基于DVB-T的MD算法研究與FPGA實現

周 鵬，石 蓉 ，，黃秋元，陳 慧 ，，龔瑩瑩

（1.武漢理工大學 信息學院，湖北 武漢 430070；2.上海明波通信技術有限公司，上海 201203）

0 引言

OFDM調制也稱正交頻分復用調制，將經過QAM調制映射得到的基帶信號在頻域映射到多個相互正交的子載波上，然后通過反向傅里葉變換變換到時域，再經過低通濾波和上變頻等處理從天線發射[1]。為了克服反射波的干擾以及來自多個發射機的多波效應，將每一個OFDM符號的最后一段數據復制到符號的前面形成循環前綴，以防止由于多徑反射等造成第N-1個符號與第N個符號之間符號間干擾（Inter-Symbol Interference，ISI），即形成保護間隔（GI）。

由于GI是每個OFDM符號最后L個采樣的拷貝，所以每個OFDM符號的最后L個采樣和GI有相同的幅度和相位偏移，而OFDM符號的其他部分都是相互獨立的，GI和OFDM符號最后L長的部分的相關具有一個很強的峰值。本文即基于OFDM符號的結構特性提出了一種基于下采樣的模式和GI長度檢測算法，降低了硬件復雜度，便于FPGA實現。

1 模式檢測原理

1.1 OFDM符號結構

DVB-T標準中，一個OFDM符號由有效數據和保護間隔兩部分組成[1]，如圖1所示。

傳輸模式：2K和8K。

保護間隔：1/4，1/8，1/16，1/32。

N：與傳輸模式有關，2K模式下為2 048，8K模式下為8 192。

Q：與保護間隔有關，4種GI下的Q分別為4，8，16，32。

模式檢測即是對傳輸模式和GI的檢測，根據不同的傳輸模式和GI，共有8種組合，如表1所示。

1.2 模式檢測基本算法

GI和OFDM有效數據中的對應部分有極強的相關性，因此可以對表1中所示的8種組合分別計算相關值，8種結果Y0，Y1，…，Y7中最大值所對應的組合即為檢測結果。

接收到的數據中GI的位置是不確定的，所以對于每種模式組合，必須把所有的（N+L）個可能位置都考慮進去，每個位置需要L個相關值的累加，（N+L）個累加相關值中的最大值除以L歸一化[2]后即為該模式下的檢測結果。其檢測公式如下，其中，r(k)×r*(k+N)表示相隔N的兩個數據的相關值。所以，2 K/GI32模式的檢測公式為

表1 傳輸模式和GI組合列表

其余7種模式依此類推。顯然，此公式的硬件復雜度高，必須對其加以改進。

1.3 下采樣模式檢測算法

由式（1）知，累加的相關值要進行歸一化處理，即GI長度歸一化，此過程可以通過下采樣來近似實現。對于不同模式組合，都從中平均抽取相同個數的相關值累加[3]，再進行比較。此即為下采樣檢測算法的基本思想。

設從每個GI中抽取a個相關值，即對整個數據作L/a倍的下采樣，相應的GI的位置也要減少[4]。因此，式（1）可修改為

其余7種模式的相關檢測值依此類推。

2 硬件電路實現

2.1 硬件實現框圖

根據算法原理，8種組合的相關值檢測可以并行執行，也可以串行執行。本設計中采用并行執行方式，即對輸入的OFDM符號數據一次計算出8種組合的相關峰值，然后進行比較，最大相關峰值對應的組合即為檢測結果。

實現框圖如圖2所示，以a=16為例，即每個GI位置抽取16個相關值進行累加，按2 K/GI32模式計算，即對輸入數據進行4倍下采樣。

2.2 具體實現步驟

根據上述所選的方案，具體實現步驟如下：

1）4倍下采樣

以2 K傳輸模式下4種GI為例，當a=16時，分別要對數據進行4倍、8倍、16倍、32倍下采樣，因此以最小間隔為準，即對輸入數據作4倍下采樣，得到所有參與運算的相關值。

2）RAM存儲

根據相關值定義，r(k)×r*(k+N)為相隔N（2 K模式為2 048，8 K模式為8 192）的兩個數據作共軛復數運算。因此RAM將第一個OFDM數據進行存儲，下一個OFDM符號到來時與從RAM中讀出的相應數據作相關運算。然后各種模式從步驟（1）得到的下采樣數據中選擇各自所需要的相關值進行累加，同時比較所有GI位置的相關累加值，最后得到的最大值即為該模式下的結果值，即mode0，mode1，…，mode7值。

3）相關峰值比較

8個檢測值計算出來后，可以先比較2 K傳輸模式下4種GI對應的值，最大值所對的GI即為2 K模式下的GI檢測值；同理得到8 K模式下的最大值及GI檢測值；然后將2 K和8 K的最大值比較，判斷傳輸模式，取對應的GI即可。

2.3 整體時序

MD模塊整體時序設計圖如圖3所示。

從數據輸入到檢測結果輸出，需要經過2（8 192+8 192/4)個有效數據。MD_END為檢測結果標志，表示此處得到有效的MD_TRANS_MODE和MD_GI檢測結果。

2.4 改進方案

針對計算精度和硬件復雜度，考慮有如下改進方案：

1）上述實現方式只進行了兩個OFDM符號的下采樣相關運算，運算精度與初始算法相比會有所下降，因此，可以做多個OFDM符號的相關值累加后再做最大值比較運算。

2）本設計中采用全并行實現方式，所占硬件資源比較大，可以采用半并行方式，進行資源和時間的折中處理，即先進行2 K模式的4種GI相關累加值的計算，然后進行8 K模式4種GI相關累加值的計算，得到各自模式下的最大相關值及其對應的GI，最后將這兩個相關值進行最大值比較。在半并行方式下，兩個階段（2K和8K）只有下采樣的倍率不同，相關值的選取及累加過程可以資源共享。

2.5 仿真驗證

本設計采用Verilog HDL語言描述，為了配合RTL的測試，用C編寫了對應的MD算法的驗證程序，然后利用NC Verilog及Debussy分別進行仿真和波形觀測，仿真結果表明，MD模塊模式檢測功能正確。

本設計的所有模塊都是在Synplify Premier 8.8，ISE9.2及Xilinx FPGA XC5VLX220芯片上實現的。

3 結束語

本文提出一種下采樣算法來近似相關峰值檢測中GI長度相關值累加及歸一化處理，其FPGA實現在DVB-T系統中進行仿真驗證并集成，仿真結果表明下采樣算法檢測結果正確，減少了硬件復雜度，節約了資源，并且FPGA實現滿足時序、面積要求。

本文研究是在上海明波通信技術有限公司中完成的，非常感謝公司以及各位同事所給予的大力支持和幫助。

[1] 黃秋芳.DVB-T標準與DVB-T標準技術分析的廣播電視信息，2009（8）：67-69.

[2]TSUE Yih-Ming，Hsinchu.Mode detection for ofdm signals：USA，US2004/0240379 A1[P].2003-05-29.

[3] 解玉芳，郭里婷.DVB-T與地面數字電視國標信道估計算法分析[J].電視技術，2010，34（7）：20-22.

[4] 方紹，謝顯中.基于DVB-T的OFDM頻偏估計算法及DSP實現[J].電視技術，2011，35（3）：5-8.

周 鵬（1961-），博士，通信系統理論與通信網絡技術研究；

石 蓉（1985-），碩士，主要從事DVBT數字電視解調器FEC的ASIC實現；

黃秋元（1963-），博士，通信系統理論與通信網絡技術研究；

陳 慧（1985-），碩士，主要從事DVBT數字電視解調器信道均衡的ASIC實現；

龔瑩瑩（1983-），碩士，從事數字電視解調器的ASIC實現。