（信号与信息处理专业论文）地面数字电视编码调制器硬件支持平台的设计.pdf

摘要 本文主要介绍了地面数字广播电视信发射机信道编码调制器的硬件处理平 台的实现。该系统以a l t e r a 公司的f p g a 芯片e p l $ 2 5 7 8 0 c 7 为基础结合a d 公 司的数字上变频芯片a d 9 8 5 7 组成了的硬件系统构架。其中e p l s 2 5 7 8 0 c 7 完成 主要的数字基带处理部分，然后由a d 9 8 5 7 完成数字上变频和d a 转换，最后 输出中频信号。 该系统可以为各个地面数字电视标准的验证、测试、运行提供一个通用的硬 件平台。但因一开始本硬件平台就是为了实现的d v b t 发射机编码调制器功能而 设计，所以本文着重阐述了如何实现d v b t 发射机编码调制器。 本文首先介绍了c o f d m 以及d v b t 的相关原理，然后介绍e p l $ 2 5 7 8 0 c 7 和a d 9 8 5 7 的相关知识。在第四章，仔细讲述了该硬件处理平台的构架和内部的 特点，紧接着在第五章给出了调试过程和结果。 调试证明，硬件平台达到了设计要求的主要性能指标，成功实现了d v b t 发 射机编码调制器。 【关键词】：f p g a 、c o f d m 、编码、调制、数字电视广播 a b s t r a c t t h i sp a p e rm a i n l yi n t r o d u c ea ni m p l e m e n t a t i o no ft h eh a r d w a r ep l a t f o r m f o rt h ec h a n n e l c o d i n g & m o d u l a t o r o f d i g i t a l t vb r o a d c a s t i n g t e r r e s t r i a l t r a n s m i t t e r t h i ss y s t e mi sb a s e do nt h ea l t e r ac o ，l t d sf p g a ( e p l $ 2 5 7 8 0 c 7 ) c h i p ，a n d a q u a d r a t u r ed i g i t a lu p c o n v e r t e rc h i p s a d 9 8 5 7o fa d c o ， l t d ，t o g e t h e rc o m p o s i n g t h em a i nh a r d w a r e p l a t f o r m t h e s o f t w a r er u n n i n go n t h ef p g aw o u l dc a r r yo u t t h ec o r eo fc o d i n ga n dm o d u l a t i o na n da d 9 8 5 7w o u l d c a r r yo u tt h e t a s k so fq u a d r a t u r ed i g i t a l u p c o n v e r t e ra n dd i g i t a l t o a n a l o g t r a n s f o r m t h i ss y s t e mc a nb eu s e da sah a r d w a r ep l a t f o r mf o rt e s t i n g ，v e r i f i c a t i o na n d r u n n i n g o ft h ec h a n n e lc o d i n g & m o d u l a t i o ns y s t e md e s i g n e db yd i f f e r e n td i g i t a l t v - t e r r e s t r i a ls t a n d a r d b e c a u s et h em a i n p u r p o s e o ft h i s p r o j e c t i st o i m p l e m e n t t h ed v b - tt r a n s m i t t e r s ot h i sp a p e rw i l li n t r o d u c eh o wt oi m p l e m e n t t h ed v b tt r a n s m i t t e ri nd e t a i l i nt h i sp a p e r ，t h ep r i n c i p a lo fc o f d ma n dd v b - t s y s t e mi si n t r o d u c e d f i r s t l y ，t h e nt h e e p l $ 2 5 7 8 0 c 7a n dt h ea d 9 8 5 7i ss t a t e d a f t e rt h a t ，t h e f p g a - b a s e dm a i nh a r d w a r e p l a t f o r mi si n t r o d u c e di nd e t a i li nt h ec h a p t e ro f f o u r i nt h ef i f t hc h a p t e r ，t h ep r o c e d u r eo fd e b u g g i n gt h eh a r d w a r ei ss t a t e d w i t ht h er e s u l t t h es i m u l a t i o na n dd e b u g g i n gp r o v et h a tt h eh a r d w a r ep l a t f o r mm e e tt h e d e s i g nr e q u i r e m e n ta n dt h ed v b - t t r a n s m i t t e rh a sb e e ni m p l e m e n t e dw i t ha v e r yf l u e n tv i d e o a n da u d i o k e y w o r d ：f i e l dp r o g r a ml o g i ca r r a y , c o f d m ，c o d i n g ，m o d u l a t i o n ， d i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t i n g ( d v b ) i i - 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 i 确的说明并表示谢意。 签名： z 经趁纰日期：修年? 月z 钼 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 勉 日期：础歹月lr l 电子科技人学硕士论文地面数字电视编码调制器便什平台的设计 第一章引言 白8 0 年代初开始，大规模集成电路、计算机、网络传输、卫星和光传输等 技术的革命，促使广播技术的和业务飞跃发展，广播电视从节目编制，制作， 储存到传输，接收都在向数字化方向发展。数字广播电视的高质量节目，高频 谱利用率，新一代高清晰度电视和数字音频广播的发展，以及多媒体交互数据 广播业务的出现将成为广播电视的发展趋势。进入二十一世纪广播电视从模 拟向数字的全面过渡正在加速进行。 数字电视传输主要包括有线传输、卫星传输、地面无线传输以及手持移动 终端传输四种传输标准，其中以地面传输标准技术是其中最为复杂、覆盖范围 最广。 1 1 数字电视广播发展概况 国际上一些广播电视发达国家从很早即开始对数字技术进行了大量研究， 并制定了相应标准，首先在卫星数字广播中广泛应用。早在7 0 年代，日本广播 协会( n h k ) 就已经着手这方面的研究，并且在1 9 9 1 年实现了通过卫星的d b 一3 b 的f 式广播。美国也已经开发了自己的数字电视广播系统( 8 v s b 系统) ，并且 在1 9 9 7 年宣布将在2 0 0 6 年完成模拟到数字电视广播的转换，对世界广播电视 界以很大的震动。欧洲自】9 9 3 年起不得不放弃h d m a c 的计划，转向 d v b ( d i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t i n g ，数字电视广播) 的研究，并且提出了数字视频 广播规划。该规划始于1 9 9 3 年，已经有2 5 个国家和地区的2 0 0 多家公司和组 织参与，目的是制定出欧洲的d v b 标准。到现在为止，已经制定数字卫星电 视( d v b s ) 、数字有线电视( d v b c ) 、数字地面电视( d v b t ) 、数字手持 电视( d v b h ) ，由于其通用性和公开性，现已为许多国家所采用。 1 1 1 数字地面电视的系统规范 在数字地面电视的系统规范问题上，i t u ( 国际电信联盟) 建议适用于数 字地面广播系统的世界通用系列的要素应以下列各项为基础： 系统的聚她； 1 ：地面系统应当与其他的数字电视传输系统如卫星、电缆等有最大的通用 电子科技大学硕十论文 地面数字电视编码调制器硬件平台的设计 性。 2 ：各个广播系统可以用透明的和灵活的方式传输m p e g 一2 或其他的数据 业务，其复用结构应是m p e g 一2 传输流。 3 ：基础系统应是一个单层传输系统，能够传送一路h d t v 业务或几路常 规质量业务，同时应当为业务信息和标题描述词系统提供实施方法。 基带编码踉魏： 1 ：图象编码系统采用m p e g 2 图象编码系列，并且有能力使用主类和主 级( m a i n p r o f i l e & m a i nl e v e l ) 或更高。 2 ：声音编码应采用i s o i e c1 3 8 1 8 3m p e g 2 音频层或a c 一3 的方法。 3 ：应当设法制定使用与视频和音频编码系统特性的质量要求。基本的音频 编码技术规范只涉及句法，并且为由于改进编码器设计而形成的质量改进留有 余地。应给出最低质量要求目标值并为那些建议的编码器特征提出意见。 调翻和倍道编码踉购： 所选择的调制和信道编码应当保证实现所要求的传递方案。 1 1 2 国外数字地面电视标准现状 各国根据i t u 的基本原则结合自己的特点实施各自的数字电视研究计划并 分别提出很多不同的系统方案，目前被国际电联推荐的地面数字电视传输标准 有3 种：美国的a t s c 方案、欧洲的d v b t 方案、日本的i s d b t 方案。这三 种方案各有异同： 就基带编码而言，三种方案均采用基于m p e g - 2 框架的活动图象信源压缩 解压缩标准和d b a c 3 的音频信源压缩标准以及m p e g 一2 传输流复用方式。 在传输方案上，a t s c 采用8 v s b 传输方案，单载波，采用r s 码为信道外 码加上网格编码( t c m ) 为信道内码信道编码方案。雨d v b t 采用o f d m 传 输方案，载波数有2 k 、8 k 两种模式，而i s d b t 标准采用分段o f d m 传输方 电子科技人学硕十论文地面数字电视编码调制器便什平台的设计 案，载波数有2 k 、4 k 、8 k 两种模式，其余i s d b t 和d v b t 一样，载波均 可选择q p s k 、1 6 q a m 、6 4 q a m 三种调制技术，均采用r s 码为信道外码卷积 编码为信道内码的编码方案。 可以看到，i s d b t 和d v b t 有很多相似的地方，可以说同本使用的是修 改的欧洲方案。 其它一些国家通过对不同标准制式的测试确定了的自己的地面传输标准， 如澳大利亚巴西选用了欧洲d v b t 制式，亚洲的韩国和我国台湾地区选用了 a t s c 制，并宣布将于2 0 0 1 至2 0 0 3 年开始地面数字电视广播，印度、新加坡、 中国香港等地区也开始发展数字电视广播。 1 1 3 国家数宇地面电视标准的发展 中国已开始进行数字卫星电视广播( d v b s ) 业务，并正在制定数字电视广 播的各项标准。至从2 0 0 1 年我国正式在全园范围内广泛征集地面数字电视传输 标准，我国目前有4 家组织的5 套标准参与中国地面数字电视广播标准的竞争。 目前实际上是采用时域同步正交频分复用( t d s 0 f d m ) 多载波技术的消华 i ) m b t ( 地面数字多媒体电视广播传输协议) 方案和采用“单载波”方案的上海 交大a d t b t 标准( 高级数字电视广播系统) 之间的竞争。在多方利益相持不下严 重的延迟了标准的推出情况下，与2 0 0 4 年9 月份在国家发改委和数字电视专项 领导小组的领导下，由中国工程院具体组织国内有关研究单位讨论制定了一套 融合方案，现在数字电视专项小组正加紧方案的融合以及测试工作，最终的国 家标准将极有可能是一套吸收各方意见的融合的方案。一旦标准确立，数字电 视广播将迅速得到普及。 1 2 论文选题及论文结构 本课题选用是针对各个地面数字电视标准的验证、测试、运行建立一个通 用的硬件平台。因为一开始本硬件平台就是为了实现的d v b t 发射机编码调制 器而设计，同时从近年来许多方面的报告和测试看，作者认为o f d m c o f d m 在地面传输的抗干扰性能和实现复杂性都具有突出的优点，因而论文工作重点 研究了d v b t 的传输方案。论文设计的硬件方案广泛吸收了目前国内外o f d m 3 电子科技大学硕士论文地面数字电视编码凋制器硬t l 平台的设计 实验研究系统的优点，同时为了以后实现a s i c 的方便，所以建立一个单片 f p g a 芯片平台基础上，系统的核，t l , 部分处理借助v e r i l o g 语言在这块单f p g a 芯片上来实现。 论文开始介绍了c o f d m 原理和d v b t 发端系统各个部分的基本原理，然 后对我采用的f p g a 芯片e p l $ 2 5 和上变频芯片a d 9 8 5 7 的体系架构、工作方 式、外围特点等等作了详细的介绍。考虑到我所作的工作主要是硬件处理平台 的设计，所以在第四章用了很大的篇幅讲述了硬件总体系统的具体实现，比较 详细的介绍了各个模块的设计以及相关考虑。在第五章我给出了硬件总体的详 细的调试记录，通过最后的调试结果，证明该电路板完全达到了设计要求，同 时成功实现了d v b - t 编码调制器。最后章是结论。 通过我的努力，成功完成了地面数字电视硬件平台的设计和调试，达到了 设计目标，为地面数字电视系统提供了一个稳定、高速的验证和处理平台。 4 电子科技火学硕士论文地面数字电视编码调制器慢什平台的设计 第二章d v b - t 信道编码调制系统方案 2 1d v b t 系统基于c o f d m 的原因 2 1 1 地面传输信道特点与o o f d m 原理 在高速数字传输时，要满足n y q u i s t 的无失真传输条件，基帝信号的带宽 必然占据很宽的带宽，且远大于信道的相干带宽b c 。 信号在地面信道传输的时候由于如城市建筑物等障碍物对电波的多次反 射及散射引起信号的多径传输，使对信号产生主要包括多径延时、衰减和相移 等三个参数的多径干扰，使信号产生频率选择性失真，从而当传输的数据率提 高时导致了符号之间产生符号干扰( 卿) ，在多载波并行传输时子载波的频偏 还导致严重的子载波问干扰( i c i ) 。地面传输信道工作在u h f v h f 频段时， 还具有高斯加性白噪声( a w g n ) 干扰、突发干扰、工业干扰及电离层反射、 同频干扰等信道的恶劣特性。 此外当终端是移动接收的时候还会因接收环境的时变产生严重的信道衰 落，并造成的信号的多普勒频移效应。 另一方面，h d t v 是在现有的电视频带内传输信号，信道的带宽受到限制 ( 现行p a l 体制的有效带宽为7 6 m h z ，尽管基于m p e g - - 2 的信源编码对视频 数据进行了有效的压缩，h d t v 的数据传输率仍很大，根据不同的信源等级约 为1 7 3 1 m b p s 左右。地面信道的传输特性和带限特性严重阻碍了高性能的高 速数字传输，也是高速数字通信遇到的突出难题，因而需要采用高效的调制传 输方案和先进的信道编码技术。所以d v b t 系统采用了编码的正交频分复用 方案即c o f d m ( c o d e do r t h o g o n a lf r e q u e n c y d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 。 c o f d m 是一种多载波体制，采用多个子信道并行数字传输，将n 个单元 码并行传输来代替通常的串行脉冲序列传送，传送这些单个码每个子信道采用 f 交频分复用，子信道的带宽小于相干带宽，从而大大扩展了予信道传输符号 宽度，从而有效地防止了因频率选择性衰落而造成的码间干扰，同时采用多电 平调制技术，因而有很高的频带利用率和抗拒多径的频率选择性失真能力。 电子科技_ 人学硕士论文地面数字电视编码调制器硬什平台的设计 2 1 2o f d u 信号表示 在任一时，在一码元宽度7 1 内，基带o f d m 信号可以表示为 s ( f ) = m ( n ) p 伽“7 吲口，珂 ( 2 1 ) 其中，m 御为第。个信道的调制信号，p j 2 “r 为第”信道的载频的幅度 和相位，n 为并行传输的信道数。肘俐对应不同的调制方式可以有不同的取值， 例如采用1 6 q a m ，则m 俐取一3 1 j ，一1 - 3 j ，l + 3 j 之一。每一符号可传4 b i t 信息。 将式( 2 1 ) 离散化，可得到下式： x c t ，= 去i 萋：x c 珂，e 一2 女 ( 2 2 ) 从上式可以得到在一个码元时间内的n 个并行信道采样值之和的信号( 即 离散o f d m 信号) 。这种信号经过 d a 变换及滤波后便可直接调制到射频上进 行传输。 解调时，可以利用下式( 2 3 ) 得到输出信号 m ) ：吉芝m 矿口一” ( 2 3 ) v = o ( 2 2 ) 式是离散傅立叶变换( i d f t ) 的一般形式，( 2 3 ) 式则是d f t 的 一般形式，均可通过快速f f t 来实现。o f d m 信号具有如图2 - 1 所示的频谱： 电子科技大学硕十论文地面数字电视编码调制器硬件平台的设计 2 1 3o f d h 的优点 吲2 - 1o f d m 的频谱 由图2 - 2 频谱可见o f d m 与频分复用的不同之处在于q f d m 的子信道间 1 隔定为1 厂r ，每个子信道的传输速率也为i t ，子信道间频谱量叠，而在每个子 信道的中心点来自其它子信道的干扰为零，所以o f d m 体制具有以下优点： 1 ：o f d m 可以使相邻子载波间没有警戒频率，使间隔达到最小，能够更 有效地提高频谱利用率，可以不用子信道成形滤波器。 2 ：在系统实现时，o f d m 将较宽的带宽分为许多窄带载波，进行并行传 输，可以降低每个载波的码流传输速率扩展了传输符号宽度，本身具有较强的 抗多径能力。结合高效的信道编码和时频交织技术还能有效地对抗突发差错和 a w g n ( 加性白高斯噪声) 的干扰引起的随机差错。 3 ：由于o f d m 具有在频域精确预置能量能力，可以利用插入导频方式， 采用频域均衡技术完成对信道响应的快速跟踪，大大降低信道均衡的信号处理 的压力。 尽管上述概念早在6 0 年代就已经被提出，但由于当时的集成电路规模和数 字信号处理技术的限制，并未得到很好的应用。直到7 0 年代以来，才有使用 d f t 实现o f d m 的文献发表。9 0 年代以来，快速f f t 优化算法的发展和超大 规模高速集成电路的发展，高速f f ta s i c 芯片、d s p 芯片和高容量的f p g a 芯片为实现子信道数n 很大( 2 k 、4 k 、8 k ) 的o f d m 传输提供了可能，使实 现电路大大简化。 2 1 4 保护间隔 在没有符号问干扰和子信道间干扰时，o f d m 的子载波的严格正交性得到 7 电子科技火学硕十论文地面数字电视编码调制器硬件平台的没计 保持，并且在接收端各子信道可由f f t 分离。由于o f d m 信号不是严格带限 的( s i n c ( o 函数) ，线性失真如多径效应等将导致一个子信道的能量扩展至其它 子信道，因而产生i c i 和i s i 失真。 一个简单的解决方法是增大传输信号的符号期或者载波数，然而这种方法 具有很大的f f t 计算复杂性，且受到载波频率稳定度和多普勒频移的限制，难 于实现。一般，我们可以利用循环扩展保护时隙来解决这一问题，即在o f d m 符号之前复制最后一段信号构成循环前缀，可通过选择适当的保护时隙值，使 得接收信号中信道间干扰i c i 和码间干扰i s i 可以忽略，只含信道的特征分量 和信号分量。并且还可以借助保护时隙获得符号起始粗同步。 保护间隔的设置很大程度上克服了地面接收地点选择性的问题，易于组建 s f n ( s i n g l ef r e q u n c en e t w o r k ) 单频网。具体来说，设t u 是符号周期，强是保 护间隔，t s 是有用信号周期。由于t g 比较长最大可以是符号周期的l 4 ，对 l m s 的符号周期来说就是2 5 0 us ，可以认为所有起作用的回波的起始点均落在 这一时间段内。因为2 5 0 us 的延时相当于信号走了7 5 k m ，大于这一距离的任 何回波的幅度可认为很小，对主信号已无大的影响。由于每一符号的起始都有 明确的标志，我们可以准确测知回波的幅度与相位，从而化破坏性的回波为对 接收有贡献的信号。如果在保护间隔传输时间内有一同频同节目发射台，在接 收点收到该台的信号可以当作回波来处理。利用这种特性，多个发射机可以使 用同一频率，从而组成单频网。 2 2d v b - t 编码调制器系统方案 2 2 1 系统的总体设计 欧洲d v b t 的系统方案如图2 2 所示，考虑到不同层次质量信号及扩充其 它数据业务在信道中的传输要求，所以传输参数具有灵活可变的特点。 8 电子利技人学硕士论文 地面数字电视编码调制器便t 1 ：平台的设计 分离器 复 1 几两i 聒燕丽 - 7 巡 ii 叫黼躺 t s 流输 1 上人线 # 1 囊h 篓蠢 1 盘饕hl 导秽8 l 地面情道适配器 图2 2d v b t 系统原理框图 为在码率与抗干扰能力间平衡，系统可选取不同的q a m 调制方式及均匀 或非均匀两种星座映射方式、不同的内码率、不同长度的保护间隔。系统还可 进行两层分级的信道编码和调制，分离器根据高优先和低优先码流将输入的码 流分为两个独立的m p e g 传输流，分别编码后通过具有相应输入数目的映射器 和调制器，将这两个码流映射到信号的星座上。 本项目主要基于不分级2 k 模式进行研究，所以以下信道编码与调制主要 是在2 k 模式下进行描述的。在后面几节将分别介绍系统各个部分。 2 2 2 码流同步和能量扩散 m p e g - - 2 复用器( m u x ) 的码流以数据包的形式送入信道，其格式如图 2 3 所示： ib y t e 一18 7 b y t e - - + 匝叵工二卫 图2 - 3 数据包格式 一个数据包内包含一个同步字节s y n c ，1 8 7 个数据字节，同步字节为4 7 h 。 在信道中可通过滑动校验同步字节s y n c 即可获得码流的同步锁定，为更好地抗 9 电子科技大学硕+ 论文地面数字电视编码调制器硬什平台的设计 干扰，对锁定的码流进行了伪随机化处理，这一过程也具有信道加密的能力。 在可能出现码流中断时为平衡信道及系统的同步，进行了加空包处理。从而去 除数据码流的抖动。 对码流的伪随机化处理可由伪随机二进制序列p r b s ( p s e u d or a n d o m b i n a r ys e q u e n c e ) 与码流数据异或完成。p r b s 由以下生成多项式产生： g ( x j = 1 + x 1 4 + x 1 5 ( 2 4 ) 伪随机序列发生器中寄存的初始化序列为1 0 0 1 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 ，每8 个传送包 进行初始化。其原理图如图2 - 4 所示： 图2 - 4 能量扩散电路框图 为便于接收端的解扰，对每8 个传输包的第一个包的同步字进行求反处理。 即由s y n c = 4 7 h 到；而= b 8 h ，伪随机化是从8 个数据包的同步字节s y l c 后的 第一个b i t 开始进行，但在随后的7 个数据包的同步字节，伪随机序列发生器 输出禁止，让同步字节通过。这样，p r b s 的周期为1 5 0 3b y t e 如图2 - 5 。 | k 一8 传送m u x 包+ | i 一p r b s n n = 1 5 0 3 b y t e s + j 图2 - 5随机传送包 1 0 电子科技大学硕士论文地面数字电视编码惘制器便什平台的设计 2 2 3 外码和外交织 外码和外交织应根据输入的数据包结构进行设计。外信道编码采用出原体 系的r e e d s o l o m o n ( 2 5 5 ，2 3 9 ，t = 8 ) 码衍生的缩短的r s ( 2 0 4 ，1 8 8 ，t = 8 ) 码，加到每 一个随机化的传送包上，以产生一个误码保护包，r s 编码同样加到非倒相 ( 4 7 h ) 或倒相( b 8 h ) 的包同步字节上( 见图2 - 6 ) 。在r s ( 2 5 5 ，2 3 9 ，t = 8 ) 码编 码器输入端前信息字节前，可增加5 1 个0 字节来实现收缩的r s 码。经r s 编 码程序之后，再将这些无用字节删除而产生n = 2 0 4 字节的r s 码字。 1 1ti o fs y n c n 随机化数据奇偶校验字 1 8 7 b y t e节1 6 b y t e s 圈2 - 6r s 包结构 码生成多项式： g ( x ) = ( x + 恐) ( x + 对) ( x + 符) ? i i ( x + 对5 ) = 0 2 ； - r e x ( 2 。5 ) 城生成多项式 p r x j = x 8 + x 4 + x 3 + x 2 + 1 ( 2 6 ) 为抗突发干扰，在r s ( 2 0 4 ，1 8 8 ) 后设置了一个i = 1 2 路移位寄存器构成的 同步字节卷积交织器。第j 路深度为i m ，m = n i = 1 7 ，n = 2 0 4 。为便于解交织 同步，同步字节s y n c 或s y n c 设计成从0 路送出( 即对应零延时) 因而不会破 坏误码保护数据包的同步周期结构。交织深度m i 为一个误码保护数据包的 长度，即输入的任意相邻数据交织后都不会在一个相同数据包中出现。交织与 解交织如图2 7 所示。 电子科技大学硕士论文地面数字电视编码调制器硬什平台的殴计 垂x 乒圳b k 。趣面 _ 上， 。- 匝丕丑- 八 叫匠亟j 上 。- 1 m ：1 7 x 1 1p匡习 图2 7 交织和解交织示意 2 2 4 内编码、内交织和星座映射 2 2 4 1 内编码 基于6 4 态1 2 码率的主卷积码，系统可以选择几种由码率为1 2 基本卷积 码截取后的卷积码，在非分级传输中可以根据给定的数据率选择不同的误码保 护。基本码的发生多项式为： x 输出 y 输出 g 1 = 1 7 1 0 c r g 2 = 1 3 3 0 c t 1 2 码率的基本卷积码可由图2 - 8 实现。 幽2 - 8i 2 码率的主卷积码 不同的码率的卷积码通过码率为1 2 基本卷积码截取如图2 - 9 所示。卷积 1 2 电子科技大学硕十论文地面数字电视编码调制器硬件平台的设计 码的截取方式如表2 1 所示。除了1 2 码率的主码外，系统可使用2 3 、3 4 、 5 6 、7 8 的收缩码码率。 幽2 - 91 2 基本卷积码截取框幽 表2 - 1 收缩卷积码类型及输山顺序 码率r截取模式发送顺序 1 2x ：1 x ly l y = 1 2 3x ： 1o x t y i y 2 、，11 3 ，4x ： 101 x 1 y 1 y 2 x 3 y ：l10 5 6x ： lo101 x 1y 1y 2 x 3 y 4 x 5 v110l0 7 8x ：10001oi x 1y iy 2 y 3 y 4 x 5 y 6 x 7 y _ i 1 l l0l0 2 2 4 2 内交织 内编码后的2 路输出首先经过码流的截取成为一路b i t 码流，对于l 2 的卷 积码来说，是交替的取x 和y 输出。然后将这个码流经过一个多路器，产生v 个自流送入各自的块b “交织器，这里完成b i t 交织以对付突发噪声和分散 v i t e r b i 译码后的误码会聚和然后采用随机符号交织器完成符号交织对付信道 的频率选择性衰落。对于q p s k ，v = 2 ；对于1 6 q a m ，v - - - - 4 ；对于6 4 q a m ，v = 6 。 经过b i t 交织后的v 个子码流再进行符号交织，符号交织把一组vb i t 映射 到一个o f d m 符号的1 5 1 2 ( 2 k 模式) 或者6 0 4 8 ( 8 k 模式) 个有效子载波二 进一步抗拒频率选择性失真和干扰。符号交织采用随机交织，交织的产生方法 此处不再展开。 电子科技火学硕十论文 地面数字电视编码调制器硬件平台的设计 2 2 4 3 星座映射 o f d m 中的所有数据载波调制可采用g r e y 映射的q e s r z 、1 6 q a m 、 6 4 q a m 、非均匀1 6 q a m 或非均匀6 4 q a m 。例如q p s k 调制如图2 1 4 所示， 内交织器输出的数据码流由v = 2 比特字组成，这些字通过q p s k 映射为某复 数z ，如下图所示： 1 0 l m ( z ) l 1 0 1 0 ， 一l1 r e ( z 1 l 儿7，1 7 1 0 图2 1 0q p s k 星座映射图 2 2 5o f d m 帧形成和参考信号 o f d m 的信号传输采用分帧传输方式。每帧的时间为t ，包含6 8 个o f d m 符号。四个o f d m 帧组成一个超帧，一个超帧总是发送整数个r s 包，不管是 系统采用什么星座、保护时隙、编码率和信道带宽。 每个符号由k = 1 7 0 5 ( 2 k 模式) 或者k = 6 8 1 7 ( 8 k 模式) 个载波组成，一 个载波调制了一个信息，相邻载波间隔为l 厂r u 。以t s 符号持续时间发射，在 表2 2 介绍了2 k 模式一些o f d m 参数。 符号持续期包含：有用符号期t u ，保护间隔4 。保护间隔d 通过插入在有 用符号期t 。之前与有用符号期t u 构成周期性的连续段。4 个保护时隙可以选 用，如表2 - 3 所示。 表2 - 22 k 模式的o f d m 参数 1 4 电子科技火学硕七论文地面数字电视编码调制器硬什平台的设计 o f d m 参数2 k 模式 载波数 1 7 0 5 载波数k m i n0 载波数k m a x 1 7 0 4 有用符号期2 2 4 1 t s 载波间隔l t u4 ，4 6 4 h z 信道带宽 7 6 1 m h z 表2 - 3符号期和保护时隙参数 模式 8k 模式2k 模式 保护时隙 1 41 81 1 6l 3 21 41 81 门61 3 2 巧 有用符号期 8 1 9 2 * t2 0 4 8 + t t u 8 9 6 u s2 2 4 u s 保护时隙2 0 4 8 * t1 0 2 4 * t5 1 2 + t2 5 6 * t 5 1 2 + t2 5 6 * t1 2 8 * t6 4 * t 42 2 4 u s1 1 2 u s5 6 u s 2 8 u s5 6 u s2 8 u s 1 4 u s7 u s 符号期 1 0 2 4 0 t9 2 1 6 t8 7 0 4 幸t8 4 4 8 * t2 5 6 0 * t2 3 0 4 * t2 1 7 6 t2 1 1 2 t t s = t u + 1 1 2 0 u s 1 0 0 8 u s9 5 2 u s9 2 4 u s 2 8 0 u s2 5 2 u s2 3 8 u s2 3 1 u s 4 除了传输数据外，利用o f d m 的b , 7 频二维特性，在每帧每个符号中插入 连续导频、分布导频、传输信令参数导频等参考信号。 这些信号的调制由伪随机参考序列导出，为使参考信号具有较高的抗干扰 性能，连续导频和分布导频采用b p s k 方式调制且以比数据载波平均电平高 2 5 d b 的电平发射。 而传输参数信令导频则以频率分集的方式传输，在接收端可以通过合并获 得1 2 3 d b 增益的好处。大大增强了传输信令参数解调的可靠性。传输参数信令 还采用b c h 码进行误码保护进一步减低了传输参数误码率。通过设置不同的 电子科技大学硕士论文地面数字电视编码调制器便件平台的设计 保护时隙长度，可有效地消除多径信道的带来的i s i 和i c i 。 上述导频信息可用于帧同步、频率同步、时间同步、信道估计、传输模式 识别，也可用于相位噪声跟踪。 2 2 60 f d m 信号形成 最后2 k 模式由帧形成模块输出的数据是以1 7 0 5 个复数为一帧的数据包， 要通过预处理后扩展为2 0 4 8 个复数再作i f f t 变换，形成时域的i q 数据，再经 过保护时隙处理于上变频与d a 转换后形成发射的o f d m 信号s ( t ) ，可表示为： i 6 7i3 0 4 l s ( f ) = r e e 2 矾c 。 。y 。 。( f ) i；0 1 = 0k = oj ( 2 7 ) ，c ，+ a s 珑，b 正 a d d r g t s s e $ s t f l b t e k - 一h c c 一 、7 一 _trod叫 一1 0 f + 、广一 ? 卜t o e h 忒 - _ h i g hz ， h i g hz o u t g , u ! v a i d j r y ，b y # 盟v i 一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一 图4 - 5a m 2 9 l v 3 2 0 的读时序幽 4 l 一 吲 一 旺 昨 怔 电子科技大学硕十论文 地面数字电视编码涧制器硬件平台的设计 编写的配置程序消耗c p l d 共7 9 个宏单元，其仿真时序图如下；出仿真 波形可见当n c o n f i g 低脉冲拉高过了一段时间后c p l d 开始发出读地址，同 时f l a s h 输出配置数据，直到d c l k 读到c o n fd o n e 信号为高后为止，当 配景过程中n s t a t u s 出现低脉冲，则系统开始重新配置。 图4 7f p g a 配置仿真时序图 4 4 。3a d g f l 5 7 的配置部分 由第3 2 3 节的叙述，a d 9 8 5 7 的串口可以配置成个双向口( s d i o ) ，或 者两个单向口( s d i o 和s d o ) ，一个专门输入另外一个专门输出。通过串口允 许对片内所有的寄存器进行读写操作， 4 4 3 1a d 9 8 5 7 的串口配置 这种读写操作可以灵活配置成单b y t e 或者多b y t e 的读写周期，也可以通 过设置控制字配置成最高位( m s b ) 靠前或者最低位( l s b ) 靠前的模式。 l ：a d 9 8 5 7 的串口操作 a d 9 8 5 7 的串口读写操作包括2 个阶段，第阶段是指令阶段，第二阶段是通 信阶段。外部控制器在指令阶段把指令控制字( 1b y t e ) 写入a d 9 8 5 7 。该指令b y t e 为a d 9 8 5 7 提供了关于接下来将要传输的，也就是在第二阶段将要传输的数据的 有关信息。这些信息包括通信阶段将要读或者写多少b y t e ，是从哪个寄存器地 址开始读写等。 一4 2 电子科技火学硕十论文地面数字电视编码调制器硬什平台的设计 表4 4a d 9 8 5 7 控制字说明 m s bd 6d 5d 4d 3d 2 d 1l s b r wn 1n 0a 4a 3a 2 a 1a o 读写控控制通信阶段传 控制通信阶段读写寄存器地址 制字 输b y t e 数 0 ：写入0 0 ：l b v t e 0 0 h 0 1 ：2 b y t e l ：读取1 0 ：3 b y t e 1 1 ：4 b v t e 1 9 h 串口所需要的时钟s c l k 是出外部控制器提供，a d 9 8 5 7 会在前8 个$ c l ( 的 上升沿a d 9 8 5 7 读入s d l 0 引脚上的数据并当作指令b y t e ，接下来的一系列$ c l k 上升沿( 写) 或下降沿( 读) 属于通信阶段，也即是外部控制器和a d 9 8 5 7 之间 实际的数据交换阶段。在通信阶段将要传输卜4 b y t e ，具体数目由指令b y t e 决 定。在通信阶段结束后a d 9 8 5 7 的串口会把下8 个s c l k 的上升沿时s d i o 上的数 据当作下一个通信周期的指令b y t e 。 2 ：a d 9 8 5 7 串口时序 a d 9 8 5 7 的串口支持低于1 0 m h z 的读写操作，数据的读写时序如图4 - 8 和 图4 - 9 所示。 器 s c l x s d l o s d 0 厂_ 、 厂 、7 2 n d b ty 。j 1 5 tb i t ，、， +t 州卜_ 【s y m b o ld e f i n i t i o nm “ t d v d a t a v a l i n l l m e 3 0 n $ 图4 - 8数据读时序 4 3 电子科技大学硕十论文地面数字电视编码阔制器硬件平台的设计 所示 1 、 t d s u 广1 r _ 一t d h l o 一 ， s tt ：| ( 2 n db i t x、 syubol oefinitl0n 嗣l nepre cssetup t i m e d o n et$clk perioo o f s e r i a ld t ac l o d k1 0 0 n et d s u serial d a t a s e t u p t i m e3 0 h e t8clkpwhserial d a t ac l o c kp u l s e w i d t hh i g h t$elkptmserial d t ac l o c kp u l s e w i d t hl d w4 0 r l t o l d seri,l d a t ah o l d t t m e0 n a 图4 - 9数据写时序 在s d i o 为双向口s d o 禁用的时候，结合着指令b y t e 的读写时序如图4 一l o 5 c l k s d l o 图4 1 0s d i o 为坝向口的读写时序 当s d i o 与s d o 都为单相口的时候擞据的读周期时序如图4 - 1 1 所示。 当系统和a d 9 8 5 7 之间失去同步的情况下，s y n ci o 引脚提供了一种重 建同步的方法而不必重新复位整个芯片。通过给s y n ci o 引脚提供一个矩形 脉冲，a d 9 8 5 7 会复位内部的状态机，复位的状态机会将下8 个s c l k 的上升 沿当作是指令b y t e 的输入时钟，从而重新建立起了和系统的同步，任何在失去 同步之前写入a d 9 8 5 7 寄存器的配置数据也不会仍失。 电子科技大学硕士论文 地面数字电视编码澜制器硬什平台的设计 一c s 竺：! 竺! ： i：! = = ：厂 t!， 姒t 厂、几八厂、厂、几厂、厂、! 厂、厂、厂、八厂、l n 几厂、 i s 啪 i d o n tc a r e 二二二二二 s o o 盔丑固固匝匝垤强母 图4 - 1 1s d i o 为单向口的数据读周划时序 3 ：a d 9 8 5 7 内部控制寄存器 a d 9 8 5 7 内部控制寄存器地址分布从0 0 h 到1 9 h ，每个地址存8 b i t 数据。从 0 2 h 到1 9 h 共分为4 组相同结构的寄存器，每一组6 b y t e ，其中存储d d s 的频 率控制字、可编程内插滤波器的内插倍数、输出信号幅度的放大因子。0 0 h 和 0 1 h 是共用的，包括对a d 9 8 5 7 的工作模式、高低位优先、锁相环倍频数、串 行口工作模式、自动节能、c i c