（信号与信息处理专业论文）地面数字电视融合方案接收机的同步系统的设计与实现.pdf

摘要 摘要 本项目完成的是中国地面数字电视融合方案接收机同步系统的f p g a 设计与 实现。以s t r a f i x 系列的e p l s 8 0 f 1 0 2 0 c 5f p g a 为基础构建了主硬件处理平台。系 统中数字下变频、高阶匹配滤波器和整个系统同步都是基于f p g a 硬件设计实现 的。本文首先介绍了数字电视的发展现状，融合方案发端系统的整体结构、融合 方案接收机系统概述。第三章重点介绍了基于f p g a 的基带变换的设计，包括数 字下变频d d c 和匹配滤波器两部分。第四章详细介绍了融合方案接收机同步系统 的算法分析和结构设计，根据融合方案发端信号帧结构的特点分析和探讨了时域 同步算法，包括符号同步、采样同步和频率同步，同时提出了可变p n 帧头模式下 的相位匹配过程。第五章简单介绍了残余频偏估计和校正的原理和硬件设计，给 出了理论仿真。第六章给出了整个接收机前端系统的板级调试结果。我在项目中 完成的工作主要有： 1 阅读相关文献资料，了解中国地面数字电视融合方案的整体结构和原理。 2 建立系统发端模型和信道模型，供接收端仿真。 3 完成了数字下变频、匹配滤波器、符号同步、采样同步和频率同步的算法 设计和仿真。 4 完成了残余频偏估计和校正的算法设计和硬件代码编写 5 完成了整个融合方案接收机前端系统的功能仿真、分析和验证。 6 完成了整个系统同步的板级调试。 关键词：融合方案，d d c ，匹配滤波，时域同步 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ef p g a - b a s e dh a r d w a r e i m p l e m e n t a t i o n a n d d e s i g n o f t h er e c e i v e r s s y n c h r o n i z a t i o ns y s t e m o ft h e m e r g e d b l u e p r i n t f o r d i g i t a l t e r r e s t r i a lt e l e v i s i o n b r o a d c a s t i n gi nc h i n ah a sb e e nc o m p l e t e di nt h i sp r o j e c t t h em a i nh a r d w a r e p l a t f o r mi s b a s e do nt h ea l t e r a ss t r a t i xs e r i e sf p g ac h i pe p l s 8 0 f 1 0 2 0 c 5 t h er e a l i z a t i o n so ft h e d i g i t a ld o w nc o n v e r t e r ( d d c ) ，m a t c h i n gf i l t e ra n da l lt h es y s t e ms y n c h r o n i z a t i o nh a v e b e e ni m p l e m e n t e db a s e do nf p g a i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h ed e v e l o p i n gs t a t u so fd t v ， w h i c hi sf o l l o w e db yt h ew h o l es t r u c t u r ei n t r o d u c t i o no ft h et r a n s m i t t e ra n ds y s t e m s u m m a r yo ft h er e c e i v e ro ft h em e r g e db l u ep r i n t ，i si n t r o d u c e df i r s t l y t h ed e s i g no fb a s e b a n dc o n v e r t e r , w h i c hi s c o m p o s e do fd i g i t a l d o w nc o n v e r t e ra n dm a t c h i n gf i l t e r , i s i n t r o d u c e di m p o r t a n t l yi nc h a p t e r3 i nc h a p t e r4 ，t h ea r i t h m e t i ca n a l y s i sa n da r c h i t e c t u r e d e s i g no ft h es y n c h r o n i z a t i o ns y s t e mo ft h er e c e i v e ra r ei n t r o d u c e di nd e t a i l t h et i m i n g d o m a i ns y n c h r o n i z a t i o n i n c l u d i n gs y m b o l ，s a m p l i n ga n df r e q u e n c ys y n c h r o n i z a t i o ni s d i s c u s s e da c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so ff r a l t l es t r u c t u r ei nm e r g e db l u ep r i n t a tt h e s a n l et i m e ，t h i sd i s s e r t a t i o nh a sr a i s e dt h ep r o c e s so ft h ep h a s em a t c h i n gi nt h em o d eo f c h a n g e dp n t h ec h a p t e r5s i m p l yi n t r o d u c e st h et h e o r ya n dh a r d w a r ed e s i g no ft h e r e s i d u a lf r e q u e n c ye s t i m a t i o na n dr e v i s i o n t h ea c a d e m i cs i m u l a t i o ni sa l s ow e l ld o n ei n t h i sc h a p t e r t h ed e b u g g i n gr e s u l t so nt h ep c bo ft h ef r o n ts y s t e mo ft h er e c e i v e ra r e d e s c r i b e di nc h a p t e r6 w h a tih a v em a i n l yd o n ei nt h ep r o j e c ti sl i s t e da sf o l l o w s ： 1 r e a dp a p e r sa s s o c i a t e dw i t ht h ep r o j e c ta n dg e tf a m i l i a rw i t hs y s t e m 2 e s t a b l i s ht h et r a n s m i t t e ra n dc h a n n e lm o d e lf o rt h er e c e i v e rs i m u l a t i o n 3 c o m p l e t et h e a r i t h m e t i cd e s i g na n ds i m u l a t i o no ft h e d d c ，m a t c h i n gf i l t e r , s y m b o l ，s a m p l i n ga n df r e q u e n c ys y n c h r o n i z a t i o n 4 c o m p l e t et h ea r i t h m e t i cd e s i g na n dh a r d w a r ec o d eo ft h er e s i d u a lf r e q u e n c y e s t i m a t i o na n dr e v i s i o n 5 c o m p l e t et h ef u n c t i o ns i m u l a t i o n ，a n a l y s i sa n dv a l i d a t i o no ft h ew h o l ef r o n t s y s t e mo ft h er e c e i v e ri nt h em e r g e db l u ep r i n ts y s t e m 6 c o m p l e t et h ed e b u g g i n go nt h ep c bo ft h es y s t e ms y n c h r o n i z a t i o n k e y w o r d ：t h em e r g e db l u ep r i n t ，d d c ，m a t c h i n gf i l t e r , t i m i n gd o m a i ns y n c h r o n i z a t i o n t t 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 确的说明并表示谢意。 签名：超生蕴日期： tmf 月? 瑁 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) 签名：壶童盘，导师签名：凼! 墨： 日期：p 7 年, g , z 2 - e t 第一章引言 第一章引言 在经历了机械电视时代、黑白电子电视和彩色电视时代以后，电视向着数字 化和高清晰度向前迈进，模拟电视在全世界范围内正在逐步引退。经过多年坚持 不懈的研究和发展，数字电视地面广播( d t i b ：d i g i t a lt e l e v i s i o nt e r r e s t r i a l b r o a d c a s t i n g ) 取得了很多的成果，世界上已经提出了三个地面数字电视标准：欧 洲的d v b 可1 1 、美国的a t s c 和日本的i s d b - t ，且都达到实用阶段。我国也在2 0 0 5 年3 月提出了具有自己知识产权的地面数字电视标准中国数字电视地面广播 融合方案( 建议稿) ，并计划在2 0 0 8 年用数字电视转播奥运会，2 0 1 0 年全面实现数 字广播电视，2 0 1 5 年停止模拟广播电视的播出。 数字电视相对模拟电视在节目制作、节目存储、信号处理、传输以及播出都 发生了革命性变化。其采用数字技术将活动图像和声音等信号加以处理、压缩、 编码、经存储或实时广播后，供用户接收。与传统的模拟电视相比，数字电视在 图像和声音质量两方面都有重大改进。其根据清晰度可分为：标准清晰度数字电 视( s d t v ；s t a n d a r dd e f i n i t i o nt e l e v i s i o n ) 和高清晰度数字电视( h d t v ：h i g h d e f i n i t i o nt e l e v i s i o n ) ，码率分别约为4 m b p s 和2 肌伯p s 左右。 1 1 数字电视的优势和特点 数字电视的优势和特点主要表现在5 个方面： ( 1 ) 清晰度高、音频效果好。由于数字电视全过程采用数字信号，不受节目 编辑、传输、转播和接收的影响。s d t v 数字电视节目可以达到d v d 质量，在观看 瑚) n 带目时清晰度是目前电视的4 倍以上，如3 5 r a m 电影般清晰。 ( 2 ) 频带利用率高。原雕儿频道可播放4 到8 套标清数字电视。 ( 3 ) 抗干扰性能好。解决了模拟电视中的闪烁、重影、亮色互串等问题；可 以实现城市楼群的高质量接收，移动载体中也可接收到清晰的数字电视节目。 ( 4 ) 便于开展各种综合业务和交互业务( 包括因特网业务) ，有利于构建“三 网合一”的信息基础设施。 ( 5 ) 节目的加密处理等应用。 电子科技大学硕士学位论文 1 2 地面数字电视广播的基本需求 对于地面数字电视广播来讲，首先要求数字电视有足够好的接收性能，在室 内采用简单、小型和低增益天线实现稳定接收1 2 。甚至在较强静态和动态多径的环 境中，系统仍能够稳定工作。其次，考虑到数字电视日后发展的广阔空间和业务 应用的多样性及传输容量需求的不断增长，要有足够高的传输码率，以便在单个 6 8 m i - i z 信道中提供高质量高清晰节日( 大约2 0 m b p s ) 。还要有利于频率规划， 使用现有分配的电视频道来传输d t v 节目，实现和模拟电视节目的同播；当没有 额外的频道分配时可使用禁用( t a b o o ) 频道( 由于干扰过大，不能用于模拟电 视的频道) ，并具有和现有模拟电视台相当的覆盖范围。 其它的要求包括：需要先进的信道编码和信道估计方案，以便降低系统g n 门 限，以此降低发射功率，并减少了对现有模拟电视节目的干扰，抵抗各种干扰，失 真。高度灵活的操作模式，通过选择不同的调制方案，系统能够支持固定、便携、 步行、手持或移动接收。易于和其它媒介或服务器的接口，支持多节目，业务，能 够通过分级调制得到分级服务，具有交互性。高度灵活的频率规划和覆盖区域， 能够使用单频网和同频道覆盖扩展缝隙填充。而且系统应允许多种成本价格的接 收机实现，包括低成本实现等等。 1 3 国外地面数字电视传输的现状 经过1 0 年的深入研究，欧洲、美国和日本相继制定出地面数字电视传输标准 d v b - t 、a t s c 和i s d b - t o3 种传输标准使用楣类似的信源编码方案和不同的信 道编码调制方案，其传输参数比较如表1 - 1 所示i l j l 3 】。 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，日本使用的是修 改的欧洲方案。目前，d v b 成员已经达到2 6 5 个( 来自3 5 个国家和地区) 。a t s c 成员3 0 个，其中美国成员2 0 个，来自阿根廷、法国、韩国等7 个国家的成员1 0 个。i s d b - t 筹划指导委员会委员1 7 个，其他成员2 3 个，都是日本的电子公司和 广播机构。由此可以看出，d v b 标准发展最快，普及范围最广。 从表中我们可以看到三套系统的一些区别和联系。a t s c 、d v b - t 、i s d b - t 标 准的频道宽度均为6 8 m i - i z ，每个频道都可以设置一个固定接收h d t v ( 高清晰度 电视1 或4 5 个s d t v ( 标准清晰度电视1 ，数字电视频道的宽度和原有模拟电视频 2 第一章引言 表1 - 1 美国、欧洲、日本地面广播传输参数比较 美国的a t s c 标准欧洲的d v b - t 标日本的i s d b - t 标 准准 传输方案8 v s b 传输方案o f d m 传输方案分段o f d m 传输 载波数 单载波 2 k 、8 k2 k 、4 k 、8 k 视频压缩 m p e g 2 音频压缩 d o l b ya c 一3 m p e g - 2 层m p e g 一2 层i i i 从c 音频编码i i m u s i c a m音音频编码 频编码 复用方式 m p e g 2 信道外码 r s 码( 2 0 7 ，1 8 7 , t = 1 0 ) r s 码r s 码 ( 2 0 4 ，1 8 8 ，t = 8 )( 2 0 4 ，1 8 8 ，t = 8 ) 信道内码网格编码( t c m ) ( 码率 卷积编码( 码率：1 纪，2 3 ，3 4 ，5 6 ， 2 3 )7 8 ) 调制技术 8 v s b q p s k 1 6 q a m 6 4 q a m 总码率1 9 2 8m b p s 4 9 8 3 1 6 7 m b p s 3 6 8 2 3 4 2 m b p s 接收门限 c n = 1 5 d bc n = 1 9 d b 道相同，处在转换期的同播状况，均采用“放弃信源兼容，坚持信道兼容的政策”。 a t s c 在6 m h z 内可稳定地传输一套h d t v 电视。d v b t 由于保护间隔的插入， 从而减少了频谱的利用率，在6 m h z 内较难稳定地接收一套h d t v 电视，必须加 大带宽才能稳定地接收。目前d v b t 首先采用的是s d t v 电视。 a t s c 采用网格编码调制，理论和实测都表明，接收门限( c 小) 达1 5 d b ， 提高了电视发射机覆盖范围。d v b - t 和i s d b - t 接收门限( c n ) 大约在1 9 d b 左 右。从接收场强看，a t s c 要优于d v b - t 和i s d b - t 3 4 d b 左右。模拟接收的门 限一般为4 0 d b 左右，可见，数字接收大大提高了广播的覆盖范围。 a t s c 不支持移动接收，而d v b - t 和i s d b t 都支持移动接收。为增强移动 接收能力，d v b 的工作小组从2 0 0 2 年前后开始研究d v b h ，2 0 0 4 年1 月确定了 该规格的基本框架。d v b h 是d v b t 的扩展，它的主要应用是在手机、掌上 电脑等手持移动终端上看电视。相对于d v b - t 、d v b h 标准主要增加了以下 内容： ( 1 ) 、引入时间切片( t i m e s l i c i n g ) 技术，发送数据仍然是连续的，接 收机可以选择接收部分s l i c i n g 而省电。 3 电子科技大学硕士学位论文 ( 2 ) 、蜂窝间握手准备。通过对相邻蜂窝监控，将传输流的切换时 间放在接收机的关闭时间，蜂窝转换的握手可以保证服务不中断。 ( 3 ) 、在d v b - t 的2 k 和8 k 传输模式之# t - n h 4 k 传输模式，增加组网灵活 性。 1 4 国内地面数字电视传输的发展概况 2 0 0 1 年我国正式在全国范围内广泛征集地面数字电视传输标准，收到了清华 大学、广播科学研究院、h d t v 功能样机系统研究开发项目总体组和电子科技大 学4 家单位提交的5 套技术方案。其中，清华的d m b t ( 地面数字多媒体电视广播 传输协议) 方案采用时域同步正交频分复用( t d s o f d m ) 技术，在信道编码方面 采用了t u r b o 纠错编码，在时域中插入p n 序列作为同步信号。d m b t 由于使 用了时域信道估算技术，所以它的同步时间比d v b t 快很多，d v b t 的同步时间 为1 0 0 毫秒左右，而清华的d m b - t 可以做到5 毫秒以内。d m b t 是一种多载波 方案，共有3 7 8 0 个子载波。上海交大的a d t b - t 标准f 高级数字电视广播系统) 是 一种“单载波”方案，采用t p c 信道编码技术1 3 】。 清华d m b t 地面数字电视标准目前已在全国7 个省市投入了试运营，而上海 交大的a d t b t 数字电视地面标准也在上海地区开展了车载试运营。这两个单位 都开展了相关芯片的研制和测试，在国内的几套标准中走在前列。 经过长期的研究与验证，基于清华大学、广播科学研究院、h d t v 功能样机 系统研究开发项目总体组和电子科技大学4 家单位提交的5 套技术方案的融合方 案得到广泛的认同，在此基础上我国数字电视地面传输标准也于2 0 0 6 年8 月被正 式颁布。 1 ，5 本文的结构和侧重点 本文首先介绍了中国地面数字电视广播融合方案的整个系统结构，重点介绍 了接收机的同步部分。接着针对接收机部分详细介绍了融合方案中数字下变频和 均方根升余弦滚降滤波器的f p g a 设计和实现，以及残余频偏估计和校正，本文 的重点在第四章，详细论述了在接收机中具有非常重要的系统同步方案，最后对 整个系统进行了仿真和硬件调试。 4 第二章融合方案系统概述 第二章融合方案系统概述 2 1 融合方案发送端系统概述 2 1 1 融合方案发送端总体结构 中国数字电视地面广播融合方案【4 1 采用t d s o f d m ( 时域同步正交频分复用) 技术，用3 7 8 0 个正交子载波来传送h d t v 信号。图2 1 描述的是融合方案信道编码 调制器系统，本系统发送端的输入数据码流经过信道编码( 包括能量扩散、前向 纠错编码和交织等) ，星座映射，并加入系统信息后形成基本数据块，该基本数 据块经过帧体数据处理形成时域信号，随后时域信号与相应的p n 同步序列复合为 信号帧。再经过基带滤波、数字上变频、d a - 9 换、模拟上变频、最后生成射频信 号放大后发射。帧体数据处理是整个融合方案系统的精髓和关键，其包括两种模 式：时域数据和频域数据。频域数据模式采用3 7 8 0 个子载波来传送信号，可以有 效地对抗多径时延扩展，提高频谱利用率。 图2 - 1 融合方案系统发端原理图 融合方案还允许不同码率的l d p c 前向纠错编码、不同级别的q a m 调制、不同 参数的交织模式、均匀和非均匀两种星座映射方式以及不同长度的p n 帧头该系 统主要功能模块简述如下： ( 1 ) 能量扩散为了保证在任何情况下进入融合方案传输系统的数据码流中 5 电子科技大学硕士学位论文 “0 ”与“1 ”的概率都能基本相等，首先用一个伪随机序列对输入的t s 码流进行 随机化处理。伪随机序列是由一个标准的伪随机序列发生器生成，其中“0 ”与“1 ” 出现的概率接近5 0 。随机化后的数据码流中的“0 ”与“1 ”的概率都接近5 0 。 从信号功率谱的角度看，随机化过程相当于将数字信号的功率谱弥散，因此随机 化过程又被称为“能量扩散”。随机化后的数据不仅能保持信号频谱的稳恒，也 能改善帧同步和自适应时域均衡等系统的性能。 ( 2 ) 纠错编码融合方案中采用l d p c ( 低密度奇偶校验码) 来提高纠错能 力。l d p c 输出数据块长为7 0 4 8 比特，允许0 4 、0 6 、0 8 三种码率的编码方式。 l d p c 编码后的比特数据通过q a m 映射实现比特数据到符号数据的转换。系统允 许q p s k 、1 6 q a m 、3 2 q a m 、6 4 q a m 或者q p s k + n r5 种调制方式。为了在收端 能纠正大于l d p c 纠错能力的突发错误，对q a m 映射后的符号数据进行交织编码。 系统采用b ( 交织宽度) = 5 5 ，m ( 交织深度) = 6 3 0 或b = 5 5 ，m = 2 1 0 两种时域符 号交织模式。交织后的数据与系统信息( t p s ) 组成数据块送入帧体数据处理模块 进行处理。 ( 3 ) 帧体数据处理融合方案允许2 种帧体数据处理模式：时域和频域模式。 在频域模式下，采用t d s o f d m ( 时域同步正交频分复用) 的多载波传输方式。 复用后的频域数据由3 7 8 0 点子载波组成，每个子载波间隔为2 k ，占用的的r f 带宽 为7 5 6 m h z 。其通过3 7 8 0 点的盯i 垂算变回时域数据，并和p n 帧头数据组成o f d m 符号。其中，p n 帧头数据可由一个f i b o n a c c i 型线性反馈移位寄存器( l f s r ) 来 实现，经“0 ”到“+ 1 ”值及“1 ”到“- 1 ”值的映射变换为非归零的二进制信号。 p n 帧头数据不仅有助于接收机的载波同步、符号同步、定时同步和信道估计，也 能有效的对抗多径干扰。插入帧头数据的长度决定了系统抗多径能力的强弱。方 案允许n = 4 2 0 、5 9 5 、9 4 5 三种长度的帧头模式。 ( 4 ) 信号成形为了消除符号间干扰，o f d m 符号需要进行四倍插值的滚降 滤波。系统采用滚降系数为0 0 5 的s r r c ( 均方根升余弦) 滤波器进行基带脉冲成 形。滤波后的信号进行数字上变频和d ，a 转换后变成模拟中频信号，再经模拟上变 频至r f 后进行功率放大，最后经天线发射。 2 1 2 融合方案的0 f d m 数据帧结构 2 1 2 1 信号帧及其结构 本系统的数据帧结构如图2 - 2 所示，是一种分层结构。其中，一个基本帧称 6 第二章融合方案系统概述 为信号帧，信号帧由帧头和帧体两部分组成。超帧定义为一组信号帧。分帧定义 为一组超帧。帧结构的顶层称为日帧( c a l e n d a r d a y f r a m e ，c d f ) 。信号结构是周 期的，并与自然时间保持同步。 图2 - 2 数据帧分层结构 i 帧头( 4 2 0 个符号) ( 5 5 6 u s ) l 帧体( 含系统信息和数据) ( 3 7 8 0 个符号) ( 5 0 0 u s )l a 1 信号帧结构1 i 帧头( 5 9 5 个符号) ( 7 8 7 u s ) l 帧体( 含系统信息和数据) ( 3 7 8 0 个符号) ( 5 0 0 u s ) i l 帧头( 9 4 5 个符号) 0 2 5 u s ) i 帧体( 含系统信息和数据) ( 3 7 8 0 个符号) ( 5 0 0 u s )i d 信号帧结构3 图2 - 3 信号帧结构 信号帧是系统帧结构的基本单元，其结构如图2 - 3 所示。一个信号帧由帧头和 帧体两部分数据组成。帧头和帧体信号的基带符号率相同，均为7 5 6 m s p s 。帧头 部分由p n 序列构成，有三种选项： ( 1 ) p n 4 2 0 ：p n 序列定义为循环扩展的8 阶m 序列。可由一个f i b o n a e e i 型线 性反馈移位寄存器( u s r ) 实现，经“0 ”到“+ 1 ”值及“1 ”到“一1 ”值的映射 变换为非归零的二进制信号。l f s r 的初始条件值确定所产生的i n 序列的相位。帧 头信号的长度为4 2 0 个符号( 聊2 0 ) 。由一个前同步、一个p n 2 5 5 序列和一个后 同步构成。前同步和后同步定义为p n 2 5 5 序列的循环扩展。在一个超帧中共有2 2 5 个信号帧； ( 2 ) p n 5 9 5 ；p n 序列定义为循环扩展的9 阶m 序列。可由一个f i b o n a c c i 型线 性反馈移位寄存器( l f s r ) 实现，经“o ”到“+ 1 ”值及“1 ”到“一1 ”值的映射 变换为非归零的二迸制信号。l f s r 的初始条件值确定所产生的m 序列的相位。帧 7 电子科技大学硕士学位论文 头信号的长度为5 9 5 个符号( p n 5 9 5 ) 由一个前同步、一个p n 5 1 1 序列和一个后 同步构成。前同步和后同步定义为p n 5 1 1 序列的循环扩展。在一个超帧中共有2 1 6 个信号帧； ( 3 ) p n 9 4 5 ：p n 序列定义为循环扩展的9 阶m 序列。可由一个f i b o n a c c i 型线性 反馈移位寄存器( l f s r ) 实现，经“o ”到“+ 1 ”值及“1 ”到“一1 ”值的映射变 换为非归零的二进制信号。l f s r 的初始条件值确定所产生的m 序列的相位。帧头 信号长度为9 4 5 个符号( p n 9 4 5 ) 。由一个前同步、一个p n 5 1 1 序列和一个后同步构成。 前同步和后同步定义为p n 5 1 1 序列的循环扩展。在一个超帧中共有2 0 0 + 信号帧； 帧同步采用b p s k 调制( i 路和q 路信号相同) 。帧体部分包含数据和系统信息。 帧体信号的定义分为时域与频域两种形式。由频域定义的帧体信号要进行i f f t 转 换成时域信号。 2 1 2 2 系统信息 系统信息为每个信号帧提供必要的解调和解码信息，包括符号映射方式、 l d p c 编码的码率、交织模式信息、帧体信息模式等。本系统中预设了6 4 种不同的 系统信息模式，并采用扩频技术传输。这6 4 f f q 系统信息在扩频前可以用系统信息 由6 个信息比特( s 5 s 4 s 3 s 2 s l s 0 ) 来表示，其中s 5 为m s b ，定义表示如表2 1 。 表2 - 1 系统信息比特对应的含义 第3 加比特 表示含义 ( s 3 s 2 s l s o ) 0 0 0 0 奇数编号的超帧的首帧指示符号 0 0 0 1 4 q a m ，l d p c 码率1 0 0 1 0 4 q a m ，l d p c 码率2 0 0 1 1 4 q a m ，l d p c 码率3 0 1 0 0 3 2 q a m ，l d p c 码率1 0 1 0 1 4 q a m n r ，l d p c 码率1 0 1 1 0 4 q a m n r ，l d p c 码率2 0 1 1 1 4 q a m n r ，l d p c 码率3 1 0 0 0 3 2 q a m ，l d p c 码率2 1 0 0 1 1 6 q a m ，l d p c 码率1 1 0 1 0 1 6 q a m ，l d p c 码率2 1 0 1 1 1 6 q a m ，l d p c 码率3 1 1 0 0 3 2 q a m ，l d p c 码率3 1 1 0 1 6 4 q a m ，l d p c 码率1 1 1 1 0 6 4 q a m ，l d p c 码率2 s 第二章融合方案系统概述 1 1 1 1 f v t q a m ，i _ d p c 码率3 第4 比特 表示含义 ( 鼬) o 交织模式1 1 交织模式2 第5 比特( s 5 ) 为保留比特，该6 比特扩频前的系统信息将采用扩频技术成为3 2 比特长的系统信息矢量，即用长度为3 2 的w a l s h 序列和长度为3 2 的随机序列来映 射保护，经过保护后，每个系统信息矢量长度为3 2 个复符号，在其前面再加4 个复 符号作为数据帧体模式的指示，全零的四个比特指示载波数c = 1 对应的帧体数据模 式，这四个比特的其他数值保留将来使用。前置的这四个比特也采用i 、q 相同的 4 q a m 映射为4 个复符号。该3 6 个系统信息符号通过复用模块与信道编码后的数据 符号复合成帧体数据，其复用结构为：3 6 个系统信息符号连续的排列于帧体数据 的前3 6 个符号位置。 2 1 3o f d m 符号及r f 信号 一个o f d m 符号由3 7 8 0 个独立调制的子载波构成，包含数据和系统信息。相邻 的两个子载波间隔为2 k i - i z ，占用的r f 带宽为7 5 6 m h z ，时域信号块长度为5 0 0 微秒。 生成的时域信号可表示为： 而o d y ( k ) 。嘉：l z o ) 一小肛1 ( c - 3 7 8 0 ) ( 2 - 1 ) 其中，工( 咒) 为通过对星座映射后的数据进行交织并加入系统信息的符号。 调制后的r f 信号可描述为： s ( f ) - r c e x p ( ，2 x f j ) x p ( t ) o f r a m e ( t ) ( 2 - 2 ) 其中，s e 一r f 信号； 只载波频率； 圆表示卷积运算； p e ) 一s r r c 滤波器的脉冲成型函数； 而竹m e o ) 组帧后的基带信号； 2 2 地面数字电视广播的信道特征 在地面广播传输环境下，除常规的干扰，如高斯自噪声、脉冲( 家电汽车冲放 9 电子科技大学硕士学位论文 电产生) 干扰等，其信道还具有以下几个特点 2 1 ： ( 1 ) 多径干扰。射频( r 功信号会因山川、建筑物、移动物体的影响产生反射， 这样经不同路径到达接收机的信号相位相互影响，从而导致信号频谱的深度衰落 ( 频率选择性衰落) 。多径传输干扰严重时，单靠增加发射机功率提高接收时的信噪 比并不能降低误码率。因此，克服多径干扰成为实现地面数字电视广播的关键技 术。 ( 2 ) 多普勒频移。地面数字电视广播信道与接收方式有关，接收方式包括固 定接收、车载移动接收以及便携手持接收。接收机或发射机的运动会产生多普勒 频移。例如，当接收机以速j 嚏v 移动，并且其运动方向和入射波的夹角为0 ，此时的 多普勒频移由式给出正- c o s 占，其中a 为载波的波长。多普勒频移会导致接收信 l 号的时间选择性衰落。 ( 3 ) 由于同播的要求会受到常规电视干扰影响。同播时相邻服务区的同一频 道的普通电视节目将有可能进入i - i d t v 接收机，产生强同频干扰。而且在数字地 面广播传输i i i 唧f 频段，还有诸如单载波干扰、邻频干扰等对传输信号迭加影 响。信道均衡时我们除了要考虑多径的影响之外，还必须考虑到如何对抗频带内 的单频干扰和同频蹦山模拟电视干扰。 所有上述问题均使地面广播问题复杂化，使得接收信道随时间、频率和地点 而发生变化，在传输方案选择时都必须加以考虑。 2 3 融合方案接收机系统概述 图2 4 融合方案接收机总体方案简图 在接收端，模拟信号经过高频头下变频为中频信号，为了保证经过下变频后 输出的i 、q 两路基带信号有很好的正交一致性，我们采用数字下变频( d d c ) ， 因此我们必须对中频信号进行带通信号的欠采样来得到数字中频信号。在收端需 要一个和发端完全一样的数字低通滤波器即均方根升余弦滤波器来进行匹配滤 波。对于多载波系统来说，载波频率的偏移会导致子信道之间产生干扰，而且对 第二章融合方案系统概述 于要求子载波保持严格同步的正交频分复用系统来说，载波的频率偏移所带来的 影响会更加严重，因此系统同步将是一个关键模块，接着整个系统还要经过信道 均衡和基带数据反处理( 星座反映射和解码) 等，融合方案接收机总体方案简图 如图2 4 所示。 本文所做的主要工作是接收系统的前端部分即基带变换和整个系统同步，前 端部分结构连接图如图2 5 所示，具体实现过程将在第三章和第四章介绍。由图2 - 5 可见整个系统同步可以分为三部分：采样同步，符号同步，频率同步，相关器完 成本地产生的p n 序列和接收到的数据的相关操作。 图2 - 5 融合方案接收机前端部分结构连接图 2 4s t r a t i x 系列f p g a 及q u a r t u s i i 介绍 2 4 1s t r a t i x 系列f p g a 介绍 本项目选用的现场可编程器件是a l t e r a 公司的e p l s 8 0 f 1 0 2 0 c 5 。e p l s 8 0 是为 适应片上系统( s o c ) 的需求而推出的s t r a t i x 系列器件之一。该器件内部集成有 大量的逻辑单元、大容量存储器、可编程锁相环和高性能的d s p 模块，同时采用 了全新的布线结构，最高工作时钟达到4 2 0 m h z 。在本方案中，将数字基带处理这 个完整的系统集成在一片f p g a 里，避免了多芯片系统造成的硬件复杂、难于调 试、不易移植等弱点。 s t r a t i x 系列器件有如下特点嘲： 1 、采用1 j v 内核电压，0 1 3 - u m 全铜工艺； 2 、高密度，含有大量的逻辑单元( i 五) 和存储器资源( r a mb i t s ) ； 3 、内嵌的d s p 模块，易于实现高性能的乘法器和滤波器； 4 、支持多种u o 标准； 电子科技大学硕士学位论文 5 、最多支持1 2 个锁相环，最高时钟达4 2 0m h z ； 6 、内部有1 6 个专用的全局时钟网络和1 6 个区域时钟网络。 s t r a t i x 器件是一个基于行和列的二维的逻辑结构。一系列的行列连线存在于 l a b ( 逻辑阵列块) 之间、存储模块之间和d s p 模块之间，这些线以不同的长度和 速度为功能模块提供相互之间的信号连接。s t r a t i x 器件主要单元的功能特点如下： 1 逻辑阵列块( l a b ) l a b 由1 0 个l e ( 逻辑单元) 、l e 问的进位链、级连链、l a b 控制信号和“镪 局部互连构成。l e 是最小的、基本的逻辑单元，用于实现用户定制逻辑功能。每 个l e 包含1 个4 输入的查找表、1 个可编程寄存器、1 个进位链和1 个级连链。 2 存储器模块结构( m e m o r yb l o c ks t r u c t u r e ) s t r a t i x 系列器件有三种类型的r a m 块：m 5 1 2 、m 4 k 和m r a m 。 m 5 1 2 模块是简单的双口存储块，有5 1 2 位岁卜加奇偶校验位( 共5 7 6 位) 。可 以用作简单的专用双口或者单口存储器，最大可达到1 8 位宽，3 1 8 m h z 。 m 4 k 模块是真正的双口r a m 块，有4 0 9 6 位外加奇偶校验位( 共4 6 0 8 位) 。 可以用作真正的双口，或者单口存储器，最大可达到3 6 位宽，2 9 1 m i - i z 。 m r a m 模块( 6 4 i 阪9 b i t 到4 k x l 4 4 b i t ) ：5 1 2 k 位外加奇偶校验位( 共5 8 9 ，8 2 4 位) ，可以用作真正的双口，或者单口存储器，最大可达到1 4 4 位宽，2 6 9 m h z 。 3 数字信号处理模块( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n gb l o c k ) 每个数字信号处理模块可以实现8 个满精度的9 b i t s x 9 b i t s 乘法器，4 个满精度 的1 8 b i t s 1 8 b i t s 乘法器，或者1 个满精度的3 6 b i t s x 3 6 b i t s 乘法器，而且有加减法 器。数字信号处理模块包含1 8 位的输入移位寄存器，这一特点可用在f i r 和i l r 滤波等处理中。 4 锁相环( p u ) 和时钟管理 s t r a t i x 系列器件提供了一个高级的时钟管理结构和多个p l l 来满足用户在 f p g a 内部对时钟的需求。分别有全局时钟网络和区域时钟网络，而器件的内部 p u 。也分别有两类：增强型锁相环( e n h a n c e dp l l ) 和快速锁相环( f a s tp u ，) 。 s t r a t i x 系列器件有1 6 个专用的全局时钟网络，所有的资源，包括i o e 、l e 、 d s p b l o c k 、m e m o r y 都可以用此作为时钟源。而且全局时钟信号也可以作为控制信 号，如时钟使能、同步或者异步清零信号。 s t r a t i x 系列器件有1 6 个区域钟网络器件可分为4 个象限，每个象限有4 个 区域时钟网络，它们只在所服务的象限内才有效。另外，s t r a t i x 系列器件有1 6 个 专用的时钟管脚，用以驱动全局时钟网络或者区域时钟网络。 第二章融合方案系统概述 5 i o e ( i o 单元) i o e 由一个双向i 0 缓冲器和六个寄存器组成。寄存器可用作输入、输出或输 出使能信号。当用作专用时钟时，这些寄存器可以为外部存储器( 如d d rs d r a m 、 o d rs r a m 等) 提供优异的接口性能。每个i 0 单元都可配置成输入、输出或双 向引脚。 e p l s 8 0 f 1 0 2 0 c 5 的资源配置如表2 2 ，可以看到，该器件的逻辑资源和存储器 资源非常丰富，能够把一个完整的信号处理系统放在一片f p g a 里实现。 表2 - 2e p l s 8 0 f 1 0 2 0 c 5 的资源配置 逻辑单元7 9 ，0 4 0加管脚 7 8 2 r a m 总量7 ，4 2 7 ，5 2 0b i t s锁相环 1 2 d s p 块 1 6 全局时钟网络 1 6 嵌入式乘法器 1 2 8 专用时钟管脚 1 6 ( 9 b i t s x 9 b i t s ) 2 4 2q u a r t u si i 工具介绍 q u a r t u s l i 容易使用，人机界面友好，是支持对a l t e t a 公司s t r a t i x 系列f p g a 进行开发的软件。利用q u a r t u s i i 所提供的设计环境和设计工具，可以灵活高效的 完成各种数字电路的设计。 q u a r t u s l l 为f p g a 的设计提供了一个非常完善的开发环境： ( 1 ) 支持原理图式图形输入、文本设计、内存编辑、模块化设计； ( 2 ) 支持e d i t 、h d l 和v q m 等第三方设计工具； ( 3 ) 强大的逻辑综合，功能和时序仿真。 使用q u a r t u s l i 开发工具进行设计，设计者无需精通器件内部的复杂结构，只 需要自己熟悉设计的输入工具，如h d l 语言、原理图或者波形进行设计输入。 q u a r t u s i i 将会自动地把这些设计输入转化为目标结构所要求的格式，由于有关结 构的详细知识已经装入开发工具，设计者不需要手工优化自己的设计，因此能大 大提高设计效率