ATSC接收机段场同步联合检测的基本原理和仿真研究分析

1、引言

ATSC标准是美国大联盟（GA）于1995年通过审核而成的HDTV标准，这几年已经发展到了第五代的全数字接收机，在抗多径方面取得了不小的成就。在多径情况下，加上采样偏的影响，前人提出的段同步检测已经不能正常工作，迫切需要一种更加稳定的段同步检测方法。另外，多径和采样偏还同时干扰着场同步，如果存在多条和主径幅度相差不多的多径，选择哪一条径作为主径对均衡器的性能起着至关重要的影响。在这个时候必须同时考虑段场同步，选择最佳的主径的位置。

GA的ATSC标准的数据帧结构如图1所示。每一帧有奇偶两场，每场有313段，每段828个符号，每段以4个符号长的段同步开始。图1中所示的段场同步的位置可以检测出来，为定时恢复和均衡器的工作提供参考。这些冗余数据在多径情况下受到强烈的干扰，段同步由于只有4个符号，更容易影响。如何减小多径以及采样偏产生的影响，始终正确而稳定的提供段场同步信号，并且始终保持段场同步对齐，正是本文所要讨论的。

图1　ATSC VSB数据帧格式

本文所提出的方法在存在段帧同步信号的场合都适用，在ATSC标准中的8-VSB的情况下得到的结论具有一般性。

2、段场同步检测原理

段场同步都是依靠其符号的相关特性来检测的。图2是8-VSB场同步信号的组成。对场同步检测起作用的有PN511序列和第二个PN63序列。通过计算PN511序列的相关值来确定其位置。第二个PN63用来确定奇偶场。

图2　8-VSB场同步的格式

段同步字在8-VSB信号中的图样为［+5，-5，-5，+5］，噪声和多径的干扰使同步字发生变化，直接检测序列几乎是不可能的。利用其周期性，通过迭加的方法可以形成大的相关峰来实现检测。相关值的累加值存放在一个长度为832的移位寄存器中，新计算的相关值加上寄存器移出的值返回到寄存器的末尾，形成了一个积分环路。由于数据的随机特性，寄存器的中对应载荷数据的部分的均值为0。而对应段同步的部分，由于始终有正的相关值与之累加，峰值逐渐变大，通过一个简单的峰值检测器，就可以得到段同步的位置。

图3就是基于上述原理的段同步检测器，输入的是一倍符号率数据，为了防止寄存器的溢出，设置了门限值，如果检测到峰值超过了这个门限值，多路选择器就选择除2的支路，从这时开始的一个段长的时间内，移位寄存器的输出值都除以2，等经过了832个符号的时间，多路选择器重新回到了直通的支路。

图3　通过迭加来检测段同步

在段场同步计算相关值的时候，为了简化算法，舍弃乘法电路，使用加法电路来实现，效果是相同的。通常为了增加段同步检测的可靠性，还需要在段同步检测之后增加一个置信度计数器［3，4］。置信度计数器是个状态转移系统，如图4所示。SO为初态，

S1～S2为捕获态，S6～S8为失步态，S3～S5为同步态。可以通过增加置信度计数器的状态的个数来达到使段同步稳定输出的目的。在多径情况下，即使增加了置信度计数器的状态个数，还是会频繁出现无法锁定的现象，下文对其将详细讨论。

图4　置信度计数器

3、多径及采样偏对段场同步检测的影响

PN511的相关峰是十分陡峭的，但是采样偏会影响相关峰。采样偏是收发时钟不一致引起的，在此特指采样时刻不同，图5表明了不含多径情况下，采样时刻的错误带来了两个相同幅度的相关峰。这两个相关峰到底取哪一个作为场同步的位置，必须结合段同步来判断。

图5　场同步相关值受采样偏的影响

在室内接收的情形下，存在一条和主径差不多大的副径的情况很常见，很容易使段同步检测出错，因为这两条径的段同步形成的相关值差不多大。我们选择了一个比较典型的信道BrazilC信道［5］，第二条径为主径，和第四条径的幅度差不多大。图6给我们显示了段同步检测器的输出之间的间隔并不正好是832，其原因就是段同步检测时而认为第二条径是主径，时而认为第四条径是主径。即使将置信度计数器的状态设计得更多，也还是不能从根本上改善段同步检测的性能。类似地，场同步检测也会出现这种情况，场同步检测器会找到多个差不多幅度的峰值。由于采样偏的影响，副径的峰值甚至比主径还要大。

图6　BrazilC信道下段同步检测输出不稳

一种比较简单的解决方法就是一旦确定段同步，则不再改变位置或者把原门限提高，缺点就是极有可能将副径作为主径并一直保持

下去，如上例中的Path 4，这样主径信号功率的降低导致均衡器性能的下降。

4、改进的段场同步联合检测结构

考虑到上述的采样偏及多径对序列相关值的影响，单独使用场同步检测确定场同步的位置并不可靠。如果在计算PN511序列相关值的同时参考段同步的位置，就可提高场同步的可靠性。笔者放弃了以往段场同步分开检测的方法，采用段场同步联合检测的结构，同时对其中的段同步检测结构进行了优化，增强了段同步检测对抗多径和采样偏的性能。这个结构还使场同步的计算量变小，降低了系统的功耗。

该结构的基本思想就是如果相关值的幅度大于最大值的K倍，就输出段同步检测信号。如果信道中存在m条大于20log（k）dB的多径，一段长的数据内就可能会出现m个段同步检测信号，参看式1。其中的max_corr为最大相关值，sync（n）为同步信号，corr（n）为当前相关值。

（1）

接下来的工作就是要从sync（n）中找到相隔为832符号的信号，这一过程称为捕获过程。在第一次出现了最大的相关值的时候，假设该值所对应的位置就是段同步所在的位置，启动“符号计数器”开始计数，当下一次最大值来临的时候，如果“符号计数器”的值为832，“锁定计数器”就加1，连续检测多次（笔者设置为10次）后，可以认定这个就是段同步。捕获过程完成之后进入同步态，输出锁定信号。在锁定的时候，段同步检测的标准放宽，只要是大于k倍的最大值，就认为是段同步，直到多次小于k倍最大值才失锁。

在多径中含强多径的场合，例如在BrazilC信道中，使用这种方法可能会检测到第四条多径中的段同步，而真正的主径成为前向多径。这会降低均衡器的性能。针对这种情况，需要在合适的时候对“锁定计数器”进行重置。为了达到这个目的，设置一个寄存器用来存储第一次出现的最大相关值，在“锁定计数器”为1的时候，如果发现相关值大于寄存器中的值，并且“符号计数器”的值大于m小于832（文中取m=800，m越大检测的区间越小），就将“锁定计数器”置0。上述的捕获过程和重置逻辑称为“锁定逻辑”，参看图7。在段同步锁定之后，开始计算场同步的相关值，在多径情况下，按照图7中的场同步检测结构，可能会出现多个场同步信号，如果段同步对应位置的场同步没有检测出来，输出场同步未锁定信号。图7中的段同步的相关值的计算还是使用图3中的结构，为了避免累赘而省略了。

图7　改进的段场同步检测结构

从器件功耗的角度来考虑，如果在段同步锁定后开始计算场同步的相关值，场同步锁定后每隔313段计算相关值，就可以大大减少了计算量，起到了控制器件功率的作用。在现代的ASIC设计中，这一点越来越重要了。

5、仿真结果

使用改进的段场同步联合检测机构，在MAT-LAB中在不同的多径下使用不同的信噪比进行仿真。信道参数参看文献［5］，仿真以5dB为间隔，仿真5次，每次240个段，如果每次都通过就认为通过了该信噪比条件下的测试，选择最低的信噪比，列出表1，阴影部分表明未能通过测试。

表1　多径下最低信噪比门限比较

6、结论

场同步虽然有很高的峰值，但是由于剩余采样偏的影响，还是可能会估计错误。本文提出的段场同步联合检测的结构，能够保证场同步估计的精确性，提高了段场同步检测的抗多径性能，仿真结果表明，在各种多径，低信噪比都不能很好地工作；其次从控制能耗的角度来讲，也具有一定的实用价值；最后该结构算法独立，稳定度高，易于模块化，数字化实现。

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