1、2022年第46卷第10期 110器件与应用arts and Applications P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 system J.Audio Engineering，2022，46（10）：110-113.中图分类号：TP311.1 文献标识码：A D O I：10.16311/j.a
2、udioe.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；
3、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 technolog
4、y 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,incl
5、uding 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
6、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（Orthogo
7、nal 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。DV
8、B-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
9、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
10、。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：()()()12 2 12pB Bky k y k N+=+（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
11、 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）。()()10qmm N L=+（2）式 中：表示O F D M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
12、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）()()10qmm N L=+（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 2 f+()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
13、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：()()()()()()s gj2/l l lef k IN N NlY k H k X k Z k
14、+=+（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 Applications P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
15、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。2 1 2 1,2 k k k kkN=（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：2 1,2
16、 k kNk=（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：125,1125 2 n nk knNk+=（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
17、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，该方法的估算效果会出现明显的下降。对此，本文提出以下改进方法。将 DVB-T2 系统接收信号的载波频率偏差记为 f0，将时钟
18、不一致造成的频率偏差记为 F0。在系统改进中采用离散导频，其相位同样固定不变，但 OFDM 符号利用相同离散导频的前提为实现共轭相关。离散导频分布情况对系统接收端属于未知信息，因而在联合估算中应该先识别 OFDM 符号的离散导频分布特点。在共轭相关处理中，如果导频子载波的间隔为 4 个 OFDM 符号，那么相位差的计算方法如下：0iipf f p F=+（10）式中：将离散导频子载波的位置记为 pi，OFDM 符号中包括多个离散导频，其位置信息构成了一个集合，记 为 p。显然，有 pi属于 p。f0表示接收信号中的载波频偏，F 为采样钟频偏。2.2 DVB-T2 系统时间同步算法的仿真2.2.
19、1 帧定时捕获仿真及结果分析T2 帧定时捕获的判断依据为帧结构中的 P1 符号，其他所有的定时操作均建立在 P1 符号检测的时间基础之上。为了有效评价改进方法对帧定时捕获的实际性能，在仿真环节设置了帧定时捕获成功率这一评价指标。在仿真过程中设置了五种信道，分别为 AWGN 信道、Rician（莱斯衰落信道）等 4。设置梯度递增的信噪比（Signal-Noise Ratio，SNR），分 别 为-20 dB、-15 dB、-10 dB、-5 dB、0 dB。不同信道下帧定时捕获成功率对比如图 1所示。从图 1 可知，随着信噪比的提升，五种信道下的 T2 帧 P1 符号捕获成功率均同步提升，并且曲
20、线的走势基本吻合。当信噪比达到-5 dB 时，捕获成功率甚至接近于 1，足以说明本文设计的帧定时捕2022年第46卷第10期 113Parts and ApplicationS器件与应用获方法具有良好的应用效果。AWGNRician,fd=0 HzRayleigh,fd=0 HzRician,fd=200 HzRayleigh,fd=200 Hz-200.500.550.600.650.700.750.800.850.900.951.00帧定时捕获成功率-15-10SNR/dB-5 0图 1 不同信道下帧定时捕获成功率对比图2.2.2 粗符号定时同步仿真及效果分析根据粗符号定时同步的基本原理，
21、设置两径信道的主要作用是将定时位置引至 I S I-F r e e 区域。因此，评价粗符号定时同步仿真效果的依据为定时位置处于目标区域的概率。为了对比不同算法的效果，除了本文提出的算法外，还将传统的MPSC 算法、Karthik 算法以及 ML 算法作为对照组。四种算法采用相同的仿真信道，信噪比 SNR 从-10 dB 提升至 10 dB，观察对应的粗符号同步成功率。结果显示，当信噪比为-10 dB 时，目标算法的粗同步成功率为为 0.81（最高为 1），高于其他三种算法的同一指标。ML 算法性能表现最差。随着信噪比的提升，四种算法的粗同步成功率逐步提升，但目标算法在 SNR 为-5 dB 时
22、接近于 1，随后一直保持这一成功率。四种算法的整体性能表现为目标算法 MPSC 算法 Karthik 算法 ML 算法。可见，本文设计的粗符号定时同步算法具有良好的效果，性能优于同类算法。2.2.3 细符号定时同步仿真及效果分析经过粗符号定时同步后，DVB-T2 系统中的大部分时频偏差问题已经得到解决，但仍然剩余小部分定时同步偏差问题，于是设计了细符号定时同步方法。经过该方法的处理，OFDM 符号的定位将变得更加准确与可靠 5。在评价细符号定时同步方法的效果时，可对比分析算法估计值与系统实测值的偏差率。具体的仿真方法为：设置两种 DVB-T2信号，分别为 2k 和 32k，然后针对两种信号均设
23、置10 个采样点，观察偏差率。目标算法基于离散导频，对比算法基于传统的连续导频。结果发现，在AWGN 信道下，传统的基于连续导频的细符号定时同步算法的定时偏差高于本文提出的新算法（基于离散导频）。并且这一规律在 Rayleigh 信道和BrazilE 信道上也表现出一致性，说明本文提出的细符号定时同步算法确实达到了性能提升的目标。2.2.4 细小频率偏差和采样时钟偏差联合估计方法仿真及分析导频子载波的相位变化会受到以上两种偏差因素的共同作用。与此同时，这两种偏差也存在相互影响和制约的关系。在仿真环节，分别针对两种偏差设计对照组，以子载波细小频率偏差效果仿真为例，传统方法采用连续导频开展偏差估计
24、，本文方法改用离散导频进行优化，于是采用传统方法和目标方法分别进行估。DVB-T2 系统的模拟接收信号为 2k，SNR 从 0 dB 变化至 20 dB，信道采用AWGN、Rician、Rayleigh。结果显示，基于离散导频的细小频率偏差估计算法和采样时钟偏差估计算法整体上都优于传统算法（基于连续导频）。3 结 语定时偏差、频率偏差以及采样偏差共同构成了 DVB-T2 系统的时频误差，对该系统的性能产生了较大的制约。结合相关问题的成因，本文设计了提升系统性能的优化算法。T2 帧定时同步捕获用于确定系统修正的起始时间，其捕获依据为 T2 帧的 P1 符号。粗符号定时同步可消除大部分时频偏差问题
25、，细符号定时同步、OFDM 频率同步估算等用于处理剩余的定时偏差，进一步强化系统性能。经过仿真检验，新的算法模型取得了良好的 效果。参考文献：1 张珊.DVB-T2 系统信道估计和分集接收方法研究与实现 D.西安：西安电子科技大学，2019.2 王宠，万显荣，沈季，等.DVB-T2 外辐射源雷达参考信号重构算法 J.科学技术与工程，2021，21（36）：15491-15496.3 陈磊.应急视频通信系统的物理层设计与实现 D.重庆：重庆大学，2018.4 罗斌.数字电视广播技术的应用和相关问题探讨 J.电子元器件与信息技术，2021，5（6）：176-177.5 邢春光.数字电视广播技术的发展与应用思考的相关分析 J.数字通信世界，2021（5）：131-132.编辑：郭芳园
