（通信与信息系统专业论文）数模兼容有线电视接收机前端的设计.pdf

摘要 本课题主要研究数模兼容有线电视接收机前端的设计，该前端可以与 s t i 5 5 1 8 或s t i 7 0 2 0 配合接收标清或高清数字节目，并兼容模拟电视节目接收。 设计中力求结合最新技术，提供一个低成本、高指标、免调试解决方案，以推动 数字电视接收机的产品化。 电路选用了先进的硅单片集成调谐器m t 2 0 4 0 、单片集成中频放大器m t l 2 3 0 ， 运用了高第一中频的二次变频结构，并且全部使用了表面贴装器件，避免了普通 射频调谐器复杂的结构和大量的外围可调器件，实现高集成度的板上射频调谐 器，在生产中无需人工调试。 鉴于数字电视广播( 如d v b - c ) 与模拟电视广播( 如p a l ) 在一定时期内将 共同存在，为了适应用户的使用需要，解决方案将兼顾两种广播的兼容接收。为 此，系统设计成第二中频可编程，中频信号可软件切换的结构。对于d v b c 信 号，采用单片集成q a m 解调和f e c 芯片，进行直接中频采样，并进行全数字域的 解调和处理，为后端提供基带m p e g 传输流( t s ) ；对于p a l 信号，采用免调试的 单片p l l 解调芯片进行解调，电路简洁，无需外部振荡回路。此外，将模拟的 c v b s 信号转换成数字的d 1 彩色分量数据流供后端的数字化处理和显示，以得到 高画质并提供较完美的屏幕显示。 设计按照有关入网标准和生产要求进行。经实际测量和验证，各项指标达到 设计要求。该设计正在向产品转化。 关键词：d v b c p a l 传输流二次变频直接中频取样q a m a b s t r a c t i nt h i sp r o j e c t ，w ea i mt od e s i g nad v b p ：a lc o m p a t i b l ef r o n t e n df o rc a b l es y s t e m i tc a nr e c e i v es d t vo rh d t vm o d u l a t e ds i g n a l sw i t ht h eb a c k e n ds t i 5 518o r s t i 7 0 2 0t o g e t h e r i tc a l la l s od e a lw i t ht h ep a l s i g n a l s w et r yo i l b e s tt ou s e t h em o s t a d v a n c e d t e c h n o l o g y i no r d e rt o p r o v i d e al o w c o s tb u t h i g h p e r f o r m a n c e ， a l i g n m e n t f r e es o l u t i o nf o rp r o d u c t i o n w ec h o o s ea s i n g l e - c h i ps i l i c o nt u n e rm t 2 0 4 0 w i t had u a l - - c o v e r ta r c h i t e c t u r ea n d a ni fv a r i a b l e g a i na m p l i f i e ri c a l lt h ec o m p o n e n t sw eu s ea r es m d s t h e s ec a n a v o i dt h ec o m p l e xs t r u c t u r ea n da m o u n t so f p e r i p h e r yc o m p o n e n t s ，a n dl e a dt oam o s t i n t e g r a t e do n b o a r d t a r t e rw h i c hn e e d sn o tm a n u a la l i g n m e n t a st h ed i g i t a lt va n dt h ea n a l o gt v m a y b eb r o a d c a s ti nas a l n ec a b l en e t w o r ki n t h en e a rf u t u r e ，t h es o l u t i o nh a st ob ec o m p a t i b l ew i t hb o t ho ft h e m s ow ed e s i g na s y s t e mw i t hap r o g r a m m a b l ef r e q u e n c yo fs e c o n di fa n das w i t c h a b l ei fc h a n n e l w h e n r e c e i v i n gd v b cs i g n a las i n g l e c h i pq a m d e m o d u l a t o rw i t hf e cw o r k s t h e i fs i g n a lw i l lb ed i r e c t l ys a m p l e da n da l lf u r t h e rp r o c e s s i n gi sf u l l yd i g i t a l w h e n r e c e i v i n gp a ls i g n a la n i f p l ld e m o d u l a t o rw o r k s t h ed e m o d u l a t e dc v b sw i l lb e t h e nc o n v e r t e dt od 1d a t as t r e a mb yad i g i t a ld e c o d e r s oi tc a nb ep r o c e e db yt h e b a c k e n da n db ea d d e do no s d t h e d e s i g n i su n d e r g o i n g w i t ht h er e l a t e d s p e c i f i c a t i o n s a n dp r o d u c t i o n r e q u i r e m e n t a f t e r t h em e a s u r e m e n ta n dd e m o n s t r a t i o n ，a l lt h ep a r a m e t e r sa r er e a c h e d t h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s k e y w o r d s ：d v b c ，p a l ，t r a n s p o r ts t r e a m ，d u a l c o n v e r t ，d i r e c ti fs a m p l i n g ，q a m 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和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤盗盘堂或其他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了谢意。 学位论文作者签名 参照丽 签字日期：伊3 年f 月弓，日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨洼盘茔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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名 墨燕肴 导师签名： 孑撩参 签字日期：沙弓年f 月珥日签字日期：d 哆年f 月节日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 模拟电视到数字电视的演进 模拟电视广播系统传送活动图像及其伴音信号，为人们提供视觉与听觉的 双重感受，曾经给人们的生活带来一次革命。这种技术( 包括p a l 制、n t s c 制等) 以其较为完备的系统体制存在了几十年，实践证明，它是有着非凡的生命 力的。 近年来，模拟电视的数字化处理更为其增添了新鲜血液。现代电子技术所 提供的先进手段，使得模拟电视从发送到接收的各个环节都达到了空前的技术指 标。显示器件的工艺水平、解调解码电路的精确程度、图像增强技术的运用都是 如此。可以说，最新的模拟电视技术基本上已经达到了其固有制式所能容纳的性 能极限。 但是随着现代电子信息技术的发展和人们需求的日益增长，传统的模拟电 视正面临极大的挑战。人们正期待着更细致、逼真的图像和高保真且具有临场感 的伴音，同时也期待着更多样化的交互功能和多样化的服务。 作为科技发展的产物，数字电视技术应运而生。当前的数字电视技术，已 经可以提供给我们到达或接近演播室或3 5 毫米电影胶片质量的图像和高保真、 多声道的环绕声效果。 具体的说，数字电视系统在信源部分，运用了数字信号记录、活动图像压 缩编码和音频压缩编码技术；在信道部分，运用了数字信道编码和数字信号的载 波传输技术。与模拟电视相比，这是一套全新的技术。 事实上，基于多年大量的研究、试验，随着有关的国际、国家、行业标准 的制订、成熟，在大量厂商的推动下，新一代的数字电视正以不可抗拒的势头逐 步取代传统模拟电视，并且其自身不断向前发展。 从以下列举的近年来这个领域的一些发展步伐中，我们可以看到模拟电视 到数字电视的演进过程： 1 9 8 0 年c c i r ( 现i t u r ) 制订了6 0 1 号建议草案：演播室电视信号数字 化参数( 电视系统的发送端；信源) 。 1 9 8 2 年德国i t t 研制出一套v l s i ，对模拟电视接收机中的电视基带信号 进行数字处理( 电视系统的接收端；信宿) 。 1 9 8 8 年，c c i t t ( 现i t u ，r ) 制订了h 2 6 1 建议草案：电视电话会议电 视系统。其中活动图像( 视频) 压缩编码算法，是“图像编码4 0 年经验的总结”。 随后制订的国际建议( m p e g 1 、m p e g 2 、h 2 6 3 和m p e g 4 等) 中的视频压缩 第一章绪论 编码算法，都是以h 2 6 1 中的视频压缩编码算法为基础。 1 9 9 1 年和1 9 9 3 年，相继制订了与数字电视发展密切关联的m p e g 1 建议 草案( i s 0 1 1 1 7 2 ) 和m p e g 2 建议草案( i s o1 3 8 1 8 ) ，为世界各国后来制定各自 的数字电视标准奠定了基础。 1 2 各国数字电视的发展过程与趋势 1 2 1 欧洲数字电视的发展过程与趋势 1 9 9 5 年，欧洲1 5 0 个组织合作开发数字视频广播( d v i ) 项目，并成立了 d v b 联盟。d v b 联盟是个由3 0 多个国家的2 3 0 多个成员组成的国际机构。 该机构的首要目标是在全球范围内发展和推广共同的数字电视广播标准。d g b 联盟共同制定了数字电视的d v b ( d i g i t a l v i d e ob r o a d c a s t ) 标准。这是一套有关 电视广播系统大家庭诸多要素的统一标准，其中最引人瞩目的是d v b 数字卫星 和有线电视传输系统的标准。这些标准已作为世界统一的标准被包括中国在内的 大多数国家接受。d v b 标准规定数字电视系统使用统一的m p e g 一2 压缩方法 和m p e g 一2 传输流及复用方法。 1 9 9 6 年4 月法国开始第一个欧洲商业数字电视广播；1 9 9 8 年1 0 月第一个 地面数字电视b b c 的o nd i g i t a l 在英国开播；同年1 1 月英国的卫星数字电 视开播。大概在同一时间段，欧洲的有线网也开始向数字化转换。 从1 9 9 6 年开始，欧洲数字电视市场无论从订户数量还是产值上都有相当高 的增长率。1 9 9 7 年底数字电视用户数只有2 0 0 万，只有4 。4 的拥有电视的家庭 能收看数字电视。到1 9 9 9 年中，欧洲数字电视有了快速发展，其中英国和瑞典 既有卫星和有线数字电视、又有地面数字电视。 在卫星数字电视方面，卫星电视广播的数字化已接近1 0 0 ，几乎所有的欧 洲卫星电视频道都是按d v b s 标准广播。 有线数字化自1 9 9 7 年末以来取得重大进展，到1 9 9 9 年6 月近5 0 0 0 万有线 终端升级为数字传输。 欧洲数字电视频道增加得非常快，达到每年新增1 0 0 个数字频道，到1 9 9 9 年末欧盟已有约4 0 0 个数字电视频道。数字电视频道主要是1 6 ：9 格式数字电视、 p p v 和n v o d 节目，同时有许多节目分类频道( 如电影、体育、记录片、家庭 购物等) 。电子节目指南( e p g ) 、电子商务、电视银行、信息和新闻、游戏、电 视电子邮件、电视互联网接入和交互电视等业务得到了广泛的应用。 根据n t l 的估计，到2 0 0 4 年，英国卫星d t v 用户为7 0 0 万，有线d t v 用户为1 2 0 0 万，地面d t v 用户为3 0 0 万。根据d t g 的估计，到2 0 0 2 年英国 第一章绪论 卫星d t v 用户为5 9 0 万，有线d t v 用户为1 7 0 万，地面d t v 用户为1 3 0 万。 最近英国提出全面普及数字电视的时间表，最早可能从2 0 0 6 年开始，计划在2 0 1 0 年停止模拟地面电视广播，这将取决于：首先数字电视信号必须能够覆盖全国 9 9 4 的人口，其次9 5 的家庭拥有数字电视机或机顶盒等数字电视接收装置。 1 2 2 美国数字电视发展过程与趋势 与欧洲和日本相比，美国对h d t v ( 高清晰度数字电视) 的研究起步较晚， 但是由于它在发展数字电视机方面占有优势，特别是1 9 9 3 年成立的数字h d t v 大联盟( g a ) ，使得它现在在h d t v 的发展中具有举足轻重的作用。1 9 9 4 年2 月，g a 推出了数字h d t v 大联盟制式，它不但吸取了本国各主要数字h d t v 制式的优点，而且从日本和欧洲的研究中得到许多启示，因此标准高，方法灵活。 1 9 9 6 年1 2 月，美国正式批准了由a t s c 委员会制定的主要用于地面广播数字电 视的标准，称之为d t v 。1 9 9 7 年4 月，又颁布实施了数字电视地面广播的时间 表及电视频道分配方案。 1 9 9 4 年6 月底，d i r e c t t v 和u s s b 两个卫星业务的开播，目前主要是d i r e c t t v 和e c h os t a r 在播出。d i r e c tt v 主要是h b o 和d r e a mw o r k sa n d s p o r t s ：e c h o s t a r 主要是p p v 和d i s c o v e r y 的高清晰度电视( h d t v ) 。在市场稳定后的1 9 9 9 年6 月，有9 6 0 万家庭收订卫星d t v 广播；到2 0 0 1 年1 2 月，d i r e c t t v 用户达 到1 0 7 0 万，e c h os t a r 用户达6 0 7 万，总计1 6 7 7 万( 占1 7 左右的家庭) 。 到2 0 0 1 年美国已连接的模拟有线电视用户有6 9 0 0 万，到2 0 0 1 年9 月数字 有线电视用户达到1 3 7 0 万。与此相关，美国的宽带接入互联网业务开展得很快， 2 0 0 2 年1 月通过了c a b l em o d e md o c s i s2 0 标准。北美c a b l em o d e m 数量到 2 0 0 1 年底达8 2 0 万个，估计到2 0 0 5 年可达到1 7 6 0 万个。 根据全国广播机构协会( n a b ) 的统计，到2 0 0 2 年2 月6 闷，在美国8 4 个地面电视广播城市和地区，已有2 4 4 个数字电视台正式播出，d t v 覆盖率已 达7 5 。根据c e s 的统计和估计，美国数字电视机的销售呈稳定增长趋势，到 2 0 0 1 年底，数字电视机的拥有量已达2 2 2 万台。 按照时间表，在1 9 9 9 年5 月1 日以前，美国1 0 个最大城市，包括纽约、华 盛顿、芝加哥等的4 0 多家电视台将播放数字电视节目，覆盖面占美国电视观众 的比例为3 0 。在1 9 9 9 年的1 1 月1 目前，开播d t v 节目的电视台数量将达1 6 0 家，城市的数量将达3 0 个，覆盖面占美国电视观众的比例为5 3 。到2 0 0 2 年， 全美1 6 0 多家电视台全部开播d t v 节目。在这期间，美国数字电视广播和模拟 电视广播同时播放，直到2 0 0 6 年全美将停止模拟电视的广播。 篁二里竺堡 一 _ _ ，_ 一一一 1 2 3 日本数字电视的发展过程与趋势 h 本是数字电视研究与开发起步最早的国家。早在1 9 8 5 年它就建立了1 1 2 5 线、每秒6 0 帧的m u s e 制式。1 9 8 8 年率先在汉城奥运会进行大屏幕h d t v 试 播。1 9 8 9 年，n h k 开始进行面向h d t v 的广播演示，到1 9 9 1 年底，这种广播 每天已定时播放8 小时。s o n y 公司也于1 9 9 0 年底发行了第一盘h d t v 录像带。 日本的m u s e 制式打破了现有电视机的生产模式，h d t v 广播与现有电视广播 并行存在。日本第一台h d t v 接收机体积很大，只适合在百货商店或其它公共 场合使用。随后各公司也致力于开发体积适中的家用h d t v 接收机( 以3 6 英寸 为主) 。由于价格昂贵( 1 台3 6 英寸h d t v 机约8 0 0 0 美元) ，市场推广非常困难。 1 9 9 6 年6 月日本p e r f e c tt v 用c s 卫星开始卫星数字电视广播。2 0 0 0 年1 2 月，开始用b s 卫星进行广播，共有7 套h d t v 节目，3 套标准清晰度电视( s d t v ) 节目和7 套数据广播。计划2 0 0 2 年4 月另颗c s 卫星投入运营。1 9 9 8 年底c s 卫星用户为1 0 0 万；到1 9 9 9 年8 月达到1 6 0 万数字电视用户( 约占电视家庭的 4 ) ，其中s k yp e r f e c t t v 用户为1 3 0 万，d i r e c t t v 用户为3 0 6 万。到2 0 0 1 年 1 2 月，s k yp e r f e c tt v 用户达到2 9 5 万，b sd i g i t a l 用户达到1 0 0 万。根据b p a 在2 0 0 1 年6 月2 0 目的估计，到2 0 0 3 年8 月2 7 曰，卫星d t v 直接收看用户总 数将达到7 1 7 万，通过有线网观看的用户数为2 4 6 万，到2 0 0 3 年1 2 月1 日用户 总数将超过1 0 0 0 万。 h d t v 对推动日本d t v 起到了重要的作用，高清电视机的拥有量已达8 5 万台，加上原来接收m u s e n t s c 的接收机，可接收高清的接收机达2 0 0 万台。 1 9 9 9 年6 月，日本m p t 开放有线电视行业，使外国投资能够进入日本有线 电视。日本的有线d t v 始于1 9 9 8 年7 月，到2 0 0 1 年3 月已拥有1 0 4 8 万用户， 7 0 的c s 卫星用户是通过有线收看卫星电视的。日本计划到2 0 0 5 年有线电视全 部采用光纤，到2 0 1 0 年完成所有有线网的数字化改造。 日本的地面d t v 广播计划于2 0 0 3 在东京、大阪和横滨开始，m p t 计划最 晚在2 0 0 6 年前完成全国覆盖，主要是h d t v 节目，计划到2 0 1 1 年关闭模拟电 杠l 。 1 2 4 我国数字电视的发展过程与趋势 中国在数字电视领域一开始便与科技先进的发达国家保持同步。1 9 9 5 年中 央电视台开始利用数字电视系统播出加密频道，利用卫星向有线电视台传送4 套加密电视节目。1 9 9 6 年开始通过卫星传输数字电视信号。卫星既能发送模拟 信号也能发送数字信号。目前，几乎所有省市的电视台都上了卫星，发送的都是 数字信号。 兰= 望堡笙一 一一一 1 9 9 8 年9 月，我国研制成功第一套数字高清晰度电视系统，成为继美国、 欧洲和日本之后世界上第四个拥有数字高清晰度电视地面广播传输系统的国家。 在9 月8 日至1 2 目的5 天时间里，中央电视塔利用这套系统试发射了数字电视 节目。 国庆5 0 周年庆典上，我国也在北京试播了高清晰度数字电视a 这次试播所 使用的制式为d v b - - t 和a t s c 两种，并通过试播实地考察测量它们的性能指 标，为最后确定我国数字电视h d t v 制式提供第一手资料。 1 3 我国数字电视发展的战略规划 从数字电视的发展趋势来看，我国数字电视发展大致可分为三个阶段。 第一阶段，2 0 0 3 年以前 这阶段数字电视的有线广播国家标准尚未完成，数字电视的产业链还无法 形成，不可能进行大规模的数字电视产业化。 在这一阶段，市场的热点在于电视台的设备更新与升级，这是数字电视产业 化的先行者。在s d t v ( 标准清晰度数字电视) 制作播出设备大规模进入电视台 的同时，h d t v ( 高清晰度数字电视) 制作播出设备也开始进入大型电视台。 各地有线数字电视广播处于试验阶段，同时许多企业试图进入有线电视运营 业，力求抢占市场先机，争取有线电视用户资源。 科研机构和一些企业研制有自主知识产权的符合数字电视标准要求的关键 技术和关键元器件，这些核心技术将在未来拥有巨大的市场潜力。 第二阶段，2 0 0 3 2 0 0 5 年 我国主要城市的有线数字电视产业化开始启动。主要城市中s d t v 开始大 规模的进入家庭，普通模拟电视也可以通过加装机顶盒来实现数字电视的功能。 在一些发达地区，人们开始逐渐接触h d t v 。这一阶段有如下特点： 由于电视台设备更新速度很快，这一阶段电视台设备更新升级韵需求依然很 大，并且h d t v 的制作播出设备所占的比例逐渐增加。 有线数字电视在我国的大中城市开始商业化播出，一些发达地区开始播出 h d t v 节目。数字电视完整的产业链逐渐形成，数字电视对节目的内容、信息服 务等的需求使增值业务有了很大的发展，在经过初期的资金推动和政府支持后， 内容提供商、服务提供商和网络运营商将在数字电视产业中发挥越来越重要的作 用。 s d t v 和h d t v 开始逐渐进入家庭，拥有数字电视产业核心技术的企业开 始显现其竞争优势。 第三阶段，2 0 0 5 2 0 0 8 年 第一章绪论 我国主要城市将逐步普及数字高清晰度电视的商业播出。城市中h d t v 成 为电视机产品消费的主流。这一阶段有如下特点： 在数字电视播出前端，h d t v 制作播出设备所占的比重进一步增加，在一些 主要城市，将成为设备更新的主流，这些地区h d t v 开始普遍进入家庭。人们 对电视的要求迸一步提高，拥有数字电视产业核心技术的企业优势突显，机遇掌 握在那些拥有核心技术并不断创新的企业手中。 数字电视给广播电视带来了新的活力，在市场经济中又给广播电视开展增值 业务提供了较好的手段。数字电视不仅拉动制造业，促进信息化发展，而且为广 播电视的持续发展提供了极大的空间。 总之，数字电视在世界各国都在迅速发展，与之相关的技术研究正在紧锣密 鼓的进行。我们的课题研究正是为了适应这一需要，为数字电视在我国的普及做 出实践。 6 篁三翌塑兰堕塑塑堡塑查垄兰里! 壁：竺塑茎 一 一 第二章数字电视的传输方式与d v b c 概要 2 1 数字电视的三种传输方式 数字电视信号的传输可以利用卫星、有线、地面等不同的媒体，因此通常可 以分为地面无线传输、卫星传输、有线传输三种不同的传输方式。 我们知道，模拟电视在这几种信道上的传输采用的是同一种调制方式。对于 数字信号的载波传输来说，则需要并且可以针对不同信道制定较为理想的传输方 式。 我们以d v b 为例说明这个问题。 对于卫星信道来说，相对而言，它具有可用频带宽、功率受限、干扰大、信 噪比低的特点。这就要求采用可靠性高的信号调制方式，信道编码要有较强的纠 错能力，而对带宽要求不是特别高。因此d v 8 一s ( d v 8 中针对卫星传输的规范) 采 用包括v j t e r b i 编码、交织、r s 编码及加扰等信道编码方式，利用正交移相键控 ( q p s k ) 的调制方式把频带信号馈给卫星链路，接收时进行相反的处理。 对于电缆有线信道来说，相对而言，它具有信嗓比高、频带资源窄、存在回 波和非线性失真的特点。这些特点要求d v b - c 采用带宽窄、频带利用率高、抗干 扰能力较强的调制方式。同时，由于信道信噪比高，误码率较低，纠错能力要求不 很高。因此，d v b c 的信道编码采用r s 码和卷积码交织技术，调制方式采用正交 幅度调制( o a m ) 。 另外一种信道就是地面广播信道。地面广播信道的特点是：地形复杂、存在 时变衰落和存在多径干扰、信噪比较低。因此d v b t 采用包括内码交织、内码 v i t e r b i 编码、外码交织、外码r s 编码的信道编码方式，并采用能有效消除多 径干扰的正交频分复用( c o f b l f i ) 和格雷码映射4 1 6 6 4 q m 等调制方法。然后在 原来用于模拟的6 m h z 、7 m h z 和8 m h z 的频带内发送数字电视节日。d v b - t 发送的 比特率是可变的。例如：在6 m h z 频带可在3 。7 2 3 。8 m b i t s 比特率之间进行选 择：在8 m h z 频带可在4 9 3 i 7 m b i t s 比特率之间进行选择。以适应不同的接 收环境、如移动接收应适当降低发送的码率。 2 2 三种传输方式在我国的应用情况 我国卫星数字电视已于1 9 9 6 年确定标准并成功播出，基本上采用的是d v b s 的标准。由于我国限制个人直接接收卫星数字电视节目，所以目前是由有线 电视台集中接收数字电视信号，并将其转化为模拟信号通过有线网络传输给广大 第二章数字电视的传输方式与d v b ，c 概要 _-_一一 用户收看的。但是为了普及广播电视的覆盖，今后会在这个方面加大投入。 2 0 0 1 年国家广电总局已颁布行业标准有线数字电视广播信道编码和调制 规范，该标准等同于d v b c 标准。行业标准的制订有利于我国有线数字电视的 推进。 我国有线数字电视的发展基础较好，很多城市建立了较为完善的有线电视 网，播放和接收设备正在迅速普及，很多设备已经有了国产的能力，因此播出所 需的投入成本较小，部分大中型城市已经进行了试播。加上有线数字电视因不受 国家政策限制，同时很多有线电视服务提供商正在积极开展业务，所以在今后一 段时期内，有线电视数字广播将会迅速扩大、普及。这也是为什么我们的课题主 要研究实用的d v b c 接收机的设计的一个原因。 地面数字电视正在安排试验播出，国家也正在组织力量进行可行化研究并制 定我们自己的标准。预计2 0 0 3 年确定标准，2 0 0 4 年就可以正式播出；地面数字 电视播出综合成本很高，普及速度可能相对较慢。 但是预计在我国举办的2 0 0 8 年奥运会必将促进数字电视的快速发展，不论 是卫星，还是有线、地面无线都会面临前所未有的发展良机。 目前，针对这种发展，世界上一些大的厂商正在积极推出各自的接收机解决 方案，涌现出了一大批针对数字电视有线接收机的低成本高功能的产品开发平 台。我们的课题就是在这些平台的基础上，开发适合我们消费者需求的产品，并 且使我们的设计更贴近实用、贴近生产，为推动有线数字电视接收机的商品化做 出努力。 2 3d v b c 规范概要 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。d v b 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。 d v b 标准的核心是：系统采用w i 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 f 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 播节目的系统业务信息用( s i ) ；系统的第一级信道编码采用r s 前向纠错编码 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；使用通用的 加扰方式以及有条件接收界面。 d v b c ( e t s3 0 04 2 9 ) 数字有线广播电视系统标准以有线电视网作为传输介 质，应用范围广。它具有1 6 、3 2 、6 4 、2 5 6 q a m 等多种方式。采用6 4 0 a m 正交调 幅调制时。一个p a l 通道的传送码率为4 1 ，3 4 m b s ，还可供多套节目复用。系统 第二章数字电视的传输方式与d v b c 概要 前端可从卫星和地面发射获得信号，在终端需要电缆机顶盒。 d v b - - c 针对电缆传输定义了帧结构、信道编码和调制方式。如图2 一l 描述 了系统发送端的信号流程。 图2 1 9 笙三兰塑兰皇塑塑堡塑查茎量里堡：皇塑塞一 在系统的发端，本地m p e g 一2 节目源产生m p e g 一2 传输复用包。 按照5 f i p e g 一2 传输层的帧结构，每1 8 8 字节形成一个数据包，一个字节用来 进行包同步，三个字节的包头包含服务标识、加扰和控制信息，其后的1 8 4 个字 节用来传输m p e g 一2 或附加数据。 d v b c 发送端的信号流程可以分为信道编码、字节到符号映射和q a m 调制三 个主要环节。 23 1 信道编码 由于有线电视传输信道的途径较短，信号衰减较小，且受到的外界干扰也较 小，因此d v b c 系统中的误码比较轻。为了针对数字信号的电缆传输获得适当成 度的差错控制能力，d v b - c 系统中只采用了一级纠错编码和一次交织。纠错编码 采用r s 码，交织采用卷积交织“1 。 1 、同步反转与数据扰乱 数字通信理论在设计通信系统时都是假设所传输的比特流中0 与“1 ”出 现的概率是相等的，各为5 0 ，实际应用中的通信系统以及其中的数字通信技术 的设计性能指标首先也是以这一假设为前提的。但t s 码流经过编码处理后，可 能会在其中出现连续的0 或连续的“1 ”。这样一方面破坏了系统设计的前提， 使得系统有可能会达不到设计的性能指标，另一方面在接收端进行信道解码前必 须首先提取出比特时钟，比特时钟的提取是利用传输码流中“0 ”与“l ”之间的 波形跳变实现的，而连续的“0 ”或连续的“1 ”给比特时钟的提取带来了困难。 为了保证在任何情况下进入d v b 传输系统的数据码流中“0 ”与“1 ”的概率都能 基本相等，传输系统首先用一个伪随机序列对输入的t s 码流进行扰乱处理。伪 随机序列是由一个标准的伪随机序列发生器生成的，其中0 与“1 ”出现的概 率接近5 0 。由于二进制数值运算的特殊性质，用伪随机序列对输入的t s 码流 进行扰乱后，无论原t s 码流是何种分布，扰乱后的数据码流中的“0 ”与“l ” 的概率都接近5 0 。扰乱改变了原t s 码流，因此在接收端对传输码流纠错解码 后，还需按逆过程对其进行解扰处理，以恢复原t s 码流。 另外，从信号功率谱的角度看，扰乱过程相当于将数字信号的功率谱拓展了， 使其分散开了，因此扰乱过程又被称为“能量分散”。 为了保证与m p e g - 2 标准的兼容，d v b c 传输系统中的数据扰乱和r s 编 码都以m p e g 一2 的t s 包为基本单位进行处理。数据扰乱以8 个t s 包的数据为 周期进行，每8 个t s 包数据加扰后伪随机序列发生器重新进行一次初始化，初 始化序列为“1 0 0 1 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 ”。为了使接收端的解扰器能同步地进行初始化， 以便正确地对数据解扰，需在每8 个t s 包的头部加入特殊的指示信息以指示解 第二章数字电视的传输方式与d v b - c 概要 扰器何时对其中的伪随机序列发生器进行初始化，解扰器的初始化序列同样为 “1 0 0 1 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 ”。在d v b c 传输系统中这个特殊的指示信息是将第一个t s 包的包头( 即4 7 h ) 按比特取反，变成b 8 h ，这过程称为同步反转。 由于t s 包的头要用作后面的r s 编码的码宇同步，因此t s 包头不被扰乱。 在传输第一个被反转的t s 包头时，伪随机序列发生器要进行初始化，因此没有 输出：而传输随后的7 个t s 包头时，伪随机序列发生器继续工作，但产生的伪 随机序列不被输出，因而这7 个t s 包头也不被扰乱。这样从伪随机序列发生器 生成的用于扰乱t s 数据的伪随机二进制序列( p r b s ) 的周期就为1 8 8 字节x 8 - l = 1 5 0 3 字节，如图2 2 所示。 图2 2 由于二进制异或运算的特殊性，数据扰乱器和解扰器的结构是完全一样的 加扰和解扰的处理过程也是完全相同的。加解扰器的结构如图2 - - 3 所示。 初始序列 数据括八 图2 3 伪随机序列发生器是由一个1 5 个寄存器组成的移位寄存器，加扰解扰处 理通过二进制“异或”运算实现。 需要指出的是，即使在系统没有数据输入或数据不符合m p e g 一2 传输流结构， 随机化的处理也不要关闭，这是为了避免未调制的载波产生有害的辐射。 2 、里德一所罗门( r - s ) 编码 纠错编码采用r s ( 2 0 4 ，1 8 8 ，t = 8 ) 码，它是由r s ( 2 5 5 ，2 3 9 ，t = 8 ) 截短而得到的， 第二章数字电视的传输方式与d v b - c 概要 编码效率为1 8 8 2 0 4 0 9 2 ，可以纠正一个r s 码字内的不超过8 个字节的误码。 选择这一r s 码字长度完全是为了与m p e g 一2 的t s 包兼容，即每一个t s 包独立进 行r s 编码保护，生成一个r s 码字，r s 码字的同步头就采用t s 包的包头或取反 的t s 包头。这样设计有两点好处：1 ) 当某个r s 码字在接收端解码时出现无法 纠正的错误时，误码集中在一个t s 包中，不会影响到其它的t s 包，便于分接器 进行差错指示；2 ) 便于分接器提取t s 包的同步，简化了t s 包同步提取系统结 构。 需要注意的是，1 6 个字节的校验数据是由包括t s 同步或反转同步在内的整 个t s 包的数据生成的，也就是说r s 编码保护的作用范围也包括t s 同步在内。 这一r s 码的纠错性能为：当交织深度i = 1 2 时，只要输入误码率小于2 1 0 1 ， 经过r s 解码后的误码率可达1 0 。1 ，即“准无失真”的水平；而当采用无限字节 交织时，只要输入误码率小于7 1 0 1 ，经过r s 解码后的误码率即可达到“准无 失真”的水平。 3 、卷积交织 数据交织采用卷积交织方案，交织深度i = 1 2 ，即具有1 2 个分支支路。交织 器与反交织器在原理上是一样的，但在支路延时上正好相反，如图2 4 所示。 0 馨2 i | ql ：严黼f 鏊 i ，? 驾。 d i 团i “1 旷卜1 壁竺塑堡j ”： 图2 - - 4 可以看出，如果将交织器与反交织器直接联结起来，各条支路的时延就都为 一个恒定值，等于数据通过1 7 1 1 个字节的移位寄存器所需的时间。因此经过 交织与反交织后数据帧的结构和顺序并没有改变，只是延时了一个固定的时间， 即通过1 7 1 1 个字节的移位寄存器所需的时间，但前提是交织器与反交织器必 须同步工作。所谓交织器与反交织器的同步是指它们同时从第n 条支路开始，按 照相同的顺序依次循环向各支路输入数据和从各支路输出数据。 交织过程是这样的：r s 编码码字向第0 第1 1 支路依次循环输入数据，每 2 第二章数字电视的传输方式与d v b c 概要 条支路每次输入一个字节；交织后的数据按相同的顺序从各支路中输出，每条支 路每次输出一个字节。r s 码字的同步头永远从第0 支路，即无延时支路传送。 这样交织后的数据流依然保持了r s 码字的同步和长度，为反交织的同步进行打 下了基础。 反交织过程是这样的：将输入的交织数据流中识别出的第1 个r s 码字的同 步输入到第o 条支路，以此为起点依次循环向后面各支路输入数掘，每条支路每 次输入一个字节；反交织后的数据按相同的顺序从各支路中输出，每条支路每次 输出一个字节。 r s 码字的长度是交织深度的整数倍，2 0 4 字节1 2 = 1 7 字节，即每个r s 码字 在各支路中要占用1 7 个字节的寄存器( 无延时支路除外) 。因此个支路移位寄存 器的存储器要以1 7 个字节为基本单位，为1 7 个字节的整数倍。 23 2 字节到符号映射 由于发射端在卷积交织之前以及接收端在卷积反交织之后，信息都是以二元 比特的形式呈现，为方便计算，在具体处理时以8 个二进制构成的字节为单位进 行。而在进行2 m q a m 调制解调时，每个调制符号要与m 个比特进行映射，即每 次调制解调要以1 1 1 个比特为单位进行。因此要在字节与i l l 位符号之间进行转换、 映射。 d v b c 系统中所规定的字节与m 位符号之间的映射方式是这样的：符号z 的 最高位应对应于字节v 的最高位，相应地，该符号的下一个有效位应与字接v 的 下一个有效位对应。对2 m q a m 调制，这一映射应将k 个字节映射到1 3 个符号中， k 、m 、r l 间的关系为：8 k = m x n 以6 4 - q a m 为例，每3 个字节被转换为4 个6 - b i t 的符号，k = 3 ，m = 6 ，n = 4 。 2 3 3 2 a m 调制 1 、差分编码 为了获得2 旋转不变的q a m 星座图，在q a m 调制前须进行差分编码。差 分编码对每个m 位符号的最高两位进行，如图2 5 所示。 图2 5 中，q = m 一2 。对1 6 q a m ，q = 2 ；对3 2 q a m ，q = 3 ；对6 4 q a m ，q = 4 。m 位 符号的最高位a k 与次高位b k 经过差分编码器生成i k 和q k ，差分编码的布尔表 达式如下： ，七= ( o & ) ( a $ i k 一1 ) + ( o 取) ( o 绞一i ) 绋= 巧：百习( 巩。醯一1 ) + ( ao b k ) ( & o 一1 ) 塑三童堑主皇塑丝堡塑塑壅兰里呈：妄塑些 i k 和q k 与i n 位符号中的未经差分编码的低q 位数据共同映射成一个q a m 星 座点。 q d n 帅 、 映射 a f m 明。 2 f o r1 8 q m q = 3 f o r 驼q a m 4 d r 0 4 口a m 图2 5 以6 4 q a m 为例，其星座图映射方式如图2 - - 6 所示。 6 4 q a m q 1 0 1 1 咎凹1 d 。a1 0 哕69 鬯州0 8 l 0 8 1 1 0 1 咎1 1 0 0 | k qk = 1 0 。 o 口1 a i a 帅l o l lo q l a o l l i o k q k 20 ( 1 0 1 1 咎1 0 1 1 日1 0 0 8 11 a 智10000 1 0 1 o 咎1 0 1 0 占1 瞽1 瑚学1 口d 0 1 00 0 0 0 1 1o o o l l l o 9 0 1 1d 0000 1 0 l o 眇1 0 1 0 日1 0 0 2 o 。智。o 留0 2 1 0 。o 翌0 1 智1 o o 0 1 咎o 酱1 1 1 。留1 1 1 掣o 拶0 0 1c oo o l 洲i 】1 口l 】dj j d l 】j1 1 0 0 1 1 1 1 0 0 1 0d 】d 0 0 l 口i n n l l0 1 1 0 l l 0 1 1 0 0 1 00oo oooo 1 1 1 1 1 口l l l l 儿1 1 1 0 1 11 1 1 0 1 09 1 口1 0 1 口l d l l i 口1 1 1 1 1 0 1 1 1 0 l ik qk = l1 。o。 ooooo ik qk ：0 1 1 1 1 0 01 1 1 l o l1 1 1 0 口l 1 1 1 0 g d0 1 0 1 0 00 1 0 1 1 00 1 1 l l o 口1 1 1 0 0 ooooo ooo 图2 6 2 、基带成形 根据奈奎斯特准则可知，如果信道呈现一个截止频率数值为信号波特率数值 一半的理想低通滤波器，就可以消除基带信号的码间串扰。在工程实现中，采用 满足一定条件的具有滚降特性的低通滤波器同样可以达到这个目的。 第二章数字电视的传输方式与d v b c 概要 升余弦滤波器就可以满足这一要求，通常用做成型滤波器。 在实际的系统里，这个成型滤波器是有发送滤波器和接收滤波器共同组成 的，成为匹配滤波器。因此d v b c 系统中发端的基带成形滤波器采用平方根升余 弦滤波器，滚降系数a = o 1 5 。 d v b c 规范