（通信与信息系统专业论文）数字电视中均衡器的研究及asic实现.pdf

浙江人学硕士学位论文 x5 8 1 6 7 摘要 6 ( d i g i t a lt v ) 技术是当今世界上最先进的图象压缩编码技术和数字通 ，是当今世界高技术竞争的焦点之一，掌握了这一技术就可能抢占到 r 的制高点，控制新一代电子产品的市场，抢占商机。 毛数字电视接收机中非常重要的一部分。均衡器的好坏，成为影响接收 琶性因素。本文工作的重点是根据d v b 传输系统的技术细节，对均衡器 见作了定性的分析。 首先介绍了h d t v 的发展史，然后从系统上介绍了h d t v 的d v b - c 方案。 硇第三章主要介绍了均衡器的原理与算法。通过对各种盲均衡算法的仿 是出了用于d v b - c 系统的优化的均衡器实现方案。 就芯片设计的a s i c 设计流程和s o c ( 系统级芯片) 的关键技术进行了 个绍了针对综合的v e r il o g 编程技巧。 主要是结合笔者在对均衡器的方案进行芯片化的过程中的经验，介绍均 实现的过程、难点，并结合i p 技术，给出均衡器较优的芯片实现方案。 故字电视，均衡器，专用集成电路设计，d v b c 誊錾储、导师嗣意 。 勿垒文公布 。 浙江大学硕十学位论文 a b s t r a c t d t v ( d i g i t a lt e l e v i s i o n ) t e c h n o l o g yi n t e g r a t e s t h em o s ta d v a n c e d i m a g e c o m p r e s s e de n c o d i n gt e c h n o l o g ya n dt h ed i g i t a lc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y i t h a sb e c o m eo n eo ft h ef o c u s e si nt h e h i g h t e c hc o m p e t i t i o n s h a v i n gt h ei m i t a t i v e i nt h i sf i e l dw i l lt a k et h el e a do fh i g ht e c h n o l o g yi nt h e f u t u r e ，a n dg e tg r e a tc h a n c e i nt h eg r o w i n gm a r k e t e q u a l i z e rt a k e sak e yr o l ei nh d l 、，r e c e i v e r t h ef o c u so ft h i sp a p e ri st o a n a l y z et h ea l g o r i t h m sa n dr e a l i z a t i o no fe q u a l i z er ib a s i n go nt h ed e t a i l so fd v b ( d i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t i n g ) s y s t e r m i nc h a p t e ro n e ，t h eh i s t o r yo fh d t vi si n t r o d u c e df o l l o w e db yd v bs c h e m e i nc h a p t e rt w oa n d c h a p t e rt h r e e ，t h ep r i n c i p l ea n da l g o r i t h m so fe q u a l i z e ri s i n t r o d u c e d ae n h a n c e dr e a l i z a t i o ns c h e m eo fd v b ci s i n t r o d u c e d b yt h e s i m u l a t i o na n dc o m p a r a t i o no fs o m eb l i n de q u a l i z a t i o na l g o r i t h m s i n c h a p t e rf o m r ，w ed i s c u s st h ec r i t e r i o na n dd e s i g nf l o wo faw h o l ea s i c d e s i g na n ds o cd e s i g nm e t h o d o l o g y v e r i l o gp r o g r a m m i n gt e c h n i q u ea c c o r d i n g t os y n t h e s i si si n t r o d u c e df i n a l l y i n c h a p t e rf i v e 。w ed i s c u s sl h ei m p l e m e n t a t i o no fe q u a l i z e ri nl h er e c e i v e r a s i c t h e nw ei n t r o d u c eo n eb e t t e ra s i cr e a l i z a t i o nm e t h o d si n t e g r a t e dw i t hi p t e c h n i q u e k e y w o r d s d t v , e q u a l i z e r , a s i c ，d v b - c i i 浙江大学硕士学位论文 第一章诸论 数字电视是现代电子技术、通信技术和信息加工技术高度发展的基础上集多方 面的成就于一身的高科技产物。当前，高清晰度电视在世界范围内正跨出科研阶段 而进入商品化的时代，在我国也已成为热门话题，它的发展标志着一个国家技术水 平和经济实力，并能带动整个电子信息技术及相关领域的发展，成为技术发展的驱 动器和经济发展的倍增器，被称为继半导体、电子信息技术之后电子行业的第三次 机遇。 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。卫星广播 着重于解决大面积覆盖，有线电视广播着重于解决“信息到户”，而数字电视地面 无线广播作为电视广播的传统方式，由于具有简单接收和移动接收的能力，能够满 足现代信息社会所要求的“信息到人”的基本要求。按清晰度分，数字电视( d i g i t a l t v ) 分为标准清晰度电视( s d t v ) 和高清晰度电视( h d t v ) 。标准清晰度电视的图象 分辨率为普通电视机的最大值。而高清晰度电视图像像素为普通电视最大值的5 倍， 垂直分辨率可以达到l o o o 线以上。现今世界上有三大数字电视标准，欧洲和美国相 继制定了各自的数字电视传输标准，分别为欧洲的d v b ( d i g i t a l v i d e o b r o a d c a s t i n g ，数字视频广播) ，美国的a t s c ( a d v a n c e d t e l e v i s i o ns y s t e m c o m m i t t e e ，高级电视系统委员会) 和日本的i s d b ( i n t e g r a t e ds e r v i c e sd i g i t a l b r o a d c a s t i n g ) 标准。目前，美国、韩国、加拿大和我国台湾少数几个国家和地区 采用了a t s c 标准，欧洲大部分国家如英国、德国、西班牙等，以及澳大利亚、巴西、 墨西哥、新加坡、我国香港等较多数国家和地区采用了d v b 标准，仅日本采用i s d b 标准。 各国对数字电视的研究也是非常重视，当今中国也在致力于发展自己的数字电 视传输标准。作者有幸参与了中国的数字电视研究和开发工作，工作主要集中在系 统对付信道多径衰落的均衡器部分，因此本文将从实际应用出发，针对数字电视电 缆广播中的信道衰落的对抗措施进行研究和分析。 第一节h 卟，的发展历史 1 1 1 模拟 ) t v 的发展 1 9 7 0 年，日本广播协会( n h k ) 开始了高清晰度电视h d t v ( h i g hd e f i n i t i o n t e l e v i s i o n ) 的研究工作，1 9 7 2 年，日本首次向c c i r 提出了有关h d t v 的文稿。1 9 7 4 浙江大学硕士学位论文 年，n i i k 提出了著名的h d t v 系统( 在日本又称h i v i s i o n ) 。由于日本初期的h d t v 占用的频带很宽，在实际应用中受到很大的限制，因此，1 9 8 4 年，日本开发成功了 h d t v 制式m u s e ( m u l t i p l es u b n y q u i s ts a m p l i n ge n c o d i n g ，即多重亚奈奎斯 特取样编码) 。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1 1 月开始正式h d t v 卫星广播，这标志着m u s e 制式技术的成熟。 8 0 年代初，欧洲拟采用m a c ( m u l t i p l e x e da n a l o g u ec o m p o n e n t ) 制式将欧洲现有 的p a l 制( 逐行倒相制) 和s e c a m 制式统一起来。8 0 年代中期，欧洲意识到h d t v 所蕴藏的巨大经济潜力，于1 9 8 6 发布了欧洲的高清晰度电视研究计划 e u r e k a - 9 5 ，于1 9 8 9 年开发成功了兼容的渐进式的模拟制h d t v 系统h d m a c ( h i g h d e f i n i t i o nm 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 d 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。 与数字h d t v 相比，m u s e 和h d _ m a c 无法充分利用现代数字技术，而且性能价格 比太低，所以1 9 9 3 年欧洲停止了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。 1 1 2 数字h d t v 的发展 全数字的h d t v 方案是以美国为代表的一些国家提出的。美国在h d t v 领域起步较 晚，但它依靠其雄厚的理论基础和技术实力，很快就赶上并超过了日本和欧洲。在 1 9 8 7 年以前，美国基本上是支持日本的m u s e 制的，但由于意识到h d t v 的巨大市场 潜力以及对本国政治、经济等方面的影响，美国决定摒弃日本制式，独立提出新的 数字h d t v 制式。 1 9 8 7 年2 月1 7 目，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 ) 提出 开始进行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( a t v ：a d v a n c e d t e l e v i s i o n ) 业务的民间资询委员会( 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 d t 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m d t v 研究的正式开始。1 9 9 3 年2 月a c a t s 给f c c 提交了一份报告，推荐了四种全数字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 。由于每个数字a t v 系统各有优缺点，总的水平难分出高 低。所以成立了h d t v 大联盟( g a ，g r a n da 1 l i a n e e ) ，f c c 希望集各家所长，制定 一个统一的美国h d t v 标准。g a 经过4 个多月的努力，就一些重大问题取得了结果： ( 1 ) 图像压缩编码采用m p e g 一2 标准。( 2 ) 伴音选用d o l b y a c 一3 。( 3 ) 采用多种扫描制 式。 g a 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 ( 残 余边带调制，v e s t i g i a ls i d e b a n d ) ，有线电视采用1 6 v s b 。测试结果表明：地面广 浙江大学硕士学位论文 播中8 v s b 稍优于3 2 q a m ( 正交调幅，q u a d r a t u r ea m p l i t u d em o d u l a t i o n ) ，有线电 视中1 6 v s b 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。 1 9 9 4 年第二、三季度，a c a t s 组织了对g a h d t v 传输系统的野外测试，测试结果 表明，6 a 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 i i f 频段的多径 干扰比v h 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 。 f c c 在1 9 9 6 年1 2 月正式采纳g a 的h d t v 标准作为高清晰度电视的标准。在大联 盟方案基础上制定了美国a t v 广播标准，称为a t s c 数字电视标准。g a 标准的测试 结果表明：接收到的h d t v 视频音频质量与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。但测试中也发 现了h d t v 频道可能干扰相邻n t s c 频道。视频信号可通过更高级的技术手段加以解 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， 以尽可能地消除干扰，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，大力推进欧洲数字h d t v 的研究，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 ) ，包括1 1 个国家的1 3 0 多个组织。现在该组织有9 个技术项目：德国的h d t v _ t ，法国的s t e r n e ，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 下制定的数字电视总规划称为d v b 一2 0 0 0 ，该规划准备采用的技术为：信源编 码用m p e g - 2 ，信道编码用c o f d 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 y d i v i s i o i lm u l t i p l e x i n g ) ，伴音用m u s i c a n ，并将用在整个欧洲大陆的地面、卫星 和电缆广播中。 日本有关部门曾表示要以数字式h d t v 来代替m u s e 系统。这一表示遭到有关厂商 的激烈反对，官方不得不重申目前仍推广m u s e 系统，要到2 0 0 7 年才改用全数字化， 并打算采用i s d b ( 综合业务数字广播，i n t e g r a t e ds e r v i c ed i g i t a lb r o a d c a s t i n g ) 系统。 i 1 3 中国n ) t v 的研究发展情况 1 9 8 9 年，国家科委先后批准了“h d t v 软科学研究课题”及“八五高清晰度电视 ( h d t v ) 攻关课题”。先后经过一年的时间完成了“h d t v 软科学研究课题”的研究报 浙江大学硕士学位论文 告，其丰要内容有： h d t v 软科学总结；在我国开展广播用h d t v 研究的策略； 在我国开展非广播用h d t v 研究的策略等。“八五高清晰度电视( h d t v ) 攻关课 题”项目主要以计算机仿真为主，目的是弄清h d t v 广播的技术可行性，包括对压缩 编解码技术机理的研究，h d t v 制式的选择等。通过几年的研究，我国已能运用m p e g - 2 标准进行信源编解码的仿真研究，也能运用现代通信技术进行信道调制解调及编解 码的仿真研究，基本上从理论上解决了有关原理性问题，独立建立了属于自己版权 的“h d t v 软件仿真包”。“ 1 9 9 3 1 9 9 5 年，国家科委组织“h d t v 发展战略专家组”，国务院成立“h d t v 协 调小组”，其成员由广电部、电子部等部委的负责人组成，同时这个协调小组还专 门成立了办公室，下面设有“h d t v 专家组”、“h d t v 总体组”。九五”期间，h d t v 作为国家重大科技产业工程项目，国家科委高技术研究发展中心就h d t v 功能样机系 统的7 个专题进行了公开招标，浙江大学信电系承担了地面传输部分v s b 方案的研 制工作。1 9 9 6 1 9 9 8 年，“h d t v 总体组”组织实施“数字h d t v 功能样机系统”的研 制并演示，9 8 年9 月8 日，世界第四台h d t v 功能样机系统在北京宣布诞生并进行 了为期一周的演示。并且中央电视台于1 9 9 9 年1 0 月1 日，采用数字电视地面广播 方式，对国庆节阅兵式进行了试播。 h d t v 的研制成功被两院院士评为9 8 年中国十大科技突破之一。据专家认定，我 国开发的数字高清晰度电视功能样机系统已达到国际9 0 年代的技术水平，在世界上 继美国、西欧、北美之后第四个完整拥有数字高清晰度电视地面广播传输系统。随 着信息产业的高速发展，数字技术取代模拟技术已成必然。h d t v 功能样机系统的研 制成功标志着我国数字化产业进入了世界先进行列，它的意义是非常深远的。 尽管目前h d t v 的技术难点还很多，但世界各国都在不断地投入人力财力，致力 于它的研究和开发。其原因就是这一技术可能抢占到未来电子技术的制高点，控制 新一代电子产品的市场。高清晰度电视的冲击还不仅在于此，高清晰度电视丰富多 彩的屏幕，是一个高度集成的通信网。这个通信网不仅包括电视，而且包括计算机、 电话、视频游戏、c d 唱机和其它电子媒体，这些与高清晰度电视有关的产品市场可 能达数千亿美元。中国开展h d t v 的研究不仅具有经济意义，而且可以借高科技发展 的契机缩小我国与发达国家之间的差距，振兴我国的民族工业。 2 0 0 0 年5 月，“数字电视领导小组”部署北京、上海、深圳三个城市作为数字 h d t v 地面广播的试验城市，通过政府行为，动员更多的单位技术人员参与数字电 视标准的制订和产业化进程。 4 浙江大学硕士学位论文 第二节d v b - c 标准介绍问 1 2 1d v b 简介 d v b ( d i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t i n g ) 意为数字视频广播。它是欧洲1 7 0 多个组 织参加的一个项目，它包括了卫星，电缆电视和地面广播的普通电视和高清晰度电 视的广播与传输。 d v b 项目的主要目标是要找到一种对所有媒体都使用的数字电视技术和系统， 对它的要求是： 系统应能灵活传送m p e g - 2 视频，音频和其他数据信号。 系统使用统一的m p e g 一2 传送比特流复用。 系统采用统一的服务信息系统提供广播节目的细节等信息。 系统使用统一的一级里德一索罗门( r s ) 前向纠错系统。 使用统一的加扰系统，但可有不同的加密。 选择适于传输媒体的调制方式以及任何必须的附加纠错方法。 鼓励欧洲以外地区使用d v b 标准，推动建立世界范围的数字视频广播标准， 这一目标得到了i t u 卫星广播的支持。 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 ，d v b - t 。分别用于卫星，电缆电视和地面 广播。各种系统的核心技术是通用的m p e g - 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 p m l ，第一代d v b 接收机将提供直到“6 2 5 行演播室质量” 的图像，可以是4 ：3 或1 6 ：9 宽高比。可根据业务要求确定所用的码率。一般来说 所选的码率越高，图像的质量越好，所占频带越宽。码率的选用与图像内容有很大 关系，对于运动较多图像如体育节目等应采用较大的码率，而对于卡通片等节目可 采用较小的码率。因此目前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，能在不同码率需要的节目间灵活地分配总码率。为了满足所有种 类素材的要求，f b 6 0 1 演播室质量所需数码率为6 m b p s 。 1 2 2d v b - c 系统结构 系统框图如图1 2 1 ，把基带电视信号与有线信道特性进行匹配。在有线前端， 可考虑下述基带电视信号源： 一卫星信号； 其他外来信号源； 一本地节目源； 浙江大学硕十学位论文 图1 2 1d v b 系统框图 1 、基带接口同步 该单元将数据结构与信号源格式匹配。帧结构应与包括同步字节的m p e g - 2 传送 层一致。 2 、s y n c l 变换和随机化 该单元将依据m p e g 一2 帧结构转换s y n c l 字节，为了频谱成型，应对数据流进行 随机化。 3 、r s 码编码器 对每一个已随机化的传送包，该单元使用截短的( 2 0 4 ，1 8 8 ) r s 码编码，以产生 一个误码保护包，这种编码也应在同步字节本身使用。 4 、卷积交织器 该单元应完成一个深度i = 1 2 的误码保护包的卷积交织，同步字节的周期仍不 变。 5 、字节变换到m 比特符号 该单元将交织器产生的字节变换成q a m 符号。 6 、差分编码 为获旋转不变星座图，该单元应对每符号两个最高有效位( m s b s ) 进行差分编 码。 f ：霹1 0 i l - 一解 一 r u 碉l 一分器 一 一峒 一 一差码 一 一嘞 一 词蔷砚坩，i_，l蠡恢一 一配 一，l 蜘 一 一匹波与衡 一 一 一 一 q一，1鼯 浙江大学硕士学位论文 7 、基带成型 该单元将经差分编码的m 比特符号到i 和q 信号的映射，在q a m 调制前，对i 和q 信号进行余弦滚降平方根滤波。 8 、q n 调制和物理接口 该单元完成q 埘调制。之后，它将q a f f 已调信号连接到有线电视射频( r f ) 信 道。 9 、有线接收机 有线接收机完成信号逆处理。 1 2 3m p e g 一2 传送层 对于两种制式，m p e 6 2 传送层标准是相同的，由1 8 8 个字节的包组成。其中， 一个字节用于同步，三个字节用于业务识别，加扰和控制信息，随后是1 8 4 字节 m p e g 一2 数据或附加数据。 系统的帧结构如图1 2 2 所示： s y n c i = 未随机化的同步字节补码 s y n c h = 未随机化的同步字节，n = 2 ，3 8 1 2 4 信道编码 为了获得传送数字数据所需的适当误码保护级，应使用基于r s 码编码的f e c ， 并使用字节交织抗突发误码保护。 1 、频谱成型随机化 在m p e g - 2 传送复用器之后，该系统输入码流应以固定长度包组合。m p e g 一2 传 送m u x 包的总长是1 8 8 个字节，其中，包括一个同步字节( 即4 7 h e x ) 。在发送端， 处理顺序都是从同步字节( 0 1 0 0 0 1 1 1 ) 的m s b 开始的。 7 浙江大学硕十学位论文 ( a ) m p e g 一2 传送复用包( m u x ) ( b ) 随机化传送包：同步字节和随机化序列 ( c ) r s ( 2 0 4 ，1 8 8 ，8 ) 误码保护包 rr s y n cs y n c 2 0 4 b y t e s2 0 4 b y t e s ( d ) 交织帧 交织深度i = 1 2 字节 图1 2 2帧结构 为保证时钟恢复有足够的二电平间过渡，m p e g 一2 传送复用器输出端的数据应按 图所视的结构进行随机化。伪随机二进制序列( p r b s ) 生成的生成多项式： 】+ x 1 4 + ，1 5 应在每8 个传送包的开始时将序列“1 0 0 1 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 ”装入伪随机序列发生 器p r b s 计数器使其初始化。为给解码器提供一个启动信号，在一个8 个包长的组中， 第一个包的肝e g 一2 同步字节应逐比特倒相，倒相从4 7 h e x 变为b 8 h e x 。 p r b s 生成器输出的第一个比特应作用于已倒相的m p e g 一2 同步字节( 即b 8 h e x ) 后的第一个字节的第一位。为实现其他同步功能，在后继的7 个传送包的m p e g 一2 同步字节持续期间，p r b s 继续工作，但其输出应无效，不对这些字节随机化。因此， p r b s 序列的周期应为i 0 5 3 个字节。 在调制器无比特流输入时，或与m p e g 一2 传送码流格式( 即一个同步字节+ 1 8 7 个数据包字节) 不兼容时，随机过程仍将持续。这是为了避免调制器未调载波的发 送。 2 、r s 码编码 在能量扩散随机化处理后，采用t = 8 的截短的r s 码编码应加到每一个经随机化 的m p e g 一2 传送包上。这意味着每一个传送包中，8 个错误字节可以被纠正。此过程 在m p e g 一2 传送包中增加了1 6 个奇偶校验字节，码字为( 2 0 4 ，1 8 8 ) 。r s 编码也应 置于包同步字节，不论是未倒相的( 4 7 h e x ) 还是倒相的( 即b 8 h e x ) 。码生成多项 浙江大学硕士学位论文 式： g ( x ) ：( x 十妒) ( x + 才) ( x + 铲) ( x + 2 5 ) 这里 = 0 2 h e x 生成多项式：p ( x ) ：j 8 + x 4 + x 3 + x 2 + l 在( 2 5 5 ，2 3 9 ) 编码器输入端输入信息字节之前，添加5 1 个字节，并设置为全零， 以此实现截短的r s 码。编码后，这些空字节将被丢弃。 3 、卷积交织 深度为i = 1 2 的卷积交织应用于误码保护包，生成一个交织帧。卷积交织处理应 基于f o r n e y 方法( 是一种对典型的突发误码信道的突发纠错编码) ，它与i ：1 2 的第 三类r a m s a y 方法一致。已交织的帧应由交叠的误码保护包组成，且应由m p e g 一2 同 步字节界定( 保留2 0 4 字节的周期) 。 交织器可由i = 1 2 个分支构成，由输入开关循环地轮流接通输入的比特流。每个 分支都应有一个深度为埘单元的先进先出( f i f o ) 移位寄存器，( 这里m _ 1 7 = n i ， n = 2 0 4 = 误码保护帧长度，i = 1 2 = 交织深度，j = 分支序号) ，该f i f o 单元应为一个字节， 且输入输出开关应为个字节，且输入输出开关应同步。 为实现同步，在所有时候同步字节及倒相的同步字节都应送到交织器的分之 “0 ”( 相当于零延时) 。 而用户端的去交织结构与之类似，只是将交织器上下颠倒一下。 4 、字节到符号的映射 卷积交织之后，应进行字节到符号的精确映射。这一映射应基于该调制系统中 使用的字节定界限。 在所有情况下，符号z 的m s b 应取字节v 的m s b 。相应的，该符号的下一个有 效位应取字节的下一个有效位。2 ”一q a m 调制情况下，该处理应将k 个字节映射到 r 1 个符号，例如：8 k = n m 6 4 q a m 情况下的处理在图1 2 3 中作详细说明( 这里m = 6 ，n = 4 ) 9 浙江人学硕士学位论文 自交织帧输出( 字节) 至差分编码器( 符号) 图1 2 3用于6 4 0 a m 的字节到比特变换 b o 应理解为每个字节或m 个比特符号( m - s y m b 0 1 ) 的最低有效位( l s b ) 这个变换中，每个字节产生了不止一个i l l 比特符号标为z ，z + i 等调制字节组， 且z 在z + i 之前传送。 接下来，为获得，2 旋转不变o a m 星座图，每个符号的两个最高有效位进行差 分编码，两个m s b 的差分编码应由下面的表达式给出，电路框图见图1 2 4 ： i k2 ( a k o b k ) * ( a x e i k 一1 ) + ( 彳世。曰k ) ( a k e q k i ) q 七2 ( a 足o b k ) ( 占k o q k 一1 ) + ( a k o b k ) ( 矗k o i k 一1 ) 图1 2 4字节m 比特符号变换，两位m s b 差分编码 第三节本文的主要贡献 高清晰度电视中的均衡器是非常重要的一部分。均衡器的好坏，成为影响接收机 性能的决定性因素。本文工作的重点是根据d v b 传输系统的技术细节，对均衡器的 算法和实现作了定性的分析。 第一章首先介绍了h d t v 的发展史，然后从系统上介绍了h d t v 的d v b c 方案。 第二章和第三章主要介绍了均衡器的原理与算法。通过对各种盲均衡算法的仿 真与比较，提出了用于d v b c 系统的优化的均衡器实现方案。 l o 浙江火学硕士学位论文 第四章就芯片设计的a s i c 设计流程和s o c ( 系统级芯片) 的关键技术进行了介 绍；最后介绍了针对综合的v e r i l o g 编程技巧。 第五章主要是结合笔者在对均衡器的方案进行芯片化的过程中的经验，介绍均 衡器的a s i c 实现的过程、难点，并结合i p 技术，给出均衡器较优的芯片实现方案。 希望本文能对以后从事h d t v 和芯片设计研究工作的同行们有所帮助，为我国的 h d t v 研究工作尽一份微薄之力。 浙江大学硕士学位论文 第二章均衡器原理 第一节均衡器的基本概念及功能 在现代数字通信系统中，传输方式根据情况不同，可以分很多种。从信道条件 上分就可以分为卫星通信、地面无线传输、有线电缆( 光缆) 传输等等。一个典型 的传输系统主要包括调制解调、纠错、均衡这几大块。信道条件不同，它们相应的 实现方式也不同。均衡器是频域上对付由于多径衰落、信道通带内不平坦等导致的 码间干扰的主要手段。在卫星通信、有线传输、网络通信中，由于其信道条件较好， 受干扰程度很低，因此均衡器的作用主要作为信道匹配、补偿之用。而在地面无线 传输中，信号传输受地形的影响，多径效应严重，此时，均衡器还得对付多径引起 的码间干扰。 均衡的原理如图2 1 1 所示。设信道冲激响应f l 的z 变换是，( 力，输入到信道 的序列为 i k ) ，均衡器的冲激响应 c 。 的z 变换是c ( z ) ，均衡器输出序列 j * ) 。均 衡的目的是使 ，r ) 尽量接近 i k ) ，或称 i k 与 j r ) 之间达到最佳匹配。一个简明直 接的结论是： c f z l ：! 一 f ( z ) ( 2 1 1 ) 图2 1 1 均衡器原理 从理论上说，只要传输系统符合n y q u i s t 三准则和“共轭匹配”准则即可实现 最佳传输。但是，实际系统中存在各种背景噪声、脉冲噪声、同频干扰、频率选择 性衰落以及带限传输导致接收端每个符号持续时间超过发送端每个符号持续时间的 时间弥散效应，从而产生符号间干扰( i s i ) 或称码间干扰。这种码间干扰是阻碍高速 通信的主要原因之一。补偿信道的失真，可以消除码间干扰，这就是均衡。广义而 芦 9 臂 固 浙江大学硕士学位论文 言，均衡泛指用于消除i s i 而设计的任何电路，例如，在发送端插入滤波器也可以 补偿信道失真，称为预均衡。 在通信中，通常把相干的干扰或噪声称为码问干扰；把不相干的干扰或噪声称 为噪声。均衡器用来对付相干的噪声或干扰。为了便于叙述，本文以后统一把“对 信息传输有害的与有用信号相干( 互相关函数不为零) 的信号”称为“码问干扰”； 把“对信息传输有害的与有用信号不相干( 互相关函数为零) 的信号”称为“噪声”， 若不特别指出，“码间干扰”和“噪声”两个词即为以上描述的含义。 根据式2 1 1 ，均衡可以在频域进行，即频域均衡。早期的均衡器也确实是这样 做的。所谓频域均衡，是在频域设计均衡滤波器，使包括插入的滤波器在内的整个 系统的总传输函数满足无失真的条件。频域均衡往往需分别校正幅频特性和群时延 特性，且对群时延失真的补偿能力较弱，尤其对非最小相位衰落通常无能为力，因 而在数字传输系统中一般不采用频域均衡，而采用时域均衡。现有的通带均衡器一 般都在小于7 0 m h z 的中频上工作。所谓时域均衡，就是从时域的冲激响应考虑，使 均衡器在内的整个系统的冲激响应满足无符号间干扰的条件。时域均衡器利用它所 产生的响应去补偿已畸变的信号波形，最终能有效地消除抽样判决时刻上的符号间 干扰，因而在数字通信的许多领域( 调制解调器，移动通信，短波通信，a d s l ，h d s l 等) 中得到广泛应用。 第二节均衡器的基本结构 在均衡器的实现中，因为横向滤波器的结构硬件实现简单，性能良好，所以虽 然格形滤波器等复杂结构的滤波器构成的均衡器在某些条件下具有比横向滤波器结 构的均衡器更好的性能，但他们的硬件实现太复杂，一般在现代数字通信系统中不 使用。高清晰度电视地面广播系统这种代表当今世界最先进的数字通信的系统也不 例外，均衡器采用横向滤波器的结构。 下文将首先对有限冲激响应滤波器( f i r ) 和无限冲激响应滤波器( i i r ) 作出 介绍，这对于我们引出新的均衡器结构有铺垫意义。 2 2 1f i r 滤波器 f i r ( 有限冲激响应，f i n i t ei m p u l s er e s p o n s e ) 滤波器的基本结构如图2 2 1 它由一条延时线和一些乘加器组成。这是一个长度为2 l + 1 的均衡器。 浙江大学硕士学位论文 可见，输出可写为： j ( ”) = 主叩枷一0 图2 2 1f i r 结构 ( 2 2 1 ) 其中，x 为均衡器输入信号，j 为均衡器输出信号，c 为均衡器系数抽头。“为 中心抽头，中心抽头的值一般为1 ，h 表示”时刻。从上式( 4 1 1 ) 中可以看出，f i r 滤波器的输出实际上是不同时刻输入信号的一种线性组合，所以f i r 形式的均衡器 是线性的( l e ，l i n e a re q u a l i z e r ) 。 f i r 滤波器可以抵消前向和后向的多径，可是它在抵消一个多径的过程中，会产 生一个新的多径影子，这个多径影子的时延在原多径的两倍处，大小是原多径幅度 的平方。为了抵消多径影子，f i r 滤波器又会再次产生一个新的多径影子如此 下去，绵绵不绝，直至第刀个多径影子小到淹没在噪声中、或在数值量化时被截去。 这么看来，为了抵消一定时延的多径，f i r 滤波器的长度就要相当的长。同时，多 径影子会将噪声不断叠加。 从理论上，我们可以相似解释如下： 假设存在主径及一条付径，则根据式2 1 8 ，可以把信道低通特性写为： 日( f 1 = l + a l e 一2 。( 卜f , ) r l ( 2 2 2 ) 根据奈奎斯特定理，为了消除码问干扰，均衡器的频谱特性应尽量等于( 不考虑 噪声时) ： 了= l 一口，p j 2 r c f + 正) f 】+ 1 2 e - j 2 4 ( ，+ 正) 2 f l 一日1 3 口一2 8 ( ，+ 正3 f l + ( 2 2 3 ) 日，uj 1 也就是说，f i r 滤波器之所以会产生连绵不绝的影子，是因为f i r 滤波器想要尽 量贴近信道特性的倒数而造成的。由于产生的多径影子幅度越来越小，所以我们可 以根据残余误差的精度需要来选择均衡器的长度a 浙江大学硕士学位论文 2 2 2l i r 滤波器 图2 2 2 是带判决反馈的i i r ( 无限冲激响应 滤波器的结构图： 图2 2 2 带判决反馈的i i r 结构 这是带判决反馈的i i r 均衡器，若i i r 不判决直接将输出值反馈回去，很容易引 起振荡，极不稳定。 由图2 2 2 ，i i r 均衡器输出可写为： 上 坳强。”+ 擎。川 ( 2 2 4 ) 且7 0 ) = s l i c e r ( j o ) ) ，其中s l i c e r ( ) 函数表示判决。 i i r 滤波器在抵消后向多径时是不会产生多径影子的，那么对付相同时延的多 径，i i r 滤波器需要的长度比f i r 小得多。 加上了判决反馈后，当判决值正确时，i i r 滤波器中的数据不再带有噪声，所以 这时ii r 滤波器就不会再对信号叠加噪声。 i i r 因为采用反馈结构，所以只能对付滞后时延的多径，而不能对付超前时延的 多径。当判决反馈回去的数据7 全部正确时，i i r 均衡器能完全抵消后向多径。但 是，一旦判决出现了错误，错误的数据反馈回去可能会再次引起错误的输出，从而 产生扩散性的一连串错误，反馈抽头数越多，抽头系数值越大，这种情况越严重。 这就是误差扩散( e r r o rp r o p a g a t i o n ) 。误差扩散引入的误差是相关的。如果均衡 器结合了t c m 编码，则这种相关性会影响v i t e r b i 算法对最佳路径的选择，造成更 大的错误。不过除了在非常低的信噪比条件下，误差扩散一般都比较短且不经常发 生。 浙江大学硕士学位论文 第三节抽头系数递推的最小均方( l m s ) 算法 l m s 算法是求横向滤波器最佳权矢量的一种简单有效的递推算法。基本方法是 选取负梯度方向作为搜索方向，以便最快地达到曲线j = e e ，2 的最小值。 为简化分析，设权矢量是二维的，则研p ，2 】与( c 。，c ：) 的关系是一个抛物面。用 一组平行于( c ，c ：) 坐标面的平面去截曲面，得到了一组截线，这就是等高线。若起 始点为( c 。c ：。) ，则与此点切线方向相垂直的方向就是该点的负梯度方向。沿此方 向前进，直到与另一等高线相切时停止，设切点为( c ，c ：。) 。求出该点的负梯度方 向，沿此方向继续前进最终能够最快地达到最小点。 用梯度法求解泛函极值问题，每一次迭代都要求出梯度方向以及步长( 沿此方 向该走多远) 。由于越接近c + ，负梯度方向变化越多，下降越慢，因此开始步长可 以较大，以后越来越小。迭代过程中，变化的步长将增加控制的复杂性。为简化控 制，步长可取固定值，但必须适当。步长太大可能不收敛，步长过小收敛速度又太 慢。 当c 是多维的情况，梯度可用下列矩阵表示： 卟 警，警，等卜 c z - 。， 多维的权矢量递推式为： c j + l = c ，一， ( 2 3 - 2 ) 其中为步长。 将式( 2 4 1 ) 中求导数与求期望的次序对调，得到 v ，一譬， ，静 再考虑到 口，= ，一d ，= c 7 一d ， 两边求导得到 c 鲁， ，c 9 c n = 一 蔷，若，上) 2 一 ( 2 3 3 ) ( 2 3 4 ) ( 2 3 5 ) 浙江大学硕士学位论文 把式( 2 4 5 ) 代入式( 2 4 3 ) ，得 v ，= 2 e e ，】 ( 2 3 t6 ) 在最小点处，有 v ，= 2 e e ，】= 0 ( 2 3 7 ) 上式表明，当p ，和一正交，即误差与接收数据不相关时，系数c 达到最佳值c 。 这就是正交原理。 把式( 2 3 6 ) 代入式( 2 3 2 ) ，得到递推公式： c 川= c 厂2 t e e j 巧】 ( 2 3 8 ) 记口= 2 则( 2 4 7 ) 成为 ( 2 3 9 ) c 川= c j - a n e _ 】 ( 2 3 l o ) 由于在有限的的时间内精确地测量出e e ，】是不可能的，所以这里用互相关的 无偏估计值勺一来代替它，于是得 c 川= c 厂馏，一 ( 2 3 - 1 1 ) 用以上算法可以画出原理图如图2 3 1 所示。 图2 3 1f i r 自适应横向滤波器 浙江大学硕士学位论文 第四节最小均方算法的收敛性能 当步长口的值在一定的范围之内，递推最小均方( l m s ) 算法将收敛于最佳权 系数c 。( c + ) 。以下的推导都是在复数域上进行。 由式( 2 4 1 1 ) 和式( 2 4 4 ) 分别可得 c 川= c ，一船，一 ( 2 4 1 ) p = 垮c j d j ( 2 4 2 ) 在抽头系数调节过程中，我们希望c ，不断趋近于c ，为此定义一个矢量 弓= c ，一c ， ( 2 4 3 ) 经过一番推导之后，可以得到一个重要的关系式： e 1 e j l