（通信与信息系统专业论文）dab同步技术的研究与实现.pdf

丝塞奎鎏厶堂亟堂也j 金奎虫毫垴墨 中文摘要 摘要：本文介绍了数字音频广播的发展历史及现状，并以e u r c k a l 4 7 d a b 标准作 为i ； 提和基础，总结出一套关于o f d m ( 讵交频分复用) 系统的同步方案并进行 d s p 实现。主要理论涉及：符号定时同步技术，载波频率同步技术和采样钟同步 技术三个方面。关于符号定时同步问题，本文从时域符号定时粗同步和频域符号 定时细同步两个方面出发，分析了具有代表性的一些o f d m 系统的符号定时同步 算法，指出了其存在的不足并提出了改进的适用于e u r e k a l 4 7 d a b 系统的同步算 法。对于载波频率同步问题，本文对小数倍频率偏移和整数倍频率偏移分别进行 了讨论并提出一种新的小数倍频率偏移细估计方法。对于采样钟同步问题，本文 对采样钟偏移的影响进行分析，并对e u r e k a l 4 7 d a b 系统的采样钟同步算法做了 详细的阐述。最后，通过对各种同步算法进行详细的理论验证和m a t i a b 仿真，归 纳出一套适用于e u r e k a l 4 7 d a b 接眨机的同步方案，并对该方案在通用d s p 丌发 平台中实现的具体过程做了详细的说明。 关键词：e u r e k a l 4 7 d a b ；o f d m ；d s p ；符号定时同步：载波频率同步：采样钟同步 分类号：t n 9 2 9 5 e 巫銮堑厶堂亟堂位论室旦工b i a b s t r a c t a b s t r a c t ：i nt h i sp a p e r , w ef i r s tx f i t r o d u c et h eh i s t o r ya n dd e v e l o p m e n to fd i g i t a l a u d i ob r o a d c a s t i n ga n dp r e s e n tad e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fs y n c h r o n i z a t i o nf o r o f d m ( o r t h o g o n a lf r e q u e n c y d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) s y s t e mb a s e do ne u r e k a l 4 7 d a b s t a n d a r d w ed e s c r i b et h es y n c h r o n i z a t i o nt e c h n i q u ei ns e v e r a lk e y si n c l u d i n gs y m b o l t i m i n g ，c a r r i e rf r e q u e n c yo f f s e te s t i m a t i o na n ds a m p l i n gc l o c ko f f s e te s t i m a t i o n f o r s y m b o lt i m i n gs y n c h r o n i z a t i o nt e c h n i q u e s ，w ef i r s ts t u d yt h ei n t e r f e r e n c ec a u s e db y c o a r s es y m b o lt i m i n go f f s e ta n df i n es y m b o lt i m i n go f f s e t ，f u r t h e r m o r e ，a n a l y z es o m e t y p i c a la l g o r i t h m s a f t e ri n d i c a t e dt h e i rd e f i c i e n t ，ai l g wa l g o r i t h m sf o re u r e k a l 4 7 d a b a r ep r e s e n t e d f o rc a r r i e rf r e q u e n c yo f f s e ts y n c h r o n i z a t i o nt e c h n i q u e s ，s o m ee f f e c t c a u s e db yf i n ec a r r i e rf r e q u e n c yo f f s e ta n di n t e g e rc a r r i e rf r e q u e n c yo f f s e th a v eb e e n p o i n t e do u tt h r o u g hs i m u l a t i o na n da n a l y s i s ，a n dan e w f i n ec a r r i e rr e c o v e r ya l g o r i t h m i sp r o p o s e d f o rs a m p l i n gc l o c ks y n c h r o n i z a t i o n ，t h ee f f e c t so fs a m p l i n gc l o c ko f f s e to n s y s t e mp e r f o r m a n c ea r ea n a l y z e d 、v i t hc o m p u t e rs i m u l a t i o nr e s u l t s a n dt h et r a d i t i o n a l s a m p l i n g c l o c ks y n c h r o n i z a t i o n ，1 ：。一t h i n si s e x p a t i a t e d a b o v ea l l ，t h r o u g h a c o m p r e h e n s i v ed e s c r i p t i o na n dm a t l a bs i m u l a t i o n ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e saw h o l e s y n c h r o n i z a t i o n s c h e m es u i tf o r e u r e k a l 4 7 d a b ，a n dd i s c u s s e st h eh a r d w a r e a c t u a l i z i n gw i t l ld s p o ng e n e r a lh a r d w a r ep l a t f o r m s k e y w o r d s ：e u r e k a l 4 7 d a b ；o f d m ；d s p ；s y m b o lt i m i n gs y n c h r o n i z a t i o n ；c a r r i e r f r e q u e n c ys y n c h r o n i z a t i o n ；s a m p l i n gc l o c ks y n c h r o n i z a t i o n c l a s s n o ：t n 9 2 9 5 韭塞奎道厶堂亟堂焦j 金塞幽耋 日基 图表目录 图2 1o f d m 系统调制解调部分基本模型框图4 表2 1d a b 传输模式6 图2 2d a b 传输帧结构7 图2 3o f d m 基带信号调制器原理1 0 图2 4o f d m 解调框图一1 0 图3 1定时估计相对于频偏的均方差1 5 图3 2m l 联合估计1 6 图3 3 频率偏移和符号定时偏移估计的误差1 7 图3 4 整数倍频偏估计1 8 图3 5 整数倍频偏判决为0 的概率1 8 图3 6 小数倍频偏估计跟踪的过程2 1 图3 7 小偏估计方差比较2 l 图3 8 被多径破坏的0 f d m 符号2 2 图3 9 高斯信道符号定时偏移对误码率的影响一2 2 表3 ，l 多径信道模型一2 3 图3 1 0 瑞利平坦衰落信道和莱斯频率选择性信道下定时偏移估计情况2 4 表3 2 e u r e k a - 1 4 7d a b 模式i 中h 与i ，i ，k 。以及”的关系2 6 图3 11传统的符号估计算法在高斯信道和瑞利信道情况下的估计情况2 7 图3 1 2 本文提出的符号估计算法在高斯信道和瑞利信道情况的估计情况2 7 表3 3 本文提出的算法与传统的算法在d a b 标准中的运算复杂性比较2 8 图3 1 3d q p s k 星座图。2 9 图3 1 4o f d m 符号中的定时误差3 0 图3 1 5 采样钟同步框图二3 2 图3 1 6 随频偏慢变的m s e 和p p e 3 3 图3 1 7 多径信道下的m s e 和p p e 3 3 图3 1 8d a b 接收机结构图3 4 图3 1 9d a b 系统接收端误码率性能3 5 图4 1c 6 4 1 6 td s k 丌发板模块结构图3 7 图4 2 使用d s p b i o s 进行系统设置3 9 图4 3 接收机基带程序执行流程图4 0 图4 4d a b 同步系统的实现流程图4 0 ；笠堑厶：王 亟l士色逵 童幽矗l i! 虐 h 4 5 旧步f 奠块执行流群陶4 1 i 墨| 4 , 6 ：级缓i q ，i x 构图4 2 图4 7 小数倍频率孝n i l 可步于符号睾n 同步联合估计流稃罔一4 4 陶4 8 m l 算法实现结构陶一4 5 图4 9 m l 估计模块滑动窗结构图一4 5 图4 1 0m l 估计算法的d s p 实现4 7 图4 1 l整数倍频偏估计流程图4 8 图4 1 2 整数倍频偏的d s p 实现4 9 图4 1 3 同步跟踪过程流程图5 0 图4 1 4c o r d i c 算法坐标示意图5 l 图4 1 5 传统符号细同步估计算法的d s p 实现结果5 3 图4 1 6 本文提出的符号细同步估计算法的d s p 实现结果5 4 图4 1 7d a b 同步系统的d s p 实现结果5 7 学位论文版权使用授权书 本学位论文作栉先伞了解北京交通大学有天保留、使用学化论文的觇定。特 授权北京交通人学可以将学何论文的伞部或部分内容编入自r 天数掘库进行检索， 并采用影印、缩印或 描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向囡 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：芥匆l v t 凡 签字r 期：9 9 1 年f 1 月；6 闩 签字r 期：) 帕诲 些塞至重厶堂亟蝗鲎缱j 金塞毡剑焦庄盟 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他入已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：柄红呻咀签字只期：一，1 年，2 月，台只 6 7 致谢 本论文的工作是在我的导师姚冬节副教授的悉心指导下完成的，姚冬节副教 授严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三 年来姚冬节老师对我的关心和指导。 姚冬苇副教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都 给予了我很大的关心和帮助，在此向姚冬节老师表示衷心的谢意。 姚冬节副教授对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示 衷心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，李文亮、高爱琴、张博、张扬军、逯春蕊等 同学对我论文中的各项研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢家人父亲、母亲，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我 的学业。 些壅窑堑厶堂亟堂位迨塞 序 本课题针对d a b 接收机中o f d m ( 正交频分复用) 系统的同步方案做了深入 的研究并对其进行硬件实现。在算法上主要涉及：载波频率同步技术，符号定时 同步技术和采样钟同步技术三个方面。通过阅读大量文献并仿真，在深入理解各 种同步算法的基础上提出一些改进算法，并总结出一套完整的e u r e k a l 4 7 d a b 接 收机的同步方案。在硬件实现方面，采用以d s p 为核心的软件无线电平台。 课题受国家自然科学基金项目“高速铁路智能交通综合信息系统与关键技术 的研究”支持，项目号为：6 2 3 3 2 0 2 0 。 业 峦銮追厶翌亟堂焦j 佥奎i l蛊 1 1 课题提出及其意义 1 引言 音频广播是目前应用最广泛的电子媒体之一，在全世界范围内拥有数十亿接 收群。自从1 9 2 0 年早期诞生以来a m 和f m 音频广播服务就一直是主要的广播方式。 在过去的几十年中它们曾以最好的声音广播质量受到欢迎。但是，这种模拟的窄 带传输方法的主要问题就是对多径传播缺乏抵抗能力。尤其在移动接收时，由于 无线电信道的频率选择性和时间选择性，多径传播会产生严重的衰落现象，大大 的降低了接收质量。 为了改进现有广播的技术质量，虽然采用了不少新的方法和技术，也收到了 一定的成效、但都有一定的局限件j 并不能彻底改现有广播的固有弱点，人们从 理论和实践中已经认识到，现在的模拟方式的广播已经没有进一步根本改善的可 能性，己经到达技术革新的极限。 随着我们进入数字时代，我们希望数字时代的广播能拥有高品质的声音质量 ( c d 音质) ，数目众多的节目，同时拥有可便携的微型接收设备，不会因为传播而 出现广播质量下降的现象。目前的模拟a m 和f m 音频广播系统显然己经不能满足 这些要求，这时就迫切需要一种全新的适合未来数字时代需求的广播形式出现。 在这种背景下d a b 进入了人们的视野。 d a b 是以数字技术为手段，由广播机构向移动、固定或便携式接收机传送高 质量的声音节目和数据业务。d a b 除了声音信号外，也可传送任何形式的数据信 号，如广播电文、静止画面、计算机程序等，甚至可以对移动的t v 接收机传送电 视节目。 d a b 技术是欧洲丌发的，于1 9 8 6 年提出该项目，b p e u r e k a 1 4 7 d a bp r o j e c t ， 在经过4 年的研究和发展并不断改进后，d a b 已是一项成熟的技术，并经标准化后， 于1 9 9 5 年秋在英国和瑞典币式投入使用。整个欧洲d a b 频率分配任务己经完成；对 d a b 推广应用起决定作用的用户终端设备的丌发和生产，也以惊人的速度发展；设 备功能越来越齐全、体积越来越小，同时价格越来越适中。 e u r e k a 1 4 7 d a b 于1 9 9 5 年标准化，标准规范为e t s 30 0 40 1 ，是迄今唯一被i t u ( 国际电信联盟) 推荐的系统。除了欧洲外，在世界上其他一些国家和地区也得 到了一定的发展。d a b 在加拿大和亚溯的新加坡和香港、台湾地区也得到了应用。 我国广播科研部门一直在跟踪国际d a b 的发展动向，积极参与d a b 的科研 e塞銮堑厶堂亟 堂 垃i 金毫i吉 活动。经过多年的努力，我国在d a b 节目制作、播出、传输、网络规划、制式标 准及相关硬件领域，取得了一大批研究成果。在中国，随着数字广播市场的r 益 兴起，国外各大厂商种类繁多的数字广播接收机大举进入中国市场。对于中国这 样一个潜在的庞大的市场来说，我们必须开发出拥有自主知识产权，较好的性价 比，满足消费者个性化、多样化需求的d a b 接收机来保护和促进相关民族产业的 发展。 随着器件工艺的不断改进，生产成本的不断降低，软件无线电的设计思想因 其通用性、开放性、灵活性和标准化的特点，日益受到人们关注。目前d s p 器件 在性能上得到了不断的提高，其毅韬处埋速度也已经能够满足d a b 系统的运算复 杂性和系统实时性的要求。而且，利用软件无线电技术，能够充分实现系统的灵 活性和可复用性，性价比很高，不失为d a b 系统的一种实现方案。本论文的主要 内容是基于软件无线电设计思想，利用以t m s 3 2 0 c 6 4 1 6d s p 为核心的硬件平台实 现经过适当简化了的d a b 单信道接收机，并重点讨论和分析了在接收系统中的同 步方案的实现。 1 2 本文的主要工作 本文主要研究e u r e k a - 1 4 7 d a b 系统中o f d m 解调方案的同步算法及其d s p 实现。论文的结构安排如下： 第2 章对o f d m 的基本原理进行分析，描述了e u r e k a - 1 4 7 d a b 的传输模式、 帧结构以及系统的调制解调方案。 第3 章详细讨论了o f d m 系统卞芒：各种同步算法。该部分的创新点包括：对于 符号同步提出了一种基于模拟导频的符号同步细估计算法。该算法根据相位参考 符号的生成特点，将其中若干个等距离的相同点当作导频，并借鉴d v b 系统基于 导频的符号同步算法完成d a b 系统的符号同步估计。通过仿真证明了该算法在达 到与传统算法相同估计精度的基础上大大的缩短了算法的执行时问，使得该算法 具有重要的现实意义。对于频率同步设计出一套基于d a b 的频率捕获和跟踪方案， 使得频率偏差不管是急剧变化还是缓慢变化都能够得到较好的估计性能。此外， 提出了一种基于相位参考符号的在时域执行的小数倍频偏细估计算法，通过仿真 证明，该算法在高斯和瑞利信道下都能够得到良好的性能。 第4 章描述了e u r e k a 1 4 7 d a b 系统接收端的硬件平台，将整个同步系统的实 现过程分为捕获和跟踪两个过程，详细阐述了各子模块实现的具体步骤，并对于 d s p 丌发中需要注意的诸如缓冲区设置、定点数运算的处理、动念数据流的接收 以及系统实时性分析等关键问题提出了解决方案。 e 峦窑蕉厶堂亟堂缱盈塞堑主置翅：搔曼41 k ：! 2 q 旦丕统简金 2 数字音频广播e u r e k a - 1 4 7 d a b 系统简介 2 1o f d m 技术简介 o f d m ( o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 技术的应用可以追溯到 本世纪六十年代，主要用于军事高频通信系统，例如k i n e p l e 、a n d e f t 及 k a t h r y n 等等，文献在当时奠定了o f d m 系统的理论基础。但当时o f d m 系统的结构非常复杂，从而限制了其进一步推广；直到七十年代，人们提出了采 用离散傅立叶变换来实现多个载波的调制，简化了系统结构，才使得o f d m 更趋 于实用化；八十年代，研究的重点放在了如何将o f d m 技术应用于高速m o d e m 中：进入九十年代以来，对o f d m 技术的研究深入到宽带无线信道的数据传输领 域。在高速( 宽带) 无线应用环境下，0 f d m 具有抗多径、频谱利用率高等技术 优势，并且进一步完善系统性能的新技术也已经r 趋成熟，目酊己被广泛地应用 到民用通信系统当中。 o f d m 现己被多个标准所采纳。如欧洲地面数字视频广播d v b t 1 2 】( t e r r e s t r i a l d i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t i n g ) 标准，数字音频广播d a b t m ( d i g i t a la u d i ob r o a d c a s t i n g ) 标准，r 本综合业务地面数字广播i s d b t 1 4 j l 纠( t e r r e s t r i a l i n t e g r a t e ds e r v i c e s d i g i t a l b r o a d c a s t i n g ) ，用于高速数据传输的数字用户线x d s l ( d i g i t a ls u b s e r i b e rl i n e ， 包括非对称、高速、超高速数字用户线：a d s l 、h d s l 、v d s l ) 1 6 j 【7 1 ，高速无线 局域网标准、e t s i 的h i p e r l a n 2 1 8 】【9 】及i e e e8 0 2 1i t l 0 1 。还有多媒体无线业务，如 r 本的m m a c ( m u l t i m e d i am o b i l ea c c e s sc o m m u n i c a t i o n s ) 等等。在i e e e8 0 2 1 6 3 标准l 中，o f d m 技术还被应用于固定无线接入f w a ( f i x e dw i r e l e s sa c c e s s ) 系 统。不仅在无线方面，在有线电视c a t v 中也采用了o f d m 技术f l “。随着对o f d m 技术研究的深入，出现了应用于不同环境、性能更为优越的o f d m 技术各种变形 形式，如o f d m a ( o f d ma c c e s s ) 、矢量v o f d m i ”j ( v e c t o ro f d m ) 、宽带 w o f d m i l 4 j ( w i d e b a n do f d mj 以及o f d m 和c d m a ( c o d ed i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s ) ，t d m a ( t i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) ，f d m a ( f r e q u e n c yd i v i s i o n m u l t i p l ea c c e s s ) 等技术结合的r - o f d m ( r a n d o m i z e do f d m ) 1 5 1 , o f d m 和小 波理论结合的w a v e l e t o f d m 等等。总之，o f d m 技术展现出广阔的应用前景， 愈来愈成为通信研究人员关注的核心技术。 0 f d m 是种多载波调制方式，其基本思想是把高速率的信息流通过串并变 换，使其速率变为原来的i n ，并调制到相应的n 个相互j 下交的子载波中，将每个 子载波的己调信息在时域上迭加即得发射信号。o f d m 系统中经过调制的数据可 表不为： n - i j ( f ) = ( f ) p 2 硼 ( 2 1 ) n - - o 其中正= 厶+ n a f 为第肝个载没的载波频率，设_ ( ，) 为分配给每个子载波 的信息，并在一个采样周期内为定值，其采样周期为一个信源( q a m d q p s k ) 符号 的周期z ，则有 s ( k l ) = x n e 删矗+ 蝉峨 ( 2 2 ) 一个o f d m 符号周期中含有个采样点，即瓦= 仉。令五= o ，则 s ( k l ) = 矗p 口榔 ( 2 3 ) = 0 将o f d m 调制信号的表达式与i d f t 的计算公式 一l s ( 七) = 工( 聍) - p 2 “” ( 2 4 ) 相比较，可以看出若把o f d m 信号的频域采样点看成式( 2 4 ) 中的x ( n ) ，子载波间 隔a f = 1 n t , = l l ，且l l = 1 n ，式( 2 3 ) 则可以表示为式( 2 4 ) 的形式。由此 可知，若选择载波频率日j 隔为1 l ，则o f d m 信号不但保持了币交性，而且可以 用i d f t 来定义。接收端只需用d f t 就可恢复原始信号矗。其表达式为： n l 茗( 以) = s ( k ) e 叫” ( 2 5 ) k - - o 由于o f d m 的基带调制方法可等效为离散傅罩叶变换，因此可以认为数据的 编码映射是在频域进行，经过i f f t 转化为时域信号发送出去，接收端通过f f t 恢 复出频域信号。在图2 1 中给出了o f d m 系统调制解调部分的基本模型。 = _ 吨卜蛔二= - 4 ”嗖 悯二k 3 叫毯h 牛并 皿卧 并水 变换 + 变换 一h 0 ，古：二斗 _ 阻一 图2 1o f d m 系统调制解调部分基本模砸框幽 f i g2 1 o f d ml ：! 6 ! ：ra n dd e m o d u l a t i o nd i a g r a m o f d m 采用f f t 和i f f t 来实现调制和解调，可以很容易的采用d s p ( 数字信号处 理) 来实现。利用添加循环前缀可抗多径， 波系统不具备的优点。对于单载波系统， 降低i s i 和i c i ，使得o f d m 具有很多单载 要降低i s i 必须采用多级均衡器，但存在 ：j 丛尘埋厶尘丝l j ! ! 丘塞 丝土i j 业! 亟垦! ! 4 ：! 璺! 堕堕亟纽曲 收敛和复杂r j ：高等叫题：j 见，0 f 1 ) m 技术1 i 管足杓：系统的性能f ：还是吱脱n 勺复杂 度f i 郁l 绛超过了单载波技术。 o f d m 突出的技术优势 要体现往以卜j 几方而： ( i ) 频谱利玎】率高。在传统的并行传输系统中，整个带宽经分割后被送到f 信 道中，各子信道频带之问严格分离，接收端通过带通滤波器滤除带外的信号束接 收每个予信道卜的数据这种方法最大的缺点是频谱利用率很低，造成频谱浪费。 而在o f d m 系统中各个子信道的载波相互正交，它们的频谱相互重叠，这样不但减 小了子载波闯的相互干扰，同时义矍寰了频谱利用率。 ( 2 ) 系统实现比较简单。在发送端采用了快速傅立叶反变换( i f f t ) ，把频域的 调制数据转化为时域的信号发送出去，在接收端，通过快速傅立叶变换( f f t ) 把接 收到的时域信号转化为频域信号，然后进行判决解调，恢复频域的调制信息，采 用f f t 技术大大降低了o f d m 实现的复杂度，而以往的o f d m 的实现则需要多个调 制解调器，电路复杂度高。采用f f t 技术，可以决速的实现调制与解调，而且电路 也变得十分简单，近年来，随着数字信号技术的迅速发展，d s p 芯片的运算能力越 来越强，更进一步推动了0 f d m 技术的发展。 ( 3 ) 可以有效地对抗符号日j 干扰和突发噪声。o f d m 系统采用多个正交的子载 波并行传输数据，将速率很高的数据流经过串并变换后，调制到各个子载波上进 行并发传输，这样在每一路上的数据速率大大降低了那么在衰落信道中所受到 的i s i 干扰就相对小多了，此外，o f d m 采用了添加保护日j 隔的方法。即复制0 f d m 符号最后面的若干采样点到最i i 面，这样可以有效的抵抗多径衰落的影响，适用 于多径环境和衰落信道中的高速数据传输。 但由于存在多个币交的f 载波，而且其输出信号是多个子信道的叠加因此 与单载波系统相比，0 f d m 系统存在如下缺点： ( 1 ) 插入保护间隔虽然可以在很大程度上消除i s i 和i c i 所造成的影响，但由于 引入了冗余信息使得信息传输速率有所下降。 ( 2 ) 由于子载波的频谱相互重迭，使得o f d m 系统对频率的偏差格外敏感，因 此频率同步技术就成为了o f d m 的一项关键技术，也是我们在下面的章节中需要重 点研究的问题。 ( 3 ) 由于o f d m 的调制信号是多个载波在时域上的迭加，使得某些采样点可能 是多个单载波信号的波峰值的迭加而某些点也可能是波谷值的迭加。这样会导 致o f d m 符号具有较大的峰均功率比( p a p r ) 从而对发射机放大器的线性设计提 出了很高的要求，否则会使信号发生畸变，产生干扰，从而导致系统性能恶化。 2 2e u r e k a 1 4 7 d a b 系统传输方案 垃盔堑厶望亟璺建j 金塞 瑟主盍额 ：搔量9 1 k ：l4 2 q 堡丕统筮企 2 2 id a b 的传输模式 d a b 系统是传统音频广播方式的种革新，一个主要方面就是体现在对多种 业务的支持。d a b 能支持多种音频业务，如单声道、双声道、立体声、联合立体 声等等。在多语言合成、多声道应用中能发挥传统音频广播方式难以企及的作用。 d a b 系统帧结构的组织方式使得它还可以扩展数据服务，包括流模式数据业务和 包模式数据业务。流模式的数据业务用于对实时性要求比较高的场合，其实，音 频业务也属于流模式的业务。流模式数据在c i f 帧中占用的空间基本是稳定的， 而包模式的数据服务则不同，它随着实际业务的变化而在大小、种类和位置上都 比较频繁的变化，不断被重排和组装。正是这种灵活的方式，在很大程度上适应 了实际应用中数据业务多样性的特点。 d a b 系统的调制方式采用o f d m 技术( i f 交频分复用) ，o f d m 技术出现比较 早，但只在信号处理技术高度发展和。f f t ( 快速傅立叶变换) e , f f 出现之后才逐渐进 入实用阶段。编码数据流经过时域和频域交织，然后调制在多个低速率的证交子 载波上，使系统具有抵抗信道多径干扰的能力，可以用于移动广播。子载波调制 采用d q p s k 影射方式。正是出于o f d m 良好的抗多径性能，使得构建d a b 单频 网成为可能。 欧洲丌发d a b 时，提出过以下要求：可工作在3 0 m h z 3 g h z 的频率范围：最高可 以承受的移动速度达虱j 2 0 0 k m h ；能强有力对抗多径接收产生的衰落。然而事实表 明，由于物理条件的限制，用一个固定的传输模式去涵盖所有频率范围，并满足 其要求是不可能的。因此，e u r e k a - 1 4 7 d a b 规定了工作于不同频段的四种传输模式， 如表2 1 所示。 表2 1d a b 传输模式 f i g2 1 d a bt r a n s m i s s i o nm o d e 参数模式i模式l i模式i i i 模式 子载波数k 1 5 ：53 8 41 9 27 6 8 子载波问隔( k h z ) 1 482 帧周期n ( m s ) 9 62 42 44 8 码元周期z ，( u s ) 1 0 0 02 5 01 2 5 5 0 0 保护间隔a ( u s ) 2 4 66 23 11 2 3 每帧符号数 7 67 61 5 37 6 信号带宽( m h z ) 1 5 3 61 5 3 61 5 3 61 5 3 6 最高射频频率( m h z ) 3 7 51 5 0 03 0 0 07 5 0 使用范围地面广播 卫星地面卫星广播地面广播 6 ! 窑坦厶至堂l i ：i ! ! 迁生塑直些垴! 三h ! k i ：! 兰! 堕竖垂纽曲尘 从表- - 可以看h ：f ；莆铒种模式部安排了 同的带宽，即l5 3 6 m ! t z ，“载 波隔加大时，通过减少载波总数水满足。“j 然，符模式4 i 例的载波数也影响 各自的特性。载波总数越多，信道的频率选择住对系统造成的影响就越小，w 为 在载波数掘比较多而总的信息昔相i 亓j 的情况f 与一个载波发，士衰落时，仪丢失很 少的信息。 2 2 2d a b 的传输帧与调制解调器 d a b 传输帧由三部分组成：同步信道、快速信息信道( f i c ) 和主业务信道 ( m s c ) 。其结构如下图2 3 ： n u l l 杆。j i 啊t 俯参与杓 f c 价；吐m s c 价进 7 ； 幽2 2d a b 传输帧结构 f i 9 22 d a bf r a m es t r u c t u r e 同步信道山每帧的头两个符号组成，即零符号和相位基准符号，它们的任务 是使接收机有可能对d a b 信号，特别是对它的帧积符号结构同步：在同步信道后 面，是快速信息信道。使用f i c 的符号，主要是传输控制信息和解码信息。它们 主要包含关于d a b 复合的信息及在其中所包含的业务和节目的信息。只有在对 f i c 计值之后，接收机爿可以对真正的有用数据进行解码：主业务信道是用来传送 真诈的有用数据。即传送d a b 信号群的声音节目和数韬业务。主业务信道是时间 交织的数据信道，分成一定数量的子信道分别卷积编码，具有均匀和不均匀差 错保护。每个子信道可以传送不同业务成分，子信道的组织和业务成分被称为复 合结构。 d a b 传输帧划分成若干个o f d m 符号，第一个o f d m 符号是零( n u l l ) 符 号，持续时日j 为。其余o f d m 符号持续时问均为e 。d a b 的o f d m 符号主 信号公式为： f ) = r e p 2 一z 。g k s 【一m l 一“。一( i - i ) t d ( 2 ，1 4 ) 其中： 一 鼬也枷。r e c t ( t t o 扣f o 簋i 亿 凰2 协枷，：l 厶 为每帧包含o f d m 符号的数目；k 为载波数；r 为帧周期：n 为n u l l 符号持续时州：r 为每o f d m 符号持续时问；瓦为载波闯隔的倒数；为保护问 匙巫至墟厶堂亟堂垃i 幺塞堑主童题：搔星g k 4 ：! 2 q 旦丞筮楚金 隔； z “表示第m 个传输帧中的第1 个o f d m 符号的第k 个载波对应的d q p s k 符号；f 为载频。 下面具体介绍d a b 传输帧结构以及o f d m 调制器主要模块的实现： 1 同步信道 同步信道包含两个o f d m 符号。第一个符号是零符号，在此期间，不发送载 波或者仅发送若干个载波( 传送发射台识别信息t i i ) ，该符号的功率明显低于其 它的o f d m 符号。因此，接收机俭测功率分布的低值位置，就可以粗略谚 别出一 个帧的丌始：同时在零符号期i 日j 也可以传输发射台识别信息( t i i ) 。为此，每个 发射台使用一个不同的专用的o f d m 符号作为零符号，在该专用符号中仅在确定 的时日j 间隙中发射若干个载波，接收机可以用f f t 分析认出这个时隙，从而识别 出发射台。此外，一帧中其它的o f d m 符号相比，载波的数量很少，可以保持很 低的发射功率。第二个符号是相位基准符号，它的主要任务是用作p i 4 d q p s k 解 调的相位基准，同时，通过对符号的计值，可以确定频率偏差，以提供给频率校 正。此外，借助该符号，系统可以评价信道脉冲响应，由此可以实现接收机的精 细帧同步。 ( 1 ) 零符号( n u l l ) 在 0 ，z _ 。】时间内，s ( ，) = 0 。构成d a b 传输帧第一个o f d m 符号。n u l l 编 号为0 。，比其它o f d m 符号持续时间瓦略长。 ( 2 ) 相位参考符号( s y n c ) d a b 传输帧中第2 个o f d m 符号称为相位参考符号，便于后续的差分调制。 ：j e ，“f o r 一等i o a n d 0 1 ) 上携带2 足个比特信息d ) j ：? ，其中k 为子载波数，每 个子载波上携带一个2 b i t 的q p s k 信号，其q p s k 符号g 。由下式得出： 研，= 寻f ( 1 2 p l ，) + ，( 1 2 , i + 。) 】f o rn = 0 ，1 ，2 ，x 一1 ( 2 i s ) 值得注意的是，并非是2 个相邻比特合成一个q p s k 符号，而是相距k 个比 特的两个比特合成一个q p s k 符号。 s ( 3 ) 差分调制 d a b 系统采用d q p s k 对o f d m 子载波进行调制，d a b 中使用种特殊的 d q p s k 技术，称为万4 一s h 班d q p s k ，“偏移的”万4d q p s k 。这是一种“伪8 相”调制，相位状念包括t r 4d q p s k 和石2d q p s k 全部的8 种状态。这种调制 方式没有兀相位变化，相位跳变只有n 4 和3 石4 ，最大相位变化为3 j 4 ，因此， 调制信号包络起伏小，通过带限，非线性信道时的频谱扩散不严重，信号频率特 性在普通d q p s k 基础上得到很好的改善。 石4 一s h i f td q p s k 系统总是以i ；i 一个符号期载波相位为基准的石4 d q p s k 。也就是说基准相位总在变化的艿4d q p s k 。在同一时刻，系统可能是 ，r 4 d q p s k ，也可能是石2d q p s k ，两者必居其一。 频率交织之后得至：l j ；, r 4 - s h i f td q p s k 的基带信号影。，调制信号由下式得出： z f 、= z ，一4 y t j ，= 2 ，k 卜k 2 ，k 2 】( 2 1 9 ) 其中互为上一个o f d m 符号期内同一载波上的d q p s k 调制信号。 ( 4 ) d a b 信号的调制 由( 2 1 9 ) 式可知，由j r 4 一s h 妒d q p s k 信号z ，得到主信号s ( f ) ，需要经过一 个乘加的过程，可以通过i f f t 实现。 o f d m 信号s ( f ) 是一个连续信号： s ( f ) = 以( r ) p “叫叫 ( 2 2 0 ) 若仅观察每个信号分量在一个符号期里的波形，与不同频率的载波相对应， a k ( ，) 和c o ( t ) 是定值- 4 0 ) 一a 。，m 9 ) 一o ，若取样频率1 t 对s ( f ) 信号取样， 则： s ( n t ) = 古艺纵陋m m 侧 1 ) 只分析巧个样点，且取样是在一个符号期疋里完成，即令： 瓦= k 7 t ( 2 2 2 ) 要满足多载波问的正交关系： j 2 1 仃( 2 2 3 ) i a 出= 2 n a f 、 由上述关系得到： s ( n t ) = 击静( f ) e j ( m + k a m ) n t + 1 2 去薹删矿“删懈1 ( 2 2 4 ) 令口= 0 ，可是使上式简化： s ( 行丁) = 古4 ( ，) p 口“b ( 2 2 5 ) 9 该式是对信号a 。e 砷的离散傅利叶反变换，s ( n t ) 是时城里的离散信号。因而 可以通过i f f t 产生o f d m 信号。 其中i f f f 点数为( k + 1 = 1 5 3 7 ) 点，不利于使用快速算法。解决办法是，将一个 o f d m 符号周期内z 。，序列延长至2 u 4 8 点，做2 0 4 8 点的f f t 。 利用i f f t 产生o f d m 调制基带信号的调制器原理框图如图2 3 所示： 幽2 3o f d m 基带信号调制器原理 f i 9 2 3t h e o r yo f o f d mm o d u l a t o ri nb a s e b a n d 如图2 3 所示，最后一步处理是插入保护间隔。虽然采用多载波技术降低了符 号自j 干扰( i s i ) ，但并不能完全消除。如果反射信号长度超出l ，还是会导致干扰 产生。为了避免这种情况造成大的影响，人为的为每个o f d m 符号加入一个一定 持续期的保护问隔。保护问隔长度大约为r ，的1 ，4 ，将对应o f d m 符号后部大约 l 4 的波形复制到o f d m 符号前面，成为保护自j 隔。 这样，o f d m 符号实际上被周期性重复。只要反射波到达时白j 不超出保护例 隔，所有的反射信号都会起到增强接收机功率的作用。如果时延进一步增大，此 作用将减弱，甚至完全起破坏作鬲。兵潍长度，在制订模式时，综合各方面因素， 给出最佳的折衷值。 在基带o f d m 信号成型之后，在数字中频部分对其进行上变频，最后通过射 频模块以模拟信号的形式发射出去。 ( 5 ) d a b 信号的解调 通过对e u r e k a - i 4 7 d a b 传输标准的研究和国内外参考文献的分析。我们提出 一套传输接收方案，并在研究的基础上研制有自己特点的参数可调的发送接收设 备。核心是在数字信号处理器( d s p ) 与现场可编程门阵列( f p