CN101296311A - 数字电视地面广播传输系统的信号帧同步方法 - Google Patents

Abstract

一种数字电视地面广播传输系统的信号帧同步方法，包括步骤：本地PN序列产生器，用于产生本地PN序列；相关器，对输入的采样信号进行相关运算；动态门限确定器，用于确定门限值；峰值检测器，将每个相关器的输出结果与门限值进行比较，确定相关峰值。本发明方法采用的相关代价函数避免了进行平方根运算，实现复杂度低；且新方法提出一种动态确定门限值的方法，并提出一种简单有效的峰值确定方法。

Description

数字电视地面广播传输系统的信号帧同步方法

技术领域

数字电视地面广播传输系统是广播电视系统的重要组成部分，系统规定了在UHF和VHF频段中，每8MHz数字电视频带内，数字地面广播传输系统的帧结构、信道编码和调制方式。图1示出了系统的帧结构。从图1可以看出，数据帧结构是一种四层结构。其中，数据帧结构的基本单元为信号帧，由帧头和帧体两部分组成。帧头和帧体的基带符号率相同，均为7.56Msps。一组信号帧组成超帧，超帧的时间长度定义为125毫秒。480个超帧组成一个分帧，分帧的时间长度为1分钟。帧结构的顶层为日帧，由1440个分帧构成，以一个公历自然日为周期进行重复。

为适应不同应用，系统定义了三种可选的帧头模式以及相应的信号帧结构，示于图2中。帧头信号由一个前同步、一个PN序列和一个后同步构成，采用I路和Q路相同的4QAM调制。对于帧头模式2而言，前同步和后同步的长度为0。PN序列经0到+1值及1到一1值的映射变换为非归零的二进制符号。

●帧头模式1

帧头模式1中的PN序列定义为循环扩展的8阶m序列，可由一个线性反馈移位寄存器实现。长度为420个符号的帧头信号(PN420)，由一个前同步、一个PN255序列和一个后同步构成。前同步和后同步定义为PN255序列的循环扩展。PN420序列在PN255序列前填充82个符号作为前同步，后面填充83个符号作为后同步。一个超帧中共有225个信号帧，各信号帧的帧头采用不同相位的PN信号作为信号帧识别符。帧头信号的平均功率是帧体信号平均功率的2倍。PN420的结构示于图3中。

●帧头模式2

帧头模式2采用的10阶最大长度伪随机二进制序列截短而成，帧头信号的长度为595个符号(PN595)，是长度为1023的m序列的前595个码片。在一个超帧中共有216个信号帧，各信号帧的帧头采用相同的PN序列。帧头信号的平均功率与帧体信号的平均功率相同。

●帧头模式3

帧头模式3中的PN序列定义为循环扩展的9阶m序列，可由线性反馈移位寄存器实现。长度为945个符号的帧头信号(PN945)由一个前同步、一个PN511序列和一个后同步构成。前同步和后同步定义为PN511序列的循环扩展。PN945序列在PN511序列前填充217个符号作为前同步，后面填充217个符号作为后同步。在一个超帧中共有200个信号帧，各信号帧的帧头采用不同相位的PN信号作为信号帧识别符。帧头信号的平均功率是帧体信号平均功率的2倍。PN945的结构示于图4中。

众所周知，同步是无线接收机中的关键技术。对于数字电视地面广播传输系统而言，同步主要包括模式检测与信号帧识别，信号帧同步，采样钟偏差估计和消除，载波频偏估计和消除。在模式检测与信号帧识别完成后，帧头类型和信号帧序号已经确定完毕。接下来，需要进行信号帧同步以分离帧头和帧体。帧头用于进行载波频偏估计和信道估计；而帧体用于获得数据并进行信道均衡。

信号帧同步方法通常基于PN序列相关的思想，即将接收到的信号帧与本地产生的相位相同的PN序列进行相关，则对于每个接收到的信号帧都会出现相关峰。详细算法总结如下：

1)对接收到的信号进行四倍过采样(1/T_s＝4/T)。把四倍过采样信号帧数据依次输入相关器中，与本地产生的PN序列进行滑动相关运算。令m为接收到的信号帧帧头中的PN序列与本地产生的PN序列之间的滑动距离，r(i)为四倍过采样接收信号，则相关器的输出R(k，m)为：

$R(k,m)=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}r\left(i\right)\×{\mathrm{PN}}^{*}(k-i-m)---\left(1\right)$

由于进行信号帧同步时，模式检测与信号帧识别已经完成，则可以产生与接收到的信号帧帧头中的PN序列相位一致的本地PN序列。因此接收到的信号帧帧头中的PN序列与本地产生的PN序列之间的滑动距离为0，即m＝0。在相关器后设置峰值检测器。

2)设置峰值检测器检测相关器的输出，直到相关器的输出|R(k，m)|达到最大值。采用数字微分器进行相关器输出峰值检测。

d_c(k)＝|R(k-1，m)|-|R(k+1，m)|+2(|R(k-2，m)|-|R(k+2，m)|)  (2)

当在时间点k′得到|R(k′，m)|≥T_h，且d_c(k′-1)＞0，d_c(k′)≤0时，认为在时间点k″处已经获得第一个满足条件的相关器输出峰值点。k″由下式给出：

$k^{\′\″}=\left\{\begin{array}{cc}{k}^{\′}& \mathrm{if}\left|R(k^{\′},m)\right|>\left|R(k^{\′}-1,m)\right|\\ k^{\′}-1& \mathrm{else}\end{array}\right.---\left(3\right)$

3)在多径信道下，对于每一条径，相关器都会有一个相关峰值。

此时，峰值检测器锁定第一个强的相关峰值，信号帧同步将跟踪此相关峰。

现有信号帧同步方法存在以下缺陷：

1.计算|R(k，m)|时，需要进行平方根运算。由于平方根运算的复杂性，难以在FPGA/ASIC中以很高的精度实现。此外，由于输入的是4倍过采样信号，输入信号速率达到30.24Mbps，这就需要平方根运算具有高的吞吐率，实现更加复杂。

2.为了检测出|R(k，m)|的峰值，引入数字微分器d_c(k)。这就需要存储|R(k-1，m)|、|R(k-2，m)|、|R(k+1，m)|和|R(k+2，m)|的值，且要判断|R(k′，m)|≥T_h、d_c(k′-1)＞0和d_c(k′)≤0。这使得实现更加复杂。

3.在上述现有算法详细过程的2)中，为了计算|R(k′，m)|≥T_h，需要首先确定T_h。T_h的值应该随着信道状况的不同而进行选择，然而该方法没有说明如何确定T_h。

发明内容

本发明的目的是提供一种数字电视地面广播传输系统的信号帧同步方法。

为实现上述目的，一种数字电视地面广播传输系统的信号帧同步方法，包括步骤：

本地PN序列产生器，用于产生本地PN序列；

相关器，对输入的采样信号进行相关运算；

动态门限确定器，用于确定门限值；

峰值检测器，将每个相关器的输出结果与门限值进行比较，确定相关峰值。

本发明方法采用的相关代价函数避免了进行平方根运算，实现复杂度低；且新方法提出一种动态确定门限值的方法，并提出一种简单有效的峰值确定方法。

附图说明

图1是数字电视地面广播传输系统帧结构；

图2是信号帧结构；

图3是PN420的结构；

图4是PN945的结构；

图5是相关峰值检测控制流程图；

图6是信号帧同步算法结构框图；

图7是信号帧同步算法控制流程图；

图8是信号帧同步算法仿真结果。

具体实施方式

●定义代价函数

由于进行信号帧同步时，模式检测与信号帧识别已经完成，则可以产生与接收到的信号帧帧头中的PN序列相位一致的本地PN序列。本地PN序列按“0-＞+1”和“1-＞-1”的方式转化为非归零二进制信号序列，并进行I路和Q路相同的4QAM调制。

1)考虑到上述情况，令r(i)为4倍过采样接收信号，为计算本地生成的PN序列与接收到的4倍过采样信号之间的相关值，按如下方式定义相关代价函数λ(θ)：

λ(θ)＝{λ_{_real}(θ)}²+{λ_{_imag}(θ)}²    (4)

其中

${\mathrm{\λ}}_{\_\mathrm{real}}\left(\mathrm{\θ}\right)=\underset{i=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}\{r\_\mathrm{real}(4\×i+\mathrm{\θ})+r\_\mathrm{imag}(4\×i+\mathrm{\θ})\}\×\mathrm{PN}(i+1)---\left(5\right)$

${\mathrm{\λ}}_{\_\mathrm{imag}}\left(\mathrm{\θ}\right)=\underset{i=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}\{r\_\mathrm{imag}(4\×i+\mathrm{\θ})-r\_\mathrm{real}(4\×i+\mathrm{\θ})\}\×\mathrm{PN}(i+1)---\left(6\right)$

θ：0，1，2，3，...；

r_real(i)：r(i)信号的实部；

r_imag(i)：r(i)信号的虚部；

N与PN(i)的取值如下所示：

如果当前系统使用帧头模式1：N＝255；PN(i)＝PN255(i)；

如果当前系统使用帧头模式2：N＝595；PN(i)＝PN595(i)；

如果当前系统使用帧头模式3：N＝511；PN(i)＝PN511(i)；

2)对于每一个输入相关器的4倍过采样信号r(i)，相关器都会有一个输出结果λ(θ)。为了记录相关器最大输出值的位置，引入计数范围为从1到4×signal_frame_Len的循环计数器。每输出一个相关值，计数器加1。计数器周期(1到4×signal_frame_Len)作为观察窗。

signal_frame_Len按如下方式定义：

如果当前系统使用帧头模式1：signal_frame_Len＝4200；

如果当前系统使用帧头模式2：signal_frame_Len＝4375；

如果当前系统使用帧头模式3：signal_frame_Len＝4725；

●本发明提出的信号帧同步算法

新提出的信号帧同步算法总结如下：

1)按公式(4)、(5)和(6)计算本地生成的PN序列与接收到的4倍过采样信号之间的相关值。相关值输出结果为λ(θ)。

2)确定门限值T_h。T_h按下式确定。

$T_h=\left(\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\λ}{\left(\mathrm{\θ}\right)}_{\max \_i}\right)\×T_h\_\mathrm{par}---\left(7\right)$

其中

□周期性的更新门限值T_h。通常可以每个超帧重新计算更新一次T_h值。而后，在一个超帧时间范围内，使用相同的T_h值。

□λ(θ)_{max_i}为λ(θ)在第i个观察窗中的最大值。

□N＝1，2或4。N可以根据信道条件确定。如果取N＝1，则公式(7)可简化为T_h＝λ(θ)_max×T_h_par。

□T_h_par值可由信道条件确定，通常令T_h_par＝0.5。

3)对于每一个相关器的输出结果λ(θ)，峰值检测器都将其与门限值T_h比较以在观察窗中找到满足条件λ(θ)＞T_h的位置。在多径信道下，对于每一条多径都会有一个相关峰值，则可能有多个位置满足条件λ(θ)＞T_h。

4)峰值检测器锁定在观察窗中出现的第一个相关峰值。令第一个相关峰值的位置为θ_peak，峰值检测器检测流程如图5所示。图5所示流程总结如下：

□步骤1，确定门限值T_h。

□步骤2，重新复位观察窗并对每个输入数据信号按所定义的代价函数进行相关运算，得到每个输入数据信号的相关运算结果λ(θ)

□步骤3，将相关运算结果λ(θ)与门限值T_h进行比较以获得第一个大于门限值的λ(θ)值，记录该位置为θ_1st，并保存该位置的相关运算结果为λ(θ_1st)，而后进入步骤4

□步骤4，如果θ＝θ_1st+1位置处的输入数据信号的相关运算结果λ(θ)小于门限值T_h，则本次峰值检测完毕，θ_1st即为峰值位置θ_peak；否则，进入步骤5

□步骤5，比较θ_1st与θ_1st+1位置的相关运算结果，如果相关值λ(θ)_1st)大于λ(θ_1st+1)，则本次峰值检测完毕，θ_1st即为峰值位置θ_peak；否则，将位置θ_1st+1记录为θ_1st，并保存该位置相关峰值为λ(θ_1st)，而后返回步骤4。

5)相关峰值(θ_peak)在观察窗中周期性的出现。对于帧头模式2而言，检测到相关峰值后，下一个接收到的数据就是帧体。对于帧头模式1和3而言，检测到相关峰值后，下一个接收到的数据为后同步(83/217符号)。据此，我们可以分离出帧头和帧体数据。

本发明提出的信号帧同步算法结构框图和控制流程图分别示于图6和7中。

通过计算机仿真来验证所提出的信号帧同步算法的性能。在仿真时，采用的信道模型的脉冲响应为h(n)＝α(n)+α(n-30)+α(n-60)。在仿真中，一个超帧更新一次T_h值；在确定T_h时，令N为1，T_h_par的值为0.5；设置载波频偏为50Hz。对于帧头模式1，同时用现有方法进行了仿真。

仿真结果示于图8中。由仿真结果可以看出，本发明提出的方法(new method)比现有方法(available method)的性能好约0.2dB。

与传统的信号帧同步算法相比，本发明提出的算法性能好且实现复杂度低。

1)仿真结果表明，与传统方法相比，本发明提出方法的性能好约0.2dB。

2)从实现复杂度的角度看，传统方法采用的数字微分器d_c(k)需要计算|R(k，m)|。在计算|R(k，m)|过程中引入平方根运算，这就带来了高的计算复杂度，不易用硬件实现。本发明所述算法使用乘法代替平方根运算。在FPGA/ASIC中，乘法器资源充足，且乘法器可以在输入数据有效后的下一个时钟周期输出运算结果，运算吞吐率高。

3)本发明提出根据信道状况动态确定门限值T_h的方法。

4)传统方法使用数字微分器d_c(k)查找相关峰值。本发明提出的方法只需比较能够满足λ(θ)＞T_h的相邻两个位置的相关值即可准确找到相关峰值，实现大大简化。

Claims (6)

1.一种数字电视地面广播传输系统的信号帧同步方法，包括步骤：

本地PN序列产生器，用于产生本地PN序列；

相关器，对输入的采样信号进行相关运算；

动态门限确定器，用于确定门限值；

峰值检测器，将每个相关器的输出结果与门限值进行比较，确定相关峰值。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于还包括作为观察窗的计数器，用于计数从1到4×signal_frame_Len。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于按下式进行相关计算：

λ(θ)＝{λ_{_real}(θ)}²+{λ_{_imag}(θ)}²

其中

${\mathrm{\λ}}_{\_\mathrm{real}}\left(\mathrm{\θ}\right)=\underset{i=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}\{r\_\mathrm{real}(4\×i+\mathrm{\θ})+r\_\mathrm{imag}(4\×i+\mathrm{\θ})\}\×\mathrm{PN}(i+1)$

${\mathrm{\λ}}_{\_\mathrm{imag}}\left(\mathrm{\θ}\right)=\underset{i=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}\{r\_\mathrm{imag}(4\×i+\mathrm{\θ})-r\_\mathrm{real}(4\×i+\mathrm{\θ})\}\×\mathrm{PN}(i+1)$

θ：0，1，2，3，...；

r_real(i)：r(i)信号的实部；

r_imag(i)：r(i)信号的虚部。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于对于帧头类型1、2和3，signal_frame_Len的取值分别为4200、4375和4725。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于按下式确定门限值：

$T_h=\left(\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\λ}{\left(\mathrm{\θ}\right)}_{\max \_i}\right)\×T_h\_\mathrm{par}$

其中λ(θ)_{max_i}为λ(θ)在第i个观察窗中的最大值。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述相关峰值检测包括：确定门限值；

计算代价函数并将代价函数值与门限值进行比较；

选取周期内大于门限值且是最大函数值作为相关峰值。

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