地面數字電視符號與載波同步的FPGA實(shí)現

　　1 引言

　　中國于2006年8月頒布了數字電視的地面廣播標準GB20600-2006，成為繼美國ATSC、歐洲DVB-T、日本ISDB-T之后又一重要的地面數字電視廣播的國家標準。GB20600-2006中對中國數字電視地面傳輸(DigitalTerrestrial Television Broadcasting，DTTB)系統傳輸的幀結構、信道編碼和調制作了具體的規定。其中幀結構的基本單元——信號幀采用了循環(huán)擴展的時(shí)域幀頭結構，即在每3780個(gè)符號的幀體前加入一定長(cháng)度的經(jīng)循環(huán)擴展后的偽隨機序列作為幀頭，為系統提供同步和信道估計。本文提出一種接收機同步算法的實(shí)現結構，利用已知的時(shí)域幀頭，聯(lián)合進(jìn)行幀同步和載波同步，減少了載波偏差對符號同步的干擾。同時(shí)對該結構進(jìn)行了FPGA實(shí)現，以驗證其可行性和復雜度。

　　2 系統模型及基本算法介紹

　　2.1 國標系統的信號幀結構

　　國標系統的數據幀是一種4層結構，其中的信號幀是系統幀結構的基本單元。如圖1所示，它包含幀體和幀頭2個(gè)部分。幀體部分有3 780個(gè)符號，持續時(shí)間為500μs，包含了傳送的數據符號和一些系統信息。幀頭為m偽隨機序列(PN序列)，長(cháng)度視系統采用的幀頭模式而定。幀頭的序列相對于接收端是已知的，因此可以用來(lái)實(shí)現接收機的同步和信道估計等算法。

　　幀頭部分的長(cháng)度和內容在不同模式下有不同的規定，但總體結構是相似的。這里僅例舉模式1說(shuō)明幀頭的結構。在模式1中，幀頭長(cháng)度是420個(gè)符號，由一個(gè)83個(gè)符號長(cháng)度的前同步段、一個(gè)PN255序列和一個(gè)82個(gè)符號長(cháng)度的后同步段構成，前同步段和后同步段定義為PN255序列的循環(huán)擴展。

　　2.2 針對時(shí)域幀頭的常用同步算法

　　2.2.1 符號同步算法

　　在已知的PN序列作為幀頭的系統中，常用的符號同步算法是將接收信號與本地PN序列時(shí)域相關(guān)，然后在相關(guān)的結果中尋找峰值。具體的實(shí)現結構見(jiàn)圖2。

　　由于國標系統的幀頭具有循環(huán)擴展結構，在存在多徑信道環(huán)境的情況下，幀頭信號與本地PN序列滑動(dòng)相關(guān)的結果近似為信道的數字域等效的沖激響應。因此可以根據預先制定的規則，選擇其中的一條多徑作為開(kāi)窗位置的參考徑。通常的做法是針對相關(guān)結果給定一個(gè)門(mén)限，相關(guān)值超過(guò)門(mén)限的第一條多徑作為開(kāi)窗起始位置的參考徑。此做法的好處是可把能量較大的徑的信號包含在開(kāi)窗范圍內，減少符號間干擾(ISI)，同時(shí)又能夠忽略掉一些能量較小的前徑。

　　2.2.2 載波一般估計和精細估計算法

　　在圖3所示的國標系統的幀頭中，PN序列的前后端分別加入了循環(huán)擴展。即每幀幀頭的第83～165個(gè)符號的區域A，與第338～420個(gè)符號的區域B發(fā)送的是相同的信號，同步模塊可利用這一循環(huán)結構估計載波頻偏。

　　假設接收信號為

　　式中：l表示第l幀的符號;n表示幀內的第n個(gè)符號;s是發(fā)端信號;△F是歸一化載波頻率誤差;N表示一幀的幀體符號數;Ns表示一幀的符號數。

　　A段幀頭符號和B段幀頭符號做互相關(guān)得

　　取共軛運算?；ハ嚓P(guān)的結果Rmiddle經(jīng)過(guò)取角度運算，即可提取出載波頻率誤差△F。

　　同樣，精細估計部分利用前后相鄰兩幀的幀頭做互相關(guān)，得到

　　式中：LEN表示相關(guān)窗的寬度;Ns=4 200。

　　2.3 傳統符號同步和載波同步算法的局限性

　　傳統符號同步方法主要利用了PN序列良好的自相關(guān)特性，本地PN序列與幀頭相關(guān)后會(huì )得到一個(gè)尖銳的相關(guān)峰，可以根據這一相關(guān)峰的位置來(lái)定位幀頭。但當接收信號存在較大的載波偏差時(shí)，PN序列的自相關(guān)特性會(huì )遭到破壞，相關(guān)峰的幅度衰落。載波偏差越大，相關(guān)峰的幅度衰落越明顯，因此較大的載波偏差可能導致同步模塊無(wú)法精確地定位幀頭位置。

　　對于載波同步模塊，由公式(2)可見(jiàn)，為得到唯一歸一化載波偏差估計