（通信与信息系统专业论文）dvbt系统中内编解码模块的软件仿真与fpga实现.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 数字电视按传输方式分为地面、卫星和有线三种。其中，d v b s 和d v b c 这两个全球化的卫星和有线传输方式标准，目前已作为世界统一标准被大多数 国家所接受。而对于地面数字电视广播标准，经国际电讯联盟( n u ) 批准的 共有三个，包括欧盟的d v b t ( d i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t i n g - t e r r e s t r i a l ，数字视 频地面广播) 标准、美国的a t s c ( a d v a n c e dt e l e v i s i o ns y s t e mc o m m i t t e e ，先进 电视制式委员会) 标准和日本的i s d b - t ( t e r r e s t r i a li n t e g r a t e ds e r v i c e sd i g i t a l b r o a d c a s t i n g ，综合业务数字广播) 标准。综合比较起来，欧洲的d v b t 标准 在技术及应用实践上都更加成熟。 本论文首先介绍了d v b t 系统的主要结构，针对d v b t 标准中各模块的 实现进行了阐述，并根据发射机端各个模块讨论了接收机端相关模块的算法设 计。 随后，论文给出了基于m i c r o s o f tv i s u a ls t u d i o2 0 0 5 平台实现的数字电视基 带信号产生与接收的软件仿真系统的总体设计流程，重点讨论了内编解码器和 内交织解交织器的算法与实现，并在实现的多参数可选的数字电视基带信号产 生与接收软件仿真平台上，重点分析了内编解码模块在接收端v i t e r b i 译码算 法中采用硬判决、简化软判决以及不同调制方式时对d v b t 系统整体性能的 影响。 最后，论文讨论了内码译码算法的实现改进，使得v i t e r b i 译码更适合在 f p g a 上实现，同时针对逻辑设计进行优化以便节省硬件资源。论文重点讨论 了对幸存路径信息存储译码模块的改进，比较了此模块三种不同的实现方式带 来的硬件速率和资源的优劣，通过利用4 块r a m 对幸存路径信息的交互读写， 完成了对传统回溯算法的改进，实现了加窗回溯的译码输出，同时实现了回溯 长度可配置以实现系统不同的性能要求。 关键词：d v b - t ；内码；v i t a b i ；硬判决；软判决：f p g a ；加窗回溯 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s tr a c t a c c o r d i n gt ot h et r a n s m i s s i o nm e a n su s e d , d i g i t a lt e l e v i s i o n si n c l u d et e r r e s t r i a l s y s t e m ，s a t e l l i t es y s t e ma n dc a b l es y s t e m c u r r e n t l y , 蠲t h eg l o b a l i z e dt r a n s m i s s i o n s t a n d a r d s ，d v b sa n dd v b ch a v eb e e na d o p t e db ym o s tc o u n t r i e si nt h ew o r l d f o rt h et e r r e s t r i a l d i l g i t a l v i d e ob r o a d c a s t i n gs t a n d a r d , i n s t e a d ，i n t e r n a t i o n a l t e l e c o m m u n i c a t i o n su n i o n ( 1 1 r u ) r e c o m m e n d st h r e es t a n d a r d si n v o l v i n ge u r o p e a n d v b t ( d i g i t z l v i d e ob r o a d c a s t i n g t e r r e s t r i a l ) 柚e r i c a aa t s c ( a d v a n c e d t e l e v i s i o ns y s t e mc o m m i t t e e ) a n dj a p a n e s ei s d b - t ( t e r r e s t r i a li n t e g r a t e ds e r v i c e s d i g i t a lb r o a d c a s t i n g ) c o m p a r e dw i t ht h eo t h e rt w ot e r r e s t r i a ls t a n d a r d s ，d v b - ti s p r o v e dt o b em o r em a t u r ef o rb o t ht h et e c h n i q u eu t i l i z e da n dt h ep r a c t i c a l a p p l i c a t i o n t h i st h e s i ss t a r t sw i t has t r u c t u r ei n t r o d u c t i o no fd v b ts y s t e m ，p r o v i d i n gt h e e l a b o r a t i o no fa l lt h em o d u l e si n v o l v e di nt h et r a n s m i t t e rs i d ea n dt h ed i s c u s s i o n so n t h ei m p l e m e n t a t i o na l g o r i t h m so ft h ec o r r e s p o n d i n gm o d u l e si nt h er e c e i v e rs i d e s e c o n d l y , t h eg e n e r a ld e s i g nf l o wf o rt h eb a s e b a n ds i g n a lg e n e r a t i o na n d r e c e p t i o ns i m u l a t i o ns o f t w a r ep l a t f o r mi m p l e m e n t e db a s e do nm i c r o s o f tv i s u a l s t u d i o2 0 0 5i sp r e s e n t e di nt h et h e s i s ，丽t ht h ee m p h a s i so i lt h ea l g o r i t h ma n d i m p l e m e n t a t i o ni n v e s t i g a t i o n o ft h ei n n e r c o d i n g d e c o d i n g a n di n n e r i n t e r l e a v i n g d e i n t e r l e a v i n gm o d u l e so fd ts y s t e m i na d d i t i o n ，o nt h eb a s i so f t h e i m p l e m e n t e dd i 百t a l t e l e v i s i o ns i m u l a t i o n s o f t w a r ew i t ht h ec h a n g e a b l e p a r a m e t e r s ，t h et h e s i sf o c u s e so n t h ea n a l y s i so ft h ei n f l u e n c eo nt h eo v e r a l ld v b - t s y s t e mp e r f o r m a n c ee x e r t e db yt h eh a r dd e c i s i o na n ds o f td e c i s i o n su t i l i z e di nt h e v i t e r b id e c o d i n gm o d u l e sa sw e l la sd i f f e r e n tm o d u l a t i o ns c h e m e s f i n a l l y , t h ei m p r o v e m e n ti nv i b e r b id e c o d i n ga l g o r i t h mo fi n n e rd e c o d i n g m o d u l ei sd i s c u s s e di nt h et h e s i ss oa st om a k e 也ev i t e r b id e c o d i n gi sm o r ef e a s i b l e t ob ei m p l e m e n t e do nf p g a m e a n w h i l e ，t h el o g i cd e s i g ni so p t i m i z e dt os a v et h e h a r d w a r er e s o u r c er e q u i r e d f o c u s i n go nt h ei m p r o v e m e n ti nt h ea l g o r i t h mo f s u r v i v a lp a t hi n f o r m a t i o ns t o r a g em o d u l e , t h et h e s i sc o m p a r e st h r e ed i f f e r e n t i m p l e m e n t a t i o ns c h e m e so f t h em o d u l ef r o mt h ev i e w p o i n to f h a r d w a r er e s o u r c ea n d 西南交通大学硕士研究生学位论文第m 页 t h r o u g h o u t f u r t h e r , t h et r a d i t i o n a lb a c k t r a c k i n ga l g o r i t h mi si m p r o v e d i nt h i st h e s i s b yw r i t i n ga n dr e a d i n gt h es u r v i v a lp a t hi n f o r m a t i o ni nt u r nt h r o u g h4r a m a s a r e s u l t ，t h ew i n d o w i n gb a c k t r a c k i n gd e c o d i n go u t p u t i sa c h i e v e da n dt h e b a c k t r a c k i n gd e p t hc a nb ec o n f i g u r e dt os a t i s f yt h ed i f f e r e n ts y s t e mp e r f o r m a n c e r e q u i r e m e n t s k e yw o r d s ：d v b - t - i n n e rc o d e ；v i t e r b i ；h a r dd e c i s i o n ；s o f td e c i s i o n ；f p g a ； f 砌d o wt r a c eb a c k 西南交通大学： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规 定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将 本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和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在5 年解密后适用本授权书： 2 不保密击，适用本授权书。 学位论文作者签名：掰夕勿u 日期：二场年月专日 指导教师签名：。却煎 日期：力厢銎年4 月弓日 西南交通大学曲南父逋大字 学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下独立进行研 究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其 它个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个 人和集体，均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结 果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： ( 1 ) 基于d v b t 标准，主要针对各个模块的算法进行软件仿真实现， 课题组在m i c r o s o f tv i s u a l s t u d i o2 0 0 5 平台上搭建软件仿真系统。同时针对 不同内编码、内交织参数设置和不同移动环境，获取系统性能仿真结果并 进行相关分析，重点分析了内编解码模块在接收端v i t e r b i 译码算法中采用 硬判决、简化软判决以及不同调制方式时对d v b t 系统整体性能的影响。 ( 2 ) 论文讨论了内码译码算法的实现改进，使得v i t e r b i 译码更适合 在f p g a 上实现，从优化逻辑设计和实现复杂度考虑，重点分析了幸存路 径信息管理模块的实现方式，并可达到对系统不同的性能要求实现回溯深 度可选，提供了测试方案和仿真波形验证。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 本章介绍了课题的研究背景及意义，并对国内外发展现状进行了研究，概 括了d v b t 系统的优点，最后阐述了本文课题的研究目的及主要内容。 1 1 课题研究背景及意义 电视技术正面临着它问世以来最根本的革命，即向着数字化和高清晰方向 前进。数字电视( d i g i t a lm 是从电视信号的采集、编辑、传播、接收整个广播 链路数字化的数字电视广播系统。数字电视广播技术随着数字通信技术的迅猛 发展也日渐成熟【l 鼬，4 】。数字电视信号按信号传输方式分类，数字电视可分为地 面无线传输数字电视( 地面数字电视) 、卫星传输数字电视( 卫星数字电视) 、有线 传输数字电视( 有线数字电视) 三类【5 6 1 。 在数字电视广播三种方式中，卫星数字电视和有线数字电视的基本传输体 制和标准已经相当成熟，相关市场应用和产品也极为丰富。但是地面数字电视 广播的传输环境恶劣，地面广播信道面临的干扰最多，也最严重，尤其是多径 的时延和幅度的变化速度远比卫星和有线电缆信道复杂，其标准在各国仍有极 大的争议，特别是在提高固定接收的稳定性以及移动接收的性能等方面都有很 大的改进潜力。 地面数字电视广播系统是使用最广泛的，特别适用于地域广大、广播网较 复杂的国家。地面数字电视系统是专门针对地面无线信号覆盖而设计的。基于 地面数字电视标准的实现技术，使用的频段也是传统的i m f f 广播频段， 目前有3 个主流的国际标准：d v b t ，a t s c ，i s d b t 。a t s c 只在美国、加拿 大使用，i s d b t 只在日本采用。而d v b t 系统是欧洲数字视频广播( d ) 组织开发的，由于能够实现移动数字电视运营而受到广播业者的青睐和广泛的 使用。数字地面电视标准d v b t 是系列标准中最为复杂的传输系统。1 9 9 7 年 3 月，它被e t s i 正式纳入数字电视传输标准系列嗍。截至1 9 9 9 年，d v b t 至 少在1 7 个国家被定为数字电视地面广播的正式标准，包括欧盟中的1 5 个国家、 澳大利亚等。从全世界范围来看，欧洲的数字电视标准( d v b s ，d v b c ，d v b ，i ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 已经被大部分地区所采用，并且其中的卫星数字广播d v b s 和有线数字电视广 播d v b c 两个标准也成为了我国广播业事实上的标准。所以在研究地面数字 电视广播系统时，d v b - t 标准相对i s d b t 和a t s c 标准更具有通用性和广泛 性【9 】。 本课题的研究和实现正是基于d v b t 传输标准，依据标准实现地面数字 电视传输信道的编码解码，调制解调器的软件仿真和f p g a 硬件实现。 针对欧洲数字电视地面广播标准d v b t 展开研究，基于m i c r o s o f tv i s u a l s t u d i o2 0 0 5 平台实现基带信号产生与接收的软件仿真系统，同时基于f p g a 平 台来实现基带信号产生与接收部分模块的实现讨论。作为整个课题的一个组成 部分；笔者主要研究d v b t 系统中的内编解码、内交织解交织和基带调制 解调等子模块展开算法设计、实现方法和性能分析方面的研究，获取基于 m i c r o s o f t v i s u a ls t u d i o2 0 0 5 平台实现的软件仿真系统，同时在f p g a 平台上实 现内码译码端的硬件设计，以及系统性能仿真结果和分析结果，本课题具有现 实的理论意义和实用价值。 1 2 国内外研究现状 在近十余年中，数字电视地面广播( d 1 m ) 已达到了实际应用阶段。从 1 9 9 8 年1 1 月北美和欧洲已经开播d t r b 节目，许多国家宣布了它们的d t t b 制式选择和实现计划。目前，有三种d t t b 传输标准【9 i o l ： 1 高级电视系统委员会( a d v a c n e dt e l e v i s i o ns y s t e m sc o m m i t t e e , a t s c ) 研发的格形编码的八电平残留边带( t r e l l i s c o d e d8 - l e v e lv e s t i g i a ls i d e - b a n d ( 8 v s b ) ) 调制系统。 2 数字视频地面广播( d i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t i n g t e r r e s t r i a l ，d v b t ) 标 准采用的编码正交频分复用( 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 ， c o f d m ) 调制。 3 地面综合业务数字广播( t e r r e s t r i a li n t e g r a t e ds e r v i c ed i # t mb r o a d c a s t i n g , i s d b t ) 采用的频带分段传输( b a n d w i d t hs e g m e n t e dt r a n s m i s s i o n ，b s t ) 正交 频分复用o f d m 。 自从有了多个d t t b 系统以来，许多国家和行政部门现在忙于选择d t t b 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 系统。每个国家都有其自己的特点和需求，d t r b 系统的选择必需基于一个调 制系统如何更好地满足特定的要求，例如，频谱资源、方针政策、覆盖范围和 传输网络结构、接收条件、所需业务类型、节目交换、消费者和广播业者的成 本，等等。 表1 1 国际数字电视标准主要参数 系统 a ：r s c8 v s bi s d b - tb s t o f d md v b tc o f d m 视频 i s o i e c1 3 8 1 8 2 ( m p e g - 2 视频部分) 主类语法 源a t s c 标准 i s o i e c1 3 8 1 8 7 i s o m c1 3 8 1 8 2 编 音频5 2( e g - 2 a a c 音 ( m p e g 2 音频 码( d 0 1 b ya c 一3 ) 频) 第二层) 和d o l b y a c 3 传送码流i s o l 3 8 1 8 1 ( m p e g 2t s ) 传送码流t s 数据 1 6 比特伪随机二进制序列 随机化 信 信道r s 道 外码( 2 0 7 ，1 8 7 ，t = 1 0 ) r s ( 2 0 4 ，18 8 ，户8 ) 纠外码交织 5 2r s 块交织1 2r s 卷积交织 错 信道 2 3 码率格形码 缩短卷积码，码率：i 2 ，2 3 ，3 4 ，5 6 ，7 8 码 内码 1 2 ：1 格形码频率交织和时间 内码交织频率交织 交织交织 8 电平残留边 1 3 个频率分段的正 编码的正交频分 调制方案交频分复用 带调制8 v s b复用c o f d m b s t - o f d m 信 均匀调制 8 - v s b ，q p s k , d p s k ,q p s k , 16 q a m ， 道 1 6 v s b 16 q a m ，6 4 q a m 6 4 q a m 调 分级调制 1 3 个分段上多分辨率星座图 制三种不同的调制 16 q a m ，6 4 q a m 保护间隔o f d m 符号的1 3 2 ，1 1 6 ，1 8 ，1 4 载波数单载波2 k , 4 k , 8 k2 k , 8 k a t s c 数字电视标准是高级电视系统委员会a t s c 开发的。a t s c 系统是为 了在单个6 m h z 频道中传输高质量视频和音频( 皿) 以及辅助数据而设计 的，用于地面广播和有线分配系绑l l 】。它能够可靠地在6 m h z 地面信道中传输 1 9 4 m b i t s 的数据吞吐量，在有线电视信道中数据吞吐量为3 8 8 m b i t s 。有两种 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 有效的操作模式：8 - v s b “地面同播模式便于更好地抵抗n t s c 干扰；1 6 - v s b “高码率模式 主要用于更干净的有线信道。此系统可以抵抗许多类型的干扰： 现存的模拟电视节目、白噪声、脉冲噪声、相位噪声、连续波和无源反射( 多 径) 。系统也提供更高的频谱效率和更容易的频率规划。此系统使用单载波调制 方案，l l p j k 电平残留边带( 8 v s b ) 调制，用于单发射机( 多频网m f n ) 实现 9 1 。 a t s c8 - v s b 系统的主要性能列于表1 1 。 d v b t 系统是欧洲公共和私人组织的协会数字视频广播( d i g i t a l v i d e o b r o a d c a s t i n g ，d v b ) 开发的。对于地面广播，此系统在现存的已分配给 模拟电视传输的u h f 频谱内广播。虽然系统是为8 m h z 频道开发的，但能用 于任何频道带宽( 6 、7 、8 m h z ) ，只是相应地改变数据容量。8 m h z 信道内传 输的有效净比特码率在4 9 8 3 1 6 7 m b i t s 范围内，取决于信道编码参数、调制 类型和保护间隔的选择。系统设计本质上要具有内在的适应性，以便能够适应 所有的信道。它不仅能够处理高斯信道，而且也能适应r i c e a n 和r a y l e i g h 信道。 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。通过f f r 处理，系统在每个信道 调制中使用了巨多的并行载波，称为正交频分复用( o f d m ) 。它有两种操作模 式：“2 k 模式一和“8 k 模式 ，分别使用2 k 和8 k f f t 运算。系统可以选择不同 的q 舢v l 调制级数和不同的内码码率，也允许两层分级信道编码和调制。此外， 宽度可选择的保护间隔隔离了各个传输符号，允许系统支持不同的网络配置， 例如大范围的s f n 和单发射机网( m f n ) 。“2 k 模式适用于单发射机广播， 以及具有有限发射机距离的小的s f n 网。“8 k 模式既能用于单发射机广播， 也能用于小的和大的s f n 网。d v b tc o f d m 的主要特性列于表1 i o n 。 i s d b t 系统是日本无线电工商业协会( a s s o c i a t i o no fr a d i oi n d u s t r i c s a n d b u s i n e s s e s ，a r i b ) 开发的。i s d b ( 综合业务数字广播) 是一种打算提供多媒 体节目的新型广播。系统是为地面( i s d b t ) 和卫星( i s d b s ) 广播开发的 1 3 1 。 因为i s d b 概念覆盖了各种服务，因此系统不得不面对各种需求，而且一个业 务可能和另一个业务是不同的。为了综合不同的业务需求，系统提供了可选择 的调制和误码保护方案和灵活的组合，以便面对这些综合业务的每种需求。对 于地面广播，系统设计了足够的适应性来传输电视和声音，以及提供多媒体节 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 目，包括各种数字信息的综合，例如，视频、音频、文本和计算机程序。它也 瞄准了紧凑的、轻便的和廉价的移动接收，以及用于家庭的完整接收。系统采 用的调制方法称为频带分段传输( b s t ) o f d m ，由一组共同的称为b s t 段的 基本频率块组成。每段的带宽为b w 1 4 m h z ，这里b w 指的是地面电视信道带 宽( 6 、7 或8 m h z ，依赖于所处地区) 。在o f d m 特性之外，b s t - o f d m 对不 同的b s t 段采用不同的载波调制方案和内码编码码率，依此提供了分级传输特 性。每个数据段有其自己的误码保护方案( 内码编码码率、时间交织深度) 和 调制类型( q p s k 、d q p s k 、1 6 q a m 或者6 4 q a m ) ，那么每段能满足不同的 业务需求。许多段可以灵活地组合到一起，提供宽带业务( 例如皿) 9 1 。 i s d b tb s t - o f d m 系统的主要特性列于表1 1 。 自2 0 0 1 年4 月起，中国国家广电总局便开放数字电视广播系统的规格建议 书的提交，并已在2 0 0 1 年1 0 月开始在北京、上海及深圳三地进行数字地面广 播标准的测试工作，在2 0 0 2 年至2 0 0 3 年间测试完成之后，开始进行最后标准 的制定，中国各方面提交的地面数字电视标准呈现出清华大学与上海交大的两 种标准对垒之势。我国国家标准化委员会发布了数字电视地面广播传输系统 帧结构、信道编码和调制国家标准。据悉，该标准采用的是三方融合的方案， 即将清华大学的d m b t 标准、上海交大的a d t b - t 标准和广播科学研究院 t i m i 三种标准组成融合方案，从2 0 0 7 年8 月0 1 日正式实施 i o , 1 4 。 1 3 本文研究内容及章节安排 本论文主要针对欧洲数字电视地面广播标准d v b t 展开研究，主要完成 了以下两个方面的工作： 首先，论文基于d v b t 标准，在v i s u a ls t u d i 0 2 0 0 5 平台上实现了数字电视 基带信号产生与接收软件仿真系统。作为整个课题的一个组成部分，本文重点 研究了内编解码器以及内交织解交织器等模块，针对不同内编码、内交织参 数设置以及不同移动环境，给出了系统性能的仿真结果并进行了相关分析。 其次，论文还针对内码解码器进行了f p g a 实现以及测试。基于f p g a 平 台，论文重点讨论了卷积码译码器幸存路径信息存储管理模块的实现以及算法 的选择，同时进行了逻辑设计的优化从而节省硬件资源。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 论文后续章节安排如下： 第二章介绍了d v b t 系统模型和系统组成框图，并对模块算法实现方式 做了简单介绍，重点介绍内码部分的内容，并给出系统接收端模型，为下章搭 建系统的发射和接收的软件仿真平台提供基础。 第三章讨论了在m i c r o s o f tv i s u a ls t u d i o2 0 0 5 环境中实现d v b t 系统的基 带信号产生和接收的软件仿真平台，介绍了设计流程，以及软件仿真平台的多 参数可选。笔者主要完成了d v b t 系统中的内编解码、内交织解交织和基带 调制解调等子模块的算法设计、实现方法和性能分析方面的研究，在本章中在 此多参数可选的仿真平台基础上，重点分析了内码模块中不同的调制方式、不 同的内码译码硬判决、简化的软判决方法对系统的r s 码译码端的输出数据的 性能的影响。 第四章给出了d v b t 系统中接收机端的内码译码模块的v i t e r b i 译码器的 f p g a 实现与测试，简单介绍了译码器各个模块的传统实现方法，重点分析比 较了幸存路径信息存储译码模块的三种实现方式在硬件资源和译码吞吐率上的 优劣，详细说明了笔者对该模块的实现过程，包括模块的电路框图、实现说明、 仿真波形等，最后给出此v i t e r b i 译码器的测试分析，提供a s i c 设计的原型。 最后是结论与展望，总结了本文的主要内容，并对今后的工作做出了展望。 ： 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 2 1d v b t 系统 第2 章d v b t 系统概述 d v b t 标准对应的发射机系统如图2 1 所示，系统主要由信道外编码、信 道内编码、基带调制、o f d m 等部分构成，具有2 k 和8 k 两种工作模式。d v b t 发射机系统还允许不同级别的q a m 调制、不同的内码码率、两级的分层通道 编码和调制、均匀和非均匀两种星座映射方式、不同长度的保护间隔等吆- s 1 。 图2 - 1d v b - t 发射机系统框图 发射机系统涉及的主要模块包括： 能量扩散：利用伪随机序列与输入码流异或对输入数据随机化处理。 外编码：采用r s ( 2 0 4 ，1 8 8 ) 编码，具有很强的纠错能力，可纠正8 个字节的 突发错误。 外交织：采用1 = 1 2 ，m = 1 7 的卷积交织，使交织之前在一个r s 包中的字 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 节交织后不出现在同一个r s 包中，与r s 编码配合使信道外编码的纠正突发错 误的能力大大增强。 内编码：采用码率为1 2 的主卷积码，主卷积码可以进行收缩而产生2 3 、 3 4 、5 6 、7 8 等多种卷积码率的删余卷积码。 内交织：为了降低接收机中连续突发错误对译码器的影响。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。 星座映射：包括q p s k 、1 6 q a m 、6 4 q a m ，映射方式均匀和非均 匀，t ；t = l ，2 ，4 。 导频及t p s 插入：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系统模式和参数。 o f d m ：一般是采用i f f t 实现o f d m 调制，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。 2 2d v b t 系统发射机组成 根据d v b t 发射机系统组成，以下将各个模块的功能和实现方式作进一 步说明l 涧。 2 2 1 外码模块 能量扩散 d v b t 采用的加解扰方式可以由下面的两个公式描述： g = s o p ( 2 1 ) r = g o p = s o p o p = s ( 2 2 ) 其中，s 是输入数据；p 是伪随机序列；g 是加扰的输出序列；r 是解扰的 输出序列。 图2 2 所示为信号加扰解扰器示意图。在m p e g 2 传送复用器后，系统的 输入码流应由固定长度的包构成，m p e g - 2 传送复用( m u x ) 总包长为1 8 8 个字 节，其中包括一个同步字节( 即4 7 r m x ) 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 伪随机二进制序列( v r b s ) 生成器的多项式应为： l + x 1 4 + x 1 5( 2 3 ) 初始化序列 100101010000000 1 23 4 567891 01 11 2 1 3 1 4 1 气i l旧r 厂1 j 0 0 0 0 0 0 1 1 j i、r 、一 原始，随即化教据输入 数据输入( m s b ) 在先：1 0 1 1 1 0 0 0 x x x x x x 殛 p r b s 序列：0 0 0 0 0 0 1 1 图2 - 2 加扰解扰器示意图 如图2 - 2 所示，在每8 个传送包的开始，将初始化序列“1 0 0 1 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 n 装入p r b s 寄存器，给解扰器提供一个初始化信号，每8 个包组中，第一个传 送包的m p e g - 2 同步字节是将4 7 m x ( s 】j w c ) 逐比特倒相为b 8 m ! x ( s r n c ) 。此 过程称为“传送复用自适应【堍- 1 7 】。 外编码 d v b 标准中规定，系统的外编码采用缩短的r s ( 2 0 4 ，1 8 8 ，t = 8 ) 码， 码生成多项式为 g ( x ) = ( x + 钟) ( 工+ 刀) ( z + 矛) ( 工+ z 5 ) ( 2 - 4 ) 其中允= 0 2 脚，域生成多项式为 p ( 功= x 8 + 石4 + x 3 + x 2 + 1 ( 2 5 ) 在r s ( 2 5 5 ，2 3 9 ，t = 8 ) 编码器输入端的信息字节前，可增加5 1 个全零字节来 实现收缩r s 码。经r s 编码程序后，将这些无用字节删除，由此，产生出n = 2 0 4 字节的r s 码字。 外交织 d v b 标准中规定，系统的外交织采用卷积交织，交织深度i - - 1 2 。图2 3 所示为外交织器及解交织器的原理图。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 为了同步，觥字节和丽字节总应指向交织器的0 分支( 对应于零延 迟) 。原则上，解交织器与交织器相同，但其分支指数相反( 即j = o 对应于最大延 迟) 。将第一个识别出的同步( 删或丽) 字节指向0 分支，可同步解交织 器。 2 - 2 - 2 内码模块 图2 3 外交织器及解交织器原理 d v b t 发射机系统允许不同阶数的q 蝴调制、不同的内码码率、两级的分 层通道编码和调制、均匀和非均匀两种星座映射方式、不同长度的保护间隔。 d v b t 发射机系统框图如图2 1 。其中内码模块由内编码、内交织、星座映射组 成【l 哑t 幻。 图2 4 码率1 2 的主卷积编码器 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 表2 1 多码率的删余模式 码率r a t e删余模式输出序列 x ：l 1 2五k y ：1 x ：1 0 2 3五x k y ：1 1 x ：1 0 1 3 4 五k k 墨 y ：1 l o x ：1 0 1 0 1 5 6五k 】：五匕墨 y ：1 1 0 1 0 x ：1 0 0 0 1 0 1 7 8五墨艺k 五k 冯 y ：1 1 1 1 0 1 0 内编码 内编码采用码率为1 2 的主卷积码，其卷积编码器的实现原理如图2 4 所 示，主卷积码可以进行删余而产生2 3 、3 4 、5 6 、7 8 等多种卷积码率的删余 卷积码，其算法实现框图如表2 1 所示。 内交织 内交织的加入是为了降低接收机中连续突发错误对v i t e r b i 译码器的影响。 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) 。不同的调制方式有不同的交织模式，如图2 5 所示为在非分层传输模式下输入比特到输出比特调制符号的映射，分层传输模 式下的示意图可参见标准文献 1 5 】，图2 - 5 中串并变换器在q p s k 、1 6 q a m 和 6 4 q 从, i 三种模式下分别变成并行的2 、4 和6 路比特流，串并变换满足下列条 件。 在非分层传输模式下， 嘞= q 西， ( d i v x ，2 ) + 2 d i ( m o d ) ( v 2 ) 】，d i ( a i v ) 1 ， ( 2 6 ) 在分层传输模式下， _ x 磊；( r o o d ) 2 , d i ( d i v ) 2 ( 2 7 1 ) 一t 叉磊= q 西( m o d ) 一2 ) 】( 删( ( ，一2 ) 2 ) + 2 d i ( m o d ) ( ( v 一2 ) 2 ) 】+ 2 ，访( 鼯i ) o 一2 ) ( 2 7 2 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 其中是非分层模式下卷积编码后的数据流，和分别是分层模式下 高优先级和低优先级支路上卷积编码后的数据流，b 是串并变换后的数据流。 旭吨彗一攀i 叫瑶： 变换陋叫丽丽删琴i 射b o o o , d o 1 ，_i l ，山卜，、 2 舯n 口t a o o , a o 1 ，。 r i 比特父烈番l u x l ， 卑 并 b 1 岛b 1 1 卅。比特交织器i l a i , o ，a 1 1 ， 符号 了o o d 2 也 交织 y 1 d ，y 1 ， 映 7 k e 啊 变换 b 撕k l k j i i ，址六扪q 口1 a 2 j o a 2 i ， 器 射 i m f z 比特燹纵器1 2 y 1 o ，y 3 o b 3 岛b 3 1 墟ii d + 1 ，1t ：t dt a 3 肪a 3 i ，。 r l 比特父纵器1 3 d n md o 1 l - 山 p z n t a o o , a o 1 ，。 7 i 比特父玖裕j u b t o ，b 1 1 k ih l + ，、c 扪1 1 口t ， a 1 o , a 1 1 ，。 7 i 比特父玖器l l x l ： 串并 b 撕眩l ，i i “ n b a 2 肪a 2 i ， 符号 阢村父珉嵛1 2 交织 y o ，y 1 ， 映 变换 b 3 肪b 3 1 。- h t l + ， p ，j nn 口t a 3 岛a 3 i ，射 r i 比特父纵器1 3 0 ，队l ka 4 1 ，。 交织器1 4 ，t 1 5 1 一。 a 5 i ，。 玖葡d 5 在非分层传输模式下输入比特到输出比特调制符号的映射 串并变换后的数据流进行比特交织。比特交织块的大小是1 2 6 比 特此在2k模式下，每一个ofdm符号的有效数据在块交织中重复12次 (12bits)，在8k模式下，每个ofdm符号重复48次(6048bits)。对每个比 特器，其输入比特矢量为： = ( 也，o ，包1 ，也。1 2 5 ) 8 ) 式e y ，y 为调制级数。 交的比特向量表示为 ) = ( a e , o , 口e 1 ，a “2 5 ) 9 )其 吃以( w ) ，1 ，1 2 5 1 0 ) h w ) 是置换函数，对不同的交织器置换函数也不同。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 1 0 ：h o ( w ) = w 1 1 ：h l ( w ) = ( w + 6 3 ) m o d 1 2 6 1 2 ：h 2 ( w ) = ( w + 1 0 5 ) r o o d 1 2 6 ，3 ：日：( w ) = ( w + 4 2 ) m o d1 26(2-11) 1 4 ：日4 ( w ) = ( w + 2 1 ) m o d1 2 6 1 5 ：日5 ( w ) = ( w + 8 4 ) r o o d 1 2 6 比特交织每1 2 6 个比特就循环置换一次，y 比特交织器的输出的集合组 成了数字数据符号，使得具有y 个比特的每个符号正好由y 个交织器给出的y 个比特组成。因此比特交织器的输出是一个y 比特字，其输出为 y ：i ，= 【口o ，w ，6 1 。1 ，口卜l ，w ) ( 2 1 2 ) 符号交织是把比特交织器输出的y 比特数据流组成的符号映射到o f d m 符号子载波上。在2 k 模式下，1 2 组1 2 6 个符号；8 k 模式下，4 8 组1 2 6 个符 号。交织后的符号向量表示为 y = o ，y l ，少幔一1 ) ( 2 一1 3 ) 满足 奇数符号：妇( g ) 2 蟛 9 2 0 ，i 1 一，二一1 偶数符号：儿2 y 刍( g ) 窖2 0 ，1 ，二一1 o f d m 帧中的符号共6 8 个，标号从o 到6 7 。其中标号为0 ，2 ，4 ， 6 6 为偶符号，1 ，3 ，5 ，6 7 为奇符号在每一个o f d m 帧中符号交织需重 复进行6 8 次陆1 5 1 6 , 1 7 1 。 其中2 k 模式下n m