新一代地面数字电视系统中的前导符号设计

刘菁菁，张 超，潘长勇

（清华大学 电子工程系 清华信息科学与技术国家实验室，北京 100084）

新一代地面数字电视系统中的前导符号设计

刘菁菁，张 超，潘长勇

（清华大学 电子工程系 清华信息科学与技术国家实验室，北京 100084）

新一代地面数字电视广播（DTTB）系统需要快速稳健的系统同步和对多种工作模式的自适应支持与可靠识别。针对新一代DTTB系统中的符号定时同步和载波同步问题，介绍了利用正交频分复用（OFDM）前导实现同步方法的发展，详细分析了欧洲第二代地面数字电视标准（DVB-T2）与中国的地面数字电视广播传输演进系统（DTMB-A）中前导结构的设计，论述了两种前导符号的特点，并仿真分析比较了两种结构的同步检测方法与性能。

【本文献信息】刘菁菁，张超，潘长勇.新一代地面数字电视系统中的前导符号设计[J].电视技术，2015，39（2）.

新一代地面数字电视广播；正交频分复用；前导符号；定时同步；载波估计

正交频分复用（OFDM）作为一种高效的多载波通信技术在宽带无线传输中被广泛使用，如数字电视广播、无线局域网（WLAN）、3GPP长期演进计划（3GPP LTE）等。虽然OFDM具有频谱效率高、可有效抵抗多径信道等诸多优点，但是它对系统的同步要求很高。而地面数字电视广播系统（DTTB）由于信号传输环境复杂多变，对OFDM系统接收机的同步参数检测提出了更高的要求。

针对OFDM中的同步算法，Moose通过研究发现，要想信噪比高于20 dB，系统载波频偏需要小于相邻子载波间隔的4%[1]。而在实际传输中，本地振荡器的频率不稳定、采样时钟的频率漂移、多普勒效应等都会造成一定的频偏，从而增加了系统同步的难度。为了实现快速参数同步，欧洲第二代DTTB系统（DVB-T2）中采用了P1符号来完成信号的检测与参数初始同步，而我国地面数字电视演进系统（DTMB-A）则采用了特殊设计的基于频域距离检测的前导符号来完成参数同步与信令传输。

1 OFDM同步技术的发展

针对OFDM系统的同步技术，1980年，Peled和Ruiz提出循环前缀和循环后缀来抵抗多径、保持载波正交性和消除符号间干扰[2]。1997年，Beek和Sandell给出了利用循环前缀进行符号定时和载波频偏的最大似然估计算法[3]，虽然该方法可以在不增加开销的基础上实现系统同步，但是它也存在频偏估计范围窄、同步速度较慢的问题。

为了实现快速同步，人们提出了牺牲部分带宽，在OFDM系统中增加一段前导序列的方法。1994年，Moose在文献[1]中给出了利用频域两个重复的OFDM符号计算载波频偏的最大似然算法，为前导结构的设计奠定了基础。1997年，Schmidl and Cox在文献[4]中提出了包含两个OFDM符号的前导结构，并利用了频域PN序列。Schmidl and Cox提出的算法计算简单、频偏估计范围大，但是它在定时同步上存在一定的平台期，即峰值会持续一段较长的时间，造成定时偏差。

随后，Minn提出了两种改进方法[5]，但是也相应地引入了多个相关峰。Liu在文献[6]中改进了Minn提出的携带了系统的信令前导结构，在增加计算复杂度的前提下提高了符号定时同步的精度，扩展了前导的功能。

2 DVB-T2的P1符号结构与同步算法

2.1 DVB-T2超帧结构

DVB-T2中传输流是由超帧组成，一个超帧是由T2帧和未来扩展帧（FEF）构成，而T2帧则由P1、P2和数据符号构成[7]。P1符号相当于T2帧的前导，用来进行信号捕获、同步以及系统传输参数信令的传递，DVB-T2的信号帧结构如图1所示。

图1 DVB-T2的信号帧结构

2.2 DVB-T2P1符号结构

DVB-T2中，P1符号为[C A B]的结构，“A”为OFDM符号，采用1 024个子载波，“C”和“B”长度分别为542和482，是“A”的时域数据经频移后生成的，其数学表达式为

式中：P1A（n）为长度为1 024的OFDM符号“A”的时域信号。

在这1 024个子载波中有384个有效子载波，其中128个子载波为S1信令，可取8组不同的值，携带3 bit信令。另外256个子载波为S2信令，可取16组不同的值，携带4 bit信令。这24组序列彼此正交，即满足δ函数的自相关特性和几乎为0的互相关特性。P1符号生成的流程图以及其结构如图2所示。

2.3 DVB-T2中P1的同步算法

假设接收到的数据为x（n），P1符号的检测算法流程图如图3所示，其目的是检测P1符号的存在、提供粗定时同步和修正小数倍频偏[8]。预设一个阈值，当P1检测输出大于阈值时，就认为P1符号存在。假设P1检测的输出为y（n），则小数倍频偏估计算法为

图2 P1符号的生成流程图以及P1的结构

式中：fs为基准符号速率；angle（·）为求辐角函数；max（·）为求最大值函数。

图3 P1符号的检测流程图

修正小数倍频偏后，提取出P1中的“A”部分z（n），经过1 024点FFT变换后得到Z（k）。为了消除单频干扰等频域干扰脉冲对信令检测的影响，预设一个频域阈值M，当|Z（k）|＞M时令Z（k）=0，从而消除频域强脉冲。

假设384个有效子载波的位置为CDS（n）（0≤n＜384），则可根据功率检测法确定整数倍频偏，其算法为

之后，提取出信令部分有效子载波S（n）=Z[I+CDS（n）]（0≤n＜384），解扰后与本地的8组S1序列和16组S2序列分别进行相关，求使相关值最大的S1和S2序列，从而确定系统的传输参数信令。

3 DTMB-A的前导符号与同步算法

3.1 DTMB-A帧结构

DTMB-A系统中传输流由复帧构成，一个复帧由复帧同步信号、控制帧和数据帧构成，复帧同步信号即为复帧的前导符号，用来进行传输流检测、系统同步和信令的传递。控制帧和数据帧都由信号帧构成。DTMB-A系统帧结构如图4所示。

图4 DTMB-A系统帧结构

3.2 DTM B-A前导结构

图5 DTMB-A中前导符号结构

本文将所有数据分成建模期(1997—2012年)和独立检验期(2013—2015年)。利用建模期吉林省春夏地面常规气象要素日值建立SOM统计分析模型,即建立天气模态与逐日降水之间的关系,再将独立检验期吉林省春夏地面常规气象要素日值映射到所建立的天气模态与逐日降水之间的关系中,利用蒙特卡罗模拟逐日降水量。

式中：0≤l＜255。对于l=0，定义a（-1）=1。

3.3 DTM B-A前导符号同步算法

DTMB-A中前导符号的检测同样基于自相关检测方法，其检测算法结构与图2所示结构类似，与DVB-T2检测结构相比区别在于，DTMB-A中的两个延时单元的延时长度均为512个时域采样符号，两个移动平均单元的累加长度同样均为512个符号。自相关输出结果与预先设定的阈值相比较，当自相关输出信号的模大于此阈值时，就认为前导符号存在，并根据最大模值所对应的自相关信号的辐角求小数倍频偏。

DTMB-A前导符号中整数倍频偏估计和信令检测算法流程如图6所示。

图6 DTMB-A前导符号信令检测方法

式中：“*”表示复数共轭运算；mod（·）表示取模函数。

与本地PN进行相关之后，由于OFDM信令符号频域由两段PN序列构成，因此相关信号R（k）中将存在2个明显的相关峰。令两个相关峰的位置分别为pos1和pos2，则解调出的信令信息可表示为

4 性能对比

4.1 计算复杂度分析

为了比较两种前导符号的接收复杂度，以检测方法所需要的复数乘法和加法的次数作为衡量指标进行对比分析。

DVB-T2中P1符号的检测所需的复乘数包括：频移修正的1 024点复乘，“C”、“B”分别与“A”的对应点相乘的2 048次复乘，以及两部分乘累加结果对应点相乘的1 024次复乘；DT⁃MB-A的前导符号检测所需的复乘数包括1 024点重复的“B”部分的对应点复乘和1 024点的乘累加结果的对应点乘。

对于整数倍频偏估计和信令检测模块，DVB-T2需要1 024点复乘求1 024个子载波的能量，同时需要计算1 024组长度为384的累加计算有效子载波的能量和，从而确定有效子载波的分布位置和整数倍频偏；提取出有效子载波后，需要进行384点复乘来进行差分解码，需要16组长度为256和8组长度为128的累加来检测S1、S2信令。而DTMB-A则需要1 024次复乘计算子载波能量，需要1 024次复乘进行DBPSK解调，需要计算1 024组长度为256的累加来计算频域符号与本地PN序列相关的结果，从而确定PN序列的位置并计算整数倍频偏。

两种前导符号的计算复杂度对比如表1所示。

表1 DVB-T2和DTMB-A前导的同步复杂度分析

4.2 信令检测性能

根据文献[9]，在高斯信道（AWGN）中，DTMB-A的相关结果R（k）的实部满足分布

R（k）的虚部满足分布N(0,σ2R)。R（k）的两个峰值满足相同的莱斯分布

式中：I0(·)为修正的0阶第一类贝塞尔函数。非R（k）的两个峰值处满足瑞利分布

由此可以得到ΔL的错检概率为

式中：

DVB-T2和DTMB-A的信令检测性能如图7所示。

图7仿真的是高斯信道下DVB-T2与DTMB-A的信令检测性能，并给出了利用数值计算得到的信令检测的理论极限。由图7可知，实际系统由于定时偏差以及小数倍频偏的存在，其性能比理论极限低0.4 dB左右。另外，仿真结果表明DTMB-A中前导的误信令率与DVB-T2的S1误信令率基本相当，优于S2的误信令率约0.5 dB。

图7 DVB-T2和DTMB-A在高斯信道（AWGN）中误信令率对比

5 小结

本文针对新一代地面数字电视系统中的同步技术，分析了基于OFDM传输方式的同步方法，详细对比分析了欧洲第二代地面数字电视标准（DVB-T2）与中国数字电视地面广播传输演进系统（DTMB-A）中前导符号的结构设计与同步算法。论文分析了两种前导符号的结构特点，给出了两种结构的同步检测方法，分析了两种结构的接收机同步与信令检测的计算复杂度，论述了信令检测的理论性能，并通过计算机仿真进行了性能对比分析。分析和仿真结果表明，DTMB-A前导符号的同步算法所需的相关模块数显著少于DVB-T2的P1符号，计算复杂度低于DVB-T2的P1符号。而在误信令率上，DTMB-A的信令检测性能与DVB-T2的S1信令相当，且明显优于DVB-T2的S2信令。

[1] MOOSE P H.A technique for orthogonal frequency division multi⁃plexing frequency offset correction[J].IEEE Trans.Communica⁃tions，1994，42（10）：2908-2914.

[2]PELED A，RUIZ A.Frequency domain data transmission using re⁃duced computational complexity algorithms[C]//Proc.IEEE Interna⁃tional Conference on ICASSP.[S.l.]：IEEE Press，1980：964-967.

[3]VAN DE BEEK J-J，SANDELL M，BORJESSON P O.ML esti⁃mation of time and frequency offset in OFDM systems[J].IEEE Trans.Signal Processing，1997，45（7）：1800-1805.

[4]SCHMIDL TM，COX D C.Robust frequency and timing synchro⁃nization for OFDM[J].IEEE Trans.Communications，1997，45（12）：1613-1621.

[5]MINN H，ZENG M，BHARGAVA V K.On timing offset estima⁃tion for OFDM systems[J].IEEE Communications Letters，2000，4（7）：242-244.

[6]LIU S，YANG F，SONG J，et al.OFDM preamble design for syn⁃chronization under narrowband interference[C]//Proc.2013 17th IEEE International Symposium on Power Line Communications and Its Applications（ISPLC）.[S.l.]：IEEE Press，2013：252-257.

[7] ETSIStd.EN 302 755，Digital Video Broadcasting（DVB）；frame structure，channel coding and modulation for a second generation digital terrestrial television broadcasting system（DVB-T2）[S].2012.

[8] ETSIStd.TS 102 831，Digital Video Broadcasting（DVB）；Imple⁃mentation guidelines for a second generation digital terrestrial tele⁃vision broadcasting system（DVBT2）[S].2012.

[9] HE L，WANG Z，YANG F，et al.A novel preamble design for OFDM transmission parameter signaling[C]//Proc.IEEE Interna⁃tional Conference on Communications.[S.l.]：IEEE Press，2011：1-5.

责任编辑：薛 京

Preamble Design of Second Generation DTTB System s

LIU Jingjing,ZHANG Chao,PAN Changyong
（Tsinghua National Laboratory of Information Science and Technology,Department of Electronic Engineering,Tsinghua University,Beijing 100084,China）

The second generation digital terrestrial television broadcasting(DTTB)systems should support fast and robust system synchronization and have the reliable detection ability of multiple working service modes.In this paper, the preamble design used in the second generation DTTB systems based on OFDM technology is analyzed.The preamble structure adopted in European DVB-T2 standard and Chinese DTMB-A systems are detailed introduced.Simulation results of these two preambles are also provided for the performance comparison.

the second generation DTTB;OFDM;preamble;time synchronization;carrier frequency estimation

TN92

A

10.16280/j.videoe.2015.02.001

2014-05-14

中国电力科学研究院项目（20142000191）；国家自然科学基金项目（61321061）