（通信与信息系统专业论文）dvbc全数字接收机中定时同步技术的研究与实现.pdf

摘要 摘要 当今，电视技术正与其他高新技术相互结合不断创造出新的产品，电视正 在走向数字化，这些趋势必将使电视迎来更大的发展和更广泛的应用。 本文主要针对欧洲数字有线电视d v bc 标准，对全数字接收机的定时同 步技术做了研究和实现，其中包括数字电视的发展现状，全数字接收机中定时 同步的理论基础及实现，m a t l a b 仿真模型，并给出了详细的c 语言实现程序， 可方便的实现软件无线电方案。 关键词：d v bc定时同步内插 a b s t r a c t ab s t r a c t n o w d a y s t vt e c h n o l o g yw h i c hc o m b i n so t h e ra d v a n c e dt e c h n o l o g yd e v e l o p s f a s ta n dd i g i t a lt vi sr e a l i z a b l e s ot vt e c h n o l o g yw i l ld e v e l o pm o r er a p i d l ya n db e a p p l i e di nm o r ew a y sa n d w i d e t h i sp a p e rm a i n l yd i s c u s s e st h et i m n g - r e c o v e r yt e c h n o l o g yo fa l l - d i g i t a lr e c e i v e r t h ec r i t e r i o ni n v o l v e di nt h i sp a p e ri sd v b c i nt h i sp a p e r , t h ed e v e l e p m e n to f d i g i t a lt vi sg i v e d , t h et h e o r yo ft i m i n gr e c o v e r yi s d i s c u s s e d i nt h ee n d ，t h e i m p l e m e n t a t i o na n dp e r f o r m a n c eo fm a t l a bs i m u l a t i o nm o d e li sp r o v i d e d t h i sp a p e r p r o v i d e sd e t a i l e dp r o g r a mt oa p p l y t os o f t w a r er a d i os c h e m e k e y w o r d s ：d v b ct i m i n g - r e c o v e r yi n t e r p o l a t i o n 南开大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解南开大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：审易1 笺专 力心年r 月订日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在多 年解密后适用 本授权书。 指导教师签名： 越腾同 学位论文作者签名： 汤售菁 解密时间：年 月 日 各密级的最长保密年限及书写格式规定如下： 机密2 0 年( i l 长2 0 年，可少于2 0 年) 。，。，。，一j ，一。j j 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行研究工作 所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含 任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品的内容。对本论文所涉 及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本学 位论文原创性声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名： 9 汤1 篓、哿 沙够年r 月e l 第一章绪论 第一章绪论 当今社会正在进入知识经济时代，其特征就是知识和发明创造对整个国民 经济和综合力的贡献越来越大，远远超过了传统要素。而知识通常又是通过信 息表现、网络传播的。目前信息传播的电子媒体主要有通讯网，广播电视网和计 算机网三种形式。其中广播电视网以其频带宽，有线和无线覆盖面广的优势， 为信息的传播提供了良好的媒介。因此，数字广播电视的双向化和数字化，与 电信网和计算机网的融合，预示着一个全新的信息化时代的到来。 第一节数字电视简介 所谓数字电视，就是将电视信号经过抽样、量化和编码转化成用二进制数 代表的数字式信号，然后进行各种功能的处理、传输、存储和记录，并且可以 用计算机进行监测和控制。 数字电视信号与模拟电视信号相比，有如下优点： ( 1 ) 信号杂波比和连续处理的次数无关。电视信号经过数字化后是用若干 位二进制的两个电平来表示，因而在连续处理过程中或传输过程中即使引入杂 波后，其杂波幅度只要不超过某一额定电平，通过数字信号再生，都可以把它 清除掉，即使某一杂波电平超过额定值，造成误码，也可以使用纠错编、解码 技术把它们纠正过来。 ( 2 ) 可避免系统的非线性失真的影响。在模拟系统中，非线性失真会造成 图像的明显损伤，而在数字系统中就不存在这一问题。 ( 3 ) 数字信号稳定可靠，易于实现信号的存储，而且存储时间与信号的特 性无关。 ( 4 ) 数字信号所使用的设备与计算机配合可以实现设备的自动控制和调整。 ( 5 ) 数字技术可实现时分多址，码分多址等，可充分利用信道容量。 ( 6 ) 针对数字信号，更易于实现加、解密和加、解扰技术。 第一章绪论 第二节数字电视的标准 目前数字电视的主要标准有两种： 一是e t s i ( e u r o p e a n t e l e c o m m u n i c a t i o n s t a n d a r di n s t i t u t e ) 所制定的d v b ， 目前包含卫星、有线电视、卫星电视共同天线系统( s a t e l l i t em a s t e ra n t e n n a t v ，s m a t v ) 、地面广播( t e r r e s t r i a l ) ，以及微波视讯传输系统的 m m d s ( m u l t i c h a n n e lm u l t i p o i n td i s t r i b u t i o ns y s t e m s ) 和m v d s ( m u l t i p o i n t v i d e od i s t r i b u t i o ns y s t e m s ) 等数位视讯传输规范。除此之外，并制定防制非 法收视处理的共同界面，及增加m p e g - 2p s i ( p r o g r a m s p e c i f i c i n f o r m a t i o n ) 以 外的s i ( s e r v i c ei n f o r m a t i o n ) t a b l e ，以供s t b 选择特定节目及服务之功用。 另一标准是d a v i c ，致力于互动电视( i n t e r a c t i v et v ) 及随选视讯等互动式 视讯( i n t e r a c t i v ev i d e o ) 的技术规范，所以它除了视讯传输外，亦制定中阶及 低阶的p r o t o c o l 、伺服器( s e r v e r ) 的架构及介面、s t b 的架构及介面、保密系 统及高阶应用程式介面，至于传输技术大都采用d v b 或稍加修改而成。在视讯 及语音压缩部分，d v b 及d a v i c 皆采用m p e g - 2 的技术。另外一方面，虽d v b 起 先只注重广播式视讯( b r o a d c a s t i n gv i d e o ) 的规范，但现己陆续制定回传通道 及互动式视讯的相关规范。 第三节d v b 系统所使用的主要技术 本课题主要讨论d v b 标准中的有线电视接收机方面的技术，所以接下来着 重介绍e t s i 的d v b 标准。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。d v b 是欧洲有1 7 0 多个组织参加的一个项目。 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： ( 1 ) 系统应能灵活传送m p e g 一2 视频，音频和其他数据信号。 ( 2 ) 系统使用统一的m p e g 一2 传送比特流复用。 ( 3 ) 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。 ( 4 ) 系统使用统一的一级里德一索罗门前向纠错系统。 ( 5 ) 使用统一的加扰系统，但可有不同的加密。 2 第一章绪论 ( 6 ) 选择适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。 ( 7 ) 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。 ( 8 ) 支持数字系统中的图文电视系统。 d v b 各种系统的核心技术是通用的m p e g 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 p m l 。因此第一代欧洲d v b 接收机将提供 直到“6 2 5 行演播室质量 ( i t u rr e c b t6 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的码率。一般来说，所选码率越高，图像 的质量越好，但占用频带越宽。码率的选用与图像内容有很大关系，对于运动 较多的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，能在不同码率需要的节目间灵活地分配总数码率。为了满足 所有种类素材的要求，i tu r e ct b6 0 1 演播室质量所需数码率为9 m b p s ，p a l s e c a m 播出质量所需数码率为5 m b p s ，由于m p e g 一2 传送比特流是一种数据 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，所形成的标准就是服 务信息标准e t s 3 0 0 4 6 8 。同样由于m p e g 一2 未确定实际的加扰系统和密钥管理系 统，d v b 制定了解码器应用的条件接收公共接口。 第四节我国的数字电视现状及d v b c 系统 在我国的数字电视发展方面，随着2 0 0 3 年已经启动的广播电视数字化的推 进，广电总局宣布我国将在2 0 0 5 年开展数字卫星直播业务，2 0 0 8 年全面推广地 面数字电视，2 0 1 5 年停止模拟电视播出，实现数字广播电视有线、卫星和无线 的全国覆盖。 目前，数字电视节目传送方式有三种：卫星传输、有线电视网和地面发射塔。 在这三种方式中，卫星传输已经完全实现了数字信号的传送方式；地面发射塔 方式的数字化进程还处于标准制订和批准认证阶段。而有线电视网的数字化是 我国发展数字电视的突破口，此项工程正处于试验和推广阶段。 数字有线电视系统采用何种标准已成为数字有线电视发展中一个至关重要 第一章绪论 的问题。我国的数字电视标准是在国际上已有的三种数字电视广播技术标准( 美 国的a t s c 、欧洲的d v b 和日本的i s d b ) 基础上，经过近几年的跟踪研究和试 验制定的。已经制定的有数字电视演播室及卫星数字电视、数字有线电视的相 关技术标准。其他一些技术标准正在组织制定中，数字电视标准体系也在逐步 建设和完善。目前，我国的许多省市已经采用d v bc 标准进行试播。 下面将对数字有线电视d v bc 标准作介绍。 有线电视系统可由图1 3 2 的方框图表示，其中分为两个部分：c a t v 前端 和综合解码接收机( i r d ，也称综合解码接收机) 。为了使各种传输方式尽可能 兼容，除通道调制外的大部分处理均与卫星中的处理相同，也即有相同的伪随 机序列扰码，相同的r s 纠错，相同的卷积交织。随后进行的处理是专门用于 电缆电视的。首先进行比特到符号的转换，如6 4 q a m 是将8 比特数据转换成6 比特为一组的符号，然后头两个比特进行差分编码再与剩余的4 比特转换成星 座图中相应的点。该方案可以适应1 6 、3 2 、6 4 q a m 三种调制方式。d v b 关于有 线电视的标准包括： e t s 3 0 0 4 6 8 电缆系统中的信道编码和调制； e t s 3 0 0 4 7 2 i t u r 中b 制图文电视的传输； e t s 3 0 0 4 7 3 s m a t v 系统中信道编码和调制： e t s 3 0 0 7 4 3 d v b 实时字幕系统； e t r l 5 4 有关m p e g 一2 的实现指导； e t r l 6 2 s i 码的位置； e t r 2 1 1 - s i 作用的实现指导； e t r 2 8 9 共用力口扰； e n 5 0 0 8 3 传输流与有线前端的接口。 4 第一章绪论 嚣h ；薹p 曩堂锋妃哆踺生 蠊鹳摩投鳜 i 撕i 蓦篙卜刊盏薹 穗胞豁_ 蠢 ，t i t l 彰势襁嘲拶锻麓 鬻l 善一霪龇矿魏确硼缘话瓣弼援缎 第五节o a m ( q u a d r a t u r ea m p i it u d em o d uia tio n ) 信号简介n 1 q a m 调制是一种高效的信号调制方式，广泛应用在各种通信系统中。目前 q a m 调制已被定为d v b - c 标准的信号调制方式。所以本课题所涉及的接收机实际 就是q a m 信号的解调过程；有必要对q a m 信号作一介绍。 q a m ( 正交幅度调制) 信号是由两路数字基带信号对正交的两个载波调制合 成而得到的。通常有2 电平正交幅度调制( 2 一q a m 或4 一q a m ) 、4 电平正交幅度 调制( 4 一q a m 或8 一q a m ) 、8 电平正交幅度调制( 8 一q a m 或6 4 一q a m ) 等。电平 数m 和信号状态之间的关系是m = 聊2 。 图1 1 是m q a m 方框图。调制信号s ( t ) 由分裂器分成i 、q 两路信号，再 经过2 一m 电平变换器从2 电平信号变成m 电平信号x ( t ) 、y ( t ) ，用x ( t ) 、y ( t ) 对 正交的两个载波c o s ( o 和缈，r 进行调幅再相加得到己调信号ct s i n m q a m 啦，o ； 獬翳一嬲鞣黑豁蕊e夏女gg器 啼 一 蒜一 锋一 型竺 第一章绪论 在图1 1 中，上支路用的载波相位为0 ，下支路用的载波相位是刀2 。因此， 上支路称为同相信道；下支路称为正交信道。 图1 1 中的2 一m 电平变换有一定的逻辑关系，这种变换逻辑称为电平逻 辑，常用的电平逻辑有自然码和格雷码两种。对1 6 q a m 是2 4 电平变换，输 入信号i 的码组为a ，a 2 ，输入信号q 的码组为6 1 ，6 ；口1 ，岛表示同相信道与正交 信道4 电平基带信道的极性，岛，6 表示两个信道的4 电平信号的电平值。定义 如表1 1 所示。从表1 1 中可以看出，当极性码q 或6 1 为1 时，表示信号的极性 为正( + 3 v 和+ 1 v ) ，当q 或6 1 为0 时，表示信号的极性为负( 一3 v 和一1 v ) 。 电平码a ，6 的定义对应的自然码和格雷码是不相同的。在自然逻辑中，口或6 为 1 时，表示信号在正值域或负值域内是高电平，即+ 3 v 或一1 v ；a ，或6 ，为0 时， 表示信号在正值域或负值域内是低电平，i i p + l v 和一3 v 。而在格雷码逻辑中，砺 或以为1 表示信号电平的绝对值为低电平，即+ 1 v 和一1 v ；或6 为0 时表示 信号电平的绝对值为高电平，即+ 3 v 和一3 v 。 自然码格雷码 q ，6 1嘭，6 2 信号极性与电平 口1 ，岛a 2 ，6 2 信号极性与电平 11+ 3 v 10 + 3 v 10+ 1 v11+ 1 v 011 v011 v 003 v003 v 表1 1 q a m 信号的坐标分布如图1 3 和图1 _ 4 所示，通常称为星座图，本课题涉 及的是方形星座图。 q a m 信号的解调采用正交相干解调器，如图1 2 所示。m q a m 信号经过 相干解调后，在输出端分别得到两个m 电平信号x ( t ) 和y ( t ) ，再对m 电平信号 进行判决，恢复二进制信号l 、q ，最后将i 、q 信号合成s ( t ) 。 6 第一章绪论 c o s 4 f 图1 也 图1 - 32 5 6 q a m 星座图 图i - 41 2 8 q a m 星座幽 第七节课题意义 本课题是在天津德力仪器公司完成的，该公司主要从事广电行业测试仪器 的开发工作。公司立项的数字频谱仪和第三代场强仪中有对数字电视信号测量 的功能，要求能够测量数字电视信号的频谱，给出信号星座图，传输误码率( b e r ) 调制误差率( m e r ) 等参数。而目前国外已有的数字电视解调芯片( 如：s t 公 司的s t v 0 2 9 7 ：b r o a d c o m 公司的b c m 3 1 2 5 ) 只能得到解调的最终输出码流， 对于得到上述星座圈，误码率等中间参量的数据没有给出。鉴于上述原因，公 司决定自主研发数字电视解调系统。 随着微电子技术和数字信号处理技术的快速发展，数字信号处理器的到了 日新月异的进步在处理速度，运算精度等诸多方面都了较大的提高。1 9 9 2 年 由j o em i t o l a 提出的软件无线电思想，在最近几年取得了引人注目的进展。用 一噻一蘸 第一章绪论 户在同一硬件平台上可以通过配置不同的应用软件来满足不同时期，不同环境 不同功能的要求t l l9 软件无线电的灵活性正迎合了数字电视多标准，多制式的 特点。另外，公司的产品是针对整个国外市场的，为了能把多个标准综合用一 个平台实现，所以公司采用了软件无线电方案进行数字电视解调系统的开发( 硬 件方框图如下) ，这在国内并不多见，因为大家的普遍感觉是，软件无线电说起 来容易，做起来难，尤其是硬件方面的问题，需要丰富的经验和深厚的专业技 术，包括现在国内的众多的机顶盒生产厂家都是采用“已有的解调芯片+ 外围 电路”的方案。采用软件无线电的解调方案具有一定的创新性。 本人自2 0 0 3 年底参与公司数字电视解调项目，主要主要参与软件的工作， 对解调算法( 均衡部分由另外的工程师完成) 进行研究，并结合d v bc 的标准， 完成了整个解调过程的m a t l a b 模型仿真，建立模型的目的是：1 ) 对已有算法的 可实现性进行验证；2 ) 可在不依赖硬件的前提下方便的进行仿真调试，得出有 价值的参数。最终，以模型为依据，将整个解调过程用c 语言实现，并于2 0 0 4 年1 0 月将程序部分移植到硬件平台，得到了预期的效果。2 0 0 5 年3 月份，数字 频谱仪的样机已经成形。 本课题是上述数字电视信号解调工作中的一部分，而且是一个解调中的关 键部分，具有重要的科研价值。 图1 3 8 第二章数字接收机中的定时同步算法 第二章数字接收机中的定时同步算法 任何一个通信系统都必须有发送信号与接收信号的过程，而接收信号实际上 就是从噪声，干扰与畸变中提取信号，获取发送信息。提取信息就是估计信号 的某个特征参数，如振幅，频率，相位等。信号参数的估值过程就是同步。 数字通信系统中，同步功能显得尤为重要。数字通信中发送的信息信号是编 码的码元序列再用该序列去改变载波的某个或数个参数，实施数字载波调制。 通常，这类方式的通信系统属于相干系统，接收端必须在有噪声污染的环境下 完成信号的解调与码元识别。由此，如何抵御噪声的干扰，从噪声中高质量提 取相干载波是同步技术中至关重要的一步，即载波同步；另外，由于有噪声干 扰及信道传输失真，解调出的数字码元波形是有畸变的，影响接收的可靠性， 因此如何准确恢复码元波形也是关键一步，即定时同步。归结起来，数字通信 系统中要求的基本同步有载波同步和定时同步。有些系统还要求帧同步或信息 包同步等。本文主要针对以上定时同步展开。旺1 第一节定时同步算法概述 随着现代通信的发展，定时同步算法逐渐发展起来，从传统的基于同步采样 的定时恢复到面向数据调整的同步定时方法。 传统的定时恢复通常用v c x o ( 压控振荡器) 实现( 见图2 1 ) 。即用一个稳 定可靠的采样时钟信号( 接近符号率) 锁定传输码率。v c x o 产生的时钟信号 在一个相对狭窄的范围内可调，通过反馈调整最终达到锁定传输码率。 由图2 1 可以看出，传统方法比较直观，便于理解，但仍有一定的局限性。 当接收的信号来自不同的发射机时，需要对每一个发射机对应一个v c x o ，无 法实现可变速率的符号同步。 9 第二章数字接收机中的定时同步算法 图2 1 欧洲的d v b 标准采用基于数据调整的定时同步算法( 见图2 2 ) 。实际上此 算法是完成了一个码率的转换，输入信号经过一个固定频率的时钟( 采样时钟 通常高于符号速率) 采样后，通过数字内插，得到准确符号速率的判决值，恢 复出原始信号。此方法可以方便的实现可变速率的符号同步，从而完成不同速 率业务的接收。另外此方案全数字实现，便于集成。 本章接下来的内容将会从原理和实现两个方面对基于数据调整的定时同步 算法进行阐述。 s a m p l e r 图2 2 l o 第二章数字接收机中的定时同步算法 第二节基于数据调整的定时同步算法模型 2 2 1 内插环路结构 环路结构如图2 2 所示。这里我们只考虑采用反馈回路的定时恢复环路( 前 馈内插环路也是可行的) 。输入信号x ( t ) 是时间连续的p a m 信号，符号间隔是t 。 另外，假定x ( t ) 是带限信号，而且采样周期t s 足够小，满足奈奎斯特准则。 连续信号x ( t ) 以周期t s 采样后得到离散信号x ( m t s ) = x ( m ) ，然后进入内插 器完成速率变换得到样值y ( k t i ) = y ( k ) 。通常t i = t k ，k 是一个小整数。数据滤 波器( d a t af i l t e r ) 对y ( k ) 进行滤波得到码元抽取值。环路中的定时误差检测模 块( t i m i n ge r r o rd e t e c t o r ) 从输出数据中计算定时误差，此误差经过环路滤波器 平滑后驱动数控振荡器( n c o ) ，数控振荡器会根据误差值调整内插器的周期 t i ( 可知1 1 不是常数) ，最终达到定时同步。 2 2 2 内插算法公式 姗出s 瓜d a ci 硫幽s 。 t i m e 萄一厂习m 唧絮 l l l x ( m t s ) 7 ll 7 c o n t i n u o u y 7 一y c ，7 f i l t e rh i ( d 图2 3 o f t = - k t i 图2 3 是一个虚拟的内插模型，不过它可以帮助我们更好的理解内插滤波的 工作机理。首先将数字信号转换为一系列加权的模拟脉冲，然后将模拟脉冲通 过一个冲激响应为啊( t ) 的连续时间的，模拟内插滤波器。此模拟滤波器的连续 时间输出可以表示为： y ( t ) = z ( m ) h i ( t - m t , ) ( 2 1 ) 第二章数字接收机中的定时同步算法 以时间间隔t = k t i 对连续信号y = ( t ) 重新进行抽样。其中t i 是与信号符号同 步的。通常t i t s 是无理数，也就是说抽样率和符号率是不匹配的。 新的抽样值一一内插值可用下式表示： y ( 够) = z ( m r a h ，( k t , - m t , ) ( 2 - 2 ) 尽管模型中包含了一个虚拟的数模转换器和模拟滤波器但是只要具备以下 几个条件，内插值就可以计算出来。 1 ) 输入序列 x ( m ) ； 2