（信号与信息处理专业论文）dvbt解调器同步模块的设计与仿真.pdf

摘要 本论文基于数字视频广播d v b t 传输系统项目撰写。文章首先 分析了全数字h d t v 地面传输环境的信道特性，给出d v b t 多载波 方案的系统结构。重点分析同步误差对系统的影响，研究d v b t 解调器同步模块的设计及关键算法仿真。 利用o f d m 系统时域插入的保护间隔冗余信息进行符号粗同 步和分数频偏的联合估计，校正分数频偏，粗略确定符号起始位置。 f f t 后利用频域插入的连续导频实现整数倍载波频偏估计与校正， 并由分散导频信号估计信道冲击响应，确定多径时延宽度，实现f f t 窗位置精确定位。数值分析和计算机仿真结果表明同步算法在加性 高斯白噪声信道能达到最佳性能，在慢衰落r a y l e i g h 信道下也有很 好的性能。s i m u l i n k 仿真表明各同步模块能稳定协同工作，设计 合理可行。 我在该项目中完成的主要工作有： 阅读相关文献资料，掌握d v b t 系统原理和整体结构。 分析各种同步误差对系统性能影响。 研究同步算法原理，完成快速算法c 语言定点仿真。 设计d v b t 同步模块，用s i m u l i n k 仿真系统实现同步模块性能 验证。 与项目组成员合作制定系统框架，接口规范。完成接收端软件仿 真模块联调。 关键词：高清晰度电视、d v b - t 、正交频分复用、符号同步、频率 同步、采样钟同步。 a b s t r a c t t h ep a p e ri sw r i t t e na c c o r d i n gt o d v b - tt r a n s m i s s i o ns y s t e m p r o j e c t i n t h i s p a p e r ，t h e c h a r a c t e r i s t i c so f a l l d i g i t a l h d t v t e r r e s t r i a lt r a n s m i s s i o na r e a n a l y z e d ，d v b t m u l t i - c a r r i e r t r a n s m i s s i o ns c h e m ei sp r e s e n t e da n dk e ys y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h m s o fc o f d ms c h e m ea r er e s e a r c h e d t h es c h e m e e x p l o i t sg u a r d i n t e r v a li ns e r t e db e t w e e no f d m s y m b o l s i nt i m ed o m a i nt o p e r f o r m t h e j o i n t e s t i m a t i o no fc o a r s e s y m b o ls y n c h r o n i z a t i o na n dt h e f r a c t i o nv a l u eo fc a r r i e r f r e q u e n c y o f f s e t a f t e rf f te s t i m a t e st h ei n t e g e rp a r to fc a r r i e rf r e q u e n c yo f f s e t b yc o n t i n u a lp i l o ta n de s t i m a t e sf i n es y m b o lo f f s e tb ys c a t t e r e dp i l o t s i n f r e q u e n c yd o m a i nt og e tt h ec i r t h e nt h ef f tw i n d o wp o s i t i o n c a nb ed e c i d e d e x a c t l y a n a l y s e sa n ds i m u l a t i o n ss h o wt h e p e r f o r m a n c ef o rt h ea w g nc h a n n e li so p t i m a la n di tc a na l s ob ew e l l a p p l i e dt os l o wf a d i n gr a y l e i g hc h a n n e l i nt h ep r o j e c t ，t h em a i nw o r ki v ed o n eis ： r e a dp a p e r st ob ef a r o i i i a rw i t ht h eb a s i cp r i n c i p l eo fd v b - t s y s t e m a n a l y s et h ei m p a c t so fe a c hs y n c h r o n i z a t i o ne r r o rt ot h es y s t e m r e s e a r c hs y m b o ls y n c h r o n i z a t i o n 、 c a r r i e r f 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 gc l o c ks y n c h r o n i z a t i o n d e s i g ns y n c h r o n i z a t i o n b l o c k si nd v b - tr e c e i v e ra n d t e s tt h e mi n s i m u lt n k c o o p e r a t ew i t h o t h e r st o d e s i g nt h er e c e i v e rf r a m ea n dm a k ec l e a rt h e b l o c k s i n t e r f a c e s ；t a k ep a r ti ns y s t e md e b u g g i n ga n df u n c t i o nt e s t k e yw o r d ：h i g hd e f i n i t i o nt e l e v i s i o n ( h d t v ) 、d v b t 、o r t h o g o n a l f r e q u e n c y d i v is i o n m u l t i p l e x ( o f d m ) 、s y m b o ls y n c h r o n i z a t i o n 、 f 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 gc l o c ks y n c h r o n i z a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，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作了明 确的说明并表示谢意。 签名：盔堡盗日期：砂侔广月，7 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名： 日期：扫一乒年钥r 7 日 皇三型垫盔堂堕主笙塞 望! 曼：! 堡塑墨旦生竖垫塑堡生量堕墨 第一章绪论 数字技术飞速发展，广播电视事业也日新月异。广播电视由模 拟向数字全面过渡已成为共识，电视系统全面数字化的潮流势不可 挡。随着计算机网络、数字通信技术、大规模集成电路等技术领域 的飞速发展，数字高清晰电视也在迅猛发展。 1 1 高清晰度电视发展状况 数字电视广播主要通过卫星、有线电视和地面无线三大传输方 式实现。由于数字电视地面广播的传输环境相对于卫星和有线电视 传输要复杂很多，频谱资源有限，应用需求分散，故标准的讨论较 为激烈。目前世界数字电视地面广播有三个相对成熟的标准：( 1 ) 美国高级电视委员会( a t s c ) 研发的格形编码的八电平残留边带 ( 8 一v s b ) 调制系统；( 2 ) 欧洲数字视频地面广播( d v b t ) 标准采 用的编码正交频分复用( c o f d m ) ；( 3 ) 日本地面综合业务数字广播 ( i s d b - t ) 采用的频带分段传输正交频分复用( b s t o f d m ) 。 美国在军用h d t v 方面的研究较早，1 9 8 8 年美国联邦通信委员 会( f c c ) 明确要发展a t v ( 高级电视，包括h d t v ) ，标志美国看 到了h d t v 未来的潜在市场。1 9 9 3 年美国参试各家组成大联盟讨论 形成g a 方案。9 4 年有了“大联盟g a ”h d t v 系统技术说明书。 9 6 年1 2 月，f c c 决定采用a t s c 数字电视标准作为其下一代h d t v 广播电视标准。9 8 年正式开始数字电视的广播，并计划在2 0 0 6 年 开始停播模拟电视节目。 a t s c 标准的核心是8 - v s b 技术或称为q a m 方案，有较好的 载噪比，a w g n 信道具有良好性能。但为了消除多径干扰，必须采 用较为复杂的均衡技术，因而接收机的成本较高，且不支持移动接 收。加拿大、墨西哥、阿根廷等国支持这一标准。 欧洲提出数字视频广播规划始于1 9 9 3 年，9 6 年3 月欧洲广播 联盟( e b u ) 公布了d v b t 标准草案。9 7 年3 月e b u 正式通过了 电子科技大学硕士论文 d v b t 解调器同步模块的设计与仿真 数字视频地面广播( d v b t ) 标准，标志了欧洲h d t v 地面传输方 案的标准化工作完成。 d v b t 标准采用了编码的正交频分复用( c o d e do r t h o g o n a l f r e q u e n c vd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，c o f d m ) 技术。它通过延长符号周 期来抗击多径干扰。插入的保护间隔和导频信号可以完成定时同步、 载波恢复、信道均衡等工作。由于能较好的抗击多径干扰。可以组 成单频网。该标准有许多可选参数，可以适应不同信噪比和信道特 性的地面传输，也支持移动接收。d v b 标准还包括：数字卫星转播 系统( d v b s ) 、数字电缆传送系统( d v b c ) 。这两个标准也是世 界应用在卫星和有线电视网络中的数字电视传输标准。现已有3 0 多个国家和地区的2 0 0 多家公司与组织参加，除了英国、法国、瑞 典等欧洲国家采用这一标准外，澳大利亚、新加坡、印度等国也支 持这一标准。 月本于19 9 7 年制定了自己的综合业务数字地面广播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 ) 方案。i s d b - t 的核心技 术也是o f d m ，但它由一组称为b s t 的基本频率块组成，对不同的 b s t 段采用不同的载波调制方案和内码编码码率。不同数据段有自 己的误码保护方案以满足不同业务要求。日本于9 9 年5 月向i t u r 提交萁草案，并被接受为第三种标准。2 0 0 2 年日本开始数字广播。 我国数字高清晰电视系统技术的研究工作始于八十年代、1 9 9 2 年我国有关部委相继立项，开展不同规模的全数字h d t v 的研究。 国家科委、国家计委分别会同广电部、电子部下达八五h d t v 科技 攻关项目。9 6 年国家科委正式启动h d t v 功能样机研究项目。9 8 年国家高清晰度电视总体组完成了中国第一套h d t v 地面功能样机 系统的研发，并在此基础上与制造商共同开发了第二套h d t v 功能 样机系统，9 9 年国庆庆典时试播。我国在传播体制、编解码方式和 传输方式等方面的研究均取得不少成果：同时在硬件上，从可视电 话、会议电视到现行电视的数字化及信道编解码调制设备的研制， 也都为自主发展我国的h d t v 积累了经验。 电子科技大学硕士论文 d v b t 解调器同步模块的设计与仿真 目前我国正在组织力量制定适合中国特点的自主知识产权的数 字地面电视传输标准。自主知识产权的5 套地面广播传输系统正在 测试和论证中，在北京、上海和深圳等城市设立了我国首批数字电 视试验区，并将各种方案在试验区里进行验证和改进。 1 2 选题背景 我校是较早从事h d t v 和数字视频方面技术研究的大专院校之 一，在顾德仁教授倡导下，朱维乐教授的带领下先后承担了八五攻 关项目h d t v 系统的计算机仿真和目前的全数字h d t v 功能样机 c o f d m 专题研究，取得了可喜的成果。 发展h d t v 首先要确定传输体制，因为目前我国也积极着手制订 符合中国国情的标准，所以在传输技术上多种技术并行发展时，对 地面传输方案的研究具有重大的理论和实际应用价值。从已发表的 测试结果看，c o f d m 在地面传输的抗干扰性能和实现复杂性都具有 突出的优点，因而论文工作重点研究了d v b - t ( c o f d m ) 传输方案。 d v b t 传输具有参数灵活可变的优点和快速跟踪信道响应的帧组织 结构特点。 1 3 论文结构 本文是基于电子科技大学h d t v 教研室与成都天锐电子科技有 限公司合作的d v b t 传输系统项目开发而撰写的。论文第二章对 o f d m 原理及地面传输信道模型进行了阐述。第三章讨论了d v b t 传 输系统结构及特点。第四章对系统同步误差影响进行了分析。第五 章研究各种同步算法，包括符号定时同步、载波频率同步及采样钟 同步，同时对算法进行仿真分析与验证。第六章给出该项目d v b t 接收系统的同步方案结构，对关键模块设置给出具体描述。最后总 结全文。 电子科技大学硕士论文 d v b t 解调器同步模块的设计与仿真 第二章o f d m 原理及地面传输信道特征 正交频分复用( o f d m ) 是一种多载波调制技术。2 0 世纪5 0 年代中期，当时传统并行数据传输系统中，整个信号频段被划分为 n 个互相不重叠的频率子信道，传输独立调制信号，再将n 个子信 道进行频率复用，这样有利于消除信道间干扰，却不能有效利用宝 贵的频率资源。6 0 年代后期，将多载波通信频谱分成几个频率重叠 但又相互正交的子信道的新通信技术问世，这就是o f d m 技术。 o f d m 的子信道间隔定为1 t ，每个子信道的传输速率也为1 t ， 子信道间频谱重叠，而在每个子信道的中心点来自其它子信道的干 扰为零。由于采用并行传输，大大扩展了传输符号宽度，本身具有 较强的抗多径能力。 尽管上述概念早在6 0 年代就已经被提出，但由于当时的集成电 路规模和数字信号处理技术的限制，并未得到很好的应用。它主要 应用于军事高频通信系统，且结构非常复杂。直到7 0 年代以来，才 有使用d f t 实现o f d m 的文献发表，使o f d m 趋于实用化。9 0 年 代以来，超大规模高速集成电路的发展，高速f f ta s i c 芯片为实 现子信道数n 很大的o f d m 传输提供了可能，o f d m 技术的研究也 深入到无线调频信道上的宽带数据传输。 2 1 o f d m 原理及信号表示 在任一时刻 ，一码元宽度，内，基带0 f d m 信号可以表示为： j ( f ) ：窆村( 咖j 2 z n t e o ，t ( 2 1 ) 其中，m ( n ，) 为第力个信道的调制信号，e ，2 删 7 - 为第仃个信道的载 波，n 为并行传输信道数。膨向，对应不同的调制方式可以有不同取 值，例如采用3 2 q a m ，则向，取一3 - s d ，一3 - 3 j ，5 + 3 j 之 一，每一符号可传5 b i t 信息。将式( 2 1 ) 离散化得到下式： 4 电子科技大学硕士论文 d v b t 解调器同步模块的设计与仿真 州= 普e 诤耐岫n ( 2 2 ) 从上式可以得到在一个码元时间内的n 个并行信道采样值之和 的信号( 即离散o f d m 信号) 。这种信号经0 4 变换及滤波后便可直 接调制到射频上进行传输。解调时，可以利用下式： j r 月，：n - 1 可纠e j 2 r c n k n ( 2 3 ) 得到输出信号。式( 2 2 ) 是离散傅氏反变换( i d f t ) 的一般形式 ( 2 3 ) 是d f t 的一般形式。o f d m 信号具有图2 1 所示频谱。 图2 - 1o f d m 的频谱 2 2 地面传输信道特- 眭和模型 地面信道传输特性的两大突出特点是时间选择性和频率选择 性，同时地面传输信道还具有高斯加性白噪声干扰、突发干扰、工 业干扰及电离层反射、同频干扰等信道的恶劣特性。 2 2 1 地面信道的噪声和干扰 h d t v 地面传输工作在u h f v h f 频段，对于定点通信时，在这一 频段通信主要的干扰和噪声有： 1 加性白高斯噪声( a w g n ) 高斯分布的自噪声概率密度可表示： 小j = 名亍。一簪( 2 - - 4 ) 电子科技大学硕士论文d v b t 解调器同步模块的设计与仿真 2 突发干扰 突发干扰表现为短时大噪声，这种短时大噪声主要由工业电火花 等突发因素引起，噪声能量可能高于信号能量。 3 p a l 同频干扰 由于h d t v 的地面广播是在现有的电视频带内，与标准的p a l 信 号同播，因此h d t v 信号会受到p a l 同播信号的干扰，p a l 信号的频 谱特征是信号能量主要集中在视频载波、色亮及音频副载波，p a l 频谱图如图2 2 所示。 2 2 2 地面传输信道多径和衰落 由于地面传输信道环境的复杂性和特殊性，传输信道具有色散和 时变特性，在这样的信道上传输信号还有以下的主要特性： 1 多径传输 多径传输使信号产生频率选择性失真，多径主要是由于城市建 筑物对电波的多次反射及散射引起的，多径干扰主要包括三个参数： 多径延时、衰减和相移。通过对这些参数的不同选择可得到不同的 多径传输模型。 2 衰落 移动接收中的多径的时变会引起附加的调幅和调相，信号的失 6 电子科技大学硕士论文 d v b t 解调器同步模块的设计与仿真 真取决于这种附加的调幅、调相的特点。它既可能是无衰落的高斯 型，也可能是电平有大起伏的瑞利衰落。 3 多普勒频移效应 这是由于移动接收的运动造成的，频移值与入射角，波长和运 动速度有关，设所有电波入射角为均匀分布，则多普勒频移分布函 数可由下式给出： 州啦昙瓦圭乖，。，i 厶厶一( 2 - - 5 ) 其中。，是最大多普勒频移，且有：，：，。兰，v 为移动接收 c 运动速度，厶为接收频率。 在上述信道上传输信号，许多研究指出典型的调制体制( 如 q p s k 或f s k ) 有误码展平现象，甚至很大的倍噪比下也如此。这由 以下的两个独立现象造成： 由于信道的冲激响应的时间延展产生的频率选择性，当传输 的数据率提高时导致了严重的符号干扰( i s i ) 。在多载波并行传输 时还导致严重的子载波问干扰( ，甜) 。 由于接收的环境变化导致信道特性的时变，产生衰落，使接 收机的相位估计性能恶化。 通常情况下，地面传输信道环境为视线环境( l o s ) ，信道为莱 斯信道，接收信号的幅值衰落服莱斯( r ic e a n ) 分布： p 8 t i2 a l ( 1 + g ) e 。辑+ a t z 1 + g ) l 1 0 1 2 a t + 小币雨l ( 2 6 ) o o v 其中7 。2 ! o 万是零阶修正b e s s e l 函数，莱斯因子 k = 兰了为视线分量的功率与随机多径分量的功率之比。a ，是衰落 2s 。一一 引入的乘性因子，而接收信号的相位p te h 如下概率分布函数描述； 电子科技大学硕士论文d v b t 解调器同步模块的设计与仿真 咖小譬+ 巫譬，2 - e 廊帆唧，月 ( 2 叫) 当k = 0 时，信道为非视线信道( n l o s ) 具有严重的衰落，接收 信号的幅值服从瑞利分布，相位服从均匀分布。当k 斗m 时，信道 还原为a w g n 信道。设s 。为发射信号，则通过信道后接收信号为： ：a e 一仲ts + n ，(28y ) t 2 a f e s f + 几f lz j n 。为单边功率普密度为n 。的高斯噪声。 反映上述信道的多径和时变特性可用两对重要的统计参数来描 述，即信道多径扩散或信道延展t 。和相干带宽b 。、多普勒扩散b 。 和相干时间。4 t 。，。有如下的关系： 相干带宽：b c “毒 。 相干时间：( a t o j * 妾 。mu d 一方面，当w b a 时，信道满足慢衰落信道的条件，另一方面， 当w b c 时，信道满足频率非选择性衰落信道条件。因而可以用 信道扩散因子t 。b 。来描述信道。 2 2 3 地面传输信道模型 由上所述，地面传输信道可由图2 - 3 所示的简化模型描述。 扣 吨 叫辫一 + 孓豁 、土p 0 ( 。 个 图2 3 地面倍道传输简化模型 。是多径延时，p o 是直视信号径衰落因子， p i ( t ) 是多径衰减因子。 电子科技大学硕士论文 d v b t 解调器同步模块的设计与仿真 第三章d v b t ( c o f d m ) 系统结构及特点 高速数字传输时，要满足n y q u i s t 的无失真传输条件，基带信 号必然有很宽的带宽，远大于信道的相干带宽。前面分析指出，信 号在地面信道传输受到严重的频率选择性多径失真。移动接收时， 还会因接收环境的时变受到严重衰落。同时，h d t v 要在现有的电 视频带内传输信号，现行p a l 体制的有效带宽为7 6 m h z ，尽管基 于m p e g - 2 的信源编码对视频数据进行了有效的压缩，h d t v 的数 据传输率仍很大。因而需要采用高效的调制传输方案和先进的信道 编码技术。 d v b t 系统采用了编码的正交频分复用技术( c o f d m ，c o d e d 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 ) 。c o f d m 技术用许多 子信道并行传输数据。各子信道正交频分复用，大大扩展了子信道 传输符号宽度，子信道的带宽小于相干带宽，并采用多电平调制。 c o f d m 具有抗多径和频率选择性失真，抗脉冲噪声、频带利用率 高，能实现移动接收等优良特性。结合高效的信道编码和时频交织 技术还能有效地对抗突发差错和a w g n 的干扰引起的随机差错。利 用插入导频能实现对信道响应的快速根踪。 3 1 d v b t ( c o f d m ) 系统结构 由 串行输 卅 图3 一id v b t 系统框图 皇主型墼盔兰塑主鲨壅 旦堡：! 堡塑墨旦堂堕垫盟篓茎：! ! ! ! 墨 图3 2d v b t 发端系统结构 根据图3 2 所示的发端系统结构，将各部分简述如下： ( 1 ) 码流接口 能量扩散主要完成对输入码流用一个伪随机序列进行随机化处 理。m p e g ，2 复用器( m u x ) 的码流以数据包的形式送入信道。每 个数据包含有1 个同步字节s y n c 和18 7 个数据字节。同步字节为 4 7 h 。通过滑动校验同步字节s y n c 获得码流的同步锁定，去除数据 码流的抖动。对码流的伪随机化处理由p r b s 与码流数据异或完成。 为便于接收端解扰，每8 个传输包的第一个包的同步字进行求反处 理，即一s y n c = b 8 h 。这样，p r b s 的周期力1 5 0 3b y t e ，翅图3 - 3 所 示。 p r b s 周期= 1 5 0 3b y t e 随机佬 s y n c 2 砖机他 、 s y n c 目 蘧规纯 丽f 琏祝讹、 1 8 7 b y t e1 8 7 b y t e l t l9 7 时t e 。 il8 t b v t e 图3 - 3 随机传送包：同步字节和随机化数据字节 1 0 生王登垫查堂堡主堡壅 里望：! 堡塑墨回生塑垫塑垦盐皇堕墨 ( 2 ) 编码与交织 信道编码采用级联编码方式。外码是r s ( 2 0 4 ，1 8 8 ，t = 8 ) 的分组 编码，有纠8b y t e 错的能力。内码是码率为1 2 的主卷积码，可以 收缩成2 3 、3 4 、5 6 、7 8 几种码率。非分级传输中可以根据给定 的数据率选择不周的误码保护。 为抗突发干扰，降低误码率，采用交织技术。外码交织是深度 为2 0 4 的卷积交织。内码交织先是b i t 交织，再进行符号交织。 ( 2 ) 星座映射 信号调制采用可变映射星座的方式以适应不同数据率的码流传 输。星座映射有b p s k 、q p s k 、1 6 q a m 及6 4 q a m 几种，采用g r e y 映射，6 4 q a m 如图3 4 示。 。l 。j 一 一7 1 0 0 0 0 01 0 0 0 1 01 d l d l 01 d l o r ) o0 0 l d 0 00 0 1 0 1 0i ) 0 0 0 1 0o o c o c k ) - 一 5 ic 0 0 0 i1 0 0 0 1i1 0 1 0 il 1 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 ii肿0 0 l l0 0 0 0 0 l 一 。3 i o o l o l 1 0 0 1 1 l1 0 1 1 1 l 10 1 1 0 i0 0 11 0 10 0 1 0 l l0 0 0 0 l lo 。0 0 0 l 一 l 1 0 0 1 0 0 1 0 0 11 01 d l li d1 0 l 1 0 00 0 i 1 0 0 0 0 1 1 1 00 0 0 1 1 0c 0 0 1 0 0 llli r e f ： i)s7 一- 1 c 1 1 【0 0o i i o 0 f 0 【f 00 1 0 1 0 0 一3 o l l l 0 10 1 1 1 1 io 1 0 1 1 10 1 0 1 0 i 一 一5 1 1 0 0 0 l 1 1 0 0 i i1 1 1 0 i l 1 1 1 0 0 l0 1 1 0 0 10 1 1 0 1 1o 】0 0 1 10 1 0 1 2 0 1 一- 7 o l l 0 0 00 1 1 0 i do l o o l 00 1 0 0 0 0 倒3 46 4 一q a m 星座图 ( 3 ) 导频与t p s 一个o f d m 帧除了传输有效的数据信号外，还传输连续导频 ( c o n t i n u a lp i l o t ) 、分散导频( s c a t t e r e dp i l o t ) 和传输参数信令( t p s ) 参考信号。这些信号的调制由p r b s 导出，为使参考信号具有较高 的抗干扰性能，连续导频和分散导频采用b p s k 方式调制，以高于 皇兰型墼查堂婴主堡奎 里呈：! 堡塑墨堕望翌堂型瑾堡型i 堕墨 数据载波平均电平2 5 d b 发射。 t p s 携带了o f d m 的些系统参数，控制接收端正确解码。它 以频率分集的方式传输，接收端通过合并获得1 2 3 d b 增益。t p s 采 用b c h 码进行误码保护，进一步减少传输参数误码率。 这些导频和参数可以用于快速同步、信道估计与均衡、传输模 式的识别，以及相位噪声跟踪等。 ( 4 ) 保护间隔 d v b t 系统中在每个o f d m 符号间插入了长度可选的保护间 隔( g u a r di n t e r v a l s ，g i ) ，只要保护间隔长度大于多径时延扩展宽 度，能够克服由于多径引起的符号间干扰( i s i ) 。 3 2 系统参数与帧结构 o f d m 的信号传输采用分帧传输方式。每帧的时间为t f ，包含 6 8 个o f d m 符号。每4 帧构成一个超帧。每个符号由k = 6 8 1 7 ( 8 k 模式) 和k = 1 7 0 5 ( 2 k 模式) 个载波组成以t s 符号持续时间发射。 符号持续期包含：有用符号期t u ，保护时隙4 。d 通过在t u 之前放 置t u 的循环连续实现，4 种保护时隙可选。表3 1 ，3 2 给出o f d m 系统参数。 表3 12 k 和8 k 模式的o f d m 参数 o f d m 参数8 k 模式2 k 模式 载波数6 8 1 7 17 0 5 载波数k m i n o0 载波数k m a x6 8 1 61 7 0 4 有用符号期 8 9 6 i t s2 2 4 p s 载波间隔1 t u1 ，1 】6 h z4 4 6 4 h z 信道带宽7 6 l m h z7 。6 l m h z 皇王型垫奎堂塑圭堡塞 里望：! 坚塑竖旦生堡垫塑堡生量堕墨 表3 2符号期和保护时隙参数 模 8k 模式 2k 模式 式 保护时隙 1 41 8 1 l61 3 2l 41 81 16 1 3 2 4 l 有用符号8 1 9 2 4 t 2 0 4 8 0 t 期t u 2 2 4 u s8 9 6 u s 保护时隙2 0 4 8 81 0 2 4 +5 t 2 + 2 5 6 4 5 1 2 +2 5 6 + 1 2 8 十t6 4 t tttttt 4 2 2 4 u s1 1 2 u s5 6 u s 2 8 u s 5 6 u s2 8 u s 1 4 u s7 u s 符号期i 0 2 4 09 2 1 6 +8 7 0 4 +8 4 4 8 82 5 6 02 3 0 4 2 i7 6 2 l l2 tttt+ ttt斗t t s = t u + 41 1 2 0 ul 0 0 8 u9 5 2 u9 2 4 u s2 8 0 u2 5 2 u s2 3 8 u s2 3 l u sssss 其中 发射的o f d m 信号表示为： 8 7k 戡 s f ) = 胁m 耻r ，* 0 i = 0 女 ，。“，= p 2 ”老r c 一：b 一”飞j k载波数 ，符号数 m 传输帧数 t s符号期 r ，+ 铝脚s s f ，+ 弱m + ( 3 1 ) 皇王型垫查堂堡圭鲨塞 里呈：! 塑塑墨回生垡垫堕望盐量! 蔓墨 t u有用符号期 4保护时隙 f 。射频中心频率 c 。 第m 帧的f 符号的第个载波的复数调制值。 其中连续导频和t p s 位置固定，表3 3 仅以2 k 模式为例示意。 而分散导频位置由下式确定： k = k 。+ 3 ( 1 r o o d 4 ) + 1 2 p ( 3 - 2 ) 其中p ，k ，为非负整数。，( k 砌，k 】， o ，6 7 】，p 是使 k e k 。，七。 的所有正整数，分布导频模式如图3 - 5 所示： 0 数据导频 o o o o o o o o o o o o 0 0 0 0 0 o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o a o o o o o 口o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 o 0 0 0 0 0 0 0 0 o o o o o o o o o o o o o o o 口o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o 0 0 0 0 o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o 0 0 0 0 0 表3 - 3 ( 2 k 模式) 连续导频和t p s 位置 连续导频载波位置t p s 位置 04 85 4e 71 4 ll5 61 9 22 0 13 45 02 0 93 4 64 l35 6 95 9 56 8 8 2 5 52 7 92 8 23 3 34 3 24 5 04 8 37 9 09 0 i1 0 7 31 2 1 9 1 2 6 2i 2 8 6 5 2 55 3 16 186 3 67 1 47 5 97 6 51 4 6 915 9 41 6 8 7 7 8 08 0 48 7 38 8 89 l89 3 99 4 2 9 6 99 8 41 0 5 01 1 0 11 1 0 71 1 1 0 1 l3 71 1 4 01 1 4 61 2 0 61 2 6 9 1 2 2 313 7 71 4 9 1l6 8 317 0 4 1 4 电子科技火学硕士论文 d v b t 解调器同步模块的设计与仿真 3 3c o f d m 传输方案特点 ( 1 ) 采用c o f d m 技术，较单载波系统，频谱效率高。 ( 2 ) o f d m 采用并行传输机制，将信息分散到大量子载波中，将高 速数据流比特速率r 降为的个子流，使调制的符号的时间间隔 远大于信道的时延扩展，在较大的失真和突发性脉冲干扰环境下对 输入的数字信号提供有效的保护，同时减小系统对延时扩展的敏感 程度。 ( 3 ) 时域插入的循环扩展保护间隔延长了o f d m 调制信号的持续时 间，当保护间隔大于多径的最大时延扩展，可以消除i s i ，并保持 子载波间的正交性。 ( 4 ) 频域插入的导频信号，由于发端已知且由p r b s 调制的特性， 可以有效的进行符号定时同步、载波频率同步及采样钟的联合同步， 并及时跟踪信道变化，完成均衡处理。在移动接收和对付动态多径， 都显示了巨大作用。 ( 5 ) o f d m 系统结合信道编码、交织及信道估计等技术，把频率选 择性衰落分散到整个信号带宽和交织深度上，克服突发随机错误， 并结合信道估计为维特比译码判决提供可靠的置信信息。 ( 6 ) 可以根据数据率，选择不同的数据载波调制方式。一般固定接 收采用1 6 q a m 和6 4 q a m ，移动接收业务采用q p s k 。分层传输可以同 时实现固定和移动接收业务。 电子科技大学硕士论文 d v b t 解调器同步模块的设计与仿真 第四章同步误差分析 稳健的时间同步和载波恢复是数字通信系统实现信息可靠传输 的关键前提条件。而0 f d m 对载波频率误差的影响很敏感。由于收发 上变换器、调谐器产生的频率偏移及符号定时偏移破坏了各子信道 载波的正交性。造成一载波的解调信号干扰了其它载波的解调信号， 即产生i c i 。 在单载波系统中，载波频率的频移只会对接收信号造成一定的 衰减和相位旋转，这可以通过均衡等方法来加以克服。而对于多载 波系统来说，载波频率的偏移会导致子信道之间的干扰，而且对于 要求子载波保持严格同步的正交频分复用系统，载波频率偏移的影 响则更加严重。如不采取措施对i c i 加以克服，会对系统性能带来 严重的地板效应，即无论如何增加信号的发射功率，也不能显著改 善系统性能。 所以，在进行同步算法研究之前，我们先对各种同步误差对于 o f d m 系统的影响进行分析。o f d m 作为一种多载波调制技术，各 个子载波之间相互正交，并行传输数据，它的调制同过f f t 来实现。 由于收发两端的定时同步偏差，载波频率偏差，采样时钟偏差的存 在，以及多普勒效应，振荡器的不稳定等因素可能使整个系统性能 大大下降。分析过程中，我们定义如下内容： 。：有效数据子载波数，2 k 模式( 1 7 0 5 ) 8 k 模式( 6 8 1 7 ) 。 ：子载波数，2 k 模式( 2 0 4 8 ) s k 模式( 8 1 9 2 ) 。 。：循环前缀保护间隔点数，仫、眵6 和哆幺可选。 t ：一个符号持续时i n ，t = t o + t ，有用符号期t o = ， 保护i n 隔毛= n 。t 。 r ：采样间隔，t = i ，。 1 6 电子科技大学硕士论文 d v b t 解调器同步模块的设计与仿真 发送端的0 f d m 基带信号表示为 x ( m = 可1n 驴- 1 k 肛等，- n g _ n e c n o ( s i 廊硝( 虎霄4 + 0 5 9 7 z ( e c n o x s i n n l w ) 2 ( 4 6 ) 图4 - 1 给出了平均接收载噪比e e n o 分别为2 3 ，1 7 ，1 1 d b 下的符 号定时偏移对s n r 的影响。 、e 曲到日 e c o _ 1 7 招 - 、 7 一蕞溢 、 心， 飞迄 迤 n 图4 _ 1 符号定时偏移对s n r 的影响 图4 - 2 分数频偏对s n r 的影响 4 2 载波频率偏差 o f d m 传输系统采用多载波调制技术，各- t - 信道间相互正交，并 手于传输数据a 出于存在收发两端振荡器的误差，无线衰落信道时变 性造成的频率弥散，以及多普勒频移等因素，会导致载波频率的偏 电子科技大学硕士论文d v b t 解调器同步模块的设计与仿真 移和相位的跳变，形成多载波并行传输的子载波间干扰( i c i ， i n t e r c h a n n e li n t e r f e r e n c e ) ，这时子载波间的正交性被破坏，系统性 能大大恶化。所以相对于单载波系统，o f d m 系统对频率偏移更为敏 感，必须对其进行正确的估计和补偿。 m 。m o u r i 【1 5 】等人研究了频率偏移对b e r 的影响，在1 0 0 0 子载波下，频率偏移几个子信道间隔时，导致3 0 d b 的干扰，严重恶 化系统性能。同时指出频率偏移在1 以内时，对b e r 的影响较小。 实际的载波频率偏移分为两部分：分数频偏与整数频偏，他们 是相对于子载波间隔而言，产生的影响也不相同。我们将等于子载 波间隔整数倍的那部分频偏称为整数频偏，它会使信号在子信道上 水平滑动，效果相当于f f t 后结果产生频点值的周期移位；将小于 子载波间隔的那部分频偏称为分数频偏，它将造成信号的予信道干 扰失真。对于前者，通过估计出整数偏移量，可以直接通过周期循 环移位校正，故重点分析分数频偏对系统造成的影响。 在接收端，当符号同步正确估计o f d m 符号的起始位置，从而进 行f f t 运算。若收发端没有载波频率偏差，则有： = 五 + 哌( 4 7 ) 其中鼍是第k 个子载波的调制数据，域是第i 个子载波频带上的信 道增益，是零均值的复高斯白噪声。当收发两端存在着载波频率 偏差时，设这个偏差为善( 子载波间隔归化) ，根据文献【1 6 】， 有 其中 毛2 而s i n q 丽g ：) p 肼 s i n ( “，) n x k h k e j 8 十ik nk( 一8 ) l 刊一n - i ”掣幽q 五( 4 - - 9 ) 赢* s i n c ( 疗冉) 。 “。u 这罩曰是初始载波相位。可见，由于分数频率偏移的存在，有 电子科技大学硕士论文d v b 、t 解调器同步模块的设计与仿真 用信号不仅幅度衰减了型型卫一 。s i n ( 7 e f 。) ，相位旋转了鸳一而且 子载波i n 的正交性被破坏，引出了载波间干扰项i k 。 考察符号定时偏移对信噪比的影响，【9 】分析得到： 驯2 川卅2 驯w 丽拦兰丽( 4 - - 1 0 ) 若平均信道增益e f l t x f 2 ，= l h 2 l 为常数，则 ( 3 4 1 1 )可写成： 驯2 批m 2 删2 赢而矗而 当1 4 k l 0 5 时，进一步分析可得 e i t kj 2 j 0 5 9 4 7 1 x 1 2 i 1 2 ( s i n ，r a k ) 2 ， ia k i t m a