CN1210900C - 利用传输参数信令抑制相位噪声的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用TDS-OFDM中TPS抑制相位噪声的方法，属于数字信息传输技术领域。本发明方法包括：将输入的数字信号经过内外码纠错编码后，进行符号调制映射，然后进行IDFT处理，将保护间隔插入IDFT时域块形成帧体，把N个TPS分为M组插入到帧体中，在每组中有一个相位参考TPS(每组中间位置的TPS)，它的幅度高于同组中其它的TPS信号，其它TPS构成相位参考TPS的频率保护带，将帧头(PN序列)和上述携带TPS的帧体复接成为信号帧，送给信道处理后传输。本发明所述方法能及时跟踪接收信号的相位瞬变，抑制相位噪声，准确恢复系统同步。

Description

利用传输参数信令抑制相位噪声的方法

技术领域

本发明属于数字信息传输技术领域，具体涉及一种利用时域同步正交频分复用调制(Time Domain Synchronous，Orthogonal Frequency Division Multiplexing，TDS-OFDM，TDS-OFDM)中传输参数信令(Transmission Parameter Signaling，TPS)抑制相位噪声的方法。

背景技术

在同步传输的数字通信或广播系统中，所发送的是与序列x相对应的连续时间波形s(t，x)，而不是序列本身。信道符号序列到信道波形的分配是通过调制器来完成的。除信道序列x外，波形还取决于参数集θ＝(θ_T，θ_C)。子集θ_T为发射机参数，子集θ_C为信道参数，这些参数对于接收机而言是未知的。为恢复符号序列x，接收机必须从接收信号中估计出这些未知参数。而后，这些估计值将作为真实值使用，必须要建立同步，包括定时信息、载波频率、符号同步等。

接收端的基带信号进入接收机同步电路部分，如图1所示，同步电路根据该基带信号对频率偏移、定时恢复、相位等同步参数进行估计，得到载波恢复。载波恢复的操作主要包括下三个部分：进行相位估计，相位估计在匹配滤波器之后，它是以符号率进行的执行(由于定时恢复在相位恢复之前)；相位旋转，将经过定时恢复和匹配滤波的数据抽样与一复数exp(-jθ(nT))相乘；频率同步，在存在一个一定量的频率偏移的情况下，一个范围宽、精度粗的频率调整是必要的。

数字传输过程中存在干扰和噪声，其中相位噪声是由于收发端的振荡器中热噪声的影响和通过外部供电及控制电路引入的噪声而引起振荡器相位的随机变化。振荡器的相位起伏和频率起伏引起了载波的相位噪声。相位噪声在发送端发射机和接收端调谐器等都能引入。

对于正交幅度调制(QAM)调制，这些相位抖动会使I/Q平面上的星座点(取样点)出现圆形模糊，引起载波间和符号间干扰，直接增加比特误码率。

通常抑制相位噪声最直接的方法是采用锁相环(PLL)来滤除相位噪声。

在接收机中，恢复载波同步的方法之一是发端在频域插入一个特殊的导频信号，接收机使用一个PLL获取并跟踪这个导频分量，并使本地振荡器与接收信号的载波频率和相位同步。

一般将PLL设计成具有窄带宽，但在实际中PLL带宽的选择需要在响应速度和相位估计值中的噪声(估计精确度)之间折中，一方面，当输入信号存在相位抖动分量时，要求不能过多地抑制反映输入相位变化的分量，因此，希望选择环路的带宽足够宽，以便及时地跟踪接收相位的任何时变；另一方面，一个宽带PLL允许更多的噪声进入环路，从而恶化相位估计，此时要求通带窄，对噪声分量抑制性要好。这两个方面对PLL带宽的要求是矛盾的。同样的，同步建立时间和保持时间对PLL带宽的要求也是矛盾的。所以，需要根据实际需要选取合适的折中的PLL带宽来减轻此矛盾，或者采取其它措施避免此矛盾。

下面讲述在地面数字电视广播中具体是如何做的。

当前国际上地面数字电视传输系统主要有美国的ASTC 8-VSB(八电平残留边带调制)和欧洲的DVB-T COFDM(编码的正交频分复用调制)两种。

美国ATSC制式采用了八电平残留边带(8-VSB)调制系统。ATSC 8VSB模式在6MHz带宽内可传输19.28Mbps的信息码率。从传送系统输入到传输系统的输入码率是19.39Mbps，每个数据包188Byte，其中1Byte同步和187Byte信息(187/188＝19.28/19.39)。输入信息首先进行随机化，然后进行前项纠错编码，附加20Byte纠错码后，每个数据包变为208Byte，再经2/3格形编码输出到复用器，与数据段同步和数据场同步混合。随机化和前向纠错不加到原包中的同步Byte。包中的同步Byte在复用时转成段数据同步信号。两个数据均最后合成一个数据帧。

8电平符号和二进制数据段同步和场同步采用抑制载波的残留边带调幅调制。VSB让一个边带全部通过，而另一个边带只残留了一部分余迹。在边带两侧各安排了形状为归一的均方根升余玄响应行程310KHz的过渡区，生成的基带信号转换成模拟形式(D/A转换器)，然后调制到中频载波，并生成残留边带的中频信号。在6MHz带宽内的归一化的传送频谱如图2。

在图2中可以看到在低端边界310KHz处有一个小的导频信号，此导频信号在VSB接收机中用于载波锁定，导频信号功率使总功率增加了0.3dB，有助于降低实施中的损耗。而且由于导频信号位于同频道NTSC信号的残留边带区域内，对NTSC不产生同频道干扰。

ATSC载波恢复用PLL电路在图2所示的导频上完成。其PLL的环路带宽足够宽，能够提供±100kHz宽的频率引入范围，以及跟踪滤除信号上约2kHz的相位噪声。但PLL带宽又窄到足以有效地抑制强白噪声和NTSC同频道干扰信号。

ASTC段同步和符号时钟恢复也是采用PLL电路。

但是ATSC存在近的强多径变化(相位)时，上述单一的小导频信号会受到严重影响，载波恢复变得困难。

欧洲DVB-T系统采用与美国8-VSB不同的调制技术COFDM(编码正交频分复用)。OFDM属于多载波调制技术，它把传输比特分割到数千计的低比特率子载波上，每个子信道是窄带平坦信道。

DVB-T的数据帧结构把4个OFDM符号帧组成一个数据帧，每个OFDM符号帧包含68个OFDM符号。一个OFDM符号的载波数是恒定的，在2K模式下有1705个载波，子载波间隔为4.46KHz，有效信息载波数为1512个载波；在8K模式下有6817个载波，子载波间隔为1.11KHz，有效信息载波数为6048个载波。在一个OFDM数据帧中，所有载波上使用一样的格雷码映射的QPSK、16QAM或64QAM调制。每次从内交织器中输出的V比特符号映射成调制星座中的一个星座点。

编码正交频分复用COFDM中的“编码”的含义之一是指在-OFDM频谱中插入了一些“导频”信号，这里所谓的“导频”是指这样一些OFDM的载波，它们由接收机已知的数据调制，它们所传输的不是调制数据本身，因为这些数据接收机是系统已知的，设置导频的目的是系统通过导频上的数据传送某些发射机的参量或测试信道的特性。

导频在COFDM中的作用十分重要，它的用处包括帧同步、频率同步、时间同步、信道传输特性估计、传输模式识别和跟踪相位噪声等。调制导频的数据是从一个事先规定的伪随机序列发生器中生成的伪随机序列。DVB-T中规定了分散导频、连续导频和传输参数信令(TPS)导频。

分散导频用作信道特性的估值；连续导频用作定时和载波频率的同步。它们的幅度比数据子载波高+2.5dB。连续导频在每个COFDM符号中的位置都是固定的，在8k模式中插入了177个连续导频，在2k模式中插入了45个连续导频。散布导频的位置在不同的COFDM符号中有所不同，但以四个COFDM符号为周期循环，如图3所示，其中白色圆圈代表数据子载波，灰色圆圈代表分散导频子载波，黑色圆圈代表TPS导频子载波，斜线圆圈代表连续导频子载波。

DVB-T的TPS载波用于传输系统参数，即信道编码和调制参数。每一OFDM符号含1 TPS bit，在OFDM符号帧中有68/17bit，在星座图中有固定位置，如图3所示。TPS载波采用DBPSK调制。

由于子载波间隔非常小，因此，OFDM多载波系统相比于单载波系统对相位噪声更敏感。相位噪声的影响可以模型化为两部分：(1)公共部分，它引起当前帧中所有接收到的数据符号的相位旋转，导致信号星座的整体旋转，它是子载波数N的单调下降函数，当N＝1(相当于单载波系统)时，达到最大，当N趋于无穷时，此部分也趋于0；(2)分散部分，它类似于高斯白噪声，将导致对应接收信号星座点的散焦，此部分是子载波数N的单调上升函数，当N＝1(相当于单载波系统)时，达到最小。

第一部分相位噪声容易通过PLL跟踪DVB-T中的连续导频信号来抑制。但是对于第二部分相位噪声，DVB-T补偿困难，即DVB-T对随机相位噪声的抑制性能不好，不能及时反映接收信号相位的变化。

近年清华大学也提出了“地面数字多媒体电视广播传输协议(Terrestrial DigitalMultimedia-Television Broadcasting，DMB-T)“，采用了时域同步正交频分复用(TimeDomain Synchronous Orthogonal-Frequency-Division-Multiplex，TDS-OFDM)调制技术。(专利申请号：00123597.4“地面数字多媒体电视广播系统”和专利申请号：01124144.6“正交频分复用调制系统中保护间隔的填充方法”)。

DMB-T系统的结构具有分层的帧结构，PN序列作为同步，可变保护间隔(填充PN序列、循环前缀或零值)，长度不超过IDFT块长度的1/4，循环时间为自然日的周期性传输方案，具有唯一的帧地址，支持时间共享多址，支持连续和突发数据混合传输，并且MpEG码包与时间秒同步。

DMB-T传输协议的物理信道帧结构如图4所示，它是分级的。一个基本帧称为信号帧。信号帧由两部分组成，即帧同步和帧体。帧群定义为一群信号帧，其第一帧定义为帧群头(控制帧)。超帧定义为一组帧群。帧结构的顶层称为日帧(Calendar DayFrame，CDF)。物理信道是周期的，并且和绝对时间同步。

信号帧是DMB-T系统帧结构的基本单元。一个信号帧由帧同步和帧体两部分组成(见图4)。帧同步和帧体的基带符号率相同，规定为7.56MSps。

基带帧同步信号的PN序列有420个符号。信号帧群中的不同信号帧，有不同的帧同步信号。所以，帧同步能作为特定信号帧的帧同步特征而用于识别。

PN序列定义为一个8阶m序列，其特征多项式定义为X⁸+X⁶+x⁵+x+1，初始条件模板将确定所生成m序列的相位。对于一个特定的信号帧，它的信号帧号决定PN序列的初始条件。经“0”到“+1”值及“1”到“-1”值的映射后，PN序列变换为非归零的二进制信号。

一个帧体的基带信号是一个正交频分复用(OFDM)块。一个OFDM块进一步分成一个保护间隔和一个离散复里叶逆变换(IDFT)块。对于TDS-OFDM来说，PN同步序列既作为帧同步，又作为OFDM的保护间隔，而帧体作为DFT块，如图4所示。

DFT块有3780个符号(子载波)并持续500us，相邻子载波间隔为2KHz，每个子载波符号采用QPSK、16QAM和均匀或非均匀64QAM映射。

由于PN序列与DFT块的正交时分复用，而且PN序列对于接收端来说是已知序列，因此，PN序列和DFT块在接收端是可以被分开的。接收端的信号帧去掉PN序列后可以看作是具有零填充保护间隔的OFDM，而具有零填充保护间隔的OFDM与具有循环前缀保护间隔的OFDM在理论上是等价的。

在一个帧体中，有3780个符号(载波)，其中36个子载波用于携带传输参数信令(Transmission Parameter Signaling，TPS)，剩余的3744个子载波用于数据净荷传输。数据信号是在频域定义，TPS信号在时域定义，并且与数据信号在频域正交，如图5所示。TPS在帧群中每个信号帧中重复。传输模式只有在新的一帧群开始时才能改变。

在DMB-T中，PN同步序列用于帧同步、频率同步、定时同步、信道估计和均衡、传输帧识别和跟踪相位噪声等。

在清华大学提出的DMB-T系统的接收端也存在相位噪声，需要采取一定的措施来抑制相位噪声，以便获得可靠的载波恢复。

发明内容

本发明的目的是针对多载波调制的数字通信系统中存在的相位噪声问题，而提出一种利用时域同步正交频分复用调制(TDS-OFDM)中传输参数信令(TPS)抑制相位噪声的方法，及时跟踪接收信号相位的瞬时变化，提高了系统的同步性能。

本发明提出了传输参数信令(TPS)抑制相位噪声的方法，其特征在于，在发端包括以下步骤：

1)将输入的数字信号经过内外码纠错编码后，进行调制映射；

2)将映射后的符号进行离散傅立叶逆变换(IDFT)处理，保护间隔插入IDFT时域块形成帧体；

3)把N个TPS分为M组插入到帧体中，其中N、M均为正整数；

4)在每组TPS中有一个用于相位噪声参考的相位参考TPS，它的幅度高于同组中其它的TPS信号，其它TPS构成相位参考TPS的频率保护带；

5)将帧头和上述携带TPS的帧体复接成为信号帧，经过数模变换、成形滤波、射频上变换等处理后送给信道传输，由收端进行相应的相位噪声抑制；所述的相位噪声抑制的方法可为：收到的信号首先对M组相位参考TPS子载波进行带通滤波处理，比较M个输出结果，取其中最大的那个滤波结果作为接收信号的相位噪声估计。

所述的相位参考TPS的位置最好位于每组的中间。

所述的N可选择为36。

所述的M可选择为4。

所述的带通滤波处理的带宽可为

其中Δf为OFDM子载波间隔。

所述的M可为4。

本发明的特点：

本发明根据OFDM多载波调制系统相位噪声的特性，具体提出了一种利用时域同步正交频分复用调制(TDS-OFDM)中传输参数信令(TPS)抑制相位噪声的方法，从而及时锁定接收信号相位的瞬时变化，准确恢复系统同步。

附图说明

图1为一个典型的数字接收机同步电路方框图。

图2为美国ATSC中导频在信道频谱中的位置。

图3为欧洲DVB-T中导频的空间位置。

图4为本发明采用的DMB-T传输协议的分级帧结构。

图5本发明TPS子载波在TDS-OFDM中的嵌入框图。

图6为本发明中TPS子载波在TDS-OFDM中的分布。

图7为恢复载波的归一化NMSE与保护带和滤波器带宽的关系。

图8为本发明中TPS通过滤波提取相位噪声估计。

图9为采用本发明的地面数字多媒体电视广播系统发射原理框图。

图10为采用本发明的地面数字多媒体电视广播系统接收原理框图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的具体实施例进行详细描述。

本发明提出的一种利用TPS抑制相位噪声的方法用于TDS-OFDM调制系统发端的实施例的实现步骤如下：

1)将输入的数字信号进行内码、外码纠错编码和交织；

2)将纠错编码后的信号进行QPSK或mQAM符号映射；

3)将映射后的符号进行IDFT处理；

4)将保护间隔插入IDFT时域块形成帧体；

5)把36个TPS分为4组插入到帧体中；

6)使相位参考TPS(每组中间位置的TPS)的幅度高于其它的TPS信号；

7)将帧头(PN序列)和上述携带TPS的帧体复接成为信号帧；

8)最后将复接后的信号进行成形滤波、上变换等处理后送给信道传输。

TDS-OFDM调制系统也属于OFDM技术，因此，TDS-OFDM系统的相位噪声包括公共旋转部分和外来分散部分。公共旋转部分通过DMB-T信号帧的PN同步序列跟踪；而对于外来分散部分产生的随机相位噪声，本发明提出了利用TDS-OFDM中TPS子载波来抑制，以便及时反映接收信号相位的任何瞬时时变。

利用传输参数信令(TPS)抑制相位噪声的方法的实施例中的TPS插入在OFDM帧中的位置如图6所示，36个TPS子载波分为4组，等间隔地插入DFT块中。每组包含9个子载波，其中第5个子载波(我们称之为相位参考TPS)的功率高于其它8个子载波，用于随机相位噪声的估计和补偿。在相位参考TPS的两边各有4个子载波间隔的频率保护带，以尽可能提取主要的相位噪声，同时减少数据干扰。频率保护间隔的选择依赖于相位噪声模板的形状。

在接收端，可以用一个中心频率位于相位参考TPS处的带通滤波器来完成载波恢复，因此，除了了相位参考TPS必须有保护带外，滤波器的带宽也是一个重要参数。理论分析表明，恢复载波的归一化均方误差(NMSE)与相位参考TPS的频率保护带带宽和载波恢复滤波器的带宽有关，其中以子载波间隔为参考进行归一化，如图7所示。

在本实施例中，在TDS-OFDM信号帧的帧体中插入4组TPS子载波，每一组包含1个用于抑制相位噪声的TPS(相位参考TPS，位于每组的中间位置)，其发射功率高于其它的TPS信号，并且其两边的频率保护带的子载波间隔数M取4，即频率保护带带宽为BW_Guard＝M×Δf＝4×2kHz＝8kHz，其中Δf为OFDM子载波间隔。

在本实施例中，载波恢复滤波器的带宽BW_Filter≥[BW_Guard]/2，在本实施例中取带通滤波器带宽为2个子载波间隔，即4kHz。

在接收端，利用上述TPS抑制相位噪声的方法之一为：收到的信号首先对4组相位参考TPS子载波进行带通滤波处理，比较4个输出结果，取其中最大的那个滤波结果作为接收信号的相位噪声估计，如图8所示的TPS_R3。得到相位噪声估计以后，基带信号乘以估计的相位噪声矢量的复数共轭，获得相位补偿的基带信号，然后基于TDS-OFDM中的PN同步序列进行信道频率响应估计，估计的信道响应用于均衡相位补偿后的信号帧，最后经过自动增益控制AGC后形成基带信号，送给后面的处理部分，恢复发端传送的数据。

从前面技术背景所述的图3可以看到，欧洲DVB-T系统在OFDM符号中放置了大量的导频信号(包括TPS信号)，但是DVB-T系统导频的两边没有留有频率保护带，每个导频的两边都是实际的数据信号，从上述分析可知，DVB-T要采用本发明所述的方法，一是需要滤波器带宽很窄且陡峭，实现复杂，数据也会作为干扰存在；二是即使实现了滤波，但没有频率保护带，从上述的图7可知，相位噪声抑制性能也不好。

一个采用本实施例所述方法的地面数字多媒体电视广播发射系统原理性组成框图如图9所示。输入的MPEG TS码流可以是视频、音频、图形、数据等多媒体信息，为了抵抗传输过程中产生的误码，TS流首先经过内码、外码和交织等纠错编码后，然后进行QPSK或mQAM符号映射和IDFT处理，将保护间隔插入IDFT时域块形成帧体。把36个TPS分为4组插入到帧体中，使相位参考TPS(每组中间位置的TPS)的信号幅度高于其它的TPS信号。将帧头(PN序列)和上述携带TPS的帧体复接成为信号帧，最后将复接后的信号经过数模转换模块，转换为合适的模拟信号，射频RF模块接收此模拟信号，处理后的结果送给发射天线或其它信号发射机。

一个采用本实施例所述方法的地面数字多媒体电视广播接收系统原理性组成框图如图10所示。天线或其它信号接收机接收调制信号，送给下变频模块进行频率变换后，送给模数转换变为数字信号，利用时域PN同步序列恢复载波同步、符号同步、定时同步等，并采用本发明的TPS进一步抑制和跟踪相位噪声，然后经过OFDM多载波解调和纠错码解码方法处理后，最后恢复MPEG TS码流。

对上述采用本发明所述方法的地面数字多媒体电视广播接收系统进行的计算机仿真测试，在计算机仿真结果的基础上，已经用FPGA实现了采用本发明所述方法的地面数字多媒体电视广播接收系统的功能样机。

上面结合附图对本发明的具体实施例进行了详细说明，但本发明并不限制于上述实施例，在不脱离本申请的权利要求的精神和范围情况下，本领域的技术人员可作出各种修改或改型。

Claims (6)

1、一种利用传输参数信令(TPS)抑制相位噪声的方法，其特征在于，在发端包括以下步骤：

1)将输入的数字信号经过内外码纠错编码后，进行调制映射；

2)将映射后的符号进行离散傅立叶逆变换(IDFT)处理，保护间隔插入IDFT时域块形成帧体；

3)把N个TPS分为M组插入到帧体中，其中N、M均为正整数：

4)在每组TPS中有一个用于相位噪声参考的相位参考TPS，它的幅度高于同组中其它的TPS信号，其它TPS构成相位参考TPS的频率保护带：

5)将帧头和上述携带TPS的帧体复接成为信号帧，经过数模变换、成形滤波、射频上变换等处理后送给信道传输，由收端进行相应的相位噪声抑制：所述的相位噪声抑制的方法为：收到的信号首先对M组相位参考TPS子载波进行带通滤波处理，比较M个输出结果，取其中最大的那个滤波结果作为接收信号的相位噪声估计。

2、如权利要求1所述的利用传输参数信令(TPS)抑制相位噪声的方法，其特征在于：所述的相位参考TPS的位置位于每组的中间。

3、如权利要求1所述的利用传输参数信令(TPS)抑制相位噪声的方法，其特征在于：所述的N为36。

4、如权利要求1所述的利用传输参数信令(TPS)抑制相位噪声的方法，其特征在于：所述的M为4。

5、如权利要求1所述的利用传输参数信令(TPS)抑制相位噪声的方法，其特征在于：所述的带通滤波处理的带宽为 $\frac{N}{4M}\mathrm{\ΔfHz},$ 其中Δf为OFDM子载波间隔。

6、如权利要求5所述的利用传输参数信令(TPS)抑制相位噪声的方法，其特征在于：所述的M为4。

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