CMMB系统符号同步算法设计

摘要：通过对CMMB系统的分析，提出了一种易于实现的符号同步的解决方案。针对CMMB系统帧结构的特点，给出了基于同步训练序列的改进的帧同步算法，又进一步给出基于最大似然估计的改进的符号同步算法。经过仿真验证，该解决方案具有良好的系统性能。

关键词:中国移动多媒体广播;正交频分复用；符号同步; S&C算法；ML算法

中图分类号：TP311文献标识码：A文章编号：1009-3044(2012)04-0784-04

Design of Symbol Synchronization for CMMB System

SUN Li-wei

(Sino-German Collage of Tongji University, Shanghai 200092, China)

Abstract: After the analysis of the China Mobile Multimedia Broadcasting (CMMB) system, a solution to the symbol synchronization that is easy for implementation is made. According to the frame structure of the CMMB system, a modified frame synchronization algorithm that is based on the S&C algorithm and a modified symbol synchronization algorithm that is based on the ML algorithm are given. Simula? tion results are presented to show that these modified algorithms have really good system performance.

Key words：CMMB; OFDM; synchronization; S&C algorithm; ML algorithm

CMMB（中国移动多媒体广播）是中国移动多媒体广播(俗称手机电视)行业标准，采用具有自主知识产权的移动多媒体广播电视技术。CMMB规定了在广播业务频率范围内，移动多媒体广播系统广播信道传输信号的帧结构、信道编码和调制，该标准适用于30MHz到3000MHz频率范围内的广播业务频率，通过卫星或地面无线发射电视、广播、数据信息等多媒体信号的广播系统，可以实现全国漫游。

CMMB物理层采用OFDM调制技术，能有效的对抗频率选择性衰落和载波间干扰，极大地提高了频谱利用率，但是OFDM系统对频率偏移和相位噪声很敏感，仅1%的频偏就能使信噪比下降30db，符号定时同步的误差会引起载波间干扰（ICI）和符号间干扰（ISI）。为了防止产生ISI和ICI，OFDM系统引入了循环前缀，即每个符号前会插入循环前缀作为保护，这样做的目的是为了使OFDM符号定时同步的起始时刻在保护间隔内变化，而不是落在保护间隔外。理论上符号定时的起点可以在保护间隔内任意选择，但是在多径环境中，需要确定最佳的符号定时以获得最佳的系统性能。由于OFDM系统对时延扩展的敏感程度很高，显然任何符号定时的变化，都会增加对系统的影响，导致系统所能容忍的时延扩展就会低于其设计值，因此需要尽量减小符号定时的同步误差以确保其对于系统的负面影响为最小[1]。

1同步算法设计

为了减少符号定时同步的误差,将CMMB系统的定时分为两步:帧定时同步和符号同步。CMMB物理层信号每1秒为1帧，划分为40个时隙。每个时隙的长度为25ms，包括1个信标和53个OFDM符号[2]。基于时隙划分的帧结构见图1。

图2信标结构

信标结构见图2,包括发射机标识信号(TxID)以及2个相同的同步信号。同步信号为频带受限的伪随机信号。

1.1帧同步

与DVB.T/H等OFDM系统帧结构不同，CMMB系统帧结构中除了每个OFDM符号包含循环前缀外，每个时隙还包含一个信标，信标中包含有两段相同的同步信号，因此，CMMB帧(符号)同步既可以用基于CP的同步算法，也可以用S&C算法[3]。Schmidl & Cox采用了一个经过训练的序列，该序列长度为两个符号，并分两步来获取同步信息。第一，在时域内寻找一个前半部分和后半部分完全相同的训练符号，以此来确定定时点，这个过程与频率偏移估计的过程是相互独立的。第二，通过与第二个训练符号的相关信息来计算出载频偏移。

S&C算法定时同步的关键思想是在时域内找到前后两部分相同的一个训练序列。这个训练序列的前后两部分经过信道后，除了由于子载波频率偏移引起的相位偏差外，仍保持相同。可以通过在频域内，在奇频率上发送零，在偶频率上发送伪随机序列(PN序列)，来得到一个训练序列。通过这种方法，系统在时域上得到OFDM数据块的前一半与后一半完全相同，利用这个相关性，并计算最大似然子载波间隔，以此来完成同步。对于因为子载波间隔的小数偏移而产生的ICI，经过FFT变换到频域后会形成的标号偏转，可以利用标号相同时对应的相关性最大的这个性质，将两个OFDM训练符号进行差分编码，得到估计代价函数以进行整数频偏估计。假设前半个训练码元有L个复数抽样(循环前缀不包括在内)，对每个抽样值的乘积求和：(7)

由Park算法可知，新定义的度量函数具有单峰特性，不存在SC算法中的“峰值平台”现象，定时偏差较小，见图3。

2.2符号同步算法

帧同步的任务就是要寻找接收系统数据帧的起止时刻。符号同步是在帧同步的基础上，确定OFDM解调的开窗位置，如果帧同步精度足够高即可根据帧结构确定符号同步，否则需要进一步进行符号同步操作。符号同步性能通常用偏离正确同步点的均方误差来衡量。突发通信系统对定时速度要求较高，只能在帧头的时间范围内来调整定时同步；而广播方式或数据连续传输方式的通信系统则对定时速度要求较低，有充足的时间来获取准确的定时同步。

CMMB的符号同步算法可以采用循环前缀进行同步的最大似然估计(Maximum Likelihood Estimation)ML算法[7]，该算法最主要的方法就是将循环前缀与OFDM符号中被复制的部分进行相关性计算，根据所得的结果来进行符号定时估计。它利用了CMMB系统循环冗余扩展的循环前缀携带的信息进行同步估计，其基本原理是当符号尾部与其CP进行相关运算时会产生相关峰值，其实现过程如下，定义最大似然函数：

3总结

本文分析了CMMB系统中的帧结构，提出了较为简洁的适用于CMMB的OFDM体系的同步系统的解决方案。对于帧同步来说，在动态多径下，误差在20个点以内，符号同步在3db以上就可以获得百分之百的正确度，符合系统对于符号同步的要求[9]。通过以上的分析，本文的系列算法完全符合要求，可获得良好的性能，完全适用于CMMB系统。

参考文献：

[1]汪裕民.OFDM关键技术与应用[M].北京:机械工业出版社.2007.

[2] GY/T 220.1-2006,移动多媒体广播第一部分：广播信道帧结构、信道编码和调制[S].

[3] Timothy M. Schmidl and Donald C. Cox,“Robust Frequency and Timing Synchronization for OFDM”[C], IEEE Transactions on Communication, Vol.45, No.12, December 1997:1613-1621.

[4]韩诚.OFDM系统帧同步算法的研究[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学.2008.

[5] Byungjoon Park, Hyunsoo Cheon, Changgeon Kang, Daesik Hong.“A Novel Timing Estimation Method for OFDM Systems”[C]. IEEE Communications Letters, VOL. 7, NO. 5, MAY 2003.

[6]刘海军.CMMB系统同步技术研究[D].南京:东南大学.2010

[7] Jan-Jaap van de Beek, Magnus Sandell, Per Ola Borjesson.“ML Estimation of Time and Frequency Offset in OFDM Systems”[C], IEEE Transactions on Signal Processing, VOL. 45, NO. 7, JULY 1997.

[8] Chien-Chih Chen, Jung-Shan Lin.“Iterative ML Estimation for Frequency Offset and Time Synchronization in OFDM Systems”[C], Proceedings of the 2004 IEEE International Conference on Networking. Sensing & Control, March 21-23, 2004.

[9]葛建华,刘刚.COFDM传输系统中符号定时同步的算法研究[J].电子技术应用.2001, 27(8):54-56.