基于CMMB接收机的载波频偏估计算法分析

2019-01-04 12:58 来源:未知

  国内自主研发的第一套面向手机、笔记本电脑等多种移动终端的系统,利用S波段信号实现天地一体覆盖、全国漫游,支持25套电视和30套广播节目。2006年10月24日,国家广电总局正式颁布中国移动多媒体广播(俗称手机电视)行业标准,确定采用我国自主研发的移动多媒体广播行业标准。中国移动多媒体广播规定了在广播业务频率范围内,移动多媒体广播系统广播信道传输信号的帧结构、信道编码和调制,标准适用于30MHz到3000MHz频率范围内的广播业务频率,通过卫星和/或地面无线发射电视、广播、数据信息等多媒体信号的广播系统,可实现全国漫游。CMMB系统的物理层采用正交频分复用(OFDM)调制方式,该方式可有效抵抗由多径效应所引起的频率选择性衰落,但对频偏却十分敏感。频偏会破坏OFDM系统的正交性。从而引起载波间干扰(ICI),因此,接收机需要对载波频偏进行估计并纠正。为此,本文针对CMMB接收机解调芯片的小数倍子载波跟踪算法进行了分析。

  在CMMB系统中,一个OFDM符号可由IFFT产生。时域中的OFDM符号可用下式表示:

  其中,X(k)是第k个子载波正交幅度调制(QAM)或相移键控(PSK)符号,N是OFDM符号子载波数,Ts为符号周期,1/Ts是子载波频率间隔。在CMMB接收端,对AWGN信道下变频后的信号r(m)可以表达为:

  其中,△f是归一化到子载波间隔(1/Ts)后的频偏,△为相位偏差,n(m)是AWGN.频偏表示为△f=△fi+△ff,△fi是△f小数部分四舍五入后的整数,△ff[-0.5,0.5]是其小数部分。本文所要提出的是在接收系统进入跟踪阶段后的小数倍频偏△f的估计算法。

  频偏分为整数倍频偏和小数倍频偏,接收机首先在时域中对小数倍子载波频偏进行估计,以恢复子载波间正交性,在此基础上再进行FFT变化后到频域中进行整数倍子载波频偏估计。至此系统就可完成频偏捕获,然后进入跟踪阶段。本阶段再由导频处理模块进行小数倍子载波频偏跟踪估计,本文主要对导频处理模块进行研究。图1所示是粗载波频偏估计及恢复结构图。

  OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)即正交频分复用技术,实际上OFDM是MCM Multi-CarrierModulation,多载波调制的一种。其主要思想是:将信道分成若干正交子信道,将高速数据信号转换成并行的低速子数据流,调制到在每个子信道上进行传输。正交信号可以通过在接收端采用相关技术来分开,这样可以减少子信道之间的相互干扰 ICI .每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽,因此每个子信道上的可以看成平坦性衰落,从而可以消除符号间干扰。而且由于每个子信道的带宽仅仅是原信道带宽的一小部分,信道均衡变得相对容易。

  由于OFDM系统中同一个时隙(timeslot)内的各个OFDM符号的连续导频的内容和其所处的子载波位置都是相同的,故可利用FFT之后前后相邻的两个OFDM符号内的连续导频来进行频偏估计。

  现在对相邻的两个频域OFDM符号(即第l和第l+1个符号)进行分析。通常第l个OFDM符号可以表示为:

  式(6)表示由于ICI的存在,第l个OFDM符号的第K个子载波所受到其它子载波信号的影响。

  对于相邻的第l和第l+1个频域OFDM符号(且这两个OFDM符号在同一个时隙中)中的连续导频,应有如下关系:

  其中,Np表示OFDM符号中连续导频的个数。这样,当频偏△F较小时,ICI影响值Il.k可以忽略。若不考虑噪声影响,那么,根据式(5),其接收端收到的相邻的第l和第l+1个频域OFDM符号中的连续导频则有如下关系,

  由于该算法是利用前后相邻的频域OFDM符号的连续导频序列来进行频偏估计,所以,该算法可以消除频率选择性衰落信道的影响。

  从上面的推导过程可以看到,该算法是在忽略ICI影响值Il.k的情况下得出的。而当频偏增大到接近-N/(2Ns)或者N/(2Ns)时,即接近-0.5或者0.5时,ICI的影响就会变大。导频信号是在频域内插入OFDM符号的,由于前后相邻的两个OFDM符号数据不同,那么,根据式(6),就会使得这两个相邻的OFDM符号内对应的导频所受到的ICI不一样,从而导致式(8)约等号两边的值的误差很大,而这又将导致由式(10)表示的频偏估计会出现较大误差,所以,该算法比较适用于跟踪模式,而不适用于捕获模式。

  在CMMB帧结构中,每个OFDM符号均插入了连续导频,且每一个时隙内的53个OFDM符号中的连续导频数据均对应相同,则式(10)中有:

  CMMB中每个时隙有53个OFDM符号,因此,每个时隙可以计算52次频偏,这样就可以更好地进行载波频率跟踪。图2所示是载波频偏跟踪模块的硬件结构图。

  图2中的SRAM大小为82x20bit,可用于存储前一个OFDM符号内的82个导频数据。载波频偏跟踪模块用于接收连续导频数据。它针对第一个OFDM符号不作运算,82个连续导频可直接存入SRAM.当接收到下一个OFDM符号的导频时,可将该导频与SRAM中相对应的导频做共轭相乘,同时更新,即用新的导频数据覆盖掉SRAM中相对应的导频;然后再将乘积进行累加。当累加次数达到82次时,可对该和求相位,再乘上系数4096/(9264),从而得到小数倍频偏估计值。由于每个时隙一共执行52次小数倍频偏估计,因而,将有利于纠正频偏,以达到跟踪的效果。

  2.2 系统级联仿线所示是码率下CMMB接收机的最终性能曲线。信噪比SNR越大,误比特率BER越小。实际上,根据CMMB协议的要求,在星座映射方式为QPSK的情况下,当SNR2.7 dB时,需满足BER3x10-6;而在星座映射方式为16QAM的情况下,在SNR8.6 dB时,需满足BER3x10-6.

  由图3可知,将导频跟踪模块级联到CMMB接收机后,其性能即可满足协议对系统的要求。

  本文提出了一种针对CMMB接收机解调芯片的小数倍子频偏跟踪估计算法。在CMMB解调芯片中,该算法能较好地对频偏进行跟踪估计,从而使系统载波恢复环路稳定工作,保证信号的正常解调。本文提出的载波频偏估计算法经适当的参数修改后,也可适用于其他OFDM系统,而且具有一定的通用性。

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