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硕士论文d v b t 编码调制的仿真和f p g a 实现 摘要 随着超大规模集成电路技术和通信技术的发展，数字电视技术迅速发展起来。数字 地面电视作为数字电视广播中最复杂的一个，具有在无线和移动条件下接收的能力，在 我国有着广阔的应用前景。 近几年来，随着微电子技术的迅猛发展，使得f p g a 的各种性能越来越好，其在数 字系统设计中占据了越来越重要的地位。考虑到系统成本、功耗和面市时间等因素， f p g a 的发展为许多通信、音频、视频和图像系统提供了全新的解决方案。基于f p g a 的系统解决方案在性价比和可移植性方面的优点使其有着广阔的发展前景。 本文所做的工作是基于d v b t 标准的研究和f p g a 设计，d v b t 是欧洲电信标准 委员会提出的数字地面电视广播标准。本文首先介绍了d v b t 发射端的整体实现框图， 重点分析了d v b t 标准中所用到的信道编码调制技术，说明了d v b t 系统的结构流程、 核心技术及系统信道特性和参数。其次在m a t l a b 软件平台下仿真实现了高斯信道、 莱斯信道的系统模型，深入研究了d v b t 系统在各种信道环境下的传输性能，全面分 析了系统的优缺点。最后完成了d v b t 系统中信道编码调制各模块的f p g a 设计与仿 真验证，包括数据加扰，r s 编码，外交织，卷积编码，比特交织，符号交织等子模块。 通过仿真分析，可以看到各模块功能和性能都满足设计要求。 关键词：f p g a ，d v b t ，o f d m ，信道编码，数字电视 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fv l s it e c h n o l o g ya n dc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , t h ed i g i t a l t vt e c h n o l o g yd e v e l o p sr a p i d l y a so n eo ft h em o s tc o m p l i c a t e dt e c h n o l o g yo fd i g i t a lv i d e o b r o a d c a s t i n g , d i g i t a lt e r r e s t r i a lv i d e ob r o a d c a s t i n gc a l lb eu s e di nw i r e l e s sa n dm o b i l e s i t u a t i o na n dw i l lb eu s e dg e n e r a l l yi nc h i n a i nr e c e n t y e a r s ，w i t h t h e r a p i dd e v e l o p m e n t o fm i c r o e l e c t r o n i c s t e c h n o l o g y , p e r f o r m a n c eo ff p g ag e t sb e t t e ra n db e t t e r s of p g ah a sb e c o m em o r ea n d m o r ei m p o r t a n t i n d i g i t a ls y s t e md e s i g n d e v e l o p m e n to ff p g ap r o v i d e sn e wr e s o l u t i o n so fm a n y c o m m u n i c a t i o n ，a u d i o ，v i d e oa n di m a g i n gs y s t e m sw h e nc o n s i d e r i n go fc o s t ，s y s t e mp o w e r c o n s u m p t i o na n dt i m et om a r k e t c o s tp e r f o r m a n c ea n dp o r t a b i l i t yo ft h es y s t e mr e s o l u t i o n b a s e do nf p g am a k ef p g ah a v eb r o a dp r o s p e c t s t h er e s e a r c ho nf p g ad e s i g ni nt h ep a p e ri sb a s e do nd v b ts t a n d a r d d v b ti s b r o u g h tf o r w a r db ye s t i a tf i r s t l y , t h e s i sg i v e st h es t r u c t u r ec h a r to ft r a n s m i t t e ri nt h e d v b ts y s t e ma n dr e s e a r c h e st h ed i f f e r e n tk i n d so fc h a r m e lc o d i n ga n dm o d u l a t i o ni nt h e s y s t e mp a r t i c u l a r l y i ta n a l y z e st h es y s t e ms t r u c t u r ea n ds y s t e mf l o w , t h ec o r et e c h n i q u e s ，t h e c h a n n e lc h a r a c t e r i s t i ca n d p a r a m e t e r so fd v b - ts y s t e m t h e n ，d o e st h es i m u l a t i o no fd v b t s y s t e mw i t hg a u s sa n dr i c e a nc h a n n e lu n d e rt h em a t l a bs o f t w a r ee n v i r o n m e n t a n a l y z e s a n ds i m u l a t e st h et r a n s m i s s i o no ft h es y s t e mi n a 1 1k i n d so f c o m p l e xc h a n n e lc o n d i t i o n sa n d l u c u b r a t et h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so ft h es y s t e m a tl a s t ，t h ef p g a d e s i g na n d s i m u l a t i o no ft h ec h a n n e lc o d i n ga n dm o d u l a t i o no fd v b ts y s t e mh a sb e e nc o m p l e t e d u s i n gv h d l ，i n c l u d i n ge n e r g yd i s p e r s a l ，o u t e rc o d i n g ，o u t e ri n t e r l e a v i n g ，i n n e rc o d i n g ，i n n e r i n t e r l e a v i n g , e r e t h es i m u l a t i o na n dv a l i d a t i o np r o v et h a tt h em o d u l e sa r ed e s i g n e d s u c c e s s f u l l ya n dc a nw o r ke f f i c i e n t l y k e yw o r d s ：f p g a ，d v b t ，o f d m ，c h a n n e lc o d i n g ，d i g i t a lt v 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名： 硕士论文d v b t 编码调制的仿真和f p g a 实现 1 绪论 随着电视广播的数字化，传统的电视广播媒体在技术、应用等方面逐步与其他手段 相结合，形成了全新的产业，因此数字电视具有广阔的发展前景。本文是基于欧洲的数 字地面电视广播标准d v 8 t 进行研究的。本章简要介绍了数字电视的发展以及相关标 准，对论文整体结构进行了规划。 1 1 数字电视发展概况 相比模拟电视，数字电视具有图像传输质量高、频谱资源利用率高、多信息、多功 能等优点。近年来，数字电视的发展十分迅速。1 9 9 8 年9 月，英国广播公司( b b c ) 首 播商业数字电视节目，并计划到2 0 1 0 年全部实现从模拟电视到数字电视的转换。1 9 9 9 年美国有大批城市开始数字电视广播，近年来全美逐步停止模拟电视广播。日本虽然研 究数字电视技术较早，但在模拟电视的高清晰度方面研究过多，直到2 0 0 3 年其数字电 视才正式播出。我国1 9 9 8 年研制成第一套数字高清晰度电视系统，2 0 0 2 年正式播出数 字有线广播，2 0 0 3 年全面推出卫星数字电视广播，预计2 0 0 8 年正式播出数字地面电视 广播【l 】o 广播电视按传送方式可以分为地面广播、卫星广播和有线电视【2 j 。卫星和有线数字 电视广播的传输体制基本已确定，世界上技术先进国家在系统设计和芯片开发上已有相 当的技术水平，其相关的市场应用和产品也趋于成熟。而数字电视地面广播由于传输环 境恶劣，频谱资源有限，应用需求分散，其标准在各国仍有极大的争议，特别在提高固 定接收的稳定性以及移动接收的性能方面有很大的改进潜力。 1 2 数字电视广播标准 目前数字电视广播有3 种相对成熟的国际标准制式：欧洲的数字电视广播( d v b ， d i # m l v i d e ob r o a d c a s t i n g ) 、美国的高级电视制式委员会( 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 ) 和日本的综合业务数字广播( i s d b ，i 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 ) 【3 】 4 】。 1 2 1 a t s c 标准 美国在发展高清晰度电视时，首先考虑的是如何通过地面广播网进行传播，并在 1 9 9 6 由美国高级电视系统委员会提出了以数字高清晰度电视为基础的标准，即a t s c 标 准。a t s c 标准由信源编码和压缩、业务复用和传送、r f 发送三个子系统组成。信源编 码与压缩用来得到视频、音频和辅助数据流；业务复用和传送把视频、音频和辅助数据 1 绪论 硕士论文 流打包成统一格式的数据包并合成一个数据流；r f 发送也称为信道编码和调制。在地 面电视广播系统中，采用网格编码( t r e l l i sc o d e ) 8 电平残留边带( 8 - v s b ) 调制方式， 能够在6 m h z 频带中可靠传递1 9 2 9 m b i t s 的流量；在有线电视网中，采用1 6 v s b 能够 在6 m h z 频带中传递3 8 m b i f f s 的流量。 1 2 2i ) v b 标准 d v b 标准是以欧洲为主【5 】，世界上有2 0 0 多个组织参与开发的项目。d v b 标准实 际上是一个系统家族，是一套完整的数字电视解决方案。主要的标准包括：d v b s ，用 于卫星系统；d v b c ，用于有线传送系统：d v b t ，用于地面广播电视系统。d v b 标 准中信源编码采用m p e g 2 标准，信道编码采用r s 等前向纠错编码。卫星电视信号采 用4 相相移键控数字调制方式( q p s k ) 或8 相相移键控数字调制方式( 8 p s k ) ；有线 电视网中的数字电视基本都采用6 4 电平正交幅度调制方式( 6 4 q a m ) ；地面开路广播 电视采用正交频分多路调制方式( o f d m ) 。 1 2 3i s d b 标准 i s d b 主要由日本研究和应用，其主要定义了传输系统，信源部分和系统复用均采 用m p e g 2 标准。传输信道以地面空间为主，采用频带分割传输正交频分复用 ( b s t - o f d m ) 调制系统。i s d b 标准具有柔软性、扩展性、共通性等特点，可以灵活 地集成和发送多个节目的电视和其他数据业务，故其是一个综合的业务服务系统。 1 2 4 三种数字电视传输标准的比较 欧洲的d v b 。c 、d v b s 目前已成为全球化的标准，已被世界各国广泛采用，我国 也基本如此。故数字电视标准之争，主要表现在地面电视广播系统上。一般说来，对于 地面数字电视广播，每个标准系统都有自己的优点和不足。 a t s c 标准，其优点是信号的抗干扰性能强，用于6 m h z 环境下的高清晰度电视 ( h d t v ) 方面性能较好，但在对各种失真的恢复能力、单频率网络、用于8 m h z 环境 的h d t v 、频谱利用率等指标上相对较差 6 】。 d v b 标准，优势在于它的各种设备对消费者及业务运营者已经成熟，可以与有线 电视、信息网络的基础设施兼容，设备利用率较高。具有支持室内接收、移动接收、单 频网等优点。d v b 在8 m h z 环境下的h d t v 、5 1 声道的声音、互操作性、安全性等指 标较好，不足之处在于信号的抗干扰能力、用于6 m h z 环境的h d t v 等指标较差。 i s d b 标准，强项在于信号失真恢复能力强，在移动条件下接收较可靠，但在互操 作性、安全性等方面存在不足【7 】。 三种地面数字电视传播标准的主要参数比较见表1 2 4 1 ，从表中可以看到相对于其 他两种体系，d v b t 标准在很多方面有其自身的优势。 2 硕士论文d v b t 编码调制的仿真和f p g a 实现 表1 2 4 1a t s c 、d v b - t 、i s d b - t 主要参数比较 a r s cd v b - ti s d b 1 带宽 6 m h z6 m h z 、7 m h z 、8 m h z6 m h z 、7 m h z 、8 m h z 传输方案 8 v s bc o 巾m 分段c o f d m 视频编码 m 口e g 2 4 咿e g l 2 m p e g 2 音频编码 d o l b ya c 一3 呼e g 2 层 m p e g 2 层i a c c 外纠错码r s ( 2 0 7 ，1 8 7 )r s ( 2 0 4 ，1 8 8 ) r s ( 2 0 4 ，1 8 8 ) 网格编码( t c m ，码率卷积( 1 2 ，2 3 ，3 4 ，卷积( 1 2 ，2 3 ，3 4 ， 内纠错码 2 3 )5 7 6 ， 滗、)5 6 ，7 厂8 ) 载波数单载波2 k 、8 k2 k 、4 k 、8 k 信息速率19 3 9 m b p s4 9 8 - 31 6 7 m b p s 3 6 5 - 2 6 5 5 m b p s 移动接收不能能能 单频网兼 不能能能 容性 系统成本相对较低相对较高相对较高 1 2 5 我国的数字电视标准 我国是从1 9 9 7 年开始基于d v b s 标准转播卫星数字电视节目的，各地电视台和有 线台都是通过卫星接收数字信号，然后再通过有线系统传送到用户家中，目前我国的数 字有线电视采用的是基于d v b c 的标准。 我国的地面数字电视广播标准是g b 2 0 6 0 0 数字电视地面广播传输系统帧结构、信 道编码和调制，2 0 0 6 年8 月3 0 日颁布，2 0 0 7 年8 月1 日开始实施【8 】。该标准有很多自 主创新技术：能实现快速同步和高效信道估计与均衡的p n 序列帧头设计、符号保护间 隔填充方法、低密度校验纠错码( l d p c ) 、系统信息的扩频传输方法等。采用单载波和 多载波技术融合，支持4 8 1 3 2 4 8 m b p s 的系统净荷传输数据率，该标准支持高清晰度电 视、标准清晰度电视和多媒体广播等多种业务，满足大范围固定覆盖和移动接收需要。 但是前期颁布的数字电视地面传输标准，尚不完整，也不完善。如尚未公布数字电视地 面传输标准的相关评测结果；数字电视产业链中的其他关键性标准，像接口、芯片，以 及音视频传输、服务、加密等配套标准尚需制定。因此我国的数字地面电视传输体系仍 需继续完善。 l 绪论 硕士论文 1 3 数字调制系统的硬件设计 1 3 1 现代数字系统设计方案 早期的数字调制系统经常采用几片专用芯片共同完成一个系统，随着技术的进步， 这种方案日渐显示出它的不足之处。这种设计整机体积可能较大，随之而来的是功率消 耗较大，同时存在着灵活性较差、资源利用率较低、引脚数目较多等局限性。 当今的电子技术发展日新月异，尤其是超大规模集成电路设计技术的发展，使得庞 大复杂的系统设计已经能够实现。有关专家指出，超大规模集成电路的设计复杂度每6 年增长1 0 倍。随着产品集成度的提高，将有越来越多的产品将整个系统，如微处理器、 存贮单元、控制逻辑等集成在一块芯片上。这种片上系统设计技术，大幅度提高系统的 可靠性，减少系统的面积和功耗，降低系统成本，增加了系统的性价比。 超大规模集成电路技术的突飞猛进，导致了现代数字系统设计技术不断更新换代。 随着深亚微米集成电路工艺技术的飞速发展，数字信号处理系统芯片级设计一般采用可 编程逻辑器件( 主要是c p l d 、f p g a ) ，数字信号处理器( 各种系列的d s p ) 及a s i c 等进行设计。 f p g a 是英文f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ( 现场可编程门阵列) 的缩写，它是在 p a l 、g a l 、p l d 等可编程器件的基础上进一步发展的产物。f p g a 采用了逻辑单元阵 列l c a ( l o g i cc e l l a r r a y ) 这样一个新概念，内部包括可配置逻辑模块、输出输入模块 和内部连线三个部分。用户可对f p g a 内部的逻辑模块和i o 模块重新配置，以实现用 户的逻辑。它还具有静态可重复编程和动态在系统重构的特性，使得硬件的功能可以像 软件一样通过编程来修改。作为集成电路领域中的一种半定制电路，f p g a 既解决了定 制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数目有限的缺点。通过软件仿真，我们 可以事先验证设计的正确性。使用f p g a 来开发数字电路，可以大大缩短设计时间，提 高系统的可靠性。当需要修改f p g a 功能时，只需换一片e p r o m 即可，同一片f p g a ， 不同的编程数据，可以产生不同的电路功能。因此，f p g a 的使用非常灵活。 d s p 是英文d i 西t a ls i g n a lp r o c e s s o r ( 数字信号处理器) 的缩写。d s p 是一种独特的 微处理器，有自己的完整指令系统，是以数字信号来处理大量信息的器件。一个数字信 号处理器在一块不大的芯片内包括有控制单元、运算单元、各种寄存器以及一定数量的 存储单元等等，在其外围还可以连接若干存储器，并可以与一定数量的外部设备互相通 信，有软、硬件的全面功能，本身就可以称为一个微型计算机。d s p 采用的是哈佛设计， 即数据总线和地址总线分开，使程序和数据分别存储在两个分开的空间，允许取指令和 执行指令完全重叠。也就是说在执行上一条指令的同时就可取出下一条指令，并进行译 码，这大大的提高了微处理器的速度。另外还允许在程序空间和数据空间之间进行传输， 因为增加了器件的灵活性。其实时运行速度可达每秒数以千万条复杂指令程序，远远超 4 硕士论文d v b - t 编码调制的仿真和f p g a 实现 过通用微处理器，是数字化电子世界中日益重要的电脑芯片。由于它运算能力很强、速 度很快、体积很小，而且采用软件编程具有高度的灵活性，因此为从事各种复杂的应用 提供了一条有效途径。当然，与通用微处理器相比，d s p 芯片的其他通用功能相对较弱 些。 a s i c 是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 ( 专用集成电路) 的缩写。目前，在 集成电路界a s i c 被认为是一种为专门目的而设计的集成电路。是指应特定用户要求和 特定电子系统的需要而设计、制造的集成电路。a s i c 的特点是面向特定用户的需求， a s i c 在批量生产时与通用集成电路相比具有体积更小、功耗更低、可靠性提高、性能 提高、保密性增强、成本降低等优点。 1 3 2f p g a 实现d v b t 系统的优势 相对于d s p ，f p g a 有很多自由的门，通过将这些门连接起来形成乘法器、寄存器、 地址发生器等等，同时随着技术的进步，一些微处理器和硬件数字处理模块已经集成到 f p g a 内部。f p g a 包含有大量实现组合逻辑的资源，可以完成较大规模的组合逻辑电 路设计；与此同时，它还包含有相当数量的触发器，借助这些触发器，f p g a 又能完成 复杂的时序逻辑功能。对于复杂的设计如f i r 和f f t ，可以采用并行计算完成。通过使 用各种e d a 工具，设计人员可以很方便地将复杂的电路在f p g a 中实现。像微处理器 一样，许多f p g a 可以无限的重新编程，加载一个新的设计方案只需要几百毫秒，甚至 现场产品可以很简单而且快速的实现。本质上讲通用d s p 处理器的处理机制仍然是分 时串行的，超过几m h z 的取样率，一个d s p 仅仅能完成对数据简单的运算，而这样简 单的运算用f p g a 将很容易实现，并且能达到非常高的取样速率。像d v b t 系统需要 较高的工作速率以及需要进行f f t 这种复杂的计算，采用f p g a 实现更有利。 d v b t 同其他数字电视广播技术一样，必将随着用户的需求逐步向前发展。a s i c 是为了某种功能而专门定制的芯片，所以性能比较高，另外由于一次性大批量生产，所 以单片的成本很低。但是其设计周期长，所以投入市场的时间也会很长，随之而来的设 计风险很大，如果一次设计不成功，那么投入就都泡汤了，利用a s i c 设计，局限性较 大，灵活性较差。相比于a s i c ，f p g a 的风险小、设计灵活，完成一个设计的周期也 要短。同时一些f p g a 开发厂商，推出了很多新技术，如a l t e r a 的h a r d c o p y 技术， 通过这些技术，可以将已经设计好的f p g a 电路进行优化，作为a s i c 的原型设计生产 a s i c ，这样消除了a s i c 的缺点，融入了f p g a 的优点，使得f p g a 变得更具有竞争力。 1 4 本论文的工作及其结构 对于数字地面电视广播，用户接收方式主要分为2 种：地面固定接收和终端移动接 收。数字地面电视广播本身具备无线数字系统的优点；相对于卫星数字电视，有实现容 5 l 绪论 硕士论文 易，价格低廉的特点；相对于有线数字电视，不易受城市施工建设、自然灾害、战争等 因素造成的影响，同时工程难度小、建设周期短、覆盖面积广。在我国广播电视数字化 迅猛发展的今天，数字地面电视广播在我国具有广阔的应用前景。由于家用卫星接收电 视节目的政策仍未放开，而且考虑到我国广播电视的特殊功能，未来的一段时期内不可 能完全开放普通用户的卫星接收，卫星接收仅局限在某些商用领域，对于有特殊需要的 个人用户需要经过严格的申请，全面普及相对较难。因此在有线电视网络以外的城郊和 农村地区，地面数字电视将发挥出巨大的优势，可以有效提高广播电视的覆盖率和覆盖 质量。 本论文是基于d v b t 标准进行的研究，由于该标准的较成熟，采用国家最广，其 配套设备也较成熟，以正交频分复用技术为基础，为接收系统提供了抗多径干扰能力， 支持移动接收功能，其本身具有内在灵活性，既能适应理想信道，又能适应多径信道， 即使脱离地面数字电视广播这个应用背景，在移动传输方面d v b t 中所采用的技术体 制也有很多地方值得借鉴利用。同时考虑到f p g a 在实现d v b t 系统上的自身优势， 所以在硬件上采用f p g a 进行设计。 论文的主要工作有： 1 通过研究d v b t 标准及各种资料，在软件平台上构建d v b t 系统性能仿真模型， 分析了系统在不同码率、不同调制方式、不同保护间隔等情况下的性能，说明了系统的 优缺点，验证了系统良好的抗多径干扰和移动接收能力，为系统的实际应用提供了数据 支持和参考。 2 采用h d l 语言编写完成d v b t 信道编码部分( 包括能量扩散，内、外编码，内、 外交织) 的设计，并进行了模块功能的软件仿真和硬件验证。 3 利用i p 核技术与h d l 语言编写相结合的方法完成d v b t 调制部分( 包括星座映 射和o f d m 调制) 的设计，并进行了模块功能的软件仿真和硬件验证。 4 完成了d v b t 帧形成部分的设计，着重对帧形成部分的主要模块，如b c h 编码， 保护间隔的插入等给出了具体实现方案。 针对以上工作，论文的主体结构如下。 本章是绪论部分，介绍数字地面电视技术背景，包括a t s c 标准、i s d b 标准、d v b 标准的比较，以及国内标准的介绍，对整体工作进行规划。 第二章详细介绍d v b t 编码调制的结构，主要包括随机化、外编码、外交织、内 编码、内交织、星座映射、o f d m 原理、帧结构等部分。 第三章介绍d v b t 的性能仿真，分析了系统的优缺点。该章中的仿真是在m a t l a b 上完成的，m a t l a b 除了传统的交互式编程之外，还提供了丰富可靠的矩阵运算、图 形绘制、数据处理等便利工具，而且还有各种以m a t l a b 为基础的实用工具箱，通过 m a t l a b 平台上的程序运行，可以达到很好的分析通信系统性能的目的。 6 硕士论文d v b t 编码调制的仿真和f p g a 实现 第四章介绍了d v b - t 编码调制的硬件实现，介绍f p g a 设计流程和a l t e r a 器件， 详细说明了各模块的设计思路以及实现后的验证。 第五章是总结结尾部分，对论文整体进行总结并说明后续研究思路。 7 2d v b t 系统结构与原理 硕士论文 2d v b t 系统结构与原理 本章主要介绍了d v b t 的系统结构和原理。首先整体说明了发射端和接收端结构， 然后对发送端的每一个模块的功能和结构进行了详细的介绍。包括能量扩散、外编码、 外交织、内编码、内交织、星座映射、o f d m 调制、帧结构的形成等部分都分别作了分 析性介绍。 2 1d v b t 系统简介 图2 1 1d v b t 发送端系统功能框图 d v b t 是1 9 9 7 年8 月由e t s i ( 欧洲电信标准学会) 制定的，标准编号为e t s3 0 0 7 4 4 ，标准规定发射机系统主要由信道编码和o f d m 调制两部分构成。具有2 k 和8 k 两 种工作模式，其中2 k 模式适用于小范围的单发射机，8 k 模式适用于大范围的多发射机。 d v b t 发射机系统还允许不同的内码码率、分层等级编码和调制、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 发射机系统的基本结构如图2 1 1 所示【9 】。采用m p e g 2 数字视频、音频压 缩编码技术产生的t s 码流经过信道编码和调制后，再经过d a 上变频等，最终形成射 频信号发射到信道中。 d v b t 标准中主要规范的是发送端的系统结构和信号处理方式，对接收端则是开 8 硕士论文 d v b t 编码调制的仿真和f p g a 实现 放的，一般接收机结构如图2 1 2 。 图2 1 2d v b - t 接收端框图 无线信号经天线接收后进入混频器，经过中频放大，a d 转换后进行前同步，经过 f f t 解调之后进行后同步，然后进行导频提取及o f d m 帧同步，然后进行信道估计与 均衡，经星座解映射、解外交织、维特比译码、解内交织以及r s 解码等后，恢复为t s 流输出。因此d v b t 接收机系统的前端包括调谐器以及a d 转换，前端的数字信号输 入到后端进行解调解码等工作，后端一般采用超大规模集成电路来实现。 2 2 信道编码和调制 2 2 1 能量扩散 在信源编码过程中，由于图像信号的随机性，产生的数据流中有可能出现大量连续 的“0 或连续的“1 ”的码段，造成码流的统计特性不佳，不利于接收端时钟的恢复， 同时也会直接影响到传输信号的频谱，频谱中如果存在较高能量部分会直接干扰到其他 部分，而低能量部分则容易受到干扰。因此，在实际应用中，采用伪随机序列对码流进 行打乱，使输出序列中的“0 、“l ”的个数基本相同，这个过程称为能量扩散( 或称为 随机化) 。 在m p e g 2 传送复用器后，系统的输入码流由固定长度的包构成，如图2 2 1 1 所 示，m p e g 2 传输复用包长为1 8 8 个字节，其中包括一个同步字节。 芦l j 堕l 一 叵工二三至口 图2 2 1 1m p e g - 2 传输包 9 2d v b t 系统结构与原理 硕士论文 同步字节为4 7 h ，传送时从m s b 开始，即从同步字节( 0 1 0 0 0 1 1 1 ) 的“0 开始送入。 对码流的随机化处理可由伪随机二进制序列p r b s ( p s e u d or a n d o mb i n a r ys e q u e n c e ) 与 码流数据按比特异或完成。结构如图2 2 1 2 ： 初始化序列 l00l 0 l0l0000000 输入数据 图2 2 1 2 能量扩散原理图 其中p r b s 的生成多项式为g ( x ) = 1 + x 1 4 + x 1 5 ，伪随机序列发生器中寄存的初始 序列是“1 0 0 1 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 ，并且每8 个传输包初始化一次。 为方便接收端的解扰，8 个传输包为一组，对每8 个传输包的第一个包的同步字按 比特取反，即由4 7 h 变为b 8 h 。随机化是从8 个传输包的第一个传输包的同步字节s y n c 后的第一个比特开始进行，但在随后的7 个传输包的同步字节，伪随机序列继续产生伪 码，但是加扰器并不对输入的同步字节加扰，让同步字节通过，这样，p r b s 的周期为 1 5 0 3 字节。当输入码流中断或不是m p e g 2 码流格式时，p r b s 继续进行，只要插入同 步字节即可完成加空包处理，接收端可识别全零的空包并将其删除。 能量扩散后的传输包结构如图2 2 1 3 。 8 个传输包 i 卜! 塑壁型型l 一 班圄受甄弼医卫噩巫丑圃 图2 。2 。1 。3 能量扩散后的传输包 2 2 2 外编码 外编码应当根据输入数据包的结构设计，d v b t 的外编码采用r s ( r e e d s o l o m o n ) 编码。r s 码是一种线性分组循环码，它以长度为n 的一组符号为单位处理，组中的刀个 符号是由阶欲传输的信息符号按一定关系生成的。r s 码具有极强的随机错误和突发错 误纠正能力。 d v b t 系统中的该编码是采用由原体系的r s ( 2 5 5 ，2 3 9 ，卢8 ) 码衍生出来的删余 r s ( 2 0 4 ，1 8 8 ，t = - 8 ) 码，通过对每个1 8 8 字节的随机化后的传输包编码，生成一个误码 保护包，r s 编码应当从非倒相的( 4 馏) 或者倒相的( b 8 日) 包同步字节开始，误码保 硕士论文d v b - t 编码调制的仿真和f p g a 实现 护包结构如图2 2 2 1 。 图2 2 2 1r s ( 2 0 4 ，1 8 8 ，8 ) 误码保护包 r s 码长度为2 0 4 字节，其中有效数据1 8 8 字节，在接收的2 0 4 字节中，最多可以 校正8 个字节的随机误码错误。 码生成多项式为： g ( x ) = ( x + ) ( x + 爿) ( x + 牙) ( x + 力5 ) ，( 2 2 2 1 ) 其中兄= 0 2 h 域生成多项式为： p ( x ) = x 8 + x 4 + 工3 + 石2 + 1 ( 2 2 2 2 ) 可以在随机化后的1 8 8 字节的传输包前面增加5 1 个全零字节，然后通过r s ( 2 5 5 ， 2 3 9 ，户8 ) 编码器，经编码程序后，将这些无用的全零字节删除，产生出n = 2 0 4 字节的 r s 码字。 2 2 3 外交织 经过外编码后，按图2 2 3 1 ，对误码保护包使用深度i = 1 2 ，基于字节的卷积交织。 爿： 忡x i 嵋lh 1 字节刮圈 2 尹兰思 一 刭 l1 7 x 3 | l 3 卜卜 m b 叫 l l ? x lq 珥8 i 1 li ， 。 f i f 0 移位寄存器暮外外叉职 s 1 l c 字节总是遁过0 支路 图2 2 3 i外交织和解外交织原理图 交织后的数据结构如图2 2 3 2 ： ：l l 鲨墨：i：! ! 竺!li ；釜：i! ! 竺翌 l 娑：u ： 图2 2 3 2 外交织后的数据结构 2d v b - t 系统结构与原理 硕士论文 卷积交织过程是基于与第三类r a m s e y 方法兼容的f o r n e y 方法，其深度为i = 1 2 。交 织后的数据应当由误码保护包组成，并应由倒相或未倒相的m p e g 2 同步字节作为区分 界限，以保持2 0 4 字节的周期。 d v b t 标准要求卷积交织由1 2 条支路组成，各支路周期性地与从r s 编码过来的 字节流相连，每条支路相当于一个先入先出的f i f o ，如图2 2 3 1 所示。各支路的深度 为1 7 x j ，j = o ，1 ，2 ，1 1 ，其中1 7 = 2 0 4 ( 一个数据包的数目) 1 2 ( 支路数目) 。 考虑到同步，s y n c 字节和s y n c 字节总是通过交织器的“0 分支进行交织的。 2 2 4 内编码 内编码采用卷积编码。卷积码是由k 个信息比特编码成n ( n k ) l l 特码组，编码出的 ，l 比特的码组值，不仅与当前码字中的k 个信息比特值有关，而且与其前面n - 1 个码字 中的( - 1 ) x k 个信息比特值有关，也即当前码组内的n 个码元，它们的值取决于个 码组内的全部信息码元，可称为卷积码编码的约束长度。 d v b t 系统可以选择几种由码率为1 2 的主卷积码删余后的卷积码。无论是等级或 非等级传送模式，对于某一给定业务的数据率，系统可选择最适当的码率。主码的生成 多项式，对x 路输出是g 1 = 1 7 1 0 c r ，对】，路输出是g 2 = 1 3 3 鲫。图2 2 4 1 是主卷积码 生成结构图。 模2 加 模2 加 图2 2 4 11 2 码率主卷积码 除了1 2 码率的主码外，系统还可以按照图2 2 4 2 使用码率为2 3 ，3 4 ，5 6 ，7 8 的删余卷积码。 1 2 x 1 2 码率卷 l -7 卷积码 积码编码 删余 器 y l 图2 2 4 21 2 基本码率截取框图 硕士论文d v b t 编码调制的仿真和f p g a 实现 删余卷积码的具体构造方法如表2 2 4 1 ，其中用先发送。 表2 2 4 1 不同码率的抽取序列 码率 抽取方式 传输序列( 并串转换以后) x ：1 1 2x 1y 1 y ：1 x ：1o 2 3x 1y 1y 2 y ：l1 x ：101 3 4x ly ly 2x 3 y ：110 x ：10lo1 5 6x 1y 1y 2x 3y 4 ) ( 5 y ：llo10 x ：loo 01o1 1 熄x l y 1y 2 y 3 y 4 x 5 y 6 x 7 y ：11 1 101o 2 2 5 内交织 内交织包括比特交织和符号交织，比特交织和符号交织过程都是基于块结构的。 2 2 5 1 比特交织 内编码后的比特流通过解复用器进入比特交织器，根据不同的星座映射模式分成， 个子流。其中，在非等级模式下，对于q p s k ，v = 2 ，1 6 q a m ，倒，6 4 q a m ，v = 6 。 图2 2 5 1 1 1 6 q a m 模式f 解复用模型 图2 2 5 1 1 是解复用模型，对于1 6 q a m 下的解复用，而映射到a o o 、x l 映射到6 2 。o 、 x 2 映射到6 1 。o 、x 3 映射到岛o 。 解复用器输出的每一个子码流由一个单独的比特交织器处理。根据y 的数值，最多 可有6 路比特交织器，标号从到1 5 。q p s k 取和1 1 ，1 6 q a m 取内至3 ，6 4 q a m 取内至巧。 比特交织仅在有用数据上进行。对于每一路比特交织器，块的大小是相同的，但交 织序列是不同的。比特交织块的大小是1 2 6 比特，2 k 模式下，每个o f d m 符号中的有 效数据在块交织过程中重复1 2 次，8 k 模式需要重复4 8 次。 对于每一路比特交织器，输入的比特向量定义为： 曰( 力= 瞧 o ，乞”也 2 ，乞 1 2 5 ) ， e o ，1 ，一1 】 ( 2 2 5 1 1 ) 1 3 2d v b t 系统结构与原理 硕士论文 交织后的输出向量定义为： a ( e ) = ( a e , o , a 引，a 啦，a “2 5 ) ， e o ，v 一1 】 则 a 州= b e ，胁( 。) ， w 0 , 1 2 5 】 ( 2 2 5 1 3 ) 其中h 。( 们为一置换函数，对于每一路交织器置换函数h 。( w ) 不相同。对于每一路 交织器，日。( w ) 定义如表2 2 5 1 1 。 表2 2 5 1 1 比特交织器置换函数 比特交织器置换函数 i o h 0 ( w ) - - - - w 1 1 ，h l ( w ) = ( w + 6 3 ) m o d1 2 6 1 2 h 2 ( w ) = ( w + 10 5 ) m o d12 6 1 3 h 3 ( w ) = ( w + 4 2 ) m o d1 2 6 1 4 h 4 ( w ) = ( w + 2 1 ) m o d1 2 6 1 5 h 5 ( w ) = ( w + 8 4 ) m o d1 2 6 v 路比特交织器的输出共同组成了一个v 比特数据字。因此，整个比特交织器的输 出是一个1 ，比特字y ，1 0 支路的输出是最高位。 y 。f = ( a 0 , w , a l w ，a 2 ，w ，a ，- l ，。) ， w e 0 , 1 2 5 】、v 1 , 6 2 2 5 2 符号交织 符号交织用于将v 比特字映射到每个o f d m 符号的1 5 1 2 ( 2 k 模式) 或6 0 4 8 ( 8 k 模式) 个有效载波上。符号交织器作用块的大小是1 5 1 2 ( 2 k 模式) 或6 0 4 8 ( 8 k 模式) 个数据。 在2 k 模式下，来自比特交织器的1 2 组、每组1 2 6 个数据字顺序写入矢量 y t = ( y o ，y l t , y 2 ，y 1 5 l l ) 。同样，在8 k 模式下，矢量y t - ( ) ，o ，y l i , y 2 ，y 6 0 4 7 ) 由4 8 组1 2 6 个数据字组成。以】，作为输入数据，进行符号交织。 符号交织后的矢量为y = ( y o y 。y ：。y 麟一。) ，定义为： o f d m 帧中的偶数符号： y n ( g ) = y g ， o f d m 帧中的奇数符号： y 碍= y ( 口) 同y 一样，y 也是一个，比特的数据， l 撒= 6 0 4 8 。 1 4 ( 2 2 5 2 2 ) 其中对于2 k 模式i 撒= 1 5 1 2 ，8 k 模式 h ( q ) 是一个置换函数，有如下定义： 首先定义一个r l 位的二进制数r f ，其中n r = l 0 9 2m 懈，2 后模式下 硕士论文d v b t 编码调制的仿真和f p g a 实现 m 嗽= 2 0 4 8 、8 k 模式