（通信与信息系统专业论文）hdtv内码系统研究及asic实现.pdf

摘要 数字化高清晰度电视( h d t v ) 采用了先进的信源压缩编码技术和信道编码技 术l 薪丽蜀再耀罚青目i 覆百视体系正在诞生，它在继承现有模拟电视技术的基础上， 将逐步取代现存的模拟制式电视。研制中的我国数字化高清晰度电视传输子系统的 信道编码采用外码为里德索罗门前向纠错码( r s 码) ，内码是8 - v s b 格状编码 ( t c m ) 所组成的级联编码，其中8 - v s b 格状编码比没有编码的4 - v s b 有3 3 d b 的编码增益，另外在格状编 v i t e r b i 译码的影响。本文着 本文第一章首先介绍了 方案，并对v s b 和c o f d m 进行了分析和比较。第二章首先介绍了! m 厘堡， 提出h d t v 中t c m 编码方案，并通过理论分析计算，比较得出t c m 一8 v s b 方案 的性能比4 v s b 方案有很大提高。接着分析了加入梳状滤波器之后t c m - 8 v s b 的 性能。第三章首先论述了v i t e r b i 译码的原理，给出其具体算法。接着瓢弋瓣译 码的一些参数，诸如译码深度选择、分支度量方式选择、精度选取、限幅处理等进 行分析讨论，并给出计算机仿真结果。第四章详细描述了内码中的交织与解交织的 原理，并给出了实现方法。第五章为内码编码端电路说明，给出了内码编码的实现， 提出一种节省硬件资源的编码模型。第六章为内码译码端电路说明，给出了译码实 现。重点描述了a s i p 结构及其设计思想，并给出较为节省硬件资源的译码模型。 本文的主要贡献在于根据v s b 方案中的技术参数，提出了h d t v 内码中编、 解码的具体算法，并给出了具体实现。 塑婆奎兰堡主堡壅一 a b s t r a c t a d v a n c e ds o u r c ec o d i n ga n dc h a n n e lc o d i n gt e c h n o l o g i e sh a v eb e e na d o p t e di nt h e d i g i t a lh i g hd e f i n i t i o nt e l e v i s i o n ( 仲d t v ) a n e w d i g i t a lh d t v s c h e m ei se m e r g i n g ，a n d i tw i l lg r a d u a l l ys u b s t i t u t et h ee x i s t i n ga n a l o g u et e l e v i s i o ns y s t e m ，w h i l ei n h e r i t i n gi t s t e c h n o l o g i e sc a s c a d i n gc o d e w h i c h t h eo u t e rc o d ei sr e e d s o l o m e nf e ca n dt h ei n n e r c o d ei s8 - v s bt c m ( t r e l l i sc o d e dm o d u l a t i o n ) ，i sa d o p t e di nc h a n n e lc o d i n gs u b s y s t e m o fli d t vs c h e m e w h i c hi su n d e rd e v e l o p i n gt h et c mc a ni m p r o v et h er o b u s t n e s so f t r a n s m i s s i o na g a i n s ta d d i t i v en o i s eb ya b o u t33 d b c o m p a r e dt oc o n v e n t i o n a lu n c o d e d4 一 v s bm o d u l a t i o nl t h ev i t e r b id e c o d e ri nt h er e c e i v e rb e n e f i t s 行o mt h et r e l l i sc o d ei n t r a s e g m e n ti n t e r l e a v i n ga g a i n s ts h o r tb u r s tn o i s e t h i sp a p e rf o c u s e do nt h ep r i n c i p l e sa n d i m p l e m e n t a t i o no f t h e i n n e rc o d e i nt h i sp a p e r , t h ef i r s tc h a p t e ri n t r o d u c e st h eg as c h e m eo fh d t va ts y s t e m1 e v e l ， a l s oc o m p a r e st h ev s bs c h e m ew i t hc o f d ms c h e m ei nt h es e c o n dc h a p t e r f i r s tt h e p r i n c i p l e so ft c m a r ei n t r o d u c e dt r o u g ha n a l y s i sa n dc o m p u t a t i o n 、t h ec o n c l u s i o nt h a t t c m 一8 v s bs c h e m ei sm u c hb e t t e rt h a n4 v s bs c h e m ei s p r o p o s e d t h e na n a l y s e st h e p e r f o r m a n c eo ft c m 8 v s bw i t hc o m b f i l t e r i n t h et h i r d c h a p t e r , t h ep r i n c i p l e so f v i t e r b id e c o d i n ga r eg i v e nf i r s t a n dt h ea l g o r i t h mi sa l s og i v e ni nd e t a i l st h e n c o m p a r e s a n dd i s c u s s e st h ej n f l u e n c et h a tt h ep a r a m e t e r s , s u c ha s d e p t ho fd e c o d i n g m e t r i c s ， p r e c i s i o n a n dr a n g el i m i t ，a f f e c to nt h e p e r f o r m a n c eo fd e c o d i n gf i n a l l yg i v e st h e s i m u l a t i o nr e s u l t i nf o u r t h c h a p t e r , t h ep r i n c i p l e so fi n t e r l e a v ea n dd e i n t e r l e a v ea r e d e s c r i b e di nd e t a i l s ，a n dt h er e a l i z a t i o ni sa l s o g i v e n t h ef i f t hc h a p t e ri st h ee n c o d e r d e s c r i p t i o n ，a l s og i v e st h er e a l i z a t i o no fe n c o d e r , p r o p o s e sae n c o d i n gm o d e lw h i c hc a n s a v et h eh a r d w a r er e s o u r c eg r e a t l gt h es i x t h c h a p t e ri s t h ed e c o d e rd e s c r i p t i o n t h e r e a l i z a t i o no fe n c o d e ri sg i v e nf o c u so nt h ea s i ps t r u c t u r ea n di t s d e s i g nm e t h o da l s o p r o p o s e sad e c o d i n gm o d e lw h i c hc a nd e c r e a s e st h eh a r d w a r es c a l e se v i d e n t l y jh em a i nc o n t r i b u t i o n so ft 1 1 i sp a d e ra r ep r o p o s i n gt h ea l g o r i t h ma n dr e a l i z a t i o no f 1 n n e rc o d ei nl i d t v a c c o r d i n g t ot h et e c h n i c a l p a r a m e t e r so f v s b s c h e m e 2 浙江大学硕士论文 第一章绪论 高清晰度电视( i - d t v ：h i g hd e f i n i t i o nt e l e v i s o n ) 是全球广播电视行业最引入注 目的焦点之一，它的水平分辨率高达11 5 2 线，垂直分辨率高达1 9 2 0 线，由于h d t v 已成为第三代电视标准f 相对于黑白电视机和普通彩色电视机) ，具有很大的市场潜 力，对各国的政治、经济、文化、社会生活各方面都会产生深远的影响，因而全球 在科技、工业等领域的竞争是非常激烈的。 同时，随着电子技术的不断发展与进步，尤其魁近1 0 年来，计算机电路辅助 设计技术和半导体集成工艺技术的快速进步，在生产的电子系统中，专用集成电路 ( a s i c ：a p p l i c a t i o ns p e c i f i ci n t e g r a t e dc i r c u i t ) ；f f l 现场可编程门阵列( f p g a ：f i e l d p r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) 的使用变得越来越多，特别是在先进的电讯设备、计算 机系统和网络设备中更是如此，这不仅因为有不少实时的数字信号处理芯片( d s p ) 是一般微处理机所无法替代的，而且也因为市场对电子产品的要求越来越高。所以 设计a s i c 将领导电路设计的新潮流口i 。 本文主要针对美国g a h d t v 的v s b 方案并结合芯片设计的实际情况，说明 对h d t v 功能样机的地面传输系统中的内码部分的实现方法。 1 1 高清晰度电视的发展历史一s 民用高清晰度电视是7 0 年代初由日本首先发展的。h d t v 的研究发展到现在 的二十多年的时间内，经历了模拟制式和数字制式两个发展阶段。到目前为止，模 拟制式h d t v 已基本停止了研究，而全数字式的h d t v 的研究正在全世界紧锣密 鼓地开展。目前在美国制式研究已告一段落，正在进行开播和接收机的研制。 1 1 1 模拟h d t v 的发展 1 9 7 2 年，日本广播协会( n h k ) 首先开始了h d t v 的研究工作。1 9 7 8 年公布 和演示了非兼容制的h d t v 系统。在1 9 8 3 年又公布了h d t v 在卫星电视广播中 的m u s e ( m u l t i p l es u b - n y q u i s ts a m p l i n ge n c o d i n g ) 制式。1 9 8 6 年n h k 在c c i r 第1 6 次全会上，进行了m u s e 的现场演示。1 9 9 1 年开始进行每天l 小时的h d t v 卫星实验广播标志着m u s e 制式技术的成熟。1 9 9 1 年1 1 月开始每天8 小时的正式 h d t v 卫星广播。 8 0 年代初，欧洲拟采用m a c ( m u l t i p l e x e da n a l o g u ec o m p o n e n t ) 制式将欧洲 现有的p a l 制和s e c a m 制式统一起来。8 0 年代中期，由于意识到了i - i d t v 所蕴 藏的巨大的经济潜力，而且不甘于日本在h d t v 领域的领先地位，于1 9 8 6 年成立 了e u r e a c a 一9 5 项目研究h d t v 。在设立了e u - 9 5 项目后不久，欧洲便提出厂兼容 的渐进式的模拟制h d t v 系统h d m a c 。1 9 8 9 年夏演示了h d t v 卫星广播系统。 1 9 9 2 年利用h d m a c 对巴塞罗那奥运会进行了实况转播，获得了较好的评价。 但与数字h d t v 相比，m u s e 和h d m a c 的性能价格比太高，无法充分利用 塑垩查堂堡主堡茎 现代数字技术，所以1 9 9 3 年欧洲己停止了f d m a c 的研究。日本由于前期投资 巨大，所以仍在开展降低m u s e 接收机价格的工作。 1 1 2 数字h d t v 的发展 数字h d t v 是以美国为代表提出的全数字的h d t v 方案。美国在民用h d t v 上起步较晚，但它依靠其雄厚的理论基础和技术实力，在f d t v 的研究领域很快 就赶上并超过了日本和欧洲，而成为h d t v 研究领域的后起之秀。在1 9 8 7 年以前， 美国基本上是支持日本的1 1 2 5 6 0 2 ：1 1 6 ：9 系统，但由于逐步意识到h d t v 的巨大 市场潜力以及考虑到对本国政治、经济等方面的影响，决定摒弃支持日本制式，独 立提出符合本国国情的新的数字式h d t v 制式。 1 9 8 7 年2 月1 7 日，美国5 8 个广播组织及公司向美国联邦通信委员会( f c c ： f e d e r a lc o m m u n i c a t i o n sc o m m i t t e e ) 提出开始h d t v 研究的建议，同年1 】月1 7 日，f c c 组建了先进电视业务资询委员会( a c a t s ：a d v i s o r y c o m m i t t e eo n a d v a n c e d t e l e v i s i o ns e r v i c e ) ，a c a t s 的成立意味着美国h d t v 研究的正式开始。1 9 8 8 年， f c c 曾作出美国a t v 必须与现行n t s c 制式兼容的要求，但随着美国一些公司的 全数字h d t v 研制的飞速进展，经过专家组论证，1 9 9 0 年春，f c c 决定放弃与现 有n t s c 制式兼容的要求而选择“同播”( s i m u l c a s t ) 方式，并提出了几条关于h d t v 的指导性意见：( 1 ) 由于兼容不可能做到，在h d t v 和常规电视并存期间采用同 播制，即每一套节目同时要有常规电视和h d t v 的广播。( 2 ) 在频谱利用上做到 和现行常规电视兼容，即h d t v 信号能在美国规定的现用电视广播6 m h z 频道内 进行地面广播。( 3 ) h d t v 的地面广播从启用现在禁用( t a b o o ) 频道开始，由r 禁用频道的邻近频道往往是已经在使用的频道，或者本身是邻近地区在使用的频 道，因此h d t v 广播的接收机应具备对付常规电视干扰的能力，同时要尽量避免 对现有常规电视的干扰。 在f c c 确定了h d t v 的发展框架后，美国各大有关的公司、研究单位、大学 参加了h d t v 方案的角逐。第一轮测试中从提出的2 1 个方案中选择了性能较好的 5 个方案进行比较筛选，a c a t s 制定了频谱利用( 服务区域、区域协调百分数) 经济( 电视台成本、传媒转换、消费者) 和技术( 图象伴音质量、广播可靠性， 服务区域及特色、可扩充性、内部可操作性考虑) 的三方面包括1 0 个项目的测试。 1 9 9 3 年2 月8 一1 1 日，a c a t s 全体会议给f c c 提交了一份a t v 的推荐报告，对前 一阶段美国开发h d t v 的情况进行全面的总结：全数字h d t v 系统在美国环境中 表现出很多的优点，m u s e 制式f i d t v 方案与另外四种数字式h d t v 方案相比， 后者无论从图像质量、接受门限、抗干扰能力还是地面频谱利用率( 传输覆盖能力) 等方面均优于前者，因此不考虑推荐模拟的制式系统，四种全数字h d t v 方案： d i g i c i p h e r ，d s c h d t v ，a d h d t v ，c c d c 己可提供实用数字h d t v 系统，但 由于四种系统方案都应做进一步的完善，故暂时不能将哪个方案提交给f c c 推荐 作为美国h d t v 标准，还必须再做进一步改进性实验后才能确定。为了获得一个 各方面均可达到设计指标的h d t v 方案，f c c 希望四种数字化h d t v 方案能取长 补短，综合形成一种最优方案。 至此，各方案的提议者一方面紧张地改进完善荐自的h d t v 方案，一疗面试 图组织联合，以取各之所长，避各之所短，优选出一个最佳的美国h d t v 方案， 浙江大学硕士论文 因而原定不迟于1 9 9 3 年3 月】5 目的进一步测试只好推迟。1 9 9 3 年5 月2 4 日，酝 酿已久的“大联盟”( g r a n da l l i a n c e ) 终于组成，伞此避免了一场旷日持久的技术 战及未来的专利战，减少了人力及资金的巨大耗费，g a 的h d t v 系统将是具有世 界级的图像清晰度的系统。g a 经过4 个多月的紧张工作，就一些重大的问题取得 了结果：( 1 ) 图像压缩编码采用m p e g 一2 标准。( 2 ) 伴音选定d o l b y a c 一3 n ( 3 ) 多种扫描制式的采用。 对于g a 的传输制式直到1 9 9 4 年2 月公布测试结果后才确定：地面广播采用 8 v s b ，有线电视采用1 6 v s b 。测试结果表明：地面1 广播中8 v s b 稍优于3 2 q a m ， 有限电视中1 6 v s b 在优于6 4 q a i v l 。 1 9 9 4 年5 月，正式公布大联盟方案，该方案集中了其它几种方案的优点，采 用2 3 速率的t c m 和能纠正1 0 个错误字节的r s ( 2 0 7 ，1 8 7 ) 组成的级联码，同时 采用前向7 8 节，后向1 7 7 节的自适应判决反馈均衡器，利用梳状滤波器来抑制n t s c 的同频干扰。 1 9 9 4 年第二、三季度，a c a t s 组织了对g a h d t v 传输系统进行了野外测试， 测试地点选在北卡罗来纳州的c h a r l o t t e ，试验用的两个频道为讧频段的6 频道 和u h f 频段的5 3 频道。测试结果表明，g a h d t v 的性能要优于n t s c ，在u h f 频段，h d t v 的满意接收率为9 2 ，而n t s c 为7 0 ，在频段，h d t v 的满 意接收率为8 2 ，而n t s c 为4 0 ，u h f 频段的多径干扰比v h f 频段严重，但目 前采用的均衡器方案完全能正常工作，测试中，h d t v 的平均功率比n t s c 的峰 值功率低1 2 d b 。 在此之后，g a 加快了研究的步伐。经过8 年的研究和开发，f c c 终于在1 9 9 6 年1 2 月2 4 日正式采纳g a 的h d t v 标准作为高清晰度电视的正式标准。g a 的标 准测试是在哑历山德里市的高级电视试验中，t l , ( a t t c ) 进行的，现场接收试验台 是夏洛特电视台，结果表明：接收到的h d t v 视音频信号质量与h d t v 信源质量 一致，超过了f c c 顾问委员会几年前设定的目标，甚至快速活动视频的播放质量 也近于完美。d o l b y 数字音频系统( a c 一3 ) 的试验结果正常。但测试中也发现了 h d t v 可能干扰相邻n t s c 频道的视音频信号。视频信号可通过更精密的技术手 段加以解决，而音频干扰的解决就存在一定的困难，上策是通过调整每个社区的 h d t v 信号，以尽可能的消除干扰，下策是不使刖相邻频道或降低播放功率，但 降低功率会减少信号覆盖面积。 由于数字h d t v 相对模拟h d t v 的巨大优越性，欧洲于1 9 9 3 年放弃了模拟 h d m a c 的研制，而借鉴美国开发h d t v 的经验和模式，大力推进欧洲大陆数字 h d t v 的研究应用，成立了欧洲开发数字图像广播行动小组( e l g ：e u r o p e a nl a u n c h g r o u p ) ，由1 1 个国家的1 3 0 多个组织，包括t o m s o n ，p h i l i p s 等制造商，欧广联， b b c 等广播台，德法通信网络以及欧共体各国政府。现有9 个技术项目：德国的 h d t v - t ，法国的s t e r n e ，d i a m o n d ，英国的s p e c t r e ，北欧三国f 瑞典、丹 麦和挪威) 的h d d i v i n e ，以及多国联合的r a c e ，d t - t b 工程。将归属在e l g 下 制定的数字总规划称为d t b 2 0 0 0 ，拟采用的技术：信源编码用m p e g 一2 ，信道编 码用c o f d m ，伴音用m u s i c a m ，并拟用在整个欧洲大陆的地面、卫星和电缆厂 播中。1 9 9 5 年2 月，日本成立了d t v 实验室，预算3 0 亿元，花4 年时间，建立 带宽6 m h z ，可移动接收的c o f d m 系统。 浙江大学硕士论文 1 2h d t v 地面传输系统的两大方案睁川 h d t v 的地面广播数据传输技术发展到今天，已经形成了两种各具特色的方案 互相竞争的局面，形成了单载波调制( s c m ：s i n g l e c a r r i e r m o d u l a t i o n ) 方案( v s b ) 和多载波调制( m c m ：m u k ic a r r i e rm o d u l a t i o n ) 方案( c o f d m ) 两大流派。这 实际上也是串行数字通信方式和并行数字通信方式的不同应用，在自高斯噪声条件 下，这两种通信方式的性能是一致的。无论是v s b 还的是o f d m 的方案，其差错 控制编码都是采用r s 码、交织、t c m 码级联而成。两种方案的本质的区别在于 调制解调的方法以及对付多径衰落和共信道干扰的方法。 1 2 1o f d m 方案 c o d f m 编码正交频分复用( c o d e do r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 传输方式，是一种多载波调制方式，其基本思想是把高速率的信源信息流 通过串并变换，变换成低速率的路并行数据流，然后用n 个相互正交的载波进 行调制，将路调制后的信号相加即得发射信号。c o f d m 的信号速率为 f n ( n + 1 ) 1 r 。，r 。为n y q u i s t 速率( 2 波特赫兹) ，n 为并行传输的信道数，当 n 增加时，c o f d m 可以传输的信号速率接近n y q u i s t 速率。c o f d m 的h d t v 地 面传输系统的发射部分和接收部分见图1 1 。 发 送 数 据 接 收 数 据 a ) 发射部分 v h f ，l h f 信号 v h 舢f 信号 薹圈蕊 ( b ) 接收部分 图11c o f d m 方案h d t v 地面传输系统 1 2 2v s b 方案 v s b 是介于单边带调制与抑制载波双边带调制之间的种调制方式，是一种 传统的普通电视传输方式，其技术已经比较成熟。v s b 方案h d t v 地面传输系统 发射和接收过程见图1 2 。 一塑墅塑堕坚一 发送数据 a ) 发射部分 v h f u h f 信号 v h f u h f 信号 图12 v s b 方案h d t v 地面传输系统 1 2 3c o f d m 与v s b 的比较 c o f d m 是一种多载波调制方式，而h d t v 中、l 用的多载波调制方式可以认为 是一种频域技术，因为所有的信号处理都在频域内完成( 在发射端，在i f f t 处理 之前，信道编码，频谱开槽，载波功率量化以及星座点调节都在频域内完成；在接 收端，信道解码及均衡也都在频域内完成) ，当然信号传输还是在时域内进行的。 多载波调制方式对于时域的冲激噪声有较强的抵抗能力，单载波调制方式对于频域 的冲激噪声有较强的抵抗能力。 个c o f d m 系统与串行单载波系统相比有下列优点： ( 1 ) c o f d m 可以非常灵活地满足各种不同的设计要求，如复杂性、频带效 率、频谱形状、系统性能以及对不同干扰的敏感程度； ( 2 ) c o f d m 对于采样时间的偏移没有串行传输那样敏感； ( 3 ) 当f f t 的计算数目增加，c o f d m 的频带效率接近于n y q u i s t 速率，但 同时也会增加系统的复杂性。 不过c o f d m 也存在下列缺点： ( 1 ) 由于c o f d m 较高的峰值与平均值的功率比值导致发射机功率的降低； ( 2 ) c o f d m 对于载波频偏和音频干扰要比单载波系统敏感。 而h d t v 广播中采用v s b 方式而不是q a m 方式，主要有如下几个原因： ( 1 ) v s b 方式仅需要处理同相信号，在接收端可以只用一维的均衡器，能大 大的简化均衡器的结构；q a m 方式则要对同相和正交两路信号进行二维均衡，因 此v s b 均衡器的复杂程度只有q a m 均衡器的四分之一； ( 2 ) h d t v 要占用常规电视中的禁用频道，q a m 方式的载波位于频带的中间， 会干扰相邻服务区的常规电视；v s b 方式的导频则位于频带的左侧，可以被常规电 视的中频滤波器很好的抑制； ( 3 ) t c m - - 8 v s b 的网格结构l f = t c m - - 3 2 q a m 的网格结构更理想，从而使v s b 在高斯噪声环境下的阈值比o a m 低近l d b 。 塑、查堂堡主堡塞 一一 g a v s b 有两种传输模式：地面广播模式和高数据率模式。地面广播模式在 6 m h ：的无线带宽中传输一路高清晰度电视信号；高数据率模式在6 m h z 的带宽中 传输两路高清晰度电视信号，主要用于电缆或光纤等有线信道。为使覆盖面积达到 最大，地面广播模式采用n t s c 抑制滤波器( 在接收机) 并增加格状编码。地面 广播模式的大部分系统可以不必变动或者仅需要简化即可用于高数据率模式，本文 其余部分不再讨论高数据率模式。 作为h d t v 地面传输系统，c o f d m 与8 v s b 系统方案比较见表11 。 表11c o f d m 与8 v s b 系统方案比较 性能 c o f d m8 一v s b a w g n 门限 1 5 d b1 4 9 d b 抗a w g n r s + t c mr s + t c m 抗冲激噪声较好较差 抗同频干扰c o f d m 频谱开槽和频域抗n t s c 同频干扰滤波器 交织 抗多径干扰加保护间隔信道均衡器 抗长时间时延、强回波的好差 性能 实现难度f f t 运算量大梳状滤波器、多抽头 均衡器实现复杂 频带利用率 ( + 3 ) ( r + a ) 、 。 _ 2 a ( b s i l z ) j + d 峰值与平均功率比 1 2 d b 8 d b 对邻频道的干扰较大 导频信号需加频率偏置， 否则干扰较大 适用于s f n易 不易 c o f d m 与v s b 采用相同的信道编码( r s + t c m ) 方法提高其对付噪声的能 力。在高斯白噪声环境下，c o f d m 实测门限电平是1 5 d b ，v s b 是1 49 d b ，c o f d m 和v s b 相差并不多。 存在冲激噪声的情况下，由于c o f d m 的符号传输时间较长，对其眼图影响 不大，而v s b 则会受到较大影响。比较起来，c o f d m 抗冲激噪声的性能比v s b 好。这也是多载波调制系统相对于单载波调制系统的优势所在。 在抵抗同频干扰方面，c o f d m 采用频谱开槽和频谱交织的方法，可抵抗3 d b 的同频干扰。v s b 采用抗n t s c 同频干扰滤波器，在同频干扰下，使门限损失3 d b ， 即达到1 7 9 d b ，如前所述，单载波传输方式对于时域的冲激噪声的抵抗力较弱， 所以当从n t s c 的同频干扰的综合因素考虑，c o f d m 的门限优于v s b 。当然如 果将来普通电视停播后又另当别论。 c o f d m 在抵抗多径干扰方面，采用添加保护间隔的方法，可以消除保护间隔 内的任意时延长度的回波干扰。v s b 系统采用均衡器来消除回波，而对时延较长 的回波效果较差，并且对回波时延的变化也很敏感。经过实测，c o f d m 可以抵抗 0 d b 的强回波，可见在抗回波方面，c o f d m 要优于v s b 。 6 ( b ) 系统复杂程度 c o f d m 的核心是快速傅立叶变换( f f t ) ，通常选择的是载波数较大，一般 是1 0 2 4 的整数倍，所以f f t 的运算量较大，对f f t 芯片的集成度和运算量提出了 较高的要求。随着v l s l 和d s p 技术的发展，f f t 芯片能够满足c o f d m 的要求。 f f t 处理技术会逐渐成为c o f d m 的一种优势所在一 v s b 不能像c o f d m 那样直接在频谱上通过开槽来消除同频干扰，而是使用 梳状滤波器消除n t s c 的同频干扰，增加了系统复杂度。 c o f d m 由于采用频域交织技术，对短突发噪声有较好的抑制作用，收发两端 只需一对t c m 编解码器就能克服突发干扰。而v s b 系统则需1 2 对t c m 编解码 器才能使v i t e r b i 译码引起的突发误码分散开，这样才能克服短时突发噪声造成的 连续误码。 ( c ) 邻频道干扰 因为c o f d m 的子载波是统计独立分布，根据中心极限定理，当子载波数v 较大时，信号能量分布呈高斯分布，实际中当n ，2 1 ) 时，就已经很接近高斯分布， 而v s b 的能量分布依赖于星座点和成形滤波器的滚降系数a ，其能量分布呈等概 分布。因而c o f d m 的功率峰值与平均值的比值要比v s b 的大，这就对发射机的 功率放大器的线性动态范围提出了更高的要求。v s b 的峰值功率与平均功率比在 8 d b 以下，c o f d m 的峰值功率与平均功率比在1 2 d b 以下，比v s b 高4 d b ，这样， c o f d m 对功率放大器的线性要求较高，传输系统的非线性对c o f d m 的影响较大。 最突出的影响就是c o f d m 对邻频道的干扰较为严重。 c o f d m 多载波传输系统可以在频域上直接控制系统，使得系统灵活性好，具 有实现复杂程度低、抗干扰性强、易于实现s f n 等优点，v s b 具有对功率放大器 线性动态要求较低的优点，因而两种方案各有优点，目前还难分伯仲。美国和欧洲 选择不同的制式是出于政治、经济方面的考虑，而并非单纯从技术角度出发。 本论文采用的是g a v s b 方案的h d t v 地面传输系统。 1 3g a v s b 的地面传输系统简介m 1 3 1 系统信息 g a v s b 传输系统按图3 所示的数据帧格式传输数据。每帧由若干分段组成， 而每段有8 3 2 个符号。每个要传输的分段由4 个符号的分段同步，接着是8 2 8 个数 据加f e c ( 前向纠错) 的符号组成。每个要传输的分段由1 个同步字节( 4 个符号1 ，1 8 7 个数据字节及2 0 个r s 奇偶检验字节组成，这对应个1 8 8 字节数据包，它由1 8 7 个数据字节和一个同步字节组成。 、对于g a v s b 的准确符号率是： 45 2 8 6 m h z 6 8 4 = 1 0 7 6 m h z ( 近似) ，式中4 5 2 8 6 是n t s c 水平扫描速率。 分段的频率是： f 。s = 1 07 6 m 符号s 8 3 2 符号分段= 1 29 3 k 符号s 。 对于地面广播模式，每个分段对应于一个2 0 7 字节的r s 纠正块： 2 0 7 字节块8 b i t 字节= 3b i t 符号2 3 速率x8 2 8 符号 塑垩奎兰婴兰堡兰一 而对于高速率的电缆模式，每分段对应两个r s 纠正块的2 0 7 个字节如下： 2 块2 0 7 字节块8 b i t 字节= 3 3 1 2b i t 分段。 如图l3 所示，每个数据帧从第一个数据场同步分段开始，接着是3 1 2 个数据 分段，再是第二个数据场同步分段，再是另一个3 1 2 数据分段。 除了数据段同步和场同步是二电平外，所有其它传输的数据是多电平的。对地 面广播传输模式，传输的是8 电平的符号( 3 b i t 符号) ，而对于高速率电缆模式采 用的是1 6 电平的符号( 4 b i t 符号) 。它们分别被称为8 - v s b 和1 6 一v s b 。 一4 卜一塑尘签旦_ h 一一制 f 一个分段；7 7 3 u s 图13 v s b 数据帧 2 m s 2 m s 结合数据分段同步和数据场同步结合多电平的符号，以抑制载波方式来调制单 个载波。但在传输之前，大多先去掉大部分下边带。除了在频道的两边有平方根升 余弦波响应造成的6 2 0 k h z 的过渡区( 其中1 1 5 多余带宽) 以外，得出的频谱是 平坦的。g a s b 传输频谱与n t s c 频谱的关系见图14 。在距下边带边界3 1 0 k h z 的已抑制的载波频率处，还附加一个小的导频信号。此导频信号在v s b 接收机中 用于载波的锁定。导频信号使信号总信号功率增加了03 d b ，但有助于降低实施中 的远大于该值的损耗。有了导频信号的辅助，v s b 传输系统能实现真正的理论性 能。导频信号位于同频道n t s c 信号的残留边带内，而且对n t s c 不产生同频道 干扰。 4 l tpf十ib4一 t叫斗刮上 塑垩查堂堕主鲨奎一 v s b 1 ： 一一一、 0 j7。l n i 。二一l 二一 0 ”3 1 导抑犁茎鎏! ：塑一卜o 3 1h 卜1r u j l * _ ! ：! 一一 一、 f _ _业 色载波音频载波 卜卫堑一曼一 频率以洲：为单位 图14 v s b 与n t s c 的频道占用情况 地面广播的v s b 系统在设计时考虑了坚韧性。采用r s 码和格状编码以及1 6 场的数据段交织方式的前向纠错编码，提供了一个能承受既有白噪声又有干扰环境 的牢固系统。仿真结果表明地面广播v s b 系统可在信噪比( s ，n ) 为1 49 d b 的环 境下工作，其比特误码率不超过3 1 0 。 1 3 2 发射机的功能模块介绍 ( 1 ) 扰码和r s 编码 采用扰码处理，使数据呈现伪随机特性，在频谱上呈现均匀分布，适合于信 道传输。信道编码采用r s ( 2 0 7 ，1 8 7 ) 编码，通过引入冗余信息，增大了码字之 间的汉明距离，使之达到2 1 ，这样一个码字可以纠正1 0 个错误。r s 编码的采用 使系统具有一定的抗随机噪声的能力。 ( 2 ) 交织 因突发噪声引起的突发连续误码将引起t c m 译码严重的误码扩散。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t c m 译码的误码扩散。 ( 3 ) t c m 编码部分： 将在论文正文中详细阐述。 ( 4 ) 复接： 将在论文正文中详细阐述。 ( 5 ) 导频插入： 为了使接收机能够可靠地提取载波，需要在发送端的频谱中插入一个小的导 频( p i l o t ) 信号，这使发射功率增加了o3 d b ，但这样使接收机的载波恢复的复杂 度大大下降。 ( 6 ) v s b 调制： 实现v s b 调制的方法有许多种，其中比较理想的一种方法是：首先用数字技术 对基带数字信号进行滤波，得到精确的同相和正交信号，该滤波器具有平方根升余 弦特性，并且提供了对d a 变换器的补偿；接着两路正交信号经d a 变换器转变到 塑型堂堕坚一 模拟形式，最后调制到中频。在中频之后再采用s a w 滤波器进行邻带抑制。 1 3 3 接收机的功能模块介绍 ( 1 ) 调谐： 在调谐器中要进行两次混频。第一本振在o 9 7 g - 一17 2 g h z 之间可变，第二本振 固定在8 7 6 m h z 。还要进行滤波、1 ) j c ) k 2 年1 a g c ，最后经工作在4 4 m h z 的固定增益放 大器输出。 ( 2 ) 载波恢复： 因为在发射机端插入了导频信号，能够简化载波的恢复。在这里采用了多级的 f p l l 。g a - - v s b 的样机在0 d b 信噪比或有严重干扰存在的情况下都能正确恢复载 波并保持锁定。 ( 3 ) 同步提取： g a v s b 的位同步提取没有采用传统的提取方法，而是采用了“数据辅助的 位同步提取”。中频解调后的模拟信号送x a d 变换器按符号率进行取样，取样的 结果与己知的段同步图案进行匹配可以检测出段同步。每当段同步到来时，根据段 同步图案的值估计冲击响应。如果恢复出的位同步信号的相位正确，则冲击响应应 满足： hrh ，= 0 或j f l 。0 ， 然后可以对冲击响应估值的结果运用迫零算法，就可以恢复出相位正确的位同步时 钟。这种方法性能优越，甚至可以在0 d b 言噪比时正常工作。 在这里还要得到a g c 控制信号。粗略的a g & 信号来自对d a ：变换器是否溢出的 判断。检测到段同步之后，可以由段同步图案的幅值得到精确的a g c 控制信号。 两种a g e 分别控制调谐器与中频两处的放大器的增益。 可以把每个接收到的数据段同奇数场和偶数场的参考信号比较而得到场同步。 这里不要求精确的数据定位，只要能指出哪一段是场同步段即可。 ( 4 ) 梳状滤波： g a v s b 方案抑铜j n t s c 共信道干扰的方法是插a , n t s c 抑制梳状滤波器。具 体地说是将输入信号减去延时1 2 个周期后的输入信号。这样，可以把导频信号、 n t s c 视频载波、色副载波和伴音载波都近似地放在梳状滤波器的零点。由于梳状 滤波器的引入也会带来副作用，因此要根据n t s c 彳：扰的大小来决定是否引入该滤 波器。 ( 5 ) 均衡器 均衡器对信道线性失真进行补偿。均衡器采用l m s 算法，能够用三种方式对 数据进行均衡：首先可以适应于二进制的训练序列；当眼图睁开时可以适应于全部 数据符号；当眼图闭合时能进行盲均衡。当同频p a l 干扰抑制滤波器插入时会改 变输入信号电平的数目，这时均衡器也要随之作相应的不同处理。由于均衡器的抽 头多达2 5 6 个，使均衡器成为整个系统的主要难点之一。 ( 6 ) 相位跟踪 相位跟踪环可以将中频p l l 未完全消除的相位噪声进一步去除。利用i 路信号 经希尔伯特变换来近似恢复q 路信号，l 、q 两路信号再送入一个去旋器以去除相位 塑翌查兰堡圭丝兰一 噪声。 ( 7 ) t c m 解码 将在论文正文中详细阐述。 ( 8 ) 其它 r s 译码、解交织、去扰码分别是发射机的r s 编码、交织、扰码的逆过程。 1 4e d a 设计技术简介 从8 0 年代后期，c a d 技术日益成熟，从最初单纯的作为辅助设计手段，逐渐 发展到可以提供各种自动综合工具，如逻辑综合、版图综合、测试综合等，从而真 正跨入电子设计自动化( e d a ：e l e c t r o n i cd e s i g na u t o m a t i o n ) 时代。完成从c a d 到e d a 的突破主要体现在以下两个方面： ( 1 ) 采用硬件描述语言作为设计输入 由于h d l ( h d l ：h a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e ) 吾言能够实现从抽象的行为 与功能描述到具体的内部线路结构描述，从而可以在电子设计的各个阶段、各个层 次进行模拟验证，保证设计过程的正确性。可以大大降低设计成本，缩短设计周期。 ( 2 ) 库( l i b r a r y ) 的引入 e d a 工具之所以能够完成各种自动设计过程，关键是有各类库的支持。如逻 辑模拟时的模拟库、逻辑综合时的综合库、版图综合时的版图库、测试综合时的测 试库。这些都是e d a 设计公司与半导体生产厂家紧密合作，共同开发的。 1 4 1e d a 设计主要流程 ( 1 ) 行为