（微电子学与固体电子学专业论文）dvbc系统agc技术的研究及实现.pdf

摘要 摘要 从2 0 世纪9 0 年代开始，数字电视技术在世界范围内得到飞速的发展，应用 越来越广泛。当前我国正在大力推广数字电视，其中有线数字电视采用了欧洲 d v b 组织制定的d v b c 标准。中国有上亿的有线电视用户，可见将来有线数字 电视的市场将十分的广大，所以研究数字电视技术具有十分重要的实际意义和经 济价值。 本文主要研究了d v b c 解调芯片中的a g c 技术，包括解调器与调谐器组 成环路的模拟a g c 和仅存在解调器中的数字a g c ，重点研究了模拟a g c 技术 原理和电路实现。模拟a g c 技术既有模拟部分，又有数字技术，是一个模数混 合模块。 本文首先通过比较延迟式a g c 和非延迟式a g c 的原理和性能，得出采用 延迟式a g c 的结论。然后构造了自动增益控制系统的数学模型，进行了a g c 环路的静态和动态特性分析。接着介绍了调谐器和解调器的结构，以及a g c 技 术的原理和电路实现。通过理论分析，比较了p d m 调制技术和p w m 调制技术 的原理和性能，得出了p d m 性能优于p w m 的结论，在模拟a g c 电路中使用 了p d m 调制技术。 文章最后介绍了本系统的测试平台和测试指标，在单路a g c 和双路a g c 工作模式下进行- j 钡t j 试，给出了a g c 的性能测试报告和系统接收灵敏度报告， 表明了本文所阐述的a g c 技术是非常成功的。在对测试结果进行分析时，注重 了系统因素对测试结果的影响，最后总结了影响灵敏度的几个因素和设计p c b 时要注意的问题。 关键词数字电视；自动增益控制；脉冲密度调制；模数转换器；调谐器 北京工业大学工学硕士学位论文 | 量量皇- - 一, l i i l i _ i 舅曼曼 a b s tr a c t t h et e c h n o l o g yo fd i g i t a lt vh a sd e v e l o p e de x t r e m e l yf a s to v e rt h ew o r l ds i n c e t h el a t e2 0 t hc e n t u r y n o w , t h ed i g i t a lt vi sg r e a t e dp o p u l a r i z e di nc h i n a ，a n dt h e s t a n d a r do fd i g i t a lt vi sd i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t i n g c a b l ew h i c hi sc o n s t i t u t e db y d v b o r g a n i z a t i o n t h e r ea r em o r et h a no n eh u n d r e dm i l l i o np e o p l eu s i n gt h ea n a l o g t vo fc a b l e ，a n dw ew i l lc o n c l u d et h a tt h em a r k e to fd i g i t a lt vo fc a b l ei sv e r yb i g s oi ti sv e r yi m p o r t a n ta n ds i g n i f i c a n tt os t u d yt h et e c h n o l o g yo f d i g i t a lt v i t i sm a i n l ys t u d yt h et e c h n o l o g yo fa g ci nd v b cd e m o d u l a t o ri nt h i sp a p e r t h et e c h n o l o g yo fa g ci sc o m p r i s e do fa n a l o ga g ca n dd i g i t a la g c t h ep a p e r f o c u s e so nt h ep r i n c i p l ea n di m p l e m e n to fa n a l o ga g c t h ea n a l o ga g ci sam i x e d s y s t e m i th a sa n a l o ga n dd i g i t a lc o m p o n e n t s f i r s t l gt h ep a p e rc o m p a r e st h ep r i n c i p l ea n dp e r f o r m a n c eo fd e l a ya g c w i t hn o d e l a ya g c t h ec o n c l u s i o ni st h a tt h ep e r f o r m a n c eo fd e l a ya g c i sb e t t e rt h a nn o d e l a ya g c t h e n ，i tc o n s t r u c t sam a t hm o d u l eo fa u t o m a t i cg a i nc o n t r o ls y s t e m ， a n a l y s e st h ec h a r a c t e r i s t i c so fs t a t i ca n dd y n a m i c a n dt h e n ，t h ep a p e ri n t r o d u c e st h e s t r u c t u r eo ft u n e ra n dd e m o d u l a t o r ，a n da n a l y s e st h ep r i n c i p l ea n di m p l e m e n to fa g c b yt h e o r ya n a l y s i s ，ic o m p a r et h et e c h n o l o g yo fp u l s ed e n s i t ym o d u l a t i o nw i t hp u l s e w i d t hm o d u l a t i o n t h ec o n c l u s i o ni st h a tt h ep e r f o r m a n c eo fp d mi sb e t t e rt h ep w m s oia d o p tt h et e c h n o l o g yo fp d mi nt h ea n a l o ga g cc i r c u i t i nt h el a s to f p a p e r , i ti n t r o d u c e st h es y s t e mt e s tp l a t f o r mo fa g c it e s ti ta to n e a g cm o d ea n dt w oa g cm o d e t h e n ，i tl i s t st h et e s tr e p o r to ft h ea g c p e r f o r m a n c e a n ds e n s i t i v i t yi nt h ed i g i t a lt vr e c e i v e ro fc a b l e t h er e p o r ts h o w st h a ti t i sv e r y s u c c e s s f u lo ft h ea g c t e c h n o l o g y ia n a l y s et h et e s tr e p o r t , a n dk o w nt h ei n f l u e n c eb y o t h e rf a c t o r s i nt h el a s t , is u m m a r i z es o m ei n f l u e n c i n gf a c t o r st ot h es e n s i t i v i t ya n d s o m ek e yp o i n t sw h e nd e s i g nt h ep c bb o a r d k e y w o r d d v b - c ：a g - c ；p d m ；a d c ；t u n e r n 独创性声明 本人声明所呈交的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，也不包含为获得北京工业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。 关于论文使用授权的说明 伊8 一口s p 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：i 气挫叁导师签名： 日期： 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 数字电视的发展概况 自从8 0 年代以来，大规模集成电路、计算机、网络传输和通信等技术的快 速发展，促使了数字电视技术和业务的飞跃发展。1 9 7 3 年，数字技术开始应用 于电视广播，试验证明数字电视可用于卫星通信：1 9 7 9 年，第一个“图文电视” 系统在伦敦开通；1 9 8 5 年，英国电信公( b r o a d b a n di n t e m e t ，a t ) 推出综合数字 通信网络，它向用户提供话音、快速传送图表、传真、慢扫描电视终端等业务； 1 9 8 9 年美国通用仪器首次演示了在6 m h z 带宽的电视频道中，把模拟有线信号 转换成数字信号传输的过程。采用m p e g 2 ( m o v i n gp i c t u r ee x p e r t sg r o u p 2 ) 压缩 编码，有线系统可以在一个6 m 的模拟频道中传输1 0 个频道的节目。 1 9 9 5 年，欧洲1 5 0 个组织合作开发数字视频广播项目，并成立了d v b ( d i g i t a l v i d e ob r o a d c a s t ) 联盟。d v b 联盟共同制定了数字电视的d v b 标准，现在这些标 准已经作为世界统一的标准为大多数国家接受。d v b 标准规定数字电视系统使 用统一的m p e g 2 压缩方法和m p e g - 2 传输流及复用方法。19 9 6 年，美国正式 批准了由a t s c ( a d v a n c e dt e l e v i s i o ns y s t e m sc o m m i t t e e ) 委员会制定的主要用于 地面广播的数字电视标准a t s c 。 我国数字电视进程是从上个世纪9 0 年代中以卫星电视作为切入点，目前正在 加速进行有线数字电视建设。根据我国现有有线电视用户已经超过一亿户，有线 电视已有的长期建设和投入现实情况，国家广电总局在广播影视科技“十五” 计划和2 0 1 0 年远景规划中明确提出：2 0 1 0 年全面实现数字广播电视，2 0 1 5 年停 止模拟广播电视的播出。中国的数字电视已经进入了市场实质推广阶段。 1 2 数字电视的基本概念 数字电视被称作继黑白电视、彩色电视之后的第三代电视，是指电视节目在 制作、播出、传输、接收等电视信号处理的整个过程全部使用数字技术的电视系 统。其具体传输过程是：由电视台送出的图像及声音信号，经数字压缩和数字调 制后，形成数字电视传输信号，经过卫星、地面无线广播或有线电缆等方式传送， 由数字电视接收机接收后，通过数字解调和数字音视频解码处理还原出图像及声 音。数字电视与传统的模拟电视相比较，有着非常大的优势。因为全过程均采用 数字技术处理，数字电视不但收视效果好，图像清晰度高，音频质量高，而且抗 干扰能力强，传输效率高，并且能兼容现有的模拟电视，另外提供全新的服务和 业务。 在数字电视中，采用了双向信息传输技术，增加了交互能力，使人们可以按 北京 业大学工学硕士学位论文 i l _ 量鼍皇量曼量量鲁毫曼皇量量皇量曼皇量皇皇曼皇皇曼量置曼寡量皇皇曼鼍量 照自己的需求获取各种网络服务，包括视频点播、网上购物、远程教学、远程医 疗等新业务，使电视机成为名副其实的信息家电。可以预见，未来电视的发展方 向就是朝着点播模式的方向发展。数字电视还提供了其它服务，包括数据传送、 图文广播、上网服务等。用户能够使用电视现实股票交易、信息查询、网上冲浪 等，使电视被赋予了新的用途，扩展了电视的功能，把电视从封闭的窗户变成了 交流的窗口l l j 。 1 3 数字电视传输标准 1 3 1 欧洲d v b 数字电视传输标准 d v b 是由d v b 组织制定的一系列国际承认的数字电视公开标准，d v b 组 织是有一个3 0 0 多个成员组成的工业组织，它是由欧洲电信标准化组织( e t s i ) ， 欧洲电子标准化组织( c e n e l e c ) 和欧洲广播联嬖i ( e b u ) 联合组成的联合专家组 ( 盯c ) 发起的。它定义了d v b 广播传输系统、d v b 基带附加信息系统、d v b 交 互业务系统、d v b 条件接收及接口标准。 d v b 系统传输方式有如下几种：有线电缆( d v b c ) 、地面无线( d v b d 、卫 星( o v a s 和d v b s 2 ) 、手持地面无线o r b - h ) 。 d v b - c ( e t s3 0 04 2 9 ) 是有线数字电视传输标准，以m p e g 2 作为信源编码方 式，具有1 6 q a m ( 正交幅度调制) 、3 2 q a m 、6 4 q a m 、1 2 8 q a m 、2 5 6 q a m 多种 调制方式。 d v b t 是地面数字电视广播标准，以m p e g - 2 作为信源编码方式，采用编码 正交频分复用( c o f d m ) 调制方式，在信号带宽内设置1 7 0 5 ( 2 k 模式) 或6 8 1 7 ( 8 k 模 式) 个载波，将高码率的数据流相应地分解成2 k 或8 k 路低码率的数据流分别对每 个载波进行q p s k 、1 6 q a m 或6 4 q a m 调制。 d v b s 是卫星数字电视广播标准。d v b s 规定了通过卫星进行数字电视广播 的方法，主要包括信道编码与调制技术。卫星传输具有覆盖面广，节目容量大等 特点，数据调制采用四相相移键控( q p s k ) 调制方式，一个5 4 m h z 的转发器传送 数据速率可达6 8 m b s ，可用于多套节目的复用。 d v b s 2 是第二代卫星数字电视标准，是在d v b s 标准基础上发展而来，充 分利用信道编码和调制的最新发展，提高了传输容量。d v b s 2 最大的革新在于 信道编码方式，包括纠错编码和调制。d v b s 2 幺q 错编码使用低密度奇偶；校验 码l d p c ( l ，o wd e n s i t yp a r i t yc h e c kc o d e ) 与b c h ( b o s e - c h a d h u r i - h o e q u e n g h e m c o d e ) 码级联，调制则由多种高阶调制方式取代单一q p s k 调制。 d v b h ( d v b h a n d h e l d ) 标准是建立在d v b 和d v b t 两个标准之上的。其中 h 是h a n d h e l d 的缩写，是手持的意思。它主要应用在手机、掌上电脑等手持移 动终端上看电视。一个d v b h 系统前端由d v b h 封装机和调制器构成，封装 2 第1 苹绪论 _ ： _ ii im _ 曼量量曼皇璺皇鲁甚量曼曼蔓曼皇皇曼皇皇曼皇量量曼量曼皇曼 机将i p 数据封成m e p g 2 传送流( t s ) ，调制器负责信道编码和调制。d v b h 增 加了新的技术模块，主要包括：时间分片，多协议封装前向纠错，4 k 模式和深 度符号交织以及传输参数信令。这些特点来保证移动终端在移动环境和微功耗条 件下接收数字电视节目。 1 3 2 美国a t s c 数字电视传输标准 a t s c 标准由四个分离的层级组成，最高层为图像层，确定图像的形式。接 着是图像压缩层，视频编码采用m p e g 2 标准，音频编码采用d o l b ya c 3 ( a u d i o c o d i n g 3 ) 压缩技术。然后是传送层，将基本流( e l e m e n t a r ys t r e a m ，e s ) 打包成打 包基本码流( p a c k e t i z e de l e m e n t a r ys t r e a m ，p e s ) ，并实现音视频的p e s 复用，组成 复用的节目流，传输流( t r a n s p o r ts t r e a m ，t s ) 。最后是传输层，确定数据传输的 调制和信道编码方案。美国h d t v 地面广播频道的带宽为6 m h z ，调制采用8 v s b 。 美国的卫星广播电视会采用q p s k 调制，有线电视采用q a m 或v s b 调制。 1 3 3 日本l s d b 数字电视传输标准 i s d b ( i n t e g r a t e dr e c e i v e dd i g i t a lb r o a d c a s t i n g ) 是日本的数字广播专家组制订 的数字广播标准。i s d b 利用一种已经标准化的复用方案在一个普通的传输信道 上发送不同种类的信号，已经复用的信号也可以通过不同的传输信道发送出去。 其地面数字电视广播标准i s d b t ，在信源部分视频编码同a t s c 和d v b 一样都采 用m e p g 2 ，音频编码采用基于m e p g - 4 的a a c ( a d v a n c e da u d i oc o d i n g ) 压缩方 式。在调制方面与d v b t 一样选择了多载波调制，但又有不同，其频谱分段传输 和强化移动接收是其两个主要技术特点，这样一来频谱使用更为灵活，抗干扰能 力也有所提高1 2 1 【3 1 。 1 3 4 中国数字电视传输标准 2 0 0 6 年8 月l8 日国家标准委颁布了g b 2 0 6 0 0 2 0 0 6 数字电视地面广播传输系 统帧结构、信道编码和调制国家强制标准。国标的主要关键技术包含有：时域 同步正交频分复用( t d s o f d m ) 技术及其和绝对时间同步的复帧结构、信号帧的 头和帧体保护技术、低密度校验纠错码( l d p c ) 等。它们体现自主创新特点，并 能提高系统性能。国标支持4 8 1 3 3 2 4 8 6 m b i t s 的系统传输数据率，支持标准清晰 度电视业务和高清晰度电视业务，支持固定接收和移动接收，支持多频组网和单 频组网。标准定义了数字电视地面广播传输系统发送端完成从输入数码流到地面 电视信道传输信号之间的转换。输入数据码流经过扰码器，前向纠错编码，星座 映射与交织后形成基本数据块，与系统信息组合后，经过帧体数据处理形成帧体， 与相应的帧头复接为信号帧，根据帧地址组帧单元构建与绝对时间日、时、分、 秒同步的复帧结构，再经过基带后处理转换为基带输出信号，经正交上变频转为 射频信号。这一国标的颁布标志着中国地面数字电视广播的正式启动。数字电 北京，【业大字工掌坝士学位论文 m i 一 f 一皇曼曼曼曼鼍量曼曼曼皇皇鼍量皇曼曼量皇皇毫鲁量量舅曼皇量曼皇皇曼曼 视地面广播传输系统帧结构、信道编码和调制国家标准体现了我国自主创新的 发展方向，是我国电视广播事业发展史上一个重要的里程碑，将有力地促进我国 数字电视广播及其相关产业可持续的跨越式发展。 1 4 中国有线数字电视的现状 中国数字电视的市场非常大，特别是有线数字电视，中国将有超过一亿的有 线数字电视用户。但是中国有线数字电视的现状令人十分堪忧，特别是有线数字 电视的网络环境，相对于国外来说特别差。各个地区之间，甚至城市之间各个小 区的网络环境都不一样，有的小区接收性能较好，有的小区接收性能特别差，严 重的地方甚至接收不到信号。究其原因，第一，中国的有线电视传输电缆质量太 差，很多地方的传输电缆性能不达标，而且存在着老化损坏现象，这就导致了有 线数字电视信号在电缆中传输时造成严重的信号衰减和反射，有的传输电缆甚至 造成信号的多次反射，形成多重回波；第二，目前中国有线数字电视和传统的模 拟电视并存，数字电视信号和模拟电视信号同时在一个电缆中传播，临频干扰和 同频干扰的现象十分严重：第三，有些用户不遵守国家的有关规定，私自在家里 搭线，又对有线电视传输网络造成危害。这些因素都严重地影响到用户家里有线 数字电视机项盒接收数字信号。 同时，目前中国生产的有线电视机顶盒大部分采用了国外公司设计的解调芯 片，其中使用最广泛的是意法半导体公( s t m i c r o e l e c t r o n i c s ) 设计的s t 0 2 9 7 d 解 调芯片，而s t 0 2 9 7 d 解调芯片是几年前设计的，并且是适用于国外有线网络环 境的，在中国有线电视网络环境中应用时，或多或少地存在一些问题。 鉴于中国有线电视传输环境的特殊性和复杂性，更重要的是目前国家还不能 从根本上改变有线电视的传输环境，所以我们只能从用户终端的机项盒上考虑， 通过各种先进的技术来提高有线电视机顶盒的性能，特别是提升解调芯片的性 能，从而设计出适合我国有线电视网络环境的解调芯片。 1 5 本课题的研究内容以及意义 本课题是北京工业大学嵌入式系统重点实验室d v b c 有线数字电视信道解 调芯片b t v 2 0 4 0 设计和研发的一部分。 a g c 是数字电视接收系统中一个非常重要的技术，其主要目的是通过调谐器 和解调器构成一个反馈回路，使调谐器输出信号基本保持不变或在很小的范围内 波动。良好的a g c 模块的设计可以极大地提高数字电视接收机接收信号的能力。 本课题的主要研究内容及工作主要包括： ( 1 ) 深入理解d v b c 等数字电视传输协议，了解数字电视接收机的各个组成 部分和里面所需要的关键技术。 ( 2 ) 研究自动增益控制技术的原理以及这个技术在数字电视前端系统中的硬 4 第1 荦绪论 件电路算法实现。 ( 3 ) 参与基于f p g a 和a s i c 测试平台的a g c 模块的调试和验证，通过测试 数据评估a g c 技术的性能。 ( 4 ) 设计基于b t v 2 0 4 0 的一个d v b c 数字电视机顶盒。 在我国，有线电视网络环境普遍比较差，衰减、回波等现象非常严重，传到 用户家里的信号电平非常低。现阶段很多公司设计出的d v b c 解调芯片在我国 有线电视网络中接收信号都存在着一定的问题，马赛克、卡屏等现象非常显著， 甚至有些用户家里接收不到信号。其中输入到用户家里的信号电平低这个现象与 a g c 技术有很大的关系。所以研究适用于我国有线电视网络环境的d v b c 解调 芯片中的a g c 技术有着十分重要的现实意义和实用价值。 1 4 论文结构 本文共分为五章，章节安排如下所示： 第一章为绪论，主要介绍了数字电视的发展概况和各种数字电视传输标准， 以及本课题的主要研究内容以意义。 第二章主要介绍了数字电视传输系统的一般组成和典型的数字电视接收机， 并且详细描述了数字电视接收机中的前端系统结构。 第三章主要介绍了自动增益控制系统的基本概念和电路模型，详细分析了延 迟式a g c 和非延迟式a g c 的原理和性能，然后构造了自动增益控制的电路模 型，分析了自动增益控制环路的静态特性和动态特性，最后列举了一些常用的自 动增益控制滤波器。 第四章首先分析了调谐器和解调器的结构，然后详细分析了数字电视接收机 中模拟a g c 和数字a g c 的原理和算法实现。通过比较了p d m 调制技术和p w m 调制技术的原理和性能，得出了采用p d m 调制技术的原因。 第五章首先介绍了a g c 测试的一些指标和f p g a 测试平台，然后通过测试 单路a g c 和双路a g c 工作模式下的性能评估本文a g c 算法的优劣，最后总结 了在设计p c b 板时要注意的一些问题和影响灵敏度的几个因素。 第2 章数字电视传输系统 第2 章数字电视传输系统 2 1 典型的数字通信系统 利用数字信号传输信息的系统称为数字通信系统。数字通信系统可进一步分 为数字频带传输通信系统、数字基带传输通信系统、模拟信号数字化传输通信系 统等。一般把带有调制、解调的数字通信系统称为数字频带传输通信系统，没有 调制、解调的系统称为数字基带传输通信系统。典型的数字频带传输通信系统的 简化模型如图2 。l 所示，主要包括信源部分、信道部分和信宿部分等三个部分。 其中信源部分包括信源和信源编码器，信道部分包括信道编码和解码，调制和解 调，以及信道。信宿部分包括信源解码和信宿【4 】。 iiii ： 信源部分 ： 信道部分 ：信宿部分： iiii 图2 1 典型的数字通信系统 f i g u r e2 - it h et y p i c a ld i g i t a lc o m m u n i c a t i o ns y s t e m 信源部分主要实现把信源如图像、声音等输入的模拟信号转换为数字信号， 然后把模数转换后的数字信号进行压缩编码。其目的是在保证一定通信质量的基 础上，尽量降低传输信号的冗余度，提高通信的有效性，用最小的信息序列来传 输最大的信息量。 信道编码的作用是为了提高实际系统传输数字信号的可靠性而采取的措施， 其基本思想是发送端按照一定的规则在信息码中人为地插入校验码，并连同信息 码组成码字一起传送；接收端再对收到的每个码字，按照约定的规则进行检验， 从而发现传输过程中由于各种原因引起的误码。接收端如果能够纠错就进行纠 错，不能纠错就丢弃误码。因此信道编码又称纠错编码。有时候为了保密，也可 能在校验码中再加入密字，进一步保证信号在传输过程中的安全性。 数字调制与解调主要目的是使信号特性和信道特性相匹配。在实际工程中， 北京工业大学 学硕士学位论文 为了提高系统在噪声干扰比较严重环境下的通信效果，往往需要采取扩频、调频 措施，这些抗干扰的措施通常由调制解调器实现。 信宿部分主要实现按照信源编码的规则把有用的信息从接收到的信号中还 原出来，然后转换成一定的格式显示出来。 有的数字通信系统要求发送端和接收端的工作必须协调一致，如手机通信系 统；有的则不需要，如数字电视通信系统。 2 2 数字电视传输系统 数字电视传输系统是数字通信系统中的一种，属于数字频带传输通信系统， 遵循数字通信系统的一般规律。数字电视传输系统的结构框图如图2 2 所示【5 1 。 马视频醐卜 叫视频压缩卜_ 节信 纠音频压缩卜 目 传 道调信 复 输 编 + 制道 辅助数据 用 复 码 用 控制数据 一 r 其他路节目 优烈 叫视频压缩卜_ 呻 信 节 信解 道 传 目 叫音频压缩卢鼙 道 + 输 解 调解 码 复 复 辅助数据 用 用 控制数据 一 一 其他路节目 i 接收机 。 图2 - 2 数字电视传输系统 f i g u r e2 - 2t h ed i g i t a lt vt r a n s m i s s i o ns y s t e m 数字电视传输系统中的信源编码是对包括图像、声音和数据等信源进行压缩 编码的过程。信源编码技术包括视频压缩编码和音频压缩编码。在数字电视的视 频压缩编码标准方面，国际上统一采用了m p e g 2 标准。在音频编码方面，欧洲、 第2 章致字电视传输系统 皇曼曼皇皇i 一一一 ! i 量曼曼曼曼曼皇舅曼皇曼皇量曼鼍曼皇曼曼皇 日本采用了m p e g 2 音频压缩标准；美国采用了杜比公司的a c 3 ( d o l b ys u r r o u n d a u d i oc o d i n g 3 ) 方案，m p e g 2 为备用方案。辅助数据可以是独立的业务数据， 也可以是和视频、音频有关的字幕等，控制数据主要用于交互环境下发射端和接 收端之间传达的信息，目前数字电视通信系统主要是单向传输，控制数据运用不 多。信源编码是为了提高数字通信传输效率而采取的措施，它通过各种编码尽可 能地去除信号中的冗余信息，以降低传输速率和减少传输频带宽度。 多路复用包括节目复用和传输复用，其功能主要实现将视频、音频和数据等 各种数据流按照一定的方法复用成一个节目数据流，然后再将多个节目数据流复 用成一个传输数据流，输送给信道编码器以及调制器。电视节目数据的多路复用 使其具备了可扩展性、分级性、交互性等特点。在数字电视的传输复用标准方面， 国际上也统一采用了m p e g 2 标准。 信道编码是为了提高数字电视通信传输的可靠性而采取的措施。为了能在接 收端检测和纠正信号在传输过程中出现的错误，在发送的信号中增加了一些冗余 编码，这些冗余比特和信息比特之间存在着特定的相关性。个别信息比特在传输 过程中发生错误，可以利用相关性从其他未发生错误的冗余比特中推测出正确的 比特，从而保证了信息的可靠性。因此信道编码增加了发送信号的冗余度，它通 过牺牲信息传输的效率来换取可靠性的提高。数字通信系统为了达到高效率和可 靠性的最佳折中，信源编码和信道编码都是必不可少的步骤。数字电视传输系统 中的信道编码主要包括罗德所罗门编码( r e e d s o l o m o nc o d e ) 、卷积编码 ( c o n v o l u t i o n a lc o d e ) 以及交织( i n t e r l e a v i n g ) 。 调制是为了调高频谱利用率，把宽带的基带数字信号变换成窄带的高频载波 信号。根据传输信道的不同，调制方式也不一样。为了提高载波的调制效率，常 采用多进制信号进行调制，这样可使已调带宽内包含更高的数码率。常用的调制 方式有正交幅度调制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 ) 、四相相移键控 q p s k ( q u a t e m a r y p h a s es h i t i k e y i n g ) 、编码正交频分复用c o f d m ( c o d e d o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 以及残留边带调制v s b ( v e s t i g i a ls i d e b a n d ) 等。 数字电视的信道可分为有线电视信道、地面广播信道和卫星广播信道等。 目前所说的各国数字电视的制式标准不同，主要是指纠错、均衡等技术的不 同，带宽的不同，尤其是因为传输信道的不同导致调制方式不同。 接收机是发射机的一个逆过程，主要包括解调、信道解码、解复用、音视频 解压缩、显示格式转换等。 2 3 数字电视接收机 数字电视接收机俗称机顶盒( s e tt o pb o x ，s r a ) ，其主要功能就是将数字电视 信号经过解调信道解码、多路解复用以及音视频解压缩等一系列措施恢复出真是 9 北京工业大学1 = 学硕士学位论文 的信号，然后转换为模拟电视信号，使用户不用更换普通模拟电视机就能收看数 字电视节目。 根据信号传输媒介的不同，数字电视机顶盒可分为卫星数字电视机顶盒、有 线数字电视机项盒和地面数字电视机项盒。这三种数字电视机顶盒的主要区别在 于调谐器( 高频头) 和解调器部分。 典型的有线数字电视接收机的系统结构如图2 3 所示，包括d v b c 调谐器、 q a m 解调器、m p e g - 2 解码器、嵌入式c p u 、s d r a m 、f l a s h 、p a l n t s c 视频 编码器、音频d a 、外围接1 2 1 、条件接收c a ( c o n d i t i o n a la c c e s s ) 等模块【5 】o 搿器h m p e g - 2 一i 解码器 e 2 p - r o m p a l 行盯r s c 编码器 ；c p u 埋 = 1n ，a l： 主处理器广 智能卡ilr s 2 3 2 h lf 。黝ii 瓣l i 篙嚣l | 麓2 视频 输出 音频 输出 图2 3 数字电视接收机结构框图 f i g u r e2 - 3t h ed i g i t a l ivr e c e i v e rb l o c kd i a g r a m d v b - c 调谐器主要功能是将有线数字电视信号从高频转换成中频，然后输 送给q a m 解调器。 q a m 解调器主要对信号进行解调和信道解码，纠正信号在传输过程中因衰 减、回波、同频干扰、临频干扰等各种原因造成的误码，从中恢复出真实的信号， 然后转换成标准的m p e g - 2t s ( t r a n s m i s s i o ns t r e a m ) 流。m p e g - 2t s 流一般包含 多个音视频流以及一些数据信息，解码器首先要对t s 流进行解复用，区分不同 的节目，提取相应的音视频流和数据流，送入m p e g - 2 解码器，由相应的解析软 件和硬件模块完成信息的还原，然后通过p a l n t s c 编码器输出视频，通过音频 d a c ( d i g i t a l t o a n a l o g c o n v e r t e r ) 输出音频。对于付费电视节目，其节目流都是加 密过的，c a 模块通过提取智能卡中含有用户信息的数据，用其对音视频流进行 解密，从而保证合法用户的正常收看。 1 0 丽潞一q 解号4 信 一 频 对 射 一器c黧 第2 章数字电视传输系统 2 4 数字电视接收机的前端结构 数字电视接收机的前端系统是数字电视接收机的重要组成部分，是衡量其接 收性能的重要标志，对接信号有着十分重要的影响。数字电视前端主要包括调谐 器( t u n e r ) 和解调器( d e m o d u i a t o r ) ，其系统框图如图2 - 4 所示1 6 1 1 7 1 。 图2 - 4 数字电视前端系统结构 f i g u r e2 - 4t h ea r c h i t e c t u r eo fd i g i t a lt v f r o n te n ds y s t e m 调谐器主要由射频放大器( r fa m p ) 、混频器振荡器锁相环( m i x e ro s c i l l a t o r p h a s el o c k e dl o o p m o p l l ) 、声音表面滤波器( s a w ) 和中频放大器( i fa m p ) 组 成。调谐器通过混频器振荡器锁相环把输入的高频数字电视信号转换到中频信 号，经过声音表面滤波器滤除不必要的噪声，然后输出给模数转换器( a n a l o gt o d i 甜i a lc o n v e r t e r , a d c ) 转化成数字信号。射频放大器和中频放大器中主要用来调 节输出信号能量的大小以便输出幅度合适的中频信号给a d c 。 解调器主要包括模数转换器( a d c ) 、自动增益控制( a u t o m a t i cg a i nc o n t r o l ， a g c ) 、解调( d e m o d u l a t o r ) 和前向纠错( f r o n t e r r o rc o r r e c t , f e c ) 等。a d c 主要把 模拟的中频信号转化成多比特( 一般1 0 b i t ) 的数字信号。a g c 主要实现通过输出 p d m 信号来控制射频放大器和中频放大器的增益，从而控制a d c 输入信号的幅 度使之能覆盖a d c 的最大量程，尽量减少由a d c 采样造成的误差。均衡器主 北京工业大字工学坝士字位论文 要用来纠正由码间干扰造成的误码。解调主要用来从已经调制的载波信号中恢复 出被调信号。f e c 包括r e a d s o l o m o nd e c o e r 和v i t e r b id e c o e r ( d v b c 解调芯片 中没有v i t c r b id e c o e r ) ，主要用来纠正在传输中发生的错误比特，恢复出真实的 比特信号。1 2 cr e p e a t e r 主要用来控制调谐器中的寄存器，进行频段的划分和频 率的选择。 对数字电视接收机接收性能影响最大的是由r fa m p 和i fa m p 、a d c 、a g c 以及l p f 组成的自动增益控制环路，这个环路设计的好快决定着整个系统的灵 敏度。 2 5 本章小结 本章首先介绍了典型的数字通信系统的组成部分，以及各个组成部分的主要 功能，然后介绍了数字电视传输系统和数字电视接收机，接下来详细分析了数字 电视接收机前端系统的原理，以及其所起的作用，最后提出了自动增益控制环路 的重要性。 1 2 第3 章自动增益控制系统 第3 章自动增益控制系统 3 1 自动增益控制基本概念 由于各种原因，如发射机功率的大小，接收机离发射机距离的远近，信号在 传播过程中的变化等，接收机的输入信号变化范围往往很大，信号强度的变化可 以从几微伏至几毫伏，相差几十分贝。如果接收机增益不变，则信号太强时会造 成接收机的饱和或阻塞，甚至使接收机损坏，而信号太弱时又可能使信息丢失。 因此在接收弱信号时，希望接收机有很高的增益，而在接收强信号时，接收机的 增益应减少，这就需要使用自动增益控制( a g c ) 技术。自动增益控制技术能够使 放大电路的增益自动地随着输入信号的强度进行变化，使输出信号幅度保持恒定 或仅在小范围内变化。另外，在鉴频、鉴相等信号解调前，为了保证正确地完成 信号解调，对信号的幅度波动有严格的要求。所以自动增益控制电路是接收机中 不可缺少的辅助电路。 3 2 自动增益控制电路 典型的自动增益控制电路如图3 1 1 8 】所示，正向通路包括电压比较器k 、控 制信号发生器k 和可控增益放大器k v ，反向通路( 如图3 1 的虚线框所示) 包括电 压检测器、低通滤波器k l 和反馈放大器k f 。 i l 图3 - 1 典型的自动增益控制电路 f i g u r e3 - 1t h et y p i c a la u t o m a t i cg a i nc o n t r o lc i r c u i t 图3 1 的工作原理是：电压检测器检测出输出信号u o 电平，滤除不必要的高频 分量，进行适当的放大后得到反馈信号u f ，然后与恒定信号u p 比较，产生一个误 差信号u e ，这个误差信号通过控制信号发生器得到控制信号u c ，u 。控制可控增益 放大器的增益k v 的大小，这样就得到了一个闭环的负反馈控制系统。当输入信号 北京工业大学t = 学硕士学位论文 l ill, i 一量皇鼍皇鼍量鲁置量量皇量曼曼量量| 曼 u i 减少而使输出u o 减少时，u f = k t k l u 。减少，从而u e = u 口- u f j 者大，u c = k u 。也 增大，所以由u 。控制的可控增益放大器增益k 带增大，则输出信号u o 趋于增大； 同理当输入信号u i 增大而使输出u 。增大时，u f 增大，u 。减少，u 。减少，所以由 u c 控制的可控增益放大器增益k v 将减少，则输出信号u o 趋于减少。所以无论在何 种情况下，通过环路不断地循环反馈，输出信号u o 的幅度基本保持不变或仅在很 小范围内变化【8 】口 3 2 延迟式a g c 和非延迟式a g c a g c 系统的种类很多，划分的方法较多。按照控制电路流向不同可划分为开 环a g c 和闭环a g c 两大类。开环a g c 存在对系统参数变化敏感等缺点，应用范 围十分有限；而闭环a g c 没有这些缺点，所以得到了广泛的实际应用1 9 1 。 按照有无延迟电压来划分，a g c 有延迟和无延迟的两种形式，分别称为延迟 式a g c ( 有延迟电压) 和非延迟式a g c ( 无延迟电压) ，如图3 2 和图3 3 所示。 图3 - 2 延迟式6 成 f i g u r e3 - 2t h ed e l a ya g c 鼍璺 k ( f ) v o ( f ) 熊阐熟 环路 放大器 a g c 检波器 图3 3 非延迟式a g c f i g u r e3 - 3t h en od e l a ya g c 比较图3 - 2 和图3 3 所示的两种a g c ，其差别有两点：一是控制电路中是 否加入延迟电压、；二是被控放大器特性不同。延迟电压a g c 在加入延迟电压后， 1 4 只有当输出信号大于v m 时系统才会起作用，以保证被控电路具有足够的灵敏度。 以下公式中规定，对延迟式a g c 的相关参数的下标注以“d ，对非延迟a g c 相关参数的下标注以“n ”，而对相同的参数则不加区别。 假定两种a g c 所用的参数完全一样，受控电路没有非线性畸变，其通带远 大于a g c 的带宽，环路放大器和a g c 检波器的传输系数为1 ，而且后者无惰性。 则幅度特性为 圪一d c r ，= 1 k k m v _ 一( t ) 乩一d 。f ) 杉。， 乏三芝：乏； c 3 山 圪一n ( f ) 5l k 一以一一( f ) j 杉( f ) ( 3 - 2 ) 其中v 卅和v o 。分别表示延迟式a g c 和非延迟式a