（信号与信息处理专业论文）基于dvbt的数据接收卡的硬件设计与实现.pdf

摘要 本课题是要开发一块基于d v b t 的数据接收卡，该卡可以接收d v b t 的广 播数据，支持接收d v b 多协议封装的广播数据 本卡采用p h i l i p s 的t d a l 0 0 4 6 h td v b tc h a n n e l 的一体化调谐器、p l x 公司的p c i 9 0 3 0s m a r t a r g e ti 0 加速器，并以a l t e r a 公司的a c e x 系列中的 e p i k 3 0 t c l 4 4 3 为一体化调谐器和p c i 9 0 3 0 的接口控制芯片，辅以其他程序( 如 编写p c i 9 0 3 0 专用e 2 p r o m 中的寄存器设置数据和f p g a 中的程序，加上p h i l i p s 公司开发的一体化调谐器的驱动程序) ，实现了d v b - t 数据接收卡的系统硬件处 理平台的功能。 在具体实现时，采用了p c i 总线接口、p c i 处理板卡与主机协同处理的方 法。 本卡由我独立完成本卡的硬件整体构思、系统设计、f p g a 控制程序设计 及编写、p c i 9 0 3 0 的e e p r o m 的全部寄存器的设置、各部分的连接以及板卡的绘 制、调试等全部工作。3 关键字：d v b 、f p g a 、p c i 总线、总线一零她 捐害强卫7 a b s t r a c t t h ep a p e ri sa b o u tt oi n t r o d u c ey o ut h ep r o c e s so fd e s i g na n df a c t u r e o fap c ic a r d ，w h i c hi sa b l et or e c e i v ed v b tb r o a d c a s ts i g n a l a n dt h e d v bm u l t i p r o t o c o le n c a p s u l a t i o nb r o a d c a s t i n gd a t ai s s u p p o r t e d i nt h i sd e s i g n ，w h a ta r ea d o p t e da r ea sf o l l o w s ：p h i l i p s t d a l 0 0 4 6 h t d v b - tc h a n n e lt u n e rm a d eb yc h e n g d ux u g u a n ge l e c t r o n i cc o ，p c i 9 0 3 0 s m a r t a r g e ti oa c c e l e r a t i o nm a d eb yp l xc o ，f p g ao fe p i k 3 0 t c l 4 4 3m a d e b ya l t e r ac o ，w h i c hi st h ei n t e r f a c eo fp c i 9 0 3 0a n dt u n e r ，s u p p l i e d w i t h p r o g r a m s ，i n c l u d i n gr e g i s t e r sc o n f i g u r ed a t ai ne 2 p r o mf o rp c i 9 0 3 0 a n dp r o g r a m si nf p g aw h i c ha r ec o m p i l e db ym y s e l f ，a d d i t i o nt od r i v e ro f t h ed v b tt u n e rd e v e l o p p e d b yt h ep h i l i p sc o t h e nt h ef u n c t i o no fs y s t e m h a r d w a r ep r o c e s s i o np l a t f o r mo ft h ed v b td a t ar e c e i v i o nc a r di sr e a l i z e d p c ib u si n t e r f a c e ，p c ib o a r da n dh o s tm a c h i n ew o r kt o g e t h e ri nt h e d e t a i lr e a l i z a t i o n ic o m p l e t et h eh a r d w a r ew o r ko nt h ec a r d ，i n c l u d i n g d e s i g no ft h ew h o l e c a r d 。f p g ai n t e r f a c ep r o g r a ma n de v a l u a t i o no fa l lo ft h er e g i s t e r so f p c i 9 0 3 0 ，p r o t r a c t i o no fs c h e m a t i ca n dp c bo ft h ec a r d ，d e b u g g i n gt h e h a r d w a r ep a r to ft h ec a r d k e yw o r d s ：d i g it a lv i d e ob r o a d c a s t ，f p g a ，p e r i p h e r a lc o m p o n e n ti n t e r c o n n e c t s p e c i a li n t e r e s tg r o u p ，b u s ，l o c a l 独创性声明 本人声明所呈交的学位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。据我所知，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 为获得电子科技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 确的说明并表示谢意。 签名： 差坦。日期：脚够年争月够日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：望卜导师签名：二陋 日期：五口够年午月够日 电子科技大学硕士论文 基于d v b t 的数据接收卡的硬件设计和实现 第一章序言 随着数字电视的发展，广播电视由模拟向数字的转变已经是大势所趋。早 在7 0 年代，日本广播协会( n h k ) 就已经开始着手这方面的研究，并且在1 9 9 1 年实现了通过卫星的d b 3 b 的正式广播。美国也开发了自己的数字电视广播系 统( 8 v s b 系统) ，并且在1 9 9 7 年宣布将在2 0 0 6 年完成从模拟到数字电视广播 的转换。欧洲在1 9 9 3 年放弃了原先的h d m a c 计划，转向d v b ( d i g i t 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) 的研究并成立了d v b 组织。到现在为至，该组织 已经先后制定了数字卫星电视( d v b s ) 、数字有线电视( d v b c ) 、数字开路电视 ( d v b t ) 等一系列的标准。近些年随着技术的发展开始出现了基于d v b 方式的 数据广播等先进的数字广播手段，数据广播系统用户群开始迅速扩大。1 9 9 7 年 以d v b 标准为基础的数字电视已经在全世界普及，拥有了几百万用户。1 9 9 8 年末，微型计算机用户可以通过在他们使用的微机内插入数字卫星接收卡，用 来享受因特网服务。目前，数字地面电视( d v b t ) 标准正在逐渐被世界各国所采 用，为今后的高清晰度电视开辟了广泛的前景。 1 1 d v b 数据广播的优点和特点 随着广播电视从模拟向数字体制的转化，美国、e l 本和欧洲先后制定了各 自的标准，而欧洲的d v b 系统逐渐脱颖而出，其中的d v b t 、d v b c 和 d v b - s 已在各国有广泛的应用。总的说来，采用符合d v b 标准的数据广播系统 具有如下优点： d v b 标准有丰富、完整的传输接口协议，数据可以很容易地通过现有的几 乎所有信道如卫星、有线电视、s d h 、p d h 、a t m 、m m d s 及地面数字电 视广播( d v b t ) 等传输，适合于从主干网到地区网、城域网、小区等不 同规模，不同的传输方式进行数据广播。 与数字视频节目兼容，用户终端可以同时接收数据和数字视频广播节目， 数据和视频节目可以在同一个频道传输。 通用的前端设备，使用与视频广播相同标准的d v b 复用器及调制器可以在 电子科技大学硕士论文 基于d v b t 的数据接收卡的硬件设计和实现 众多的生产厂商中选择性价比最高的。 传输数据率高，误码率低。 d v b 有完整的网络及回传协议，可以选择多种回传形式，在未来的1 0 年内， 逐步通过改进现有有线网络设施实现真正的双向网传输。 在我国，相对比较完善的视频广播网络是d v b c _ 和d v b s 两种，因此， 基于这两种方式的数据广播也得到较广泛的应用。基于d v b c 标准的c a t v ( 有 线电视) 系统，由于其覆盖范围广( 目前我国已经有8 0 0 0 多万有线电视用户) ， 带宽大，信道相对较为稳定，因此适合于直接面向个人用户的数据广播业务， 将是我国未来全国性数据广播平台的主干传输网络。而基于d v b s 标准的卫星 数据广播也有着其自己的优势，着重体现在两点上：一是发送与接收信号不受 地理条件的限制，不受地震洪涝等灾害的影响；二是成本较低，数据传输的性 能价格比经济可行( 无需改造网络线路，只需添加接收、转发装置即可，且费 用与距离无关) 。卫星数据广播常用于传送数据至分配网的前端或集团用户， 也可面向个人用户。 1 2 d v b 标准数字电视技术 d v b 标准提供了一套完整的，适用于不同媒介的数字电视广播系统规范， 其周全的计划及广范的共识是其成功的关键。从开始。大家就选定 i s o i e cm p e g 一2 标准作为音频及视频的编码压缩方式。对信源编码进行了统一， 随后对m p e g 一2 码流进行打包形成传输流( t s ) ，进行多个传输流复用，最后通过 卫星、有线电视及开路电视等不同媒介传输方式进行传输。 一d v b 标准的核心 系统采用m p e g 压缩的音频，视频及数据格式作为数据源 系统采用公共m p e g 一2 传输流( t s ) 复用方式 系统采用公共的用于描述广播节目的系统服务信息( s 1 ) 系统的第一级信道编码采用r - s 前向纠锗编码保护 调制与其它附属的信道编码方式，由不同的传输媒介来确定 电子科技大学硕士论文 基于d v b t 的数据接收卡的硬件设计和实现 使用通用的加扰方式以及条件接收界面 二d v b 音频特点 d v b 系统的音频编码使用m p e g i l a y e r i i 第二层音频编码，也称做 m u s i c a m 。音频的m p e g il a y e ri f 编码压缩系统利用了声音的低声音频谱掩 蔽效应，这人体生理学效应允许我们对于人耳不太敏感的频率进行低码率编 码，这一技术的采用可以大大地降低音频编码速率。m p e g i l a y e r i i 音频编码 可用于单音，立体声，环绕声和多路多语言声音的编码。 三d v b 视频特点 对于视频，国际上采用标准的m p e g - 2 压缩编码，m p e g - 2 视频编码系统由 一个大家族构成，每一个系统之间都有兼容性和共同性，根据图像清晰度的不 同，它分成四种信源格式或称噶 级”( l e v e l ) ，从录像带( v c r ) 的低图像清晰度， 到高清晰度电视。除了根据图像清晰度定义的噎级“以外，d v b 视频标准还定 义了”档次”( p r o f i l e ) 的概念，每一个不同的”档次”( p r o f i l e ) 能够提供构成编 码系统的压缩工具和压缩算法。 1 3 课题研究背景及论文结构 2 0 0 5 年全国四分之一的电视台将发射和传输数字电视信号 2 0 1 0 年我国计划全面实现数字广播电视 2 0 1 0 年东部相对发达地区将普及数字电视 2 0 1 5 年停止模拟广播电视的播出 2 0 1 5 年以前数字广播电视推广至中西部地区 从上面的信息中我们不难看出，数字电视离我们并不遥远，正在朝我们走过 来。国家也早就开始着手帝l 订数字电视的标准，其标准可望在2 0 0 3 年出台。 d v b c ，d v b - t 和d v b - s 已经在各国和我国得到广泛应用。 在这样的背景下，本教研室打算开发d v b t 信号接收卡。项目设计的目的 是为可以接收发射端发射的d v b t 信号。把卡插到计算枧里的p c i 搔槽中，安 装好驱动程序，然后开始接收数据，以某种格式存到计算机中就可以了。显然， 电子科技大学项士论文 基于d v b 一下的数据接收卡的硬件设计和实现 这种卡有缺陷，它不能即时播放节目实用价值不是很大。但是之所以进行开 发是因为我们认为该卡还是有实际意义的。可以改进软件，把软件写得更复杂 晟后可以在计算机上直接收看d v b t 节目，即时播出，而且你可以把你感兴趣 的视音频信号保存下来，比如存成某种格式的文件。当然f p g a 源程序也相应 需要做一些改动，如中斯等方面。还有一种方案，就是在高频头的后端放置 m p e g 一2 解码芯片，数模转换芯片，p a l 制式芯片，然后把模拟信号通过端口 输出即可。与本设计没什么关系，这里只是提一下。 本论文在该d y b ，t 数据广播接收卡整体构思、系统设计、板卡绘制、各种 程序编写与联调工作基础上撰写。第二章介绍d v b t 系统原理。第三章介绍 f p g a 原理及设计方法。第四章是在讲述p c i 总线原理基础上介绍p c i 总线目标 芯片p l x 9 0 3 0 。第五章详细阐述了整个系统各部分的设计思路和工作原理。第 六章对整个论文作出总结。 6 电子科技大学硕士论文 基于d t b - t 的数据接收卡的硬件设计和实现 第二章d y b t 系统的基本原理 2 1 地面传输信道特性 地面信道的传输特性的两大突出特点是时间选择性和频率选择性，同时地 面传输信道工作在u h f v h f 频段，还具有高斯加性白噪声干扰、突发干扰、工 业干扰及电离层反射、同频干扰等信道的恶劣特性。同时由于地面传输信道环 境的复杂性和特殊性，传输信道具有色散和时变特性。在这样的信道上传输信 号有以下的主要特性： 时间选择性干扰随时间变化而变化 频率选择性干扰随频率变化而变化 加性白高斯噪声( a w g n ) 主要引起随机错误。高斯分布的白噪声概率 密度可表示： “一p ) f ( x ) 2 丽1 g 2 0 - 1 式2 1 突发干扰表现为短时大噪声，这种短时大噪声主要由工业电火花等突发因 素引起，噪声能量可能高于信号能量。 p a l 同频干扰由于d v b - t 广播是在现有的电视频带内，与标准的p a l 信号同播，因此d v b - t 信号会受到p a l 同播信号的干扰，p a l 信号的频谱特 征是信号能量主要集中在视频载波、色度及音频副载波。 多径传输使信号产生频率选择性失真，多径主要是由于城市建筑物对电波 的多次反射及散射引起的，多径干扰主要包括三个参数；多径延时、衰减和相 移。通过对这些参数的不同选择可得到不同的多径传输模型。 衰落移动接收中的多径的时变会引起附加的调幅和调相，信号的失真取决 于这种附加的调幅、调相的特点。它既可能是无衰落的高斯型也可能是电平有 大起伏的瑞利衰落。 多普勒频移效应这是由于移动接收的运动造成的，频移值与入射角，波长 和运动速度有关，设所有电波入射角为均匀分布，则多普勒频移分布函数可由 下式给出： 7 电于科技大学硕士论文基于d v b t 的数据接收卡的硬件设计和实现 ，f d rj 毛l j f m 。j ( 式2 z ) 其中f m 。最大多普勒频移，且有： r 。：f 。兰，v 为移动接收运动速度。 c 五为接收频率。 在上述信道上传输信号，许多人研究后指出典型的调制体制( 如q p s k 或 f s k ) 导致了误码展平现象，甚至在很大的信噪比下也如此。这由以下的两个独 立现象造成： 由于信道的冲激响应的时间延展产生的频率选择性，当传输的数据率提 高时导致了严重的符号干扰( i s i ) 。在多载波并行传输时还导致严重的子载波 问干扰( i c i ) ， 由于接收的环境变化导致信道特性的时变，产生衰落，使接孜机的相位 估计性能恶化。 2 2 地面传翰信道模型 由上所述，地面传输信道可由图2 - 1 所示的简化模型描述。 一团卜扣 发射一 苦 + ： 一由一掣- 。袅即 图2 2 1 地面信道传输简化模型 电子科技大学硕士论文 基于d v b t 的数据接收卡的硬件设计和实现 其中：r 多径延时，p o 一直视信号衰落因子，p i ( t ) 一多径衰减因子a 2 3o f d m 基本原理 在高速数字传输时，要满足n y q u i s t 的无失真传输条件，基带信号的带宽 必然占据很宽的带宽，且远大于信道的相干带宽b c 。由前面分析，信号在地面 信道传输必然会受到严重的频率选择性多径失真。在移动接收时，还会因接收 环境的时变受到严重的衰落。另一方面，d v b t 是在现有的电视频带内传输信 号，信道的带宽受到限制( 现行p a l 体制的有效带宽为7 6 m h z ) 。地面信道 的传输特性和带限特性严重阻碍了高性能的高速数字传输，也是高速数字通信 遇到的突出难题，因而需要采用高效的调制传输方案和先进的信道编码技术。 基于地面传输信道的上述特点，在d v b t 采用了编码的正交频分复用方案 即c o f d m ( c o d e d o r t h o g o n a lf r e q u e n c y d i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ) 。 c o f d m 采用许多子信道并行数字传输，每个子信道采用正交频分复用， 大大扩展了子信道传输符号宽度，子信道的带宽小于相干带宽，采用多电平调 制技术，因而有很高的频带利用率和抗拒多径的频率选择性失真能力。结合高 效的信道编码和时频交织技术还能有效地对抗突发差错和a w g n 的干扰引起的 随机差错。由于o f d m 具有在频域精确预置能量能力，可以利用插入导频方式。 采用频域均衡技术完成对信道响应的快速根踪，大大降低信道均衡的信号处理 的压力。 2 3 1 o f d m 信号表示 在任一时t ，在一码元宽度t 内，基带o f d m 信号可以表示为： n - i s ( r ) = m ( n ) e 胁“7 t o ，t ( 式2 3 ) 其中，m ( r 1 ) 为第n 个信道的调制信号，e ，2 “”为第n 信道的载频的幅度和 相位，n 为并行传输的信道数。m ( n ) 对应不同的调制方式可以有不同的取值。 例如采用3 2 q a m ，则m ( n ) 取- 3 - 5 j ，一3 - 3 j ，5 + 3 j 之一。每一符号可传5 b i t 信 电子科技大学硕士论文基于d v b t 的数据接收卡的硬件设计和实现 息。 将式( 2 3 ) 离散化，可得到下式： x ( ) = 寺x ( ，2 ) 8 1 2 “ ( 式2 4 ) n = 0 从上式可以得到在一个码元时间内的n 个并行信道采样值之和的信号( 即 离散o f d m 信号) 。这种信号经过d a 变换及滤波后便可直接调制到射频上进 行传输。 解调时，可以利用下式： iw i 爿( ) = 寺x ( 七) e 1 2 “ ( 式2 5 ) k = 0 得到输出信号。( 式2 - 4 ) 是反离散傅立叶变换( i d f t ) 的一般形式，( 式 2 5 ) 则是d f t 的一般形式。o f d m 信号具有如图2 3 ! 所示的频谱。 图2 3 to f d m 的频谱 o f d m 与频分复用的不同之处在于o f d m 的子信道间隔定为l ，r ，每个子 信道的传输速率也为i t ，子信道问频谱重叠，而在每个子信道的中心点来自其 它子信道的干扰为零。可见，o f d m 信道频谱利用率很高，可以不用子信道成 形滤波器a 由于采用并行传输，大大扩展了传输符号宽度，本身具有较强的抗 多径能力。 尽管上述概念早在6 0 年代就已经被提出，但由于当时的集成电路规模和数 字信号处理技术的限制，并未得到很好的应用。直到7 0 年代以来，才有使用d f t 实现o f d m 的文献发表9 0 年代以来，超大规模高速集成电路的发展，高速f f t a s i c 芯片为实现子信道数n f r a y ；( 2 k 、8 k ) 的o f d m 传输提供了可能，使实 现电路大大简化。而n 越大并行传输的优势越明显。 2 3 2 保护时隙 在没有符号间干扰和子信道间干扰时，o f d m 的予载波的严格正交性得到 保持，并且在接收端各子信道可由f f t 分离。由于o f d m 信号不是严格带限的 ( s i n c ( f ) 函数) ，线性失真如多径等将导致一子信道的能量扩展至其它子信道， 因而产生i c i 和i s i 。 一个简单的解决方法是增大传输信号的符号期或者载波数。然而这种方法 具有很大的f f t 计算复杂性，且受到载波频率稳定度和多卜勒频移的限制，难 于实现。 利用循环扩展保护时隙，即在o f d m 信号的符号前置或后置一段信号本身 的循环版本可去除i c i 和i s i 。保护时隙还有利于系统的同步。可以借助保护时 隙获得符号起始粗同步。 多径传输对o f d m 信号影响可通过选择适当的保护时隙值，使得接收信 号中信道间干扰i c i 和码间干扰i s i 可以忽略，只含信道的特征分量和信号分量。 即若多径信道的相对时延小于保护时隙，i c i 和i s i 不复存在，就可以用某些方 法将接收信号均衡到所需的信号。 2 4d v b t 系统原理 2 4 1d v b t 系统基本结构 d v b t c o f d m 系统是欧洲数字视频广播( 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 一2 传送，比特流复用，里德索罗门( r s ) 前向纠错，采用c o f d m 调制方 式，把传输比特分割到数以千计的低比特率副载波上，用1 7 0 5 个载波f “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i n ( s f n ) ，“2 k ”与“8 k ”系统是兼容的。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。另外，欧洲系统还 电子科技大学硕士论文基于d v b t 的数据接收卡的硬件设计和实现 对载波数目、保护间隔长度和调制星座数目等参数进行组合，形成了多种传输 模式供使用者选择。多种模式中常用的其实只有2 3 种，分别对应固定接收和 移动接收应用。系统具有许多可选择的参数，以适应大范围的载噪比和信道特 性。它允许固定、便携或者移动接收，相应的对有用比特码率要进行折衷。可 选择的参数范围允许广播业者选择一种模式，以适应将来的应用。例如，一个 适度的可靠模式( 相应的码率较低) 对于确保使用简单的机顶天线的便携接收是 必要的。对于节目规划中使用频率交织的信道，可采用具有较高码率的低可靠 模式。如果信道干净，则数字电视广播可使用具有最高净荷的低可靠模式。 d v b - t 系统的基本结构如图2 4 1 ： 一一一一一一_ 一- 一一- 一一一一一一- 一一一- _ - - - 一一一- - 一一一- - 一一一- - - 一一一一一 图2 4 1d v b t 系统框图 能量扩散利用伪随机序列与输入码流进行异或对输入数据进行随机化处 理。 外编码采用r s ( 2 0 4 ，1 8 8 ) 编码，这种编码具有很强的纠错能力，可以纠正 8 个字节的突发错误。 外交织采用i = 1 2 ，m 2 1 7 的卷积交织，这种交织使得较之前在一个r s 包 电子科技大学硕士论文 基于d v b t 的数据接收卡的硬件设计和实现 中的字节交织后不出现在同一个r s 包中，与r s 编码配合使外编码的纠正突发 错误的能力大大增强。 内编码采用主卷积码率为1 2 的主卷积码，然后可以进行收缩而产生2 3 、 3 4 、5 6 、7 8 等多种卷积码率。 内交织分成两部分，一部分是基于块交织的比特交织，另一部分是基于随 机交织的符号交织( 又叫频率交织) 。 星座映射包括q p s k 、1 6 q a m 、6 4 q a m ，同时映射方式还分为均匀和非 均匀两种。 导频及t p s 插入是在o f d m 符号中插入一些参考信号，包括连续导频、 分散导频和传输信令参数( t p s ) 。导频有助于接收机的载波同步和信道状态估 计，t p s 主要是给接收机提供一些发射模式的参数，例如内码码率、映射星座类 型等等。 o f d m 般是采用i f f t 来快速实现o f d m 调制的，根据实现o f d m 时 用的i f f t 点数可以将d v b t 系统的工作模式分为2 k 模式和8 k 模式两种。 发射端输入信号是复用的m p e g - - 2 传输流( t r a n s p o r ts t r e a m s ) ，输出信 号是射频信号( r fs i g n a l ) ，信号处理方向从复用器到天线。接收端输入信号是 射频信号，输出信号是复用的m p e g - - 2 传输流，信号处理方向从天线到解复用 器。 2 4 2 d v b - t 接收机原理 模拟处理部分 从天线接收到的信号通过调谐器经预选放大抑制镜象干扰、混频后得到中 频信号，经中频滤波器滤波抑制邻道干扰后送入中频放大器中得到放大了的中 频信号。在中频放大器中设置a g c 控制以稳定信号输出。放大了的中频信号与 中频本振混频以后经低通滤波送入a d c 以两倍采样率采样采到o f d m 基带数 字信号。模拟处理部分如图2 4 2 所示。 电子科技大学硕士论文基于d v 8 一t 的数据接收卡的硬件设计和实现 图2 4 2d v b t 接收机的模拟部分框图 二符号起始同步与定时粗同步 利用保护间隔的循环重复特性可获得定时的粗同步和符号起始提供f f t 。 如图2 4 3 所示。 图2 4 3 获得粗同步框图 基本原理是由于保护间隔中的数据是有效数据部分的重复，而相邻符号的 数据则完全不同，这样计算差值k 砂一s ( t 一巧，并对其进行短时积分，则可获 得粗同步。如图2 4 4 所示。 最一s ( t - t u ) _ 川s 一s n 一坩f 。 广_ 弋r 图2 4 4 利用保护时隙获得符号粗同步 三c o f d m 解调 为简化接收机方案，采用流水结构两倍规模的f f t 解调。中频信号经反交 迭滤波后进入a d c 中进行两倍采样率采样，每一个符号得到2 n 样点( 丢弃保 4 电子科技大学硕士论文 基于d v b t 的数据接收卡的硬件设计和实现 护时隙样点) 。这2 n 样点直接送入2 n 点f f t a s i c 处理器进行f f t 变换。 四帧同步和传输参数( t p s ) 的提取 由于接收机并不知道发射信号的调制方案、发射模式、所采用的保护时隙 长度、编码率以及超帧所用帧数等对接收机来说至关重要的参数。因此，t p s 参数的提取是c o f d m 解调、信道解码的基本前提条件。由于采用频率分离技 术，在f f t 输出后可采用合并技术把t p s 的能量收集回来进行解调以提高正确 解调的可靠性，对t p s 的b c h 解码有效的提高t p s 的提取可靠性。 五频率和定时同步 由定时符号粗同步后，接收机对连续2 符号的采样的2 n 样点进行f f t ，频 率估计器按参考序列给出的连续导频地址找到这两符号的连续导频值。对频率 偏移进行估计得到频率误差信号，经d a 变换及环路滤波后控制中频v x c o 本 振完成频率同步。频率同步环路滤波器的带宽取为1 0 0 i - i z 。 定时估计器在当前符号行中找到导频之后，对定时偏移进行估计得到定时 误差信号，经d a 变化和时钟环路滤波器滤波后完成定时的精同步。时钟精同 步的环路滤波器带宽取5 0 h z 。因而这同步过程时问较长，经若干符号周期时 阃的缓慢调整来达到精周步锁定。而粗同步的带宽则取的较宽，使这一过程在 较短时间内完成。 六信道校正和信道状态估计 1 信道校正( 幅相均衡) 信道响应估计器通过对分布和连续导频点的响应的估计，利用时频内插得 到信道在全频段的响应估计值，对各数据载波进行幅相均衡后可得信道校正。 2 信道状态估计 ( a ) 信号的输出电平的估计及a g c 信号的输出电平的估计可通过对f f t 输出信号的能量测量获得，信号电平 信计出后通过d a 变挨以及a g c 环路滤波后可对信号的输出电平迸行精确控 制。方案中模拟前端和中频放大器的总增益控制动态范围为8 0 d b 。 电子科挫大学硕士论文 基于d v b - t 的数据接收卡的硬件设计和实现 ( b ) 信道在各数据载波点上的状态估计 通过各数据载波点上的信号的信纳比的估计，给出信道在各数据载波点上 的状态度量，与该载波点的数据一起送到v i t e r b i 译码器，对每一比特提供“可 靠性信息”进行软判决译码。 七解交织和解映射 1 解符号交织 由于在发射时数据信号在o f d m 载波对应调制进行了随机符号交织，接 收端必须首先进行解符号交织。 2 信号解映射 在获取t p s 参数后，信号的调制方案已知，因而解映射应先对输入的信号 进行判决，然后查调制方案的映射表后可完成。同时，根据信道状态估计器的 估计值解映射后把每1 b i t 扩展成3 b i t ，以提供v i t e r b i 译码软判决。根据所用的调 制方案得到2 、4 、6 种3 b i t 的码流送给解交织器。如图2 4 5 所示 图2 4 5 解映射过程 3 ，解b i t 交织 符号交织后的码流根据调制方案送到v = 2 ，4 ，6 路比特解交织器进行解交 织。 八数据格式化 数据格式化的任务是把v 路3b i t 的数据流首先解多路，然后根据截取方式 表进行数据格式化得到g 1 和g 2 格式送入信道解码的v i t e r b i 译码器进行软判决 译码，如图2 4 5 。 皇三型垫查兰堡主堡苎 茎! ! ! ：! 塑塾塑丝堕塑堡堡望兰! 型 九信道艇码及码流处理 1 卷积码的解码 由数据格式化后得到g l 、g 2 格式的3b i t 码流送入v i t e r b i 译码器进行软判 决译码。软判决是根据提供的信道状态估计的每比特的可靠性信息进行的。内 信道译码后通过串并转换把b i t 码流转换成字节码流送入解外交织器。 2 解外交织 由于发射端采用的时同步卷积交织器，因而在解交织对需要同步。在交织 过程中，同步字节妙n c 或s y n c 总是从第0 路送入的，在解外交织时只要设置窗 口校验同步字节后( 即字节码流获得同步后) ，把同步字节送入第0 路解交织 器即可完成解交织。 3 ，r s 解码 从解外交织器送来的字节码流送入r s ( 2 0 4 ，1 8 8 ) 解码器进行外信道解码。 r s 解码是在找到同步字节写两云或置归c 后把同步字节和后面的1 8 7 字节为一组 进行解码的。解码后的数据码流经并串转换变成比特码流，同时还给出同步信 号送入反随机化处理。 4 反随机化 r s 解码后的数据码流在同步i 歹鬲后的8 个数据包长度内与随机化序列进行 异或后即彳导反随机化的数据流，反随机化中每遇到同步比特串，与为随机序列 的异或禁止。同时若同步字节t ；l g s y n c ，即对其求反处理得到s 如c ，完成反随机 化后的码流送出信道解码器给m p e g - - 2 码流解复用器。至此信道完成传输任 务。 2 4 3d v b t 接收机的组成 d v b 接收机主要包括：卫星数字视频广播( d v b - s ) 接收机、有线f 同轴电缆) 数字视频广播( d v b c ) 接收机、地面数字视频广播( d v b t ) 接收机等。有人把 d v b - s 接收机称为综合解码接收机( i r d ) ，把d v b c 或d v b t 接收机称为 s t b ( s e t t o p b o x ) 或机顶盒- 数字视频广播接收机可分成信道和信源两部分，信 道部分如图2 4 ，6 ( a ) 所示，信源部分如图2 , 4 6 ( b ) 所示。d v b s ，d v b c ，d v b t 接收机三者的不同之处在于信道部分的差异，本文着重讲述数字地面电视 皇三型垫奎兰堕主堡苎 苎三! ! ! ：! 堕墼堡堡些堕堡竺堡茎! ! ! ! 里 d v b - t 接收。 ：， t 吣o r b 5 d v b c ，d v 0 t 授收虮信越舾码部骨 甜遗体井 i 打迸黼分 tb d v b s ，d v b c ，d v b t 接收班潴谭瓣再部骨 图2 ，4 6 数字视频广播接收机基本组成框图 地面广播信道的特点是：地形复杂，存在时变衰落特性和存在多径干扰，信噪 比较低。因此d v b t 采用能有效消除多径干扰的编码一正交频分复用技术 ( c o f d m ) 和格雷码映射4 1 6 6 4 q a m 调制。编码采用级联码前向纠错( f e c ) ，外码 为纠错能力强的截短r s 码( 2 0 4 ，1 8 8 ，8 ) ，内码为变码率收缩卷积码( 约束长度7 ) ， 并采用卷积交织技术，外码交织深度i = 1 2 。相应的d v b t 信道由a d 转换、 c o f d m 解调f t 、帧解复用、反映射等) 、前向纠错( f e c ) ( 包括内码解交织、 内码v i t e r b i 译码、外码解交织、外码r s 解码) 、解扰等电路组成。不论是 d v b s ，d v b t 还是d v b c 接收机，其信源解码部分都是相同的，信道部分传来的 信号经传输层解复用电路还原成压缩的m p e g 2 视频、音频及多媒体数据信号， 电子科技大学硕士论文 基于i ) v b t 的数据接收卡的硬件设计和实现 再经视频、音频解压等处理技术恢复出数字视频信号和数字多声道伴音信号，然 后经视频编码电路输出n t s c p a l 等制式的视频信号。c p u 负责接收机的初始 化及对电路各部分的协调控制和数据信号处理等。另外，还提供遥控输入接口，通 用异步传输接口( u a r t ) 、i e e l 2 4 8 并行口、智能卡接口、1 2 c 串行总线控制端口、 调制解调器等外围接口部件。 电子科技大学硕士论文 基于d v b t 的数据接收卡的硬件设计和实现 第三章f p g a 资源及设计 由于在我的设计中调谐器与p l x 9 0 3 0 的接口主要是基于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 ) 器件的编程，所以在这里先介绍一下所用到的f p g a 资源，以及采用的e d a 设计方法。 3 1可编程逻辑器件及a i t e r af p 6 a 简介 3 1 ，1 可编程逻辑器件简介 目前可编程器件已广泛用于硬件的逻辑设计中。可编程器件可以分为 p r o m 、e p r o m 、e e p r o m 、g a l 、p a l 、p l d 、f p g a ，其中p l d 与f p g a 的规模( 门数) 比较大。 f p g a 是现场可编程门阵列的简称，p l d 是可编程逻辑器器件的简称，大 容量的p l d 又分为可擦除可编程逻辑器件( e p l d ) 和复杂可编程逻辑器件 ( c p l d ) 。e p l d ( c p l d ) 是将多个可编程阵列逻辑( p a l ) 器件集成到一个 芯片，具有类似p a l 的结构；而f p g a 具有类似门阵列或类似a s i c 的结构。它 们都具有用户可编程的特性，利用它们可以由用户实现其专门用途的集成化数 字电路。f p g a 是有掩膜可编程门阵列和可编程逻辑器件两者演变丽来，因此， 其既有门阵列的高逻辑密度和通用性又有可编程逻辑器件的用户可编程特性。 f p g a 可以达到比p l d 更高的集成度，具有更复杂的布线结构和逻辑实现能力。 p l d 与f p g a 之间的主要差别是p l d 通过修改具有固定内连电路的逻辑功能来 进行编程，而f p g a 是通过修改一根或多根分隔宏单元的基本功能块的内连线 的布线来进行编程。所以，f p g a 主要是在用户可编程的特性和它们的快速设计 及诊断能力上类似于可编程逻辑器件，其主要是通道型f p g a 。从厂家结构来看 又分为两类：s r a m 查找表类型和反熔丝的多路开关类型。对于快速可编程逻 辑器器件，它是由用户进行编程实现所需逻辑功能的数字集成电路，利用p l d 内部逻辑块可以实现任意布尔表达式或寄存器函数，根据编程方法分类，可分 为次性、紫外可擦、电可擦，其主要结构由三部分组成：c o n t r o lb l o c k ( 控制块) 、l a b ( 逻辑阵列块) 、p l a ( 可编程连线阵列) 。 皇三型垫查兰堡圭堡苎 蕉王! ! ! ：! 塑塑塑堡堕塑堡堡堡笪! 塑 31 2a c e x 系列芯片的基本结构 a c e xi k 器件是a i r e r a 着眼于通信、音频处理或类似场合的应用推出的芯 片系列。a c e x1 k 器件的结构和f l e x1 0 k 器件类似，两者的区别主要在于工 作电压和制作工艺有所不同。a c e xi k 器件的工作电压为2 5 v 和3 3 v ，采用先 进的0 1 8 u r n 、6 层金属连线的s r a m 工艺制成。 a c e x1 k 器件是采用查找表( l u t ) 和e a b 结合，提供了高效低耗的优 良性能。基于叫t 的结构适用于实现商效的数据通道、增强性寄存器、数学运 算及数字信号处理设计。丽e a b 可实现r a m , r o m ，双_ 口r a m 和f i f o 等功膛。 由于采用了这些单元电路，a c e x1 k 器件适用于实现复杂逻辑功能和存储器功 能。每个a c e ) ( 1 k 器件都包含一个嵌入式阵列和一个逻辑阵列，它能让设计人 员轻松地开发出集存储器，数字信号处理及特殊逻辑等强大功能于一身的芯片。 a c e xl k 的逻辑功能和互连关系是由c m 0 ss r a m 单元配置的。系统加 电时，通过存储在一个a l t e r a 串行配置e p r o m 器件中的数据或由系统控制器提 供的数据对a c e x1 k 器件进行配置。a l t e m 为a c e x1 k 提供的e p c i ，e p c 2 和 e p c i 4 4 1 等专用配置器件它们是通过串行数据流来对a c e xi k 器件进行配置。 配置数据也能从系统r a m 和通过a l t e r a 的b y t e b l a s t c r m v 下载电缆配置。a c e x 1 k 器件配置好后，可以通过复位电路重新加载数据，实现在线系统重构。由于 重构时间只需要不到4 0 m s 的时间，因此系统工终过程中可以实肘重构。另钋， a c e x1 k 器件中设置了商效的接口，它允许微处理器通过并行或串行、同步或 异步方式配置a c e x1 k 器件。同时这种接口也允许微处理器象存储器一样处理 a c e x1 k 器件。 电子科技大学硕士论文 基于d v b t 的数据接收卡的硬件设计和实现 图3 1 1a c e xi k 器件内部结构图 图3 i 1 列出了a c e x l k 器件结构的方块图，主要由嵌入式阵列块，逻辑 阵列块，f a s tt r a c k 和i o 单元4 部分组成。每一组l e 组成一个l a b ；l a b 组 被安挥在行和列中。每一行也包括一个革独的e a b 。这些l a b 与e a b 通过快 速通道互连布线结构互连。i o e 分布在快速通道互连布线结构中的行和列的末 端。 在本课题中，系统使用的是a l t e r a 公司的a c e x l k 系列的芯片 e p l k 3 0 t c l 4 4 3 ，它有1 4 4 个引脚，内部包含多达1 7 2 8 个可编程逻辑单元，并 含有3 k 字节的内部r a m ，是新一代的高性能、低功耗、大规模的可编程器件 的代表产品，可用来设计复杂结构的超大规模集成电路，a c e x l k 系列芯片有 两个工作电压：2 , 5 伏和3 3 伏。在和其它5 v 元器件应用于同一个印制板上时， 需用另外设计一个电压源电路提供这两个电压以供芯片使用。 3 3m