CN1225906C - 在数字视频广播中利用时间域扩频信标进行同步的方法 - Google Patents

Abstract

一种在数字视频广播中利用时间域扩频信标进行快速和可靠同步的方法，该信标包括长同步和短同步符号：长同步符号用于快速的时间和频率捕获，短同步符号用于残余频偏、I/Q不平衡及其它硬件非理想特性的精细估计。一些重要的系统参数，如FFT块长度和保护间隔长度，被编码在短同步符号中以支持不同的系统工作模式。信标传送功率比通常的OFDM数据传送增强了6分贝以增加同步的鲁棒性。

Description

在数字视频广播中利用时间域扩频信标进行同步的方法

技术领域

本发明涉及在数字视频广播中利用时间域扩频信标进行同步的方法。

背景技术

在当前的DVB-T(欧洲数字广播系统)标准中，没有专门用于同步的训练序列。系统的初始时间和频率捕获通常是利用OFDM(正交频分多路复用)数据符号与循环前缀的重复特性获得的。这种同步机制的时间和频率的估计精度较差，同步时间长。尽管同步速度慢在用户开机时或许可以接受，但如果用较长的时间进行重新同步，将会影响用户的满意程度。例如，当移动接收者在深度衰落区域失去同步，并在离开衰落区后试图重新建立连接时，用户将会感受到较长的中断期。而且，在广播中增加交互性和数据业务的趋势，需要更快、更准确的同步以适应突发通信。

发明内容

本发明的目的在于在数字视频广播中利用时间域扩频信标进行更快、更准确的同步以适应突发通信。本发明的新颖之处在于：在信号帧结构中周期性地插入特定的时间域扩频信标，该信标不仅被用于时间和频率同步，而且提供了对接收机硬件非理想特性的补偿机制(如射频单元的I/Q不平衡)，并可携带一些关键的系统参数(如FFT(快速富立叶变换)块长度和保护间隔长度)。

本发明在数字视频广播中利用时间域扩频信标进行同步，具体内容包括，

在帧结构中定期插入时间域扩频信标以进行同步；时间域扩频信标包括长同步和短同步符号，分别用于同步的快速捕获和精细估计；通过自相关的峰搜索确定符号时间和频率偏移的分数部分，而后由相应的解扩运算确定频率偏移的整数部分；将FFT块长度和保护间隔设置等关键的系统参数编码在短同步符号中以支持不同的系统工作模式；采用判决反馈方法，使得短同步符号即能携带系统参数，又能作为精细同步的训练序列；利用短同步符号对残余频偏、I/Q不平衡和其它硬件非理想特性进行精细估计和补偿；在某些特定的短同步符号中增加一定的旋转，使得相应的补偿算法在任意初始频偏下均能保持一致的性能；利用扩频信标的PAP(峰平比)低于OFDM数据信号的特性，增强了扩频信标的发送功率以提高同步的鲁棒性。

附图说明

图1是采用了本发明时间域扩频信标的帧结构的一个实施例。

图2是本发明中扩频信标结构的一种可能的实施例。

图3是采用了本发明信标结构的一种可能的接收机实现结构。

具体实施方式

图1描述了本发明中扩频信标结构的一个实施例以及相应的信号帧结构。

这里的扩频信标包括长同步和短同步符号：长同步由两个相同的扩频序列组成，专门用于快速的时间和频率捕获；短同步包含几个扩频符号，携带了某些关键的系统参数，并用于精细估计残余频偏和补偿硬件的非理想特性。

为了在接收机中实现快速同步，时间和频率的捕获是其它所有操作的前提，应具有最高的鲁棒性(robustness)。为此，本发明中的长同步设计具有以下特点：

1.与短同步相比，长同步具有较高的扩频增益，以保证高鲁棒性

2.长同步包含两个相同的符号，通过自相关的峰搜索来定位符号时间，并确定频率偏移的分数部分。优点如下：

a时间捕获与初始频偏估计分离，这样避免了复杂的频率和时间的二维搜索；

b增强了抗多径效应的能力；

c与匹配滤波器的实现方法相比，使用窗口滑动来计算自相关降低了计算复杂度。

3.在补偿了已确定的频率偏移的分数部分后，搜索使解扩输出最大的整数频率，以确定频率偏移中的整数部分。优点如下：

d与美国专利5732113申报的方法相比，在确定频偏整数部分上节省了一个符号；

e由于符号时间已经确定，搜索只需要在几个整数点上进行，因此只需要代价较小的一维搜索。

为适应各种地面传输环境和不同的数字广播网络规模，并在频谱效率、系统鲁棒性(如抗多径和相位噪声能力)和计算复杂度之间取得最佳平衡，DVB标准规定了不同的系统工作模式及相应参数(如FFT块长度和保护间隔长度)。为支持不同的工作模式，在计算FFT以解调数据信号之前，必须确定这些参数。然而，在目前的DVB标准中，这些参数被编码在TPS(传送参数信令)中，在FFT计算之前不可能被提取。为解决这一问题，本发明将这些重要的系统参数编码在短同步符号中，使得它们可以在FFT之前被解调；而且，采用了较高的扩频增益和较强的编码来保证这些参数的正确接收。

在信息位被正确地解调、解码和通过CRC校验后，本发明采用了判决反馈的方法，使得短同步符号可以同时作为其它目的的训练序列。

在DVB-T系统中，为支持高质量的节目(如HDTV)，应支持高阶调制方式(如64QAM)，这意味着硬件的非理想特性应得到相应的补偿。例如，正交下变频中常见的I/Q不平衡问题。而且，为了增强系统抗长回音的能力，需要采用较大的FFT块(如8K)，以保持较高的频谱效率。这导致了非常窄的子载波间距，相应地对接收机载波同步提出了非常严格的要求。为此，需要采用许多复杂的信号处理技术来准确地估计频率偏移、I/Q不平衡和其它的硬件非理想特性。本发明中的短同步符号作为训练序列使得这些信号处理成为可能。

由于与OFDM数据信号相比，扩频序列具有较低的PAP，因而可以在不增加发射机硬件开销的情况下增强信标的发射功率(如6dB)，以改善同步和估计的性能。

信标实施例

图2是本发明信标结构的一种可能的实施例。如图2所示，在该信标结构中，前面是2个长符号L1和L2，后面跟着8个短同步符号S1到S8。

在本实施例中，长扩频序列和短扩频序列分别采用长度为255和长度为63的M-序列(长扩频序列的生成多项式为x⁸+x⁴+x³+x²+1，记作CDMA_L；短扩频序列的生成多项式为x⁶+x+1，记作CDMA_s)。

两个长同步符号L₁和L₂的长度相同，即，

L₁＝L2＝CDMA_L

短同步符号S₁到S₈携带4比特系统参数信息，并通过(8，4)扩展Haming码保护。因此，短同步符号可表示为，

S_m＝D_m·CDMA_S，m＝1，2，……8

其中，D_m为数据调制。需要特别指出的是，所有的偶数符号被附以π/4的相移，以保证I/Q不平衡的补偿算法在任意的初始频偏下均能保持一致的性能。

实施中所有的GIs(保护间隔)均采用CP(循环前缀)，长度为16采样点。

采用本发明扩频信标的接收机实施例结构

图3是采用本发明扩频信标的接收机的一种可能的实施例结构。使用本信标结构相应的同步和估计算法说明如下：

步骤1：计算输入的数据流的自相关。定义接收信号的自相关如下：

$P\left(\mathrm{\τ}\right)=\underset{m=1}{\overset{255}{\mathrm{\Σ}}}{x}^{*}(m+\mathrm{\τ})\·x(m+\mathrm{\τ}+255)$

其中x(m)为接收信号取样。符号定时通过搜索自相关的峰值位置确定；频率粗估计的分数部分(相对于长符号周期归一化)由自相关峰值的相位决定。

${\mathrm{\τ}}_{\mathrm{ti}\min g}=\underset{\mathrm{\τ}}{\arg \max }{\left|p\left(\mathrm{\τ}\right)\right|}^2$

Δf_fractional＝angle(p(τ))/(πT_L)

其中，T_L是一个长符号周期。

步骤2：在频率偏移的分数部分得到补偿后， $x^{\′}\left(m\right)=x\left(m\right)\·e^{j2\mathrm{\πm\Δ}{f}_{\mathrm{fractional}}},$ 在一定的范围内做频率扫描(以1/T_L为步长)并解扩。频率偏移整数部分的粗估计对应于最高解扩输出的频率位置。

${\mathrm{\Δf}}_{\mathrm{integer}}=\frac{1}{T_L}\·\underset{n}{\arg \max }|{\underset{m=1}{\overset{255}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{CDMA}\_L\·x^{\′}\left(m\right)e^{j2\mathrm{\πmn}/T_L}|}^2$

步骤3：频率粗同步完成后，短同步符号所携带的系统参数信息可通过相应的解扩和解码得到。

步骤4：利用判决反馈的方法去除短同步序列中的数据调制，使得短同步序列可以作为后续精细估计的训练序列。

步骤5：利用短同步符号作为训练序列进行精细残余频偏的估计和I/Q不平衡估计。

本发明在数据流中周期性地插入时间域扩频信标，具有如下优点，使得它与现有的DVB-T标准相比更适合数字视频广播。

1.通过使用两个或几个长同步符号，使得初始时间/频率捕获快速、可靠并且易于实现。

2.在短同步符号中携带关键的系统参数信息，使得系统能更加方便地支持不同的工作模式。

3.在短同步符号中使用判决反馈的方法使得短同步符号即能携带信息又能充当训练序列，降低了系统开销。

4.短同步符号的特殊设计以用于精细估计残余频偏、I/Q不平衡和补偿其它的硬件非理想特性。

5.增强的信标发射功率使得同步可靠，估计精度高。

Claims (2)

1.一种在数字视频广播中利用时间域扩频信标进行同步的方法，其中，

在帧结构中定期插入时间域扩频信标以进行同步；

时间域扩频信标包括长同步和短同步符号，分别用于同步的快速捕获和精细估计；

通过自相关的峰搜索确定符号时间和频率偏移的分数部分，而后由相应的解扩运算确定频率偏移的整数部分；

将FFT块长度和保护间隔设置等关键的系统参数编码在短同步符号中以支持不同的系统工作模式；

采用判决反馈方法，使得短同步符号即能携带系统参数，又能作为精细同步的训练序列；

利用短同步符号对残余频偏、I/Q不平衡和其它硬件非理想特性进行精细估计和补偿；

在某些特定的短同步符号中增加一定的旋转，使得相应的补偿算法在任意初始频偏下均能保持一致的性能；

利用扩频信标的峰平比低于OFDM数据信号的特性，增强了扩频信标的发送功率以提高同步的鲁棒性。

2.根据权利要求1的数字视频广播中利用时间域扩频信标进行同步的方法，其中，使用本信标结构相应的同步和估计算法的步骤如下：

步骤1：计算输入的数据流的自相关，定义接收信号的自相关P(τ)如下：

$P\left(\mathrm{\τ}\right)=\underset{m=1}{\overset{255}{\mathrm{\Σ}}}{x}^{*}(m+\mathrm{\τ})\·x(m+\mathrm{\τ}+255)$

其中x(m)为接收信号取样，τ为接收信号取样的时间偏移，符号定时τ_timing通过搜索自相关的峰值位置而确定，频率粗估计的分数部分Δf_fractional由自相关峰值的相位决定，

${\mathrm{\τ}}_{\mathrm{ti}\min g}=\underset{\mathrm{\τ}}{\arg \max }{\left|p\left(\mathrm{\τ}\right)\right|}^2$

Δf_fractional＝angle(p(τ))/(πT_L)

其中，T_L是一个长符号周期；

步骤2：在频率偏移的分数部分得到补偿后， $x^{\′}\left(m\right)=x\left(m\right)\·e^{j2\mathrm{\πm\Δ}{f}_{\mathrm{fractional}}},$

在一定的范围内以1/T_L为步长做频率扫描并解扩，频率偏移整数部分的粗估计Δf_integer对应于最高解扩输出的频率位置，

$\mathrm{\Δ}{f}_{\mathrm{int\; eger}}=\frac{1}{T_L}\·\underset{n}{\arg \max }{|\underset{m=1}{\overset{255}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{CDMA}\_L\·x^{\′}\left(m\right)e^{j2\mathrm{\πmn}/T_L}|}^2$

其中，CDMA_L是长同步符号的长度，n是频率扫描的索引，n的取值范围可为任意值；

步骤3：频率粗估计完成后，短同步符号所携带的系统参数信息可通过相应的解扩和解码得到；

步骤4：利用判决反馈的方法去除短同步序列中的数据调制，使得短同步序列可以作为后续精细估计的训练序列；

步骤5：利用短同步符号作为训练序列进行精细残余频偏的估计和I/Q不平衡估计。

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