訊號同步及通道估計

第三章、數位音響廣播系統的簡介 (Eureka 147 DAB System)

3.3 訊號同步及通道估計

傳輸訊號中的空符元、相位參考符元及護衛間隔可以被用來做訊號同步的檢測。訊號同步的檢測包括碼框時間(Frame Timing)、符元時間(Symbol Timing)、

小數載波頻率偏移(Fractional Frequency Offset，FFO)以及整數載波頻率偏移 (Integral Frequency Offset，IFO)等量值的偵測。每個碼框的第一個符元(空符元) 由一組全部為零的資料所構成，接收端藉此利用波封檢測器(Envelope Detector) 可以找出碼框的開始，進而完成碼框時間的同步。利用護衛間隔循環前置(Cyclic Prefix)的特性可以檢測出符元時間以及小數載波頻率偏移的量值。每個碼框的第二符元(相位參考符元)由一筆已知特定的複數資料構成，這筆複數資料的相位即是差分四相位移鍵調變所需要的起使參考相位，藉由匹配這個特定的相位參考符元可以檢測出整數載波頻率偏移的量值。有關這個系統訊號同步的方法將在第五章詳細描述。至於通道頻率響應的估計方面，由於此系統使用差分調變技術，因此並不需要去估計通道的頻率響應。

第四章

數位影像廣播之地面廣播系統的簡介(DVB-T System)

歐規的數位影像廣播之地面廣播系統(DVB-T System)是採用正交分頻多工傳輸技術來傳送訊號。如同在第二章所述，由於正交分頻多工傳輸技術的特性，

特別是可以抵抗碼際干擾，全世界許多國家在數位影像廣播之地面廣播系統的規格上都採用了此歐規的系統，包括台灣在內。我們將在這章節中對此系統做簡單的敘述：首先，我們將介紹這個系統的系統方塊圖，包含說明每個方塊的功能；

接著，我們將展示這個系統的傳輸訊號以及碼框結構，包含各種傳輸模式的參數表以及各種參考訊號的說明；最後，我們將簡單的敘述如何針對這個系統來完成訊號的同步以及通道的估計。

4.1 系統簡介

圖 4-1 是數位影像廣播之地面廣播系統方塊圖[8]。原始影像、聲音及一般資料在經過編碼壓縮及傳輸層多工(Source Coding and Transport Multiplexing)產生一個個長 188 個位元組的封包(Packet)，其中每個封包含有 1 個同步位元組 (Sync-Word Byte= )和 187 個資料位元組(Data Bytes)。每八個封包為一組，

其中資料位元組的部份被乘上一個假隨機二進位序列(Pseudo Random Binary Sequence)，此假隨機序列的暫存器初始值亦每八個封包重設一次。每八個封包的第一個封包其同步位元組由轉換成。這些動作稱作傳輸多工調整暨能量分散(MUX Adaptation，Energy Dispersal)，其目的是用來避免一連串不想要的 0 或 1 訊號的產生。

47

HEX

47

HEX

B8

_HEX

當想傳送的資料有優先順序時，此系統可以使用階層式傳輸(Hierarchical Transmission)。首先利用分離器(Splitter)將傳輸資料流(Transport Stream)分為高優先權(High Priority)資料及低優先權(Low Priority)資料；在解調時先判斷訊號座落在訊號空間上的象限即可先解調出高優先權資料，再經由判斷訊號在某一象限中所對應的位置來解調出低優先權資料。這兩筆資料各自有不同的通道編碼及

調變方式。圖 4-2 是階層式 64 點二維振幅調變訊號α

= 1

和α

= 4

的星象圖。由此圖可知當α 值愈大，這四個象限內的訊號點離原點愈遠，愈不容易將訊號點所在的象限判斷錯誤，所以高優先權資料愈不會有錯誤。

Splitter Video Coder

Audio Coder

Data Coder Programme

MUX Transport

MUX

2 n

MPEG-2 Source coding and Multiplexing

MUX Adaptation,

Energy Dispersal

Outer Coder

MUX Adaptation,

Energy Dispersal

Outer Coder

Outer Interleaver

Inner Coder

Inner

Interleaver Mapper Frame Adaptation

Pilot &

TPS Signals OFDM

Guard Interval Insertion

D/A Front End

Terrestrial Channel Adapter To Aerial

圖 4-1 數位影像廣播之地面廣播系統方塊圖

這個系統共有兩層通道編碼器及交錯器。外層通道編碼是使用里德-所羅門短碼(Reed-Solomon Shorten Code，RS(204,188,t=8))，使每個封包由 188 個位元組變為 204 個位元組，並且可以校正最長為 8 個位元組的連續錯誤﹔外層交錯器是一個以位元組為單位的迴旋交錯器(Convolutional Interleaver)，這個交錯器有 12 個分支，每個分支是一個延遲長度以 17 個位元組為單位成線性比例增加的先輸入先輸出(First In First Out，FIFO)移動暫存器(Shift Register)，而且這種交錯器整體的時間延遲量(深度)是 1122 個位元組(即是 5.5 個封包長)為一般區塊交錯器(Block Interleaver)延遲量的一半。內層通道碼是編碼率為 1/2 的迴旋碼，藉由打孔法可以將編碼率提高至 2/3、3/4、5/6 或 7/8。內層交錯器是由一個深度為 126 位元的位元式區塊交錯器以及一個深度為一個正交分頻多工符元所擁有的資料次載波數目的區塊交錯器。以 64 點的二維振幅調變訊號為例，其位元訊號分成六個分支，每個分支經過一種深度為 126 位元的位元式區塊交錯器(共六種)，然後這六個分支上的位元訊號合併對映成一個個 64 點二維振幅調變的複數資料訊號，這些複數資料訊號再經過一個以複數資料為單位的區塊交錯器(其深

度以 2K 模式而言是 1512，以 8K 模式而言是 6048)。交錯器的功能是用來降低傳輸通道以及加成性白高斯雜訊對訊號造成的錯誤率，特別是當訊號干擾是隨機產生時它的效果最好。

100000100010 101010 101000

100001100011 101011 101001

100101100111 101111 101101

100100100110 101110 101100

110100110110 111110 111100

110101110111 111111 111101

110001110011 111011 111001

110000110010 111010 111000

001000001010000010 000000

001001001011000011 000001

001101001111000111 000101

001100001110000110 000100

011100011110010110 010100

011101011111010111 010101

011001011011010011 010001

011000011010010010 010000

Re{Z} 100000 100010101010 101000

100001 100011101011 101001

100101 100111101111 101101

100100 100110101110 101100

110100 110110111110 111100

110101 110111111111 111101

110001 110011111011 111001

110000 110010111010 111000

001000 001010000010 000000

001001 001011000011 000001

001101 001111000111 000101

001100 001110000110 000100

011100 011110010110 010100

011101 011111010111 010101

011001 011011010011 010001

011000 011010010010 010000 Re{Z} (64-QAM)、不均勻的 16 點二維振幅調變(Non-uniform 16-QAM)以及不均勻的 64 點二維振幅調變(Non-uniform 64-QAM)。所謂的”不均勻”是指階層式調變技術中α 值不為 1 的情形，如圖 4-2(b)所示。

除了一些載有資料的次載波之外還有一些特定的次載波上載著已知的參考訊號(Reference Signal)。參考訊號共分為三種:連續領航(Continual Pilots)次載波訊號、傳輸參數訊號(Transmission Parameter Signaling，TPS)以及散射領航 (Scattered Pilots) 次載波訊號。這個系統提供兩種傳輸模式：2K 模式以及 8K 模式。根據不同的模式使用不同長度(2048/8192)的反快速傅立葉轉換以得到正交分頻多工的有效符元，然後在每個有效符元之前會加上一段護衛間隔，形成一個完整的符元。接著這個數位訊號經過數位 / 類比轉換器 (Digital-to-Analog Converter，DAC)轉成類比訊號，然後通過前級（Front End），最後將傳輸訊號傳送出去。整個系統屬於哪一種傳輸模式、護衛間隔的比例、是否使用階層式調兩種傳輸模式相關的參數如表 4-1 所示，其基本取樣週期(Elementary Sampling Period : T)皆為 7

µ s

。由此表可知，因為 8K 模式的快速傅立葉轉換長度（N）

是 2K 模式的四倍，所以其有效符元長度為 2K 模式的四倍而次載波間隔為 2K

模式的四分之一。又因為 8K 模式的主動次載波個數（K）約為 2K 模式的四倍，

所以兩個傳輸模式的有效頻寬皆約為 7.61MHz。每一種傳輸模式都可根據需要選擇適當的護衛間隔長度(為有效符元長度的 1/4、1/8、1/16 或 1/32)。

另外還有頻寬為 7MHz 及 6MHz 的系統其基本取樣週期（T）分別為1 8

µ s

及 7

µ s

，頻寬愈小其相對的基本取樣週期愈長。這兩種系統也同樣各有其 2K 模式和 8K 模式，而他們的相關參數中，全部次載波的個數（N）、主動次載波個數

（K）、

K

和的量值和頻寬為 8Mz 的系統一樣，如表 4-1 中所示。由此可以算出頻寬為 7MHz 及 6MHz 的系統其有效頻寬約為 6.66MHz 及 5.71MHz。同樣的，每一種傳輸模式都可根據需要選擇適當的護衛間隔長度(為有效符元長度的 1/4、1/8、1/16 或 1/32)。

min Kmax

sec 896

1/T

T

= ⋅ N T K

K

max

K

min

max min

and K K

carriers between

Spacing (K - 1)/T

Parameter 8K mode 2K mode

Number of active carriers Vaule of carrier number Vaule of carrier number Duration

Carrier spacing

6817 1705

0 0

6816 1704

1116 Hz 4464 Hz 7.61 MHz 7.61 MHz

sec 224

N

Number of total carriers 8192 2048

g U

T / T

The ratio of to T

T

U ^{1 1 1}_{4 8 16}^{, ,} ^or₃₂¹ ^{1 1 1}_{4 8 16}^{, ,} ^or₃₂¹

表 4-1 8K 及 2K 兩種傳輸模式在 8MHz 通道的相關參數表

4.3 訊號同步及通道估計

在數位影像廣播-地面廣播系統中，訊號同步、傳輸方式的相關參數以及通道估計等相關資訊均可利用已知的參考訊號以及護衛間隔來求得。符元時間及小數載波頻率偏移可以利用護衛間隔估計出來，其偵測的方法和在數位音響廣播系統中估計符元時間及小數載波頻率偏移時所用的方法是一樣的。而整數載波頻率偏移是由匹配連續領航次載波訊號的位置來求得。碼框時間則是由匹配傳輸參數訊號所攜帶的 67 個 TPS 位元中的 16 個同步位元來求得，而其他的 TPS 位元將提供此系統其他相關參數的訊息。通道頻率響應的估計則是先利用散射領航次載波訊號來得到通道頻率響應的取樣訊號，再將此取樣訊號做內插來求得。接下來，我們將分別敘述這三種參考訊號的分佈位置、量值以及如何利用這些參考訊號來偵測整數載波頻率偏移、碼框時間以及通道的頻率響應。

圖 4-3 是三種參考次載波訊號和資料次載波訊號的示意圖，實心點是三種參考次載波訊號的位置而空心點則是資料次載波訊號的位置。三種參考次載波訊號分別為連續領航次載波訊號、傳輸參數訊號以及散射領航次載波訊號。此圖的橫軸標示次載波的順序，而縱軸則標示時間順序。次載波的順序由第個次載波到第個次載波。時間順序是指這個次載波所在的時間位置是在哪一個碼框中的哪一個符元，一個碼框有 68 個符元，所以符元順序每 68 個循環一次。每一列的實心點及空心點即是某一碼框中的某一符元在頻率軸上其次載波分佈的情形。

K

min

Kmax

symbol 67

symbol 3 symbol 2 symbol 1 symbol 0

K

min

reference signal data K

_max

圖 4-3 三種參考訊號次載波和資料訊號次載波位置分佈示意圖

虛擬隨機二位元序列(Pseudo Random Binary Sequence，PRBS) 是由隨機的 0 或 1 組成，這個序列被拿來當作三種參考訊號的量值。它的值只隨次載波的位置而變，不會因為碼框時間或符元時間的不同而改變。連續領航次載波訊號及散射領航次載波訊號的量值由此序列產生，此序列也決定傳輸參數訊號在第一個符元的量值。

w

連續領航次載波訊號上的值

Z

_m_,_l_,_k由虛擬隨機二位元序列決定，其值為 4

± ，3 即是

) 5 . 0 ( 3 2 4

,lk k

w

Z

= ⋅ ⋅ −

(4-4) 圖 4-4 特別標示出連續領航次載波訊號。如圖 4-4 所示，實心點為連續領航次載波訊號，而空心點則為其它次載波訊號。連續領航次載波訊存在於每個符元的固定次載波位置上，同時在所有符元的相同連續領航次載波上的值相同。就 8K 模式而言，一個符元中含有 177 個連續領航次載波訊號；而就 2K 模式而言，一個符元中含有 45 個連續領航次載波訊號。這些連續領航次載波訊號的位置有一個特定的組合，而整數載波頻率偏移則會造成這個位置組合整體的循環平移。因此，偵測這個連續領航次載波位置組合的循環平移量即可得到整數載波頻率偏移的估計值。