CMMB地面轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)時(shí)間同步信號(hào)解調(diào)方法*

劉斌彬，葛啟宏，陳 文，王秋生，陶 濤

（國(guó)家廣電總局 廣播科學(xué)研究院 北京泰美世紀(jì)科技有限公司，北京 100097）

1 引言

中國(guó)移動(dòng)多媒體廣播（China Mobile Multimedia Broadcasting，CMMB）是我國(guó)研發(fā)的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的數(shù)字多媒體廣播標(biāo)準(zhǔn)。CMMB通過(guò)衛(wèi)星和地面轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)天地一體的大面積廣播覆蓋，即通過(guò)衛(wèi)星進(jìn)行大面積廣播覆蓋。而對(duì)于衛(wèi)星覆蓋的陰影區(qū)，則采用地面轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)對(duì)信號(hào)進(jìn)行增補(bǔ)，并采用獨(dú)立的分發(fā)信道向地面轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)分發(fā)廣播信道數(shù)據(jù)。用戶可以通過(guò)移動(dòng)終端接收多路音、視頻廣播業(yè)務(wù)。

在地面轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)與衛(wèi)星的組網(wǎng)中，最關(guān)鍵的問(wèn)題就是時(shí)間同步。為此，CMMB在衛(wèi)星分發(fā)信道中采用了將時(shí)間同步信號(hào)以擴(kuò)頻弱信號(hào)的形式疊加在數(shù)據(jù)信號(hào)上的方案[1]。地面轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)通過(guò)與同步信號(hào)進(jìn)行同步，在指定的時(shí)間對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行OFDM調(diào)制和轉(zhuǎn)發(fā)[2]，實(shí)現(xiàn)與衛(wèi)星廣播信號(hào)的時(shí)間同步。

為了避免影響對(duì)數(shù)據(jù)信號(hào)的解調(diào)，疊加在其上的時(shí)間同步信號(hào)的功率僅為數(shù)據(jù)信號(hào)的1%。然而對(duì)于時(shí)間同步信號(hào)來(lái)說(shuō)，數(shù)據(jù)信號(hào)是一個(gè)強(qiáng)度超過(guò)20 dB的干擾。如何在強(qiáng)干擾的環(huán)境下完成與同步信號(hào)的同步，并解調(diào)出時(shí)間信息，是地面轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。

2 CMMB衛(wèi)星分發(fā)信道

在CMMB的衛(wèi)星分發(fā)信道中，數(shù)據(jù)信號(hào)承載的是廣播信道OFDM調(diào)制之前的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)按照逐時(shí)隙、逐頻點(diǎn)的順序組成分發(fā)數(shù)據(jù)包，并按照GB/T 17700-1999標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行調(diào)制[3]。數(shù)據(jù)信號(hào)的2個(gè)支路X，Y與系統(tǒng)時(shí)鐘同步，且速率值與系統(tǒng)時(shí)鐘的頻率值相同。

時(shí)間同步信號(hào)的2個(gè)支路TX，TY為兩路擴(kuò)頻信號(hào)，所使用的擴(kuò)頻序列為二進(jìn)制偽隨機(jī)序列PN1和PN2。PN1由圖1所示的偽隨機(jī)序列生成器產(chǎn)生，生成多項(xiàng)式為x13+x4+x3+x+1，移位寄存器初始值為0110101010010，循環(huán)周期為P1=213-1。類(lèi)似的，PN2的生成多項(xiàng)式為x18+x17+x16+x13+x12+x10+x8+x6+x3+x+1，移位寄存器初始值為011010101001010101，循環(huán)周期為 P2=218-1。PN1和 PN2序列生成器的移位時(shí)鐘與系統(tǒng)時(shí)鐘同步，且頻率值相同。

擴(kuò)頻信號(hào)通過(guò)異或的方式產(chǎn)生。PN1與編碼后的時(shí)間信息異或生成TX，每個(gè)PN1循環(huán)周期調(diào)制1 bit時(shí)間信息。PN2上的調(diào)制信息保留，PN2與比特“1”異或生成TY。從系統(tǒng)零時(shí)刻開(kāi)始（對(duì)應(yīng)PN1和PN2移位寄存器狀態(tài)均為初始值的時(shí)刻），每個(gè)系統(tǒng)時(shí)間循環(huán)周期內(nèi)調(diào)制（218-1）bit時(shí)間信息，共分為1024個(gè)時(shí)間信息編碼幀。

同步信號(hào)（TX，TY）疊加在數(shù)據(jù)信號(hào)（X，Y）上進(jìn)行星座映射，生成分發(fā)信道的基帶I，Q信號(hào)，如圖2所示，其中比特順序?yàn)閄 Y TXTY。

3 時(shí)間同步信號(hào)解調(diào)

時(shí)間同步信號(hào)的解調(diào)結(jié)構(gòu)如圖3所示。其中最關(guān)鍵的模塊有同步捕獲、整數(shù)頻偏估計(jì)、分?jǐn)?shù)頻偏估計(jì)、同步跟蹤和頻偏跟蹤。

3.1 同步捕獲與初始頻偏估計(jì)

系統(tǒng)啟動(dòng)后，由于輸入的采樣信號(hào)可能位于信號(hào)的任何位置，而不是擴(kuò)頻序列的起始位置，因此需要進(jìn)行同步捕獲。

對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行頻偏預(yù)補(bǔ)償

其中，Δfsys為系統(tǒng)時(shí)鐘頻率，頻偏預(yù)補(bǔ)償值Δfpre可以任意選取。

以2P1點(diǎn)為窗長(zhǎng)，在頻偏預(yù)補(bǔ)償后的采樣信號(hào)中滑動(dòng)，抽取出 1 個(gè)采樣信號(hào)序列 ri（k），k=0，1，…，P1-1，i=0，1，…，P1-1。 將 ri（k）與本地同步序列 PN1（k）相乘

并對(duì)其末尾補(bǔ)零后進(jìn)行（P1+1）點(diǎn)的快速傅里葉變換

計(jì)算 Si（j）的峰值功率 Ppeak（i）和平均功率 Paverage（i），檢測(cè)是否有頻域相關(guān)峰存在。設(shè)定合適的門(mén)限，若最大峰均功率比大于門(mén)限，則認(rèn)為捕獲到采樣信號(hào)的同步位置[4]。

否則更換一個(gè)頻偏預(yù)補(bǔ)償值，重新進(jìn)行同步捕獲。

由于信號(hào)的載波頻率和系統(tǒng)的下變頻頻率之間可能存在著偏差，因此還需要進(jìn)行頻偏估計(jì)和補(bǔ)償。

整數(shù)頻偏值可以由同步捕獲中SI（j）的峰值位置得到[5]

根據(jù)整數(shù)頻偏估計(jì)的結(jié)果，對(duì)同步后的采樣信號(hào)序列 rI（k）進(jìn)行整數(shù)頻偏補(bǔ)償?shù)玫?rI′（k）。 將其末尾補(bǔ)零后分成2段，分別與截短的本地同步序列PN1（k）進(jìn)行互相關(guān)

對(duì)相關(guān)值進(jìn)行前后自相關(guān)，分?jǐn)?shù)頻偏值可以由自相關(guān)值的相位得到[6]

初始頻偏值為頻偏預(yù)補(bǔ)償值、整數(shù)頻偏值、分?jǐn)?shù)頻偏值之和。根據(jù)初始頻偏值，對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行頻偏補(bǔ)償。

3.2 同步跟蹤與頻偏跟蹤

在系統(tǒng)工作過(guò)程中，由于受到A/D采樣頻率偏差等因素的影響，采樣信號(hào)的同步位置可能發(fā)生漂移，因此需要進(jìn)行同步跟蹤。

以2P1點(diǎn)為窗長(zhǎng)，在采樣信號(hào)的同步位置前后m（t）點(diǎn)滑動(dòng)，抽取出 1 個(gè)采樣信號(hào)序列 ri（k），k=0，1，…，P1-1，-m（t）≤i≤m（t）。 m（t）與距離上一次同步跟蹤或同步捕獲的時(shí)間間隔t成正比。將ri（k）與本地同步序列PN1（k）進(jìn)行互相關(guān)

計(jì)算s（i）的峰值功率和除峰值以外的平均功率，檢測(cè)是否有時(shí)域互相關(guān)峰存在。設(shè)定合適的門(mén)限，若峰均功率比大于門(mén)限，則認(rèn)為跟蹤到采樣信號(hào)同步位置的偏移[4]

根據(jù)同步位置的偏移，對(duì)A/D采樣時(shí)鐘的頻率進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)與系統(tǒng)時(shí)鐘的精確同步。對(duì)PN2序列的同步跟蹤與此類(lèi)似。根據(jù)同步位置，可以找到系統(tǒng)零時(shí)刻，并對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行解擴(kuò)、均衡、解碼等處理，解調(diào)出時(shí)間信息。

由于受到溫度變化等因素的影響，載波頻率的偏差也可能發(fā)生變化，因此還需要進(jìn)行頻偏跟蹤。

根據(jù)同步跟蹤的結(jié)果，將2個(gè)相鄰的同步后的采樣信號(hào)序列 rI0（k）和 rI1（k）與本地同步序列 PN1（k）進(jìn)行互相關(guān)

對(duì)互相關(guān)值進(jìn)行前后自相關(guān)，并計(jì)算自相關(guān)值的相位θ，頻偏跟蹤值可以由相限翻轉(zhuǎn)后的相位得到[6]

根據(jù)頻偏跟蹤值，對(duì)頻偏補(bǔ)償值進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。

4 實(shí)驗(yàn)性能與分析

在不同信噪比的衛(wèi)星信道環(huán)境下，同步捕獲和同步跟蹤的峰均功率比如圖4所示?？紤]到噪聲和干擾的峰均功率比通常在11 dB以下，設(shè)定同步捕獲和同步跟蹤的門(mén)限為11 dB和12 dB。該條件下同步捕獲和同步跟蹤的錯(cuò)誤概率如表1所示?？梢钥闯?，同步捕獲和同步跟蹤具有較強(qiáng)的可靠性。當(dāng)信噪比大于6 dB（低于數(shù)據(jù)信號(hào)的解調(diào)門(mén)限）時(shí)，同步的錯(cuò)誤概率已經(jīng)可以趨近于零。

表1 同步捕獲和同步跟蹤錯(cuò)誤率

初始頻偏估計(jì)和頻偏跟蹤的方差如圖5所示。可以看出，初始頻偏估計(jì)的方差落在頻偏跟蹤的范圍內(nèi)。且頻偏跟蹤具有較高的準(zhǔn)確性，當(dāng)信噪比大于6 dB時(shí)，頻偏跟蹤的方差可以控制在40 Hz以內(nèi)。該量級(jí)的載波頻偏可以完全由均衡來(lái)對(duì)抗，從而保證時(shí)間信息的正確解調(diào)。

5 小結(jié)

提出了一種用于CMMB地面轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)的時(shí)間同步信號(hào)解調(diào)方法，并對(duì)其中同步捕獲、同步跟蹤和載波頻偏估計(jì)等關(guān)鍵算法進(jìn)行了詳細(xì)闡述。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法具有較高的可靠性和準(zhǔn)確性，可以很好地滿足系統(tǒng)的需求。

[1]GY/T 220.9-2008，廣播電影電視行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) 移動(dòng)多媒體廣播 第9部分：衛(wèi)星分發(fā)信道幀結(jié)構(gòu)、信道編碼和調(diào)制[S].2008.

[2]GY/T 220.1-2006，廣播電影電視行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) 移動(dòng)多媒體廣播 第1部分：廣播信道幀結(jié)構(gòu)、信道編碼和調(diào)制[S].2006.

[3]GB/T 17700-1999，衛(wèi)星數(shù)字電視廣播信道編碼和調(diào)制標(biāo)準(zhǔn)[S].1999.

[4]SIMON M，OMURA J，SCHOLTZ R，et al.Spread spectrum communications handbook（revised edition）[M].New York： McGraw-Hill，1994.

[5]LUISE M，REGGIANNINI R.Carrier frequency acquisition and tracking for OFDM system[J].IEEE Trans.Communications， 1996，44（11）： 1590-1598.

[6]KELLER T，PIAZZO L，MANDARINI P，et al.Orthogonal frequency division multiplex synchronization techniques for frequency-selective fading channels[J].IEEE Journal on Selected Area in Communications，2001， 19（6）：999-1008.