（通信与信息系统专业论文）dtmb系统中信道均衡的算法分析及fpga实现.pdf

武汉理丁大学硕士学位论文 摘要 近年来，数字电视地面广播一直是无线领域关注的热点之一。数字电视的地 面广播代表了宽带数字通信的发展前沿，它孕育着创造一个新的移动电视市场 的机遇，其应用前景深远。2 0 0 6 年8 月3 0 日，国家标准委发布了具有自主知识 产权的中国数字电视地面广播传输系统标准一b 2 0 6 0 0 2 0 0 6 数字电视地面 广播传输系统帧结构、信道编码和调制。该标准突破性的取得了单、多载波调 制技术的融合，具有系统性能好、频谱利用率高、可扩展性强等优点，能适应 我国城乡不同应用的需求。 本课题以d t m b 数字电视接收机芯片的研发项目开展工作。本文对国家标准 的收端单载波和多载波调制模式进行了研究，并完成了单载波多载波双模制式 下均衡器的f p g a 设计与实现。该部分设计和实现的双模下的均衡器，是收端单 载波和多载波调制模式的重要组成部分。本文设计的均衡器采用了时域和频域 联合处理的自适应均衡技术。用c 语言描述了所设计的均衡器后，对设计出的均 衡器的各个模块用v e f i l o g 语言进行了硬件描述，然后对其进行功能和时序的仿 真验证，对结果进行分析，达到了预期效果。 本文在结构上分为四个章节。首先在第1 章介绍了国内外地面数字电视的发 展状况，详细说明了国家标准d t m b 系统单载波和多载波融合接受方案的特点。 然后在第2 章介绍了时域均衡和频域均衡的基本原理，提出了适合于d t m b 系 统特点的算法设计方案。第3 章着重说明了均衡器的算法实现以及f p g a 设计 实现的过程；第4 章为本文的总结部分，对文章进行了总结和展望。本论文完 成的工作主要有： 1 完成均衡器各模块c 代码的设计和编写。 2 用v c d l o g 编写均衡器的各个模块，完成仿真验证。 3 在硬件平台上对均衡器各个模块进行调试，达到预期目的。 关键词：地面数字电视，均衡器，d t m b ，f p g a 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t d i g i t a lt e l e v i s i o nt e r r e s t r i a lb r o a d c a s t i n g i s r e c e n t l yo n eo fh o ta r e a si n w i r e l e s sd o m a i n i tr e p r e s e n t st h ed e v e l o p i n gp r e c u r s o ro fb r o a d b a n dd i g i t a l c o m m u n i c a t i o n ，b r e e d sao p p o r t u n i t yt oc r e a t ean e wm a r k e tf o rm o b i l et v ，a n dh a s b r i g h tf u t u r e g b 2 0 6 0 0 - 2 0 0 6 ，t h es t a n d a r do ft h ec h i n e s ed t y b ( d i g i t a lt e r r e s t r i a l t e l e v i s i o n b r o a d c a s t i n g ) h a sb e e np r o m u l g a t e do na u g 3 0 ，2 0 0 6 s i n g l e - c a t l t i e ra n d o f d ma r em e r g e di nt h i ss t a n d a r d a n dt h i ss t a n d a r dc h a r a c t e r i z e sb ye x e l l e n t s y s t e mp e r f o r m a n c e ，h i g hu t i l i z a t i o nr a t i oo ff r e q u e n c y , s t r o n gf l e x i b i l i t ya n de t c ， c a p a b l eo fa d a p t i n gt od i f f e r e n ta p p l i c a t i o n si nb o t hu r b a na n dr u r a la r e a s t h i sd i s s e r t a t i o nd e p e n d so nt h ep r o j e c to fc h i po fd t m bd t vr e c e i v e r s t h e f p g ai m p l e m e n t a t i o no ft h ee q u a l i z e rf o rs i n g l e - c a r r i e ra n dm u l t i c a r r i e ro ft h e s t a n d a r dh a sb e e nc o m p l e t e di n t h i st h e s i s t h i sp a r ti st h ei m p o r t a n tc o m p o n e n to f t h er e c e i v e ro fs i n g l e - c a t r r i e ra n dm u l t i c a r r i e r e q u a l i z a t i o ni nf r e q u e n c yd o m a i na n d d e c i s i o nf e e d b a c ki nt i m ed o m a i ni su s e df o rt h es i n g l e c a r r i e ra n dm u l t i c a r r i e r e q u a l i z e r a f t e rf i n i s h i n gt h ecp r o g r a mo ft h ee q u a l i z e r , t h ev e r i l o gp r o g r a mh a s b e e nd e s i g n e db a s e do nt h ea l g o r i t h m a n dt h e n ，t h ef u n c t i o na n dt i m i n gs i m u l a t i o n s h a v e b e e nd o n e f i n a l l y , t h eh a r d w a r ed e b u g g i n go nt h eh a r d w a r e p l a t f o m i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h ed e v e l o i n gs t a t u so fd t va l lo v e rt h ew o r l di si n t r o d u c e d f i r s t l y , d e t a i l st h ec h a r a c t e r i s t i c so fs i n g l e - c a r r i e ra n dm u l t i c a r r i e ri nd t m b a n d t h e nt h ea l g o r i t h mo fe q u a l i z a t i o ni n 仃e q u e n c yd o m a i na n dd e c i s i o nf e e d b a c ki nt i m e d o m a i na r ei n t r o d u c e d ，a n dae n h a n c e dr e a l i z a t i o ns c h e m eo fd t m bi sg i v e ni n c h a p t e r2 t h ea l g o r i t h m a n dr e a l i z a t i o no ft h ef p g ad e s i g ni si n t r o d u c e d e m p h a t i c a l l yi nc h a p t e r3 i nt h ee n dt h ea u t h e rm a k e r sas u m m a r ya n de x p e c t a t i o n o ft h i sd i s s e r t a t i o n t h em a i nw o r kd e s c r i b e di nt h i st h e s i si sl i s t e da sf o l l o w s ： 1 d e s i g nt h ecp r o g r a mo ft h ee q u a l i z e r 2 d e s i g nt h ev e r i l o gp r o g r a mo ft h ee q u a l i z e r 3 d e b u gt h ev e r i l o gp r o g r a mo ft h ee q u a l i z e ro nt h eh a r d w a r ep l a t f o r m k e yw o r d s ：t e r r e s t r i a ld i 【g i t a lt e l e v i s i o n ，e q u a l i z e r ，d t m b ，f p g a i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保 留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 日期：叫 武汉理工大学硕十学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究背景和意义 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 个国家技术发展水平和经济实力，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，因此数字电视地面广播在未来数十年中将具有极大的商业价值1 2 j 。 众所周知，无线通信中信道的多径衰落，多普勒效应及加性噪声等问题， 一直是影响通信系统性能的重要因素。所以同样会是数字电视传输的关键因素， 则均衡的性能将直接影响着接收机性能的优劣，是数字电视接收机的关键技术 基础。d t m b 标准融合了单载波与多载波两种模式，鉴于传输环境要求、抗多 径干扰、抗多普勒效应、易于移动接收等方面的考虑，在地面数字电视传输系 统中如何设计以及用f p a g 实现一个有效的均衡器来消除码间干扰是决定地面 数字电视接收机好坏的一个重要环节。 1 2 课题研究现状 目前全球共有三套国际地面传输系统标准，美国1 9 9 6 年高级电视系统委员 会( a t s c ) 研发的格形编码八电平残留边带( 8 v s b ) u p ：a t s c8 - v s b ；欧洲1 9 9 7 年提出的数字视频地面广播( d v b n 采用编码正交频分复用( c o f d m ) e ：d v b t c o f d m ；日本1 9 9 9 年提出的地面综合业务数字广播( i s d b n 采用正交频分复用 ( o f d m ) 艮p ：i s d b to f d m 3 l 。这三种系统标准，其系统设计从技术上限于当时 的设计方向、使用环境、技术水平和硬件支持能力，没有发挥出系统应有的潜 武汉理t 大学硕士学位论文 力。 1 美国a t s c8 v s b 系统 美国a t s c8 v s b 系统是为了在单个6 m h z 频道中传输高质量视频和音频 ( h d t v ) 以及辅助数据而设计的，用于地面广播分配系统。它能够可靠地在 6 m h z 内用8 v s b 调制传输1 9 4m b i t s 的数据。8 - v s b “地面同播模式”可抵抗 n t s c 干扰，对于地面广播，此系统的设计允许在已有的n t s c 发射机上分配一 个额外的具有可比覆盖范围的数字发射机，并且在区域和人口覆盖方面对现存 n t s c 节目影响最小1 4 j 。系统的射频发射特性经过仔细选择后，上述能力是可以 达到，通过1 8 种视频格式，提供各种图像质量【5 1 。利用系统的数据传输能力， 基于数据的业务具有巨大的潜力。系统提供固定的接收。 8 - v s b 系统加入了0 3 d b 的导频信号，用于辅助载波恢复；并加入了段同步 信号，用于8 v s b 系统同步和时钟信道编码纠错保护措施。如此设计使美国系 统具备噪声门限低( 理论值。1 4 9 d b ) ，大传输容量( 固定有用数据位率为1 9 4 m b s ) 和实现串行数据流m p e g 2 p a c k e t l 8 8 b i t ( 1 b i t 同步+ 1 8 7 b i 0 主要技术优势。但美 国系统存在一系列问题1 6 l 。最主要的是对付强动态多径困难：在近的强多径变化 ( 相位) 时，导频信号会受到严重影响，载波恢复出现困难。同时，均衡器的 性能在载波没有精确恢复时会急剧下降；系统虽然使用了训练序列，但两个训 练序列之间相隔2 4 毫秒，期间多径的快速变化无法被跟踪，虽然美国系统同时 使用数据判决反馈“d f e ”，利用数据本身产生的误差信号进行调节，用以跟踪变 化快的多径，但d f e 需要信道被均衡到定程度( 错误判决少于1 0 ) 才能正 常工作，在强多径下，系统是不稳定的1 7 j 。因此，美国系统的原有设计思想、导 频放置、数据结构等，都使得该系统不能有效对付强多径和快速变化的动态多 径，造成某些环境中固定接收不稳定以及不支持移动接收。 2 欧洲d v b t c o f d m 系统 欧洲d v b - tc o f d m 系统是欧洲数字电视广播( d v b ) 开发的系列标准中的 数字地面电视广播系统标准，在系列标准中d v b t 是最复杂的d v b 系统。使 用m p e g 2 传送比特流复用，里德索罗f - j ( r s ) 前向纠错系统，采用c o f d m 调 制方式，把传输比特分割到数千计的低比特率副载波上，用1 7 0 5 个载波( “2 k ) 或6 8 1 7 个载波( 8 k ) 模式。“2 k 模式用于普通网，“8 k 模式用于大小单频网 ( s e n ) ，“2 k 与“8 k ”系统是兼容的【剐。欧洲系统中放置了大量的导频信号，穿 插于数据之中，并以高于数据3 d b 的功率发送。这些导频信号一举多得，完成 2 武汉理工大学硕士学位论文 系统同步、载波恢复、时钟调整和信道估计。由于导频信号数量多，且散布在 数据中，能够较为及时地发现和估计信道特性的变化。为进一步降低多径造成 的码间干扰，欧洲系统又使用了”保护间隔”的技术，即在每个符号( 块) 前加入 一定长度的该符号后段重复数值，由此抵御多径的影响。欧洲系统同样存在一 系列缺陷。首先是频带损失严重：导频信号和保护间隔至少占据了有效带宽的 1 4 左右，若采用大的保护间隔，此数值将超过3 0 【叭。欧洲方案的综合频带利 用率比美国的v s b 方案多损失6 至2 3 。因此，以过分下降宝贵的系统传输 容量为代价来换取系统的抗多径性能，显然不是一个好的折衷方案。其次，即 使放置了大量导频信号，对信道估计仍是不足：c o f d m 中的导频信号是一个亚 采样信号，且c o f d m 采用块信号处理方式( 每次上千点) ，在理论上就不可能 完全精确地描绘出信道特性，只能给出大约平均值，这也是欧洲系统始终无法 达到理论值的原因之一( 与理论值差2 - 3 d b ) ，因此，现有欧洲c o f d m 系统事 实上并不是对付移动多径最有效的手段。 3 日本i s d b t o f d m 系统 日本提出的“综合业务数字广播”i s d b - to f d m 系统采用m p e g 2 传送比特 复用，o f d m 调制方式，使用的编码方式、调制、传输与d v b tc o f d m 基本 相同，可以说是经修改的欧洲方式，不同之处在于接收方面增加了部分接收和 分层传输，将整个6 m h z 频带划分为1 3 个子带，每个子带4 3 2 k h z ，将中间一 个用于传输音频信号，并大大加长了交织深度( 最长达0 5 秒) ，增加交织深度 将引入长达几百毫秒的延迟影响频道转换和双向业务1 1 。i s d b t 概念覆盖了各 种服务，因此系统不得不面对各种需求，而且一个业务可能和另一个业务是不 同的。 在o f d m 特性之外，b s t - o f d m 对不同的b s t 段采用不同的载波调制 方案和内码编码码率，依此提供了分级传输特性。每个数据段有其自己的误码 保护方案( 内码编码码率、时间交织深度) 和调制类型( q p s kd q p s k 、1 6 q a m 或者6 4 q a m ) ，因此每段能满足不同的业务需求【1 1 1 。许多段可以灵活地组合到 一起，提供宽带业务( 例如h d t v ) 。通过传输不同参数的o f d m 段群，可以 达到分级传输。在一个地面频道中可提供三个业务层( 三种不同的段群) 。通过 使用只有一个o f d m 段的窄带接收机，可以接收传输信道中的部分节目。 通过上面探讨分析可得到这样的结论： 1 a t s c 系统为为传统的单载波( s c ) 系统，它使用复杂的信道均衡器来进行信 武汉理工大学硕士学位论文 道估计，消除多径干扰。该算法的对均衡器要求比较高，均衡器设计的复杂 度很高。 2 欧洲d v b - t 多载波系统是在o f d m 频谱中插入导频信号的，它规定了分散 导( s c a t t e r e dp i l o t ) 频和连续( c o n t i n u o u sp i l o t ) 导频。连续导频在每个c o f d m 符号中的位置都是固定的，散布导频的位置在不同的c o f d m 符号中有所不 同 1 2 1 。然而该方案在使用了大量导频来完成估计和均衡，使得系统有效数据 的传输率较低。 3 i s d 阱是日本无线电工商业协会开发的，系统采用的调制方法称为频带分 段传输( b s t ) o f d m ，由一组共同的成为b s t 段的基本频率块组成，属于单 载波传输。 在上述背景下，我国制定了中国地面传输数字电视标准( 简称刚b ) ，它 要是由清华大学的d m b - t 与上海交大的a d t b t 标准的融合版。欧洲的d v b t 与日本的i s d b t 标准都是采用具有循环前缀保护间隔的编码正交频分复用，即 c o f d m 调制【”j 。而d t m b 标准采用了p n 序列作为循环间隔，时域同步正交 频分复用( t d s o f d m ) 进行调制。 a d t b t 方案基于单载波时域调制技术( o q a m ) 调制，其最大技术贡献是 突破了目前国际上普遍认为的单载波无法实行移动接收的技术瓶颈。该方案在 世界范围内率先实现了8 m h z 带宽内1 2 m b p s 高数据容量的稳定移动接收效果。 d m b t 采用了p n 序列填充的时域同步正交频分复用f f o s o f d m ) 多载波 调制技术。与现有的国外数字电视地面标准相比，此标准的优势主要包括：提 供了更大的有效载荷、能够在高速移动状态下接收、能更好的支持单频网、具 有更高的接收灵敏度等。这些都为我国自主制定的数字电视地面广播标准能够 真正超越现有国外相应标准，提供了坚实可信的技术基础。 1 3 中国地面数字电视接收标准 1 3 1 中国地面数字电视接收标准介绍 2 0 0 6 年8 月3 0 日，国家标准化管理委员会发布了数字电视地面广播传输 系统帧结构、信道编码和调制标准，标准号为g b 2 0 6 0 0 2 0 0 6 。本标准为国家 强制性标准，批准同期为2 0 0 6 年8 月1 8 日，将于2 0 0 7 年8 月1 日起正式实施。 地面数字电视传输国家标准包含了单载波和多载波两种模式f 1 4 j 。标准支持在 4 武汉理工大学硕+ 学位论文 8 m h z 电视带宽内传输4 8 1 3 m b p s 3 2 4 8 6 m b p s 的净荷数据率；标准支持开展标 准清晰度电视业务和高清晰度电视业务；标准支持包括固定接收和移动接收在 内的多种接收模式。此外，标准还支持多频网和单频网的组网模式。地面数字 电视传输国家标准发端系统包括随机化、前向纠错编码、星座映射和交织、复 用、帧体数据处理、组帧、基带后处理和正交上变频等8 个主要功能模块，完 成从输入数据流到无线射频信号的整个转换过程。图1 - 1 给出了地面数字电视传 输国家标准发端系统原理框图。 _ _ _ 基正 帧 体 组 带 交 复数 帧 后卜 用据 处变 处 理频 理 _ _ 一 出 图1 - 1 地面数字电视传输国家标准发端系统原理框图 如图1 1 所示，系统首先对外部输入的m p e g 2t s 包( 1 8 8 字节) 码流进行扰 码( 随机化) 和前向纠错编码( m s c ) ，然后完成比特流到符号流的星座映射1 1 5 l 。映 射的符号流经过交织后形成基本数据块，基本数据块插入系统信息后经过帧体 数据处理形成帧体。帧体数据与相应的帧头( p n 序列) 复接组成信号帧( 组帧) ，然 后经过基带后处理转换为基带输出信号。基带后处理产生的基带模拟信号经过 上变频转换为所需的射频信号。收端处理流程则是针对上述过程进行逆变换。 1 信号帧结构 一个基本帧称为信号帧，信号帧由帧头和帧体两部分组成，为适应不同应 用，定义了三种可选帧头长度。三种帧头所对应的信号帧的帧体长度和超帧的 长度保持不变。对于下图1 2 a ) ，每2 2 5 个信号帧组成一个超帧；对于下图1 2 - b ) ， 每2 1 6 个信号帧组成一个超帧；对于下图1 2 c ) ，每2 0 0 个信号帧组成一个超帧。 信号帧包含帧头和帧体两个部分，根据帧头的不同，有三种结构。 i 帧头( 4 2 0 个符号( 5 5 6 l l s ) i 帧体( 含系统信息和数据) ( 3 7 8 0 个符号) ( 5 0 0 弘s ) i a ) 信号帧结构1 i 帧头( 5 9 5 个符号) ( 7 8 7 u s ) f 帧体( 含系统信息和数据) ( 3 7 8 0 个符号) ( 5 0 0 x s )i b ) 信号帧结构2 l 帧头( 9 4 5 个符号) ( 1 2 5 比s ) l 帧体( 含系统信息和数据) ( 3 7 8 0 个符号) ( 5 0 0 s )l c ) 信号帧结构3 图1 2 信号帧结构 5 武汉理：r 大学硕士学位论文 2 帧头 帧头模式1 帧头模式1 采用的p n 序列定义为循环扩展的8 阶m 序列。可由一个 f i b o n a c c i 型线性反馈移位寄存器实现，经“0 ”至w j + l 值及“1 ”到1 值的映射变换为 非归零的二进制符号。 长度为4 2 0 个符号的帧头信号( p n 4 2 0 ) ，由一个前同步、一个p n 2 5 5 序列 和一个后同步构成。前同步和后同步定义为p n 2 5 5 序列的循环扩展。l f s r 的初 始条件值确定所产生的p n 序列的相位【1 6 】。在一个超帧中共有2 2 5 个信号帧。每 个超帧中各信号帧的帧头采用不同相位的p n 信号作为信号帧识别符。 产生该最大长度的伪随机二进制序列的结构如下图1 3 所示。 图1 38 价m 序列生成结构 帧头模式2 帧头模式2 采用1 0 阶最大长度的伪随机二进制序列( m 序列的截短) ，帧 头信号的长度为5 9 5 个符号，是长度为1 0 2 3 的m 序列的前5 9 5 个码片【1 7 1 。该最 大长度的伪随机二迸制序列由1 0 比特的移位寄存器组产生。 产生该最大长度的伪随机二进制序列的结构如下图1 - 4 所示。 - 田田罔! 夕1 i 伪随机二进嚣 丽丽旧田冈田翮 序列输出 初始相位0 00 0 0 0 0 0 0l 图1 41 0 价m 序列生成结构 帧头模式3 帧头模式3 采用的p n 序列定义为循环扩展的9 阶m 序列。可由一个f i b o n a c c i 型线性反馈移位寄存器实现，经“0 ”至l j + l 值及“1 ”到1 值的映射变换为非归零的 二进制符号。 长度为9 4 5 个符号的帧头信号( p n 9 4 5 ) ，其中9 4 5 个符号由一个前同步、 6 武汉理1 = 大学硕+ 学位论文 一个p n 5 1 1 序列和一个后同步构成。前同步和后同步定义为p n 5 1 1 序列的循环 扩展1 1 8 1 。l f s r 的初始条件值确定所产生的p n 序列的相位。在一个超帧中共有 2 0 0 个信号帧。每个超帧中各信号帧的帧头采用不同相位的p n 信号作为信号帧 识别符。 产生该最大长度的伪随机二进制序列的结构如下图1 5 所示。 图1 59 价m 序列生成结构 2 帧体数据处理 映射后3 7 4 4 个数据符号复接系统信息后，形成帧体，用c 个子载波调制， 占用的r f 带宽为7 5 6 m h z ，时域信号块长度为5 0 0 p s 。 c 有两种模式：c = i 或c = 3 7 8 0 ； 令x ( k ) 为对应帧体信息的符号； 当c - - 1 时，生成的时域信号可表示为： f b o d g k ) = x )k = 0 卫, 3 7 7 9 ( 1 1 ) 在载波数c = 1 模式下，作为可选项，对帧头和帧体经过组帧后形成的基带 数据在o 5 符号速率位置插入双导频，两个导频的总功率相对数据的总功率为 1 6 d b l l 9 l 。插入方式为从日帧的第一个符号( 编号为o ) 开始，在奇数符号上实 部加1 、虚部加0 ，在偶数符号上实部加1 、虚部加o 。 当c = 3 7 8 0 时，相邻的两个子载波间隔为2 k h z ，对帧体信息符号x ( k ) 进行 频域交织，得到x ( n ) ，然后按下式进行变换得到时域信号： f b 。砸) 2 而1 扣七= o a 7 7 1 ( 1 - 2 ) 1 3 2d t m b 接受系统单多载波融合接收方案的特点 d t m b 对中国地面数字电视广播传输系统( d i g i t a lt e r r e s t r i a lt e l e v i s i o n 7 武汉理t 大学硕士学位论文 b r o a d c a s t i n g ，d t r b ) 的帧结构、信道编码和调制方式作了具体的规定。该标准 主要融合了上海交大的a d t b t 单载波方案和清华大学f f j d m b t h 多载波方案， 集成了两种模式各自的点，提供了多达3 3 0 种应用模式，支持从标清到高清共3 3 种数据速率，使不同的省份、不同的地区可依据各自的实际需求，灵活选择不 同的方案和模式【2 0 l ；从成本出发，选择发端设备，接收机设备和已有网络设备 及对升级等；从应用环境出发，中国幅员辽阔，地貌结构差异大，城市，海滨， 平原，内陆和丘陵地区对发射信号有着不同的需要。 d t m b 单多载波两种模式拥有统一的参数配置结构，都采用了p n 序列加数 据主体的信号帧结构：用p n 序列替代传统o f d m 系统的保护间隔部分，方便接 收端进行同步、信道估计、帧头模式快速检测以及稳定的同步跟踪；在主体部 分传送有效数据及控制信号，方便接收用户的随机接入1 2 。由于在数据主体部 分不需要辅助导频信号，从而提高了传输系统的频谱利用效率。辅助导频信号 信道估计，难免存在估计误差，而连续的p n 序列提供了精确估计信道的能力， 从而可以极大地提高抗噪声干扰及跟踪性能【2 2 1 。针对国内复杂的广播应用环境， d t m b 采用了纠错能力强的信道编解码技术一d p c ，亦能进一步显著改善系 统性能。 d t m b 单载波调制，是将需要传输的信息流调制到单个载波上进行传送，信 号占用的有效带宽为7 5 6 m h z ，作为可选项，可以对组帧后形成的基带数据插入 双导频。常见的多载波调制为正交频分复用调制( o f d m ) ，它将需要传输的高 速信息流分成n 个并行的低速子信息流，然后同时将这n 个信息流分别调制到n 个正交的子载波上进行传输i 捌。d t m b 多载波调制，采用了3 7 8 0 个子载波的正 交频分复用调制，所有正交子带的和占据了分配的7 5 6 m h z 有效带宽，相邻两 个子载波的间隔为2 k h z ，对帧体信号符号进行频域交织后，再进行到时域的映 射。 由于单多载波调制方式的原理不同，采用传统接收方法很难融合，因此同 时支持单多载波业界普遍的做法是设计两套独立的算法再做简单的电路叠加， 由此不仅带来了电路的复杂度，使得芯片的设计周期增长，还使信道解码芯片 的面积大幅增加，成本提升，不利于市场化【2 5 1 。因此d t m b 系统创造性地发明 了在不需要增加额外逻辑的情况下，实现国标单多载波融合接收方案。 d t m b 系统的单多载波融合接收方案经由算法仿真、实验室测试和各种环境 下的场测显示，具备完善的功能和出色的性能【2 6 j ： 8 武汉理工大学硕士学位论文 1 真正融合的单多载波实现方案。在不增加任何接收机复杂度的前提下，通过 灵活的参数配置，支持d t m b 3 3 0 种全模式配置。 2 支持自动盲模式检测及全频信号搜索快速，频道捕获快速稳定，不需要任何 的用户干预，芯片能自动搜索全频信号，实现p n 序列的监测和频道捕获。 这种自动模式识别使得任何一款集成该芯片的接收机能在广播不同d t m b 模式的地区即搜即用。 3 高效低复杂度的任意点傅里叶变换实现。传统的设计思路基于7 5 6 m h z 的带 宽，通常会采用3 7 8 0 点f f r 。本设计通过任意点傅里叶变换技术的革新和实 现，巧妙地避免了复杂的3 7 8 0 点f i 丌的逻辑电路，简化了逻辑电路的实现， 降低了功耗。 4 超强的邻道选择能力( a d j a c e n tc h a n n e ls e l e c t i v i t y ，a c s ) 。d t m b - l - 作在特 高频u h f ( 3 0 0 3 00 0 m h z ) 和甚高频v h ( 3 0 3 0 0 m h z ) 频段上，由于对应 频段范围的复杂性，邻道选择能力就尤为关键。 5 超强的载波频偏和采样频偏的纠正能力。 6 快速高效的信道估计，支持高速移动的能力。 7 鲁棒的信道跟踪能力，使得系统能有效地对付长时间的脉冲干扰。 8 准确可靠的信道识别算法，使得该系统能够对付复杂的信道。 9 高效简洁的去干扰算法，造就很强的抗信道时延扩展能力。 1 0 很强的抗单音干扰能力。 1 1 支持任意中频频点及零中频的能力，方便与任意调谐器配合使用。 作为有线和卫星数字电视广播的重要补充和延伸，地面电视广阔的发展前 景为业界所看好。但是自标准诞生以来，一直缺少一个真正的融合接收芯片方 案，制约了整个产业链的整合和腾飞。单多载波融合接收单芯片方案具有独创 的算法，其功能模块的真正复用大大减小了芯片的面积，降低了芯片成本，系 统厂商可以有效控制整机方案的成本，并最终让终端消费者受益。从f p g a 仿真 平台，到实际芯片的功能与性能测试，都表明该方案复杂度低、功耗低、成本 低、性能出众，是完全切实可行的。 1 4 课题研究工作和论文内容安排 如上文所述，d t m b 系统的单载波和多载波融合的接受方案有诸多优点， 但这种兼有单载波和多载波的系统在实现过程中会碰到很多问题。本文旨在讨 9 武汉理工大学硕士学位论文 论并解决一个实际的d t m b 系统接受平台中均衡的关键技术问题，给出整套的 实现方案，衡量其性能。 均衡可以分为时域均衡和频域均衡，与传统单载波系统相比，单载波和多 载波融合的接受系统通过采用“f f t + 频域均衡+ i f f r 结构取代时域均衡，增强了 抗干扰能力，降低了复杂度。 本课题的任务是通过研究信道均衡的基本原理，包括时域均衡和频域均衡， 结合d t m b 标准的特点，设计一种适用于d t m b 传输系统的信道均衡算法，在 码间干扰方面获得优秀的性能，并用f p g a 将其实现。 具体的研究内容包括： ( 1 ) 数字电视地面广播传输系统的研究。 研究了解各国地面广播电视标准( 欧洲的d v b - t 标准、美国的a t s c 标准 和日本的i s d b t 标准，中国的地面数字电视标准) ，主要研究信道均衡的相关 技术。着重研究中国地面数字电视标准的特点，其采用单载波和多载波融合的 接受方案。 ( 2 ) 对信道均衡原理的分析及d t m b 标准的信道均衡方案的提出 在深刻理解信道时域均衡和频域均衡的基本原理的基础上，并结合d t m b 系统的自身特点，提出一种适合于d t m b 标准的信道均衡方案。 ( 3 ) 信道均衡算法的实现以及f p g a 硬件设计的研究 在确定d t m b 标准的信道均衡方案的基础上，首先对此信道均衡算法用c 语言进行实现，然后再对其进行硬件f p g a 设计以及性能仿真，分析结果是否 达到预期设计的效果。 以下是本文各章节的安排： 第1 章简要地介绍了国内外数字电视地面传输的现状以及本课题的国内外 的研究现状，并指出了信道均衡器是d t m b 接收机中的关键模块。接着介绍了 d t m b 地面传输标准中的主要内容，特别是d t m b 对数据结构和调制方法，以 便于后续均衡算法的研究和硬件实现研究的展开。 第2 章着重于d t m b 系统信道均衡的理论研究，首先介绍了时域均衡的原 理和结构，在此基础上介绍了传统的线性均衡器和判决反馈均衡器的算法原理： 于此同时介绍了频域均衡的基本原理；在上述理论研究的基础上提出了适用于 d t m b 系统信道均衡的算法设计。 第3 章介绍了d t m b 系统均衡器的算法实现和f p g a 实现，对具体的硬件 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 结构划分、验证与测试分别作了详细的说明，实现后的结果满足预期设计的要 求。 第4 章是本文的总结和展望。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章d t m b 系统信道均衡的算法理论分析与设计 信道是发送端和接收端之间的传播媒介的总称，它是影响通信系统性能的重 要组成部分。相对于有线和卫星信道，地面广播信道面对的干扰最多，也最严 重，尤其是多径的时延和幅度的变化速度远比卫星和有线传输信道复杂。在如 此恶劣的环境下，如何设计出一个性能优越、工作稳定的系统，是数字电视地 面广播的根本技术难点。因此，研究数字电视地面信道的特点对设计接收机起 到重要的作用。 在频带受限且时间扩散的信道中，由于多径影响而导致的码间干扰会使被 传输的信号产生变形，从而在接收时发生误码。码间干扰被认为是在移动无线 通信信道中传输高速率数据时的主要障碍，而均衡正是对付码间干扰的一项技 术。均衡可以补偿信道中e h 于多径效应而产生的码间干扰( i s 0 2 7 1 。如果调制带 宽超过了无线信道的相干带宽，将会产生码间干扰，而接收机内的均衡器可以 对信道中幅度和延迟进行补偿。按照均衡中是否会用到n m 旺f r 变换，可以 将其分为时域均衡和频域均衡。 在本章中，首先简要地介绍了数字电视地面广播的信道主要特征，接着分 析了信道均衡的原理，包括时域均衡和频域均衡，然后结合d t m b 系统的特征 给出了该系统的信道均衡设计，并给出了算法公式。 2 1 数字电视地面广播的信道特征 在数字电视广播的三种方式中，地面广播信道面临的干扰最多，也最严重。 从技术上讲，d t t b ( 地面数字电视广播) 无线信道是一个宽带( 8 m h z ) 、高速 ( 8 m s p s ) 、高容量( 多级码元) 、大范围( 几十公里) 的信道。一般说来，电磁波在空 间传播主要受反射、衍射和折射的影响。在大部分没有可视直线信道的蜂窝无 线系统中，电磁波都存在强衍射衰落，同时由于存在多物体( 包括建筑物、汽 车、山脉和森林) 反射，到达接收机的电磁波一般都会经历不同的传播路径。 经历衍射和反射的电磁波同时到达接收机就会导致接收信号多径衰落和随发射 机到接收机之间的距离增加而强度衰减的现象。因此，地面数字电视传输信道 除常规的干扰，如高斯白噪声( 电视屏产生雪花) 、脉冲( 家电汽车冲放电产生) 干 1 2 武汉理丁大学硕十学位论文 扰等干扰外，其主要特征是由移动和多径传播引起的多径衰落现象【2 8 l ，有下几 个特点： 1 多径干扰。射频( r f ) 信号会因山川、建筑物、移动物体的影响产生反射， 这样经不同路径到达接收机的信号相位相互影响，从而导致瑞利衰落( 快衰 落) ，同时也会引起信号频谱的深度衰落( 频率选择性衰落) 。多径干扰对模 拟电视影响的结果是使电视屏产生重影( g h o s t ) 。多径传输干扰严重时，单 靠增加发射机功率提高接收时的信噪比并不能降低误码率。因此，克服多径 干扰成为实现地面数字电视广播的关键技术。 2 多普勒频移。地面数字电视广播信道与接收方式有关，接收方式是指固定接 收、车载移动接收或者便携手持接收。接收机或发射机的运动会产生多普勒 频移。 3 由于同播的要求会受到常规电视干扰影响。同播时相邻服务区的同一频道的 普通电视节目将有可能进入h d t v 接收机，产生强同频干扰。而且在数字 地面广播传输u h f v h f 频段，还有诸如单载波干扰、邻频干扰等对传输 信号迭加影响。信道均衡时我们除了要考虑多径的影响之外，还必须考虑到 如何对抗频带内的单频干扰和同频p a l 模拟电视干扰。所有上述问题均使 地面广播问题复杂化，使得接收信道随时间、频率和地点而发生变化，在传 输方案选择时都必须加以考虑。 2 2 时域均衡的理论分析 2 1 1 时域均衡的基本原理 数字电视地面信道的传输特性相当于冲激响应为j i l ( f ) 的带限线性滤波器，其 频率响应为： h ( ，) - - i h ( f ) i e 7 8 7 ) ( 2 1 ) j l l ( f ) 和( ，) 是傅里叶变换对，i h ( 厂) i 是信道的幅频响应，日( ，) 是相频响 应。要实现信道的理想( 无失真) 传输，必须满足在信号带宽形范围内1 日( ，) l 是常数，口( 厂) 是频率的线性函数( 即对信号的所有频率分量，时间延迟为常数) 。 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 如果在形范围内i h ( 厂) i 木是常数，则会引起振幅失真；如果0 【，) 在形范 围内不是频率的线性函数，则会引起相位失真。许多信道( 如衰落信道) ，振幅 和相位失真通常会同时存在。在传输脉冲序列时，这种失真表现为信号弥散和 拖尾，因此解调序列中的波形有明显的形变。波形重叠或拖尾称为码间串扰， 它存在于大部分调制系统中，使在有带宽限制的信道中实现可靠传输的主要障 碍之一【2 9 】。从广义上讲，“均衡”指所有消除或加少码间串扰的信号处理或滤波 技术。 时域均衡是利用均衡器产生的时间波形去直接校正已畸变的波形，使包括均 衡器在内的整个系统的冲激响应满足无码间串扰条件。目前我们面临的q a m 信 号是时变信号因此需要采用时域均衡技术来达到整个系统无码间串扰。 现在让我们先来建立一个基带传输的数学模型，如图2 - 1 所示。 g 1 ( w ) _ - - l c ( w ) 一r、 ? k夕 j g r ( w ) 射滤波器接收滤波 1i r t 、 图2 1 基带传输的数字模型 从该数学模型图知道接收滤波器输出信号，( f ) 是各个发送信号的信道冲击 响应的叠加，再加上白色高斯噪声胆一( r ) 如下式： r ( f ) = a , h ( t 一以乃) 埘rt ) ( 2 _ 2 被送入判决电路，确定a 一的取值。 对信号r ( f ) 取样的时刻一般为( 七乃+ t o ) ，这里f o 考虑了信道延时和取样相 位，把i ( 七乃+ f o ) 代入式( 2 2 ) ，得到在抽样点时刻上的值。 r ( k t s + t o ) = a h ( k t s + t o 一疗扮) 切置( 七乃+ t o ) 一a t h ( t 。) + 口。j i i ( 七一以) 乃+ t o + n s ( k t s + t o ) ，i ：毛荔 。 ( 2 3 ) 1 4 武汉理：r 大学硕士学位论文 其中第一项：吒j i l ( f o ) 是我们所需要的信号；而第二项：善a 一 【( 七一席) t s + t o 】是 码间干扰；第三项：( 七乃+ f 0 ) 是输出的加性噪声干扰。可见，噪声和码间干 扰是造成误码的两个直接原因。因