（通信与信息系统专业论文）dtmb单频网适配器设计.pdf

西南交通大学硕士学位论文第l 页 捅要 地面国家数字电视广播标准( d t m b ，也称为d m b t h ) ，它融合了清华提 出的基于多载波d m b t 方案和上海交大提出的基于单载波a d t b t 方案。 单频网( s i n g l ef r e q u e n c yn e t w o r k ，s f n ) 组网规定：单频网发射台要同时 在同一个频段上发射相同的无线信号，即各个发射机广播的信号要求频率同 步，时间同步和码元同步。在组建单频网时，各发射台之间的同步工作是确 保单频网正确、有效运行的一个重要问题，而确保单频网同步的产品就是与 其相应标准的适配器。 本文设计的d t m b 单频网适配器，由全球定位系统( g l o b a lp o s i t i o n i n g s y s t e m ，g p s ) 接收机提供精确的秒脉冲( p u l s ep e rs e c o n d ，p p s ) 信号和i o m h z 同步码率适配时钟，在节目源所在地每秒向m p e g 2 传输流( t r a n s p o r t s t r e a m ，t s ) 中插入一个秒帧初始化包( s e c o n df r a m ei n i t i a l i z a t i o np a c k e t ， s i p ) ，插入时刻与g p s 接收机提供的1 p p s 脉冲信号上升沿对齐，在其它位 置，d t m b 单频网适配器从前端缓冲区( f i f o ) 内读取数据码流，如果数据 不足设定的t s 包个数时，则自动插入单频网适配空包完成t s 流的码率适配。 d t m b 单频网适配器输出的t s 流码率和单频网适配器规定的发射机工作模 式要求的净载荷速率完全相同，并且锁定在来自g p s 接收机的1 0 m h z 参考 时钟上。 本文在对d t m b 单频网适配器技术要求进行详细分析的基础上，采用了 基于f p g a 和单片机构建的d t m b 单频网适配器设计方案，并将其划分为两 个重要组成模块：按键板和主板两部分。其中，按键板上的单片机产生单频 网适配器s i p 包中的各种参数信息，主板上的f p g a 器件完成整个系统的s i p 包插入、码率适配和节目时钟参考( p r o g r a mc l o c kr e f e r e n c e ，p c r ) 校正等 核心功能。文章详细介绍了d t m b 单频网适配器的一整套设计方案，并对研 制出的实物样机进行了调试验证，对其结果进行分析，验证了本设计基本达 到了相应的技术指标。 最后本文扩展性的论证了g p s 接收机失锁情况下，对本文所设计的单频 网适配器时间同步所产生的影响。 关键词：地面国家数字电视广播标准；单频网；单频网适配器；秒帧初始化 包；节目时钟参考 西南交通大学硕士学位论文第1 l 页 a b s t r a c t t e r r e s t r i a ld i g i t a lt vb r o a d c a s t i n gn a t i o n a ls t a n d a r d s ( d t m b ，a l s ok n o w n a sd m b t h ) ，i tc o m b i n e st h et s i n g h u a - b a s e dm u l t i c a r r i e rd m b - tp r o g r a m m e ， a n d s h a n g h a ij i a o t o n g u n i v e r s i t y b a s e do nt h es i n g l e - c a r r i e ra d t b t p r o g r a m m e s f n ( s i n g l ef r e q u e n c yn e t w o r k ，s f n ) n e t w o r k ：s f nt r a n s m i t t e r s i m u l t a n e o u s l yw i t ht h el a u n c ho fab a n do nt h es a m ew i r e l e s ss i g n a lt h a tt h e t r a n s m i t t e r f r e q u e n c y r a d i o s i g n a ls y n c h r o n i z a t i o nr e q u i r e m e n t s ，t i m e s y n c h r o n i z a t i o na n ds y m b o ls i m u l t a n e o u s l y i nt h ef o r m a t i o no fs i n g l ef r e q u e n c y n e t w o r k ，a l lb e t w e e nt h es i m u l t a n e o u sl a u n c h i n go fw o r ki st oe n s u r et h a tt h e s f nc o r r e c ta n de f f e c t i v eo p e r a t i o no fa ni m p o r t a n ti s s u e ，a n de n s u r et h a tt h e s i n g l ef r e q u e n c yn e t w o r ks y n c h r o n i z a t i o ni st h ep r o d u c to ft h e i rc o r r e s p o n d i n g s t a n d a r da d a p t e r s 。 t h i sp a p e rd e s i g n e dd t m b s i n g l ef r e q u e n c yn e t w o r ka d a p t e r ，f r o mag l o b a l p o s i t i o n i n gs y s t e m ( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ，g p s ) r e c e i v e rt op r o v i d ep r e c i s e s e c o n dp u l s e ( p u l s ep e rs e c o n d ，p p s ) s i g n a la n d10m h zc l o c ks y n c h r o n i z a t i o n r a t ea d a p t a t i o n ，i nt h el o c a t i o no fe a c hs o u r c ep r o g r a m ss e c o n dt ot h em p e g 一2 t r a n s p o r ts t r e a m ( t r a n s p o r ts t r e a m ，t s ) i n s e r t e d i no n es e c o n df r a m e i n i t i a l i z a t i o np a c k e t ( s e c o n df r a m ei n i t i a l i z a t i o np a c k e t ，s i p ) ，i n s e r tt h em o m e n t w i t ht h eg p sr e c e i v e r 幻p r o v i d et h elp p sp u l s er i s i n ge d g eo fa l i g n m e n t ，i n o t h e rl o c a t i o n s ，d t m bs i n g l ef r e q u e n c yn e t w o r ka d a p t e rf r o mt h ef r o n to ft h e b u f f e rz o n e ( f i f o ) ，r e a dd a t as t r e a m ，i ft h ed a t ap r o v i d e di n s u 所c i e n tn u m b e ro f t sp a c k e t ，t h e na u t o m a t i c a l l yi n s e r t e ds i n g l ef r e q u e n c yn e t w o r ka d a p t e re m p t y p a c k e tt oc o m p l e t et h et s b i t - r a t ea d a p t a t i o n d t m bs i n g l ef r e q u e n c yn e t w o r k a d a p t e ro u t p u tt sf l o wr a t ea n ds i n g l e - f r e q u e n c yt r a n s m i t t e rn e t w o r ka d a p t e r u n d e rt h er e q u i r e m e n t so ft h em o d eo fl o a d i n gr a t ei d e n t i c a lt ot h en e ta n dl o c k e d f r o mt h eg p sr e c e i v e ri nt h el0m h zr e f e r e n c ec l o c k i nt h i s p a p e r , t h ed t m bs i n g l ef r e q u e n c yn e t w o r ka d a p t e r t e c h n i c a l r e q u i r e m e n t sf o rd e t a i l e da n a l y s i s ，b a s e do nt h eu s eo ff p g a - b a s e ds c m a n d b u i l dt h ed t m bs i n g l ef r e q u e n c yn e t w o r ka d a p t e rd e s i g n ，w i l lb ed i v i d e di n t o t w om a j o rc o m p o n e n tm o d u l e s ：k e yb o a r da n dm o t h e r b o a r d si nt w op a r t s t h e 西南交通大学硕士学位论文第l li 页 k e y sh a v eab o a r do f t h es c ms f na d a p t e rs i pp a c k e t so ft h ev a r i o u sp a r a m e t e r s ， t h ef p g ad e v i c eo nt h em o t h e r b o a r dt oc o m p l e t et h ew h o l es y s t e mo fs i p p a c k a g ei n s e r t ，a n dt h ep r o g r a mc l o c kr a t ea d a p t e rr e f e r e n c e ( p r o g r a mc l o c k r e f e r e n c e ，p c r ) c o r r e c t i o n ，a n do t h e rc o r ef u n c t i o n s t h ea r t i c l ed e s c r i b e di n d e t a i ld t m bs i n g l e f r e q u e n c y n e t w o r ka d a p t e rs e to fd e s i g no p t i o n s ，a n d d e v e l o p e dap r o t o t y p eo ft h ek i n dc a r d e do u td e b u gv e r i f i c a t i o n ，t h er e s u l t so f i t s a n a l y s i s ，p r o v e dt h ef e a s i b i l i t yo ft h ed e s i g na n dr e l i a b i l i t yt ot h ec o r r e s p o n d i n g t e c h n i c a li n d i c a t o r s f i n a l l yt h i se x p a n s i o no ft h ed e m o n s t r a t i o no ft h eg p sr e c e i v e rl o s tl o c k c i r c u m s t a n c e s ，t h es i n g l ef r e q u e n c yn e t w o r ka d a p t e rt i m es y n c h r o n i z a t i o no ft h e i m p a c t k e yw o r d s ：d t m b ；d m b t h ；s f n ；s f na d a p t e r ；s i p ；p c r 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、缩印或扫描等复印手段保存和汇编l 本学位 论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密斫使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“4 ) 学位论文作者签名：量治及 e t 凝；知返、6 b 指导老师签名：乏一 乒一。况、) 日期： ，。净6 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作 所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 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： 本文的设计是基于地面国家数字电视广播标准( d t m b ) 和 g y t 2 2 9 1 2 0 0 8 地面数字电视单频网适配器技术要求和测量方法所做的样 机研制工作，所设计的d t m b 单频网适配器，由全球定位系统( g l o b a l p o s i t i o n i n gs y s t e m ，g p s ) 接收机提供精确的秒脉冲( p u l s ep e rs e c o n d ，p p s ) 信号和i o m h z 同步码率适配时钟，在节目源所在地每秒向m p e g 2 传输流 ( t r a n s p o r ts t r e a m ，t s ) 中插入一个秒帧初始化包( s e c o n df r a m ei n i t i a l i z a t i o n p a c k e t ，s i p ) ，插入时刻与g p s 接收机提供的1 p p s 脉冲信号上升沿对齐， 在其它位置，d t m b 单频网适配器从前端缓冲区( f i f o ) 内读取数据码流， 如果数据不足设定的t s 包个数时，则自动插入单频网适配空包完成t s 流的 码率适配。d t m b 单频网适配器输出的t s 流码率和单频网适配器规定的发 射机工作模式要求的净载荷速率完全相同，并且锁定在来自g p s 接收机的 1 0 m h z 参考时钟上。本文核心部分采用了f p g a 的设计方法，在此基础上 可以非常容易地进行修改、升级或集成更多的功能，最终可以作为成熟的产 品推向市场，因此，本文的研制具有巨大的市场价值。 西南交通大学硕士学位论文第1 页 第1 章绪论 世界通信与信息技术的迅猛发展将引发整个电视广播产业链的变革，数 字电视是这一变革中的关键环节。伴随着电视广播的全面数字化，传统的电 视媒体将在技术、功能上逐步与信息、通信领域的其它手段相互融合，从而 形成全新的、庞大的数字电视产业，这一新兴产业已经引起了世界各国的广 泛关注。我国根据自己的国情，制定了具有自主知识产权的地面数字电视国 家标准d t m b ，并议定将在2 0 1 5 年前实现全国模拟电视向数字电视的过渡， 数字电视将成为继电信引爆i t 之后的又一大“热点”i l l 。 1 1 数字电视扩大覆盖范围的途径 数字电视扩大覆盖范围的途径，目前有三种可选择的方式：1 ) 差转方式； 2 ) 同频转发方式；3 ) 单频网组网方式。 1 1 1 差转方式 差转方式( d i s t r i b u t et r a n s l a t o r ，d t ) ，是延用了传统模拟电视信号扩大 覆盖范围的方式，即将一个频道上的节目接收下来后再转发到另一个频道上， 即所谓的差转台。模拟电视采用差转方式是因为无法对付同频干扰，因此在 相当范围的地域内禁止使用同频道，而不得不转到其他的频道上去。差转方 式的主要优缺点是：结构简单，信号转发时延小，不同频率的收发信号使得 隔离度有保证，不会形成自激，工程建设容易，但它将大大的浪费宝贵的频 率资源2 1 。 1 1 2 同频转发方式 同频转发( o nc h a n n e lr e p e a t e r ，o c r ) 方式，它的主要工作原理是通 过接收天线从现有的覆盖区域中接收信号，经滤波放大等处理后再次发射到 西南交通大学硕士学位论文第2 页 待覆盖区域。由于同频转发极易引起发射机自激，及系统振荡，因此一般只 能用于信号覆盖的补点，即对信号覆盖的阴影区进行补点覆盖。为了成功地 实现同频转发，空中信号的采集点必须相对于放大的重新发射信号点具有足 够的隔离，以避免系统的振荡，物理的隔离和天线方向性的形状可以满足这 种要求。主要优缺点：结构简单，信号转发时延小，但隔离度是同频转发站 最重要、也是最需要面对和解决的问题，因此工程建设难度较大l z j 。 1 1 3 单频网组网方式 单频网组网方式( s i n g l ef r e q u e n c y n e t w o r k ，s f n ) ，所谓单频网即在一 定的地理区域内( 市，省，或者甚至是一个国家) ，若干个发射机同时在同一 个频段上发射同样的无线信号，以实现对该区域的可靠覆盖。实施单频网有 两个基本优势：节约频谱资源：扩大有效覆盖范围，改善覆盖区内的接收效 果。由于单频网组网具有强大的抗干扰能力和数字处理能力，允许覆盖区的 重叠，这将大大改善原有覆盖边缘的峭壁效应，提高覆盖质量，扩大覆盖范 围，所以单频网组网才是数字电视扩大覆盖范围的最优方法 2 , 3 1 。 1 2 单频网适配器的现状与研究意义 1 2 1 单频网适配器的现状 在国外，已经有个别公司开发出了用于d v b t 单频网同步的产品一单 频网适配器，例如：加拿大u b s 公司的d v s4 0 1 0 ，丹麦p r o t e l e v i s i o n 公司 的p t 5 8 7 9m i pi n s e r t e r ，法国b r o a d c a s ta v e n u e 公司的a l t o 等，但这些产品 主要是基于d v b t 或d m b t 研制的单频网适配器，实现核心功能为m p 包插入，不是我国d t m b 要求的s i p 包插入。 在国内，清华大学、上海交通大学、广电所、成都电子科技大学和国内 少数几家公司对d v b - t 和d m b - t 单频网适配器做了一定的研究，它们的核心 功能也基本是兆帧初始化包( m i p ) 的插入，而基于插入秒帧初始化包( s i p ) 的单频网适配器尚未见正式产品面市。 西南交通大学硕士学位论文第3 页 1 2 2 单频网适配器的研究意义 d t m b 单频网适配器是在欧标d v b t 基础上研究发展起来的，后来它 融合了清华方案( d m b t ) 和上海交大方案( a d t b t ) ，具有自主创新的特点。 目前，由于它现在尚处在研究阶段，研制过程中出现了基于清华方案d m b t 标准的单频网适配器过度性产品，但现今使用的单频网络适配器大多都是以 欧洲标准d v b t 来制定的，这与我国的d t m b 标准不兼容，因此大力研发 适合我国标准的d t m b 的单频网适配器成为了当务之急1 4 j j 。 1 3 全文章节安排 论文主要目的是研制我国d t m b 标准的单频网适配器。全文详细讲述了 d t m b 单频网适配器的工作原理、硬件设计、软件编程以及样机测试等一整 套设计过程，对实现单频网组网具有非常重要的意义。全文共分为七章，具 体安排如下： 第一章绪论提出了课题背景、意义和目标，以及全文章节的安排。 第二章介绍单频网同步原理与系统结构。 第三章介绍d t m b 单频网适配器技术要求与总体设计方案。 第四章介绍d t m b 单频网适配器按键板设计。 第五章介绍d t m b 单频网适配器主板设计。 第六章介绍d t m b 单频网适配器整机结构。 第七章介绍d t m b 单频网适配器调试分析与测量。 最后，本文对研制过程进行总结，指出已取得的研究成果和需要改进的 环节。 西南交通大学硕士学位论文第4 页 第2 章d t m b 单频网同步原理与系统结构 2 1d t m b 单频网同步原理 数字电视单频网通过采用网状分布的发射方式来实现大范围覆盖。它要 求网络中的所有发射机必需同频、同时发射同一信号，即要求三个精确同步： 频率同步时问同步、码元同步f 4 5 ，6 ，7 1 。 2 1 1 比特同步 比特同步要求单频网中各个发射机在任一时刻发射的码元彼此相同。单 频网中的节目分配网络一般为专用光纤网，不会像普通数字光纤通信网那样 在通信流量拥挤时就丢包。因而只要保证单频网中各个发射机的频率同步和 时问同步就可以保证节目的比特同步。 2 1 2 频率同步 频率同步要求单频网中各个发射机的工作频率都彼此相同。这个工作频 率通过采用g p s 接收机提供的1 0 m h z 参考频率来获得。具体实现时，可以 用锁相环把本地g p s 时间同步系统产生的l o m h z 参考频率倍频到所需的中 频上，由于各个发射台的基准频率都来自g p s 时间同步系统的1 0 m h z 参考 频率，因此只要锁相环的参数满足要求，经适当的倍频和分频就可以获得相 同的频率，从而实现频率同步。 2 1 3 时间同步 时问同步是单频网同步的关键，它要求单频网中各个发射台要同时同步 发射相同信号，在d t m b 单频网中，时间同步主要是通过d t m b 单频网适 配器来实现的。在中心发射站，d t m b 单频网适配器每秒向节目源的t s 流 西南交通大学硕士学位论文第5 页 中插入一个s i p 包，并对输出t s 流进行码流处理，然后将处理后的t s 码流 通过分配网络( d i s t r i b u t i o nn e t w o r k ，d n ) 发送到各个发射站。在各个从发 射站，单频网同步系统从t s 码流的s i p 包中提取时间标签，对比本地收到 的秒脉冲信号，计算出本地附加延时时间，再将码流送入调制器进行编码， 映射，调制等处理，等待各自的附加延时后，在最大延时时刻，各个发射台 将信号同步发射出去，实现时间同步。 2 2d t m b 单频网适配器时间同步原理 基于d t m b 标准的单频网，首先是频率同步要求，然后是时间同步要 求，即各个发射机必须同频、同时( 理想) 发出同样的信号( 符号比特) 。 在d t m b 系统中，频率同步只要单频网中各个发射机的工作频率都彼此相同 即可，而时间同步是通过d t m b 单频网适配器来实现的。 2 2 1 秒帧( s f ) 的定义 d t m b 单频网适配器的基本数据帧为秒帧s f ( s e c o n d f i a m e ) 。1 个秒 帧的时间长度为1 秒，包含8 个超帧，其中超帧符合g b 2 0 6 0 0 2 0 0 6 的4 5 条规定1 4 j ，o ，7 j 。 单频网适配器每秒向m p e g 2t s 流中插入一个s i p 包就形成了秒帧， s i p 包本质上也是一个符合m p e g 2t s 语法的t s 包，因此，秒帧实质上是 由一定个数的t s 包组成的“帧 ，一个秒帧包含t s 包的个数取决于d t m b 的调制方式、帧头模式和编码效率，1 个秒帧中包含的t s 包数量见表2 1 。 表2 1 各种工作模式秒帧包含t s 包数量 调制 帧头 码率 净码信号比特信息t s 包 方式 塞b p s 帧秒子载波比特数憾 4 2 00 8 5 , 4 1 4 ，4 0 0 1 8 0 026 0 1 63 6 0 0 4 q a m n r 5 9 50 8 5 。1 9 7 ，8 2 4 1 7 2 826 0 1 63 4 5 6 9 4 50 8 4 。8 1 2 。8 0 0 1 6 0 026 0 1 63 2 0 0 4 q a m 4 2 00 4 5 , 4 1 4 ，4 0 0 1 8 0 026 0 1 63 6 0 0 西南交通大学硕士学位论文第6 页 调制 帧头码率 净码信号 比特 信息t s 包 方式 率b p s 帧秒子载波比特数| 碜 o 6 8 ，1 2 1 ，6 0 0 1 8 0 024 5 1 25 4 0 0 4 2 0 o 8 10 ，8 2 8 ，8 0 01 8 0 026 0 1 67 2 0 0 o 4 5 ，1 9 7 ，8 2 4 1 7 2 826 0 1 63 4 5 6 5 9 5o 6 7 ，7 9 6 ，7 3 6 1 7 2 824 5 1 25 1 8 4 4 q a m 0 8 1 0 ，3 9 5 ，6 4 8 1 7 2 826 0 1 66 9 1 2 0 4 4 ，81 2 ，8 0 0 1 6 0 0 26 0 1 63 2 0 0 9 4 50 6 7 , 2 1 9 ，2 0 0 1 6 0 024 5 1 24 8 0 0 0 8 9 ，6 5 2 ，6 0 0 1 6 0 026 0 1 66 4 0 0 0 4 1 0 ，8 2 8 ，8 0 0 1 8 0 0 4 3 0 0 87 2 0 0 4 2 0o 6 16 ，2 4 3 ，2 0 0 1 8 0 0 4 4 5 1 21 0 8 0 0 o 8 2 1 ，6 5 7 ，6 0 0 1 8 0 0 4 6 0 1 6 1 4 4 0 0 0 4 1 0 ，3 9 5 ，6 4 8 1 7 2 8 43 0 0 86 9 1 2 1 6 q a m 5 9 5 0 6 1 5 ，5 9 3 ，4 7 2 1 7 2 844 5 1 2 1 0 3 6 8 o 8 2 0 ，7 9 1 ，2 9 6 1 7 2 8 4 6 0 1 61 3 8 2 4 0 4 9 ，6 2 5 ，6 0 0 1 6 0 043 0 86 4 0 0 9 4 5o 6 1 4 ，4 3 8 ，4 0 0 1 6 0 0 4 4 5 1 29 6 0 0 o 8 1 9 ，2 5 1 ，2 0 0 1 6 0 0 4 6 0 1 61 2 8 0 0 4 2 0o 82 7 ，0 7 2 ，0 0 0 1 8 0 056 0 1 61 8 0 0 0 3 2 q a m 5 9 5o 8 2 5 ，9 8 9 ，1 2 0 1 7 2 856 0 1 61 7 2 8 0 9 4 50 8 2 4 ，0 6 4 ，0 0 0 1 6 0 056 0 1 61 6 0 0 0 o 4 1 6 ，2 4 3 ，2 0 0 1 8 0 063 0 0 81 0 8 0 0 4 2 0 0 6 2 4 ，3 6 4 ，8 0 0 1 8 0 064 5 1 21 6 2 0 0 0 8 3 2 ，4 8 6 ，4 0 0 1 8 0 066 0 1 62 1 6 0 0 0 4 1 5 ，5 9 3 ，4 7 2 1 7 2 863 0 0 81 0 3 6 8 “q a m 5 9 50 6 2 3 ，3 9 0 ，2 0 8 1 7 2 864 5 1 21 5 5 5 2 o 8 3 1 ，1 8 6 ，9 4 4 1 7 2 866 0 1 6 2 0 7 3 6 0 4 1 4 ，4 3 8 ，4 0 0 1 6 0 0 63 0 0 8 9 6 0 0 9 4 50 6 2 1 ，6 5 7 ，6 0 0 1 6 0 064 5 1 21 4 4 0 0 0 8 2 8 ，8 7 6 ，8 0 0 1 6 0 066 0 1 61 9 2 0 0 西南交通大学硕士学位论文第7 页 2 2 2 秒帧初始化包( s i p ) 与时间同步原理 由于各个发射台与电视节目制作中心的距离不一样，所以从单频网适配 器送出的t s 流经网络传送适配器及节目分配网络到达各个发射台的时间是 不同步的，因而也就无法知道在发射前应该“等待 多久。为了实现时间同 步，需要规定各个发射台共同的发射时刻，引入了一个被称为最大延迟的参 数一一，它表示某个t s 数据离开单频网适配器开始传送的时刻与它开始 在天线上发射的时刻之间的差值。s i p 包中包含最大延迟参数一懈，它是 d t m b 单频网适配器实现时间同步的关键【6 7 1 。 g p s 的1 p p s 信号g p s 的1 p p s 信号g p s 的i p p s 信号 t 图2 - is i p 包插入示意图 发送时，单频网适配器每1 秒向输入的t s 码流中插入一个s i p 包，插入 时刻与g p s 的1 p p s 信号上升沿对齐，s i p 包插入示意图见图2 1 。 g p s 的i p p s 信号 ， 1 s o g p s 的i p p s 信号 g p s 的1 p p s 信号 ， 1 s 。：传输延时1 1 节角i l 亡n i 接收时二二二二 接收到s i p 包的时刻 图2 - 2s i p 包接收示意图 t 接收时，由于路径不同，各个从发射站接收到t s 流的时间( 相对于i p p s 的时间) 是不一样的，肯定有延迟，但不可能超过最大延迟时间，也就是说 不可能超过l s 。当秒帧经节目分配网络到达各个发射台时，位于各发射台的 同步系统分别从t s 流中检测s i p 的到达。s i p 到达后，d t m b 单频网中的各 发射站提取出最大延迟时间k 一一和与本地g p s 接收机的l p p s 信号相比较 得出传输延迟时间一拥脚，再根据式2 - 1 得到本地附加延时k 一耐s i p 西南交通大学硕士学位论文第8 页 接收示意图见图2 2 。 一删= 一懈一k 一拥删( 式2 - i ) 发射时，由式2 1 我们可以得到各个发射台同步发射所需的附加延迟时 间一刎，再按照各自的附加延时间延迟t s 流的输出，就可以调整发射 机的发射时间，使得网络中所有发射机在同一时间发射相同信号，从而实现 时间同步。 g p s 的1 p p s 信号g p s 的i p p s 信号g p s 的i p p s 信号 ，1 s， i s ， 一一 - 1 jl j ：传输延时1 附加延时i：传输延时2 附加延时2 发射时： ： 一一 o s i p 包 ：t ：最大延迟时间 ： 最大延迟时间 ： o 图2 3s i p 包处理小慈图 虽然到达各个发射台的同一个秒帧具有同一个出发时间，但是，由于秒 帧在节目分配网络中的延迟不同，故到达各个发射台的时间不同，即传输延 时不同，因而计算出的附加延时也不相同。但是，秒帧经过各自的附加延时 的延迟后，在各个发射台的发射时间就会相同，即相对于最近的一个i p p s 时间参考来说，各个发射台的发射时刻是相同的，这样就实现了各个发射台 的时间同步。更进一步，如果此时各发射机的工作频率相同，节目分配网络 采用专用光纤网，那么各发射台就能够保证同时发送同一个比特，这样即实 现了d t m b 单频网的同步。s i p 处理的示意图见图2 3 。 2 3d t m b 单频网系统结构 单频网系统主要由单频网适配器、g p s 接收机、支持单频网的调制器、 发射机等部分组成，单频网系统结构图见图2 4 1 4 , 5 , 6 , 7 1 。 中心发射站：多路数字电视节目通过m p e g 2 编码器进行编码，编码后 西南交通大学硕士学位论文第9 页 送给复用器进行“超级复用编码”，复用后的m p e g 2t s 流送入单频网适配 器进行适配：单频网适配器每秒向m p e g 2t s 码流中插入一个控制包( s i p ) ， 该控制包包含各种工作模式的参数和到下一级发射站的最大延时等信息；单 频网适配器适配后分出两路相同t s 流信号，一路送入中心发射站处的数字 调制器，再经发射机调制后，由中心发射台按最大延迟时间延迟发射出去； 另一路通过分路器分路以后，由光发射机发送出去。 黢溪黼鲻滏黻卜 光接收机 + g p s 接收机 鬻r a 1 - - - 二；一 数一调制器 篱嘲 分路器 0 卜、：麓鬟瀚鳓进_ 光发别机 恿 下救，b 璺 r 机u 税 寸滋蛾疆国 光接收机 点 r 图2 4 单频网系统结构图 从发射站：各个从发射站接收由专用光纤传送过来的电视信号，将其送 入本站数字调制器中，数字调制器提取出中心发射站发来的同步信号( s i p 包) 、有效数据在分配网络中的传输延迟和本站点收到的g p s 同步信号等等， 再进行综合计算，得出本从发射站延迟发射信号的时间，延迟各自的附加延 迟时i 训后，在最大延迟时刻和中心发射台同频同时发射相同信号。 峡一 发瓢孙i：。则 蠹 豢。 烹 2 一 盈燕 焘 逖 攀零 酝彰莨 0 一 西南交通大学硕士学位论文第1 0 页 第3 章d t m b 单频网适配器技术要求与设计方案 3 1d t m b 单频网适配器技术要求 d t m b 单频网适配器的技术要求，见表3 1 。 表3 - 1d t m b 单频网适配器的技术要求 工作温度：0 0 c - - - 4 5 0 c 环境条件 相对湿度：9 5 大气压力：8 6 k p a 一- 1 0 6 k p a 工作电压电压幅度：1 7 6 v 2 6 4 va c ：电压频率：5 0 h z + _ _ 1 h z 数据输入采用a s i 接口，至少两路，b n c 接头，阴型，输入阻抗为7 5q 数据输出采用a s i 接口，至少三路，b n c 接头，阴型，输入阻抗为7 5q 接口要求1 0 m h z 时钟输入采用b n c 接头，阴型，t t l 电平，输入阻抗为5 0 q 1 p p s 输入采用b n c 接头，阴型，t t l 电平，输入阻抗为5 0 q r s 2 3 2 遥控采用d b 9 接头，阳型 根据系统输出码率时钟，在g p s 的每个1 p p s 的位置，地面数字电视单频 网适配器向t s 流中插入1 个s i p 包；在其它位置，地面数字电视单频网 s i p 包与适配器从前端缓冲区内读取数据码流，如果数据不足设定的t s 包数量 码率适配 则自动插入单频网适配空包完成t s 流的码率适配；地面数字电视单频网 适配器输出的t s 流码率和由单频网适配器规定的发射机工作模式要求的 净载荷速率完全相同，并且锁定在来g p s 的1 0 m h z 参考时钟上 监控提供实时监控和报警功能。单频网适配器检测各部件的工作状态发生异常 和报警情况时，给出报警指示，报警情况可以通过远程控制端口进行查询 性能要求单频网适配器输出t s 流抖动幅度不大于o 51 ts 3 2d t m b 单频网适配器设计方案 d t m b 单频网适配器是保证我国数字地面广播在传输时实现同步的重要 西南交通大学硕士学位论文第1 1 页 设备，它的核心功能是每秒向m e p g 2t s 流中插入一个s i p 包，其它功能都 是围绕这个功能拓展开来的。 本文在对d t m b 单频网适配器技术要求进行详细分析的基础上，提出了 d t m b 单频网适配器的总体设计方案，将其划分为两个重要组成模块：按键 板和主板两个部分。其中，按键板主要完成s i p 包的参数设定，而整个系统 的主要功能( 插入s i p 包) 采用a l t e r a 公司c y c l o n ee p l c 6 t 1 4 4 c 8 一片f p g a 器件来实现。d t m b 单频网适配器结构框图见图3 1 。 r s 2 3 2 串口 g p s 1 0 m h z 两路 a s i 流 输入 g p s 1 p p g 按键输入 d t m b 电频网适配器按键板 j h d 2 4 2l c d 显示屏 a 洲t 8 9 c 扪5 5h 黼 单片机ll 竺半 r s 2 3 2 接u c y 7 b 9 3 3 芯片 2 7 m h z 晶振 5 m h z 同步时钟 c y 7 b 9 3 3 输入 适配 t s 包 写入 控制 p c r 计数器 t s 包 读出 控制 c y 7 b 9 2 3 输出 适配 a l t e r ac y c l o n ee p i c 6 t 1 4 4 c 8f p g a d t m b 单频网适配器主板 c y 7 b 9 2 3 芯片 三路 a s i 流 输出 图3 - 1d t m b 单频网适配器结构框图 d t m b 单频网适配器按键板主要由按键板硬件电路和单片机组成。按键 徽胞m一嗽能m一嗽撇 西南交通大学硕士学位论文第1 2 页 板主要功能：1 ) 按键输入或r s 2 3 2 通信，让单片机产生单频网适配器s i p 包中的各种参数，配置单频网适配器：2 ) 可以通过按键输入或r s 2 3 2 通信， 让单片机回显或回发单频网适配器s i p 包中的各种参数，实时监测单频网适 配器的工作状态；3 ) 发现单频网适配器出错时，通过r s 2 3 2 通信接口和信 号灯给出报警指示。 d t m b 单频网适配器主板主要由主板硬件电路和f p g a 组成。主板主要 功能：1 ) 通过c y 7 8 9 3 3 芯片实现外部输入的a s i 流到输入f p g a 的串并转 换；2 ) 通过c y 7 8 9 2 3 芯片实现从f p g a 输出到适配器输出的a s i 流并串转 换；3 ) 完成s i p 包的插入、p c r 校正与码率适配等。 西南交通大学硕士学位论文第1 3 页 第4 章按键板设计 d t m b 单频网适配器按键板提供人机交互的界面与接口，主要通过按键 来配置单频网适配器插入的s i p 包参数信息，可分为按键板硬件电路和单片 机程序两部分组成。按键板主要功能：1 ) 按键输入或r s 2 3 2 通信，让单片 机产生单频网适配器s i p 包中的各种参数，配置单频网适配器：2 ) 可以通过 按键输入或r s 2 3 2 通信，让单片机回显或回发单频网适配器s i p 包中的各种 参数，实时监测单频网适配器的工作状态；3 ) 发现单频网适配器出错时，通 过r s 2 3 2 通信接口和信号灯给出报警指示。 4 1 按键板硬件电路 按键板硬件电路主要由单片机配置电路、全局复位电路、s i p 参数存取 电路、其它接口电路等组成，其中单片机配置电路是按键板的核心部分。按 键板框图见图4 1 ，按键板电路原理图见附录l 。 窖器量 羹 罄凳i j h d 2 4 2l c d 显示屏 适配器按键板i 仉u 亚小所 t 8 9 c 5 5 单片机 d t m b 单频网 适配器主板 图4 - 1d t m b 单频网适配器按键板框图 一一一一一一一 一一一一一一一 西南交通大学硕士学位论文第1 4 页 4 1 1 单片机配置电路 单片机采用了a t m e l 公司推出的a t 8 9 c 5 5 芯片，该芯片工作电压低， 性能高，价格便宜，可大大的降低开发成本。单片机主要完成：1 ) 产生s i p 包第5 字节到1 4 字节之间的1 0 个字节的参数数据，具体数据在4 2 1 节详 细说明：2 ) 通过r s 2 3 2 端口进行单频网适配器与电脑之间的通信( 主要是 电脑监控与s i p 数据可配置功能) 。单片机各接口详细定义，见图4 2 单片机 电路配置图。 4 7 2 4 7 2 4 7 2 1 y l 口 j1 1 鼍r a t 8 9 c 5 5 v p 0 o ( u p ) p 0 1 ( d o w n ) p 0 2 ( l i z r ) p o 3 ( p a g r r o p o 4 ( i n t e r ) p o 5 ( e d p o 6 ( 9 p 0 7 ( s d a ) e ，、，p p a 唧r o g p s 烈 p z 7 ( a 1 5 ) p 2 6 ( a 1 4 ) p 2 5 ( a 1 3 ) p z 4 ( a 1 2 ) p z 3 ( a 1 1 ) p 2 2 ( a l o ) p z k a g ) p z 0 ( a 8 ) 图4 2 单片机电路配置图 酉 客矧 # 矧 到口矾 p 0 0 p 0