CN101022438A - 兼容dab的数字广播接收机载波同步方法及系统 - Google Patents

Abstract

兼容DAB的数字广播接收机载波同步方法及系统，属于数字信息传输技术的领域。该载波同步分粗频偏校正和频偏跟踪两个阶段完成：(1)粗频偏校正又分为分数频偏校正和整数频偏校正两个步骤，分别校正分数频偏和整数频偏；(2)在数字广播系统获得粗频偏校正后，利用一阶跟踪环路完成载波同步。

Description

兼容DAB的数字广播接收机载波同步方法及系统

技术领域

本发明涉及数字通信系统，特别涉及数字广播MMB、T-DMB、DAB系统正交频分复用接收机的载波同步方法。

背景技术

数字广播系统的接收端和发射端由于本地载波误差等的影响，会存在两者载波之间的频偏，从而影响接收机的接收性能。OFDM技术因其能有效地利用有限的频带，在数字广播系统中被广泛地采用。对于OFDM系统，这种载波间的频偏会引入OFDM子载波之间的干扰，极大地影响系统的性能。有效的载波同步对保证数字广播系统的性能具有重大意义。

发明内容

本发明针对的是MMB/DAB/T-DMB等数字广播系统接收端的载波同步。数字音频广播DAB(Digital Audio Broadcasting)标准是上个世纪90年代国际标准化组织(ISO)制定的用于数字音频广播的国际标准，地面数字多媒体广播T-DMB(TerrestrialDigital Multimedia Broadcasting)标准是韩国在DAB的基础上、通过引入更高效率的编码而形成的，移动多媒体广播MMB(Mobile Multimedia Broadcasting)则是中国在DAB和T-DMB标准的基础上，通过加入高阶调制和低密度校验(LDFC)码而实现的一种新的数字多媒体广播标准，其优点是：可以兼容DAB和T-DMB，从而降低了系统投入商用的成本；较之DAB、T-DMB，它具有更高的频谱效率，从而意味着更大的信息流量。MMB/DAB/T-DMB系统的共同特点是：均采用OFDM调制方式、且OFDM符号均采用循环前缀的结构；均采用差分调制和解调。

在OFDM系统中，可利用循环前缀、时域伪随机序列和频域导频等方法来进行频偏估计。OFDM系统常采用循环前缀来保证其各个子载波之间的正交性，由于该循环前缀是在时间上对一个OFDM符号尾部一定长的传输数据的重复，因此可用来进行载波频偏的估计。但循环前缀与其母数据之间间隔较长，其频偏估计的最大范围是1/2子载波频率间隔，因此，一般只能用于载波频偏的细估计。载波频偏估计也可以通过时域重复序列的方法来实现，为了处理上的方便，该类重复序列通常采用伪随机序列。在无线局域网标准IEEE802.11中，载波频偏即是通过多个相连的伪随机序列来进行估计的，而在中国自主提出的地面数字多媒体广播(DMB-T)方案中，OFDM系统不采用通常的循环前缀结构，而是在循环前缀的位置插入重复的伪随机序列，系统的频偏估计即可通过该伪随机序列来实现。频域导频的方法则用于采用相干解调的OFDM系统，由于一个OFDM符号内特定位置的源符号序列是接收端已知的，通过将接收到的对应序列与该源序列作相关可实现接收端的频偏估计。

MMB/DAB/T-DMB系统采用OFDM调制和差分调制，它们在时域没有特定的伪随机序列结构，在频域也不存在频域导频，因此，不能采用时域伪随机序列和频域导频的方法来进行频偏估计。但系统为了实现差分调制和解调在每个数据帧中都提供了一个相位参考符号，该相位参考符号可用于频偏估计。另外，MMB/DAB/T-DMB系统OFDM符号的传输采用了循环前缀的结构，也可用于载波频偏的细估计。

在MMB/DAB/T-DMB系统中，其一个帧的数据均由一个空符号、一个相位参考符号和由模式不同而确定的若干个快速信息信道符号、若干个数据符号所组成。空符号用于接收机的帧同步，相位参考符号则为对随后数据的差分相位调制和解调提供一个相位基准。由于相位参考符号的信息是接收端已知的，因此可用作载波同步。

当用户开机或切换频道时，MMB/DAB/T-DMB系统首先通过捕获空符号来进行帧同步，找到传输帧的大致起始位置，随后即需要利用相位参考符号来进行载波同步。在单频网信道中，由空符号获得的帧起始位置与真实的起始位置通常存在一定的偏差，这意味着接收机的载波频偏估计是在存在符号偏移的情况下进行的(符号偏移的估计和校正通常在载波同步完成后实现)，这就要求系统所采用的载波频偏估计方法对这种符号偏差具有很强的鲁棒性。

本发明针对MMB/DAB/T-DMB等数字广播系统提出了一种用于其载波同步的实现方法及系统。系统由数字电路实现。在该方法中，接收端的载波同步分粗频偏估计和频偏跟踪两部分来完成，当系统获得帧同步之后即启动频偏估计器的粗频偏估计电路，并向其输入一个接收到的相位参考符号。粗频偏估计中的整数频偏估计采用一种对符号偏移鲁棒的方法来实现，从而保证载波同步及系统的性能。频偏估计器完成粗频偏估计后，在输出估计结果的同时通过自动切换电路自动转入到频偏跟踪状态，利用随后的各OFDM符号进行频偏跟踪，直至用户切换频道或者进行系统复位为止。

本发明提出了一种兼容DAB的数字广播接收机的载波同步方法及系统；在该同步系统的整数频偏校正中，提出了一种基于相位参考符号频率响应平滑性来进行整数频偏估计的方法，该方法对接收机完成帧同步之初存在的符号偏移具有很强的鲁棒性；对该同步系统提出了一种由粗频偏估计到频偏跟踪、自动进行功能切换的方法。

该载波同步系统由循环前缀频偏估计、整数频偏估计、频偏跟踪和切换开关等部分构成，完成粗频偏估计和频偏跟踪两种功能，其实现方法如下：(1)在接收机完成帧同步之初进行载波的粗频偏校正，其又分为分数频偏校正和整数频偏校正两个步骤；(3)频偏估计器在完成粗频偏校正后自动切换到频偏跟踪状态；(3)在载波频偏跟踪阶段，通过一个一阶跟踪环路进行频偏跟踪，实现载波细同步。

频偏估计器的粗频偏估计的实现步骤为：

(1)根据OFDM符号的循环前缀特性，由输入符号的循环前缀进行初始频偏估计：

$F_{\mathrm{CP}}=\frac{1}{2\mathrm{\πN}}\underset{l=1}{\overset{D}{\mathrm{\Σ}}}\arg \left(r(l+N)r^{*}\left(l\right)\right)$

式中，N、D分别为OFDM符号和循环前缀的长度。(2)取F_frac＝F_CP，对输入的OFDM符号去分数频偏：

$r^{\′}\left(l\right)=r\left(l\right)e^{-j2\mathrm{\πl}{F}_{\mathrm{frac}}/F_s}$ l＝0，1，L，N+D-1

式中，F_s为采样频率。再对{r′(l)，l＝D，D+1，L，N+D-1}作FFT变换，得到：{R(f)，f＝0，1，L，N-1}。

(3)设子载波频率间隔为F_c，并假定整数频偏的范围为：[-KF_c，KF_c]，则该方法按下述步骤估计整数频偏：

for k＝-K∶K

由{R′(f)}向左循环移位k(k≥0)位或向右循环移位-k

(k≥0)位，得到循环移位后的序列{R(f)}；

A(f)＝S(f)R^*(f-k)    f＝0，1，L，N+D-1

$Q_k=\underset{l=0}{\overset{N+D-2}{\mathrm{\Σ}}}|A(l+1)-A\left(l\right)|$

end

$k_{\mathrm{int}}=\underset{k}{\min }{Q}_k$

式中，S(f)为发送端源序列。最后得到整数频偏为：F_int＝k_intF_c(4)F_offset＝F_int+F_frac输出给数据振荡器校正频偏。

提出的整数频偏估计是基于相位参考符号频率响应的平滑性来实现的，该估计的优点是对帧同步之初存在的符号偏差具有很强的鲁棒性。

频偏估计器的细频偏估计、即频偏跟踪的实现步骤为：

(1)根据OFDM符号的循环前缀特性，由输入符号的循环前缀进行频偏估计：

$F_{\mathrm{CP}}=\frac{1}{2\mathrm{\πN}}\underset{l=1}{\overset{D}{\mathrm{\Σ}}}\arg \left(r(l+N)r^{*}\left(l\right)\right)$

(2)频偏估计结果输入一个一阶低通滤波器实现频偏跟踪：

F_offset←F_offset+CF_CP

C是一个小于1的正数。F_offset的初始值为0。

载波同步系统由粗频偏估计到频偏跟踪的自动切换方法在完成整数频偏估计后自动切换到频偏跟踪状态，整数频偏估计则是在帧同步之初由帧同步电路所触发。

附图说明

图1 MMB/DAB/T-DMB系统的数据帧结构

图2载波同步系统及与其相关的系统示意图

图3频偏估计器实现结构图

图4整数频偏估计实现图

具体实施方式

数字广播系统的接收机在开机之初，与发射机很可能存在较大的载波频率偏差，为了保证接收机的正常接收，必须进行载波同步。

MMB/DAB/T-DMB系统的数据帧的帧结构如图1所示。该数据帧由一个空符号、一个相位参考符号和由模式不同而确定的若干个快速信息信道符号、若干个数据符号所组成。空符号用于接收机的帧同步，相位参考符号则为对随后数据的差分相位调制和解调提供一个相位基准，快速信息信道符号则为后面的数据符号中的信息构成作出定义。由于相位参考符号的信息是接收端已知的，因此可用作载波同步。

载波同步系统及与其相关的系统如图2所示，其中符号同步是在载波粗频偏估计完成后、利用粗频偏估计的结果实现的。载波同步系统的主要部分是频偏估计器。经过帧同步(和符号同步)的基带信号由缓存器保存，缓存器每次向频偏估计器输出一个OFDM符号(含循环前缀)长度的数据，而频偏估计结束后，频偏估计器则向数控振荡器输出估计得到的频偏，数控振荡器校正频偏，完成频波同步。

频偏估计器的内部结构如图3所示，其主要由循环前缀频偏估计、整数频偏估计、频偏跟踪和切换开关等部分构成。其工作机理是：接收机在实现帧同步的之初触发频偏估计器中的切换开关，使其进入粗频偏跟踪状态，同时对其输入相位参考符号；频偏估计器完成粗载波同步后，一方面向数控振荡器、符号偏移估计模块输出估计结果，另一方面触发切换开关，使其进入频偏跟踪状态；随后，系统利用OFDM符号的循环前缀特性进行频偏估计，并利用一阶跟踪环进行频偏跟踪。

粗载波频偏的估计通过以下几个步骤完成：

(1)根据OFDM符号的循环前缀特性，利用相位参考符号的循环前缀进行分数频偏估计：

$F_{\mathrm{CP}}=\frac{1}{2\mathrm{\πN}}\underset{l=1}{\overset{D}{\mathrm{\Σ}}}\arg \left(r(l+N)r^{*}\left(l\right)\right)$

(2)取F_frac＝F_CP，对相位参考符号去分数频偏：

$r^{\′}\left(l\right)=r\left(l\right)e^{-j2\mathrm{\πl}{F}_{\mathrm{frac}}/F_s}$ l＝0，1，L，N+D-1

(3)由整数频偏估计器得到整数频偏估计结果F_int，整数频偏估计的实现下文详述。

(4)将整数频偏估计和分数频偏估计的结果相加，得到的粗频偏估计结果：

F_offset＝F_int+F_frac

将该结果输出给数控振荡器，进行粗频偏校正，同时将其输出给符号偏移估计模块，用以符号偏移估计。

(5)粗频偏估计结果经延时后触发切换开关，频偏估计器进入频偏跟踪状态。

频偏跟踪通过以下两个步骤完成：

(1)利用OFDM符号的循环前缀特性，对输入的OFDM符号进行频偏估计：

$F_{\mathrm{CP}}=\frac{1}{2\mathrm{\πN}}\underset{l=1}{\overset{D}{\mathrm{\Σ}}}\arg \left(r(l+N)r^{*}\left(l\right)\right)$

(2)通过一个一阶跟踪环进行频偏跟踪：

F_offset←F_offset+CF_CP

(3)频偏跟踪的结果输出给数控振荡器，完成频偏校正。

整数频偏估计器的内部结构见图4，它由FFT变换器、循环移位器、乘法器、差分器、取模器、累加器、比较器等部分构成。

它们的功能如下：

(1)FFT变换器将时域序列{r′(l)，l＝D，D+1，L，N+D-1}变换到频域，得到频域序列：{R′(f)，f＝0，1，L，N-1}。

(2)循环移位器对频域序列进行循环移位，得到：

{R(f)，f＝0，1，L，N-1}＝{R′(k)，R′(k+1)，L，R′(N-1)，R′(0)，R′(1)，L，R′(k-1)}(k≥0)或{R(f)，f＝0，1，L，N-1}＝{R′(N-1-k+1)，R′(N-1-k+2)，L，R′(N-1)，R′(0)，R′(1)，L，R′(N-1-k)}(k＜0)；循环移位的范围由整数频偏的估计范围所确定。若整数频偏的估计范围为[-KF_c，KF_c]，则循环移位的范围为k＝-K，-K+1，L，K，其初始设置为：k＝-K。

(3)乘法器将序列{R(f)，f＝0，1，L，N-1}的共轭与源序列{S(f)，f＝0，1，  L，N-1}对应元素相乘，得到序列{A(f)＝S(f)R^*(f)，f＝0，1，L，N-1}。

(4)差分器对序列{A(f)}的相邻元素作差分。

(5)取模器将差分结果取模。

(6)累加器将经过取模的差分结果累加，作为对相位参考符号频率响应平滑性的度量。(4)、(5)、(6)的实现可表述为：

$Q_k=\underset{l=0}{\overset{N+D-2}{\mathrm{\Σ}}}|A(l+1)-A\left(l\right)|$

(7)比较器将当前的计算结果Q_k与原来存储的平滑度量最小值Q_kint进行比较，得到一个新的平滑度量最小值：

$Q_{k_{\mathrm{int}}}=\min \{Q_k,Q_{k_{\mathrm{int}}}\}$

$k_{\mathrm{int}}=\arg \underset{k}{\min }\{Q_k,Q_{k_{\mathrm{int}}}\}$

Q_kint和k_int的初始值分别设置为：

$Q_{k_{\mathrm{int}}=\∞}$

k_int=2k

(8)比较结束后，对循环移位达到的位置进行判断，若循环移位的位置为k＜K，则触发循环移位器使其再移一位，若循环移位已达到k＝K，则k_int为整数频偏的估计结果，而F_int＝k_intF_c则为估计得到的整数频偏结果。

Claims (3)

1.一种兼容DAB的数字广播接收机载波同步方法及系统，其特征在于，它在数字电路上实现的，其输入为一个正交频分复用(OFDM)符号，该符号含循环前缀，输出为估计出的频偏值，载波同步分粗频偏校正和频偏跟踪两个步骤来完成，实现电路包含循环前缀频偏估计、整数频偏估计、频偏跟踪和切换开关等部分；载波同步的实现步骤如下：

(1)根据OFDM符号的循环前缀特性，由输入符号的循环前缀进行初始频偏估计：

$F_{\mathrm{CP}}=\frac{1}{2\mathrm{\πN}}\underset{l=1}{\overset{D}{\mathrm{\Σ}}}\arg \left(r(l+N)r^{*}\left(l\right)\right)$

式中，N、D分别为OFDM符号和循环前缀的长度；

(2)根据切换开关的选择，进行粗频偏估计或频偏跟踪，系统在取得帧同步之初利用相位参考符号进行一次粗频偏估计，对随后输入的OFDM符号则进行频偏跟踪；

(3)粗频偏估计中，由步骤(1)计算得到的F_CP将作为分数频偏F_frac，系统利用相位参考符号作一次整数频偏估计得到整数频偏F_int，粗频偏估计结果F_offset＝F_int+F_frac输出给数控振荡器校正载波频偏；

(4)频偏跟踪通过对计算得到的F_CP值、由一个一阶跟踪环路来实现：

                 F_offset←F_offset+CF_CP

C是一个小于1的正数，频偏跟踪的结果输出给数控振荡器，校正频偏。

2.按照权利要求1所述的的兼容DAB的数字广播接收机载波同步方法及系统，其特征在于：整数频偏的估计方法是利用相位参考符号频率响应的恒模特性，通过频率响应的平滑性进行整数频偏估计；其实现步骤如下：

(1)用F_frac＝F_CP对输入的相位参考符号去分数频偏：

$r^{\′}\left(l\right)=r\left(l\right)e^{-j2\mathrm{\πl}{F}_{\mathrm{frac}}/F_s},l=\mathrm{0,1},L,N+D-1$

式中，F_s为采样频率；再对{r′(l)，l＝D，D+1，L，N+D-1}作FFT变换，得到序列：{R′(f)，f＝0，1，L，N-1}；

(2)设子载波频率间隔为F_c，并假定整数频偏的范围为：[-KF_c，KF_c]，则该方法按下述步骤估计整数频偏：

for k＝-K：K

由{R′(f)}向左循环移位k(k≥0)位或向右循环移位-k(k≥0)位，得到循环移位后的序列{R(f)}；

A(f)＝S(f)R^*(f)     f＝0，1，L，N+D-1

$Q_k=\underset{l=0}{\overset{N+D-2}{\mathrm{\Σ}}}|A(l+1)-A\left(l\right)|$

end

$k_{\mathrm{int}}=\arg \underset{k}{\min }{Q}_k$

式中，S(f)为发送端源序列，F_int＝k_intF_c为估计得到的整数频偏。

3.按照权利要求1所述的的兼容DAB的数字广播接收机载波同步方法及系统，，其特征在于：载波同步系统由粗频偏估计到频偏跟踪的自动切换方法在完成整数频偏估计后自动切换到频偏跟踪状态，整数频偏估计则是在帧同步之初由帧同步电路所触发。

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