（通信与信息系统专业论文）atsc8vsb接收芯片中外码系统的设计与实现.pdf

摘要、穹f ?，7 。 ( f 数字高清晰度电视( d i g i t a lh d t v ) 作为第三代电视标准，已成为当今世界 高技术竞争的焦点，将对世界的政治、经济和文化将产生巨大而深远的影响。正 在研制中的我国数字化高清晰度电视地面传输系统的信道编码采用外码为里德一 索罗门前向纠错码( r s 码) ，内码是o f f s e tq a mt c m 或卷积编码所组成的级联 编码，辅以完全的数据交织、为数字h d t v 提供有力的前向纠错能力。由于o q a m 与v s b 采用相同的外码电路，所以本文着重于h d t v 地面广播系统a t s c 的v s b 信道编码中的外码原理及其在专用集成电路芯片( a s i c ) 上的实现。 外码电路包括发射端的数据格式变换、扰码、r s 编码 对应于的数据格式反变换、解扰、r s 译码、去交织。y 本文第一章首先介绍了h d t v 的发展史，对v s b 和o f d 交织，在接收端相 m 进行分析与比较 并从系统上介绍了h d t v 的a t s c 方案，然后对专用集成电路( a s i c ) 设计的发 展及有关技术进行概述。第二章叙述数据格式变换，并阐述其关键部分的实现。 第三章讲述扰码和解扰的理论及相应硬件实现方法。第四章首先对r s 码的编码 和译码进行详细的理论分析研究，提出r s 编译码器实现方法，并从理论上给出 r s 译码的出错指示及其漏警概率的计算，然后介绍r s 码编译码电路的a s i c 实 现，重点描述a s i p 结构及其设计思想，并比较三种译码方案，最后给出实际r s 译码器的a s i c 设计规模和性能。第五章分析交织和去交织方法，以及硬件实现 电路。 本文的主要贡献在于根据y 塑直塞中的技术参数，提出了h d t v 外码中编、 解码的具体算法，并给出了具体的a s i c 实现，尤其是r s 码部分。 a b s t r a c t d i 百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 v ) ，a st h et h i r de r at e l e v i s i o n s t a n d a r d ，h a sb e c o m et h ef o c u so f c o n t e s ti nt h ec o u n t r i e sa l lo v e rt h ew o r l d i tw i l l a f f e c tt h ew o r l d sp o l i t i c s ，e c o n o m ya n dc u l t u r eg r e a t l y c a s c a d i n gc o d e ，w h i c ht h e o 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 rc o d ei so f f s e tq a mt c mo r c o n v o l u t i o n a lc o d e ，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 mo fh 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 g c o m b i n i n gw i t hc o m p l e t ed a t ai n t e r l e a v e ，i tp r o v i d e s p o w e r f u lf o r w a r de r r o r c o r r c e t i o nf o rd i 嘻t a lh d t vs y s t e m b e c a u s eo q a m h a st h e s a m eo u t e rc o d e rc i r c u i t r ya sv s b 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 so ft h eo u t e r c o d ea n da n di m p l e m e n t a t i o ni na 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 s ) o f v s bc h a n n e lr e c e i v e ro f a t s c h d t vt e r r e s t r i a lt r a n s m i s s i o ns u b s y s t e m t h ec i r c u i t r yo fo u t e rc o d e rc o n s i s t so fd a t af o r m a t i o n ，d a t ar a n d o m i z e r , r s e n c o d e r ，a n di n t e r l e a v e ri n t h et r a n s m i t t e ra n dt h e i rc o u n t e r p a r t si nr e c e i v e r ：d a t a r e v e r s et r a n s f o r m e r ，d e - r a n d o m i z e r ，r sd e c o d e ra n dd e i n t e r l e a v e r 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 ed e v e l o p m e n to fh d t v ，a c o m p a r i s o no f v s ba n do f d m ，a n dt h ea t s cs c h e m eo fh d t vi ns y s t e ml e v e l ，a n dt h e nt a l k s a b o u tt h et e c h n o l o g yi n v o l v e di na s i c t h es e c o n dc h a p t e rc o n t a i n st h ep r i n c i p l ea n d k e yi m p l e m e n t a t i o n o fd a t at r a n s f o r m e r i nt h et m r d c h a p t e r t h ep r i n c i p l e s o f r a n d o m i z e ra n dd e r a n d o m i z e ra r ei l l u m i n a t e d ，a n dt h eh a r d w a r er e a l i z a t i o ni sa l s o g i v e n t h ef o u r t hc h a p t e ri sf o c u s e do nt h ea n a l y s i so f t h ep r i n c i p l eo fr s e n c o d i n g a n dd e c o d i n g ，a n dt h ee r r o ri n d i c a t i o na n dt h ep r o b a b i l i t yo fm i s s e da l a r m ，t h e c h a p t e ri sa l s od e v o t e dt ot h ei m p l e m e n t a t i o no na s i c e m p h a s i si sp l a c e do nt h e a s i ps t r u c t u r ea n di t sd e s i g nm e t h o d ，a n dc o m p a r i s o n sa r em a d ew i t ht h r e ed e c o d i n g s c h e m e s a tl a s t ，t h er e a ls c a l ea n dt h ep e r f o r m a n c eo f t h ea s i cd e s i g na r ed e s c r i b e d t h ef i f t hc h a p t e rt r e a t st h ei n t e r l e a v e ra n dd e i n t e r l e a v e r i ta l s oi n c l u d e st h e h a r d w a r e i m p l e m e n t a t i o n t h em a i nc o n t r i b u t i o n s o ft h i s p a p e r a r e p r o p o s i n g t h e a l g o r i t h m a n d i m t ) l e m e n t a t i o n o na s i co fo u t e rc o d ei nh d t v ，e s p e c i a l l yf o rr sc o d e ，a c c o r d i n gt o t h et e c h n i c a lp a r a m e t e r so f v s bs c h e m e 1 1 第一章绪论 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，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 d t v ：d i g i t a lh i g hd e f i n i t i o n t e l e v i s i o n ) 应运而生“，已经成为第三代电视标准( 相对于黑白电视机和普通彩色电视机) 。 h d t v 的推出具有划时代的意义，对于世界的政治、经济和文化都会产生巨大而 持久的影响。 同时，随着电子技术的不断发展与进步，尤其是近l o 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 ) 和现场可编程门阵列( f p g a ： f i e l dp 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“。 本文主要针对美国a t s c h d t v 的v s b 方案并结合芯片设计的实际情况， 说明h d t v 功能样机的地面传输系统中外码部分的原理和具体a s i c 实现方法。 1 1 高清晰度电视的发展历史 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 模拟高清晰度电视 民用上的高清晰度电视的概念最早是由日本提出。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 ，分别在1 9 7 8 年和1 9 8 3 年公布了非 兼容制的h d t v 系统和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 t s a m p l i n ge n c o d i n g ) 制式，并在1 9 8 6 年的c c i r 第1 6 次全会上进行m u s e 的现 场演示。1 9 9 1 年11 月开始的正式h d t v 卫星广播标志着m u s e 技术的成熟。 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，并于1 9 8 6 年成立了e u r e a c a - 9 5 项目 研究h d t v 。不久，欧洲便提出了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 的性能价格比太低，无法充分利 用现代数字技术，所以1 9 9 3 年欧洲已停止了h 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 数字高清晰度电视 全数字h d t v 是以美国为代表的一些国家提出的“。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，很快赶上并超过了日本和 欧洲。在1 9 8 7 年以前，美国基本上支持日本的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 1 月1 7 日，f c c 组建的先迸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 ) 意味着美国h d t v 研究的正式开始。1 9 8 8 年，f c c 曾要求美国a t v 必须与现行n t s c 制式兼容，但随着美国的全数字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，提出了关于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，美国有关公司、研究单位、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、经济和技术三方面包括1 0 个 项目的测试。1 9 9 3 年2 月，a c a t s 给f c c 提交了一份推荐报告，对前期开发 h d t v 的情况进行全面总结，并推荐四种全数字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 4 - 7 1 0 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 希望四种方案能取长补短，综合形成一种最优方案。 1 9 9 3 年5 月2 4 日，“大联盟”( g r a n d a i l i a n c e ) 终于组成，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 1 图像压缩编码采用m y e g 2 标准； 2 1 伴音选定d o l b y a c 一3 ； 3 ) 多种扫描制式的采用。 对于a t s c 的传输制式直到19 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 ，有限电视中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18 , 4 9 v 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。 19 9 4 年第二、三季度，a c a t s 组织了对g a t t 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v h f 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 。 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 标准的测试结果表明：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。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。 由于数字h d t v 的巨大优越性，欧洲于1 9 9 3 年放弃了模拟研制，大力推数 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 n l a u n c h g r o u p ) ，包括11 个国家的1 3 0 多个组织。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 ，拟采用的技术为：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t t d t v 的研究发展情况n “1 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，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。 1 9 8 9 年，国家科委先后批准了“h d t v 软科学研究课题”及“八五高清晰度 电视( h d t v ) 攻关课题”。先后经过一年的时间完成了“h d t v 软科学研究课题”的 研究报告，其主要内容有： 1 ) h d t v 软科学总结； 2 ) 在我国开展广播用h d t v 研究的策略； 3 ) 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”项目主要以计算机仿真为主，目的 是弄清h d t v 广播的技术可行性，包括对压缩编解码技术机理的研究，h d t v 匍j 式的 选择等。通过几年的研究，我国已能运用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，从理论上解决了 有关原理性问题，独立建立了属于自己版权的“h d t v 软件仿真包”。“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h 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。 9 8 年9 月8 日，世界第四台h d t v 功能样机系统在北京宣布诞生并进行了为期一 周的演示，世界同行为之震惊，纷纷来电询问或祝贺。我们承担的8 v s b 方案在项 目鉴定时被评为世界先进、国内领先。h d t v 的研制成功被两院院士评为9 8 年中国 十大科技突破之一。h d t v 将成为我国经济新的增长点，它将极大地提高我国人民 的娱乐生活水平。 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，但还有一 些工作需要进一步深化。 1 2t t d t v 地面传输系统的两大方案n ，1 2 1 5 1 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 rm o d u l a t i o n ) 方案 ( 以a t s c 的v s b 为代表) 和多载波调制( m c m ：m u l t 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，在白高斯噪声条件下，这两种通信方式的性能是一致的。两种方 案的差错控制编码都是采用r s 码、交织、t c m 码联级而成，其本质的区别在 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 1v s b 地面传输系统 复 接 ( b ) 接收部分 图1 2 18 v s b 地面传输系统 v s b 是介于单边带调制与抑制载波双边带调制之间的一种调制方式，其技术 己经比较成熟，在a t t c 测试结果中，8 v s b 总体性能优于3 2 q a m ，故美国a t s c 方案地面传输系统选用8 - v s b ，其地面广播模式整体功能框图如图1 2 1 所示。 8 v s b 传输系统为消除噪声干扰、多径衰落和同频干扰，采取以下措施： 1 ) 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； 2 1 为了消除同频干扰，采用了n t s c 同频干扰抑制梳状滤波器； 3 ) 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。 1 2 2o f d m 地面传输系统 编码正交频分复用( c o d f m ：c o d e do 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 ) 传输，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n 路并行数据流，然后用n 个相互正交的载 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 i n ( + 1 ) 】r 一，月。为n y q u i s t 速率( 2 波特f h z ) ，n 为并行传输的信道数， 因此当n 增加时，频谱越来越集中，直至接近于n y q u i s t 频率，频谱效率也越来 越高。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框图见图1 2 2 。 发送数据 斟 接收数据 辩 一 t c m 解 码 摊h 辩每l i a z v 唪q a m 嚣 嚣 砸刮同h 蠢h 解码 射fl 衡jl 步i i ”j 一 妒 舻 ( b ) 接收部分 图1 2 2c o f d m 的h d t v 地面传输系统 h d t v 中应用的c o f d m 调制方式可认为是一种频域技术，因为所有信号处 理都在频域内完成。在发射端，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。为抵消多径衰落、同频干扰以及各种噪声，c o f d m 采用下列措施： 1 ) 利用在每个信号周期前插入一个保护间隔来对付多径衰落； 2 1 采用频谱开槽的办法来消除同频干扰： 3 1 采用r s + t c m 级联码并辅以交织来对付各种噪声干扰，降低误码率。 1 2 3o f d m 与v s b 性能比较 表1 2 1c o f d m 与8 - v s b 推荐方案比较 性能指标 曩羹c o f d m + _ 二、；。譬8 - v s b 4 。 i 。 、 ： z i 二二j a w g n 门限1 5 正日 1 4 9 d b 抗a w g n r s + t c m r s + t c m 抗冲激噪声较差较好 抗同频干扰o f d m 频谱开槽和频域交织抗m s c 同频干扰滤波器 频带利用率石彘( 6 h h z ) 害( b “h z ) 抗多径干扰加保护间隔+ 信道均衡器 抗长时间时延、强回波的性能 实现复杂度 峰值与平均功率比 对邻频道的干扰 适用于s f n 好 f f t 运算量大 1 2 d 8 较大 易 差( a t s c 推荐的实现方案) 梳状滤波器、多抽头均衡器实 t 现复杂 6 3 d b 导频信号需加频率偏置， 否则干扰较大 不易 v s b 和c o f d m 分属于单载波和多载波的调制系统，也可分别看作是时域和 频域调制方式。多载波调制方式对于时域的冲激噪声有较强的抵抗能力，相反， 单载波调制方式则对于频域的冲激噪声有较强的抵抗能力。作为地面传输系统， c o f d m 与a t s c 推荐的v s b 方案比较见表1 2 1 。 两种方案各有优点，目前很难决定。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a t s c h d t v 方案的地面广播系统，下面将进一步说明。 1 3a t s c v s b 的地面传输系统简介n 7 。2 2 1 1 3 1 为什么采用v s b h d t v 广播中采用v s b 方式，主要有如下几个原因“俐： 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0 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，0 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 一8 v s b 的网格结构比t c m 一3 2 q 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q 低近1 d b 。 a t s c - 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。 地面广播模式的大部分系统可以不必变动或仅需简化即可用于高数据率模式。两 种模式都使用r s 编码、段同步、导频和引导信号。本文主要讨论地面广播模式。 1 3 2 系统信息 a t s c v s b 传输系统按图1 3 1 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 e ( 前向纠错) 的符号组成，即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。 对于a t s c v s b 的准确符号率是： 4 5 2 8 6 z 6 8 4 = l o 7 6 l m z ( 近似)( 1 3 1 ) 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 。= 1 0 7 6 m 符号s - - 8 3 2 符号分段= 1 2 9 3 k 符号s ( 1 3 2 ) k 1s e p e n t = 7 73 芦一 图1 3 1v s b 数据帧格式 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= 3 b i t 符号x 2 3 速率8 2 8 符号= 1 6 5 6 b i t 分( 1 3 3 ) 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x 2 0 7 字节块8 b i t 字节= 3 3 1 2b i t 分段 ( 1 3 4 ) 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 - v s b 。 结合数据分段同步和数据场同步多电平的符号，以抑制载波方式来调制单个 载波。传输之前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 i 5 多余带宽) 以外，得出的频谱是平坦的。 a t s c v s b 传输频谱与n t s c 频谱的关系见图1 3 2 。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，用于载波锁定。导频信号使总信 号功率增加了0 3 d b ，但有助于降低实施中的损耗。这样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。 v s b | | j ? ，7 i，n 视频载波 色载波音频载波 卜l 垄卜l ! 一 频率以删z 为单位 图1 3 2v 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 畦 岵 t舭ll圭l舭上t茹ii干茹l上 ； 沁 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 4 9 d b 的 环境下工作，其比特误码率不超过3 1 0 1 。 1 3 3 发射机功能模块介绍m “2 2 删 一扰码发生器、r s 编码和交织 将在论文正文中详细阐述。 二t c m 编码 x 2n z 2 乙乙乙 r y7 o00 7 x ，* z ， 00l5 0103 1 0l11 loo+ l 旭扣丹# 10l+ 3 110+ 5 if l11+ 7 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，每符号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1 3 3 所示”。 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 3 4 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”。 恒竺邕、， ：章父 8 塑v 忑赢i 卜呻 竺掣 图1 3 4t c m 内交织示意图 三复接 复接就是在编码后的数据码流中插入段、场同步，得到最终的数据帧结构。 段同步是由2 电平的4 个符号组成，它被插入到每段的开头，用来实现符号 同步和段同步，完整的数据段格式如图1 3 5 所示。 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1 3 6 所示，先是一个 + 7 + 5 + 3 + l 一1 3 5 7 图1 3 5 数据段格式 图】3 ，6 场同步结构 长度为5 1 1 的伪随机序列，再是三个长度为6 3 的伪随机序列( 其中第二个p n 6 3 每隔一场反相一次) ，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训练序列。 四导频插入 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一个小的导 频( p i l o t ) 信号。虽然这使发射功率增加了0 3 d b ，但能让接收机的载波恢复的 复杂度大大下降。 五v s b 调制 这里是最能体现v s b 传输方案特点的部分之一。实现v s b 调制的方法有多种， 其中比较理想的是：首先对基带数字信号进行复滤波，得到精确的同相和正交信 号，该滤波过程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 路正交的基带信号经d a 变换器转变到模拟形式，最后在正交的载波上调制到中 频。在中频之后再采用s a p 滤波器进行邻带抑制。 六射频调制 a t s c v s b 发射机的上变频采用与普通n t s c 相同的二级调制方式。第一步对所 有的频道采用同一中频频率，第二级再调制到各自对应的射频频道上。由于h d t v 的频谱利用率较高，为获得与n t s c 发射机相同的服务区，只需常规电视的大约十 分之一的发射功率。 1 3 4 接收机功能模块介绍4 ”，2 2 3 叫 调谐 在调谐器中要进行两次混频。第一本振在0 9 7 g h z 1 7 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 。a t s c v s b 的样机在o 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。 三同步提取 a t s c 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：h 一，一h 。= 0 或h ，= 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。 在这里还要得i 【l 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，只要能指出哪一段是场同步段即可。 四梳状滤波 a t s c v s b 方案抑sf j n t s c 同频道干扰的方法是插入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。因为n t s c 抑制滤波器的插入会改变输 入信号电平的数目，均衡器也要随之作相应的不同处理。 六相位跟踪 它可以将基于导频的中频p l l 未完全消除的相位噪声进一步去除。工作于i 路信号的均衡器输出由一个乘法器进行增益，然后经过滤波器恢复近似的q 路信 号。i 、q 两路信号再送入一个去旋器以去除相位噪声。 七t c m 解码 接收机与发射机相对应采用了1 2 个解码器并行工作，这样可以使n t s c 抑制 滤波器被激活时的码扩散最小。当梳状滤波器不工作时，t c m 解码器是四状态的； 当梳状滤波器工作时，t c m 解码器要变成八状态。 八解交织、r s 解码和去扰码 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。 本文将详细讨论这一部分。 o 1 4 专用集成电路( a s i c ) 设计 1 9 5 9 年设计出来的第一个集成电路( i c ) 只有4 个晶体管，而到了1 9 9 7 年， 一个芯片上可集成的晶体管数目已高达4 0 多亿个。3 0 多年来集成电路技术经历 了小规模( s s i ) 、中规模( m s i ) 、大规模( l s i ) 、超大规模( v l s i ) 阶段，目 前已进入特大规模u l s i ( u l t r al a r g es c a l ei n t e g r a t i o n ) 阶段。 1 4 1 电子系统设计技术的发展过程“1 一手工设计阶段 传统的手工设计方法就是依据所设计电子系统的实际要求，先进行功能划 分，然后对每块电路画出真值表，用卡诺图进行逻辑简化，并写出布尔表达式， 画出相应的逻辑线路图，再据此选择元器件，搭制线路版，最后进行实测与调试。 如果是做集成电路，还必须手工绘制版图，及刻红膜等一系列复杂的手工操作。 这种设计方法使得电路的设计非常复杂、调试十分困难，设计过程中产生大量文 档，管理起来十分不便。对于集成电路设计而言，设计的实现过程与具体生产工 艺相关，没有互换性，只有在设计出样机或生产出芯片后才能进行实测。 二c a d 设计技术 自从计算机出现之后，人们可以借助计算机进行辅助设计( c a d ：c o m p u t e r a i d e dd e s i g n ) ，完成图形输入与编辑工作，并为设计过程提供各个阶段的模拟仿 真手段。对于集成电路版图设计而言，还可以进行设计过程的几何规则检查 ( d r c ：d e s i g n r u l ec h e c k ) 、电学规则检查( e r c ：e l e c t r i c a lr u l ec h e c k ) 。在 后期还进一步实现了自动参数提取、l v s ( l o g i c v e r s u ss c h e m a t i c ) 验证等一系 列辅助手段。c a d 技术的出现使电子系统设计技术向前迈出了一大步。 三e d a 设计技术 到了8 0 年代后期，c a d 技术目益成熟，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 1 e c t r o n i c d e s i g n a u t o m a t i o n ) 时代。 完成从c a d 到e d a 的突破主要体现在一下两个方面： 1 ) 采用硬件描述语言( h d l ：h a r d w a r e d e s c r i p t i o nl a n g u a g e ) 作为设计输 入，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，大大降低设计成本、缩短设计周期。h d l 语言主要分v h d l 和v e r i l o gh d l 两种。 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。 四s o c 与e s d a 设计技术 进入9 0 年代中期后，e d a 技术已趋向成熟，但由于半导体技术的进步，使 原有的设计技术变得落伍。最近几年里，工艺上已经可以把一个完整的电子系统 集成到一个芯片上，因而称为系统芯片( s o c ：s y s t e mo n ac h i p ) 。相应要求提 供系统级设计工具，也就是将e d a 提升到e s d a ( e l e c t r o