應用于地面數字電視單頻網的時鐘鎖頻技術

蔡 凡，王丹丹，何大治

（1.廣州海格通信集團股份有限公司，廣東 廣州 510663；2.上海交通大學，上海 200240）

應用于地面數字電視單頻網的時鐘鎖頻技術

蔡 凡1，王丹丹1，何大治2

（1.廣州海格通信集團股份有限公司，廣東 廣州 510663；2.上海交通大學，上海 200240）

晶振自身的頻率老化會使得晶振的輸出頻率與標稱頻率具有較大的偏差，晶振頻率的穩定度和準確度會影響地面數字電視單頻網發射機的性能，導致單頻網環境下的動態多徑情況，從而影響接收機的接收性能。通過和外部衛星頻標的比對，可以在開始階段對發射器的晶振輸出頻率進行良好的校準，從而保證單頻網環境下各個發射器的一致性，實現各個發射機信號的絕對同步。該方法實現復雜度低，完全可以利用發射機現有的資源實現。

單頻網；晶振；老化；校準

傳統的地面數字電視覆蓋網采用多頻網（Multiple Frequency Network，MFN）的方式來增加解決信號覆蓋問題，多頻網采用對不同地區發射不同的頻率信號的方式，由于各個發射點采用不同的頻率，相鄰傳輸地區間的干擾很小，但其使用頻率資源的效率非常低，需要大量的頻率資源。

單頻網（Single Frequency Network，SFN）是目前國內外廣泛采用的一種組網方式，用來解決地面數字電視信號覆蓋問題。單頻網是由多個位于不同地點的發射機組成的數字電視覆蓋網絡[1]，在覆蓋的區域內，多個處于同步狀態的發射機以同一頻率發射同一套數字電視節目，即各發射天線發送的信號是完全一樣的；接收到的多個發射機信號可以被視為多徑信號，接收機通過均衡技術來實現多徑之間的相互貢獻、相互補償[2]，從而恢復出發送的數字電視節目。

單頻網可以實現統一業務采用相同的頻率在較大區域內進行覆蓋，對頻率資源使用的效率很高，但其缺點是會給接收機帶來額外的多徑信號，且不能為整個覆蓋區的某一部分提供額外業務，靈活度不高。

1 SFN建網要求

單頻網的建網中要求不同發射點的發射信號必須滿足頻率同步和比特同步的要求，同時，為了保證來自不同發射點的信號之間的時延在一定的范圍內，可以被接收機視為多徑信號而加以處理，單頻網中不同發射點之間的信號還必須滿足時間同步的要求。

1.1 頻率同步

為了保證接收機各個發射信號視為多徑，單頻網中各發射點發射的信號頻率應完全相同，這就要求發射機本身有很高的頻率精度和穩定度，且各個發射機之間的頻率偏差需要控制在一個很小的范圍內，實踐證明偏差在1～5 Hz內是可以被接受的。為了達到這個要求，各個發射機的振蕩器的頻率都必須滿足一個容差范圍，以保證發射信號的頻率滿足必要的精度。通常采用的方法是各個發射機的振蕩器都由同一個參考振蕩源來驅動。實際應用中，一般都選用GPS輔助高穩晶振產生的10MHz信號作參考振蕩源。

1.2 時間同步

為了使來自不同發射點的信號之間的時延在接收機能夠處理的時延范圍內，要求各個發射機之間的發射信號能滿足絕對時間同步。

在單頻網的分配網絡中，從適配器到各個激勵器之間的網絡延時并不相同。為了實現不同發射點之間的時間同步，需要設定一個統一延時，且該統一延時要大于分配網中的最大延時。不同發射點的發射機在收到分配網絡中的傳輸流時，會根據設定的統一延時和絕對參考時鐘對傳輸流進行延時并發射，從而保證了不同發射點信號之間的時間一致性。

實際應用中，一般都選用GPS輸出的絕對參考秒脈沖作為各個發射點的絕對參考時鐘。

1.3 比特同步

除了滿足了時間同步和頻率同步，還要求單頻網中各發射機發送相同的信號的，這就要求各個發射點之間調制信號幀的數據逐比特對應相同，這就是所謂的比特同步。為保證比特同步，除了保證輸入到SFN中各個激勵器的碼流逐比特對應相同，同時還要求各個激勵器對輸入碼流的分組相同，使得對一個信號幀調制的數據逐比特對應相同。

我國的地面數字電視國標DTMB具有這方面的優勢，國標DTMB所有模式在1 s內能滿足整數個傳輸包，不同的激勵器只需要滿足相同的處理方式并采用基于秒脈沖的系統啟動時間就能保證比特同步。

圖1的單頻網架構采用GPS的秒信號作為絕對時間參考，各個發射機之間以及發射機與單頻網適配器之間的時間同步可以利用GPS時間來實現，GPS接收機可以同時提供頻率參考（10 MHz）和絕對參考秒脈沖（1 PPS，即1pulse per second）。

圖1 單頻網架構

圖1為采用GPS秒信號作為絕對時鐘參考的單頻網技術方案，通過配置外部時鐘基準，各個發射點可以利用GPS秒信號鎖定發射機中的高穩晶體振蕩器，從而獲得一個短期及長期穩定度都比較優良的時間頻率標準，也使得頻率準確度得到提升。

2 本振頻率偏差帶來的影響

通常情況下，單頻網發射機中的上變頻器與D/A變換器使用同一頻率源，因此頻率源的輸出頻率信號的偏差會傳遞給經過上變頻的射頻信號，從而使得多普勒頻移值的估計誤差增大。

設接收機中進入D/A變換器的中頻信號的頻率為

式中：fVCO為頻率源的標稱值；ΔfVCO為頻率源的標稱值與輸出信號的實際頻率值的誤差；fc為載波信號的頻率；N為頻率源信號的倍頻數，以使載波的頻率從初始值下變頻到預定中頻；fd為載波的多普勒頻移值。

在載波鎖相環中，由于頻率源的偏差值未知，則其環路中NCO的本振值為 fc-N×fVCO，因此，當環路跟蹤運行后，由環路輸出的相位值計算得到的多普勒頻率值含有N×ΔfVCO的偏差，造成了多普勒頻率估計值的不準確。如果頻率源的準確度在10-6量級，那么多普勒頻移估計值的偏差將在幾赫茲甚至幾十赫茲以上。這樣在某些涉及計算物體運動速度（比如高速車載系統）的場合中，該多普勒值的偏差會給計算結果帶來較大的影響[3]。

頻率穩定性是影響系統整體性能的一個重要指標，因為石英晶體具有較穩定的固有頻率，單頻網發射機通常都采用高精度的石英晶體振蕩器。但是，石英晶體振蕩器存在頻率老化的現象，即振蕩器的頻率隨工作時間的增加而呈現緩慢變化的趨勢[4]。雖然老化引起的頻率變化的絕對值較小，但在一些精度要求較高的場合，這種變化會導致解調算法性能的下降，尤其是在設備長時間斷電以后，開機后頻率漂移的值會更加明顯。所以，克服高性能石英晶體振蕩器頻率的老化問題，是保證發射機的射頻穩定度是一個關鍵的問題。

選取兩個發射機中的恒溫高穩晶振（穩定度標稱值為5×10-10/24 h）進行老化測試，測量頻率漂移值，其測量方法如下：1）接收GPS的秒脈沖1 PPS信號，利用此秒脈沖與恒溫高穩晶振產生的秒脈沖1 PPS信號進行時間比對；2）接著利用FPGA中的時間間隔測量程序對本地秒脈沖信號和GPS秒脈沖信號兩者間的時鐘間隔進行計數。經過長時間的測量統計從而得到恒溫高穩晶振的頻率偏移曲線。圖2分別給出了1天時間內晶振的測試曲線，其中橫軸為測量時間（單位為s），縱軸為本地秒脈沖信號與GPS秒脈沖信號的時間間隔（單位為μs）。從圖中可知，晶振在自由運行的情況下，每天的時差會達到8ms左右，這對于高帶寬信號的解調而言會增加位同步估算和糾正的頻度。

圖2 晶振漂移測試結果

3 提升本振頻率準確度的方法

3.1 偏差的估算

利用GPS的1 PPS信號，結合時間間隔測量技術，將它與本地晶振的分頻信號進行比對，按照相位差的變化速率計算出相對頻差，并綜合考慮本地晶振的壓控靈敏度，產生出對本地晶振的控制電壓。經過反復控制，最終實現了本地晶振的長期穩定度和GPS秒信號的穩定度相一致，其原理框圖如圖3所示。

圖3 基于GPS秒脈沖鎖定高穩晶振原理框圖

時間間隔的測量過程是在FPGA中來完成，時間間隔測量的分辨率由FPGA中能夠達到的最高頻率的時鐘決定，可達到10 ns量級。這樣理論上在設備上電后，通過與GPS秒脈沖的比對和晶振的控制，就可以達到1×1011的穩定度和1×10-9的準確度。

3.2 偏差的補償

在FPGA中通過鎖相環來完成對頻率偏差的補償，主要完成以下過程。首先對GPS秒脈沖和本地晶振的秒脈沖進行時差比對，計算得到的時差值進行平均濾波后再進行Kalman濾波，然后輸出給DA轉換成模擬電壓控制晶振。通過監控晶振輸出的秒脈沖和GPS秒脈沖的時差值可以了解整個算法的運行過程。大約7 h內的時差測量結果如圖4所示。

從圖中可看出，跟蹤過程分為捕獲階段和穩定階段。在穩定階段，晶振的頻率不再處于偏移狀態，而是被控制為一個固定值，表現為GPS秒脈沖和本地晶振的秒脈沖為固定時延。此時晶振實際輸出正弦波的頻率值會非常接近晶振的頻率標稱值（比如10 MHz），誤差在0.01 Hz以內。運行過程中時鐘的抖動遠小于1μs。

圖4 采用Kalman濾波的鎖相環跟蹤過程

為了提高跟蹤階段的準確度和抗抖動能力，采用基于卡爾曼濾波算法，對時差數據分解為抖動誤差、突發誤差2個部分，利用Kalman濾波器減小抖動誤差，設置跟蹤門限值來消除突發誤差的干擾，從而提高了晶振的準確度和穩定度指標。

鎖相環中的濾波器可以采用平均濾波算法和Kal?man濾波算法，但兩者對于噪聲的處理存在差異。對于突發的抖動，Kalman濾波器會有較好的優勢。

由GPS接收機接收到的數據得到一組鐘差時間觀測序列信息進行狀態向量估值。

狀態方程為

觀測方程為

式中：Xk為狀態參數向量；Lk為觀測向量；Φ(k,k-1)為狀態轉移矩陣；Ak為系數矩陣；Wk為模型噪聲；ek為觀測噪聲[5]。

根據卡爾曼濾波算法可知，當在測量序列中出現野值或者突發抖動時，必將影響新息序列的原有性質，導致濾波器估計不準，濾波精度下降。基于卡爾曼濾波器新息序列的特性，這里采用對卡爾曼濾波新息序列進行修正，提高測量的抗抖動能力和去野值能力[6]。如果使用平均濾波，那么突發抖動會導致穩定度的指標會有一定的影響，圖5為采用平均濾波算法下的跟蹤結果。

從圖中可以看出，平均濾波沒有辦法去除大的抖動。平均濾波就是連續取N次采樣值進行平均運算。算術平均值濾波法適用于對具有隨機干擾的信號進行濾波。這種信號的特點是有一個平均值，信號在某一數值范圍附近上下波動。信號的平滑度和靈敏度取決于N。當N較大時，信號平滑度較高，但靈敏度較低；當N較小時，信號平滑度較低，但靈敏度較高。算術平均值濾波法的缺點是對于測量速度較慢或要求數據計算速度較快的實時控制不適用[7]。

圖5 采用平均濾波的鎖相環跟蹤過程

4 結束語

時間統一的概念已廣泛應用于包括導彈、航天、衛星等多個領域，根據不同任務的需要，對時間統一的性能提出了不同的要求。地面數字電視單頻網中，由于寬帶傳輸的特點，需要非常精準的絕對時間同步（達到納秒級別），GPS的時鐘源是完全可以用來提供一個參考時鐘，來提高設備的時間同步精度。本文研究的基于GPS時間源，其重要特征是具備長期的頻率穩定度，利用高準確度的標準秒信號，結合高分辨率的時間間隔測量技術，在較短時間內將發射機內部的晶體振蕩器鎖定在了標稱頻率，具備較高的頻率準確度和穩定度。該方法的實現復雜度很低，時間間隔測量和Kal?man濾波都可以在單頻網發射機中的FPGA中完成，因此不會增加設備體積。上述方法簡單易實現，既提高了晶振的穩定度和準確度，也間接提升了單頻網發射機的性能。

[1]楊延冬，呼和，黃艷萍，等.地面數字電視廣播單頻網（SFN）組網關鍵技術與測試方法[J].中國有線電視，2014（8）：374-377.

[2] 張立軍，歸琳，喬艷濤，等.帶波束形成的在單頻網廣播中的信道均衡[J].上海交通大學學報，2004，38（11）：1857-1860.

[3]張秀忠，蔡凡，尹燕.采樣頻率偏移對衛星導航接收機的影響[J].江蘇大學學報：自然科學版，2006，27（2）：155-159.

[4] 柳麗，陳之純，曾元峰.石英晶振老化的建模與模型求解[J].上海航天，2004（31）：1-6.

[5]陳軍，李建文，張成軍，等.白噪聲Kalman濾波模型在GPS單向授時中的應用[J].海洋測繪，2010（1）：29-31.

[6]張向征，樂四海，陶春燕，等.修正Kalman濾波在北斗授時中的應用[J].無線電工程，2012，42（4）：56-58.

[7] 田鳴，王瑞清.基于GPS校準的數字式守時鐘守時算法研究[J].計算機與數字工程，2011（3）：12-16.

Technology on Frequency Lock Applied in Single Frequency Network of Terrestrial Digital TV

CAI Fan1，WANG Dandan1，HE Dazhi2
（1.Guangzhou Haige Communications Group Incorporated Company，Guangzhou 510663，China；2.Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China）

The stability and accuracy of crystal oscillator will affect the demodulation performance of the terrestrial digital television SFN transmitter.With the complex multi-path problem in single frequency network（SFN），the receiving performance of the receiver is affected.Through the comparison with the external satellite frequency standard，crystal oscillator can be calibrated at the beginning stage of the transmitter，so as to ensure each transmitter having the same frequency.The absolute synchronization of all transmitters is realized.The method proposed in this paper can be finished in the transmitter by using the existing device.

SFN；crystal oscillators；frequency aging；calibration

TN965.5

A

?? 雯

2014-08-07

【本文獻信息】蔡凡，王丹丹，何大治.應用于地面數字電視單頻網的時鐘鎖頻技術[J].電視技術，2014，38（18）.

國家自然科學基金項目（11103066）