數(shù)字電視接收機(jī)同步時(shí)間估測(cè)方法

路 程 張曉林

(北京航空航天大學(xué) 電子信息工程學(xué)院,北京 100191)

數(shù)字電視接收機(jī)同步時(shí)間估測(cè)方法

路 程 張曉林

(北京航空航天大學(xué) 電子信息工程學(xué)院,北京 100191)

數(shù)字電視接收機(jī)同步時(shí)間是數(shù)字電視服務(wù)質(zhì)量的一項(xiàng)重要指標(biāo),但同步時(shí)間在現(xiàn)有設(shè)備條件下不能直接測(cè)量得到.為此使用誤碼測(cè)試儀和脈沖噪聲源設(shè)備,通過多次測(cè)試脈沖噪聲造成的誤碼秒的個(gè)數(shù),計(jì)算得出數(shù)字電視接收機(jī)同步時(shí)間.由于采用隨機(jī)時(shí)刻觸發(fā)的方式,修正了原方法中與起始時(shí)刻相關(guān)的局限性;由于對(duì)脈沖噪聲的長度沒有限制,可用于測(cè)試更長交織時(shí)間的系統(tǒng)的同步時(shí)間;測(cè)量精度達(dá)到 0.1 s,與直接測(cè)量方法相比提高一個(gè)數(shù)量級(jí).此方法經(jīng)過數(shù)學(xué)推導(dǎo)驗(yàn)證,并通過數(shù)字電視地面廣播標(biāo)準(zhǔn)接收機(jī)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)討論了測(cè)量參數(shù)對(duì)同步時(shí)間的影響.

數(shù)字電視;廣播;接收機(jī);同步;測(cè)試

數(shù)字電視廣播的接收過程包括下變頻、模數(shù)轉(zhuǎn)換、同步、信道估計(jì)、解交織、解碼等過程,每一次數(shù)字電視接收機(jī)開啟電源、更改頻點(diǎn)、受到強(qiáng)干擾或是信道深衰落,都會(huì)經(jīng)過重新同步的過程.本文研究的接收機(jī)同步時(shí)間是指接收機(jī)從收到良好的射頻信號(hào)時(shí)刻起,到接收機(jī)輸出正確碼流的時(shí)刻之間的時(shí)間,即數(shù)字電視接收機(jī)下變頻和解調(diào)過程所需的時(shí)間.用戶開啟接收機(jī)或切換射頻頻道所需的等待時(shí)間,以及受干擾之后的恢復(fù)時(shí)間,都取決于該時(shí)間,若不能快速同步將降低電視的服務(wù)質(zhì)量.不同數(shù)字電視廣播標(biāo)準(zhǔn)的接收機(jī)所需的解調(diào)時(shí)間是不同的,而且同一標(biāo)準(zhǔn)的接收機(jī)解調(diào)處理方法的區(qū)別也會(huì)導(dǎo)致同步時(shí)間的差異.目前,對(duì)于數(shù)字電視接收機(jī)同步時(shí)間沒有直接測(cè)量的方法[1],因?yàn)閿?shù)字電視廣播中的碼流是傳輸流(TS,Transport Stream),目前數(shù)字電視測(cè)試系統(tǒng)中的誤碼分析儀,不能測(cè)出誤碼發(fā)生的精確時(shí)刻,故不能借之判斷恢復(fù)接收的準(zhǔn)確時(shí)間,現(xiàn)有設(shè)備只能測(cè)量單位時(shí)間內(nèi)的誤碼率(最小為 1 s),即測(cè)試傳輸過程的誤碼秒.

本文在傳統(tǒng)的接收機(jī)同步時(shí)間估測(cè)方法[2]的基礎(chǔ)上,對(duì)原有測(cè)試過程的步驟和參數(shù)進(jìn)行了改進(jìn),修正了原方法的固有偏差,增加了原方法的適用范圍.

1 數(shù)字電視接收處理過程

數(shù)字電視接收機(jī)普遍采用高頻頭加解調(diào)芯片作為下變頻與信道解調(diào)部分的解決方案,以DVB-T接收機(jī)為例,這兩部分的工作過程見圖 1.

圖1 典型DVB-T接收機(jī)下變頻和信道解調(diào)部分框圖

射頻輸入信號(hào)進(jìn)入高頻頭,高頻頭將輸入信號(hào)下變頻到中頻頻率,中頻信號(hào)首先轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)輸入解調(diào)芯片,之后下變頻到基帶,經(jīng)過內(nèi)插和符號(hào)、載波、時(shí)鐘恢復(fù)過程,進(jìn)入 FFT(Fast Fourier Transform)模塊,然后經(jīng)過導(dǎo)頻和信道估計(jì)的處理,還原出基帶符號(hào)流,之后經(jīng)過解映射、解交織過程形成比特流,最后進(jìn)入信道解碼器進(jìn)行FEC(Foward Error Correction)解碼,輸出 TS流[3].在高頻頭內(nèi)的處理還包括頻率鎖定和自動(dòng)增益控制(AGC,Automatic Gain Control)過程等.

接收機(jī)經(jīng)過上述過程輸出 TS碼流所需的時(shí)間為同步時(shí)間,但它不是一個(gè)精確固定的值,因?yàn)橥綍r(shí)間的組成包括高頻頭的鎖定頻率、AGC鎖定功率、幀頭同步、信道估計(jì)/均衡、解交織、信道解碼等時(shí)間,而這些處理每次所需的時(shí)間可能是變化的,例如幀頭同步的初始相位和信道解碼所需的迭代次數(shù)的變化等.本文提出的方法不是指測(cè)量某次接收機(jī)同步的精確時(shí)間,而是估測(cè)數(shù)字電視接收機(jī)同步所需的平均時(shí)間.

2 同步時(shí)間估測(cè)方法

2.1 原有的估測(cè)方法

數(shù)字電視接收機(jī)同步時(shí)間傳統(tǒng)估測(cè)方法[3]設(shè)備連接如圖 2所示.誤碼分析儀輸出偽隨機(jī)序列 TS碼流[4]給標(biāo)準(zhǔn)調(diào)制器,調(diào)制器按照數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行調(diào)制并輸出調(diào)制后的射頻信號(hào)到合路器,脈沖發(fā)生器控制高斯白噪聲發(fā)生器輸出白噪聲脈沖,白噪聲脈沖也輸出至合路器,合路器將調(diào)制器射頻信號(hào)與噪聲信號(hào)相加,輸入功分器,功分器將一路輸入頻譜儀,用于監(jiān)測(cè)頻譜和測(cè)量信號(hào)功率,另一路信號(hào)輸入數(shù)字電視接收機(jī).接收機(jī)對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行下變頻和解調(diào),輸出碼流給誤碼分析儀,誤碼分析儀統(tǒng)計(jì)傳輸中的誤碼率.

圖2 接收機(jī)同步時(shí)間估測(cè)方法設(shè)備連接框圖

接收機(jī)同步時(shí)間估測(cè)方法分為 4個(gè)步驟[1].

步驟 1 設(shè)定脈沖發(fā)生器和高斯白噪聲發(fā)生器為關(guān)閉狀態(tài),誤碼分析儀和調(diào)制器正常輸出,調(diào)整調(diào)制器的帶內(nèi)輸出功率為某一定值 C0,dBm(如 -53dBm[2]).此時(shí)由于無噪聲,接收機(jī)正常接收,誤碼分析儀顯示無誤碼.

步驟 2 開啟高斯白噪聲發(fā)生器并設(shè)置在連續(xù)輸出狀態(tài),此時(shí)其輸出信號(hào)為連續(xù)的高斯白噪聲,增大白噪聲功率直至接收機(jī)失同步,然后以一定步進(jìn)(如 0.1dB)減小白噪聲功率,直至接收機(jī)恢復(fù)同步且誤碼率小于客觀判據(jù)門限值(如3.0×10-6)[2],記此時(shí)白噪聲功率為 N0,dBm.可得系統(tǒng)高斯白噪聲門限 h=C0-N0.

步驟 3 保持調(diào)制器輸出功率不變,將高斯白噪聲輸出功率增加 30dB,并將高斯白噪聲發(fā)生器設(shè)置在脈沖控制狀態(tài),開啟脈沖發(fā)生器將脈沖寬度設(shè)為 1 s,脈沖周期為 10 s.

步驟 4 誤碼分析儀記錄在 L個(gè)脈沖噪聲之后接收機(jī)產(chǎn)生的總誤碼秒數(shù) Rsum,并計(jì)算 Rsum/L-2的值,作為被測(cè)接收機(jī)的平均同步時(shí)間.

2.2 改進(jìn)的估測(cè)方法

改進(jìn)的估測(cè)方法與原方法設(shè)備連接方法相同,如圖 2所示.步驟 1和步驟 2與原方法相同,步驟 3和步驟 4改為[5]:

步驟 3:保持調(diào)制器輸出功率不變,將高斯白噪聲輸出功率增加 ΔN,dB,并將高斯白噪聲發(fā)生器設(shè)置在脈沖控制狀態(tài),開啟脈沖發(fā)生器并將輸出脈沖寬度設(shè)為 Ws(W為整數(shù)),脈沖間隔為隨機(jī)數(shù),對(duì)脈沖間隔的具體要求為,下一脈沖起始時(shí)刻必須在上一脈沖導(dǎo)致的接收機(jī)誤碼結(jié)束之后,脈沖由測(cè)試者手動(dòng)觸發(fā),觸發(fā)具體時(shí)刻無要求.

步驟 4:誤碼分析儀記錄在 L個(gè)脈沖噪聲之后接收機(jī)產(chǎn)生的總誤碼秒數(shù) Rsum,并計(jì)算 Rsum/L-W-1的值,作為被測(cè)接收機(jī)平均同步時(shí)間.

改進(jìn)后的方法主要特點(diǎn)是:將白噪聲功率增加值和脈沖寬度設(shè)為可調(diào)值;將脈沖起始時(shí)間由固定值改為測(cè)試者手動(dòng)觸發(fā),即隨機(jī)觸發(fā);其他測(cè)試步驟與原方法相同.

3 接收機(jī)同步時(shí)間估測(cè)方法原理

圖3為測(cè)試中第 i個(gè)(i=1,2,…,L)脈沖噪聲與接收機(jī)同步時(shí)間的關(guān)系示意圖.

圖3 脈沖噪聲與接收機(jī)同步時(shí)間關(guān)系示意圖

設(shè)第 i個(gè)脈沖的起始時(shí)刻在誤碼統(tǒng)計(jì)時(shí)間的第 Mi秒中,脈沖起始時(shí)刻與第 Mi秒起始時(shí)刻之間的時(shí)間差為ti(0≤ti＜1),因?yàn)槊}沖由測(cè)試者手動(dòng)觸發(fā),觸發(fā)時(shí)刻沒有要求,所以認(rèn)為時(shí)間差 ti服從[0,1)上的均勻分布.待測(cè)的接收機(jī)同步時(shí)間平均值設(shè)為.設(shè)的整數(shù)部分為 τint,小數(shù)部分為 τdec(0≤τdec＜1),即.

由第 2節(jié)所述,每次接收機(jī)的同步時(shí)間不是完全相同的,它與解調(diào)運(yùn)算處理(特別是同步、解交織和信道解碼)的參數(shù)初值有關(guān),同步時(shí)間將在小范圍內(nèi)波動(dòng),但不會(huì)劇烈變化,被測(cè)接收機(jī)同步時(shí)間波動(dòng)在 1s以內(nèi),并且單臺(tái)被測(cè)接收機(jī)的同步時(shí)間在波動(dòng)范圍內(nèi)的變化是均勻分布的.設(shè)Δτi為 τi與之間的差值,即服從 [στ,στ]內(nèi)的均勻分布,其中 0 ＜στ≤1.

由圖 3可知第 i次脈沖造成的誤碼秒數(shù)的計(jì)算式為

其中函數(shù) Int(x)表示對(duì) x的值向下取整.

記 ti對(duì)應(yīng)的隨機(jī)變量為 ξi,Δτi對(duì)應(yīng)的隨機(jī)變量為 ηi,由于 L次接收機(jī)同步時(shí)間測(cè)試是相互獨(dú)立的,因此,隨機(jī)變量 ξ1,ξ2,…,ξL及 η1,η2,…,ηL彼此相互獨(dú)立.式(1)可以寫成

將 L次測(cè)試結(jié)果相加后取平均:

由切比雪夫(Chebyshev)定理知,當(dāng) L很大時(shí):

其中,E[· ]表示數(shù)學(xué)期望.由于 ξi為[0,1)內(nèi)的均勻分布,故 ξi的概率密度函數(shù) fX=1;ηi為[-στ,στ]內(nèi)的均勻分布,故 ηi的概率密度函數(shù)為 fY=1/(2στ),ξi與 ηi是獨(dú)立的,所以 (ξi+ηi)的聯(lián)合概率密度為 fXY=fX· FY=1/(2στ).而 τdec是一常數(shù),經(jīng)過推導(dǎo)(詳細(xì)過程略)可求得

這樣,將式(3)代入式(2)可得

所以,可得接收機(jī)平均同步時(shí)間:

原測(cè)試方法分析:在 2.1節(jié)描述的原測(cè)試方法中,脈沖觸發(fā)間隔是固定的整秒時(shí)間,這樣時(shí)間差 ti為常數(shù),式(1)可寫為:Ri=τint+2+Int(ti+τdec+ηi), ηi是[-στ,στ]上均勻分布的隨機(jī)變量 ,且 0 ＜στ≤1,而 ti∈ [0,1)且 τdec∈ [0,1),則ti+τdec∈ [0,2),經(jīng)過推導(dǎo)求得 Ri與 ti是相關(guān)的,即誤碼秒數(shù)與起始時(shí)刻的位置相關(guān),測(cè)試結(jié)果引入了 ti的影響;而改進(jìn)的測(cè)試方法,Ri結(jié)果與起始時(shí)刻 ti不相關(guān),改正了原方法中固有的偏差.

4 估測(cè)結(jié)果與分析

以本文的估測(cè)方法對(duì)我國數(shù)字電視地面?zhèn)鬏敇?biāo)準(zhǔn)(GB20600—2006)接收機(jī)的同步時(shí)間進(jìn)行了測(cè)試,接收機(jī)解調(diào)芯片為凌汛公司 LGS8G44芯片,高頻頭為 SHARP 8977型,廣播標(biāo)準(zhǔn)工作模式為:多載波 、星座映射 16QAM、FEC 0.8、幀頭 420、長交織、無導(dǎo)頻、幀頭旋轉(zhuǎn)、最大傳輸速率21.657Mbit/s,測(cè)試脈沖次數(shù) L=30,脈沖寬度W=1s.

測(cè)試分為 2組,第 1組噪聲功率 ΔN=5 dB,第 2組噪聲功率 ΔN=30dB,數(shù)據(jù)記錄見圖 4.

同步時(shí)間計(jì)算結(jié)果為:ΔN=5dB時(shí),接收機(jī)同步時(shí)間為 2.67 s;ΔN=30 dB時(shí),接收機(jī)同步時(shí)間為 4.28s.從測(cè)試記錄可以看出:

圖4 數(shù)字電視地面?zhèn)鬏敇?biāo)準(zhǔn)接收機(jī)同步時(shí)間測(cè)試記錄

1)每個(gè)測(cè)試過程中誤碼秒的記錄值都是在4個(gè)連續(xù)整數(shù)之間變化,符合接收機(jī)同步時(shí)間變化規(guī)律的假設(shè).

2)從估測(cè)結(jié)果看出,在脈沖噪聲功率較大的情況下,同步時(shí)間相對(duì)較長,這是由于在大脈沖噪聲過后,AGC電路的追蹤有用信號(hào)時(shí)間變長,而不是解調(diào)過程時(shí)間增長,即估測(cè)過程的 ΔN參數(shù)對(duì)結(jié)果有較大影響.當(dāng) ΔN過大時(shí),會(huì)引起 AGC電路追蹤時(shí)間過長,引入不必要的延遲;當(dāng) ΔN過小時(shí),脈沖噪聲可能不能引起接收機(jī)完全失同步,所以 ΔN應(yīng)依據(jù)具體傳輸系統(tǒng)的特征進(jìn)行分析加以確定,而不應(yīng)為某一固定值,具體參考該工作模式下的白噪聲門限進(jìn)行確定.不同接收機(jī)進(jìn)行比較時(shí),ΔN需作為測(cè)試條件加以明確.

3)在數(shù)字電視地面?zhèn)鬏攪覙?biāo)準(zhǔn)中,交織器采用的是基于符號(hào)的時(shí)域卷積交織,交織是在多個(gè)信號(hào)幀之間進(jìn)行的,屬于幀間交織.在長交織模式下,交織深度為 720個(gè)符號(hào),交織/解交織總的數(shù)據(jù)延時(shí)為 510個(gè)信號(hào)幀[6],延時(shí)具體長度在幀頭 420模式下為 510×555.5μs=283.305ms,所以采用脈沖寬度 W=1 s足以使接收機(jī)進(jìn)入失同步狀態(tài),并且交織器內(nèi)也不能存留正確的數(shù)據(jù).但是,某些其他的數(shù)字廣播標(biāo)準(zhǔn)可能有更長的交織工作時(shí)間,如 DAB(Digital Audio Broadcasting)標(biāo)準(zhǔn),時(shí)間交織工作在 384ms上[7];DVB-H標(biāo)準(zhǔn)的某些研究中也有交織時(shí)間長度達(dá) 873ms的討論[8];甚至某些 OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)通信系統(tǒng)中交織時(shí)間長度超過1s,即寬度為1s的脈沖噪聲在某些情況下不能使接收機(jī)輸出處于完全錯(cuò)誤的狀態(tài),所以脈沖寬度W的值也應(yīng)根據(jù)具體被測(cè)系統(tǒng)的參數(shù)確定.

5 結(jié)束語

數(shù)字電視接收機(jī)的同步時(shí)間是一項(xiàng)重要的技術(shù)指標(biāo),關(guān)系到數(shù)字電視廣播對(duì)用戶的服務(wù)質(zhì)量,若接收機(jī)不能及時(shí)同步,將延長用戶的等待時(shí)間.該同步時(shí)間指標(biāo)與標(biāo)準(zhǔn)采用的幀結(jié)構(gòu)、調(diào)制和編碼方式相關(guān),也與解調(diào)采用的具體技術(shù)相關(guān).

本文提出了一種新的同步時(shí)間估測(cè)方法,以我國數(shù)字電視地面廣播國家標(biāo)準(zhǔn)的已有測(cè)試方案為基礎(chǔ),提出了改進(jìn)的測(cè)試方法.在不需要精確測(cè)量誤碼時(shí)刻的情況下,在現(xiàn)有數(shù)字電視測(cè)試平臺(tái)基礎(chǔ)上,通過多次測(cè)試的方法,實(shí)現(xiàn)同步時(shí)間的估測(cè),修正了原測(cè)試方法的局限性.測(cè)試精度達(dá)到0.1s,比現(xiàn)有設(shè)備直接測(cè)量精度提高一個(gè)數(shù)量級(jí).本文提出的測(cè)試方法不僅用于數(shù)字電視廣播,還可用于其他通信系統(tǒng)同步時(shí)間的測(cè)試.

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(編 輯 :婁 嘉)

Method for measuring recovery time of digital television receiver

Lu Cheng Zhang Xiaolin

(School of Electronics and Information Engineering,Beijing University of Aeronautics and Astronautics,Beijing 100191,China)

Recovery time of digital television(DTV)receiver is an important indicator of DTV service quality but the recovery time can not be measured directly with existing equipments.A new method was presented which measure the recovery time by bit error rate(BER)tester and impulse noise source through a series of the errored seconds caused by impulse noise.Different from the traditional way,a random trigger of pulses was used in this method,which resulted that the estimation of recovery time was not associated with the pulse's start time.Without limit of the impulse noise length,the method can be used for measuring recovery time of the longer time-interleaver transmission systems.The recovery time measured in this method is with a precision of 0.1s,which is an order of magnitude lower than past experiments.The effect of experimental parameters on recovery time was analyzed with the test result in a digital terrestrial multimedia broadcasting(DTMB)receiver.

digital television;broadcasting;receivers;recovery;testing

TN 949.197

A

1001-5965(2010)05-0584-04

2009-07-01

北京市教育委員會(huì)共建項(xiàng)目專項(xiàng)資助

路 程(1980-),男,天津人,博士生,routelu@163.com.