广播式OFDM系统同步方法的设计与仿真

热点技术广播式OFDM系统同步方法的设计与仿真□孔永锋施伟斌（上海理工大学光电信息与计算机工程学院，上海200093）摘要：以欧洲数字电视地面广播标准DVB-T为研究对象，在对DVB-T系统的信号处理流程进行分析和了解的基础上，仿真了OFDM系统同步算法。提出了一套完整的符号定时同步和载波频率同步策略，以实现系统的性能目标。关键字：OFDMDVB-T符号定时同步载波频率同步OFDM（OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing）即正交频分复用技术，实际上是MCM（Multi-CarrierModulation，多载波调制）的一种。其主要思想是：是将所传输的数据符号并行调制在相互重叠正交的多个子载波上来传输。广播式的OFDM系统主要有数字音频广播(DAB)系统，数字视频广播(DVB)和HDTV地面传播系统等标准，其中DVB-T是研究与应用的重点。在OFDM系统中，同步是其重点与难点之一，DVB-T当然也不例外。因此，对DVB-T同步技术的研究具有重大的理论和实际应用价值。1简化的DVB-T收发模型1.1DVB-T发送信号模型DVB-T系统（2k模式）中OFDM符号的产生如下图1所示。系统中增添了4096-1705=2391个零信号信息在A中去超采样，并且集中在频谱。在B处能观测到这个信号产生的结果和信号载波用T/2作为它的时间周期，载波是离散的时间基带信号。能够用这种信号在基带离散时间区域模拟仿真，但是OFDM的主要缺点出现在连续时间领域；因此，必须提供一个连续的时间信号:第一步是提供一个发射滤波器g(t)；下一步就是执行多元的双边带幅度调制的积分过程，其相应的IFFT的操作过程是：cos2sin2IcQcstuofttftuofttft图1DVB-T发送信号模型1.2DVB-T接收信号模型接收过程其实就是发送的逆过程，如图2所示。由于此仿真没有考虑噪声、信道衰减等因素，所以解调出的波形与发送端一致。2DVB-T中OFDM帧结构DVB-T采用分级调制和多级编码来实现高、低优先级数据的分层广播。在发送端，分离器将复用器输出的码流分为两个独立的MPEG传输流。然后通过各自的扰码器，将数据进行随机化；再经过RS编码器、外交织器、卷积编码器、比特交织器和符号交织器完成信道编码；通过QAM映射将编码后的数据映射到信号的星座点上；经过OFDM帧形成、插入导频和TPS，再通过IFFT进行多载波调制，最后插入保护间隔，最终实现正交频分复用。为抵抗信道干扰，DVB-T标准引入了编码的正交频分复用技术进行多载波调制，其中包括了多级信道编码，本文的讨论重点在于同步系统部分，在此仅讨论数据流的星座图以及DVB-T的OFDM帧结构。图2DVB-T接收信号模型2.1星座图映射DVB-T系统的一个OFDM帧中，所有数据载波是使用格雷码映射的QPSK，16QAM，64QAM，非均匀16QAM或者非均匀64QAM。在不同的调制模式下，有不同的传输效率，但误比特率(BER)也相应提高，在实际运行的系统中要结合架设的发射机的位置及其所处位置的障碍物情况选择合适的调制模式，以期达到最佳的传输效果。2.2帧结构DVB-T的OFDM信号帧在时域和频域都采用了保护措施，以辅助完成定时同步、频率同步以及避免符号间串扰(ISI)、载波间干扰(ICI)。其中在时域保护间隔采用了循环前缀的技术，主要用于避免ISI以及完成定时同步。而频域保护采用了在特定位置插入功率提升(Boosted)的连续导频(Continua1Pilots,CP)、散布导频(ScatteredPilots,SP)和传输参数信号(TransmissionParameterSignaling,TPS)用于辅助完成频率同步、采样钟同步以及信道估计与均衡，另外在子载波中插入一段空子载波(ZeroPad)用于构成频域保护间隔带避免邻道干扰。DVB-T中的OFDM符号采用分帧传输方式，包含68个OFDM符号，每4帧构成一个超帧。每个符号由K=6817(8K模式)或K=1705(2K模式)个载波组成持续发射。3DVB-T同步算法模块设计本文设计出如下同步方案：在接收端，从天线接收下来的数据经高频头变成中频模拟信号，中频放大后经A/D变换为数字信号，A/D转换后的数据，一路用作AGC检测，控制中放的输出，另一路完成从中频信号到基带信号的转换，基带信号在时间同步和载波同步的控制下进行时间和载波的恢复。首先利用时域插入的保护间隔冗余信息进行符号粗同步及小数频偏联合估计。估计出的同步起始位置粗略确定FFT数据变换窗位置。数据经FFT解调后，由频域插入的连续导频(continualpilot)，完成整数频偏的估计。TPS解码后，获得OFDM帧号，利用分散导频(scatteredpilot)进行符号精同步及采样钟联合同步。符号精同步估计FFT窗起始位置与实际同步头位置的偏差，或是多径信道传输时，多条路径功率重心位置的偏差，这个偏差值将反馈到前端与符号粗同步共同完成FFT窗的精确定位。采样钟同步值将调节压控振荡器的输出。3.1符号定时同步（图3）3.1.1同步捕获以FFT模块为界，对OFDM传输系统接收端的符号粗、精同步分别实现。首先对输入的10bit宽的时域基带信号进行相关运算，实际仅抽取信号的高4bit运算就可以满足估计精度要求。在粗符号同步的捕获期，先在长度为2N+Ng的滑窗内，检测相距为N长度为保护间隔Ng的数据段的相关运算峰值，确定峰值间的距离L，继而判别下一相距L点处的相关值是否超过预设门限值。门限结合AGC控制后的采样数据能量给出，它使捕获到的粗符号位置落入保护间隔内。连续3次检测相关值超过门限，认为粗同步位置基本稳定，用估计值定位FFT窗位置。图3符号同步实现框图精同步则要在频率同步完成，获取TPS解码的帧信息后进行。首先需要抽取频域的分散导频信号，分散导频是隔12个子载波均匀分布的，每4个OFDM符号产生循环。运算得到信道冲激响应的多径时延位置，能准确估计符号同步偏差。稳定后的精同步值将与初同步联合调整FFT窗位置。3.1.2同步跟踪跟踪调整时，对相邻的OFDM符号估计出的同步误差值进行缓存和平滑处理，运算出的值若为零则不响应当前估计值，而顺序移动窗口内的值，补入最新估计值。若不为零则将该值反馈到时域联合调整FFT窗位置，并置零窗内的值，进行新的平滑处理。窗长选择根据信道变化快慢确定。3.2载波频率同步（图4）3.2.1同步捕获图4频率同步实现框图仍以FFT模块为界，对OFDM系统接收端载波频偏进行估计和校正。粗符号同步进入稳定状态后，由检测到的同步位置计算频偏引起的相位偏转，估计出0.5子载波间隔内的小数频率偏移值。整数频偏估计在频域完成，首先需要缓存上一个OFDM符号的数据，并且使子载波间隔归一化，抽取相应连续导频位置上的值作符号间相关运算，求取实部和最大的偏移量，即为整数频率偏移量。3.2.2同步跟踪跟踪时采用环路滤波处理，若当前小数频偏估计值超过1%子载波间隔，将其除以系数K再反馈调整，以避免突发噪声或深度衰落导致的不稳定。环路对于分数频偏使用累积求和、逐步调整的方法，而对于整数频偏则对若干符号的估计值作均值平滑处理，并一同反馈至时域校正。在慢衰落多径信道，由于OFDM符号在时间轴上被扩散，用于估计运算的保护间隔信号受到前一个符号干扰，相关性能下降。我们在小数频偏估计进入锁定态后，对若干个连续符号的估计值求平均，并结合FFT后精确的符号同步位置，收缩相关运算的数据长度，尽量选用最大多径时延扩展以外的那部分数据作相位旋转估计。4同步方案和仿真结果DVB-T标准中给出两种多径信道模型F1(用于固定接收)和P1(用于便携接收)，对这两种信道模型下2K(1705)模式的传输系统进行同步性能仿真。表1所示为不同信道系统同步仿真结果。图5为在AWGN信道下的BER图，从图中可明显看出，应用了本同步方案之后，BER(误比特率)有很明显的下降。表12k模式同步仿真结果仿真结果调制方式（64-QAM）码率（3/4）GI选择（1/32）信道类型正确同步最低SNR维特比译码后BER/SNR(dB)同步速度（符号数/门限系数）AWGN3.1dB9.07E-05/18.521/0.71.52E-04/18.22.30E-04/18.0Ricean3.6dB8.84E-05/19.422/0.62.86E-04/19.02.29E-04/18.6Rayleigh5.1dB3.65E-04/41.925/0.53.91E-04/41.74.53E-04/41.5图5AWGN信道下的BER图从仿真结果来看，同步算法在不同信道中均能很好地实现正确同步，达到标准要求的系统同步最低SNR，且有较为稳定的同步收敛速度。从系统维特比译码后的误码率测试来看，AWGN和Ricean信道很好地达到系统同步要求。5总结本文从分析各种偏差的影响出发，建立了一个完整的DVB-T接收系统的模型，并且结合DVB-T协议中帧结构的特点，结合一些同步算法，提出一套完整的同步策略，并给出了接收机的性能仿真结果。结果表明，该方案性能可靠、稳健性好，而且，由于融入了模块化的设计思想，易于实现。参考文献[1]张海滨.正交频分复用的基本原理与关键技术.北京:国防工业出版社,2006.[2]佟学俭,罗涛.OFDM移动通信技术原理与应用.北京:人民邮电出版社,2003.[3]汪裕民.OFDM关键技术与应用.北京:机械工业出版社,2006.[4]王文博,郑侃.宽度无线通信OFDM技术.北京,人民邮电出版社,2007.作者简介：孔永锋，上海理工大学光电信息与计算机工程学院，网络传输与加密方向研究生。