新一代地面數字電視系統中的前導符號設計

劉菁菁，張 超，潘長勇

（清華大學 電子工程系 清華信息科學與技術國家實驗室，北京 100084）

新一代地面數字電視系統中的前導符號設計

劉菁菁，張 超，潘長勇

（清華大學 電子工程系 清華信息科學與技術國家實驗室，北京 100084）

新一代地面數字電視廣播（DTTB）系統需要快速穩健的系統同步和對多種工作模式的自適應支持與可靠識別。針對新一代DTTB系統中的符號定時同步和載波同步問題，介紹了利用正交頻分復用（OFDM）前導實現同步方法的發展，詳細分析了歐洲第二代地面數字電視標準（DVB-T2）與中國的地面數字電視廣播傳輸演進系統（DTMB-A）中前導結構的設計，論述了兩種前導符號的特點，并仿真分析比較了兩種結構的同步檢測方法與性能。

【本文獻信息】劉菁菁，張超，潘長勇.新一代地面數字電視系統中的前導符號設計[J].電視技術，2015，39（2）.

新一代地面數字電視廣播；正交頻分復用；前導符號；定時同步；載波估計

正交頻分復用（OFDM）作為一種高效的多載波通信技術在寬帶無線傳輸中被廣泛使用，如數字電視廣播、無線局域網（WLAN）、3GPP長期演進計劃（3GPP LTE）等。雖然OFDM具有頻譜效率高、可有效抵抗多徑信道等諸多優點，但是它對系統的同步要求很高。而地面數字電視廣播系統（DTTB）由于信號傳輸環境復雜多變，對OFDM系統接收機的同步參數檢測提出了更高的要求。

針對OFDM中的同步算法，Moose通過研究發現，要想信噪比高于20 dB，系統載波頻偏需要小于相鄰子載波間隔的4%[1]。而在實際傳輸中，本地振蕩器的頻率不穩定、采樣時鐘的頻率漂移、多普勒效應等都會造成一定的頻偏，從而增加了系統同步的難度。為了實現快速參數同步，歐洲第二代DTTB系統（DVB-T2）中采用了P1符號來完成信號的檢測與參數初始同步，而我國地面數字電視演進系統（DTMB-A）則采用了特殊設計的基于頻域距離檢測的前導符號來完成參數同步與信令傳輸。

1 OFDM同步技術的發展

針對OFDM系統的同步技術，1980年，Peled和Ruiz提出循環前綴和循環后綴來抵抗多徑、保持載波正交性和消除符號間干擾[2]。1997年，Beek和Sandell給出了利用循環前綴進行符號定時和載波頻偏的最大似然估計算法[3]，雖然該方法可以在不增加開銷的基礎上實現系統同步，但是它也存在頻偏估計范圍窄、同步速度較慢的問題。

為了實現快速同步，人們提出了犧牲部分帶寬，在OFDM系統中增加一段前導序列的方法。1994年，Moose在文獻[1]中給出了利用頻域兩個重復的OFDM符號計算載波頻偏的最大似然算法，為前導結構的設計奠定了基礎。1997年，Schmidl and Cox在文獻[4]中提出了包含兩個OFDM符號的前導結構，并利用了頻域PN序列。Schmidl and Cox提出的算法計算簡單、頻偏估計范圍大，但是它在定時同步上存在一定的平臺期，即峰值會持續一段較長的時間，造成定時偏差。

隨后，Minn提出了兩種改進方法[5]，但是也相應地引入了多個相關峰。Liu在文獻[6]中改進了Minn提出的攜帶了系統的信令前導結構，在增加計算復雜度的前提下提高了符號定時同步的精度，擴展了前導的功能。

2 DVB-T2的P1符號結構與同步算法

2.1 DVB-T2超幀結構

DVB-T2中傳輸流是由超幀組成，一個超幀是由T2幀和未來擴展幀（FEF）構成，而T2幀則由P1、P2和數據符號構成[7]。P1符號相當于T2幀的前導，用來進行信號捕獲、同步以及系統傳輸參數信令的傳遞，DVB-T2的信號幀結構如圖1所示。

圖1 DVB-T2的信號幀結構

2.2 DVB-T2P1符號結構

DVB-T2中，P1符號為[C A B]的結構，“A”為OFDM符號，采用1 024個子載波，“C”和“B”長度分別為542和482，是“A”的時域數據經頻移后生成的，其數學表達式為

式中：P1A（n）為長度為1 024的OFDM符號“A”的時域信號。

在這1 024個子載波中有384個有效子載波，其中128個子載波為S1信令，可取8組不同的值，攜帶3 bit信令。另外256個子載波為S2信令，可取16組不同的值，攜帶4 bit信令。這24組序列彼此正交，即滿足δ函數的自相關特性和幾乎為0的互相關特性。P1符號生成的流程圖以及其結構如圖2所示。

2.3 DVB-T2中P1的同步算法

假設接收到的數據為x（n），P1符號的檢測算法流程圖如圖3所示，其目的是檢測P1符號的存在、提供粗定時同步和修正小數倍頻偏[8]。預設一個閾值，當P1檢測輸出大于閾值時，就認為P1符號存在。假設P1檢測的輸出為y（n），則小數倍頻偏估計算法為

圖2 P1符號的生成流程圖以及P1的結構

式中：fs為基準符號速率；angle（·）為求輻角函數；max（·）為求最大值函數。

圖3 P1符號的檢測流程圖

修正小數倍頻偏后，提取出P1中的“A”部分z（n），經過1 024點FFT變換后得到Z（k）。為了消除單頻干擾等頻域干擾脈沖對信令檢測的影響，預設一個頻域閾值M，當|Z（k）|＞M時令Z（k）=0，從而消除頻域強脈沖。

假設384個有效子載波的位置為CDS（n）（0≤n＜384），則可根據功率檢測法確定整數倍頻偏，其算法為

之后，提取出信令部分有效子載波S（n）=Z[I+CDS（n）]（0≤n＜384），解擾后與本地的8組S1序列和16組S2序列分別進行相關，求使相關值最大的S1和S2序列，從而確定系統的傳輸參數信令。

3 DTMB-A的前導符號與同步算法

3.1 DTMB-A幀結構

DTMB-A系統中傳輸流由復幀構成，一個復幀由復幀同步信號、控制幀和數據幀構成，復幀同步信號即為復幀的前導符號，用來進行傳輸流檢測、系統同步和信令的傳遞?？刂茙蛿祿加尚盘枎瑯嫵?。DTMB-A系統幀結構如圖4所示。

圖4 DTMB-A系統幀結構

3.2 DTM B-A前導結構

圖5 DTMB-A中前導符號結構

本文將所有數據分成建模期(1997—2012年)和獨立檢驗期(2013—2015年)。利用建模期吉林省春夏地面常規氣象要素日值建立SOM統計分析模型,即建立天氣模態與逐日降水之間的關系,再將獨立檢驗期吉林省春夏地面常規氣象要素日值映射到所建立的天氣模態與逐日降水之間的關系中,利用蒙特卡羅模擬逐日降水量。

式中：0≤l＜255。對于l=0，定義a（-1）=1。

3.3 DTM B-A前導符號同步算法

DTMB-A中前導符號的檢測同樣基于自相關檢測方法，其檢測算法結構與圖2所示結構類似，與DVB-T2檢測結構相比區別在于，DTMB-A中的兩個延時單元的延時長度均為512個時域采樣符號，兩個移動平均單元的累加長度同樣均為512個符號。自相關輸出結果與預先設定的閾值相比較，當自相關輸出信號的模大于此閾值時，就認為前導符號存在，并根據最大模值所對應的自相關信號的輻角求小數倍頻偏。

DTMB-A前導符號中整數倍頻偏估計和信令檢測算法流程如圖6所示。

圖6 DTMB-A前導符號信令檢測方法

式中：“*”表示復數共軛運算；mod（·）表示取模函數。

與本地PN進行相關之后，由于OFDM信令符號頻域由兩段PN序列構成，因此相關信號R（k）中將存在2個明顯的相關峰。令兩個相關峰的位置分別為pos1和pos2，則解調出的信令信息可表示為

4 性能對比

4.1 計算復雜度分析

為了比較兩種前導符號的接收復雜度，以檢測方法所需要的復數乘法和加法的次數作為衡量指標進行對比分析。

DVB-T2中P1符號的檢測所需的復乘數包括：頻移修正的1 024點復乘，“C”、“B”分別與“A”的對應點相乘的2 048次復乘，以及兩部分乘累加結果對應點相乘的1 024次復乘；DT?MB-A的前導符號檢測所需的復乘數包括1 024點重復的“B”部分的對應點復乘和1 024點的乘累加結果的對應點乘。

對于整數倍頻偏估計和信令檢測模塊，DVB-T2需要1 024點復乘求1 024個子載波的能量，同時需要計算1 024組長度為384的累加計算有效子載波的能量和，從而確定有效子載波的分布位置和整數倍頻偏；提取出有效子載波后，需要進行384點復乘來進行差分解碼，需要16組長度為256和8組長度為128的累加來檢測S1、S2信令。而DTMB-A則需要1 024次復乘計算子載波能量，需要1 024次復乘進行DBPSK解調，需要計算1 024組長度為256的累加來計算頻域符號與本地PN序列相關的結果，從而確定PN序列的位置并計算整數倍頻偏。

兩種前導符號的計算復雜度對比如表1所示。

表1 DVB-T2和DTMB-A前導的同步復雜度分析

4.2 信令檢測性能

根據文獻[9]，在高斯信道（AWGN）中，DTMB-A的相關結果R（k）的實部滿足分布

R（k）的虛部滿足分布N(0,σ2R)。R（k）的兩個峰值滿足相同的萊斯分布

式中：I0(·)為修正的0階第一類貝塞爾函數。非R（k）的兩個峰值處滿足瑞利分布

由此可以得到ΔL的錯檢概率為

式中：

DVB-T2和DTMB-A的信令檢測性能如圖7所示。

圖7仿真的是高斯信道下DVB-T2與DTMB-A的信令檢測性能，并給出了利用數值計算得到的信令檢測的理論極限。由圖7可知，實際系統由于定時偏差以及小數倍頻偏的存在，其性能比理論極限低0.4 dB左右。另外，仿真結果表明DTMB-A中前導的誤信令率與DVB-T2的S1誤信令率基本相當，優于S2的誤信令率約0.5 dB。

圖7 DVB-T2和DTMB-A在高斯信道（AWGN）中誤信令率對比

5 小結

本文針對新一代地面數字電視系統中的同步技術，分析了基于OFDM傳輸方式的同步方法，詳細對比分析了歐洲第二代地面數字電視標準（DVB-T2）與中國數字電視地面廣播傳輸演進系統（DTMB-A）中前導符號的結構設計與同步算法。論文分析了兩種前導符號的結構特點，給出了兩種結構的同步檢測方法，分析了兩種結構的接收機同步與信令檢測的計算復雜度，論述了信令檢測的理論性能，并通過計算機仿真進行了性能對比分析。分析和仿真結果表明，DTMB-A前導符號的同步算法所需的相關模塊數顯著少于DVB-T2的P1符號，計算復雜度低于DVB-T2的P1符號。而在誤信令率上，DTMB-A的信令檢測性能與DVB-T2的S1信令相當，且明顯優于DVB-T2的S2信令。

[1] MOOSE P H.A technique for orthogonal frequency division multi?plexing frequency offset correction[J].IEEE Trans.Communica?tions，1994，42（10）：2908-2914.

[2]PELED A，RUIZ A.Frequency domain data transmission using re?duced computational complexity algorithms[C]//Proc.IEEE Interna?tional Conference on ICASSP.[S.l.]：IEEE Press，1980：964-967.

[3]VAN DE BEEK J-J，SANDELL M，BORJESSON P O.ML esti?mation of time and frequency offset in OFDM systems[J].IEEE Trans.Signal Processing，1997，45（7）：1800-1805.

[4]SCHMIDL TM，COX D C.Robust frequency and timing synchro?nization for OFDM[J].IEEE Trans.Communications，1997，45（12）：1613-1621.

[5]MINN H，ZENG M，BHARGAVA V K.On timing offset estima?tion for OFDM systems[J].IEEE Communications Letters，2000，4（7）：242-244.

[6]LIU S，YANG F，SONG J，et al.OFDM preamble design for syn?chronization under narrowband interference[C]//Proc.2013 17th IEEE International Symposium on Power Line Communications and Its Applications（ISPLC）.[S.l.]：IEEE Press，2013：252-257.

[7] ETSIStd.EN 302 755，Digital Video Broadcasting（DVB）；frame structure，channel coding and modulation for a second generation digital terrestrial television broadcasting system（DVB-T2）[S].2012.

[8] ETSIStd.TS 102 831，Digital Video Broadcasting（DVB）；Imple?mentation guidelines for a second generation digital terrestrial tele?vision broadcasting system（DVBT2）[S].2012.

[9] HE L，WANG Z，YANG F，et al.A novel preamble design for OFDM transmission parameter signaling[C]//Proc.IEEE Interna?tional Conference on Communications.[S.l.]：IEEE Press，2011：1-5.

責任編輯：薛 京

Preamble Design of Second Generation DTTB System s

LIU Jingjing,ZHANG Chao,PAN Changyong
（Tsinghua National Laboratory of Information Science and Technology,Department of Electronic Engineering,Tsinghua University,Beijing 100084,China）

The second generation digital terrestrial television broadcasting(DTTB)systems should support fast and robust system synchronization and have the reliable detection ability of multiple working service modes.In this paper, the preamble design used in the second generation DTTB systems based on OFDM technology is analyzed.The preamble structure adopted in European DVB-T2 standard and Chinese DTMB-A systems are detailed introduced.Simulation results of these two preambles are also provided for the performance comparison.

the second generation DTTB;OFDM;preamble;time synchronization;carrier frequency estimation

TN92

A

10.16280/j.videoe.2015.02.001

2014-05-14

中國電力科學研究院項目（20142000191）；國家自然科學基金項目（61321061）