地面數字電視符號與載波同步的FPGA實現

　　1 引言

　　中國于2006年8月頒布了數字電視的地面廣播標準GB20600-2006，成為繼美國ATSC、歐洲DVB-T、日本ISDB-T之后又一重要的地面數字電視廣播的國家標準。GB20600-2006中對中國數字電視地面傳輸(DigitalTerrestrial Television Broadcasting，DTTB)系統傳輸的幀結構、信道編碼和調制作了具體的規定。其中幀結構的基本單元——信號幀采用了循環擴展的時域幀頭結構，即在每3780個符號的幀體前加入一定長度的經循環擴展后的偽隨機序列作為幀頭，為系統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結構，利用已知的時域幀頭，聯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。同時對該結構進行了FPGA實現，以驗證其可行性和復雜度。

　　2 系統模型及基本算法介紹

　　2.1 國標系統的信號幀結構

　　國標系統的數據幀是一種4層結構，其中的信號幀是系統幀結構的基本單元。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，持續時間為500μs，包含了傳送的數據符號和一些系統信息。幀頭為m偽隨機序列(PN序列)，長度視系統采用的幀頭模式而定。幀頭的序列相對于接收端是已知的，因此可以用來實現接收機的同步和信道估計等算法。

　　幀頭部分的長度和內容在不同模式下有不同的規定，但總體結構是相似的。這里僅例舉模式1說明幀頭的結構。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成，前同步段和后同步段定義為PN255序列的循環擴展。

　　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，然后在相關的結果中尋找峰值。具體的實現結構見圖2。

　　由于國標系統的幀頭具有循環擴展結構，在存在多徑信道環境的情況下，幀頭信號與本地PN序列滑動相關的結果近似為信道的數字域等效的沖激響應。因此可以根據預先制定的規則，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結果給定一個門限，相關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，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所示的國標系統的幀頭中，PN序列的前后端分別加入了循環擴展。即每幀幀頭的第83～165個符號的區域A，與第338～420個符號的區域B發送的是相同的信號，同步模塊可利用這一循環結構估計載波頻偏。

　　假設接收信號為

　　式中：l表示第l幀的符號;n表示幀內的第n個符號;s是發端信號;△F是歸一化載波頻率誤差;N表示一幀的幀體符號數;Ns表示一幀的符號數。

　　A段幀頭符號和B段幀頭符號做互相關得

　　取共軛運算?；ハ嚓P的結果Rmiddle經過取角度運算，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，得到

　　式中：LEN表示相關窗的寬度;Ns=4 200。

　　2.3 傳統符號同步和載波同步算法的局限性

　　傳統符號同步方法主要利用了PN序列良好的自相關特性，本地PN序列與幀頭相關后會得到一個尖銳的相關峰，可以根據這一相關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序列的自相關特性會遭到破壞，相關峰的幅度衰落。載波偏差越大，相關峰的幅度衰落越明顯，因此較大的載波偏差可能導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