（通信与信息系统专业论文）atsc8vsb接收芯片中数字解调的设计和实现.pdf

浙江大学硕士论文 y 互2 3 6 5 9 摘要 ( 数字高清晰度电视( d i g i t a lh d t v ) 是当今世界高技术竞争的焦点之，它将是第三代 ， 电视广播的标准，对世界的政治、经济和文化将产生巨大而深远的影响。7 本文所研究的正是h d t v 地面广播系统v s b 方案接收机中数字解调的算法及其在专用 集成电路芯片( a s i c ) 上的实现。该芯片用于实现对美国a t s c - h d t v 的信道接收。 本文第一章首先介绍了h d t v 的发展史，接着对v s b 和o f d m 进行了分析与比较， 最后从系统上介绍了h d t v 的a t s c 方案。 第二章就芯片设计的e d a 工具的发展和设计流程进行介绍； 第三章主要介绍了v s b 的数字调制和懈调技术和锁相环的基础理论；提出种将辅助 锁频电路与锁相环路滤波器分离的算法，最后对环路滤波器进行最优设计。 第四章主要是对第三章提出的算法进行c 语言仿真，得到系统的基本性能；然后结合 a s i c 设计的流程来讲述如何把算法转化成芯片里的硬件电路。最后讨论几种仿真测试方法。 - 塑垩查堂堡圭丝塞一 a b s t r a c t d i g i t a lh i g hd e f i n i t i o nt e l e v i s i o n ( d i g i t a lh d t v ) i s o n eo ft h ef o c u s e so ft h ew o r l d s c o m p e t i t i o n i n h i g ht e c h n o l o g y i tw i l l b et h es t a n d a r do ft h et h i r dg e n e r a t i o nt e l e v i d s i o n b r o a d c a s t i n ga n di tw i l la f f e c t t h ew o r l d sp o l i t i c s ，e c o n o m ya n dc u l t u r eg r e a t l y t h i sp a p e ri sa b o u tt h ea l g o r i t h mo fd i g i t a ld e m o d u l a t e ra n di t si m p l e m e n t a t i o ni na s i c ( a p p l i c a t i o ns p e c i f i c i n t e g r a t e dc i r c u i t s ) o fv s bc h a n n e l r e c e i v e ro fh d t vt e r r e s t r i a l t r a n s m i s s i o n s u b s y s t e m v s b i st h es t a n d a r do fa t s c - h d t vt e r r e s t r i a l t r a n s m i s s i o n s u b s y s t e m t h ef i r s tc h a p t e ri n t r o d u c e dt h ed e v e l o p m e n to fh d t v , ac o m p a r i s o no fv s ba n do f d m ， a n dt h ea t s cs c h e m eo f h d t vi ns y s t e ml e v e l t h es e c o n dc h a p t e ri n 仃o d u c e dt h ee d a d e s i g nf l o wc h a r t t h et h 州c h a p t e ri n 仃o d u c e dt h et h e o r yo fd i g i t a lm o d u l a t e ra n dd e m o d u l a t e r t h e np l l a p r a t i c a la l g o r i t h mi s a l s og i v e n i nt h i sa l g o r i t h m a na s s i s t a n tc i r c u i ti su s e dt oh e l pt h ep l l r e c o v e rc a r r i e r a tl a s t ，i n t r o d u c e do p t i m u mf i l t e rd e s i g n i nt h ef o u r t hc h a p t e r , t h ea s i c p r o j e e to f d i g i t a ld e m o d u l a t e r w i l lb ei l l u m i n a t e d t h e nw e w i l li n t r o d u c eh o wt od e s i g na c h i p ，a n dd i s c u s s t h et e s tt e c h n i q u e 2 浙江大学硕士论文 第一章绪论 高清晰度电视( h d t v ：h i 曲d e f i r d t i n nt e l e v i s o n ) 是全球广播电视行业最引人注目的焦点 之一，它的水平分辨率高达l1 5 2 线，垂直分辨率高达1 9 2 0 线，由于h d t v 己成为第三 代电视标准( 相对于黑自电视机和普通彩色电视机) ，具有很大的市场潜力，对各国的政治、 经济、文化、社会生活各方面都会产生深远的影响，因而全球在科技、工业等领域的竞争是 非常激烈的。 同时，随着电子技术的不断发展与进步，尤其是近l o 年来，计算机电路辅助设计技术 和半导体集成工艺技术的快速进步，在生产的电子系统中，专用集成电路( a s i c ：a p p l i c a t i o n s p e c i f i ci n t e g r a t e dc i r c u i t ) 和现场可编程门阵列( f p g a ：f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) 的使 用变得越来越多，特别是在先进的电讯设备、计算机系统和网络设备中更是如此，这不仅因 为有不少实时的数字信号处理芯片( d s p ) 是一般微处理机所无法替代的，而且也因为市场 对电子产品的要求越来越高。所以设计a s i c 将领导电路设计的新潮流“1 。 本文主要针对美国a t s c ( 美国高级电视制式委员会) h d t v 的v s b 方案并结合芯片设 计的实际情况，说明对h d t v 功能样机的地面传输系统中的解调部分的实现方法。 1 1 高清晰度电视的发展历史“，5 民用高清晰度电视是7 0 年代初由日本首先发展的。h d t v 的研究发展到现在的二十多 年的时间内，经历了模拟制式和数字制式两个发展阶段。到目前为止，模拟制式h d t v 已 基本停止了研究，而全数字式的h d t v 的研究正在全世界紧锣密鼓地开展。目前在美国制 式研究已告一段落正在进行开播和接收机的研制。 1 1 1 模拟h d t v 的发展 1 9 7 2 年，日本广播协会( n h k ) 首先开始了h d t v 的研究工作。1 9 7 8 年公布和演示了 非兼容制的h d t v 系统。在1 9 8 3 年又公布了h d t v 在卫星电视广播中的m u s e ( m u l t i p l e s u b - n y q u i s ts a m p l i n ge n c o d i n g ) 制式。1 9 8 6 年n h k 在c c i r 第1 6 次全会上，进行了m u s e 的现场演示。1 9 9 1 年开始进行每天i 小时的h d t v 卫星实验广播标志着m u s e 制式技术的 成熟。1 9 9 1 年1 1 月开始每天8 小时的正式h d t v 卫星广播。 8 0 年代初，欧洲拟采用m a c ( m u l f i p l e x e d a n a l o g u ec o m p o n e n t ) 制式将欧洲现有的正 制和s e c a m 制式统一起来。8 0 年代中期，由于意识到了h d t v 所蕴藏的巨大的经济潜力， 而且不甘于日本在h d t v 领域的领先地位，于1 9 8 6 年成立了e u r e a c a 9 5 项目研究h d t v 。 在设立了e u 一9 5 项目后不久，欧洲便提出了兼容的渐进式的模拟制h d t v 系统h d m a c 。 1 9 8 9 年夏演示了h d t v 卫星广播系统。1 9 9 2 年利用h i ) m a c 对巴塞罗那奥运会进行了实 况转播，获得了较好的评价。 但与数字h d t v 相比，m u s e 和h d m a c 的性能价格比太高，无法充分利用现代数 字技术，所以1 9 9 3 年欧洲已停止了h d m a c 的研究。日本由于前期投资巨大，所以仍在 开展降低m u s e 接收机价格的工作。 浙江大学硕士论文 1 1 2 数字h d t v 的发展 数字h d t v 是以美国为代表提出的全数字的h d t v 方案。美国在民用h d t v 上起步较 晚，但它依靠其雄厚的理论基础和技术实力，在h d t v 的研究领域很快就赶上并超过了日 本和欧洲，而成为h d t v 研究领域的后起之秀。在1 9 8 7 年以前，美国基本上是支持日本的 l 1 2 5 6 0 2 ：1 1 6 ：9 系统，但由于逐步意识到h d t v 的巨大市场潜力以及考虑到对本国政治、 经济等方面的影响，决定摒弃支持日本制式，独立提出符合本国国情的新的数字式h d t v 制式。 1 9 8 7 年2 月1 7 日，美国5 8 个广播组织及公司向美国联邦通信委员会( f c c ：f e d e r a l c o m m u n i c a t i o n sc o m m i t t e e ) 提出开始h d t v 研究的建议，同年1 1 月1 7 日，f c c 组建了先 进电视业务资询委员会( a c a t s ：a d v i s o r yc o m m i t t e eo na d v a n c e dt e l e v i s i o ns e r v i c e ) ， a c a t s 的成立意味着美国h d t v 研究的正式开始。1 9 8 8 年，f c c 曾作出美国p l 必须与 现行n t s c 制式兼容的要求，但随着美国一些公司的全数字h d t v 研制的飞速进展，经过 专家组论证，1 9 9 0 年春，f c c 决定放弃与现有n t s c 制式兼容的要求而选择“同播” ( s i m u l c a s t ) 方式，并提出了几条关于h d t v 的指导性意见：( 1 ) 由于兼容不可能做到， 在h d t v 和常规电视并存期间采用同播制，即每一套节目同时要有常规电视和h d t v 的广 播。( 2 ) 在频谱利用上做到和现行常规电视兼容，即h d t v 信号能在美国规定的现用电视 广播6 m h z 频道内进行地面广播。( 3 ) i - i d t v 的地面广播从启用现在禁用( t a b o o ) 频道开 始，由于禁用频道的邻近频道往往是已经在使用的频道，或者本身是邻近地区在使用的频道， 因此h d t v 广播的接收机应具备对付常规电视干扰的能力，同时要尽量避免对现有常规电 视的干扰。 在f c c 确定了h d t v 的发展框架后，美国各大有关的公司、研究单位、大学参加了 h d t v 方案的角逐。第一轮测试中从提出的2 1 个方案中选择了性能较好的5 个方案进行比 较筛选，a c a t s 制定了频谱利用( 服务区域、区域协调百分数) 经济( 电视台成本、传媒 转换、消费者) 和技术( 图象伴音质量、广播可靠性，服务区域及特色、可扩充性、内部 可操作性考虑) 的三方面包括1 0 个项目的测试。1 9 9 3 年2 月8 1 1 日，a c a t s 全体会议给 f c c 提交了一份a 1 v 的推荐报告，对前一阶段美国开发h d t v 的情况进行全面的总结：全 数字h d t v 系统在美国环境中表现出很多的优点，m u s e 制式h d t v 方案与另外四种数字 式h d t v 方案相比，后者无论从图像质量、接受门限、抗干扰能力还是地面频谱利用率( 传 输覆盖能力) 等方面均优于前者，因此不考虑推荐模拟的制式系统，四种全数字h d t v 方 案：d i g i c i p h e r ，d s c h d t v ，a d h d t v ，c c d c 已可提供实用数字h d t v 系统，但由于 四种系统方案都应做进一步的完善，故暂时不能将哪个方案提交给f c c 推荐作为美国h d t v 标准，还必须再做进一步改进性实验后才能确定。为了获得一个各方面均可达到设计指标的 h d t v 方案，f c c 希望四种数字化h d t v 方案能取长补短，综合形成一种最优方案。 至此，各方案的提议者一方面紧张地改进完善各自的h d t v 方案，一方面试图组织联 合，以取各之所长，避各之所短，优选出一个最佳的美国h d t v 方案，因而原定不迟于1 9 9 3 年3 月1 5 日的进一步测试只好推迟。1 9 9 3 年5 月2 4 日，酝酿已久的“大联盟”( g r a n d a l l i a n c e ) 终于组成，至此避免了一场旷日持久的技术战及未来的专利战，减少了人力及资 金的巨大耗费，g a 的h d t v 系统将是具有世界级的图像清晰度的系统。g a 经过4 个多月 的紧张工作，就一些重大的问题取得了结果：( 1 ) 图像压缩编码采用m p e g 2 标准。( 2 ) 伴音选定d o l b y a c 3 。( 3 ) 多种扫描制式的采用。 对于a t s c 的传输制式直到1 9 9 4 年2 月公布测试结果后才确定：地面广播采用8 v s b ， 有线电视采用1 6 v s b 。测试结果表明：地面广播中8 v s b 稍优于3 2 q a m ，有限电视中1 6 v s b 2 浙江大学硕士论文 在优于6 4 q a m 。 1 9 9 4 年5 月，正式公布大联盟方案，该方案集中了其它几种方案的优点，采用2 3 速率 的t c m 和能纠正l o 个错误字节的r s ( 2 0 7 ，1 8 7 ) 组成的级联码，同时采用前向7 8 节，后 向1 7 7 节的自适应判决反馈均衡器，利用梳状滤波器来抑制n t s c 的同频干扰。 1 9 9 4 年第二、三季度，a c a t s 组织了对a t s c - h d t v 传输系统进行了野外测试，测试地 点选在北卡罗来纳州的c h a r l o t t e ，试验用的两个频道为v h f 频段的6 频道和u h f 频段的 5 3 频道。测试结果表明，a t s c h d t v 的性能要优于n t s c ，在u h f 频段，h d t v 的满意 接收率为9 2 ，而n t s c 为7 0 ，在v h f 频段，h d t v 的满意接收率为8 2 ，而n t s c 为 4 0 ，u h f 频段的多径干扰比 f 频段严重，但目前采用的均衡器方案完全能正常工作， 测试中，h d t v 的平均功率比n t s c 的峰值功率低1 2 d b 。 经过8 年的研究和开发，f c c 终于在1 9 9 6 年1 2 月2 4 日正式采纳a t s c 的h d t v 标准 作为高清晰度电视的正式标准。a t s c 的标准测试是在亚历山德里市的高级电视试验中心 ( a t t c ) 进行的，现场接收试验台是夏洛特电视台，结果表明：接收到的h d t v 视音频信 号质量与h d t v 信源质量一致，超过了f c c 顾问委员会几年前设定的目标，甚至快速活动 视频的播放质量也近于完美。d o l b y 数字音频系统( a c 3 ) 的试验结果正常。但测试中也 发现了h d t v 可能干扰相邻n t s c 频道的视音频信号。视频信号可通过更精密的技术手段 加以解决，而音频干扰的解决就存在一定的困难，上策是通过调整每个社区的h d t v 信号， 以尽可能的消除干扰，下策是不使用相邻频道或降低播放功率，但降低功率会减少信号覆盖 面积。 由于数字h d t v 相对模拟h d t v 的巨大优越性，欧洲于1 9 9 3 年放弃了模拟h d m a c 的研制，而借鉴美国开发h d t v 的经验和模式，大力推进欧洲大陆数字h d t v 的研究应用， 成立了欧洲开发数字图像广播行动小组( e l g ：e u r o p e a nl a u n c hg r o u p ) ，由l1 个国家的1 3 0 多个组织，包括t o m s o n ，p h i l i p s 等制造商，欧广联，b b c 等广播台，德法通信网络以及欧 共体各国政府。现有9 个技术项目：德国的h d t v t ，法国的s t e 鼢旺，d i a m o n d ，英国 的s p e c t r e ，北欧三国( 瑞典、丹麦和挪威) 的h d d i v i n e ，以及多国联合的r a c e ，d t t b 工程。将归属在e l g 下制定的数字总规划称为d t b 2 0 0 0 ，拟采用的技术：信源编码用 m p e g 2 ，信道编码用c o f d m ，伴音用m u s i c a m ，并拟用在整个欧洲大陆的地面、卫星 和电缆广播中。1 9 9 5 年2 月，日本成立了d t v 实验室，预算3 0 亿元，花4 年时间，建立 带宽6 m h z ，可移动接收的c o f 工) m 系统。 1 2h d t v 地面传输系统的两大方案删 h d t v 的地面广播数据传输技术发展到今天，已经形成了两种各具特色的方案互相竞争 的局面，形成了单载波调制( s c m ：s i n g l ec a r r i e rm o d u l a t i o n ) 方案( v s b ) 和多载波调制 ( m c m ：m u l t ic a r r i e r m o d u l a t i o n ) 方案( c o f d m ) 两大流派。这实际上也是串行数字通信 方式和并行数字通信方式的不同应用，在白高斯噪声条件下，这两种通信方式的性能是一致 的。无论是v s b 还的是o f d m 的方案，其差错控制编码都是采用r s 码、交织、t c m 码级 联而成。两种方案的本质的区别在于调制解调的方法以及对付多径衰落和共信道干扰的方 法。 1 2 1o f d m 方案 c o d f m 编码正交频分复用( c o d e do r t h o g o n a lf 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 ) 传输 3 浙江大学硕士论文 方式，是一种多载波调制方式，其基本思想是把高速率的信源信息流通过串，并变换，交换 成低速率的n 路并行数据流，然后用n 个相互正交的载波进行调制，将n 路调制后的信号 相加即得发射信号。c o f d m 的信号速率为 ( + 1 ) r 。，r 一为n y q u i s t 速率( 2 波特 赫兹) ，n 为并行传输的信道数，当n 增加时，c o f d m 可以传输的信号速率接近n y q u i s t 速率。c o f d m 的h d t v 地面传输系统的发射部分和接收部分见图1 2 1 。 发 送 数 据 接 收 数 据q 爹删瓣 塞l 薯惴嘉懂雌怪 ( b ) 接收部分 图1 2 1c o f d m 方案h d i - v 地面传输系统 1 2 2v s b 方案 v s b 是介于单边带调制与抑制载波双边带调制之间的一种调制方式，是一种传统的普 通电视传输方式，其技术已经比较成熟。v s b 方案h d t v 地面传输系统发射和接收过程见 图1 2 2 。 4 频域解交织 廖 时域解交织 一i 2 解码一 卦 浙江大学硕士论文 ( a ) 发射部分 v h f f o h f 信号 刮拇髓掰萄篓惮 ( b ) 接收部分j 望垄兰塞堕l 图1 2 2 v s b 方案h d t v 地面传输系统 1 2 3c o f d m 与v s b 的比较 c o f d m 是一种多载波调制方式，而h d t v 中应用的多载波调制方式可以认为是一种 频域技术，因为所有的信号处理都在频域内完成( 在发射端，在i f f t 处理之前，信道编码， 频谱开槽，载波功率量化以及星座点调节都在频域内完成；在接收端，信道解码及均衡也都 在频域内完成) ，当然信号传输还是在时域内进行的。多载波调制方式对于时域的冲激噪声 有较强的抵抗能力，单载波调制方式对于频域的冲激噪声有较强的抵抗能力。 一个c o f d m 系统与串行单载波系统相比有下列优点： ( 1 ) c o f d m 可以非常灵活地满足各种不同的设计要求，如复杂性、频带效率、 频谱形状、系统性能以及对不同干扰的敏感程度； ( 2 ) c o f d m 对于采样时间的偏移没有串行传输那样敏感： ( 3 ) 当f f t 的计算数目增加，c o f d m 的频带效率接近于n y q u i s t 速率，但同时 也会增加系统的复杂性。 不过c o f d m 也存在下列缺点： ( 1 ) 由于c o f d m 较高的峰值与平均值的功率比值导致发射机功率的降低； ( 2 ) c o f d m 对于载波频偏和音频干扰要比单载波系统敏感。 而h d t v 广播中采用v s b 方式而不是q a m 方式，主要有如下几个原因： ( 1 ) v s b 方式仅需要处理同相信号，在接收端可以只用一维的均衡器，能大大的 简化均衡器的结构；q a m 方式则要对同相和正交两路信号进行二维均衡，因此v s b 均衡器 的复杂程度只有q a m 均衡器的四分之一； ( 2 ) h d t v 要占用常规电视中的禁用频道，q a m 方式的载波位于频带的中间，会 干扰相邻服务区的常规电视；v s b 方式的导频则位于频带的左侧，可以被常规电视的中频滤 波器很好的抑制； ( 3 ) t c m - - 8 v s b 的网格结构比t c m - - 3 2 q a m 的网格结构更理想，从而使v s b 在 高新噪声环境下的阈值比0 a m 低近l d b 。 a t s c - v s b 有两种传输模式：地面广播模式和高数据率模式。她面广播模式在6 m m 的 浙江大学硕士论文 无线带宽中传输一路高清晰度电视信号：高数据率模式在6 m b z 的带宽中传输两路高清晰度 电视信号，主要用于电缆或光纤等有线信道。为使覆盖面积达到最大，地面广播模式采用 n t s c 抑制滤波器( 在接收机) 并增加格状编码。地面广播模式的大部分系统可以不必变动 或者仅需要简化即可用于高数据率模式，本文其余部分不再讨论高数据率模式。 作为h d t v 地面传输系统，c o f d m 与8 v s b 系统方案比较见表1 1 。 表1 1c o f d m 与8 v s b 系统方案比较 嗍燃 c o f d m8 - v s b a w g n 门限1 5 1 4 9 抬 抗a w g n r s + 卫c mr s + t c m 抗冲激噪声较差较好 抗同频干扰o f d m 频谱开槽和频域抗n t s c 同频干扰滤波器 交织 频带利用率塑( b 5 h z )- 2 a ( b s h z ) ( t - 3 ) ( r + ) l + a 抗多径干扰加保护间隔信道均衡器 抗长时间时延、强回波的好 差( a t s c 推荐的实现方案) 性能 梳状滤波器、多抽头均衡器 实现复杂度f f t 运算量大 实现复杂 峰值与平均功率比 1 2 d 日6 3 拈 导频信号需加频率偏置， 对邻频道的干扰较大 否则干扰较大 适用于s f n易 不易 ( - - ) 系统的抗干扰性能 c o f d m 与v s b 采用相同的信道编码( r s + t c m ) 方法提高其对付噪声的能力。在高 斯白噪声环境下，c o f d m 实测门限电平是1 5 d b ，v s b 是1 4 9 d b ，c o f d m 和v s b 相差并 不多。 在抵抗同频干扰方面，c o f d m 采用频谱开槽和频谱交织的方法，可抵抗3 d b 的同频干 扰。v s b 采用抗n t s c 同频干扰滤波器，在同频干扰下，使门限损失3 d b ，即达到1 7 9 d b ， 所以当从n t s c 的同频干扰的综合因素考虑，c o f d m 的门限优于v s b 。当然如果将来普 通电视停播后又另当别论。 c o f d m 在抵抗多径干扰方面，采用添加保护间隔的方法，可以消除保护间隔内的任意 时延长度的回波干扰。v s b 系统采用均衡器来消除回波，而对时延较长的回波效果较差， 并且对回波时延的变化也很敏感。经过实测，c o f d m 可以抵抗0 d b 的强回波，可见在抗回 波方面，c o f d m 要优于v s b 。 ( 二) 系统复杂程度 c o f d m 的核心是快速傅立叶变换( f f t ) ，通常选择的是载波数较大，一般是1 0 2 4 的 整数倍，所以f f t 的运算量较大，对f f t 芯片的集成度和运算量提出了较高的要求。随着 v l s l 和d s p 技术的发展，f f t 芯片能够满足c o f d m 的要求。f f t 处理技术会逐渐成为 c o f d m 的一种优势所在。 v s b 不能像c o f d m 那样直接在频谱上通过开槽来消除同频干扰，而是使用梳状滤波 器消除n t s c 的同频干扰，增加了系统复杂度。 6 浙江大学硕士论文 ( 三) 邻频道干扰 因为c o f d m 的子载波是统计独立分布，根据中心极限定理，当子载波数较大时， 信号能量分布呈高斯分布，实际中当n 2 0 时，就已经很接近高斯分布，而v s b 的能量分 布依赖于星座点和成形滤波器的滚降系数口，其能量分布呈等概分布。因而c o f d m 的功 率峰值与平均值的比值要比v s b 的大，这就对发射机的功率放大器的线性动态范围提出了 更高的要求。v s b 的峰值功率与平均功率比在8 d b 以下，c o f d m 的峰值功率与平均功率 比在1 2 d b 以下，比v s b 高4 d b ，这样，c o f d m 对功率放大器的线性要求较高，传输系统 的非线性对c o f d m 的影响较大。最突出的影响就是c o f d m 对邻频道的干扰较为严重。 总的来说，两种方案各有优点，目前还难分伯伸。美国和欧洲选择不同的制式是出于政 治、经济方面的考虑，而并非单纯从技术角度出发。 本论文讨论的是a t s c v s b 方案的h d t v 地面传输系统。 1 3a t s c v s b 的地面传输系统简介u 卜1 5 1 1 3 1 系统信息 a t s c v s b 传输系统按图1 3 1 所示的数据帧格式传输数据。每帧由若干分段组成，而 每段有8 3 2 个符号。每个要传输的分段由4 个符号的分段同步，接着是8 2 8 个数据加f e c ( 前 向纠错) 的符号组成。每个要传输的分段由1 个同步字节( 4 个符号) ，1 8 7 个数据字节及2 0 个r s 奇偶检验字节组成，这对应一个1 8 8 字节数据包，它由1 8 7 个数据字节和一个同步字 节组成。 对于a t s c v s b 的准确符号率是： 4 5 2 8 6 m h z x 6 8 4 = 1 0 7 6 m h z ( 近似) ，式中4 5 2 8 6 是n t s c 水平扫描速率。 分段的频率是： f 。z = 1 0 7 6 m 符号s 8 3 2 符号份段= 1 2 9 3 k 符号s 。 对于地面广播模式，每个分段对应于一个2 0 7 字节的r s 纠正块： 2 0 7 字节，块8 b i t ，字节= 3b i 惰号2 3 速率8 2 8 符号 = 1 6 5 6b i f f 分段。 而对于高速率的电缆模式，每分段对应两个r s 纠正块的2 0 7 个字节如下： 2 块x 2 0 7 字节块8 b i t l 字节= 3 3 1 2b i t 分段。 如图1 3 1 所示，每个数据帧从第一个数据场同步分段开始，接着是3 1 2 个数据分段， 再是第二个数据场同步分段，再是另一个3 1 2 数据分段。 除了数据段同步和场同步是二电平外，所有其它传输的数据是多电平的。对地面广播传 输模式，传输的是8 电平的符号( 3 b i t 符号) ，而对于高速率电缆模式采用的是1 6 电平的符 号( 4 b i t 符号) 。它们分别被称为8 - v s b 和1 6 v s b 。 7 塑垩查兰堡主笙壅 ： 一4 卜j 盟趟鳢二一 | 卜_ 叫 l 一个分段= 7 7 3 u s 。 图1 3 1v s b 数据帧 2 m s 2 m s 结合数据分段同步和数据场同步结合多电平的符号，以抑制载波方式来调制单个载波。 但在传输之前，大多先去掉大部分下边带。除了在频道的两边有平方根升余弦波响应造成的 6 2 0 k h z 的过渡区( 其中1 1 5 多余带宽) 以外，得出的频谱是平坦的。a t s c - s b 传输频谱 与n t s c 频谱的关系见图1 3 2 。在距下边带边界3 1 0 k h z 的己抑制的载波频率处，还附加一 个小的导频信号。此导频信号在v s b 接收机中用于载波的锁定。导频信号使信号总信号功 率增加了0 3 d b ，但有助于降低实施中的远大于该值的损耗。有了导频信号的辅助，v s b 传 输系统能实现真正的理论性能。导频信号位于同频道n t s c 信号的残留边带内，而且对n t s c 不产生同频道干扰。 v s b | | 、| | | | j j ，7 i，ni 视频载波色载波音频载波 卜k 堑卜l ! 一频率以慨z 为单位 图1 3 2v s b 与n t s c 的频道占用情况 地面广播的v s b 系统在设计时考虑了坚韧性。采用r s 码和格状编码以及1 6 场的数据 段交织方式的前向纠错编码，提供了一个能承受既有白噪声又有干扰环境的牢固系统。仿真 结果表明地面广播v s b 系统可在信噪比( s n ) 为1 4 9 d b 的环境下工作，其比特误码率不 t剖_十湖i一 浙江大学硕士论文 超过3 x 1 0 。 1 3 2 发射机的功能模块介绍n ”3 7 1 ( 一) 扰码和r s 编码 采用扰码处理，使数据呈现伪随机特性，在频谱上呈现均匀分布，适合于信道传输。 信道编码采用r s ( 2 0 7 ，1 8 7 ) 编码，通过引入冗余信息，增大了码字之间的汉明距离，使 之达到2 1 ，这样一个码字可以纠正1 0 个错误。r s 编码的采用使系统具有一定的抗随机噪 声的能力。 ( 二) 交织 因突发噪声引起的突发连续误码将引起t c m 译码严重的误码扩散。交织重新安排了数 据之间的相对位置，使数据间的约束长度加长，通过解交织能使因突发噪声引起的突发错误 分散开来，防止了t c m 译码的误码扩散。 ( 三) t c m 编码部分： 相对于与之级联的外码，t c m 码称为“内码”。在a t s c v s b 方案中，t c m 编码由2 3 卷积码和8 v s b 调制结合而成，同时采用了格形编码内交织。 t c m 编码的输入端把并行的b y t e ( 8 b i t ) 数据流转变成串行的s y m b o l ( 2 b i t ) 数据流。 然后进行r = 2 3 的格状编码，每个s y m b o l 的高位比特进行预编码( 差分编码) 以消除1 8 0 度的相位模糊，低位比特进行r = l 2 的卷积编码。t c m 出来的3 比特再映射到8 v s b 的8 电平。编码电路如图1 3 3 所示。 x ， n z 2 乏乙乙 r t 000- 7 x 时 z ， 00 l5 010 3 0li1 旭忆生卧# 100+ l 10 1+ 3 1lo+ 5 l1l+ 7 图1 3 3 t c m 编码电路 此外，内码电路还要实现交织功能。系统采用1 2 个相同的t c m 编码器依次循环工作 ( 接收端也采用1 2 个相同的t c m 译码器依次循环工作) 以实现再一次的交织，如图1 3 4 所示，这里的交织相对于t c m 之前的交织可以称为“内交织”。 9 浙江大学硕士论文 厂 竺竺卜。， 、二艮x 8 唑、 r 征亟- 一嶝 图1 3 4 t c m 内交织示意图 ( 四) 复接： 由于h d t v 数据传输码流是以符号( 8 电平) 为单位组成段( s e g m e n t ) ，又以段为单位 组成场( f i e l d ) 和帧( f l a m e ) ，因此要在经过编码后的数据码流中插入段、场同步，以得到 最终的具有段、场结构的数据码流。 段同步是由2 电平的4 个符号组成，它被插入到每段的开头，所以每段总共有8 3 2 个符 号( 4 个段同步符号和8 2 8 个数据符号) 。段同步图案的选择对于接收机的同步提取具有重 要意义。完整的数据段格式如图1 3 5 所示。 + 7 + 5 + 3 + l 一1 3 5 7 图1 3 5 数据段格式 得到完整的数据段之后，还要进一步组织成场结构。每一场包括3 1 3 个段，其中第1 段为场同步段，其余为3 1 2 个数据段。场同步中的数据也是2 电平的( + 5 ，5 ) ，每3 1 3 个 段组成一个数据场，其中第1 段为场同步段，其余为数据段。场同步的结构如图1 3 6 所示， 先是一个长度为5 1 1 的伪随机序列；再是三个长度为6 3 的伪随机序列( 其中第二个p n 6 3 每隔一场反相一次) ；接着是系统参数的控制字。场同步中的伪随机序列可用作均衡器和相 位跟踪器的训练序列。 0 浙江大学硕士论文 + 7 + 5 + 3 + 1 1 3 5 7 图1 3 6 场同步结构 每两个数据场进一步组成数据帧，分别称为奇数场和偶数场，不同之处在于场同步 信号中第二个p n 6 3 的区别。 ( 五) 导频插入： 为了使接收机能够可靠地提取载波，需要在发送端的频谱中插入一个小的导频 ( p i l o t ) 信号，这使发射功率增加了0 3 d b ，但这样使接收机的载波恢复的复杂度大大下降。 ( 六) v s b 调制： 这里是最能体现v s b 传输方案特点的部分之一。实现v s b 调制的方法有许多种，其 中比较理想的一种方法是：首先用数字技术对基带数字信号进行滤波，得到精确的同相和正 交信号，该滤波器具有平方根升余弦特性，并且提供了对d a 变换器的补偿；接着两路正交 信号经d a 变换器转变到模拟形式，最后调制到中频。在中频之后再采用s a w 滤波器进行邻 带抑制。 ( 七) 射频调制： a t s c - v s b 发射机的上变频采用与普通n t s c 相同的二级调制方式。第一步对所有 的频道采用同一中频频率，第二级再调制到各自对应的射频频道上。由于h d t v 的频谱利 用率较高，为获得与n t s c 发射机相同的服务区，只需常规电视的大约十分之一的发射功 率。 1 3 3 接收机的功能模块介绍9 ( 一) 调谐： 在调谐器中要进行两次混频。第一本振在0 9 7 g1 7 2 g h z 之间可变，第二本振固定在 8 7 6 m h z 。还要进行滤波、放大和a g c ，最后经工作在4 5 7 m h z 的固定增益放大器输出。 ( 二) 载波恢复： 因为在发射机端插入了导频信号，能够简化载波的恢复。在这里采用了数字解调的技术， 辅助锁频电路和锁相环协同工作。a t s c - - v s b 的样机在0 d 3 信噪比或有严重干扰存在的情 况下都能正确恢复载波并保持锁定。 ( 三) 同步提取： a t s c - - v s b 的位同步提取没有采用传统的提取方法，而是采用了“数据辅助的位同步 提取”。中频解调后的模拟信号送a a d 变换器按符号率进行取样，取样的结果与己知的段 同步图案进行匹配可以检测出段同步。每当段同步到来时，根据段同步图案的值估计冲击响 应。如果恢复出的位同步信号的相位正确，则冲击响应应满足： 浙江大学硕士论文 h 一h 。= 0 或h = 0 ， 然后可以对冲击响应估值的结果运用迫零算法，就可以恢复出相位正确的位同步时钟。 这种方法性能优越，甚至可以在0 d b 信噪比时正常工作。 在这里还要得到a g c 控制信号。粗略的a g c 信号来自对d a 变换器是否溢出的判断。检 测到段同步之后，可以由段同步图案的幅值得到精确的a g c 控制信号。两种a g c 分别控制 调谐器与中频两处的放大器的增益。 可以把每个接收到的数据段同奇数场和偶数场的参考信号比较而得到场同步。这里不要 求精确的数据定位，只要能指出哪一段是场同步段即可。 ( 四) 梳状滤波： a t s c v s b 方案抑制n t s c 共信道干扰的方法是插入n t s c 抑制梳状滤波器。具体地说 是将输入信号减去延时1 2 个周期后的输入信号。这样，可以把导频信号、n t s c 视频载波、 色副载波和伴音载波都近似地放在梳状滤波器的零点。由于梳状滤波器的引入也会带来到作 用，因此要根据n t s c 干扰的大小来决定是否引入该滤波器。 ( 五) 均衡器 均衡器对信道线性失真进行补偿。均衡器采用l m s 算法，能够用三种方式对数据进 行均衡：首先可以适应于二进制的训i 练序列；当眼图睁开时可以适应于全部数据符号；当眼 图闭合时能进行盲均衡。当同频n t s c 干扰抑制滤波器插入时会改变输入信号电平的数目， 这时均衡器也要随之作相应的不同处理。由于均衡器的抽头多达2 5 6 个，使均衡器成为整个 系统的主要难点之一。 ( 六) 相位跟踪 相位踪环可以将中频p l l 未完全消除的相位噪声进一步去除。利用i 路信号经希尔伯 特变换来近似恢复q 路信号，i 、q 两路信号再送入一个去旋器以去除相位噪声。 ( 七) t c m 解码 为了使t c m 解码器能够抵抗短时的突发干扰，在发射机端采用了1 2 个编码器进行段 内交织，接收机与之对应采用了1 2 个解码器并行工作，这样可以使n t s c 抑制滤波器被激 活时的码扩散最小。当梳状滤波器不工作时，t c m 解码器是四状态的；当梳状滤波器工作 时，首先是t c m 解码器要变成八状态，把段同步也引入了相关运算，为此，还要在输入端 增加专门的段同步去除电路。 ( 八) 解交织、r s 解码和去扰码 r s 译码、解交织、去扰码分别是发射机的r s 编码、交织、扰码的逆过程。 1 4 本文的主要工作 9 6 年7 月国家科委高技术研究发展中心就h d t v 功能样机系统进行公开招标，我校承 担了该系统的信道子系统v s b 方案的研制工作。 2 0 0 0 年3 月我进入项目组至今，作为主要设计开发人员，参与应用于a t s c m p e g 2 解码与8 v s b 信道接收芯片的技术开发项目，该项目为国内首次开发h d t v 接收机芯片。 项目采用深亚微米工艺设计超大规模集成电路芯片，实现对高清晰度电视的信道接收和 信源解码，我在其中承担了v s b 子系统的数字解调模块的a s i c 芯片设计。具体的工作包 括系统设计( 对数字解调算法进行研究，算法实现和系统的性能仿真) 、结构设计( 确定用 什么结构来实现算法) 、逻辑设计( 用硬件描述语言进行对结构的代码描述) 以及逻辑综合 浙江大学硕士论文 ( 映射到库单元) 。 该芯片已经通过了逻辑电路设计、系统仿真和逻辑综合，也已经通过了综合后仿真。在 完成后端处理，提取了更为精确的线延时后，还要进行带时延的后仿真。根据项目的进度， 预计春节期间便可送去流片。上述工作为h d t v 在中国实现产业化做出了成功的铺垫。 本文工作的重点是根据v s b 传输系统的技术细节，提出h d l v 的调制、解调的原理，以 及数字解调的实现。 本文第一章首先介绍j h d t v 的发展史，接着对v s b 和o f d m 进行了分析与比较，最后 从系统上介绍了h d t v 的a t s c 方寨。 “工欲善其事，必先利其器”第二章就芯片设计的e d a 工具的发展和设计流程进行 简单的介绍；接下来分析芯片设计进入深亚微米工艺是会给集成电路设计带来怎么样的挑战 以及如何来解决这些相应的问题：从芯片设计近来的热点来看，超大规模集成电路( v l s i ) 发展的必然趋势和主流是系统级芯片( s o c ) 技术，本章最后介绍了一下系统级芯片设计的 几个方向和关键技术。 第三章主要介绍了数字调制和解调技术。从数字通信传输系统的一般理论，到v s b 调 制的方法，来介绍v s b 数字调制的方案：由于数字解调本质上是锁相环的具体应用，所以 接下来介绍最佳接收机和锁相环的基础理论；再接着介绍了数字解调技术，提出一种将辅助 锁频电路与锁相环路滤波器分离的算法；最后对环路滤波器进行最优设计。 第四章主要是对第三章提出的算法进行c 语言仿真，得到系统的基本性能；然后结合 a s i c 设计的流程来讲述如何把算法转化成芯片里的硬件电路。首先根据计算量、复杂程度， 在硬件实现、软件实现的优劣点之间进行权衡，确定系统结构，画出这些结构的电路图；之 后，进行v e r i l o g 代码的描述，