h 幅度上出现了各个大小的值，而且相位也发生旋转，各个子载波间发生干扰， 造成信噪比损失。 3 2o f d m 系统中的同步方案 同步技术是任何一个通信系统都需要解决的实际问题i ，其性能直接关系到 整个通信系统的性能。o f d m 系统同步问题包括采样钟同步、符号定时同步和载 波同步其中符号同步的目的是使接收端确定每个o f d m 符号的起止时刻，即确 定准确的f f t 窗起始位置，并进一步实现块同步或帧同步：采样钟同步一般包括 第3 章无线o f d m 系统载波恢复技术 1 5 采样钟定时同步和采样钟频率同步，采样钟定时同步是为接收端确定每个采样点 符号的起止时刻，采样钟频率同步是为了保证接收端与发送端具有相同的采样频 率而设计的；载波同步是为了保证接收端的振荡频率与发送载波同频同相。 在实际系统中，由于各种偏差都是随机变化的，这给同步工作带来了很大的 困难的，因此在o f d m 系统中为了能有效地利用有限的数据获得更加准确的同步， 一般可以把同步过程分为两个阶段：捕获阶段和跟踪阶段。捕获态的任务就是要 尽快的进行偏差变量估计，跟踪态的任务就是能够锁定并执行跟踪任务。一般地， 为了获得较好的同步性能，捕获阶段又可以进一步细分为两种模式，即粗同步和 细同步。在粗同步模式中，同步器将各偏差变量的较大初始偏差减小到一个较小 的范围内，但不要求完全精确同步。在细同步模式中，同步器将各偏差变量的剩 余误差进一步减小，以达到系统要求的估计精度。 根据o f d m 系统结构的不同，存在两种典型的整体同步方案【2 0 1 ，如图3 2 、图 3 3 所示。由图3 2 可以看出其同步过程都在时域进行，只需在时域插入训练序列， 其典型的系统有t d s o f d m 以及很多m i m o o f d m 系统。图3 3 所示的是时频域 的同步过程，在时域做一个粗的估计，然后在频域得到细的估计结果，最后在时 域进行调整，其典型的系统有d a b 2 1 1 ，d v b t 2 2 】等。 图3 2 时域同步方案 罴h 采样钟校正h 粗符号同步h 褂偏估计h 即器位 细频偏估计卜一采样钟估计 卜一细符号同步h 1 整偏估计卜l f f t 图3 3 时频域同步方案 本文主要介绍o f d m 系统的载波同步问题。与单载波系统相比，o f d m 系统 在应对定时误差方面具有更强的健壮性，然而其对频率偏移误差较敏感。频率偏 移误差不仅导致信噪l 卜, ( s n r ，s i g n a lt on o i s er a t i o ) 的减少，而且也导致了载