张 峰，田 园，2

(1.中国科学研究院自动化所，北京100190;2.中国地质大学(北京)地球物理与信息技术学院，北京 100083)

中国移动多媒体广播(CMMB)系统物理层调制方式采用正交频分复用(OFDM)技术［1］，把整个信道分成互相正交的子信道，具有频谱利用率高且抗多径衰落能力强的特点。但由于解调时子载波间必须保持严格的正交性，所以OFDM系统对定时误差和载波频偏的敏感程度比单载波高得多［2］，CMMB接收机中同步算法的选择对系统性能有较大影响。

CMMB数据时隙结构如图1所示［1］。每一时隙的起始位置有两个完全相同的同步信号，这两个同步信号是具有很强相关性的伪随机序列。由文献［3－6］可知，如果将这两个同步信号互相关，会得到一个很大的相关值;而如果同步信号与相邻的OFDM符号互相关，其相关值会有明显降低。粗同步模块中通过检测相关值的峰值来捕获CMMB时隙并给出FFT开窗定时信息。

图1 CMMB数据时隙结构

1 CMMB粗同步算法原理

利用同步信号具有强相关性这一特点，CMMB接收机的粗同步模块采用最大相关算法(MC算法)［7－8］，其原理为:从接收数据中存储一段数据，从数据头开始取4096点的滑动窗，将滑动窗内前2048点与后2048点分别互相关并求和，相关和达到峰值时对应的滑动窗的位置即为同步信号出现的位置。检测到同步信号位置后，可推算得到CMMB数据帧中其他符号的位置。图2为CMMB定时粗同步模块的基本框图。

图2 CMMB定时粗同步框图

图2中，设存储的数据段长度为N，滑动窗中相关和的表达式为

由于相邻两个滑动窗求相关和时只相差一组数据，为降低运算量，r(t)可以递归表示为

相关和取最大值时，滑动窗中的4096点即为同步信号，同步信号偏移位置(即第1个同步信号的第1点)d由式(3)求出

在8 MHz模式下，1个CMMB时隙包含25万个数据［1］，粗同步算法中，如果处理的数据段长度仅等于250000，可能会出现同步信号分布在数据段两端的情况而无法得到相关和的峰值。为保证提取的数据段中包含1个完整的同步信号，数据段的长度需满足N≥254095。如图3所示，滑动窗在最后4096点处可包含1个完整的同步信号。

图3 数据段中同步信号分布情况

2 利用DSP实现CMMB粗同步的优缺点

2.1 基于DSP的CMMB接收机的优点

传统的CMMB接收机大多采用硬件电路实现。硬件电路具有结构简单、易实现的特点，但其结构固定不可修改，因此也带来环境适应性差、无法兼容其他标准等缺点。

采用DSP实现CMMB接收机，一方面可以通过检测到的信道环境实时调整软件中算法的实现方式，从而实现接收性能和运算量的最优结合，另一方面由于基于OFDM技术的通信系统(如LTE，CMMB)的同步算法原理相同，在不改动系统硬件的基础上可通过修改软件中的算法实现多标准通信系统间的转换，从而降低系统的整体成本。

2.2 基于DSP的粗同步算法面临的问题

在DSP中实现粗同步算法时，需要先将数据存储下来，再进行同步头搜索。第1节介绍的粗同步算法中需要一次存储254095个16 bit复数，占用约8 Mbit空间，由于手持设备的功耗和面积的限制，无法配置如此巨大的存储器空间，因此必须对算法进行优化并减小需要的存储器空间。笔者针对DSP片内存储器小的限制，提出了一种基于分段搜索的并且在DSP上实现的粗同步改进算法。

3 基于分段搜索的粗同步改进算法

由CMMB时隙结构可知，每个时隙开头都有2个已知的同步信号，也就是说，不同时隙中所包含的同步信号相同。又由于每个时隙持续25 ms，且在接收到的信号中同步信号位置是未知的，则同步信号可描述为位置未知且每隔25 ms出现1次的周期信号。在存储空间足够大的情况下，需连续存储254095个数据，且检测到同步信号的最小时长为25.4095 ms。

为节省存储空间，分段搜索算法的主要思想为:将一次处理的数据段长度从一个时隙减小到较短的数据段，利用同步信号出现的周期性，通过对多个数据段分别搜索得到同步头位置。实现时将一个时隙数据分为若干段，这些数据段在时隙中取不同位置，相邻两个数据段边缘互相重合，所有数据段联合起来组成一个完整的时隙，如图4所示。每次仅存储其中的一段数据，之后空出一定的时间对这段数据处理，处理时应用式(1)～(3)。粗同步模块中循环进行“存储—处理”的操作直到检测到同步信号，流程图如图5所示。

图4 算法中提取数据段的分布

图5 基于DSP的粗同步算法流程图

其中规定数据段的存储长度为N，数据段处理时间等效数据点数P。由于DSP处理器处理时长P大于数据存储长度N，在进行数据处理的同时不保存新的数据，因此，这部分信号将丢失，考虑到同步信号的周期性及分段数据的覆盖性，此部分信号在其后的时隙中就进行检测。最长检测时间由数据段的存储长度N和数据段处理时间P决定。

不同时隙中时域上相邻的两段数据间应有M≥4095点相互重合的数据，以避免同步信号正好位于两段数据之间的情况。

4 改进算法性能分析

实际参数N和P是通过综合考虑DSP的存储能力和运算处理时间来确定，减小N是以检测时间变长且检测时隙增多为代价的，正如第3节中所述，检测时间延长尚对系统性能无影响。

4.1 改进算法分析及测试

图4中，设定存储长度N=35000点、处理长度P=50000点、重合数据M=5000点，数据处理流程如下:每个“存储—处理”周期占用85000个点。先存储35000个点，利用接收其后50000个点的时间对存储的350000个点进行处理，检测这350000点的相关和的峰值并将其与本地产生的模板进行模板匹配，匹配成功则说明这段数据中包含同步信息，这时给出同步定时位置并退出粗同步模块;匹配失败说明这段数据中不包含同步信息，还需要在下一数据段中进行检测匹配。

图4给出了需要检测的数据段的位置在3个时隙中的分布情况，图中第4行表示将所有数据段联合起来的情况，可以看出9个数据段可以覆盖一个完整的时隙。由于在接收到的时隙中同步信号的位置是未知的，如果同步信号在数据段1中，那么在第1个时隙的第1个数据段就可匹配成功，检测时间最短，运算量最少;如果同步信号包含在数据段9中，这时需要检测的时间最长，需要到第3个时隙的最后1个数据段才能匹配到同步头，同时运算量也最多。

按照以上参数在AD公司TS101S处理器上进行测试。设定工作频率为150 MHz(实际手持设备中芯片处理能力和工作频率受限，以上参数需要重新设定)，实测处理1个数据段的时间为4.3092 ms，小于数据段处理时间5 ms，满足设计要求。

综合以上分析，利用本文介绍的粗同步算法，以N=35000点，P=50000点为例，最多在3个时隙内就可以检测到定时信息。

4.2 性能对比

由于基于硬件实现的粗同步模块和基于DSP实现的粗同步模块都采用式(1)～(3)的运算过程，所以两种方法在不同信道环境下表现出的性能是相同的。本文提出的基于DSP的分段存储的改进算法优点在于:在不改变算法性能的前提下，解决了数据存储空间过大导致无法在DSP内实现的缺点，从而进一步提高了数据处理速度。表1中分析比较了存储一个时隙数据和分段存储数据两种算法的性能。

表1 性能参数比较

对两种算法的参数进行分析:

1)对比两种算法需要的存储空间，传统算法需要8 Mbit内存，改进后的算法则仅需要1 Mbit左右，有利于DSP实现。

2)对比两种算法的检测时间，分析图4可知，当同步信号的位置出现在前2个时隙的数据段中时，也就是说，如果在前2个时隙就能检测到同步头，改进算法在检测时间和运算量方面都是优于传统算法的;只有当同步信号处在第3个时隙的数据段中时(数据段3，6，9)，传统算法的检测时间比改进算法的检测时间短。计算得知:改进算法检测到同步头最慢的情况(同步头在数据段9中时)会比传统算法的时间长31.3 ms，仅略长于一帧数据，对系统性能影响很小。

3)对比两种算法的运算量，与检测时间相似，观察表1及图4可知，只有当同步信息在数据段9中时，改进算法的运算量才大于传统算法，比传统算法多做了24536次滑动相关运算;其他情况下，改进算法的运算量均小于传统算法。同时，运算量的减小也减少了电池电量的消耗。

5 结论

这里介绍了一种基于DSP的粗同步算法，该算法降低了数据存储量，并且可以将数据存储在DSP片内。仿真结果表明:在不降低算法性能的前提下，该算法实现了降低存储空间并准确定时的目的。对于手持设备来说，这样既提高了数据处理速度又减小了手持设备的体积。这种算法不仅为CMMB接收机模块提供了一种在DSP片内存储数据的方案，对基于DSP的其他通信系统中定时同步算法的设计也具有参考意义。

［1］国家广播电影电视总局广播科学研究院.GY－T 220.1—2006，移动多媒体广播第1部分:广播信道帧结构、信道编码和调制［S］.2006.

［2］佟学俭，罗涛.OFDM移动通信技术理论与应用［M］.北京:人民邮电出版社，2003.

［3］李洋，杨波.CMMB接收机符号同步与载波同步算法设计［J］.电视技术，2009，33(S2):9－11.

［4］黄谢学，林平分.CMMB接收机中的粗载波频偏估计［J］.电视技术，2009，33(S2):14－16.

［5］刘仁品，张振冬，林平分.CMMB系统中的时钟同步算法［J］.电视技术，2009，33(S2):7－8.

［6］董斌，王匡，仇佩亮.OFDM系统在多径衰落信道下的时钟同步［J］.浙江大学学报:工学版，2005(7):935－938.

［7］毛剑慧，黑勇，乔树山.基于CMMB系统的同步设计与实现［J］.电子技术应用，2009(2):104－107.

［8］包晗.基于CMMB信号同步算法的研究［J］.现代电子技术，2010(11):82－85.