（通信与信息系统专业论文）tmmb接收机解调算法的fpga实现.pdf

要 随着信息技术的不断发展，用户希望在任何时间，任何地点都能获得多媒体 的信息服务，手机电视移动多媒体设备应运而生，陆地移动多媒体广播 ( t e 仃e s t r i a lm o b i l em u l t i m e d i ab r o a d c a s t i n g 简称t m m b ) 标准的适时推出更是 加快了国内手机电视事业的发展。 本论文深入研究了t m m b 中的同步解调算法，分析了如何在f p g a 上实现 该算法。对于f p g a 而言，要综合考虑片内资源占用情况和能够运行的最小时钟 周期，了解哪些算法适合在f p g a 内实现，哪些算法需要通过改进来最终通过 f p g a 来实现，综合考虑系统整体性能和各个模块内部功能。 最后本文设计出了一整套使用f p g a 来实现t - m m b 同步接收机的方案，包 括：帧同步、频偏和符号定时的联合估计、整数倍频偏估计、符号细定时以及总 体控制连接单元。对于帧同步模块，本文综合分析标准中的帧结构和硬件资源， 提出了一种新算法，分别累加计算i 、q 两路数据绝对值之和，通过一种新的能 量检测的方法来识别数据帧头，最终用f p g a 实现该功能。联合估计模块则是利 用循环前缀和数据的自相关特性，使用最大似然估计算法估计出频偏大小和符号 定时的位置。整数倍频偏估计、符号细定时是利用发送端的参考相位符号和接收 端已知的参考相位的相关性来最终实现的。 本设计实现了接收机的上述算法，针对f p g a 的硬件资源结构，结合l y n e c h 开发平台的相关技术参数，综合考虑t m m b 标准中的基带速率和整体系统延迟， 给出了相关的设计方案和仿真结果，通过分析各个模块的资源占用情况来安排系 统的整体布局和资源复用，分析各个模块的时序报告，讨论模块的最大频率能否 满足系统的技术要求，最终在f p g a 上实现了该接收机系统整体的同步解调功 能。 本设计对于t - m m b 标准的同步接收机设计有着探索性的分析和讨论，通过 l y n e c h 平台实现了该标准的基带信号同步功能与c o f d m 解调功能，对于其今 后的该标准的设备推广有一定参考意义和实际意义。 关键词：陆地移动多媒体广播：现场可编程门阵列设计；差分正交频分多 路复用；解调；同步 a b s t r a c t a st h ed e v e l o p m e n to fs o c i e t y 卸di n f o n n a t i o nt e c h n o l o g y u s e r sw a n tt 0a c c e s s t 0t h em u l t i m e d i as e r v i c ew h e 佗v 盯锄dw h e n e v e r s 0t h em o b i l em u l t i m e d i a e q u i p m e n tc o m e s0 u t ，t h et i m e l yi n 仃o d u c t i o no ft h es t 卸d a r do ft e r r e s t r i a lm o b i l e m u l t i m e d i ab r o a d c a s t i n gi st 0s p e e du pt h ed o m e s t i cm o b i l et vi n d u s t 叮 t h i sp a p e rm a l ( e sa 如r t h e rr e s e a r c ho nt h es y n c h r o n i z a t i o n 觚dd e m o d u l a t i o n a l g o r i t h mi nt - m m b ，锄d 锄a l y z e dt l l ew a yt 0i m p i e m e n t l ea l g o r i t h mo nf p g a d u r i n gt 1 1 er e s e a r c ho nf p g a ，w es h o u l dg e tag e n e r a lc o n s i d e 髓“o no fr e c o u r s e s u s a g e 锄dt h es h o n e s tc l o c kc y c i e ，i i l v e s t i g a t ea l g o r i u l m st h a t a r ef i tf o rt h e i m p i e m e n t a t i o n o nf p g a ，o rt h a ta r es u i t a b l ef o ri m p l e m e n t a t i o na r e rb e i n g i m p r 0 v e d i na d d i t i o n ，w es h o u l ds y n t h e t i c a l l yc o n s i d e rt h ew h o l ep e 晌加a n c e 锄d t h en l n c t i o n so fe a c hm o d u l e f i n a l i y ，t h i sp a p e rp r o p o s e das e r i e so fs o l u t i o n st 0i m p l e m e n tt m m bd i g i 嘲 r e c e i v e rs c h e m eb 硒e do nf p g a ，i n c l u d n g 触m es y n c h r o n i 髓t i o n ，j o i n te s t i m a t i o no f f 把q u e n c yo f r s e ta n ds y m b o lt i m i n 岛e s t i m a t i o no fi n t e 訇训m u l t i p l ef k q u e n c y s y m b o l f i n et i m i n g 锄dg e n e 随lc o n n 0 lc o n n e c tu n i t t h e 舭唧es y n c h r o n i z a t i o nu n i t t h i s c o m p r e h e n s i v e 锄a l y s i so fs t 觚d a r d so f t h ef h m es 仃u c t u r e 锄dh a r d w a r er e s o u r c e s ，a n e wa l g o r i t h m ，w e 他c u m u l a t i v et h ea b s o i u t ev a l u eo fi ，qd a t a t h r o u g han e w e n e 唱：) ， d e t e c t i o nm e t h o d st 0i d e n t i 匆d a t a 触m eh e a d e r ，t h eu i t i m a t em a l i z a t i o no ft h i s 如n c t i o nw i t ht h ef p g a j o i n te s t i m a t i o nu n i ti st 0u 鸵t h ea u t o c o r r e l a t i o no fc y c l i c p r e f i xa n dd a t aa u t o c o r r e l a t i o n ，u s i n gt h em a x i m u ml i k e l i h o o de s t i m a t i o na i g o r i t h m t 0e s t i m a t et h es i o ft h e 舶q u e n c yo 行s e t 柚ds y m b o l t i m i n gp o s i t i o n i n t e g e r f b q u e n c yo f f s e te s t i m a t i o nu n i t s y m b o l t i m i n g u n i tu s et h ec r o s sc o 盯e l a t i o nb e “旧锄 t h er e f e r e n c ep h a s et r a n s m i n e r粕dr e c e i v 盯l m o 、1 1 s y m b o l so f 代f - c 佗n c e t 0 i m p l e m e n t t h er e c e i v e rw 髂d e s i g n e d 锄di m p l e m e n t e dt l l ea l g o r i t h mf o rf p g ah a r d w a 旭 他s o u r c e ss t l l j c t u 他，c o m b i n e dw i t h 【n e c hd e v e l o p m e n tp l a t f o r mr e l a t e dt e c h n i c a l p a 陋m e t e r s ，c o n s i d e r i n gt h et - m m bs t a n d a r di nt h eb a s e - b 锄dr a t ea n dt h e0 v e 随 s y s t e m d e l a y i tg i v e st h ed e s i g na n dt h e s i m u l a t i o n r e s u l t s ，b ya n a l y z i n gt h e o c c u p a n c yo fe a c hm o d u i eo ft h er e s o u r c e st o 狮n g et h es y s t e m so v e r a i ii a y o u t 鲫d 他u s i n g 他s o u r c e s ，t h et i m i n go ft h e 他p o r to fe a c hm o d u l et 0d i s c u s st h em o d u l e s y s t e m ，t h em a x i m u mf - r c q u e n c yc a nm e e tt h et c c h n i c a lr e q u i r e m e n t st oa c h i e v et h e u l t i m a t ei nt h er e c e i v 盯f p g am a c h i n es y n c h r o n o u sd e m o d u l a t i o nm n c t i o n0 ft h e w h o l es y s t e m t h i sp a p e rp r o p o s e sam e t h o di nt h ed e s i g no ft - m m b s y n c h r o n i z a t i o nr e c e i v e r w i t he x p l o r a t i v e 锄a l y s i s 柚dd i s c u s s i o na n di m p l e m e n t st h ef h n c t i o n0 fb a s e b 锄d s i g n a ls y n c h r o n i z a t i o na n dc o f d md e m o d u l a t i o nb a do nt - m m bs t a n d a r do nt h e l y r t e c hp l a t f o m t h i sp a p e r h 舔s o m er e f e r e n c em e a n i n g 锄dp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c ei n t m m be q u i p m e n te 妞e n s i o ni nf u t u r er e s e a r c h k e yw o r d s ：t - m m b ，f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea m yd e s i g n ，c o f d m ，d e m o d u l “o n ， s y n c h r o n i z a t i o n 第一章绪论 1 1 课题背景 第一章绪论 1 1 1 数字电视概述 移动数字电视是指发端采用数字广播技术( 主要指地面传输技术) 播出，接收 终端一是安装在公交汽车、出租车、商务车、私家车、轻轨、地铁、城铁、火车、 轮渡、机场及各类流动人群集中和其他公共场所的移动载体，二是手持接收设备 ( 如手机、笔记本、p m p 、超便携p c 等) ，满足移动人群的收视需求的电视系统。 移动数字电视分为两类，支持第一类车载终端的统称为车载移动数字电视。支持 第二类移动终端的称为手持移动数字电视。目前手持移动数字电视产品中占绝对 数量的是手机电视。 移动数字电视针对的是一个特殊的群体一移动人群。其受众是在移动的 交通工具上( 如公交车、出租车、渡轮等) 、公众聚集场所里( 候车室、候机楼、候 诊室等) 短暂停留的人群。这部分人群处于传统电视覆盖的盲区，是移动数字电 视主要的服务对象。因此，移动数字电视的诞生不仅仅是电视覆盖面的扩大，更 ：是电视产业链的巨大延伸。移动数字电视独特的传播优势造就了诱人的广阔前 景，正等待着人们去开掘和利用。 随着通信和信息技术的迅猛发展，人类获取信息的发展趋势正在由固定走向 移动，由语音走向多媒体。目前，能够在移动环境向大量观众提供多媒体内容的 网络架构主要有三种：移动通信网络( 2 5 g 3 g ) ：无线局域网( w l a n ) 地面数字广 播网络。此外，d ( 数字视频广播) 组织已经正式发布了为通过地面数字电视广 播网络向便携手持终端提供多媒体业务所专门制定的d v b h 标准( d i g i t a l v i d e ob r o a d c a s t i n g h 蛐d h e l d ) ，从而使这一领域的竞争更为激烈。移动数字电视 业成为电视业新亮点，地面数字电视广播系统将支持数字电视的移动( 包括交通 工具承载移动和个人便携移动) 接收。 移动数字电视信传输可采用数字电视地面广播技术。目前在已制定地面数 字电视传输标准的国家与地区中，所采用的标准主要有三大类：欧洲的d v b t 、 美国的a t s c 和日本的i s d b t 【1 1 。其中以采用d v b t 标准的国家与地区为最多主 要集中在欧洲i s d b t 只有日本采用采用a t s c 的则分布在北美但a t s c 标准 不能移动接收。未确定标准的为蒙古和南美地区，以及大多数非洲中东、南亚 等国家。另有1 6 的国家与地区倾向采用d v b t 。全球采用不同地面数字电视 第一章绪论 传输标准的国家与地区分布比例见图l 所示。中国的数字电视地面传输标准己于 2 0 0 6 年8 月3 0 日公布，数字电视信源压缩标准a v s 也己在2 0 0 6 年3 月公布了。这对 推动我国移动数字电视的发展将起到至关重要的作用。虽然移动数字电视可采用 地面广播数字标准来进行传输但考虑它的特殊性，往往在上述标准的基础上， 增加一些附加技术功能，命名为新的标准。从前几年已经出现的手机电视服务来 看视频流的传送方式主要有两种：利用广播电视网络或利用蜂窝移动网络。 随着近几年国内3 g 标准的推出，代表着移动通信具有更宽的带宽和更高的 传输速率，它能够在全球范围内更好地实现无线漫游，并处理图像、音乐、视频 流等多种媒体形式，提供包括网页浏览、电话会议、电子商务等多种信息服务， 同时也要考虑与已有第二代系统的良好兼容性。为了提供这种服务，无线网络 必须能够支持不同的数据传输速度，也就是说在室内、室外和行车的环境中能够 分别支持至少2 m b p s ( 兆比特每秒) 、3 8 4 k b p s ( 千比特每秒) 以及1 “k b p s 的传输 速度( 此数值根据网络环境会发生变化) 。3 g 的核心应用包括：宽带上网、手机 办公手机商务、视频通话、手机电视等多种业务。 t m m b ( t e n - e s t r i a lm o b i l em u i t i m e d i ab r o a d c a s t i n g ，陆地移动多媒体广播) 手机电视移动多媒体广播标准是北京新岸线公司于2 0 0 4 年1 0 月在信产部、发 改委和广电总局的推动下开始研发的i z j 。t m m b 系统通过时域复用和信道 复用等技术，并利用d a b 系统的子信道和复用控制在全球首次实现基于 d a b 发射端的多标准( d a b 、t d m b 和d a b i p ) 信号输出，解决了发射端 的多标准兼容性。t m m b 标准由于采用了先进的调制解调算法和纠错编解码， t - m m b 系统可以支持大约2 5 0 l 【l l l h 的高速移动接收( 国外系统都在1 5 0 k m h 以 内) ，从而保证在高速列车上也可以享受到优质的多媒体服务。t m m b 系统采用 了高效低复杂度差分解调方案无需信道估计和均衡；由于窄带特性f f t 块长 较小从而大大降低了接收机复杂度，可以大大降低接收芯片的成本，促进接收 机的迅速普及。t m m b 系统采用了节能措施，接收机可以从基带数据符号开始， 只处理自己需要的信号；由于t - m m b 系统窄带特性，其芯片功耗约低于 d v b h 也大大低于t d m b 和m e d i a f l o 系统。降低接收机功耗可以延长接收机 的工作时间。这是手持终端设计的一项重要指标。视频、语音、数据传输向i p 融 合是大势所趋。t m m b 引入了多协议封包一前向误码纠锚( m p e f e c ) 技术，将 传输的流模式i p 化，同时进一步提高系统移动接收性能【2 j 。 基于t - m m b 的多种优点，中国科学院和中国工程院多名院士一致认为新岸 线公司的t m m b 技术达到了国际先进水平，是统一d a b 多标准版图的有力工 具，且优于d a b 体系的其它标准，使中国标准第一次有机会在全球骨干产业成 为全球主流标准。 目前，m m b 手机电视移动多媒体广播标准已经通过国家标准委员会的试 2 第一章绪论 验测试，即将成为手机电视的国家标准。 1 1 2 本文的主要工作和意义 课题的研究内容：t - m m b 接收机的同步过程和c o f d m 的解调处理。同步 对于任何数字通信体统来说都是一个根本的任务。没有精确的同步很难对传输的 数据进行可靠地恢复。因此，同步在数字基带中的设计中起着至关重要的作用。 基于t - m m b 模式一协议的o f d m 接收机的同步，本论文主要包括了：定时 同步、载波频率同步和f f t ( 快速傅里叶变换) 的数字信号处理。 定时同步主要包括帧同步和符号同步两种，其中帧同步用于确定数据分组的 起始位置，而符号同步的目的在于正确的定出o f d m 符号数据的开始位置，以 进行正确的f f t 操作。 载波频率同步首先是要检测出频率偏移，然后加以补偿。频偏检测按精度可 分为粗同步和细同步两个部分。 本文主要通过对t m m b 系统的硬件设计进行了讨论，通过l y n c c h 的软件无 线电平台来实现接收机基带同步和f f t 处理，对t - m m b 接收机的设计和实现提 供了一种新方案。 1 1 3 本文的结构 本文在分析相关标准的基础上，对t - m m b 接收机的同步和解调进行了相关 的设计和实现。 第一章：绪论。对数字移动电视背景进行了说明，重点那对t m m b 标准背 景和特点详细介绍，给出了本文的设计方向和研究意义。 第二章：t m m b 手机电视的标准介绍。本章主要介绍t m m b 标准中模式一 的协议，通过协议中哪些特点实现接收机的同步功能。 第三章：基于l y r t e c h 平台的f p g a 开发流程。本章主要介绍接收机的开发平 台和f p g a 设计的开发流程，着重介绍平台中v i r t e x - 4 器件的性能和资源特点，对 该设计进行了详细模块的划分。 第四章：系统同步功能的设计与实现。本章将同步按功能分为三类：载波同 步、位同步以及群同步按照三种功能将同步划分为五个模块，针对各模块的特 点从算法分析可行性，进行各块和整体设计，最终进行系统仿真和验证。 第五章：c o f d m 解调模块的设计和实现。本章介绍了基于o f d m 通信系统 的优缺点，分析了该调制方式算法的特点，实现并验证该解调模块设计的正确性。 第六章：整体规划同步功能和c o f d m 解调功能。本章整体规划各个模块的 连接，设计一个总控模块实现各个模块间的控制连接，最终验证该整体控制的正 3 第。章绪论 确性。 第七章：总结与展望。对全文的研究工作进行了分析和总结，并对整个系统 的进一步完善提出了建议。 第二章t - m m b 手机电视的标准介绍 第二章t m m b 手机电视的标准介绍 t m m b 是我国手机电视标准之一，是一种兼具支持频率范围广、兼容性好、 频谱效率高、支持单频网、高速移动、产业基础好、系统成熟等优点的系统标准。 本章主要介绍t - m m b 标准的总体技术指标、帧结构、编码调制方式、信息复用 等关键技术，主要讨论该标准的模式一的各种技术指标。 2 1 发送端整体结构概述 t - m m b 标准规定了1 7 m h 2 和8 m h z 两种工作方式，其中1 7 m h 【z 工作方式所 需频道带宽至少为1 7 1 2 m h z ，8 m h z 工作方式所需频道带宽至少为8 m h z 。 1 7 m h z 和8 m h z 两种工作方式的接收机都按1 7 m h z 方式接收。 该标准支持单频网和多频网两种组网模式，支持四种传输模式和多种工作频 段，可根据应用业务的特性和频段的特性，选择不同的传输模式，实现业务运营 的灵活性和经济性。 广播传输系统发送端完成输入的上层数据到传输信号的转换，上层数据包括 视频、音频、数据和紧急信息广播等业务中的一种或多种业务的内容。 当工作方式为1 7 m 比时，发送端原理如图2 1 所示。上层数据输入信号单元 传输帧产生模块，输出的信号单元传输帧即为基带传输帧，再经过上变频转换为 射频信号输出。 图2 1 发送端原理框图( 工作方式为1 7 m h z ) 当工作方式为8 m h z 时发送端原理如图2 2 所示。上层数据输入5 路信号单 元传输帧产生模块，其输出经过频分复用，形成基带传输帧，再经过上变频转换 为射频信号输出。各路信号单元传输帧在时间上保持同步。 5 第二章t _ m m b 手机电视的标准介绍 图2 - 2 发送端原理框图( 工作方式为8 m h z ) 发送端原理框图如图2 3 所示。业务复用根据用户控制信息对上层数据进行组 织，输出配置信息、业务信息和业务数据。各路业务数据分别经过能量扩散、低 密度奇偶校验( l d p c ) 编码和时域交织后复用成主业务信道数据，配置信息和 业务信息经过能量扩散和删余卷积编码后，同主业务信道数据进行比特传输帧复 用，再经过符号映射、频域交织和差分调制，连同空符号和相位参考符号生成 o f d m 符号。连续的o f d m 符号组成信号单元传输帧。 配置信息 业务信息 业务数据 参考相 位符号 频lf 差 菱h 盆 织lj 制 图2 3 发送端原理框图 空符号 o f d m 符 号 生 成 上 交 频 广播传输系统的传输信号由信号单元传输帧组成，信号单元传输帧的帧长为 t f 。信号单元传输帧结构如图2 - 4 所示。 6 i i 辩熊 第二章t - m m b 手机电视的标准介绍 无时间交织i时间交织 守兰磐l 快5 礁曼譬道i 主业务信道( m s c ) ( s y n c ) i ( f i c ) l 一 ! ! 呈i：l ! ! 里 快速信息块( f i b ) ! ! ! l：i 竺 公共交织帧( c i f ) 图2 - 4 信号单元传输帧结构 每个信号单元传输帧由时间连续的同步信道( s y n c ) 、快速信息信道( f i c ) 和主业务信道( m s c ) 构成。 同步信道用于实现传输系统的一些基本解调功能，如信号单元传输帧同步、 自动频率控制等。快速信息信道的主要功能是传输主业务信道的配置信息，还可 用于传输业务信息和重要或紧急的低码率数据业务等。主业务信道用于传输业务 数据，包含一个或多个公共交织帧( c i f ) ，公共交织帧的数目根据传输模式确 定。 2 2t m m b 标准的传输模式 本标准包含四种传输模式，每种传输模式下的信号单元传输帧的帧长、每帧 传输的快速信息块( f l b ) 和公共交织帧的数目见表2 1 。 表2 1 四种传输模式特性对比 传输模式传输帧长( 毫秒)每帧传输f i b 数目每帧传输c i f 数目 传输模式i 9 61 24 传输模式i i 2 4 31 传输模式i i i 2 44l 传输模式 4 862 在传输模式i 中，每个传输帧包含1 2 个f i b ，按顺序分成4 组，每组分别对应 该传输帧中的一个c i f ，即前3 个f l b 对应第1 个c i f ，第4 、5 、6 个f i b 对应第2 个 c i f ，依次类推。传输模式i i 和传输模式i i i 中，传输帧的所有f i b 对应同一个c i f 。 传输模式中，每个传输帧包含6 个f i b ，按顺序分成两组，每组分别对应该传输 帧的一个c l f ，即前3 个f l b 对应第1 个c i f ，第4 、5 、6 个f i b 对应第2 个c l f 。 同步信道由信号单元传输帧中起始的两个o f d m 符号构成。信号单元传输帧 的第一个o f d m 符号为全零的空符号，空符号时间长度为，。信号单元传输帧 7 第二章t - m m b 手机电视的标准介绍 的第二个o f d m 符号为相位参考符号，为后续o f d m 符号进行差分调制提供参考 相位。相位参考符号第七个子载波传输的复数信号见公式( 2 1 ) i 啦一k 2 j i k 2 ，且后o 钆一1 0 七= o ( 2 1 ) 式中各符号的含义如下： z n 在信号单元传输帧中序号为l 的o f d m 符号的第k 个子载波上传输 的复数信号： 五珊d m 符号的第k 个子载波的相位； k o f d m 符号中有效子载波的数量。 氟的值见公式( 2 - 2 ) ： 噼= 姜( 鸟卢f + 刀) 么 ( 2 - 2 ) 其中，序号i ，k 和参数n 为子载波序号k 的函数，每种传输模式下都有特定的 对应值。 信号单元传输帧由连续的o f d m 符号组成，其中每个信号单元传输帧包含的 o f d m 符号的数目取决于传输模式。 信号单元传输帧的第一个o f d m 符号是的空符号，持续时间为瓦眦；其余部 分是连续的o f d m 符号序列，每个o f d m 符号持续时间为sr ，均由一组等间隔 的子载波组成，其子载波间隔为l z ，。 当工作方式为1 7 m h z 时，基带传输帧f r a m e ( t ) 由一路信号单元传输帧组成， 见公式( 2 3 ) ： + i x 2 砌d f ) = 乙n 繇，o 一( 历一1 ) 耳一瓦眦一( ，一1 ) 五) _ 。1 4 0 。f ，2 ( 2 - 3 ) 式中各种符号的含义如下： “d 2 协州怖肋( f b ) i o ，= o ，2 l ，2 ，_ ； ( 2 - 4 ) ，、一， 上每个信号单元传输帧的o f d m 符号的数量( 不包括空符号) ； k 每个信号单元传输帧的o f d m 符号包含的有效子载波数； 耳信号单元传输帧周期，单位为毫秒( m s ) ； z 池空符号持续时间，单位为微秒( 蛉) ； 五每个o f d m 符号( 序号为，= l ，2 ，3 ，) 的持续时间，且霉= 毛+ ， 8 第二章t m m b 手机电视的标准介绍 单位为微秒； 1 u 子载波间隔的倒数，单位为微秒； 保护间隔的持续时间，单位为微秒： z 。i k 在第m 个基带传输帧中的第1 个o f d m 符号的第k 个子载波上传 输复数差分调制符号( 快速信息信道为差分四相相移键控( d q p s k ) 调制，主 业务信道为差分八相相移键控( 8 d p s k 调制) ，当k = 0 时，z m i k = 0 ，即中心子 载波不传输信息。 四种传输模式下的传输参数见表2 2 ，其中单位周期r = l 2 0 4 8 0 0 0 秒，近似 到微秒或毫秒。 表2 2t - m m b 系统四种传输模式下的传输参数 参数传输模式i传输模式i i传输模式i i i传输模式i v 上7 67 6 1 5 3 7 6 k1 5 3 63 8 41 9 27 6 8 品 1 9 6 6 0 8 丁4 9 1 5 2r4 9 1 5 2r9 8 3 0 4r 9 6 朋s2 4 舢2 4 嬲4 8 ，馏 瓦眦 2 6 5 67 6 6 47 3 4 57 1 3 2 87 约1 2 9 7 雕约3 2 4 胛约1 6 8 脚 约6 4 8 膨 瓦 2 5 5 27 6 3 87 3 1 97 1 2 7 6 丁 约1 2 4 6 脚 约3 1 2 膨约1 5 6 脚约6 2 3 雕 乃 2 0 4 8r5 1 2r2 5 67 1 0 2 4r l 0 0 0 雕 2 5 0 凇 1 2 5 脚5 0 0 脚 5 0 47 1 2 67 6 3r2 5 27 约2 4 6 胛约6 2 加约3 1 朋约1 2 3 膨 本文的t m m b 接收机的设计方案是根据标准中传输模式i 的传输参数设定 的，每帧信号7 6 个有效o f d m 符号，每个o f d m 符号长度为2 5 5 2 个采样点，5 0 4 采样点作为循环前缀，c o f d m 调制的有效子载波个数为1 5 3 6 个组成【2 1 。 2 3 本章小结 本章主要介绍了t - m m b 标准发送端的调制和编解码方式，重点描述了 t - m m b 四种标准的帧结构和传输参数，表明本文的设计是根据传输模式i 的传 输参数设定的。 9 第三章基于l y n e c h 平台的f p g a 开发流程 第三章基于l y r t e c h 平台的f p g a 开发流程 本课题选用l ) 仉e c h 接收机平台的f p g a 作为设计的主要硬件。f p g a 在数 字信号处理方面和系统控方面制有着明显的优势，便于系统整体开发与设计。本 章主要介绍l y r t e c h 平台和f p g a 设计的开发流程，针对该平台的特点对系统进 行整体的规划和设计。 3 1f p g a 设计开发流程 3 1 1f p g a 技术简介 f p g a ( f i e l d p r o g 姗m a b l eg a t e 加强y ) ，即现场可编程门阵列，它是在p a l 、 g a l 、c p l d 等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路 ( a s l c ) 领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克 服了原有可编程器件门电路数有限的缺点【3 】。 目前以硬件描述语言( v e r i l o g 或v ) l ) 所完成的电路设计，可以经过简 单的综合与布局，快速的烧录至f p g a 上进行测试，是现代i c 设计验证的技 术丰流。这些可编辑元件可以被用来实现一些基本的逻辑门电路( 比如a n d 、 o r 、x o r 、n o t ) 或者更复杂一些的组合功能比如解码器或数学方程式。在大 多数的f p g a 里面，这些可编辑的元件里也包含记忆元件例如触发器( f l i p n o p ) 或者其他更加完整的记忆块。 系统设计师可以根据需要通过可编辑的连接把f p g a 内部的逻辑块连接起 来，就好像一个电路试验板被放在了一个芯片里。一个出厂后的成品f p g a 的逻 辑块和连接可以按照设计者而改变，所以f p g a 可以完成所需要的逻辑功能。 f p g a 一般来说比a s i c ( 专用集成芯片) 的速度要慢，无法完成复杂的设 计，而且消耗更多的电能。但是他们也有很多的优点比如可以快速成品，可以 被修改来改正程序中的错误和更便宜的造价。厂商也可能会提供便宜的但是编辑 能力差的f p g a 。因为这些芯片有比较差的可编辑能力，所以这些设计的开发 是在普通的f p g a 上完成的，然后将设计转移到一个类似于a s i c 的芯片上。另 外一种方法是用c p l d ( 复杂可编程逻辑器件备) 。 早在1 9 8 0 年代中期，f p g a 已经在p l d 设备中扎根。c p l d 和f p g a 包括 了一些相对大数量的可以编辑逻辑单元。c p l d 逻辑门的密度在几千到几万个逻 辑单元之间，而f p g a 通常是在几万到几百万。 1 0 第三章基于l y r t e c h 平台的f p g a 开发流程 c p l d 和f p g a 的主要区别是他们的系统结构。c p l d 是一个有点限制性的结 构。这个结构由一个或者多个可编辑的结果之和的逻辑组列和一些相对少最的 锁定的寄存器。这样的结果是缺乏编辑灵活性，但是却有可以预计的延迟时间和 逻辑单元对连接单元高比率的优点。而f p g a 却是有很多的连接单元，这样虽然 让它可以更加灵活的编辑，但是结构却复杂的多1 4 】。 c p l d 和f p g a 另外一个区别是大多数的f p g a 含有高层次的内置模块( 比 如加法器和乘法器) 和内置的记忆体。一个因此有关的重要区别是很多新的 f p g a 支持完全的或者部分的系统内重新配置。允许他们的设计随着系统升级或 者动态重新配置而改变。一些f p g a 可以让设备的一部分重新编辑而其他部分 继续正常运行。 f p g a 的应用可分为三个层面：电路设计，产品设计，系统设计。 l 、电路设计中f p g a 的应用 连接逻辑，控制逻辑是f p g a 早期发挥作用比较大的领域也是f p g a 应用的 基石。事实上在电路设计中应用f p g a 的难度还是比较大的这要求开发者要具备 相应的硬件知识( 电路知识) 和软件应用能力( 开发工具) 。 2 、产品设计 把相对成熟的技术应用到某些特定领域如通讯，视频，信息处理等等开发出 满足行业需要并能被行业客户接受的产品这方面主要是f p g a 技术和专业技术的 结合问题，另外还有就是与专业客户的界面问题产品设计还包括专业工具类产品 及民用产品，前者重点在性能，后者对价格敏感产品设计以实现产品功能为主 要目的，f p g a 技术是一个实现手段在这个领域，f p g a 因为具备接口，控制，功 能l p ，内嵌c p u 等特点有条件实现一个构造简单，固化程度高，功能全面的系统 产品设计将是f p g a 技术应用最广大的市场。 3 、系统级应用 系统级的应用是f p g a 与传统的计算机技术结合，实现一种f p g a 版的计算 机系统如用x i i i n xv 4 ，v 5 系列的f p g a ，实现内嵌p o w e rp cc p u ，然后再 配合各种外围功能，实现一个基本环境，在这个平台上跑l i n i x 等系统这个系 统也就支持各种标准外设和功能接口( 如图象接口) 了这对于快速构成f p g a 大型系统来讲是很有帮助的。 3 2 l y i r t e c h 平台介绍 l y r t e c hs i g n a lp r o c e s s i n g ( l s p ) 硬件产品：d s 阶p g a 混合开发平台产品系 列，q u a dt m s 3 2 0 c 6 416 d 岫lv i n e x 4s i g n a l m a s t e r 。 s i g n a i m a s t e rq u a dv i n e x - 4 是一款基于c p c i 的开发板，如图3 一l 所示。板上 第三章基于l y n e c h 平台的f p g a 开发流程 集成了f p g a 和d s p ，用来开发并测试信号处理算法。随板卡附带了一整套开 发套件，可以帮助使用者快速、高效的完成开发任务。s i g n a l m 蹴rq u a dv i n c x - 4 还集成了基于s i m u l i n k 模型的设计工具，使用者可以在一个实时环境中同时进 行开发和测试。 图3 - 1s i g l l a l m a s t e rq u a dv i n e x _ 4 开发板 该开发板应用领域包括：基于f p g a d s p 的开发、实时信号处理、电讯与电 话、无线通信、原型基站、图像处理、d s p 协处理。 该平台的关键特征及优势包括： l 、含有2 个x i l i r v i n e x - 4l x l o of p g a ，提供了1 5 2 ，0 6 4 个逻辑单元和9 6 个 x t 聆m e d s ps l i c e ，超大的容量和高性能的逻辑单元 2 、含有4 个t e ) 凇i n s 劬m e n t st m s 3 2 0 c “1 6d s p ，提供了强大的定点处理能力 每个d s p 都带有1 2 8 m b 的s d l 认m ，每个f p g a 都带有1 2 8 m b 的d d rs d l 认m ， f p g a 之间有两个l 泖i d c h a m 她l 的连接，两个f p g a 之间可以实现全双工、 高达8 g b p s 的数据交换 3 、两个l ，y 砌c 卜卜接口，可以将一系列的l ) t t e c hi o 扩展模块连接在s i g i l a l m a s t e r q u a dv i r t e x - 4 上，包括：多路高速削d c d a c 模块，比如a d a c m a s t 盯 i i l ，v h s a d cv i n c x - 4 ，柚d v h s d a cv i r t e 】【4 。d r cv i n e x - 4 ，它是一个 r a p i d c h a n n e l f p d p 的扩展卡，提供了l g b p s 的r a p i d c h a m 岖l 接口和两个 可配置的f p d p i 接口，最高速率可到4 0 0 m b p s 。a u d i o m d e ol o 接口( a 、，a ) ， 具有一个1 6 - b i t 的n t s c 胜l 视频编解码器和一个1 6 b i t ，4 8 1 ( h z 的立体声音频 接口。 4 、基于模型的开发工具，使得用户可以使用m a t l a b s i m u l i i l l ( 在s i g i l a l m 髂t c r q u a dv i n c x _ 4 上进行基于模型的设计，开发复杂算法。 1 2 第三章基于l y r t e c h 平台的f p g a 开发流程 5 、与流行的开发工具无缝集成，例如c o d ec o m p o s e rs t u d i o 以及i s ef o u n d a t i o n 。 3 3f p g a 设计与开发流程 f p g a 设计人体分为设计输入、综合、功能仿真( 前仿真) 、实现、时序仿真 ( 后仿真) 、配置下载等六个步骤，设计流程如图3 2 所示。下面分别介绍各个 设计步骤1 5 1 。 图3 2 f p g a 设计开发流程 l 、设计输入 设计输入包括使用硬件描述语言h d l 、状态图与原理图输入三种方式。h d l 设计方式是现今设计大规模数字集成电路的良好形式，i e e e 标准中主要应用 v h d l 与v e r i i o gh d l 两种形式。 2 、设计综合 综合，就是针对给定的电路实现功能和实现此电路的约束条件，如速度、功 耗、成本及电路类型等，通过计算机进行优化处理，获得一个能满足上述要求的 电路设计方案。也就是是说，被综合的文件是h d l 文件( 或相应文件等) ，综 合的依据是逻辑设计的描述和各种约束条件，综合的结果则是一个硬件电路的实 现方案，该方案必须同时满足预期的功能和约束条件。 3 、仿真验证 1 3 第三章基于l y n e c h 平台的f p g a 开发流程 从广义上讲，设计验证包括功能与时序仿真和电路验证。仿真是指使用设计 软件包对已实现的设计进行完整测试，模拟实际物理环境下的工作情况。前仿真 是指仅对逻辑功能进行测试模拟，以了解其实现的功能否满足原设计的要求， 仿真过程没有加入时序信息，不涉及具体器件的硬件特性，如延时特性；而在布 局布线后，提取有关的器件延迟、连线延时等时序参数，并在此基础上进行的 仿真称为后仿真，它是接近真实器件运行的仿真。 4 、设计实现 实现可理解为利用实现工具把逻辑映射到目标器件结构的资源中，决定逻辑 的最佳布局，选择逻辑与输入输出功能连接的布线通道进行连线，并产生相应文 件( 如配置文件与相关报告) 。通常可分为如下五个步骤。 ( 1 ) 转换：将多个设计文件进行转换并合并到一个设计库文件中。 ( 2 ) 映射：将网表中逻辑门映射成物理元素，即把逻辑设计分割到构成可编程 逻辑阵列内的可配置逻辑块与输入输出块及其它资源中的过程。 ( 3 ) 布局与布线：布局是指从映射取出定义的逻辑和输入输出块，