地面数字电视载波恢复的设计与实现

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1、精品论文地面数字电视载波恢复的设计与实现康亮，杨波，沈萌 北京邮电大学通信与信息系统学院，北京 (100876) E-mail：klion717摘要：我国地面数字电视广播传输标准采用时域同步正交频分复用（TDS-OFDM）调制 技术，该系统对载波频偏相当敏感。为了正确实现相干解调，接收机必须准确恢复出发送端的载波频率。本文在此基础上提出了一种适用于地面数字电视国标系统的载波恢复实现结 构。该结构充分利用了国标系统帧结构的特点，首先通过频点搜索，补偿较大的频偏，然后利用帧头 PN 段与其延时段之间的互相关操作，在时域完成载波恢复，并通过闭环反馈控制 结构，有效跟踪载波频偏的变化。仿真表明，该方法

2、具有大范围频偏捕获与细频偏跟踪的能力。FPGA 平台的实现结果表明，该结构资源占用少，估计精度高，完全能够满足接收机载 波恢复的需要。关键词：地面数字电视广播；载波恢复；FPGA中图分类号：TN9111.引 言数字电视从 80 年代末研制到现在只有短短十几年的时间，但发展速度非常迅速。经过 这些年坚持不懈的研究和发展，地面数字电视广播(DTTB)已经取得了很多的成果。目前， 世界上主要有三种 DTTB 传输标准：美国高级电视系统委员会研发的格形编码的八电平残 留边带(Trellis-Coded 8-Level Vestigial Side-Band, 8-VSB)调制系统1，欧洲数字视频地面广

3、播 标准采用的编码正交频分复用(Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing, COFDM) 调制 2 以及日本地面综 合业务数字广播采用的 频带分段传输 (Bandwidth Segmented Transmission, BST)正交频分复用 OFDM3。我国也提出了自己的地面数字电视广播国家标 准4。该标准采用 TDS-OFDM 技术，由于载波频偏对多载波系统帧同步、定时恢复的影响 很大，为了正确实现相干解调，接收机必须准确恢复出发送端的载波频率。本文利用已知的 时域帧头信号，提出一种内接收机载波恢复的实现结构，该结构能有效估计出较大范

4、围的频 偏。同时对该结构进行了 FPGA 实现，以验证其可行性和复杂度。2.系统介绍中国地面数字电视广播的国家标准1采用了 TDS-OFDM 技术，其特点是用伪随机序列 作同步头，在每个 OFDM 保护间隔内周期性插入时域正交编码的伪随机序列, 用来进行同 步及信道估计。该系统数据传输的最基本单位为信号帧，由帧头和帧体组成。在模式 1 中， 帧头长度为 420 个符号, 由一段 82 个符号的前同步缓冲段、一段 PN255 序列和一段 83 个 符号的后同步缓冲段构成，前同步段和后同步段定义为 PN255 序列的循环扩展。帧体有 3780 个符号，由数据和系统信息两部分组成。对应于每个超帧中的

5、 225 个信号帧，每个信号帧的 帧头采用不同初始相位的 PN420 信号作为信号帧识别符。2.1 载波恢复总体结构本文提出的载波恢复实现框图如图 1 所示，将载波恢复分为三个阶段：频点搜索阶段， 粗频偏估计阶段，精频偏估计阶段。- 5 -图 1 载波恢复的整体实现框图2.2 频点搜索阶段在 TDS-OFDM 系统中，帧头 PN 与帧体数据 OFDM 块是时分正交复用的。频偏估计是 利用帧头 PN 序列进行的，无法用 OFDM 符号进行。因此频偏估计之前必须先确定接收数 据的帧头位置，而对于接收端来说，确定帧头位置的前提是检测到相关峰。假 设存 在频率 偏移 f，符 合周 期为 T ，接 收端

6、收 到的 同步 头信号 可表示为 r(k) = c(k) exp( j2fkT) 。则接收信号与本地 PN 的滑动相关输出为：R ( n ) = 1MM 1k = 0r ( k + n ) c ( k )（1）当滑至两个 PN 序列对齐时，出现相关峰（假设为 m 时刻），则此时的相关模值为：1 M 1 R ( m ) = r ( k + m ) c ( k )Mk = 01 M 1 s i n ( fM T )M= c ( k + m ) c ( k )k = 0si n ( fT )（2）其中 c (k ) 表示对 c(k ) 取共轭，M 取 255。图 2 显示了对应不同的归一化频偏 fT

7、 时的相关模值。可见载波频偏带来的不仅是相关峰值衰减，而且会导致旁瓣干扰过高。因此较大的载波偏差可能导致无法检测到相关峰，从而使同步模块无法精确地定位帧头位置。所以为了保证接收系统的频偏适应能力，需要在 帧同步之前估计并补偿掉较大的载波频率偏差。同时，为了避免旁瓣干扰导致相关峰的误判， 相关峰门限的选择应该大于旁瓣高度。接收数据与本地PN相关输出10.90.80.7归一化相关模值0.60.50.40.30.20.10-0.02 -0.015 -0.01 -0.00500.005 0.01 0.015 0.02归一化频率偏差图 2 不同归一化频偏时的相关模值频点搜索的目的就是控制数字振荡器（NC

8、O）的中心频率 f0 ，使得恢复数据的频率偏差小于一定的范围，从而能顺利地检测到相关峰。假设相关峰门限所允许的频偏为 f 0 ，即频偏在 ff 范围内时，总存在相关模值大于门限的点，从而检测到相关峰。选取搜索的0 0频点分别为 f0 + k 0.8f0 ，k = 0,1,.N ，则经过频点搜索之后，总能使频偏小于 0.8f0 ，从而检测到相关峰，进而确定帧头位置。2.3 粗频偏估计阶段经过频点搜索之后，一旦检测到相关峰，则立即进入粗频偏估计阶段。假设同步之后的恢复数据为 r(k) = c(k)exp( j2fkT) ，任选两段延时为 L 的 PN 段，则由于帧头 PN 是采用 BPSK调制的，

9、参照文献5-7有：MR(L) = r(k + L) r (k)2k=1M=(c(k + L)c (k)2 exp( j4fLT)k=1（3）可得频偏估计为： f= arg( R ( L) 4 LT ，其中 arg( R( L) 是对 R( L) 取相角运算。由于arg( R ( L ) ，所以该算法的频偏估计范围为： f 1 4 LT 。粗频偏估计的估计范围必须大于频点搜索之后的剩余频偏才能保证估计的有效性，因此L 不能过大。而且若延时 L 过大则会造成延时段 r ( k + L ) 中的后段部分数据是 OFDM 信号，从而影响估计的准确性。综合考虑之后，将粗频偏估计分为两个阶段：第一阶段，取

10、 L1=10，此时的频偏估计范围为 f 1/ 40T 。由于频点搜索之后的频偏将不大于该值，因此该算法能有效估计出剩余频偏；第二阶段，取 L2=80，估计范围为 f高、抖动较小。粗估计所用 PN 段的选取如图 4 所示。图 4 粗频偏估计 PN 段选取 1/ 320T ，估计的准确性较2.4 精频偏估计阶段载波精频偏估计是在完成定时同步之后进行的，经过前面的粗频偏调整之后，剩余频偏 已经很小了。此时，再利用前后相邻两帧的帧头相关值做互相关，可得精频偏估计。假设同步之后的恢复数据为： r(k ) = c(k ) exp( j2fkT ) ，与对应的本地 PN 相乘之后的输出为：z(k) = r(

11、k)c (k) = c(k) exp( j2fkT ) c (k)2= c(k) exp( j2fkT )利用前后相邻两帧相关值做互相关得到：（5）M 1M 1R ( L ) = ( z ( k ) ) ( z ( k + L ) ) （6）其中：M 1A = k = 02c( k )M 1 k = 0k = 0= A 2c( k + L )k = 0si n 2 ( fM T )si n 2 ( fT )。e x p ( j 2 f L T )可得频偏估计为： f= arg( R ( L ) 2 L T 。由于相邻两帧的距离 L=4200，因此频偏估计范围为 f 1 8400 T 。M 1M

12、 1由于 z (k ) 、 z ( k + L ) 分别为上帧和本帧相关峰的相关值输出，因此该算法实现复杂k = 0k = 0度较小。但是该算法的估计范围较小，跟踪性能好，能有效地锁定剩余频偏。 当剩余频偏在一个相对较小的范围内时或粗同步几十帧之后,可以认为系统达到了细同步。此时控制模块将转为精频偏估计模式，粗/精频偏估计选择信号将置为高电平，在该状态下，当检测到相关峰时，将此时的相关值送入精频偏估计模块，相邻两帧相关值共轭相乘 即可。精估计的范围比粗估计小, 但是精度高于粗估计, 因此可用来最终跟踪载波频偏。2.5 频偏计算与环路设计前面介绍了 R( L) 的计算过程，而取角度运算 arg(

13、 R( L) 是利用 CORDIC 算法实现的， 其迭代方程：i +1 i i i x = x y d 2 i i（7） yi +1 = yi + xi d i 2 i其中di+1, yi < 0= 1, else zi +1 = z i d i arctan( 2 )N 1由于 arg( R( L) 的范围是 ,而总的旋转角度arctan(2 n ) 约为99.883° 99.883° ，不能覆n=0盖到所有的可能取值范围。因此，为保证计算正确性，先对输入数据进行 90 度或-90 的旋转。假设 R( L) = x+ jy，按下式对输入数据进行预处理操作：00 y

14、00 x 0 = y 0 = x其中， + 1, =y 0 < 0 z 0 =z 0 / 2 （8） 1,e l s e3.仿真结果对本文提出的频偏估计、频偏计算和环路控制模块通过 FPGA 实现并用 Quartus II 7.1软件进行了仿真和综合,资源的占用情况如表 1,其中输入数据为 18bit。表 1 频偏估计模块 FPGA 综合资源占用情况Combinational ALUTs993Dedicated logic registers949Total block memory bits12508DSP block 9-bit elements22算法中乘法运算较多，占用了不少的

15、DSP 块，可通过复用粗精估计中的乘法器以达到节省一定 DSP 块的目的，但这样会增加控制的复杂度从而导致其它资源的增加。考虑到 FPGA 中 DSP 块较多，本设计中没有采用复用的方法。由于算法简单, 而且对数据的处理速 度要求不高, 因此该模块具有占用资源少、运行频率高等优点, 完全满足国标系统载波恢复 的设计要求。参考文献1 ATSC Standard. A/53. ATSC digital television standardS. USA: ATSC. 1995-9.2 ETSI. 300 744. Digital broadcasting systems for televisio

16、n, sound and data services; framing structure, channel coding and modulation for digital terrestrial televisionS. European: ETSI. 1999-1.3 ITU-R. WP 11A/59. Channel coding, frame structure and modulation scheme for terrestrial integrated service digital broadcasting (ISDB-T)S. Japan: ARIB. 1999-5.4

17、中国国家标准化管理委员会，GB20600-2006， “数字电视地面广播传输系统帧结构、信道编码和调制”S，中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，2006.5 Dae-young Kim. Synchronization for all digital receiversJ. 1997.6 H. Meyr, M. Moeneclaey, and S. A. Fechtel. Digital communication receivers: synchronization, channel estimation and signal processingJ. New York: John Wi

18、ley & Sons, 1997.7 王军，“地面数字电视广播的同步和信道估计算法研究”D，博士学位论文，北京，清华大学电子工程系，2003.10Design and Implementation of Carrier Recovery for ChineseDTTB SystemKang Liang, Yang Bo, Xue YuwangBeijing University of Posts and Telecommunications, Beijing（100876）AbstractTime-domain synchronous orthogonal frequency divi

19、sion multiplexing (TDS-OFDM) modulationtechnology is used in Chinese standard of digital television terrestrial broadcasting,which is sensitive to the carrier frequency offset.In order to achieve coherent demodulation, the receiver must recover the transmitted carrier frequency accurately.In this pa

20、per,a new carrier recovery implementation structure is proposed for the Chinese DTTB system.By utilizing the frame structure of the system, large frequency offset is compensated by frequency sweeping method firstly, then the residual offset is compensated by the time-domain correlation of the PN and

21、 its delay.The adopted closed-loop feedback control structure also can track carrier frequency offset effectively.The simulation shows that the method can combat large scale frequency offset and track the frequency offset effectively.FPGA implementation result shows that the structure performs well with reasonable resource cost and meets the need of the receiver. Keywords: DTTB; carrier recovery; FPGA