（微电子学与固体电子学专业论文）有线数字电视（dvbc）解调芯片原型系统设计与测试.pdf

摘要 摘要 随着a s i c 设计规模的增长，验证在许多设计中己成为整个开发周期的瓶颈。 基于f p g a 的原型设计是一种理想的验证开发平台，因为其运行的速度至少比仿 真及模拟等其它验证技术快1 0 倍，能有效缩短系统的开发周期，可提供更快更 全面的验证s y n p l i c i t y 估计9 0 0 0 的s o c 和a s i c 器件均采用了f p g a 技术进行 原型设计 本文就有线数字电视( d v b c ) 解调芯片的系统验证平台设计进行了探讨。数 字电视在我国正处于一个关键的发展阶段，2 0 0 8 年奥运会将全面推广数字电视 和高清晰度电视，2 0 1 5 年停止模拟广播电视播出。面对激烈的市场竞争，如何 缩短产品的研发周期，加快产品的上市时间就极为迫切。基于f p g a 的原型验证 平台是为实现这一目的良好设计途径。 本文首先对d v b - c 系统进行了分析，整个原型系统光有f p g a 是不够的， 还需要和其他模块配合，组成一个完整的系统环境才能对设计进行完整的验证。 接下来对整个系统的硬件环境进行了设计。以v m e x 5l x l l 0f p g a 为核心， a d 9 2 18 模数转换单元，以及射频调谐器模块组成了一个单板的硬件验证环境。 分析了各个模块所要达到的参数指标。在原理图设计仿真、p c b 版图仿真中进 行了信号完整性分析，通过仿真及早的发现设计中的问题，保证了设计的成功率， 探索出了原型系统开发硬件设计流程。 最后总结了系统的调试方法和步骤，利用该平台对d v b - c 解调部分进行了 验证，加快了解调芯片的开发进程。 关键词原型验证平台：d v b - c 解调；信号完整性；f p g a ：v ir t e x - 5 b s t r a c t i i ii ,! 曼曼曼曼曼皇曼皇曼曼 a b s t r a c t a st h ea s i cd e s i g ns i z eg r o w i n gl a r g e re v e r y d a y , v e r i f i c a t i o ni st h ed e s i g n c y c l e sb o t t l e n e c ki nm a n yd e s i g n s n ep r o t o t y p i n gb a s e do nf p g a si sa ni d e a l v e r i f i c a t i o np l a t f o r m ，b e c a u s ei tc a nb e10t i m e sf a s t e rt h a no t h e rv e r i f i c a t i o nm e t h o d s ， s u c ha ss i m u l a t i o na n de m u l a t i o n , s ot h ef p g av e r i f i c a t i o np l a t f o r mc a nr e d u c et h e d e s i g nc y c l ee f f e c t i v e l y as y n p l i c i t ys u r v e yr e v e a l st h a t9 0 o ft o d a y ss o ca n d a s i cd e s i g n sd e p l o yt h ef p g av e r i f i c a t i o np l a t f o r m 耶1 i sd i s s e r t a t i o nd i s c u s s e dt h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no ft h ed v b c d e m o d u l a t i o na s i cv e r i f i c a t i o np l a t f o r m t h ed e v e l o p m e n to fd i g i t a l ivi si na c r i t i c a lt i m ei nc h i n a d u r i n gt h e2 0 0 8o l y m p i c ，t h eg o v e r n m e n tw i l lw i d e l ys p r e a d t h ed t va n dh d t v t of a c et h ef i e r c em a r k e tc o m p e t i t i o n , r e d u c et h ed e s i g nc y c l e a n d s p e e dt h et i m e - t o - m a r k e ti sv e r yn e c e s s a r y t h i sd i s s e r t a t i o ns t u d i e dt h ed v b cs y s t e mf i r s t l y j u s tt h ef p g as e l fc a nn o tb e av e r i f i c a t i o np l a t f o r m , t h e r em u s tb eo t h e rm o d u l e st oc o m p l e t et h es y s t e m , a n dt h e v e r i f i c a t i o ni sm a d ei ns y s t e m n e x t , t h es y s t e mh a r d w a r ed e s i g nw a sc a r r i e do u t v l r t e x 一5l x l 0 0 a st h ec o r e d e v i c e ，w i t ha d 9 2 18a n a l o g - m - d i g i u dm o d u l ea n dt h er ft u n e rm o d u l e ，d e s i g n e da s i n g l eb o a r dh a r d w a r ep l a t f o r m 1 f 1 1 ed e s i g ns p e c i f i c a t i o nd e f m c dt h ep e r f o r m a n c e so f e a c hm o d u l e s i g n a li n t e g r i t ya n a l y s i sw a sc a r r i e do u tf r o ms c h e m a t i cd e s i g nt op o s t l a y o u ts i m u l a t i o n 耶1 es i m u l a t i o n sr e v e a l e dt h ed e f e c t si nt h ed e s i g na n dg u a r a n t e e d t h ed e s i g ns u c c e s s i tw a sav a l u a b l ee x p e r i e n c et of i n do u tad e s i g nf l o wf o rf p g a p r o t o t y p i n gp l a t f o r mh a r d w a r ed e s i g n f i n a l l y , t h es y s t e md e b u ga n ds c r a pw a ss u m m a r i z e d 1 1 赡v e r i f i c a t i o nw a s c a r r i e do u t0 1 1t h i sp l a t f o r m k e y w o r dv o fi f i c a t i o np r o t o t y p i n gp l a t f o r m ；d v b - od e m o d u l a t i o n ；s i g n a l i n t e g ri t y ；f p g a ；v ir t e x 一5 i 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 入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。 躲避嗽趟轴 关于论文使用授权的说明 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：短兰兹导师签名：日期：趟：乡 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题来源 纵观世界各国，广播电视的网络化、数字化已经成为不争事实，开展数字电 视已经成为很多政府推动国家信息化的既定方略。我国从8 0 年代中期开始致力 于数字电视的研究。根据我国的国情和广播电视发展的实际，2 0 0 3 年5 月，国 家广电总局颁布了我国数字电视总体方案，确定我国广播电视数字化将分“三 步走。第一步，从2 0 0 3 年开始，大力发展有线数字电视。因为我国有线电视主 要分布在经济相对发达、居民收入较高的城镇地区，不但网络的基础设施较好， 发展付费电视的市场空间较大。第二步，从2 0 0 5 年开始，开展卫星电视直播业 务，同时开始播出地面数字电视。第三步，从2 0 0 8 年开始，利用奥运会电视转 播之机，大力发展地面数字电视和高清晰度电视。 根据文献【1 】- 【2 】，数字电视( d i g i t a lt e l e v i s i o n , d m 从节目采编、压缩、传输 到接收电视节目的全过程都采用数字信号处理。欧洲数字电视标准为d v b ，它 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。d v b t 1 3 】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 b 0 调制方式d v b c t 4 1 是有线数字电视广播标准，同样以m e p g - 2 作为 信源编码方式，具有1 6 q a m ( i e 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 s t 5 】规定了通过卫星进行数字电视广播的方法，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。d v b $ 2 1 6 j 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 h 【7 】 ( d v b h a n d h e l d ) 标准是建立在d v b t 标准之上，主要应用在手机、掌上电脑等 手持移动终端上看电视。 为了实现2 0 1 5 年停止模拟广播电视，全部采用数字电视播出的发展目标， 我国自2 0 0 4 年起加快了数字电视的发展步伐，政府和广电部门都在积极促进数 字电视的发展，并提出了明确的发展要求。根据我国国情，有线电视数字化采取 模拟向数字整体平移的方式。逐步按片区整体转换为数字电视用户。这些政策和 措施。促进了我国有线数字电视的发展。 截至2 0 0 7 年1 2 月底，在卫星、有线、地面以及i p t v 等数字电视类别当中， 中国数字电视( d t v ) 传输市场的主流仍然是有线数字电视。 北京工业大学工学硕士学位论文 2 0 0 2 - 2 0 0 7 年1 1 月底中国数字电视用户规模( 万户) ：乏飞 1 7 5 1 9 2 9 4 一 八 9 竺竺圈囵 一 1 3 2 0 0 2 年2 0 0 3 年2 0 0 4 年2 0 0 5 年2 0 0 6 年 2 0 0 7 年 图i - i2 0 0 2 - 2 0 0 7 年1 1 月底中国有线数字电视用户规模嗍 f i g u r ei - 1d v b - c u s e r sf r o m2 0 0 2t on o v 2 0 0 7 北京工业大学嵌入式系统实验室从2 0 0 5 年即开始致力于数字电视解调芯片 的开发，经过多年的努力，研发出了d v b 标准中有线传输( d v b c ) 、地面传输 ( d v b d 、卫星传输( d v b s ) 解调芯片，支持美国标准a t s c 的解调芯片也已通 过了前期的验证。目前，支持有线传输的b t v 2 0 4 0 已经开始量产，正积极准备 投入到大规模商业应用中。本课题来源于实验室的数字电视解调芯片开发项目 1 2 课题研究背景 1 2 1a s ic 验证的必要性 随着微电子制造技术的深亚微米( d s m d e e ps u b - m i c r o n ) 和超深亚微米 c v d m s v e r yd e e ps u b - m i c r o n ) q - 艺的不断发展，作为集成电路设计中关键的技 术验证( v e r i f i e a t i o n ) 技术也随之变化和发展。验证是a s i c 设计和生产中的一 个不可或缺的环节。它是在流片( t a p e - o u t ) 前发现所设计的芯片在概念、功能、 实现等方面是否有错的最后机会，对于保证项目开发的顺利进行，降低风险，缩 短项目周期具有关键作用和重大意义。验证是贯穿a s i c 设计全过程的重要组成 部分：从制定系统设计规范开始，验证工作就已经开始。在构架设计、行为级的 系统建模到模块化的设计和实现，以及到最终网表的生成和后端布局、布线等一 系列过程中，验证工作都一直如影相随。芯片设计流程中总要阶段性、有针对性 的进行各种仿真和验证，而不只是在设计完成后才去考虑它。通过各个阶段的验 证，可以避免把前一阶段的问题带到下一个阶段，做到问题早发现和早解决。在 一个芯片设计团队中，专门的验证小组和验证部门已成为主要的组成部分，有关 验证方法和验证工具也成为芯片设计重要的研究和开发方向。 藿| 咖 垂堇 咖 湖 o 2 2 1 1 第1 章绪论 对于验证，目前广泛使用的软件模拟器，使用很方便但速度太慢，难以满足 复杂的a s i c 验证对速度的要求，而且难以保证功能的正确性。硬件仿真器有比 较好的性能，但是非常昂贵而且不易使用，难以做到全功能仿真，因而难以满足 验证的需要。另外，需要处理大量实时数据的应用( 如视频处理) 越来越多，因此 要求能够在接近实时的条件下进行功能验证。由子传统的仿真技术己经不能解决 目前a s i c 功能验证所面临的问题，为了最大程度地降低投片风险，现在的a s i c 设计者更多地使用基于f p g a 的可重构验证环境来构建a s l c 逻辑验证系统 9 1 - 1 2 o a s i c 设计的系统级验证是指设计者不仅要对a s i c 本身进行验证，而且要 对包含a s i c 在内的完整的电子系统进行验证。由于a s i c 应用的电子系统的复 杂性( 例如a s i c 的周围可能有处理器、存储器、其它a s i c 电路和各种器件) ， 即使a s i c 本身满足设计要求，也很难保证在这样一个复杂的环境下系统能够正 常运转，所以要求对a s i c 进行系统级验证。 随着可编程逻辑器件f p g a 性能的不断提高，使用商用f p g a 芯片构建验证 平台就成为一种新型的a s i c 验证方法。目前，高端的f p g a ，如v t r t e x 5l x 系 列l i 引，是x i l i n x 推出的新一代6 5 r i mt 艺f p g a ，它与上一代9 0 r i mf p g a 相比 速度平均提高3 0 ，容量增加6 5 ，同时动态功耗降低3 5 ，静态功耗保持 同样低，使用面积减小4 5 。v j l r t e x 5l x 系列还通过性能优化的m 模块拥有了 5 5 0 m h z 时钟技术。高性能s e l e c t l o 特性提供了到6 6 7 m b p sd d r 2s d r a m 和 1 2 0 0 m b p sq d r i is r a m 等外部存储器的最快连接。这些特性使得新一代f p g a 成为实现s o c 解决方案或实现a s i c 功能验证的理想选择。使用基于f p g a 的 逻辑验证平台，具有以下好处： a ) 可以在现实环境中对a s i c 设计进行功能验证，而且可以使用f p g a 中 包含的i p c o r c ，简化了设计； ( 2 ) 利用f p g a 芯片提供的可配置和可多次擦写的特性，可以方便快捷地构 建接近真实目标系统的原型系统环境； ( 3 ) 可提供实时环境下的高速验证，满足逻辑验证对速度的要求，具有软 硬件模拟方法无法比拟的速度优势； ( 4 ) 可提供足够的逻辑容量和i o 端口，满足大规模a s i c 逻辑验证的资源 需求； ( 5 ) 可使硬件系统、驱动程序和应用软件的调试提前进行，支持软硬件并行 开发，缩短系统开发周期。 1 2 2a s lc 原型设计流程 基于f p g a 的原型设计首先需要将设计映射并下载到逻辑验证板上的器件 中。并且为系统调试提供接口。高效的a s i c 原型验证流程需要充分考虑以下几 北京工业大学工学硕士字位论文 一i i 皇皇鼍量| 量重 点： 设计分割在对大规模a s i c 进行功能验证的过程中，由于单片f p g a 容 量的限制，设计者必须对设计进行分割和映射。但是对设计进行合理的分割并不 是一件轻松的事情。 a s i c 设计与f p g a 实现的完整性虽然设计与验证团队理想情形下都使 用相同的设计源文件、约束条件和t e s tb e n c h ，但是a s i c 和f p g a 却拥有不同 的设计风格来优化设计结构。因此设计者需要在a s i c 和f p g a 之间进行权衡来 保证两种实现的完整性。 设计调试进行原型开发目的是快速的找出功能错误从而加快设计的完 成。因此在做原型评估的时候需要对f p g a 进行抓线，尽快地将结果反馈到设计 源代码，实现对设计的快速优化和改进 针对以上几点，基于f p g a 的原型验证的设计流程总结如图1 1 所示。 图l - 2 基于f p g a 原型验证的设计流程1 1 4 f i g u r e1 - 2d e s i g nf l o wf o rf p g a b a s e dp r o t o t y p i n g 1 2 3 已有的f p g a 原型平台 基于f p g a 组的原型验证系统是a s c i 逻辑验证的基础，而逻辑验证板是原 型验证系统的核心。逻辑验证板主要f hf p g a 芯片阵列构成，通过标准插座与微 处理器、r a m 、f l a s h 、系统时钟以及调试诊断部件相连，与系统其他模块可 构建系统级的逻辑验证环境。 近年来，基于f p g a 组的验证系统发展十分迅速，目前已有不少厂家推出了 相当成熟的产品，这些产品都选用了大容量的可编程逻辑器件，支持可配置互连， 第1 章绪论 可以实现大规模a s i c 设计的功能验证，当前具有代表性的逻辑验证系统有以下 几种【1 5 - 1 1 8 1 表! - 1 典型原型验证系统 t a b l el - lt y p i c a lp r o t o t y p i n gs y s t e m 公司型号结构 g i d e lp i 的c s t a r1 1 i a j t e r as t r a t i x l l l a m o v e n u s xx i l i n xv i r t c x - 4 s y n p l i c t y h a p s 5 xx i l i n xv t r t e x 5 d i n ig r o u pd n 7 0 0 6a l t e r as t r a t i x i i i d n 8 0 0 0x i l i n xv t r t e x - 4 d n g x o xx i l i n x v i r t e x 5 虽然目前市面上f p g a 的原型平台功能比较强大，但其价格昂贵，同时作为 通用的验证平台考虑更多的是其通用性，满足不了具体的设计需求。 1 3 课题研究内容 主要对两个方面进行研究分析：有线数字电视接收系统和f p g a 验证平台的 设计。 首先从系统的角度分析系统各个模块的功能，定义其性能指标和参数。 设计f p g a 验证平台时，主要从以下几个方面考虑： a s i c 设计大小a s i c 验证首先要确定哪些部分需要原型验证，哪些不需 要。通常比较成熟的设计中可能只需要对新改进过的部分进行验证，还有一种情 形是利用现有的“硬核 来代替设计中的相应部分，将其他部分放到f p g a 中进 行验证当然能将整个设计都进行验证可以极大的提高一次投片的成功率接着 根据设计需要确定验证所需的f p g a 数目，每片f p g a 容纳设计的大小是有限的， 根据“la s i cg a t e - 3 5s y s t e mg a t e s 矗确定所需的f p g a 资源，保证设计所需 的f p g a 资源不超过整个资源的7 0 。 互联性确定硬件平台所需的信号连接数目。通常选用具有最多i o 接口 封装的同类逻辑器件，这样可以为系统的互联提供最大的灵活性。同时考虑到以 后升级，在设计硬件时应留有足够的互联空间。 运行速度系统运行在多快的时钟频率下? 通常设计者期望原型平台的 运行速度能和a s i c 实际的运行速度一样，称为“a t - s p e e dp r o t o t y p i n g 。原型平 台的运行速度通常受到r t l 代码的复杂度影响，典型情况下能达到 5 0 m h z 1 0 0 m h z ，1 0 0 m h z 2 0 0 m h z 的运行速度通过精心的设计也有可能达到。 时钟网络时钟网路的设计灵活可以极大地提高硬件的可重用性。时钟一 般分为板级时钟和f p g a 时钟。f p g a 之间的板级时钟利用延时匹配传输以达到 低的时钟回转率，同时避免时钟信号线上出现短截线。f p g a 内部充分利用专用 北京工业大学工学硕士学位论文 的时钟管理资源，如全局时钟、时钟b u f f e r 、时钟m u x 多片f p g a 的共用时钟 信号必须要同步，可以利用板上的p l l 单元实现。 s 切“廿一系统上电复位，f p g a 配置单元，以及其他的复位控制、同步控 制等。 p c b 设计考虑信号完整性问题，如串扰、反射的问题。信号的阻抗匹 配，传输线线长匹配。通孔类型的选用：通孔、盲埋孔、埋孔、微孔等 可重用性预留设计空间，以使硬件环境能用在多个设计中 电源分配根据系统功耗需求设计合理的电源系统。 1 4 论文结构 论文主要讨论了d v b c 的原型系统设计。进行了系统结构分析，系统电路 设计，利用设计完成的硬件平台对d v b c 的a s i c 设计进行了验证，加快了a s i c 验证的进度，也保证了投片的成功率，实现了设计初衷。 本论文章节安排顺序如下： 第二章主要分析和有线数字电视系统构架，根据d v b c 标准e t s 3 0 0 4 2 9 的发射端构架，阐述了接收端的基本框架。 第三章主要就接收系统的各个模块实现需要的资源进行了分析，提出了各模 块所要满足的性能指标。 第四章主要进行了具体电路设计实现，同时以信号完整性理论指导电路设 计，探索了原型平台设计的方法流程。通过原理图仿真和l a y o u t 仿真对电路进 行优化，保证设计的正确性。 第五章就实际电路调试进行了讨论，再利用设计好的原型硬件平台搭建测试 环境对a s i c 进行了验证。 。 第2 章d v b - c 系统结构 第2 章d v b - c 系统结构 2 1 d v b - c 简介 d v b - c 传输系统通过有线电视( c o m m u n i t ya n t e n n at e l e v i s i o n ，c a t v ) 系统 传送多路数字电视节目，它可与卫星电视系统相适配。d v b - c 传输系统基于前 向纠错编码( f o r w a r de r r o rc o r r e c t i o n ，f e c ) 技术和q a m 调制技术，可保证传输 业务的可靠性。d v b c 传输系统具有如下几个主要特点：可与多种节目源相适 配。d v b c 传输系统所传送的节目既可来源于从卫星系统接收下来的节目。又 可来源于本地电视节目，以及其它外来节目信号。既可用于标准清晰度数字电视 ( s t a n d a r dd e f i n i t i o nt e l e v i s i o n s d m 又可适用于高清晰度电视( m g hd e f i n i t i o n t e l e v i s i o n ，r d a w ) 。根据文献【5 】，d v b c 韵系统框图如图2 1 。 有线综合接收解码器 擐u 鬓索罗童h 转和 嗣ii 就 。k 撵 一物理i 时钟 i 接r n 卜+ ( 敦据：泛指岍b g - 2 传输复用包 图2 1d v b - c 系统框图 f i g u r e2 - 1d v b - cs y s t e mb l o c kd i a g r a m 2 2d v b - c 发送端系统结构描述 ( 1 ) 基带物理接口 基带物理接口负责d v b c 传输系统与外部系统间的信号码型、数据格式和 通信协议等方面的转换。此模块使数据结构适于信号源的格式，帧结构与包含了 同步字节的m p e g - 2 传送格式相同。 这里m p e g - 2 数据信号有三种接口，即同步并行接i z l ( s y n c h r o n o u sp a r a l l e l i n t e r f a c e ，s p d 、同步串行接e l ( s y n c h r o n o u ss e r i a li n t e r f a c e ，s s i ) 和异步串行接口 ( a s y n c h r o n o u ss e r i a li n t e r f a c e 。a s d 。这些接口可以连接的设备包括有q p s k 解调 强 二2f熟树 熬 晚黻张触h h 颛醮则棚 剁 北京工业大学工学硕士学位论文 器，q a m 调制器，复用器或解复用器等。这三种接口均采用1 8 8 字节的包结构， 同时也可以采用经r - s 编码的包结构。实际应用的d v b c 信道解调芯片通常只 支持同步并行接口和同步串行接口，这里主要介绍s p i 格式和s s i 格式。 s p i 信号格式：s p i 信号是将时钟、数据、同步信号和有效信号并行传输的 一种信号格式，其数据格式如图2 2 s s i 信号格式：s s i 信号与s p i 格式相比，仅在于只有一个数据输出位，其 它信号输出完全相同。其格式如图2 3 。 时钟 t s 有效信号 t s 数据 o ：7 t s 同步信号 几几几r j l 几几几几n 几几n 几几几几n 几几n 几几几几n 2 0 4 时钟 。 i1 。明肝阱字节、b 夏五再i 一 xxxi ( 1 8 7 字节x ) (x 商步字节 n _ _ i i 图2 - 2 经r - s 编码的m p e g - 2 并行传输流 f i g u r e2 - 2m p e g - 2s p io u t p u tw i t hp a r i t yb y t e s 图2 - 3 经r _ s 编码的m p e g - 2 串行传输沉 f i g u r e2 - 3m p e g - 2s s io u t p u tw i t hp a r i t yb y t e s ( 2 ) 同步1 反转和随机化 这里的同步是指m p e g - 2 的传送复用包的同步。该模块根据m p e g - 2 帧结 构反转同步i ( s y n c1 ) 字节，同时为频谱成形进行数据流的随机化。 d v b 中的帧结构如图2 _ 4 所示。d v b 使用统一的m p e g 2 信源编码和复用 输出码流。它是一个固定数据包格式，长度为1 8 8 个字节，第一个为同步字节， 接着还有3 个字节用于业务识别、加扰和控制信息。随后1 8 4 字节为m p e g * 2 数据和附加数据。 频谱成形随机化即对数据进行加扰。d v b c 传输系统中的数据扰乱和r s 第2 章d v b _ c 系统结构 编码都以m p e g - 2 的传送复用包为基本单位进行处理，在m p e g 2 传送复用器 之后，该系统的输入码流将设置成固定长度的数据包如图2 5 所示m p e g - 2 传 送复用包的总长度是1 8 8 字节，其中包括一个同步字节( 即4 7 h e x ) 。在发送端， 处理顺序都是从同步字节( 即0 1 0 0 0 1 1 1 ) 的最高有效位( 即0 ) 开始的。 i d p e g 一2 传输复用包 伪随机二进制序列周期1 5 0 3 字节。 同步 加扰数据同步i 加扰数彭同步加扰数据 同步 加扰数据 字节l 1 8 7 字节 字节2 l1 8 7 字节。 字节81 8 7 字节 字节1 1 8 7 字节 随机传送包：同步字节和随机化序列 。2 0 4 字节 同步字节l 加扰数据1 8 7 字节r s ( 2 0 4 ，1 8 8 ，8 ) 或同步字节n 罗得一索罗蒙编码误码保护包 同步字节l 2 0 3 字节 同步字节1 2 0 3 字节 或同步字节n 或同步字节n 交织帧：交织深厦i = 1 2 罕节 图2 - 4 m p e g 帧结构 f i g u r e2 - 4m p e gf r a m e 在m p e g - 2 传送复用输出端的数据应按图2 5 所示的结构进行随机化。伪随 机二进制序列( p s e u d or a n d o mb i n a r ys e q u e n c e ，p r b s ) 的生成多项式如下： g f x l = 1 + 一4 + 5( 2 1 ) 如图2 5 所示，在每8 个传送包的开始，将序列“1 0 0 1 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 送入 p r b s 计数器使其初始化。为给解码器提供一启动信号，在一个8 个包长的组中， 第一个包的m p e g 2 同步字节应逐比特倒相，倒相将4 7 h e x 变为b 8 h e x 。p r b s 生成器输出的第一个比特应作用于已倒相的m p e g 2 同步字节( b 8 h e x ) 后的第一 个字节中的第一位。为实现其他同步功能，在后继的7 个传送包的m p e g - 2 同步 字节持续期间，p r b s 继续工作，但其输出应无效，不对这些字节进行随机化。 因此，p r b s 序列的周期应为1 0 5 3 字节。在调制器无比特流输入时，或与m p e g - 2 传送码流格式不一致( 即1 个同步字节加1 8 7 个数据包字节) 时，随机化过程仍将 持续。这是为了避免从调制器发送未调制载波。 北京工业大学工学硕士学位论文 图2 - 5 加扰和解扰框图 f i g u r e2 - 5s c r a m b l e r d e s c r a m b l e rs c h e m a t i cd i a g r a m s ( 3 ) 罗得一索罗蒙( r _ s ) 编码 该模块采用r - s ( 2 0 4 ，1 8 8 ，t 三8 ) 码，它是由r - s ( 2 5 5 , 2 3 9 ，t = 8 ) 截短得到的，以 产生一个具有纠错功能的数据包，其编码效率为1 8 8 2 0 4 0 9 2 。选择这一r - s 码字长度完全是为了与m p e g - 2 的t s 包兼容，即每一个t s 包独立进行r - s 编 码保护，生成一个r - s 码字，r - s 码字的同步头就采用t s 包的包头或者取反的 t s 包头。r - s 编码在能量扩散随机处理之后，采用t = 8 的截短的r - s 码编码应 加到每一个经随机化的m p e g - 2 传送包上，这意味可以纠正一个r - s 码字内的 不超过8 个字节的误码。此过程在m p e g - 2 传送包中增加了1 6 个奇偶校验字节， 码字为( 2 0 4 ，1 8 8 ) 。r - s 编码也应置于包同步字节，不论是未倒相的( 即4 7 h e x ) 还 是已经倒相的( 即b 8 h c x ) ，也就是这1 6 个字节的校验数据是由包括t s 同步或 反转同步在内的整个t s 包的数据生成的，就是说r - s 编码保护的作用范围也包 括 i s 同步在内。 监督码组的码生成多项式为： g ( x ) = ( 工+ 五o x x + 2 1 x x + 2 2 ) ( j + 五1 5 ) ( 2 2 ) 式中九= 0 2 胁 域生成多项式为： 烈曲= ，+ j 4 + ，+ ，+ l ( 2 3 ) 截短的r - s 码也可用原r - s ( 2 5 5 ，2 3 9 ，t = 8 ) 码来生成，在编码器输入端输入 信息字节之前添加5 l 字节，并全部置零，编码后这些空字节将被丢弃，以此实 现截短的r - s 码。 冤2 苹d v b - c 系统结构 c 4 ) 卷积交织 该模块应完成一个深度为i = 1 2 的卷积交织变换，应用于误码保护包，生成 一个交织帧。交织深度i = 1 2 ，即具有1 2 个分支支路。交织器与反交织器在原理 上是一样的，但在支路延时上正好相反，原理框图如图2 - 6 。 圈2 - 6 卷积交织与去交织的原理框图 f i g u r e2 - 6b l o c kd i a g r a m so f t h ec o n v o l u t i o n a li n t e r l e a v e ra n dd e - i n t e r l e a v e r 卷积交织处理应基于f o r n e y 方法，它与i = 1 2 的第三类r a m s e y 方法一致。已 交织的帧应由交叠的误码保护包组成，且应由m p e g - 2 同步字节界定( 保留2 0 4 字节周期) 。交织器可由i = 1 2 个分支构成，由输入开关循环地轮流接通输入的比 特流。每个分支都应有一个深度为m j 单元的先进先出( f i f 0 ) 移位寄存器，( 这里 n = 2 0 4 = 误码保护帧长度，i = 1 2 = 交织深度，m = 1 7 = 2 0 4 1 2 ，j = 分支序号) 。 该f i f 0 单元应为l 字节，且输入输出开关应同步。为实现同步，在所有时候同 步字节及倒相的同步字节都应送至交织器的分支“0 ( 相当于零延时) 。 去交织过程是这样的：将输入的交织数据流中识别出的第1 个r - s 码字的同 步输入到第0 条支路，以此为起点依次循环向后面各支路输入数据，每条支路每 次输入一个字节；去交织后的数据按相同的顺序从各支路中输出，每条支路每次 输出一个字节。 ( 5 ) 字节到m 位符号变换 该模块是将交织产生的字节变换为删符号。由于发射端在卷积交织之前 以及接收端在卷积去交织之后，信息都是以二元比特的形式呈现，为方便计算， 在具体处理时以8 个二进制构成的字节为单位进行。而在进行m - q a m 调制解调 时，每个调制符号要与m 个比特进行映射，即每次调制解调要以m 个比特为单 位进行。因此要在字节与m 位符号之间进行转换、映射。 d v b c 系统中所规定的字节与m 位符号之间的映射方式是这样的：在所有 情况下，符号z 的m s b ( m o s ts i g n i f i c a n tb i t ) 直取字节的m s b 相应位，该符号的 下一个有效位应取字节的下一个有效位。q a m 调制情况下，该处理应将k 字节 映射到n 个符号，例如：弥= n m 映射原理图如图2 7 。 北京工业大学工学硕士学位论文 b 7b 6 b 5m 鸲比b l b 7 b 5b 哇b 3 比b 1 b 7t 1 6b 6b 哇鹕比b l i i s b1r11lsbl 屿b 哇鸲屹b l 屿m 坍吆m 坫b 4 略屹b l t 1 5m 鹄比b l 图2 - 7 用于6 4 q a m 的字节到m 比特符号变换 f i g u r e2 - 7b y t et om - t u p l ec o n v e r s i o nf o r6 4 - q a m ( 6 ) 差分编码 为了得到一个旋转不变的q a m 星座图，在q a m 调制前须进行差分编码。 该模块将对每个符号的两位最高有效位( m o s ts i g n i f i c a n tb i t ，m s b ) 进行差分编 码。差分编码的布尔表达式为： i k = ( a k0b k x a k0i k 一) + ( a k0 b k x a k0 q k i )( 2 4 ) q k = ( a kob k x b ko q k i ) + ( a k0b t ) 0 3 k0 i l i ) ( 2 5 ) 图2 8 为字节到m 位符号的变换和最高两位差分编码框图 8 q 个比特妯q - 1 b 0 ) 一 ， 一 字节到m 比 b k 2 b q q k 映 卷积交织 特符号变换 差分 射 输出 编码 a k = m s b t 。 工k 图2 - 8 字节到m 位符号的变换和最高两位差分编码框图 f i g u r e2 - 8b y t et om - t u p l ec o n v e r s i o na n dt h ed i f f e r e n t i a le n c o d i n go f t h et w om s b s ( 7 ) 基带成形 该单元完成经差分编码的m 比特符号到i 和q 信号的映射。在q a m 调制 前，对i 和q 信号进行升余弦平方根滚降滤波。升余弦平方根滚降滤波理论上的 函数为： 第2 章d v b - e 系统结构 h ( 厂) = 1 ， i 州 厶( 1 + 口) 其中： = 击= ! 争是奈奎斯特频率，滚降系数理= 。1 5 ，t 为符号传输周期。 基带滤波器的具体特性如图2 - 9 所示，要求在o 8 5 通频带内波动小于 0 4 d b ，在奈奎斯特频率厶上相对- 3 d b 衰减的波动值名也要小于0 4 d b ，带外抑 制要不小于4 3 d b 。厶频带内滤波器的群延时波动值为0 1c 。 h ( f ) 一 i o d b 牟毛 频率f l 带内波动 + ， 匕 ；0 1 d b r i 0 1 d b 过一 0 8 5 f n “1 1 5 f n f o 奈奎斯特频率 图2 - 9 基带低通滤波器幅度特性 f i g u r e2 - 9h a l f - n y q u i s tb a s e b a n df i r e ra m p l i t u d ec t m m 如r i s t i c s ( 8 ) q 圳调制和物理接口 该模块完成q a m 调制，随后将q a m 已调信号连接到电缆射频信道。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 星座点最高已可达2 5 6 一q a m 。d v b c 系统调 制应为星座图中具有1 6 、3 2 、6 4 、1 2 8 、2 5 6 点的正交幅度调制。通过改变两 个m s b 位( 酃i k 和q k ) 并据表2 - 1 给出的规则旋转q 个l s b ( 1 , c a s ts i g n i f i c a n t b i t ) 位，可将第l 象限中的星座点变换至第2 、3 、4 象限。在调制前i 、q 信号应经 余弦滚降平方根滤波。滚降系数应为0 1 5 。 北京工业大学工学硕士学位论文 表2 1 第一象限星座到其他象限的旋转 t a b l e2 ，lc o n v e r s i o no f c o n s t e l l a t i o np o i n t so f q u a d r a n tlt oo t h e rq u a d r a n t so f t h ec o n s t e l l a t i o n d i a g r a m 象限m s b sl s b s 旋转 l0 00 21 0兀2 31 1 4 1 03 2 2 3d v b c 接收系统设计的结构划分 了解了d v b c 系统发射端结构之后，可以对其接收系统进行设计按照接 收系统功能可以分成射频处理单元、模数转换单元和数字处理单元。如图2 1 0 。 蠢字赶毽单元 +射频处理单元 模数转换单元 q s m 解调 - - f e c 解码_ _ _ m 陀。帧成形 信号中撷信号数字侣昂 圈2 - 1 0d v b - c 接收系统功能结构划分 f i g u r e2 1 0d v b - cr e c e i v e rf u n c t i o n a lb l o c k 射