地面数字电视广播技术DVB-T2系统时间同步算法_许月兴.pdf

2022年第46卷第10期110器 件 与 应 用arts and ApplicationsP文献引用格式：许月兴.地面数字电视广播技术 DVB-T2 系统时间同步算法 J.电声技术，2022，46（10）：110-113.XU Y X.Time synchronization algorithm of terrestrial digital television broadcasting technology DVB-T2 systemJ.Audio Engineering，2022，46（10）：110-113.中图分类号：TP311.1 文献标识码：A DOI：10.16311/j.audioe.2022.10.031地面数字电视广播技术 DVB-T2 系统时间同步算法许月兴（山东省莱西市融媒体中心，山东 青岛 266600）摘要：DVB-T2 系统是当前世界范围内应用较为广泛的新一代地面数字电视广播技术。其在实际应用中可能会出现时频同步误差，进而产生定时偏差问题。为了克服这一不利因素，对该系统的时间同步机制进行研究，提出优化算法，主要措施包括帧定时同步捕获、符号定时同步、正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）符号频率同步估算等。针对以上算法开展严谨的仿真模拟，验证其性能和有效性。关键词：DVB-T2；时间同步算法；仿真Time Synchronization Algorithm of Terrestrial Digital Television Broadcasting Technology DVB-T2 SystemXU Yuexing(Convergent Media Center of Laixi county,Shandong Province,Qingdao 266600,China)Abstract:DVB-T2 system is a new generation of terrestrial digital television broadcasting technology which is widely used in the world.However,there may be time-frequency synchronization error in its practical application,which leads to timing deviation.In order to overcome this disadvantage,the time synchronization mechanism of the system is studied,and an optimization algorithm is proposed,including frame timing synchronization capture,symbol timing synchronization,Orthogonal Frequency Division Multiplexing(OFDM)symbol frequency synchronization estimation,etc.,and a rigorous simulation is carried out to verify the performance and effectiveness of the above algorithms.Keywords:DVB-T2;time synchronization algorithm;simulation0 引 言随着频谱资源的日益紧张，世界各国对广播电视的创新需求和力度逐年增加。DVB-T2 系统虽然起源自欧洲，但其对国内的同类系统具有较强的借鉴价值。研究其在信号时间同步方面的不足并加以改进，有利于促进国内相关技术的发展。1 DVB-T2 系统时频同步误差分析1.1 DVB-T2 系统简介DVB-T2 是由欧洲电信标准协会（European Telecommunications Standards Institute，ETSI）提出的第二代地面数字电视广播技术标准，运用了正交频分复用调制（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）、纠错等技术。该系统的关键设备是发射机，由输入处理模块、比特交织编码与调制模块、组帧模块以及 OFDM 生成模块组成。1.2 时频同步误差DVB-T2 系统在实际运行过程中可能会出现时频同步误差，进而对接收机的性能产生一定的影响。具体的误差表现形式分为三类。其一为频率偏差。根本成因为发射端和接收端的载波频率不一致，进一步影响了子载波的正交性。其二为采样偏差。在实际应用中发现，系统发射端和接收端的时钟系统有可能不相同，而时钟直接影响了采样时间，进而引发系统采样偏差，系统性能会因此而受到一定损失。其三为定时偏差。DVB-T2 系统设计了纠偏功能，可自动纠正大部分时频偏差问题，主要的纠作者简介：许月兴（1976），男，本科，高级工程师，研究方向为广播电视工程。2022年第46卷第10期111Parts and ApplicationS器 件 与 应 用正措施为删除保护间隔，但会因此而引发定时偏差问题1。2 DVB-T2 系统时间同步算法及仿真2.1 DVB-T2 系统的时间同步算法实现路径2.1.1 帧定时同步捕获T2 帧是 DVB-T2 系统传递信号的载体。同时，T2 帧上存在数量不等的 OFDM 符号。在 DVB-T2系统中需实现 OFDM 时间同步。准确掌握 T2 帧的起始位置，是实现 OFDM 时间同步的关键。P1 符号具有固定的长度。在每一个 T2 帧的起始点都设计有一个 P1 符号。因此，在检测 T2 帧时，可将 P1符号作为捕获依据。P1 符号由 OFDM 符号及其对应的循环位移组成，共计三部分。采用 P1 符号实现帧定时同步的另一个优势为良好的抗干扰性。P1 符号在结构上具有一定的特殊性，即使环境中存在较强的电磁干扰信号，依然能够有效地检测到 P1 符号，有利于帧定时同步。2.1.2 粗符号的定时同步传统的粗符号定时同步采用 MPSC 方法。该方法与其他算法相比已经形成了一定优势。但由于该算法的定时位置采用最大相关位置，而后者受到环境噪声和通信信道时变特性的干扰，有可能出现较大的波动。这种不稳定的波动现象将会影响同步稳态的判断。研究过程中需解决这一问题，本文提出如下粗符号同步原理。在粗符号定时同步中设计两径信道，ISI-Free（无码间串扰）区域将随着信号在多路径内的偏移而减少。在两径信道中，两径信号的相关性受到噪声的影响。为加强粗符号定时同步的效果，应该通过平滑处理加强接收信号2。对相关数据进行归一化处理，可得如下表达式：()()()12212pBBkykykN+=+（1）式中：表示 OFDM 符号的开始位置，将 OFDM 符号的有效长度记为 N,k 代表 OFDM 符号的子载波，p 为接收信号中第 p 个采样点，yB(k)表示对接收信号实施平滑处理，B 表示参与平滑处理的 OFDM符号的数量。在最大似然计算中，需将()作为重要参数。循环前缀具有一定的长度，对参与相关运算的点数提出了一定要求（不宜过少）。当参与相关运算的 OFDM 符号数量仅为一个时，粗符号的定时同步效果将受到明显的干扰。在这种情况下，可对多个OFDM 符号对应位置进行求和，得到式（2）。()()10qmmNL =+（2）式 中：表 示 OFDM 符 号 的 开 始 位 置，q 表 示OFDM 符号的数量，为最大似然函数，L 代表循环前缀的长度，N 为一个 OFDM 符号的长度。N+L表示采样点的数量，最大似然函数的相关峰间距为N+L。m(N+L)表示间隔为 N+L 个采样点的 m 个相关值。m 的初始值为 0，最大值为 q-1，因而涉及采样点为 q 个。式（2）的归一化处理结果为对数似然函数N()，其表达式如式（3）所示。()()()N =（3）()()10qmmNL =+（4）参与相关性采样的 OFDM 符号的能量之和按照式（4）进行计算，其参数，m，N+L，q 的含义同式（2）。此时，最大似然函数的表达式如下：()()()()cos 2 f +=（5）式中：f 为归一化载波频率偏差，代表求一个复数的角度，()的含义参照式（1）。当式（5）中的cos 2f+()的值为0时，式（3）中的 N()函数将达到最大值，此时函数的峰值出现在 ISI-Free 区域，并且其峰值类似于平台状，粗频率的偏差可利用该峰值平台的相位来表示，将粗符号的同步位置统一表示为相关峰平台的中心。2.1.3 细符号的定时同步细符号定时同步是解决时频同步误差中定时误差的重要技术内容。探讨该问题时，可认为频率偏差问题和采样偏差问题已经得到了有效的同步处理。粗符号同步和细符号同步是定时同步的不同组成部分，待前者完成后，傅里叶变换窗口的起始位置可完全避免 ISI 区域。此时利用相位旋转处理其余的定时偏差。假设接收信号通过了傅里叶变换区，那么 OFDM 符号 l 的子载波 k 的表达式可表示如下：()()()()()()sgj2/lllefkINNNlY kHk XkZk+=+（6）式中：将剩余定时偏差记为 f，剩余载波的频率偏差记为。表达式（6）中的 Z1(k)用于表征环境2022年第46卷第10期112器 件 与 应 用arts and ApplicationsP中的高斯白噪声。信道中产生的冲击响应表示为H1(k)。将 OFDM 符号的长度记为 Ns，循环前缀的长度记为 Ng，k 表示子载波，e 为自然对数的底数，I表示第 i 个 OFDM 符号的保护间隔，j 为虚数单位。子载波的相位受到细符号定时偏差处理的影响，主要问题为相位偏转，但导频的子载波相位始终固定不变，因而可利用导频的子载波相位估算出OFDM 符号的剩余定时偏差 3。以下介绍利用连续导频实现细符号定时同步的技术方法。接收端可直接获取连续导频子载波数据，因而后者对前者属于已知信息。首先需确定连续导频的所在位置，这一点取决于离散导频的运行模式及子载波的实际数量。例如，当 DVB-T2 系统的离散导频模式采用 PP1，同时在一 OFDM 符号中设置 25个子载波连续导频。ki 1,2,25 表示任意一个子载波。那么子载波 k1与 k2之间的相位差可按照式（7）来计算。2121,2kkkkkN=（7）式中：2k，1k表示子载波 k2和 k1的相位，N 为一个 OFDM 符号的长度，k 为子载波 k2与 k1之间的位置差，为定时偏差。根据定时偏差 的含义，其计算方法如下：21,2kkNk=（8）由于含有 25 个连续导频子载波，定时偏差计算可采用求平均的方法，如式（9）所示：125,11252nnkknNk+=（9）式中：kn+1，kn表示子载波 kn+1，kn的相位差，k为子载波 kn+1和 kn之间的位置差，N 为一个 OFDM符号的长度。2.1.4 OFDM 频率同步估算2.1.4.1 整数倍载波频率偏差估算粗符号的定时同步有效地补偿了大部分时频偏差，此时载波的正交性基本得到保证。频率偏差分为整数倍部分和小数倍部分。载波的循环位移由整数倍频率偏差所引起。离散导频对整数倍频率偏差的适应性较差，难以实现准确的识别。故此，在整数倍载波频率偏差估算中采用连续导频。其基本原理如下：由于连续导频的数据是已知的，可采集一部分此类数据，并将其与接收信号进行滑动相关处理，整数倍载波频率偏差按照接收数据移动的位置进行计算。2.1.4.2 细小频率偏差及采样时钟偏差联合估计方法对于细小频率偏差及采样时钟偏差的估算，目前已经形成了部分有效的技术路径。连续导频子载波在估算中发挥了重要的作用，因为其相位固定不变，可将其作为参考对采样时钟偏差、细小频率偏差进行联合估算。但基于连续导频子载波的估算方法也存在一定的弊端，问题在于随着子载波数量的增加