（微电子学与固体电子学专业论文）dtmb信道调制的研究与实现.pdf

中文摘要 摘要：地面数字电视传输标准是数字电视传输系统的标准。我国根据地面数字电 视传输系统的要求制定了一个命名为“数字电视地面多媒体广播( d t m b ) ”的标 准。该标准于2 0 0 6 年8 月正式对外公布，成为我国广播领域里唯一的强制性标准， 它创新性地采用了3 7 8 0 点o f d m 技术，给地面数字电视发送端的调制和接收端的 解调的实现带来了一定的挑战。 本文的主要工作在于研究和实现d t m b 发送端系统的调制部分。目前国际上 主要的数字电视地面传输标准有三种，它们分别是：美国的a t s c 、欧洲的d v b t 以及日本的i s d b 。本文首先简要介绍和比较了三大标准各自的优缺点，然后详细 描述了d t m b 系统调制端的结构流程和基本特点以及与数字电视有关的一些数字 调制技术，重点分析了该系统的信道特征和o f d m 调制技术，并给出了与o f d m 调制有关的各个功能模块，包括星座映射、符号交织、帧体形成以及3 7 8 0 点f f t 的f p g a 实现模型，完成了对各个模块的v e r i l o g 描述以及大部分模块在q u a r t u s i i 环境下的设计、仿真和验证。 对于符号交织模块，国标系统采用卷积交织方法，由于其规定的交织深度( b ) 和交织宽度( m ) ( b = 5 2 ，m = 5 2 0 ；b = 5 2 ，m = 7 2 0 ) 都比较大，故不适合运用传统 的移位寄存器方式来实现。针对这种情况本文采用整块的r a m 来实现符号交织， 并结合m a t l a b 和q u a r t u si i 内嵌的逻辑分析器s i g n a l t a pi i 验证了交织结果的正 确性。通过分析，利用整块r a m 实现交织的方法可大大简化时钟和数据管理，减 小实现的复杂程度，节省系统资源，降低成本。 3 7 8 0 点i f f t 是整个数字电视国标系统的关键部分之一，也是最大的难点之一。 由于其调制点个数非基2 的特殊性，故不适合采用目前已经成熟的基2 基4f f t 算法。针对这种情况，本文采用p f a 和w f t a 快速傅立叶算法来实现3 7 8 0 点f f t 。 通过这两种算法将3 7 8 0 点的f f r 分成7 点w f t a 、9 点w f t a 、5 点w f t a 、3 点w f t a 、4 点w f t a 以及旋转因子计算6 个组成部分。整个i f f t 系统采用分模 块处理各点w f t a 算法，复用存储器完成索引映射的结构，这种结构比较易懂而 又相对节省资源。本文以3 点w f t a 算法为基础，详细介绍了3 7 8 0 点f f r 的实 现过程，并利用q u a r t u si i 软件完成其设计和仿真。 关键词：3 7 8 0 点i f f t ；w f t a ；地面数字电视；星座映射；卷积交织 分类号：9 4 9 1 7 a bs t r a c t a b s t r a c t ：t e r r e s t r i a ld i g i t a lt e l e v i s i o nt r a n s m i s s i o ns t a n d a r di st h es t a n d a r do f d i 百t a lt e l e v i s i o nt r a n s m i s s i o ns y s t e m a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n to ft e r r e s t r i a ld i g i t a l t vt r a n s m i s s i o ns y s t e m ，c h i n ah a sf o r m u l a t e das t a n d a r dn a m e da sd t m b ( d i 百t a lt v t e r r e s t r i a lm u l t i m e d i ab r o a d c a s t i n g ) t h i ss t a n d a r dw a so f f i c i a l l ya n n o u n c e di na u g u s t 2 0 0 6a n dh a sb e c o m et h eo n l ym a n d a t o r ys t a n d a r di nt h ef i e l do fc h i n a sb r o a d c a s t i n g d t m bu s e si n n o v a t i v e3 7 8 0 一p o i n to f d mt e c h n o l o g y , w h i c hb r i n g sa b o u tac e r t a i n c h a l l e n g e s t ot h er e a l i z a t i o no ft e r r e s t r i a l d i g i t a l t e l e v i s i o n sm o d u l a t i o na n d d e m o d u l a t i o n t h em a i nw o r ko ft h i st h e s i si st os t u d ya n dr e a l i z et h em o d u l a t i o no fd t m b t r a n s m i t t e rs y s t e m c u r r e n t l y , t h e r ea r et h r e et e r r e s t r i a l d i g i t a lt vt r a n s m i s s i o n s t a n d a r d si nt h ew o r l d t h e ya r et h eu s a t s c ，t h ee u r o p e a nd v b - ta n dt h ej a p a n s i s d b i nt h i st h e s i s ，f i r s tw ei n t r o d u c ea n dc o m p a r et h o s et h r e es t a n d a r d sb r i e f l y , t h e n w ed e s c r i b et h es t r u c t u r ea n dc h a r a c t e r i s t i c so fd t m bs y s t e r m sm o d u l a t o r , w e a n a l y s i z et h ec h a n n e lc h a r a c t e r i s t i ca n di n t r o d u c et h eo f d mm o d u l a t i o nt e c h n o l o g y , t h ef p g ar e a l i z a t i o n sa r eg i v e nf o rc o n s t e l l a t i o nm a p p i n gm o d u l e ，c o n v o l u t i o n a l i n t e r l e a v i n gm o d u l ea n df r a m eb u i l dm o d u l ea n d3 7 8 0 - p o i n tf f tm o d u l ew h i c h c o m p o s et h ed t m bs y s t e r m sm o d u l a t o r a tl a s tw ed e s c r i b ee a c hm o d u l ew i t hv e r i l o g a n dr e a l i z et h e mi nt h eq u a r t u si ie n v i r o n m e n t s i n c et h ed e p t h ( b ) a n dt h ew i d t h ( m ) o ft h ec o n v o l u t i o ni n t e r l e a v i n gm o d u l ea r e q u i t el a r g ei nd t m b ( b = 5 2 ，m = 5 2 0 ；b = 5 2 ，m = 7 2 0 ) ，t h et r a d i t i o n a lw a yo f u s i n gs h i f t r e g i s t e rt or e a l i z ei n t e r l e a v i n gi sn o ts u i t a b l eh e r ea n ym o r e a c o r d i n gt ot h i ss i t u a t i o n w eu s ea ne n t i r er a mt or e a l i z et h ei n t e r l e a v i n gm o d u l e sf u n c t i o n c o m b i n e dw i t h m a t l a ba n ds i g a n t a pi i ，w ep r o v et h a tt h ei n t e r l e a v i n gr e s u l ti sc o r r e c t t h r o u g h a n a l y s i s ，u s i n go fb l o c kr a m t oa c h i e v ei n t e r l e a v i n gm a ys i m p l i f yt h ec l o c ka n dt h e d a t am a n a g e m e n ta n ds a v et h es y s t e mr e s o u r c e s 3 7 8 0 - p o i n ti f f ti so n eo fm o s ti m p o r t a n ta n dh a r d e s tp a r ti nt h ed t m bs y s t e m a sar e s u l to ft h em o d u l a t i o ni n t e g e r sn o n - b a s e d2p a r t i c u l a r i t i e s ，i ti sn o ts u i t a b l et o u s eb a s e 2 ，b a s e - 4f f th e r e a c o r d i n gt ot h i ss i t u a t i o n ，w eu s ep f aa n dt h ew f t a n o n - b a s e2f f ta r i t h m e t i ct or e a l i z et h e3 7 8 0 一p o i n tf f t w i t ht h ep f aa n d 、7 l ，】了t a ，t h e 3 7 8 0 一p o i n ti f f tc a n b ec h a n g e dt o6p a r t s ：7w f l a ，9w f t a ，5w f l a ，3w f t a ，4 w f t aa n dt h et w i d d l ef a c t o rc a l c u l a t i o n t h ee n t i r ei f f ts y s t e mp r o c e s s i n ga l lo ft h e w f t aa l g o r i t h m sr e s p e c t i v e l ya n dr e u s i n gt h es a m em e m o r yt o g e t h e rt oc o m p l e t et h e i n d e xm a p p i n gm a k et h ew h o l es t r u 咖r ee a s yt ou n d e r s t a n da n ds a v et h er e s o u r c e sa t t h es a m et i m e i nt h i st h e s i s ，w ei n t r o d u c et h ep r o c e s so f3 一p o i n tw f r ai nd e t a i l s ，a n d o nt h i sb a s i s ，w ed e s c r i bt h ep r o c e s so f3 7 8 0f f t sr e a l i z a t i o n ，a n dd e s i g ni ti nt h e q u a r t u si ie n v i r o m e n t k e y w o r d s ：3 7 8 0 - p o i n ti f f t w f t a ；t e r r e s t r i a ld i g i t a lt e l e v i s i o n ；c o n s t e l l a t i o n m a p p i n g ；c o n v o l u t i o n a li n t e r l e a v i n g c i a s s n o ：t n9 4 9 1 7 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： 印亨鼍 i 签字日期：po 譬年二月，土日 翩躲袁、缸l 签字日期： 栌f 月，1 日 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：习) 考兰 签字日期：夕嘲厂年 月，2 日 6 7 致谢 本论文的工作是在我的导师袁小龙副教授的悉心指导下完成的，袁小龙副 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 两年来袁小龙老师对我的关心和指导。 在实验室工作及撰写论文期间，朱振梁、王学贞、彭定志等同学对我论文中 的原理理解和资料收集方面，段文娟、郭晓宇等同学对我论文课题的v e r i l o g 代码 编写方面，以及张义恒同学对我设计的板级调试方面给予了热情的帮助，在此向 他们表达我的感激之情。 另外也感谢家人和朋友，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学 、i k 。 1 引言 1 1 数字电视的优越性 所谓数字电视，是从信号的采集、存储、处理、显示均为数字信号，并利用 先进的数字图像压缩技术、数字信号误码保护技术、高效数字信号调制技术等特 点，使得图像质量达到高清晰度。 与传统的模拟信号相比，数字电视在很多方面都有着自己的优越性，也正是 这些优越性，再加上数字通信技术、数字集成电路技术的发展，使得数字电视全 面取代模拟电视成为广播电视的必然发展趋势。 ( 1 ) 清晰度高、音频效果好 高清晰度数字电视( h d t v ：h i g hd e f i n i t i o nt e l e v i s i o n ) 图像质量可达到3 5 r a m 宽银幕电影的水平；标准清晰度数字电视( s d t v ：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 ) 图像质量为演播室水平，对应d v d 的分辨率量级。 ( 2 ) 频带利用率高 原来的模拟电视频道可播放4 到8 套标准清晰度数字电视。 ( 3 ) 抗干扰性能好 解决了模拟电视中的闪烁、重影、亮色互串等问题；可以实现城市楼群的高 质量接收，移动载体中也可接收到高清的数字电视节目。 ( 4 ) 便于开展各种综合业务和交互业务，有利于构建“三网合一的信息基 础设施。 ( 5 ) 可更好的进行节目的加密处理等1 2 。 1 2 国内外数字电视地面传输标准 1 2 1国外数字电视地面传输标准 目前，国际上主要有3 种地面数字电视传输标准。它们分别是美国基于残留 边带调制的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 mc o m m i t t e e ，先进电视系统委员会) 、 欧洲的d v b - t ( 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) 、日本的i s d b t ( i n t e g r a t e ds e r v i c e sd 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) 1 3 1 。 ( 1 ) 美国的a t s c 传输标准 a t s c 采用的是在6 m h z 频道上开发的，8 电平残留边带调制系统。8 - v s b 是 具有导频的单载波调制，是现有成熟a m ( a m p l i t u d em o d u l a t i o n ) 技术的发展。 a t s c 的抗多径干扰依赖于复杂的自适应均衡器，不支持移动，但能较好支持固定 接收。 ( 2 ) 欧洲的d v b - t d v b t 采用的是c o f d m ( 编码正交频分复用) 调制，基于8 m h z 带宽，属 于多载波调制，使用1 7 0 5 ( 2 k ) 或6 8 1 7 ( 8 k ) 个载波，以便进行多径接收。其中 前者能更好的用于移动接收，而后者适用于单频网组网。由于d v b t 采用大量的 导频信号以及使用保护间隔使得它的频带利用率低于a t s c 。 ( 3 ) 日本的i s d b t i s d b t 也为多载波传输系统，它在采用c o f d m 基础技术的同时，对d v b o t 做了部分改进，不仅能较好支持固定接收和移动接收，在一定程度上也能支持综 合业务数据广播。与欧洲d v b t8 m h z 7 m h z 的每路频道作为一个总体处理不同， i s d b t 系统将6 m h z 的频道分成1 3 段带宽为4 3 2 k h z 的o f d m 频带，每个o f d m 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 ，d q p s k ) 、内码编 码率、保护间隔比和时间交织深度等。所以i s d b - t 系统比d v b - t 系统更灵活， 可按图像、声音和数据的不同需求优化地选用有关参数。 1 2 2国内数字电视地面传输标准 数字电视的传输方式主要包括有线传输，卫星传输和地面无线传输。其中地 面无线传输的特点是最复杂、干扰严重，频道资源紧张，但是对我国这样一个幅 员辽阔、地形复杂的国家来说具有特殊的意义，是我国广播影视数字化的重点和 难点。开展地面数字电视不仅能够实现随时随地地观看更多内容的电视节目，而 且能够利用目前大量闲置的无线频谱资源，实现更多的应用业务以提高频率效益。 中国幅员辽阔，人口众多，将有巨大的数字电视消费市场，确立中国自己的 技术标准来发展拥有自主知识产权的数字电视事业，不仅可以满足广大人民群众 日益增长的物质、文化需求，还可以带动相关产业的发展，摆脱我国在d v d 、数 码相机等领域受国外专利困扰的尴尬局面。 经过多方多年的努力，2 0 0 6 年8 月，我国国家标准委发布了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，即d t m b 标准。该标准 是此前清华大学的d m b - t ( t e r r e s t r i a ld i g i t a lm u l t i m e d i ab r o a d c a s t i n g ) 标准和上 海交大的a d t b - t ( a d v a n c e dd i g i t a lt e l e v i s i o nb r o a d c a s t i n gs y s t e m - t e r r e s t r i a l ) 标 准的融合，它的核心采用t d s o f d m ( t i m ed o m a i ns y n c h r o n o u s o r t h o g o n a l 2 f 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 ，时域同步正交频分复用) 调制技术，将信号在时 域和频域的传输结合起来。d t m b ( d i 百t a lt e l e v i s i o nm u l t i m e d i ab r o a d c a s t i n g ) 标 准是我国的强制执行标准。 1 2 3各标准的比较 ( 1 ) a s t c 、d v b t 、i s d b - t 的主要特征的比较如表1 1 所示【4 1 。 表1 - 1a s t c 、d v b - t 、i s d b - t 的主要特征 t a b l e1 - 1m a i nc h a r a c t e r i s t i c so f a s t c ，d v b - ta n di s d b - t 系统标准 a t s cd v b - 1 i s d b - 1 频带宽度 6 m h z 6 m h z 、7 m h z 、8 m h z 6 m h z 、7 m h z 、8 m h z 视频编码 m p e g 2 音频编码 a c 3 m p e g 2 层2m p e g - 2 ( a c c ) 外纠错码 r s ( 2 0 7 ，1 0 8 ) r s ( 2 0 4 ，1 8 8 ) 内纠错码t r e l l i s2 3卷积( 1 2 ，3 4 ，5 6 ，7 8 ) 调制方式8 v s b c o f d m ( q p s k ，q a m ) 载波数 1 1 7 0 5 6 8 1 81 4 0 5 2 8 0 9 5 6 1 7 4 9 8 ( 6 m h z ，q p s k ) 3 6 5i ( 6 m h z ，d q p s k ) 信息速率 1 9 3 9 m b p s- 3 1 6 7 m b p s ( 8 m h z ， 一3 0 9 7 9 m b p s 6 4 q a m )( 8 m h z ，6 4 q a m ) 抗干扰能力 抗静态和脉冲多径抗静态和多态多径 移动接收不能能 单频网兼容性不能能能 s d t v h d t v 兼容性能能能 硬件实现容易复杂复杂 系统成本相对较低相对较高相对较高 ( 2 ) d t m b 相对于其他标准的创新。 d t m b 融合了单载波和多载波两种调制模式。t d s o f d m 调制技术通过时域 和频域混合处理，简单方便地实现了快速码字捕获和稳健的同步跟踪，形成与欧、 日c o f d m 不同的主核心技术。 与d v b t 采用的循环前缀填充o f d m 保护间隔不同，d t m b 采用基于p n 序 列扩频技术的高保护同步传输技术，并用其填充o f d m 保护间隔，使系统的频谱 利用率提高l o 。 国标中与绝对时间同步的帧结构，方便自动唤醒功能设置，达到省电目的， 支持便携接收。 此外还有创新地使用前向纠错编码以及快速信道估计等技术。 d m b t 与其他d t v 标准的比较如表1 2 所示吲 表1 - 2d m b - t 与其他d v b 的比较 t a b l e l - 2c o m p a r i s o nb e t w e e nd m b - ta n dt h eo t h e rd v bs t a n d a r d s d m ba t s cd v b 1 i s d b - 1 移动接收最好 坏 好好 室内接收好是好好 支持突发数 是否否否 支持蜂窝网 是否否否 支持省电功能是 否否否 支持双速率传输是否是是 1 3 本文的主要内容和结构 本文分为5 章，第一章为引言部分，简要介绍了国内外数字地面电视传输标 准，指出了本文研究的背景和现状； 第二章为理论基础部分，主要介绍了基本数字调制的实现方法、d t m b 系统 的发端结构、数字电视信道特点以及i f f t 实现o f d m 调制的的理论推导； 第三章为设计实现部分，详细描述了包括星座映射、符号交织、帧体形成以 及3 7 8 0 点f f t 模块的设计和实现。重点论述了系统中各个功能模块的设计方案、 算法和结构选取、仿真分析等。 第四章为结果验证部分，主要在q u a r t u si i 的环境下验证各个模块的功能仿真 结果以及部分模块的时序仿真结果，并在m a t l a b 环境下验证交织结果的正确性， 通过s i g n a l t a pi i 逻辑分析仪进行交织的板级调试。 第五章为结论部分，总结了本文的主要内容，已经完成的工作以及进一步的 工作等。 4 2d t m b 系统信道调制技术的理论基础 2 1数字调制的实现方法介绍 信道编码后的数据信号除了一般的基带传输方式外，要做长距离( 包括无线) 的传送、发射时，必须通过调制措施对高频载波进行特定方式的调制后以已调波 向外传输。数字调制是由数据流对高频载波进行调制，由于高频载波被调制参量 的变化是离散的，也可以认为是受到键控的，所以数字调制信号也称为键控信号， 可使高频载波受到幅度键控( a s k ) 、频移键控( f s k ) 或相移键控( p s k ) 。这三 种调制方式即对应于模拟调制中的调幅、调频和调相。 数字调制中，典型的调制信号是二进制的数字值。另一方面，为了提高高频 载波的调制效率，也常采用多进制信号进行高频调制，使一定的已调波高频带宽 内能包含更多的码率。在多进制调制中，每若干个( 比如k 个) 比特构成一个符 号，得到一个个2 k m 进制的符号而后逐个符号对高频载波作多进制的a s k 、f s k 或p s k 调制。 用于数字电视的数字调制方式有q p s k 、m q a m 、m v s b ( m a s k ) 、o f d m 等。本论文中将概括介绍q p s k 调制、m q a m 调制以及o f d m 调制方式【6 】。 2 1 1 q p s k ( 4 p s k ) 调制 q p s k 是多进制数字调相( m p s k ) 的一种。所谓多进制调相，就是利用载波 的不同相位( 或者相位差) 来表征数字信息的调制方式。多进制相位调制已调波， 可用下式表示： e o ( t ) = a s i n 。c o s c o d + a c o s 。s i n c o c t ( 2 1 ) 其中。表示调相波第n 时刻的相位。对于q p s k ，。有四种离散值，其调制 过程如图2 1 所示，输入的串行二进制信息序列经串并变换后分成两路速率减半 的序列a 和b ，数模变换器使每对双比特码元形成四种数据组合方式。令a 路 比特序列的0 和l 以+ 1 和1 表示，并用函数i ( t ) 标记；令b 路比特序列o 和 1 也以+ l 和1 表示，并用函数q ( t ) 表示。再由i ( t ) 对载波s i n ( ) t 进行平衡调制， 也即i ( t ) 与s i nt 相乘，得到i ( t ) s i n o t = s i n o t ；同样的，由q ( t ) 对载波c o s ( 1 ) t 进行平衡调制，得到q ( t ) c o sc a ) t = c o $ ( ) t 。然后将s i nc o t 与c o s ( i ) t 信 号相加，从而形成q p s k 信号。 5 图2 1q p s k 调制器 f i g 2 一lq p s km o d u l a t o r 据此a ，b 码元的调制波组合可形成4 种绝对相位的q p s k 信号。而如果基准 载波的相位为4 5 0 ，即l ( t ) 对j 下弦波s i n ( c a d 一4 5 0 ) 进行平衡调制，q ( t ) 对正弦 波s i n ( m 见表2 1 1 6 1 。 表2 1双码元与载波相位 双比特码元 载波相位 a 【i 】b ( q ) a 方式b 方式 0 ，+ lo ，+ 14 5 00 0 0 ，+ ll ，13 1 5 02 7 0 0 l ，1l ，1 2 2 5 0 1 8 0 0 l ，10 ，+ l1 3 5 09 0 0 两种载波相位的q p s k 星座图如图2 - 2 所示。 q 1 2 l 、尸1 = 0 咿唧。 1 l = l d、i _ o q = 1 胪l jq ( 1 0 )c ( 0 0 ) 。 r ( 1 1 ) i c ( 0 1 ) 图2 - 2 ( a ) a 方式q p s k 星座图，( b ) b 方式q p s k 星座图 f i g 2 - 2 ( a ) d i a g r a mo fq p s kc o n s t e l l a t i o nm a p p i n go fm o d ea ( b ) d i a g r a mo f q p s kc o n s t e l l a t i o nm a p p i n go f m o d e b 6 2 1 2 m q a m 调制 在四相移相键控( 4 p s k 或q p s k ) 调制时，如图2 2 所示，其已调载波的星 座图是均匀分布在同一个圆周上的4 个点。容易想象到，可以进一步采用m p s k ， 例如8 p s k ，1 6 p s k ，使圆周上的星座点增多，提高频谱利用率。但是不管怎样， m p s k 都只占据调制平面( i q 平面) 内的一维位置，未充分利用整个调制平面， 而且以容易受到相位的影响。 m q a m 信号的已调载波矢量可以充分利用整个调制平面，在相同的平均载波 功率下对于相同的m 值可使m q a m 的抗干扰能力强于m p s k 。m q a m 调制中m 的取值可以是4 、1 6 、3 2 、6 4 、1 2 8 、5 2 6 等。d m t - t h 可是支持基于4 q a m 、4 q a m + n r 、 1 6 q a m 、3 2 q a m 、6 4 q a m5 种映射关系。 本节中以1 6 q a m 为例简要介绍m q a m 。 b 4 图2 - 31 6 q a m 调制器电路 f i g 2 - 316q a m m o d u l a t o r 1 6 q a m 调制电路的方框图如图2 。3 所示，输入的串行数据流经过串并变换器 分成两路比特流b l b 2 和b 3 b 4 ，它们分别由d a 变换器把4 路数据组合( 0 0 ，0 1 ， 1 1 ，1 0 ) 变换成4 路模拟信号电平( d 删b 中为：6 ，2 ，+ 2 ，+ 6 ) ，上，下支路 的模拟信号分别调制载波信号s i n c a , t 和c o s c ot ，然后通过加法器使已调波相加，得 到合成的调相波信号1 6 q a m 输出。其星座图如图2 - 4 所示。 m q a m 时当m 为2 的偶次方星座图呈方形，当m 为2 的奇次方星座图呈缺 角的十字型。 假设已调信号的最大幅度为1 ，由于m p s k 的星座点都在同一个圆上，所以 不难算出m p s k 时星座图上信号点间的最小距离为 九瞰= 2 s i n ( x m ) ( 2 2 ) 7 图2 - 41 6 q a m 星厘映射图 f i g 2 - 4d i a g r a m o f16q a m sc o n s t e l l a t i o nm a p p i n g 而m q a m 时，如果星座图为矩形，则最小距离为 鲫= 4 2 ( m 1 ) ( 2 3 ) 由式( 2 2 ) 和式( 2 3 ) 容易知道，当m 4 时，屹肘 以麟，这说明当m 4 时，m q a m 的抗干扰性能优于m p s k 。 当平均功率受限时，m q a m 的优点更为显著，因为m q a m 信号的峰值功率 与平均功率之比为 后： 坚生(其中m：p)(2-4) 2 3 - ( 一1 ) 2 j _ 2 i i = l 故此时的d 蚴村又可以加大为尼倍。m = 1 6 时，k = 1 8 ，d t 6 0 a u = o 4 7 宰1 4 u 8 = o 6 3 ， d 1 6 1 2 a 肘d i 6 脚= 1 6 2 【6 1 。 2 1 3o f d m 调制概述 d t m b 系统采用o f d m 调制方式。o f d m 是一种特殊的多载波传输方案，它 可以被看成是一种调制技术，也可以被当作一种复用技术。多载波传输把数据流 分成若干个子比特流，这样每个子数据流将具有低得多的比特速率，用这样的低 比特率形成的低速率多状态符号再对相应的子载波进行q p s k 或者m q a m 调制， 就构成多个低速率符号并行发送的传输系统。 o f d m 调制的特点是各个子载波相互正交，所以扩频调制后的频谱可以相互 重叠，不但减小子载波之间的相互干扰，还大大提高了频谱利用率。此外o f d m 系统能够很好地对抗频率选择性衰落和窄带干扰。在单载波系统中，一次衰落或 者干扰会导致整个链路失效，但是在多载波系统中，某一时刻只会有少部分的子 8 信道受到深衰落的影响。o f d m 系统很适合数字地面电视传输信道中。关于o f d m 调制的详细内容将在本章后面的小节中讨论。 2 2 数字电视地面传输信道的特点 ( 1 ) 回波干扰。地面广播中发射信号的电磁波遇到山脉，树木及楼房而产生 反射，反射信号进入接收机中就会造成回波干扰。回波干扰在数字电视系统中造 成的是数字通信中所谓的“符号间干扰( i s i ：i n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e ) 。造成i s i 的原因有很多，实际上，只要传输信道的频带是有限的，就会不可避免地造成一 定的i s i ，只是其程度一般较之由回波产生的i s i 要轻。但在数字电视系统中，回 波是造成i s i 最主要的原因，故在数字电视中一般仍将i s i 称为回波干扰。 ( 2 ) 多普勒频移。地面数字电视广播信道与接收方式有关，接收方式包括固 定接收、车载移动接收以及便携手持接收。接收机或发射机的运动会产生多普勒 频移。例如，当接收机以速度v 移动，并且其运动方向和入射波的夹角为o ，此 时的多普勒频移由式给出正= ( v 1 2 ) c o s o ，其中入为载波的波长。多普勒频移会导 致接收信号的时间选择性衰落。 ( 3 ) 同播干扰。同播时相邻服务区的同一频道的普通电视节目将有可能进入 h d t v 接收机，产生强同频干扰。而且在数字地面广播传输u h f v h f 频段，还 有诸如单载波干扰、邻频干扰等对传输信号迭加影响。信道均衡时我们除了要考 虑多径的影响之外，还必须考虑到如何对抗频带内的单频干扰和同频p a l 模拟电 视干扰【4 1 。 2 3d t m b 系统的发送端结构 数字电视地面广播传输系统帧结构、信道编码和调制标准( d t m b ) 定义 了在v h f 和u h f 频段中，每8 m h z 数字电视频带内，地面数字电视广播无线传 输信号的规范。其发送端如图2 5 所示【7 1 。 t d s o f d m 调制是d t m b 的创新点，是一种单多载波融合的调制方式。结合 图2 5 ，t d s o f d m 调制应按以下步骤进行：a 输入的m p e g - t s 码流经过信道 编码处理后通过星座映射形成3 7 8 0 点的星座；b 采用i d f t 将该3 7 8 0 点星座变 换成长度为3 7 8 0 的离散值( 单载波模式不需要这一步骤) 帧体( 5 0 0 , u s ) ；c 在 o f d m 的保护间隔插入长度为4 2 0 ( 或5 9 5 、9 4 5 ) 的p n 序列作为帧头；d 将帧 头和帧体组成时间长度为5 5 5 5 6 , u s ( 或5 7 8 7 , u s 、6 2 5 , u s ) 的信号帧；e 采 用具有线性相位延迟特征的f i r 低通滤波器对信号进行频率整形；f 将基带信号 9 进行上变频调制到r f 载波上【9 1 。本文的重点在帧体成形和帧体数据处理两个方 面，包括星座影射，符号交织，系统信息插入以及3 7 8 0 点i f f t 等。 1 照 、 p hf e c 卜祭 复 昏管： 正i - 熬基 据： 组 带 奎l i i 要统夏予 露 后 处，一 - ，疆终 处 变自 帧 理 颏 l 帧头b 一一j 图2 5d t m b 发送端原理框图 f i g 2 - 5b l o c kd i a g r a mo fd t m b t r a n s m i t t e r ( 1 ) 扰码( 随机化) 为了确保传输的m p e g t s 数据有足够多的二进制变化，即防止数据出现长0 、 长1 的情况，输入的m p e g - t s 码流数据需要用扰码随机化。扰码序列的位数为 1 5 位，生成的多项式为x ”+ x h + l ，序列初始化为：1 0 0 1 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 。 ( 2 ) 前向纠错编码( f e c ) f e c 由外码( b c h ) 和内码( l d p c ) 级联实现，采用三种不同的码率以满足 各种服务需要，并且三种不同码率采用的l d p c 码具有相同的结构。两种载波相 位的q p s k 星座图如图2 2 所示。 ( 3 ) 基带后处理和射频信号 在载波数c = i ，即单载波模式下，作为可选项，对帧头和帧体经过组帧后形 成的基带数据在半符号速率位置插入双导频。 采用平方根升余弦( s q u a r er o o tr a i s e dc o s i n e ，s r r c ) 滤波器进行基带脉冲 成形，s r r c 滤波器滚降系数口为0 0 5 。 调制后的r f 信号由下式描述： s ( f ) = r e e x p ( j 2 n f 。t ) x h ( t ) 0f r a m e ( t ) ) ( 2 - 5 ) 其中， s ( t ) ：r f 信号； 只：载波频率( m h z ) ； ( f ) ： s r r c 滤波器的脉冲成形函数； f r a m e ( t ) ：组帧后的基带信号由帧头和帧体组成。 2 4 星座映射和符号交织 2 4 1星座映射 l o 星座映射就是通过串并转换将输入数据分成i 路和q 路，然后映射到整个信 号平面的过程。利用q a m 进行星座映射，可以同时使用幅度和相位携带信息，将 二进制信息映射成多电平信息，提高传信率，传信率越高，通信有效率越好。 d t m b 标准包含以下几种符号映射关系：4 q a m 、4 q a m + n r 、1 6 q a m 、 3 2 q a m 、6 4 q a m 。 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 、1 6 q a m 与3 2 q a m 符号映射可对应于中码率业务的需求，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 和6 4 q a m 符号映射对应于高码率业务的需求，可以同时支持高清晰 度电视和多路标准电视的广播，兼顾高档用户和普通用户的服务需求。 2 4 2符号交织 对数据进行交织是针对地面广播信道的时域和频域选择衰落特性及在收端纠 正突发错误码的需求。 交织技术对已编码的信息按一定的规则重新安排，解交织后突发性错误在时 间上被分散，使其类似于独立发生的随机错误，从而前向纠错编码可以有效地进 行纠错。即交织的作用就是将原始数据序列打乱，使得交织前后数据序列的相关 性减弱。 按照不同的交织方式，交织分随机交织、块交织、卷积交织等。随机交织实 际上是伪随机交织，通过把数据进行伪随机排序处理，得到近似随机的输出，多 用于保密通信和扩频通信领域。块交织是通过将待交织序列存储在朋n 矩阵中， 按照行写入、列写出的原则，每次对m x n 各数据进行交织，这种交织的结构简单、 易于实现，缺点是需要存储空间大、交织和解交织延时长。卷积交织由延时成等 差递增的l 路移位寄存器组成，输入数据依次进入l 路( 交织深度) 不同的输入 端，输出数据经过延时从相同的路读出，等差的延时数b 称为交织宽度。由于延 迟不同，相邻的输入数据在输出端被离散化。卷积交织的优点是输入输出同步， 性能相同的情况下，所需的存储空间是块交织的一半。图2 6 为卷积交织的原理图， 图中交织的第o 条支路没有移位寄存器，输入的数据在没有延时的情况下直接输 出，第n ( n l ) 个输入数据将进入第n 条支路，并经过n x m 个延迟之后输出。 当n = l 之后，输入数据重新开始依次进入b 条不同的支路，然后经过相应的移位 输出。 d t m b 系统采用了时域符号交织技术以提高抗脉冲噪声干扰能力。时域符号 交织编码是在多个信号帧之间进行的。数据信号的数据块间交织采用基于星座符 号的卷积交织编