Lectures on D讲座四:VB-C2DVB-C2系统的帧生成器(一)关键词: DVB OFDM 帧生成器■ 陈柏年 本文作者陈柏年先生, 教授级工程师, 中国本文首先简要介绍正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM)多载波传输系统, 然后分析DVB-C2帧生成器框图和功能特点, 随后广播电视协会技术研究委员会理事, 浙江传媒详细讨论C2帧的结构、导频参考序列、前导符号、数据切片的产生、导频插入和虚学院特聘教授, 中广信息网络工程学院副院长。2010年拟载波的保留等6月11日收到。。掌握帧生成器的重要基础是较好理解DVB-C2帧的组成与结构、时域交织、频域交织以及符号中相关导频的插入机制。理解本文自然而然会涉及到DVB-C2的相关术语, 请参阅《DVB-C2要点简介》中的解释。一 正交频分复用简介1. OFDM主要原理a. OFDM的基本含义OFDM是一种将调制的数字信号分成多路, 对多个在频率上等间隔分布且相互正交的子载波进行调制, 然后经频分复用组合在一起的多载波调制(Multi-Carrier Modulation, MCM)传输方式。OFDM的实质就是用众多的子载波数字调制方法来并行多路高效传送信息。OFDM是目前已知的频谱利用率最高的一种通信系统, 它将数字调制、数字信号处理、多载波传输等技术有机结合在一起, 使得它在系统的频谱利用率、功率利用率、系统复杂性方面有很强的竞争力, 目前已被广泛用于现代通信的各个领域。OFDM也是DVB-C2采用的关键传输技术, 结合其他技术的使用, 最大限度地提高了DVB-C2系统的性能。b. OFDM的基本方法将信道分成若干正交子信道, 把原来传统的一个载波变成许多个子载波, 把原来一路高数码率信号变成很多路并行的低数码率信号, 分别调制在每个子载波上进行传输。与一般的频分复用中各载波之间频谱明显不重叠所不同, OFDM各相邻载波间的频谱是有所交叠的。由于各子载波间是正交的(相位上相差90度), 因此即使各子载波间有重叠部分, 解调时也能利用正交性把各已调子载波信号分开。充分利用带宽下, 安排尽量多的子载波。由于每个子信道上的信号带宽小于信道的相关要求, 因此每个子信道上的带宽可以看成平坦性衰落, 从而可以消除符号间干扰, 而11010 2010 IBN Vol.17 No.9DVB-C2系统的帧生成器(一)且由于每个子信道的带宽仅仅是原信道带宽的一小部分, 信道均衡变得相对容易。c. OFDM的调制原理(1)欲传送的串行二进制数据流经过数据编码器形成了M个复数序列, 此复数序列经过串-并变换器变换后得到码元周期为T的M路并行码; (2)M路并行码分别对相应数目的M个子载波进行调制, 调制时可采用QAM或PSK; (3)调制后的M个已调子载波信号混合在一起, 组成基带信号, 实现频分复用。(4)基带信号调制到射频载波上, 经信道传输。在接收端也是由一组正交信号在一个码元周期内分别与发送信号进行相关运算实现解调, 恢复出原始信号。2. OFDM的主要特点(1)抗多径干扰能力强。由于数码率大大降低, 比特周期大大加长, 反射波的影响就大为减小。符号周期远大于反射波和直射波之间的时间间隔, 则由反射波引起的符号间干扰对符号判决的影响就会大为降低。(2)频谱特点是载波数量很大(通常为几千个)。各个载波上的信号频谱是相互重叠的。虽然各个子载波上的频谱互有重叠, 但每个子载波均处于其他子载波的过零点位置, 因此不会相互影响。(3) OFDM实现正交的条件是必须保证各个载波在整个符号周期内正交, 以保证接收端正确解调。各子载波间的最小间隔等于符号周期倒数的整数倍。为了实现最大频谱效率, 一般选取最小载波间隔为符号周期的倒数。OFDM的接收机实际上是通过FFT来实现的一组解调器。它将不同载波搬移至零频, 然后在一个码元周期内积分, 其它子载波信号由于与所积分的信号正交, 因此不会对信息的提取产生影响。(4)信道利用率很高。各个子载波能够根据信道状况的不同选择不同的调制方式, 以取得频谱利用率和误码率之间的最佳平衡为原则, 通过选择满足一定误码率的最佳调制方式就可以获得最大频谱效率。(5)通常在OFDM 符号前面插入一个保护间隔, 只要保护间隔大于信道的时延扩展, 就可以完全消除符号间干扰。保护间隔由OFDM信号进行周期扩展得到。(6)与单载波系统比, OFDM 也有一些问题必须解决。对同步系统的精度要求更高, 大的同步误差不仅造成输出信噪比的下降, 还会破坏子载波间的正交性, 造成载波间干扰, 从而大大影响系统的性能, 甚至使系统无法正常工作。OFDM 信号的峰值平均功率比(PAPR)往往很大, 对有源设备的线性范围要求也很大, 降低了设备的效率。3. OFDM的关键处理(1)多载波数字调制由快速离散傅立叶反变换完成; (2)多载波数字解调由快速离散傅立叶变换完成; (3)在系统中放置了大量的穿插在数据之中的导频信号(Pilot), 完成系统同步、载波恢复、时钟调整和信道估计等功能。4. OFDM的导频a. 导频的基本概念“导频”是在一个传输系统中, 用来指示、反映或控制各种系统特性的单频引导信号。例如在CATV电缆线路中, 导频信号就是作为电缆传输系统中自动增益控制(AGC)和自动斜率控制(ASC)放大器检测基准信号, 放大器中的自动控制电路按照导频信号幅度变化产生控制电压, 改变放大器的增益和斜率, 使电缆传输系统性能保持在许可范围内。再如, 导频制调频立体声广播中, 差信号S(=L-R)首先要对38kHz副载波进行平衡调幅(DSB-AM), 接着再与和信号M(=L+R)、导频信号P(19kHz)组成导频制调频立体声广播的基带复合信号, 再对主载波进行调频。在接收端, 就是利用19kHz导频信号指示立体声广播, 并经倍频恢复出38kHz副载波供已调差信号(SM)的解调使用。b. DVB-C2传输系统中的导频DVB-C2采用OFDM多载波传输系统, 其信道估计要比单载波系统复杂得多。例如, OFDM中对每个子载波的调制都是抑制载波的调制, 接收端的相干解调需要具有已知幅度和相位、并在OFDM符号内分布于不同的时间和频率上的导频信号来恢复原始载波。再如, 任何一点小的载波频偏都会破坏子载波之间的正交性, 相位噪声也会导致码元星座点的旋转和扩散, 从而形成符号间干扰; 所以在调制信号的时域插入保护间隔, 频域加入各种导频信号, 可有效进行符号同步、频率同步和采样时钟同步, 恢复接收机时钟和子载波间的正交性, 也有利于接收机得到关于调制参数的配置信息。归纳而言, DVB-C2导频插入有三个特点: (1)采取了频域和时域同时内插方式。这种插入方式可以充分利用频域和时域上的相关性, 用尽可能小的导频开销。(2)在前导符号和数据符号中都插入了导频。前导符导频(Preamble Pilot)作用是提供前导符号世界宽带网络 10 2010111DVB-C2系统的帧生成器(一)的时间同步和频率同步。在数据符号信元、信元映射成星座和时域交织送到中插入了散布导频(Scattered Pilot)、L1 Block生成器; 在L1 Block生成器形连续导频(Continual Pilot)和边界导频成层1块。“ 层1块”是指规定在前导(Edge Pilot)。(3)前导符导频的功率是符中传输的、一组L1-part2在频域周期不抬高的, 而数据符号中插入的导频功性重复的COFDM信元的集合, 层1块率是抬高的。上述导频具体作用和规生成器生成的L1 Block, 经频率交织也定本文后面详细讨论。输入帧生成器。二 DVB-C2帧生成器的结构 2. 帧生成器的功能 和功能帧生成器的功能是将前导符号信元以及每个数据切片所产生的信元组1. 帧生成器输入信号的处理过程装成一批有效的OFDM信元(Arrays of DVB-C2的数据切片和帧生成器Active OFDM Cells), 这批有效的OFDM的结构框图如图1所示。帧生成器的信元与形成整个C2帧结构中的前导符输入信号大体包括两种: 经处理后的数号结构、每个数据切片和OFDM符号相据切片和经处理后的层1块。图1的上对应。帧生成器根据调度所产生的动态信息和帧结构的配置进行工作。PLP0数据切片PLP11”是生成器时域交织频率交织“调度PLPn帧DVB-C2输入处理中流适配部分的基带帧生去OFDM生成第一个模块, 它会数据切片n时域交织频率交织成同数据切片生成生成器器器共同决定C2系L1头层1块生统最终由哪个数成器(包频率交织L1数据含头部的据切片来携带属时域交织插入)于哪些物理层管道的数据。详细图1 数据切片和帧生成器的结构框图可参阅《DVB-C2半部分说明数据切片生成器前后的处系统的输入处理》中第三部分流适配理关系, 若干路物理层管道(PLPs)经的内容。输入处理、前向纠错、比特交织和QAM映射送入数据切片生成器形成数据切三 C2帧的结构片(Data Slices), 数据切片再经时间交织和频率交织送入帧生成器。图1的1. C2帧的组成下半部分说明层1信令第2部分的信C2帧结构如图2所示, 由于采用令处理过程, 层1头经FEC编码、比特OFDM传输方法, C2帧的形态与通常流解复用为信元、信元映射成星座送到所见的一维的线状帧明显不同, 乃是层1块生成器; 层1数据经缩短和删余一种频率—时间二维的块状帧。C2帧FEC编码、比特交织、比特流解复用为在结构上由LF个OFDM符号组成, 包11210 2010 IBN Vol.17 No.9含LP个前导OFDM符号和紧跟在后的Ldata个数据OFDM符号, 即LF=LP+Ldata; C2系统要求LP≥1, 也即每帧中至少有1个前导符号。由图2可见, 前导OFDM符号在频域内划分的下一级信息结构就是L1块符号。每个L1块符号的带宽是相同的(带宽约占7.61MHz, 内含3408个子载波)。图2中的数据切片由携带一个或多个物理层管道、占用一定子频带的若干数据个符号所组成; 并且除前导符之外, 在时间上横跨了整个的C2 帧。数据切片具有的带宽可以是导频结构分布中规定的特殊间隔的任意倍数, 但不得超过L1块符号的带宽, 也即数据切片带宽≤L1块符号带宽。图2中的频率陷波凹槽(Frequency Notch)是一组没有能量传播的相邻OFDM信元; 凹陷可插入到C2信号之中并在时间上横跨整个C2帧。前导符号的特殊属性将在本文第五部分说明。前导符号的L1块符号提供可靠的时间同步和频率同步, 并携带层1信令第2部分(L1-part2)的信息。至于前导符号中携带了哪些L1-part2数据、L1-part2数据的调制和纠错编码以及如何将这些数据映射至L1块符号这些问题的详细说明, 可参阅《DVB-C2系统第1层第2部分信令的产生、编码和调制》的内容。2. C2帧的持续时间第1个前导符号的开始标志整个C2帧的开始。C2帧的数据部分包含Ldata=448个符号。有用OFDM符号总持续期间为TU=448μs, 保护间隔不同, C2帧的数据部分持续时间也有所不同。在保护间隔GI=1/64时, C2帧的数据部分持续时间=(Ldata×TU)×(1+1/64)= 448×448×65/64μs≈203.8 ms; 在保护间隔GI=1/128时, C2帧的数据部DVB-C2系统的帧生成器(一)于前导符号数据L1块, 带宽=3408子载波的加扰, 并用来频率产生导频的调制。在图LL1 Block Symbol 0,0L1 Block Symbol 0,1L1 Block Symbol 0,n-13中, 时pOFDM 前导符 符号间符号Wi是PRBSL1 Block Symbol LP-1,0L1 Block Symbol LP-1,1L1 Block Symbol LP-1,n-1发生器第i个输出C2 帧Data Symbol 0,0 Data Symbol 0,1 Data Symbol 0,2Data Symbol 0,k-2Data Symbol 0,k-1Data Symbol 1,k-2Data Symbol 1,k-1值。PRBS发生LF OFDM符号Data Symbol 1,0 Data Symbol 1,1 Data Symbol 1,2Data Symbol 2,0 Data Symbol 2,1 Data Symbol 2,2陷Data Symbol 2,k-2Data Symbol 2,k-1器多项式为: 波凹X11+X2+1LDataOFDM 符号Data Symbol 槽初始化时移LData Symbol Data Symbol Data-1,0LData-1,1LData-1,2Data SymbolLData-1,k-2Data SymbolLData-1,k-1位寄存器所有比数据切片0 数据切片1 数据切片2 数据切片k-2 数据切片k-1特均赋值为“1”, 图2 C2帧结构(起始至少1个前导符号, 后跟L所以该序列起始data个数据符号)值是: 分持续时间=(Ldata×TU)×(1+1/128)= 入码流序列送到移位寄存器一个比特W0,W1,W2, ···=1,1,1,1,1, 1, 448×448×129/128μs≈202.2ms。一个比特的“模2 加”(异或运算), 从1,1,1,1,1,0,0 ...前导符号的数目LP能从位于每个而使加扰后信号的规律也具有伪随机L1-part2块开头部分的长度信息中得性质。PRBS由一个标准的伪随机序列3. 导频加扰序列到。因此, C2帧的持续时间TF可用下发生器所生成, 其中“0”与“1”出现的DVB-C2的导频应当运载一个独式给出: 概率接近50%。由于伪随机码具有相特的同步序列wkP, 其中上标P代表导TF= LF×TS=(LP +Ldata)×TS当大的带宽, 输入码流加扰过程相当于频, 下标k是绝对的OFDM载波指数式中, TS是单个OFDM符号总持将数字信号的功率谱分散拓展, 因此扰(Carrier Index)。wkP序列的定义是: 续时间。可见, C2帧的持续期间与各乱过程又被称为“能量分散”。wkP=wk⊕wi'with i=(kmod KL1)/DP帧中的OFDM符号数目和OFDM符号总持续时间是成正比的。2. 数据加扰序列式中, k是OFDM的载波指数, Wi'是图4所示PRBS发生器第i个输出PRBS生成见图3所示, 该序列用值, wk是图3所定义参考序列的第k个四 导频参考序列 初终序列1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1PRBS1. 扰码的概念1-bit1-bit1-bitdelay1-bitdelay1-bitdelay1-bitdelay1-bitdelay1-bitdelay1-bitdelay1-bitdelay1-bit序列 Wkdelaydelaydelay通常码流的随机化也称作扰码(Bit Scrambling), 其原理是将可能产生恒定电平的比特序列用足够多的跳变替换掉, 把码流中的连“0”和连“1”信号搅图3 伪随机二进制序列（PRBS）的生成乱, 以满足高速高效同步的要求。数据随机化的基础是线性移位寄存器和m初始序列1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 PRBS序列理论1-bit。delay1-bitdelay1-bitdelay1-bitdelay1-bitdelay1-bitdelay1-bitdelay1-bitdelay1-bitdelay1-bit序列 Widelay随机化的方法是采用伪随机二进制序列(Pseudo-Random Binary Sequence, PRBS)对输入的码流进行扰乱处理, 即将较长的伪随机序列与输图4 导频调制的定义世界宽带网络 10 2010113DVB-C2系统的帧生成器(一)输出值, DP是相邻的含有前导符导频载波之间载波指数的差值, 也就是前导符号中导频载波的间隔值。在DVB-C2中, 规定DP=6。请注意: 当此参考序列仅用来定义导频位置时, i总是一个整数值, 也即k mod DP=0。KL1是每个层1块中所含OFDM载波的数目。相应的Wi’序列是由图4所示PRBS发生器所定义的。它的多项式应为: X10+X3+1初始化时移位寄存器所有位均赋值为“1”, 所以该序列起始值是: W0', W1', W2'...=1,1,1,1,1, 1,1,1,1,1,0,0 ...4. 导频参考序列前导符导频彼此之间应进行差分BPSK(DBPSK)调制。所以, 导频参考序列是借助与采用异或运算得到的导频加扰序列不同的调制来产生。因此, 每个在OFDM的载波指数k位置的OFDM导频以下式给出: rk={ wkP if kmod KL1=0 rk-6⊕wkP otherwise式中, rk是DBPSK调制后的导频参考序列, 而且只有当k是6的倍数时才有定义。五 前导符号1.前导符号概观在每一个帧的开始需发送前导符号。前导符号由LP个OFDM符号所构成, 但前导符号与正常的数据符号共同使用相同的OFDM参数。在频域内, 前导符号细分成L1信令块。每一个L1信令块包含所有L1-part2的信息, 关于L1-part2的信息的定义可参阅《DVB-C2系统第1层第2部分信令的产生、编码和11410 2010 IBN Vol.17 No.9信令块错。所以, 应符号 lk=3408信令带宽P使用对数据切0…1…片一样的频率… l交织器来进行P-10 MHz频率载波…KK前导符号的频minmax率交织, 前导传送信令虚拟信令数据数据符号频率交织是按每个图L1块5 频域内前导符号的结构内QAM信元3 数目N载波0 61 4 L1=2840下标21 80 2为基数来进行的。关于数据第(K1个层1信令块切片使用的频L1=3408 cells)导频L1信令数据率交织器详见图6 层1块中的信令本文第六部分。调制》。前导符号频率交织器输出向量表在DVB- C2中, 第m个C2帧/第l示为, AP lp p p P=(alP,0,alP,1,…al P,N -1 P), 向量元个符号/第k个载波的OFDM信元值用素aPlp,i中上标P指前导符号, 下标lp是符号Cm,l, k表示, 故前导符号相应的第m前导符号编号, 下标i指符号中的第i个个C2帧第l个符号第k个载波的OFDM比特的编号, 频率交织器输出向量元素 信元值就表示为CPm,l, k, 显然上标P是aPl P , i由下式定义: 指前导符号。一般来说, 对于载波指数a lpP,H(q)=x , q lP前导符中偶数符号k=0,1,…,∞, CPm,l, k的值都可由计算来确(lpmod2=0 q=0.1…, Np-1)定。然而, 为简单起见, 只有载波指数a lp P,q=xl ,H(q) P前导符中的奇数符号处于Kmin≤k≤Kmax的OFDM载波需要计(lpmod2=1 q=0.1…, Np-1)算并传送, 这里Kmin是C2信令所使用式中, H(q)是元素为q的频率交织的最低频率的载波指数, Kmax是C2信置换函数, 应设定频率交织器信元数目令所使用的最高频率的载波指数, 其结NData为NP=2840。构如图5所示。实际信令使用载波数(载波编号的差值, 相当于带宽)=Kmax-Kmin, 3.导频插入在此范围内传送真正的信令数据。实每个信令块的导频是被唯一定义际信令带宽之外的载波被称为虚拟信的, 并用来提供前导符号时间和频率的令数据(Virtual Signalling Data); 虚拟信同步。与一般的导频不同, 前导符号中令数据载波的目的是进一步澄清和解的导频用与数据传输相同的电平传输, 释信令数据周期性的频谱结构。也即它们的电平并没有抬高。对这些2. 频率交织导频彼此之间进行差分BPSK调制, 使接收机有可能按照差分编码的参考信前导符号频率交织的目的是将相息实现同步。层1块中插入的信令如邻比特在频域内分离开, 以避免突发差图6 所示。 (未完待续)
