（微电子学与固体电子学专业论文）qam解调芯片中初始解调电路的设计及实现.pdf

东南大学0 3 级硕士学位论文 摘要 基于d v bc 标准的数字电视系统采用正交幅度调制( q a m ) 传送信号。在数字电视信号的接 收端，高频信号经调谐芯片变为频率为3 6 m h z 的中频信号，再通过a d 将模拟中频信号转化为数字 信号。本文所研究的初始解调电路的功能是把a d 输出的数字信号转化为基带数字信号。 本文介绍了d v b - - c 系统的结构和q a m 调制解调的基本原理及其系统结构；分析比较了初始 解调电路的两种实现方式：产生本地载波进行解调和简单序列解调。设计了初始解调电路的系统架 构。本文重点设计了数字频率合成器( d d f s ) 和低通滤波器：通过比较鑫种d d f s 设计方法，并 考虑设计中初始解调电路的要求，采用组合逻辑替代r o m 实现查找表的方法实现d d f s , 低通滤 波器采用半带低通滤波器实现，同时完成了抽取和滤波的功能，使得i 、o 信号可以时分复用半带 滤波器，减少了所需的硬件资源。 整个初始解调模块采用v e r i l o g 语言进行描述，经m o d e l s m 仿真，用d e s i g nc o m p i l e r 进行逻 辑综合，f p g a 验证及芯片测试表明，本文设计的初始解调电路在2 8 8 m h z 的时钟频率下能正常工 作，实现将数字信号解调至数字基带的功能。初始解调电路中的d d f s 的无杂散动态范围( s f d r ) 达到6 8 d b ，半带低通滤波器的阻带抑制比达到5 0 d b 。 关键词：数字电视，d v b - c ，初始解调电路，d d f s ，半带滤波器 东南大学0 3 擐硕士学位论文 a b s t r a c t q u a d r a t u r e a m p l i t u d em o d u l a t i o n ( q a m ) i su s e dt ot r a n s f e rs i g n a l sb yd i g i t a lt vs y s t e mb a s e do i l d v b _ cs t a n d a r d i nt h et c c c i v c l o f t h ed i g i t a lt vs i g n a l ，h i g hf r e q u e n c ys i g n a li st u r n e dt o3 6 m h z m i d d l e f r e q u e n c ys i g n a l b y t u n e r c h i p t h e n a dc o n v g l t s t h ea n a l o g m i d d l e f r e q u e n c ys i g n a l i n t o d i g i t a l m g n a l t h e i n i t i a ld e m o d u l a t o r w h i c h t h i s p a p e r p r e s e n t e dc o b v c i t s & g i t a ls i g n a l w m c h i so u t p u u e d b y a d i n t o b a s eb a n dd i g i t a ls i g n a l t h l sp a p e ri n t r o d u c c st h ea r c h i t e c t u r eo f d v bcs y s t e ma n db a s i ct h e u r yo f q a mm o d u l a t i o na n d d e m o d u l a u o na tf n - s t ，a n a l y z m ga n d & s c u s s m gt w ow a y st oi m p l e m e n tt h em m a ld e m o d u l a t o r ：s i m p l e s e q u e n c e ra n dg e n e r a t i n gn a u v ec a m e l t od e m o d u l a t e t h l sp a p e rm a i n l yd e s t g n sd i r e c td i g i t a lf r e q u e n c y s y n t h e s i z e r ( d d f s ) a n dl o wp a s sf i l t e r b yc o m p a n n gd i f f e r e n tw a y so f d e s i g n i n gd d f s a n dc o n s i d e n n g t h er e q u i r e m e n to f t b ei n i t i a ld e m o d u l a t o r , am n t h o dw h i c hu s e sc o m b i n a t i o n a ll o g i ct oi m p l e m e n tl o o k - u p t a b l eh a sb e a nu s e d ，ah a l f b a n d1 0 wp a s sf i l t e rh a sb e e nu s e dt oi m p l e m e n tt h el o w s sf i l t e ra n di ta l s o i m p l e m e n t st h ef u c t i o oo f s a m p h n g s ot l i c1 qs i g n a lc o u l du s et h eh a l f h a n df i l t e rb yt i m es h a r i n g a n d t h er e s o u r c eo f h a r d w a r ei sr e d u c e d 1 飞ei n i t i a ld e m o d u l a t o rm o d u l ei sd e s c r i b e db yv e r i l o g s i m u l a t e db ym o d e l s i m , s y n t h e s i z e db y d e s i g nc o m p i l e r f p g av e r i f i c a t i o na n dc h i pt e s ti n d i c a t e st h a tt h t sm o d u l e c o u l dw o r kw e l la tt h ec l o c k f r e q u e n c yo f 2 8 8 m h za n dd e m o d u l a t et h ed g i l a ls l g n a t ob a s e b a n d 1 1 l es p u r i o u sf l e ed y n a m i cr a n g e ( s f d r ) o f t h ed d f sw h i c hi su s e dm t h ei n i t i a ld e m o d u l a t o ri s6 8 d ba n dt h es t o pb a n da t t e n u a t i o no f h a l f b a n dl o wp a s sf i b e rg e t st o5 0 d b k e yw o r d s ：d i g i t a l d v b - c ，i n i t i a ld e m o d u l a t o r , d d f s ，h a l f b a n df i l t e r i l 东南大学0 3 级硕- l 学位论文 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它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。 研究生签名：邋 日期：皂! 盟p 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：差熏塑导师签名：燃 e t期：n l 第一章绪论 第一章绪论 1 1 数字电视概述 如今，视听记录和传输媒介已由模拟传输逐步转向数字传输擞字电视不仅可使图像更清晰、声音 更逼真、屏幕更大、频道更多，而且它将集电视，电脑、电信的功能为一体，使电视的用途由单一性 向多元化发展。 与模拟电视相比，数字电视在内容( 节目1 、传输和接收三个环节上所带来的产业革命将更加深刻。 首先，在内容方面，传统的模拟电视仅向观众提供电视节目，广告收入构成电视台的产业主体。实 现数字化后，电视台除向观众供电视节目外，还可提供数据广播、交互信息等多媒体数据业务，产 业几乎延伸到l t 的各个领域；其次，在侣输手段上，广播电视的有线、无线网络将与其他通信网络 在技术方面趋于融合，数字化后所带来的双向传送、移动便携接收、区域联网、频道增容等优势将 使有线，无线网络在产业化方面大有可为；第三，在接收终端方面，伴随数字电视新业务的兴起， s d t v 接收机，h d t v 接收机、多功能机顶盒等一大批新型信息家电产品将应运而生，从而为制造业 带来空前的市场和产业机遇。 数字电视的应用将为人们提供更加适合人类自然视域的画而结构、优质的电视图像和更多形式 的电视服务，并在相关的工业技术领域产生深远的影响，因而发达国家均把数字电视看作是对人类 社会信息发展具有极其重要意义的“战略技术”。 数字电视产业想象空间极为巨大。在数字电视标准上美围提出a t s c 标准，欧洲提出d v b 标准， 日本提出了i s d b 杯准。 实际系统中较多采用的是欧洲d v b 标准和美国a t s c 标准，二者的主要区别如下： ( 1 ) 方形像素。在a t s c 标准中采纳了方形像素”( s q u a r ep i c t u r ee e l e m e n t s ) ，因为它们更加适合于 计算机；而在d v b 标准中最初未被采纳，最近也被采纳了。此外，范围广泛的视频图像格式也被d v b 采纳，而a t s c 对此则不作强制性规定。 ( 2 ) 系统层和视频编码。d v b 和a t s c 标准都采纳m p e g - 2 标准的系统层和视频编码，但是，由于 m p e g - 2 标准并未对视频算法作详细规定，因而实施方案可以不同，与两个标准都无关。 ( 3 ) 音频编码。d v b 标准采纳了m p e g - 2 的音频压缩算法，而a t s c 标准则采纳了a c 3 的音频压缩 算法。 ( 4 ) 信道编码。两者的扰码器( r a d o r n i z e r s ) 采用不同的多项式；两者的里德一所罗门前向纠错( f e c ) 编码采用不同的冗余度，d v b 标准用1 6 b ，而a t s c 标准用2 0 b ，两者的交织过程( i n t e r l e a v i n g ) 不同。 在d v b 标准中网格编码( t r e l l i x e od i n g ) 有可选的不同速率，而在a t s c 标准中地面广播采用固定的2 3 速率的网格编码，有线电视则不需采用网格编码。 ( 5 ) 调制技术。卫星广播系统中d v b 标准采用q p s k ，而a t s c 标准不涉及卫星广播。有线电视系 统中d v b 标准采用任选的1 6 3 2 6 4 q a m ，而a t s c 标准采用1 6 v s b ，两者完全不同。地面广播系统中 d v b 标准采用具有q p s k ，1 6 q a m 或6 4 q a m 的c o f d m ，而a t s c 标准采用8 v s b 。 1 2 数字调制技术 数字调制是将数字信号转换成适合信道特性的波形的过程。基带调制中这些波形通常具有整形 脉冲的形式，而在带通调制中则利用整形脉冲去调制正弦信号，此正弦信号称为载波波形( c a r e e r w a v e ) ，或简称为载波( c a r r i e r ) 。将载波转换成电磁场传播到指定的地点就可以实现无线传输”1 。 基带调制又称为脉冲调制，其作用是将处于二进制1 和0 逻辑状态的数字消息变换到可以通过 电缆或其他信道传输的基带( 脉冲) 波形。带通调制则是将基带波形调制到较高的载波频率上，通 东南大学0 3 级硕十学位论文 过带通调制，我们就可以在一条信道上传输多路信号( 将基带信号调制到不同的频率上) ，也可以在 无线传输时使用较小的天线( 天线长度一般跟发送信号波长成正比) ，还可以减小干扰( 比如扩展频 谱调制) 以及将信号置于设计滤波器或放大器时需要的频段上。 受调载波的波形从原理上讲可以是任意波形，只要已调信号适于媒质传输，并且各路信号能够 相互区分即可。但实际上，大多数数字通信系统中都采用正弦信号作为载波，这是因为正弦信号形 式简单，便于产生和接收。 对于数字调制，一个周期为t 的正弦波形代表了一个码元。一个正弦信号可以有三个特征区别 于其他正弦信号：幅度、频率和相位。因此，带通调制可以对射频载波的幅度、频率和相位或者三 者的某种联合进行调制，传输的载波中三个参每随着信号的变化而变化。载波的一般表达式为”； s ( ，) = a ( t ) c o s 0 ( t ) ( 1 1 ) 其中4 ( r ) 足随时间变化的幅度，e ( o 是随时间变化的角度，也可表示为 烈f ) = 鳓( f ) + 妒( ，) ( 1 2 ) 则1 1 式化为 s ( o = a ( o c o s r - o o ( f ) + 妒( 例 ( 1 3 ) 其中，纰是载波的角频率，烈，) 是相位。 数字解调是数字调制的反过程，即是将适合信道特性的波彤转换到数字符号的过程。本文所研 究的正交幅度调制( q u a d r a t u r e a m p l i t u d e m o d u l a t i o n q a m ) 解调属于带通数字调制解调范畴。 带通调制解调可分为相干调制解调和非相干调制解调。如果接收机需要利用载波相位来检测信 号，则称为相干调制解调。在理想的相干检测中，每种可能的发射信号的模型对接收端来说都是已 知的。用这些已知的模型波形去等效接收信号，使接收信号在各方面包括相位都等于模型波形，然 后接收端采用锁相技术跟踪到达的信号，解调时，接收端将接收到的信号与各原型信号相乘，进行 相干解调。非相干解调是指在解调中不使用接收信号的相位值，这样就不需要对相位进行估计。其 好处是降低了系统复杂性，而付出的代价是误码率的增加。相干调制解涧包括相移键控( p h a s e s h i f t k e y i n g ，p s k ) 、频移键控( f r e q u e n c ys h i f tk e y i n g f s k ) 、幅移键控( a m p l i t u d es h i f tk e y i n g ，a s k ) ， 连续相位调制( c o n t i n u o u sp h a s em o d u l a t i o n 。c p m ) 和混合调制。 数字调制还可以根据信号的频谱结构分为线件调制和非线性调制。在线件调制中，已调制信号 的频谱结构和基带信号的频谱结构相同，只不过搬移了一个位置。在非线性调制中，己调制信号的 频谱结构和基带信号的频谱结构不同，不是简单的频串搬移，而且有新的频率成分出现。a s k 属于 线性调制，而f s k 、p s k 属于非线性调制。线性调制的优点在于占用频带小，实现电路较简单，但 与非线性调制相比易受信道传输电平变化的影响，抗噪声能力差”1 。 正交幅度调制( q a m ) 可以看作二维的幅移键拧或是幅移键控和相移键控的合成，属于混合调 制。它由两个相互独立的信息流组成，一个信息流调制载波的余弦函数，称为同相信号( 1 路信号) ， 另一个信息流调制载波的正弦函数，称为正交信号( q 路信号) 。q a m 信号可以表示为： s ( r ) = a f t ) c o s ( 鳞t ) - b ( t ) s i n ( 婢f ) ( 1 4 ) 其中一( f ) 为同相信号幅度，b ( ，) 为正交信号幅度。 1 3 d v b c 中的q a m 调制解调技术 d v b c ( d i g a a lv i d e ob r o a d c a s t i n gf o rc a b l e ) 标准是欧洲标准中用于数字有线电视广播系统的 标准，它采用正交幅度调制( q u a d r a t u r e a m p l i t u d em o d u l a t j o n ，q a m ) 方式对信号进行调制。正交幅 度调制( q a m ) 是一种频谱利用效率较高的数字调制方式。在该方案中，q a m 信号是分别采用两 2 第一章绪论 个正交载波来幅度调制两个相互独立产生的基带信号，并与合成信号相加而产生的。q a m 调制用 于将数字信息调制到常规的频带上。它可以使信号所占据的波谱频带与传输线的通带相匹配，使得 信号能够频分复用，或能够采用较小的天线来发射信号。q a m 已经被数字视频广播( d v b ) 和数 字音频视频理事会( d a v i c ) 和多媒体电缆网络系统( m c n s ) 等标准化组织所采用，用于阔轴电 缆、混合光纤同轴电缆( h f c ) 以及微波多端口分配无线系统( m m d s ) 等丁v 网络中数字1 、，信 号的传输。 q a m 调制有多个可变的电平( 4 ，1 6 ，3 2 ，6 4 ，1 2 8 ，2 5 6 ，5 1 2 ，1 0 2 4 ) ，它可提供2 ，4 ，5 ，6 。 7 ，8 ，9 ，和1 0 m b t t m h z 的传输速率。该方案在美国的6 m h zc a t v 的频道上可提供大约4 2 m b i t s ( q a m 2 5 6 ) 的传输速率，在欧洲8 m h zc a t v 的频道上可提供大约5 6 m b i t s ( q a m - - 2 5 6 ) 的 传输速率。这就意味着等效于在一个模拟电视节目的等效带宽j ：传输的l o 个p a l 制或s e c a m 制 的频道，并且约为2 至3 个高清晰度电视( h d t v ) 节目。音频和视频流是数字编码的，并映射成 包含1 8 8 字节的m p e g 2 传输数据包。 数据流被分解成n 个二进制的数据包，每个数据包映射成由两个分量i 和q 表示的q a m 符号。 例如n = 4 就映射成一个1 6q a m 码元，n = 8 就映射成一个2 5 6q a m 码元。l 和q 分量可以采用正 弦波和余弦波( 载波) 来滤波和调制，而成为唯一的射频( r f ) 频谱。l 和o 分量一般可采用星座 图( 矢量图) 表示，星座图以同向和正交坐标来表示的可能离散值。 1 3 1d v b - c 中的q a m 调制技术 厩捶嘧出 m p e g - 2 数据和时钟先经过基带物理接口进入电缆前端，接着将m p e g - 2 帧第一字节倒置并随 机化，目的在于实现同步和便于在接收端恢复载波。降低误码率是通过r s 前向纠错编码来实现的， 在1 8 8 字节为一帧的m p e g - 2 数据包中加入1 6 字节的纠错码再进行深度为1 2 字节的卷积交织，采 用这一措施后可以将误码率从1 0 - 4 降低到1 0 。o 一】0 。1 。在进行q a m 调制前还要将字节映射为符号、 进行差分编码、基带波形形成，最后经过q a m 调制器和射频物理接口把载波信号发送到电缆上。 下面作详细说明。 ( 1 ) 基带接口和同步：该单元将数据调整为信号传送帧，帧结构与带同步字节的m p e g - 2 帧一致。 ( 2 ) 同步1 倒相和随机化：根据m p e g 2 帧结构，将同步l 字节倒置。另外为了得到一个便于在 有线电缆信道上传输的信号频谱和在接收端恢复出信号时钟，还要对数据流进行随机化。图 1 2 是m p e g - 2 帧结构及随机化后的结构图。 伪随机二进制序列发生器采用的多项式为： 1 + z ”+ x 1 5( 1 5 ) 随机化过程如图1 3 所示，例如一序列1 0 0 1 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 进入伪随机二进制序列寄存器，前八个传 3 东南大学0 3 级硕士学位论文 输数据包将被随机化。在这一组八个数据包中，第一个数据包的m p f _ 犯- 2 同步字节由4 7 m 被倒置 为口8 ，这样做的目的在于为在接收端处进行恢复出原始数据时提供原始信号。 a )m p e g - 2 传输复用数据包帧结构 ( b ) 随机化后的m p e g - 2 数据流 图1 2m p e g - 2 帧结构示意图 从伪随机二进制序列寄存器输出的第一位将紧随m p e g - 2 数据包的倒置同步字节( 例如b 8 m r ) 之后。其他七个m p e g - 2 传输数据包不进行随机化，但为了达到同步的目的，伪随机二进制序列寄 存器仍在工作，只是输出无效而已。需要说明的是肖传送数据不符合q a m 调制及m p e g - 2 传输格 式时也要进行随机化。 图1 3 随机化过程概图 ( 3 ) 里德所罗门编码( r s ) ：完成随机化后将对数据流进行r s 纠错编码，采用这一编码后可以 大大降低误码率，但也增加了无用字节从而降低了有效传输速率。r s 编码发生多项式为： g ( x ) = ( x + 五o ) ( z + a 1 ) ( x + a 2 ) ( x 十五”) 这里五= 0 2 。 ( 1 6 ) 编码后m p e g - 2 帧由原来的1 8 8 字节增加到2 0 4 字节，帧结构图如下所示： ( a ) r s 编码保护数据包 同步l 或吲步1 或同步1 或 同步n 2 0 3 字节2 0 3 字节 同步n同步n 图1 4 ( b ) r s 编码后的m p e g - 2 数据流 4 第一章绪论 ( 4 ) 卷积交织：完成纠错编码后，就要进行如图1 5 所示的深度为1 = 1 2 的卷积交织。卷积交织过 程是以f o m e y 近似为基础。交织器由十二个分枝组成每一个分枝都是一个先进先出寄存器并靠转 换开关循环的与输入字节流相连。同样为了达剑同步的目的，同步字节总是进入0 分枝。 图中的m = n 1 = 1 7 ，n = 2 0 4 是错误保护帧长度，1 = 1 2 是交织深度。 璺 图1 5 交织和解交织原理图 ( 5 ) 字节到符号的转换：根据m 进制q a m 的要求，需在调制懈调之前将二进制摹带信号转换为 m 重符号。设将字节v 映射为符号z ，符号的最高位来自于字节的最高位，相应的下一位符号的有 效位来自于字节的下一位有效位。对于2 ”- q a m 调制来讲，把k 字节映射为n 个符号的按下面式 子计算： 8 k = n m( 1 7 ) 用比较典型的6 4 - q a m 为例说明，很明显6 4 = 2 6 有m = 6 ，所以按上式算得三组共2 8 个字节被 映射为四个符号，每一符号6 位( 这里n = 4 ，k = 3 ) 示意图如下： 从交织柬 的字节 从差分编码 柬的字节 b 7n s * s “nn 。e z i - ，“。s ，“s “s “ai “sb 2e - “o “，“nl “s “a “se zb l “。 lij b 5b 4b 3b 2b lh 0b 5b 4b 3 b 2b lb 0b 5b 4b 3b 2b lb 0b 5 b 4b 3h 2b 1h 0 l 1 1 。， 图1 6 字节到符号的映射示意闰 ( 6 ) 差分编码和调制：系统采用的调制是q a m ，它是一种对载波振幅和相位联合调制的一种方 式。为了避免q a m 信号经信道传输而引起的接收端相位模糊问题，必须在q a m 调制之前对映射 后的符号进行差分编码。如图所示，每一个符号的最高两位有效位4 、鼠进入差分编码器中进行 编码，编码采用的布尔表达式为： = ( 4o b k ) ( 41 k 一，) + ( 4o 最) ( 以。幺一。) g = ( 4o 毋) ( 鼠o q 一。) + ( 4o 壤) ( 最。厶一，) ( 1 8 ) 5 东南大学0 3 级硕士学位论文 式中：其它位不变直接与编码后的l 、幺一起经串并变换分成i 、q 两支路基带信号，送往 调制器。 来自 a ，= m bl j q = 2f o ri o a a m , q = 3f o r3 2 口州，q = 4f o r6 4 q 埘 图1 7差分编码框图 前面已提过q a m 是一种联合振幅、相位调制方式。其振幅和相位都能携带信息因而具有很高 的频带利用率。由于已调信号的振幅、相位均有不同的取值。故其星座图的结构形状口t 以有许多种， 如圆形、三角形、矩形、六角形等。对于具有相同的m 进制q a m 信号来说，由于星座图不同，各 点之间最小距离也不同，因而相应的调制方式会有不同的误码性能。d v b - c 标准规定数字有线电视 系统中采用1 6 3 2 1 6 4 1 1 2 8 2 5 6 q a m 的调制方式，其中常用的有1 6 1 3 2 1 6 4 1 1 2 8 q a m ，d v b - c 标准给出 了所采用的1 6 - 2 5 6 q a m 信号星座图，在图1 8 a 和图1 8 b 中1 6 6 4 2 5 6 q a m 呈正方形，而3 2 1 2 8 q a m 呈十字形。 q j g = i o | 。= o o l o l l1 0 0 1 o ooo 1 秽召oo 艿召1 1 拶艿o笤省o 1 1 拶岑o0 8 苓1 l g = i l g = 0 1 1 6 q a i h o 1 0 1 1 i 1 0 n 1 1 【0 i1 0 0 0 0 1 0 ；1 0 oooo n ：0 0 f m 】0 0 0 0 10 1 1 0 l l l oooooo ooo“笞臀1 苫1 ooo“拶誓0 0 1 1 i 1 8 ”拶1 9 ”o 艿1 訾占o - “1 ，8 8 0 8 1 弓” b - 0 1 口 b oooo 臀苫訾馏”。 0 8 0 “g “答”1 翟：“熠。智“智“鼍” 1 笞“笤“掣掣1鼍。骘“鼍“鼍” ? 酽1 留”1 翟”1 鼍p”酽“守1 喘“。笞。 秽1 嚣“字“矽酽。笤”o 害”。笤”1 訾苦“1 笞“1 酽o”嚣“琶”。誊“。弩1 1 w 岩“。铲酽o 妒0 8 ”0 8 ”o 崔” ”- - 护引訾一伊“护0 1 8 ”0 1 8 ”o 召” q a 一1 01 召。g ”o g ”0 3 ” o 。 1 秒1 拶穹17 苦” 1 秽1 孑字11 ； ；”1 ￥严1 拶1 1 锣o1 掣11 笞1 笞o1 】8 01 岑1 掣。瞥”翟“鼍斟。墨“ 攀害1 訾訾1o 妒訾1 ， 口b 。l l 图1 8 a 1 6 3 2 6 4 1 2 8q a m 信号星座图 6 第一章绪论 v 訾管；| l 秽：苫省等酽 訾翟 1 掣1 管“io 攀崔1 咄翟。 。秽9 19 1 嚣。卜拶8 11 笤芎o g = l o j b 1 7 酽害苫1 铲：“护卷1 艿秽 1 秽芎1 芎1l 占帅i 秽拶。拶拶。 1 霉嚣1 召1 秽i1 攀岂11 冒笞 秽罟1 管；5 ：”o ；o9 1 管答“ l “铲笞。省1 秒i ”酽笤1 冒分 a - l i岛- i t 图1 8 b2 5 6 q a m 星座罔 从图1 8 可以看出每一个象限的信号向量都可靠改变其其他象限最岛两位有效位，并旋转整数 倍号角度来获得例如1 6 q a m 星座图中，信号向量o o l o 最高两位有效位0 0 改为l 。并旋转詈就 得到了1 0 1 0 信号向量，如果改为1 1 并旋转7 就得到1 1 1 0 信号向量，同样可以得到o l l 0 。这是采 用差分编码的结果。表1 1 给出了星座图旋转说明。 表1 1 星座图旋转说明 象限最高有效位其他有效位旋转 10 0 0 2l o + 万2 3l 】 + 石 4 0 1 3 1 c 2 0 a m 信号可以在正交调制电路中两个支路的正交载波受幅度离散的基带信号进行的双边带抑 制载波的振幅调制获得。下面为1 6 q a m 具体说明。图1 9 为q a m 调制原理图。 1 支蹿 “1 h 翌母懂 1 1 1 0 1 0 0 1 0 0 1 0 1 0 1 1 i c o s c o t 一 ，l 一 一并串转换l 叫m n 婢， iq 支路 t f 圃而丽 1 0 0 1 0 0 0 1 换器li 涟波器 号 带鬻波h 功繁大 图1 9q a m 调制原理框图 经过差分编码后的一路速率为的二进制基带信号先进入并串转换器，被分为两路速率为 2 的两路基带信号。l 、q 两路信号分配原则为交替分配，如对于一路随机二进制信号 7 东南大学0 3 级硕士学位论文 1 1 1 0 1 0 0 1 0 0 1 0 1 0 1 1 被分为两路：1 支路为1 1 1 0 0 1 1 l ：q 支路为1 0 0 1 0 0 0 1 。并串转换完成后，l 、q 两支路信号分别进入2 _ 三电平转换器，由二电平信号变为四电平信号，采用自然码。基带信号的 矩形脉冲波形是不利于有线传输的，因为矩形脉冲占用频宽为无限，而有线信道一般为低通带限信 道。基带形成滤波器正是通过滤波器将矩形脉冲转换为合适有线信道传输的升余弦脉冲波形。 d v b - c 要求通过滤波器得到的升余弦波形滚降因子为g = 0 1 5 。得到四电平的基带信号后，再经 相加就得到了q a m 信号。带通滤波器可以滤出信号频带以外的噪声，最后经功率放大器将信号放 大使其能有系统要求的足够的信号功率。 q a m 信号的表达式可写为： s q a 2 4c o s 【r o d + 织j = x ic o s 嗥t ks i n m , t k = 1 ，2 ，3 m 0 t 瓦 式中：a k = 瓣；蛾= t g - j ( 以e ) ；l 是符号宽度。 1 3 2d v b - c 中的q a m 解调技术 ( 1 9 ) 信号接收端的系统框图如图1 1 0 所示，q a m 信号到达用户接收端后首先经射频1 1 3 n e r 芯片 把高频信号转换为中频信号，再经声表面滤波器( s p w ) 进行带通滤波，得到中频信号。q a m 解 调芯片把中频信号转换为数字基带信号，再经过信道解调后得到t s 数据流。 l f r e q u e n c ys i g n a l q a m t sf l 0 w l t u n e rs p w l d e m o d u l a t o r 图1 1 0 d v b - c 的数字有线电视系统接收端方框图 图1 1 0 中的q a m 解调芯片的内部系统框图如图1 1 l 所示。 图1 1 1q a m 解调芯片系统框图 图1 1 1 中q a m 解调芯片为数模混合芯片，其中的a d 把模拟中频信弓转化为数字中频信号 8 第一章绪论 再由初始解调电路把数字中频信号转化为数字基带信号，由后续的各模块对数字基带信号进行处理， 从而获得t s 码流。 下面具体讨论各模块的功能： ( 1 ) a d 转换器 该转换器采样由调谐器输出的中频信号，可以处理很大范围的中频，包括3 6 m h z 、4 4 m h z 和 7 2 m h z 。a d 输入是虚差分输入，标称输入电压是l v p p ，输入信号必须以l v 为中心。a d 对中频信 号的采样为欠采样。 ( 2 ) 模拟a g c - - 延迟a g c 在不同线路环境下，高频头输入信号可能有几十d b 的变化。这就需要a g c 电路调节下变频模 块信号输出幅度，使得输入信号变化大时，输出幅度仍旧落在a d 器件的上下参考电位之间，并且 其峰峰值尽可能接近参考电位。 ( 3 ) 初始解调 图1 1 l 中的整个q a m 解调芯片完成信道解调的功能。当信道为理想信道，且采样也为理想采 样时，只需要信号解调至数字基带即可，即a d 后只需要一个数字下变频电路即可：但由于信道和 采样的非理想，所以需要加入后续的各模块电路，以消除可能带来的误差。由于数字下变频电路完 成了最摹本的解调功能称其为初始”解调电路。 初始解调电路把a d 输出的数字中频信号下变频为数字基带信号，输出l q 两路正交数字基带信 号。 ( 4 ) n y q u i s t 滤波 数字摹带信号进x , n y q u i s t 滤波器，这里经过优化设计后的n y q u i s t 滤波器完成匹配滤波和插值两 种功能。在数字通信系统中，为了在接收端得到的信号具有最大化的信噪比，要求发送和接收系统 使用匹配滤波器。所谓匹配滤波器就是指使输出信噪比擐大的最佳线性滤波器。n y q u i s t 滤波器受码 元定时恢复电路的控制，输出的信号频率即为符号率。 ( 5 ) 码元同步电路 在d v b - c 系统中，接收的信号是以符号为单位的，在接收端要进行码元的判决就要在正确的 采样点处进行采样。为了使系统在正确的采样点处进行采样，接收机要生成一个和发射机完全同步 的一个采样控制信号，这个信号就是码元时钟。码元同步电路通过一定的计算，获得准确的采样定 时相位，包括恢复正确的码元频串问隔和正确的采样相位，以保证接收端能够在码问干扰晟小的相 位处采样。同时码元同步还有对抗定时抖动的作用，定时抖动由多剩咽索引起，比如信道的非理想 传输特性、接收端的晶震抖动，发送端的晶震抖动等。 ( 6 ) 数字a g c 数字a g c 电路对由于插值所损失的能量进行补偿。 ( 7 ) 解旋与载波恢复模块 收发端的本振时钟不精确相等，或者信道特性的快速变化使得被传送信号偏离其中心频谱，都 会导致“基带信号”中心频率偏离零点。同时，信号的相位在传输中也会受到损害。其来源有：有线 信道的时变特性、高频头的宽带滤波器、下变频电路、接收端自适应均衡器的步长噪声等，都会引 起信号的相位抖动。需要载波恢复模块把“伪基带信号搬移至基带，同时跟踪该基带信号的相位。 解旋电路把载波恢复电路产生的低频载波与信号相乘，以消除剩余的频率偏移和相位偏移。 ( 8 ) 均衡模块 由于有线信道的多次反射，都会引起信号的幅度畸变。均衡模块( 盲均衡和自适应均衡的技术相 结合洧效解决了这个问题。 9 东南大学0 3 级硕士学位论文 ( 9 ) 信道前端纠错模块( f e c ) 在q a m 调制时，常常采用信道编码以提高信号传输时抗干扰特性。信道编码包括差分编码、 能量扩散、r s 编码、交织等。前端纠错模块用来进行信道解码，包括差分解码、符号到字节的映 射、解卷积交织、r s 解码，同步第一字节再倒置、解扰等部分，数据经过f e c 电路后就得到了t s 数据流。 1 4 本文的主要内容及结构 本文介绍了d v b 数字电视系统中，用于信道解调的q a m 解调芯片中的初始解调电路的设计 和v l s i 实现方法。第一章为绪论，介绍了d v b c 中的q a m 调制解调技术；第二章介绍了初始 解调电路的系统设计；第三章介绍并比较了各种数字频率合成器的实现方法，并提出了本文中所采 用的实现方法；第四章讨论了半带滤波器与乘法器的设计，提出了本文中半带滤波器和乘法器的 v l s i 结构；第五章为初始解调电路的v l s i 实现和电路验证。 o 第二章初始解调电路的系统设订 第二章初始解调电路的系统设计 2 1 信号采样理论 2 1 1 带通采样定理 设频率带通信号j ( f ) ，其频谱为x ( f ) ，其频带限制在( 矗，厶) ，带宽口= 厶一无。按照频 率卷积定理，当将带通信号x ( ，) 和频率为五的周期性冲激信号相乘时，所得采样信号的频谱以( ，) 是x ( f ) 的频谱沿正，和负方向每隔正周期性的重复叠加。 用公式表示为： 以( ，) = i 1 x ( f - n f , ) ( 2 1 ) j 胆一 如果其最高频率满足厶= n b ， 为正整数，则用正= 2 b 的采样频率对该信号进行采样，不 会产生频谱的混叠。图2 1 为当厶= 5 b ，五= 2 b 时的采样频谱【8 】。 一毫磊一2 毫无一2 磊一五五 2 五2 5 五3 以 “) 糟譬糍，赫 ， 一五一2 一五 五2 石3 五， 一3 矗一2 矗一矗石2 矗3 矗 ， c ，柏秤嚣栩嚣 图2 1 厶= 5 b 时带通信号的采样频谱 当厶膪时，厶= 加+ 檑 ( 2 2 ) 其中 是小于厶占的最大整数，0 k l 。 此时如果仍用石= 2 b 的采样频率对该信号进行采样，则会出现频谱的混叠，如图2 2 所示。 由图2 2 中可见，产生的混叠频谱的宽度为2 ( 厶一，坍) ，这是x ( f ) 的频谱经过”次频移后所 产生的混叠。所以如果每次频谱搬移比2 b 多移动2 ( 厶- n b ) n ，则不会产生频谱混叠。所以此时 的带通信号最小采样频率为 正= 2 b + 2 ( f 一n b ) n ( 2 | 3 ) 东南大学0 3 级硕士学位论文 一摒一2 5 五一2 磊 一以五2 磊2 5 五3 ( b ) 蓿磅糍精 于 一3 石 n ，) 浆样糍馈 2 以3 以 ， 一3 菇0 - 2 f s一磊以2 磊3 a ， 2 ( 居一h 。) 抽样藤瓣落 图2 2 厶柚时，带通信号的采样频谱 ， 把2 2 式代入2 3 式中，可得 五= 2 b ( i + k n ) ( 2 4 ) 其中n 是小于厶b 的最大整数，o t 1 。 另外要注意的是，带通采样定理适用的前提条件是；只允许在其中一个频带上存在信号，而不 允许在不同的频带上同时存在信号，否则将会引起信号混叠。 2 1 2 过采样与欠采样 当采样频率超过信号最高频率的2 倍( 对应于采样过程处于第一奈奎斯特区) 时，称为“过采样” ( o v e r s a n m p l i n g ) ；相反地，当采样频率低于2 倍信号最高频率时，称为“欠采样”( u n d e r s a m p l i n ) ， 又称为谐波采样( h a r m o n i cs a m p h n g ) 或超奈奎斯特采样( s u p e rn y q u i s ts a m p l i n g ) 。 欠采样降低了a d c 的采样频率，对a d c 器件和数字佶弓处王甲器件的要求大为降低。此外，欠 采样有可能避开带外的谐波杂散混叠到带内来。欠采样还具自类似于变频器的作用。 在数字化过程中，采样频琦薯越大，噪声基底越低。因为总的积分噪声保持不变而噪声将在更宽 的频段上扩展。与过采样相比，欠采样相对于基带采样方案抬高了噪声基底。 2 2 模拟中频信号到数字基带信号的频谱搬移 d v 毗接收系统中，模拟中频信号到数字基带信号的频谱搬移过程如图2 3 所示。图1 1 0 中， t u n e r 输出的模拟中频信号经过声表面滤波器的带通滤波，只在一个频带上带有信号，其频谱如图 2 3 ( a ) 所示。在q a m 解调芯片中，圈1 1 l 中的a d 对模拟中频信号进行的是欠采样，则把中频 信号的频谱搬移至基带附近，此时得到数字中频信号，如图2 3 ( b ) 和( c ) 所示。 通常，初始解调电路把以屯。一厶为中心频率的数字中频信号解调为数字基带信号，并低通 滤波如图2 3 ( d ) 和( e ) 所示。 第二章初始解调电路的系统设计 五。 ( 曩) 巾额输入横拟信号绷谗五一 士l士 之 矗矗 ( b ) 采样缬潜 呤芏掣呤i 掣呤士掣 f 五一o 幺 ( c ) 采样盾馆琴颇瀚 ( d ) 滟频后倩芍额潍 慨邋滤波霸侑弩撷满 图2 3 模拟中频信号到数字基带信号的频谱搬移 2 3 初始解调电路的两种实现方式 在q a m 解调芯片中，a d 与初始解调电路工作在相同的时钟频率下。则根据系统的不同，主要 是对模拟中频信号的中心频率以。与采样时钟厶的选取的不同，可以由两种不同的系统结构来实 现初始解调电路，下面分别介绍。 1 第一种实现方法是在芯片内部产生一定频率的本地载波与a d 输出的数字信号相乘，从而完成 频谱的搬移。通常使用数字频率合成器( d d f s ，d i r e c t d i g i t a l f r e q u e n c ys y n t h e s i z e r ) 产生本地载波， 本地载波包括正弦波和余弦波，其频率要求与a d 输出的数字中频信号相同。 初始解调电路的基本实现框图如图2 a 所示，图2 4 中乘法器的输出包括数字基带信号和若干高频 分量通过低通滤波后得到数字基带信号。 产生本地载波进行解调，d d f s 是设计的难点。对d d f s 设计的要求与其实现方式，将在第三章 中详细讨论。 i 球+ 专b s e b a n d 图2 4 基本的初始解调电路实现框图 1 3 东南大学0 3 级硕士学位论文 由1 3 2 d 、节的介绍，存q a m 解调芯片中，信号由初始解