（微电子学与固体电子学专业论文）qam解调芯片中匹配插值滤波器设计与实现.pdf

摘要 摘要 正交幅度调制( q a m ) 具有较高的调制效率，被广泛应用于各种数字通信系统中。数 字有线电视采用该调制方式传送电视信号。由于信号在非理想的物理信道传输，必然受到 很多不利因素的干扰，如噪声，信号衰落等，因此，必须深入研究信号的最佳接收问题， 即匹配滤波问题。此外，在接收机中，为了给整个系统提供有效的码元时钟，需要进行插 值滤波来恢复实际发送的码元符号和时钟。 本文介绍了d v b c 中的q a m 调制解调系统，在此基础上深入研究了符合d v b 标 准的q a m 调制解调技术。文中阐述了信号的最佳接收原理、奈奎斯特准则以及采样率转 换等基本原理。结合d v b c 技术，对传统的解调系统中的匹配接收与符号恢复两个模块 进行联合设计，给出最终的电路实现。在此基础上在电路中对结构进行优化，采用正交 时分复用、折叠变换等技术，有效地降低了电路的规模。 论文从算法层面出发，设计了匹配插值滤波器的总体架构及其各功能模块、单元，包 括系数计算更新模块、乘加单元、滤波器主体架构利用e d ai 具对所设计电路进行综 合、仿真，仿真结果符合d v b c 系统对奈奎斯特匹配滤波器的要求，即阻带抑止高于4 3 d b ， 通带纹波小于0 4 d b ，可以实现对1 m h z 1 0 m h z 符号速率进行正确接收。 关键词： 正交幅度调制( q a m ) ，采样率转换，匹配滤波，插值滤波器 东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t q a m “舢a d r a t 呲a m p l i t u d em o d u l a t i o n ) h a sb e e nw i d e l yu s e di nv a r i o u sd i g i 诅l c o m m u n i c a t i o ns y s t e m sd u et oi t sh i g hm o d u l a t i o ne f f i c i e n c y f o re x a m p l e ，q a mi sas t a n d a r d m o d u l a t i o nf o r m a ti nt h et r a n s m i s s i o no fd i g i t a lt vs i g n a lv i ac a b l e b e c a u s eo ft h eh f c c h a n n e l si m p e r f e c t i c o s 。s u c ha sr e f l e c t i o na n dn o i s ee t c q a mm o d u l a t e dc a t vs i g n a lh a s d i s t o r t i o u s o nt h eo b e1 1 a n d i no r d e rt og e o d v e rt h e 仃a n s i i l i t t e ds i g n a lt o t a l l ya tt h er e c e i v i n ge n d , t h em a t c h e df i l t e rm u s th ed e s i g n e dt om a x i m i z et h es n ( s i g n a lt on o i s er a t i o ) ；o nt h eo t h e rh a n d , t h et r a n s m i u e ds y m b o lc l o c km u s tb er e c o v u r e di nt h er e c e i v e rs oa st or e c o v e r yt h es y m b o la n d p 盯f o r md i 西t a ls i g n a lp r o c e s s i n gf o l l o w e dw h i c hi sr e l a t e dw i t hs a m p l er a t ec o n v e r s i o n 讲 t i m i n gr e c o v e r y f k s f l y , t h i sp a p e rc o n c i s e l yi n t r o d u c e sq a mm o d u l a t i o n d e m o d u l a t i o ns y s t e mi na c c o r d w i t hd v b - cs t a n d a r d q a md e m o d u l a t i o ns y s t e ma r c h i t e c t u r ea c c o r d i n gw i t hd v b - cs t a n d a r d i si n t r o d u c e di nd e t a i l t h e nt h ep r i n c i p l eo fo p t i m a ir e c e i v i n g ，n y q u i s tf i l t e r i n ga n ds a m p l er a t e c o n v e r s i o na r ei n t r o d u c e di nt h i sp a p e r a sd v b - ci sc o n c e r n e d , ac o m b i n e dm a t c h e df i l t e ri s d e s i g n e dt op e r f o r m b o t hm a t c h e df i l t e r i n ga n ds a m p l er a t ec o n v e r s i o nb a s e d o nm u l t i p h a s ef i l t e r b a n k s f u r t h e r m o r e ，t h es t r u c t u r eo f t h ec i r c u i t si so p t i m i z e db ya d o p t i n gi ，q 枷辩，f o l d i n g ，e t c b yo p e n , z i n gt h ec i r c u i to ft h ec o m b i n e df i l t e r , t h eg a t e - l e v e lc i r c u i ta n dt h el a y o u ti sg r e a t l y r e d u c e d k e yw o r d s ： q a m ( q u a d r a t u r ea m p l i t u d em o d u l a t i o n ) ，m a t c h e df i l t e r i n g , s r c ( s a m p l er a t e c o n v e r s i o n ) 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 皆串一越舌 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。 签名眵避趔 绪言 绪言 1 课题的背景 随着数字通信与数字信号处理技术的发展，用户对宽带多媒体信息需求的快速增长， 传统的模拟电视已不能满足人们对收视多样化、个性化的要求，于是数字电视应运而生。从 1 9 9 4 年丌播卫星数字电视，到1 9 9 8 年底开播地面数字电视广播，数字电视广播已经全面 启动。 日前，世界各国正而临着从模拟电视向数字电视的演进变革，与通信领域的模拟技术 向数字技术演进的历程一样，在用户需求和科学技术进步的拉动下，数字电视技术日趋成 熟，在不断为人们提供更高质量、更多功能和更个性化的音视频节目的同日、j ，逐渐成为电 视系统的主流。未来的数字电视将是一个全方位的宽带网络系统，从各个层面影响现代人 类的社会生活，其触角将遍及社会的政治、经济、文化和生活等各个领域。 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，数宁电视是这。 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、功能卜逐 步与信息、通信领域的其它手段相互融台，从i 叮形成全新的、庞大的数字电视产业。这一 新兴产业已经引起厂1 泛的关注，各发达国家根据自己的固情，已分别制定出由模拟屯视向 数字电视过渡的方案和产业目标。数字电视被各国视为新t ；l = 纪的战略技术。数字电视成了 继电信引爆i t 之后的又一大热点。 数宁电视，是从电视节目录制、播出到发射、接收全部采用数字编码与数字传输技术 的新一代电视系统。它具有许多优点，如：可实现双向交互业务、抗干扰能力强、频率资 源利用率高等，它可提供优质的电视图像和更多的视频服务( 如交互电视、远程教育、会议 电视、电视商务、影视点播等) 。电视数字化是电视发展史上一次重大的技术革命。数字电 视不但是一个南标准、设备和节日源生产等多个部分相互支持和匹配的技术系统，而月将 对相关行业产生影响并促进其发展。 我罔政府和相关部门 分重视数字电视产业的发展，强调我旧应该在该产业的核心领 域站稳脚跟，如拥有自主知识产权的专利标准的制定及相关核心技术的开发，取得了令人 鼓舞的成绩。在标准方面，我国的相关单位及部门提出了具有白主知识产权的数字电视地 面传输标准；在核心芯片的开发方面，一些科研院所，大学及公司也取得了长足的进步。 东南大学国家专用集成电路系统工程技术研究中心于2 0 0 3 年7 月成市了“q a m 数字电视 解调专用接收芯片s e j 6 6 0 8 ”项目组，致力于开发全数字q a m 数字电视解调芯片。 东南大学硕士学位论文 2 课题研究的目的和意义 q a m 调制，由于其非常高的调制效率，被广泛应用于各种数字通信系统中”。随着 微电子技术、计算机技术和信号处理技术的发展，现代调制解调技术在实现方法上已经从 模拟实现向部分数字、全数字实现甚至软件实现方向发展因而，全数字接收机、软件无 线电应运而生。尽管全数字接收机与软件无线电有很大区别，但是全数字接收机充分体现 了软件无线电的思想，可以看成是软件无线电的前提和基础，是软件无线电在现有技术条 件下的一种实现。 全数字接收机是在年代初提出来的，它解调用的本地参考载波和采样时钟都振荡于 固定频率，其误差信号的提取、校正以及信号的判决都由数字信号处理单元完成。全数字 接收机不需要像传统接收机那样将信号反馈到模拟部分进行反馈控制。这样就克服了传统 接收机在采用高效调制方式时模拟锁相环设计困难等问题。它提高了接收机的稳定性和兼 容性。因为没有了模拟信号的反馈控制，所以全数字接收机的数字信号处理算法显的比较 复杂”。 本课题为q a m 解调芯片中匹配与插值滤波器的设计与实现，该模块为解调系统中最 为关键的模块之一，涉及信号的最佳接收与采样率转换等关键内容。通过对相关算法及实 现结构的研究，提出优化的设计方案，降低系统的复杂度，提升系统的性能。最终设计出 高集成度，高性能，低功耗的芯片。对于加快我国信息化建设的速度，提高我国在该领域 的技术水平，本课题具有非常重要的现实意义。 3 采样率转换的研究现状 上个世纪6 0 年代中期，随着数字信号处理以及v l s i 技术的快速发展，数字信号处理 技术开始广泛应用于各种领域，推动了各种d s p 系统的发展与实现，由于应用了快速、高 分辨率的模数转换器使得d s p 开始广泛应用于高速数字信号的处理中1 。 接着有学者提出并完善了软件无线电的概念。目的是为了构造一个具有开放性、标准 化、模块化的通用硬件平台，将各种功能，如工作频段、调制解调类型，数据格式，加密 模式，通信协议等用软件来完成，能使宽带a d 和d a 转换器靠近天线，研制出具有高度 灵活性、开放性的新一代无线通信系统。为了简化接收机中a d 变换类型、种类，需要用 到采样率变换来提供不同的时钟速率。因此采样率变换技术成为了软件无线电得以实现的 一个必要环节。伴随着软件无线电的出现，一个新的功能s r c 引入到了数字通信接收机的 信号处理中 2 绪言 传统的采样率转换方法为，先以某一采样频率f t 对信号进行采样，采样后得到的信号 经过数模转换器( d a ) 变成模拟信号，然后再经过a d 用另一个采样率f 2 进行采样。此方 法的优点是采样速率可以任意选择，且与原始采样率无关“1 。但其缺点是d a 变换器在恢 复原始信号时会引入失真；在二次采样时，a d 变换器中的量化也会引入失真另外，它 还需要精确的模数和数模转换器以及精确的、高阶的模拟抗镜像滤波器1 5 1 经过进一步的 研究发现，改变采样率并不一定要把采样信号先变成模拟信号，然后再进行另一次不同频 率的采样，而是可以通过全数字的处理方法就可以实现采样率转换，恢复符号时钟。采用 数字信号处理的方法的采样率转换就是利用第一次采样的离散值所包含的信息，恢复发送 的数据及时钟。根据奈奎斯特采样定理，采样频率至少是信号最高频率的两倍通过对数 据进行理想的s i n c 插值，计算离散时间信号所包含的实际信号值，不需要经d a 变换。 直接根据数字信号处理理论，采用数字插值滤波器即可获得实际的信号值。 在大多数实际的数字通信系统中，实际的发送信号频率与本地的采样频率并非整数倍 关系，可能是分数比的，甚至是无理数比的，其实现要比前述的整数倍采样率理论要复杂 的多。文献”将软件无线电中的采样率转换问题划分为整数倍转换和分数倍转换。提出分 数倍采样率转换的最简单方法是先进行插值，然后再进行抽取。由于较高的采样速率，所 以仅适合于抽取和插值系数很小的情况文献“对分数倍和无理数倍采样率转换的方法 进行了深入的研究，提出了拉格朗日插值法实现无理数倍采样率转换；文献“”对采样率 转换过程中的延迟问题进行了详细的分析，为实现软件无线电中的无理数倍采样率转换提 供了基本的结构雏形。 1 9 9 3 年e m g a r d n e r , l e m p , r a h a r r i s 等对采样率转换的插值算法作了详尽的分析 ，并给出了几种插值器的参数文章中作者指出在本地采样时钟与发送符号时钟时不一 致的，必须通过内插的方法调整位时钟的误差，并得到最佳采样点的估计值，才能得到与 发送端一致的码元符号。至此，全数字接收机中的采样率转换结构才发生了根本的变化 此后插值滤波器的设计成为人们关注的焦点，并取得了许多成果1 1 4 1 8 1 他们在g a r d n e r 等 人研究的基础上从插值函数的选择以及插值滤波器的实现结构两方面发展了插值理论，使 插值滤波器性能得到很大改善。各种解调算法的不断提出。完善并促进了全数字接收机技 术的发展。 4 论文大纲 本文共分为四章，从数字通信系统的基本理论出发，阐述了d v b - c 系统中调制解调原 理以及匹配滤波和插值定时理论最终设计了q a m 解调芯片中匹配插值滤波器模块。备章 3 东南大学硕士学位论文 内容如下： 第一章阐述了q a m 数字通信系统中调制与解调系统的基本理论，结合相关项目的研 究，重点介绍了d v b c 系统的原理与组成结构。 第二章阐述数字通信中信号最佳接收原理与软件无线电的中采样率转换的技术的基 础，阐述其基本内容及原理，论述在q a m 解调芯片的设计中研究该理论的必要性。 第三章针对不同的系统与采样率转换的要求，分析推导其理论算法，并给出相关的实 现结构。重点研究基于f a r r o w 结构以及基于多相滤波器组结构的内插滤波器。 第四章从降低系统的复杂性，提高系统的性能，以及易于实现的角度出发，设计了用 于“q a m 数字电视解调芯片”的匹配内插滤波器。分别从算法及电路两个层面对电路进 行优化设计。根据实际系统的设计要求。对采样率转换算法进行了f p g a 实现，给出了具 体的硬件实现，通过仿真证实了方案的可行性。 4 第一章d v b - c 中的调制解调系统 第一章d v b - c 中的q a m 调制解调系统 数字通信与模拟通信相比较，在很多方面均优于模拟通信在数字通信中，数字传输 抗噪能力强，尤其在中继时，数字信号可以再生而消除噪声的积累：传输过程中的差错可 以控制；数字信息易于加密且保密性强等；特别是现在已能运用前向纠错技术 ( p e c - - - f o r w a r d e r r o r c o r r e c t i o n ) 防止由于突发噪声引起的误码，这就为数字通信的发展 开辟了新的前景。但是，数字通信也存在着一定的缺点，主要是占用频带宽，所以，在较 长一段时间内很少用于广播电视领域。 数字电视出现后，虽然在许多方面对电视制式进行了改进。在电视领域里也应用了一 些数字技术，但是从7 0 年代中期至1 9 9 0 年7 月所提交的数字电视制式中只有模拟传输方 式，1 9 9 0 年7 月，美国第一个全数字电视制式作为提案提交给了f c c ( 美国联邦通讯委员 会) 于是，数字调制技术也随之引入到电视领域，从而出现了全数字电视。” 1 1 数字调制的基本概念、模型、方式 通常数字调制中的原始基带信号是低通型的，只适用于低通信道：但是，对于带通信 道，直接传输基带信号是不可能的，必须用基带信号对载波波形的某些参数进行控制，使 这些参数随基带信号的变化而变化，形成频带信号。即调制。在接收端把频带信号还原成 基带信号的反变换过程称为解调。通常将数字调制和数字解调统称为数字调制。此外，数 字调制的目的还在于实现多路复用，完成频率分配和减少噪声干扰。图1 1 为数字调制传 输的系统框图。 图1 1 数字调制传输系统框图 从图1 1 可以看出，在发送端调制之前和接收端解调之后仍有基带传输部分，如果把 调制器到解调器之间看成是广义信道，任何数字载波调制系统都可以等效为基带传输系统。 认识到这点对于深刻理解基带传输系统十分重要。 被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。由于正弦信号有幅度、频率和相位三个参数 携带信息，因此可以构成调幅、调频和调三种基本形式，在二进制的情况下即振幅( a s k ) 5 东南大学硕士学位论文 键控、频移键控( f s k ) 和相移键控( p s k ) 数字调制技术根据一条信号的频谱结构可以分为线性调制和非线性调制。在线性调制 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。已调信号的频谱结构和基带信号的频谱结构不同，不是简单的频率搬移，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。” 数字调制方式有二进制数字调制和m 进制数字调制方式( m 2 ) 两种。因为m 进制 数字调制系统具有如下两个特点：第一，在相同的信道码元传输速率下，m 进制系统的信 息传输速率显然比二进制系统高；第二，在相同的信息速率下由于m 进锫g 方式的信道传 输速率可以比二进制的低，因而m 进制信号码元的持续时间要比二进制宽，显然码元加宽， 信号码元的能量就会增加，也能减少由于信道特性引起码间干扰的影响等基于这些特点， 在4 个数字电视系统中，有三个系统采用了m - q a m ，所以。本文在下面仅介绍d v b c “ 的m q a m 调制解调技术。 1 。2d v b c 中的q a m 调制解调技术 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 i o n , q a m ) 是一种高效的数字调制方式， 已广泛应用于各种通信系统中，数字有线视频广播( d i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t i n gf o rc a b l e 。 d v b c ) ”标准规定数字电视节目中的声音和图像都采用m p e g - 2 帧来传送，调制方式就 采用q a m 调制。图1 2 是节目发送端处理节目的结构原理图。“ 同步 r s 发 字节 差送 q 硼p e g 一2 极性8 编 交织 8 到m 基 a 数据流； 翻转j 码 ； i = 1 2曲位符 l鑫； 带 司m 的产生 和随 ( 2 0 j = 1 7号映 调 4 ，1 码滤 机化 射制 8 8 )波 图1 2d v b - c 的数字有线电视系统发送端方框图 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 一2 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 一2 数据包中加入1 6 字节的纠错码再进行深度 6 第一章d v b - c 中的调制解调系统 为1 2 字节的卷积交织，采用这一措施后可以将误码率从l o 。降低到1 0 。1 0 lc r l l 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、基带波形成形，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。图1 3 为q a m 调制原理框图。 l 童麝 图1 3q 删调制原理框图 i o j + 柚_ ，+ 一 图1 4q a m 解调原理框图 在接收端，解调过程与调制过程大致相反，如图1 4 所示。q a m 信号到达用户接收 端后首先经射频物理接口，再经模数转换器到达q a m 解调器进行解调。解调采用相干解 调缓，q a m 解调缘理如图1 1 1 所不- 役经传输后q a m 信号产生相移为毋，正交载波从 q a m 信号中提取后，分别与q a m 信号相乘得： 1 支路： x t c o s ( 锋f + 妒) + 砭s i n ( q f + 妒) c o s ( 心f + 妒) = 吾+ 吾c 。s 2 ( 嗥r + 妒) + 咒s i n 2 ( 嫂r + 妒) ( 1 6 ) q 支路： x tc o s ( 心f + 妒) + ks i n ( 啤f + 妒) s i n ( q f + 妒) = 昙) k i 1 ) lc 2 ( 僻f 十妒) + i x , s i n 2 ( 鸭f + 妒) ( 1 7 ) 相乘后的信号再通过低通滤波器，滤掉高频部分得到1 、q 两路电平数为l 的基带信 号( 对于1 6 0 a m 信号来说是四电平) ： 1 支路： 1 j 7 ( 1 8 ) 东南大学硕士学位论文 q 支路： 儿 ( 1 9 ) 上 由于信道畸变和噪声会引起较高的误码率，必须对混频以后的信号用匹配滤波器进行 匹配接收。由于此时接收到的符号值并非实际发送的码元符号，数据时钟与符号速率不一 致，需要进行插值滤波处理，以恢复实际发送的码元符号和码元时钟。插值后的码元符号 经过数字a g c 调整幅值后。送入载波恢复模块，去除残余频率和相位分量。接下来均衡 器对i 、q 两路正交基带信号进行波形失真的恢复。经过均衡器对受损信号的均衡，然后 经判决器、l - 2 ( l 4 ，1 6 q a m ) 电平转换后，最后由并串转换得到原始数据。 解调完成后，需要进行差分解码、符号到字节的映射、解卷积交织、r s 解码、解扰， 才能从基带物理接口得到m p e g 数据。 下面对d v b - c 的数字有线电视系统接收端作大致的说明。 ( 1 ) 解调和差分解码：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可以有许多种，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，f h 于星座图不同，各点之间最小距离也不同，因而相应的 调制解调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 6 4 1 2 8 2 5 6 q a m 的调制方式，其中常用的有1 6 3 2 6 4 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 5 中1 6 6 4 q a m 呈正方形，而3 2 1 2 8 q a m 呈十 字形。 o q = 1 0 幺= 0 0 i o l l1 0 0 10 0 1 00 0 1 l o oo o 1 0 1 0 1 0 0 0 o 笞留1o o 1 1 0 l1 1 0 0 o 拶0 0 1 1 0 1o o l l l l1 1 1 0 0 ；l 咎1o o ， g = i i 婊= 0 1 q 1 0 t 1 1 1 0 0 “0 0 1 1 00 0 0 1 0 ；m 0 0 o o 幺：0 0 l 舯1 01 0 t 0 11 0 3 0 10 0 l 1 0 10 0 1 l l o o oooo 1 笞1 笞1 铲o 笞苫1 弩1 1 8 1 1 8 1 拶o 妒0 妒0 0 1 1 ”i 1 8 1 1 艿1 分o 艿1 秽1 0 艿o - 1 1 t 1 8 0 召” 。艿1 秽1 l g - 0 1 8 第一章d v b - c 中的调制解调系统 q i 皿1 0 訾1 笤”鼍”1 铲訾l 訾訾懈。 1 笞1 铲1 篙 i l 掣智。胃1 鼍“智” 臀”笤“1 掣1 帮智。鼍“鼍“鼍” 訾舻胃。1 铲”酽弩1 胃1 臀 1 守1 笤“1 孑“酽。守。扩。旨”o ：6 产1 秒。j 8 ：1 1 1 秽“扩 0 1 嘲l 蝴l0 1 1 0 1 lm 姗 o ooo 1 酱“攀“1 訾“酽 0 1 0 1 o 1 0 m 1 1 1 00 1 1 i o o o o 幅- m “i ! f d l 訾“妒铲弩。妒弩。訾 口 n 0 1 0l l o o i o u 虬o i o g - l o o o oo 儡。 1 猡1 酽? 守1 守 1 秽寄守铲1 妒妒 1 笞苫“各11 护1 1 8 01 拶1 曙。鼍“笞1 鼍r 。8 0 笞1 訾分分訾訾留1 。 ，口- i l 珐- l l 图1 51 6 3 2 6 4 1 2 8 q a m 星座图 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。在接收端需要对接收的符号进行差分解码。差分解码采 用的布尔表达式与编码一致，为： l = ( ao 埠) ( ao 一。) + ( ao 鼠) ( a0 1 2 i 一) 幺= ( a o 最) ( b o q 一。) + ( a o 最) ( 臣o i k 。) ( 1 4 ) ( 2 ) 卷积解交织：完成差分解码后，就要进行如图1 6 所示的深度为i = 1 2 的卷积解 交织解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。图中的膨= i = 1 7 ，= 2 0 4 是错误保护帧长度，i = 1 2 是交 织深度 国 乳卫卜 。4 弋丽 _ l l 图1 6 交织和解交织原理 ( 3 ) r s 解码：完成解交织后将对数据流进行r s 解码，经过解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 码的生成多项式为： 9 东南大学硕士学位论文 譬( 工) = o + 矿) ( 工+ ) ( 工+ a 2 ) ( j + a “) 这里a = 0 2 。 ( 1 2 ) 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 靶鼬同觑或 r e e t , l 或 嘶 2 宁符2 字符 i 靶如f 啦i ( b ) r s 编码后的m p e g 2 数据流 图1 7r s 编码 ( 4 ) 随机化( 加扰) ：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，在发送端要对数据流进行随机化，在接收端完成去随机化( 解扰) 过 程。图1 8 是m p e o 2 帧结构及随机化后的结构图。 ( 8 )m p e g - 2 传输复用数据包帧结构 ( b )随机化后的船e g 一2 数据流 图1 8 肝e g - 2 帧结构示意图 伪随机二进制序列发生器采用的多项式为； l + 一4 + 一5( 1 1 ) 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，前八个传输数据包将破 随机化。在这一组八个数据包中，第一个数据包的m p e g - 2 同步字节由4 7 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。 1 0 第二章q a m 解调系统中匹配滤波与采样率转换原理 2 1 引言 第二章匹配滤波与采样率转换原理 对于q a m 全数字解调系统方案的选择至关重要。这其中包括数字混频、匹配滤波、 符号同步、载波恢复、均衡等诸多模块的实现，不同的系统方案对系统的性能、复杂度有 着重要的影响。本章从软件无线电、全数字接收机的基本原理入手，论述数字通信系统中 带限信号的设计、传输以及采样率转换的基本理论，并分析研究采样率转换的实现算法 基带数字通信在通信系统中极具代表意义，所以大多数系统的分析可以归结或近似为 等效基带系统。对这一系统的讨论分析也就具有普遍意义。可以采用最小错误概率准则来 衡量比较最佳基带传输系统。基带传输系统的错误概率主要受随机噪声和码问干扰的影响， 但两种干扰各自具有不同的特点。对于随机噪声，如加性高斯噪声，可以按照匹配滤波原 理进行系统设计，而对于码问干扰，则要根据奈奎斯特准则进行带限信号设计。因此，采 样率转换的实现不能脱离以上这两方面内容。本课题结合信号的最佳接收理论。研究采样 率转换的实现。设计相应的系统及电路结构以下将分别论述匹配滤波，奈奎斯特准则以 及采样率转换理论。 2 。2 匹配滤波原理 在数字通信系统中，为了使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“1 1 2 5 1 所谓匹配滤波器就是指使输出信噪比最大的展佳线性滤波器。 这种滤波器在数字通信系统中具有特别重要的意义。理论分析和实践都表明。通过使用匹 配滤波器，信噪比最大化，进而可以进行最佳的符号判决。使差错概率最小可见，在输 出信噪比最大化的准则下设计匹配滤波器具有重要的理论和现实意义 假设接收信号可以表示为： r ( o = 5 ( 订+ 玎( f ) ( 2 1 ) 式中n ( t ) 表示具有功率谱密度为n o 2 的加性高斯白噪声，信号s ( t ) 的频谱函数为s ( 动， 即s ( t ) 专s ( 垃，) 。要求线性滤波器在某时刻岛具有最大的信号瞬时功率与噪声平均功率比 值，具有最大化的信噪比。根据以上要求，可以推得最大输出信噪比准则下的最佳线性滤 波器的传输特性圩( 动。根据线性电路的叠加原理，线性滤波器的输出也由信号和噪声两 部分组成，为 y ( t 、= s o ( t ) + n o ( t ) ( 2 1 2 ) 其中 而( f ) 2 去 s ( 刎旧( 咖胛d 国 输出噪声的平均功率“为 东南大学硕士学位论文 o = ( 1 ，2 石) 1 日( 动1 2 ( n 0 1 2 ) d o ) - - ( n o 4 0 j ： h ( ( o ) f d e o ( 2 3 ) 则线性滤波器在f o 时刻输出信号瞬时功率与噪声平均功率之比r o 为 吩：盥进：坚坚丝暨竺! 竺：型 旺。， ” n o ( n 0 1 4 # ) 厂| 日( 动pd 国 信噪比最大化准则即要求寻找使最大的线性滤波器，在数学上归结为使式( 2 4 ) 最 大化的h ( 盘，) ，可以用变分发或许瓦尔兹不等式处理这个问题，并得到最终的解。此处给 出许瓦耳兹不等式求解的过程，此不等式表示如下： i ( 1 2 x ) x ( ( o ) y ( m ) d ( 0 1 2 s ( 1 2 刀 i x ( 动1 2 d 烈l ，2 石) i l ，( 妫pd d o ( 2 5 ) 当x ( t o ) = k y ( 动时，此不等式变为等式。k 为常数。联合式( 2 4 ) 的分子与该不等 式，令x ( 动= h ( 功，l ，( c a ) 豸( 动p 7 嘞 可得龟s 丝器竽：等 其中e = ( 1 ，2 石) 1 s ( 动1 2 d 表示信号j ( f ) 的总能量；i s ( 动f 表示s ( f ) 的能量谱密度。 当日( 也归麟( 咖。o 嘞时， ( 2 6 ) 取得最大值，毛一：一2 e 。 由此可以得出结论：在加性高斯白噪声的干扰下，接收机中的线性滤波器按式( 2 6 ) 设计，在给定时刻将得到最大化的输出信噪比，这种滤波器就是最大信噪比意义下的最佳 线性滤波器。由于它的传输特性与信号频谱的复共轭相一致，故丽称之为匹配滤波器。根 据其频域特性可得其时域冲击响应h ( t ) i l ( f ) = ( 1 ，2 万) c 圩( 咖皿d 埘= ( 1 ，2 刀) 船( 础一椭e ”d c o = k s ( t o f ) ( 2 7 ) 即匹配滤波器的冲击响应为信号s ( f ) s ( - t ) 在时间上搬移f o 。 综合以上论述，为了在全数字接收机的接收端获得最大的信噪比，同时使正确判决概 率最大，必须设计与信号波形匹配的匹配滤波器这一点在所有最佳接收机中都 必须得到满足本课题所设计的q a m 解调芯片采用d v b - c 标准，该标准规定采用升 1 2 第二章q a m 解调系统中匹配滤波与采样率转换原理 余弦信号传输波形，这涉及带限信号设计方面的理论，将在下一节予以阐述。由于考虑到 发送成形和接收滤波器之间的匹配，故采用平方根升余弦滤波器。 2 3 带限信号设计一奈奎斯特准则 通常，数字信号是在有限带宽的信道上传输，而有限的带宽对信号传输产生影响，最 常见的干扰为码问干扰( i s i ) ，传送的符号或码元之间相互影响。信号通过信道传输，一 方面受到信道特性的影响。使信号发生畸变；另一方面信号加性噪声干扰，同样造成信号 的畸变。因此，到达接收端的基带信号已经发生畸变。因此，接收端要设置一个接收滤波 器，使噪声尽量得到抑止，而顺利接收信号通过在接收端的抽样判决，恢复实际发送的 码元信号。只要信号畸变不大或噪声影响较小，就可以得到正确的判决值。图2 1 是基带 系统模型。 发送滤波器传输信道接收滤波器 噪声 图2 1 基带系统模型 不同类型的数字调制技术的等效低通信号有着共同的形式： v ( f ) = 1 g ( t - n t ) ( 2 8 ) 式( 2 8 ) 中， l 表示离散信息符号序列。g ( t ) 是一个脉冲且假定具有带限的频率响应 特性g ( ，) 。信号通过频率响应为c ( ，) 的带限信道传输，接收信号可以表示为 ( f ) = l 。h ( t - n t ) + z ( t ) ( 2 9 ) 其中i l ( f ) = 亡g ( r ) c ( t - r ) d r ，z ( f ) 表示加性高斯白噪声。 假设在接收机中信号首先通过一个滤波器，然后以速率l ，r 抽样把接收滤波器的输 出表示为) ，( f ) = l , x ( t - n t ) + v ( t ) ，式中缸f ) 代表接收滤波器对输入脉冲的响应，v ( f ) n = o 是接收滤波器对输入噪声的响应。在f = 七丁+ 时刻，k = o , 1 对y ( t ) 抽样，得 ) k = l 缸七7 一h r + f o ) + v ( z + ) n 。o 1 3 东南大学硕士学位论文 = l 毛。+ 屹 ( 2 1 0 ) 简化为儿= i k + l 屯。+ h i k 表示第k 时刻期望的信息符号，l 气。表示符号间 ：妻：蠹 干扰( i s i ) ，h 表示第k 时刻的加性噪声分量。 若以眼图来表示接收的信号，则符号问干扰使眼图的开启程度减小，从而导致信号判 决错误概率增大，使系统对符号同步误差更敏感。 数字电视信号在占用有限带宽的信道上传输，为了实现信号的可靠传输与接收，防止 符号问串扰，需要对信号进行适当处理，以满足带限信道的要求奈奎斯特准则给出了无 符号间干扰接收时，带限信号设计的原则1 2 1 1 2 5 1 对于式咒= l + 。+ 咋，无符号问干扰的条件是 卸 x ( t = k t ) - - x k = ：j 奈奎斯特定理给出了满足以上关系的频域特性。即使信号x ( t ) 满足 x ( n t ) = 1 0 乞嚣 的充要条件是其傅立叶变换x ( ，) 满足 * 口( ，) = x ( f + n l t ) = t t 一 ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) t 为码元周期，假设信道具有带宽w ， i f l w 时c ( ，) = 0因此i f i w 时 x ( f ) = 0 。 分三种情况讨论： m ( 1 ) r 1 1 2 w 时，此时x ( f + n l t ) 由间隔为l ，r 的x ( ，) 非重叠的重复 a ，一 谱瓣构成，由于非重复性质，无法设计一个无符号问干扰( i s i ) 的系统。图2 2 是t i 2 w 时曰( ，) 的波形。 1 4 第二章q a m 解调系统中匹配滤波与采样率转换原理 圳r一矿 矿l ，r 图2 2t 1 2 w 时b ( f ) 的图形 本课题中设计的用于采样率转换的滤波器采用符合d v b - c 标准升余弦谱。其频率特 x ，( ，) = 1 5 ( 。啪i 害) ( 害c 警) q 1 4 ( ，警) m害 ， 生口 ，1 甜。 东南大学硕士学位论文 式中口为滚降因子，其取值范围为o 盯l o x ( t 1 为 x ( t ) = s i n ( x t l t ) c o s ( x a t i t ) x t i t1 - 4 口2 t 2i t 2 在实际应用中，不可能存在理想的无i s i 情况，因此将存在符号问干扰，由于升余弦 脉冲的尾部按1 ，广衰减，故由于定时偏差产生的塔i 将收敛于一有限值 为了有效抑制噪声信号，提高接收端信嗓比，要求接收滤波器匹配于发送端奈奎斯特 信号成形滤波器，即 墨( ，) = ( ，) = 鼍( ，) ( 2 1 5 ) 即在发送端和接收端都采用平方根升余弦滤波器，由以上两式得到奈奎斯特平方根升余弦 滤波器的冲击响应为， j ，( f ) = 习4 a f c o s h 川爿扎址石笔咖玎1 1 ( 2 1 6 ) 该冲击响应理论上是无限长，但持续有限个符号周期后，其响应近似为零。因此，根 据实际需要可以把冲击响应截短为持续一定数量的符号周期。 2 4 采样率转换的基本理论 在数字通信系统中，根据带通采样定理，结合窄带滤波器，可以利用几个有限的采样 频率实现对整个工作频带内的信号进行直接采样带通采样有效地降低了所需的射频采样 速率，为后续的信号实时处理奠定了基础“ 但是，从软件无线电技术的发展要求来看，为了使系统对不同信号有更好的适应性， 不同的信号可以基于相同的硬件平台工作，如固定的采样速率，使a d 尽可能地靠近射频 前端”，也使所需的采样频率数目最少，通过简化系统设计复杂度，可以致力于提高采样 量化的信噪比，带通采样的带宽应该尽可能的宽，采样速率也应该尽可能的高。但是随着 采样速率的提高，将导致了后续信号处理速度无法满足。运算量过于庞大，很难满足实时 性要求。所以必须对a d 后的数据流进行降速处理。采样率转换技术为数据速率的转换提 供了理论基础。本节将介绍相关的采样率转换的基本概念和理论 2 4 1 整数倍抽取与内插 抽取就是降低数据输率以去掉多余数据的过程，在整数倍抽取过程中，数据信号每d 个抽取一个，形成新的信号序列 设原始信号序列为缸珂) = “f ) k 数据速率为正，若将数据速率降至五d ，则每。 个数据抽取一次即可获得所需的数据序列一( 万) 即 1 6 第二章q a m 解调系统中匹配滤波与采样率转换原理 j ( ，1 ) = 缸d n ) ，n ( ，+ o o ) ( 2 1 7 ) 设原始