Синхронизация в системе цифрового телевидения

À.À. Èâàíîâ

Ñèíõðîíèçàöèÿ
â ñèñòåìå
öèôðîâîãî
òåëåâèäåíèÿ

Ìîñêâà 2010

 

УДК 621.397.13 
ББК 32.94 
        И20 
 
Издано при финансовой поддержке  
Российского фонда фундаментальных исследований 
 по проекту № 10-07-07027 

 
 
Р е ц е н з е н т ы : 
ст. науч. сотр. ОАО «Концерн «Созвездие» 
д-р техн. наук А.М. Тихомиров; 
д-р техн. наук, проф. кафедры  
«Автономные информационные и управляющие системы» 
 МГТУ им. Н.Э. Баумана Б.И. Шахтарин  
 
 
Иванов А. А. 
Синхронизация в системе цифрового телевидения / 
А. А. Иванов. – М. : Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2010. – 
103, [1] с. : ил. 
ISBN 978-5-7038-3474-9 
Рассмотрены функциональные и структурные схемы синхронизации цифровой телевизионной системы, разработанные 
в соответствии с европейским стандартом цифрового вещания 
EN 300 744, который вводится в Российской Федерации как основной стандарт. Созданы алгоритмы оценки параметров рассогласований приемопередающих устройств телевизионной системы 
во временной и частотной областях. Приведены экспериментальные данные для настройки и проверки прототипа телевизионной 
системы, а также рабочие характеристики имитационных моделей. 
Изложены принципы вспомогательных устройств и схем, необходимых для реализации разработанных алгоритмов синхронизации. 
Для разработчиков цифровых телевизионных систем, а также 
специалистов в области цифровых систем синхронизации и систем 
передачи информации. 
УДК 621.397.13 
 ББК 32.94 
 
© Иванов А.А., 2010 
                                                                                                  © Оформление. Изд-во МГТУ 
ISBN 978-5-7038-3474-9                                                            им. Н.Э. Баумана, 2010 

И20 

 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

Значение систем синхронизации в современной радиоаппаратуре трудно переоценить: нередко именно они определяют качество 
работы системы в целом. Развитие изделий электронной техники 
достигло очень высокого уровня, дальнейшее их совершенствование осуществляется согласно закону Мура. Сегодня реализуются 
принципиально новые алгоритмы синхронизации, многие из которых были забыты или отложены ввиду отсутствия возможности 
проектирования на элементной базе прошлых поколений.  
Наука никогда не стоит на месте. В настоящее время существует множество публикаций, посвященных системам синхронизации, поскольку задача синхронизации является, пожалуй, самой неоднозначной с точки зрения методологии и теории оптимальности.  
Круг задач, решаемых с помощью систем синхронизации, 
весьма обширен: слежение за несущими и поднесущими частотами 
принимаемых сигналов, когерентная демодуляция аналоговых и 
цифровых сигналов с частотной и фазовой модуляциями, синхронизация и демодуляция двоичных символов цифровой информации, измерение частоты и фазы сигналов, тактовая синхронизация, 
синтез сложных радиотехнических сигналов, синтез сетки высокостабильных частот, стабилизация частот генераторов различных 
диапазонов.  
В последние годы интенсивно проводятся исследования в области систем синхронизации с элементами дискретизации, что связано с совершенствованием элементной базы микроэлектроники и 
ростом рабочих частот. С переходом на новые технологии существенно расширились возможности систем и повысилась эффективность устройств на их основе. Анализ реакции на действие помех 
достаточно важен для практики: во многом именно помеховая обстановка определяет точность характеристик. Системы синхронизации в настоящее время широко распространены во всех областях 
применения радиоэлектронной аппаратуры и являются предметом 
исследований ученых всего мира.  

Предисловие 
4 

При разработке сложных систем телекоммуникаций инженеру-разработчику приходится применять многокритериальный подход к решению задач синхронизации, ему необходимо владеть не 
только опытом предыдущих поколений, но и новейшими методами 
исследований. Целью данной публикации является ознакомление 
разработчиков систем синхронизации с современными методами 
анализа и синтеза рациональных алгоритмов синхронизации. В 
качестве исследуемой системы выбрана система цифрового наземного телевидения. Это связано прежде всего с переходом Российской Федерации от аналогового вещания к цифровому.  
В данной работе приведены алгоритмы и методы синхронизации применительно к телевизионным устройствам.  
В первой главе на примере стандарта цифрового вещания 
IEEE 802.11a (США) изложены теоретические основы методов 
синхронизации в системе с ортогональным частотным уплотнением, разработаны оптимальные алгоритмы оценки параметров 
нарушения синхронизации. Читатель ознакомится с проблемой 
синхронизации приемопередающих устройств, основными параметрами нарушения синхронизации, а также методами восстановления искаженного сигнала.  
Вторая, третья и четвертая главы написаны с учетом требований европейского стандарта цифрового вещания EN 300 744, который вводится в Российской Федерации как основной. Для создания приемопередающих устройств эти главы имеют практическое 
значение, поскольку в них разработаны как теоретические основы 
синхронизации в виде алгоритмов, так и функциональноструктурные схемы модулей синхронизации. Приведены экспериментальные данные, а также рабочие характеристики имитационных моделей, которые необходимы для настройки и проверки прототипа телевизионной системы. 
Во второй главе разработан рациональный алгоритм оценки 
параметров временного и частотного искажений сигнала с ортогональным частотным уплотнением во временной области. Исследованы наиболее важные причины нарушения синхронизации в 
системе, использующей ортогональное частотное уплотнение; определены основные статистические характеристики оценок рассогласований. Предложен квазиоптимальный алгоритм, разработана 
функциональная схема оценки искажений сигнала во временной 
области.  

Предисловие 
5 

Третья глава посвящена разработке рационального алгоритма 
оценки параметров временного и частотного искажений OFDMсигнала в частотной области. В главе исследован сигнал на выходе прямого преобразователя Фурье в системе, использующей ортогональное частотное уплотнение. Построены структурные и 
функциональные схемы, в том числе обобщенная структурная 
схема синхронизации. Найдена квазиоптимальная оценка параметров нарушения синхронизации, которая позволяет при минимальных затратах ресурсов получить результат практически без 
потери точности. 
В четвертой главе при условии полной синхронизации разработан рациональный алгоритм оценки искажений OFDM-сигнала в 
частотной области, вызванных влиянием канала распространения 
сигнала. Исследован сигнал на выходе схемы синхронизации в 
системе, использующей ортогональное частотное уплотнение. На 
основе свойств пилотов телевизионного сигнала построены структурные и функциональные схемы коррекции частотной характеристики канала распространения сигнала. 
В приложениях даны пояснения к вспомогательным устройствам и схемам, необходимым для реализации разработанных алгоритмов синхронизации. 
В заключении обобщены результаты исследовательской работы, показано их практическое значение. Приведены расширенные 
области применения разработанных алгоритмов, а также выделены 
наиболее перспективные, с точки зрения автора, новые направления внедрения полученных результатов. 
Следует отметить, что данная работа представляет собой завершенное научное исследование, направленное на достижение 
конкретной цели – разработку схемы синхронизации телевизионной системы. Все представленные в работе алгоритмы и схемы 
синхронизации были реализованы и отработаны на программном и 
аппаратном уровнях, что значительно повышает как достоверность 
и практическую значимость работы, так и ответственность автора 
перед читателем. 
Автор благодарен Российскому фонду фундаментальных исследований за финансирование издательского проекта, рецензентам докторам технических наук Б.И. Шахтарину и Н.М. Тихомирову за положительные отзывы о книге, ректору МГТУ 
им. Н.Э. Баумана доктору технических наук А.А. Александрову и 

Предисловие 
6 

директору Издательства МГТУ им. Н.Э. Баумана Т.И. Попенченко за организацию выпуска книги, а также главному конструктору ФГУП «НПП «Дельта» А.М. Зимину и декану факультета 
«Информатика и системы управления» МГТУ им. Н.Э. Баумана 
В.А. Матвееву за поддержку. 
Особую благодарность автор выражает родителям А.Н. Иванову и Э.А. Ивановой за ценные советы. 

 

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ 

АРУ  
– автоматически регулируемое усиление 
АЦП  
– аналого-цифровой преобразователь 
АЧХ  
– амплитудно-частотная характеристика 
БПФ  
– быстрое преобразование Фурье 
БШ  
– белый шум 
ГПСП  – генератор псевдослучайной последовательности 
Д  
– делитель 
ДЕМОД  – демодулятор 
ДПФ  
– прямое дискретное преобразование Фурье 
ЗИ  
– защитный интервал 
+ЗИ  
– формирование защитного интервала 
–ЗИ  
– удаление защитного интервала 
ИХ  
– импульсная характеристика 
ИЧФД  – импульсный частотно-фазовый детектор 
КД  
– квадратурный демодулятор 
КИХ-фильтр – фильтр с конечной импульсной характеристикой 
КФ  
– корреляционная функция 
МОД  
– модулятор 
ОГ  
– опорный генератор 
ОДПФ  – обратное дискретное преобразование Фурье 
ОЗУ  
– оперативное запоминающее устройство 
ОПФ 
– обратное преобразование Фурье 
ОСШ  
– отношение сигнал/шум 
Парал./послед. – преобразователь параллельных данных в последовательные 
ПЗУ – постоянное запоминающее устройство 
Послед./парал. – преобразователь последовательных данных в параллельные 
ППФ  
– прямое преобразование Фурье 
ПРВ  
– плотность распределения вероятностей 
СВ  
– случайная величина 
СКО  
– среднеквадратичное отклонение 

Список сокращений 
8 

СПМ 
– спектральная плотность мощности 
СЧ  
– синтезатор частот 
УГ  
– управляемый генератор 
УУ  
– устройство усреднения 
ФАП  
– фазовая автоподстройка 
ФНЧ  
– фильтр низких частот 
ФП  
– функция правдоподобия 
ФЧХ  
– фазочастотная характеристика 
ЦАП  
– цифроаналоговый преобразователь 
ЦВС  
– цифровой вычислительный синтезатор 
ЧХ  
– частотная характеристика 
CORDIC (Coordinate Rotation in a Digital Compute) – цифровое вычисление поворота координат 
DAB (Digital Audio Broadcasting) – цифровое звуковое радиовещание 
DDS (Direct Digigtal Synthesis) – прямой цифровой синтез 
DSL (Digital Subscriber Line) – цифровая абонентская линия 
DVB (Digital Video Broadcasting) – цифровое телевидение 
MIMO (Multiple Input–Multiple Output) – система антенн 
OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) – ортогональное частотное уплотнение  
QAM (КАМ) – квадратурная амплитудная модуляция 

M

  – сигма-дельта модулятор 

В работе используюся обозначения: 

 
*  
– комплексное сопряжение 

 
T   
– транспонирование 

 

H  
– эрмитово транспонирование 

 

  
– дельта-функция 
1 
 – матрица, все члены которой единицы 
0 
– матрица, все члены которой нули 
I  
– единичная матрица  
F  
– матричный оператор прямого точечного преобразования Фурье 

 

ВВЕДЕНИЕ 

В настоящее время в Российской Федерации, как и в Европе, 
наблюдается активное внедрение цифровых технологий в действующие и перспективные телекоммуникационные системы. Неотъемлемой частью этого процесса являются исследования и разработки по совершенствованию техники для передачи информации в системах радиосвязи и радиовещания. Необходимость 
перехода на цифровое телевидение в России обусловливается возрастающей перегруженностью радиочастотного спектра, которая 
вызывает острейший дефицит частотных каналов в телевизионном 
вещании. Также не стоит игнорировать сложившуюся в развитых 
странах мира ситуацию в области радиовещания, которая характеризуется, во-первых, началом этапа замены аналоговых методов 
передачи на цифровые и, во-вторых, тенденцией к внедрению единых общеевропейских стандартов и систем, причем предусматривается, что этап перехода на цифровые системы будет очень коротким. 
В системе цифрового телевидения для передачи информации 
применен метод многоканальной комбинированной амплитуднофазовой модуляции многих ортогональных несущих с применением 
помехоустойчивого кодирования. Впервые идею ортогонального 
частотного уплотнения предложили С.Б. Вайнштейн и П.М. Эберт 
еще в 1971 г. Однако технический уровень развития того времени 
не позволял осуществить их идеи, и только в 1994 г. П.Х. Мус доказал практическую значимость метода. С появлением первых разработок за рубежом задачей синхронизации OFDM-системы занимались Ж.Ж. Ван де Бик, Т.М. Шмидт, Д.С. Кох и др. В России исследование подобных систем стали проводить лишь в 1990-х годах 
(Ю.Б. Зубарев в Московском научно-исследовательском телевизионном институте и др.).  
Особенностью OFDM-систем является применение БПФ, что 
позволяет разбить данные на множество независимых потоков, 
передаваемых параллельно по большому числу ортогональных 

Введение 
10

поднесущих с постоянным шагом по частоте для каждого режима 
работы. При этом под ортогональностью каналов подразумевают, 
что несущие частоты каждого канала ортогональны друг другу. 
И хотя сами частотные подканалы могут частично перекрываться, 
ортогональность несущих сигналов гарантирует частотную независимость каналов. Для устранения взаимных помех между поднесущими выбирается расстояние, равное обратной величине длительности символа, поскольку именно в этом случае поднесущие 
являются ортогональными.  
Во временной области поток данных делится на отрезки некоторой длины (OFDM-символы), содержащие в качестве префикса 
специальный защитный интервал. Из определенного числа OFDMсимволов формируются кадры, которые, в свою очередь, образуют 
суперкадры. Помимо информационных данных в символах передаются служебные данные о режиме работы, а также заранее известные на приемной стороне пилот-сигналы. Они служат для 
оценки качества канала передачи и синхронизации приемопередающего оборудования. Значения параметров, передаваемых в 
этих ячейках, тщательно выбираются в целях оптимизации характеристик системы, особенно синхронизации и надежности приема 
сигнала. 
Помехоустойчивое кодирование введено в систему для устранения влияния частотных селективных замираний в радиоканале, в 
результате чего отношение сигнал/шум на разных несущих различается. Природа таких замираний связана с интерференцией сигналов прямого и отраженного лучей на одной и той же несущей 
частоте.  
Применение в составе OFDM-сигнала большого набора поднесущих частот определяет такие его свойства, как высокая потенциальная помехоустойчивость, эффективность использования 
частотного спектра, простота реализации технических решений 
методами цифровой обработки. Влияние многолучевого распространения сигнала учитывается при обработке путем введения защитного интервала, длительности которого больше, чем предполагаемое запаздывание копий сигнала. На протяжении защитного 
интервала сигнал продолжается, повторяясь во времени, поэтому 
операцию введения защитного интервала часто называют образованием циклического префикса. Этот интервал позволяет исключить межсимвольные искажения сигнала, вызванные многолуче