（信号与信息处理专业论文）dvbc全数字qam接收机的盲均衡器设计与实现.pdf

摘要 本课题是与成都天锐电子有限责任公司合作开发，目的是完成d v b c 的全 数字q a m 接收机的软件设计和f p g a 实现。系统的硬件实现以a l t e r a 公司的 s t r a t i x 系列的f p g a 芯片为基础，核心任务包括有q a m 接收机的匹配滤波、载 波恢复环路与时钟同步、符号同步和盲均衡器等。 本文在介绍d v b c 相关标准的基础上，阐述了系统的总体设计以及软硬件 实现的其体方案，特别是自适应盲均衡器的算法设计和硬件实现。本人在项目 中完成的工作主要有： 阅读相关文献资料，了解系统整体原理。 完成软件仿真系统中发端的字节到符号映射、差分编码、星座点到i ，q 信 号映射。 完成软件仿真系统中收端的自适应盲均衡、i , q 至q 星座点映射、差分解码。 用v e r i l o gh d l 语言完成接收机的自适应盲均衡器模块的编程和调试工作。 参与软件系统的联调工作。 本系统的软件仿真程序的调试已经完成，并实现了硬件各个子模块的v e r i l o g h d l 编程。 关键词：d v b - c 、f p g a 、q a m 、自适应盲均衡器 a b s t r a c t i nt h i sp r o j e c t ，a ua l ld i g i t i z e dq a mr e c e i v e rc h i pb a s e do ud v b - cs y s t e m i sm a d ew i t ht h ec o o p e r a t i o no fc h e n g d uc h i n a r a ye l e c t r o n i c c o l t d t h e h a r d w a r e s y s t e m i sb a s e do nt h es t r a t i xs e r i e sf p g a c h i po f a l t e r ac o r p o r a t i o n a n dt h ec o r et a s k si n c l u d e m a t c h i n g f i l t e r 、c a r r i e r r e c o v e r y a n d t i m i n g s y n c h r o n i z a t i o n 、s y m b o ls y n c h r o n i z a t i o n a n db l i n d a d a p t 押ee q u a l i z e r o fa l l d i g i t i z e dq a m r e c e i v e r t h i sp a p e rw i l li n t r o d u c et h ep r i n c i p l eo ft h ed v b cs e r i e s s t a n d a r d s f i r s t l y ，t h e nt h es k e t c h yd e s i g no f t h es y s t e mw i l lb es t a t e d a tl a s t ，t h es o f t w a r e a n dh a r d w a r ep a r t so ft h es y s t e mw i l lb ed i s c u s s e di nd e t a i l ，e s p e c i a l l y t h e a l g o r i t h md e s i g na n df p g ai m p l e m e n t a t i o n o fb l i n da d a p t i v ee q u a l i z e nw h a ti h a v ed o n ei nt h ep r o j e c ta r el i s t e db e l o w ： a 1 ：r e a dp a p e r sa s s o c i a t e dw i t hm yp r o j e c ta n dg e tf a m i l i a rw i t hb a s i c p r i n c i p a lo f t h es y s t e m b 1 ：c o m p l e t et h ed e s i g no fb y t et os y m b o lm a p p i n g 、d i f f e r e n t i a le n c o d i n g a n dc o n s t e l l a t i o nt oi , qm a p p i n go ft r a n s m i t t e ro fs o f t w a r es i m u l a t i o ns y s t e m 。 c ) ：c o m p l e t e t h ed e s i g no fb l i n da d a p t i v ee q u a l i z e r 、d i 仃e r e n t i a ld e c o d i n g a n dl , qt oc o n s t e l l a t i o nm a p p i n go f r e c e i v e ro fs o f t w a r es i m u l a t i o ns y s t e m 。 d 1 ：u s i n gv e r i l o gh d ll a n g u a g et oi m p l e m e n tb l i n da d a p t i v ee q u a l i z e r p r o g r a m m i n g 、t e s t i n g a n d d e b u g g i n g e 1 ：t a k ep a r ti ns o f t w a r ea n dh a r d w a r es y s t e mt e s t i n ga n dd e b u g g i n g t h es o f t w a r es i m u l a t i o no ft h i s s y s t e m h a sb e e n t e s t e d ，a n d t h e s u b _ m o d u l e so f h a r d w a r e v e r i i o gp r o g r a m m i n g h a v eb e e nc o m p l e t e d k e yw o r d ：d v b c ，f p g a ，q a m ，b l i n da d a p t i v ee q u a l i z e r l i 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 作及取得的研究成果。据我所知，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 为获得电子科技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 确的说明并表示谢意。 签名：许拎日期：。午年耳月阳 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技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，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：聱诠导师签名：蒜墅业： 日期：d 眵年啦月心日 电子科技大学碱士论文d v b - c 全数字o a m 接收机的盲均衡器的设计与实现 第一章序言 广播电视正由模拟向数字全面过渡已成为共识，电视系统全面数字化的潮 流势不可挡。早在7 0 年代，日本广播协会( n h k ) 就已经开始着手这方面的研 究，并且在1 9 9 1 年实现了通过卫星的d b 3 b 的正式广播。美国也开发了自己的 数字电视广播系统( 8 v s b 系统) ，并且在1 9 9 7 年宣布将在2 0 0 6 年完成从模拟 到数字电视广播的转换。欧洲在1 9 9 3 年放弃了原先的h d m a c 计划，转向 d v b ( d i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t i n g ，数字视频广播1 的研究并成立了d v b 组织。到 现在为至，该组织已经先后制定了数字卫星电视( d v b s ) 、数字有线电视 ( d v b c ) 、数字地面电视( d v b t ) 等一系列的标准，由于其通用性和公开性， 现已为许多国家所采用。近些年随着技术的发展开始出现了基于d v b 方式的数 据广播等先进的数字j 。播手段，数据广播系统用户群开始迅速扩大。1 9 9 7 年 以d v b 标准为基础的数字电视已经在全世界普及，拥有了几百万用户。1 9 9 8 年末，微型计算机用户可以通过在他们使用的微机内插入数字卫星接收卡，用 来享受因特网服务。1 9 9 9 年以后，我国基于d v b c 高速数据广播系统试验开通 了中国数据广播平台，为今后的交互式数字电视开辟了广泛的前景。 1 1 数字电视的优点 1 图像传输质量较高，抗干扰能力强 模拟电视信号的失真和杂波在传输和处理过程中是积累的，因而经长距离传 输后的信号或多次复制后的信号质量迅速下降；而数字电视信号的失真和杂波 不会积累，经过多次处理后，其特性均能保持不变，在数字电视广播中用户接 收到的图像质量和声音质量几乎和电视台发送的质量一样。 2 频谱资源利用率高 一套模拟电视节目要占用3 6 m h z 带宽的卫星转发器，占用8 m h z 的地面电 视广播和有线电视频带。而数字电视采用压缩编码技术，在3 6 m h z 的卫星转发 器中可传输5 套s d t v ，显示清晰度约4 0 0 线，在一个8 m h z 频道内可传送4 电子科披大学硕士论文d v b - c 全数字q a m 接收机的盲均衡器的设计与实现 套以上的s d t v 节目。 3 提供全新的业务，实现高速数据传输 在数字电视通信中可以互不干扰地同时传送文字、数据、语音、静止图像等 多种数字信息。数字电视网可与电脑网、电信网互连互通，不仅使信息源更为 丰富，还可以增加用尸与各种信息源之间的交互性，实现用户自由点播节目、 电子商务、网上购物、网上教学、网上医疗、网上游戏等多种高速数据业务。 4 信号稳定可靠，设备维护、使用简单 模拟电视信号数字化后，信号以二进制码的形式出现，它只有0 和1 两种状态。二进制数字信号不受电源波动、器件非线性的影响，所以能保持稳 定、可靠。采用大规模集成电路处理数字信号，可降低设备的功耗，从而提高 设备的可靠性。同时，数字化设备不需要调节，维护简单，使用方便。 5 节省发送功率，覆盖范围广 数字电视发射设备在相同覆盖区所需的平均功率，比模拟电视发射设备的峰 值功率要低一个数量级。比如，模拟m m d s 的接收电平最低为5 6 d b ，而数字 m m d s 在6 4 q a m 调制下的接收电平仅为3 9 d b ，所以数字电视发射设备的覆盖 范围比模拟电视相同功率发射设备的覆盖范围大几倍。 6 灵活友好的人机界面 灵活和友好的人机交互界面，便于用户操作。除显示设备外，其余设备可系 统集成，进行大规模生产，因此价格低廉，便于推广普及。 7 易于实现条件接收 数字电视信号容易进行加密j j n 扰，有利于信息安全，同时便于实现付费电 视、视频点播及交互式电视。 1 2 基于d v b 的数据广播 世界各地的政府和广播界均迈向数字式广播，他们都为今天和将来选用d v b 2 电子科技大学硕士论文d v b c 仝数字q a m 接收机的盲均衡器的设计与实现 广播技术。d v b 是在整个欧洲、亚太区及拉丁美洲成功推行的数码式广播标准 规格。它不单是指一种规格，而是指拥有多种供应选择的开放系统，可配合各 种不同的产品，更可在各种卫星、有线和无线普通电视广播环境之间互相运作。 d v b 之所以被采纳为数据广播系统的基本协议，是与其在数据传输方面的巨大 优势分不开的。总的说来，采用符合d v b 标准的数据广播系统具有如下优点： d v b 标准有丰富、完整的传输接口协议，数据可以很容易地通过现有 的几乎所有信道如卫星、有线电视、s d h 、p d h 、a t m 、m m d s 及地 面数字电视广播( d v b t ) 等传输，适合于从主干网到地区网、城域 网、小区等不同规模，不同的传输方式进行数据广播。 与数字视频节目兼容，用户终端可以同时接收数据和数字视频广播节 目，数据和视频节目可以在同一个频道传输。 通用的前端设备，使用与视频广播相同标准的d v b 复用器及调制器， 可在众多的生产厂商中选择性价比最高的。 可使用完善的d v b 条件接收( c a ) 系统，保证完备的授权控制机制。 传输数据率高，误码率低。 d v b 有完整的网络及回传协议，可以选择多种回传形式，在未来的1 0 年内，逐步通过改进现有有线网络设施实现真正的双向网传输。 目前，d v b 数据广播系统主要应用于卫星传输和有线电视传输。它既可独 立占用通道，也可与视频音频复用一起传输。d v b c 多媒体数据广播采用通用 的国际标准和开放技术，每一项业务和应用来自一个特定的信息源，不同的数 据形态或数据属性及应用方式，采用不同的数据广播模式。开放的体系结构， 支持多种数据形态和服务内容的接入，无论何种信息，只要符合通用的网络接 口，通过格式转换的代理服务器( 软件或硬件) 转换成d v b c 指定的标准接口 的数据格式，就可以透明地实现端到端应用。与传统地v b i 数据广播相比， d v b c 传输速率高达3 8 m b s ，是v b i 传输速率( 2 5 6 k b s ) 的1 4 8 倍多，是真 正的高速数据传输。 1 _ 3 课题研究背景及论文结构 数字化技术体制提高了广播电视节目的技术质量，丰富了节目质量，提供了 3 电子科技火学硕士论文d v b c 全数字o h m 接收机的盲均衡器的设计与实现 广播，电视和综合数据业务的多媒体服务手段，扩宽了广播电视业务，给广播电 视提出了新的课题。即是：广播电视技术必须向数字化发展，广播电视业务必 须向综合服务一体化发展，广播电视传输必须向网络化发展。 我国是有线电视发展最广泛的国家，在我国的城市和人口稠密的经济发达 地区，人们以有线广播电视和开路地面接收的方式收听收看广播电视。开展数 字有线电视业务，并利用数字有线电视技术开发多功能业务，将各种综合业务 统一到d v b c 技术体制上来。因此在我国，发展数字有线电视，是适合国情实 现广播电视向新技术体制过渡的最好形式。有线电视网开通数字电视频道，凭 借有线电视的宽带、低误码和双向传输功能，在开通数字电视的同时，可以开 展各种数据、互联网和多媒体业务，将是我国未来全国性数据广播平台的主干 传输网络。据有关部门和专家预测，我国可望在2 0 1 0 年全面采用数字广播电视， 2 0 1 5 年停止模拟广播电视的播出。 在这样的背景下，本教研室和四川天锐电子公司合作开发了“基于d v b c 的数字接收机系统”。项目设计的初衷是设计完成d v b c 接收机芯片，用于有 线数字电视机顶盒。此类机顶盒可支持几乎所有的广播和交互式多媒体应用，如 数字电视广播接收、电子节目指南、准视频点播( n v o d ) 、按次付费观看( p p v ) 、 软件在线升级、数据广播、因特网接入、电子邮件、i p 电话等等。 本论文在该d v b - c 数据广播接收机的系统设计、程序编写与联调工作基础 上撰写。第二章则介绍本系统所涉及到的包括d v b c 标准、q a m 解调、均衡 原理等。第三章则论述了本系统是如何设计的以及q a m 解调时自适应盲均衡器 的算法设计。第四章详细阐述了设计中自适应盲均衡器的f p g a 是如何工作的 以及其具体实现。第五章作了一个简要的总结。 4 电子科技人学硕士论文d v b c 全数字o a m 接收机的盲均衡器的设计与实现 第二章d v b c 接收机相关原理 2 1d v b c 标准 d v b 标准提供了一套完整的、适用于不同媒介的数字电视广播系统规范。 对于信源编码采用了统一的i s o i e cm p e g 1 1 标准作为音频和视频的编码压缩 方式，随后对m p e g i i 码流打包形成传输流( t s 流) ，对多个传输流复用，最后 通过卫星( d v b s ) 、有线电视( d v b c ) 或地面电视( d v b - t ) 等不同媒介传输方式 进行传输。d v b 标准的核心主要有： 系统采用m p e g 压缩的音频，视频及数据格式作为数据源； 系统采用公共m p e g i i 传输流( t s ) 复用方式： 系统采用公共的用于描述广播节目的系统服务信息( s i ) ； 系统的第一级信道编码采用r - s 前向纠错编码保护； 调制与其它刚属的信道编码方式，由不同的传输媒介来确定； 使用通用的加扰方式以及条件接收界面。 2 1 1d v b 音频和视频特点 d v b 系统的音频编码使用m p e g il a y e r l l 笫二层音频编码，也称做 m u s i c a m 。音频的m p e g il a y e ri i 编码压缩系统利用了声音的低声音频谱掩 蔽效应，这一人体生理学效应允许我们对于人耳不太敏感的频率进行低码率编 码，这一技术的采用可以大大地降低音频编码速率。m p e g il a y e ri i 音频编码 可用于单音，立体声，环绕声和多路多语言声音的编码。 对于视频，国际上采用标准的m p e g i i 压缩编码。m p e g 。1 1 视频编码系统 由一个大家族构成，每一个系统之间都有兼容性和共同性，根据图像清晰度的 不同，它分成四种信源格式或称“等级”( l e v e l ) ，从录像带( v c r ) 的低图像清 晰度，到高清晰度电视。除了根据图像清晰度定义的“等级”以外，视频标准 还定义了“档次”( p r o f i l e ) 的概念，每一个不同的“档次”( p r o f i l e ) 能够提 供不同的编码系统的压缩工具和压缩算法。 5 电子科技大学颁士论义d v b c 全数字q a m 接收机的盲均衡器的设计与实现 “档次”( p r o f i l e ) 目前在m p e g i i 系统中存在5 个“档次”( p r o f i l e ) ，每一个“档次” ( p r o f i l e ) 都会比它的前一个“档次”更加复杂，更加完善，提供更多的工具， 同时其相对应的设备的价格也更高。在”档次”中存在两种图像采样方式，即： 4 ：2 ：2 和4 ：2 ：0 格式。我们知道电视复合信号可以分成亮度信号分量( y ) 和色度信 号分量( r y ，b y ) ，4 ：2 ：2 格式是对亮度信号进行4 个采样，对色度信号( r - y ，b - y ) 进行2 个采样：4 ：2 ：0 格式的色度信号( r y , b y ) 只做隔行采样，如果使用8 比 特采样，我们可以算出对标准p a l 制电视信号进行采样后的4 ：2 ：2 格式图像码流 率如下： 亮度信号码流率为：7 2 0 x5 7 6 x2 5 帧秒8 b i t = 8 2 9 4 4 m b s 色度信号码流率为： 2 x1 2 x7 2 0 5 7 6 x2 5 帧秒8 b i t = 8 2 9 4 4 m b s 总码流率为：8 2 9 4 4 m b s + 8 2 9 4 4 m b s = 1 6 5 8 8 8 m b s 由此可以看到没有经过压缩的电视图像码流率非常高，占用带宽太宽，不 适用于传输，即使采用4 ：2 ：0 格式图像码流率也高达1 2 4 4 1 6 m b s ，m p e g i i 的 压缩算法采用除去电视视频信号的时间冗余和空间冗余的算法，使码流率降到 3 - 8 m b s 仍然可以获得质量清晰的图像，使数字电视的传输成为可能。 “等级”( l e v el ) 根据图像节目源的清晰度由低到高的不同，d v bm p e g 1 i 标准分成许多 “等级”，最低的l o wl e v e l 的清晰度是i u r b t6 0 1 建议的四分之一，即： 3 5 2 x 2 8 8 x 2 5 帧秒。m a i nl e v e l 是完全符合i u r b t6 0 1 建议的标准，即： 7 2 0 x 5 7 6 x 2 5 帧秒。h i g h 一1 4 4 0l e v e l 采用了每行1 4 4 0 个采样的方法。h i g h l e v e l 采用了更高的每行1 9 2 0 的采样方法。 目前在世界上最常用的m p e g i i 标准是m p m l ，即：m a i np r o f l e m a i nl e v e l ，它是第一代数字有线电视和数字卫星电视的基础，节目提供者 可必提供6 2 5 线质量的节目，图像的长宽比可以是4 ：3 或i6 ：9 ；至于码流率， 它是由节目提供者根据节目质量来选定的，图像质量越高，所需码流率越高， 反之则越低。 6 电子科技大学硕士论文 d v b c 全数字q a m 接收机的盲均衡器的设计与实现 2 1 2m p e g l l 码流复用和传输流 音频、视频及数字信号首先经过m p e g 2 编码器进行数据压缩，通过节目 复用器形成基本码流( e s ) ，基本码流经过打包后形成有包头的基本码流( p e s ) ， 见下图2 1 所示。代表不同音频、视频信号的p e s 流被送入传输复用器进行系 统复用，复用后的码流叫做传输流( t s ) 。 在系统复用器上需要加入业务信息( s 1 ) ， 传输流中包括多个节目源的不同信号 使接收端可以识别不同的节目。 1 垂筮塑型芷垦 ， 图2 一lm p e g i i 系统简化框图 传输码流的结构如图2 - 2 所示。传输码流的长度固定为1 8 8 字节长。 1 8 8 1 3 臂i 部i 有效负载i 首部i 有效负蔷i 首i l 有效负载 旱刳芎嚣l 嚣l 篇| p i d | 传剡适剞嚣陋域字制指示器l 起始指示器l 优先级i i 控制l 控制l 数器1 4 。“ 8l1l1 3224 图2 - 2 舯e g i l 传送流( t s ) 语法图 图中各字段的语义可参见m p e g - i i 标准中系统层部分的说明即i t u t r e c h 2 2 0 i s o i e c1 3 8 1 8 1 。在t s 流中，每个t s 流分组的前4 个字节为字头 ( h e a d e r ) ，字头后面就是需要传送的有用信息即有效负载，包括音频，视频或数 7 电子科技大学硕士论文 d v b c 全数字q a m 接收机的肓均衡器的设计与实现 据信息，通常是1 8 4 个字节长度，有时在有效负载中插入一段适配区域 ( a d a p t a t i o nf i e l d ) ，用于补充长度不完整的传输流，放置解码时钟( 如p c r ) 。传 输流的字头是识别传输流的关键，在字头3 2 比特中，其中1 3 位的p 1 d 码尤为 重要，它是辨别码流信息性质的关键，是节目信息的“身份证”，不同的电视节 目和服务信息f s i ) 对应有不同的p i d 码。对于一台解码接收机而言，为了找到它 所要接收的电视节目，它首先通过p i d 码找到业务信息( s i ) 所对应的不同表 ( t a b l e ) ，然后通过这些业务信息表。可以查到所要接收节目的p i d 码和对应的时 钟p c r ，通过这些信息，节目就可以还原。 21 3d v b c 有线传输系统 有线数字电视的传输是为了满足有线数字电视信号的传输特点而设计的。 d v b c 标准的有线传输系统分成信源编码( s o u r c ec o d i n g ) 和信道编码( c h a n n e l c o d i n g ) 两部分。信源编码采用m p e g 一1 1 标准，首先对音频和视频进行节目复用， 然后再将多个数字电视节目流进行传输复用。信道编码包括：基于r s 码的前向 纠错编码、解码，调制、解调和上下变频三部分。d v b c 采用q a m 调制方式。 图2 3 给出了d v b c 系统发送端和接收端的原理框图。 2 1 3 1 信道编码 1 频谱成形随机化 系统输入码流为m p e g 一2 传送m u x 包，包长为固定的1 8 8 字节，其中包括 一个同步字节( 4 7 ，) 。发送端的处理顺序始终从同步字节( 即0 1 0 0 0 1 11 ) 的 m s b ( 即0 ) 开始。 m p e g 2 传送复用器输出端的数据应按图2 - 4 所示的结构进行随机化，这样 既可与d v b s 的卫星系统相兼容，又保证了始钟有足够的二电平过渡。伪随机 二进制序列( p r b s ) 的生成多项式如下： 1 + 1 4 + 1 5 ( 2 - 1 ) 在每8 个传送包的开始处将p r b s 寄存器进行初始化，即将序列 “1 0 0 1 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 ”装入p r b s 寄存器。为了向解扰器提供一个初始化信号， 8 电子科技大学硕士论文 d v b - c 全数字q a m 接收机的盲均衡器的设计与实现 将每组8 个传送包中的第一个传送包的同步字节由4 7 。逐比特取反转换为 口8 。此过程称为传送复用适配。 基带接口柬臼乖地炯五2 节 l 岗棼剥 基带竺：二 。j 剑翟粤l 筑茬 l! i ? ii 。l 二二二一j 荔蕊 去i f q m n 有线 图2 - 3d v b c 有线数字电视广播系统组成框图 初始化序列 10 0 10l010000000 图2 - 4随机化和去随机化的原理框图 9 萏一再一 和f 接制或理 后卜一 _分码l_1 屯子科技大学硕j ，论文 d v b c 全数字q a m 接收机的盲均衡器的设计与实现 p r b s 生成器输出的第一个比特加到被取反的m p e g 一2 同步字节( 即b 8 。) 后面的第一个字节的第一位上。为实现其它传送包的同步，在后续的7 个传送包 的m p e g 2 的同步字节期间，p r b s 继续工作，但无输出，使这些字节不被加扰。 这样，p r b s 序列的周期应为1 5 0 3 字节，如图2 5 。当输入码流中断或不是m p e g 一2 码流格式时，p r b s 继续进行，只要插入同步字节即可完成加空包处理，而 在接收端可识别全零的空包并将其删除。 i p r b s 周期= 1 5 0 3 b y t e 随机化随机化 、 随机化 随机化、 s y n c l s y n c 2s y n c 8再i 丌 1 8 7 b y t e1 8 7 b y t et t 1 8 7 b v t e 1 8 7 b y t eh 2 r s 编码 图2 5 随机传送包：同步字节和随机化数据字节 在能量扩散随机化处理之后，采用截短的r s ( 2 0 4 ，i 8 8 ，t = 8 ) 编码生成 一个误码保护数据包，r s ( 2 0 4 ，1 8 8 ，t = 8 ) 是由原始的r s ( 2 5 5 ，2 3 9 ，t = 8 ) 截短而得 到的。图2 - 6 为r s 编码实现的框图。 8 茹拳拳 妞珏二# 如b 图2 - 6r s 编码实现框图 c ( x ) 码生成多项式：g ( x ) = + 力) + ) o + 力5 ) ， = 0 2 ，w ( 2 2 ) 1 0 电子科技大学硕士论文d v b c 全数字q a m 接收机的盲均衡器的设计与实现 域生成多项式：p ( x ) = x 8 + x 4 + x 3 + x 2 + l( 2 - 3 ) 截短的r s 码可以通过在( 2 5 5 ，2 3 9 ) 编码器输入的信息字节之前加5 1 个全为0 字节的方法实现。在r s 编码过程完成后，这些空字节将被去掉。 3 卷积交织 在r s ( 2 0 4 ，18 8 ) 后设置了一个l = 1 2 路移位寄存器构成的同步字节卷积交 织器。第j 路深度为jx m ，m = n i = 1 7 ，n = 2 0 4 。为便于解交织同步，同步字节s y n c 或s y n c 设计成从0 路送出( 即对应零延时) 因而不会破坏误码保护数据包的同 步周期结构。交织深度m x i 为一个误码保护数据包的长度，即输入的任意相邻 数据交织后都不会在一个相同数据包中出现。交织与解交织原理如图2 7 所示。 a 3 。i _ 匮! , 汰i 产一k a 。哐亟p 叫叵三一 。一怍1 7 1 1出 叫亘 _ 图2 7 交织与解交织原理图 2 1 3 2 字节到符号映射 由于q a m 有4 q a m ( q p s k ) ，1 6 q a m ，3 2 q a m ，6 4 q a m ，1 2 8 q a m ， 2 5 6 q a m ，每种q a m 方式符号的位数都不同，字节到m 元的转换将字节组成 符号，转换顺序是以旧有字节的最高位m s b 开始。2 “q a m 调制情况下，该处 理将k 个字节映射到1 3 个符号，即8 k = n x m 。如6 4 q a m 的处理，必须将3 个字 节分成4 个符号( m = 6 ，k = 3 ，n = 4 ) 。字节到符号的转换可参考图2 _ 8 ： 1 1 电子科技大学颁士论文d v b c 全数字q a m 接收机的盲均衡器的设计与实现 b y 协sc o n v e r s i o n 妇b im l旧时 n ：“，h ：b pl ，1的b lb fh i晰l b lb 4k ，h i啪 卜 b 4 一l 铲扛1b 6 b 4h 3b yb 1b f h bb 冀妇b 1b 0她b 4 b 3b lb 1以 图2 - 8 字节到符号转换 为获得旋转不变的q a m 星座，需要对每个符号的两个最高有效位进行 差分编码。两个m s b 的差分编码由下面的布尔表达式给出： = ( 爿k + b k ) ( 4 ko ，。) + ( a 0 b ) ( 爿ko q k - l ) g k = ( 彳+ 8 f ) ( b ko 级一1 ) + ( a ro b k ) ( b o i ，】) ( 2 - 4 ) 图2 - 9 是实现字节到符号变换的框图 自 交 q 个比特妒q - 一d o ) 字节到 i l l 比特 垡一盥 符号 尘螋兰兰竺竺b 映射 变换 图2 - 9 字节到符号变换，两位m s b 差分编码 1 2 m m 肌删姒姐q 0落獬 电于科技大学硕士论文 d v b c 全数字q a m 接收机的盲均衡器的设计与实现 2 1 3 3 信号星座 映射后的星座图如下 i m z ) 1 0 1 0 0 r e z 1 1 1 一 1 1 1 0 1 q p s k 星座图 j m t z j 一 一1 l o l l1 0 0 l0 0 1 00 0 1 1 一 1 1 0 1 0 l o o o0 0 0 00 0 0 1 3 113 r e z 一 _ _ 1 1 1 0 11 1 0 0 0 1 0 00 1 1 0 一_ 1 1 1 1 11 1 1 0 0 1 0 l0 1 1 1 1 6 q a m 星座图 l n l t z 一 。7 1 0 1 1 0 01 0 1 1 1 01 0 0 1 1 01 0 0 1 0 00 0 1 0 0 00 0 1 0 0 10 0 1 1 0 l0 0 1 1 0 0 一 。5 1 0 】1 0 11 0 1 1 1 11 0 0 1 1 l1 0 0 1 0 l0 0 1 0 1 00 0 1 0 1 10 0 1 1 l l0 0 1 1 1 0 一 。3 1 0 1 0 0 11 0 1 0j l1 0 0 0 1 l1 0 0 0 0 l0 0 0 0 1 00 0 0 0 1 10 0 0 1 1 1 0 0 0 1 1 0 一 。1 1 0 1 0 0 01 0 1 0 1 01 0 0 0 1 01 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 10 0 0 1 0 10 0 0 1 0 0 ililr e ( z l ii 7- 5- 3 11357 一 - 1 1 1 0 1 0 01 1 0 1 0 11 1 0 0 0 11 1 0 0 0 00 1 0 0 0 00 1 0 0 1 0o l1 0 1 00 l1 0 0 0 一 一3 1 1 0 1 1 01 1 0 1 1l1 1 0 0 1 11 1 0 0 1 00 1 0 0 0 l0 1 0 0 110 1 1 0 1 10 11 0 0 1 一 。5 l i l l l 01 1 1 1 1 ll i l 0 i l1 1 1 0 1 00 1 0 1 0 10 1 0 1 1 10 1 1 1 1 10 l l l 0 1 一 一7 1 1 1 1 0 0l l l l 0 11 1 1 0 0 11 1 1 0 0 00 1 0 1 0 0 0 1 0 1 1 00 1 1 1 1 00 1 1 1 0 0 6 4 一q a m 星座图 图2 1 0映射星座图 电子科技大学硕士论文d v b c 全数字q a m 接收机的盲均衡器的设计与实现 2 1 3 4n y q u i s t 滤波器 i 、q 两路信号，将通过一个滚降系数为o1 5 的平方根升余弦滤波器。 其理论表达式为： r 1 ，l 厂l ，( 1 + 口 a = 0 1 5 ， = 嘉= 鲁， 是n y q u i s t 频率。 由于我负责d v b c 接收机的部分主要是符号到字节映射和q a m 解 调中的自适应盲均衡器的实现，因此以下主要介绍q a m 调制、解调的原 理以及均衡原理。 2 2q a m 调制及解调原理 传输信息有两种方式：基带传输和调制传输。由信源直接生成的信号，无 论是模拟信号还是数字信号，都是基带信号，其频率比较低。基带传输就是将 信源生成的基带信号直接传送，如音频市话、计算机间的数据传输等。基带传 输系统的结构较为简单，但难以长距离传输，因为般的传输信道在低频处的 损耗都是很大的。为进行长途传输，必须采用调制传输的方式。调制就是将基 带信号搬移到信道损耗较小的指定的高频处进行传输，调制后的基带信号称为 通带信号，其频率比较高。d v b 传输系统是数字传输系统，因此其中采用的调 制技术是数字调制技术。数字调制的主要目的在于控制传输效率，不同的数字 调制技术正是由其映射方式区分的，其性能也是由映射方式决定的。 一个数字调制过程实际上是由两个独立的步骤实现的：映射和调制。映射 将多个二元比特转换为一个多元符号，多元符号的元数就等于调制星座的容量。 在这种多到一的转换过程中，实现了频带压缩。经过映射后生成的多元符号仍 是基带数字信号。经基带成形滤波后生成的是模拟基带信号，直接将其乘以中 频载波即可生成中频调制信号。 1 4 电子科技大学硕士论文 d v b c 全数字q a m 接收机的盲均衡器的设计与实现 d v b - c 采用的是q a m 调制方式，即正交幅度调制。q a m 是幅度、相位联 合调制的技术，它同时利用了载波的幅度和相位来传递信息比特，因此在最小 距离相同的条件下，q a m 星座图中可以容纳更多的星座点，即可实现更高的频 带利用率，目前q a m 星座点最高己可达1 0 2 4 q a m 。 q a m 是将调制符号调制到一对正交载波上，是二维调制技术，在实现时采 用正交调幅的方式，某星座点在i 坐标上的投影去调制同相载波的幅度，在q 坐标上的投影去调制正交载波的幅度，然后将两个调幅信号相加就是所需的调 相信号。q a m 信号的解调同样可以采用正交的相干解调法，同相路和f 交路的 基带信号用判决器判决后，恢复出发送信息。如图2 一1 1 所示为q a m 调制器和 解调器的框图。 蒜b 转换i l i 一年k 转换i l 一 嘉牌 判决 ( l 一1 ) 门限 判决 ( 乙_ 1 ) 门限 串并 变换 ( a ) 调制器( b ) 向竿制器 图2 - 1 1q a m 调制器和解调器框图 2 3 均衡 一个实际的基带传输系统不可能完全满足理想的波形传输无失真条件，因而 码间串扰( i s l ) 几乎是不可避免的。当串扰造成严重影响时，必须对整个系统 的传递函数进行校正，使其接近无失真传输条件。这种校正可以采用串接一个滤 波器的方法，以补偿整个系统的幅频和相频特性。这种校正是在频域进行的，称 为频域均衡。如果校正在时域进行，即直接校正系统的冲击响应，则称为时域均 衡。随着数字信号处理理论和超大规模集成电路的发展，时域均衡已成为如今高 1 5 蒿 l 一并换一 一串变一 r厂llll r 制 叫 进息一 一一信一 电子科技大学硕士论文d v b - c 全数字q a m 接收机的盲均衡器的设计与实现 速数据传输中所使用的主要方法。 2 3 1 时域均衡原理 目前时域均衡的最常用方法是在基带信号接收滤波后插入一个横向滤波器 实现。图2 一1 2 为基带传输特性模型： 鲨j 三竺暮 2 + | h ( w ) l l 判决l 一 图2 一1 2基带传输特性 根据n y q u i s t 第一准则，基带传输系统无码间干扰，其传输函数必须满足 莩脚+ 净2 t1 w l 丢， ( 2 5 ) 若信道传输特性是一个理想的低通特性，当信号以1 r 的速率传输时，将没有码 间干扰。 阿( ，叻：h 。( w ) ：厂t j j 叫茎号 l o ，1 _ 叫导 ( 2 6 ) 其系统冲击响应函数自( f ) ，除了抽样点t = 0 时不为零，在其他抽样点处都为 零。虽然理想低通滤波器特性达到了系统有效性能的极限，可是这种特性实际 上是无法实现的。而且由于h ( t ) 的衰减振荡幅度较大，因此在的不到严格定时的 时刻抽样，会产生偏差，码间串扰就会达到很大的数值。 如果频谱的传输特性不能满足公式( 2 - 6 ) 的要求，必须加入一级可调的横 向滤波器，来消除抽样时刻的码间串扰。设其横向滤波器的冲击响应函数为： 1 6 电子科拉大学硕_ 二论文 d v b c 全数字o a m 接收机的盲均衡器的设计与实现 ，( ，) = c 。8 ( t n l ) ，频谱函数是丁( w ) ， ( 2 7 ) 经过均衡的频谱特性是( w ) = 丁( w ) h ( w ) ，则日( w ) 必须满足公式的要 求，即 军训w + 等，2 莩h c w + 等w + 等， a d 工作频率：2 8 ，8m h z ； 中频载波基准： 3 6 ，15m h z 解调方式： q p s k ，1 6 q a m ，6 4 q a m ，2 5 6 q a m 解调 符号率：7 2 3 m s s ； 苦拒释鬻一 电子科技大学硕十论文d v b c 全数字o a m 接收机的盲均衡器的设计与实现 首先经过高频头( t u n e r ) 下变频到中频，3 6 1 5 m h z 为这个中频的参考基准；然 后对中频信号进行模数转换，经时钟频率为2 8 8 m h z 的a d 欠采样后，将数字信 号送给q a m 接收机。全数字q a m 接收机中首先用固定频率解调，再采用n c o 进行数字载波二次解调，输出的信号进行符号同步，经过匹配滤波、相位解旋 环路后，对输出的基带信号进行a g c 和自适应均衡处理，由此提取载波误差信 号，经环路滤波反馈至载波n c o 。 3 1 t 2 1载波恢复算法 q a m 接收机的载波恢复由慢环锁频器( f d ) 和快环锁频锁相器( p f d ) 控 制。f d 用于频率捕捉，采用简化的基于最大似然准则的g f d ( g a r d n e r s f r e q u e n c yd e t e c t o f ) 算法。在环路工作之初，由慢环f d 控制，进行载波频偏 捕获与跟踪，当频偏校i e 至f p j , 于1 0 。时，由锁定检测器( l o c kd e t e c l ；o r ) 识别， 把环路切换到快环p f d 控制。环路的模块结构如图3 2 所示。 图3 - 2 载波恢复环路图3 36 4 0 j 弛1 区域判决单元 p f d 控制的环路主要进行相位稳态跟踪，同时起一定的频偏跟踪作用。快 环是对均衡器输出信号进行相位误差提取，经过环路滤波反馈回来，再对均衡 器输入信号进行相位校正。由于此反馈环路中间的延迟较少，环路带宽可以取 得较大，因此该环路能快速跟踪相位变化。快环p f d 采用一种新的相位误差提取 算法。它提取q a m 星座图四个角上点的相位信息，控制环路进行相位跟踪。图 3 3 所示为落在6 4q a m 星座图上四个角的点决定了它的相位信息。，“。，又 进一步决定了环路的输出误差信号s 。，具体控制公式如下： = = = 吨 电子科技太学硕十论文d v b - c 全数字o a m 接收机的盲均衡器的设计与实现 3 1 2 2 符号同步算法 “+