ATSC接收機(jī)中的段場(chǎng)同步聯(lián)合檢測(cè)

1、引言

ATSC標(biāo)準(zhǔn)是美國(guó)大聯(lián)盟(GA)于1995年通過(guò)審核而成的HDTV標(biāo)準(zhǔn)[1]，這幾年已經(jīng)發(fā)展到了第五代的全數(shù)字接收機(jī)，在抗多徑方面取得了不小的成就。在多徑情況下，加上采樣偏的影響，前人提出的段同步檢測(cè)[2]已經(jīng)不能正常工作，迫切需要一種更加穩(wěn)定的段同步檢測(cè)方法。另外，多徑和采樣偏還同時(shí)干擾著場(chǎng)同步，如果存在多條和主徑幅度相差不多的多徑，選擇哪一條徑作為主徑對(duì)均衡器的性能起著至關(guān)重要的影響。在這個(gè)時(shí)候必須同時(shí)考慮段場(chǎng)同步，選擇最佳的主徑的位置。

GA的ATSC標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)如圖1所示。每一幀有奇偶兩場(chǎng)，每場(chǎng)有313段，每段828個(gè)符號(hào)，每段以4個(gè)符號(hào)長(zhǎng)的段同步開始。圖1中所示的段場(chǎng)同步的位置可以檢測(cè)出來(lái)，為定時(shí)恢復(fù)和均衡器的工作提供參考。這些冗余數(shù)據(jù)在多徑情況下受到強(qiáng)烈的干擾，段同步由于只有4個(gè)符號(hào)，更容易影響。如何減小多徑以及采樣偏產(chǎn)生的影響，始終正確而穩(wěn)定的提供段場(chǎng)同步信號(hào)，并且始終保持段場(chǎng)同步對(duì)齊，正是本文所要討論的。

圖1　ATSC VSB數(shù)據(jù)幀格式

本文所提出的方法在存在段幀同步信號(hào)的場(chǎng)合都適用，筆者在ATSC標(biāo)準(zhǔn)中的8-VSB的情況下得到的結(jié)論具有一般性。

2、段場(chǎng)同步檢測(cè)原理

段場(chǎng)同步都是依靠其符號(hào)的相關(guān)特性來(lái)檢測(cè)的。圖2是8-VSB場(chǎng)同步信號(hào)的組成。對(duì)場(chǎng)同步檢測(cè)起作用的有PN511序列和第二個(gè)PN63序列。通過(guò)計(jì)算PN511序列的相關(guān)值來(lái)確定其位置。第二個(gè)PN63用來(lái)確定奇偶場(chǎng)。

圖2　8-VSB場(chǎng)同步的格式

段同步字在8-VSB信號(hào)中的圖樣為[+5，-5，-5，+5]，噪聲和多徑的干擾使同步字發(fā)生變化，直接檢測(cè)序列幾乎是不可能的。利用其周期性，通過(guò)迭加的方法可以形成大的相關(guān)峰來(lái)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)。相關(guān)值的累加值存放在一個(gè)長(zhǎng)度為832的移位寄存器中，新計(jì)算的相關(guān)值加上寄存器移出的值返回到寄存器的末尾，形成了一個(gè)積分環(huán)路。由于數(shù)據(jù)的隨機(jī)特性，寄存器的中對(duì)應(yīng)載荷數(shù)據(jù)的部分的均值為0。而對(duì)應(yīng)段同步的部分，由于始終有正的相關(guān)值與之累加，峰值逐漸變大，通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的峰值檢測(cè)器，就可以得到段同步的位置。

圖3就是基于上述原理的段同步檢測(cè)器，輸入的是一倍符號(hào)率數(shù)據(jù)，為了防止寄存器的溢出，設(shè)置了門限值，如果檢測(cè)到峰值超過(guò)了這個(gè)門限值，多路選擇器就選擇除2的支路，從這時(shí)開始的一個(gè)段長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，移位寄存器的輸出值都除以2，等經(jīng)過(guò)了832個(gè)符號(hào)的時(shí)間，多路選擇器重新回到了直通的支路。

圖3　通過(guò)迭加來(lái)檢測(cè)段同步

在段場(chǎng)同步計(jì)算相關(guān)值的時(shí)候，為了簡(jiǎn)化算法，舍棄乘法電路，使用加法電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，效果是相同的。通常為了增加段同步檢測(cè)的可靠性，還需要在段同步檢測(cè)之后增加一個(gè)置信度計(jì)數(shù)器[3，4]。置信度計(jì)數(shù)器是個(gè)狀態(tài)轉(zhuǎn)移系統(tǒng)，如圖4所示。SO為初態(tài)，

S1～S2為捕獲態(tài)，S6～S8為失步態(tài)，S3～S5為同步態(tài)?？梢酝ㄟ^(guò)增加置信度計(jì)數(shù)器的狀態(tài)的個(gè)數(shù)來(lái)達(dá)到使段同步穩(wěn)定輸出的目的。在多徑情況下，即使增加了置信度計(jì)數(shù)器的狀態(tài)個(gè)數(shù)，還是會(huì)頻繁出現(xiàn)無(wú)法鎖定的現(xiàn)象，下文對(duì)其將詳細(xì)討論。

圖4　置信度計(jì)數(shù)器

3、多徑及采樣偏對(duì)段場(chǎng)同步檢測(cè)的影響

PN511的相關(guān)峰是十分陡峭的，但是采樣偏會(huì)影響相關(guān)峰。采樣偏是收發(fā)時(shí)鐘不一致引起的，在此特指采樣時(shí)刻不同，圖5表明了不含多徑情況下，采樣時(shí)刻的錯(cuò)誤帶來(lái)了兩個(gè)相同幅度的相關(guān)峰。這兩個(gè)相關(guān)峰到底取哪一個(gè)作為場(chǎng)同步的位置，必須結(jié)合段同步來(lái)判斷。

圖5　場(chǎng)同步相關(guān)值受采樣偏的影響

在室內(nèi)接收的情形下，存在一條和主徑差不多大的副徑的情況很常見(jiàn)，很容易使段同步檢測(cè)出錯(cuò)，因?yàn)檫@兩條徑的段同步形成的相關(guān)值差不多大。我們選擇了一個(gè)比較典型的信道BrazilC信道[5]，第二條徑為主徑，和第四條徑的幅度差不多大。圖6給我們顯示了段同步檢測(cè)器的輸出之間的間隔并不正好是832，其原因就是段同步檢測(cè)時(shí)而認(rèn)為第二條徑是主徑，時(shí)而認(rèn)為第四條徑是主徑。即使將置信度計(jì)數(shù)器的狀態(tài)設(shè)計(jì)得更多，也還是不能從根本上改善段同步檢測(cè)的性能。類似地，場(chǎng)同步檢測(cè)也會(huì)出現(xiàn)這種情況，場(chǎng)同步檢測(cè)器會(huì)找到多個(gè)差不多幅度的峰值。由于采樣偏的影響，副徑的峰值甚至比主徑還要大。

圖6　BrazilC信道下段同步檢測(cè)輸出不穩(wěn)

一種比較簡(jiǎn)單的解決方法就是一旦確定段同步，則不再改變位置或者把原門限提高，缺點(diǎn)就是極有可能將副徑作為主徑并一直保持

下去，如上例中的Path 4，這樣主徑信號(hào)功率的降低導(dǎo)致均衡器性能的下降。

4、改進(jìn)的段場(chǎng)同步聯(lián)合檢測(cè)結(jié)構(gòu)

考慮到上述的采樣偏及多徑對(duì)序列相關(guān)值的影響，單獨(dú)使用場(chǎng)同步檢測(cè)確定場(chǎng)同步的位置并不可靠。如果在計(jì)算PN511序列相關(guān)值的同時(shí)參考段同步的位置，就可提高場(chǎng)同步的可靠性。筆者放棄了以往段場(chǎng)同步分開檢測(cè)的方法，采用段場(chǎng)同步聯(lián)合檢測(cè)的結(jié)構(gòu)，同時(shí)對(duì)其中的段同步檢測(cè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，增強(qiáng)了段同步檢測(cè)對(duì)抗多徑和采樣偏的性能。這個(gè)結(jié)構(gòu)還使場(chǎng)同步的計(jì)算量變小，降低了系統(tǒng)的功耗。

該結(jié)構(gòu)的基本思想就是如果相關(guān)值的幅度大于最大值的K倍，就輸出段同步檢測(cè)信號(hào)。如果信道中存在m條大于20log(k)dB的多徑，一段長(zhǎng)的數(shù)據(jù)內(nèi)就可能會(huì)出現(xiàn)m個(gè)段同步檢測(cè)信號(hào)，參看式1。其中的max_corr為最大相關(guān)值，sync(n)為同步信號(hào)，corr(n)為當(dāng)前相關(guān)值。

接下來(lái)的工作就是要從sync(n)中找到相隔為832符號(hào)的信號(hào)，這一過(guò)程稱為捕獲過(guò)程。在第一次出現(xiàn)了最大的相關(guān)值的時(shí)候，假設(shè)該值所對(duì)應(yīng)的位置就是段同步所在的位置，啟動(dòng)“符號(hào)計(jì)數(shù)器”開始計(jì)數(shù)，當(dāng)下一次最大值來(lái)臨的時(shí)候，如果“符號(hào)計(jì)數(shù)器”的值為832，“鎖定計(jì)數(shù)器”就加1，連續(xù)檢測(cè)多次(筆者設(shè)置為10次)后，可以認(rèn)定這個(gè)就是段同步。捕獲過(guò)程完成之后進(jìn)入同步態(tài)，輸出鎖定信號(hào)。在鎖定的時(shí)候，段同步檢測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)放寬，只要是大于k倍的最大值，就認(rèn)為是段同步，直到多次小于k倍最大值才失鎖。

在多徑中含強(qiáng)多徑的場(chǎng)合，例如在BrazilC信道中，使用這種方法可能會(huì)檢測(cè)到第四條多徑中的段同步，而真正的主徑成為前向多徑。這會(huì)降低均衡器的性能。針對(duì)這種情況，需要在合適的時(shí)候?qū)?ldquo;鎖定計(jì)數(shù)器”進(jìn)行重置。為了達(dá)到這個(gè)目的，設(shè)置一個(gè)寄存器用來(lái)存儲(chǔ)第一次出現(xiàn)的最大相關(guān)值，在“鎖定計(jì)數(shù)器”為1的時(shí)候，如果發(fā)現(xiàn)相關(guān)值大于寄存器中的值，并且“符號(hào)計(jì)數(shù)器”的值大于m小于832(文中取m=800，m越大檢測(cè)的區(qū)間越小)，就將“鎖定計(jì)數(shù)器”置0。上述的捕獲過(guò)程和重置邏輯稱為“鎖定邏輯”，參看圖7。在段同步鎖定之后，開始計(jì)算場(chǎng)同步的相關(guān)值，在多徑情況下，按照?qǐng)D7中的場(chǎng)同步檢測(cè)結(jié)構(gòu)，可能會(huì)出現(xiàn)多個(gè)場(chǎng)同步信號(hào)，如果段同步對(duì)應(yīng)位置的場(chǎng)同步?jīng)]有檢測(cè)出來(lái)，輸出場(chǎng)同步未鎖定信號(hào)。圖7中的段同步的相關(guān)值的計(jì)算還是使用圖3中的結(jié)構(gòu)，為了避免累贅而省略了。

圖7　改進(jìn)的段場(chǎng)同步檢測(cè)結(jié)構(gòu)

從器件功耗的角度來(lái)考慮，如果在段同步鎖定后開始計(jì)算場(chǎng)同步的相關(guān)值，場(chǎng)同步鎖定后每隔313段計(jì)算相關(guān)值，就可以大大減少了計(jì)算量，起到了控制器件功率的作用。在現(xiàn)代的ASIC設(shè)計(jì)中，這一點(diǎn)越來(lái)越重要了。

5、仿真結(jié)果

使用改進(jìn)的段場(chǎng)同步聯(lián)合檢測(cè)機(jī)構(gòu)，在MAT-LAB中在不同的多徑下使用不同的信噪比進(jìn)行仿真。信道參數(shù)參看文獻(xiàn)[5]，仿真以5dB為間隔，仿真5次，每次240個(gè)段，如果每次都通過(guò)就認(rèn)為通過(guò)了該信噪比條件下的測(cè)試，選擇最低的信噪比，列出表1，陰影部分表明未能通過(guò)測(cè)試。

表1　多徑下最低信噪比門限比較

6、結(jié)論

場(chǎng)同步雖然有很高的峰值，但是由于剩余采樣偏的影響，還是可能會(huì)估計(jì)錯(cuò)誤。本文提出的段場(chǎng)同步聯(lián)合檢測(cè)的結(jié)構(gòu)，能夠保證場(chǎng)同步估計(jì)的精確性，提高了段場(chǎng)同步檢測(cè)的抗多徑性能，仿真結(jié)果表明，在各種多徑，低信噪比都不能很好地工作;其次從控制能耗的角度來(lái)講，也具有一定的實(shí)用價(jià)值;最后該結(jié)構(gòu)算法獨(dú)立，穩(wěn)定度高，易于模塊化，數(shù)字化實(shí)現(xiàn)。