（通信与信息系统专业论文）drm接收机中ofdm系统同步算法的研究与实现.pdf

摘要 d r m ( d i g i t a lr a d i om o n d i a l e ) 是世界性的数字调幅广播组织，它为3 0 m h z 以下的短波、中波、长波波段广播提供了数字化的体系，使得覆盖范围广，传输 距离远的中、短波广播在原有带宽上极大的改善了音质，降低7 干扰，增加了服 务内容。在面对电视、互联网所带来的巨大挑战时，找到了是身发展的道路。 d r m 采用o f d m 信道调制技术，提高了频带利用率，降低了多经效应引起 的频率选择性衰落，多普勒频移等干扰。但是也增加了接收机算法的复杂度，尤 其对于餍步算法有很高的要求，是整个透信系统能否正常工作的关键部分。本论 文概括介绍了d r m 标准的诞生、成长、研究现状以及发展前景。对d r a m 系统 架构、数字接收机的设计，以及软件系统的设计做了总体描述。论文重点分析和 比较了d r m 接收祝中o f d m 系统同步的种类、备部分的几种算法，根据d r m 标准的特点相嵌入式平台软件设计要求，提出了基于d s p 平台的d r m 接收机软 件架构，并对同步部分的程序实现作了详细的讨论。最后，选取部分算法在m a t l a b 上进行仿真，验证了其正确性。通过与其它软件模块的联调，完成了d r m 接收 枧基本的功能。 关键词：d r a m 接收帆o f d m 羼步算法 a b s t r a c t d r m ( d i g i t a lr a d i om o n d i a l e ) i sag l o b 砖o r g a n i z a t i o no fa mb r o a d c a s t i n g i t p r o v i d e sad i 酉t a ls y s t e mf o rt h es h o r tw a v e ，m e d i u mw a v e ，a n dl o n gw a v e b r o a d c a s t i n gw h i c hh a saw i d er a n g ec o v e ra n dl o n gd i s t a n c et r a n s m i s s i o n t h e t i m b r ei si m p r o v e d , t h ei n t e r f e r e n c ei sr e t a i n e d , a n dt h ec o n t e n t sa r ee n r i c h e db yu s i n g d r ms t a n d a r do nt h eo l db a n d w i d t h f a c i n gw i t ht h eg r e a tc h a l l e n g ef r o mt h et va n d i n t e r a c t ，a mb r o a d c a s t i n gf i n d si t so w nw a yo fd e v e l o p i n g u s i n go f d mt e c h n o l o g y , d r ms y s t e mi m p r o v e st h ef r e q u e n c yb a n du t i l i t y , d e c r e a s e st h ef r e q u e n c ys e l e c t i v ef a d i n gc a u s e db ym u l t i - p a t he f f e c t , a n dw a k e n st h e d o p p l e rs h i f t b u ta tt h es a m et i m e ，d r mr e c e i v e ri sm u c hm o r ec o m p l e xt h a na m r e c e i v e r s y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h m s 诵像a ne s p e c i a l l yh i 啦q u a l i t ya r er e q u i r e da n d i ti st h ek e yp a r tf o raw e l l w o r k i n gc o m m u n i c a t i o ns y s t e m t h i st h e s i si n 拄o d u c e d h o wt h ed r ms t a n d a r dc a l n eo u ta n dd e v e l o p p e d , t h ep r e s e n tr e s e a r c h ，a n dt h eb r i g h t f u t u r eo fd r m i ta l s o g e n e r a l l yd e s c r i b e dd r ms y s t e m ss t r u c t u r e ，d e s i g no f h a r d w a r e d i g i t a l r e c e i v e ra n ds o f t w a r e s y s t e mf r a m e w o r k e v e r yk i n d o f s y n c h r o n i z a t i o na n di t sm g o r i t h m sw e r ed e t a i l e d l ya n a l y z e da n dc o m p a r e di n t h i s p a p e r as o f t w a r es t r u c t u r eo fd r mr e c e i v e rb a s e do nd s pp l a t f o r mw a sp u tf o r w a r d a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fd r ms t a n d a r da n dt h er e q u i r e m e n to fe m b e d d e d p l a t f o r m m e a n w h i l et h ei m p l e m e n to fs y n c h r o n i z a t i o np a r tw a sp a r t i c u l a r l y d i s c u s s e d a tl a s t ，ap a r to fs y n c h r o n i z a t i o nm o d u l ew a se m u l a t e db ym a t l a bt op r o v e i t sc o n e c t n e s s b yd e b u g g i n gt h es y n c h r o n i z a t i o nm o d u l e sw i 也，o t h e rm o d u l e ，t h e f u n c t i o n so fd r mr e c e i v e rw e r eb a s i c a l l yc o m p l e t e d k e y w o r d s ：d r m ，r e c e i v e r , o f d m ，s y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h m s 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和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文孛不趣含其他人已经发表 或撰写过韵研究成果，也不包含隽获得鑫盗基堂或其他教育机构韵学位域证 书丽使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所傲的任何烫献均已在论文中 作了鬻确的说骥并表示了谢意。 学位论文作者签名：壶杀；惫 签字匿期： 洳7 年参胃；r 豳 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤盎蕉鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权蠢洼基堂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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密焉适用本授权说硬) 学位论文作者签名：立杀j 叠 霉赚签名： 签字网期： 加释6 月岁e 1 之坼冬 签字同期。叩年占月矿日 第一章绪论 董1d r m 概述 1 1 1 模拟调幅广播的出路 第一章绪论 传统的a m 中波调幅广播覆盖范围很大、传输距离远、接收设备简单、价格 低廉。同时，由予标准全球统一，一种接收机可以在世界任何地方使用，所以其 优势十分突出，因此一直被世界各国作为基本的信息传播技术手段之一，尤其是 在地域广蔫、入叠密度低的地区覆盖以及对外广播等方面是酋选的信息传播手段 【1 1 。但是，传统的模拟调幅广播又有很多缺陷制约着它的进步发展。 1 ) 在传输过程中易受干扰，传输质量不高。对中波来说，晚上的电波衰落现象 严重，直接影响收听质量；对短波来说，不仅存在同频、邻频于扰，电离层的变化 也会影响收听质量。 2 ) 业务单一。一部发射机使用一个载波频率，传送一套单声道声音广播节目，不 能实现多媒体广播。 3 ) 在该频段内频谱过度占用问题愈演愈烈【2 】。 再加上随着电视的普及和互联网的飞速发展，模拟调幅广播面临的形势越来 越严峻，听众规模逐渐萎缩。因此，寻找调幅广播的崮路，使之适应时代的要求 已经追在眉睫。 数字a m 技术正是在这种环境下产生和发展起来的。它是调幅广播改变现状 的唯一出路。而d r m 是这一领域的国际标准。 1 1 2d r m 的优点 d r m 技术采用a a c ( 先进音频编码) 作为箕主要的信源编码方式，并有效 地使用s b r ( 频带恢复技术) 作为补充，可以大大地改善收听的音频质量；d r m 的信道编码为m l c ( 多级编码) ，调制采用o f d m ( 正交频分复用) ，再以交织 技术和差错保护、差错纠正技术作为补充，大大地减轻了平坦衰落、多径干扰产 生的频率选择性衰落、时延以及多普勒效应翡影响，提离了传输质量，接收也更 加稳定、可靠例。 通过与许多当今前沿的技术合作，d r m 确实能改进a m 广播的质量和服务 第一耄绪论 熊力，d r m 是一种带内系统，保持原有的频率配置构造，是一种开放的、非专 利的、发展的世界标准。 d r m 的各种先进技术决定了它比模拟调幅广播有着不可比拟的优越性： 显著提高了中短波波段信号传送的音质，在保持现有带宽9 k h z 或1 0 k h z 的情 况下，剩用音频数据压缩技术帮d s p 技术，可达到粼质量，如果带宽加倍， 可达到c d 质量； 在傈持相同覆盖的情况下，由于数字传输本身具有的特性，d r m 发射机比模 拟枷发射机的功率可降低四分之兰以上，即降低了6 8 d b 。这样有利于减 小电磁污染并降低功耗，既提高了发射的效率又提高了经济效益；露保持同 等功率等级，信号的覆盖范围将得到极大的扩展； 对现有的中短波广播发射机进行数字调幅广播技术的改造，费糟低廉；只要 添加部分设备，如：数字信源编码器( 采用m p e g - 4 低比特率) 、调制器( 采 用o f d m ) 、数字频率合成器，便可继续使用原有的p d m 、p s m 、d x 系列 发射机组成d r m 传输发射系统。 叁于是数字信号的传输，避免了电离层衰落和多径传输造成的千扰，极大增 强了抗干扰能力，确保了中短波波段信号传送和接收的可靠性【4 】； 从模拟到数字传输的过渡能力强，做到模拟与数字信号传送兼容。可以在一 个信道内传送个模拟信号和一个数字信号，实现数模同播，也可在不露的 信道内传送模拟与数字信号丽实现多路广播； 随着科学技术的发展，d r m 的应用已经不仅仅局限于声音广播，它可以提供 新业务，包括提供有与节霉相关的数据、文本、图形、图像业务等等。 1 1 3d r m 的研究与发展 d r m 组织是力3 0 m h z 以下豁短波、中波、长波建立一个全氆界的数字饿的 体系。它绘全世界的生产制造商和世界著名的媒体机构提供了合作的阵地。 1 9 9 8 年3 月5 日，世界上二十多个知名的广播组织在中国广州签署了“d r m 谅解备忘录，正式成立世界性数字a n i 广播组织d r m 。在这期闷，d r m 也成 力l w 广播分部的成员。 欧洲的d r m 发展状况 2 0 0 1 年9 月，e t s i ( 欧洲电信标准协会) 公布了d r m 系统的技术规范旧。 在2 0 0 1 年柏林i f a 期闻，d r m 系统善次进行试验演示与公众见面。有5 套不溺 的中波节目和2 套短波节目。作为网络运营者的t - s y s t e m s 与其d r m 伙伴 t e l e f u n k e n ( 负责发射机制作) ，费劳霍夫集成电路研究所和c o d i n g 2 第一章绪论 t e c h n o l o g i e s ( 负责接收机制作) 合作，接收m e g a r a d i o 、s w r 、德国广播电台 和德圜之声等电台的d r m 广播节目。除固定接收外，还在t - s y s t e m s 装备的汽 车上，移动接收从5 个不同的发射站点发来的节目。 在2 0 0 3 年1 月3 0 日，i e c ( 国际电工委员会) 给d r m 颁发了最高级别的 逶行 纛，使褥d r m 数字声音广播系统成力世界标准。i e c 表决通过了标准 e c 2 2 7 2 ie d i ：d i g i t a lr a d i om o n d i a l c ( d r m ) - p 弧：系统规范】。它是唯一的、经过测 试的、非专利的、发展的世界标准，受市场的驱动和消费者的导向。 2 0 0 3 年6 胃1 6 日，酬世界无线电行致大会在瑞士墨肉瓦城举行。期阕， d r m 对全球进行第一次试播。 德国之声( d w ) 首先开始对欧洲和中东进行数字短波节目的广播，使用在 葡萄牙s i n e s 的两个经过改造的发射机。以d r m 标准用德、英和阿拉伯语每天 播出8 5 小时，服务区域对准中欧、东欧、南欧和中东。d w 计划的第二步是对 上述地区扩展节圈时间和语种并为亚洲带来附加的节目。为此，d w 在2 0 0 3 年 改造在斯里兰卡a t r i n c o m a l e e 转播台的发射机，使亚洲能够接收共6 小时的醑播 节基，语言为英、德、孟加拉语、鸟两都语、普什图语和达里语。 瑞典广播电台( r a d i os w e d e n ) 从6 月1 6 日起使用新的d r m 数字格式开始 正式广播。新的广播系统已经被加拿大国际广播电台用在s a c k v i l l e 的发射台， 对j 艺美进毒亍瑞典电台的英语和瑞典语广播节溜的转播。加拿大国际广播电台将会 转播来自许多国际电台的数字英语节嗣。其它启动d r m 广播的电台还有a b c 、 v o r 、法国国际广播电台等。 迄今为止，全球已有为多个广播裔使用中波频率和短波频率开始了d r m 的 直接广播，与此同时，在这些广播商的努力下，d r m 的发射设备和接收设备的 技术也日趋成熟和完善，渐渐走向市场、走向用户。 美国的d r m 方案w n “ 1 9 9 9 年4 月，d r m 在美国首次设置了展台，d t 与t h o m c a s t 宣布两家联合， 各取所长以形成最佳标准。2 0 0 0 年1 月2 4 囝，美国最大广播机构所拥有的家 私营技术公司美国数字广播公司( u s a d r ) 与d r m 宣布，将合作开发数 字调幅广播的世界标准。这家公闭曾予1 9 9 9 年1 2 月1 5 日与朗讯公司( l d r ) 向美国全国广播制式委员会( n r s c ) 与联邦通信委员会( f c c ) 提交了关于他 们的带内同频道( m o c ) 数字音频广播( d a b ) 系统( 包括调幅与调频) 的实 验室与现场测试总结报告。2 0 0 0 年9 月9 霹，d r m 的管理委员会在总结多年实 验室与现场测试结果的基础上，网意向国际电联递交数字调幅广播系统的标准， 1 0 月3 0 日，电联宣告正式推荐d r m 标准( 包括长、中、短波) 作为草案向1 8 9 个电联成员国征求意见。2 0 0 1 年4 胃4 墨，d r m 的播出( 空中信号) 标准获得 第一牵绪论 了大多数电联成员国的赞同，并以b s 1 5 1 4 建议书发布。美国数字广播公司则与 朗讯公司合资成立了i b i q u i t y 公司，提出了只包括中波广播的i b o c 系统，在2 0 0 0 年1 0 月1 1 日以电联t g 6 _ 6 7 e 文件发布。至此，数字调幅广播或者更准确 地说，3 0 m h z 以下频段的数字声音广播的标准已集中为d r m 与i b i q u i t y 两个系 统，两者虽然并不兼容，但融于决定一起合作，今后仍可能设计出能同时工作于 两神系统的接收机。 在2 0 0 3 年世界广播通讯会议上，些广播电台宣布决定使用数字调幅广播 ”技术，即d r m 技术。首批使用d r m 技术的电台包括：德匿之声、德意志广播 电台、b b c 、美豳之音、荷兰广播电台、加拿大国际广播电台、法国国际广播电 台和瑞典广播电台。 d r m 在我国的现状与发展前景强。 从上面的介绍可以看到，世界对数字中短波的看法已经基本一致，国际电联 已接受了相关标准，欧洲标准组织e t s i 已颁布了该标准。由于应用d r m 技术 不会牵扯到对目前正在使用的频率重新划分的问题，我国也正在积极开展数字中 短波的研究和试验。 2 0 0 2 年4 月中国广播电视总局无线电台管理局与d r m 组织成员之的法国 t h a l e s 公司合作，对位子海南的5 0 0 千瓦的短波发射机进行了改造，从距离北 京2 0 0 0 多千米的海南以d r m 方式传输数字声音广播节冒，并在北京成功地进 行了接收。 2 0 0 3 年8 月1 9 - - 2 6 日，我国国家广播电视总局无线局用t h a l e s 公司的d r m 激励器和数字接收机。在海南8 7 1 台用t h a l e s 公霹的一部5 0 0 千瓦短波发射机， 降功率至8 0 千瓦，更换了低通滤波器电容，扩展了发射机带宽至4 0 k h z ，更换 了发射机5 块控制板和一台数字频率合成器，进行了频率合成器和发射机输出频 谱的调整，发射了d r m 短波信号。 2 0 0 3 年1 2 胃到2 0 0 4 年4 胃在位予黑龙汪省齐齐哙尔市的2 0 2 1 台采用不同 的频率分别向北京、香港和欧洲的巴黎等地进行了多次d r m 广播实验。短波发 射机功率5 0 0 千瓦，d r m 发射功率1 8 0 千瓦，广播频率为9 8 3 5 k h z 。 2 0 0 4 年9 胃9 嚣 - - 1 5 嚣，江苏省广播电视总台中波发射台和法国泰雷兹公 司联合进行了中波数字广播d r m 实验。实验在江苏省南京市江东门发射台进 行。 2 0 0 5 年l e 胃，在天津召开的全国中波会议上，天津广播电视总局中波发射 台和法国泰雷兹公司联合进行了中波数字广播d p d v i 实验。实验在天津市杨柳青 发射台进行。 此外，在我圈的北京、广州和杭娴等地也都陆续进行了d r m 数字广播实验， 4 第一牵绪论 均获得了成功，这为日后d r m 广播在我国的应用和普及打下了坚实的基础。 1 2 本课题研究的意义 d r m 数字广播是作为a m 广播的替代技术出现的，两对于我国这样一个幅 员辽阑的大国，f m 调频广播是很难覆盖的，这就给我国的d r m 数字广播提供 了很明朗的市场发展前景。 1 9 9 8 年的d r m 成立会议在广州召开，就已经表明世界众多广播组织对予中 困广播的重视。丽现在，欧洲、美国、澳大剩亚等地都已经将d r m 广播的发展 提上了日程表，甚至已经开通试播。一方面，我国可以利用此时已经相对成熟和 先进的国外研究成果，加快自身d r m 广播的发展。另方面，如果我们一味依 赖于冒乡 产晶，势必对国内厂商和国内的消费者造成不利局面。 此外，d r m 广播的发展对于我国在信息产业及相关领域的发展是一个促进。 因为d r m 技术标准中融入了很多当前最前沿和先进的信息技术，发展d r m 广 播事业，对于微电子、透信、信号等领域的市场带动以及技术促进是很有帮助的。 而d r m 广播内容的极为丰富，又给传媒、图像以及服务行业带来更多的契机。 1 3 论文结构 本论文的结构分为五个部分： 第一章介绍了d r m 作为模拟调幅广播的发展方向，它的起源，发展以及誉 前国内外的研究情况。 第二章简述了d r m 系统的构成和工作原理，并对d r m 接收机的软硬件设 计做了概述。 第三章具体会绍了d r m 接收机中o f d m 同步的种类，分析了各种同步偏差 对系统的影响，讨论了目前常用的o f d m 同步算法的性能，并做了比较。 第四章结合d r m 标准的特点和嵌入式平台上的软件要求，给出了d r m 接 收枫中的软件设计方案。详细介绍了其中o f d m 系统阔步算法的实现。对结果 进行了仿真和验证。 第五章对论文成果进行了总结，提出了将来工作的改进方向。 论文最后附有参考文献、作者发表论文和参加科研情况的说甓以及致谢。 第一鬻绪论 1 4 小结 本章主要介绍了d r m 标准提出的背景和发展历史，概括了d r m 系统主要 的优势，基于这个背景和这些优势，我们可以看到调幅广播未来发展的方向，最 惑对d r m 的发展、研究现状傲了分别的介绍。 第二章d r m 瓣基本原理_ 穰接收梳系统设计 第二章d r m 的基本原理和接收机系统设计 2 1d r m 的基本原理 d r m 系统是世界上唯一非专利的，针对短波、中波、长波的数字调幅广播系 统，它继承了一般数据通信系统的结构特点，同时也有着自身独有的特点。 2 1 董d r m 传输系统构成 d r m 标准的数字调幅广播传输系统主要由信源编码、复用、信道编码，和 o f d 醚调制四部分组成嘲，如图2 。1 。 一一一l7 - 一。一一一一一一一_ l 瞎躲 楔谐纰秘 一 l l l 糕爷 复 却黟 o ld r l l 用 一n q ， 萋弦挺输纛 l 芦燃器d f i i 蒯姒聪 弘l 朗 1 谖i p - 一| ；妒 荤 符 i 嚣 一一j i 涮 l 洒同。 弼 警 l 映 生 l i 。 i一芝鍪夕弋芝当厂一 一 射筮 l l i：。原贰厢斌上 一 器 l l 图2 1d r m 传输系统框图 源编码模块 信源编码的任务主要就是解决数据存储、交换、传输的有效性问题。郎通过 对信源数据率的压缩，力求震最少的码型传递最大的信息量。在进行信源编码时， 既希望最大限度地降低码率，又希望尽可能不要对节目造成损伤，以便使得听众 听不出数据压缩的节目与原版节圈的差别。二者是相矛盾的，只能根据不同节目 的特点和不焉的需要折衷选择合适的压缩程度。 众所周知，数字音频信号的质量是由其数据率决定的，音频数据率越高，在 信道上传输的数据率也就越高，所需的射频带宽也就越宽。d r m 系统规定使用 7 第二章d r m 的基本原理和接收机系统设计 与模拟a m 广播相同的频道宽度( 9 k h z 或1 0 k h z ) ，在条件允诲静情况下，最多 可以使用到加倍的带宽( 1 8 k h z 或2 0 k h z ) 。在这样的窄带宽限制下，为了得到 较好的声音信号质量，除了选择相应的信道编码和调制方法外，十分重要的一点 是选择相应的傣源编码方法，要求信源编码的比特率为从8 k b s ( 半信道) 到2 0 k b s ( 标准信道) 左右，最高约7 2 k b s ( 双信道) 。 国际上m p e g 组织迄今为止已经发布了m p e g l 、m p e g 2 和m p e g 4 等不同的 信源编码标准。不同的信源编码方法有着不同的数据压缩效率和不同的声音信号 质量，适用于不阍的场合。d r m 系统必须选择压缩效率离，同时又有好的声音 质量的信源编码方法。 在d r m 系统中，信源编码是最关键的技术之一。为在给定的比特率下提供更 好的音频质量，d r m 系统使用了属于m p e 泓的不同的信源编码方案w u u u “， 以适应在数字a m 广播中不露节基( 音乐耀害) 的不圈带宽的需要： ( 1 ) m p e g 4 子集a a c ( 先进音频编码) ，包括抗差错健壮性处理，用于普 通单声道和立体声广播。 ( 2 ) m p e 斛子集c e l p ( 码本激励线性预测) 语音编码，用于单声道语音广 播，对很低的眈特率是有效的，或者适合予在要求较高的抗差错健壮性的情况下 应用。 ( 3 ) m p e g 4 子集h v x c ( 谐波矢量激励编码) 语音编码，用于很低的比特 率和抗差错健壮性单声道语音广播，特别适合于基于语音数据的应震。 除了上述的编码方法外，在d r m 系统中还采用了频带恢复( s b r m s p e c t r a l b a n dr e p l i c a t i o n ) 技术，它是一种在低比特率情况下获得完全音频带宽的音频编 码增强方法，它可以与a a c 和c e l p 联合成用，构成目前能力最强的压缩方法。 仅是a a c 本身效率已经吃众所属知的m p 3 方法高出3 0 ，然丽由于有限的带宽， 仅使用a a c 是不够的。借助于附加应用的s b r ，可以在保持同样高的音频质量的 情况下，数据率还可以再减低4 0 。这样就有可能传输数据率仅为2 5 k b s 左右的 高级的音频信号，远不到王s d n 线路的1 3 。当节目是纯粹的语言类内容时，例如 新闻节目，在d r m 系统中比特率甚至可以减低到1 0 k b s w 2 k b s 。 信源编码传送的比特流传输格式要为适合于d r m 系统的要求而变化。采用不 等错误保护( u e p ) ，以便在有错误倾向的传输信道中改善系统的性能。图2 - 2 所 示是d r m 系统信源编码构成方框图。 8 第二章d r m 的基本原理窝接收枫系统设计 图2 2d r m 系统信源编码构成方框图 嚣 复用模块 d r m 系统对不同的输入业务分别处理u 副h “： 主业务信道( m s c ) ：它载有d r m 多路复用中包含的所有业务的数据。多路 复用可以实现1 4 种业务的复用，它们既可以是音频业务，也可以是数据业务。 m s c 中业务数据可以被分配相同或不同的保护等级，从而实现相等差错保护 ( e e p e q u a le r r o rp r o t e c t i o n ) 和不等差错保护( u e p u n e q u a le r r o r p r o t e c t i o n ) 。传输数据滗特率取决于信道带宽和镗输模式，帧周期为4 0 0 m s 。 快速访阀信道( 礅c ) ：它载有用来提供给接收端实现快速搜索的监务信息， 包括业务参数信息( 如复用描述、。频点切换等) 和信道参数信息( 如频带占用、 交织深度等) ，帧周期为4 0 0 m s 。 业务描述信道( s d c ) ；它载有m s c 译码、相同数据的替换源搜索及复用业 务豹归属等信息。s d c 可被看作一种单一的数据信道，传送的总数据量可以超过 一个单一业务描述信道帧能够传送的数据量，帧周期为1 2 0 0 m s 。 信道编码模块坤。 d r m 广播传输系统的信道编码过程基于多级编码方法( m l c ) ，采用删余卷 积编码，如图2 3 。多级编码的原理是，通过编码和调制的最佳结合丽达到最好 的传输性能。这意味着在q a m 映射中，容易出错的比特位置可以德到较高的保 护。不同组成的码通过来源于周一母码的删余卷积码面褥到，并得到不同等级的 保护。对于一个指定的传输，系统可以允许不同的码率范豳或码率组合，以选择 最合适的纠错等级。因此，码率组合包括两种不同的综合码率，允许对不同的业 务进行不同保护或对业务的不同差错保护。当传输音频数据流时，更容易出错的 比特位能获得更好的保护。 9 第二章d r m 的基本原理和接收机系统设计 几咂 恒乎r 刊! 离到到 o f d m 模块 o f d m 技术是将指配的信道分成许多正交子信道，在每个子信道上进行窄 带调制和传输，信号带宽小于信道的相关带宽。它是一种特殊的多载波传送方案 单个用户的信息流被串，并变换为多个低速率码流( i o o h z 5 0 k h z ) ，每个码流 都用1 条载波发送。( 见图2 - 4 ) f 螽 时目。 图2 - 4o f d m 原理示意图 o f d m 系统有许多非常引人注目的优点“”。 ( 1 ) o f d m 具有非常高的频谱利用率。 普通的f d m 系统为了分离开各子信道的信号，需要在相邻的信道问设置一 定的保护间隔( 频带) ，以便接收端能用带通滤波器分离出相应子信道的信号， 造成了频谱资源的浪费。o f d m 系统各子信道间不但没有保护频带，而且相邻信 道问信号的频谱的主瓣还是相互重叠的( 见图2 5 ) ，但各于信道信号的频谱在频 域上是相互正交的，各于载波在时域上是正交的。o f d m 系统的各于信道信号的 分离( 解调) 是靠这种正交性来完成的。另外。o f d m 的各子信道上还可以采用 多进制调制( 如频谱效率很高的q a m 调制) ，进一步提高了o f d m 系统的频谱效 率。 第二章d r m 的基本原理襄接收枫系统设计 图2 5o f d m 子载波 ( 2 ) 实现比较简单。 当子信道上采用q a m 或m p s k 调制方式时，调制过程可以用l 研酉来完成， 鳃调过程可以用f f t 完成，既不用多组振荡源，又不用带通滤波器组分离信号。 ( 3 ) 抗多径干扰能力强，抗衰落能力强。 由于一般的o f d m 系统均采厢循环前缀( c y c l i cp r e f i x ，c p ) 方式，使得它 在一定条件下可以完全消除信号的多径传播造成的码闻干扰，完全消除多径传播 对载波间正交性的破坏，因此o f d m 系统具有良好的抗多径千扰能力。关于循环 前缀的具体原理实现将在符号同步算法一节详细介绍。 当然，与单载波系统比，o f d m 也有一些困难阀题需要解决。这些闫题主 要是： 第一同步问题。 理论分析和实践都表臻，o f d m 系统对同步系统的精度要求更高，大的阊 步误差不仅造成输出信噪比的下降，还会破坏子载波阆的正交性，造成载波阆干 扰，从而大大影响系统的性能，甚至使系统无法正常工作。 第二信号的峰均比问题。 与单载波相毙，由于o f d m 符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( p e a kp o w e r ) ，由 此则会带来较大的峰值平均功率比( p e a k t o - a v e r a g er a t i o ) ，简称峰均眈( p a r ) 。 峰均比可以被定义为： m a xk 1 2 p a r ( d b ) o l g 嵛q 。 第二章d r a m 的基本原理和接收枧系统设计 其中矗表示经过疆订运算之后所得到的输出信号。o f d m 信号的峰值平均 功率比( p e a k - t o - a v e r a g ep o w e rr a t i o ，p a p r ) 往往很大，使它对放大器的线性 范围要求大，同时也降低了放大器的效率。 2 1 2d r m 的传输模式 d r m 系统适用于频率在3 0 m h z 以下，包括短波( s w ) 、中波( m w ) 和 长波( l w ) 在内的数字调幅广播标准。为了满足不同运行条件，不同频道和不 阕条件下的传输可选用不同的传输模式，每种传输模式由信号带宽的相关参 数和传输效率的相关参数定义。 协议规定了4 种不同的传输模式( 也口q 做鲁棒模式) 一一a 、b 、c 、d 。 每一种模式绷于不同的传播衰减条件，以保证信号有不同的键壮性。对应关 系如表2 - 1 。丽健壮性的不同是因为对于每种传输模式来说，所规定的信源和信 道编码、数据符号结构、o f d m 子载波的调制方式等都有进一步的差别。见表 2 2 和2 3 。 对于所有的模式都有6 种带宽可供选择：4 。5 k h z 、5 k h z 、9 k h z 、1 0 k h z 、 1 8 k h z 和2 0 m 。 表2 1 各种传输模式对应的传输条件 传输模式 典型传输条件 a高斯信道有小的衰落 b 时间、频率选择性信道有较大的时延 c 和b 模式期同但有较大的d o p p l e r 频移 d 和b 模式相同但有严重的d o p p l e r 频移和时延 表2 2 各种传输模式的典型癍用 传输模式 abcd 预期调制 6 4 q a m 6 4 1 6 q a m1 6 q 勰6 4 1 6 q a m 典型鹿用地波( 姗l w )天波( m w s w )强天波( s w )垂直耦合( s w ) 交织短长长最大 码率高 中 低低 音质商中中低低 健壮性 中等赢高很高很高 1 2 第三章d r m 的基本原理秘接收机系统设诗 表2 3各种传输模式下o f d m 符号特点 有效间隔保护间隔 符号间隔 传输模式 t g t u每帧符号数 t u t gt s = t u + t g a2 4 m s2 6 6 m s2 6 6 6 m s1 9 1 5 b 2 1 3 3 m s 5 3 3 m s2 6 6 6 m s 1 4 1 5 c1 4 。6 6 m s5 3 3 m s2 0 m s 4 1 l 2 0 d9 3 3 m s7 3 3 m s1 6 6 6 m s1 1 1 4 2 4 2 2d r m 接收机的硬件平台设计 经过项目组的讨论和论证，负责硬件设计的同学提潞了如图2 - 6 所示的d r m 数字接收祝的硬件解决方案。 射频前端将接收到的模拟信号经过滤波放大质，再经过两次混频，下变频至 1 2 k h z 。f d 部分采用的是a d 公司专门为1 2 k h z 音频信号采样量产的a d l 8 7 1 。 对1 2 k h z 信号进行9 6 k h z 的采样。采样的数据经过宰转并存入4 k b y t e s 大小的 f i f o 进行缓存。之后送至d a v i n c 核心处理器进行数字下边频、同步、均衡、信 道和信源的解码等工作。解码出来的音频数据经d a 变换形成声音。当然，达 芬奇c p u 周围还扩展出存储系统、人视交互平台、各种传输接瑟( u s b 、以太 网、红外接爨等) ，以方便用户使用。 这样的设计引入了软件无线电的思想，即将尽可能多的工作交给软件处理， 而增加了硬件平台的通用性。 图2 - 6d r m 接收机硬件设计框图 第二章d r a m 数基本原理嬲接收机系统设计 出于这种方案是集合了各种d r m 以及附如功能嚣完整解决方案，对于接收 枫初期软件设计来说，势不利于测试和查误，因此实际中软件算法的测试可以采 用与d a v i n c 中d s p 核相近的，两者之间可移植性好的d s p 平台来实现。详见第 霹章群d r a m 接收褫中o f d m 系统酶同步算法的嵌入式实现 。 2 3d r m 接收祝软件架构 基于d r m 接收机的硬件平台，可知在模拟变频至1 2 k h z 后，直接进行数 字化，利用接收到的数据进行同步，将同步后的数据进行o f d m 解调，利用前 面的结果徽传输信道的均衡，再厝得到的模整校正o f d m 解谖的结果。在基本 得到了毙较准确麴数据后，再进行售道解码，信源音频解码瓣工作。基本的软件 结构框图如图2 7 所示。其中虚线内的框图即为软件架构部分。 下面将各个软件模块徽一简单介绍“。 阕步模块：这是本谋题熬研究重点，将在下嚣两章详缀接述。 o f d m 解调模块：对已去除保护间隔的o f d m 符号，用f f t 来实现o f d m 解调，完成信号从时域到频域的转换。需要注意的是，d r m 系统中规定了4 种 模式，对于不露模式，掇强黯点数不阕，蠹显也不都是基2 熬，因此f f t 快速 算法要采用特殊的f f t 算法。 一 ，一、- 软l 俸搬推 舞步 模块 倍遴 均循 - i l l l l l l l l i | 、l ! h 兰一h 兰蠼 信道均衡：由于d r m 接收枫系统采用糖干解调的方式，受到信道干扰之后 鳇信号要实现正确豹解码，必须要作傣道估计和信道均衡。信道估计可剩焉d r m 系统在时域和频域均匀分布的增益导频得到，通过不同插值方法得到每个子载波 上的信道冲激响应，然后利用冲激响应完成信道均衡。 1 4 第二章d r m 的基本蔽理和接收规系统设计 信道解码：主要完成信号的q a m 解调、信道解码。由予广播信道的特殊性， d r m 系统采用不同保护级别( a 、b 两种) 的多层编码( 地c ) 方式。同时， 调制方式对不同的数据流( f a c 、s d c 、m s c ) 也不同，对于主要的数据流m s c 还可以采用不同的映射方法。在解码端为了降低误码率，可采用软判决的迭代维 特毖译码算法来实现信道解玛。 音频解码：完成音频流和数据流的解码。由于d r m 信号中可以同时传输数 据和声音信号，因此在解码端也必须分别进行解码。 2 4 小结 本章阐述了d r m 传输系统的各个模块组成，基予这个原理，介绍了顼露组 提出的d r m 数字接收机硬件平台的设计。根据d r m 通信系统的特点，给出了 接收机的软件框架，并对各个部分作了简单的介绍。使得我们了解了d r m 的基 本特点和同步在d r m 系统巾的位置。 1 5 第三章d r m 接收规中o f d m 系统同步算法及仿真比较 第三章d r m 接收机中o f d m 系统同步算法及仿真比较 同步是通信系统中一个重要的实际问题。在遥信系统中，同步具有相当重要 的地位。通信系统能否有效地、可靠地芝作，很大程度上依赖于有无良好的同步 系统。通信系统中的同步又可分为载波同步、位同步、帧同步、网同步几大类。 当采用同步解调或相干检测时，接收端需要提供一个与发射端调制载波同频 网相的相干载波。获得这个相干载波的过程称力载波提取，或称为载波同步。见 图3 1 。 数字通信中，除了有载波同步的问题外，还有位同步的问题。因为消息是一 枣连续蠢冬信号码元序列，解调时常须知道每个玛元的起止时刻。因此，接收端必 须产生一个用作定时脉冲序列，它和接收的每一个码元的起止时刻一一对齐。我 们把在接收端产生与接收码元的重复频率和相位致的定时脉冲序列的过程称 为码元同步或位闭步，面称这个定时脉冲序列为码元同步脉冲或便同步脉冲。 数字通信中的消息数字流总是用若于码元组成一个字”，又用若干字”组成 一句”。因此，在接收这些数字流时，同样也必须知道这些”字”、”旬”的起止时 刻，在接收端产生与拜字”、辩旬”起止时刻相一致的定时脉冲序列，统称为群圈步 或帧同步。 当通信是在两点之间进行时，完成了载波同步、位同步和帧同步之后，接收 端不仅获得了相干载波，而且通信双方的时标关系也解决了，这时，接收端就能 以较低的错误概率恢复出数字信息。然丽，随着数字通信的发展，特别是计算机 通信及计算机网络的发展，通信系统也由点对点的通信发展到多点间的通信，这 时，多个用户相互联结而组成了数字通信网。显然，为了保证通信网内各用户之 间可靠地进行数据交换，还必须实现圈同步，即在整个通信阙蠹有一个统一的时 阅节拍标准。 图3 - 1载波同步和符号同步 1 6 第三章d r m 接收枧孛o f d m 系统同步算法及仿真比较 3 。lo f d m 同步偏差的分析 3 1 1d r m 接收机中o f d m 系统同步分类 对于o f d m 系统来说，由于其多载波正交调制的特点，在接收端载波同步 显得十分重要。此外，符号同步也是解调o f d m 符号所必须的。o f d m 符号是 由若干样值串并转换而来，所以还要进行a d 采样的样值同步。当然，从整个 d r m 系统来说，需要知道d r m 帧的起始位置，才能进行后面的信道解调，这 样就应做d r m 帧同步。如图3 2 ： 圈3 - 2o f d m 系统中的各种同步 因此，d r m 中同步的种类和各自在接收算法中的作用如表3 1 所示； 表3 一l 各种同步的作用 同步类型作用 载波频率同步o f d m 的相干解调需要接收端有与发 载波相位同步 射端频率帮相位都摆同的各个子载波 采样定时同步 在a d 采样时，需要有与发射端相同 采样时钟同步 的采样起始时刻和采样时钟 符号同步 确定o f d m 符号是从哪个地方开始的 帧同步 确定d r m 帧是从哪个地方开始的 1 7 第三章d r m 接收枧中o f d m 系统惩步算法及仿真比较 3 1 2 各种同步偏差的总体分析 如图3 - 2 所示，在发送端，串行发送的经过信源编码的音频数据流 赡 首先 串并转换为并行的数据流，然后进行i f f t 变换( 逆快速傅立叶变换) 。再并串转 换为数据流 ) ，插入循环前缀后变成 砀 。数模转换后得到模拟信号x ( f ) ，调 制到载波五上后送到信道中进行传输。在信道中受到加性噪声的干扰，在接收 端，用相干载波，c 对其解调得到信号y ( t ) ，a d 转换后得到序列 妇) ，去除掉 保护间隔面得 锄 再经o f d m 解调( f f t ) 锝到初始码