基于CMMB的时频联合载波同步ASIC实现|载波频偏

　　摘要:通过研究CMMB的协议标准,针对其特殊的帧结构,本文提出了一种适合于CMMB系统接收机载波同步的方案。该方案利用了时域同步的快速性和频域同步的精确性,采取了时频联合载波同步。首先在时域纠正小数频偏,消除ICI的影响;小数频偏校正完的数据经过FFT,在频域通过连续导频自相关求峰值,解出整数频偏;然后在频域再对整数频偏和小数频偏补偿过后的数据进行剩余载波频偏的跟踪。本文采用Verilog语言实现了具体的硬件电路,并运用流水线和模块复用技术,进行了电路的优化,通过FPGA的验证,证明了该算法硬件结构性能的实用性和优越性。
　　关键词:CMMB;载波同步;ASIC;手机电视
　　
　　Design and implementation
　　of carrier frequency synchronization Based on CMMB
　　
　　QUAN Jin-guo1,LI Xiu-dong2,3, WANG Jun3 ,ZHANG Yan2
　　(1. Graduate school of Shenzhen, Tsinghua University, Shenzhen 518055
　　2. Graduate school of Shenzhen, Harbin Institute of Technology University, Shenzhen 518055
　　3. IsVue Technology Co., Ltd, Beijing 100001)
　　
　　Abstract:This paper studies and analyses the special frame structure of CMMB, then presents a carrier synchronization which is used in the CMMB receiver. The solutions adopt synchronization in the time domain associated with the frequency domain, firstly estimate and correct the decimal frequency offset in the time domain, then after the process of FFT, estimate the integer frequency offset by using the self correlation; finally track the residual frequency offset in the frequency domain. The whole system is implemented and optimized with the verilog HDL by adopting the pipelining and resource sharing technology, after validated by the FPGA, the solution’s performance requirement is verified.
　　Keywords: CMMB;Carrier synchronization;ASIC;Mobile TV
　　
　　1引言
　　
　　 随着数字电视标准的制定和商用实践的巨大成功,移动数字电视作为一种新兴的多媒体业务越来越受到各个国家的重视。为此各国分别制定了自己的移动数字电视标准,如欧洲的DVB-H,韩国的T-DMB,美国的MediFLO等。我国广电总局也提出了具有自主知识产权的CMMB(中国移动多媒体广播系统)标准[1]。CMMB系统物理层采用OFDM调制技术, OFDM的正交性使得它相对于别的调制技术对载波频偏非常敏感,如发射机和接收机的晶振的不匹配以及无线移动信道中的多普勒效应都会带来载波频偏,造成OFDM系统正交性的破坏,带来子载波间干扰(ICI);而且由于信道的时变特性和本地晶振的不稳定,在时域频偏校正完以后还需要在频域进行频率偏差的跟踪,从而实时的完成频偏的估计和校正[2], [3]。
　　 本文设计的目的就是设计出一个适合于手持移动终端设备接收机的低功耗、低复杂度载波同步系统,用于基带芯片载波频偏捕获、跟踪和补偿。
　　
　　2CMMB载波同步系统设计
　　
　　 本文针对的系统只支持系统采样频率为10MHz模式。子载波间隔为2.44KHz,子载波的数目N=4096个,其中有3076个有效子载波(82个连续导频,384个离散导频,2610个数据子载波),1019个在频带边缘起保护作用的空闲子载波以及0频率位置上的空闲子载波。其中连续导频的位置成对称分布,在频谱的正负半轴各有41个。循环前缀的样点数目为Ng=512。
　　 CMMB系统的帧结构如图1所示,物理层信号每1S为一帧,划分为40个TS[1]。每个TS的长度为25ms,包括一个信标和53个OFDM符号。信标由发射机标识信号(TXID)以及两个相同的同步信号组成。同步信号为频带受限的伪随机信号,采用BPSK调制,持续时间为204.8μs,子载波间隔为4.88KHz。
　　 由于本文设计的目的是用于手持移动终端,在系统功耗和硬件面积上要求较高,因而在算法选择和架构实现上必须认真考虑,尽量使用低功耗低复杂度的算法和实现架构。 基于这两点考虑,本文的载波同步系统结构如图2所示,阴影部分是本文实现的功能模块。整个载波同步系统分为载波频偏校正模块、小数频偏估计模块、整数频偏估计模块、剩余载波频偏跟踪模块。其中小数频偏放在FFT前来做,可以和符号初定时模块进行逻辑复用,而整数频偏和剩余载波频偏放在FFT之后来做,相对于文献中[2]提到的时域整数频偏计算算法,频域的实现方式计算量更小,计算更准确,同步更快。由于小数频偏和剩余载波频偏的计算都需要用到求角度,因而这两个模块可以复用CORDIC运算模块。通过模块的复用,整个结构设计显得简洁紧凑,在不影响系性能的条件下,可以节省硬件面积的消耗。同时时频联合的载波同步设计结构,使得载波同步的时间大大缩短,提高了载波频偏估计精度,系统性能和硬件消耗达到了很好的权衡。
　　
　　3CMMB载波同步ASIC结构设计
　　
　　 3.1小数频偏估计ASIC 设计
　　 结合CMMB协议的帧结构,每个时隙有两个连续的同步符号.这样可以利用这两个2048点的同步符号相关性进行符号初定时,同时利用相关的峰值求角度,解出小数频偏。根据文献,其算法如下[4], [5]:
　　P■=Σ■■r(k+m)×r *■(k+m+2048) (1)
　　D=■arctan■
　　D∈-■,■ (2)
　　 其中r(k)表示接收到的时域采样序列,为了便于硬件实现和节省硬件面积消耗,对上面公式进行化简,可以得到:
　　P■=P■+r(k+2048)×r *(k+4096)-r(k)
　　 ×r *(k+2048)(3)
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　　3.2整数频偏估计ASIC 设计
　　 典型的频域整数频偏估计算法包括两种:基于连续导频和基于离散导频[6]。这两种算法的本质思想都是利用导频符号位置的已知性,对两个连续的OFDM符号的导频滑动自相关求峰值。结合CMMB帧结构的特点,每个OFDM符号包括82个连续导频,384个离散导频。对比两种算法,发现离散导频这种算法硬件实现的复杂度要高于连续导频的算法,但是性能会好一点。综合性能和硬件实现复杂度,选择连续导频的方法。其算法公式如下:
　　I =argmaxΣ■■R■(i■+m)×R■■(i■+m)
　　 m∈[-s,s](4)
　　 其中n表示频域OFDM符号序号,p表示导频的个数,i表示导频位置,m表示整数倍子载波间隔,s是扫频的最大范围。
　　 CMMB系统工作的频率为U波段和V波段,载波频率最高可达2.6GHz考虑到消费类产品的晶振精度要求不能太高,假如本地晶振的精度为 ±100ppm,那么收发端的频差最高可达±260KHz,这样相关窗移动的范围m∈[-107,107],为了留有一定的设计余量,在实现的时候把这个参数设置为m∈[-120,120],用8bits的补码表示。由于小数频偏估计的时候已经利用同步符号算出了[-2.44KHz,2.44KHz]范围内的频偏,因而整数频偏计算的时候,每次只需要移动2个子载波间隔(2×10MHz/4096=4.88KHz),这样,在频偏扫频范围不变的情况下,计算量下降了一半,大大降低了功耗。整数频偏的硬件实现如图4。
　　 由于求模运算计算量很大,硬件消耗也比较大,这里根据泰勒公式简化为,当|I|>>|Q|时(此时的Penao余项可以忽略),
　　■=I×■
　　≌I×1+■=I+■ (5)
　　 同样,当|I| 本文为全文原貌 未安装PDF浏览器用户请先下载安装 原版全文 　　
　　参考文献
　　[1] CMMB研究工作组。GY/T220.1-006。CMMB 广播信道帧结构、信道编码、和调制。
　　[2] 毛剑慧,黑勇,乔树山,吴斌。CMMB系统接收机同步及信道估计设计【J】。微电子学与计算机,2008,25(5):124-127
　　[3] P.Moose, “A technique for orthogonal frequency division multiplexing frequency offset correction,” IEEE Trans. Commun., vol. 42, no. 10, Oct.1994, pp. 2908-2914.
　　[4] J.-J. van de Beek, M. Sandell, and P. B¨orjesson, “ML estimation of time and frequency offset in OFDM systems,” IEEE Trans. on Signal Proc., vol. 45, no. 7,
　　(下转第37页)
　　July 1997, pp. 1800-1805.
　　[5] Timothy M. Schmidl and Donald C. Cox, “Robust frequency and timing synchronization for OFDM,” IEEE Trans. on Commun., vol.45, no.12, December 1997, pp1613-1621.
　　[6] Bo Ai, Jianhua GE, Yong Wang, “Frequency offset estimation for OFDM in wireless communications,” IEEE Trans. on Consumer Electronics, vol.50, no.1, February 2004, pp.73-77.
　　[7] Michael Speth,, Stefan A. Fechtel, Gunnar Fock, and Heinrich Meyr. “Optimum receiver design for OFDM-Based Broardband Transmission-part II,” IEEE Trans. on Commun., vol. 49. no. 4, April. 2001, pp. 571-578.
　　[8] Ray Andraka. “A survey of CORDIC algorithms for FPGA based computers,” Proceedings of ACM sixth International Symposium on FPGA. Mentery, USA: IEEE, 1998, pp. 191-200.
　　
　　作者简介
　　权进国,清华大学深圳研究生院,高级工程师,研究方向专用集成电路设计。
　　李秀冬,哈工大深圳研究生院,研究生,研究方向为无线移动通信集成电路设计。
　　王军,易视芯科技有限公司,总裁,研究方向为无线移动通信集成电路设计。
　　张岩,哈工大深圳研究生院,教授,博导,研究方向为消费类电子芯片设计。
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