（电路与系统专业论文）数模一体电视接收端的研究与实现.pdf

中文摘要 摘要：数字电视拥有众多的优点，其发展前景广阔。纵观全球，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。地面广播电视系统近年发展的尤为 迅速，世界主流的三大地面数字电视传输标准欧洲的d v b t ，美国的a t s c ， 日本的i s d b t ，各有优势和不足。我国根据本国的国情，借鉴国外标准的经验， 原创性地提出了一种新颖的、具有自主知识产权的地面数字电视传输方案d t m b ， 并已于2 0 0 7 年8 月1 日实施。 本文在对d t m b 标准研究的基础上，设计了既可接收d t m b 数字电视信号， 又可接收传统的地面模拟电视信号的数字模拟一体电视接收端的硬件平台。论文 的内容主要包括以下方面。 1 介绍了目前国内外数字电视发展的情况以及标准化的状况，在对比三大地 面数字电视传输标准的基础上，重点分析了d t m b 系统的实现原理和技术标准。 2 提出了以信源解码及主控芯片h i 2 0 1 6 、信道解码芯片l g s 8 9 4 2 为核心的 系统硬件平台设计方案，在分析介绍系统工作流程、芯片功能的基础上，详细介 绍了核心器件的设计思路和实现方法，并介绍了相关外围器件如s d r a m 、f l a s h 的设计。 3 对系统的软件平台进行了介绍，搭配起调试环境，对整个系统进行了调试。 重点进行了调谐器、解调芯片的驱动程序编写。 本文的硬件和软件系统已经通过了调试，较好的实现了预期的功能，达到了 预定的效果。该方案具有很高的性价比和和很强的扩展性，相信对中国的数字电 视产业的发展有一定的贡献。 本文共有图2 6 幅，表l o 幅，参考文献2 0 篇。 关键词：数模一体电视；d t m b 接收端 a bs t r a c t a b s t r a c t ：d i g i t a lt e l e v i s i o n , w i mm a n ya d v a n t a g e s ，h a sw i d ed e v e l o p m e n ts p a c e i nf u t u r e i nt h ew o r l d ，d t va n dd t vi n d u s t r i a l i z a t i o na r ed e v e l o p e dv i g o r o u s l yb y m a n yc o u n t r i e s e s p e c i a l l yt e r r e s t r i a lb r o a d c a s t i n gt e l e v i s i o ns y s t e mh a sd e v e l o p e d r a p i d l yi nr e c e n ty e a r s t h e r ea r et h r e em a i n s t r e a mt e r r e s t r i a ld t v t r a n s m i ts t a n d a r d s e l l r o p e sd v b t u s a a t s c ，j a p a n si s d b t b u tw i t hs u p e r i o r i t i e s ，t h e ya l lh a v e o w ni n f e r i o r i t i e s a c c o r d i n gt od o m e s t i ca n df o r e i g ne x p e r i e n c e s ，c h i n ah a sp r o p o s e da n o v e lt e r r e s t r i a ld t vt r a n s m i ts t a n d a r dd t m bt h a th a sb e e ni m p l e m e n t e di na u g u s t1 ， 2 0 0 7a n dh a v ep r o p r i e t a r yi n t e l l e c t u a lp r o p e r t yr i g h t so fi t i nt h i sp a p e r , b a s i n go nt h er e s e a r c ho fd t m bs t a n d a r d , t h eh a r d w a r ep l a t f o r mo f t e l e v i s i o nr e c e i v i n gt e r m i n a lw h i c hc a nr e c e i v en o to n l yd t m bd i g i t a ls i g n a lb u ta l s o a n a l o gs i g n a l ，h a sb e e nd e s i g n e d t h i sp a p e r i sm a d eu po ft h ef o l l o w i n gp a r t s ： 1 t h ep r e s e n td e v e l o p m e n ts t a t u sa n dt h es t a n d a r d so fd t vb o t hi nf o r e i g na n di n c h i n aa r er e s e a r c h e da n da n a l y z e d c o m p a r ew i t ht h r e et e r r e s t r i a ld t vt r a n s m i t s t a n d a r d s ，t h ep r i n c i p l ea n dt e c h n o l o g yo f d t m bi sa n a l y z e dw i t he m p h a s i s 2 t h eh a r d w a r ep l a t f o r mt h a tw i t hs o u r c ed e c o d e ra n dc e n t e rc o n t r o lc h i ph i 2 0 16 ， d e m o d u l a t o rc h i pl g s - 8 9 4 2a sc o r ec o m p o n e n t ，h a sb e e nd e s i g n e d t h e d e s i g ni sd o n e b a s e do nh o wt h es y s t e mw o r ka n dw h a tf u n c t i o n st h ec h i p sh a v e t h ep a p e ra l s o i n t r o d u c et h er e l a t e dc h i p sl i k es d r a m 、f l a s h 3 s o f t w a r ea n dd e b u gp l a t f o r mo ft h es y s t e mh a sb e e ni n t r o d u c e d t h es y s t e mi s d e b u g g e da n dt h ed r i v ep r o g r a mo ft u n e ra n dd e m o d u l a t o rc h i p si si m p o r t a n tw o r k f i n a l l y , t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo ft h ed e s i g nh a sb e e nd e b u g g e ds u c c e s s f u l l y a n do b t a i n st h ea n t i c i p a t e dr e s u l t t h i sd e s i g np r o p o s a lh a sh i g hp e r f o r m a n c e t o p r i c e r a t i oa n dw i d es p r e a da p p l i c a t i o n i ti sa n t i c i p a t e dt om a k eh e l pt oc h i n a sd t v i n d u s t r y k e y w o r d s ：d i g i t a l a n da n a l o gd o u b l em o d e lt v ：d t m b ；r e c e i v i n gt e r m i n a l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：王冠满 签字日期：砷g 年f 月乜日 导师签名： 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，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交通大学或其他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。 学位论文作者签名：王涛 签字日期： 砂d g 年月i l 日 致谢 本论文的工作是在我的导师侯建军教授的悉心指导下完成的，侯建军教授严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢两年来 侯建军老师对我的关心和指导。 杨维康教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给 予了我很大的关心和帮助，在此向杨维康老师表示我衷心的谢意。 陈后金教授对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示衷 心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，杨文超、郎飞等同学对我论文中的硬件设计 和程序研究工作给予了热情帮助，董培强、朱明强等同学在生活上给予了我很大 帮助，在此向他们以及众多关心和帮助过我的同学表达我的感激之情。 最后感谢我的父母，他们的爱和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 1 1 数字电视简介 1 绪论 在经历了机械电视时代、黑白电子电视时代和彩色电视时代以后，电视技术 迎来了新的里程碑数字电视时代。数字电视( d i g i t a lt e l e v i s i o n ) ，是指从电视节 目采集、录制、播出到发射、接收全部采用数字编码和数字传输技术的新一代电 视，在数字技术基础上把电视节目转换成数字信息( o ，1 ) ，以码流的形式进行传播的 数字形态，综合了数字压缩、多路复用、纠错掩码、调制解调等多种先进技术。 它是集数字信号及信息处理技术、数字通信技术、计算机及网络技术、微电子技 术等高新技术发展于一体的高科技产物。 数字电视较传统的模拟电视来说，有着很多的优点【1 1 1 2 1 。 电视观众可以直观的感受到： 1 、图像质量高，清晰度好，音频效果好。数字信号在传输过程中通过再生技 术和纠错编码技术使噪声不会逐步积累，保持信噪比基本不变，提高了传输的质 量，使节目信号在接收端可以达到发射端的水平，因此数字电视的清晰度和抗干 扰能力比模拟电视大大增强。数字电视还支持5 1 声道的数字环绕声节目源，可以 通过电视节目获得家庭影院效果。 2 、数字电视有良好的交互性并提供全新的多功能业务。数字电视配备电视节 目信道专门配备了一条用户反馈信道用以发送用户的即时反馈信息，从硬件层保 证了良好的人机交互性。这就改变了观众传统的收视习惯，实现了由被动收看方 式向视频点播方式的转换。而随着有线电视传输和用户接受的数字化，电视网站、 交互电视、股票行情与分析、视频点播等新业务的开展将变的更加容易，用户将 从单纯的收视者变为积极的参加者。 从电视的实现方式来说，数字电视的优点更加突出： 1 、频率资源得到更充分的应用，节目量倍增。与模拟电视相比，数字电视 频率对资源的利用充分，数字电视采用高效压缩编码技术，经数据码压缩编码后 的每套数字电视节目所占频带宽度较窄，可以将多套节目复用到同一传输流中， 利用现有的一个8 m h z 模拟电视频道，可传输6 8 套d v d 质量或1 5 1 8 套v c d 质量的数字电视节目，这就充分利用了有限且不可再生的频谱资源。 2 、设备利用率高、发射功率低。数字设备同模拟设备相比较，在调整方便、 运行可靠性、稳定性、平均故障率等方面都有极其明显的优势。 3 、适于特殊专业的应用。由于数字电视容易实施加密解密、加扰解扰等各 种技术，便于在军事领域、保密系统以及收费电视等特殊业务场合应用，实现对 信息内容、版权和各类用户进行有效的保护和管理。 1 2 国内外数字电视发展及标准化状况 数字电视的发展有着广阔的前景，不仅拉动制造业，促进信息化发展，而且 为广播电视的持续发展提供了极大的空间。纵观全球，在过去的几年中世界各国 都在大力发展数字电视及其相关产业，并纷纷制定各自的发展规划和推进政策， 取得了很大进展。 1 2 1国外数字电视发展及标准化状况【，1 由于客观情况、标准和制式等不同，各国的数字电视发展状况也不尽相同， 欧洲、美国、日本等国家发展比较迅速，其数字电视发展模式、发展趋势、技术 标准的选择对我国有一定的指导和借鉴意义。 1 欧洲 欧洲的数字电视兴起比较早，1 9 9 3 年，欧洲3 0 多个国家的2 3 0 多个成员成立 了d v b ( d 蝉t a lv i d e ob r o a d c a s t ) 联盟，共同制定了数字电视的d v b 标准。这是一 套有关数字电视广播系统诸多要素的统一标准，包括卫星数字电视广播传输标准 ( d v b s ) 、有线数字电视广播传输标准( d v b c ) 和地面数字电视广播传输标准 ( d v b t ) ，已经被多数国家接受。1 9 9 6 年4 月法国开始第一个欧洲商业数字电视 广播。1 9 9 8 年1 0 月第一个地面数字电视在英国开播，同年1 1 月英国的卫星数字 电视开播，目前，英国已经成为数字电视普及率最高的国家，将近一半的英国家 庭已经看上数字电视。英国的数字电视业务无论从技术上还是用户模式上都已处 在稳定的成熟时期，从2 0 0 7 年1 0 月1 7 同开始对模拟电视进行关闭的动作，预计 在2 0 1 2 年完成全面关闭。 2 美国 美国的数字电视发展目前遥遥领先，1 9 9 5 年9 月，美国正式通过 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 ，美国高级电视业务顾问委员会1 数字 电视国家标准，并率先实现了商用播出。2 0 0 8 年美国数字电视用户达到了3 7 0 0 万。 美国的有线电视已基本覆盖全国，有线网络实现了光纤化、双向化改造，数字平 台不仅提供数字电视节目，还开展多种增值服务业务。全美计划于2 0 0 9 年停播模 拟电视。 2 3 日本 日本是世界上研究高清晰度电视最早的国家，其数字电视研究与开发进展较 快，计划2 0 0 6 年实现地面数字电视全国覆盖，目前已基本完成数字电视网络改造， 到2 0 1 1 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 ( i n t e g r a t e ds e r v i c ed i g i t a lb r o a d c a s t i n g ，综合业务数字广播) 数字电视国家标 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，至今日本的观众对数字电视产品的热情丝毫不减。 4 其他国家 新加坡正向数字化迈进中，经过复杂的试验后，选择了欧洲d v b 标准，并于 2 0 0 1 年9 月开始了交互式电视的试播，2 0 0 3 年地面数字电视广播开始。澳大利亚、 印度等国家也选用d t v 标准。 韩国在汉城进行地面数字电视试验之后，决定采用美国的a t s c 标准，在2 0 0 5 年将地面数字电视的业务全国开播。加拿大，阿根廷以及我国的台湾省都已选用 a t s c 标准。 南美国家巴西通过对欧洲、美国和日本数字电视标准的测试，决定采取日本 的地面数字电视标准i s d b t ，并将于2 0 0 8 年1 2 月2 日正式启动数字电视传输。 1 2 2国内数字电视发展及标准化状况 我国数字电视广播的进程是首先从卫星和有线切入。1 9 9 5 年中央电视台开始 利用数字电视系统播出加密频道，利用卫星向有线电视台传送4 套加密电视节目。 1 9 9 6 年开始通过卫星传输d v b s 标准制式数字电视信号，1 9 9 7 年省级电视台陆 续试用d v b s 标准上星播出，1 9 9 9 年中国正式启动卫星直播到村的“村村通 工 程，采用数字压缩技术卫星传播中央电视台节目和广播节目，2 0 0 2 年开始有线电 视数字化整体转换试点，到2 0 0 6 年，有线电视数字化已进入了向全国大中城市全 面推开的阶段。2 0 0 7 年，全国已丌通2 0 0 多套付费节目。 由于广播电视行业的特殊性，数字电视广播标准的选用或制定工作就尤为重 要。这不但涉及到本国的社会制度、政治需要，还影响到本国经济的发展及相关 产业的发展，故各国政府对此都以十分谨慎的念度来对待标准的制定。经过严格 的测试以及各方面情况的考虑，国家广电总局规定我国将在卫星和有线电视中采 用国际通用的d v b 标准，而在地面广播方面，由于其传输的环境恶劣，频谱资源 有限，各国应用需求的分散，各种地面标准仍有极大的争议，特别是在提高固定 接收的稳定性以及移动接收的性能方面都有很大的改进的潜力。 因此，1 9 9 4 年国家科委启动高清晰度电视项目，立志研制我国自主创新的地 面数字电视标准，国家科委成立总体组，由全国多所大学、研究所以及企业参与 了上述方案的硬件实施。在1 9 9 9 年国庆5 0 周年期间，中央电视台利用总体组和 广科院提供的两套数字电视广播系统成功进行了现场转播。国庆5 0 周年以后，清 华大学又提出了一种多载波的方案，原来总体组的成员上海交通大学和广科院也 分别提出不同的方案，形成了五种方案。国家数字电视领导小组要求清华大学牵 头，形成最后的方案。通过征求意见和测试，最终具有自主知识产权的中国数字 电视地面广播传输系统标准( 数字电视地面广播传输系统帧结构、信道编码和调 制g b 2 0 6 0 0 2 0 0 6 ) ，以下简称国标d t m b ( d i 百t a lt e l e v i s i o nt e r r e s t r i a lm u l t i m e d i a b r o a d c a s t ) ，于2 0 0 6 年8 月1 8 日正式批准为强制性国家标准，并己于2 0 0 7 年8 月1 日起实施，目前在多个省会城市开始试验播出。至此，我国数字电视三种制 式的标准都已制定完毕。 即将召开的2 0 0 8 年北京奥运会，是我国数字电视发展的难得的机遇，各界期 待以此为契机，能实现数字电视的跨越式发展。目前我国中央电视台和众多省市、 地方电视台都已实现了电视节目的数字卫星传输，电视台的发送和接收设备正在 逐步实现数字化。我国已计划在2 0 1 0 年全面实现数字广播电视，2 0 1 5 年停止模拟 电视播出。 1 3 课题的提出及本文的内容 1 3 1 课题的提出 数字电视传播主要有卫星数字电视、有线数字电视、地面数字电视三大系统， 地面数字电视是数字电视系统中实现难度最高和最具发展前景的一个分支系统， 车载电视，手机等手持终端电视都是建立在此系统之上，本课题就是建立在地面 数字电视系统上来进行的。 从数字电视的优势以及全球掀起的数字电视热潮来看，电视的数字化是不可 逆转的趋势，我国也在加快数字电视普及的过程，然而，我国毕竟是一个拥有1 4 亿人口的发展中国家，人口大国的背景以及经济发展的不均衡注定了数字电视完 全取代模拟电视是一个漫长的过程，模拟电视节目的播放和收看还有着不小的需 求，在我国的不少地区，地面的电视信号存在着数字信号和模拟信号并存的现象， 如果一台电视仅能实现数字功能或者模拟功能，那么，这台电视就不能保证在特 定的信号环境下收看节目，因此，在此设想的基础上，数模一体电视的设计应育 4 而生，它既能收看高质量的数字电视节目，也能收看传统的模拟电视节目，用户 选择电视节目的类型可视现有的节目信号的类型而定。 1 3 2 本文的主要内容 本课题的整体任务是研究开发数模一体电视的信号接收端，并相应的提出了 硬件和软件方面的解决方案，本论文着重进行了接收端的硬件设计和部分驱动的 实现。目前，国内外很多芯片生产商对于地面传输数字电视有较完整的解决方案， 但这些解决方案，基本都是基于国外的地面传输标准。中国的数字电视地面传输 标准刚刚出台，针对这一标准的解决方案并不多见。 本论文共五章，第一章介绍了数字电视的概念、优点，以及数字电视发展和 标准化在国内外状况。第二章着重介绍了国内外地面传输数字电视的主要技术和 标准，重点介绍了国家标准d t m b 。第三章介绍了数模一体电视接收端解调、解 码模块的实现过程和硬件设计。第四章介绍了数模一体电视接收端软件设计、调 试环境并对数模一体电视进行调试和驱动层实现。第五章是结论与展望，以及下 一步的工作内容。 2 地面数字电视传输标准及中国国家标准d t m b 2 1 数字电视广播系统 数字电视广播系统是采用数字化处理技术，用数字信号进行传输的系统1 。 其系统框架如图2 1 。系统传输的是带有文字、图像、语音等多媒体信息，这些多 媒体信息经数字化处理后会产生海量的数据，如果不加处理的传输这些数据，对 信息存储设备及通信网络来说是不堪重负的。因此研究高效的多媒体信源数据压 缩编码方法，具有重要意义。 节 目 源 信 源 编 码 数 字 声 音 信 道 编 码 附 加 数 字 载 波 调 制 传 输 信 道 环境噪声、 干扰 载 波 解 调 数 字 亩 音 信 道 解 码 附 加 数 字 信 源 解 码 节 目 显 刁葛 图2 1 数字广播电视系统组成框图 f i g 2 1d i a g r a mo fd i g i t a lb r o a d c a s t i n gt e l e v i s i o ns y s t e m 目前世界上最重要的数据压缩编码标准是m e p g ( m o v i n gp i c t u r ee x p e r t s g r o u p ，活动图像专家组) 标准，而大多数数字电视传输标准主要以m p e g 2 的 t s ( t r a n s p o r ts t r e a m ，传输流) 码流作为数字电视信号，d t m b 也是如此。t s 流， 它是以“帧 为单位的数字信号传输流，每一帧数字信号中含有同步头、数据结 尾等信号，对于m p e g 2 数字信号，每帧信号是由长度为1 8 8 字节的二进制信号包 组成，其内容含有一个或多个节目。这里“帧”的概念与电视图像中的帧很类似， 但内容不相同，一帧m p e g 2 数字信号对应于一帧图像来说，只相当于一幅图像内 容中的几个像素点。生成了t s 流即完成了信源编码。 各种传输标准的制定，是针对三种不同传输( 地面无线、有线、卫星) 媒质的特 性，采用的不同的信道编码和载波调制方案。对于卫星数字电视和有线数字电视， 6 各国采用的信道编码和载波调制方案基本类同，在地面数字电视方面，各国有不 同侧重的考虑，所采用的信道编码和载波调制方案有所不同。但无论何种标准， 其最终目的都是为了抑制节目信号的干扰，提高节目信号传输的可靠性。 为此，各标准在普遍采用的技术：数据随机化、数据纠错编码、数据交织、 数字调制及均衡等。数据随机化是为了避免t s 码流出现连续的“o 或“1 ，用 伪随机序列对其进行加扰处理而使“o 或“1 的概率能基本相等，这样既能够 对码流加密，又能使码流信号的能量扩散；数据纠错编码是为了提高传输数据的 可靠性，使系统有一定纠正错误码流的能力；数据交织是在不附加纠错码字的前 提下用改变数据码字( 以比特或字节为单元) 传输顺序的方法来提高接收端去交织 解码时的抗突发误码能力；数字调制是将不同的节目传输信号搬移到规定的频带 上并控制传输效率；均衡可以防止传输节目的码间干扰。 2 2 国外地面数字电视传输标准简介 2 2 1d v b t 标准简介 d v b - t 标准是欧洲的地面传输数字电视标准，主要规范了发送端的系统结构 和信号处理方式，其信道编码和载波调制系统如图2 2 。 随 外编 机 码r s 外交内内 - i p 织 - i i , , 编 交 ( 2 0 4 ， 化 l = 1 2 码织 1 8 8 ) 圆圆d a l 保护iil 叫间隔h 变l 幽型 图2 - 2d v b - t 发送系统框图 f i g 2 - 2d i a g r a mo fd v b tt r a n s m i s s i o ns y s t e m 数据随机化后，数据纠错编码和数据交织分两层来进行，两层编码具有不同 的白噪声门限。外层编码采用里德所罗门r s ( 2 0 4 ，t 8 8 ) 编码，该纠错码主要面向 突发性连续错误，外层交织采用卷积比特交织，交织深度为1 2 ，其功能是将连续 错误打散，使错误平均分布到1 8 8 个传输流。内层编码采用基于6 4 状态1 2 速率 的收缩卷积码，收缩码率可为1 2 ，2 3 ，3 4 ，5 6 和7 8 ，不同收缩码率的纠错能 力和带宽利用率是成反比的，内交织分成比特交织和符号交织，两种交织采用的 都是块交织。通过改变d v b t 系统的某些参数，如卷积码码率、调制方式，可以 改变接收门限，适用不同的应用【5 】。 7 图2 3 表现了d v b t 的射频信号的特点，从时间轴看，多载波构成的字符有 一定的传输时间，为了防止电波的多路反射，在每个字符的传输后面，加入保护 间隔：从频率轴看，d v b t 信号是许多的载波构成的多波波形在8 m h z 射频 带宽内设置1 7 0 5 个( 2 k 模式) 或6 8 1 7 个( 8 k 模式) 载波，将高速码流分解成多路低 速率的码流，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。这就是d v b t 的o f d m ( 正交频分复用) 调制方式。 t 时域 ，i r 频域 图2 3d v b t 射频信号的特点 f i g 2 3f e a t u r eo fd v b - t r fs i g n a l o f d m 调制方式应用了丁f 交频分复用技术，以多载波的并行传输代替串行脉 冲序列的传送。由于每个子信道所占频带很窄，所以可有效地防止地面广播的回 波干扰及其他线性失真引起的符号间干扰。而对基带数据信号预先进行两层编码， 即c o f d m ( 编码正交频分复用) ，是为了解决o f d m 无法予以克服的对于传输信道 中因多径效应引起的不同载频信号的频率选择性衰落( 平坦性衰落) 和多普勒频移 造成的载波问正交性破坏的问题。 d v b t 定义6 8 个o f d m 符号构成一个o f d m 帧，4 个o f d m 帧组成一个超 帧。个符号由k ( 1 7 0 5 或6 8 1 7 ) 个周期为i ( t u + t b ) 的载波构成：为了避免可能的 符号间干扰，采用了在有效符号持续期t u 前加入一段保护问隔t b 的方法，t b 可以 耿i 数值的l 4 ，1 8 ，1 1 1 6 或1 1 3 2 。o f d m 帧除了传输数据外，还包括离散导频、 连续导频和t p s 导频信号，这些固定位黄的导频信号虽然减低了d v b t 系统的有 用信号的传输速率，但他们有帧同步、频率同步、时问同步、信道估值、传输模 式识别等作用，还是非常重要的。 实现o f d m ，多载波信号s ( t ) 可写为如下复数形式： n i s ( t ) = z d 。( t ) e 2 砜 ( 2 - 1 ) 其中f n = f o + n f 为第n 个载波频率，d 。( t ) 为第1 1 个载波上的复数信号，若设 定在一个符号周期内为定值则有： d 。( t ) = d ，设信号采样频率为1 厂r ，可得： s ( k t ) = d 。x e 伽名础灯 ( 2 2 ) a = 0 由于一个符号周期i 内含有n 个采样值，因此t = n t ；令f o = 0 ， s ( k t ) = d 。e j 2 尢叫 ( 2 3 ) n = o 将其与离散傅里叶逆变换i d f t 形式( 系数忽略) ： g ( k t ) = d 。e j 2 x ( 咄( 2 4 ) a = 0 比较可以看出，若把d 。( t ) = d 。看作频域采样信号，s ( k t ) 为对应的时域信号， 则当公式f = l n t _ 1 i 成立时，式( 2 3 ) 、( 2 4 ) 等价。 由此可知，若选择载波频率间隔为v t 则o f d m 信号不但保持了正交性，而 且可以用i d f t 来定义：接收端只要用d f t 就可以恢复原始信号d ( n ) 。由于时域 是一系列矩形码元，故频域每个子载波信号的频谱为s i n ( x ) x 函数，并且与相邻子 载波信号的频谱有1 2 的交叠，这使每个载波都可以其他载波的零点为中心，体现 了o f d m 符号载波间的正交性，见图2 - 4 。因为o f d m 采用的基带调制为离散傅 里叶变换，所以可认为数据的编码映射是在频域进行，经过逆快速傅罩叶变换i f f t 转化为时域信号发送出去的，接收端可通过f f t 恢复出频域信号6 1 。 因此o f d m 系统发送信号用i f f t 来实现。 图2 4 ( a ) 单个o f d m 子信道的频谱( b ) o f d m 信道的频谱 f i g 2 - 4 ( a ) as p e c t r u mo fa no f d ms u b c h a n n e i ( b ) o f d ms p e c t r u m 2 2 2a t s c 标准和i s d b t 简介 美国的a t s c 地面传输标准在数据随机化、r s 纠错编码( 采用( 2 0 8 ，1 8 8 ) 格式， 即1 8 8 字节有用数据( 其中包括1 字节同步) ，2 0 字节附加字节，可纠正l o 字节错 9 误) 、数据交织、格状编码后，进行多路复用( 加入测试信号、段同步、场同步) 和 导频信号加入，再采用8 - v s b 调制，即8 电平残留边带调幅方式，生成中频信号 i f ，该信号经射频上变频并经功率放大后发射出去。接收端是发射的反过程。 日本的i s d b t 和d v b t 非常类似，可以说是经修改的欧洲方案，传输方案 仍是c o f d m 。为了与日本地面电视广播的原频道规划( 每频道6 m h z ) 相适配， i s d b t 中每个频道的传送带宽为5 6 2m h z 或5 6 1 7m h z 。这里是以每4 3 2 k h z 作 为一段独立的o f d m 频带，6 m h z 内可包含1 3 段o f d m 。而每个o f d m 段由数 据段和导频信号组成，或者说o f d m 段是指在数据段中加入各种导频信号后于 4 3 2 k h z 带宽内传送的信息数据流。对每个数据段可以独立指定其载波调制方式 ( 1 6 q a m ，6 4 q a m ，q p s k 或d q p s k ) 、内码编码率( 1 2 ，2 3 ，3 4 ，5 6 或7 8 ) 、 保护间隔比和时间交织深度等。作为对比，欧洲d v b t8 m h z 或7 m h z 的每路频 道是作为一个总体来处理的，对全部载波的调制方式只能是一种( 1 6 q a m ， 6 4 q a m ，q p s 酗，内码编码率只能选择使用一种( 1 2 ，2 3 ，3 4 ，5 6 或7 8 ) ，保护 间隔比也只能是一种( 1 4 ，1 8 ，1 1 6 或1 3 2 ) 。由此可见，i s d b t 在这些方面的信 号处理与d v b - t 基本上相同，但是更灵活，可按图像、声音和数据的不同需要优 化地选用有关参数。 2 3 中国国家标准d t m b 简介 d v b t 、a t s c 和i s d b t 是世界三大标准，然而在移动接收、频谱效率、干 扰、系统的灵活性等方面，上述三个系统各有相应的优缺点。根据我国的地面数 字多媒体电视广播的服务需求、传输条件和信道特征，经过对数字电视技术发展 趋势和我国应用与产业需求的认真分析，借鉴世界上已有标准的经验教训，我国 原创性的提出了一种新颖的、具有自主知识产权的地面数字电视传输方案，和美 国、欧洲的地面标准相对应，称为数字电视地面多媒体广播国标d t m b 。在各种 试验和实际应用中，都充分证明该方案与现有模拟电视传输频道制式兼容，并且 具有高清晰度电视、标准清晰度电视、多媒体数据兼容传输和单频组网能力，支 持单向广播基本模式及非对称双向传输扩展模式，支持固定接收和移动接收；特 别是在快速同步、抗干扰能力、高频谱利用率、灵活组网等关键技术性能方面， 与欧洲、美国、日本已有标准相比，具有明显的综合技术优势和应用特点。d t m b 在技术可行性、系统稳定性、产业化、运营可行性等方面已经满足我国地面数字 电视标准的要求。 2 3 1d t m b 的原理介绍【7 】【8 】 1 0 输入数据码流经过扰码器( 随机化) 、前向纠错编码f f e c ) ，比特流到符号流的 星座映射与符号交织编码以后形成基本数据块，该基本数据块与系统信息进行组 合，然后以时域信号形式( 帧体) 与相应的p n 同步序列( 帧头) 复合为信号帧，此后 经过基带后处理，再变频生成射频信号放大后发射。本系统的发送端原理如图2 5 所示。 一置+ x “+ l 复位z 信号帧 系统i 扩 信息i 编 钥一雕 组成 帧体 多蔽波：n - 3 7 8 0i d f t 须域交织 单撬波一n = i 插入双导频( 可远) 图2 5d t m b 发送系统框图 f i g 2 5d i a g r a mo fd t m bt r a n s m i s s i o ns y s t e m 1 数据随机化 在经信源编码和传输流复用之后，传输流将以固定数据长度组织成数据帧结 构。每个数据帧的总长度为1 8 8 字节，其中包括一个同步字节( 4 7 h ) ，发送端的处 理顺序始终是从同步字节( 即0 1 0 0 0 1 1 1 ) 的m s b ( 耳p0 ) 开始的。数据随机化处理，保 证了时钟恢复的质量，限制连“0 ”码和连“1 ”码的长度，从而减少对其它通信 设备的干扰，有利于载波恢复。 2 前向纠错编码 d t m b 的前向纠错编码由外码b c h 码和内码l d p c 码( l o wd e n s i t yp a r i t y c h e c k ，低密度奇偶校验码) 级联实现。b c h 码为b c h ( 7 6 2 ，7 5 2 ) ，是由b c h ( 1 0 2 3 ， 1 0 1 3 ) 系统码缩短而成的。它在7 5 2 比特信息位前添加2 6 1 比特的0 补足1 0 1 3 比特， 然后进行b c h ( 1 0 2 3 ，1 0 1 3 ) 编码，生成多项式为g b c n ( x ) = i + x 3 + x 旧。编码后得到 1 0 2 3 比特码字，然后删除前2 6 1 比特的0 ，得到了码长为7 5 2 比特的b c h 码。将 一定数目的b c h ( 7 6 2 ，7 5 2 ) 构成一组，按给定的生成矩阵进行l d p c ( 7 4 8 8 ，3 0 4 8 ) 、 l d p c ( 7 4 8 8 ，4 5 7 2 ) 或l d p c ( 7 4 8 8 ，6 0 9 6 ) 的三种码率编码，删除输出的7 4 9 3 个比 特的前5 个校验比特，得到最后的7 4 8 8 个输出比特。 3 符号星座图映射 前向纠错编码后的比特流要转换成均匀的n q a m ( n ：星座点数) 符号流( 最先进 入的第一个比特是符号码字l s b ) ，有以下几种符号映射关系：6 4 q a m 、3 2 q a m 、 h 一带形波一 一基成滤一 h 组帧 h 叫 一 一据 头一 一澈理堕l i l 处 1 6 q a m 、4 q a m 及4 q a m n r 。各种符号映射加入相应的功率归一化因子，使各 种符号映射的平均功率趋同。星座图已经考虑功率归一化要求。4 q a m 与 4 q a m - n r 的符号映射对应于高速移动服务业务的需求，可以支持标准清晰度电视 广播，能够兼顾覆盖范围和接收质量的服务需求；4 q a m 与1 6 q a m 符号映射可对 应于中码率服务业务的需求，可以支持多路标准清晰度电视广播，能够兼顾覆盖 范围和频率资源利用的服务需求；3 2 q a m 与6 4 q a m 符号映射对应于高码率服务 业务的需求，可以同时支持高清晰度电视和多路标准清晰度电视的广播，兼顾高 档用户和普通用户的服务需求。 4 符号交织 ( 1 ) 时域符号交织 国标系统采用了时域符号交织技术以提高脉冲噪声干扰能力。时域符号交织 编码是在多个信号帧的基本数据块之间进行的。数据信号( 即星座映射输出的符号) 的数据块间交织采用基于星座符号的卷积交织编码。如图2 - 6 所示，其中变量b 表示交织宽度( 支路数) ，变量m 表示交织深度( 延迟缓存器尺寸) 。进行符号交织的 基本数据块的第一个符号与支路0 同步。交织解交织对的总时延为m x ( b - - i ) x b 符号。取决于应用情况，基本数据块间交织的编码器有2 种工作模式： 模式1 ：b = 5 2 ，m = 2 4 0 符号，交织解交织总延时为1 7 0 个信号帧； 模式2 - b = 5 2 ，m = 7 2 0 符号，交织解交织总延迟为5 1 0 个信号帧。 善i 三：层一 田乙 刘。mp 图2 6 卷积式数据块间交织 f i g 2 - 6t h ec o n v o l u t i o nt y p eb l o c kd a t ai n t e r w e a v e s ( 2 ) 频域交织 频域交织仅在多载波c - - 3 7 8 0 模式下使用。频域交织为帧体内的符号块交织， 交织大小等于子载波数3 7 8 0 ，目的是将调制星座点符号映射到信号帧帧体( 帧体部 分包含3 6 个符号的系统信息和3 7 4 4 个符号的数据，共3 7 8 0 个符号) 包含的3 7 8 0 个有效子载波上。 5 d t m b 组帧 1 2 ( 1 ) d t m b 帧结构 d t m b 数据帧结构分为信号帧、超帧、分帧、日帧四层结构，与自然时间保 持同步，如图2 7 所示： 日帧 日帧 分帧 超帧 图2 - 7 数据帧结构图 f i g 2 7s t r u c t u r eo fd a t af r a m e 帧结构的顶层为日帧，日帧以1 个公历的自然日为周期进行周期性重复，由 1 4 4 0 个分帧构成，长度为2 4 小时，在北京时间0 0 ：0 0 ：0 0 a m 或其它选定的参考时 间，日帧被复位，开始一个新的日帧；一个分帧的时间长度为1 分钟，包含4 8 0 个超帧；超帧的时间长度定义为1 2 5 毫秒，8 个超帧为1 秒，这样便于与定时系统 校准时间。超帧中的第一个信号帧定义为首帧，由系统信息的相关信息指示；信 号帧是系统帧结构的基本单元。 ( 2 ) 信号帧 一个信号帧由帧头和帧体两部分时域信号组成，结构如表2 1 ，帧头和帧体信 号的基带符号率相同。帧头部分有p n 序列构成，帧头长度有三种选项。帧体部分 包含3 6 个符号的系统信息和3 7 4 4 个符号的数据，共3 7 8 0 个符号。 表2 - 1 信号帧结构 t a b l e 2 1s t r u c t u r eo fs i m a a lf r a m e 帧 ( 4 2 0 符号5 5 6 1 x s ) ( 5 9 5 符号7 8 7 1 x s ) 头 ( 9 4 5 符号1 2 5 9 s ) 帧体( 系统信息和数据，3 7 8 0 个符号，5 0 0 i t s ) 系统信息i数据3 7 4 4 个符号 3 6 个符号i 帧头部分的三种选项： p n 4 2 0 ：帧头信号的长度为4 2 0 个符号。由一个前同步8 2 个符号、一个p n 2 5 5 序列和一个后同步8 3 个符号构成。此时每个超帧有2 1 6 个信号帧。 p n 5 9 5 帧头信号的长度为5 9 5 个符号。是长度为1 0 2 3 的m 序列的前5 9 5 个 码片，每个超帧有2 1 6 个信号帧，各信号帧的帧头采用相同的p n 序列。 p n 9 4 5 ：帧头信号的长度为9 4 5 个符号。由一个前同步2 1 7 个符号、一个p n 5 1 l 序列和一个后同步2 1 7 个符号构成，每个超帧有2 0 0 个信号帧。 ( 3 ) 帧体的组成 系统信息为每个信号帧提供必要的解调和解码信息，包括符号映射方式、 l d p c 编码的码率、交织模式信息、帧体信息模式等。本系统中预设了6 4 种不同 的系统信息模式，并采用扩频技术传输。这6 4 种系统信息在扩频前可以用6 位的 系统信息( s 5s 4s 3 s 2s ls o ) 来表示，其中s 5 为m s b ，定义如下