專利名稱：一種適用于中國數(shù)字電視地面廣播國家標準的同步方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種數(shù)字電視地面廣播的同步方法，特別涉及一種適用于中國數(shù)字電視地面廣播國家標準的同步方法。

背景技術：
中國數(shù)字電視地面廣播國家標準(以下簡稱DTTB國家標準)于2006年8月正式發(fā)布。該標準擁有自主知識產權，對于推動我國數(shù)字電視產業(yè)的發(fā)展具有深遠的意義。在該標準中，規(guī)定了中國數(shù)字電視地面廣播系統(tǒng)幀結構、信道編碼和調制方式。這些強制規(guī)定只是針對發(fā)射端的，而接收端的設計是完全開放的。
在接收端，首先要完成的工作就是同步，即找到信號幀的幀起始位置，以提取出幀頭進行信道估計，把幀體數(shù)據(jù)送入隨后的處理模塊。同步在數(shù)字通信系統(tǒng)中是很重要的環(huán)節(jié)，是接收端所有處理的基礎，同步的精確與否直接決定了隨后的信道估計，均衡以及信道解碼能否正常進行。
在DTTB國家標準中，規(guī)定了兩種相對比較獨立的信號傳輸模式，即多載波(采用OFDM技術)模式和單載波模式。其中多載波模式主要采用了OFDM技術，OFDM的正交特性能否得到保證很大程度上決定整個系統(tǒng)性能的優(yōu)劣，而收發(fā)雙方符號同步的好壞對系統(tǒng)的正交性有很大的影響。
在本發(fā)明之前，基于采用OFDM系統(tǒng)的同步技術很多，如最大似然估計，Robust檢測以及pmoose方法等等，但這些方法大多是利用插入導頻以及循環(huán)前綴來進行同步檢測，類似于DVB的幀結構。由于DTTB國家標準采用了全新的幀結構，在幀頭中用PN序列取代了DVB標準中的循環(huán)前綴(CP)和導頻信號，所以上述的同步方法不適用于DTTB國家標準。


發(fā)明內容
本發(fā)明的目的就在于解決現(xiàn)有技術的缺陷，設計、研究適用于中國數(shù)字電視地面廣播國家標準的同步方法。
本發(fā)明的技術方案是 一種適用于中國數(shù)字電視地面廣播國家標準的同步方法，其特征在于包括以下步驟 (1)符號同步 設定系統(tǒng)傳輸?shù)膸Y構中的PN頭采用的是中國數(shù)字電視地面廣播國標中的幀頭模式1；在接收端緩存165位接收到的PN序列，利用它與相隔255點開始的165位PN序列做相關，如(式1) (式1) 其中d為時間，x(n)為對應時間的符號信息； 然后計算出PN頭的平均功率R(d)，將P(d)除以R(d)得到M(d)，即M(d)＝P(d)/R(d)；找到M(d)的最大值對應的時刻即為符號頭T_syn，如(式2)所示 T_syn＝arg(Max[M(d)]) (式2) (2)頻率同步 在確定符號頭以后，在相隔255點的信息位上，存在一個2π*Δw*255/N的相位偏差；對于前綴165點的序列PN_front(n)和尾部的165點序列PN_end(n)，有如下關系 n＝1，2，...，165 (式3) 在此基礎上，求出符號同步時刻的對應相關峰值P_syn，如(式4) (式4) 然后對P_syn求相角Angle(P_syn)，即可估算出頻偏Δw，如(式5) (式5) 由于該方法中相關窗長度為255，而信號幀幀體長度為3780，所以該方法可估計頻偏范圍為-7.4～7.4。
本發(fā)明的優(yōu)點和效果在于 1.符號同步過程中，在接收端不需要產生本地PN序列，而是利用接收到的PN序列內部的一個類似的循環(huán)前綴結構進行估計，降低了系統(tǒng)的復雜度，并且通過檢測PN序列相關峰的位置，能夠準確地定位接收到的OFDM塊的起始位置。
2.僅僅利用一幀中的PN序列相隔255個點的相位關系，精確地估計出頻率偏移。頻偏估計范圍可以達到約±7.4，從而一步到位地糾正了整數(shù)頻偏和小數(shù)頻偏，并且直接利用符號同步過程中的結果，開銷小，運算簡單，在惡劣信道和低信噪比條件下能保持很好的可靠性。
本發(fā)明的其他優(yōu)點和效果將在下面繼續(xù)描述。



圖1——信號幀結構圖。
圖2——幀頭PN420序列結構圖。
圖3——滑動相關窗示意圖。
圖4——符號同步效果圖。
圖5——存在頻偏時的星座圖。
圖6——校正頻偏后的星座圖。
圖7——符號定時均方誤差效果圖。
圖8——頻偏估計均方誤差效果圖。

具體實施例方式 下面結合附圖和實施例，對本發(fā)明所述的技術方案作進一步的闡述。
在DTTB國家標準中，數(shù)據(jù)幀是一種四層的復幀結構，分為日幀、分幀、超幀和信號幀。其中，一個基本幀稱為信號幀，信號幀由幀頭和幀體兩部分組成，如圖1所示。信號幀是系統(tǒng)幀結構的基本單元，幀頭和幀體信號的基帶符號率相同(7.56Msps)。幀頭部分由PN序列構成，幀頭長度有三種模式。幀體部分包含36個符號的系統(tǒng)信息和3744個符號的數(shù)據(jù)，共3780個符號的OFDM塊。
根據(jù)幀頭模式1，該PN序列定義為循環(huán)擴展的8階m序列。可由一個Fibonacci型線性反饋移位寄存器實現(xiàn)，經過“0”到+1值及“1”到-1值的映射變換為非歸零的二進制符號。其幀頭長度為420個符號(PN420)，如圖2所示。通過觀察PN420序列，我們可以發(fā)現(xiàn)，它其實是由255個符號的8階PN序列轉變而來，然后通過將該序列的頭部83個符號復制到尾部，再把尾部82個符號復制到頭部，從而構成了420個符號的PN420序列頭。由此可見，該PN420序列頭部的165個符號和尾部的165個符號具有完全相同的信息，即在該PN序列內部具有一個類似的循環(huán)前綴(CP)的結構，把頭部和尾部的符號序列分別定義為PN_front(n)和PN_end(n)，n∈[1，165]。由于這兩段序列在發(fā)送端信息完全一致，所以在即使在接收端存在頻偏，也只是帶來一個相位偏差，并不影響符號同步的檢測與判決。
(1)符號同步 利用以上所述的PN420序列中類似的循環(huán)前綴(CP)的結構，在接收端緩存165位接收序列，并利用它與相隔255個符號開始的165位PN序列做相關，如(式1) (式1) 其中d為時間，x(n)為對應時間的符號信息。(式1)相當于兩個相隔255點的、長度為165的滑動相關窗，如圖3所示。由于PN序列具有尖銳的自相關特性，在對應的符號頭的同步點上會出現(xiàn)尖銳的峰值。所以在一定的定時度量準則下，當(式1)中的相關值達到最大時，可以判定該最大值對應的時間點為接收信號幀的起始位置，通過獲得該時間點，即可完成符號同步。
在這里采用的定時度量為M(d)＝P(d)/R(d)，其中R(d)為PN255序列的平均功率。由于PN255序列是收發(fā)雙方事先都已知的信息，所以可以先計算出R(d)，即可得到M(d)。最后，找到M(d)的最大值對應的時刻即為符號頭T_syn，如(式2)所示 T_syn＝arg(Max[M(d)]) (式2) (2)頻率同步 在符號同步的基礎上，來實現(xiàn)頻率同步，由于存在頻偏Δw，導致OFDM塊的正交特性被破壞，根據(jù)矢量相加的原理，進而會導致星座圖的彌散和旋轉。
根據(jù)PN序列的重復數(shù)據(jù)最大似然估計原則，在確定符號頭以后，在相隔255點的信息位上，存在一個2π*Δw*255/N的相位偏差。于是，對于通過符號同步過程后已經確定下來的PN420序列的頭部165個符號PN_front(n)和尾部的165個符號PN_end(n)，有如下關系 n＝1，2，...，165 (式3) 在此基礎上，對同步時刻T_syn對應的相關峰值P_syn，如(式4)所示 (式4) 然后對P_syn求相角Angle(P_syn)，即可以估算出頻偏Δw，如(式5)所示 (式5) 從而用于補償傳輸過程中幀體的頻率偏移，恢復OFDM塊各個子載波間的正交性。
由于以上過程中相關窗只相隔255個符號，而幀體OFDM塊的長度為3780個符號，因而它的頻偏估計范圍可以達到約±7.4，從而一步到位的糾正了整數(shù)頻偏和小數(shù)頻偏。
為了評價該同步方法的性能，對接收到的4幀信號進行符號同步，圖4為相關求和后的結果圖，可以發(fā)現(xiàn)，存在4個明顯的峰值點，這些峰值點對應的4幀信號的起始時刻，即符號同步點，驗證了通過符號同步過程可以準確地實現(xiàn)符號定時同步。
圖5為校正頻偏前的接收信號的星座圖，由于惡劣的信道環(huán)境帶來的頻偏Δw，導致OFDM塊的正交特性被破壞，根據(jù)矢量相加的原理，進而會導致星座圖的彌散和旋轉，如圖5所示。圖6為校正頻偏后的接收信號的星座圖，可以發(fā)現(xiàn)，通過該過程估計出頻偏Δw并對幀體OFDM塊各子載波頻率進行補償，使得星座圖恢復到信號發(fā)送時的狀態(tài)。
圖7和圖8分別符號定時均方誤差和頻偏估計均方效果圖。每張圖上的兩條曲線分別代表加性高斯白噪聲信道(AWGN)下和多徑信道(此處為U1多徑信道)下的均方誤差?？梢园l(fā)現(xiàn)即使在低信噪比的條件下，通過該同步方法，也可以獲得較低的符號定時和頻偏估計偏差，從而有效地實現(xiàn)符號同步和頻率同步。
權利要求
1.一種適用于中國數(shù)字電視地面廣播國家標準的同步方法，其特征在于包括以下步驟
(1)符號同步
設定系統(tǒng)傳輸?shù)膸Y構中的PN頭采用的是中國數(shù)字電視地面廣播國標中的幀頭模式1；在接收端緩存165位接收到的PN序列，利用它與相隔255點開始的165位PN序列做相關，如(式1)
(式1)
其中d為時間，x(n)為對應時間的符號信息；
然后計算出PN頭的平均功率R(d)，將P(d)除以R(d)得到M(d)，即M(d)＝P(d)/R(d)；找到M(d)的最大值對應的時刻即為符號頭T_syn，如(式2)所示
T_syn＝arg(Max[M(d)])(式2)
(2)頻率同步
在確定符號頭以后，在相隔255點的信息位上，存在一個2π*Δw*255/N的相位偏差；對于前綴165點的序列PN_front(n)和尾部的165點序列PN_end(n)，有如下關系n＝1，2，...，165(式3)
在此基礎上，求出符號同步時刻的對應相關峰值P_syn，如(式4)
(式4)
然后對P_syn求相角Angle(P_syn)，即可估算出頻偏Δw，如(式5)
(式5)
由于該方法中相關窗長度為255，而信號幀幀體長度為3780，所以該方法可估計頻偏范圍為-7.4～7.4。
全文摘要
本發(fā)明提出了一種適用于中國數(shù)字電視地面廣播國家標準的同步方法。該方法根據(jù)該標準中的信號幀幀頭PN序列良好的自相關特性以及類似循環(huán)前綴的結構的特征，直接進行符號同步，而無需在接收機本地產生PN序列。在此基礎上再利用相隔固定長度的PN序列段相位偏差固定的特性，估計出頻率偏移，從而一步到位地糾正整數(shù)頻偏和小數(shù)頻偏，實現(xiàn)了頻率同步。本發(fā)明使數(shù)字電視系統(tǒng)接收端的同步模塊具有符號起始位置定位準確、復雜度低、運算簡單，在惡劣信道和低信噪比條件下能保持很好的可靠性。
文檔編號H04L27/26GK101588333SQ200810024969
公開日2009年11月25日 申請日期2008年5月22日 優(yōu)先權日2008年5月22日
發(fā)明者力 趙, 昕 魏, 華 余, 鄒采榮 申請人:力 趙