（通信与信息系统专业论文）数字电视调制器方案的设计与实现.pdf

摘要 高清晰度数字电视( h d t v ) 技术是当前最先进的图象压缩编码技术和数字 通信技术的结合。数字电视相关产品代表了今后几年甚至几十年内消费类电子产 品市场的一个不可忽视的发展方向。 调制器是数字电视传输系统中的台端设备，是整个数字电视传输系统不可或 缺的关键设备。设计得当的调制器具有良好的性能和低廉的成本，对于占领市场 具有重要的意义。 本文给出了一种数字电视调制器的f p g a 实现方案。探讨了该方案所涉及的 几个关键问题。 本文的结构安排如下： 第一章介绍了数字电视的发展现状，并简要介绍了d v b - c 传输体系，为后 面方案的介绍做好了准备。 第二章给出了调制器的实现方案。方案设计的重点在于方案的灵活性，使之 能够对不同的传输体制具有尽量好的适应性和可移植性。随后根据实现方案对前 端接口进行了分析介绍。 第三章分析了调制器中所用到的数字锁相环。锁相环在零方案中作为前后速 率的协调器起着重要的作用。调制器中对锁相环所提出的要求相对简单，本章主 要根据调制器这个应用环境对锁相环进行简要的分析。 第四章分析了调制器末端用于采样转换的内插器。内插在调制器中的应用为 方案良好的适应性提供了保证。 第五章给出了变带宽预均衡的实现方案。变带宽预均衡是变符号率传输必然 要解决的问题，本章在分析的基础上给出了简单的实现方法，并且通过实践证明 有效。 第六章对全文进行了总结与讨论。 关键词：i t d t v ，数字电视调制器，d v b - c a b s t r a c t h d t v ( h i g hd e f i n i t i o nt e l e v i s i o n ) t e c h n o l o g yi n t e g r a t e st h em o s ta d v a n c e d i m a g ec o m p r e s s e de n c o d i n gt e c h n o l o g ya n dt h ed i g i t a lc o m m u n i c a t i o nt e c h n 0 1 0 2 t h ed t v - r e l a t e d p r o d u c t sr e p r e s e n tt h ed e v e l o p i n gt r e n di nt h ec o n s u m e fe i e c t r o n i c m a r k e ti nt h ec o m i n g y e a r s t h es t r u c t u r eo f t h i s p a p e r i sa r r a n g e da sf o l l o w s ： 。lh ef i r s t c h a p t e r i n t r o d u c e st h e d e v e l o p m e n t o ft h ed t v t h e d v b c w a n s m i s s l o ns y s t e mi sa l s oi n t r o d u c e df o rt h ec o n v e n i e n c e o ff u r t h e ri n t r o d u c t i o n c h a p t e r2p r o v i d e st h ei m p l e m e n t a t i o ns c h e m eo fd t v m o d u l a t o r t h ed e s i g no f t h es c h e m ei s m a i n l yi nc o n s i d e r a t i o no fg o o da d a p t a b i l i t yf o rv a f i a b l et r a n s m i s s i o n s y s t e m s c h a p t e r3i n t r o d u c e st h ed i g i t a lp h a s e - l o c k e d l o o pu s e di nt h em o d u l a t o rs c h e m e t h e d i g i t a lp l li so fg r e a ti m p o r t a n c ei nt h ec o n t r o lo ft h ew h o l es y s t e ls i n c et h e p e r f o r m a n c er e q u e s tf o rt h ep l li nm o d u l a t o ri sr e l a t i v e l yl o o s e t h i sc h a p t e rs i m p l y d i s c u s s e st h ea s p e c t s a c c o r d i n gt ot h ep e r f o r m a n c er e q u e s t c h a p t e r4i sm a i n l ya b o u ti n t e r p o l a t o ru s e da ss a m p l er a t ec o n v e r t , e lt h eu s e do f i n t e r p o l a t o rm a k e s t h ea d a p t a b i l i t yo f t h em o d u l a t o rs c h e m ec o m e t r u e o n a p t e r5p r e s e n t sah o v e 】a p p r o a c ht o i m p l e m e n tt h es a m p l er a t ev a r i a b l e p r e 。e q u a l i z e ri nt h em o d u l a t o r p r e e q u a l i z e ri sa l lo p t i o ni nt h ed e s i g no f m o d u l a t o r , b u ti tl s a l w a y su s e di no r d e rt oi m p r o v et h eq u a l i t yo ft h ei f s i g n a l s a m p l er a t e ”a r i a b l ei sam u s tf o rt h e p r e e q u a l i z e r i n t h i ss c h e m e a n a l y s i ss h o w st h a tt h e i m p l e m e n t a t i o no f s u c hp r e e q u a l i z e rc a l lb ev e r y s i m p l ea n de f f e c t i v e c h a p t e r6 c o n c l u d e st h ew h o l e p a p e r a n d p r o v i d e ss o m e d i s c u s s i o n k o w o r d s ：h d t vd t v - m o d u l a t o r , d v b c 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 数字电视是现代电子技术、通信技术和信息加工技术高度发展的基础上集 多方面的成就于身的高科技产物。数字电视的发展状况从某种程度上代表着 一个国家的技术水平和经济实力，并能够带动整个电子信息技术以及相关领域 的发展。数字电视的推广对于一个国家的政治、经济和文化都有着重要的影响。 数字电视的发展能带动整个电子信息技术及相关领域的发展，成为技术发展的 驱动器和经济发展的倍增器，被称为继半导体、电子信息技术之后电子行业的 第三次机遇。 数字电视广播按传输方式分主要有卫星、地面及有线三种。卫星广播着重 于解决大面积覆盖：地面广播具有简单接收和移动接收的能力，能够满足现代 信息社会所要求的“信息到人”的基本要求；有线广播着重于解决“信息到户”， 且现在有线电视网络已经十分发达，用户群数量很大。因此这三种数字电视广 播方式在未来数十年中都将具备极大的商业价值。按清晰度分，数字电视分为 标准清渐度电视( s d t v ) 和高清晰度电视( h d t v ) 。标准清晰度电视的图象 分辨率为普通电视机的最大值。而高清晰度电视图像像素为普通电视最大值的 5 倍，垂直分辨率可以达到1 0 0 0 线以上。1 2 j | “ 1 1 数字电视的发展状况 1 1 1 国外数字电视发展现状 目前国际上存在3 套数字电视的传输方案。分属与美国，欧洲和日本，这3 套传输方案的特征参数如下表所示：h i 5 】f 6 】m 8 】f 9 】【1 1 】 堂翌奎兰堡主兰堡堕奎 美国欧洲 日本 d i r e c t vd v b s c s ：现有数字广播 b s ：现有数字直播 带宽 2 4 m h z2 7 m h z c s ：2 7 m h z 卫 b s ：2 7 3 3 3 6 m h z 星 码率 4 0 m h zf r e e c s ：3 4 m b p s 广 b s = 3 9 5 0 5 3 m b p s 播 视频编码 m p e g 2 p e g 一2m p b g 一2 调制q v s kq v s k c s ：q p s k b s ：8 t c - p s k 纠错编码外码：r s ( 1 4 6 ，1 3 0 )外码：r s ( 2 0 4 ，1 8 8 ) 外码：r s ( 2 0 4 ，18 8 ) 内码：卷积( 1 2 ，2 3 ，内码：卷积( 1 2 2 3 ，内码：卷积( 1 2 ，2 3 ， 6 7 )3 4 ，5 6 ，7 8 )3 4 ，5 6 ，7 8 ) a t s cd v b ci s d b t 带宽6 m h z8 m h z6 m h z 码率1 93 9 m b p s最大3 13 m b p s 最大2 3 2 3 4 m b p s 视频编码 m p b g 2m p e g 2m p e g 一2 地 音频编码 a c 3m p e g - 2b ca a c 面 调制8 v s b q p s k ，q a m + o f d md q p s k q p s k ， 广 q a m + o f d m 播 纠错编码 外码：r s ( 2 0 7 ，1 8 7 )外码：r s ( 2 0 4 18 8 )外码：r s ( 2 0 4 。1 8 8 ) 内码：t r e l l i s 2 3 内码：卷积( 1 2 ，2 3 ，内码：卷积( 1 2 ，2 3 ， 3 4 ，5 6 ，7 8 )3 4 ，5 6 ，7 8 ) s f n 兼容需要采用定向天线能能 移动接收不考虑能能 s c t ed v b ci s d b c 带宽 6 m h z8 m h z6 m h z 调制 6 4 q a m ，2 5 6 q a m1 6 ，3 2 ，6 4 ，1 2 8 ，2 5 6 q a m 1 6 ，3 2 ，6 4 ，1 2 8 ，2 5 6 q a m 升余弦滚6 4 q a m ：0 1 8 o 1 50 1 2 隆 2 5 6 q a m ：0 1 2 有 外码 r s f l 2 8 ，1 2 2 )r s ( 2 0 4 ，1 s 8 )r s ( 2 0 4 18 8 ) 线 外交织卷积交织卷积交织卷积交织 广 深度可变 1 2 1 7 1 2 1 7 播 内码 6 4 q a m ：t r e l l i s l 4 1 5 无无 2 5 6 q a m ：t r e l l i s l 9 2 0 f e c 成帧 6 4 q a m ：6 0 r s + 4 2 b i t 无 无 同步 2 5 6 q a m ：8 8 r s + 4 0 b i t 同步 2 浙江大学硕士学位论文 在过去的一年中全球各国都在大力发展数字电视及相关产业，并取得了很 大进展。由于客观情况、标准、制式等不同，各国的数字电视发展状况也不尽 相同。 美国是世界上较早发展数字电视的国家，在技术领域不仅完成了数字电视 三大标准的制订工作，而且已经率先实现了商用播出。在其2 0 0 2 年度不景气的 经济形势下，美国的数字电视业务却取得了骄人业绩，目前地面数字电视的覆 盖率已达9 4 ，充分显示了这项业务巨大的发展潜力。数字电视用户在第三季 度也增长了1 5 0 万，全美的用户达到了1 3 7 0 万。现在美国最少有7 5 的家庭至 少接收一套数字电视信号，美国的数字电视已经得到了大面积的推广。 日本的数字电视研究与开发进展较快，计划于2 0 0 3 在东京、大阪和横滨开 始播出地面数字电视，2 0 0 6 年实现地面数字电视全国覆盖，主要是h d t v 节目， 到2 0 11 年全国范围内的所有电视台都将采用数字信号发送，彻底结束模拟信号 发送的历史。为了实现这个目标，日本通过反复试验制定了符合本国国情的 i s d b 数字电视标准。在用户需求方面，日本的数字电视凭借其高质量的电视画 面，在2 0 0 2 年6 月举办的世界杯足球赛期间充分带动了日本广播电视卫星数字 电视产品的市场需求，至今日本的观众对b s 数字电视机产品热情丝毫不减， 反而日趋高涨。 欧洲的数字电视兴起比较早，目前无论从技术上还是用户规模上都处在稳 定的成熟时期。以英、法、德为代表的西欧国家制定了欧洲地区统一的数字电 视标准一d v b ，并且为世界其他各国制定相关标准提供了依据和参考。早在1 9 9 6 年欧洲数字电视的卫星广播就已经开播，目前用户已超过5 0 0 万，并已扩展至 东欧；有线电视网络中数字电视的广播从1 9 9 7 年开始。在1 9 9 8 年1 1 月英国就 开始数字电视的地面广播，现在已经成为全球数字电视普及率最高的国家，有 将近一半的英国家庭看上数字电视。除了英国，西班牙、荷兰、瑞典和法国等 西欧国家也相继引入数字电视服务。由于欧洲数字电视提供商采取了有效的措 旌吸引观众接收数字电视，替用户承担了数字电视机项盒的购置费，并且提供 大量的付费节目供用户选择，其互动电视用户规模已经超过了美国。 随着数字技术、信息技术的飞速发展，广播电视行业网络化数字化已经成 为不可逆转的趋势。除了美日欧等为代表的第一阶梯国家顺利开播了数字电视 节目以外，韩国、新加坡、加拿大、巴西等许多国家都开始了数字电视播出、 试验或进行了积极的探索。 1 1 2 我国数字电视发展进程2 1 3 1 9 9 3 1 9 9 5 年，国家科委组织“h d t v 发展战略专家组”，国务院成立 “h d t v 协调小组”，其成员由广电部、电子部等部委的负责人组成，同时这 个协调小组还专门成立了办公室，下面设有“h d t v 专家组”、“h d t v 总体组”。 浙江大学硕士学位论文 “九五”期间，h d t v 作为国家重大科技产业工程项目，国家科委高技术研究 发展中心就h d t v 功能样机系统的7 个专题进行了公开招标，浙江大学信电 系承担了地面传输部分v s b 方案的研制工作。 1 9 9 6 - 1 9 9 8 年，“h d t v 总体组”组织实施“数字h d t v 功能样机系统” 的研制并演示，9 8 年9 月8 日，世界第四台h d t v 功能样机系统在北京宣布 诞生并进行了为期一周的演示。并且中央电视台于1 9 9 9 年1 0 月1 日，采用 数字电视地面广播方式，对国庆节阅兵式进行了试播。据专家认定，我国开发 的数字高清晰度电视功能样机系统己达到国际9 0 年代的技术水平，在世界上 继美国、西欧、捆拳之后第四个完整拥有数字高清晰度电视地面广播传输系统。 尽管目前h d t v 的技术难点还很多，但世界各国都在不断地投入人力财力，致 力于它的研究和开发。其原因就是这一技术可能抢占到未来电子技术的制高点， 控制新一代电子产品的市场。 2 0 0 0 年5 月，“数字电视领导小组”部署北京、上海、深圳三个城市作为 数字h d t v 地面广播的试验城市，通过政府行为，动员更多的单位技术人员 参与数字电视标准的制订和产业化进程。 2 0 0 1 年我国数字电视发展战略的最终确定。在这一年里，国家广播电影电 视总局发布了广播影视技术科技“十五”计划和2 0 1 0 年远景规划，规划中 将全面推进数字化、网络化列为广电行业随后5 一l o 年内发展的主要方向。 2 0 0 3 年7 月，国家广电总局发布了我国有线电视数字化过渡时间表。 依据该时间表： 2 0 0 3 年为中国数字电视产业化元年，我国自主知识产权的有线和地 面数字电视标准将相继出台，同时积极推进数字电视试播城市的建 设； 2 0 0 5 年，大中城市实现数字电视商业播出。直辖市、东部地区地( 市) 以上城市、中部地区省会市和部分地( 市) 级城市、西部地区部分 省会市的有线电视完成向数字化过渡； 2 0 0 8 年，用数字电视转播奥运会体育节目。东部地区县以上城市、 中部地区地( 市) 级城市和大部分县级城市、西部地区部分地( 市) 级姒上城市和少数县级城市的有线电视基本完成向数字化过渡： 2 0 1 0 年，中部地区县级城市、西部地区大部分县以上城市的有线电 视基本完成向数字化过渡； 2 0 1 5 年，全面停播模拟电视节目。西部地区县级城市的有线电视基 本完成向数字化过渡。 1 2d v b c 传输标准简介6 】 本文所论及的调制器的实现方法主要以d v b c 传输标准为例，这里简要的 对其进行介绍，便于后文的叙述。有关d v b c 更详细的内容可以参看相关资料 【6 】【1 4 1 i l5 1 塑翌态兰堡主堂壁兰塞 涸词圜量b b b 匡 群 二三丑：，- i ：_ j 。铂涸。日8 圉5 曰8 圉国。国二| a a a a ( 二至丑 图1 2 1d v b c 传输系统框图 如图1 2 1 所示为d v b c 传输系统原理框图。按照信号流动的顺序各模块 的功能如下所述： b b p h y s i c a li n t e r f a c e ( 基带物理接口) 这一部分为调制器的前端码流接口，主要用于将码流从外部读入并根据后 面处理的需要对码流的格式进行转换。 s y n c li n v e r s i o n r a n d o m i z a t i o n ( 同步头翻转和扰码) 输入码流信号通常是很有规律的数据，其频谱特性不利于直接用于信道传 输，扰码器通过将输入码流和本地维护的伪随机序列发生器相加使得送往后面 处理的数据具有类似白噪声的特性，从而便于信道传输。同步头的翻转主要是 为扰码器确立一个复位的标记。在d v b c 中没有场的概念，为了便于接收端的 扰码器和调制端的扰码器的同步，必须人为的确立一个容易识别的复位标记。 在d v b c 中每8 个数据包为一组，将每组第一个包同步信号按位取反作为复位 标记，如下图所示： 浙江大学硕士学位论文 m p e g - 2t r m s p o am u xp a o 啦t ，p 卜如h ，酊晶，叫，”品* p 卜品”| ， r a n d o n d z e dh - , i b r 研r t 即c k a t s ：s y n cb 蚋ba n dr 目n 蜘删s s q l 坶r l c 8r 图1 2 2 包同步翻转示意图 接收端从收到的数据流中检测这个标记，用它来复位接收端的扰码器。扰 码器中的伪随机序列发生器的生成多项式如式( 1 2 1 ) 所示： p ( x ) = 1 + x “+ 一5( 1 2 1 ) 伪随机序列发生器结构如下图所示： 图1 2 3d v b c 扰码器伪随机序列发生器结构 初始化向量为“1 0 0 1 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 ”。 r e e ds o l o m o nc o d e r ( r s 编码器1 r s 编码器主要对付信道传输中的误码。信道传输经常会给传输的信号带来 误码，通信系统中采用前向纠错码来纠正传输中的错误。r s 码为编码增益较高 的分组纠错码，在通信领域有着广泛的应用。在d v b c 中采用的r s 码为能够 纠正每包8 个字节错误的r s ( 2 0 4 ，1 8 8 ) ，它是r s ( 2 5 5 ，2 3 9 ) 的缩短码。域生成多 项式为： p ( j ) = x 8 + x 4 + 工3 + j 2 + 工1( 1 2 2 ) c o n v 0 1 i n t e r l e a v e r ( 卷积交织) 卷积交织主要用来将信道传输中产生的集中的误码分散开。在信道传输时， 经常会由于突发噪声的影响产生比较集中的误码，而在没有突发噪声的时候， 信道误码又非常小。如果这样的信号不经过处理直接送往r s 解码，那么由于 解码器纠错能力有限( 每包8 个字节) ，会造成无法纠错。也就导致了r s 码只 能对付随机噪声，而对突发噪声无效。卷积交织可以在一定程度上解决这个问 题，将集中的误码分在在不同的数据包中，分散后只要每个数据包中的出错字 浙江丈学硕士学位论文 节不超过8 个，就可以完全纠正错误。卷积交织的原理框图如下所示： 图1 2 4 卷积交织器原理框图 b y t et om t u p l ec o n v e r s i o n ( 字节符号转换) 对于q a l l v l 调制来说，不同的调制方式下每个符号对应的比特数也不同。 2 5 6 q a m 1 2 8 q a m 6 4 q a m 3 2 q a m 1 6 q a m 模式下每个符号对j 萱的比特数分别 为8 7 6 5 4 。这个模块主要完成从8 b i t 到前述b i t 的分割转换。 d i f f e r e n t i a le n c o d i n g ( 差分编码1 该模块对字节符号转换模块产生的符号高2 b i t a 。、b 。进行差分编码，差分 编码的框图如下： 毒国是 q b “8 f t 2 t o r l 6 0 a m 口* 3 f o r 3 2 0 a m 4 t o t 8 4 0 a m 图1 2 5d v b c 差分编码映射 经过差分编码后的m 元组的高2 b i t i 。、g 对应于星座图中的象限，因此 d v b c 的星座图具有旋转不变的特性。对于接收端来说，解调后无需处理4 个 相位的相位模糊问题，直接进行差分解码，然后进行解映射就可以恢复出发送 信号了。 b a s e b a n ds h a p i n g ( 基带成型) 为了在传输中减少码间干扰的影响，根据奈奎斯特准则，必须对星座点映 射后的信号进行滚降成型。在d v b c 传输系统中，调制端采用的是滚降系数为 0 1 5 的开平方升余弦滚降滤波器，接收端也有同样的一个滤波器，他们共同构 成了满足无符号间干扰的成型滤波器。 q a m m o d u l a t i o na n di fp h y s i c a li n t e r f a c e ( q a m 调制和中频物理接i - 1 ) 浙江大学硕士学位论文 该模块主要完成i 、q 两路信号的正交调制和中频搬移。 c a b l ei r d 接收部分的各个模块和调制部分的各个模块是成对出现完成特定功能的。 这里就不再详细介绍了。 1 3 所作的主要的工作和文章的结构安排 作者在攻读硕士学位期间参与了我国有自主知识产权的有线电视传输标准 样机的研发工作。作者所做工作主要在于： 怠传输标准调制器测试样机中f p g a 算法的实现与优化； 硝传输标准接收机外码部分的f p g a 算法的实现和优化： g 基于该传输标准的信道接收芯片的研制开发工作，该芯片已经一次性 流片成功，芯片的测试报告表明，各项指标已经达到预期目标： 岳另外作者还担负了a t s c 标准1 7 1 调制器的整机开发工作，该项目现在已 经圆满完成。 本文将主要对调制器样机f p g a 算法的开发做系统的介绍。目前，该有线 传输标准提案已经进入了测试的关键阶段。标准的制定是一件十分严肃的工作， 在标准还没有形成完善的法律保护的情况下，考虑到国家和研发团队的整体利 益，文章将不对标准的内容进行描述，各部分算法的实现以及优化都将必 d v b c 标准为例进行阐述。接收机外码部分的实现遵照d v b c 标准的规定， 没有太大的变化，本文不再介绍。 本文从第二章开始进行具体的介绍，结构安排如下： 第二章给出了d v b c 调制器的系统实现方案。由于不同传输体制的数字电 视调制器或多或少都有些相通之处，因此在设计系统实现方案的时候必须考虑 到各个模块的可移植性，使得系统具有尽量大的灵活性，从而只做少量的改动 就可以适用于不同的传输体制，这也是本文设计系统方案的初衷。这章对各 个部分的功能进行了简要的描述。前端码流接口部分以及对p c r 的处理相对比 较简单，也在这一章一并介绍。 第三章对数字锁相环进行了介绍。锁相环是整个调制器系统的核心，起到 速率协调的作用，保证了整个系统的正常工作。数字锁相技术相对比较成熟 在f p g a 实现过程中没有太大的变化，因此这一章主要根据调制器中的应用需 要利用少量的篇幅对所用到的锁相环进行了简单的介绍。 第四章主要对内插器进行了介绍和分析。在本文给出的调制器方案中，内 插器也扮演了重要的角色，它结合锁相环完成了采样速率转换的工作。这一章 主要对常用的内插进行了介绍，并结合内插在调制器中的应用着重介绍了 g a r d n e r 内插，对它的各方面性能进行了分析，用于指导调制器中内插的实现。 第五章提出了变带宽预均檐的实现方案。预均衡在各传输体制中并没有做 浙江大学硕士学位论文 具体规定，对于调制器来说不是必须的环节。但是通常情况下调制器末端模拟 部分对信号进 亍滤波放大以及进行变频的时候会引入一些失真，对于线性失真， 可以通过调制器中的预均衡器进行补偿，从而使得信号在网络传输的前端具有 良好的指标。预均衡通常是针对特定符号速率的，本文提出了针对可变符号速 率的预均衡方法。 作为文章的结尾，第六章对本文做了总结和讨论。 浙江大学硕士学位论文 第二章系统及接口 不同传输体制的数字电视调制器或多或少都有些相通之处。因此在设计系 统实现方案的时候必须考虑到各个模块的可移植性，使得系统能够具有尽量大 的灵活性，从而只做少量的改动就可以适用于不同的传输体制。这也是本文设 计系统方案的初衷。 本章在参考了现有调制器主流产品引l l 以及已有的d v b c 调制器芯片 1 6 1 1 1 7 1 的体系结构的基础上，给出了一种基于d v b c 标准数字电视调制器的系 统实现方案。并对该实现方案进行简要的介绍，然后对系统的接口部分以及前 端的一些处理进行介绍。由于扰码模块，k s 编码模块和卷积交织以及差分编码 映射模块在d v b ，c 标准文档中有较为详细的描述，本文只做简要的说明，不再 赘述。后面几个章节将详细介绍对于系统工作较为重要的几个模块的相关算法。 2 1 已有调制器产品的情况 从数字电视发展之初到现在，数字电视产品正在一天天的完善，功能也在 一天天的增强。所做的产品要想立足市场，必须对市场的现状有所了解。本节 考察了市场上现有的主流调制器产品和已有的调制器芯片，下面给出比较典型 的调制器和芯片各一例进行说明。由于调制器作为传输系统的前端设备，每种 产品的功能以及接口都是非常全面的，为了节省篇幅，下面所列举的功能主要 是考虑到和f p g a 实现算法相关的一些功能，其他的一些特性如电气接口以及 其他调制器共有的特点就不在讨论之列。 2 1 1q u a s a rm k i i 型调制器1 9 1 ： q u a s a r 系列及其前身b a r c o 调制器为科学亚特兰大( s c i e n t i f i ca t l a n t a ) 的 产品，也是如今台端采用比较多的型号。它具有如下一些功能： 码流调整开关p c r 重新标定功能。如果需要调整码流则必须修改 p c r ： 信道占用带宽6 m h z 或者7 - 8 m h z 可变 静态p i d 过滤。 2 1 2l s i l o g i c 芯片l 6 4 7 7 7 ： 这是一块针对d v b c 的q a m 调制芯片。它的内部框图如下图所示 浙江大学硕士学位论文 图2 1 1l 6 4 7 7 7 芯片系统框图”】 由于是芯片产品，它要比调制器整机的功能详尽灵活的多。 带有片上锁相环对符号速率进行调整； 利用片上n c o 对基带数据进行内插，可以得到特定速率的i q 路输 出； 重新插入包头字节； 具有不加约束的串行模式，可以用来传输非m p e g 的数据流； n c om o d e 下可以达到11 5 m h z 的波特率。 2 1 3 功能分析及取舍 其他调制器产品的功能也大同小异，有的没有p c r 调整，有的没有静态p i d 过滤，有的信道波特率固定不可调等等。 通常对于一个系统来说，应该尽可能的保持其功能的独立性，这样才能具 有广泛的适应性。有关码流调整和p c r 的重新标定一般来说是复用器完成的， 如今越来越多的调制器将p c r 的重标作为了调制器功能的一部分。这主要是考 虑到整机应用的灵活性，将简单常用的功能加入到调制器里面而不需要再配一 台复用器，同时对调制器功能的独立性也不会造成大的影响。 对于d v b c 来说，信道波特率固定为6 8 7 5 m h z ，而信道波特率连续可调 为特殊的应用环境提供了方便，并且在设计调制器的整体方案的时候也需要考 虑到各个模块的可重用性。对于其他的传输标准，例如a t s c 的1 0 7 6 2 m h z 的 符号率也应该能够尽可能多的采用相同的模块。因此信道波特率可调也是顺理 成章的。 对于q a m 调制来说，i 、q 两路成型以后的数据需要进行中频搬移。中频 搬移可以采用不同的做法：可以首先将两路正交的数据通过d a 转换成模拟基 带信号，然后再通过模拟混频将基带频谱搬移到中频上：另外也可以采用数字 信号处理的方法，在数字域将频谱进行搬移，然后再通过d a 直接得到中频频 浙江大学硕士学位论文 谱。通常模拟调制具有一些致命的缺陷： q 两路信号分别经过不同的信号通路， 尽管在设计调试的时候尽量使两条信号通路保持一致，但是总是不可避免的存 在不同程度的i q 信号幅度不平衡；模拟调制采用9 0 度移相装置产生正交的两 路载波分量对基带数据进行调制，它们之间必然存在一定程度的不匹配，并且 没有严格的9 0 度相移，这些因素导致接收端解调的时候产生幅度相位失真，在 采用高阶q a m 信号的时候增加了误码率。另外根据软件无线电的基本思想， 应该将d a 转换器尽可能靠近射频输出部分。因此采用数字正交调制方案，数 字正交调制已经有成熟的芯片可以利用，例如a d 公司的a d 9 8 5 6 1 2 0 l 或者 a d 9 8 5 7 2 ”，这两款芯片对输入信号进行升抽样滤波和c i c 滤波口2 埘】，最终利 用自身产生的两路正交的载波进行正交调制，正交载波分量采用d d s 合成，因 此具有很高的精度。但是这两块芯片在工作的时候都要求输入的基带信号采样 率是固定的，并且和自身的工作时钟成特定关系，所以必须对基带信号进行采 样率转换也就是内插达到芯片应的用要求。 另外调制器是整个传输系统的台端设备，它输出的信号质量直接影响到有 线网络中各个用户的接收效果。考虑到如果设计参数合理，那么输出信号频谱 的恶化主要是由于模拟放大部分，射频搬移，或者仪器连接带来的线性失真， 在台端，线性失真可以看作是不随时间变化的，可以通过加入滤波器加以补偿， 因此考虑在调制器中加入预均衡器。 调制器由于其需求量的限制，通常采用f p g a 实现，为了保证f p g a 内容 不被恶意复制用于生产，还需要对f p g a 内容进行保护。 经过对功能以及实现代价的详细分析，决定在调制方案中实现如下的功能： 码流调整开关p c r 重新标记功能； 信道波特率可设定； 对基带i o 数据进行内插，便于后面采用专用频谱搬移芯片： 加入预均衡器，最大限度的保证射频或者中频频谱的平坦； f p g a 内容保护功能。 另外芯片中所提到的重额插入包头字节等功能并不增加实现的代价和难 度，也考虑加入。 2 2 系统实现方案 根据上面所提供的信息，本文给出了下面的系统实现方案： 。嘴。1l 爱a 包s 蔬昆1 2 c 接m p 誓示棱11 芯片保i 护接e l l 示重现ii “ 时钟产生锬相环，系统控制器 | h 霉鬲| | h | i | 日l 曰i 啊皑二 浙江大学硕士学位论文 图2 2 1 系统实现框图 图中所述的系统实现方案主要分为接口、系统控制和信号通路3 大部分。 信号通路上的扰码器、r s 编码器、交织器、差分编码映射等模块完全遵照d v b c 标准，本文不再详细介绍。本文介绍的重点在控制部分，这一部分的各个功能 模块将在后面章节进行介绍。其他模块将放在本节，在介绍整个方案时候一并 介绍。 2 2 1 接口 接口部分主要有码流的接口，外部控制的2 c 接口，状态指示接口和保护 芯片内容不被盗用而设置的保护接口。12 c 接口参照p h i l i p s 的标准进行设计， 状态指示接口主要是将调制器的工作状态实时的用板上的l e d 加以显示，这两 部分比较简单不再详细介绍。下面主要介绍t s 流的接口和芯片保护接口。 2 2 1 1t s 流接口 数字电视调制器一般都同时带有s p l 接口和a s l 接口口”，它们是码流的输 入接口。 s p i 接口采用并行方式输入，带有和数据同步的时钟，并且已经带有了包同 步信号和包有效信号。 a s i 接口采用串行方式传送数据，经过专用的a s i 接口芯片口q 转换为并行 字节流以固定的2 7 m h z 时钟送进来。以2 7 m h z 作为采样时钟，有用的数据不 可能占满整个时间轴，在时间轴上采用有效指示信号标识真正传输的数据。a s i 接口送来的数据是只是给出字节流，不存在包同步头指示信号和包有效信号， 而包同步头指示信号对于后面的操作至关重要，因此a s i 的接口模块必须从输 入的字节流中恢复出包同步头指示信号。包同步头指示信号通常采用如图2 2 2 所示的状态机来进行恢复。 浙江大学硕士学位论文 图2 2 ，2 同步头寻找状态机 图中实线表示在包同步位置上出现的是“0 x 4 7 ”：点划线表示出现的是非 “0 x 4 7 ”的其他值( 该图只画出了各个状态之间转移的路径，在l o s t 和s y n c 状态下的自环没有在图上画出) 。m + 1 为前向保护的级数，i t i 的值取得越大， 也就是前向保护加的越长，那么进入同步状态越慢出现错误同步的概率也就 越小；n + 1 为后项保护的级数，后向保护加的越长，对抗噪声的性能也越好， 能够降低由于受到噪声的影响而错误的走出同步状态进入失锁状态的概率。但 是1 1 2 和n 的取值并不是越大越好，取值太大的话增加了由同步到失步或者从失 步到同步的时间，并且也加大了资源的开销。 对于捕获过程来说，错误同步的概率为连续m + 1 次在特定位置上出现同步 头“0 x 4 7 ”的概率，为了分析方便，假定输入数据在非同步头的位置上的数据 是随机的，那么特定位置上出现0 x 4 7 的概率为： 鼻= 丁1 = 去 ( 2 圳 连续出现m + 1 次错误的概率为 匕= 置”1 事实上t s 流由于空包的存在或者其他原因 实际的错误概率要小于上述值。 f 2 2 2 ) 数据并不是完全随机的，因此 以信道传输t s 流进行分析。在实际应用的时候，送入调制器的码流信号质 量不能太差，信号质量太差的节目根本没有必要在有线网上传输。这里只考虑 信号质量达到可视门限以上的情况，此时误码率应该在1 1 0 。5 以下。也就是近 似在2 。7 以下由此看来( l + 1 ) 取3 就足够了，此时 = 2 - 2 4 2 - 1 7 ( 2 2 2 ) 下面再来分析后向保护所需要的级数： 作为数字电视广播的台端设备，稳定性是极其重要的，在进入同步态后应 浙江大学硕士学位论文 该加入足够的保护，使其具有较强的抗干扰能力。 仍然以可视门限进行计算，如果比特错误概率为l x l o ，那么显然，字节 错误概率： 最8 x 1 0 。5( 2 2 3 ) 连续在包头位置上出现( n + 1 ) 次错误的概率为： 匕= 忍“1 ( 2 2 4 ) 在d v b c6 4 q a m 下，每年出现一个错误字节的概率为： o 2 孤孬面而志面雨而丽4 6 7 7 x l o “ ( 2 删 当( n + 1 ) 取3 的时候， 匕= 4 0 9 6 x 1 0 。7 二剖均匀插包 式+ z j 输出流 面二 2 7 m h z 本地p c r 计数器 图2 2 6p c r 矫正原理框图 如图所示，采用2 7 m h z 晶振维护一个本地p c r 计数器，在码流进入调制 器的时候首先提取t s 流中携带的p c r 信息，将它加上本地p c r 计数器的值。 然后按照所需的符号率进行空包插入，空包插入的结果使得速率达到表2 2 2 中 所要求的值，然后按照均匀的速率将码流读出，在读出时再次提取t s 流中的 p c r 信息，将其与本地p c r 计数器的值相加，然后送给后面的各个模块进行处 理。 然而2 7 m h z 时钟的引入带来了以下的问题： 由于调制器的所有操作工作在板上系统时钟上，而p c r 计数器按照 2 7 m h z 的速率增长，在做加减法的时候会出现异步操作，当然也可 以用系统时钟对p c r 计数值进行重复采样，避免可能带来的亚稳态， 然后再进行加减法，但是这里所需要的锁存器数目至少为4 2 3 = 浙江大学硕士学位论文 1 2 6 个，也就相当于1 2 6 个l e ； 另外为了维护一个本地的p c r 计数器，必须引入一个2 7 m h z 时钟， f p g a 必须对其进行锁相整形然后才能使用。 显然为了引入一个2 7 m h z 时钟，需要花费大量的f p g a 资源，但是只是为 了完成一项简单的工作。因此考虑由系统时钟采用吞脉冲的办法产生平均意义 上的2 7 m h z 时钟，用该时钟来驱动本地的p c r 计数器，这样就可以省掉外加 2 7 m h z 时钟时不得不花费的资源。那么通过这样的做法来修正p c r 会不会有 问题呢? 下面的分析表明，采用这种方法进行空包插入以达到抬升速率的办法并不 会影响接收端信源解码。 首先明确接收端对p c r 在时间轴上的分布有什么要求，根据e t r2 9 0 ( m e a s u r e m e n tg u i d e l i n e sf o rd v bs y s t e m s ) ”“，p c r 必须符合以下要求： p c r 在时间轴上的抖动不得超过5 0 0 n s ： 在没有特定指示的情况下，p c r 的不连续不能超过1 0 0 m s ； 两个p c r 之间的时间间隔不得超过4 0 m s ； 首先分析第一条是否满足要求。图2 27 给出了采用不同时钟进行p c r 计 数所得到的结果。 图中为了方便对比采用了3 6 m h z 的系统时钟和2 7 m h z 时钟进行计数对比， 他们之间存在简单的4 ：3 的关系，那么由3 6 m h z 产生2 7 m h z 只需要简单的每 四个时钟脉冲扣掉一个就可以了，途中被扣掉的脉冲采用虚线表示，在扣掉脉 冲的位置不进行p c r 的计数。当系统时钟是高于2 7 m h z 的其他时钟的时候， 以下的分析也同样适用。 图中点划线a e 为采用2 7 m h z 时钟进行p c r 计数所得到的相位累加结果， 由于是连续计数的所以相位曲线为直线。当采用3 6 m h z 的扣除时钟进行计数的 时候，图中的阶梯状折线表示了计数值的变化情况，但是对于修改p c r 来说由 于所有的操作在系统时钟的上升沿，所以实际工作中看到的p c r 相位累计曲线 为虚线a b - c - d e 显然图中的p p 表示了p c r 抖动的峰峰值，可以看出这个值 永远是小于个台阶高度的，这里的一个台阶高度对应于2 7 m h z 系统时钟的一 个时钟周期： t 2 7 m = 1 2 7 ，0 0 0 ，0 0 0 ；3 7 n s( 2 21 0 ) 这对于+ 5 0 0 n s 的上限来讲微乎其微。不会造成太大的影响。 浙江大学硕士学位论文 de a 3 6 m h z 厂 ! ：j 厂 厂 厂 口厂 厂 厂 ：l 厂 2 7 m h z ：! 一：! 一：一：i 一：i 一：j 一：! 一i ! 一：i 图2 27 采用不同的时钟对p c r 进行计数的结果 下面再来分析后面两个关于p c r 的限制。如下图所示，给出的是插入空包 对p c r 间隔产生的影响示意图。图中每个方格代表的是t s 流中的一个包。p c r 可能就在其中某个包中。 a1 a2 a1 2 a3 a 图2 2 8 插入空包对p c r 间隔的影响 考虑如果要达到所要求的码流速率，平均每个包后面需要再插入a 个包的 情况。其中a 可能是整数也可能是小数，都没有关系。当a 是整数的时候，非 常简单，所有的p c r 都仍然停留再原来的位置上，他们之间的相对位置不会改 变。下面首先考虑比较简单的情况，如果a 是小于1 的小数，那么如2 8 8 所示， 包的边界跟原来相比会发生错位，错位的值分别是ar o o d1 ，l - ar o o dl ，2 ar o o d l ，1 2 ar o o dl ，显然他们都小于l 。 再考虑a