基于Simulink的CMMB算法仿真平臺的實現

田 園，張 峰，劉 佳，3

(1.中科院自動化所，北京 100190;2.中國地質大學地球物理與信息技術學院，北京 100083;

3.南京理工大學電子工程與光電技術學院，江蘇南京210094)

CMMB(China Mobile Multimedia Broadcasting)標準是2006年11月由國家廣播電總局提出的中國廣播電影電視行業標準［1］，現主要應用于手機電視領域。它針對我國廣播覆蓋面積大、傳輸環境復雜、用戶眾多和業務需求多樣化的特點，采用OFDM調制技術，吸納成熟的“天地一體化”技術體系，擁有低成本、信號覆蓋廣、頻譜利用率高、抗衰落能力強、傳輸速率高等優點。

1 CMMB概述

1.1 OFDM 原理

CMMB系統采用OFDM調制技術。OFDM技術是多載波調制的一種，適用于無線環境下的高速數據傳輸，已廣泛應用于高速數字用戶環路(HDSL)、非對稱數字用戶環路(ADSL)、高清晰度電視(HDTV)、地面數字電視廣播(DTMB)以及第四代移動通信(LTE)等標準中［2］。其主要思想是:將高速的串行信號轉換為低速的并行信號，再將這些并行信號調制到若干個正交的子載波上傳輸［3］。OFDM系統原理框如圖1所示，從圖中可見正交調制過程由IFFT模塊實現，正交解調過程由FFT模塊實現。

1.2 關鍵技術

OFDM接收機關鍵技術主要包括同步、信道估計。

圖1 OFDM系統原理框圖

同步技術分為定時同步和頻率同步，定時同步為FFT提供開窗定時信息，頻率同步為恢復子載波正交性。

信道估計技術通過訓練序列估計并恢復出所有子載波上的信道特性，實現接收信號的正確解調。

2 CMMB物理層結構

CMMB系統物理層幀結構如圖2所示，每幀持續1 s，包括40個結構相同的時隙。手機電視信號中不同的頻道是承載在不同時隙上傳輸的。每個時隙時長25 ms，包括1個信標符號和53個OFDM符號。

2.1 信標符號

每個時隙開頭先傳輸一個信標符號。信標由TxID(發射機標識)和兩個相同的同步頭組成，如圖2所示。信標持續450.4 μs，載波分配如表1所示。同步信號通過連續兩個相同時域信號提供快速定時和頻率信息的捕獲和估計。

圖2 基于時隙劃分的幀結構

表1 8 Mbyte帶寬時CMMB數據幀子載波分布

2.2 OFDM 符號

信標符號后，串行傳輸53個OFDM符號。每個OFDM符號加入保護間隔(GI)和循環前綴(CP)，共持續463.2 μs。載波分配見表1，保護間隔和循環前綴的作用為避免符號間干擾，并可計算出定時信息。

OFDM符號由4096 個子載波組成，包括數據子載波、連續導頻、離散導頻和虛擬子載波。其中導頻可用于頻率偏移和信道特性估計，虛擬子載波起保護頻率邊帶的作用，數據子載波用于承載有用數據。數據子載波上的數據由比特流星座映射產生，CMMB系統的星座映射方式包括BPSK，QPSK，16QAM。

3 CMMB算法仿真平臺的Simulink模型

3.1 CMMB接收機算法流程

根據OFDM關鍵技術和CMMB物理層特點，CMMB接收機流程采用3個階段實現。如圖3所示，CMMB接收機流程3個階段依次是粗同步、細同步和信道估計。

圖3 CMMB接收機流程

粗同步實現信號的捕獲的輸入信號為同步信號，通過對時域上兩個相鄰的同步信號進行相關運算快速得到FFT的開窗定時信息、采樣率偏差和頻偏信息粗估計。粗同步后接收機進入細估計階段，在該階段可以準確按照符號位置進行FFT運算，得到連續導頻和離散導頻信號，通過對連續導頻和離散導頻進行相應運算可以準確估計出定時信息、采樣偏差信息、頻偏信息。信道估計階段是通過對離散導頻進行計算，準確恢復出每個數據子載波上的實時信道特性，為數據解映射提供準確的信道特性。

3.2 CMMB接收機算法仿真平臺實現

Simulink是Matlab中的一種可視化仿真工具，用于對動態系統進行建模、仿真和分析。它采用模塊化建模方式，每個模塊都有自己的輸入/輸出端口，實現指定功能［4］。Simulink作為一種通用的仿真建模工具，廣泛應用于通信仿真、數字信號處理、模糊邏輯等領域中。

依據3.1中流程，采用Siumlink環境搭建CMMB算法仿真平臺。如圖4所示，該平臺包括CMMB信號發生模塊、CMMB仿真信道模塊、CMMB數據解調模塊、CMMB同步和信道估計模塊、誤碼率計算模塊。

1)信號發生模塊根據CMMB標準產生測試信號，用于為接收機提供理想測試信號。其輸入數據隨機比特流，輸出為CMMB理想測試信號。數據流程依次為星座映射模塊、加導頻模塊、擾碼模塊、IFFT及成幀模塊。

2)仿真信道中包含高斯白噪聲(AWGN)信道和瑞利衰落信道，可以設置信噪比、多普勒偏移、多徑數量、多徑位置和多徑增益等參數，輸入數據為CMMB理想測試信號，輸出數據為經過信道衰減的CMMB仿真測試信號。

3)數據解調模塊的實現信號的解調過程，其處理順序與信號發生模塊相逆。數據流程依次為拆幀模塊、FFT、解擾模塊、去導頻模塊及解星座映射模塊。輸入數據為CMMB仿真測試信號，輸出數據為CMMB接收數據比特流。其中數據解調模塊需要由同步和信道估計模塊提供定時、頻偏以及信道估計信息。

4)同步及信道估計模塊實現定時、采樣率偏差、頻偏信息估計以及信道估計。輸入信號為時域同步信號、離散導頻信息。輸出信號為定時信息、采樣率偏差、頻偏信息以及數據子載波信道估計信息。

5)SER模塊為誤碼率計算模塊，通過比較原始隨機比特流和數據調制解調輸出的CMMB接收數據比特流計算誤碼率，可以通過誤碼率評估算法優劣。

4 系統仿真與分析

為評估算法仿真平臺的性能，利用Simulink仿真參數，如表2所示，進行AWGN信道不同信噪比環境下仿真，得到了圖5所示誤碼率曲線和表3所示AWGN信道下不同星座映射誤碼率表。本文中信噪比20 dB表示一個數量級。

圖4 CMMB算法仿真平臺結構圖

表2 Simulink仿真參數

圖5 3種星座映射的誤碼率曲線

表3 AWGN信道下不同星座映射的誤碼率

從圖5和表3中可以看出，誤碼率隨信噪比的降低而增大，即噪聲越大誤碼率越高。當其中在信噪比較高時(BPSK，QPSK的SNR＞20 dB時和16QAM的SNR＞30 dB時)誤碼率為0，說明在信道質量較好時，說明數據解調模塊能準確恢復出原始信號。隨著信噪比降低逐漸出現誤碼，當信噪比達到－20 dB時誤碼率接近于50%，此時達到系統性能極限，接收機不能正常工作。

另外，從三種星座映射的誤碼率曲線可以看出，在－10 dB＜SNR＜30 dB范圍內，BPSK映射和QPSK映射的誤碼率曲線差距很小，而16 QAM映射的誤碼率曲線則與其他兩條距離較遠，約有10 dB左右的距離。考慮BPSK映射攜帶信息為QPSK映射攜帶信息量一半，而QPSK映射攜帶信息量為16 QAM映射攜帶信息量的一半，因此QPSK映射可以在不損失性能的前提下攜帶信息量最多，而16QAM映射性能雖有10 dB左右損失，但其信息攜帶量最大。實際系統中可以考慮在信道惡劣環境使用QPSK映射，信道質量較好環境使用16QAM。

5 結論

通過分析OFDM原理和CMMB物理層特點，設計了一種基于Simulink的CMMB算法仿真平臺。經過實際仿真，該平臺各模塊能正常運行，能準確解調接收信號，并得到AWGN信道下不同信噪比誤碼率曲線。通過該仿真平臺，一方面驗證了CMMB接收機算法的正確性，為硬件實現提供了算法和硬件架構的參考，另一方面該平臺也對搭建其它基于OFDM調制技術的通信系統具有一定的借鑒意義［5－6］。

［1］ 國家廣播電影電視總局.GY－T220.1—2006，移動多媒體廣播 第1部分:廣播信道幀結構、信道編碼和調制［S］.2006.

［2］王玲.基于Matlab的OFDM仿真實現及性能分析［J］.中國傳媒大學學報:自然科學版，2010，17(2):45－49.

［3］蔣偉雄，王玲.基于Simulink的OFDM系統分析及仿真［J］.現代電子技術，2007(17):92－94.

［4］邵佳，董辰輝.MATLAB/Simulink通信系統建模與仿真實例精講［M］.北京:電子工業出版社，2009.

［5］佟學儉，羅濤.OFDM移動通信技術理論與應用［M］.北京:人民郵電出版社，2003.

［6］李洋，楊波.CMMB接收機符號同步與載波同步算法設計［J］.電視技術，2009，33(S2):9－11.