（通信与信息系统专业论文）基于国标dtv单载波模式的载波恢复算法研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 高清晰度数字电视( h d t v ) 是当今广播行业最引人注目的焦点之一，具有 很大的市场潜力，对国家的政治、经济、文化和生活等各方面都会产生深远影 响。在中国地面数字电视传输标准颁布以前，世界上已经形成了三大地面数字 电视标准，分别是：美国的a t s c 标准( a d v a n c e dt e l e v i s i o ns y s t e m sc o m m i t e e ) 、 欧洲的d v b t 标准( d i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t i n g t e r r e s t r i a l ) 以及日本的i s d b t 标 准( i n t e g r a t e ds e r v i c e sd i g i t a lb r o a d c a s t i n g t e r r e s t r i a l ) 。2 0 0 6 年8 月30 日，中国 标准化管理委员会发布了数字电视地面广播传输系统帧结构、信道编码和调 制标准，并已于2 0 0 7 年8 月1 日起正式实施。该标准的颁布和实施为我国地 面数字电视业务的开展奠定了基础，并全面启动了我国数字电视市场。 在数字电视接收机的设计中，同步问题是首先要考虑的，同步可以说是接 收机实现的基础，只有具备了可靠的同步能力，才能使系统中的其他部分，如 均衡和解码，正常工作。载波恢复是同步的重要组成部分，也是本文紧紧围绕 研究的课题。由于接收端本振时钟的不精确以及信道的快速衰落使得被传送信 号偏离中心频谱，会导致下变频后的基带信号存在一定的频率偏移；同时，信 号的相位在传输过程中也会因有线信道的时变特性、下变频电路等引起一定的 抖动。这些原因所引起的频率和相位偏差都需要通过载波恢复来补偿。 在本文中，笔者首先对中国地面数字电视广播传输系统进行了介绍，并针 对数字电视地面广播传输系统帧结构、信道编码和调制标准，采用理论分 析和实验结果相结合的方法提出了一种可应用于国标d t v 单载波模式的双导频 载波恢复算法，重点对算法的原理和结构进行了说明。该算法充分利用了国标 单载波模式下双导频的特点，通过两个独立的锁频锁相环分别利用正负导频完 成频偏估计，并采用环路加权求和的方式对抗多径干扰所导致的导频衰落。最 后在c 仿真平台上，对算法在高斯白噪声信道和多径信道等条件下的性能进行 了仿真。仿真结果证明，本算法在多径信道条件下，能改善单一导频发生衰落 时所导致的性能恶化，相对单导频载波恢复算法具有更好的性能。 关键词：地面数字电视，单载波模式，载波恢复，双导频，多径干扰 a b s t r a c t h d t vi sr e c e n t l yo n eo ft h eh o tp o i n t si nt h eb r o a d c a s t i n gi n d u s t r y i th a s g i g a n t i cm a r k e tp o t e n t i a l ，a n dw i l li n f l u e n c e t h ep o l i t y ，e c o n o m y ，c u l t u r ea n dl i f ei na n a t i 衄b e f o r ec h i n e s ed t t bs t a n d a r dc a m eo u t ，t h e r eh a sb e e nt h r e em a i ns t a n d a r d s o ft e r r e s t r i a lb r o a d c a s t i n go fd i g i t a lt e l e v i s i o n ：a t s c ( u s a ) ，d v b _ t ( e u r o p e ) a n d i s d b t ( j a p a n ) o na u g u s t3 0 山i n2 0 0 6 ，c h i n e s ed t t bs t a n d a r dg b 2 0 6 0 0 2 0 0 6 w a si s s u e db yt h es t a n d a r d i z a t i o na d m i n i s t r a t i o no fc h i n a ( s a c ) ，a n dw a sc a r r i e d i n t oe x e c u t i o no na u g u s t1 豇i n2 0 0 7 t h ei s s u ea n da c t u a l i z a t i o no fc h i n e s ed t t b s t a l l d a r de s t a b l i s h e dt h ef o u n d a t i o nf o rt h ed e v e l o p m e n to fc h i n e s et e r r e s t r i a ld t v ， a n ds t a r t e du pc h i n e s ed t vm a r k e t d u r i n gt h ep r o c e s so fd t v r e c e i v e rd e s i g n i n g ，s y n c h r o n i z a t i o ni sp r i n c i p a l i ti s t h eb a s i co fo t h e rp a r t sw e l l w o r k i n g ，s u c ha se q u a l i z a t i o na n dd e c o d i n g 。c a r r i e r r e c o v e r yi st h ec h i e fc o m p o n e n to fs y n c h r o n i z a t i o n ，a n da l s oi st h ec e n t r a lp a r to f t h i s p a p e r b e c a u s eo ft h eu n p r e c i s i o no ft h el o c a lo s c i l l a t o rc l o c ka n d t h ec h a n n e l sf a s t d e c l i n e ，t r a n s m i t t e ds i g n a lm a yd e p a r tf r o mt h ec e n t r a lf r e q u e n c y ，w h i c hw i l lr e s u l ti n t h ef r e q u e c yo f f s e to ft h eb a s e b a n ds i g n a la f t e rd o w n - c o n v e r t i n g a tt h es a m et i m e ， d u r i n gt h ep r o c e s so ft r a n s m i s s i o n ，t h e c a b l ec h a n n e l st i m e v a r i a t i o na n dt h e d o w n c o n v e r t i n gc i r c u i tm a ya r o u s ep h a s ej i t t e r b o t hf r e q u e n c yo f f s e t a n dp h a s e j i t t e rn e e dc a r r i e rr e c o v e r yt oc o m p e n s a t e i nt h i sp a p e r , t h ea u t h o ri n t r o d u c e dt h ec h i n e s ed t t bt r a n s m i s s i o ns y s t e m f i r s t l y i ns u c c e s s i o n ，t h r o u g ht h e o r e t i ca n a l y s i sa n ds i m u l a t i o n ，t h i sp a p e rp r e s e n t e da n e wd u a l - p i l o tc a r r i e rr e c o v e r ya l g o r i t h m ，w h i c hc a nb ea p p l i e dt ot h es i n g l e c a r r i e r m o d ei nt l en a t i o n a ld t t bs t a n d a r da n df o c u s e do ni l l u m i n a t i n gt h ep r i n c i p l ea n d s t r u c t u r eo ft h en e wa l g o r i t h m t h i sa l g o r i t h mt a k e sf u l la d v a n t a g eo fd u a l 。p i l o t u n d e rs i n g l e c a r r i e rm o d e ，a n du t i l i z e sac o u p l eo fi n d e p e n d e n tf p l lt o e s t i m a t e f r e q u e n c yo f f s e t f u r t h e r m o r e ，t h i sa l g o r i t h ma d o p t sw e i g h t e da d d i n gt or e s i s tp i l o t d e c l i n ec a u s e db ym u l t i p a t h i n t e r f e r e n c e a tt h ee n do ft h ep a p e r ，t h ea l g o r i t h mw a s s i n l l a t e du n d e rd i f f e r e n tc h 锄e lc o n d i t i o ns u c ha sa w g n ，s s ea n dd s e ，a n dw a s l l 武汉理工大学硕士学位论文 p r o v e dt o h a v eb e a e rp e r f o r m a n c et h a ns i n g l e p i l o tc a r r i e rr e c o v e r ya l g o r i t h mi n m u l t i p a t hc h a n n e l k e yw o r d s ：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 lb r o a d c a s t i n g ，s i n g l e c a r r i e rm o d e ，c a r r i e r r e c o v e r y ，d u a l p i l o t ，m u l t i - p a t hi n t e r f e r e n c e i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的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。尽我所知，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，也不包含为获得武汉理工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了谢意。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保 留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：互佩 导师签名：缈b l 日期：丛耳 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 在以数字化为中心的信息时代发展浪潮的推动下，数字化技术得到了极充 分的应用。在通信、医疗卫生、工业、军事、科研教学、金融、商贸、交通运 输、新闻出版等领域，数字化技术充分展示了其抗干扰性强、保密性好、传输 性能佳和融合性强等优势。据有关资料显示，数字化技术最大的市场还是在通 信设备和消费类电子产品领域。数字电视( d t v ) 是消费类电子产品的核心和集 成，因而目前已成为国际社会竞争的焦点。近几年来，数字电视正处于蓄势待 发的状态，而随着无线通信理论的成熟以及半导体、集成电路技术的高速发展， 宽带无线传输技术获得了广泛的应用，接收机的全数字化已成为可能。高清晰 度数字电视技术已作为一项重大产业越来越受到各国的重视，蕴藏着巨大的市 场潜力。 1 1 数字电视概论 i i 1 数字电视的含义 “数字电视”的含义并不是指我们一般人家中的电视机，而是指电视信号的处 理、传输、发射和接收过程中使用数字信号的电视系统或电视设备。数字电视 从演播室到发射、传输、接收的所有环节都使用数字信号，其具体传输过程是： 由电视台送出的图像及声音信号，经数字压缩和数字调制后，形成数字电视信 号，再经过卫星、地面无线广播或有线电缆等方式传送，由数字电视接收后， 通过数字解调和数字视音频解码处理还原出原来的图像及伴音。因为全过程均 采用数字技术处理，因此，信号损失小，接收效果好。 数字信号的传播速率是每秒1 9 3 9 兆字节，如此大的数据流的传递保证了数 字电视的高清晰度，克服了模拟电视的先天不足。同时，数字电视允许几种制 式信号的同时存在，每个数字频道下又可分为几个子频道，因此既可以用一个 大数据流每秒1 9 3 9 兆字节来传输，也可将其分为几个分流，例如4 个，每 个的速度就是每秒4 8 5 兆字节，这样虽然图像的清晰度要大打折扣，却可大大 增加信息的种类，满足不同的需求。 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 2 数字电视的优越性 数字电视技术与原有模拟电视技术相比，具有如下优点： ( 1 ) 具有极高的图像分辨率和清晰度。高清晰度电视可提供相当于标准清晰 度电视画面5 倍的信息量，最高清晰度超过1 3 0 0 线，相当于目前模拟电视画面 清晰度的2 3 倍。 ( 2 ) 信号处理与传输的质量主要取决于信源。因为数字设备只输出“l ”、“0 ” 两个电平，在恢复时不究其大小，因而信号稳定可靠，抗干扰性强，非常适合 远距离的数字传输。模拟信号在传输过程中噪声会逐步积累，为了保证最终的 输出有足够的信噪l 七( s n ) ，就必须对各种处理设备提出较高信噪比的要求，而 数字信号在传输过程中基本上不产生新的噪声，信噪比基本不变，模拟信号要 求s n 4 0 d b ，而数字信号只要求s n 2 0d b ，所以在相同的覆盖面积下，数字 电视大大地节省了发射功率。 ( 3 ) 易于实现信号的存储，而且存储时间与信号的特性无关。近年来，大规 模集成电路技术发展迅速，使得半导体存储器可以存储多帧电视信号，从而完 成模拟技术不可能达到的处理功能。例如，使用帧存储器可以实现帧同步和制 式转换等处理，获得各种新的电视图像特技效果。 ( 4 ) 数字电视采用数据压缩技术，便于实现计算机网或i n t e m e t 、电视网、电 信网走向融合，构成一类多媒体通信系统，成为未来国家信息基础设施( n i i ) 的 重要组成部分。 ( 5 ) 数字技术可实现时分多路复用，充分利用信道容量，利用数字电视信号 中的行、场消隐时间，实现文字多工广播( 容易实现数字变换为图、文、声、数 据并茂的综合业务数字网开拓了广阔的应用领域) 。 ( 6 ) 可以合理地利用各种类型的频谱资源。以地面广播而言，数字电视在今 后能够采用“单频率网络”( s i n g l ef r e q u e n c yn e t w o r k ) 技术，大大提高了系统容量。 例如l 套电视节目仅占用同1 个数字电视频道而覆盖全国。此外，现有的 6 m h z 模拟电视频道，可用于传输l 套数字高清晰度电视节目或者4 6 套质量 较高的数字常规电视节目，或者1 6 2 4 套与家用v h s 录像机质量相当的数字 电视节目。 ( 7 ) 数字电视的出现还将极大地改变信息家电的市场结构。目前，模拟电视 机除了产业结构不合理外，重要的还是因其相对技术含量不高，导致在飞速发 展的电子产品市场竞争中处于不利地位。而数字电视能够促进电视机扩大画面、 武汉理工大学硕士学位论文 提高分辨率及展宽屏面，并以全新型电视机的姿态提高销售价格。 应该说，数字电视还有很多其他优点，如灵活和实用的人机交互界面，开 放性和兼容性较好等，可以预见，未来的数字电视将会具有智能化的计算机功 能，不仅仅提供高质量的多媒体声像服务，完成交互任务，还能按照人们的愿 望去实现“自动调节要求”。总而言之，数字电视是大势所趋，是人类进入信息社 会和数字化时代的又一历史性的重要历程，相信不远的将来，数字电视技术及 其产品将会有更大的进步和发展，并步入每个家庭。 1 1 3 数字电视的分类 数字电视可以按以下几种方式分类： ( 1 ) 按信号传输方式分类：可以分为地面无线传输( 地面数字电视) 、卫星传输 ( 卫星数字电视) 、有线传输( 有线数字电视) 三类。 ( 2 ) 按产品类型分类：可以分为数字电视显示器、数字电视机顶盒、一体化 数字电视接收机。 ( 3 ) 按清晰度分类：可以分为低清晰度数字电视( 图像水平清晰度大于2 5 0 线) 、标准清晰度数字电视( 图像水平清晰度大于5 0 0 线) 、高清晰度数字电视( 图 像水平清晰度大于8 0 0 线，即h d t 。v c d 的图像格式属于低清晰度数字电视 ( l d ) 水平，d v d 的图像格式属于标准清晰度数字电视( s d t v ) 水平。 ( 4 ) 按显示屏幕幅型分类：可以分为4 ：3 幅型比和1 6 ：9 幅型比两种类型。 ( 5 ) 按扫描线数( 显示格式) 分类：可以分为h d t v 扫描线数( 大于1 0 0 0 线) 和 s d t v 扫描线数( 6 0 0 - - - 8 0 0 线) 等。 1 2 国内外地面数字电视传输标准 数字电视广播主要通过卫星、有线电视及地面无线等几种方式实现。由于 无线信道的复杂性，地面广播是技术难度最高的，也是竞争最激烈的领域，尤 其是针对使用单载波技术还是多载波技术仍旧是业内争论的焦点。在中国地面 数字电视传输标准颁布以前，世界上己经形成了三大地面数字电视标准体系， 分别是：美国的a t s c 标准( a d v a n c e dt e l e v i s i o ns y s t e m sc o m m i t e e ) 、欧洲的 d v b t 标准( d i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t i n g t e r r e s t r i a l ) 以及日本的i s d b t 标准 ( i n t e g r a t e ds e r v i c e sd i g i t a lb r o a d c a s t i n g - t e r r e s t r i a l ) 。2 0 0 6 年8 月3 0 日，中国国 武汉理工大学硕士学位论文 家标准化管理委员会发布了数字电视地面广播传输系统帧结构、信道编码和 调制标准，标准号为g b 2 0 6 0 0 2 0 0 6 ，并已于2 0 0 7 年8 月1 日起正式实施。该 标准的颁布和实施为我国地面数字电视业务的开展奠定了基础，并全面启动了 我国的数字电视市场。 1 2 1 美国a t s c 标准 作为国际公认的头号政治经济强国，美国的数字电视发展目前也是遥遥领 先，是最早提出数字电视广播制式和进行数字电视广播的国家。1 9 9 3 年5 月， 美国成立了大联盟( t h eg r a n d a l l i a n c e ) ，开始从竞争走向合作；1 9 9 6 年1 2 月，美 国联邦通信委员会f f c c ) 批准通过了以h d t v 为基础的a t s c 数字电视标型1 】【2 】， 成为电视技术发展史上的一个里程碑，电视广播从此进入数字化的新时代。该 标准于1 9 9 7 年被接受为国际电讯联盟( i n j ) 的第一个数字电视传输国际标准。 美国a t s c 标准信源编码采用m p e g 一2 视频压缩和a c 3 音频压缩，信道编 码采用v s b 调制，还采用了当时单载波传输调制和纠错编码的一系列技术成果， 使这一标准具有较高的频谱效率和较高的抗高斯白噪声能力。其技术优势主要 在于：噪声门限低( 接近于1 4 9 d b 的理论值) 、传输容量大( 6 m h z 带宽传输 1 9 3 m b p s ) 、传输远、覆盖范围广和接收方案易实现等。但是，该标准也存在一 系列问题，最主要的是不能有效对付强多径和快速变化的动态多径，造成某些 环境中固定接收不稳定以及不支持移动接收，此外其支持移动接收和单频网组 网的能力也尚待进一步改进提高。 美国国会曾制定过一个计划，规定到2 0 0 6 年停止模拟n t s c 电视广播，全 部改为数字电视广播。按此计划，美国己于1 9 9 8 年1 1 月1 日开始了数字电视 地面广播，有2 4 个电视台发送全数字电视1 9 9 9 年1 1 月1 日，有1 2 0 个电视台 播出数字电视节目，其余的电视台在2 0 0 3 年5 月1 日播出数字电视。尽管已经 有不少的区域性电视台已经在播放数字电视节目，但能收看到这些节目的观众 还是非常的少，最大的原因在于数字电视的价格居高不下，而且这些节目的可 看性也不是很强。据国外媒体报道，美国消费电子协会日前发表最新调查报告 称，美国仅有一半的家庭拥有了数字电视，显然，这与美国政府的目标仍相差 甚远。美国联邦通信委员会已经要求美国所有的电视广播在2 0 0 9 年2 月1 7 日 之前全面实现数字化。 4 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 2 欧洲d v b t 标准 1 9 9 5 年，欧洲1 5 0 个组织合作开发数字视频广播( d v b ) 项目，并成立了d v b 联盟，d v b 联盟共同制定了数字电视的d v b 标准。d v b 标准主要分成三大类： d v b s ，d v b c 和d v b t 。其中，d v b s ( 数字卫星电视系统) 和d v b c ( 数字 有线电视系统) 己经成为全世界应用在卫星和有线电视网络中的数字电视传输国 际标准。 d v b t 标准p j 于1 9 9 7 年提出，其中采用了多载波调制c o f d m ( c o d e o r t h o g o n a l f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 无线传输技术。o f d m 是一种多载波 调制技术，其基本思想是高速率的信息流通过串并转换，形成n 个并行的低速 率流，然后用n 个相互正交的载波进行调制。c o f d m 是结合了信道编码的 o f d m 技术，它用编码技术结合时域和频域交织技术来消除信道的频率选择性 衰落。d v b t 标准的技术核心是频域连续周期和离散带内导频技术，用于时钟 恢复、信道估计和相位噪声估计等，抵抗宽带多径衰落和多普勒衰落的能力较 强，并具有支持移动接收和单频网应用的能力。该标准于1 9 9 8 年被接受为i t u 的第二个数字电视传输国际标准。但由于导频信号需要较高的能量，并占用频 谱资源，使其白噪声接收灵敏度和频谱利用率降低。o f d m 技术本身也存在峰 均功率比高和对相位噪声相对敏感等问题。 在欧洲，英国、瑞典和西班牙是最早开播地面数字电视的国家，1 9 9 8 年1 0 月第一个数字地面广播b b c 的o n d i g i t a l 在英国开播，荷兰、芬兰、德国、瑞 士和意大利也已先后开办地面数字电视，法国在2 0 0 5 年3 月正式开播。到2 0 0 4 年第一季度，欧洲的地面数字电视家庭用户已达到3 8 3 万户以上；英国和芬兰 地面数字电视的普及率分别达到1 2 和1 3 1 。英国贸易工业部已拟出草案，规 定2 0 1 0 年为模拟电视信号转换为数字信号传输的最后期限。但由于欧洲部分地 区对转换数字电视持不积极态度，停止模拟信号播放，全面转换成数字信号电 视的时间将会向后拖延，预计欧洲的数字电视转换日程多则将比当初计划的时 间延后l o 年以上。德国当初计划在2 0 1 0 年之前完成数字转换，但从目前的状 况看，可能会延迟到2 0 1 6 年左右。曾宣布要在2 0 0 6 年完全转换成数字信号方 式的意大利，。现在预计要到2 0 2 0 年才能完全结束模拟信号的播放。另外，作为 政府立场采取积极态势的英国，数字信号的全面转换时间也将推迟到2 0 1 5 年。 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 3 日本i s d b t 标准 同欧洲一样，日本也选用了c o f d m 无线传输技术，但又根据自己的研究 有所创新，提出了综合业务数字地面广播( i s d b t ) 方案【4 l 。与欧洲标准不同的是 它将整个带宽分割成若干个频率段，称为o f d m 段。i s d b t 的带宽分为两 种：5 6 m h z ( 宽带i s d b t ) 和4 3 0 k h z ( 3 0 0 0 7 k h z ，窄带i s d b t ) 。每个o f d m 段可 以独立的选取调制方式、内码码率和时间交织，使之能够满足综合业务接收机 的需要，提供灵活多样的广播服务。其技术优势主要在于：可以实现高清晰度 电视广播等的高质量广播及多频道广播；可以实现随时组合多种运用形态的广 播，并可以灵活运用频率带宽；可以实现良好的手机及移动接收。 日本数字电视地面广播于2 0 0 3 年1 2 月1 日在东京、大阪和名古屋开始播 出。日本计划定于2 0 1 0 年全国地面数字电视广播收视率达到8 5 以上，同时， 到2 0 11 年全国范围内的所有电视台都将采用数字信号发送，彻底结束模拟信号 发送的历史。 1 2 4 中国地面数字电视标准 中国地面数字电视标准于2 0 0 6 年8 月3 0 日由中国国家标准化管理委员会 发布，2 0 0 7 年8 月1 日起正式强制实施。该标准的正式颁布，将推动我国广播 电视事业快速、有序地向数字化过渡，促进我国电视产业的优化升级和可持续 发展，为更好的满足广大入民群众的需要发挥积极作用。 中国地面数字电视标准包含了单载波和多载波两种模式，是此前上海交大 的a d t b t 标准和清华大学的d m b - t 标准的融合，支持在8 m h z 电视带宽内传 输4 8 1 3 m b p s 3 2 4 8 6 m b p s 的净荷数据率，支持开展标准清晰度电视业务和高清 晰度电视业务，支持包括固定接收和移动接收在内的多种接收模式。此外，标 准还支持多频网和单频网的组网模式。 a d t b t 1 5 儿6 】【7 j 方案基于单载波时域调制技术，其最大技术贡献是突破了目 前国际上普遍认为的单载波无法实现移动接收的技术瓶颈。该方案在世界范围 内率先实现了8 m h z 带宽内1 2 m b p s 高数据容量的稳定移动接收效果，为我国自 主制定的地面数字电视广播标准能够真正超越现有国外相应标准，提供了坚实 可靠的技术基础，也为我国在宽度无线通信技术研究领域开辟了新的发展空间。 此外，该方案采用双导频信号，使载波恢复和时钟恢复更稳健、更迅速，信道 估计也更加准确。 6 武汉理工大学硕士学位论文 d m b t 【8 】方案采用了p n 序列填充的时域同步正交频分复用( t d s o f d m ) 多 载波调制技术。与现有的国外数字电视地面标准相比，此标准的优势主要包括： 提供了更大的有效载荷、能够在高速移动状态下接收、能更好的支持单频网、 具有更高的接收灵敏度等。 地面数字电视广播系统是国家广播电视技术体系的重要组成部分，它与卫 星数字电视广播系统和有线数字电视广播系统以及辅助系统等协同为大众提供 全面的覆盖，是我国广播电视综合覆盖网中的重要部分。地面数字电视广播系 统主要解决全国2 3 收不到有线电视的用户的收视问题，地面数字电视标准的发 布将率先和重点服务于这些城郊和农村地区的用户，有效地解决8 亿有线电视 网以外城郊和农村居民看电视的困难。而且大面积覆盖，使原先只能收到2 、3 套模糊的模拟电视信号的用户可收到4 0 至5 0 套较清晰的数字电视。根据我 国有线电视向数字化过渡时间表，我国数字电视采取先试点后推广的分阶段逐 步实施的办法，2 0 0 8 年我国主要城市将完成数字化过渡，北京奥运会将采用数 字信号转播，2 0 1 5 年将全面停止模拟电视信号的播出。有专家预计，今后三年 中国数字电视用户数量每年将以三倍的速度增长，最终，中国的数字有线电视 用户数会超过互联网的规模。 1 2 5 其他国家 随着数字技术、信息技术的飞速发展，广播电视行业网络化数字化已经成 为不可逆转的趋势。除了美日欧等为代表的第一阶梯国家顺利开播了数字电视 节目以外，全球许多国家都开始了数字电视播出、试验或进行了积极的探索。 韩国在首尔进行地面数字电视试验之后，决定采用美国的a t s c 标准。并且 于2 0 0 3 年在六个城市开展地面数字电视业务，到2 0 0 4 年推广到全部省会城市， 2 0 0 5 年全国开播。同时韩国政府计划在2 0 1 0 年结束模拟信号传输，届时其国内 的数字电视普及率将达到9 5 。到日前为止，韩国的数字电视产品的销售额己 经超过了模拟电视，成为主导产品，己经充分显示了数字电视的发展潜力。 新加坡正向数字化迈进中，经过复杂的试验后，选择欧洲d v b t 作为标准， 并于2 0 0 1 年9 月开始了交互电视的试播。 加拿大自从2 0 0 1 年秋季推出5 0 个数字电视频道之后，收看数字电视频道 的观众迅猛发展，到2 0 0 2 年第三季度其数字电视订户己经激增至2 9 0 万户。 南美国家巴西通过对欧洲、美国和日本数字电视标准的测试，决定采取日 7 武汉理工大学硕士学位论文 本的地面数字电视标准i s d b t 。 除此之外，中国的台湾、香港地区以及澳大利亚等国在数字电视方面分别 制定了模拟转数字的时间表，对数字电视技术进行了积极的探索。 1 3 我国数字电视技术的发展 我国是模拟电视生产大国，但缺乏自主知识产权，产业发展长期受制于人。 为了占领数字电视发展的制高点，保护和促进我国数字电视及相关产业的发展， 2 0 世纪9 0 年代初，我国的一些科研院校开始了数字电视的跟踪研究。 从1 9 9 2 年开始我国数字电视就已在国家正式立项，并由国务院亲自成立了 相应的领导小组，负责协调和制定战略发展计划。但是，中国h d t v 之路真正 的起点还在1 9 9 5 年底，国家批准组建了h d t v 总体组，实施国家重大科技产业 研究开发项目_ h d t v 功能样机系统研究开发工程”，负责样机的攻关研 发。参与数字电视广播传输系统方案研究的主要单位有上海交通大学、浙江大 学、西安电子科技大学等。 1 9 9 6 年5 月开始，由总体组承担，跟踪和研究国外h d t v 的发展情况，并 自主研制h d t v 传输系统，提出并制定了基于单载波技术的a d t b t 传输方案 和基于多载波技术的b d b t 传输方案。广播科学研究院在“八五”期间国家攻关 项目“高清晰度电视的研究”工作的基础上，于1 9 9 9 年提出了单载波和多载波混 合调制方式的地面数字电视传输方案。以上单位分别根据这3 种方案研制了数 字电视广播传输试验系统，并参与了1 9 9 9 年国庆5 0 周年庆典h d t v 现场转播 试验。 2 0 0 0 年初，清华大学提出了“时域同步正交频分复用”t d s o f d m 传输方案 和d m b t 传输协议，随后基于该方案开发了传输系统原理样机和专用a s i c 收 发芯片组。 2 0 0 1 年，国家标准化管理委员会向全社会广泛征集具有我国自主知识产权 的地面数字电视标准方案，截止2 0 0 1 年4 月3 0 日，收到包括以上4 个方案和 电子科技大学提出的“同步多载波扩频地面数字电视传输系统( s m c c ) ”，共5 个 传输方案。从2 0 0 1 年1 0 月到2 0 0 2 年4 月底，全国广电标委会对这5 个方案的 原理样机进行了统一项目测试、一致性测试和自选项目测试。测试发现了各个 方案样机存在的问题，并确认尽管均不够完善，但说明各系统基本实现了地面 武汉理工大学硕士学位论文 数字电视传输的基本功能。 2 0 0 2 年8 月，国家计委委托国家知识产权局对以上5 个方案进行知识产权 评估，评估结果表明，我国已形成了一批用于数字电视地面传输系统的专利技 术，为自主制定我国数字电视地面传输标准打下了较好的基础。 2 0 0 2 年8 月，国家广电总局广播科学研究院根据广播应用的不断发展，又 提出一套“地面交互多媒体技术框架”( t i m i ) 传输方案以取代原有广科院方案，并 在2 0 0 3 年8 月在北京i s d b 0 3 研讨会期间，进行了该方案的首次开路广播演示。 2 0 0 3 年2 月至6 月，中国工程院受国家计委委托对d m b t 和a d t b t 两 个方案进行了评估。评估表明：两种方案都具有自己的技术特色，样机较过去 有很大改进，经过进一步工作，均有可能达到地面数字电视广播传输标准的基 本要求。工程院同时就下一步标准研制工作的开展提出了建议。 2 0 0 6 年8 月3 0 日，国家标准化管理委员会发布了数字电视地面广播传输 系统帧结构、信道编码和调制标准，标准号为g b 2 0 6 0 0 2 0 0 6 ，并于2 0 0 7 年8 月1 日起正式实施。该标准的颁布和实施为我国地面数字电视业务的开展奠定 了基础，并全面启动了我国的数字电视市场。 广电总局已发布了我国有线电视向数字化过渡时间表，并首批确定了北 京、上海、广州等3 3 个试点地区。根据时间表，我国数字电视采取先试点后推 广的分阶段逐步实施的办法，2 0 0 8 年我国主要城市将完成数字化过渡，北京奥 运会将采用数字信号转播，2 0 1 5 年将全面停止模拟信号的播出。 1 4 本文的主要工作 笔者在2 0 0 6 年9 月至2 0 0 7 年8 月期间，参与了中国地面数字电视标准接 收机芯片的开发项目，主要负责接收机载波恢复算法的研究和开发，采用理论 分析和实验结果相结合的方法，提出了适合于中国地面数字电视传输系统单载 波模式的载波恢复算法及实现结构，并用s y s t e m v i e w 和c 语言对算法的可行性 和性能进行了验证。 在接收机的设计中，同步问题( 包括时钟恢复和载波恢复) 是首先要考虑的， 同步可以说是接收机实现的基础，只有具备可靠的同步能力，才能使系统中的 其他部分，如均衡和解码，正常工作。国外已完成的数字电视室内、移动接收 的测试结果显示，在有足够的信号强度时，接收失败的一半原因是同步丢失。 9 武汉理工大学硕士学位论文 由此可见，同步技术直接影响着接收机性能的优劣，是数字电视接收机的关键 技术基础。 载波恢复技术作为数字通信系统解调器中的重要组成部分，是本文紧紧围 绕研究的课题。本文主要进行了以下几方面的工作： 第一章概述各国地面数字电视标准的发展现状和优缺点，回顾中国地面数 字电视标准的发展历程； 第二章介绍中国地面数字电视传输系统结构，分别说明系统发射机和接收 机中各个模块的功能，并对地面数字电视广播信道的特点和可能受到的干扰进 行分析。 第三章从原理入手，介绍几种目前常见的载波恢复算法，包括插入导频法 和直接法两大类，并进一步分析各种算法的优缺点和各自适用的情况。 第四章首先介绍了锁相环的基础理论，然后针对中国地面数字电视传输系 统单载波模式，提出了相应的载波恢复算法和实现结构，并对算法进行了原理 说明。 第五章对所提出的算法进行性能仿真，并针对仿真结果进行算法的可行性 和性能分析。 第六章是结论性的章节，对中国地面数字电视传输系统及其载波恢复算法 做了总结和展望。 数字电视传输是一种宽带高速率的传输，因此数字电视传输理论的完善和 实现对未来移动通信技术的发展有很大的推动作用。同时，为了促进我国地面 数字电视标准的顺利推行，对数字电视传输系统各个功能模块的理论分析和论 证，以及性能比较是十分必要的。本文通过研究及比较国内外关于载波恢复的 各种方案和算法，结合国标单载波模式的特点，设计了一种适用于我国地面数 字电视传输系统的载波恢复算法，希望能抛砖引玉，为我国地面数字电视的技 术研究工作尽一份微薄之力。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章中国地面数字电视传输系统 2 0 0 6 年7 月3 0 日，国家标准管理委员会发布重大消息称，具有自主知识产 权的中国地面数字电视广播传输系统标准( g b 2 0 6 0 0 2 0 0 6 ) - - 一数字电视地面广 播传输系统帧结构、信道编码和调制，于2 0 0 6 年8 月1 8 日正式批准成为强制 性国家标准，2 0 0 7 年8 月1 日起实施。标准定义了在4 8 5 m h z 8 6 2 m t l z 频段中， 每8 m i - i z 数字电视频带内，地面数字电视广播无线传输信号的规范。 地面数字电视广播无线传输是新一代广播电视系统的重要组成部分，不但 必须具有支持传统电视广播服务的基本功能，而且还要具有适应新一代广播电 视服务的可扩展功能。中国地面数字电视广播系统支持固定( 含室内、外) 接收和 移动接收两种模式。在固定接收模式下，可以提供标准数字电视业务、高清晰 度电视业务、数字声音广播业务、多媒体广播和数据服务业务；在移动接收模 式下，可以提供标准数字电视业务、数字声音广播业务、多媒体广播和数据服 务业务。此外，系统还支持多频网和单频网两种组网模式，可根据应用业务的 特性和组网环境，选择不同的传输模式和参数。支持多业务的混合模式，达到 业务特性与传输模式的匹配，实现业务运营的灵活性和经济性。 2 1 发射机系统 2 1 。1 发射机总体结构 与现有国际三大地面数字电视传输标准( 美国：a t s c ，欧洲：d v b t 以及 日本：i s d b - t ) 类似，中国地面数字电视传输标准发端系统桫j 【l o 】包括随机化、前 向纠错编码( f e c ) 、星座映射和交织、复用、帧体数据处理、组帧、基带后处理 和正交上变频等8 个主要功能模块，完成从输入数据流到无线射频信号输出的 整个转换过程。具体的系统原理图如图2 1 所示。 如图2 1 所示，发射机首先对外部输入的m p e g 2t s 包( 1 8 8 字节) 码流进行 扰码( 随机化) 和前向纠错编码( f e c ) ，然后完成比特流到符号流的星座映射。映 射的符号流经过交织后形成基本数据块，基本数据块插入系统信息( 复用) 后，经 过帧体数据处理形成帧体。帧体数据与相应的帧头( p n 序列) 复接为信号帧( 组 武汉理工大学硕士学位论文 帧) ，然后经过基带后处理转换为基带输出信号( 8 m h z 带宽内) 。基带后处理产生 的基带模拟信号再经过正交上变频转换为所需的射频信号( u h f 和v h f 频段范 围内) 。 码 i 帧头卜- 一 l 基正 帧 组 带 交 后上 体 帧 复数 处 变 用据 理频 射2 处 理 图2 1发射机原理框图 2 1 2 发射机主要功能模块 出 2 1 2 1 随机化 为了保证传输数据的随机性以便于传输过程中的信号处理，输入的数据码 流需要采用扰码进行加扰。国家标准中采用的扰码是一个最大长度的二进制伪 随机序列。该序列由图2 2 所示的线性反馈移位寄存器生成。 其扰码序列周期为2 ”一1 ，生成多项式定义如下： g ( x ) = 1 + x 1 4 + x 1 5( 2 1 ) 移位寄存器的初始相位定义为1 0 0 1 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 。 输入的比特码流( 来自输入接口的数据字节的m s b 在前) 与p n 序列进行 逐位模二加后产生数据扰乱码。扰码器的移位寄存器在信号帧开始时复位到初 始相位。 0 n n n n o l l，一、 一 口口口口口口口口口口口口网口 广 j 。l 初始相位1001010100 0000 0 图2 2 扰码器组成框图 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 2 2 前向纠错 扰码后的比特流接着进行前向纠错编码( f e c ) 。本标准中的f e c 是由外码 ( b c h 码) 和内码( l d p c ) 级联来实现的。编码效率共3 种：o 4 ，0 6 和0 8 ，f e c 编码图如图2 3 所示。 内码 一b c 端7 5 2 ，卜 l d p c ( 7 4 9 3 ，3 0 4 8 ) l d p c ( 7 4 9 3 ，4 5 7 2 ) l d p c ( 7 4 9 3 ，6 0 9 6 ) 图2 3f e c 编码框图 如图2 3 所示，系统外码采用b c h ( 7 6 2 ，7 5 2 ) 码，固定编码效率。b c h ( 7 6 2 ，7 5 2 ) 码由b c h ( 1 0 2 3 ，1 0 1 3 ) 系统码缩短而成。在7 5 2 比特数据扰乱码前添加2 6 1 比特 0 成为1 0 1 3 比特，编码成1 0 2 3 比特( 信息位在前) 。然后去除前2 6 1 比特0 ，形 成7 6 2 比特b c h 码字。该b c h 码的生成多项式为： g 脚( x ) = 1 + x 3 + x l o ( 2 2 ) 内码采用低密度校验纠错码( l d p c ) ，l d p c 码输出码长度固定，根据编码 效率的不同，l d p c 码输入信息比特各不相同。b c h 码字