基于Simulink的CMMB算法仿真平台的实现

田 园，张 峰，刘 佳，3

(1.中科院自动化所，北京 100190;2.中国地质大学地球物理与信息技术学院，北京 100083;

3.南京理工大学电子工程与光电技术学院，江苏南京210094)

CMMB(China Mobile Multimedia Broadcasting)标准是2006年11月由国家广播电总局提出的中国广播电影电视行业标准［1］，现主要应用于手机电视领域。它针对我国广播覆盖面积大、传输环境复杂、用户众多和业务需求多样化的特点，采用OFDM调制技术，吸纳成熟的“天地一体化”技术体系，拥有低成本、信号覆盖广、频谱利用率高、抗衰落能力强、传输速率高等优点。

1 CMMB概述

1.1 OFDM 原理

CMMB系统采用OFDM调制技术。OFDM技术是多载波调制的一种，适用于无线环境下的高速数据传输，已广泛应用于高速数字用户环路(HDSL)、非对称数字用户环路(ADSL)、高清晰度电视(HDTV)、地面数字电视广播(DTMB)以及第四代移动通信(LTE)等标准中［2］。其主要思想是:将高速的串行信号转换为低速的并行信号，再将这些并行信号调制到若干个正交的子载波上传输［3］。OFDM系统原理框如图1所示，从图中可见正交调制过程由IFFT模块实现，正交解调过程由FFT模块实现。

1.2 关键技术

OFDM接收机关键技术主要包括同步、信道估计。

图1 OFDM系统原理框图

同步技术分为定时同步和频率同步，定时同步为FFT提供开窗定时信息，频率同步为恢复子载波正交性。

信道估计技术通过训练序列估计并恢复出所有子载波上的信道特性，实现接收信号的正确解调。

2 CMMB物理层结构

CMMB系统物理层帧结构如图2所示，每帧持续1 s，包括40个结构相同的时隙。手机电视信号中不同的频道是承载在不同时隙上传输的。每个时隙时长25 ms，包括1个信标符号和53个OFDM符号。

2.1 信标符号

每个时隙开头先传输一个信标符号。信标由TxID(发射机标识)和两个相同的同步头组成，如图2所示。信标持续450.4 μs，载波分配如表1所示。同步信号通过连续两个相同时域信号提供快速定时和频率信息的捕获和估计。

图2 基于时隙划分的帧结构

表1 8 Mbyte带宽时CMMB数据帧子载波分布

2.2 OFDM 符号

信标符号后，串行传输53个OFDM符号。每个OFDM符号加入保护间隔(GI)和循环前缀(CP)，共持续463.2 μs。载波分配见表1，保护间隔和循环前缀的作用为避免符号间干扰，并可计算出定时信息。

OFDM符号由4096 个子载波组成，包括数据子载波、连续导频、离散导频和虚拟子载波。其中导频可用于频率偏移和信道特性估计，虚拟子载波起保护频率边带的作用，数据子载波用于承载有用数据。数据子载波上的数据由比特流星座映射产生，CMMB系统的星座映射方式包括BPSK，QPSK，16QAM。

3 CMMB算法仿真平台的Simulink模型

3.1 CMMB接收机算法流程

根据OFDM关键技术和CMMB物理层特点，CMMB接收机流程采用3个阶段实现。如图3所示，CMMB接收机流程3个阶段依次是粗同步、细同步和信道估计。

图3 CMMB接收机流程

粗同步实现信号的捕获的输入信号为同步信号，通过对时域上两个相邻的同步信号进行相关运算快速得到FFT的开窗定时信息、采样率偏差和频偏信息粗估计。粗同步后接收机进入细估计阶段，在该阶段可以准确按照符号位置进行FFT运算，得到连续导频和离散导频信号，通过对连续导频和离散导频进行相应运算可以准确估计出定时信息、采样偏差信息、频偏信息。信道估计阶段是通过对离散导频进行计算，准确恢复出每个数据子载波上的实时信道特性，为数据解映射提供准确的信道特性。

3.2 CMMB接收机算法仿真平台实现

Simulink是Matlab中的一种可视化仿真工具，用于对动态系统进行建模、仿真和分析。它采用模块化建模方式，每个模块都有自己的输入/输出端口，实现指定功能［4］。Simulink作为一种通用的仿真建模工具，广泛应用于通信仿真、数字信号处理、模糊逻辑等领域中。

依据3.1中流程，采用Siumlink环境搭建CMMB算法仿真平台。如图4所示，该平台包括CMMB信号发生模块、CMMB仿真信道模块、CMMB数据解调模块、CMMB同步和信道估计模块、误码率计算模块。

1)信号发生模块根据CMMB标准产生测试信号，用于为接收机提供理想测试信号。其输入数据随机比特流，输出为CMMB理想测试信号。数据流程依次为星座映射模块、加导频模块、扰码模块、IFFT及成帧模块。

2)仿真信道中包含高斯白噪声(AWGN)信道和瑞利衰落信道，可以设置信噪比、多普勒偏移、多径数量、多径位置和多径增益等参数，输入数据为CMMB理想测试信号，输出数据为经过信道衰减的CMMB仿真测试信号。

3)数据解调模块的实现信号的解调过程，其处理顺序与信号发生模块相逆。数据流程依次为拆帧模块、FFT、解扰模块、去导频模块及解星座映射模块。输入数据为CMMB仿真测试信号，输出数据为CMMB接收数据比特流。其中数据解调模块需要由同步和信道估计模块提供定时、频偏以及信道估计信息。

4)同步及信道估计模块实现定时、采样率偏差、频偏信息估计以及信道估计。输入信号为时域同步信号、离散导频信息。输出信号为定时信息、采样率偏差、频偏信息以及数据子载波信道估计信息。

5)SER模块为误码率计算模块，通过比较原始随机比特流和数据调制解调输出的CMMB接收数据比特流计算误码率，可以通过误码率评估算法优劣。

4 系统仿真与分析

为评估算法仿真平台的性能，利用Simulink仿真参数，如表2所示，进行AWGN信道不同信噪比环境下仿真，得到了图5所示误码率曲线和表3所示AWGN信道下不同星座映射误码率表。本文中信噪比20 dB表示一个数量级。

图4 CMMB算法仿真平台结构图

表2 Simulink仿真参数

图5 3种星座映射的误码率曲线

表3 AWGN信道下不同星座映射的误码率

从图5和表3中可以看出，误码率随信噪比的降低而增大，即噪声越大误码率越高。当其中在信噪比较高时(BPSK，QPSK的SNR＞20 dB时和16QAM的SNR＞30 dB时)误码率为0，说明在信道质量较好时，说明数据解调模块能准确恢复出原始信号。随着信噪比降低逐渐出现误码，当信噪比达到－20 dB时误码率接近于50%，此时达到系统性能极限，接收机不能正常工作。

另外，从三种星座映射的误码率曲线可以看出，在－10 dB＜SNR＜30 dB范围内，BPSK映射和QPSK映射的误码率曲线差距很小，而16 QAM映射的误码率曲线则与其他两条距离较远，约有10 dB左右的距离。考虑BPSK映射携带信息为QPSK映射携带信息量一半，而QPSK映射携带信息量为16 QAM映射携带信息量的一半，因此QPSK映射可以在不损失性能的前提下携带信息量最多，而16QAM映射性能虽有10 dB左右损失，但其信息携带量最大。实际系统中可以考虑在信道恶劣环境使用QPSK映射，信道质量较好环境使用16QAM。

5 结论

通过分析OFDM原理和CMMB物理层特点，设计了一种基于Simulink的CMMB算法仿真平台。经过实际仿真，该平台各模块能正常运行，能准确解调接收信号，并得到AWGN信道下不同信噪比误码率曲线。通过该仿真平台，一方面验证了CMMB接收机算法的正确性，为硬件实现提供了算法和硬件架构的参考，另一方面该平台也对搭建其它基于OFDM调制技术的通信系统具有一定的借鉴意义［5－6］。

［1］ 国家广播电影电视总局.GY－T220.1—2006，移动多媒体广播 第1部分:广播信道帧结构、信道编码和调制［S］.2006.

［2］王玲.基于Matlab的OFDM仿真实现及性能分析［J］.中国传媒大学学报:自然科学版，2010，17(2):45－49.

［3］蒋伟雄，王玲.基于Simulink的OFDM系统分析及仿真［J］.现代电子技术，2007(17):92－94.

［4］邵佳，董辰辉.MATLAB/Simulink通信系统建模与仿真实例精讲［M］.北京:电子工业出版社，2009.

［5］佟学俭，罗涛.OFDM移动通信技术理论与应用［M］.北京:人民邮电出版社，2003.

［6］李洋，杨波.CMMB接收机符号同步与载波同步算法设计［J］.电视技术，2009，33(S2):9－11.