基于USRP的DVB-T接收機(jī)實(shí)現(xiàn)

陳為剛，趙 干，李 思，楊晉生

(天津大學(xué)電子信息工程學(xué)院，天津300072)

歐洲地面數(shù)字電視廣播(DVB-T)標(biāo)準(zhǔn)采用編碼正交頻分復(fù)用(Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing，COFDM)技術(shù)，具備較高的頻譜利用效率和強(qiáng)大的抗多徑干擾能力［1］。依據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)建立的地面數(shù)字電視系統(tǒng)正為全世界范圍內(nèi)的電視用戶提供標(biāo)清和高清電視節(jié)目傳輸服務(wù)。

目前用于DVB-T信號(hào)接收的設(shè)備多采用專用功能的硬件芯片實(shí)現(xiàn)，此種實(shí)現(xiàn)架構(gòu)憑借運(yùn)行效率高、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)得到了眾多設(shè)備生產(chǎn)商的認(rèn)可。但該實(shí)現(xiàn)架構(gòu)存在如下缺點(diǎn):首先，開發(fā)過程中較高的硬件制作成本導(dǎo)致不能充分對比不同設(shè)計(jì)方案的優(yōu)劣性;其次，難以伴隨數(shù)字電視傳輸標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展實(shí)現(xiàn)設(shè)備的快速更新。隨著軟件無線電概念的提出和發(fā)展，可通過模/數(shù)轉(zhuǎn)換盡早實(shí)現(xiàn)信號(hào)數(shù)字化，并通過各種數(shù)字信號(hào)處理設(shè)備完成基帶信號(hào)處理［2］。基于此方式可得到一種新的實(shí)現(xiàn)架構(gòu)，即采用軟件無線電架構(gòu)實(shí)現(xiàn)DVB-T信號(hào)接收。采用軟件無線電架構(gòu)實(shí)現(xiàn)DVB-T接收機(jī)具有開發(fā)周期短和靈活度高的優(yōu)點(diǎn)，可以快速實(shí)現(xiàn)對不同設(shè)計(jì)方案的驗(yàn)證和對比。意大利比薩大學(xué)研究小組利用通用軟件無線電外設(shè)(Universal Software Radio Peripheral，USRP)實(shí)現(xiàn) DVB-T 發(fā)射機(jī)，證明了采用軟件無線電架構(gòu)的可行性［3］。但是，考慮到接收端算法較發(fā)送端更為復(fù)雜，利用軟件無線電架構(gòu)實(shí)現(xiàn)有一定的困難，因此，本文依據(jù)歐洲地面數(shù)字電視廣播標(biāo)準(zhǔn)，基于由USRP和通用計(jì)算機(jī)組成的軟件無線電平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)DVB-T接收機(jī)。

1 軟件無線電與USRP

軟件無線電是指以通用、標(biāo)準(zhǔn)、模塊化的硬件平臺(tái)為依托，通過軟硬件編程實(shí)現(xiàn)無線電處理的各種功能［4］。相比功能單一的硬件電路，軟件無線電的一個(gè)顯著特性是在軟硬件方面都具備可重構(gòu)性，即在不改變軟硬件結(jié)構(gòu)的情況下，可采用不同的參數(shù)配置和算法設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)不同的無線電功能。

本文采用的軟件無線電平臺(tái)由USRP和通用計(jì)算機(jī)組成。USRP是一套基于數(shù)字中頻架構(gòu)的可配置軟件無線電射頻前端，由母板和覆蓋不同頻段的射頻子板組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。在接收路徑中，射頻子板的功能是對天線接收的信號(hào)進(jìn)行正交下變頻，產(chǎn)生I、Q兩路中頻模擬信號(hào)。母板主要由12位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)芯片、FPGA芯片和USB控制器芯片構(gòu)成。ADC芯片完成I、Q路中頻模擬信號(hào)的數(shù)字采樣;FPGA芯片對ADC采樣得到的中頻信號(hào)進(jìn)行數(shù)字下變頻，并通過級(jí)聯(lián)梳狀濾波器對采樣值進(jìn)行可變速率的抽取，形成低速率的基帶采樣信號(hào);USB控制器芯片用于控制USRP與通用計(jì)算機(jī)間的基帶信號(hào)傳輸。通用計(jì)算機(jī)采用軟件編程實(shí)現(xiàn)基帶信號(hào)的后續(xù)處理。

圖1 USRP結(jié)構(gòu)

DVB-T標(biāo)準(zhǔn)在現(xiàn)有的甚高頻(VHF)和特高頻(UHF)頻段提供地面數(shù)字電視信號(hào)的傳輸服務(wù)。本文采用WBX寬帶子板，其頻率覆蓋50 MHz～2.2 GHz，滿足基本頻段要求。

2 接收機(jī)實(shí)現(xiàn)

2.1 實(shí)現(xiàn)架構(gòu)

根據(jù)實(shí)現(xiàn)功能的不同，接收機(jī)可分為三個(gè)部分:USRP射頻前端、內(nèi)接收機(jī)和外接收機(jī)。接收機(jī)實(shí)現(xiàn)架構(gòu)如圖2所示。USRP射頻前端實(shí)現(xiàn)接收信號(hào)的下變頻、模/數(shù)轉(zhuǎn)換和下采樣處理，將天線接收的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為基帶數(shù)字信號(hào);內(nèi)接收機(jī)完成基帶數(shù)字信號(hào)的定時(shí)和頻率同步，并實(shí)現(xiàn)對信道參數(shù)的估計(jì)和均衡處理;外接收機(jī)對同步均衡后的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)、信道譯碼和視頻解碼，實(shí)現(xiàn)接收視頻流的實(shí)時(shí)播放。

圖2 接收機(jī)實(shí)現(xiàn)架構(gòu)

2.2 USRP 射頻前端

USRP為接收機(jī)的射頻前端，可配置參數(shù)主要包括母板FPGA抽取系數(shù)和子板射頻中心頻率。DVB-T標(biāo)準(zhǔn)定義了6 MHz、7 MHz和8 MHz三種信道帶寬模式。三種帶寬模式編碼映射方式、交織方式和幀結(jié)構(gòu)完全相同，唯一不同的是采樣周期Ts，分別等于7/48 μs、1/8 μs和7/64 μs。采用第一代USRP作射頻前端時(shí)，受限于USB 2.0總線的傳輸速率(Rmax=32 Mbyte/s)，在I、Q路復(fù)采樣信號(hào)量化精度為Nbits=32 bit的情況下，最小采樣周期為

不滿足8 MHz信道帶寬模式對采樣周期的要求。接收機(jī)實(shí)現(xiàn)中針對7 MHz信道帶寬模式，在USRP模/數(shù)轉(zhuǎn)換器芯片AD9862固定采樣速率為64 MSample/s(兆采樣/s)情況下，F(xiàn)PGA抽取系數(shù)設(shè)置為8，即滿足該模式對采樣周期的要求。在射頻中心頻率配置方面，選擇與DVB-T固定頻道中心頻率一致。

2.3 內(nèi)接收機(jī)

國內(nèi)外學(xué)者已針對DVB-T信號(hào)的接收提出了眾多同步和信道估計(jì)方案，本文在考慮算法性能和復(fù)雜度的基礎(chǔ)上，選擇恰當(dāng)算法實(shí)現(xiàn)內(nèi)接收機(jī)各信號(hào)處理模塊。整個(gè)同步過程分為捕獲階段和跟蹤階段。捕獲階段完成定時(shí)、頻率偏差值的大致捕獲;跟蹤階段完成剩余偏差值的估計(jì)和跟蹤校正。接收機(jī)進(jìn)入穩(wěn)定跟蹤狀態(tài)之后，再進(jìn)行信道估計(jì)和頻域均衡。

1)符號(hào)定時(shí)與小數(shù)倍載波頻偏捕獲

內(nèi)接收機(jī)運(yùn)行過程中，首先需要完成對OFDM符號(hào)起始位置的捕獲。內(nèi)接收采用基于OFDM符號(hào)循環(huán)前綴的最小均方誤差估計(jì)算法，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對OFDM符號(hào)起始位置和小數(shù)倍載波頻偏值的捕獲［5］。該算法不需要對接收信噪比進(jìn)行估計(jì)，可有效降低捕獲的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 符號(hào)定時(shí)與小數(shù)倍載波頻偏捕獲實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)

2)整數(shù)倍載波頻偏捕獲

接收機(jī)與發(fā)射機(jī)晶振頻率的差別，可能造成較大的載波頻率偏差。若傳輸過程中存在整數(shù)倍載波頻偏，則FFT變換后OFDM符號(hào)中所有子載波產(chǎn)生整體移位，導(dǎo)致解調(diào)數(shù)據(jù)完全錯(cuò)誤。DVB-T標(biāo)準(zhǔn)中連續(xù)導(dǎo)頻在每個(gè)OFDM符號(hào)中占用固定子載波，內(nèi)接收機(jī)基于連續(xù)導(dǎo)頻采用頻域相關(guān)算法，實(shí)現(xiàn)對整數(shù)倍載波頻偏值的捕獲［6］。采用頻域相關(guān)算法，運(yùn)算復(fù)雜度與使用連續(xù)導(dǎo)頻的數(shù)目成正比。DVB-T標(biāo)準(zhǔn)2K模式共有45個(gè)連續(xù)導(dǎo)頻，內(nèi)接收機(jī)實(shí)現(xiàn)中使用直流載波附近的15個(gè)連續(xù)導(dǎo)頻，完成整數(shù)倍載波頻偏值的捕獲。

3)符號(hào)定時(shí)精同步

完成對OFDM符號(hào)起始位置的捕獲后，剩余符號(hào)定時(shí)偏差主要有兩部分:一部分是符號(hào)起始位置捕獲值與實(shí)際值的差值;另一部分是采樣偏差導(dǎo)致的符號(hào)定時(shí)漂移。DVB-T標(biāo)準(zhǔn)中離散導(dǎo)頻在每個(gè)OFDM符號(hào)中等間隔分布，內(nèi)接收機(jī)采用基于相鄰離散導(dǎo)頻相位差的估計(jì)算法，實(shí)現(xiàn)對OFDM符號(hào)定時(shí)偏差值的精確估計(jì)［7］。

4)剩余載波頻偏估計(jì)

剩余載波頻偏導(dǎo)致接收星座點(diǎn)發(fā)生相位旋轉(zhuǎn)并具有累加效應(yīng)。內(nèi)接收機(jī)基于相鄰OFDM符號(hào)連續(xù)導(dǎo)頻相位差，采用最小平方準(zhǔn)則估計(jì)算法，實(shí)現(xiàn)對剩余載波頻偏值的估計(jì)［8-9］。內(nèi)接收機(jī)實(shí)現(xiàn)中預(yù)先建立最小平方準(zhǔn)則系數(shù)矩陣，并存儲(chǔ)為查找表，可有效避免重復(fù)運(yùn)算。此外，為減小估計(jì)抖動(dòng)，首先將剩余載波頻偏估計(jì)值通過環(huán)路濾波器進(jìn)行平滑濾波，然后再進(jìn)行反饋和補(bǔ)償。

5)信道估計(jì)與均衡

衰落信道下各子載波信號(hào)會(huì)產(chǎn)生不同程度的相位旋轉(zhuǎn)和幅度畸變，需要進(jìn)行信道估計(jì)和均衡，保證相干解調(diào)的正確進(jìn)行。內(nèi)接收機(jī)基于每個(gè)OFDM符號(hào)中等間隔分布的離散導(dǎo)頻信號(hào)，首先在頻域內(nèi)采用最小二乘算法估計(jì)導(dǎo)頻位置的信道響應(yīng)值;然后，采用頻域線性插值方法預(yù)測非導(dǎo)頻位置處的信道響應(yīng)值;最后，在頻域內(nèi)采用相除方式實(shí)現(xiàn)對全部子載波信號(hào)的均衡處理。

2.4 外接收機(jī)

外接收機(jī)根據(jù)DVB-T標(biāo)準(zhǔn)定義的發(fā)射信號(hào)生成方式，反向處理恢復(fù)原始傳送流(Transport Stream，TS)。為正確提取系統(tǒng)信息，同時(shí)保證RS碼譯碼器的輸入為完整RS碼碼字，外接收機(jī)首先需要實(shí)現(xiàn)超幀同步。超幀同步利用本地存儲(chǔ)的同步字序列與差分解調(diào)后傳輸參數(shù)信令(Transmission Parameter Signaling，TPS)中的同步字序列進(jìn)行滑動(dòng)相關(guān)，若相關(guān)結(jié)果大于預(yù)設(shè)閾值且?guī)?hào)序列為“00”，則可確定超幀的起始位置。

超幀同步后，對每個(gè)OFDM符號(hào)中的數(shù)據(jù)子載波進(jìn)行硬判決解調(diào)和解內(nèi)交織，并將解交織比特序列送入卷積碼譯碼器。卷積碼譯碼器采用硬判決維特比譯碼算法進(jìn)行譯碼。譯碼完成后，將譯碼信息比特序列轉(zhuǎn)換為字節(jié)序列，并采用移位寄存器法實(shí)現(xiàn)基于字節(jié)的解卷積交織［10］。卷積交織/解交織產(chǎn)生的總延時(shí)為11個(gè)RS碼碼字，因此RS碼譯碼器在接收11個(gè)RS碼碼字后啟動(dòng)。數(shù)據(jù)解擾是在檢測到取反同步字節(jié)(0xB8)后，將接收數(shù)據(jù)與DVB-T標(biāo)準(zhǔn)定義的偽隨機(jī)序列進(jìn)行異或運(yùn)算。最后，借助開源多媒體音視頻處理工具FFmpeg，對接收TS流進(jìn)行解碼和播放。

3 軟件實(shí)現(xiàn)

接收機(jī)實(shí)現(xiàn)中，USRP的參數(shù)配置以及內(nèi)接收機(jī)和外接收機(jī)對基帶信號(hào)的處理全部在通用計(jì)算機(jī)中完成。選擇恰當(dāng)?shù)男盘?hào)處理方式并設(shè)計(jì)合理的軟件流程，對提高接收機(jī)程序運(yùn)行效率尤為重要。同時(shí)，為實(shí)現(xiàn)接收視頻的實(shí)時(shí)播放，需完成視頻顯示界面的開發(fā)。

3.1 軟件流程

在通用計(jì)算機(jī)中實(shí)現(xiàn)基帶信號(hào)處理的方式有兩種:借助軟件開發(fā)工具如GNU Radio、LabVIEW等，通過構(gòu)建流圖并創(chuàng)建信號(hào)處理模塊實(shí)現(xiàn);調(diào)用USRP應(yīng)用程序編程接口(Application Programming Interface，API)函數(shù)讀取基帶信號(hào)，并編寫信號(hào)處理函數(shù)實(shí)現(xiàn)。本文采用第二種方式，該方式不必使用其他軟件，可實(shí)現(xiàn)對各運(yùn)算單元輸入/輸出數(shù)據(jù)的完全控制，因此通用性更強(qiáng)。

內(nèi)接收機(jī)和外接收機(jī)流程如圖4所示，各運(yùn)算單元采用封裝的C++函數(shù)實(shí)現(xiàn)，封裝函數(shù)的接口參數(shù)為本運(yùn)算單元的輸入、輸出數(shù)據(jù)。接收機(jī)主程序通過控制函數(shù)調(diào)用，實(shí)現(xiàn)各運(yùn)算單元的連接，保證數(shù)據(jù)處理的連續(xù)性。

圖4 接收機(jī)流程

3.2 多線程處理

為提高程序運(yùn)行效率，接收機(jī)編程實(shí)現(xiàn)中采用多線程模式。根據(jù)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度，將整個(gè)接收機(jī)劃分為3個(gè)線程:內(nèi)接收機(jī)線程、外接收機(jī)線程和視頻解碼播放線程。各線程獨(dú)立運(yùn)行，并通過循環(huán)阻塞隊(duì)列實(shí)現(xiàn)線程間的數(shù)據(jù)交互，循環(huán)阻塞隊(duì)列結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 循環(huán)阻塞隊(duì)列結(jié)構(gòu)

接收機(jī)程序啟動(dòng)后，首先申請能夠存放N×M_BYTES byte的內(nèi)存，其中N為隊(duì)列節(jié)點(diǎn)數(shù)目，M_BYTES表示每個(gè)節(jié)點(diǎn)的字節(jié)長度。讀寫線程通過調(diào)用get函數(shù)和put函數(shù)，實(shí)現(xiàn)隊(duì)列數(shù)據(jù)的讀取和寫入操作。若隊(duì)列空，則get函數(shù)阻塞;若隊(duì)列滿，則put函數(shù)阻塞。接收機(jī)實(shí)現(xiàn)中，需要建立兩個(gè)循環(huán)阻塞隊(duì)列，分別用于實(shí)現(xiàn)內(nèi)接收機(jī)線程與外接收機(jī)線程、外接收機(jī)線程與視頻解碼播放線程間的數(shù)據(jù)交互。各線程并行運(yùn)行，可較大程度提高程序運(yùn)行效率，保證接收機(jī)實(shí)時(shí)穩(wěn)定運(yùn)行。

3.3 視頻顯示界面

在實(shí)現(xiàn)接收機(jī)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步采用QT用戶圖形化界面開發(fā)工具，開發(fā)了視頻顯示與配置界面，如圖6所示。通過該界面可對USRP母板FPGA抽取系數(shù)和子板射頻中心頻率進(jìn)行配置，啟動(dòng)后可實(shí)現(xiàn)接收視頻流的實(shí)時(shí)播放。

圖6 接收機(jī)視頻顯示界面(截圖)

4 測試與驗(yàn)證

針對所實(shí)現(xiàn)接收機(jī)，利用標(biāo)準(zhǔn)調(diào)制信號(hào)驗(yàn)證其接收功能的正確。發(fā)射端采用荷蘭DekTec公司生產(chǎn)的調(diào)制卡DTA-115產(chǎn)生符合DVB-T標(biāo)準(zhǔn)的調(diào)制信號(hào);接收端采用主頻3.4 GHz，Intel Core i7-3770 CPU的通用計(jì)算機(jī)作為宿主機(jī)運(yùn)行接收機(jī)程序。經(jīng)驗(yàn)證，接收機(jī)可實(shí)現(xiàn)對7 MHz信道帶寬、2K模式、內(nèi)碼碼率1/2、QPSK映射、1/4保護(hù)間隔模式信號(hào)的實(shí)時(shí)穩(wěn)定接收，接收TS流比特速率為4.354 Mbit/s。

進(jìn)一步，在室內(nèi)場景下對接收TS包的誤包率進(jìn)行了測試。實(shí)際測試中，射頻中心頻率為226.5 MHz，收發(fā)天線距離為3.5 m，測試結(jié)果如圖7所示。發(fā)射端通過設(shè)定功率參數(shù)改變發(fā)射功率的大小，接收機(jī)根據(jù)RS碼譯碼結(jié)果，對接收TS包的誤包率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。可以看出，在發(fā)射功率為-8 dBm時(shí)，TS包誤包率降低至1.3×10-6。該系統(tǒng)被用于海洋上綜合業(yè)務(wù)通過TS流的傳輸，具有良好的擴(kuò)展性和較低的成本。

圖7 TS包誤包率測試結(jié)果

5 小結(jié)

本文依據(jù)歐洲地面數(shù)字電視傳輸標(biāo)準(zhǔn)，選擇合適的信號(hào)同步和信道估計(jì)算法，基于由通用軟件無線電外設(shè)和通用計(jì)算機(jī)組成的軟件無線電平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了DVB-T接收機(jī)。測試表明，接收機(jī)可實(shí)現(xiàn)對固定模式DVB-T信號(hào)的穩(wěn)定接收和視頻實(shí)時(shí)播放。

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