外層編碼以及外層交錯技術

外層編碼及外層交錯皆必須用於封包的結構而且外層編碼使用里德－所羅 門縮短碼（Reed-Solomon Shortened Code，RS(204,188,8)），可以更正 8 個位元組 長度的連續錯誤，下面我們先來看看這些封包式的結構：一個壓縮影像格式的封 包含了 1 位元組的同步訊號及 187 位元組的壓縮影像資料，如圖 9-4(a)所示。

每 8 個傳輸封包中的第一個傳輸封包的同步位元組將位元反向，如圖 9-4(b)所 示。在里德－所羅門錯誤保護封包中末端加上 16 個保護位元組（Parity bytes），

如圖 9-4(c)所示。在經過外層交錯器後其傳輸封包的結構如圖 9-4(d)所示，共 204 個位元組，包含一個同步位元組。從圖 9-4(a)到圖 9-4(d)為外層編碼、外 層交錯技術及訊號能量分散之程序步驟。

圖 9-4(a) MPEG-2 多工多路封包（MUX packet）

圖 9-4 (b) 隨機運輸封包（Randomized transport packets）：

同步位元組（Sync bytes）及隨機資料位元組（Randomized Data bytes）

圖 9-4 (c) 里德－所羅門錯誤保護封包

圖9-4 (d) 外碼之交錯分佈後的資料結構分佈，I = 12

外層交錯器是一個迴旋交錯器，擁有 12 個分枝結構連接於輸入的資料流。

藉由切換器循環的連接（每隔一個位元組切換一個分枝），每一個分枝都是先進 先出（First-In, First-Out）的平移暫存器，且其深度為17×

j

分枝的序號）。所有暫存器的深度和即為延遲的時間長度。交錯器與反交錯器的 結構剛好相反，可以使在反交錯輸出端還原正確的接收資料流（每個分枝的總延 遲時間相同），如圖 9-5 所示。同時，為了做到訊號同步的需求，同步位元組一 定在編號為”0”的分枝傳送。

圖9-5 外層交錯器和反交錯器結構圖

9.2.2 內層編碼技術

內層編碼技術是使用打孔式迴旋編碼技術。圖 9-6 為內層編碼器之母迴旋編 碼器，由輸入與輸出的關係看出其編碼率為 1/2。然後再根據打孔的方式而有不 同的內層編碼率。若使用階層式調變方式，則兩個傳輸序列各自會有不同的編碼 率（1/2、2/3、3/4、5/6 或 7/8）。

圖9-6 迴旋式編碼器（1/2 編碼率）

表9-9 打孔方式（Puncturing Pattern）與編碼率之關係表

表9-9為打孔方式和內層編碼率的對應關係表。其中X、Y表示迴旋編碼器的 輸出，其後打孔的機制由表中可看出：”1”表示傳送，”0”表示去除，因為去 除不同的數目而造成不同的編碼率，其對應關係如表中所示。

在內層編碼架構中的資料流先經過迴旋編碼器，其後是打孔的機制決定是否 去除，再接著做內層交錯技術，下一節將介紹內層交錯技術。

9.2.3 內層交錯技術

內層交錯器由位元式交錯器（Bit-Wise Interleaver）及其後緊接著的符碼式 交錯器（Symbol-Wise Interleaver）所組成，可由圖 9-7 和圖 9-8 的例子說明。

圖 9-7 無階層式傳輸模式之內層交錯器結構範例圖

圖 9-7 為無階層式傳輸模式（Non-Hierarchical Transmission Modes）之內層 交錯器結構圖，以 64QAM 調變技術為例。輸入的位元資料流經由反多工(DEMUX) 分成 6 個子資料流，分別經過位元式交錯器。其後接著合在一起經過符碼式交錯 器。若是階層式傳輸模式（Hierarchical Transmission Modes）的內層交錯器，則 輸入的位元資料流在高優先權序列部分分成兩個子資料流，而在低優先權序列部

分則分成 v-2 個子資料流（QPSK, v=2 ; 16-QAM, v=4 ; 64-QAM, v=6），如圖 9-8 所示（亦為 64-QAM）。

圖 9-8 階層式傳輸模式之內層交錯器結構範例圖

位元式交錯技術每次只對資料流的部分作用，每次做交錯動作因針對不同的 交錯器而不同，但是交錯器的深度固定。每次做位元式交錯技術其深度為 126 個位元，所以在不同的模式中每個 OFDM 符元要做的交錯次數不同（就 2K 模式是 12 次。而 8K 模式是 48 次）。

第十章 結論

在這篇報告中，我們首先對正交分頻多工傳輸技術及應用這種傳輸技術的數 位音響廣播和數位影像廣播地面廣播系統做一些基本的介紹；接下來，針對計畫 中本年度的研究重點，即訊號同步子系統接收機架構的設計，我們先分別介紹這 兩個系統各自的訊號同步子系統接收機架構的設計方法，再提出整合這兩個系統 的訊號同步子系統接收機架構的設計方法，並以電腦模擬的結果來觀察這些訊號 同步方法的效能；最後，我們分別就未來兩年的研究重點，通道估計與訊號偵測，

以及通道編碼與交錯器，做先期的資料收集與研究整理。以下我們將對正交分頻 多工傳輸技術的特性及這兩個系統訊號同步子系統接收機架構的設計做一個簡 單的整理。

正交分頻多工傳輸技術的主要優點在於可以傳輸高速的資料而不用複雜的 等化器架構。使用快速傅立葉轉換去實現正交分頻多工傳輸技術促使該系統的計 算複雜度大大的降低，而且正交性的成立使得傳輸頻寬的使用更有效率。另外護 衛間隔的放置使此系統能有效地抵抗碼際干擾。但是正交分頻多工傳輸技術也有 缺點，它的缺點在於其對訊號同步的要求更為嚴格，而且因為訊號能量的動態範 圍變化大，經過功率放大器時容易造成非線性失真。

在數位音響廣播系統中，空符元可以用來估計碼框的起始點；符元時間和小 數載波頻率偏移可以利用護衛間隔來估計；匹配已知循環平移的相位參考符元可 以估計出整數載波頻率偏移；通道的頻率響應不需要估計，因為此系統使用差分 調變技術。

在數位影像廣播-地面廣播系統中，符元時間和小數載波頻率偏移也是利用 護衛間隔來估計；匹配已知循環平移的連續領航次載波訊號可以估計出整數載波 頻率偏移；匹配傳輸參數訊號所攜帶之 TPS 位元區塊中的 16 個同步位元可以估 計碼框第一個符元的位置；而散射領航次載波訊號可用來估計通道的頻率響應。

從這兩個系統各自的訊號同步子系統接收機架構中，我們可以發現，這兩個 訊號同步子系統接收機架構有一些部分是相同的。例如符元同步及小數載波頻率 偏移偵測的功能子方塊就完全相同，另外快速傅立葉轉換也同時都被應用在這兩 個系統的接收機中。所以只要知道系統傳輸模式的參數，這些部分就可以共用。

在報告中，我們就數位音響廣播系統的訊號同步子系統接收機架構來做電腦 模擬，用以測試這些同步方法的效能。從模擬的結果可知，在可靠的訊號同步效 能要求下，估計碼框時序大約需要三個碼框時間，估計符元時序也大約需要三個

碼框時間，估計小數載波頻率偏移大約需要四十個符元時間，而估計整數載波頻 率偏移需要一個碼框時間。所以數位音響廣播系統的整個訊號同步的過程需要約 0.2 秒。至於數位影像廣播地面廣播系統的訊號同步子系統接收機以及整合兩個 系統的訊號同步子系統接收機之電腦模擬正在進行中，將在下一次報告中展示模 擬的結果。

近年來，我國資訊電子工業飛躍的成長，已成為眾所矚目的明星產業，其中 通訊科技尤其具有潛力與競爭力。高速資料傳輸是下一代無線通訊的重點，而正 交分頻多工傳輸技術正符合這個需求。應用這種傳輸技術的數位音響廣播和數位 影像廣播之地面廣播系統，因為接收機架構相似，所以可以用軟體控制將兩個系 統整合起來。如此一來，這個整合系統就可以同時提供數位音響和數位影像兩種 服務，更能提高競爭力。

參考文獻

[1] Schmidl, T.M.; Cox, D.C., “Low-overhead, low-complexity [burst]

synchronization for OFDM Communications”, 1996 IEEE International Conference on , Volume: 3 , Page(s): 1301 -1306 , 23-27 Jun 1996

[2] van de Beek, J.J.; Sandell, M.; Borjesson, P.O., “ ML estimation of time and frequency offset in OFDM systems” , Signal Processing, IEEE Transactions on , Volume: 45 Issue: 7 , Page(s): 1800 –1805 , Jul 1997

[3] Muller-Weinfurtner, S.H.,“On the optimality of metrics for coarse frame s ynchronization in OFD : a comparison”,Personal, Indoor and Mobile Radio

Communications, 1998. The Ninth IEEE International Symposium on , Volume: 2 , Page(s): 533 -537 , 8-11 Sep 1998

[4] Schmidl, T.M.; Cox, D.C.,“Robust frequency and timing synchronization for OFDM Communications” , IEEE Transactions on , Volume: 45 Issue: 12 , Page(s):

1613 –1621 , Dec 1997

[5] William Y.Zou and Yiyan Wu. “COFDM: AN OVERVIEW”. IEEE

TRANSACTIONS ON BROADCASTING, VOL.41, NO.1, pp.1-8, MARCH 1995.

[6] Jong-Shin Leu. “Introduction to Digital Audio Broadcasting”. CCL RESEARCH JOURNAL, pp.25-34, NOVEMBER 1992.

[7] Draft prETS 300401 v1.3.2 (2000-09) . “Radio broadcast system: Digital Audio Broadcasting (DAB) to mobile, portable and fixed receivers”.

[8] Draft EN 300 744 v1.4.1(2001-01). “Digital Video Broadcasting (DVB); Framing structure, channel coding and modulation for digital terrestrial television”.

[9] T.Keller and L.Hanzo, “ Orthogonal Frequency Division Multiplex

Synchronization Techniques for Wireless Local Area Networks ” PIMRC’96, p.963-967, 1996.

[10] Der-Zheng Liu, Che-Ho Wei and Chung-Ju Chang, “ An Extension of

Guard-Interval Based Symbol and Frequency Synchronization Technique for Wireless OFDM Transmission ” VTC 2001 Fall, Vol.4, p.2324-2328, 2001.

[11] Karthik Ramasubramanian and Kevin Baum, “ An OFDM Timing Recovery Scheme with Inherent Delay-Spread Estimation ” Global Telecommunications Conference 2001, GLOBECOM’01, Vol.5, p.3111-3115, 2001.

[12] Donghoon Lee and Kyungwhoon Cheun, “ Coarse Symbol Synchronization Algorithms for OFDM Systems in Multipath Channels ” IEEE Comm. Letters,

Vol.6, No.10, p.446-448, October 2002.

[13] Jeng you-tsai,” A Study of FFT DSP Architectures and Their Applications”, NCTU thesis, 2002.

[14] Theodore S. Rappaport, “Wireless communications: principles and practice”, Prentice Hall PTR, Inc. 1996.

[15] IEEE Std. 802.11a-1999, “Part II: Wireless LAN Medium Control (MAC) and Physical Layer (PHY) specifications: High-speed Physical Layer in the 5GHz Band” pages pp. 1-82,1999.

[16] Leonard J. Cimini JR, “Analysis and Simulation of Digital Mobile Channel Using Orthogonal Frequency Division Multiplexing” IEEE Transactions on Communications, Vol. Corn-33, NO.7, JULY 1985.

[17] Ye Li, “Pilot-symbol-aided channel estimation for OFDM in wireless systems.

Vehicular Technology” IEEE Transactions on , Volume: 49 Issue: 4 , July 2000 [18] Che-Shen Yeh and Yinyi Lin, “Channel Estimation Using Pilot Tones in OFDM

Systems” IEEE Transactions on Broadcasting, Vol. 45, No. 4, December 1999.

[19] Hiaing Minn, Vijay K. Bhargava, “An Investigation into Time-Domain Approach for OFDM Channel Estimation” IEEE Transactions on Broadcasting, Vol. 46, No 4, December 2000.

[20] Yuping Zhao; Aiping Huang, “A novel channel estimation method for OFDM mobile communication systems based on pilot signals and transform-domain processing” Vehicular Technology Conference, 1997, IEEE 47th , Vol3, 1997 [21] Femandez-Getino Garcia, M.J. Paez-Borrallo, J.M.; Zazo, S. , “DFT-based

Channel Estimation in Id-pilot-symbol-aided OFDM Wireless Systems”

Vehicular Technology Conference, 2001, VTC 2001 Spring. IEEE VTS 53rd , Volume: 2 ,2001

[22] Baoguo Yang, Zhigang Cao, Khaled Lataief, “Analisis of Low-complexity Windowed DFT-based MMSE Channel Estimation for OFDM Systems” IEEE Transactions on Communications, Vol.49, No. 11, November 2001.

[23] Peter Hoeher, Stefan Kaiser, and Patrick Robertson, “Two-dimensional

pilot-symbol-aided channel estimation by Wiener filtering” Acoustics, Speech, and Signal Processing, 1997. ICASSP-97, 1997 IEEE International Conference on. Volume: 3 , 1997