（通信与信息系统专业论文）hdtv自适应均衡器理论及asic实现.pdf

， 摘要 3 6 8 5 7 6 | ? 【高清晰度电视( h d t v ：h i g hd e f i n i t i o nt e l e v i s i o n ) 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使 用了多项当今世界上最先进的可以实际应用的数字通信技术和图象压缩编码技 术。代表目前数字技术最高水平的h d t v ，己不再是种单纯的技术系统，它， 所反映的功能特征将会实现所谓“信息高速公路”时代媒体利用的全部需求0 、 本文主要探讨采用8 v s b 方案实现的高清晰度电视地面广播系统中的埘衡 器模块。通过理论公式的推导和计算，分析了具体实现应该使用的硬件结构、 算法和它的性能。 本文主要内容如下： 第一尊概述了壶遁逝鏖皇丑越水的发展历史、当今发展状况和高清晰度电 视技术的意义；介绍了y s b 五案和c o f d m 方案两种h d i - v 地面广播传输系 统的基本原理，并对其进行了比较。 第二章对她的原理进行了详细的介绍，着重分析了l m s 算法和判决反 馈均衡器的问题。 第三章研究高清晰度电视中的均衡器硬件实现的问题，介绍了a s l c 设计 的基础知谚i ，提出并实现了一种优化的均衡器硬件设计。 ，文， a b s t r a c t h d t v ( h i g hd e f i n i t i o nt e l e v i s i o n ) i sak i n do fh i g h t e c hs y s t e m ，b a s e do n l h ea d v a n c e dt e c h n o l o g i e so fm o d e r ne l e c t r o n i c s c o m m u n i c a t i o na n ds i g n a l p r o c e s s i n g i tu t i l i z e ss e v e r a lm o s ta d v a n c e dp r a c t i c a l t e c h n o l o g i e si n t h e w o r l d ，s u c ha sd i g i t a lc o m m u n i c a t i o na n dd a t ac o m p r e s s i o nt h ec h o i c eo f s y s t e mc o m p o n e n t sd e p e n d e d o n d e m o n s t r a t i n g t h e “b e s to ft h eb e s t ” p e r f o r m a n c ef r o ma m o n gs u p p o r t e ds y s t e m s ，t h a ti s e a c hc o m p o n e n th a dt o h a v ee x c e l l e n fp e r f o r m a n c ea n d a d e q u a t es u p p o r tf o ri t st e s t i n gd e v e l o p m e n t a n dc o m m e r c i a l i z a t i o nh d l 、，i sr e d r e s e n l a l i v eo ft h em o s a d v a n c e dd i g i t a l t e c h n o l o g y ，a n d i t si nf a c tn o tj u s tak i n do fp u r et e c h n o l o g yi ti sc h a r a c t e r i s t i c o fa | | f e a t u r e so fl h es o c a l l e d i n f o r m a t i o ni n f r a s l r u c t u r e t h i st h e s i sd e a l sw i t ht h ep a r to fa d a p t i v ee q u a l i z e ri nh d t vt e r r e s t r i a i b r o a d c a s t i n gs y s t e mv i at h e o r e t i cd e d u c t i o na n dc a l c u l a t i o n ，i ta n a l y z e st h e h a r d w a r es t r u c t u r e a l g o r i t h ma n dp e r f o r m a n c em i l sl m p l e m e n t a t i o n t h em a i nc o n t e n t so ft h i st h e s i sa r ea sf o l l o w s i nc h a p t e ro n e ：h i s t o r yo fh d t vd e v e l o p m e n tc u r r e n ls i t u a t i o n sa n dt h e s i g n i f i c a n c eo f h d t vs y s t e m ：f u n d a m e n t a io ft w oh d t vs y s t e m s ( v s bv s c o f d m la n d h ec o m p a r i s o nb e t w e e nl h e m i nc h a p t e ri w o ：t h e o r yo fe q u a l i z e r ；l m sa l g o n t h ma n dd f ef i l t e r i n c h a p t e rt h r e e ：i s s u e s o nt h e i m p l e m e n t a t i o n o f e q u a l i z e r l nh d t v s y s t e m ：a s i cd e s i g nf u n d a m e n t a i 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 高清晰度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，在我国也己成为热门话题，它的发展标志 着一个国家技术水平和经济实力，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。 中国己经真正拥有了属于自己的高清晰度电视产业的技术基础，而且绝对 具有产品和市场竞争的技术实力。对于一个拥有世界上最大的电视机消费市场 而言，h d t v 技术不是可有可无，而是必须掌握，因为体现当代综合信息技术 集成特点，尤其是代表目前数字技术最高水平的h d t v ，已不再是种单纯的 技术系统，它所反映的功能特征将会实现所谓“信息高速公路”时代媒体利用 的全部需求。 但是“高清晰度电视”一词本身的概念是不确定的，它具有相对的含义。 世界各国的用词也很不相同；在西欧称为高质量电视( h q t v ) ，在美国称为高 级电视( a t v ) ，而在日本最早称为高品位( 高质量) 电视，以后才定名为高清 晰度电视( t v ) 。实际上纵观高清晰度电视的发展过程，既是指发展要求达 到的最高阶段目标( 不是终极目标) ，同时又包括r 在发展过程中比之现行电视 制式质量更高一层的改良电视系统。c c m 为h d t v 规定的定义是：当观看距 离为屏面高度的三倍时，h d t v 系统的垂直和水平方向的空间分解力大致是现 行电视系统的两倍，幅型比要展宽到1 6 ：9 ，并配有多声道的优质伴音。h d t v 地面广播系统发展到现在已经形成美国v s b 和欧洲c o f d m 两大系统方案相互 竞争的局面。 第一节高清晰度电视的发展历史 现行电视存在三大制式( y r s c 、p a l 和s e c a m ) ，究其历史原因，除技术因 素外，主要还是经济与政治因素所致。在h d t v 的制式标准问题上，历史又正 在重演。日、欧、北美等国围绕世界统一制式纷争不止，美、日两国运用政府 力量，西欧共同体甚至动员超国家力量各自组织起高层统一机构来干预，支持 h d t v 技术的研究、开发和应用，并且顽强的进行了多年的国际斗争。在高清 晰度电视系统的研制发展过程中，尽管人们对下一代电视系统追求的最终目标 是一致的，但就研究的出发点却全然不同。 1 1 1 模拟h d t v 的发展 1 1 1 1 日本h d t v 的发展 以日本为代表的一方，认为下一代的电视系统应是一个全新的电视系统， 研究的出发点不应是只是在现行电视的延长线上做某些改善，而应从创造下 代社会的图像系统出发，把从视觉系统来看必要的信息在三维的时间、空间领 域内进行适当的分配处理来进行设计。1 9 7 2 年。日本广播协会( m k ) 最早开始 浙江大学硕士学位论文 了i - i d t v 的研究工作，日本人认为现有的电视制式是在5 0 年代的技术水平上 制定出来的，其表现能力和图象质量都受到很大的限制。因此，下一代的电视 系统应是一个全新的高质量高清晰度的电视系统。通过大量的理论和实验工作， 1 9 7 4 年n h k 提出了著名的h d t v 系统( 起初称为高品位电视，1 9 8 5 年定名为 高清晰度电视) 。1 9 8 2 年n m 开发了复合信号系统和时间压缩组合信号系统两 种不同的h d t v 信号形式。1 9 8 3 年n h k 的研究成果已可付诸使用。美国和加 拿大也做了一些工作，应这三国的要求，国际无线电咨询委员会( c c 瓜) 第1 l 研究组设立了专题性的中间工作组i w p l l 6 ，其任务是为适用于演播室和国际 节目交换的h d i v 单一世界标准起草份建议书。从1 9 8 3 年l o 月到1 9 8 5 年1 0 月，i w p l l 6 举行了四次会议，美、日、加为一方，西欧和澳大利皿为一方， 反复争论，结果勉强搞成了份建议书草案，题为：“适用于h d t v 演播室内 信号形成和国际交换h d t v 节目的推荐参数”，列入了基于日本方案的一些基 本参数。而采用5 0 赫兹场频的国家声明持保留立场。这个建议草案反映了日本 想凭借它在h d t v 开发中的先行优势，力图将日本方案列为世界统一标准。但 迄今为止，这个草案仍是个悬案。1 9 8 4 年初，n h k 公布了m u s e 方案，即多 重亚奈奎斯特取样编码方式。日本利用b s 2 好卫星，作了多次m u s e 方式的 传输实验都得到了预想的好结果。意大利广播电视公司与n h k 合作，与1 9 8 6 年3 月作了m u s e 制信号的卫星传输实验。美国的全国广播机构协会等机构于 1 9 8 7 年1 月在华盛顿做了m u s e 制信号经由两个地面分米波电视频道( 残留边 带调幅) 和一个1 2 g 赫兹地面厘米波频道( 调频) 的发送实验。据称，接收到 的画面与演播室内所见画面相比较，受到的损伤很少。从1 9 8 7 年以来，已经使 用了各种传输手段对m u s e 制作了实验。实验结果表明m u s e 制已经成熟。日 本已于1 9 8 9 年开始了每天一小时的h d t v 卫星实验广播，而且在1 9 9 1 年1 1 月开办了每天8 小时的h d t v 卫星广播。由于美l 萤f c c 于1 9 8 8 年9 月发布了 临时决定，要求所有新提出的高级电视系统要与现行的n t s c 制有一定的兼容 水平，n h k 提出r 利用m u s e 技术的窄带m u s e 和与n t s c 能兼容的m u s e - 6 和9 三种制式，7 e l r j 都在1 9 8 9 年4 - 5 月间成功的展出。 1 1 1 2西欧h d t v 的发展 以西欧为代表的另一方认为下一代的电视系统应是能与现有制式相兼容的 渐进式的电视系统，因而试图引入一个与迄今为1 e 采用的所有电视接收机和演 播传输设备均不兼容的全新电视系统是刁i 可能的，同时指出，现行电视系统还 没彳r 提供其可能达到的最佳图象质量，还大有潜力可挖。因此，首要的任务 是利用新技术来尽可能的改善现行制式。从此观点出发，他们提出了各利，改良 电视力案，_ ：i = 试h 开发出一种按渐进方式过渡到h d t v 的系统。正当日本人大 张旗鼓的想争取把他们的h d t v 制式定为世界统一标准之时，欧洲人一方匝i 对 此采取消丰袋敷衍的抵制态度，与此同时却积极的根据欧洲地区的特点在研究自 己的高清晰度电税系统，并于1 9 8 3 年正式推出m a c 制作为卫星传输彩色电视 的干巾信号力式，这r j l 起了各国的普遍重视，是绺日本h d t v 的贡献之后，又 一次激励j 刘r代电视广播制式的世界研究热i m ，也加深，对现行电视制式 中根本缺陷纳理解和尚可挖掘潜力的认识，1 9 8 1f r 英国i b a 公司首先提h j 了多 工复合模拟分艟信号制式( 简称m a c ) 的研究情况，并在1 9 8 2 年的国勋：广播 会议f 做j 浈_ ： 1 9 8 27 l ji b a 建议川c m a c 力来f 送j ! 堰i 三帆。1 9 8 3 年6 浙江大学硕士学位论文 月欧洲广播联盟通过决议将c - m a c 定为欧洲卫星广播电视的统一制式。1 9 8 4 年美国的s c i e n t i f i c - a t l a n t a 公司研制并确定了b m a c 制式的系统技术规范并且 在1 8 9 5 年8 月发射的澳大利亚的1 2 g 赫兹国内广播卫星a u s s a 中，首先将 b m a c 制式付诸实用。地面接收站数以千计，迄今运行正常。英国i b a 公司 接着又提出了e m a c 制，这是种改善图象清晰度使其接近h d t v 质量的方 式。美国为演播室内单电缆传送模拟分量信号制定了s - m a c 制( 演播室模拟 分量时分复用) 的标准。m a c 信号适合于数字化解码器处理。接收m a c 信号 时可以在电视机上安装一个独立的数字处理电路，也可以装在电视机内。相应 的集成电路已由1 t t - i n t e r n a t i o n a l 公司推出；p h i l i p s ，p l e s s e y 和n o r d i cv l s i 公司 也正在开发这种芯片。 虽然非兼容h d t v 系统的研制从软件到硬件均己相当成熟( 硬件包括摄象 机，录象机激光电视电影机，数字视频特技，4 5 英寸的显示器等都已被研制出 来) ，但若以h d t v 来替代现行电视制式这对电子工业发达的日本也是难以接 受，并在短期内也难于实行。此外日、美、欧的电视广播都是靠广告收入来获 得财务上的支持，除非大多数观众都有了h d t v 接收机来看新节目和广告，否 则广告商是不愿为新技术付费的。所以美国联邦通讯委员会也于1 9 8 8 年9 月作 出决定：美国的高清晰度电视必须是兼容的，其信号频谱要能容纳在现行频道 内。这就否定了美国直接采用日本i - i d t v ( 包括m u s e ) 制的可能。日本也已 注意到这点，1 9 8 5 年6 月日本邮政省设立了“电视图象质量改进委员会”( 简 称m d t ) 。之后在该省指导下，有n h k 等1 l 家。播机构和1 3 家广播设备厂成 立了渐进体系的e d t v 标准技术方案。 在欧洲，继1 9 8 6 年c c i r 会议上未接受日、美h d t v 方案之后，联邦德国 b o s c h 公司、荷兰p h i l i p s 公司、法国t h o m s o n 公司、英国t h o r n e m i 公司联合提出了以m a c 制为基础的兼容渐进式高清晰度电视的开发计划，提 交尤里卡( e u 也k a ) 计划部长级会议，得到支持，即e u 一9 5 计划。该计划是 针对曰本的h d t v 而进行研制的，其目的在于为1 9 9 0 年以后新的世界性高清 晰度电视系统定义一系列的技术规范，并将采用渐进式的兼容方式以保护消费 者和业界的各种利益。e u 9 5 选择了m a c 系列的传输系统作为实现h d t v 的 媒介。现在欧洲9 个国家的3 4 个团体机构正在协力工作，研究和开发e u 一9 5 计划的1 0 个项目。与此同时，在1 9 8 7 年c c i r 中期会议上，西欧六国( 法、 荷、英、联邦德阳、意、比) 联合提案要求将逐行扫描、5 0 赫兹场频、1 2 5 0 行 的制式作为世界统一的h d t v 节目制作和国际交换标准，正式和美、臼、加的 隔行扫描、6 0 赫弦场频、1 1 2 5 行的制式抗衡。由f 各国的主张互不相同，围绕 着h d t v 的统规格问题，c c i r 会议多次协商始终不欢而散，技术规格的统 一很可能会直拖延下去，形成多规格的并存局西】。 与数宇h d t v 车f | 比，m u s e 和h i ) m a c 无法觅分利用现代数字技术，i 酊且 性能价格比太低，所以1 9 9 3 年欧洲停止j 7h d m a c 的研究。日本由于前期投 资巨大，所以仍红开展降低m u s e 接收机价格的r 作。 1 1 2 数字h d t v 的发展 随着欧洲e u 一9 5 计划的公布，在世界高科技的竞争q ，1 9 8 7 年2 月美刚近 6 0 个“播组织和公j d 紧急向政府呼吁要求加速研i j l j 岛清晰度f u 视。，之后次定由 浙江大学硕士学位论文 美国国防部高级国防项目研究处来负责牵头推动这项研究工作。美国国防部采 取向各公司招标的办法来发展高清晰度电视系统。尽管美国曾经支持过曰本提 出的h d t v 规格( 1 1 2 5 6 0 2 ：1 1 6 ：9 ) 作为世界统一标准，但是美国联邦通讯委员 会于1 9 8 8 年9 月也一反初衷提出要求，限定高清晰度电视要与现行n t s c 兼容。 这个决定排除了日本n h k 的m u s e 和欧洲的d m a c 在美国推行的可能性。 据说这是一个缓兵之计，美国在高清晰度电视的开发方面落后于日本，这个决 定就是为防止日本以其领先开发的技术优势占领美国市场。此外，在欧洲和日 本h d t v 主要规划通过卫星、光纤、有线电视系统来传送，它们将和现行电视 通过地面网络的传输相并行。但是美国的电视系统是基于全国各地的本地区电 视台地面网络来传输的，所以只有国家级的节目才适宜用卫星等远距离手段来 传送，地区性节目则不合适。因此美国在发展高清晰度电视时首先考虑的是如 何通过地面网络来进行传输。f c c 决定的重点在于对现行n t s c 的兼容性，而 不在于建立一个统一的世界标准。美国高级电视制式委员会( 简称a t s c ) 提 出了最好的制式选择是：在考虑未来的同时，还必须注意到过去的限制，即在 为2 1 世纪选择技术标准时，还不能剥夺现在电视购买者的权利。既不能为了将 来的最佳标准而报销现在的n t s c 电视机，也不能过分强调已有的n t s c 电视 机的重要性而不注重未来。s m p t e 发起的h d t v 研究组的负责人说所有的研 究人员都很担忧日本会象占领录象机市场那样占领整个h d t v 市场。 根据普通的经验法则，高性能的h d t v 传输系统只能是较低标准的兼容( 兼 容性差) ，而高标准的兼容则可能导致h d t v 系统性能的降低。美国对h d t v 传输系统( 以h d t v 节目源作为该传输系统的输入信号，而在系统输出端 接收端能达到和n t s c 制兼容的目的) 已经提出j 许多建议。 全数字的h d t v 方案是以美国为代表的一些国家提出的。美国在h d t v 领 域起步较晚，但它依靠其雄厚的理论基础和技术实力，很快就赶上并超过了日 本和欧洲。 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 ) 提出开始进行h d t v 研究的建议。同年1 1 月1 7f j ，f c c 组建了高级电视业务 资询委员会( a c a t s ：a d v i s o r yc o m m i t t e eo n a d v a n c e dt 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i - i d t v 研究的正式开始。1 9 8 8 年，f c c 曾要求美国的a t v 必须与现行n t s c 制式兼容，但随着美国一些公讨的全数字h d t v 研制工作的 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”方式，并提出了几条关于h d t v 的指导性意见：( 1 ) 在h d t v 和常规电视并存期间采用同播制，即每一套节目川时要有常规电视和h d t v 的 r f 插。( 2 ) 在频谱利用l ：做到和现行常规电视兼容。( 3 ) h d t v 的地：i i 广播从启用 禁川( t a b o o ) 频道外始，由于禁用频道的邻近频道 i ：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 厂播的接收机应具备对付常规电 视f 。扰的能力，时要尽量避免对现有常规电视f f j 千扰。 相：f c c 确定了h d t v 的发展框架后，美国何关的各大公司、研究机构、 人2 参加j h d t v 方案的角逐。a c a t s 制定了频谱霹l j 用率( 服务区域、阵域协 调l i 分数) 、经济( 电视台成本、传媒转换成本、接收机成本) 和技术( 图象伴音 质蠡! 、广播町靠r ：，服务区域及特色、w 扩_ 危性、内部可操作性) - 5 疗面包括1 0 个朋f i ，j 测跌指抓通过第一轮测试a c a t s 从! 1 个方案r l 选择j 5 个进行比 浙江大学硕士学位论文 较筛选。1 9 9 3 年2 月& c a t s 给f c c 提交了一份报告，推荐了四种全数字h d t v 方案：d i s i c i p h e r ，d s c h d t v ，a d h d t v ，c c d c 。为了获得一个各方面性能 均达到最佳的h d t v 方案，f c c 希望四种数字化i - i d t v 方案能取长补短，综 合形成种最优方案。 。 为避免技术战及未来的专利战，减少人力及资金的巨大耗费，各方案的提 议者一面完善各自的h d t v 方案，面组织联合，以取长补短，优选出一个最 佳的h d t v 方案。1 9 9 3 年5 月2 4 日，h d t v “大联盟”( g r a n da l l i a n c e ) 终于组 成。g a 经过4 个多月的努力，就些重大问题取得了结果：( 1 ) 图像压缩编码 采用m p e g - 2 标准。( 2 ) 伴音选用d o l b ya c 3 。( 3 ) 采用多种扫描制式。 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：地面广播中8 v s b 稍优于3 2 q a m ， 有线电视中1 6 q s b 优于6 4 q a m 。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 编码和能纠正1 0 个错误字 节的r s ( 2 0 7 ，1 8 7 ) 编码组成的级联码，同时采用前向7 8 节和后向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 年夏美国 d i r c et v 开始数字卫星直播。 1 9 9 4 年第二、三季度，a c a t s 组织了对g a 1 i d t v 传输系统的野外测试， 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 i - i 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 。 1 9 9 6 年底美国联邦通信委员会批准数字电视标准1 9 9 4 年春第一轮四个方 案测试结束，成立大联盟( g a ) ；1 9 9 5 年春第二轮测试结束并于秋季制定d t v ( 数字电视广播) 草案；1 9 9 7 年4 月初美国f c c 会议作出两项决定：1 ) n t s c 向d t v 过度的日程表( 2 0 0 6 年底) ；2 ) 电视地面广播的政策( 含频谱规划) 。 美国官员f c c 主席发表了极重要的认识：d t v 的发展应看成是美国信息基础 设施的最廉价和最有效的手段之一。美国计算机界大规模进入d t v 业务。 f c c 在1 9 9 6 年1 2 月正式采纳g a 的h d t v 标准作为高清晰度电视的标准。 g a 标准的测试结果表明：接收到的h d t v 视频音频质量与 玎) t v 信源质量一 致，超过了f c c 颐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。但测试中也发现了h d t v 频道可能干扰相邻n t s c 频道。视频信 号可通过更高级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，以尽可能地消除干扰，下策是不使用 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。 l9 9 8 年秋d t v ( 含普通标准数字电视广播s d t v 和高清晰度数字电视广 播h d t v ) 在美国市场全面启动。 鉴 j 数字h d t v 相对模拟h d t v 的i j 大优越性，欧洲于1 9 9 3 年放弃了模 拟制式m a c 的研制，大力推进欧洲数字h d t v 的研究，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 hg r o u p ) ，包括1 1 个图家的1 3 0 多个组 织。1 9 9 4 年秋公布d v b ( 数字电视广播) 标准( 卓案) ；包括d v b s 和d v b c ，随后义：制定_ r 一系列标准：现在该组织有9 个技术项目：德国的h d t v _ t ， 浙江大学硕士学位论文 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( 瑞典、丹麦和挪 威) 的l i 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 定的数字电视总规划称为d t b 2 0 0 0 ，该规划准备采用的技术为：信源编码用 m p e g - 2 ，信道编码用c o f d m ，伴音用m u s i c a m ，并将用于整个欧洲大陆的 地面、卫星和有线广播中。 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。 1 1 3 中国h d t v 的研究发展情况 1 9 8 9 年在国务院领导下成立了中国h d t v 软科学研究专家领导小组，之 后，h d t v 就成为有关部门和专家学者之间的热j 话题。1 9 8 9 年，国家科委先 后批准了“h d i 、软科学研究课题”及“八五高清晰度电视( h d t v ) 攻关课题”。 在先后年的时间完成了“h d t v 软科学研究课题”的研究报告，其主要内容 有： h d t v 软科学总结；在我国开展广播用h d t v 研究的策略；在我国 开展非广播用h d t v 研究的策略等。“八五高清晰度电视( h d t v ) 攻关课题” 项目主要以计算戎仿真为主，目的是异清h d t v 。播的技术可行性，包括刘压 缩编解码技术机理的研究，h d t v 制式的选择等通过几年的研究，我国l 二能 运用m p e g 一2 标准进行信源编解码的仿真研究，也能运用现代通信技术进行信 道调制解调及编解码的仿真研究，基本上从理论j = 解决了有关的原理性问题， 独立建立了属于日己版权的“l i d t v 仿真软件包”。“九五”期间，h d t v 作为 国家重大科技产业工程项目，国家科委高技术研究发展中，心就- i d t v 功能样机 系统的7 个专题进行了公开招标，浙江大学信电系承担了地面传输部分v s b 方 案的研制工作。 新华社9 8 年9 月8 日报道：国家重大产业项目一数字高清晰度电视功能样 机系统由我国一批科研单位联合研制成功。从9 月8 日到9 月1 2 日，这一系统 在中央电视塔上进行广播试验，这标志着我国继是国、欧洲之后已系统掌握了 数字高清晰度电视技术，奠定了国家电视机产业升级换代的技术基础。据专家 认定，我国开发的数字高清晰度电视功能样机系统已达到国际9 0 年代的技术水 平，侄触界j 二继荚国、西欧、北美之后第四个完牲拥有数字高清晰度电视地面 广播传输系统。糖着信息产业的高速发展，数字技术取代模拟技术己成必然。 h d t v 功能样机系统的研制成功标志着我旧数字化产业进入r 世界先进行列， 它的意义赴 ：常深远的， 虽然还j i 足f 功能样机，但是成j 力的实现返步，已的总义已远远趟 这复杂技术的小身出浙江犬学、i ：渤变通人j 、l 乜r 科学研究院、北_ ij 播器利j 、尺津j 、。# 等9 个产学研牵头单 妒先成的 j j f 究开发，把：叮能变为了脱妥： t i 真i i ：圳钉j j j 二f | 己的高清晰度f 乜视f “业的j 术壤础，i f l j l 绝对具订j “i 协 和i j 场觉n 技术实j 。浙江大学承= 1 ! f i ；j s v s b 乃震在助! 目绉定时被评为：界先 进、i l j 内领先川j v 的研捌成功被两院院l 为9 8 筇中l j 4 人科技突破之，r v 将成为找【l q 经济新的上f l i 点，它将极大地提高我1 人民的娱乐乍活水平。 ( ： v s b 山。案足以s c 制式为基础制l ，j 与l i l 国的普通彩色电观p a l 制仃 所小川，l i ：从圳的带宽足8 m l l z ，戈s c 的带宽地6 m | i z ，这就会刈渊：训解 i 垌琴数吖j i 生抒披j ? 警j 堕i u 蛙f i ， _ 圯f l ，j j l lj ：l j | j 等；! f | ：卜，托7 i 擦；u 向i j 夕l 、ij ：1 j 帚i 拍j 浙江大学硕士学位论文 式的色副载波和音频副载波的位置不同，以及p a l 韦o 的色度信号有的l 4 行频配 置，这些对于调制器的导频位置安排和频率偏置都会产生影响。 从总体上看，中国h d t v 技术研究的水平已与美国9 0 年代前期相当。高清晰 度电视是一个系统产业，是个战略项目，代表电视制作和广播传输的最高水平。 真正完全实现，尚需时日。美国要到2 0 0 6 年才会取代n t s c 制，我国自然会更晚。 第二节两种h d t v 地面传输系统简介 1 2 1 概述 目前世界上的h d t v 传输技术体系主要有两大类，一类是以美国为为代表的 8 v s b 残留边带调制系统，另一类是以欧洲为代表彰 c o f d m ( 编码正交频分复用) 调制系统。二者各有千秋。 h d t v 4 言号的地面广播面临的主要干扰有：加性噪声，多径传输和同频干扰。 h d t v 传输系统的主要任务是：抵抗噪声二f 扰，消除回波干扰，消除同频干扰， 以确保h d t v 数字信号正确无误地传输到接收端。t i d t v 传输系统的关键技术都是 针对消除上述3 类主要干扰的。 对消除噪声二f 扰，需要加入强有力的纠错措施，所以系统中的纠错编码由 两种纠错码级联而成。由于r e e d s o l o m n ( r s ) 码具有强大的纠正连续误码的能 力，因此被各种h d t v 传输系统选为外码。内码一般选用卷积码，因为在丰h 同的 编码效率的前提下，卷积码具有比分组码更优良的性能。特别是8 0 年代初 g u n g e r b o e c k 提出将卷积码和调制综合设计的t c m ( 格状编码调制) 技术，在白 噪声环境下与原来传统的技术相比较能获得3 d b 以t 的编码增益。这一技术已被 广泛地应用于各种h d t v 系统中，因此系统中内码和调制一般是综合进行的。此 外，为控制冲击噪声，交织要与纠错编码一起进行。 在地面广播途径中，由于山脉、楼房等障碍物的影响，常常会产生十儿微 秒的回波，在接收信号中引起严重的符号间干扰，美国的g a 系统中使用均衡器 来消除回波。这是l 项传统技术，被广泛应用于数字通信系统中。它的特点是技 术成熟，其能对付的时延长度与均衡器的级数有关。欧洲的h d t v 系统采j f _ ji 卜交 频分复用o f d m 技术。o f d m 技术是6 0 年代提出的。r ( 】年代中期o f d m 技术被j 用于 欧洲数字声音广播( d a b ) 工程中，并获得r 巨大成功，证明对数字地面j 、播是 l 项很有效的技术。它的最大优点是结构简中，对长、短回波均有良好的消除效 果，几时叫波时延的变化不敏感。 hd 播的曩求，相邻服务区| 占】频道的普通电视节日有_ j f 能进入iv 接 l i k il ，产乍i 司频f 扰。美国【；a 系统q ，他川一个v 隅c 同频干扰梳状滤波* * ，j 以较好地消除i 司频干扰，但其代价足付j 73 5 d b i 内载噪比性能，h 收发曲端l 列 此甜；要使川1 2 州1 c m 编解码器，使系统的结构入勾复杂。在o f d m 系统中，足通 过n 接仡频带i ：f 槽来消除同频干扰的，吱现简i n ，f ：需额外增加设备，仪使 频谱利川二 i 存少许降低。 日前，在使l j r s 码和f c m ，i ：，欧、美l ! 取得了致。分歧主要在于是选择均 衡器还足选择( 州) 技术，以及如何决定系统参数，这贱i i ：是l 、v 传输系统的技 术父雠， 浙江大学硕士学位论文 1 2 2v s b 残留边带调制传输原理及其应用 1 2 2 1 概述 视频信号的模拟调制方式主要采用残留边带调幅。残留边带调幅的主要优 点是节省频带( 与双边带调幅比较) 。其缺点是在某些应用条件下( 例如远距离 传输视频信号) ，为了获得较高的信噪比( 即较高的视频图像质量) ，需要增大 发射机的信号功率。 随着对h d t 研究的深入，人们已经看到，残曾f 边带调制( v s b ) 传输刺寸i 数 字h d t v 的地面广播是一种较好的方案。当v s b 方案中采用信息率r = 2 3 的格状编 码成为t c m 一8 v s b ，q a m 方案中采用r = 4 5 的格状编扛5 成为t c m 一3 2 q a m 时，两方案传 输的信息比特率栩近，而t c m 一8 v s b 的信噪比要求h 2 t c m 一3 2 q a m 略低。据美国高级 电视测试中心的测试结果，在抗干扰方面，3 2 q a m t z j - ：8 v s b ，而在其他方面的性 能，8 v s b 优于： ! u 、m 。总的说来，v s b n 好一些，r l 此美国大联盟采用v s b 方案。 1 2 2 2 v s b 原理 所谓残留边昔调制( v s b ) 是在双边带调制基上，设计适当的输出滤波器， 使信号的一个边带频谱成分原则上全部保留，另。个边带频谱成分只保留小部 分。当残留带宽趋于0 时，残留边带调制就变成厂p 边带调制。所以单边带渊制 是残留边带稠棚，卜种特殊情况 v s 【j 信：j - 的j ：i 懂目不同于普通q a m 或i a m 信号的霍喹图，它4 i 是离散的_ 、i 集， 而是具有连续的特性。它的解调通常采用相干接收的方法。接收端首先根抛导 频恢复出相干载波，然后再与接收信号相乘，滤波后，只取同相路有效信号， 而将正交路弃之玎：用。实际应用中的v s b 调制器通常采用导频制，即在原来双边 带调幅的抑制载波的位置上再增加一个相对于信号功率来说很小的载波信号， 以减轻接收端恢复载波的难度。 1 2 2 3v s b 调制在h d t v 中的应用 8 v 郫地r _ 猜模式的发射机和接收机整体功能框h 如下： 号瞎脚 _1、 f 、 h 、 v 浙江大学硕士学位论文 一为了抵消多径衰落引起的回波干扰，采用判决反馈均衡器来消除多径 引起的线性失真，利用训练序列来加速收敛。 为了消除同频干扰，采用了p a l 同频干扰抑制梳状滤波器。p a l 梳状滤 波器的加入是因为与普通电视同播时，会受到普通电视的同频干扰。 通过将p a l 的视频载波、色副载波和伴音载波的峰值安排在梳状滤波器 的谷底附近，可抑制掉其大部分能量。经过滤波之后的p a l 信号可看成 是类似于噪声的干扰，由v s b 系统中的其他抗于扰措施如r s 码，交织， t c m 等予以消除。为了抑制同频道干扰，梳状滤波器会使得系统的性能 降低3 d b ：同时由于系统存在一个延迟1 2 个符号的差分编码过程，还会 引入一个附加的约0 5 d b 的性能下降。通常情况下，梳状滤波器处于关 闭状态。 一 为了对付加性噪声干扰和脉冲噪声，利用r s + t c m 内外级联码，内码为 t c m ，外码为r s 码，辅以深度交织。为了确保突发错误不超过r s 码的纠 错能力，采用内、外双重交织措施，外交织为r s 码齐i t c m 之间的深度为 8 7 数据分段字节间交织，内交织为t c i v l 编码器中的1 2 个符号问交织，在 接收端v it e r bi 译码器也使用l2 组数据交替译码。 8 v s b $ 0 式h d t v 接收机的实测信噪比门限为1 4 9 d b 。 1 2 3c o f d m 原理及其应用 1 2 3 1 概述 限制数字信道传输质量的主要问题之是多经传播效应。若最大多经时延 差tm 较大，则其相关带宽f = l tm 就很小，传输波形的频谱就大于f ，造成 明显的频率选择性衰落，信道的冲激响应在时间l 二展宽，从而使数字信号的传 输产生严重的码间干扰。 正交频分复用( o f d m ) 通过多载波的并行传输方式将n 个单元码同时传输来 取代通常的串行脉冲序列传送，使每个单元码所f ：的频带小于f ，从而有效的 防止了因频率选择性衰落造成的码间干扰。 多径传播还产生时间选择性衰落( 平矗：i 性衰落) 以及多普勒频移，这会使o f d m 各载波间的正交性受到破坏。而c o f d m ( c o d e do p l ) 1 ) 基于使信息在频域和时域 扩展的思想，通过编码使传输时各单元码信号受到的衰落可认为统计独立，从 而亍f j j 除 ，u i 性衰落及多普勒频移的影响， i 2 3 20 f d m 的原理与实现方法 ( j i ? i ) m ( o r i 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 ) 屉一种多载波润制，j ，j 楚 小心、怨是把高速率的信息流通过串并变换，转换成低速率的n 路封行数删流， 然后j 1 j n 个十f 旺j 交的载波进行调制，将n 蹄调制历的信号相加h 口得发送信l 改 r k 是组载波，各载波频率的关系为 i k _ i o + k f i 、sk = o ，i ，2 ，、一l 一i ，h 足t p 元码的持续时间，f 0 足发送的频率。 i ) f i ) v l o 。般频分复用( f d m ) 的主要筹圳是：0 不同载波的频谱l 玎柏1 i 使蒋， 此给j “ f 0 频谱利用率( 每单位带宽的比特率) 。 ( i f i ) 足以行j ：4 戈波的正交性条件为舸挺的，c 其在用j i 地数。j i il l 枞 榆 浙江大学硕士学位论文 时，其传输信号的频谱很宽。除非在o f d m 中的载波数n 很大，否则很难于使单元 码所占的带宽小于f ，从而存在残余的码间干扰，影响正交性条件。一个变通 的方法是在每个单元信号之前设置保护间隔，以吸收掉残余的码间串扰( 要 牺牲一些频谱利用率) 。此时t s 修改为t s + a ，所选的应大于信道冲激响应的 弥散时间t 。o f d m 信号的功率谱密度可以通过将各予载波的谱密度相叠加来获 得，频谱的带外衰减基本上是由靠近边缘的子载波所引起的，中间的子载波对 带外衰减几乎没有什么影响。因此，当子载波数日增大时，频谱越来越集中， 直至接近于n y q u is t 频率，频谱效率也越来越高。这是o f d m 系统的又个突出的 优点。 o f d m 系统的每个子信道都负责传送一定的比特率。当信道存在干扰或变化 时，每个子信道的质量都是不相同的，比较差的信道其差错概率也较大。o f d m 系统能够通过对f 信道进行比特和功率分配来达到传输的极限。这一点具有非 常重要的意义