基于DVB-T的MD算法研究与FPGA实现

周 鹏，石 蓉 ，，黄秋元，陈 慧 ，，龚莹莹

（1.武汉理工大学 信息学院，湖北 武汉 430070；2.上海明波通信技术有限公司，上海 201203）

0 引言

OFDM调制也称正交频分复用调制，将经过QAM调制映射得到的基带信号在频域映射到多个相互正交的子载波上，然后通过反向傅里叶变换变换到时域，再经过低通滤波和上变频等处理从天线发射[1]。为了克服反射波的干扰以及来自多个发射机的多波效应，将每一个OFDM符号的最后一段数据复制到符号的前面形成循环前缀，以防止由于多径反射等造成第N-1个符号与第N个符号之间符号间干扰（Inter-Symbol Interference，ISI），即形成保护间隔（GI）。

由于GI是每个OFDM符号最后L个采样的拷贝，所以每个OFDM符号的最后L个采样和GI有相同的幅度和相位偏移，而OFDM符号的其他部分都是相互独立的，GI和OFDM符号最后L长的部分的相关具有一个很强的峰值。本文即基于OFDM符号的结构特性提出了一种基于下采样的模式和GI长度检测算法，降低了硬件复杂度，便于FPGA实现。

1 模式检测原理

1.1 OFDM符号结构

DVB-T标准中，一个OFDM符号由有效数据和保护间隔两部分组成[1]，如图1所示。

传输模式：2K和8K。

保护间隔：1/4，1/8，1/16，1/32。

N：与传输模式有关，2K模式下为2 048，8K模式下为8 192。

Q：与保护间隔有关，4种GI下的Q分别为4，8，16，32。

模式检测即是对传输模式和GI的检测，根据不同的传输模式和GI，共有8种组合，如表1所示。

1.2 模式检测基本算法

GI和OFDM有效数据中的对应部分有极强的相关性，因此可以对表1中所示的8种组合分别计算相关值，8种结果Y0，Y1，…，Y7中最大值所对应的组合即为检测结果。

接收到的数据中GI的位置是不确定的，所以对于每种模式组合，必须把所有的（N+L）个可能位置都考虑进去，每个位置需要L个相关值的累加，（N+L）个累加相关值中的最大值除以L归一化[2]后即为该模式下的检测结果。其检测公式如下，其中，r(k)×r*(k+N)表示相隔N的两个数据的相关值。所以，2 K/GI32模式的检测公式为

表1 传输模式和GI组合列表

其余7种模式依此类推。显然，此公式的硬件复杂度高，必须对其加以改进。

1.3 下采样模式检测算法

由式（1）知，累加的相关值要进行归一化处理，即GI长度归一化，此过程可以通过下采样来近似实现。对于不同模式组合，都从中平均抽取相同个数的相关值累加[3]，再进行比较。此即为下采样检测算法的基本思想。

设从每个GI中抽取a个相关值，即对整个数据作L/a倍的下采样，相应的GI的位置也要减少[4]。因此，式（1）可修改为

其余7种模式的相关检测值依此类推。

2 硬件电路实现

2.1 硬件实现框图

根据算法原理，8种组合的相关值检测可以并行执行，也可以串行执行。本设计中采用并行执行方式，即对输入的OFDM符号数据一次计算出8种组合的相关峰值，然后进行比较，最大相关峰值对应的组合即为检测结果。

实现框图如图2所示，以a=16为例，即每个GI位置抽取16个相关值进行累加，按2 K/GI32模式计算，即对输入数据进行4倍下采样。

2.2 具体实现步骤

根据上述所选的方案，具体实现步骤如下：

1）4倍下采样

以2 K传输模式下4种GI为例，当a=16时，分别要对数据进行4倍、8倍、16倍、32倍下采样，因此以最小间隔为准，即对输入数据作4倍下采样，得到所有参与运算的相关值。

2）RAM存储

根据相关值定义，r(k)×r*(k+N)为相隔N（2 K模式为2 048，8 K模式为8 192）的两个数据作共轭复数运算。因此RAM将第一个OFDM数据进行存储，下一个OFDM符号到来时与从RAM中读出的相应数据作相关运算。然后各种模式从步骤（1）得到的下采样数据中选择各自所需要的相关值进行累加，同时比较所有GI位置的相关累加值，最后得到的最大值即为该模式下的结果值，即mode0，mode1，…，mode7值。

3）相关峰值比较

8个检测值计算出来后，可以先比较2 K传输模式下4种GI对应的值，最大值所对的GI即为2 K模式下的GI检测值；同理得到8 K模式下的最大值及GI检测值；然后将2 K和8 K的最大值比较，判断传输模式，取对应的GI即可。

2.3 整体时序

MD模块整体时序设计图如图3所示。

从数据输入到检测结果输出，需要经过2（8 192+8 192/4)个有效数据。MD_END为检测结果标志，表示此处得到有效的MD_TRANS_MODE和MD_GI检测结果。

2.4 改进方案

针对计算精度和硬件复杂度，考虑有如下改进方案：

1）上述实现方式只进行了两个OFDM符号的下采样相关运算，运算精度与初始算法相比会有所下降，因此，可以做多个OFDM符号的相关值累加后再做最大值比较运算。

2）本设计中采用全并行实现方式，所占硬件资源比较大，可以采用半并行方式，进行资源和时间的折中处理，即先进行2 K模式的4种GI相关累加值的计算，然后进行8 K模式4种GI相关累加值的计算，得到各自模式下的最大相关值及其对应的GI，最后将这两个相关值进行最大值比较。在半并行方式下，两个阶段（2K和8K）只有下采样的倍率不同，相关值的选取及累加过程可以资源共享。

2.5 仿真验证

本设计采用Verilog HDL语言描述，为了配合RTL的测试，用C编写了对应的MD算法的验证程序，然后利用NC Verilog及Debussy分别进行仿真和波形观测，仿真结果表明，MD模块模式检测功能正确。

本设计的所有模块都是在Synplify Premier 8.8，ISE9.2及Xilinx FPGA XC5VLX220芯片上实现的。

3 结束语

本文提出一种下采样算法来近似相关峰值检测中GI长度相关值累加及归一化处理，其FPGA实现在DVB-T系统中进行仿真验证并集成，仿真结果表明下采样算法检测结果正确，减少了硬件复杂度，节约了资源，并且FPGA实现满足时序、面积要求。

本文研究是在上海明波通信技术有限公司中完成的，非常感谢公司以及各位同事所给予的大力支持和帮助。

[1] 黄秋芳.DVB-T标准与DVB-T标准技术分析的广播电视信息，2009（8）：67-69.

[2]TSUE Yih-Ming，Hsinchu.Mode detection for ofdm signals：USA，US2004/0240379 A1[P].2003-05-29.

[3] 解玉芳，郭里婷.DVB-T与地面数字电视国标信道估计算法分析[J].电视技术，2010，34（7）：20-22.

[4] 方绍，谢显中.基于DVB-T的OFDM频偏估计算法及DSP实现[J].电视技术，2011，35（3）：5-8.

周 鹏（1961-），博士，通信系统理论与通信网络技术研究；

石 蓉（1985-），硕士，主要从事DVBT数字电视解调器FEC的ASIC实现；

黄秋元（1963-），博士，通信系统理论与通信网络技术研究；

陈 慧（1985-），硕士，主要从事DVBT数字电视解调器信道均衡的ASIC实现；

龚莹莹（1983-），硕士，从事数字电视解调器的ASIC实现。