（通信与信息系统专业论文）cofdm编码调制的fpga设计与实现.pdf

声明 创新性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中刁；包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果：也不包含为获得西安电子科技大学或其 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做了明确的说明并表示t n 意。 本人虢曹绵纪 日期渺川z j 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位沦文的规定，即：学校有 权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文：学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文j 本人签名 导师签名 日期加j 卜h 日期：“啼，l ，z 摘要 本文的研究是配合中国h d t v 广播功能样机系统中的信道编码( c o f d m ) 专 题的研发而进行的，主要工作是使用f p g a 来实现基于c o f d m 的调制器。 本文首先介绍了国内外高清晰度电视发展的概况，阐述了o f d m 原理和高 清晰度数字电视广播系统的c o f d m 方案。 其次，以该方案为基础，重点描述了c 0 f d m 编码调制器的f p g a 设计与 实现，从系统参数分析和设计开始，通过有效位来标记有效数据的方法，采用统 一时钟来设计整个方案，提高设计的稳定性。同时，设计出每个模块的电路框图 并用f p g a 来实现它们，包括分裂器、加扰器、r s 编码、外交织、内编码、比 特交织、符号交织、调制映射和o f d m 帧形成。并且阐述电路测试和验证的步骤、 工具。给出相应的测试方法和验证结果。 最后对o f d m 的特性进行性能仿真，给出一种降低o f d m 信号功率峰平比 的算法。 关键字：高清晰度电视编码正交频分复用f p g a 设计性能仿真 a b s t r a c t t h ew o r ko ft h i sp a p e ri st oi m p l e m e n tc o f d mm o d u l a t o rw i t l lf p g a w h i c h w o r k sw i t ht h er & do ft h ec h a n n e lc o d i n gs p e c i a lt o p i c ( c o f d m ) c o m i n gf r o mt h e r e s e a r c ho fc h i n e s eh d t vb r o a d c a s tf u n c t i o np r o t o t y p es y s t e m f i r s t l y , t h i sp a p e rg e n e r a l l yi n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n to fh d t va th o m ea n d a b r o a d ，a n d e x p o u n d st h ep r i n c i p l eo f t h eo f d ma n dt h ec o f d ms c h e m eo f t h eh d t v b r o a d c a s tt r a n s m i s s i o ns y s t e m s e c o n d l y ，t h i sp a p e re m p h a s i z e so nh o w t od e s i g na n di m p l e m e n tt h ec o f d m c o d i n ga n dm o d u l a t i o nw i t hf p g a b e i n gs t a r t e dw i t la n a l y z i n ga n dd e s i g n i n gt h e s y s t e mp a r a m e t e r s ，t h ew h o l es c h e m ew a sd e s i g n e dw i t hu n i t e dc l o c kb yw a yo f m a r k i n gt h ev a l i dd a t as ot h a tt h es t a b i l i t yo fd e s i g ni si m p r o v e d a l lt h ec i r c u i tm o d u l e a r ei m p l e m e n t e dw i t hf p g ai n c l u d i n gc l o c km o d u l e ，s p l i t t e r ，e n e r g yd i s t u r b ，r sc o d i n g ， c o n v o l u t i o ni n t e r l e a v e ，p u n c t u r ec o n v o l u t i o nc o d i n g ，b i ti n t e r l e a v e ，s y m b o li n t e r l e a v e ， m o d u l a t i o nm a p ，o f d mf r a m es h a p i n g a tt h es a m et i m e ，c o r r e s p o n d i n gt e s ts t e p ， t o o l s ，w a y sa n dr e s u l t sa r eg i v e n a tl a s t ，t h ep e r f o r m a r ! c es i m u l a t i o ni sm a d eo no f d m a tt h es a m et i m e ，a r l a l g o r i t h mi sp r o v i d e dt or e d u c et h ep e a k t o - a v e r a g ep o w e r r a t i oo fo f d ms i g n a l k e y w o r d ：h d t vo f d mf p g ad e s i g np e r f o r m a n c e s i m u l a t i o n 第一章绪论 第一章绪论 高清晰度数字电视技术鼹当今世界上墩先进的图像压缩编码技术和数字通 信技拳豹结合。它代表一个藿寥浆秘技综合安力，蕴藏麓基大翁市场漤力。在致 治，缀济各方面都将对国家的牵土会生活产生深远的影响。鬻此，国际上发达国家 和地区的政府、产业和广播者都十分重视高清晰度数字电视技术的发展。 l 。1 国羚蒿渍酝发逛视的发展现状 数字高清晰魔电视采用全数字方式制作、传输和接收筒清晰度电视节目，能 使接收者从视觉和昕觉上感受到相当于电视台演播室中的节目质量的图象、声 音，没骞重影翻“黉芯”；数字毫褪是集数字蔫号及壤惑处理菝零、数字逶售 技术、计算机及网络技术、微电子技术等高新技术发展予一身的高科投产物。 全数字的高清晰度电视地磺i 传输目前主髅有两种传输制式：( 1 ) v s b 方式， ( 2 ) o f d m 方式。 以美国大联盛( g 矗) 方案为代表的v s b 佟输方式是分予单透带调制与鞠翻载 波双边带调制之间的一种调制方式，其技术比较成熟，在a t s c 的测试中，8 v s b 的总体性能优于3 2 q a m ，因此美阉g a 方案地蕊传输系统选用8 - v s b ，其发展速度 之侠令人滚异。美鬻在1 9 9 3 年藏凌f c c 逶i 妻涣议采嚣a t s c ( a d v a n c e dt e l e v i s i o n s y s t e m sc o m m i t t e e ) 作为美国国家h d t v 标准。美国国会还制定了一个计划，规 定到2 0 0 6 年美国全部的模拟电视要被数字电视所替代。美国企图将a t s c 作为 国琢邋瘸耘准是制定这一计划的缀重要豹接动力之一 欧洲方面提出o f 粥方案与荧国抗衡。o f d m 是一种多载波调副方式，可隧实 现h d t v 的移动接收。d v b 是欧洲d v b 组织联合开发的熬于0 d f m 制式的标准， d v b 主要分成三大类d v b ，t 、d v b c 和d v b - t 。d v b s 茅姐= d v b c 已经成为了 全毽嚣应薅在至鬟鼯有线毫褫隧络中数字宅褫翡传输标准。遗嚣黄瑜d v b t 标 准中用了多载波调制c o f d m ( c o d eo 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 ) 。 目前已有很多国家浆用基于o d f m 传输制式的简清晰度电视标准。 嚣零遣选鼹c o f d m ，毽又投攘叁己熬礤究毒瑟到鼗，予1 9 9 7 年鬟爨了综台 业务数字地面广播i s d b t ( i s d b ：i n t e g r a t e ds e r c i c ed i g i t a lb r o a d c a s t i n g ) 的方案。 d v b t 采用多载波方式调制，它比a t s c 有更强的抗巍化的多径干扰，可以 组成肇频嘲，这样广播电视信号数字化传输臌，能够实现跨越区使用单一频率联 搓，这样能更有效绣穰用频率。d v b t 在藏豫渖予扰方藤，在多频霹辩耱频率使 用率，在有效功率方面稍逊色于a t s c ，但从成用的角度来说它有比较大的优势。 c o f d m 编码调制的f p g a 设计与实现 1 2 我国发展数字电视的进展 我国的电视机生产经历了几十年的发展，已经有了一个很大的规模，生产能 力在世界上处于前列。目前国内市场逐渐趋于饱和，有远见的企业已开始组织力 量开发数字电视机，机顶盒产品。但苦于我国的h d t v 数字电视标准还没有制定， 没有电视台播放h d t v 节目。 我国是研究数字高清晰度电视较早的国家之，经过近十年的研究，经历了 从软件模拟到功能样机研制的发展过程，并于1 9 9 9 年国庆五十周年进行了h d t v 试播，成功地闯出了一条我国自行研制数字电视的新路。数字电视的开发和应用 孕育着一个极大的市场，在国际上强手如林的情况下，如何制订出适合我国的电 视标准，如何开发出具有我国自主知识产权及国际先进水平的各种关键技术，是 关系到我国能否在这新技术领域中占有一席之地，保护国内市场，开拓国际市 场的重大课题。 经过国内科学家和技术专家几年的努力，目前已开发出一批拥有我国自己知 识产权的设备，同时开发出几种适应我国特殊情况的数字电视传输制式，例如“高 清清晰度电视总体组”的8 v s b 和c o f d m ，广科院的q a m 、清华大学的s - o f d m 等制式，目前国内拥有自己知识产权的制式，正在进行测试论证。 我国政府也十分重视国家标准的制定，由广播电视主管单位、国家广电总局 组织了我国的专家对数字电视及数字高清晰度电视的标准进行了制定，目前已经 制定了数字卫星传输标准、数字有线电视传输标准及三十多项数字电视和数字高 清晰度电视的演播室标准。同时正在组织力量进行制订我国地面电视传输标准的 准备工作。超前的标准制定能使我国的数字电视及数字高清晰度电视有序地发 展。 在推动数字高清晰度电视发展的同时，我国政府密切地关注我国的产业发 展，关心着我国的高清晰度电视的显示器及芯片的发展，同时关注拥有我国自己 的知识产权制式的发展，最近出台了在北京、上海、深圳建立数字高清晰度电视 地面广播的实验平台的有关政策，这不仅能积极推动我国自己知识产权的制式的 发展，同时扶持了相关产业的正常发育。 1 3 本文主要内容 本文研究工作来自中国h d t v 广播功能样机系统中的信道编码( c o f d m ) 专 题，该专题研究c o f d m 编解码调制解调技术，在充分研究欧洲d v b t 的c o f d m 调制技术的基础上，对其进行改进，研制适合我国的具有自主知识产权的数字电 视信道编码和调制方案。 本文主要研究内容是对c o f d m 中编码调制部分进行计算机仿真，并进行 第章绪论 f p g a 戆竣诗与实瑷。谂文约结魏安撵翅下： 第一章对国内外的黼清晰度数字电视的发展佧综述。 第二章对o f d m 调制的基本原理进行了理论分析。 第三章阕述了高渍磁度数字电视c o f d m 发射接牧系统方寨。 第霞章这是本文斡蕊点，详细阐述了c o f d m 中编码调涮静实瑗，包括磷流 分裂，加扰，r s 编码，外交织，比特交织，符号交织，卷积编粥，映射和o f d m 频谱形成。 第五牵对o f d m 馥辘送行傣囊，援基一稳洚甄漳乎魄篓法，并绘塞诗雾辍仿 真结果。 4 亟q e q 麓编叠遢制鳇 ! g 逸亟设盏蜜躐 第二章o f d m 调制原理 2 1 o f d m 发展 o f d m 楚耱翠在7 0 年代藏爨爨泉熬并李亍、多虢波谲裁方式，攀麓主要在攀 事上应用，随着d s p 和v s l i 技术发展，近年来o f d m 发展很快。在有线方 褥，a d s l 、v h d s 、h d s l 等蕊速菝入方式彳车为光纾蓟户静过渡褥澍了广泛瘫瘸， 在这些接入方式中都镬蹋to f d m 溺锻方式；鑫无线方瑟，o f d m 在宽带媾埝 中越来越重要，d a b ，d v b t ，i s d b t 等广播标准采用了o f d m ，h 1 p e r 2 等无线局域鼹辍壤也栗盟了o f d m ，髓营数字多媒体技术鲍发矮，o f d m 必然簿 到盥广泛应恩洲”。 2 20 f d m 基本原理 地面电视广播通常使用v h f 砌h f 频段，这个频段的电波穿越城市建筑群域 地形复杂送时会溺散射茅嚣轰鸯孝丽形裁凌鸯手渡帮教瓣渡静合成，溺魏，缝蟊宅褫传 播属于多径传播。数字高清晰度电视( h d t v ) 信号通过地面广播倍邋传播，由多 径效应掰造成静频率选铎经襄藩会引起鹃闽于撬。当这辩干挠严重辩，单靠增蕊 发瓣税功率寒攥藏接牧瓣懿傣噪毖著不憨降低误戳率，鬃用续弼麴正交频分复冀 传输方式，靠多裁波窄带复用的办法可以解决此问题。 2 2 1o f d m 信号表示和实现 正交频分簸用( o 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 ，o f d m ) 是 耱多载波裂铡方淡，其基本惑想是把漆速率的信源信息流通过串并变换，变按成 低速率的n 路并行数据瀛，然后用n 个相互正交的载波进行调制，将n 路调制 螽静信号耦搬采产生发瓣信号。透常情况f ，基带o f d m 谲裁信号胃表示为缓下 形式【6 j ：i 其中 其中 o o r 一1 s 妒| e 啦瓤( # ”t ) | 2 4 1 ) 一1 7 = - - o j f 毒2 。椎t p ，氏) 孽k f t ) 。l。 t 0 o 也e 删s e k f 0 + 毒脚n - 1 ( 2 3 ) e 。：第珏个符号中的第k 个码元 t s ：符号周期 ：第k 个子载波，为最低频率 定义f 。( t ) 为繁n 个符号，帮 一l ( f ) = c 鲋g ( 卜n l ) ( 2 4 ) k = 0 式( i 。1 ) 可表为 s ( f ) = f o ( t ) ( 2 5 ) 由予载波正交，纛赣莛 r , g t ( 啦沁) 础= t + a ( k 一1 ) ( 2 6 ) 因此，解调可通过子载波混颓和积分得到 q ，y j ” s l ( o g ；( o d t ( 2 7 ) q ，。2 攀。 s n f 从上述我们可以得到o f d m 的调制解调简单框图如下 棼 c n , o c n 。n - i 图2 1 0 f d m 谖制 哟 c n , o ： c 珥n - i 蜜2 2o f d m 解谲 o f d m 调制疆求大量子载波时，为实现o f d m 方寨，从成本和技术角度 6 q e 旦m 编码调制曲e 鱼设让当塞班 出发，可采用f f t 来实现o f d m 。这样，避免了直接生成n 个载波时由于频率 偏移而产生的交调，而且采用f f t 技术实现，便于利用v l s i 技术。对式( 2 1 ) 和( 2 4 ) 的低通等效信号进行n 倍于1 t s 采? ，并假定g = 0 。o f d m 可以表为： 只( 呐= 酶n - i 烈阳l 牝书胪o ， ( 2 s ) 得： e ( 神= p 2 叽万t o ni g ，t 糯另= + d f 耳g ，女)( 2 9 ) 由于子载波的频谱相互重叠，因而可以得到较高的频谱效率，其与一般的f d m 的区别可从下图看出( 假定b p s k 载波) w = 2 w _ 3 w o f d m 2 r ，3 捌3r 3 正，3 n = 1 n = 2 n = 3 f d m = 2 r = 2 r f = 2 r 图2 3o f d m 对f d m 功率谱密度 由图可知，n 越大，其频谱形状越接进矩形，频谱利用率越高，原则上可接近 s h a n n o n 界，当n _ 0 0 时，o f d m 可以传的速率接近n y q u i s t 带宽 l i mw = 舰等肚肚n r n _ n + nt 簋三重q e q 世调盥j 匝理 2 2 2 保护问隔 在无线通信中，时延扩展是限制数据速率的主要因素。o f d m 是通过加入保 护间隔来解决这个问题的。 当o f d m 调制信号通过陆地无线信道到达接收端时，由于信道多径效应带来 的码间串扰的作用，子载波之间不能保持良好的正交状态。 假设信道响应为h ( t ) ，信号为s ( t ) ，那么接受信号 r ( f ) = 向0 ) + s ( f )( 2 1 1 ) 当信道不理想时，就会导致载波干扰( i c i ) 和符号干扰( i f i ) ，从离散来看，( 2 ，1 1 ) 可表为 上 f ， 2 委吩j 州( 2 ，1 2 ) 因而为了消除干扰，发送前应在符号间插入保护时间。如果保护间隔6 大于最大 时延扩展m ，则所有时延小于6 的多径信号将不会延伸到下一个码元期间，因 而，有效的消除了码间串扰。理想情况下，保护时间内添零。但考虑到更好对付 i c i ，保护时间内传送下一个符号的最后部分。发送信号可表为： 踟，= f 芝茄纛二 ， 其中 e ( m ) ：乞n - i g ，。p j 2 硪_ 。m _ ，卵：0 ，一1 ( 21 4 ) 去掉保护间隔后得：脚 瓦( 肌) 其中一f ) 为m i 模，n f f t 后得 ( 2 1 5 ) 一，2 f m p 。= c 。 女k = 0 n 一1 ( 2 1 6 ) 因此，o f d m 系统总框图如下 一mf 肛 川删 一 8 q e 旦丛绾舀坷益4 的e 已迅垃让皇实现 i + 羞 收 图25 ：o f d m 系统框图 2 3o f d m 特性 o f d m 作为一种多载波调制方式，0 f d m 可以非常灵活的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。 相对于串行单载波系统，它有很多独有的特性： 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 可以采用频谱开槽的办法来消除同频干扰。即通过频谱成形，将信号 点在有效载波波频带上进行排列，预留出频谱保护带，即在频谱中 开槽。 3 0 f d m 对于采样时间的频偏没有串行传输那样敏感。 4 采用r s + t c m 级连码并辅以交织来对付各种噪声干扰，降低误码率。 5 随着f f t 计算数目的增加，0 f d m 的频带效率接近于n y q u i s t 速率。 o f d m 也有以下缺点： 1 0 f d m 峰值功率与平均值功率比值较高，对发射机线性度要求较高。 2 0 f d m 对于相位噪声、长脉冲干扰要比单载波系统敏感。 麓三童q 旦丛囊堕直塞 旦 第三章c o f d m 系统方案 由于在时交信道中，予傣道谱的多普勒扩展使子信道的正交性戆化能下降， 褥会爱o f d m 接收整号经过f f t 簿复溺爱弓| 起痿遵闯审拣，导系系绞髓爱下降。 因此，o f d m 调制常需要和其他抗信道衰落按术结合起来克服i c i ，改蒋系统性能。 主要的手段体现在两方面：一方面，通过跟踪时变的信邋冲激响应，用均衡来降 低i c h 另一方露结合信道编码技术来提赢在衰落信道中的系统性能，编码的正交 频分篾鞠( 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 ) 是结合了信道编疆 的正变频分复用。它用减少和消除码间串扰o c i ) 的影响来克服信道的频率选择性 衰落。 3 1 方案褫述 我们要实现的c o f d m 信邋编解码与调制解调方案以d v b t 的结构标准为基 本参照戆。透过对d v b 。t 传竣拣准鹣深入磷定移对d v b 。t 接渡援测试缝莱兹分 析，掇据实际的废用环境，提蹴相应的方案，以实现参数可调的发送与接收杌设 备，同时也为制定我国h d t v 地面广播传输体制作技术上的准备。方寨的目标是 在同一硬件平台上实现2 k 和8 kc o f d m 信邋编解码与调制解调方案。 3 1 1 系统框黼 为了可以同时寰现移动和固定业务接收，程发送端首先掇据高低优先级数据的 不霞，分爱器将复羯嚣输出戆磁滚分为嚣个独立戆m p e g 转输、凌。然爱逶逮各叁 的扰硝器、r s 编码器、外交织器、卷积编码器和比特交织器完成信道编码，再通 过映射器将编码后的码流映射到信号的星座上，最后再经过频域交织、o f d m 频 谱形竣、i f f t 、保妒阉骚捶入完蒇正交频分笺弱。 为了保证简单的接收机接收到分层发射酶信号，分层仅限于信道编粥秘调毹， 而未使用分层源编码这样不同的节目可用熙有不同抗扰度的各自码流发射。无 论是接收移动还是潮定业务，接收机仅需一缎互逆的单元：内解交织器、内解码 器、岁 解交缓器、耱解码器、解挠器。唯一对接收褪静醚麓要求是其调秘器的逆 映射器具有从发端映射码流中斌择产生某一弼流的能力。 c o f d m 传输方案发送端和接收端框图如下图所示 剖袭 l 器 i f 放大 加 扰 加 扰 r s 编码 r s 编码 蚕h 呈 制i l 一 外交 织器 外交 织器 保护间 隙插入 卷积 编码 卷积 编码 0 f d m ( f f t ) 去 复 用 符 号 交 织 l 篓h 嚣 一l j 【一 导频及 t p s 信号j !厂卜矿 l 旧咽恼闻 框悯谁 晶振 v c x o r s 解码 解卷 积 交织 t i m i n gs y n c f t c qs y n c 采样钟同步 r s 码 同步 t p s 译码 黧懈 译码ii l = ( b ) 图3 1 数字电视地面广播c o f d m 传输系统框图 ( a ) 发送端框图( b ) 接收端框图 3 2 信道编码模块功能描述 3 2 1 码流分裂器和数据格式变换电路 符 号 交 织 来自m p e g 一2 复用器的t s 码流由固定长度的包构成，其有效长度为1 8 8 字节，其中第一个字节为一个同步字节( 即4 7 h e x ) ，发端处理顺序应自同 步字节的m s b ( “0 ”) 开始。因来自m p e g 2 复用器的t s 码流包含不同优先 级节目和后级用统一的基准时钟处理，需要一个过渡性中间装置来分离高低 优先级两种码流，并按照基准时钟、数据格式输出至加扰器。后级读取数据 的时钟频率为f s ，其中f s 为i f f t 输出符号率，在本方案( 2 k ) 中为6 4 7 m h z ， 熊薹塞q 里丛鎏然疽塞 旦 遨襻不用镂定发送鼗援熬速率，可采瑗一个毫稳定性的本捉，减，l 、了发送溃 时钟相位噪声和频率不稳定健。 3 2 2 数据加解扰 m p e g - 2t s 码流要迸彳亍加解挠，箕数据鸯i 解虢序列由l5 缀线往移使寄存器产 生，连接生成多项式为：f ( x ) = x ”十x “+ 1 。在每八个传送包的开始时将序列 “1 0 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 ”装入p r b s 寄存器使其初始化。在一个八个包长的组中，第 一个氛戆m p e g - 2 阉步字节应运跑霉誓蟹稳，麸4 7 h 变为b 8 h ，这群骰怒笼了绘 解扰器提供一个启动信号。 p r b s 生成器输出的第一个比特应作用于融倒相的m p e g 一2 同步字节( 即 b s h ) 爱兹第一字节中豹第一位。为实现其嗣步，在嚣继款7 个簧送包簸m p e g 。 2 同步字节持续期闻，p r b s 继绥工作，但英输出无效，不对这些字节避行随丰几 化。 3 2 。3r s 编玛 在加扰处理之后，采用t = 8 的截短r s ( 2 0 4 1 8 8 ) 码进行编码。r s 码的生 成多项式为：g ( x ) = ( x + d0 ) ( x + ) ( x + a ”) ，这辍a = 0 2 h ，g f ( 2 。) 域生成多项式为： p ( x ) - ：x 8 + x 4 + x 3 4 - x 2 l 。 3 2 4 卷积交织( 外交织) 霹谈璃璨护包送行滚凄为i = 1 2 熬卷积交缀翔嚣3 2 联示。蔻了实联鞫步， 不论什么情况下部怒将同步字节及倒相的同步字节送至交织器的分支0 ( 相当 于 延时) 。 匿3 2 卷积交织嚣岛去交织嚣原璎稚圈 1 2 c o f d m 编磁调制瓣f p g a 设计等窭堍 3 2 5 豢积编褐( 内编码) 巍缡褥采麓基予6 4 狭恣1 2 弱率静主卷积鹃及箕浚缩豢弑筠，( 2 ，1 ，6 ) 主褥积编码器如图3 3 所示 燮3 3( 2 ，l ，# ) 卷积殍 若使用淹缀分层黉簸，剃霹令乎学黪镲道编鹈鼗每个霹有菇蠡豹码率。藏了 i 2 娼率的主码外，本系统可便用2 3 ，3 4 ，5 6 ，7 8 的 敬缩码鹦枣。 为给解收缩罐供同步信号，每个o f d m 符号韵第一个卷积编码魄特总筵与x ， ( 朱收缩x 输出比特) 对应。 3 2 ，6 态交织器 内交织器由比特层卷积交织和符号屡块结构交织器组成。对不同调制方式比 特交织器有掰不闻，魏黧3 4 掰示莛非分臻6 4 q a m 淹突织器。符譬交织嚣作黧 予t 5 1 2 ( 2 k 模裁) 或6 0 4 8 ( 8 k 模式) 个数据德号块上。 耱交织和葑号交绞 的细节和如何实现见第四章 圈3 , 4内交织原理框图( 非分层6 4 q a m ) 3 3 正交频分复用 3 3 1q a m 映射 在一个o f d m 帧中，所有数据载波使用格雷码映射的q p s k ，1 6 q a m ， 6 4 q a m ，非均匀1 6 q a m 或非均匀6 4 q a m 。 非分层传输：内交织器输出的数据流由v 比特字组成，这些字映射为某一 复数。对q p s k ，v = 2 ；对1 6 q a m ，v = 4 ；对6 4 q a m ，v = 6 。 1 6 q a m 分层传输：高优先级的比特为内交织器输出字的y o ，q 和y l ，q 比特。 低优先级的比特为内交织器输出字y 2 ，q 和y 3 ，q 比特，若此 1 6 q a m 星座被当作q p s k 解码，则可推导出高优先级比特 y 0 ，q 和y j ” 6 4 q a m 分层传输：高优先级的比特为内交织器输出字的y 0 ，q 和y l 。低优 先级的比特为内交织器输出字的y 2 q ，y 3 ，q ，y 4 ，q 和y 5 ，q 比 特。若此6 4 q a m 星座被当作q p s k 解码，则可推导出高 优先级y o ，q 和y l 肿 l 7 i i i 1 0 0 0 0 01 0 0 0 1 01 0 1 0 1 01 0 j f i l l 00 1 1 10 0 00 0 1 0 1 0口0 0 0 10o o n o o o - 5 1 0 0 0 0 i1 0 呻i i1 0 1 0 i ；i ) 】【i0 0 1 0 0 10 0 1 0 l j0 0 0 0 1 i【j 0 0 0 0 l 3 0 0 1 0 i2 i2 f川j 0j id i0 u i 】0 10 0 l i l l 0 0 0 1 1 1 0 0 8 1 0 i 。1 1 0 0 id di l i f t l l 01 0 1 01 0 1 1 0 0 0 口1 1 0 10 0 1 1 1 00 6 9 1 1 00 0 0 1 0 0 7 5 31l357 j 一1 0 1 1 1 0 0 0 i i 【1 0 0 1 0 1 1 00 t 0 1 0 1 l 30 1 l 1 0 10 1 1 10 1 0 1 1 10 1 0 1 0 1 一 一50 1 1 0 0 10 1 1 0 1 1 0 1 0 0 1 1 0 1 0 1 1 0 1 一70 1 1 0 0 00 10 1 0 0 1 0 1 ) 1 00 1 0 0 0 0 图3 5 不分层的6 4 q a m 映射及相应的比特分布图 c o f d m 编码调制的f p g a 设计与实现 3 3 20 f d m 帧结构 3 3 2 10 f d m 帧结构 传输信号每帧由6 8 个o f d m 符号组成，持续期为t f 。每4 帧组成一个超帧， 每个符号由一组持续期为t s 的载波组成。2 k 模式的载波数k = 1 7 0 5 。t s 由持续期 为t u 的有用部分和持续期为的保护间隔两部分组成。保护间隔与有用部分构成 周期性的连续段，它插入在有用部分t u 之前，一个o f d m 帧的符号数为o 6 7 。 所有的符号均含有数据和参考信息。 o f d m 帧结构允许在一个o f d m 超帧内传输一个整数倍的2 0 4 字节长的r s 码字节，因此，无论星座类型、保护间隔长度、码率或信道宽如何，可避免任何 填充的需要。由于o f d m 信号由许多己调制的载波构成，根据已调制的载波的特 性，可依次将每个符号分解为多种不同的单元( c e l l ) ，每个单元对应于一个符号 持续期内对某一载波的调制。 除了所传输的数据单元外，一个o f d m 帧包括： 。散布的导频单元 连续的导频单元 t p s 导频单元 导频信号可用于帧同步、频率同步、时间同步、信道估计和传输模式识别， 也能用于跟踪相位噪声。 3 3 2 2 散布和连续的导频单元 一、功能及衍生 o f d m 帧内的连续导频和散布导频单元( c e l l ) 被调制为接收机己知传输数值 的参考信息。包含参考信息的诸单元是在“提升的”的功率电平上发射的。 在每4 个符号，连续导频单元的位置是一样的，散布导频单元的位置也是一 样的。逐个符号中，有用数据载波的数目是恒定的：在2 k 模式中为1 5 1 2 个有用 载波。 散布的和连续的导频信息的数值由p r b s ( 伪随机二进制序列) 决定，它是一 连串数值，每一个对应于一个传输载波。 二、基准序列定义 按p r b s 序列w k 来调制连续的和散布的导频，w k 对应于它们各别的载波指 示k ，此序列同时控制t p s 信息的起始相位。 p r b s 序列按图3 6 所示： 蔓三童! 壁! 望丛蔓堡直塞 旦 初始化序列 p r b s 序列起始状态：1 1 1 1 1 l l l l l l 0 0 图3 6p r b s 序，0 发生器 将p r b s 初始化，使p r b s 的第一个输出比特与第一个有效载波重合。在每 个使用的载波上( 无论是否导频) 由p r b s 产生一个新的数值。 伪随机二进制序列( p r b s ) 发生器用的多项式为： x ”+ x 2 + 1 三、散布导频单元的位置 由基准序列获得的参考信息，在每个符号内散布的导频单元中传输。散布的 导频单元总在”提升“功率电平上发射。对于指示1 的符号( 范围为0 - 6 7 ) ，其指示 k 隶属于子集 k = k m i n + 3 + ( 1m o d4 ) + 1 2 pl p 为整数，p o ，k e 【k m i n ，k m a x l ) 的诸 载波为导频单元，其中：2 k 模式时，k m i n = 0 ，k m a x = 1 7 0 4 。这里，只要对于k 不超过 有效范围【k r n i n ，k m a x ，则p 为整数，取大于或等于零的一切可能值。 四、连续导频载波的位置 在2 k 模式中插入4 5 个连续的导频。其位置如表3 1 ： 所有连续的导频按基准序列进行调制。连续的导频单元在“提升的”功率电 平上发射。 表3 1 连续导频载波的载波数 连续导频载波位置( 指数号数k ) 2 k 模式 04 85 48 71 4 11 5 61 9 22 0 12 5 52 7 9 2 8 23 3 34 3 24 5 04 8 35 2 55 3 16 1 86 3 6 7 1 47 5 97 6 57 8 08 0 48 7 38 8 89 1 89 3 9 9 4 29 6 99 8 41 0 5 01 1 0 11 1 0 71 1 1 0 1 1 3 71 1 4 01 1 4 61 2 0 61 2 6 91 3 2 31 3 7 7 1 4 9 11 6 8 31 7 0 4 3 3 2 3 传输参数信令( t p s ) t p s 载波用于给出与传输方案参数即与信道编码和调制参数有关的信令。对 2 k 模式，t p s 在1 7 个载波上并行传输。同一符号中的每个t p s 的载波传送相同 c o f d m 编码调制的f p g a 设计与实现 的、差分编码的信息比特。t p s 载波的载波位置为：3 45 02 0 92 4 64 1 35 6 95 9 56 8 8 7 9 09 0 11 0 7 31 2 1 91 2 6 21 2 8 61 4 6 91 5 9 41 6 8 7 。 t p s 载波传送下列信息： a ) q a m 星座图类型； b ) 分层信息： c ) 保护间隔( 用于支持接收机重新配置时的初始响应，而不是用于初始获 取) ： d 1 内编码率： e ) 传输模式( 2 k ，用于支持接收机重新配置时的初始响应，而不是用于初始 获取) ； f ) 超帧中的帧数； t p s 是在称为一个o f d m 帧的、6 8 个连续的o f d m 符号上定义的。4 个连 续的帧对应一个o f d m 超帧。与每个o f d m 帧第一个符号的t p s 载波相对应的 基准序列应用于在每个t p s 载波上t p s 调制初始化。 每个o f d m 符号传送一个t p s 比特。每个t p s 块( 对应于一个o f d m 帧) 包括6 8 个比特，定义为：1 个初始化比特；1 6 个同步比特；3 7 个信息比特：1 4 个用于误码保护的冗余比特。在3 7 个信息比特中，目前使用2 3 个，其余1 4 个留 供将来使用，应置为零。 t p s 传输参数信息应按表3 2 进行传输。 表3 2t p n 传输参数信息 比特数 格式目的内容 从3 5 1 节的p r b s 序列 s o 初始化 中得出 第一和第三个t p s 块 0 0 1 1 0 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 0 s 1 s 1 6 同步字 第一和第三个t p s 块 0 0 1 1 0 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 0 s 1 7 $ 2 20 1 0 1 1 1 长度指示 s 2 3 ，s 2 4 0 0 ，0 1 ，1 0 ，1 l 超帧中得帧数 $ 2 5 ，$ 2 6星座图 s 2 7 ，$ 2 8 ，s 2 9 分层信息 s 3 0 ，s 31 ，$ 3 2 码率，h p 码流 s 3 3 ，s 3 4 ，s 3 5 码率，l p 码流 $ 3 6 ，$ 3 7 保护间隔 蔓三童q ! 旦m 丕箜直塞坚 l $ 3 8 ，$ 3 9 模式 i $ 4 0 ，$ 5 3 0 将来预留 l $ 5 4 $ 6 7b c h 码误码保护 t p s 误码保护中，由原体系得b c h ( 1 2 7 ，1 1 3 ，t _ 2 ) 码推导出收缩得b c h ( 6 7 ，5 3 ，t = 2 ) 码，也就是将1 4 个奇偶校验比特加至含有t p s 同步及信息得5 3 个比特上。码生成器多项式为： 向f x 、= x 1 4 + x 9 + x 8 + 彳6 + z5 + x4 + 爿2 + x + l t p s 单元是在“标称”功率电平上传输的，它传输的能量等于所有数据单元 的平均能量，满足： e 【c 石】= 1 每个t p s 载波用d b p s k 调制，并传送相同的信息。d b p s k 在每个t p s 块的 开始时初始化。 3 3 3 中频调制 基带o f d m 信号为复信号，需经过正交振幅调制将频谱搬移至中频。为减少 正交同相分量非平衡失真，采用数字方式完成中频调制。具体实现如图3 - i 所示： 基槲 r c o s i n e o 尊 中颤h 吉号 图3 7o f d m 中频调制框图 3 4 方案特点 c o f d m 有利于克服多径干扰，实现移动接收。 数据载波调制方式采用6 4 q a m 1 6 q a m q p s k ，固定接收业务采用 6 4 q a m 1 6 q a m ，移动接收业务采用q p s k ，通过分层传输可以同时实现移动接收 和固定接收业务。 前向纠错外码为r s ( 2 0 4 ，1 8 8 ) ，内码为卷积编码( 码率为1 2 ，2 3 ，3 4 ，5 6 ， 7 8 ) ，外交积器为深度i = 1 2 的1 2 1 7 卷积交织，内交织为比特符号交织，有利于 1 8 c o f d m 编码调制的f p g a 设计与实现 对付加性噪声、脉冲干扰及频率选择性衰落。 在传输系统中使用了扰码方法对输入信号进行随机化，有利于信号的正确接 收。 在调制信号中加入各种导频信号，有利于进行接收机中的定时载波恢复和信 道响应估计，有利于实现移动接收和对付动态多径，也有利于接收机得到关于调 制参数的配置信息。 3 5 主要技术特点 采用全数字调制技术，消除正交同相分支不平衡性，保证正交同相支路严格 正交，提高了系统性能。 具有内码交织映射、外码纠错、外码交织等错施，具有很强的抗干扰能力。 信道编码调制器用f p g a 设计，通过修改软件编程可方便地适合不同的系统参数。 箍四童q e 旦嗵编码调制盘设让抱全煎主宝班 1 9 第四章c o f d m 编码调制器设计和全数字实现 目前就技术角度来说，我国和欧美已经在同一起跑线上，并且由于我国时间 拖后，完全可能在他们的基础上制定出起点更高的标准，这里主要是面对d v b t 来设计的，实现是在f p g a 上进行的，只要整个d v b t 编码调制器实现了，那么 任何改动都可通过f p g a 的编程就很容易实现。 4 1 系统参数设计 4 1 1 参数设计思想 第三章已经对c o f d m 各模块作了明了的描述，当要以数字来实现整个调 制系统时，必须结合系统参数进行设计，系统参数主要包括信道带宽，子载波数量， 子载波间隔，保护间隔长度等，这些参数相互影响。实际上系统参数取决于网络 要求，例如网络类型、网络大小等i lj 。 电视广播网信道带宽一般为8 m h z 、7 m h z 和6 m h z ，考虑到o f d m 具有很 好抗多径特性，有利组建单频网( s f n ) 。在单频网中，终端从不同发射台接收同 一信号，由于路径不同，导致多径和时延扩展。网越大，时延扩展越大，要求的 保护间隔就越大。 在c o f d m 系统中，由于保护间隔是信道容量中的无用部分，为了达到最大 比特率，要求a t u 2 0 0 u s ，奁多径巾最长耧簸缝豹路径鍪就胃怒过豹公羹， 这样区域之间霹以缝建大麴s f n 。当最大保护阏蕊跳较小时，剑a = 5 0 u s 孵，农 多径中最长和簸短的路径差就可达1 6 公掇，区域之间可以组建小的s f n 。根据第 三章的系统描述和上述参数设计思想，傣道带宽为8 m h z 时，系统时钟可定义为 f s = 6 4 7 m h z ，从而可褥剿如下表所示的系统参数i 3 j 婵淞1 ： 模式 僖道豢竟 实际占用带宽 o f d m 载波数 数据载波数 学颓载浚数 载波间隔 数据载波调制方式 f 瓣采襻镑速率 脊效符号宽度 绦护趣隙 内码 内交织 外码 外交织 表4 1 传输参数 2 k 8 m h z 7 ，6 1 6 m h z 1 7 0 5 1 5 1 2 1 9 3 4 4 6 k h z 6 4 q a m ，i 6 q a 瓶q p s k g ，i 4 鹾 z 2 2 4 u s 7 u s ，1 4 u s ，2 8 u s ，5 6 u s 卷积鹕 ，2 ，2 1 3 ，3 1 4 ，5 6 ，7 8 ) 魄特交织，箝号交织 r s ( 2 0 4 。18 8 ) 1 2 1 7 卷积交织 4 。2 传输数据率 8 k 8 m h z 7 6 0 9 m h z 6 8 1 7