（信号与信息处理专业论文）地面数字电视传输系统中信道调制的设计与实现.pdf

摘要 本文主要论述地面数字电视传输系统中信道调制的实现，内容涉及到两个系 统的信道调制部分，第一个系统是符合欧洲d v b t 标准的信道编码调制器，文 中论述了o f d m 调制的设计与实现；第二个系统是以我国在2 0 0 4 年9 月份暂定 的地面数字电视融合传输方案( 以下简称融合方案) 为基础的信道编码调制器， 文中论述了信号成形的设计与实现。以上模块基于a l t e r a 公司的s t r a t i x 系列器 件实现，具体的设计流程包括了算法仿真、v e r i l o gh d l 描述、f p g a 仿真和实 际系统测试。 在d v b t 系统o f d m 调制的f p g a 实现中，使用了基于存储器的f f t 结构， 只消耗很少的逻辑资源，而且使用了块浮点处理来提高运算精度。经仿真和实际 系统测试表明，能够满足实际需求。对f f t 中复数乘法器的实现，作者比较了 几种方法，也设计出了相关的f p g a 程序。文中还提出了一种既能实现2 k 点又 能实现8 k 点f f t 运算的电路结构。 在融合方案的信号成形的f p g a 实现中，讨论了内插滤波器的f p g a 设计和 优化方法。 【关键词】d v b t 标准；正交频分复用；快速傅立叶变换；有限冲激响应数字 滤波器；现场可编程门阵列 a b s t r a c t t h i sp a p e rf o c u s e so nt h ei m p l e m e n t a t i o no fc h a n n e lc o d i n g m o d u l a t i n go f t e r r e s t r i a l d i g i t a l t e l e v i s i o nt r a n s m i s s i o n s y s t e m a n di n v o l v e s c h a n n e lc o d e r m o d u l a t o ro ft w os y s t e m st h ef i r s ts e c t i o ni sc h a n n e lc o d e r & m o d u l a t o ra c c o r d i n g w i t he u r o p e sd v b - ts t a n d a r d t h ed e s i g na n dr e a l i z a t i o no fo f d mm o d u l a t o ra l e d i s c u s s e di nt h i sa r t i c l e t h es e c o n ds y s t e m ，i nw h i c hd e s i g na n dr e a l i z a t i o no f s i g n a t s h a p i n ga r ed i s c u s s e d ，i sb a s e do nm i x e dt r a n s m i s s i o ns c h e m eo ft e r r e s t r i a ld i g i t a l t e l e v i s i o nt e m p o r a r i l yp r o p o s e db yc h i n ai ns e p ，2 0 0 4 ( b r i e f l yc a l l e dm i x e ds c h e m e b e l o w ) a l l t h em o d u l e sa r e i m p l e m e n t e d o na l t e r a ss t r a t i xs e r i e sf p g a ( e p l $ 2 5 f 7 8 0 ) c h i p s t h ed e s i g nf l o w ss u c ha sa l g o r i t h ms i m u l a t i o n ，v e r i l o gh d l d e s c r i p t i o n ，f p g a s i m u l a t i o na n dd e b u go nr e a ls y s t e ma r ei n c l u d e di nt h e p r o j e c t s ， af f ta r c h i t e c t u r eb a s e do n m e m o r y , w h i c h c o n s u m e sl e s sr e s o u r c e s c o m p a r a t i v et ou s u a lf f ta r c h i t e c t u r ei sa d o p t e di no f d m m o d u l a t o ro fd v b t s y s t e m f u r t h e r m o r e ，b l o c kf l o a t i n gp o i n tp r o c e s s i n gi s u s e dt oi n c r e a s ec o m p u t i n g p r e c i s i o n i th a sb e e np r o v e dt h a tt h ed e s i g nc a l l m e e tt h er e q u i r e m e n t s v a r i o u s m e t h o d st o i m p l e m e n tc o m p l e xm u l t i p l i c a t i o n a r ed i s c u s s e da n da l la r c h i t e c t u r e i n c l u d i n g2 kp o i n t sf f tp r o c e s s i n ga n d8 kp o i n t sf f tp r o c e s s i n gi nt h es a m e c i r c u i t s i sp r o p o s e d i nt h el a s ts e c t i o n ，t h ef p g a i m p l e m e n t a t i o no f t h ei n t e r p o l a t i n gf i l t e rf o rs i g n a l s h a p i n g o fm i x e ds c h e m ea r ed i s c u s s e d k e yw o r d s d v b t ：o f d m ；研m f i rd f ；f p g a 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 确的说明并表示谢意。 签名：盘塑叠呈日期：w 哆年1 月， 日 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：塑盟军导师签名：囊自立矗! 日期：o 5 年月尹日 地面数字电视传输系统中信道调制的设计与实现 第一章引言 广播电视由模拟向数字方向发展己成为共识，电视系统全面数字化的潮流 势不可挡。1 9 9 7 年，美国宣布拟在2 0 0 6 年完成模拟到数字电视广播的转换，给 世界广播电视界很大震动。而我国也制定了相应的时间表：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。 电视系统的全面数字化要求节目制作、节目存储、传输直到播出都发生革 命性的变化。数字电视传输主要包括卫星传输、地面无线传输以及有线传输三 种传输标准，其中以地面传输标准技术最为复杂、使用最为广泛。欧洲、美国 和日本都制定了数字电视传输标准，并得到了应用。如欧洲的d v b 标准主要包 括d v b s ( 卫星数字视频广播) 、d v b c ( 有线数字视频广播) 和d v b t ( 地 面数字视频广播) 这三个标准。在我国，卫星数字电视广播已初步确定采用欧 洲的d v b s 标准：在有线数字电视广播方面，由于众多运营商的推动，欧洲的 d v b c 标准己成为事实上的行业标准。我国现在还没有确定的是地面传输标准， 也是数字电视传输中最重要的标准，我国现正加紧地面数字电视传输标准的制 定，我校的朱维乐教授是专家组的成员，参与了该标准制定的工作。 j j 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 】。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，有足够高的传输码率，以便在单个6 8 m h z 信道中提供高质量高清晰节目( 大约2 0 m b p s ) ，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，对传输容量的需求不断增长。还要有利于频 率规划，使用现有分配的电视频道中传输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c n 地面数字电视传输系统中信道调制的设计与实现 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。 j 2 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 。3 种传输标准使用相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i - 1 所示删。 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 标准日本的i s d b - t 标准 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 一2 音频压缩d o l b ya c 一3m p e g 一2 层i im u s i c a mm p e g 一2 层i i ia a c 音频编码音频编码 音频编码 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( 2 0 4 ，18 8 ，t = 8 )r s 码( 2 0 4 ，1 8 8 ，t = 8 ) 信道内码 网格编码( t c m ) ( 码率2 3 )卷积编码( 码率：1 2 ，2 3 ，3 4 ，5 1 6 ，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 口s 4 9 8 3 1 6 7 m b p s 3 6 8 2 3 4 2m b p s 接收fj 限c ，n 三1 5 d bc ，n 1 9 d b 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 2 地面数字电视传输系统中信道调制的设计与实现 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 h 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) 或4 - - 5 个s d t v ( 标准清晰度电视) ，数字电视频道的宽度和原有模拟 电视频道相同，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 ，n ) 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 t3 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： f 1 1 、引入时间切片( t i m es l i c i n g ) 技术，数据以脉冲方式传送，而不 是以连续方式传送，脉冲之间关闭电源，可以大大降低功耗。 ( 2 1 、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。 f 3 1 、在d v b t 的2 k 和8 k 传输模式之外加入4 k 传输模式，增加组网灵活性。 j 3 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予科 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 地面数字电视传输系统中信道调制的设计与实现 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 由于使用了肘域信道估算技术，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( 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f 4 j 。 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，在国内的几套标准标准中走在前列。 目前，我国正在加紧各套方案的融合工作，最终的国家标准将是一套吸收各 方意见的融合的方案。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形成了一套融合方案。该 方案包含时域数据模式，也包含频域数据模式，即有单载波和多载波两种工作 模式。现在，国内的相关单位正在对这套方案进行测试。 j 4 本文的结构和侧重点 本文主要分为两部分，第一部分是d v b t 的信道调制的实现( 第二章和第三 章1 ，先简要介绍了d v b t 信道编码调制系统的基本原理、实现方案，然后重点 论述d v b t 系统o f d m 调制的实现，包括设计方案、算法和结构的选取、f p g a 实现、测试结果等。 第二部分是单载波多载波融合方案的信道调制的实现( 第四章) ，主要集中 在帧形成和基带成形滤波这两个部分。其中的单载波多载波融合方案( 以下简 称“融合方案”) 是基于2 0 0 4 年9 月份我国地面数字电视标准专家组确定的一个 折衷的方案。 本文以第一部分为侧重点。 地面数字电视传输系统中信道调制的设计与实现 第二章d v b t 信道调制概述及实现方案 2 j 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，如高斯白噪声、脉冲f 家电汽车冲 放电产生) 干扰等，其信道还具有以下几个特点，j ，： ( 1 ) 、多径干扰。射频( r f ) 信号会因山j i j 、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，从而导致瑞利衰落( 快 衰落) ，同时也会引起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，接收方式是指 固定接收、车载移动接收，还是便携手持接收。接收机或发射机的运动会产生 多普勒频移。例如，当接收机以速度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厶= - ；c o s 8 ，其中z 为载波的波长。 ( 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h d t v 接收机，产生强同频干扰。而且在数 字地面广播传输u h f v h 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p a l 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 2d v b t 信道编码调制器系统概述 d v b t 系统使用c o f d m ( 编码正交频分复用) 技术，有2 k 和8 k 两种o f d m ( 正交频分复用) 模式，其中2 k 模式适合单独传输和小单频网络( s f n ) ，8 k 模式适合单独传输、小单频网和大单频网。 地面数字电视传输系统中信道调制的设计与实现 图2 1 描述的是d v b t 信道编码调制器系统主要由信道编码、o f d m 和d a 三部分组成。其中能量扩散、外编码、外交织这三个部分与d v b c 和 d v b s 系统相同，p 编码与d v b s 相同。后面的部分是为适应地面信道而专门 设计的，如插入导频与t p s ( 传输参数信号) 便于接收机的载波同步和信道估计， 插入保护间隔便于消除i s i ( 符号间干扰) 。o f d m 是整个d v b t 系统的精髓， 它可以有效地对抗多径时延扩展、提高频谱利用率。 囤2 - 1d v b - t 信道编码调制器系统框图 d v b t 系统还允许不同级别的q a m 调制、不同的内码码率、两级的分层 通道编码和调制、均匀和非均匀两种星座映射方式、不同长度的保护间隔。主 要功能模块简述如下7 1 ： “j 磁童矽哺为了保证在任何情况下进入d v b 传输系统的数据码流中 “0 ”与“l ”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。伪随机序列是由个标准的伪随机序列发生器生成的，其中0 与“1 ” 出现的概率接近5 0 ，无论原t s 码流是何种分布，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 号的功率谱拓展了，使其分散开了，因此随机化过程又被称为“能量扩散”。 o ) 匆错缯碍d v b t 系统中采用了级联的两层纠错的方法以提高纠错 能力。外层编码采用r s ( 2 0 4 ，1 8 8 ) 编码，这种编码可以纠正8 个字节的突发错误； 内层编码采用卷积编码，主卷积码率为1 1 2 ，然后可以进行收缩而产生2 3 、3 4 、 5 6 、7 8 等多种卷积码率。内层的卷积编码虽然具有很强的纠错能力，但一旦发 生无法纠正的误码时，这种误码常常呈现连续发生的形式，也就是说经卷积 解码器纠错后输出的码流中的误码常显连续的形式。此外，信道中还存在着诸 如火花放电等强烈的冲激噪声，也会在卷积解码后的码流中造成连续的误码。 地面数字电视传输系统中信道调制的设计与实现 这些连续误码落在一组外层r s 码中，就可能超出r s 码的纠错能力而造成信息 失真。为避免这种情况，在两层纠错编码之间加入了数据交织环节，采用 i = 1 2 ，m = 1 7 的卷积交织。卷积交织改变了信号的传输顺序，将连续发生的误码分 散到多组r s 码中，落在每组r s 码中的误码数量就会大大减少，不会超出r s 码的纠错能力，r s 码能够将其纠正过来。实践证明，卷积交织提高了系统的纠 错能力，特别是对冲激噪声的纠错能力。卷积交织放在外层，称为外交织，在 d v b t 系统中还有一层内交织。内交织分成两部分，一部分是基于块交织的比 特交织。另一部分是基于随机交织的符号交织，符号交织在频域进行，以增强抗 频率选择性失真的能力所以又叫频率交织。 o ) 借翅嘈酽嬲d v b t 系统采用o f d m 传输方式，是一种多载波传输方 式。在一个o f d m 帧内，映射在每个子载上的数据使用q p s k 、1 6 q a m 、6 4 q a m 、 非均匀1 6 q a m 或者非均匀6 4 q a m 调制。星座映射后的数据是有效子载波数据， 还要和连续导频、分散导频与t p s 一起组成o f d m 符号。其中，导频有助于接 收机的载波同步和信道估计，t p s 主要是给接收机提供一些发射模式的参数，例 如内码码率、星座映射方式等等。以上o f d m 符号是在频域中的信号，要通过 i d f t 变换到是时域，得到时域o f d m 符号，一般用i f f t 实现。d v b t 系统在 时域o f d m 符号间插入t g i ( 时域保护间隔) ，该保护间隔由经过i f f t 变换后 得到的有效符号的尾部数据复制得到。保护间隔长度可以是符号长度的1 4 、1 8 、 1 1 6 或者1 3 2 ，只要其长度大于多径时延扩展宽度，能够克服由于多径引起的 i s i 。 2 2 1o f d m 帧结构 为叙述o f d m 调制的方便，这里简要介绍d v b t 系统的o f d m 帧结构1 5 j 。 每个o f d m 符号由k = 1 7 0 5 ( 2 k 模式) 或者k = 6 8 1 7 ( 8 k 模式) 个子载波组成， 并且在以r 。为符号周期的时间内发射。符号周期包含两个部分：有用持续期正，和 保护间隔。保护间隔是有用持续期正，内最后一段数据的拷贝，并且插在有用 符号期的前面，作为循环前缀，其长度可以为有用持续期的l 4 、1 8 、1 1 6 或者 1 3 2 。图2 - 2 表示o f d m 符号的循环扩展。 o f d m 信号采用分帧传输方式，每帧包含6 8 个o f d m 符号，每4 帧组 地面数字电视传输系统中信道调制的设计与实现 成一个超帧，如图2 3 所示。除了传输数据，一个o f d m 帧还包括下述参考信 息：分散导频、连续导频、t p s 。导频信息可以用于帧同步、频率同步、定时同 步、信道估计，也可以用于相位噪声跟踪。 循环前缀 一】；= ：i = _ 一一 | 二二二 二二 墨篓塑堕虬 壹旦堡丝塑t j l笪兰旦型玉一 一超帧、 - - i 2 3 - - ，7 7 0 f 嘴号、 k = ：l叫 图2 - 2o f d m 符号的循环扩展 图2 - 3o f d m 帧结构 一个o f d m 帧的o f d m 符号序号记为o 6 7 ，符号包含数据和参考信息。 由于o f d m 信号由若干独立调制的载波构成，因而每个符号可分为由许多单元 构成，每一个单元对应一个载波在一个符号期内调制的信息。相邻载波间隔为 i tu ，如表2 - 1 所示。发射的o f d m 信号表示为： 其中：k m u ， s ( f ) 1 c 刍m 厶6 71 白7 0 4 r e l = 0c m m 心) ) 沼) 1c厶厶厶。_ i 州，i ( f ) ( 2 1 tm = 0t ；oj , ( 1 + 6 8 x m ) x t s - t _ ( t + 6 8 x m + 1 ) x t s 载波序数： 1 传输帧序数； 瓦 有用符号持续期； 4 射频中心频率： 符号数； 符号周期 保护间隔 眦默 肾 妇 j p q 芏而 口 8 ，l，、【 = my 地面数字电视传输系统中信道调制的设计与实现 c 。 第m 帧的0 个符号的第k 个载波的复数调制值 c 。 第m 帧的1 个符号的第k 个载波的复数调制值 c 。，。 第m 帧的6 7 符号的第k 个载波的复数调制值。 表2 - 18 m h z 信道带宽下的o f d m 参数 o f d m 参数8 k 模式2 k 模式 载波数k 6 8 1 71 7 0 5 最小载波序号k m i n o0 最大载波序号k m a x 6 8 1 61 7 0 4 有用符号持续期8 9 6 1 x s 2 2 4 s 载波间隔l 广r u 1 1 1 6 h z4 4 6 4 h z 载波k m i n 和k m “之间的间隔 7 6 1 m h z7 6 1 m h z 2 3d v b - t 信道编码调制器实现方案 2 3 j 总体方案 图2 - 1 所示的功能模块大部分都有专用的器件可以实现，如外编码可以用l s i 公司的l 6 4 7 1 1 ，o f d m 调制模块可以用b u t t e r f l y 公司的b d s p 9 1 2 4 来实现。但 用这种方式设计编码调制器，将需要一块较大面积的电路板，上面集成各种专 用器件。这样硬件设计太复杂，信号的完整性如何保证也不容易。如何在一个 系统里集成各种功能模块，又要使系统不太复杂，是设计的难点所在。 这里介绍一种基于f p g a 平台的方案，硬件组成比较简单，如图2 - 4 所示， 主要由一片f p g a 和一片d a 转换器组成。数字基带部分完全在f p g a 芯片 e p l s 2 5 里完成，数字上变频和d a 转换用a n l o g d e v i c e 公司的a d 9 8 5 7 实现a 广 厂 r p g a ( e p l s 2 5 ) h 样b , d 坡9 8 5 黜，h 滤波器p 图2 4d v b t 信道编码调制器硬件结构简图 9 地面数字电视传输系统中信道调制的设计与实现 项目的关键在于f p g a 的设计，其总体方案如图2 - 5 ，开发软件是 q u a r t u s i i4 0 。 图2 - 5f p g a 设计总体方案 外部给卫p g a 提供一个基准时钟，时钟管理模块以其作为参考时钟，利用 s t r a t i x 器件觞目环的特性生成各个模块的工作时钟。总控制单元负责各模块的启 动和相互间的数据交换。 输入发射机的码流符合m p e g 2 标准，包头是0 x 4 7 ，包长可以是1 8 8 或2 0 4 ， 传输流同步模块根据此性质找出包的起始位置，形成每1 8 8 个字节一组的数据。 后面的信道编码模块对码流作一系列编码、交织，增强系统抗干扰和纠错的能 力。信道编码模块由随机化、r s 编码、卷积交织、卷积编码、内交织等子模块 组成，简述如下【8 】 9 1 ： ( 1 ) 随机化由伪随机二进制序列p r b s 与码流数据异或完成。p r b s 由多项 式g f x ) = 1 + x ”+ x ”生成，初始化序列为1 0 0 1 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 。 ( 2 ) r s 编码器以1 8 8 个字节为1 个信息分组，先在前面加上5 1 个字节的0 ， 将信息分组的长度变成标准的2 3 9 个字节。然后根据这2 3 9 个字节运算生成1 6 个字节的校验码元，将其加在原1 8 8 个字节后，变成r s ( 2 0 4 ，1 8 8 ) 输出。 ( 3 ) 卷积交织予模块由一片双口r a m 和读写地址控制器构成，而不是如 标准中所述的由1 2 个移位寄存器组成，因此资源消耗和控制复杂度都得到降低。 ( 4 ) 卷积编码子模块把卷积交织输出的字节流转成串行的比特流，主卷积 编码按码率要求生成两路输出x 和y ，后面的的删余模块按删余图样选择x 和y 的对应位送至内交织模块。 ( 5 ) 内交织包括比特交织和符号交织。首先通过一个多路器，根据不同的 星座产生v 个子流送入v 路位交织器。各路位交织器输出的比特流经串并转换 地面数字电视传输系统中信道调制的设计与实现 输出相应的v 比特字。这些v 比特字就是调制在各子载波的数据，通过符号交 织器将其分散在各子载波上，以进一步增强抗频率选择性失真的能力，因此符 号交织属于频率交织。 星座映射模块完成比特到复数的映射，有q p s k 、1 6 q a m 、6 4 q a m 、非均 匀1 6 q a m 或者非均匀6 4 q a m 五种方式。帧形成模块将固定导频、分散导频、 t p s 数据加到符号的相应位置，形成一个个完整的符号数据，并将每6 8 个符号 组成一帧每4 帧组成一超帧。在此之前的数据都是频域上的，o f d m 调制模 块将频域上的数据转换到时域，形成以符号为单位的时域数据。保护间隔模块 把每个符号的后面一部分数据复制到符号的开头，其长度可以是符号长度的1 4 、 1 8 、1 1 6 和1 1 3 2 。 作者负责的是o f d m 及插入保护间隔部分，下一章详细介绍这两部分的 f p g a 实现。 2 3 2s 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 2 5 f 7 8 0 。e p l s 2 5 是为适 应片上系统( s o c ) 的需求而推出的s t r a f 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 1 0 】： 1 、采用1 5 v 内核电压，0 1 3 一z m 全铜工艺： 2 、高密度，含有大量的逻辑单元( l e ) 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i o 标准； 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 器件含有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 地面数字电视传输系统中信道调制的设计与实现 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，这些连线以不同 的长度和速度为功能模块提供相互之间的信号链接。s t r a t i x 器件的主要单元的功 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 间的进位链、级连链、l a b 控制信号和 l a b 局部互连构成1 。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 y b 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 位外加奇偶校验位( 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 h z 。 m r a m 模块( 6 4 k x 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 j r 滤波等处理中。 4 锁相环( p l l ) 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 l l 也分别有两类：增强型锁相环( e n h a n c e d p l l ) 和快速锁相环( f a s t p l l ) 。 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t o e 、l e 、 地面数字电视传输系统中信道调制的设计与实现 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 个区域区域钟网络，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 者区域钟网络。 5 1 0 e ( i o 单元) i o e 由一个双向i o 缓冲器和六个寄存器组成。寄存器可用作输入、输出和 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 r s d r a m q d rs r a m 等) 提供优异的接口性能。每个i o 单元都可配置成输入、 输出或双向引脚。 e p l $ 2 5 f 7 8 0 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 $ 2 5 f 7 8 0 的资源配置 逻辑单元2 5 ，6 6 0i o 管脚 5 9 7 r a m 总量1 ，9 4 4 ，5 7 6 锁相环6 d s p 块 1 0全局时钟网络1 6 嵌入式乘法器 8 0专用时钟管脚1 6 ( 9 b i t s 9 b i t s ) 2 4o f d m 调制实现方案 严格说来，星座映射、帧形成、o f d m 和插入保护间隔这四个部分都属于信 道调制，但本文中主要论述作者所负责的工作- - o f d m 调制。 图2 - 6 表示的是d v b - to f d m 调制实现方案，输入的数据来自帧形成模块， 输出数据送至d a c 转换为模拟信号。 由式2 1 可见，发射的o f d m 信号s ( t ) 相当于对每帧数据作矸t 变换。以 1 3 地面数字电视传输系统中信道调制的设计与实现 2 k 模式为例，由帧形成模块输出的数据是以1 7 0 5 个复数为一组的数据包，要扩 展为2 0 4 8 个复数再作i f f t 变换，也就是补3 4 3 个0 。式2 1 中的k 为： k 2 k - ( m a x 州m i n ) 2 ，k = 0 ，l 1 7 0 4 ( 2 3 ) 发射中心频率对应k = 0 ，即k = 8 5 2 。在i f f t 之前，用频谱调整模块将数据调整 为2 0 4 8 个每帧，而且子载波k = 8 5 2 对应中心频率，如图2 7 所示，补充的3 4 3 个0 充当了频域的保护间隔。 田 嗍 f r o m 帧形成i 甏1 7 阿 图2 - 6d v b to f d m 调制实现方案 l 兰叫一忸0 型尘挚迎型2 z拓 图2 7 频谱调整示意图( 2 k 模式) 出i f f t 模块输出的数据一般是逆序( 4 2 倒序) ，需要调整为正常顺序才能送 给后续模块。速率调整模块将i 路和q 路数据合为一路，并调整为a d 9 8 5 7 所 需的速率。 4 地面数字电视传输系统中信道调制的设计与实现 第三章d v b t 系统中o f d m 调制的实现 3 j 耶r 算法及结构选取 o f d m 的复等效基带信号可表示为”1 旷静酬，等，o _ k _ n - 1 ( 3 1 ) 其中d 为调制在各个子载波上的数据，对应的时域数据屯等效为对d i 进行i d f t 运算。因此设计o f d m 调制模块的关键就是找到一种快速的算法实现i d f t ，一 般采用i f f t ( 快速傅立叶逆变换) 。 n 点f t 定义如f ： 砌) = 专薹硼删i o n n _ 1 ，一p ( - ，等 ( 3 - 2 ) 即仔f r ( ( 七) ) = x ( n ) = 寺( z + ( 庀) ) = 号( 尸f r ( x + ( ) ) ) + ( 3 _ 3 ) jt = o 1 由上式可见，对n 点数据x ( k ) 做i f f t 运算，可以使用f f t 核，只需先把 输入数据取共轭，结果也取共轭并缩小n 倍。因此，设计的关键在于如何实现 f f t 。图3 - 1 是用f f t 核实现肝t 运算的框图。 图3 - 1 用f f t 核实现i f f t 运算 在f p g a 中设计f f t 要综合考虑资源消耗和运算速度，在设计中我们用到 了流水线的实现和基于存储器的实现两种方法。下面分别介绍两种方法并作比 较。 地面数字电视传输系统中信道调制的设计与实现 3 j j 频率抽取基2 2 职丁算法及流水线结构 3 1 1 1 频率抽取基2 2f f t 算法 频率抽取基2 2f f t 算法具有运算速度快、控制简单、易于流水线实现等优 点。该算法在文献1 1 3 1 中有详尽推导，这里只作简单的描述。 n 点的d f t 定义如下 - 1 ( t ) = 工( h ) w j f = o 0 - 7 其中h ，”：，。，女： o ，1 ， n ，t ，o 1 了n 一1 ) d f t 式经过分解、化简变为： ( 3 - 5 ) 扣 z ( 岛+ 2 也+ 4 k 3 ) = 日( 岛，如，) 蝶小1 “ 瞪b ( 3 - 6 ) ”1 = o4 其中( ，k 2 ，h ，) 为 h ( t , k 2 , i 3 ) = m 啪+ ( - 矿叫心+ 学) + ( 叫伯2 j 砌，+ 警) + ( _ 叫丢) ( 3 7 ) 3 1 1 2 频率抽取基2 2f f t 流水线结构 由上可以得至l j r a d i x 22 s d f 流水结构，图3 2 是n = 6 4 点时的结构图。图3 2 中的b f 2 】完成式( 3 7 ) 中两个方括号内的运算，可见这是基2 的运算。b f 2 2 把b f 2 的结果以某种方式相加，即计算日( ，k ：，) ，这也是基2 的运算。 i f j i b f 2 1 和b f 2 2 都和基2 算法的蝶型结构相同，但b f 2 1 和b f 2 2 的组合就完成了一个基4 的蝶型运 地面数字电视传输系统中信道调制的设计与实现 算。除了最后级外，每个基4 的蝶型后都有一个复数乘法器。因此这种算法既 保留了基2 的蝶型结构，又和基4 算法有相同的乘法复杂度。该结构的控制非常 简便，对b