（通信与信息系统专业论文）数字电视单频网关键技术研究.pdf

摘要 本文主要对数字电幸凳擎频圈中瓣单颤溺调翻耩懿没诗帮降低o f d m 蜂平醒静关 键技术进行研究。酋先，在理解单频网( s f n ) 系统构成原理的基础上，设计了既 可以用作为单频网调制器，又可以用作为多频网调制器和d v b - c 调制器的硬件平 台。分掇了萃颓遮调露器靛辩润强步润题，宠娥了同步逶酝黪f p g a 实瑗秘调试。 通过试验表明该电路可在实际系统中稳定工作，达到了设计要求。其次研究了降 低o f d m 调制中的峰平比的限幅、编码、加扰频等方法，在分析加高斯窗的基础上， 针对趣糍颠蜜带乡 辐射大的缺点，提出翔高擞懑惹 线性方法。在通过m a t l a b 仿 真，说溺了加高驽窝蠢j 线往方法戳系统往麓略微下降尧代价，有效的降低峰平 比。 关键溺；鞠w 攀羰瀚逵乎毙 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r 。w ed i s c u s st h ek e yt e c t m o l o g i e so fs i n g l ef r e q u e n c yn e 稚- o n ( s v n ) i nh i g hd e f i n i t i o nt v ( h d t v ) f i r s t ，o nt h e b a s i so fs t u d y i n gs f n ，t h e p l a t f o r mi sd e s i g n e dw h i c hc a r lb eu s e da ss f nm o d u l a t o r , d v b tm o d u l a t o ro r d v b cm o d u l a t o r a f t e ra n a l y z i n gt i m es y n c h r o m z a f i o no fs f nm o d u l a t o r , w e d e s i g ns f na d a p t e ri nf p g a ，w h i c hw o r k ss t a b l yi na p p l i c a t i o n s e c o n d l y ，w es t u d y s o m em e t h o d si n c l u d i n gc l i p p i n g ，c o d i n ga n dc a r r i e r - i n t e r f e r o m e t r yc o d e st or e d u c e p e a k - t o - a v e r a g ep o w e rr a t i o ( p a p r ) ，w h i c hi sd i s a d v a n t a g ei no r t h o g o n a lf r e q u e n c y d i v i s i o nm u t t i p l e x i n g ( o f d m ) b a s eo na n a l y z i n gg a u s sw i n d o w , w ep r e s e n tan e w m e t h o dc o m b i n i n gg a u s sw i n d o ww i t hn o n l i n e a ro p e r a t i o n t h r o u g hm a t l a b s i m u l a t i o n s w es h o wt h a ti tc a ns u p p r e s so u t o f - b a n dr a d i a t i o ni n3 2 m h z b a n d w i d t hb yr e m a i ns l i g h t l yl o s i n gp e r f o r m a n c ec o m p a r i n gw i t hg a u s sw i n d o , ；w e c a r ls i g n i f i c a n t l yr e d u c ep a p rw h i l eu s i n gn e wm e t h o d k e y w o r d ：h d t v s f n p a p r 剑新性声明 y l0 0 1 ：；0 5 0 本人声明所嫩交的论文是我个人在导师指导下进行灼研究工作及取碍的研究 成柴。尽我所知，除了文中特别加强标注和致谢中所罗歹i j 的内容以外，论文中不 包含其缝入已经发表或撰写过豹磺究成果；也不霞含为获褥瑟安电子科技大学或 其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我同工作的同志对本研究所做 兹鬣何贡敲鹭已在论文中徽了裙确豹说鞠并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名_ 勘c 垦麓塑兰二圭仝 关于论文使用授权的说明 本入完全了解西安电子科授大学有关保留稻粳瑁学位论文的靛定，帮：研究 生在校攻谈学位期间论文工作的知识产权单位属两安电予科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍为西安电子科技大学。学 校有权保鳝送交论文懿复印件，竞渗查阅葶蠡售阅论文；学校可以公农论文蛇全部 或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。( 保密的论文在 释密君遵守兹瓣窥) ，7 彳 笋。l 。罗 第一章绪论 第一章绪论 鑫1 8 9 7 年马克尼袋示了无线电的通信麓力以来，电子遥俗已经褥至l 举瞧疆嚣 的发展。人类不断的追求更高的享激，因此，人类的电子通信技术日新月鼯。在 当今的信息社会里，人与人之间交往与合作越来越密切，这就要求方便的、具有 多耱潼务功能懿透露方式。为了实蕊这一嚣稼，黉要竞l 受谗多技零魏蕊。葵中缓 重要的一个方面就是克服信道的阐有物理特性( 如带宽受限、多径衰落、噪声、 干扰等) ，实现高效率高可靠性的传输。 为蠢效鳃决无线镶道中多径衰落帮搬性噪声等迥题，嗣辩辫 磊系统成本，人 们采魇了正交频分复用( o f d m ) 技术。o f d m 楚静多载波并行传输系统，通 过延长抟输符号的周期，增强其抵抗多径的能力。与传统的均衡器比较，它最大 的特点在于结构简单，可大大降低成本，且在实际应用中非常灵活，对高速数字 逯蓓是一耱j 常青潜力瓣技术。 1 1 当前o f d m 的主要应用和研究热点 o f 蹦技术良好的性能使褥它在缀多领域得到了广泛故应髑。欧浏的d a b 系统 傻魇的藏楚o f d m 调制技术。试验系统已在运季亍，穰快啜弓l 了大量褥众。它明显建 改善了秽幼中接收无线广播的效果。用于d a b 的成套芯片的开发正在一项欧洲发 展项目中进行，它将使d a b 接收机冉勺价格大大降低。市场前景非常看好。 当蔑滔舔主全数字离涛嚷疫壤褪传臻系统中麓羯静调毫l 技零中藏毒o f d m 技 术，欧洲h d t v 传输系统已经采用c o f d m ( c o d e do f d m ) 技术。它具有很高的频谱 利用率，进一步提高抗干扰能力，满足电视系统的传输要求。由于o f d m 熬有很好 兹抗多经戆力，缀适合予遗嚣广攒系统组或单颧溺。e t 本媳蕊数字视频广撵系统 ( i s d b - t ) 的标准落楚采甩o f d m 调制。 在我国目前还没有制定数字电视地面传输的标准，在推稃的备选方案中也有 包含o f d m 调制兹方案。通过一些试验，初步验证to f d m 调制支持多种环境下的 移动接浚缝能帮良鲟静抗多耱多径袭落性能。试验也注意臻，在市区蠢莱垡特殊 地点还不可能可靠接收，应通过单频网( s i n g l ef r e q u e n c yn e t w o r k ) 多点发射来 保证可靠的覆盖。 最耨熊无线鼹域瓣标准i e e e8 0 2 。1 l a ，h i g h p e r f o r m a n c el a nt y p e2n e t w o r k 也把它作为物理层的传输手段，用于5 g h z 频段内支持6 m b p s 到5 4 m b p s 的高速无 线传输。此外，o f d m 技术也被应用于固定无线接入系统l m d s ( l o c a lm u l t i p o i n t d i s t r i b u t i o ns y s t e m ) 中。在未亲戆宽豢接入系绞中，o f d m 建一颈基本技术。由 于该系统的良好的特经，也可能成为下一代蜂窝移动网络的无线接入技术。 数字电视单频网相关技术研究 琏麓o f d m 褥至l 隧益广泛懿应瘸，o f d m 技术也成为无线遗信领域中瓣一个磅 究热点。目前，在潮内外对。f 蹦技术的研究主要集中在以下几个方面： 在数字通信系统中，同步是一个非常重要的问题，通信系统能否有效可靠的 工作，缀大程度上依赖于同步技术靛优劣。对予o f d m 系统褥言，由于其特有的性 质，对载波编移窝稳位噪声良较敏感，人农正在努力寻我懿何受耱礴酶系统同步， 包括载波同步和码元同步；对于无线信道，人们也在寻找熙好的信道估计和消除 符号间干扰的算法。 o f d m 与蕈载滚蓉统程逡，塞予o f d _ m 痞号蹙蠹多个骚立豹经过诿麓豹子载波 信号相加而成的，邀样的合成信号就有可能产生比较大的峰值功率，也就会带来 较大的峰平比。高峰平比会增大对射频放大器的要求，导致射频信号放大器的功 率效率辍低，功率溺糯大，系统鹣造愤增燕。城此，降低o f d m 熬峰平魄对o f d m 系统神推广应用具有燕要的意义。目前，人们研究了各种降低峰值的方法：直接 限幅、数据编码、多映射技术以及发射信号的峰值加窗等。各种方法的熬点在于 如何在系统性能、效率积实现复杂度之阗取得较好的折衷。 霞秘，o f d m 调制与其谴技术襁结合，形成许多新的技术成果。 码分多址( c d m a ) 具有频谱幂0 用率高、软容量和软切换、抗窄带干扰、抗多 径能力和高度的保密隐蔽性等优点。然而，要求数据传输攀避一步提高时肯多径 时延、鹅瑟于撬等滴越。o f d m 耪c d m a 结台继承了o f d m 帮癸s c d m a 豹俊受特性， 实现宽带数据传输。但是，一些缺点，如峰平比高的问题仍然存在。 m z m o ( m u l t i p e i n p u tm u t i p l e o u t p u t ) 用多天线来抑制信道裳落。可以 提毫信避耱窑蹩，溺时氇爵臣挝离信道瓣司熏性，终低误秘率。m i m o 写o f d i v i 终 结合，可以提供更高的数据传输避率。另外o d f m 由于并行传输的二f 码率偶t 年r r d r l 入 了时问保护间隔而具有极强的抗多径干扰能力。i e e e8 0 2 16 系列把m i m o + o f d m 技术为核心技零之一一。m 1 m o + o f d m 技术掰表现盼强大的应j ! ；i 潜力，将残为1 f 一捉 移动逶信系统盼媛心技术之。 当前许多大学、著名公司已充分认识到o f d m 技术的应用前景。纷纷开展了对 无线o f d m 的研究工作，除了解决o f d m 的同步、蜂平比高等传统难题外，还包括 o f d m 与空时褥、联合发送、联合稔测、瞽琵天线等稳肇合豹研究工俸。瓣1 ； f 一些 研究结果表明，它们能提高无线o f d m 系统的性能，将形成未来o f d m 系统的核心 技术。 l 。2 本文主要蠹容 本文对数字高消晰度电视单频网中的一憋相关技术进行研究。以研制适合我 国的具有自主知识产权妁数字电视方案。论文的结构安排如下； 第一章绪论 第章对高清晰度数字电视所大量使用的o f d m 调制综述。 第二肇比较数字亳溪豹传羧标准，绘出数字褰渍灏痰电寝谖裁器多鬻途饔 制器硬件平台的设计框图，详细介绍设计中的各个功能模块。 第三章 阐述数字高清晰度电视单频网的时间同步原理，给出f p g a 电路的实 现的框图并擞了详缨说骥。 第瓣牵阐述o f d m 谪涮原璐釉峰平眈闻熬。研究降低o f d m 谲耧中游峰平 比的限嚼、编码、加扰频等方法，在分析加高斯窗的基础上，针对加高斯窗带外辐 射大的缺点，提出加掰斯窗后非线性方法。完成其m a t l a b 仿真，给出了仿真 篓鬃。 数字屯视单频网相蓑技术研究 第二章单频网调铡器的硬件平台的实现 目前，在欧洲的标准里数字电视有卫謦( d v b s ) 、有线电缆( d v b c ) 和地面广 播( d v b - t ) 三个方蕊的标准。其中，数字电视地面广播中有两种不同的组网方式： 多频阙( m u l t i f r e q u e n c yn e t w o r k ) 窝单频鼹( s i n g l ef r e q u e n c yn e t w o r k ) 。多 额黼裳似于现在黥模拟广播电视溺，不同筑发射机使焉不闻静频段。采臻多频溺 发射简单，容易实现，但是它肖很多不足之处： 1 。频率浪费；在多频网环境下，发射机使用不同的频段，使整个系统的使用 频繁挺宽。由于霹羁矮黥频带资源缀舞藤，这耱嬲络覆盖方法渡舞了频繁， 很不经济。 2 功率浪费：为了达到覆麓目的，发射机必须增大功率，有大量超出需要的 无效辐射，形成能源斡巨大渡费。 3 不容易完全覆盖：采用多频网覆盖方法，整个覆麓区需要个麓站发射信 号覆盖，很容易出现阴影区、死区。尤其在高楼林立的大城市，这种现象 更容易出现。 单频溺，颟名蕊义，邵在缀务区交，笈瓣掇霞矮程懑豹频率，发送耀蘑静数 据。对于每个发射机，必须在糊同的时间，相同的频率，发送相同的数据。相对 于多频网，单频网有它的优点。 1 嚣为覆蕊蒎蠹发麓援其弼援司弱菝率王馋，霹予撅率掇菸豹墨今霹代，节 约了宝贵的频率资源，提高整个网络的频谱利用率； 2 s f n 方法提供较强的场强贯穿核心覆盏区，并且能尼著地提高舭务的可用 性。接收枫有一个以上的发射枫可以接收( 分集式接收增益) 。它们有更好 豹视会获缮更强的信号路径，实现可靠的业务。弼时降低每个发射税的功 率。 3 采用单频网缀潮灵活。通过调整发射机密度、发射塔高度和位鼹、以及每 个发袈祝懿发菇功率，优纯发射瓤瓣络，滂藩覆藏赛区。s f n 霹产生更簿 的覆盖和频谱效率，同时对邻近网络和来自邻近网络的干扰保持一个满意 的水平。 嚣蘸数字毫巍遮嚣广撵中魄较霉用黪调测方法有8 v s b 纛o f d m 。莛中，沛d 礁 有缀强的抗多径能力，可班实蕊革频网覆盏，是入们研究的重点。 单频网是一种组网方式，麒调制器有其独有的特点，如调制器时嫩固定等， 但就其基本的调制方式和普遭的调制器没有麓别。 2 1 单频溺网络结构 单频网网络结构如图2 1 。单频网网络主要由一个主站和若干个分站组成。 第二章单频弼调割器抟缝件平台翁实臻 主站决定了整个单频网的传输参数，所有的分站调制器都使用主站所规定的系参 数。在主站中，先将蕊要发送躲码流通过邋黧嚣对碣流遴行适配，把发送蛉系统 参数酾时间信怠攒入鸦流中，褥送入发送潮络适配器，经分布网络羁达各分站， 通过接收网络适配器将接收到的码流送入s f n 调制器。 单频网要求在时间和频率严格同步。因此，各调制器需要完全同步，一般采 蘑嗣步在努鸯嚣步时镑源静方法。在实戥中，每个发袈筏鄱使用g p s ( g l o b a l p o s i t i o n i n gs y s t e m ) 全球定位系统进行同步。g p s 卫星上时钟源采用的是铷原子 钟或锻原子钟等高精度高稳定的时钟振荡器，可给世界各地提供频率精度 1 l ol i z 。在单獗嘲中使用rg p s 鬟供熬1 0 翊t z 霉】1 秒l 熬洚( 1p u l s ep e r s e c o n d ，1 p p s ) 作为同步时钟和时问基准。 圈2 1 单额潮弼络结构图 传输系统中主藤有发送网络适配器、分配网络和接收网络适配器组成。在传 输中，电视信号可以以数字格式传送和模拟格式传送。数字格式楚指数字的 m p e g 一2 转送瀛逶过传输霜络传送弱发射台，然后在每个发射税里进行僚号调潮， d v b - t 信号在构成单频网的发射机地点产生。传输网络可以使用地面固定网络( 光 缆和无线电中继魂路) 或卫星传送链路，也可以使用不同的适配接口( a t m 接口、 s d h 按目、p d h 接霸等) 或它织豹缝台。这耱数字馈送方式熬位熹是蘩号囊量努， 传输中不会产生绦声。其缺点是需要多个d v b t 调制器( 每个发射机都需要一 个) ，因此增加了网络的总成本，而且需要同步。我国上海的系统中，就采用了 数字榛式传送。幽予有足够的宠野接口，传输网络采用了对a s i 信号巍接遘行光 调制并进行巍分酝传送匏方法。采薅模叛格式传输，d v b - t 信号在莱个中心发麓 台根据dvb t 规范进行调制获得模拟的o f d m 信号，然后通过馈遴网络( 光 缆、微波或卫星链踌) 分送给梅个发射机。各发射机从模拟信号中恢复出传输码 滚，经遘嚣步逶辩蜃孬完盛o f d m 调裁发送。 在调制器内进行两部分处瑷；首先在同步系统从码流中提取时间信息，即发 数字屯视单频捌相哭技术研究 送端的时间标签、网络最大时延，然后确定褐流接收的时间标签，并根据发送端 懿簿溪标签、露络滠大时延诗黪逡分菇静鬟舞要的时廷，这令霹延包臻蠢步适配 器时延和调制器时延。在单频阐环境下，为了保证同时发送数据，调制器的时延 必须鼹固定的。因为单频网使用g p s 提供的i o m h z 时钟作为同步的时钟，调整步 长是l o o n s 。调制器豹时延也饺瘸i o m h z 隧镑寒衡量，戮毙，淫裁器瓣固定时延 理论上是i o o n s 的整数倍。单频网调制器一方面提取出确流中的话输参数，并将 参数提供给信道编碣调制部分，按参数对码流进行相应的编码调制。只腰调制器 的o f d m 组帧是以题帧的第一 b 特开始的，僳诞了发送的数据相同。 2 2 单频瘸调制器实璃方案 d v b t 调制器中，输入流符合m p e g 一2 传输流格式，每1 8 8 字节为一个传输包。 然后对数据进行加拢，使其数撼自化。然后邋过r s 编码、外交织、卷积编码，再 经e 将交绥器和符号交缓器完成整个信道编褐。编码螽数疆经过映射濑剃至l 对应 的星腐图上成为数据载波。o f d m 帧形成部分将数据载波、导频载波和t p s 信道传 输参数信令载波按照帧结构的鼹求组合在一趔，形成完懿的o f d m 符号帧。根据 o f d m 镄藏理，将各个鼗渡经避z f f t 交换，援天保护凌燕，实瑗歪交獭分复矮， 然后插入保护间隔，通过d a 变换，形成基带信号。在d v b t 调制器中，数据加 扰、外编码、外交织、内编码、内交织、映射、i f f t 、描保护间隔都使用f p g a 实瑗。 国单频丽中，单频网调裁嚣与多频丽调制器穗院较，藏鞠主要有：1 ) 普通翡 调制器使用本地的晶体作为时钟，而单频网则必须使用g p s 时钟。2 ) 单频网调制 器必须有同步适配器。同步适配器可以使用f p g a 实现。3 ) 在单频网中，调制器 豹羁。延是露定的，弱在多频溺环境下，对溪铡器熬时延没有要求。蕈频瓣调镧嚣 与多频网调制器具有很大的相似性。它们的输入输出几乎完全一样，都可以使用 a s i 和s p i ：调制器的内部结构完全相同，使用相同的信道编码、t f f t ，主要的信 道绽磁模块臻可以使震f p g a 实鼗。因憩，锼瘸一片褰量较大戆f p g a 蕊片，可隧 在一个硬件平台上下载不丽韵f p g a 程序分别实现单频网调制器和多颓阏调制器。 单频网调制器和d v b c 调制器的输入是相似的，输入的数据流都鼹m p e g 一2 流，使用相同的a s i 输入接口或蠢s p i 输入接口。但是，在单频网调制器中，传 输蕊鹚率是固定静，两在d v b c 调镄器中传输的码率是可变熬。茹采我们在设计 的时假针对d v b c 调制器的码率可变设计数字合成的时钟模块，就可以提供不同 的时制，既可以满足d v b c 调制器的要求，以符合单频网调制器的要求。d v b c 疑穰浚馒耀建溺落巷l ，不嚣要f 烈，霹单颤潮键裁器稿魄，嚣要蔓多豹资源。 绦上所述，对于多频网调制嚣、d v b c 调制器和单频网调制器，我们可以在 硬件设计上做出遣巍的设计，就可以把它们在同一个硬件平台实现。 第二章攀频丽调捌器静诬件平台静安现 单频网调制器硬件平台实现框图如下。 图2 2 单频阏调制器硬件结构图 熬个系统是由以单频网调制器主体模块为中心的几个主要的子模块组成，以 下将详缨介绍各令模块。 1 ) t s 数摇输入模块 在目前的数字电视调制器数据输入端口中经常使用两种数据输入方式；同步 并行输入( s p i ) 和异步串行输入( a s i ) 。s p i 输入需要掇供时钟和并行的数据线， 连接线数羹太多，嚣诧，我销饺角a s i 输入方式。为了与数字程频广缮一舅步事嚣 接口( d v b a s i ) 标准相一致，调制器中t s 数据输入采用的h o t l i n k 点对点接口。 h o t l i n k 接口是c y p r e s s 公司提出的高速数据接口。h o t l i n k 是一种传输速率恒定， 不粼数攥速率豹警抒编码传狻蓉绞，分为3 瀑。 第0 层：物瑕层，物理层的传输介质可以是同李由电缆、双绞线以及光纤接口。 由于同轴电缆优良的电特性而广泛的被应用于各种设备中。因此，我们采用了同 辘电缆健输的按鄹。 篇l 瑶：链赫层( 数螽缡襁瑟) ：链黯鬣上传翰速率2 7 0 m b i t s ，浆耀8b i ob 传输码，这种码可以通过无效传输码点和“运行”的不等性来提供麓错校验。规 定了专门字符，k 2 8 s 专用字符用来在链路滕中建立字节对齐，又称同步字。在传 麓数据貔空余字敬援入蘑步字，胃戬镬接徐褥子具有较强懿弦撬、镪该梭溅帮孬 同步能力。 在接收器端，经常使用c y 7 8 9 3 3 芯片，它的基本结构如图2 3 ，包括时钟恢复 处理器、字节对齐处理器、串并转换、熊戳寄存嚣、解弼嚣、输出寄存器等部分。 当帛行数据迸入蕊片，首先通过锬穗环恢复出时钟，藉鞠恢复的时钟完藏数据静 串并转换，根据数据流中的同步字确定出后续数据的边界，把数据输入解码寄存 数字电视单频婀相哭技术研究 器进行解码，把髂殛结果送到输出寄存器中，解码同时判断接收字的合法性，并 设置鞠瘦酌输出稼惠。 黼谗 r s 一2 3 2 接醴模块 r s 一2 3 2 是p c 机与通信工业中应用最广泛的一种串行接口。r s 一2 3 2 被定义为 一种在低速率窜嚣遗信中增蕊通信距离豹单端标准。r s 一2 3 2 遵循r s 一2 3 2 - c 标餮， 茨国电予工业协会( e l e c t r o n i ci n d u s t r i e sa s s o c i a t i o n ，e i a ) 把r s 一2 3 2 - c 定义为：“在数据终端设备和数瓣通信设备之间使用串行二进制数据的接口”。 r s 一2 3 2 - c 标准是转硬传协议，鼹予连接数据终端设签( d a t a t e r m i n a l e q u i p m e n t ，d t e ) 和数据通信设备( d a t ac o m m u n i c a t i o ne q u i p m e n t ，d c e ) 褥秘设备。 r s 2 3 2 c 采用2 5 针连接器，阳极接d t e ，阴极接d c e 。在电气方面，r s - 2 3 2 - c 作了以下规定： 1 ，相对予信号地线，r s 一2 3 2 - c 的最高电压不超过1 5 v 。 2 驱动器能产生5 v 一1 5 v 的信号来表示逻辑l 和0 。 3 。接收糗l 接受5 v 1 5 v 茨信号毫莲。 系统中采用m a x 2 3 2 的电压转换芯片实现串口通信。芯片内部有电压储增电路 帮转换电路，采霜5 v 筷电虢可以实现t t l 窀平与r s - 2 3 2 c 电平转换，t t l c m o s 输入输出与单片机的串行通信接嗣，r s 一2 3 2 输入输出与串口9 针遣接器相连。p e 主机可以通过r s 一2 3 2 接口读取调制器参数设鬣，也可以进行复位。 6 ) 主热模块 系统的主体模块是一片f p g a 芯片。主要用来实现o f d m 调制以及信道编码。 禳摆在以往静设计中豹数掇，信邋编弱帮分大概使i | ； ii o k 避辑单元，2 0 0 k b i t 存 储单元，考虑到单频网可能使用8 k 模式，i f f t 和加保护间隔等大概使用6 k 逻幸肆 单元，9 0 0 k b i t 存储单元。考虑铆性能、容量、价嵇、封装等各种原因，我们选 攥使用1 fa l t e r a 公司的s t r a t i x 系列e p l s 2 5 。s t r a t i x 是a l t e r a 公司2 0 0 1 年接 数字电视单频网相关技术研究 出的f p g a 。e p l 8 2 5 有2 5 ，6 6 0 基本逻辑单元，多于调制器在8 k 模式下所需的逻 辑单元。2 2 4 个5 1 2 b i t 存储单元，1 3 8 个4 k b i t 存储单元，2 个5 1 2 k b i t 存储单 元。e p l 8 2 5 内部集成了l o 个d s p 模块，8 0 个内嵌乘法器。每个d s p 模块可以配 置成4 个9 * 9 乘法器，或2 个1 8 1 8 、1 个3 6 * 3 6 乘法器。对实现f f t 提供了很好 的硬件资源。内部集成6 个锁相环，其中4 个快速型锁相环，2 个增强型锁相环， 为调制器的实现提供不同频率的时钟。 7 ) 中频调制模块： 基带0 f d m 信号为复信号，需经过正交振幅调制将频谱搬移至中频。为减少正 交同相分量非平衡失真、正交性不够理想、混频本振泄漏等问题，采用数字方式 完成中频调制。具体实现如图2 8 所示： 基黼 坷鬟卜 【- j 图2 8 中频上变频原理图 正交分量i 、q 两路基带数据，再经过基带成形滤波器进行成形滤波，使基 带数据变成高速率的数据流i ( n ) 、q ( n ) ，与高速n c o 产生的正交载波c o s ( 。0 n ) 、 s i n ( uo n ) 进行上变频，得到调制后的数字中频信号，经高性能的d a c 转换成模拟 中频信号。由于数字采样信号会在采样频率与输出中频之差的频率上产生镜像干 扰，因此，后级要加一个低通滤波器滤除镜像频率。采用直接数字合成的方法产 生相位严格正交、幅度完全相同的数字中频信号，数字滤波器可实现严格的线性 相位，可避免模拟调制所产生的载波泄漏、星座失真。数字中频使用高速n c o ， 可灵活调谐。 这里，我们选用了a d 公司的a d 9 8 5 7 数字正交数字作为中频上变频器。a d 9 8 5 7 是一种通用、高性能的数字正交上变频器器件，具有体积小、集成度高、性能好、 功耗低等特点，使用该器件很容易实现信号的数字正交调制。 a d 9 8 5 7 的内部结构主要可分为反级联积分梳状滤波器：固定内插器：可编程 c i c 内插滤波器、正交调制器、反s a 函数、输出增益放大器、数模转器及参考刑 钟倍频器等几个部分。 a d 9 8 5 7 有三种不同的工作模式以满足用户的不同需要：正交调制模式、单频输 第二耄单频黼调制器瓣硬件平台静实现 出模式、插值d a c 模式。当工作在正交调制模式时，d o s 核心产生正交的本振信 号至l 歪交谖剃器，分裂与i q 信号稳黍之蜃穗燕，产生至| 三交调裁信号。最嚣遥过 1 4 位d a c 变为正交调制的模瓠信号输出。当工作在单频输出模式时，a d 9 8 5 7 相当 于一个频率发生嚣，内部d d s 核心根据输入的频率控制字产生一定频率的信号。 当工作在插值d a c 模式时，输入的1 4 位基带信号在经过a d 9 8 5 7 舱处理之后仍然 是鏊带信号，并没有经何静诞涮处瑾。 c s s c 乙k s d l 0 c s 。竺竺兰竺竺厂 s c m 几几门r n 几nm n 几n 门几厂 跏o 回回回回回匣 回十徊圆圆固囤囤圃一 固) 读辩缪 图2 9a d 9 8 5 7 配鬣读写h j 序图 a d 9 8 5 7 配置可用f p g a 电路实现，也可由单片机控制。由于a d 9 8 5 7 在系 统中傻鼹匿定懿委交调裁接式，露且数字中颇鲍篷是足令可遥戆霆定壤，因业l 谴 角f p o a 电路实现a d 9 8 5 7 配覆。配置时序如图2 9 。在f p g a 内部生成i 比特 宽的r o m 块，其内容是a d 9 8 5 7 配置的数据。配置过程是由单片机缴起的，单 片帆绘出配置内容的遗址，配鬣模块根据荦片概给出的媲址，自动把这个地址以 后翁1 6 位静数爨按照写对序掰装送给a d 9 8 5 7 。采雳这荨孛f p g a 配鬟a d 9 8 5 7 ， 电路的可靠性高，而且可以简化了单片机的编程。 8 ) 时钟模块： 考虑至l 硬转平蠹的多弱途，要求时孛模块设诗必簇灵活，强瀵足不霜豹霉要。 在单频网情况下，输入的参考钟时由g p s 提供的高精度的1 0 m h z 时钟，困此，在 硬件上必须提供g p s 时钟的输入接口。 在d v b _ c 中，睦l 子传输的硒率是可变躲，在s t r a t i x 瞧部的镂穗环瓣倍频昶 分籁的值是不能辩配置熬。因此，在s t r a t i x 片步 知了一片数字频率合成器件， 提供飨系统可调的时钟，以满足速率可变的疆求。我们使用的数字频率台成器件 是a d 9 8 5 1 。a d 9 8 5 1 是a d 公司最新推出的采用先进的c m o s 技术生产的囊接数字合 或器，d d $ 系统采蘧了3 2 b i t s 穗经累燕器及1 0 b i t s d a c ，激蠢工幸挈时镑为1 8 勰并z ， 频率控制和相位调节可采用并行或串行方式配置。 硬件平台在作为不同的系统使用时，选择不同的时钟。在单频网环境下，输 1 4 数字电视单频刚相关技术研究 入的时钟采用g p s 时钟。在多频网时，时钟可以使用本地的高稳定度晶体。 在d v b _ c 中使用d d s 生成的时钟。 + 9 ) 溺试接舀： 在f p g a 上引入测试接口，在电路调试中很容易使用逻辑分板仪观测电路的工 作状态。由于f g p a 的可编程性，该接口还可以踅新配置成鸦流输入接口或者数字 中频输密接口，数字中额使餍了1 4 位宽豹数据，为了测试方便，我们使雳静测试 接口多子1 4 位，达到2 6 位。测试接口也可以使用i 乍差分输出的s p i 接口。该接 口可以将t s 数据流差分输出，可以通过通用的解码器直接将数据流进行解码，观 察其图像的质量，可以对数据流的正确髓进行主蕊的评价。该接口在实际傻蔫中 具有报楚豹灵活性。 2 3 单频网调制器电路板的设计 电路板设计中，布线是完成产品的重要步骤。因为电路密度较高，设计时必 须考虑抗干扰的问题，如信号的完整性、电磁兼容性等。 毫濠稻遗是抗予扰中具有羧为黧要载逑谴。絮聚毫溺裁者地上出瑷予拢，则 整个系统无法运行。为了提高电源和地的抗干扰，采用多层板设计，电源和地各 单独占用一个层面。在电源输入点与地之间跨按较大的电容，缚一个芯片的电源 管脚和缱之阗跨接去藕电容，海 氡电源纹波。 模拟电路和数字电路采用独立的电源供电，减小模拟和数字之间的干扰。同 时，模拟地和数字地采用单点相连，不构成回路，减小它们之间的串扰。 在电路袄设计时，走线静靛员l 一般翔下： 1 ，尽量减小印制导线的长度，减少导线的不连续性，如导线宽度不要突变， 导线的拐角采用4 5 度折角，不采用直角，减小高频信号对外的发射与耦 合，禁止环形走线等。 2 。总线走线鹣长发尽可g g 媚鬈，减小总线上的传竣时阅麓。 3 时钟线最容易产生电磁辐射干扰，走线时应该与地线网路靠近，必要时 采用接蛾的敷诵屏蔽时钟线。 我销裂嗣e d a 软件，综合考虑帮愿秽布线麴设计要求，完成电路扳豹设计。 第三章j 司步适配器的f p g a 实现 第三章同步适配器的f p g a 实现 单频网要求整个系统必须在频率上使用相同的频带，子载波也使用相同的频 带，并在频带中的位置氇裰霞。在实际中发辩獍都搜丽麸g p s 接收零凡提供的参考 频率。在g p s 作用下，发射机输出信号的频率相差很小，接收机可以通过均衡消 除这个小的偏差翻【踟【2 j 。 g p s 1 c o f d m 调制上变频 m g p s lc o f d m 调制土变频 t x l l m h ：；e _ 口 一嬲幽， 飞罗弋夕飞罗、k ，7 7 够 f 一脚 脚 _ & ， 弋岁飞岁弋岁r 7 罗够 图单频网中的调制嚣发送信号的频谱 在时阕上，系统终码浚速率、籀号、时钟必须精确同步。穗露弱步是单 频网中的关键技术之一。 3 1 单频潮的时间同步闯题 营宠，单频网中所有麴发菇橇发送熬鹞拳是相羁熬。翔暴各缎藜砉噩瓣筠率不 同，单频网无从谈起。 在普通多频两环境下，各个发射丰凡是异步的，在各个调制器中，发送的码率 只是由调制模式，内编码和保护闽隔决定。其码率噬配通常解决方法有两静：】) 精确控制节目复用器，使其随着调制器模式改变而改变，且输出的码率正好等于 调铡爨发送数鼹率。2 多凝网谡镪器具有强率逶琵豹功髭。妈滚笈是器竣凄的褥 流略小于多频网调翎器所需的码率，在多频网调制器的前端根据输入的码率和多 颓溺谲翻嚣群需酶稻率缱税插入空包，以达至l 褥率疆配。 因为多频网调制器在码率匹配时插入空包是随机插入的，与调制器内部结构， 插入算法以及开机时问有关，所以，对于不同的调制器来说，要使码率适配后的 数据完全超嗣是不露能数。因此在蕈频耀中不g 采爱这样约方法邀嚣速率遥醒。 复用器将码流复用后，送入主站适配器，适配器输出的码流经过传输网络送 爨擎频潮调铡器中。在擎颗丽主站遥配器中，逶配爨根据露锋，帮溺麓模式， 将复用器送出的码流进行码率适配，使其码率等与信道传输能力。传输网络可以 使用各种传输网络，如，微波中继等，但怒在网络传输中不能斑现数据丢失， 数字电视单频网相关投术研究 否则，单频鼹调割嚣掰得到黪数据将不穗弱，导数发羹亨辊发送数据不相弼，不秀 符合单颓潮的要求。阑此，传输霹络必须可靠，此时，所有犟频丽调毒嚣的发送 码率都等于主适配器输出码率。主邋配器和单频网调制器都魁在g p s 作用下工作， 它们的时辨可以认为怒同步的，因此，对于单频阕调制器来讲，输入的码攀就等 予发送瓣褥率，不磊癸在送行羁率嚣甏了。整个纂频霹遣实魂了传输露率鹣溺步。 为了实现单频网的符号同步，将m p e g 一2 传输流分成巨帧( m e g af r a m e ) ，巨帧 所含包的大小由保护间隔决定。一个巨帧包含的o f d m 符号是烂数个，持续时间大 终是0 5 移。奁每一个目 l | i 中热入一个特殊躬毽，匿竣初始纯毯。藏翅始纯包 给出了整个单频网传输参数，鲡信号带宽、导频信息等，同时精指针指出下一个 巨帧开始的位置，巨帧初始化包中坯有两个对符号同步非常黧要的域，同步时间 标签( s y n c h r 。n i z a t i o nt i m es t a m p ) 稠网络最大黠延。同步时间标签是指下一个 巨椟开鲶发送瓣闻琵淼簸运瓣i p p s ( p u l s ep e rs e c o n d ) 的时阕差。箕辩闺精度 为1 0 0 纳秒。网络最大时延应该大于等于网络中最长的路径时延，其绝对时间小 于1 秒，这是为了单频网调制器内的时间同步系统生成的时标信息与主站适配器 建生裁豹时蠢售惑在一令参考秒蠹蹙毒可迎性。单频羁诿刽嚣强步适配嚣在溺络 适配器给出的m p e g 一2 码流中提取出m i p 数据包，根据m i p 中的下一巨帧捂针找出 下一巨帧的开始字节，确定接受到阻帧头的时间。根据m i p 中的同步时间标签和 网络最大时延确定出单频网调铡器中兹时延。嚣为单频网调制器中豹o f d m 处理过 程是露定辩延静，因此单颓霹诞露l 器中的对延溅去o f d m 楚璎时延，蒇是单鞭瓣诱 制器的同步适配器的时延。其计算如下【2 j ： 图3 2 单频网时间同步原理 s t s ：融帧中的同步时间标签 t l ：攀频潮调铡器接收到巨帧的时闻 t 3 ：o f d m 处理固定时延 t 5 ：网络的最大时她 假设系统工作时钟频率i o m i i z ，则 t 2 ：罄频网调制爨同步适配器时延 t 4 ：开始发送匿顿数据的时阍 端三章同步适配嚣翁f p g a 实现 s f n 发送数据的时问 7 t 4 = ( s t s + t 5 ) m o d1 0 s f n 同步系统的时延 t 2 = s t s + t 5 t 1 t 3 蕈菝霹符号露步方法可隧惩下蚕3 3 为镶遴牙瀵爱 s t s 瘫终 分站1 ( 3 一1 ) ( 3 - 2 ) 图3 3 单频捌肘闯同步的实际示意图 假设s t s 为3 0 0 m s ，网络激大薅廷8 0 0 m s ，到分蛞1 接收禹匿帧豹时间5 5 0 m s ， 其调制器时延5 0 m s ，到分站2 接收到巨帧的时间6 0 0 m s ，调制器时延4 5 m s 。则我 们可以计算巨帧发送时问是在最近l p p s 后l o o m s 的时问点上，分站1 的同步系统 时麓5 0 0 m s ，分潍2 豹同步系绞时延4 5 5 m s 。 经过同步适配后，码流经过0 f d m 调制的固定时延，保证在同硅尊刻发送相同 的数据。 3 2 圆步适配器竣f p g a 实现 现场可编程逻辑器件有很高的速度和可靠性，而且具有用户可萋艇定义的逻 辑功能即具有可擞复编程的特点。因此，可编程逻辑器件使数字电路系统的设计 露灵活，并鱼大大绩短了系统磺剖懿周教。由于远凡冬逶售酾嬲终产基枣场的 飞逡发展，可编程逻辑器件供应裔将避步发展半导体工艺，制造出鼹大容量的 可编程芯片，而且，芯片的成本已越来越低。a l t e r a 和x i l i n x 两大难产厂家都 相继接出大容量的f p g a 及其穗应更强功能的开发软件。作者在设计中使用的是 a l t e r a 公司静较 拳开发平台，m a x p l u s i i 系列窥可瑟两百万门级p l d 设诗软件 q u a r t u s 系列。m a x p l u s i i 系刿对简单小模块设计的快遴灵活以及对q u a r t u s 移植 简单等特点，在系统设计初期是一个不错的选择。在整个设计过程中主要使用的 是q u a r t u s 系列茨款 孛。 根据单频网同步适配的原理，同步适配器的设计整体框图3 4 。 数字电视单频网相关技术研究 隧3 4 筚频嘲间莎遁配嚣潦理挺图 以下黠各个主要模块详细说明。 输入缓冲： 固定速率酌码流通过阕络 鲡a t m 网络) ，经历了簿酞和交按辩延之后可会 毒突发数。在单频嬲中兹妈流要求是实时的，不允许避漉有抖动。码溅的不连续 会使调制器出现错误，无法保证发送的数据相同。在输入端加入输入缓存，可以 消除这种网络弓l 起的时间字斗动。缓冲容量越大，越能保证确流的连续住。输入缓 渖赝爰鲍时延恣要别“算在瓣络时廷之内，缓挣容量越大，对延越丈，聪在单频网 中，码流在网络中的时延不能超过1 秒。因此，在缓冲的使用上要均衡考虑。如 码流通过光纤传输，则时间的抖动不会很大，间时网络适配器会消除定的网络 露阔辩动，送入单蒙耀调镶嚣豹玛滚时阗斡辩动已经不是缀大。殴l 壤，考虑裂f p g a 内郝r a m 的大小，在实际中把这个缓冲放在f p g a 内部。在实际的设计中采用了 1 0 2 4 8 b i t 大小的缓冲。 目步援素： 在单频网中，调制器必需在码流中找出巨帧、m i p 等，这些处理郝是以数据 包为单位的。因此，在数据处理之前，必须在硝流中间恢复出同步标忠。我们使 用有限状态孛凡送行潲步头搜索。 同步搜索状态转移如图， a 表示当前数据不是0 x 4 7 ；b 表示当前数据是0 x 4 7 ；e 表示经过一个数据包 后的数据不是0 x 4 7 ；d 表示经过一个数蒲包后的数据建0 x 4 7 。 第兰三章丽步适琵器抟f p g a 实王觅 1 9 图3 5i 司步状态转移图 在数提有效时，检溅数撵滚中是否为m p e g 一2 敢包禚涉字0 x 4 7 ，装莱当蔻数 据魁0 x 4 7 ，弱状态枫进入溺试状态2 。在测试状态下2 ，在数据有效时进行诗数。 计数器经过1 8 7 次有效计数，淡明已经有帧数据经过，这个数据应该为0 x 4 7 。 如暴该数据是0 x 4 7 ，则进入测试状态3 ：如果不是，则刚才的0 x 4 7 并不是帧同 步头，强妥寝始状态1 。蠢群，在溺试状态3 时，在鼗懿骞效靖遂抒计数。在一 帧数据经过以后，如果数据是0 x 4 7 ，则认为网步搜索完成，状态进入锁定状态4 ， 在每缀过1 8 8 个数据送出一个同步标志。如果数据不是0 x 4 7 ，则刚才的0 x 4 7 并 不是犊固步头，嚣到褪始捩态1 。在镂定状态硅下，磐巢经过一个数攘犊之嚣， 数据不是0 x 4 7 ，同样输出同步标志，状态进入预失锁状态5 。在预失锁状态5 中， 如果经过一个数据帧后数据是0 x 4 7 ，转入锁定状态4 ，如果不是，转入初始状态 l ，熏灏搜索同步头。其捕获过程时序如图3 6 辫3 6 耩获过程聍蓐 假设输入的数据是随机等概出现的，输入数据前后不相关， 的概率是5 6 。则误同步的概率为 驴( 去卜而丢嘲 8 w 见，误同步的概率已经很小了，可以认为不发生谈同步。 读取整豢| 模块： 则数据是0 x 4 7 ( 3 - 3 ) 数字电视单频网相菇技术研究 图 3 7 读取菝畿惫赣 在设计中，系统使用了1 0 m h z 的时钟，而单频网的系统传输码流小于这个 时钟。所以，从前端缓冲读出数据必须加上控制模块。磁本控制模块中，采用一 次读数1 8 8 数摆黪突发读取方式。 魄路如蚕3 + 7 ，在输入的码流没有找到阊涉头的时候，控制模块控制只要前端 缓冲f i f o 达到半满，就读取1 8 8 个数据。在同步搜索电路搜索到同步