（通信与信息系统专业论文）hdtv相位跟踪研究及asic实现.pdf

摘要 数字离清晰艘电视( d i g i t a lh d t v ) 是当今 它将是第三代电视，：播的标准，对世界的政治、 的影响。 ：界高技术竞争的焦点之 ， 济和文化将j “个h 人f f l j 深远 本文所研究的正是h d t v 地面广播系统! 呈童杰壁蝗塑i t 槲位跟踪环的 算法及其在专旦塞盛! 皂齄整苎( a s i c ) 上的实现。该芯j 川j 。实现刘芙囤 a t s c h d t v 的信道接收。a t s c h d t v 所采用的地两f “播系统柏；准就足g a ， v s b 方案。 f 本文第一章首先介绍了h d t v 的发展史，接着对v s b 和o f d m 避行丁分 析与比较，最后从系统上介绍了f i d t v 的g a 方案。 第二章详细介绍了相位跟踪的原理并提出一种实用的算法，该算法的一个 主要的特点就是利用了反馈的t c m 译码值作为判决值，曲胀先j 女是进行j 丁简 单的硬判决。在第三章将给出算法性能的仿真结果，并就两种判决方式作个 比较。我们会发现，利用了反馈的t c m 译码值比简单地硬削决的方式有更好 性能。这一算法已经在中国数字高清晰度电视功能样机v s b 接收机系统小成功 地得到了实现。 第四章将对相位跟踪的a s i c 硬件实现作详细说明。卣先，将介绍我们的 方案中比较有特色的地方：即采用应用专门指令集合处理器( a s i p ) 来实现算 法所要求的部分功能。接着对希尔伯特变换、除法器、判决单元以及正弦余弦 查找表的硬件结构作必要的说明。 塑垩查兰堡圭堡苎 a b s t r a c t 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 ( d i g i t a lh d t 7 ) i so n eo f t h ef o c u s e so ft h e w o r l d sc o m p e t i t i o ni nh i g ht e c h n o l o g y i tw i l lb et h es t a n d a r do ft h et h i r dg e n e r a t i o n t e l e v i d s i o nb r o a d c a s t i n ga n di tw i l la f f e c tt h ew o r l d l sp o l i t i c s ，e c o n o m ya n dc u l t u r e g r e a t l y t h i sp a p e ri sa b o u ti h ea l g o r i t h mo f p h a s et r a c k e jl o o pa n di t si m p l e m e n t a t i o ni n a s l 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 s ) o fv s bc h a n n e lr e c e i v e ro fh d t v t e r r e s t r i a lt r a n s l n i s s i 0 1 1s u b s y s t e mv s bi st h es t a n d a r do fa t s c h d t vt e r r e s t r i a l t r a n s m i s s i o ns u b s y s t e m t h ef i r s tc h a p t e ri n t r o d u c e dt h ed e v e l o p m e n to fh d t v , ac o m p a r i s o no fv s ba n d o f d m la n dt h eg 0s c h e m e o fh d t vi ns y s t e ml e v e l t h es e c o n dc h a p t e li n t l 。o d u c e dt h et h e o r yo fp h a s et r a c k e ra p r a t i c a la l g o r i t h mi s a l s og i v e ni nt h i s a l g o r i t h m ，i n s t e a do fs i m p l ys l i c i n g8 - l e v e l s ，t h ep h a s ec o r l e c t o l c a nu s es l i c e - p r e d i c t i o nf e e d b a c kf r o mt h et r e l l i sd e c o d e rt h er e s u l to fs i m u l a t i o n a n da n a l y s i si s 9 1 、7 a n i nt h et h i r dc h a p t e rw ec a ns e e ，s l i c e p r e d i c t i o ni sb e t t e rt h a n s i m p l ys l i c i n g t h ea l g o r i t h mh a sb e e ns u c c e s s f u l l yi m p l e m e n t e di nt h ec h i n a s h d t v p r o t o t y p e i nt h ef o u r t hc h a p t e r t h ea s i cp r o j e c to f p h a s e t r a c k e rw i l lb ei l l u m i n a t e d f i r s t l y ， t h ea s i p ( a p p l i c a t i o ns p e c i f i c s e ti n s t r u c t i o np r o c e s s o r ) w i l lb ee x p l a i n e dt h e nw e w i l li n t r o d u c et h eh i l b e nf i l t e r , d i v i d e ld e c i s i o nu n i la n dt h et r i g o n o m e t r i cl o o k u p t a b l e s ( l u t l 浙江大学硕士论文 第一章绪论 1 1高清晰度电视的发展历史 传统的模拟电视制式( n t s c 、p a l 和s e c a m ) 已有四十多年的历史了， 这些老一代的电视所采用的模拟传输方式是与当时的技术条件相适应的，但今 天数字传输手段以其可靠性、通用灵活性正在逐渐取代传统的模拟通信。在这 个背景下，数字高清晰度电视( d i g i t a lh i g hd e f i n i t i o n r e l e v i s i o n d i g i t a lh d t v ) 应运而生。高清晰度电视的水平分辨率高达1 1 5 2 线，垂直分辨率高达1 9 2 0 线， 清晰度比常规模拟电视有极大的提高。 1 1 1 模拟高清晰度电视 模拟制式包括日本的m u s e 制式和欧洲的h d m a c 制式。 美国是研究高清晰度电视最早的国家，早在七十年代就应用j i 军事i 。而 民用上的商清晰度电视的概念最早在七 二代由e j 本广播协会( n h k ) 提m n l ， 并于1 9 8 3 年公布了h d t v 在卫星广播中采用的模拟信号多重亚奈取样f 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 ) 系统，于1 9 8 4 年首次在北京演示，其 非兼容的h d t v 系统。m u s e 系统经过八十年代末的试播，于1 9 9 1 年实现， 通过卫星d b s 一3 b 的正式每天八小时广播，由于m u s e 制式h d t v 信号频，带为 1 62 m h z ，比常规电视频道宽得多，所以只能在卫星广播中使用；另一方面，h d t v 接收机价格昂贵，所以日本认为h d t v 足种豪华电视，将与常规电视j 1 ：存。 欧洲研究h d t v 起始于1 9 8 6 年的尤里卡i f 划( e u 9 5 ) ，研制jm 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 ) 制的电子新闻采集标准相兼容的h d m a c 制式h d t v 。i - i d m a c 与m u s e 制式的思路接近，只有少量差别和参数j j 的不 同，扫描参数前者为1 2 5 0 行，帧、5 0 h z 、2 ：l 隔行扫描，后者为1 1 2 5 行帧、6 0 h z 、 2 ：1 隔行扫描。h d m a c 制式h d t 、，系统j ：1 9 9 2 年在巴塞罗那奥运会i ：作。j - 演 不。 1 1 2 数字高清晰度电视 令数字的h d t v 方案是以美国为代表的蝗| i j 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。力，很快就赶上并超过j i j 本和欧洲。在1 9 8 7 年以前，美国基本f ：足支持ij 本的1 1 2 5 6 0 2 ：1 ，1 6 - 9 系统， f | = i 盯j 一意识到h d t v 的巨大市场潜力以支对本闭政治、经济等方面的影响，荚 嗣决定撕弃【1 本制式，独立提出新的数了：h d t v 捌式。 1 9 8 7 似i2 j1 7i j ，美国5 8 个j “播封i 织技公i d 向美国联邦通信委员会( f c c ) 提t l 川。始进行h d t v 研究的建议。同年11 月1 7i j ，f c c 组建了高级电视、j k 务 资询蜜员会( a c a t s ：a d v i s o r yc o m m i t t e eo na 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 的成芷意味着美国h d t v 研究的f j 式开始。1 9 8 8 年，f c c 曾要求：瑟旧 1 0 a 1 v 必颈j j 见行n t s c 制式兼容，似胁荇荚h- l b 公j 司的个数i ih d t v 川 浙江大学硕士论文 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i - i 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。 3h d t v 的地面广播从启用现在禁用( t a b o o ) 频道开始，由于禁用频道的邻 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，美国有关的各大公司、研究机构、 大学参加了h d t v 方案的角逐。a c a t s 制定了频谱利用率( 服务区域、区域 协调百分数) 、经济( 电视台成本、传媒转换成本、接收机成本) 和技术( 图象 伴音质量、广播可靠性，服务区域及特色、可扩充性、内部可操作性) 三方面 包括1 0 个项目的测试指标，通过第一轮测试a c a t s 从2 1 个方案中选择- j 5 个进行比较筛选。1 9 9 3 年2 月a 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 g i c i p h e r 、d s c h d t v 、a d h d t v 和c c d cn 1 - q o 它们 的屏幕宽高比都是1 6 ：9 ，但扫描参数和亮度信号的每帧有效象索不同，因此总 的数据率不同：这些数字i - i d t v 系统均采用以c c i t th2 6 l 建议为核心的信源 压缩编码方案，而各自有一定的改进措施：在调制方式上，除d s c h d t v 采用 v s b 外，其余均采用q a m ：为对付信道中多径：f 扰，四种方案均采用自适应 均衡器；为提高系统的抗噪声性能，四手中方案采用了不同纠错能力的r e e d s o l o m o n 码。 为了能够在h d t v 地面广播中争得一席之地，日本改进了b l u s e 制式的方 案，又提出了窄带m u s e ( n m u s e ) 方案，以适应f c c 所提出的要求。并和 美国的四种h d t v 方案一起进行测试，以期从中挑选最佳方案作为将来h d t v 的统一制式。 测试于1 9 9 2 年1 0 月完成，并于1 9 9 3 年2 月提出报告。测试报告指出，m u s e 制的h d t v 广播方案与另外四种全数字h d t v 相比，前者无论是传输覆盖能力、 图象质量、接收门限电平还是抗干扰能力均远不如后者，因而决定不采用。至 于四种数字化的h d t v 方案则各有所长、各有不足，离目标都差一点。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h d t v 方 案能取长补短，综合形成一种最优方案。 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，一面组织联合，以取长补短，优选出一个最 佳的f i d t v 方案。1 9 9 3 年5 月2 4 日，h d t v “大联盟”( g a ：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，就一些重大问题取得了结果：图像压缩 编码采用m p e g 2 标准；伴音选用d o l b y a c 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 稍优予3 2 q a m ， 有线电视中1 6 v s b 在优于6 4 q a m 。1 9 9 4 年5 月，正式公布大联盟方案 6 1 ，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l7 7 。 6 浙江大学硕t 论文 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 传输系统的野外测试 1 ， 测试结果表明，g a h d t v 的性能要优于n t s c 。在唧频段，h d t v 的满意 接收率为9 2 ，而n t s c 为7 0 ，在v 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 频段的多径干扰比缸颁段严重，但目前采用的均衡 器方案完全能正常 _ ：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 日。 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。但测试中也发现了h d t v 频道可能i 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_ j = l j 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s j 覆盖画积。 由于数字h d t v 相对模拟h d t v 的巨大优越陛，欧洲于1 9 9 3 年放弃r 模 拟l i d 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 个国家的1 3 0 多 个组织。现在该组织2 j9 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j 田( 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9 j 属在e l g 下制定的数字电视总规划 称为d t b 一2 0 0 0 ，该规划准备采用的技术为：信游编码用m p e g 2 ，信道编码用 c o f d m ，伴音用m u s l c a m ，并将用在懿个欧洲欠陆的地面、卫星和电缆广播 中。 1 9 9 5 年2 月，h 本成立rd t v 实验塞，预甜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 2 两种地面传输方案的比较 h d t v 的地面广播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，即尊载波调制( 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 l t ic a g 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j j 数亨通信方式( v s b ) 和并行数宁通信方式( c o f d m ) 的小 同应j j ，在自高斯噪，；，条件下，这两种通信方式的性能是一致的。无论足v s b 还的是o f d m 的7 j 案，j 篾错控制编码都足采用r s l i 6 、交织、t c m 码级联i f l j 成。 两利7 方案的本质的区别n ! j 二调制解调的，j 法以及刈卟j 多径衰落和同频道1 扰的 疗法，【1 0 1 1 2 1v s b 方案 v s b 是介j i 单边带渊制与抑制载波舣边带渊i 叫之间的坤| j 调制方式，址 z e t 传统的普通电视传输h 式，其技术已绐比较成熟。，v s b 方案h d t v 地l f i f 0 输 系统发剔和接收部分址罔1i 。 浙江大学硕士论文 刊萋胤 ( a ) 发射部分 v h f u h f 信号 v h f 脚信号 图l1v s b 方案f i d t v 地丽传输系统 1 2 2o 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i 交的 载波进行调制，将n 路调制后的信号相加即得发射信号。o f d m 的信号速率为 【n ( n + 1 ) 】- r 。，r 为n y q u i s t 速率( 2 波特h z ) ，n 为并行传输的信道数，当 n 增加时，o f d m 可以传输的信号速率接近n y q u i s t 速率。o f d m 方案的h d t v 地面传输系统发射和接收部分见图l2 。 发 送 数 据 接 收 数 据 v h f 九j h f 信号 v h f i h t f 信号 俐i1 1 引i i l 封飚憾篙 削i2o f d m 方案h d t v 地向传输系统 o f d m 是一种多载波调制方式，而h d t v 中应用的多载波调制方式”j 以认 为是种频域技术，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牾都在频域山完 成；在接收端，信道解码及均衡也都在频域内完成) ，当然信号传输还是确州域 内进行，彩载波删制方j _ i = 对1 二时域的冲激噤声钉较强的抵抗能j ， 丫l 钱波洲制 浙江大学硕士论文 方式对于频域的冲激噪声有较强的抵抗能力。 1 2 3 o f d m 与v s b 的比较 o f d m 系统与串行单载波系统相比有下列优点： lo 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。 2o 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，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。 同时也存在下列缺点： l 由于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。 2o f d m 对于载波频偏和音频干扰要比单载波系统敏感。 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1l 。 表11c o f d m 与8 v s b 系统方案比较 性能c o f d m8 v s b a w g n 门限 1 5 d 8 1 4 9 d b 抗a w g n i 塔+ t c m r s t c m 抗冲激噪声较好 、 较差 抗同频干扰o f d m 频谱开槽和频域交织抗n t s c 同频干扰滤波器 抗多径干扰加保护问隔信道均衡器 抗长时间时延、强回波的性好差 能 实现难度f f r 运算量大梳状滤波器、多抽头 均衡器实现复杂 频带利用率 ( v + 3 ) ( r + ) 7 _ 2 一a ( b n h z ) 1 + 口 峰值与平均功率比s 1 2 们培 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 。埘， 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k 传输时间较长，对其眼图影 响刁；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p i ：能比 v s b 好。这也是多载波调制系统相对于t 扣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 采川频谱，f 槽和频谱交织的方法，”j 搬抗 3 d b 的同频干扰。v s b 采用抗n t s c 闽频一1 二扰滤波器，在同频干扰下，使驰 损失3 d b ，即达到1 7 9 d b ，如前所述，单载波传榆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f 圈素考虑，c o f d m 的fj l i | 、! 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，采川添加保护间隔的方法，可以消除俅j ：i 间隔内的任意i t ，延长皇：的旧波千扰。v s b 系统累川均 j 8 j 器永消除0j i 波，z _ i i , i 近较k 的| l i j 波做粜较彳，j f | 对回波时延的变化出很敏够，绐过实删，c o f d m ”j 以抵抗o d b 的强! 旧波，川w 花抗回波方向，c o f d m 复优j v s b ；、 二：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 ) ，通常选择的载波数较大，一股 是1 0 2 4 的整数倍，所以f f t 的运算量较大，对f f t 一签片的集成度和运算量提 出r j ，较高的要求。随着v l s i 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 的一种优势所以! 。 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唰频二f 扰，而是使 用梳状滤波器消除n t s c 的同频干扰，增加了系统复杂睦。v s b 利用均衡器来 对抗多径干扰，均衡器的抽头多达2 5 6 个，是v s b 实现的难点之一。 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。 三邻频道干扰 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 较大时，信号能量分布呈高斯分布，实际中当n ，2 0 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，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。 四敏感性 o f d m 对于采样时间的偏移没有串行传输那样敏感。但o f d m 对于载波频 偏和音频干扰要比单载波系统敏感。 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。 本课题采用的是g a - v s b 方案的h d t v 地面传输系统。下面对之作进一步 的说明。 1 3g a v s b 的地面传输系统介绍 美国在决定研制自训j h d t v 系统之初，曾提出了四套全数字h d t v 方案， 其中三套基于q j 蝴，一套基于v s b 。1 9 9 3 生g ，通过讨论形成了统一的大联盟 ( g r a n da l l i a n c e ) 方案。这个方案是以原来的v s b 方案为基础，集中了另外三 种方案的优点而形成的。【q t - n l 数据通信中经常采用q a m 方式，但在皿t v 广播中却采用v s b 方式，主要 1 0 f j 撕ir 儿个蟓b l ： lt c m 一8 v s b 的刚依结构比t c m 一3 2 q a m 的川格结构也婵想，从m f r 啦v s b 在高斯噪声环境下的阈值比o a m 低近l d b 。 2v s b 方式仅需要处理同相信号，在接收端可以只用一维的实均衡器，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。 3 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问， 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。 g a v s b 系统提供两种传输模式：地面广播模式和高数据率的电缆模式。 地面广播模式在6 m h z 的无线带宽中传输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。两种模式都使用r e e d s o l o m o n 编码、段同步、导频和引 导信号。为了使覆盖面积达到最大，地面广播模式综合采用n t s c 抑制滤波器( 在 接收机) 和增加格状编码。实现了地面广播模式之后，大部分系统不必变动或 者仅需要简化即可用于高数据率达的电缆模式。本文主要讨论地面广播模式。 1 3 1系统信息 g a v s b 传输系统按图1 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，| 口每个要传输的分段由1 个同 步字节( 4 个符号) 、1 8 7 个数据字节( 这对应一个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) 及2 0 个r s 奇偶检验字节组成。 l2 42 m s 毒 2 42 m s 卜= 莉顶；磊- 图1 3v s b 数据帧 对于g a - v s b 的准确符号率是：4 5 2 8 6 m h z x 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。 1 1 分l 世的防 j 足：f 1 07 6 m 符j s 83 2 符i j 分段= l 20 3 k 神i j s 。 刘j 二地 i l lj 播校，掰个分段肘戍j i 个2 0 7 ，1 i 的r s 纠i i ：块： 2 0 7 字节块x 8 b i t 字节= 3b i t 符号x 2 1 3 速率8 2 8 符号= 1 6 5 6 b i t 分段， 而对于高速率的电缆模式，每分段对应两个r s 纠i 块的2 0 7 个寸节如h 2 块2 0 7 字节块8 b i t 字节= 3 3 12b i t 分段 如图13 所示，每个数据帧从第一个数据场川步分段升始，接着是31 2 个 数据分段，再是笫二个数据场同步分段，再是另一个3 1 2 数据分段。 除丁数据段州步和场同步是二电平外，所有j e 它传输的数据足多电、r 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；j ) ，i “1 肘l i 商速率f 也缆 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 剐1 6 - v s b 。 结合数据分段同步和数据场同步结合多电平的符号，以抑制载波力，柬调 制单个载波。但在传输之前，大多先去掉大部分r 边带。除j 拒频道的阳边有 平方根升余弦波响应造成的6 2 0 k h z 的过渡区( 其中】l5 多余带宽) 以外， 得出的频谱是平坦的。g a v s b 传输频谱与n t s c 频谱的关系见图l4 。在距下 边带边界3 1 0 k h z 的己抑制的载波频率处，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 o3 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目。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。 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义有干 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 v s b 07 。：，户一一_ 、 1 i o 0 3 lj 抑型鍪 她 一一h 3 l j 业+ ， 一 ， 卜l 垄l ! i _ 1 频率以m h 。为单位 图1 4v s b 与n t s c 的频道占用情况 下面介绍地面广播模式的发射机及接收机功能 i i - 2 i | 可以参考上一节图11 给出的v s b 地面广播模式的发射机和接收机功能框图。 1 3 2 发射机功能模块介绍 一扰码发生器 扰码发生器是对所有数据信息( 不包括场同步数据、段同步数据、r s 的冗 余码) 异或8 b i t 的伪随机码产生的。采用扰码处理，使数据呈现伪随机特性， ，l ：4 ；! i 磐i 声f 见均：j 分前，适合r - 信道传输，、 ：r s 编码 r s 编码采片jr s ( 2 0 7 ，1 8 7 ) 码，通过引入0 c 余信息，增大了码字之问的 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。 三交织 因突发噪声0 i 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，使数据间的约求长度加长，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。 四t c m 编码 相对于与之级联的外码，t c m 码称为“内码”。在g a v s b 方案中，t c m 编码由2 3 卷积码和8 v s b 调制结合而成，同时采用了格形编码内交织。 t c m 编码的输入端把并行的b y t e ( 8 b i t ) 数据流转变成串行的s y m b o l ( 2 b i t ) 数据流。然后进行r = 2 3 的格状编码，每个s y m b o l 的高位比特进行预编码( 差 分编码) 以消除1 8 0 度的相位模糊，低位比特进行r = l 2 的卷积编码。t c m 出 来的3 比特再映射到8 v s b 的8 电平。编码电路如图l5 所示。【1 2 1 x 2 乙z l 乙 r 000 7 00 l5 010 3 0ll- l l00+ l 10l+ 3 1l0+ 5 ll1+ 7 图1 5t c m 编码电路 此外，内码电路还要实现交织功能。系统采用1 2 个相同的t c m 编码器依 次循环工作( 接收端也采用1 2 个相同的t c m 译码器依次循环工作) 以实现再 一次的交织，如图1 6 所示，这里的交织相对于t c m 之前的交织可以称为“内 交织”。 叵至一 、o 竺 、厂 八p _ i | t c m m 跚蛇卜如入 8 型坠呻】r 面丽磊呻0 艘竺! i i 上o u 叫t 0 d 霸码嚣村卜呻二二j 图1 6t c m 内交织示意图 1 3 一、r ，04t善_l f i址 鼍 i 卜h d i v 数1 ：f $ 俞6 5 浙i 上【! 以钨l j ( s f u 、i 7 j 7 1 f5 1 0 针戍l 鼍ls e g m e n t ) ， 义以段为单f 节组成场f f i e l d ) 和帧( f r a m e ) ，剐此璎拒经过编f l l 5 “的数9 【l ：f ；j 5 流 中捅入段、场同步，以得到最终的具有段、场结构的数据粥流。 段同步是山2 电平的4 个符号组成，它破插入到雠段的丌头，所以每段总 l 钉8 3 2 个符号( 4 个段同步符号和8 2 8 个数据钳 j ) ，段ic d 步图案的选扦刈1 接收机的同步提取具有重要意义。完整的数据段格式蚴吲i7f 听爪， 数据+ 附旧纠锗：t j 一 j 一 v 一一 ，“一 。1 j jl 一 一7 t 8 2 8 符号2 0 7 字节 数据段( 8 3 2 符号2 0 8 字竹) 4 符号 图1 7 数据段格式 得到完整的数据段之后，还要进一步组织成场结构。每场包括3 1 3 个段， 其中第1 段为场同步段，其余为3 1 2 个数据段。场同步中的数据也是2 电平的 ( + 5 ，一5 ) ，每3 1 3 个段组成一个数据场，其中第1 段为场同步段，其余为数据 段。场同步的结构如图18 所示，先是个长度为5 1 1 的伪随机审列：再是三 个长度为6 3 的伪随机序列( 其中第二个p n 6 3 每隔一场反相次) ：接着是系 统参数的控制字。场同步中的伪随机序列可用作均衡器和相位跟踪器的i j | | 缘序 列。 k 一8 3 2 符号2 0 8 字节 ：o s d b e 保留 2 4 t 髂1 2 县 符号i1 0 q ”。| ：符号 【 图18 场l 司步结构 每两个数据场进一步组成数据帧，分别称为奇数场和偶数场，不同之处在 于场同步信号中第二个p n 6 3 的区别。 六导频插入 为了使接收机能够可靠地提取载波，要在发射机端的频谱中插入个小的 导频( p i l o t ) 信号。可以用如下的方法实现：在进行抑制载波调制之前，把经 过格状编码的全部数据都加上一个直流电平。为了不过多地增加发射功率，这 个直流电平只有12 5 ，发射功率增加7 03 d b ，但这样使接收机的载波恢复的复 杂度大大下降。 4 lv s b 喇制 这i ! 琏最能佧呲v b f 输，j 寨特c i 的一：分之 j ：脱v s b 训制的山j 、fj 多 种，g a v s b 样机的，j 法是这样的：阿丸刈丝t g 4 2 i ：信号进行复滤波，得剑精 确的同相和i i i 交信号浚滤波过程具订、i ，j ) - 根升余弦特性并儿提 e 了刘d a 变 换器的补偿。两路l f ：交的肇带信号经d a 变换器$ i 变到模拟形式，然后7 l ：l f ：交 的载波上调制到t t 频，j | j 相位乃旺：消除小”j 的边带来得到v s b 信号。并n 进采 川- j 一个线性相化、 ，且帅商度响应的s a w g g 波器逃行邻带抑制。 八射频调制 g a v s b 发刺机的j 变频采用j 普通n t s c $ i 仆i 怕0 级调制方式。第步刈 所彳丁的频道采用同c f ，频频率，第：级冉渊制到行自盯应的射频频道一1 - 。m h d t v 的频谱利片j 率较高，为获得勺n t s c 发射机牛h 同的服务 i ，只需常规电视 的人约卜玲之的发射j j ：簪。 1 3 3 接收机功能模块介绍 一调谐 在调谐器中要进行两次混频。第一本振在09 7 g h z 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、放大和a g c ，最后经工作在4 4 m h z 的 固定增益放大器输出。 二载波恢复 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 s ? 言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。 三同步提取 g a v s b 的位同步提取没有采用传统的提取力法，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入a d 变换器按符号率进行取样，取 样的结果与已知的段同步图案进行匹配可以检测h 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。然后可以对；巾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。 在这里还要得到a g c 控制信号。粗略的a g c 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 c 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，只要能指出哪段是场同步段即可。 四梳状滤波 g a v s b 方案抑制n t s c 同频道干扰的方法是插) , 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 干扰的大小来决定是否 引入该滤波器。 五均衡m 1 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 r 个i j l ：敞州神l j ：“1 i i 处罔n 】c r h , t 能进i j ：j 衡1 - 0 女t 1 4 俞f 。i j u 、r f r j 数f i ，均衡* i 嫂l ；f j 二作 l j ” 八丰位跟踪 捌f 扛跟踪蚪址个| ；j 加的判决反馈珥踏。已 充令= 消除的相位峨声进一步去除。r 作rl 路信 进钉增益，然衍经过滤波器恢复近似的q 蹄信号。 旋器以上除棚位噪声。本文将详细讨沦这部分 七解码 7 j 卜i 、【j t ij 川“? i 2 擀“j 小，全 的0 、h 处川 j 以棒丝j 导$ m f n t l ，i m pl i ，爪 j 的均钨器输l | i1 、乘i j 、器 1 、0 两路信号山送、个i 为j 任t c m 觯器能够抵抗短时的砖技f 扒，f e 发射帆端采川j i 2 1 编 码器进仃段内交织，接收机t 5 之对应采川j 12 个蛘码器，i