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 син-
хронизации цифровой телевизионной системы, разработанные 
в соответствии с европейским стандартом цифрового вещания 
EN 300 744, который вводится в Российской Федерации как ос-
новной стандарт. Созданы алгоритмы оценки параметров рассо-
гласований приемопередающих устройств телевизионной системы 
во временной и частотной областях. Приведены эксперименталь-
ные данные для настройки и проверки прототипа телевизионной 
системы, а также рабочие характеристики имитационных моделей. 
Изложены принципы вспомогательных устройств и схем, необхо-
димых 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 радиоаппарату-
ре трудно переоценить: нередко именно они определяют качество 
работы системы в целом. Развитие изделий электронной техники 
достигло очень высокого уровня, дальнейшее их совершенствова-
ние осуществляется согласно закону Мура. Сегодня реализуются 
принципиально новые алгоритмы синхронизации, многие из кото-
рых были забыты или отложены ввиду отсутствия возможности 
проектирования на элементной базе прошлых поколений.  
Наука никогда не стоит на месте. В настоящее время сущест-
вует множество публикаций, посвященных системам синхрони-
зации, поскольку задача синхронизации является, пожалуй, са-
мой неоднозначной с точки зрения методологии и теории опти-
мальности.  
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, синхро-
низация и демодуляция двоичных символов цифровой информа-
ции, измерение частоты и фазы сигналов, тактовая синхронизация, 
синтез сложных радиотехнических сигналов, синтез сетки высоко-
стабильных частот, стабилизация частот генераторов различных 
диапазонов.  
В последние годы интенсивно проводятся исследования в об-
ласти систем синхронизации с элементами дискретизации, что свя-
зано с совершенствованием элементной базы микроэлектроники и 
ростом рабочих частот. С переходом на новые технологии сущест-
венно расширились возможности систем и повысилась эффектив-
ность устройств на их основе. Анализ реакции на действие помех 
достаточно важен для практики: во многом именно помеховая об-
становка определяет точность характеристик. Системы синхрони-
зации 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 инжене-
ру-разработчику приходится применять многокритериальный под-
ход 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 назем-
ного телевидения. Это связано прежде всего с переходом Россий-
ской Федерации от аналогового вещания к цифровому.  
В данной работе приведены алгоритмы и методы синхрониза-
ции 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 уплотне-
нием, разработаны оптимальные алгоритмы оценки параметров 
нарушения синхронизации. Читатель ознакомится с проблемой 
синхронизации приемопередающих устройств, основными пара-
метрами нарушения синхронизации, а также методами восстанов-
ления искаженного сигнала.  
Вторая, третья и четвертая главы написаны с учетом требова-
ний европейского стандарта цифрового вещания EN 300 744, кото-
рый вводится в Российской Федерации как основной. Для созда-
ния приемопередающих устройств эти главы имеют практическое 
значение, поскольку в них разработаны как теоретические основы 
синхронизации в виде алгоритмов, так и функционально-
структурные схемы модулей синхронизации. Приведены экспери-
ментальные данные, а также рабочие характеристики имитацион-
ных моделей, которые необходимы для настройки и проверки про-
тотипа телевизионной системы. 
Во второй главе разработан рациональный алгоритм оценки 
параметров временного и частотного искажений сигнала с орто-
гональным частотным уплотнением во временной области. Иссле-
дованы наиболее важные причины нарушения синхронизации в 
системе, использующей ортогональное частотное уплотнение; оп-
ределены основные статистические характеристики оценок рассо-
гласований. 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 OFDM-
сигнала в частотной области. В главе исследован сигнал на выхо-
де прямого преобразователя Фурье в системе, использующей ор-
тогональное частотное уплотнение. Построены структурные и 
функциональные схемы, в том числе обобщенная структурная 
схема синхронизации. Найдена квазиоптимальная оценка пара-
метров нарушения синхронизации, которая позволяет при мини-
мальных затратах ресурсов получить результат практически без 
потери точности. 
В четвертой главе при условии полной синхронизации разра-
ботан 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 струк-
турные и функциональные схемы коррекции частотной характери-
стики канала распространения сигнала. 
В приложениях даны пояснения к вспомогательным устройст-
вам и схемам, необходимым для реализации разработанных алго-
ритмов синхронизации. 
В заключении обобщены результаты исследовательской рабо-
ты, показано их практическое значение. Приведены расширенные 
области применения разработанных алгоритмов, а также выделены 
наиболее перспективные, с точки зрения автора, новые направле-
ния внедрения полученных результатов. 
Следует отметить, что данная работа представляет собой за-
вершенное научное исследование, направленное на достижение 
конкретной цели – разработку схемы синхронизации телевизион-
ной 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 ис-
следований за финансирование издательского проекта, рецензен-
там докторам технических наук Б.И. Шахтарину и Н.М. Тихоми-
рову 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. Попенчен-
ко за организацию выпуска книги, а также главному конструкто-
ру 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. Ива-
нову 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) – ортогональ-
ное 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 преобразова-
ния Фурье 

 

ВВЕДЕНИЕ 

В настоящее время в Российской Федерации, как и в Европе, 
наблюдается активное внедрение цифровых технологий в дейст-
вующие и перспективные телекоммуникационные системы. Не-
отъемлемой частью этого процесса являются исследования и раз-
работки по совершенствованию техники для передачи информа-
ции в системах радиосвязи и радиовещания. Необходимость 
перехода на цифровое телевидение в России обусловливается воз-
растающей 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 характе-
ризуется, во-первых, началом этапа замены аналоговых методов 
передачи на цифровые и, во-вторых, тенденцией к внедрению еди-
ных общеевропейских стандартов и систем, причем предусматри-
вается, что этап перехода на цифровые системы будет очень ко-
ротким. 
В системе цифрового телевидения для передачи информации 
применен метод многоканальной комбинированной амплитудно-
фазовой 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 дока-
зал практическую значимость метода. С появлением первых разра-
боток за рубежом задачей синхронизации OFDM-системы занима-
лись Ж.Ж. Ван де Бик, Т.М. Шмидт, Д.С. Кох и др. В России иссле-
дование подобных систем стали проводить лишь в 1990-х годах 
(Ю.Б. Зубарев в Московском научно-исследовательском телевизи-
онном 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 неза-
висимость каналов. Для устранения взаимных помех между подне-
сущими выбирается расстояние, равное обратной величине дли-
тельности символа, поскольку именно в этом случае поднесущие 
являются ортогональными.  
Во временной области поток данных делится на отрезки неко-
торой длины (OFDM-символы), содержащие в качестве префикса 
специальный защитный интервал. Из определенного числа OFDM-
символов формируются кадры, которые, в свою очередь, образуют 
суперкадры. Помимо информационных данных в символах пере-
даются служебные данные о режиме работы, а также заранее из-
вестные на приемной стороне пилот-сигналы. Они служат для 
оценки качества канала передачи и синхронизации приемопере-
дающего оборудования. Значения параметров, передаваемых в 
этих ячейках, тщательно выбираются в целях оптимизации харак-
теристик системы, особенно синхронизации и надежности приема 
сигнала. 
Помехоустойчивое кодирование введено в систему для устра-
нения влияния частотных селективных замираний в радиоканале, в 
результате чего отношение сигнал/шум на разных несущих разли-
чается. Природа таких замираний связана с интерференцией сиг-
налов прямого и отраженного лучей на одной и той же несущей 
частоте.  
Применение в составе OFDM-сигнала большого набора под-
несущих частот определяет такие его свойства, как высокая по-
тенциальная помехоустойчивость, эффективность использования 
частотного спектра, простота реализации технических решений 
методами цифровой обработки. Влияние многолучевого распро-
странения сигнала учитывается при обработке путем введения за-
щитного интервала, длительности которого больше, чем предпола-
гаемое запаздывание копий сигнала. На протяжении защитного 
интервала сигнал продолжается, повторяясь во времени, поэтому 
операцию введения защитного интервала часто называют образо-
ванием циклического префикса. Этот интервал позволяет исклю-
чить межсимвольные искажения сигнала, вызванные многолуче-