（通信与信息系统专业论文）qam调制器系统接口设计.pdf

浙江大学硕士学位毕业论文 y 6 8 9 1 5 6 摘要 数字高 清晰度电 视( d i g it a l h d t v ) 是当 今世界上最先进的图 象压缩编码技术 和数字通信技术的结合， 是当今世界高科技竞争的 焦点之一。 q a m调制器作为 有线数字视频广播系统( d v b - c ) 的 前端核心设备， 受到广泛的关注， 具有巨 大的 市场前景。 本文从硬件设计的角度出发， 详细介绍了q a m调制器的系统设计， 重点研 究了q a m调制器的系统接口 设计， 针对不同的方案给出了 具体的电 路设计和 f p g a实现。 本文第一章介绍了h d t v的背景与发展趋势， 重点介绍了d v b - c标准; 第 二章简要介绍了q a m调制解调的原理， 重点论证了q a m调制器的系统设计方 案， 给出了 具体的以f p g a为核心的硬件解决方案; 第三章介绍了q a m调制器 a s u s p i / d s 3 三种系统接口，针对各自 接口给出了硬件设计，提出用f p g a替代 专用芯片实现a s i 接口， 是本文的 一大特色; 第四 章介绍了q a m调制器的主要 技术要求和测量方法，并给出主要技术参数和实测数据。 浙江大学硕士学位毕业论文 ab s t r a c t h d t v ( h i g h d e f i n i t i o n t e l e v i s i o n ) t e c h n o l o g y i n t e g r a t e s t h e m o s t a d v a n c e d i m a g e c o m p r e s s e d e n c o d i n g t e c h n o l o g y a n d t h e d i g i t a l c o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g y , a n d i t h a s b e c o m e o n e o f t h e f o c u s e s i n t h e h i - t e c h c o m p e t i t i o n s . a s t h e c o r e f r o n t - e n d e q u i p m e n t o f t h e d v b - c ( d i g i t a l v i d e o b r o a d c a s t - c a b l e ) s y s t e m , q a m m o d u l a t o r h a s r e c e iv e d m u c h a tt e n t i o n a n d h a s a h u g e m a r k e t . t h i s p a p e r i n t r o d u c e s t h e s y s t e m s o l u t i o n o f q a m m o d u l a t o r d e t a i l e d l y f r o m t h e p o in t o f v i e w o f t h e h a r d w a r e d e s i g n . i t g iv e s t h e h a r d w a r e s o l u t i o n s a n d t h e f p g a i m p l e m e n t a t i o n s f o r e v e ry s y e t e m i n t e r f a c e , w h i c h i s t h e e m p h a s i s o f t h i s p a p e r . t h e f ir s t c h a p t e r i n t r o d u c e s t h e b a c k g r o u n d a n d t h e t r e n d o f h d t v b r i e fl y a n d e m p h a s i z e s t h e d v b - c s t a n d a r d . t h e s e c o n d c h a p t e r i n t r o d u c e s t h e p r i n c i p le o f t h e q a m m o d u l a t i o n a n d d e m o d u l a t i o n a n d d i s c u s s e s t h e s y s t e m s o l u t i o n o f q a m m o d u l a t o r , a n d t h e n g i v e s t h e f p g a s o lu t i o n o f q a m m o d u l a t o r . t h e t h i r d c h a p t e r i n t r o d u c e s t h e s y s t e m i n t e r f a c e s o f q a m m o d u l a t r , i n c l u d i n g a s i / s p i / d s 3 . i t p r o v i d e s h a r d w a r e d e s i g n s f o r e v e r y s y s t e m i n t e r f a c e , a n d r e c o m m e n d s a s o l u t i o n t o s u b s t i t u t e f p g a f o r s p e c i f i c i c t o im p l e m e n t t h e a s i in t e r f a c e , w h i c h i s t h e c r e a t i v e p o i n t o f t h i s p a p e r . t h e f o u r th c h a p t e r i n t r o d u c e s t h e s p e c i f i c a t i o n s a n d m e t h o d o f m e a s u r e m e n t o f q a m m o d u l a t o r a n d g i v e s t h e e s s e n t i a l p a r a m e t e r s a n d m e a s u r e d d a t a 浙江大学硕士学位毕业论文 第一章 绪论 电视技术在经历了第一代黑白电视和第二代彩色电视后， 现正进入第三代电 视一 高清晰度电 视( h i g h d e f i n it i o n t e l e v i s i o n , h d t v ) 发展阶段。 目 前， h d t v( 高 清晰度电视)已 成为发达国家乃至世界各国在高科技领域中竞争的一个焦点。 由 于 h d t v是尖端电子产业的核心技术，电子、信息、卫星通信以及印刷、国防 工业等领域都有很大的波及，故又被称为“ 未来的电视” 。 1 . l 高清晰度电视的发展现状与趋势 国际电 信联盟( i t u ) 对高清晰度电视的定义是: h d t v是指当 观看距离为 屏幕高度的三倍时，系统的垂直和水平方向的空间分解力大致是 c c i r 6 0 1号建 议书中规定值的两倍，即 水平方向1 9 2 0 像素， 垂直方向1 0 8 0 像素( 隔行) 或水平 方向1 2 8 0 像素，垂直方向7 2 0 像素( 逐行) ; 时间 域分解力与c c i r 6 0 1 号建议 书中规定值有显著改善; 彩色重现质量优于现行电 视标准， 宽高比为1 6 :9 ， 并 配有多声道优质伴音;正常人眼观看 h d t v时，图像的主观质量应接近或达 到观看真实景物的效果，并相当于3 5 m m电影放映的图像质量。 h d t v的 试验研究，始于日 本广播协会( n h k ) 研究所1 9 7 4 年提出的m u s e ( m u l t i p l e s u b - n y q u i s t s a m p l i n g e n c o d i n g ，即多重亚纳奎斯特采样编码) 。自2 0 世纪7 0 年代以来， h d t v一直是国际上主要技术利益集团竞争的热点。 经过2 0 多年左右竞争，形成了日、欧、美三个主流h d t v技术发展模式。 1 . 1 . 1 日 本模式 1 9 8 8 年美国 联邦通信委员会( f c c ) 发布指令， 要求h d t v要与 现行n t s c 电视接收机和频道兼容， 后根据实际情况， 又改为只要求频道兼容。 为此， n h k 利用mu s e技术开发了窄带mu s e和mu s e - 6 / 9 ，形成了mu s e系列，其中 m u s e - 6 / 9 能与n t s c兼容，但最终m u s e 没有被f c c所接受。 m u s e的基本 参数为: 1 1 2 5 行/ 6 0 场、 5 : 3 ( 后改为1 6 : 9 ) , 隔行扫描、 全视频带宽3 0 m h z . mu s e 采用了时分复用技术和多重亚采样技术压缩电视信号频带， 从而可在一个现行电 视的频道内传送h d t v信号。它主要采用了以下技术: 亮度信号和色度信号采用时分复用技术， 在一行内传送， 其中亮度信号的 时间轴不压缩;色度信号的时间轴压缩比为4 : 1 ; 两个色度信号轮流传送; 对时分复用信号采取亚采样， 以 便把信号带宽从2 0 - 3 0 mh z 压缩到8 m h z ; 亚采样时，采用了内插补偿技术; 浙江大学硕士学位毕业论文 数字 编 码的 音 频 信号 和 视 频 信 号时 分 复 用。 音 频 压 缩 采 用d a n c e ( d p c m a u d io n e a r - in s t a n t - n e o u s c o m p r e s s in g a n d e x p a n d in g ) 方 式， 即 准 瞬时 压 扩 差 分 p c m方式。 自 从美国的h d t v系统研制成功后，全数字化已成为h d t v的主流发展方 向。日 本虽然仍在广播mu s e系统的节目，但己承认mu s e系统己不适应今后 电视向 数字化方向发展的趋势。 日 本学者认为实现将来的电 视广播必须考虑下面 几个主要趋势:通过地面、卫星、有线广播发送的电视频道的数目 逐年增加; 对于各种数据业务，包括在电视上附加的信息和多媒体业务的要求迅速增长。 正是考虑到这样的发展趋势，他们提出了基于i s d b ( i n t e g r a t e d - s e r v i c e s d i g i t a l b r o a d c a s t i n g ) 概念的 综合数字电 视广播的基本结构， 它可以 灵活的 集成和 发送多个节目的电视和其他数据业务。i s d b是一个广播系统，它利用一种己经 标准化的复用方案在一个普通的传输信道上发送各种不同种类的信号， 同时已经 复用的信号也可以通过各种不同的传输信道送出去。 另外， 新型的广播节目 包括 多媒体广播都成为可能。i s d b的技术特点包括: 信源码与系统码:视、音频及业务数据流复用编码均采用mp e g - 2 标准; 信道编 码 / 调制: 地面 传输时， 信 道内 码为 卷积码 ( 1 / 2 , 2 / 3 , 3 / 4 , 5 / 6 , 7 / 8 ) , 外码为r s ( 2 0 4 , 1 8 8 ) 编码， o f d m调制。 1 . 1 .2 欧 洲模式 在日 本为把mu s e制定为世界统一标准而进行大肆宣传的时候，欧洲完全 处于消积防守的状态。欧洲人一贯主张渐近式发展h d t v技术，因此，欧洲根 据自己的情况研制自己新的电视系统，他们于1 9 8 3 年推出了卫星传输彩色电视 的m a c ( m u lt ip le x e d a n a l o g u e c o m p o n e n t s ) 制式。 现 行电 视 用 户通 过一 个 制 式 转 换器可以收看ma c制电视节目。ma c制是一种适于在调频信道中传输的新电 视制式。 它的亮度信号不采用现行电视的频分复用方式， 而是采用时间轴压缩的 时分复用模拟分量传输方式。m a c制电视具有以下技术特点: 亮度和色度在 一行内 时分复用; 亮度时间 轴压缩比为3 : 2 ， 色度时间 轴压缩比 为3 : 1 ; 两个 色差信号轮流传送; 图像和声音易于加密; 可传送大量的数据和8 路高质量 的声音信号。 ma c制电视发表以后，不同国家和地区又根据自己的情况和为克服其他 ma c 制电视的缺点， 开发了不同的ma c 制式， 其中有a - ma c , b - ma c . c - ma c , d - m a c , d 2 - m a c , e - m a c和h d - m a c 等， 其中h d - m a c是欧洲的h d t v制 式。它们的主要区别是图像、声音和数据编码组合方式的不同。 欧洲采取渐近式策略发展其h d t v ，即首先发展4 : 3 的m a c制式的直播卫 星电视， 然后发展 1 6 : 9 的ma c制电视， 最后过渡到h d t v质量的h d - ma c制 浙江大学硕士学位毕业论文 式。 h d - m a c的 基本参数是1 2 5 0 / 5 0 / 2 : 1 ， 宽高比1 6 : 9 , 1 2 m h z 带宽， 亮度色度 信号的时间轴压缩比分别为3 : 2 和3 : 1 . 由于h d - ma c比mu s e更便于和c c i r 6 0 1 建议的分量演播室标准兼容， 因此，在1 9 8 7 年c c i r s g 1 1 会议上h d - m a c和m u s e并列为可行的方案。 欧 洲在巴塞罗那奥运会期间进行了h d - ma c的实验广播， 原计划于1 9 9 2 年用d b s 全面播送h d - m a c电视。 但由于欧洲国家之间的内 部矛盾以 及消费者对渐近式 过渡方式的消极态度， h d - ma c的推广遇到很大的困难。 在美国的全数字h d t v 的影响下，m a c和h d - ma c也正在逐步被放弃，走上了和日本的mu s e一样 的 道 路， 目 前 欧 洲已 积 极开 发出d v b 方 案， d v b ( d i g it 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) 包括h d t v在内的多种数字电 视格式，欧洲d v b规划开始于1 9 9 3 年9 月，这个规划目前己有来自欧洲和美国的1 6 个国家的1 4 0 个组织参加，目 标是制订完善欧洲的d v b标准以及尽早引入d v b业务。 1 . 1 3美国 模式 在h d t v开始研究时， 美国是支持日本的mu s e制作为h d t v的世界统一 标准。随着形势的发展，美国越来越感到有必要发展自己的h d t v制式。1 9 8 8 年9 月f c c决定:美国的h d t v只能使用地面的v h f / u h f 频道实现，新制式 和现行电 视制式必须是兼容的， 其信号频谱要能容纳在现行电视频道内。 到1 9 8 8 年9 月，美国共提出了2 4 种a t v系统，a c a t s 对提出的各种a t v系统进行 了审查比较，最后保留了6 种系统进行测试。研究人员发现执行f c c的兼容指 令比较困难，1 9 9 0 年8 月，f c c根据实际情况又做出决定，明确了优先考虑同 播( s i m u lc a s t ) 方式，即 通过一个空闲 信道广播和现行n t s c制相同节目 内 容的 a t v节目 ，也就是放弃了原来要求的与现行电 视接收机兼容的指令，但仍然保 留了保持现行频道划分的频道兼容要求。 1 9 9 0 年5 月， 美国g i 公司正式发表了 全数字h d t v传输制式一 d i g i c i p h e r , 立即在全世界引 起了 强烈反响。紧接着a t r c 集团、 z e n i t h 公司和p h i l i p s 公司 等纷纷宣布放弃他们的模拟传输制式， 转向数字传输制式。 因此， 在最后6 个待 测的a t v系统中，除了 一个改良电 视( e d t v ) 和日 本的m u s e 外， 其他4 种系 统都是数字传输的同播方式系统。1 9 9 3 年经过第一轮测试，淘汰了模拟系统， 只剩下4 个数字传输a t v系统。至此，把日 本m u s e 制赶出了美国h d t v制 式的竞争。由于每个数字a t v系统各有优缺点，经补测均未发现有任何一个系 统明 显优于其他系统，因此，1 9 9 3 年5 月f c c决定成立h d t v大 联盟 ( g r a n d a l l ia n c d , g a ) ， 成员有g i , z e n i t h , a t 传 输 格 式 保持 与a t m ( a s y n c h r o n o u s t r a n s f e r m o d e ) 的 互 操 作性。 g a h d t v数据包的长度为1 8 8 b y t e ，正好等于4 个a t m数据包的长度; 扫描格式保持与计算机的互操作性。计算机行业对h d t v制式提出三方 面的要求:方形像素、逐行扫描和不改变显示的宽高比。g a提供了两种像素格 式:1 9 2 0 x 1 0 8 0 , 2 4 h z 或 3 0 h z 逐行扫描，6 0 h z 隔行扫描;1 2 8 0 x 7 2 0 , 2 4 h z 或 3 0 h z 逐行扫描、6 0 h z 隔行扫描。 这两种格式都是宽高比1 6 : 9 显示的方形像素; 对于g a h d t v最高级别的图 像， 现在技术水平可能 达不到要求， 但是将 来有可能实现，因此，g a h d t v考虑了可扩展性; 传输调制采用8 v s b方式; )5 . 1 路环绕声系统。 g a经测试选择d o l b y a c - 3 系统。 舒. 1 .4 中国i e i d tv 的研究发展情况 h d t v是当代最先进的图像压缩编码技术和现代通信技术的结合， 代表着一 个国家科技的综合实力， 蕴藏着巨大的市场潜力， 对国家社会生活的政治、 经济 各方面有着深远的影响，所以中国开展h d t v的研究不仅具有重要的政治和经 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， 其意义是非常重大和深远的。 中国广播电视系统的数字化进程已 经启动，主要表现在以下几个方面。 中国己 有几个广播和电视中心， 建立了实用的全数字化系统。 如中央电视 台建立了数字化的演播中心， 采用数字录像机和非线性编辑系统所制作的文艺节 目 质量明显提高。 上海广播电台已 基本实现节目 制作和播出的数字化。 亚洲第一个数字音频广播 ( d a b )先导网已 经于1 9 9 7 年底在珠江三角洲 播出。d a b是继调幅和调频广播之后的第三代广播，它具有c d质量的音质和 较强的抗多径干扰的能力，以保证在高速移动下的接收质量。 卫星广播电 视节目 传送，在模拟向 数字技术过渡上取得举世瞩目 的进展。 继中央电视台已通过卫星转发器向全国传送8 套全数字压缩的电视节目， 并向全 球传送国际和戏曲音乐频道的节目 后，全国已有 i 1 个省的 1 2 套电视节目 使用 mp e g - 2 / d v b标准的数字压缩技术，采用s c p c方式通过亚洲2 号c波段转发 器传送。 _ 竺望竺醚送燮竺竺匕一一一一一一一 无线电 视的 数字立体声伴音已 在北京电 视台开始试验，并于1 9 9 7 年底确 定了 技术标准。目 前试验所采取的 技术是n i c a m，副载频在5 . 8 5 m h z 位置。 一旦电视的立体声伴音制式确定，也可同时用在通信中。 中国电视系统的数字化应有选择、 分阶段进行， 中国的国情决定了中国电视 系统的数字化不可能一步到位， 只能是有选择、 分阶段进行。 从技术与性能两方 面来看，中国数字电视发展大致应经过三个阶段: 第一阶段:2 0 0 3 年之前。 在这一阶段， 市场的热点在于电视台的设备更新与升级， 这是数字电视产业 化的先行者。在s d t v( 标准清晰度数字电视) 制作播出设备大规模进入电视台 的同时，h d t v( 高清晰度数字电视)制作播出设备也开始进入大型电视台。 各地有线数字电视广播处于试验阶段， 同时许多企业试图进入有线电视运营 业， 力求抢占市场先机， 争取有线电视用户资源。 科研机构和一些企业研制有自 主知识产权的符合数字电视标准要求的关键技术和关键元器件， 这些核心技术将 在未来拥有巨大的市场潜力。 第二阶段:2 0 0 3 -2 0 0 5 年。 我国主要城市的有线数字电视产业化开始启动。主要城市中s d t v开始大 规模的进入家庭，普通模拟电视也可以通过加装机顶盒来实现数字电视的功能。 在一些发达地区，人们开始逐渐接触h d t v . 由于电视台设备更新速度很快， 这一阶段电视台设备更新升级的需求依然很 大，并且h d t v的制作播出设备所占的比例逐渐增加。有线数字电视在我国的 大中城市开始商业化播出，一些发达地区开始播出h d t v节目。数字电视完整 的产业链逐渐形成， 数字电视对节目的内容、 信息服务等的需求使增值业务有了 很大的发展， 在经过初期的资金推动和政府支持后，内容提供商、 服务提供商和 网络运营商将在数字电视产业中发挥越来越重要的作用。s d t v和h d t v开始 逐渐进入家庭，拥有数字电视产业核心技术的企业开始显现其竞争优势。 第三阶段:2 0 0 5 2 0 0 8 年。 我国主要城市将逐步普及数字高清晰度电视的商业播出。城市中h d t v成 为电视机产品消费的主流。这一阶段有如下特点: 在数字电视播出前端， h d t v制作播出设备所占的比重进一步增加， 在一些 主要城市，将成为设备更新的主流，这些地区h d t v开始普遍进入家庭。人们 对电视的要求进一步提高， 拥有数字电视产业核心技术的企业优势突显， 机遇掌 握在那些拥有核心技术并不断创新的企业手中。 数字电视给广播电视带来了新的活力， 在市场经济中又给广播电视开展增值 业务提供了较好的手段。 数字电视不仅拉动制造业， 促进信息化发展， 而且为广 播电视的持续发展提供了极大的空间。 逝 ) 些题吐鲤壁坐些匕一一一一一一一一一一一 肚.2 主流h d t v系统技术方案 目 前， 世界各国都在紧锣密鼓地发展数字电视广播， 制定适合本国或本地区 利益的数字电 视标准， 美国的a t s c和欧洲的d v b是其中影响较大的方案。二 者标准比较见表1 .2 . 1 。 其中， 信源编解码、 复用、 信道编解码及调制解调是h d t v 的技术核心， 对这些技术的相关研究及相应i c的开发是目 前各国在h d t v领域 的攻关热点。 a t s c和d v b两大系统经过二十余年的探索，目 前在视频音频编码方案上 已 统一于m p e g - 2 标准， 分歧主要集中 于传输系统上。 从目 前的对比 结果来看， 这两种系统在技术上难分优劣，并已发展成为各自国家或地区的数字电视及 h d t v的标准。可以说，未来d v b及a t s c的体制是统一于一种世界标准，还 是像现行模拟电视一样多种体制并存， 主要取决于这两种流派在传输系统方案上 能否融合成一种系统。 由于这一原因， 使得传输系统成为当今世界d v b及a t s c 领域分歧最大、争论最多、也是最热门的研究课题。 美国标准a t s c欧洲标准d v b 地面卫星有线地面卫星有线 调制方式8 vs b/ 1 6 vs bq p s kq a m2 k / 8 kc of dm q p s kq a m 视频编码mp eg- 2mp eg- 2 音频编码 ac- 3 ac- 3 复用方式 mp eg- 2mp eg- 2 表1 .2 . 1 a t s c与d v b标准对b 匕 1 . 2 . 1 a t s c方案 美国的a t s c 数字电 视标准由a t s c 技术组( t 3 ) 负责起草并通过信件投票方 式作为a t s c标准提交给全体a t s c成员，于 1 9 9 5 年4 月1 2日为a t s c成员 所通过。 该标准由一个提供背景信息的总体文件、 h d t v系统概况以及附录组成。 整个文件及其附录提供了系统各部分的参数规定: 包括视频编码器输入格式和预 处理、视频编码器和参数;音频编码器输入格式和预处理、音频编码器和参数; 业务复用和传输子系统特性及规范规定; v s b射频传输子系统。具体如下: 信 源编 码: 视 频采 用m p e g - 2 ， 音频 采用d o l b y a c - 3 ; 系统编码( 业务复用方式) : 视频位流包、音频位流包、 辅助码位流包复用 成一个单一位流，数字电视系统用 mp e g - 2 传输流语法打包和复用，形成复合 广播系统，还考虑能与a t m有互操作性;见图1 .2 . 1 浙江大学硕士学位毕 业论文 信道编码 / 调 制: 信 道编码除 采用r s ( 2 0 7 , 1 8 7 ) 外， 还采用 格状编 码 ( t c m ) 和数据随机化及数据交织等措施; 地面广播中调制方式为v s b调制。 见图1 .2 .2 图 1 .2 . 1信源编码原理 业务复用数据 ( 自 信源编码器) 业务复用数据 ( 至信源解码器) 图1 .2 .2信道处理原理 扒.2 .2 d v b 方案 1 9 9 5 年， 欧洲1 5 0 个组织合作开发数字视频广播( d v b ) 项目 ， 并成立了d v b 联盟。 d v b联盟是一个由3 0 多个国家的2 3 0 多个成员组成的国际机构。 该机构 的首要目 标是在全球范围内 发展和推广共同的数字电视广播标准。d v b联盟共 同 制定了 数字电 视的d v b ( d i g i t a l v i d e o b r o a d c a s t ) 标准。 这是一套有关电 视广 播系统大家庭诸多要素的统一标准，其中最引人瞩目 的是d v b数字卫星和有线 电视传输系统的标准。 这些标准已 作为世界统一的标准被包括中国在内的很多国 家接受。 d v b 标准的目 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: 灵活传送 mp e g - 2 视音频和其他数据信号; 一 if a 兰兰巡型竺兰一一一一一 使用统一的服务信息系统提供广播节目的细节等信息; 统一使用m p e g - 2 传输位格式进行源位流复用; 统一使用一级r s 前向纠错系统; 使用统一的加扰系统，但可有不同的加密方法; 选择适于不同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该标准，推动建立世界统一的数字电视广播标准; 支持数字系统中的图文电视系统。 目 前，d v b系统的主要标准包括: o 1 d v b - c ( e t s 3 0 0 4 2 9 标准) :用于有线传输系统，与d v b - s 兼容， 通常用 于 8 mh z c a t v频道; d v b - s ( e t s 3 0 0 4 2 1 标 准 ) : 用于1 1 / 1 2 g h z 频 段 卫 星系 统， 可 进 行 配 转， 以适用于各种转发器带宽和功率要求; d v b - t ( e t s 3 0 0 7 4 4 标准) : 用于7 - 8 m h z 频 道的 数 字式地面 广播电 视系统; .d v b - c s ( p r e t s 3 0 0 4 7 3 标准) : 由d v b - c 和d v b - s 修改而成， 服务于c a t v 设施; 9 d v b - s i ( p r e t s 3 0 0 4 6 8 标准) : 业务 信息 系 统， 帮 助用户 把业务 信息 形成 d v b位流; ) d v b - t x ( p r e t s 3 0 0 4 7 2 标准 ) : d v b固 定 格式 文本传输规范; (7 ) d v b - c i :用于条件接收和其他应用的d v b公共接口。 夸 1 . 2 . 2 . 1 d v b - c 数字有线广播系统标准以有线电视网作为传输介质， 应用范围广 一 。 有线电视 系统分为两部分: c a t v前端和综合解码接收机 ( i r d )。 采用m p e g - 2 压缩编 码的传输流， 由于传输介质采用的是同轴电缆， 与卫星传输相比抗外界干扰能力 强， 信号强度相对较高。调制方式有1 6 , 3 2 , 6 4 , 1 2 8 , 2 5 6 q a m多种方式， 对 于q a m调制而言， 传输信息速率越高， 抗干扰能力越低。 采用6 4 q a m正交振 幅调制时， 一个p a l 通道的传输码率为4 1 .3 4 mb / s ， 还可供多套节目 复用。 d v b - c 传输系统的具有如下几个主要特点: 可与多种节目 源相适配。d v b - c传输系统所传送的节目 既可来源于从卫 星系统接收下来的节目，又可来源于本地电视节目，以及其它外来节目 信号。 可用于标准数字电 视又可用于h d t v . d v b - c 传输系统见图1 .2 .3 ，在妇.3 中 将会进一步详细介绍。 浙江大学硕士学位毕业论文 视频信源 音频信源 数据信源 图1 .2 .3 d v b - c传输系统 夸 1 .2 . 2 . 2 d v b - s 数字卫星直播系统标准是为了满足卫星转发器的带宽及卫星信号的传输特 点而设计的。 该标准以卫星作为传输介质。 将视频、 音频以及资料放入固定长度 打包的 m p e g - 2传输流中，信号在传输过程中有很强的抗干扰能力，然后进行 信道处理。 通过卫星转发的压缩数字信号， 经过卫星接收机后由 卫星机顶盒接收， 输出视频信号。这种传输覆盖面广，节目 量大。数据流采用四相相移键控调制 ( q p s k ) 方式， 工作频率为1 1 / 1 2 g h z ， 在 使用m p e g - 2的m p m l( 主 类 主级)格式时，用户端达到c c i r 6 0 1 演播室质量的码率为9 mb / s ，达到p a l质 量的码率为5 m b / s 。在d v b - s 标准公布以后， 几乎所有的卫星直播数字电视均 采用该标准， 我国也选用了d v b - s 标准。 d v b - s 传输系统见图1 .2 .4 . 视频信源 音频信源 数据信源 图1 .2 .4 d v b - s 传输系统 d v b - s 卫星系统设计成能使用一系列转发器带宽( 2 6 mh z - 7 2 mh z - 1 d b ) ， 它 是一种插入固定长 mp e g传送流中的视频，音频与数据的单载波系统，该打包 数据包括以下处理步骤: 首先，该数据每8 数据内 容进行加扰 个包头部的同步字节反向形成一种有规则结构 ( 5 ) r e e d - s o l o m o n f e c 是额外数 据包开 销。由 于 效 率高， 故 销加入数据流信号，这对于所有传输系统而言成为外码或f e c ; 卷积交织处理应用于数据包是进一步减少数据错误; 另一种卷积码处理用来进一步减少解码误差被称为内 码， 供者的需要而调用; f e c只把 1 2 %开 根据适合服务提 最后，该数据信号采用正交相移键控 ( q p s k )的r f 载波调制; 浙江大学硕士学位毕业论文 芍 1 . 2 .2 3 d v b - t 数字地面广播系统标准是最复杂的d v b传输系统。 采用编码正交频分复用 ( c o f d m ) 调制方 式， 8 m h z 带宽内 能 传送4 套电 视 节目 ， 而且传输 质量高。 地面 数字发射的传输容量， 在理论上大致与有线电视系统相当， 本地区覆盖好。 此系 统有利于数字与模拟电视共存， 在与现行模拟电视混和传输方面显示出优势， 但 这种系统其接收费用高，频道也较少。 正如其它d v b标准的情况一样， mp e g - 2 音频与视频编码为d v b - t 地面传 输模式的基础，d v b - t 传输系统见图1 .2 . 5 ，其它部分包括: 外部运行r s 编码和外卷积交织编码与其它d v b标准相同; 内卷积编码和交织与d v b - s 相同; 调制随道编码包含两部分: q p s k / q a m和具有可选保护间隔的o f d m( 正 交频分多路传输) ; d v b - t 对不同 技术条件考虑可2 级分层调制。 在低级的q p s k / q a m情况下， 可用含较少误差保护的增强 信号， q a m虽然耐固性低一些，却提供了 一个较优 质的信号。 调制系统包括o f d m和q p s k / q a m o f d m使用多 载波来调制数字数据， o f d m已 成功地在数字音频 广播d a b中 用来帮助消除多径干扰问 题， 但抗多径 干扰就减少了传输容量。改善数据传输容量，增加o f d m载波数量，这就增加 了接收机的复杂性，因而增加了成本，所以采用择中方案。o d f m最大的优势 就是实现更大面积覆盖的同频网传输。 视频信源 闷卜 音频信源 数据信 图1 .2 .5 d v b - t 传输系统 务 1 . 3 d v b - c 在2 0 0 4 年 1 1 月2 1 日 “ 世界电 视日 ” 举行的“ 二十一世纪广电传媒高峰论坛” 上，国家广电总局再次高调宣布了我国数字电视的发展规划: 2 0 0 3 年己经启动， 2 0 0 5 年将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。 浙江大学硕士学位毕业论文 目前，我国数字电视的卫星标准己经确定， 采用欧洲d v b - s 。有线方面目 前 还在积极开发国家标准， 广电总局为了迅速启动市场， 鉴于欧洲标准在有线电视 传输方面的巨大成功，暂把欧洲的d v b - c 定为行业标准。去年广电部门在全国 己 经发展了1 0 多万数字电视用户， 采用的就是d v b - c 标准。 本文研究的重点q a m 调制器也正是采用d v b - c 标准。 1 .3 . 1 系统结构 欧洲的 有 线传输 标准称为 d v b - c ( d i g it a l v i d e o b r o a d c a s t - c a b l e ) ， 即 有线数 字视频广播， 以有线电视网作为传输介质， 系统前端可从卫星和地面发射获得信 号，又可来源于本地电视节目，以及其它外来节目 信号。 基于d v b - c 标准的h d t v 发射接收系统框图如下图1 .3 . 1 所示。 井 图1 .3 . 1 d v b - c传输系统框图 d v b - c 传输系统只包括了中频以下的部分，这是因为调制到中频以后，送 给射频模块的 d v b - c 数字信号在信号形式上与模拟电视信号已 没有差别，从中 频到射频的部分，d v b 传输系统与传统的模拟电视系统基本相同，因此我们这 里重点介绍中频以下的部分。 d v b - c 传输系统是由发端和收端两部分构成，而且两部分中的技术环节是 一一对应的。 对传输系统而言， 所要达到的最根本的目 标是要将发端复用器生成 # h zz t望型ie 主一一一一一 的t s 码流无失真地传送给收端的分接器。但是，在实际信道中总是存在各种千 扰，无失真的理想指标在实际应用中是达不到的，在进入收端分接器的t s 码流 中总会混有一定数量的 误码， 因此传输系统在实际应用中所要达到的目 标就是使 传输误码足够少，以达到系统设计的误码指标。按所实现的功能归纳， d v b 传 输系统主要由以下五个部分构成:基带物理接口;数据扰乱;纠错编码; 数字调制:同步与时钟提取。 舒.3 .2 主要功能 模块 扒3 .2 . 1 基带物理接口 基带物理接口负责d v b - c 传输系统与信号源的适配，如前所述，信号源包 括本地信号源、卫星和地面等各种mp e g - 2 码流，而mp e g - 2 码流在传送过程中 有不同的接口 格式，目 前传送m p e g - 2 码流最常用的两种接口 分别是a s i ( 异步串 行接口 ) 和s p i ( 同步并行接口 ) ，也是d v b 标准中 推荐的两种接口。 随着数字电 视 业务的不断推广，采用广播电视s d h 干线网络传送mp e g 一 码流成为一种趋势， 而d s 3 接口可以直接接收s d h 网络传送的m p e g - 2 码流，因此d s 3 接口也逐渐成 为q a m 调制器主要的备选接口。 由 于这一接口处的信号为数字基带信号， 因此称为基带接口。 通过物理接口 一方面实现数字信号的接收， 包括信道均衡、 时钟恢复和信道解码， 提取数据比 特流;另一方面根据mp e g - 2 在该接口 传输系统中的映射方式，实现mp e g - 2 码 流提取。 得到的mp e g - 2 的t s 流以字节的方式， 送给后续的模块处理。 有关基带 接口 将在第三章中详细介绍。 1 3 .2 .2 数据扰乱 数字通信理论在设计通信系统时都是假设所传输的比特流中0 ， 与 ， 1 ” 出现 的概率是相等的，各为5 0 % ，为了保证在任何情况下进入d v b传输系统的数据 码流中 “ 0 与， 1 ” 的概率都能基本相等， 传输系统首先用一个伪随机序列对输入的 t s 码流进行扰乱处理。 扰乱改变了原t s 码流， 因此在收端对传输码流纠错解码 后，还需按逆过程对其进行解扰处理，以恢复原t s 码流。从信号功率谱的角度 看， 扰乱过程相当于将数字信号的功率谱拓展了， 使其分散开了， 因此扰乱过程 又被称为“ 能量分散” 。 在 mp e g - 2经过基带接口之后，输入码流是固定长度包组合，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ms b开始的。 浙江大学硕士学位毕业论文 伪随 机二进制序列( p r b s ) 的生成多项式如下: g ( x ) = 1 + x 0 + x ( 1 . 1 ) 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 ) ，并初始化其计数器。 为给解码器提供一 个启动信号， 在每 8个包长的 组中，第一个包的mp e g - 2 同步字节逐比特倒相，即从4 7 h e x 变为b 8 h e x o p r b s 生成器输出的第一个比特为已倒相的mp e g - 2同步字节 ( 即b b 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 - 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1 5 0 3 个字节。 在调制器无比 特流输入时，或与 mp e g 一传送码流格式 ( 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。 1 3 .2 . 3 纠错编码 数字通信虽然较模拟通信相比有较强的抗干扰的能力，但当干扰较大时仍 然可能发生信息失真， 因此必须采取措施进一步提高传输系统的可靠性， 纠错编 码就是为这一目的提出的。 在数据加扰处理后， 对每一个mp e g - 2 包进行r s 编码， 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mp e g - 2 传送包中增加了1 6 个奇偶校 验字节，包长由1 8 8 增加为2 0 4 ，码字为 ( 2 0 4 , 1 8 8 ) . r s 编码也应包括包同步字 节， 不论是未倒相的( 4 7 h e x ) 还是倒相的( b b h e x ) 都同 样进行r s 编码。 生成多项式为: g ( x ) = ( x + a 0 ) ( x + a l ) ( x + a 2 ) . . . . . . ( x + a ll ) ( 1 .2 ) 其中a = 0 2 h e x 。本原多项式为: p ( x ) 二 x 8 + x + x + x + 1 ( 1 .3 ) 因突发噪声引起的突发连续误码将引起r s 译码严重的误码扩散。卷积交织 重新安排了数据之间的相对位置， 使数据间的约束长度加长， 通过解交织能使因 突发噪声引起的突发错误分散开来，防止了r s 译码的误码扩散。 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。己交织的帧 应由 交叠的 误码保护包组成，且应由m p e g - 2 同步字节界定( 保留2 0 4 字节的周 期) 。 交织器示意图 见图1 .3 .2 ，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m * j 单元的先入先出 ( f i f o ) 移位寄存 器，交织器数据输入端分成1 2 路，每一路延迟不同符号周期，第一路无延迟， 第二路延迟1 7 个符号周期，