CN101296067B - Dab与t-dmb数字接收端的同步方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及数字广播的DAB、T-DMB系统正交频分复用接收机的同步技术。本发明所要解决的技术问题是，提供一种适用于DAB、T-DMB数字广播系统接收端的高效稳定的结构化的同步方法与同步装置。本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是，DAB与T-DMB数字接收端的同步方法与装置，分为四层结构化处理基带采样信号，按层推进，包括以下步骤：第一层频率搜索步骤；第二层同步粗检步骤；第三层同步捕获步骤；第四层同步跟踪步骤。上述各层步骤如失败则返回上一层。本发明的有益效果是，能实现同步算法的高效应用，使每一个算法运算的前置误差减小，并且能提供较稳定的接收端工作状态，对接收环境的信噪比降低有一定的容忍能力。

Description

DAB与T-DMB数字接收端的同步方法和装置

技术领域

本发明涉及数字广播的DAB、T-DMB系统正交频分复用接收机的同步技术。

背景技术

1.DAB、T-DMB介绍：

数字音频广播(DAB)，也就是EUREKA-147，是采用对地面多径衰落强壮的编码正交频分复用(OFDM)的数字调制方法，能够提供CD音质的音频播放，以及不同类型的数据业务和高质量移动接收。基于欧洲的DAB，韩国数字多媒体广播(T-DMB)在DAB的基础上修改了信源及复用方式，添加了传送视频业务的能力。

DAB的时域OFDM数据由空符号(Null)、相位参考OFDM符号(PRS)和数据OFDM符号组成。每一个OFDM符号包含一个保护间隔(GI)，由OFDM符号的最后部分插入到前端获得。

一般地，在典型的接收方法中，帧起点被粗略恢复。然后进行整数倍载波偏移恢复(CCR)和符号同步(STR)，然后是小数倍载波恢复(FCR)。其中，CCR由快速傅立叶变换(FFT)解调的信号补偿，STR检测FFT的准确起点，FCR检测并恢复小数倍载波频率误差。

载波频率误差主要是因为发射机和接收机震荡器的不同产生的。载波频率误差主要包括整数倍频率误差和小数倍频率误差。在频域，整数倍载波频率误差以子载波间隔移动信号，导致位于不同的频率位置的不同子载波和后续解调误差。而小数倍频率误差会导致载波间干扰(ICI)和后续解调误差。另外，受传播过程中多普勒频移的影响，收发之间还会引入采样频率的偏差。这种偏差将使得接收机的数据出现较多采样点或者较少采样点，引入ICI和后续解调误差。为了防止和消除这些误差，在OFDM的解调过程中都需要估计这些误差并去除。

2.DAB、T-DMB同步技术介绍：

在通常的做法中，在进行整数倍频率偏移估计之前就进行传输模式检测及时域帧头检测，或者容易导致低信噪比环境下数据检测的置信度降低。并且检测的过程一般没有进行严格的算法控制，一旦发现算法失效，都重头开始进行检测。这容易引起系统稳定性降低，同时带来较高的运算量。

另外，算法细节的选择也会影响整个接收机的性能。下面分别对现有专利情况进行分析：

时域帧头检测方面，公开号为US6516039(公开日为2003年2月4日)一篇帧同步专利。该专利使用门限法，检测DAB帧信号头上的空符号。其特点是将检测结果缓存下来，在多个帧时间上进行缓存，根据信号脉宽和间隔，消除错误的帧同步信号，从整体上判断帧同步。公开号为EP0940939的发明(公开日为1999年9月8日)提出，仅通过门判决的方式进行帧信号检测易受噪声影响，将帧同步信号的历史信息记录在本地，根据历史记录信息进行滤噪，可以降低受噪声影响的概率。公开号为EP1694019的发明(公开日为2006年8月23日)提出，传统的空符号检测方法一般需要在第三个空符号出现时才能确切认定帧同步，新方法在一个帧时间上，使用时间上延迟的两个窗的相除结果作为检测信号。当该信号大于预设门限时，认为是确切的帧同步信号。在检测时间内，如果没有出现额外的同步信号，则可以认为帧同步成功。该方法仅一个帧时间就可以获得帧同步信号。这几个方法在门限选择上都提出了较高要求。

符号同步跟踪方面，公开号为EP0837582(公开日为1998年4月22日)专利目标是将DFT(离散傅立叶变换)窗设置到尽量降低ISI(符号间干扰)的位置，并且将这个位置调整到不易受多径变化影响的情况，即使多径变化情况比较剧烈。其方法是，用IFFT(反傅立叶变换)获得CIR(信道冲击响应)，并设置循环间隔长度的累加窗，对CIR累加运算。结果窗的平坦地带作为可选的FFT窗位置，且尽量保持窗位置不变。使用变步长的窗最大值搜索方法，对最佳同步位置进行搜索。该方法可以快速反应信道变化情况，并降低接收机窗摆动。公开号为US2003053550(2003年3月20日)使用一种改进相关峰的方法，对峰进行累加并添加滤波操作，这样可以提高信噪比。这些方法的基本思想是尽量维护DFT(离散傅立叶变换)窗的稳定，但操作复杂。

采样频率方面，EP0836304提到使用两个Null符号的间隔来估计采样频率偏差。该方法在多径和低信噪比环境下，会产生较大偏差。而采样频率的偏差对接收机的性能影响极大。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种适用于DAB、T-DMB数字广播系统接收端的高效稳定的结构化的同步方法与同步装置。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是，DAB与T-DMB数字接收端的同步方法，分为四层结构化步骤，按层推进，包括以下步骤：

第一层频率搜索步骤：判断DAB信号的存在，并粗略估计整数倍频率同步信号；

第二层同步粗检步骤：在DAB信号的传输模式、时域帧头信号检测的同时进行频域粗频偏检测，在频域进行整数倍频率偏移估计，在时域内进行小数倍频率偏移估计；

第三层同步捕获步骤：进行时域符号同步、相位参考符号同步的检测，给出整数倍频率偏移与小数倍频率偏移；

第四层同步跟踪步骤：计算时域符号同步及小数倍频率同步，同时根据相位参考符号的同步结果，进行采样频率偏移估计并进行补偿。

上述各层步骤如失败则返回上一层。

DAB与T-DMB数字接收端的同步装置，包括Null符号检测模块、序列相关检测模块、FFT模块、频率块检测模块、相位参考符号发生器、相位参考符号相关器，帧缓存器，序列相关检测模块与FFT模块相连，FFT模块分别与频率块检测模块、帧缓存器、相位参考符号相关器相连；相位参考符号相关器与相位参考符号发生器相连；其特征在于，还包括同步算法控制器，同步算法控制器分别与Null符号检测模块、序列相关检测模块、频率块检测模块、相位参考符号发生器、相位参考符号相关器相连；

所述同步算法控制器用于分层控制Null符号检测模块、序列相关检测模块、频率块检测模块、相位参考符号发生器、相位参考符号相关器的工作状态管理：

第一层频率搜索：同步算法控制器开启频率块检测模块，频率块检测模块判断DAB信号的存在，并粗略估计整数倍频率同步信号；

第二层同步粗检：同步算法控制器开启序列相关检测模块、Null符号检测模块，序列相关检测模块对DAB信号的传输模式进行检测，Null符号检测模块对时域帧头信号进行检测；同时同步算法控制器将频率块检测模块转换为频域粗偏检测状态，频率块检测模块在频域进行整数倍频率偏移估计，在时域内进行小数倍频率偏移估计；

第三层同步捕获：同步算法控制器切换序列相关检测模块至同步状态，序列相关检测模块进行时域符号同步的检测，给出小数倍频率偏移；开启相位参考符号发生器、相位参考符号相关器，相位参考符号发生器、相位参考符号相关器配合完成相位参考符号同步的检测，给出整数倍频率偏移；

第四层同步跟踪：同步算法控制器分层控制Null符号检测模块、序列相关检测模块、频率块检测模块、相位参考符号发生器、相位参考符号相关器共同完成时域符号同步及小数倍频率同步的计算，同时根据相位参考符号的同步结果，进行采样频率偏移估计并进行补偿。

上述各层如失败，则同步算法控制器控制返回上一层。

本发明的有益效果是，能实现同步算法的高效应用，使每一个算法运算的前置误差减小，并且能提供较稳定的接收端工作状态，对接收环境的信噪比降低有一定的容忍能力。

附图说明

图1为本发明流程图；

图2为本发明结构框图。

具体实施方式

本发明的一方面，提供一种用于DAB、T-DMB数字广播系统接收端的同步方法，分为四层结构化步骤，按层推进，如图1所示：

第一层频率搜索步骤：接收数字采样信号并进行频率块检测，判断是否有DAB信号的存在，如是，则粗略估计整数倍频率同步信号，进入下一层；如否，该信号存在则返回。频率块检测能够在频带上快速搜索信号，与时域的搜索相比，能以较高的置信概率判断DAB信号的存在性，并降低处理复杂度。频率块检测模块204与FFT模块203配合，在频率搜索步骤中，以超过DAB数据带宽1.536M的步长搜索DAB频率段，进行存在性检测。以64点FFT进行处理，降低处理复杂度。由于DAB信号在四种传输模式下，频带占据是一致的，频率块检测比时域存在性检测具有更好的通用性，在降低运算量的同时，对随机噪声的抵抗能力也更好；

第二层同步粗检步骤：时域与频域处理是同时进行的，在进行传输模式、时域帧头信号检测的同时进行频域粗频偏检测并降低整数倍频率偏移，其同步精度受传输模式的影响；判断频域粗频偏检测是否成功，如是，则在频域进行传输模式检测，在时域进行时域帧头检测，若否返回第一层；判断传输模式检测、时域帧头检测是否成功，若否，则返回再进行频域粗频偏检测；若是，传输模式的检测结果将影响时域帧头信号检测，根据传输模式，将FFT点数提升到OFDM数据符号长度(2048，512，256，1024)，进行频率偏移检测能够在帧头检测前进行频偏纠正，与现有技术相比，可以降低频偏对时域帧头数据的影响。在频域进行整数倍频率偏移估计，在时域内进行小数倍频率偏移估计，以降低初始误差。时域帧头信号检测成功，则进入第三层；第二层的时域帧头检测与第三层的时域符号同步能够提高在低信噪比环境下帧头时域检测失效的概率。在时域帧头检测完毕之后，随之启动的时域符号同步就能够在较低的频率偏移环境下检测小数倍频率偏移，并补偿偏移。当符号同步计数到达帧头位置时，频域启动的相位参考符号检测功能将确认帧同步信息，并给出剩余的符号偏移和频率偏移信号。至此，整个DAB系统的捕获完成。该方法用于降低前述Null符号检测判断帧头的门限要求，使用两个帧头信号来判断帧头存在性，并通过紧接频域相位参考符号匹配来提高置信度。相位参考符号的检测结果，也解决了采样频率估计的问题；

第三层同步捕获步骤：开始时域帧头定时跟踪，在定时内进行时域符号同步检测，定时到，进行相位参考符号同步检测，给出整数倍频率偏移与小数倍频率偏移，在时域符号同步检测中，调整进行时频变换的数据符号，同时小数倍频率偏移。接下来时域符号同步检测中，查找帧头并准确地去除整数倍频率误差；判断第三层处理是否成功，如是，则进入第四层；如否，则返回第三层的时域帧头检测；

第四层同步跟踪步骤：在定时内进行时域符号跟踪，在定时到后进行相位参考符号跟踪；对时域的循环前缀相关进行小数倍频率偏移估计以及符号同步的跟踪，并在每个帧头位置进行一次相位参考符号检测及同步调整。当出现时域符号同步检测失效或偏差较大时，以一定计数时限进行规避，在通过同步窗选择方法对符号同步结果进行修订。跟踪阶段，根据两个相位参考符号同步的绝对采样差，来估计收发之间的采样频率误差并补偿；如第四层处理失败，则返回第三层的时域帧头定时跟踪；获得的小数倍频率偏移和符号同步位置都将经过各自的锁定环路进行处理，降低误差摆动对接收机带来的影响。同步窗的选择方法是，在相位参考符号处以信道估计的时域结果获得数据帧第一个符号的同步时间。在符号的跟踪期，对同步失效结果，根据前一个符号同步结果，按符号间隔时间进行补偿；对偏差较大结果，根据前一个有效同步结果的相关峰能量与当前相关峰能量之比来确定是否调整当前同步窗。仅当当前峰值能量超过较多时，认为同步窗需要调整。这项技术规避了低信噪比环境下符号同步失效或摆动较大的问题。

如图2所示，用于DAB、T-DMB数字广播系统接收端的同步设备，包括Null符号检测模块200、序列相关检测模块201、同步窗选择模块202、FFT模块203、频率块检测模块204、相位参考符号发生器206、相位参考符号相关器205，帧缓存器207，序列相关检测模块201与同步窗选择模块202相连，同步窗选择模块202与FFT模块203相连；FFT模块203分别与频率块检测模块204、帧缓存器207、相位参考符号相关器205相连；相位参考符号相关器205与相位参考符号发生器206相连；其特征在于，还包括同步算法控制器208，同步算法控制器208分别与Null符号检测模块200、序列相关检测模块201、频率块检测模块204、相位参考符号发生器206、相位参考符号相关器205相连；同步算法控制器208分别与Null符号检测模块200、序列相关检测模块201、频率块检测模块204、相位参考符号发生器206、相位参考符号相关器205相连；

除同步窗选择模块202，同步算法控制器208外，其余设备都是现有DAB同步系统的通用器件。

接收基带采样信号与从同步窗选择模块202返回的小数倍频率偏移一起通过乘法器209输入至Null符号检测模块200、序列相关检测模块201；数据通路经乘法器209，序列相关检测模块201，同步窗选择模块202，FFT模块203，帧缓存器207后，形成DAB传输帧数据。其他模块用于偏差检测及补偿。其中序列相关检测模块201和同步窗选择模块202配合完成数据流到OFDM符号的转换，FFT模块203完成时频转换，帧缓存器207进行成帧及数据传递；具体的：

Null符号检测模块200用于信号能量的判断，根据空符号能量特征检测帧头。检测作为帧头判断的第一个信号，触发FFT模块203的工作并指明DAB信号的存在性；

序列相关检测模块201使用OFDM符号循环前缀检测技术，计算同步相关峰，得到小数倍频率偏移位置以及传输模式，并配合同步窗选择模块202得到符号同步的时间位置；

同步窗选择模块202根据序列相关检测模块201提供的峰值信息处理结果选择最佳同步窗口时间，并根据该时间从序列相关值中提取小数倍频率偏移信息，同时从数据流中截取OFDM符号长度相等的数据段，输送到FFT模块203；

FFT模块203用于进行OFDM符号的时频变换，从同步窗选择模块202读入数据符号，经FFT变换后输出到频率块检测模块204、相位参考符号发生器206及帧缓存器207；

频率块检测模块204使用变步长的搜索策略，通过信号能量门限来判断信号的存在性，整数倍频率偏移；

相位参考符号发生器206、相位参考符号相关器205配合使用，在Null符号存在时被触发(由Null符号检测模块200触发)，计算出整数倍频率偏移，以及传输信道的频率响应；该频率响应将用于接收端的Viterbi(维特比)解码，以及与FFT模块203配合提供相对准确的符号同步误差估计；

帧缓存器207用于在同步完成后进行数据符号的缓存，并根据帧数据的获取情况，将DAB传输帧数据传送给信道解码模块；

同步算法控制器208针对上述算法及运算模块的控制模块，用于进行同步状态管理以及模块工作管理。该控制器将上述算法分为四个层次进行管理，并根据各层算法结果进行自动切换：

所述同步算法控制器208用于分层控制Null符号检测模块200、序列相关检测模块201、频率块检测模块204、相位参考符号发生器206、相位参考符号相关器205的工作状态管理：

第一层频率搜索：同步算法控制器208开启频率块检测模块204，频率块检测模块204判断DAB信号的存在，并粗略估计整数倍频率同步信号；

第二层同步粗检：同步算法控制器208开启序列相关检测模块201、Null符号检测模块200，序列相关检测模块201对DAB信号的传输模式进行检测，Null符号检测模块200对时域帧头信号进行检测；同时同步算法控制器208将频率块检测模块204转换为频域粗偏检测状态，频率块检测模块(204)在频域进行整数倍频率偏移估计，在时域内进行小数倍频率偏移估计；

第三层同步捕获：同步算法控制器208切换序列相关检测模块201至同步状态，序列相关检测模块201进行时域符号同步的检测，给出小数倍频率偏移；开启相位参考符号发生器206、相位参考符号相关器205，相位参考符号发生器206、相位参考符号相关器205配合完成相位参考符号同步的检测，给出整数倍频率偏移；

第四层同步跟踪：同步算法控制器208分层控制Null符号检测模块200、序列相关检测模块201、频率块检测模块204、相位参考符号发生器206、相位参考符号相关器205共同完成时域符号同步及小数倍频率同步的计算，同时根据相位参考符号的同步结果，进行采样频率偏移估计并进行补偿。

Claims (10)

1.DAB与T-DMB数字接收端的同步方法，其特征在于，分为四层结构化步骤，按层推进，包括以下步骤：

第一层频率搜索步骤：判断DAB信号的存在，并粗略估计整数倍频率同步信号；

第二层同步粗检步骤：在DAB信号的传输模式、时域帧头信号检测的同时进行频域粗频偏检测，在频域进行整数倍频率偏移估计，在时域内进行小数倍频率偏移估计；

第三层同步捕获步骤：进行时域符号同步、相位参考符号同步的检测，给出整数倍频率偏移与小数倍频率偏移；

第四层同步跟踪步骤：计算时域符号同步及小数倍频率同步，同时根据相位参考符号的同步结果，进行采样频率偏移估计并进行补偿。

2.如权利要求1所述DAB与T-DMB数字接收端的同步方法，其特征在于，所述各层步骤如失败则返回上一层。

3.如权利要求1所述DAB与T-DMB数字接收端的同步方法，其特征在于，所述第一层频率搜索步骤中，通过频率块检测判断DAB信号的存在。

4.如权利要求1所述DAB与T-DMB数字接收端的同步方法，其特征在于，所述第二层同步粗检步骤中，时域帧头信号检测受传输模式检测结果的影响。

5.如权利要求1所述DAB与T-DMB数字接收端的同步方法，其特征在于，所述第四层同步跟踪步骤中，时域符号同步及小数倍频率同步都经各自的锁定环路进行处理。

6.如权利要求1或5所述DAB与T-DMB数字接收端的同步方法，其特征在于，所述第四层同步跟踪步骤中，采用同步窗选择最佳同步窗口时间，进行小数倍频率同步计算。

7.DAB与T-DMB数字接收端的同步装置，其特征在于，包括Null符号检测模块(200)、序列相关检测模块(201)、FFT模块(203)、频率块检测模块(204)、相位参考符号发生器(206)、相位参考符号相关器(205)，帧缓存器(207)，序列相关检测模块(201)与FFT模块(203)相连，FFT模块(203)分别与频率块检测模块(204)、帧缓存器(207)、相位参考符号相关器(205)相连；相位参考符号相关器(205)与相位参考符号发生器(206)相连；其特征在于，还包括同步算法控制器(208)，同步算法控制器(208)分别与Null符号检测模块(200)、序列相关检测模块(201)、频率块检测模块(204)、相位参考符号发生器(206)、相位参考符号相关器(205)相连；

所述同步算法控制器(208)用于分层控制Null符号检测模块(200)、序列相关检测模块(201)、频率块检测模块(204)、相位参考符号发生器(206)、相位参考符号相关器(205)的工作状态管理：

第一层频率搜索：同步算法控制器(208)开启频率块检测模块(204)，频率块检测模块(204)判断DAB信号的存在，并粗略估计整数倍频率同步信号；

第二层同步粗检：同步算法控制器(208)开启序列相关检测模块(201)、Null符号检测模块(200)，序列相关检测模块(201)对DAB信号的传输模式进行检测，Null符号检测模块(200)对时域帧头信号进行检测；同时同步算法控制器(208)将频率块检测模块(204)转换为频域粗偏检测状态，频率块检测模块(204)在频域进行整数倍频率偏移估计，在时域内进行小数倍频率偏移估计；

第三层同步捕获：同步算法控制器(208)切换序列相关检测模块(201)至同步状态，序列相关检测模块(201)进行时域符号同步的检测，给出小数倍频率偏移；开启相位参考符号发生器(206)、相位参考符号相关器(205)，相位参考符号发生器(206)、相位参考符号相关器(205)配合完成相位参考符号同步的检测，给出整数倍频率偏移；

第四层同步跟踪：同步算法控制器(208)分层控制Null符号检测模块(200)、序列相关检测模块(201)、频率块检测模块(204)、相位参考符号发生器(206)、相位参考符号相关器(205)共同完成时域符号同步及小数倍频率同步的计算，同时根据相位参考符号的同步结果，进行采样频率偏移估计并进行补偿。

8.如权利要求7所述DAB与T-DMB数字接收端的同步装置，其特征在于，同步算法控制器(208)发现所述各层如失败，则控制返回上一层。

9.如权利要求7所述DAB与T-DMB数字接收端的同步装置，其特征在于，同步算法控制器(208)在所述第二层同步粗检中，同步算法控制器(208)将频率块检测模块(204)转换为基于传输模式的频域粗偏检测状态。

10.如权利要求7或8所述DAB与T-DMB数字接收端的同步装置，其特征在于，还包括同步窗选择模块(202)，所述序列相关检测模块(201)与同步窗选择模块(202)相连，同步窗选择模块(202)与FFT模块(203)相连；

同步窗选择模块(202)开启于第四层同步跟踪中，用于选择最佳同步窗口时间，并根据该同步窗口时间从序列相关检测模块(201)输出的序列相关值中提取小数倍频率偏移信息。

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