（信号与信息处理专业论文）基于dvbc全数字qam接收机的研究及其载波恢复的实现.pdf

电子科技大学硕士论文基于d v b - c 全数字q a m 接收机的设计及其热垫堡垦塑墨堡 摘要 本课题是与成都天锐微电子有限责任公司合作开发，目的是完成d v b - c 的 全数字q a m 接收机的f p g a 设计。系统的硬件实现以a l t e r a 公司的s t r a t i x 系 列的f p g a 芯片为基础，核心任务包括有q a m 接收机的匹配滤波、载波恢复环 路与时钟同步、符号同步和盲均衡器的实现等。 本文在介绍d v b c 相关标准的基础上，阐述了系统的总体设计以及软硬件 实现的具体方案，特别是载波恢复的v e r i l o g 实现方案。我在项目中完成的工作主 要有： 搜集资料，文献并阅读，了解系统整体原理。 设计基t d v b c 的全数字q a m 接收机的系统结构和实现方案 完成软件仿真系统中接收端的数据模拟，载波恢复模块 用v e r i l o g 语言完成接收机的载波恢复模块的编程和调试工作。 参与软件和硬件系统的联调工作。 本系统的v e r i l o g 码验证已经完成。 关键词：d v b - c 、f p g a 、q a m 、载波恢复 电子科技大学硕士论文基：j = d v b c 全数字q a m 接收机的设计及其载波恢复的实现 a b s t r a c t t h i sp r o j e c ti sa i m e da t d e s i g n i n g a na l l d i g i t i z e dq a m r e c e i v e rc h i p b a s e do nd v b - c s y s t e m w i t ht h e c o o p e r a t i o n o f c h e n g d uc h i n a r a y m i c r o e l e c t r o n i ec o l t d a n dt h ev e r i f i c a t i o nb a s e do nf p g am u s tb e a c c o m p l i s h e d t h e c o r et a s k si n c l u d e s d e s i g n i n gm a t c h i n gf d t e r 、c a r r i e r r e c o v e r y a n d t i m i n gs y n c h r o n i z a t i o n 、s y m b o ls y n c h r o n i z a t i o n a n db l i n d a d a p t i v ee q u a l i z e r o fa l ld i g i t i z e dq a mr e c e i v e r t h i sp a p e rw i l li n t r o d u c et h ep r i n c i p l eo ft h ed v b - cs e r i e ss t a n d a r d s f i r s t l y , t h e nt h es k e t c h yd e s i g no ft h es y s t e mw i l lb es t a t e d a tl a s t ，t h es o f t w a r e a n dh a r d w a r e p a r t s o f t h ec a r r i e rr e c o v e r y w i l lb ed i s c u s s e di n d e t a i l ， e s p e e i a l l yi t sd e s i g nw i t hf p g ad e s i g n w h a tih a v ed o n ei nt h ep r o j e c ta r e l i s t e db e l o w ： a 1 ：c o l l e c tt h ei n f o r m a t i o na n dp a p e ro nd v b - ca n dg e tf a m i l i a rw i t h t h et o t a ld v b - c s y s t e m b 1 ：d e s i g nt h e t o t a ls h e e m eo fq a mr e c e i v e rb a s e do nd v b - c c 1 ：c r e a t et h es i m u l a t i o nd a t ar e c e i v e do fq a m r e c e i v e r c o m p l e t et h e d e s i g no f c a r r i e rr e c o v e r yo f s o f t w a r es i m u l a t i o ns y s t e m 。 d ) ：u s i n gv e r i l o g h d l l a n g u a g e t o i m p l e m e n t c a r r i e r r e c o v e r y p r o g r a m m i n g 、t e s t i n g a n d d e b u g g i n 昏 d ：h k e p a r t i ns o f t w a r ea n dh a r d w a r e s y s t e mt e s t i n ga n dd e b u g g i n 磬 t h e v e r i l o gc o d e v e r i f i c a t i o ni sa c c o m p l i s h e d s u c c e s s f u l l y k e yw o r d ：d v b - c ，f p g a ，q a m ，c a r r i e rr e c o v e r y 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 确的说明并表示谢意。 签名：童i 必：日期：驯中年v 月增日 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 签名：刘亚左： 导师签名 日期：硼州年q 月埘日 电子科技大学硕士论文基于d v b c 全数字q a m 接收机的设计及其载波恢复的实现 1 1d v b 简介 第一章序言 dv b 是来自3 3 个国家、2 3 0 多个组织参加的个国际机构，国家广电总局 广科院于1 9 9 9 年4 月1 3 日作为协作会员加入了dvb ，它包括了卫星( dv b s ) ，电缆电视( dvb c ) ，普通电视的地面广播( dvb t ) 和高清晰度电视( hd t v ) 的广播与传输。d v b 的一项中心任务是制定一整套数字广播技术规范，并 促成其为通用的数字广播技术国际标准，从而改变现有模拟电视技术因标准不同 而形成分割的局面，影响了广播电视技术的国际交流、合作与发展。 ( 1 ) d v b 的主要目标及标准 d v b 项目的主要目标是要找到一种对所有传输媒体都适用的数字电视 技术和系统，对它的要求是： a 系统应能灵活传送mpeg - 2 视频、音频和其他数据信号。 b 系统使用统一的mpeg 2 传送，比特流复用。 c 系统使用统一的服务信息系统提供广播节目的细节等信息。 d 系统使用统一的一级里德索罗门前向纠错系统。 e 使用统一的加扰系统，但可有不同的加密。 f 选择适用于不同传输媒体的调制方法和通道编码方法以及任何必须的附 加纠错方法。 g 鼓励欧洲以外地区使用dv b 标准，推动建立世界范围的数字视频广播标 准。这一目标得n t ( itu ) 卫星广播的支持。 h 支持数字系统中的图文电视系统。d v b 主要标准有三个d v b s d v b - c 和d v b t ，分别用于卫星、电缆电视和地面广播，己获得欧洲电信联盟 ( ets ) 标准，编号分别为et s3 0 0 4 2 1 、ets3 0 0 4 2 9 、ets 3 0 0 7 4 4 。d v b - s 和d vb c 已被it u 推荐。 ( 2 ) d v b 系统所使用的主要技术 电子科技大学硕士论文基于d v b c 全数字q a m 接收机的设计及其载波恢复的实现 dvb 系统的核心技术是通用的m peg 一2 视频和音频编码。目前主要应 用于数字卫星和电缆电视广播的是m pf lm l 。第一代的欧洲dvb 接收机将 提供直到6 2 5 行演播室质量( it u rec ，bt6 0 1 ) 的图像，可以是4 ：3 或1 6 ： 9 宽高比。还可根据业务要求确定所用码率。一般来说，所选码率越高，图像的质 量越好，但占用频带越宽，码率的选用与图像的内容有很大关系，对于运动较多的 图像如体育节目等采用较高的码率，对于卡通片等节目可采用较低的码率。因此， 目前在把多个节目比特流复用合成一个比特流的情况下都采用统计复用的方法， 能在不同码率的节目间灵活地分配总数码率。为了满足各类素材的要求，itu rec ，bt 6 0 1 演播室质量所需数码率为9 mb s ，p a l sec a m 播出质 量所需数码率为5 mbs ，由于用mpeg 一2 传输比特流是一种数据包结构所 以可以很方便地加入适当信息，把各种不同的业务，如图像、声音和数据业务合在 一起，并对服务信息的格式作详细的规定，所形成标准就是服务信息标准ets 3 0 0 4 6 8 ，由于用m peg 一2 来确定实际的加扰系统和密封管理系统，dvb 制定了 解码器应用的有条件接收公共接口。dvb 系统采用低数据率的mpeg 2 层2 音频标准作为其通用的音频压缩编码标准，以获得接近于cd 质量的声音。 1 2 课题研究背景及论文结构 本论文在该d v b - c 接收机的系统设计、程序编写与联调工作基础上撰写。 第二章首先介绍d v b c 发射机的结构和原理。第三章介绍q a m 全数字接收机 的设计，结构及其优点，重点介绍了载波恢复的原理及算法实现。第四章介绍了 v e r i l o g 语言及编程技巧和q u a r t u s l i 开发p l d f p g a 的流程。第五章详述了载波 恢复模块的v e r i l o g 的实现及优化的过程及其仿真结果。最后作了一个简要的总 结。 电子科技大学硕士论文 基于d v b c 全数字q a m 接收机的设计及其载波恢复的实现 第二章d v b c 发射机结构及原理 d v b c 标准针对的是有线电视系统，它规定从基带数字电视信号到c a t v 信 道之间的适配方法，即信道编码及调制方法，它输入的数字电视信号可以是卫星 接收到的节目、分配链路传来的节目或本地节目，d v b c 前端系统需对这些信号 进行处理。系统结构原理如图2 1 所示。 图2 1d v b c 系统 2 1 同步反转及随机化 图2 2m p e g - 2 传输流复用包 图2 2 是m p e g - 2 传输流复用包，个包共有1 8 8 个字节。首字节是同步字 节0 x 4 7 ，紧接着是1 8 7 个数据字节。为了避免长连“1 ”或长连“0 ，的出现，便 于在接收端恢复时钟信号，mpe g 一2 传输复用( m u x ) 包需进行扰码处理，使 “o ”和“1 ”在时间上均匀分布。这种处理也称为“能量扩散或“随机化” 电子科技大学硕士论文$ t - d v b c 全数字q a m 接收机的设计! 幽娑逛堡塑塞墨 是通过把码流送入多项式i + x1 4 + x1 5 的伪随机二进制序歹i j ( p r b s ) 移位寄存器 来实现的。扰码器的结构如图2 3 所示，p n 码发生器的寄存器初始值置 为：1 0 0 1 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 m p e g 2 数据流中，每8 个数据包组成一个数据组p n 码发生 器的寄存器在传输每一个数据组的开始时初始化一次，为了提供该初始化信号， 每一组数据中的第一个m p e g 2 数据帧的同步字节按比特反转，即4 7 h 反转为 b 8 h 完成随机化后的数据组如图2 4 所示。 图2 3 扰码器 2 2 r s 编码 图2 - 3 随机化后的数据组结构 一般来说，由于数字信号在传输过程中受到干扰的影响，故传输到 接收端后可能发生错误判决。由信道乘性干扰引起的码间干扰可以由均 衡的办法纠正，而由信道加性干扰引起的问题，需采用差错控制的方法。 常用的差错控制的方法由三种方法： 1 检错重发法。接收端在收到的信码中检测出错码时，通知发送端 重发，直到正确收到为止。检出错误指在接收的码元中知道有一 个或多个错，但不需知道错码发生的正确位置。采用这种方法需 要具备双向信道。 2 前向纠错法。在接收端不仅能发现错码，还能纠正错码。不需反 向信道，也不存在由于反复重发而延误时间，实时性好。但是纠 错设备比检错设备复杂。 4 电子科技大学硕士论文基于d v b c 全数字q a m 接收机的设计及其载波饿复的实现 3 反馈校验法。接收端将收到的信码原封不动的转发回发送端，并 与原发送信码相比较。如果发现错误，则发送端再进行重发。这 种方法原理和设备都较简单，但是需要双向信道，且每一个码都 重发了两次，所以传输效率较低。 在信息码元序列中加入监督码元就称为差错控制编码，也称为纠错编 码。纠错编码是以降低传输速率为代价来换取传输可靠性的提高。r s 编 码是一种纠错编码，用于前向纠错。在编码的字中加入冗余字节以帮助 进行错误校验。用于dvb 系统的r s ( 2 0 4 ，1 8 8 ，8 ) 截短码来自原始系统r s 码( 2 5 5 ，2 3 9 ，8 ) ，产生的纠错包能纠正不大于8 个随机错误的任意组合。 码生成多项式： g ( x ) = ( z + 岔) ( 工+ 爿) ( x + 刀) ( x + z 15 ) 域生成多项式： p ( x ) = x 8 + x 4 + x 3 + x 2 + 1 其中 = 0 2 一 经过r s 编码之后的数据包结构如图2 4 所示。 2 3 卷积交织 图2 4r s 编码后的数据结构 鬻螂t 飘蝴 鼍。刖坤怯 一 叫丑正配臣卜i i q 丑一、 q 国圈叵卜_ 一弋 叫团卫一 岫 q 蜀卫一 q 习卫卫一 诳 一 呵西巫匹卜 图2 5 电子科技大学硕士论文基于d v b - c 全数字q a m 接收机的设计及其载波恢复的! 塑 这是基于f o r n e y 方法，交织深度i = 1 2 ，交织后的数据构成交叠的错误保护 帧( 帧长n = 2 0 4 b y t e ) ，并以同步字节为界，以保护2 0 4 b y t e 的数据周期。交织后的 数据虽然不改变帧结构，但帧内数据由原始帧数据交替组成，如在传输过程中出 现较长的突发错误，接收端( 开关与发射端同步) 经去交织后，误码被分散到由r s 保护的实际帧内，使每帧内的误码数量降低，便于纠锚，提高了抗干扰能力。交织原 理图如图2 5 所示，同步字节总是在分支0 上。 2 4 字节到符号的转换 根据不同q a m 调制方式，需要进行字节到符号的转换，图2 6 为6 4 q a m ( 6 b i t ) 下字节到符号的转换。 f f d mi n t m l t m a i _ b 咀 脚明) l 寸d h b 膳删剐o n o o d e r t 蛳m ) 2 5 差分编码 i 酐嗨坫b b 3 娩：b l i b ? b 6 b 5 “略蛇b lb ol 啪：随h b 3 睫b 1 i 图2 6 字节到符号的转换 为了解决q a m 解调中，当载波锁定之后，仍有四重相位模糊度的问题，发 送端的数据采用差分编码，接收端采用差分解码 假设待发送的数据为a k ，发送端采用差分编码，发送的数据为： 2 s 一l + 则接收到数据为： r k = 雌+ d ( d = o ，1 ，2 ，3 ) 若接收端采用差分解码，则 嚷= 咯一r k l = ( + d ) 一( s _ l + d ) 6 电子科技大学硕士论文基于d v b c 全数字q a m 接收机的设计及其载波恢复的实现 。最- - s k 一1 = t l k 因为q a m 解调只有四重相位模糊度，所以只需要对符号的高两位进行差分 编码。其实现方式如图2 7 。 今 f m m h ”叶咀1 刮 l n i r i - m i ， 1 一雌。 、 日岫 t o m a l ：p l r t o 州u c l e c o n v _ e l o n 2 b r1 日q u q ea f q r a 2 洲 4 f o ，8 洲 图2 7 差分编码 差分编码，模4 格雷加法器 = ( 4 0 砍) ( 4 0 厶一，) + ( 4 0 反) ( 4 0 幺一。) q = ( a ko 盈) ( 峨。幺一1 ) + ( 爿ko 丑k ) ( 丑 o - 1 ) 差分解码，模4 格雷减法器 4 = ( 厶。级) ( 厶oq 七一。) + ( o 办) ( o t l ) b k = ( 厶。蜴) ( 幺o i k 1 ) + ( o 幺) ( 级毋绕一i ) 2 6 星座映射与格雷码自然码转换： q - u u u 110 1 4 q a m 图2 8 q p s k 星座映射 7 皇三翌垫盔堂堡主堡苎 苎主型! ：旦全鏊兰里坐堡坚盟竺堡生墨茎望茎塑望堕! ! ! 里 i6 - q a m q 1k q t = 10 1k q = 0 0 id l i1 0 0 ia o l 00 0 1 o o 0o i o 】0j 0 0 00 0 0 0 0 0 0j oooo i 1 0 1】1 0 0 o 驴o o l j oo i 11 1 1 0o l o lb 1 d o 0o j qk = 1l h q l = a l 图2 91 6 q a m 星座映射 6 4 q a m q t qk = l o l 。1 1 刈。铲o 器4 “8 篙鹆”四 。鲫川圳1 1o o 日l t qk 2o o 器旧茸1 皓忡訾0000 抽嚣椭哺甘1 嘴删瞽 蝴l u 哪i l6 ( 1 u l l lo o u i i n 000o o 霉o 世“。留。馐删“。毯帅琶1 智b 9 “o 。霉1 1 。酱11 1 。智1 1 妒 。蚪铲“省“o 吕m 。1 h j i # 】j 0 1 】i1 1 ji 0 0 1 00 1 日口“l0 1 0 0 l l 0 1 1 0 i l m 1 0 0 oa口o口口d口 l l l l l i1 】1 1 l l1 】1 0 l l1 】1 0 1 00 1 0 l 叭6 1 0 i l ln 1 儿ln l l lh 】 i 沌= i 1 。ooodo凸口 lk q t = 0 i i 【i 锄l i 】0 l1 1 】0 0 l1 i 】0 0 0o i 眭1 8 u0 1 0 “日0 1 【i l u 射j 】0 0 o o 口oo口口口 ik qk 盯et het w om s bsi ne a c hq u a dr a n t 图2 1 06 4 q a m 星座映射 8 皇王型量查兰翌主笙塞 墨兰些! ：! 全塑! 呈型! 塑坚垫塑堡堡墨墨萱望堡重! ! ! ! 翌 图2 1 12 5 6 q a m 星座映射 根据不同的q a m 方式的星座映射图，对差分编码后的符号，找到i ，q 路所 对应的电平。为了在相同的误码率的情况下得到最小的误比特率，需要相邻的 电平对应的符号只有一个b i t 不同，因此采用格雷电平映射。除去最高两位后的 低b “采用如下方式排列q 一，一。q 。厶。q 0 厶，以2 5 6 q a m 为例，取出 幺一。g 。q 0 或者厶一，。观察，其对应关系如表2 1 l 电平 l3 5 7 9 1 l 1 31 5 | 码字 0 0 0o o l0 1 10 l o1 1 01 1 11 0 11 0 0 表2 1 电平与码字的对应关系 因为这些电平需要脉冲成形，调制后经过d a 变成模拟信号，滤波而”d a 需要二进自然码，所以需要将格雷码转换成自然码。 9 电子科技大学硕士论文基于d v b - c 全数字q a m 接选垫塑堡堡墨茎塑鎏堡墨! ! ! 塑 如表2 - 2 格雷码 0 0 00 0 10 1 10 1 0 1 1 01 1 11 0 11 0 0 自然码 0 0 00 0 l0 1 00 1 11 0 01 0 l1 l o1 1 1 2 7 基带成形与匹配接收 表22 格雷码自然码转换 如果以矩形脉冲的波形作为传输码型，因为它在时域上受限，所以在频域 上是无限延伸的，但实际频道是带限的，因此接收端的波形会与发射端不同。 根据单个脉冲无失真传送的条件，发送端信号是频域受限的，它在时域上是无 限延伸的。根据奈奎斯特第一准则，升余弦滚降信号满足抽样值无失真的条件。 为了在接收端的抽样时刻能够得到最大的信噪比，需要对接收的信号进行匹配 滤波，所以d v b c 把升余弦滚降滤波器分成两个相同的平方根升余弦滚降滤波 器。一个在发送端作为成形滤波器，一个在接收端作为匹配滤波器。 匹配滤波器原理： 假设滤波器输入端信号x ( t ) = s ( t ) + n ( t ) ，n ( t ) 是一个白噪声，功率谱密度 p 。( w ) = 2 ，信号s ( r ) 频谱s ( 们。现要求在最大输出信噪比准则下滤波器的 输出在t 时刻有最大的信号瞬时功率与噪声平均功率的比值。求滤波器的 传输特性日( w ) 输出信号y ( t ) = s o ( f ) + 一。( r ) ， + 鼍 所以： s o ( t ) = 1 ( 2 r e ) l h ( w ) s ( w ) e 肌d w 而噪声的平均功率0 = 1 ( 2 r e ) 0 n ( w ) 1 2 ( h 。2 ) d w t 时刻输出信号瞬时功率与噪声平均功率之比为： 七：螳： 0 忙c 咧矿刮2 1 4 r e 1 日( 训2 d w i o 电子科技大学硕士论文基于d v b c 全数字q a m 接收机的设计及其载波恢复的实现 为了使k 的值最大，就必须求使k 达到最大值韵日( w ) 。 由许瓦兹不等式可得： l 2 l ( 1 2 n ) l x ( w ) y ( w ) 圳 1 二 i ( 1 2 万) f l x ( w ) l2 d w f ( w ) l 2 d w 当 x ( 7 ) = k y ( w ) 时，不等式成为等式。 令z ( w ) = h ( 计；y ( w ) = s ( w ) b ，” 则可得： 十 2 + 。 ( 1 4 ，r2 ) 1 日( w ) ld w f l s ( w ) 1 2 d w 尼。k _ - ( 疗。4 x ) m 日( 酬d w ( 1 2 石) j l s ( w ) 1 2 d w ( n o 2 ) 其中e 2 ( 1 万) j s ( - ) 1 2 d w ，是信号s ( f ) 的总能量， 0 所以匹配滤波器所能给出的最大输出信噪比为： k ：丝 h 0 并且滤波器的传输函数为： 日( w ) = k s 。( w ) e 一刖。 所以用一个匹配滤波器可以优化信号的检测。 平方根升余弦滚降滤波器。其理论表达式为 2 e 门0 皇王型垫查兰堡主堡苎 兰三里呈：! 全塑主壁垒翌量些塑塑垦生垦苎塾鎏堕墨坚! 壁坠 ( f ) = t 凡r l f l ，。】“j 雕黔陆，毒p 孵b 一弘啦h 刚删 i ( 0 = o 如r | f i ( 1 + g ) 其中，c z = 0 1 5 ， 厶2 瓦1 = 譬，咚为符号速率。 在d v b - c 标准中，提供了一个平方根升余弦滤波器特性要求的模板， 如图2 3 所示。从图中我们可以看出：厶的衰减是- - 3 d b ，在 0o 8 5 厶 的通带范围内以及 0 8 5 厂1 1 5 厶 的过渡带范围内，要求带内波纹 ， o 4 d b 。而在阻带大于1 1 5 - 厶的频率范围内，衰减应不小于4 3 d b | 一 、h 黔 缓缓缓豹搦翰兹獭： o d b r _ - v- h 。点， 兹豹缀缓物缀磁黝 k i n - i z lh 哪- r 啊0 4 b 薯口1d b 。掣k ： ： ： o , w n粕 1 f of n ：忡h 即嘟 图2 3 平方根升余弦滤波器滤波性能要求 1 2 d b 电子科技大学硕士论文基于d v b - c 全数字q a m 接收机的设计及其载波恢复的实现 2 8 调制 c o s ( c o * 功 力 图2 4 q a m 调制 经过成形后两路信号为，( f ) = y j h ( t k t s ) ，q ( r ) = 吼h ( t 一) 。 按照图2 4 的调制方式，调制后的q a m 信号为： s ( f ) = i ( t ) c o s ( c o 。f ) 一y , q ( t ) s i n ( c o 。f ) 。 t 如果抽样频率为载波频率的四倍，c o s ( t o 。r ) 数字化为c o s ( 0 5 万胛) = 1 ， 0 ，一1 ，0 s i n ( 。，) 数字化为s i n ( 0 5 万聍) = 0 ，l ，0 ，一1 研即】= ，q ，五虿，q ，百 所以当成形滤波器和d a 的过采样系数为五，并且d a 的输入为 ，q ，磊，q ，i 一，虿时，五= 4 0 j 。，因此d a 后的信号是一个已调信号，并且 载波频率。= a r s 4 ，然后可以上变频到信道传输所需的合适的频谱。 表2 3 列出十种可能的传输模式。 电子科技大学硕士论文基d v b - c 数字q a m 接收机的设计及其载波恢复的实现 u s 4 f u lb i t r a t e t o t m lb ) tr a t er 旷 c a b l e s y m b o l r m eo c c u 耐e dm o d u l i t l o n ( m p e g - 2t r a n s p o r tl a y e r )i n c l r s ( 2 0 4 。1 粤 i 拍n d w k s t hs c h e r u 【m b r s 【瞳b l u s m b a u 哪 咖h 蝴 3 8 14 1 3 46 明7 9 26 4 - q a m 3 9舢6 tb 9 27 9 63 2 q n v l 2 5 22 7 。3 46 8 47 柏 1 6 q a m 3 1 6 7 2p d h3 4 。3 6 7 6 8 7 7 ，3 禾0 a m 8 92 0 5 2 3 4 23 ，9 36 4 - q a m & 01 7 4 0 3 4 84 。o o3 2 q m 2 8 1 3 妇3 4 84 o o 1 6 - q m 9 b 1 0 , 4 417 42 1 0 06 , q a m e 08 7 01 7 4 2 0 0越- q a m 5 。46 9 g 1 7 42 0 01 & q 圳 表2 3 d v b c 传输模式 4 电子科技大学硕士论文基于d v b - c 全数字q a m 接收机的设计及其载波恢复的实现 第三章基于d v b c 的q a m 接收机及其载波恢复的设计 一个基于d v b c 的全数字q a m 接收机，要完成的主要功能是对接收到的 d v b c 信号进行匹配滤波，载波恢复，符号同步，判决反馈均衡等信道处理。 所有的这些全部采用数字处理，没有模拟反馈环节，从而避免了模拟设计，降 低设计难度。在参阅了大量的文献和方案之后，作者设计了一个基于d v b 。c 的 全数字q a m 接收机系统框架，其结构如图3 1 所示 图3 1 3 1q a m 接收机的结构及优点 为了讨论方便假设符号速率为7 2 3 m ，经高频调谐器输出的中频信号的频率 的标称值为3 6 1 5 m 。中频信号经过一个固定采样频率( 2 8 9 2 m ) 的a d ，每个 符号采样4 个点。如果没有载波频偏，那么经采样后的数字化的频率为0 5 口i 。 所以先用c o s ( o 5 p i + n ) ，s i n ( 0 5 p i * 1 1 ) 进行解调，将信号解调到零频。实际情况中， 中频信号是有频偏的，所以还要进行载波恢复。载波恢复环路由f d ，p f d 两级 环路组成。f d 环路能捕捉较大的频偏，一旦锁定后，即用固定的频率进行解调， 但仍有残余频偏。f d 解调后的数据送入定时同步模块。 定时同步模块有两个功能： 一是降低速率，使每个符号采样两个点。二是通过同步误差提取，环路 电子科技大学硕士论文基于d v b ，c 全数字q a m 接收机的设计及其载波恢复的实现 滤波，调节采样时钟的相位，使得其中一个采样点为最佳观察点( 这个时候眼 图最大) 。速率降低以后的数据经过匹配滤波器的滤波，再通过p f d 的二次解调， 消除残余频偏之后送入复数均衡器。均衡器的输出一路送到p f d ，检测残余频 偏。另外一路送入s l i c e r ( 判决器) ，根据i ，q 的电平，找到其对应的码字。最 后一路送入a g c 模块，计算平均能量，得到误差信号，反馈到高频头。 采用这种方案的有点有以下几点： 采样时钟固定，没有反馈回路，符号同步，载波恢复全部在数字域进行。 根据带通抽样定理，选择合适的采样频率2 8 。9 2 m ，有两个好处： 第一采样频率低，a d 的设计难度明显降低。 第二经过高频调谐后的信号频率为3 6 1 5 m ，如果中频频率没有偏移，那么 其对应的数字频率o 5 p i ，用o 5 p i 对其进行解调，就可以得到零频的信号。而 c o s ( o 5 p i 4 n ) = l ，0 ，- 1 ，0 ，s i n ( 0 5 p i + n ) = o ，1 ，0 ，- 1 这种正交解调只需要简单的 控制逻辑就能实现。 匹配滤波器安排在定时同步，速率降低之后( 每个符号的采样点由4 变成2 ) ， 滤波器的阶数 n ：( - 2 0 l 0 9 6 - 7 9 5 ) x f 。+ 1 1 4 3 6 x v 与过渡带宽鲈成反比，与采样频率声成正比，所以低速率情况之下带来以下好 处： 一是滤波器阶数降低，减少了硬件消耗。二是大大的降低了对运算速度的 要求，运算速度低。三是运算速率低，还可以有效的降低功耗。 经过0 5 p i 解调后的信号仍有频率误差的，所以要进行频率锁定。采用两级 解调的好处是，第一级f d 可以捕捉相当大的频率偏移( t f l i 论值为0 5 p i ，以采 样频率2 8 9 2 m 计，达到7 2 3 m ) 。但f d 锁定后的频率误差较大，随后接一个 p f d 可以精确的捕捉残余频偏。因为p f d 与盲均衡器的隔得很近，所以与某的 f d ，p f d 并行方案相比，这种f d ，p f d 串行工作方式调节频率时延最小。 3 2 带通抽样定理及应用 对于一个中心频率为如，最高频率为f m ，最低频率为五的带通信号来说 电子科技大学硕上论文基于d v b - c 全数字q , u v l 接收机的设计及其载波恢复的实现 不需要大于2 倍力的采样频率，只要正确选择采样频率，依然司以重建其模拟 信号。 设聊一= 阮b 】，b 】表示不大于x 的最大整数 b = 厶一五为信号的带宽 根据带通抽样定理，只要采样频率大于信号带宽的两倍，五满足 鲁声丝m ，删，2 ，m 。， 就能保证采样无混叠。 为了得到最稳健的抽样，最优化的抽样频率为： = 羔， 经抽样后的信号频谱周期化，周期为厶= 羔，各个镜像信号频谱的中心 频率为 厶一n 厶= 五一互4 鬲n f o ，n ( 吨m ) 以采样频率的一半羔为1 ，将其归一化，其数字化的频率为 m 一2 疗+ j 1 ，h ( ，) ( 3 1 ) 也就是说各镜像信号的中心频率正好位于区域【七国，( 七+ 1 ) 】的中点，其中 珂( 一。，叫，= 2 如。当m 为奇数时，频谱正向放置；当脚为偶数时，频谱 反向放置。如图3 2 所示。 电子科技大学硕士论文基于d v b - c 全数字q a m 收机的设计及其载波恢复的实现 u o q 岫o _ h p ，k 岛 瑚 蟹斗 由d h 研 柚 图3 2 在我们的系统中五2 3 6 1 5 m ，为了使频谱正向放置，并尽量使。，小，而且 每个符号采样点要大于等于4 ，所以取埘= 2 ，确定了采样频率z 。= 2 8 9 2 m 。 式( 3 1 ) 中n = 1 时，它的数字化的频率即为0 5 p i 。 3 3s m f d 的原理及应用 为了讨论方便，q a m 信号采用复数形式。假设发送的信号为 s ( f ) = 口 h ( t k t ) e 2 神+ 8 接收端接收到的信号为 ，( f ) = a k h ( t k t ) e 胛神”+ ( f ) 疗( f ) 为加性复高斯自噪声，假设其实部和虚部相互独立，并且服从j v ( 0 ，c r 2 ) 分布，则n 的概率密度为 p ( n ) = 荔e 监2 2 ，ii 代表求模运算，下同。 则最大似然函数为 电子科技大学硕士论文基于d v b c 全数字q a m 接收机的设计及其载波恢复的实现 工= ( 赤) ue x p 一万1z 鲁i v 旷r 驰j 2 ) l i m 一驴1 沙n 飞( 硝1 = 一枷心一刮2 西 使l 最大化，等价于使a ( ，) 最大化 a ( ，卜击少( ) 嘶刊2 田 一击眇) _ 印) 】 坤卜印| 厂) + 出 = 一击妒叫2 衍+ 击乒。力o ，叫玎，协一击弘“，1 2 出 = 一击肛d 1 2 卉+ 瓦2r c 心n 可；，弦) _ 击少“) 1 2 西 第一项不含参数厂第三项是一个常数，它等于在观测时间t o 内对任何的 信号能量，因此使a ( ，) 最大等价于使厶最大，即 厶_ k 畴p 咯( 触) = r e 寺如) ( t - k t ) e - “2 咖8 锄 1 0l 假定观测时间为t o = m t ，其中m 为正整数，则 厶= r e ( 寿姜+ 1 ) r r ( d 一怛椰协( 卜打) 奶 = r e 口：酢) j 0 0 = 争 r e ( ) r e ( k ) + i m ( a 2 ) i m ( b ；) 1 0k = 0 魄为第七时间间隔中匹配滤波器的输出。似然函数经过的平均，并假设吼的 实部和虚部独立而且概率分布相同，则 厶= 争 r e ( 如) r e ( 以) + i m ( 良) i m ( 以) ) 0k = o 电子科技大学硕士论文基于d v b c 全数字q a m 接收机的设计及其载波恢复的实现 = r e ( 吃) 2 + i m ( ) 2 j 7 0k = o = 瓦4 白。t - i r e ( k ) r e ( 等) + i m ( 训m ( 等) ) = 争 r e ( 6 i ) r e ( c k ) 十i m ( b k ) i m ( c 。) ) 0k = o 所以可以得到控制信号： 矗= r e ( b k ) r e ( c k ) + i m ( b k ) i m ( c 女) 唧= 百t 3 b k 即为解调后的数据通过频率匹配滤波之后的数据，频率匹配滤波器的 传输方程为u ( ) ：里! ：堕，日 ) 为矿( 一f ) 对应的傅立叶变换，所以可以求得 频率匹配滤波器的冲激响应为“( r ) ：一f 2 n r h ( _ 彳) 以下推导控制信号巩的实形式 设解调后的信号为 d ( f ) = ，( r ) p 一7 ( 2 神+ 们= ，( f ) + j q ( r ) 匹配滤波器为： r e ( t ) = + ( 一r ) 频率匹配滤波器为： u ( t ) = - j 2 n t h ( 一t ) = - j v ( t ) ，其中v ( t ) = 2 n t h + ( 一t ) 因为 ( r ) 是实偶对称的，所以矿( 一f ) = ( f ) 经过匹配滤波之后的信号为： 6 ( r ) = d ( t ) 0 m ( t ) = i ( t ) o h ( t ) + j q ( t ) 圆厅( f ) 经过频率匹配滤波之后的信号为： c ( r ) = d ( t ) o u ( t ) = 一q ( t ) 0 v ( t ) 一f l ( t ) o v ( t ) 占( r ) = r e ( 6 ( f ) ) r e ( c ( t ) ) + i m ( b ( t ) ) i m ( c ( ，) ) = ( ，( f ) ov ( r ) ) ( q ( t ) 0 ( r ) ) 一( ，( ，) o 五( f ) ) ( q ( f ) 0v ( f ) ) 电子科技大学硕士论文 基于d v b - c 全数字q a m 接收机的设计及其载波恢复的实现 2 j m q 一i f q f ，。是i 经过匹配滤波后的数据 ，。，是i 经过频率匹配滤波后的数据 q 。是q 经过匹配滤波后的数据 q 。，是q 经过频率匹配滤波后的数据 为了进一步简化频率匹配滤波器的实现，根据s m f d ( s i m p l m e d m a x i m u m l i k e l i h o o d f r e q u e n c y d e t e c t o r ) 算法，匹配滤波器u ( t ) = j 2 n t h + ( 一r ) 可 以由w ( f ) = - j s g n ( t ) h + ( 一r ) 代替。 其实现形式如图3 _ 3 图3 3f m f 与m f 的实现形式 只需要在匹配滤波器上增加少许控制逻辑就可以实现频率匹配滤波器，还 可以将误差迸一步简化成s = s g n ( ，。) s g n ( q a 。- ) 一s g n ( l 。) s g n ( q 。) ，这样不 需要乘法器，只需要异或门就能实现了。 频率误差与占的关系如图3 4 所示： 2 1 电子科技大学硕士论文 基于d v b - c 全数字q a m 接收机的设计及其载波恢复的实现 s c u r v e 二萎囝1 棚洲轴_ 一一 - 6 团0 州 ；谢 图3 4f d 的s 曲线 横坐标是，纵坐标是s 在一段观察时间之内的的平均值 环路滤波器采用一阶环路滤波器，传输函数为 c 2 刍， 传输方程为 f ( z ) = c ( z ) e ( z ) 其差分方程为 f k = f k 一1 + ，- s 七】 ，刻划了环路噪声带宽，越大收敛越快，收敛曲线抖动越大，y 越小收敛 越慢，收敛曲线抖动越小，应该在收敛速度和抖动之间做一个折中，选择合适 的值。 锁定检测器，根据s 曲线，当频率锁定以后( v 很小) ，s 的平均值趋于0 ，所 以把这个条件作为判断f d 频率是否锁定的依据。 皇王型垫奎堂堡圭丝壅 茔! 望竺：! 全墼兰旦型垫! ! 茎垫塑垦生墨苎璺塾堕墨! ! ! 堕 3 4p f d 的原理及应用 7+ ， 一 - + r - i +) ( 图3 5p f d 的a d u ( a r e ad e c i s i o nu n i t ) 如图3 5 所示，鉴相器只追踪星座图四个角落上的星座点，对解调后的数据 进行判断，当其落入+ ，a d u 输出为+ 1 ，标志相位超前，当其落入一，a d u 输出为一1 ，标志其相位滞后，落入其他区间，a d u 输出为0 ，表示相位正确。 + 上 +和+ 诬 害( o - - 1 8 0 口一9 0 00 09 矿 1 8 0 0 图3 6 鉴相器的输出 电子科技大学硕士论文基于d v b ! 全塑兰里垒型堡些塑竺堡堕墨茎塾茎塑堡塑壅塑 鉴相器的输出如图3 6 所示，因为星座点旋转9 0 度不变，所以鉴相输出也 是以9 0 度为周期的。星座点依概率平均分布，所以不管频率为正为负，鉴相器 的平均输出为0 ，鉴相器输出没有频率信息。 如果加入一种保持机制： i | i f e d ( 疗) i fu d g u = 0 z _ l f e d ( h + 1 ) = + 1 i fu a d u = + 1 l 一1i fu a d u = 1 j 挈) o + + + 十 一1 8 旷-90。0。9 0 *1 8 0 * 图3 7 频率为正，鉴相器保持