路 程 张晓林

(北京航空航天大学 电子信息工程学院,北京 100191)

数字电视接收机同步时间估测方法

路 程 张晓林

(北京航空航天大学 电子信息工程学院,北京 100191)

数字电视接收机同步时间是数字电视服务质量的一项重要指标,但同步时间在现有设备条件下不能直接测量得到.为此使用误码测试仪和脉冲噪声源设备,通过多次测试脉冲噪声造成的误码秒的个数,计算得出数字电视接收机同步时间.由于采用随机时刻触发的方式,修正了原方法中与起始时刻相关的局限性;由于对脉冲噪声的长度没有限制,可用于测试更长交织时间的系统的同步时间;测量精度达到 0.1 s,与直接测量方法相比提高一个数量级.此方法经过数学推导验证,并通过数字电视地面广播标准接收机的实测数据讨论了测量参数对同步时间的影响.

数字电视;广播;接收机;同步;测试

数字电视广播的接收过程包括下变频、模数转换、同步、信道估计、解交织、解码等过程,每一次数字电视接收机开启电源、更改频点、受到强干扰或是信道深衰落,都会经过重新同步的过程.本文研究的接收机同步时间是指接收机从收到良好的射频信号时刻起,到接收机输出正确码流的时刻之间的时间,即数字电视接收机下变频和解调过程所需的时间.用户开启接收机或切换射频频道所需的等待时间,以及受干扰之后的恢复时间,都取决于该时间,若不能快速同步将降低电视的服务质量.不同数字电视广播标准的接收机所需的解调时间是不同的,而且同一标准的接收机解调处理方法的区别也会导致同步时间的差异.目前,对于数字电视接收机同步时间没有直接测量的方法[1],因为数字电视广播中的码流是传输流(TS,Transport Stream),目前数字电视测试系统中的误码分析仪,不能测出误码发生的精确时刻,故不能借之判断恢复接收的准确时间,现有设备只能测量单位时间内的误码率(最小为 1 s),即测试传输过程的误码秒.

本文在传统的接收机同步时间估测方法[2]的基础上,对原有测试过程的步骤和参数进行了改进,修正了原方法的固有偏差,增加了原方法的适用范围.

1 数字电视接收处理过程

数字电视接收机普遍采用高频头加解调芯片作为下变频与信道解调部分的解决方案,以DVB-T接收机为例,这两部分的工作过程见图 1.

图1 典型DVB-T接收机下变频和信道解调部分框图

射频输入信号进入高频头,高频头将输入信号下变频到中频频率,中频信号首先转换为数字信号输入解调芯片,之后下变频到基带,经过内插和符号、载波、时钟恢复过程,进入 FFT(Fast Fourier Transform)模块,然后经过导频和信道估计的处理,还原出基带符号流,之后经过解映射、解交织过程形成比特流,最后进入信道解码器进行FEC(Foward Error Correction)解码,输出 TS流[3].在高频头内的处理还包括频率锁定和自动增益控制(AGC,Automatic Gain Control)过程等.

接收机经过上述过程输出 TS码流所需的时间为同步时间,但它不是一个精确固定的值,因为同步时间的组成包括高频头的锁定频率、AGC锁定功率、帧头同步、信道估计/均衡、解交织、信道解码等时间,而这些处理每次所需的时间可能是变化的,例如帧头同步的初始相位和信道解码所需的迭代次数的变化等.本文提出的方法不是指测量某次接收机同步的精确时间,而是估测数字电视接收机同步所需的平均时间.

2 同步时间估测方法

2.1 原有的估测方法

数字电视接收机同步时间传统估测方法[3]设备连接如图 2所示.误码分析仪输出伪随机序列 TS码流[4]给标准调制器,调制器按照数字电视标准进行调制并输出调制后的射频信号到合路器,脉冲发生器控制高斯白噪声发生器输出白噪声脉冲,白噪声脉冲也输出至合路器,合路器将调制器射频信号与噪声信号相加,输入功分器,功分器将一路输入频谱仪,用于监测频谱和测量信号功率,另一路信号输入数字电视接收机.接收机对输入信号进行下变频和解调,输出码流给误码分析仪,误码分析仪统计传输中的误码率.

图2 接收机同步时间估测方法设备连接框图

接收机同步时间估测方法分为 4个步骤[1].

步骤 1 设定脉冲发生器和高斯白噪声发生器为关闭状态,误码分析仪和调制器正常输出,调整调制器的带内输出功率为某一定值 C0,dBm(如 -53dBm[2]).此时由于无噪声,接收机正常接收,误码分析仪显示无误码.

步骤 2 开启高斯白噪声发生器并设置在连续输出状态,此时其输出信号为连续的高斯白噪声,增大白噪声功率直至接收机失同步,然后以一定步进(如 0.1dB)减小白噪声功率,直至接收机恢复同步且误码率小于客观判据门限值(如3.0×10-6)[2],记此时白噪声功率为 N0,dBm.可得系统高斯白噪声门限 h=C0-N0.

步骤 3 保持调制器输出功率不变,将高斯白噪声输出功率增加 30dB,并将高斯白噪声发生器设置在脉冲控制状态,开启脉冲发生器将脉冲宽度设为 1 s,脉冲周期为 10 s.

步骤 4 误码分析仪记录在 L个脉冲噪声之后接收机产生的总误码秒数 Rsum,并计算 Rsum/L-2的值,作为被测接收机的平均同步时间.

2.2 改进的估测方法

改进的估测方法与原方法设备连接方法相同,如图 2所示.步骤 1和步骤 2与原方法相同,步骤 3和步骤 4改为[5]:

步骤 3:保持调制器输出功率不变,将高斯白噪声输出功率增加 ΔN,dB,并将高斯白噪声发生器设置在脉冲控制状态,开启脉冲发生器并将输出脉冲宽度设为 Ws(W为整数),脉冲间隔为随机数,对脉冲间隔的具体要求为,下一脉冲起始时刻必须在上一脉冲导致的接收机误码结束之后,脉冲由测试者手动触发,触发具体时刻无要求.

步骤 4:误码分析仪记录在 L个脉冲噪声之后接收机产生的总误码秒数 Rsum,并计算 Rsum/L-W-1的值,作为被测接收机平均同步时间.

改进后的方法主要特点是:将白噪声功率增加值和脉冲宽度设为可调值;将脉冲起始时间由固定值改为测试者手动触发,即随机触发;其他测试步骤与原方法相同.

3 接收机同步时间估测方法原理

图3为测试中第 i个(i=1,2,…,L)脉冲噪声与接收机同步时间的关系示意图.

图3 脉冲噪声与接收机同步时间关系示意图

设第 i个脉冲的起始时刻在误码统计时间的第 Mi秒中,脉冲起始时刻与第 Mi秒起始时刻之间的时间差为ti(0≤ti＜1),因为脉冲由测试者手动触发,触发时刻没有要求,所以认为时间差 ti服从[0,1)上的均匀分布.待测的接收机同步时间平均值设为.设的整数部分为 τint,小数部分为 τdec(0≤τdec＜1),即.

由第 2节所述,每次接收机的同步时间不是完全相同的,它与解调运算处理(特别是同步、解交织和信道解码)的参数初值有关,同步时间将在小范围内波动,但不会剧烈变化,被测接收机同步时间波动在 1s以内,并且单台被测接收机的同步时间在波动范围内的变化是均匀分布的.设Δτi为 τi与之间的差值,即服从 [στ,στ]内的均匀分布,其中 0 ＜στ≤1.

由图 3可知第 i次脉冲造成的误码秒数的计算式为

其中函数 Int(x)表示对 x的值向下取整.

记 ti对应的随机变量为 ξi,Δτi对应的随机变量为 ηi,由于 L次接收机同步时间测试是相互独立的,因此,随机变量 ξ1,ξ2,…,ξL及 η1,η2,…,ηL彼此相互独立.式(1)可以写成

将 L次测试结果相加后取平均:

由切比雪夫(Chebyshev)定理知,当 L很大时:

其中,E[· ]表示数学期望.由于 ξi为[0,1)内的均匀分布,故 ξi的概率密度函数 fX=1;ηi为[-στ,στ]内的均匀分布,故 ηi的概率密度函数为 fY=1/(2στ),ξi与 ηi是独立的,所以 (ξi+ηi)的联合概率密度为 fXY=fX· FY=1/(2στ).而 τdec是一常数,经过推导(详细过程略)可求得

这样,将式(3)代入式(2)可得

所以,可得接收机平均同步时间:

原测试方法分析:在 2.1节描述的原测试方法中,脉冲触发间隔是固定的整秒时间,这样时间差 ti为常数,式(1)可写为:Ri=τint+2+Int(ti+τdec+ηi), ηi是[-στ,στ]上均匀分布的随机变量 ,且 0 ＜στ≤1,而 ti∈ [0,1)且 τdec∈ [0,1),则ti+τdec∈ [0,2),经过推导求得 Ri与 ti是相关的,即误码秒数与起始时刻的位置相关,测试结果引入了 ti的影响;而改进的测试方法,Ri结果与起始时刻 ti不相关,改正了原方法中固有的偏差.

4 估测结果与分析

以本文的估测方法对我国数字电视地面传输标准(GB20600—2006)接收机的同步时间进行了测试,接收机解调芯片为凌汛公司 LGS8G44芯片,高频头为 SHARP 8977型,广播标准工作模式为:多载波 、星座映射 16QAM、FEC 0.8、帧头 420、长交织、无导频、帧头旋转、最大传输速率21.657Mbit/s,测试脉冲次数 L=30,脉冲宽度W=1s.

测试分为 2组,第 1组噪声功率 ΔN=5 dB,第 2组噪声功率 ΔN=30dB,数据记录见图 4.

同步时间计算结果为:ΔN=5dB时,接收机同步时间为 2.67 s;ΔN=30 dB时,接收机同步时间为 4.28s.从测试记录可以看出:

图4 数字电视地面传输标准接收机同步时间测试记录

1)每个测试过程中误码秒的记录值都是在4个连续整数之间变化,符合接收机同步时间变化规律的假设.

2)从估测结果看出,在脉冲噪声功率较大的情况下,同步时间相对较长,这是由于在大脉冲噪声过后,AGC电路的追踪有用信号时间变长,而不是解调过程时间增长,即估测过程的 ΔN参数对结果有较大影响.当 ΔN过大时,会引起 AGC电路追踪时间过长,引入不必要的延迟;当 ΔN过小时,脉冲噪声可能不能引起接收机完全失同步,所以 ΔN应依据具体传输系统的特征进行分析加以确定,而不应为某一固定值,具体参考该工作模式下的白噪声门限进行确定.不同接收机进行比较时,ΔN需作为测试条件加以明确.

3)在数字电视地面传输国家标准中,交织器采用的是基于符号的时域卷积交织,交织是在多个信号帧之间进行的,属于帧间交织.在长交织模式下,交织深度为 720个符号,交织/解交织总的数据延时为 510个信号帧[6],延时具体长度在帧头 420模式下为 510×555.5μs=283.305ms,所以采用脉冲宽度 W=1 s足以使接收机进入失同步状态,并且交织器内也不能存留正确的数据.但是,某些其他的数字广播标准可能有更长的交织工作时间,如 DAB(Digital Audio Broadcasting)标准,时间交织工作在 384ms上[7];DVB-H标准的某些研究中也有交织时间长度达 873ms的讨论[8];甚至某些 OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)通信系统中交织时间长度超过1s,即宽度为1s的脉冲噪声在某些情况下不能使接收机输出处于完全错误的状态,所以脉冲宽度W的值也应根据具体被测系统的参数确定.

5 结束语

数字电视接收机的同步时间是一项重要的技术指标,关系到数字电视广播对用户的服务质量,若接收机不能及时同步,将延长用户的等待时间.该同步时间指标与标准采用的帧结构、调制和编码方式相关,也与解调采用的具体技术相关.

本文提出了一种新的同步时间估测方法,以我国数字电视地面广播国家标准的已有测试方案为基础,提出了改进的测试方法.在不需要精确测量误码时刻的情况下,在现有数字电视测试平台基础上,通过多次测试的方法,实现同步时间的估测,修正了原测试方法的局限性.测试精度达到0.1s,比现有设备直接测量精度提高一个数量级.本文提出的测试方法不仅用于数字电视广播,还可用于其他通信系统同步时间的测试.

References)

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(编 辑 :娄 嘉)

Method for measuring recovery time of digital television receiver

Lu Cheng Zhang Xiaolin

(School of Electronics and Information Engineering,Beijing University of Aeronautics and Astronautics,Beijing 100191,China)

Recovery time of digital television(DTV)receiver is an important indicator of DTV service quality but the recovery time can not be measured directly with existing equipments.A new method was presented which measure the recovery time by bit error rate(BER)tester and impulse noise source through a series of the errored seconds caused by impulse noise.Different from the traditional way,a random trigger of pulses was used in this method,which resulted that the estimation of recovery time was not associated with the pulse's start time.Without limit of the impulse noise length,the method can be used for measuring recovery time of the longer time-interleaver transmission systems.The recovery time measured in this method is with a precision of 0.1s,which is an order of magnitude lower than past experiments.The effect of experimental parameters on recovery time was analyzed with the test result in a digital terrestrial multimedia broadcasting(DTMB)receiver.

digital television;broadcasting;receivers;recovery;testing

TN 949.197

A

1001-5965(2010)05-0584-04

2009-07-01

北京市教育委员会共建项目专项资助

路 程(1980-),男,天津人,博士生,routelu@163.com.