地面數(shù)字電視符號與載波同步的FPGA實現(xiàn)

　　1 引言

　　中國于2006年8月頒布了數(shù)字電視的地面廣播標準GB20600-2006，成為繼美國ATSC、歐洲D(zhuǎn)VB-T、日本ISDB-T之后又一重要的地面數(shù)字電視廣播的國家標準。GB20600-2006中對中國數(shù)字電視地面?zhèn)鬏?DigitalTerrestrial Television Broadcasting，DTTB)系統(tǒng)傳輸?shù)膸Y(jié)構(gòu)、信道編碼和調(diào)制作了具體的規(guī)定。其中幀結(jié)構(gòu)的基本單元——信號幀采用了循環(huán)擴展的時域幀頭結(jié)構(gòu)，即在每3780個符號的幀體前加入一定長度的經(jīng)循環(huán)擴展后的偽隨機序列作為幀頭，為系統(tǒng)提供同步和信道估計。本文提出一種接收機同步算法的實現(xiàn)結(jié)構(gòu)，利用已知的時域幀頭，聯(lián)合進行幀同步和載波同步，減少了載波偏差對符號同步的干擾。同時對該結(jié)構(gòu)進行了FPGA實現(xiàn)，以驗證其可行性和復(fù)雜度。

　　2 系統(tǒng)模型及基本算法介紹

　　2.1 國標系統(tǒng)的信號幀結(jié)構(gòu)

　　國標系統(tǒng)的數(shù)據(jù)幀是一種4層結(jié)構(gòu)，其中的信號幀是系統(tǒng)幀結(jié)構(gòu)的基本單元。如圖1所示，它包含幀體和幀頭2個部分。幀體部分有3 780個符號，持續(xù)時間為500μs，包含了傳送的數(shù)據(jù)符號和一些系統(tǒng)信息。幀頭為m偽隨機序列(PN序列)，長度視系統(tǒng)采用的幀頭模式而定。幀頭的序列相對于接收端是已知的，因此可以用來實現(xiàn)接收機的同步和信道估計等算法。

　　幀頭部分的長度和內(nèi)容在不同模式下有不同的規(guī)定，但總體結(jié)構(gòu)是相似的。這里僅例舉模式1說明幀頭的結(jié)構(gòu)。在模式1中，幀頭長度是420個符號，由一個83個符號長度的前同步段、一個PN255序列和一個82個符號長度的后同步段構(gòu)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(tǒng)中，常用的符號同步算法是將接收信號與本地PN序列時域相關(guān)，然后在相關(guān)的結(jié)果中尋找峰值。具體的實現(xiàn)結(jié)構(gòu)見圖2。

　　由于國標系統(tǒng)的幀頭具有循環(huán)擴展結(jié)構(gòu)，在存在多徑信道環(huán)境的情況下，幀頭信號與本地PN序列滑動相關(guān)的結(jié)果近似為信道的數(shù)字域等效的沖激響應(yīng)。因此可以根據(jù)預(yù)先制定的規(guī)則，選擇其中的一條多徑作為開窗位置的參考徑。通常的做法是針對相關(guān)結(jié)果給定一個門限，相關(guān)值超過門限的第一條多徑作為開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窗范圍內(nèi)，減少符號間干擾(ISI)，同時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(tǒng)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個符號的區(qū)域A，與第338～420個符號的區(qū)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(jié)構(gòu)估計載波頻偏。

　　假設(shè)接收信號為

　　式中：l表示第l幀的符號;n表示幀內(nèi)的第n個符號;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(shù);Ns表示一幀的符號數(shù)。

　　A段幀頭符號和B段幀頭符號做互相關(guān)得

　　取共軛運算。互相關(guān)的結(jié)果Rmiddle經(jīng)過取角度運算，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(tǒng)符號同步和載波同步算法的局限性

　　傳統(tǒng)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)后會得到一個尖銳的相關(guān)峰，可以根據(jù)這一相關(guān)峰的位置來定位幀頭。但當接收信號存在較大的載波偏差時，PN序列的自相關(guān)特性會遭到破壞，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(dǎo)致同步模塊無法精確地定位幀頭位置。

　　對于載波同步模塊，由公式(2)可見，為得到唯一歸一化載波偏差估計