基于CMMB信號同步算法的研究

摘 要:中國移動多媒體廣播(CMMB)作為國內自主研發的第一套面向多種移動終端的系統，采用OFDM調制方式，在接收端，如何在終端簡單而又準確地檢測到信號實現同步，直接關系到CMMB系統的性能。采用能量檢測法和相關檢測法兩種不同的方法實現CMMB信號的同步檢測，并通過仿真表明兩種方法在低信噪比下也能很好地實現同步。

關鍵詞: CMMB; 同步檢測; 相關檢測; 能量檢測

中圖分類號:TN911 文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)11-0082-04

Research of Synchronization Algorithm for CMMB Signal

BAO Han

(Jilin Province Broadcast Television Information Network Group Co. Ltd.， Changchun 130021， China)

Abstract: As the first system developed by Chinese government for various mobile terminals， the system of CMMB(China mobile multimedia broadcasting) employs the OFDM modulation. At the receiving terminal， it is significant for the performance of the CMMB system to detect the signal precisely and realize the synchronization detection. The synchronization detection of CMMB signal was implemented with two different methods (energy detection and correlation detection). The simulation results show that both of the two methods can realize the synchronization detection even at low SNR.

Keywords: CMMB; synchronization detection; correlation detection; energy detection

2008年8月，北京第29屆奧運會前夕，國家廣電總局在全國37個省會及奧運舉辦城市開通了移動多媒體廣播(China Mobile Multimedia Broadcasting，CMMB)系統，這標志著自2002年開始由國家廣電總局廣播科學研究院及相關院校、企業著手研究的、具有自主知識產權的中國多媒體廣播技術正式投入運行[1-2]。CMMB是通過衛星或地面無線廣播方式，供7寸以下小屏幕、小尺寸、移動便攜的手持終端(如手機、PDA，MP3、數碼相機、筆記本電腦等)，隨時隨地接收廣播電視節目和信息服務等業務的系統。

1 CMMB的物理層幀結構[3-5]

CMMB物理層信號每1 s為1幀，劃分為40個時隙。每個時隙的長度為25 ms，包括1個信標和53個OFDM符號，基于時隙劃分的幀結構如圖1所示。

信標包括發射機標識信號Tx以及2個相同的同步信號，結構如圖2所示。

1.1 發射機標識信號(TxID)

發射機標識信號SID(t)為頻帶受限的偽隨機信號，用于標識不同發射機。SID(t)長度記為TID，取值為36.0 μs(包括循環前綴長度TIDCP)。發射機標識信號的表達式為:

SID(t)=1NID∑NIDi=0XID(i)ej2π(Δf)ID(t-TIDCP)， 0≤t≤TID(1)

式中:NID是發射機標識信號的子載波數;XID(i)為承載發射機標識序列的BPSK調制信號;(Δf)ID表示發射機標識信號的子載波間隔，取值為39.062 5 kHz。

圖1 基于時隙劃分的幀結構

圖2 信標結構圖

1.2 同步信號

同步信號Sb(t)為頻帶受限的偽隨機信號，長度記為Tb，取值為204.8 μs。同步信號的表達式為:

Sb(t)=1Nb∑Nb-1i=0Xb(i)ej2π(Δf)bt，0≤t≤Tb(2)

式中:Nb表示同步信號的子載波;Xb(i)為承載二進制偽隨機序列PNb(k)的BPSK調制信號;(Δf)b是同步信號的子載波間隔，取值為4.882 812 5 kHz。

承載二進制序列偽隨機PNb(k)的BPSK調制信號Xb(i)由PNb(k)映射產生。另外，OFDM符號由循環前綴(CP)和OFDM數據體構成。發射機標識信號、同步信號和相鄰OFDM符號之間，通過保護間隔GI相互交疊(符號交疊時，每時隙中兩段2.4 μs同步信號作為一段信號處理，兩段同步信號間不加保護間隔)。相鄰符號經過窗函數加權后，前一個符號的尾部GI與后一個符號的頭部GI相互疊加。

2 CMMB同步的實現

評估幀同步常用到兩個指標——虛警概率和檢測概率[6]。虛警概率Pf表示實際沒有信號幀到達，算法誤測為信號幀到來的概率;檢測概率Pd表示實際有信號幀到達，檢測算法正確檢測為信號幀到來的概率。另外還有漏檢概率，表示實際有信號幀到達而算法沒有檢測到的概率，可以表示為Pm=1-Pd。這里同步算法主要評估能量檢測法和相關檢測法。

2.1 能量檢測法

能量檢測法[7]是一種比較簡單的信號檢測方法，屬于非相干檢測能量檢測法，即將輸入信號通過一個帶寬為W的帶通濾波器，取出感興趣的頻段，然后進行平方運算，通過積分器在一段時間T內進行積累，得到判決統計量V，其檢測框圖如圖3所示。

圖3 能量檢測法原理圖

對于一個持續時間為T，帶寬為W的信號，可由N=2TW個采樣點來表示。對于低通情況，以2W的頻率采樣，采樣時間為T，就可以得到N=2TW個采樣點。設輸入信號為y(t)，則能量檢測器的輸出為統計量V=1T∫T0y2(t)dt，對應的檢測門限為Th，則判決模型為:

V

式中:H0表示輸入信號為噪聲;H1表示輸入信號為信號和噪聲。為方便計算，取統計量為V′=1N0∫T0y2(t)dt。

在低通情況下，噪聲n(t)在(0，T)上可近似為2TW項的和，即:

n(t)=∑2TWi=1aisin[c(2Wt-i)]， 0

則n(t)在(0，T)上的能量可表示為:

∫T0n2(t)=12W∑2TWi = 1a2i(4)

假設H0:輸入信號只有噪聲時，即y(t)=n(t)，能量檢測器的輸出統計量為:

V0′=1N0∫T0y2(t)dt=1N0∫T0n2(t)dt=∑2TWi=1b2i(5)

式中:bi=ai2WN0;N0是AWGN的功率譜密度。此時V0′是2TW個均值為0，方差為1的高斯隨機變量的平方和，從而V0′～χ22TW。

假設H1:輸入信號為信號和噪聲，兩者不相關，即y(t)=s(t)+n(t)，則:

y(t)=∑2TWi=1(αi+ai)sin[c(2Wt-i)]， 0

(6)

能量檢測器的輸出統計量為:

V1′=1N0∫T0y2(t)dt=∑2TWi=1(βi+bi)2(7)

式中:βi=αi2WN0;αi=si2W，則V0′～χ22TW(2λ)，其中λ為非中心系數。由定義計算可得:V0′的均值和方差分別為N和2N，而V1′的均值和方差分別為λ+N和λ+2N。

由此可得虛警概率和檢測概率分別為:

Pf=P{V0>Th|H0}=QN2Th2WN0-1〗(8)

Pd=P{V1>Th|H1}=QN2WN0Th-(γ+N)2N+γ〗(9)

式中:Q(x)=12π∫∞0ey22dy。

2.2 相關檢測法[8-9]

由于CMMB信號中信標部分的兩段同步信號是一樣的，可以利用Schimdl和Cox提出的延遲相關方法來檢測同步信號的存在，從而判斷整幀CMMB信號的存在，其對應的原理圖如圖4所示。

根據延遲自相關的原理，滑動窗口P是接收信號和接收延時信號中相關能量的檢測窗，延時L=204.8 μs，這是CMMB中一段同步信號的長度;滑動窗口R對應延時L后接收信號的能量檢測窗，該窗口的目的是歸一化相關能量，確保相關值的大小與信號絕對能量大小無關。其算式如下:

M(d)=P(d)\\22(10)

式中:P(d)=∑L-1m=0(r*d+mrd+m+L)，R(d)=∑L-1m=0rd+m+L2。對相關檢測器的性能進行分析，基于以下假設:

(1) H0:輸入信號只有噪聲，即rm=nm;

(2) H1:輸入信號為信號和噪聲，即rm=sm+nm;

(3) 在以上兩種情況下，均假設:E

圖4 相關檢測法原理圖

假設H0:輸入信號只有噪聲，此時有rm=nm，對于:

P(d)=∑L-1m=0(r*d+mrd+m+1)=∑L-1m=0(n*d+mnd+m+L)(11)

則P(d)2服從2Lσ4rχ22分布，均值為4Lσ4r，方差為16L2σ8r。

同理，對于R(d)有:

R(d)=∑L-1m=0rd+m+12=∑L-1m=0nd+m+12(12)

根據中心極限定理，R(d)服從高斯分布。由于R(d)的標準差遠遠小于其均值，所以{R(d)}2也服從高斯分布，即有{R(d)}2～n\\，由于:

M(d)～12Lχ22n1，4L≈12Lχ22-n0，4L3≈12Lχ22(13)

則M(d)的均值為1/L，方差為1/L2。

假設H1:輸入信號為信號和噪聲，即rm=sm+nm，則P(d)服從均值為2Lσ2s的高斯分布，R(d)服從均值為2L(σ2s+σ2n)的高斯分布。M(d)可近似看作高斯隨機變量，則有M(d)～n(μ1，σ21)。

由虛警和檢測的定義可得:

Pf=P{M(d)>Th|H0}=

P12Lχ22>Th=P{χ22>2LTh}(14)

Pd=P{M(d)>ThH1}=QTh-μ1σ1(15)

式中:Q(x)=12π∫∞0ey22dy。

3 仿真結果

下面將介紹CMMB信號兩種同步算法的仿真實現，信道模型分別為高斯白噪聲信道。通常，對于信號幀同步算法的虛警概率和檢測概率的評估，仿真信噪比SNR一般設定在較低區間進行評估。

在AWGN信道環境下，能量檢測法的理論和仿真性能曲線(Pf-Pm)如圖5所示。

其中，“SNR=-10 dB仿真”、“SNR=-9 dB 仿真”、“SNR=-8 dB 仿真”分別表示能量檢測法在認知用戶檢測到主用戶信號的SNR在-10 dB，-9 dB，-8 dB時的仿真性能曲線，“SNR=-10 dB理論”，“SNR=-9 dB理論”，“SNR=-8 dB理論”分別表示能量檢測法SNR在-10 dB，-9 dB，-8 dB時的理論性能曲線。

圖5 AWGN信道下能量檢測法的性能曲線

由圖4可知，在AWGN信道條件下，隨著信號幀SNR的增大，同一虛警概率Pf對應的漏檢概率Pm減小。可以驗證，這一規律同樣適應于衰落信道(例如TU模型[10-11])。由此可見，在信道環境一定時，能量檢測法的性能隨著信號幀的SNR增大而提高，這一規律并不隨信道環境的不同而變化。由上述可知，能量檢測法的出發點是信號加噪聲的能量大于噪聲的能量。隨著信號幀SNR增大，信號加噪聲的能量與噪聲能量之間的差別變大，故檢測性能提高。因此，能量檢測法性能在高SNR條件下較好。

在AWGN信道環境下，相關檢測法的理論和仿真性能曲線(Pf-Pm)如圖6所示。

圖6 AWGN信道下相關檢測法的性能曲線

其中，“SNR=-12 dB仿真”、“SNR=-11 dB 仿真”、“SNR=-10 dB仿真”分別表示信號幀的SNR 在-12 dB，-11 dB，-10 dB時的仿真性能曲線，“SNR=-12 dB 理論”、“SNR= -11 dB 理論”、“SNR=-10 dB理論”分別表示信號幀的SNR 在-12 dB，-11 dB，-10 dB時的理論性能曲線。由圖6可知，在信道環境一定(AWGN或TU)的條件下，隨著信號幀的SNR的增大，同一虛警概率Pf對應的漏檢概率Pm減小。這一規律同樣適應于衰落信道。由此可見，在信道環境一定時，相關檢測法的性能隨著SNR的增大而提高，這一規律并不隨信道環境的不同而變化。由上述可知，相關檢測法的出發點是兩段相同信號加噪聲做相關性運算得到的相關系數大于噪聲的相關系數，隨著接收信號幀的SNR增大，這兩段信號加噪聲做相關性運算得到的相關系數與噪聲的相關系數之間的差別變大，故檢測性能提高。因此，同樣提高相關檢測法的性能可以通過增加接收信號的SNR實現。

4 結 語

CMMB是我國科技創新的重大成果，是推動我國信息數字化快速發展的一個重要領域。信號的同步在CMMB技術中有著至關重要的作用。本文通過能量檢測法和相關檢測法兩種基本的方法實現了信號的同步算法，通過仿真可以得出，在信號環境一定時，兩種同步檢測算法的性能都隨著接收信號信噪比的增加而有所改善。

參考文獻

[1]楊志明，馬東.移動多媒體廣播CMMB技術簡介[J].內蒙古廣播與電視技術，2009，26(2):1-4.

[2]羅蘊軍.淺談CMMB技術與發展\\.數字通信世界，2009(8):19-21.

[3]牟大偉.淺談CMMB技術特點及組網方案\\.世界寬帶網絡，2009(8):61-63.

[4]國家廣播電影電視總局.GY/T220.1-2006 CMMB廣播信道幀結構、信道編碼和調制[S].2006.

[5]汪裕民.OFDM關鍵技術與應用[M].北京:機械工業出版社，2006.

[6]ZHAO You-ping， MAO Shi-wen， NEEL J O， et al. Performance evaluation of cognitive radios: metrics， utility functions，and methodology[J]. Proceedings of IEEE， 2009， 97(4): 642-659.

[7]URKOWITZ H. Energy detection of unknown deterministic signals[J]. Proceedings of IEEE， 1967， 55: 523-531.

[8]SCHMIDL T M， COX D C. Robust frequency and timing synchronization for OFDM[J].IEEE Trans. on Commun.， 1997， 45(12): 1613-1621.

[9]LIU Chia-Horng. Design and evaluation of energy detection algorithms for IEEE 802.11a systems[C]//RAWCON. Radio and Wireless Conference， \\: RAWCON， 2003.

[10]PATZOLD Matthias. Mobile fading channels: modelling， analysis simulation[M].\\: John Wiley， 2002.

[11]SOFER Eli， CHOUINARD Gerald. WRAN channel mo-deling[M]. \\: IEEE， 2005.