（信号与信息处理专业论文）dvbc可变符号率调制器研究与设计.pdf

y 6 8 9 2 2 9 浙江大学硕士毕业论文 摘要 数字高清晰度电 视( d i g it a l h d t v ) 是当 今世界 上 最先 进的图 象 压缩编码 技 术和数字通信技术的结合，是当今世界高技术竞争的焦点之 1 。数字视频广播 ( d v b ) 是欧洲 1 7 0多个组织共同开发出的数字高清晰度电视标准，它主要由 卫星广播 ( d v b - s ) 、地面广播 ( d v b - t ) 和有线电 视 ( d v b - c ) 三部分组成。 本文所研究的正是数字视频广播有线电视 ( d v b - c )调制器的系统构建和 核心算法的实现。 第一章对数字电视和d v b 标准的历史和其内 容进行了简要介绍。 第二章详细介绍 d v b -c调制器算法的所涉及的相关理论。在此基础上， 重 点 讨 论 了 基 于f p g a ( f i e ld p ro g r a m m a b le g a t e a r r a y ) 的 各 种 算 法 的 数 字 逻 辑 实 现。 第三章介绍了包括中频数字部分、控制部分和射频部分在内的 d v b - c调 制器的硬件系统结构。 最后设计一套行之有效的测量机制， 对整机系统的的各项 性能进行实测，并对该结果进行相关分析。 第四章对本次毕业设计进行小结，总结了 成功和不足之处，并予以 讨论。 关键字: d v b - c调制器可变符号率f p g a 浙江大学硕士毕业论文 ab s t r a c t h d t v ( h i g h d e f i n it io n te l e v is io n ) t e c h n o lo g y i n t e g r a t e s t h e m o s t a d v a n c e d im a g e c o m p r e s s e d e n c o d i n g t e c h n o lo g y a n d t h e d ig it a l c o m m u n i c a t io n t e c h n o lo g y . i t h a s b e c o m e o n e o f t h e f o c u s e s in t h e h ig h - t e c h c o m p e t it io n s . d v b i s t h e d ig it a l h d t v s t a n d a r d t h a t d e v e l o p e d 勿m o r e t h a n 1 7 0 o r g a n iz a t i o n s in e u r o p e . i t m a in l y c o m p r is e s s a t e l l it e , t e r r e s tr i a l a n d c a b le d ig it a l t e l e v i s io n s y s t e m s . t h i s p a p e r f o c u s e s o n t h e c o n s t r u c t i o n o f t h e w h o l e d v b - c m o d u la t o r s y s t e m a n d t h e r e a l iz a t i o n o f t h e c o r e a lg o r it h m . i n t h is p a p e r , c h a p t e r o n e m a k e s a b r ie f i n t r o d u c t i o n o f t h e h i s t o r y a n d t h e c o n t e n t o f dv b s t a n d a r d . b a s e d o n t h e b a s i c p r in c i p le s u s e d i n d v b - c m o d u la t o r , c h a p t e r t w o m a k e s a d e e p d i s c u s s o f t h e r e a l iz a t i o n o f t h e s e p r i n c i p le s m e n t i o n e d a b o v e in f p g a ( f i e l d p r o g r a m m a b le g a t e a r r a y ) . c h a p t e r t h r e e d e s c r i b e s t h e in t im id a t e f r e q u e n c y m o d u l e , c o n t ro l m o d u l e , r a d io f r e q u e n c y m o d u l e e t c o n t h is m o d u l a t o r . i n t h e e n d , a s p e c i f ie d m e a s u r e m e n t p r o c e d u r e i s d e s i g n e d f o r t h is m o d u l a t o r . a ft e r w e t e s t in g t h e w h o le s y s te m , d e t a i l r e s u l t s w a s r e c o r d e d a n d a n a l y z e d . t h e f in a l c h a p t e r i s a c o n c l u s io n o f t h e w h o le p r o j e c t . t h e j u d g m e n t a b o u t t h e s u c c e s s a n d s h o r t a g e o f t h i s d e s i g n i s m a d e k e y w o r d : d v b - c mo d u l a t o r v a r i a b l e da t a r a t efpga 浙江大学硕士毕业论文 第一章绪论 随着广播电视技术迅速地走向数字时代， 广播电视、 电 信、 计算机技术领域 不断渗透、 融合， 世界正在靠拢。 这同时也使原有的广播电 视系统和技术发生着 根本性的变化。 人们正从固有的观念中走出来， 不断地接纳和吸收数字视频广播 系统d v b ( d ig it a l v id e o b r o a d c a s t )这种新地技术。 . 1 数字化的优点 d v b技术的发展是以 计算机、超大规模集成电 路、数字信号处理、 通讯等 多项技术的发展为动力的。 数字化成为了技术发展的必然趋势。 因为数字化具有 诸多的优点: .使用数字传输抗干扰能力强。由 于采用了再生方法，基本排除了噪声和 失真积累的影响，提高了功率的利用率。 .使用最新的 数字传输信号设计方法进行信源编码与 信道编码联合设计， 包括使用网格编码调制 ( t c m ) 等编码调制技术，大大提高了功率濒谱的 综合利用率。 .可大大提高视频图像质量。由于采用数字滤波与数字存储，容易使用较 简单的方法消除噪声，改善其图像的信噪比:容易实现自 适应的二维、三 维亮色分离， 彻底消除亮色互相干扰;容易实现自 适应场内、场问、帧内 和帧间处理和增强，大大提高图像的清晰度，消除亮度闪烁和重影;可避 免系统非线性失真的影响，从而大大提高系统的稳定性和可靠性。 .容易实现数字存储和提供新功能。由于噪声的影响，模拟视频信号，复 制3 - 4 次后其图像质量就会急剧下降。采用数字化技术则很容易存储数字视 频信号， 进行多次复制而不会降低图像质量，并且，很容易提供许多新功 能的特技，诸如多画面、快速检索图像、图像缩放、随机访问、编辑和处 理图 像等。 .用于电 视广播时， 在整个用户接收覆盖范围内( 甚至在接收地区边缘) ， 由 于 其门限 c / a 呵比 模拟场合所需的o n ( 4 0 d b ) 改善 2 0 d b 左右，因此， 即 使其c / n 值约低于2 0 d b ，仍可获得接近无差错接收的高质量传输。 .无差错接收时，其主观评价质量能接近演播室质量，这是模拟传输所无 法比拟的。 .由 十 数 字传 输能 大大 提高 功 率的 利用率，因 此，电 视 广播所需的 发射功 浙江大 学 硕士 毕业 论文 率要比 模拟场合低许多，并可使用禁月 j 频道来传送电 视节日 ， 这有利于缓 解电视频道的紧缺状态，大大提高电 视频道的利用率。 .从设备实现而言，由于减少了 a i d , d / a 变换等环节， 可减少图像质量的 恶化与 损伤。同时，数字实现时易于安装、调试，能大规模生产，可靠性 高，等等。 .使用数字处理易于加密，有利于视频信号的保密措施。 . 由于数字化传输处理容易进入宽带综合业务数字网 ( b - i s d n ) ，因此适 合于未来的多媒体通信。 .数字压缩技术应用于卫星广播中，可以在一个转发器中传送多路节no 可以说数字广播电视的优势是传统的模拟方式根本无法比拟的。 正是由 于数字化的这些优点，世界各国都纷纷展开了对数字高清晰度电视 ( h d t v )的研究。 . 2 d v 日系统简介 欧 洲广播 联盟e b u ( e u r o p e a n b r o a d c a s t i n g u n io n ) 于1 9 9 0 年成 立了 联合技 术 委员 会j t c ( j o i n t t e c im i c a l c o m m itt e e ) ， 以 协助 起草广播电 视及相关领域的 标准。 根 据市 场需 求， 与1 9 9 3 年9 月d v b ( d i g i t a l v id e o b r o a d c a s t i n g ) 标 准开 始 立 项。 于1 9 9 7 年3 月，发布了 关于d v b传输标准的e n 3 0 0 7 4 4 。 现在，己 经有来自 全 球2 5 个国家的2 0 0多个组织成为起会员。 现在d v b系统己经形成了完全满足 实际需求的市场体系，并形成了与之配合的经济环境以 及电子和广播工业。 d v b ( d ig ita l v id e o b r o a d c a s t in g ) 意 为 数 字 视 频 广 播， 它 包 括了 卫 星、 电 缆 电 视和地面广播的普通电视和高清晰度电 视的广播与传输。 d v b项日 的 主要目 标是要找到一 种 对所有 媒体都 适用的 数 字电 视技 术和系 统， 对它的要求是: .系统应能 灵活传送m p e g - 2 视频， 音频和其他数据信号。 .系统使用统一的m p e g - 2 传送比 特流复用。 .系统采用统一的服务信息系统提供广播节目 的细节等信息。 .系统使用统一的一级r e e d - s o l o m o n 前向 纠错系统。 .使用统一的加扰系统，但可有不同的加密。 .选择适于传输媒体的调制方式以 及任何必须的附加纠错方法。 .鼓励欧洲以外地区使用d v b 标准，推动建立世界范围的数字视频广播标 准，这一口标得到了i t u 卫星广播的支持。 .支持数字系统中的图文电视系统。 d v b系统的主要标准有三个:d v b - s , d v b - c和d v b - t 。其中d v b - s 用 于1 1 / 1 2 g h z 频段的 卫星系统， 灵活配置可适用于大范围的 转发器与功率， 传输 层 的数据 码率 最大为3 8 . l m b p s ; d v b - c用于8 m h z 有线电 视系 统，与d v b - s 浙江大 学 硕士毕业 论文 兼容， 传输层的 数 据码率最大为3 8 . 1 m b p s ; d v b - t 用于地面 数 字电 视系统， 传 输层的数据码率最大为2 4 m b p s . d v b各种系统的核心技术是通用的mp e g - 2 视频和音频编码。门 前主要应 用于数 字卫 星和电 缆电 视广播的 是 m p m l , 第 一 代 d v b接收机将提供直到 6 2 5 行演播室质量”的图象，可以是 4 : 3 或 1 6 : 9宽高比。可根据业务要求 确定所用的码率， 般来说所选的码率越高，图象的质量越好，所占 频带越宽。 码率的选用与图象内容有很大关系， 对于运动较多图象如体育 节目 等应采用较大 的码率， 而对于卡通片等节目 可采用较小的码率。 因此日 前把多个节口比 特流复 用合成一个比 特流的情况下都采用统计复用的方法， 能在不同码率需要的节日门 灵活地分配总码率。 为了满足所有种类素材的要求， f b 6 0 1 演播室质量所需数码 率为6 rl t b p s o . 2 . 1 d v b - c系统 d v b - c 1 l 定义了 有线系 统由 设备 功能 块组 成， 框图 如图1 - 1 , 把基带电 视信 .甲，:*.-、 个 个 今 今 个 图 1 一 1 d v b - c系统 7 浙江大学硕士毕业论文 号与有线信道特性进行匹配。在有线前端，可考虑下述基带电视信号: . 卫星信号 . 其他外来信号源 . 本地节日 源 发端各个模块基本功能如下; .基带接口 同步 该单元将数据结构与信号源格式匹配。帧结构应与包括同步字节的 m p e g - 2 传送层一致 .s y n c变换和随机化 该单元将依据 m p e g - 2 帧结构转换 s y n c 1 字节，为了频谱成型，应对 数据流进行随机化。 .r s 码编码器 对每一个已随机化的传送包，该单元使用截短的 r s码编码，以 产生一 个误码保护包，这种编码也应在同步字节本身使用。 .卷积交织器 该单元应完成一个深度i - 1 2 的误码保护包的卷积交织， 同步字节的周期 仍不变。 .字节变换到m 比特符号 该 单元 将交织器 产生的 字节变换 成q a m符号。 . 差分编码 为获旋转不变星座图， 该单元应对每符号两个最高有效位 ( ms b s ) 进行 差分编码。 .基带成型 该 单 元将经 差分 编码的m比 特符号到1 和q 信号的映 射， 在q a m调制 前， 对i 和q 信号 进行余弦 滚降 平方根 滤 波。 .q a m调制和物理接口 该 单元完 成q a m调制。 之后， 它将q a m己 调 信号 连接到 有线电 视射 频 ( r e )信道。 . 2 . 2 d v b - s系统 d v b - s 2 1 卫星系统设计成能 使用一系列转发器带宽 ( 2 6 m h z - 7 2 m h z - d b ) , 它是一种插入固定 长mp e g传送流中的 视频， 音频与数据的 单载波系统，该打 包数据包括以下处理步骤: .首先，该数据每8 个包头部的同步字节反向 形成一种有规则结构。 浙江大学硕士毕业论文 数据内容进行加扰。 r e e d - s o l o m o n f e c 是额外数据包开销。由于效率高，故f e c 只把1 2 %开 销加入数据流信号，这对十所有传输系统而言成为外码或f e c . 卷积交织处理应用于数据包是进 一 步减少数据错误。 另 一 种卷积码处理用来进一步减少解码误差被成为内码，根据适合服务 提供者的需要而调用。 .最后，该数据信号 采用正交相移键控 ( q p s k )的 r f 载波调制。 该系统可改为满足特殊传输通道特性要求， 突发误码在误差校正的两层之问 被加扰，即内 码可被用到适合预先安排的系统使用者的线码。 . 2 . 3 d v b 一 系统 正 如其它d v b 标准的 情况一 样， m p e g - 2 音频与视频 编 码为d v b - t l3 l地面 传输模式的基础，草案技术条件的其它部分为: .外部运行状态编码和外卷积交织编码与其它d v b 标准相同。 .内 卷积编码和交织与d v b - s 相同。 .调制 惬道编码包 含两部 分: q p s k / q a m 和具 有可选保 护问 隔的 o f d m ( 正交频分多路传输)。 该 草案d v b - t技 术条 件考虑可2 级分 层调 制。 在 低级的q p s k / q a m情n 下， 可用含较少 误 差保护的 增强 信号， q a m虽 然耐固 性 低一 些， 却提 供了 个 较优质的信号。 调制系统包括o f d m和q p s k / q a m, o f d m使用许多载波来调制数字数据， o f d m已 成功地在数字音频广播d a b中 用来帮助消除多 径干扰问 题， 但抗多径 干扰就减少了传输容量。改善数据传输容量，增加o f d m载波数量，这就增加 了接收机的复杂性，因而增加了成本，所以采用了 择中方案。o d f m 最大的有 时就是实现更大面积覆盖的同频网传输。 . 3 本文主要工作 由于调制器所用的算法从纯粹的理论层面上看，己 经非常成熟了， e t s i ( e u r o p e a n t e l e c o m m u n ic a t i o n s s t a n d a r d s i n s t it u t e ) 给出 了 详 尽 系 统 算 法 和 系 统 结 构框架。所以本文主要是研究d v b -c调制器的实现方案，重点是放在该调制 器系统的硬件结构设计和调制算法的数字逻辑实现。 第一章对数字电 视和d v b 标准的历史和其内 容进行了 简要介绍。 第二章详细介绍 d v b -c调制器算法的所涉及的相关理论。在此基础上， 重 点 讨论了 基于f p g a ( f i e l d p ro g r a m m a b le g a t e a r r a y ) 的 各 种算 法的 数字 逻 辑实 浙江大学 硕士 毕业 论文 现。 第三章介绍了 包括中频数字部分、控制部分和射频部分在内的 d v b - c调 制器的硬件系统结构。 最后设计一 套行之有效的测量机制， 对整机系统的的各项 性能进行实测，并对该结果进行相关分析。 第四章对本次毕业设计进行小结，总结了成功和不足之处，并予以讨论。 . 4 本章小节 本章首先简要阐述了数字化是当前通信技术的发展趋势， 电视技术数字化是 大势所趋。此后介绍了d v b家族中的主要三个标准d v b -c , d v b -s , d v b -t的各自 技术特点。最后对本次论文的研究工作做了总体概括。 浙江大学硕士毕业论文 第二章d v b - c调制器中 频调制方案实现 数字化是信息时代的主题。 随着数字信号处理技术与超大规模集成电 路工艺 水平的提高， 数字通信系统中的模拟器件正在被数字化， 甚至全数字化。 数字调 制器介于比 特信息流和传输信道之问， 是进入传输网络的接口， 这就决定了调制 器必然是 一 种数字、 模拟混合的系统。 由于数字脉冲信号对噪声、 干扰不太敏感， 并且处理方便，所以调制器数字化带来很多优点。 第一，数字化的调制器具有较高性能，工作稳定可靠，不易受干扰; 第二，数字调制器调试相对方便，研制成功后有很好的一致性; 第三，数字化调制器具有通用的硬件平台， 甚至可以川软件来实现 ( 软 件无线电) ，具有较好的可重用、可修改性: 第四，数字化调制器具有更好的系统集成性， 可以与 系统编码、 甚至复 接器集成在 一 块板子或是芯片上。 本章给出了基于f p g a的符号率可变的d v b -c全数字中频调制方案。 . ， 中频系统整体结构 e t s i 给出了d v b -c的详细帧结构、信道编码和调制标准， 包括数据绕码、 r s 编码、 卷积交织结构、星座点生成。同时，由于d v b -c调制器要求实现数 据率可变的功能，我们在该调制器中采取了一系列内插结构，支持符号率从 3 .6 m b p 到6 .9 m b p s 可变。 具体结构如图2 - 1 0 图2 - 1中频整体结构 . z 扰码模块设计 . 2 . ，m序列 香农曾 指出， 在某些情况下， 为了实现最有效的通信， 应当采用具有白 噪声 浙江大学 硕士毕业论文 的统计特性的信号。 此外为了实现高可靠的保密通信， 也希望利用随机噪声。 伪 随机噪声具有类似于随机噪声的 一些统计特性， 同时又便于重复产生和处理。 它 具有随机噪声的优点，又避免了它的缺点，因此获得日益广泛的应f lj 。 m 序列是产生伪随机序列最长线性反馈移位序列的简称，它是由带线性反 馈的移位寄存器产生的周期最长的一种序列。一个阶数为k 的m序列， 它具有以 下这些特点:4 1 1在m序列的一个周期中， + 1 ”的个数比 “ 0 ”的数日 多一个。 2长 度为k 的 游程数日 占 游程总 数的2 - k ， 其中1 k ( n - 1 ) e 3 一个m 序 列 叽 与 其 经 任 意 次 迟 移 移 位 产 生 的 另 一 不 同 序 列 从模2 相 加 ， 得 到 的 仍 是 m p 的 某 次 迟 延 移 位 序 列 m s o 4 m序列自 相关函数为 r ( 二 ) _m + 1to ，一 : ,0 一 to ，三 _t.m 一 “， ( 2 - 1 ) 1.! i j =1 , 2 , . . .m一1 卜-l-m 一一 其经过傅立叶变化，可以得到其功率谱密度为: 只 ( w ) 二 脚十1 ms 51 产 t 2m )1 zisin (w 。 i (w t / 2 m ) 1 l) 1 k=a a , ( 2 , n ) 1 ，、 11 w 一 -i+ - d (w )t o 1 m z ( 2 - 2 ) 当 周期很长或 码元宽 度很小时，r ( t ) 近 似等于 冲击函 数6 ( t ) ，p , ( w ) 的 特性 趋于白噪声的功率谱特性。 从均衡性、 游程分布、自 相关特性和功率谱等特性可见，m 序列的与 随机 序列的基本性质很相似。 . 2 . 2扰码结构 在m p e g 2 15 传 送复用器之 后， 该 系统 输出 码 流 应为固 定 长度包组 合。 m p e g 2 传送数据包的总长是 1 8 8个字节， 其中包括一个同步字节 ( 4 7 h ) ，在发送端， 处理顺序都是从同步字节 ( 0 1 0 0 0 1 1 1 )的ms b 开始的。 伪随机二进制序列 ( p r b s )的生成多项式如下: ( q 8 ( x ) = 1 + x 14 + x is 理论结构如图2 - 2 所示。 ( 2 - 3 ) 浙 江大学 硕士 毕业 论文 在每8 个传送包开始时将序列 “ 1 0 0 1 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 ” 装入伪随机序列发生器 p r b s 计数器使其初始化。为给解码器提供 个启动信号，在一个8 个包长的组 中， 第一个包的m p e g同步字应逐比特倒相， 倒相从4 7 h 变成b 8 h . p r b s 生成 器输出的第 个比 特应作用于已 倒相的mp e g同步字节 ( b 8 h ) 后的第 一个字节 的第一 位。为了实现其他同 步功能， 在后继7 个传送包中， p r b s 继续工作，但 是其输出 无效， 不对这些字节随机化。这样p r b s 序列的周期为 1 0 5 3 个字节。 在调制器无比 特流输入时， 或与mp e g 2 传送码流格式不兼容时， 随机过程 1 2 3. 。 . 1 1 3 1 1 4 1 5 a n d x or r a n d o m i z e d d a t a o u t p u t e n a bi c l e a r / r a n d o m i z e d d a t a i n p u t 图2 - 2扰码生成器理论结 仍将继续。这是为了 避免调制器未调载波的发送。 . 2 . 3 扰码实现 图2 - 2 所示的数据处理结构， 是以比 特为单位， 在比 特率时钟上进行的。由 于输入的m p e g 码流是以 字为单位 ( 1 个字包含8 个比 特) 。 这样导致数字系统 处 理时 钟的 不兼 容。 为了 解决 这个问 题。 可以 将该模 块中 将系统时 钟f w o r d 倍频 置8 x f w o r d ， 但是这样将导致局部模块复杂性增加，于是采用下面的方法解决 这个矛盾。 以 系统时 钟f w o r d ， 触发该部分 结 构进行工作。 在 一 个系 统时 钟节拍内， 采 用并发处理结构， 完成一个字 ( 8 个比 特)的 扰码运算，并更新p r b s 寄存器。 具体实 现如下 面的v e r i l o g 代码: r e g 8 =r e g 1 5 +r e g1 4 ; r e g 7 = r e g1 4 + r e g1 3 ; r e gi 二r e g8 + r e g 7 r e g 1 5 := r e g 7 ; 浙江大学硕士毕业论丈 r e g9 =r e g 1 ; . 3 r s ( r e e d s o l o m o n ) 编码设计 . 3 . 1 r s编码算法 r s 码是一 种 最小 距离可分 码，常 用( n , k , d ) 表示r s 码; 其中 : n 为 码字长 度， k 为信息长度， d 为设计距离。 d v b -c系统中采用的是r s ( 2 5 5 , 2 3 9 ) 码 的 缩短 码r s ( 2 0 4 , 1 8 8 ) 。 这里的 码字 均在g f ( 2 勺域上。 g f ( 2 ) 域可以 理解为 在这个域上的1 个码元由m b i ts 组成，因 此，连续m b i t s 个错误仅相当于该码 一 个码元的 错误。 这样r s 码就可以大幅度提高抗突发错误的 能力。 r s 码的 参数具体 有如下关系: 6 2 -一i 刀一2 才 ( 2 - 4 ) -一- n充 jll. r s编码器可以 看作是一个多项式乘法器或除法器，其生成多项式可以表示 为: g ( x ) 一 fl( x 一 a i ) ( 2 - 5 ) 。 为 有限 域g f ( 2 - ) 的 本原 元素。 设 输 入 的 信 息 序 列 为m ( x ) = m k - 了一 ， 十 m k _ z x k - ， 十 十 m ix + m o ， 生 成 的 码 字 为c ( x ) = c - ix - ， 十 c _ 2 x - 2 + 一 + c _ k x - + . + c ,x + c o 。 采 用 系 统 码的 形 式 ， 则 c ( x ) = x - k m ( x ) 一 r ( x ) ， 其中r ( x ) = x - * - ( x ) m o d g ( x ) 。 r s 码的 最小汉明 距离为d m ; = 2 t + 1 , t 是能 够纠 正的 错误 个数。 这样， r s ( 2 0 4 , 1 8 8 ) 能够纠t =8 个错误， 码距为d =1 7 ; d v b 一c系统使用的r s 码本 原多项式为: p ( x ) = x 8 + x 0 + x + x 2 + 1 其生成多项式: ( 2 - 6 ) 浙江大学 硕士 毕业 论文 g ( x ) 一 f l ( x 一 。 ) ) - fl( x - a i ) 一 ( x 一 a ) ( x 一 。 2 ) . ( x 一 。 “ ) 一 i 司i 司 x 16 + 1 5 a i2 1 + x 4 a i0 6 + x i3 a i i0 + x i2 a 1 13 + x l ia 10 7 + x o a i6 7 + x a e 3 + x e a i +x i a i0 0 + x 6 a 20 f + x s a s b + x a is 1 + x 3 a 9 5 + x 2 a 2 0 8 + x a 2 4 0 + a 13 6 本文采用除法电路实现编码。编码电路的主要 器，如图2 - 3 所示: ( 2 - 7 ) 部分是一组线性移位寄存 图2 - 3 r s 编码的实现电 路 上图中的编码器是r 级编码器， r =1 6 ，即 含有 1 6 个反馈系数，这 1 6 个反 馈系数是r s ( 2 0 4 , 1 8 8 ) 码的生成多项式的系数。 . 3 . 2 r s编码器实现 编码器设计中， 域g f ( 2 ) 上的 多 项式 加法 器 和多 项式 乘法器是设 计的 关 键。 多项式加法器的实现比 较简单， 将域上两个多项式的对应系数异或即可: 多项式 乘法的运算比 较复杂， 若采用查表的方法实现，则需要 1 6 个查找表，耗费资源 太多。 如果多个乘法器共用一个查找表， 则系统的工作时钟必须要提高相应的倍 数，这将在很大程度上限 制真个编码系统的性能。 本文 采 用一 种比 较简 单的 方 法实 现在g f ( 2 8 ) 域上的多 项式乘法 运算。以 乘 。 12 1a 为 例， 说明g f ( 2 8 ) 域上常 数乘法 器的 实 现原 理。 g f ( 2 $ ) 中 的 每 个元素 均可以 表 示成它的自 然基 底1 , a , a 矿， 少， 矿 a 5 ，。 ，。 7 的 线性组合: 6 7 a 7 + 6 6 a 6 + b , a 5 + b , a 4 + b 3 a + b 2 a 2 + b ,a + b 0 在乘以。 12 1 后，有 ( 2 - 8 ) 浙江大学硕士毕业 论文 c = a 12 ( b 7 a 7 + b b a 6 + b 5 a 5 + b , a a + b 3 a + b 2 a 2 + b ,a + b o ) = b , a 12 8 + b 6 a 2 7 + b 5 a i2 6 + b a a 2 5 + b 3 a l2 s + b 2 a 2 3 + b ,a 2 2 + b o a l ( 2 - 9 ) 在g f ( 2 ) 域上，。 的 任何次 方 都可以 表 示 成a 的。 到7 次方的 组合， 并且 根 据g f ( 2 ) 域 本 原 多 项 式p ( x ) = x e + x + x + x ， 十 1 有 a 8 二。 a + a + a 2 + 1 ( 2 - 1 0 ) 将式 ( 2 - 9 ) 表示成只含有。 的。 到7 次方的组合形式，从而得到: c 7 二 b 7 . b b g b 3 g 6 2 g b , c 6 二 k b s 0 b 2 g b , g b b c s = b , g b 4 g b , g b a c a = b , g b 3 g b o c 3 =b 6 g b , c 2 = b 7 g b 6 g b 5 g b 3 g b 2 g b , g b o ( 2 - 1 1 ) c , ， 气(d b , 。 乓g 瓦 c o =ke b , g b 3 g6 2 其中e表示异或运算。根据 ( 2 - 1 1 ) 便可完成g f ( 2 ) 域上的多项式乘法运 算。 .4 卷积交织 .4 . ， 卷积交织结构 为了纠正数据在信道中传输时由于受到突发干扰而产生的突发错误， 常用的 方法是采用交织解交织措施， 也就是通过在发射端将所要发射的数据通过交 织将其顺序打乱，接收后解调的时隙输出经过 一 次解交织的反向处理重新组合， 使其变为原来顺序的序列， 这样就可以 将相邻的突发错误分散到纠错解码可以纠 错的范围。常用的两种方法来实现交织 解交织过程，分别称为“ 分组交织” 和 “ 卷积交织” 。由于 “ 卷及交织 解交织”的总延迟约为“ 分组交织解 交织” 的一半， 因此在现代的许多通信系统中， 常常采用“ 卷积交织解交织” 来对抗突发干扰。 d v b -c系统制定了以f i f o为单位进行信号处理的卷积交织器的结构， 如 图2 - 4 所示: 浙江大学 硕士毕业 论文 17 . 1 1 1 1 二1 - 1 图2 - 4卷积交织器理论结构 深 度 为i = 1 2 的 卷 积 交 织 处 理 应 基 十f o m e y 方 法 h l ( 是 一 种 对 典 型 的 突 发 误 码 信道的 突发纠错编码) ， 它与1 =1 2 的 第三类r a m s a y 方 法一 致。 己 交织的 帧 应 由交叠的误码保护包组成， 且应由m e p g 2同 步字界定 ( 保留2 0 4 字节的周期) 。 交织器由 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 深度为搏单元 先 进 先出( f i f o ) 移 位 寄 存 器， ( 这 里a l - 1 7 = n 1 1 , n = 2 0 4 = 误码保护帧长 度， 1 =1 2 = 交 织深 度， 1 = 分 支号 ) ， 该f i f o单元 应为 - 个字节， 且输入输出开关应为同步操作。 所有时候同步字节及倒相的同步字节都 应送到分支“ 0 ( 零延迟) 。 交织器数据输入端分成1 2 路， 每一路延迟不同符号 周期， 第 一路无延迟， 第二路 延 迟1 7 个符号 周期， 第1 2 路则 延迟( 1 2 一 1 ) x 1 7 个 符号周期。 输入端有一个开关随着时间推移依次 连接各个支路。 输出端有 一个开 关与 输入端- 一 对应，同步连接各支路。 .4 . 2卷积交织结构设计 由 于使用f i f o移位寄存器显得杂乱和零散，时钟管理比 较繁琐， 并且会在 f p g a占 用较多资源，故本文采用一种使用整块r a m代替多个f i f o移位寄存 器实现卷积交织。 可以 大大简化实现时的时钟和数据管理， 减小实现复杂度， 节 省系统资源和成本。 下面以一个长度为8 的f i f o移位寄存器来说明其操作原理。 如图2 - 5 所示: u c 6 幸 1 i : 3 1一 4 5 1 6 7 。 图2 - 5 f i f o操作原理 两边的箭头表示数据移动的方向。 a , b , c , d表示被处理的数据， 1 , 2 8 表示移位寄存器的存储单元。 在每一个时钟的 上升延来时， 数据向 右移动 存储单儿。这样在时钟控制下，数据从左至右通过存储单元。 .未 浙江大学硕士毕业论文 为了 达到与f i f o移位寄 存器处理的同 样结果，以 便于数据和操作时钟的管 理， 使川的r a m存储单 元等于f i f o内 存储单 元。读地址被写地址超前 一 个单 wri 图2 - 6 r a m模拟f i f o原理 元，即第n 个时钟来到向r a m中的第k -1 个单元写数据，同时从第k 个单元 读数据。 操作完毕， 则指针向 前指一个单元， 如果指针值超出r a m空f ill ， 则应 重置指针值为r a m头地址。 下面具体描述d v b - c调制器中所用卷积交织结构的r a m实现。 t e _ p o i n t e r r e a d - p o i n t e r 图2 - 7指针生成模块 交织器由i =1 2 个分支构成， 每个分支的延迟单 元数分别为0 , m, 2 m - . ( i -1 ) m , m =1 7 。 每 个 分支 延 迟 单 元数相差为m o 使用f p g a自 身单个r a m 实现多个f i f o移位寄存器， 将整块r a m按照f i f o移位寄存器的相应存储 单7 c 数量划分成i -1 个小块。 第1 个小块为m, 第二个小块大小为2 m, 依次类 推，第i -1 个小块大小为 ( i -1 ) mo m为一个存储子块。 如图2 - 7 所 示 ， 访 问r a m的 读 写 指 针由 三 部 分 组 成 。 第 一 部 分 是p b a n k , 指示当前操作的是哪一个小块， 该部分每来一个时钟， 值增加1 ; 第二部分是1 1 个指针p f ; ( i =1 , 2 , 3 , ， 1 1 ) 分别 用来指示，当 前 每个小块中 的哪 个存 储字块被操作。 在每一 个时 钟来时，由 小块存储单元切换控制器从这1 1 个指针 中选出操作小块需要的指针。 这1 1 个指针值每来1 2 个时钟， 更新一次; 第三部 浙江大学硕士毕业论文 分是索引当 前小 块中b y t e 的 指针p b y t e ， 该部分 也是每1 2 个时 钟周期更新一次。 这 三者之和用来索引 写 指针( w r i t e p o in t e r ) ， 同 时更新读指 针( r e a d _ p o i n t e r ) , 当指针值超出在每个小块的尾地址，重新置其为该小块的首地址。 . 5 码流变化和星座点映射 该模块把交织输出的字节流转化成调制所需要的符号并行流， 并且把符号映 射到 星 座图 上。 对于m q a m调 制， 一 个 符 号 对 应的比 特数 为m , m = lo g , 。 当 m取值范围 在 4 , 1 6 , 3 2 , 6 4 , 1 2 8 ,2 5 6 以 内 时， m相 应地为 2 , 4 , 5 , 6 , 7 , 8 1 . 所以 这里 码 流转换 的比 例应该在c p u控制下，可根据运行状态实时改变。 由 于 卷积交织 输出的 码流工作 在f w o r d 系统时 钟下， 而转换后的 符号 流工 作 在f s y m b o l 下。 为了 完成 不同 时 钟域的 转换， 采用了 一个深 度为3 x 8 b it s 的f i f o , 这 样， 在 f w o r d 触 发 下， 输 入 字 压 入f i f o中 。 在 ./ s y m b o l 触发 下， 从f i f o中 ， 弹出 一个s y m b o l 长度的 符号数据。 经过转换得到的符号 流， 需要对符号进行映射， 并 对符号的高两位进行差分 编码。 映射是在一定的映射逻辑下， 把原始符号与星座图上某一未知道星座点联 系起来，而该点在正交，同相两轴上的坐标值即为映射结果 ( 自 然码) ，两正交 轴上的自 然码输出 即为i , q 基带信号。 对高 两 位的 差分编 码是因 为正交移幅 键 控控制信号具有二 / 2 旋转对称特性， 解调时提取的参考载波相位有四重相位模糊 问 题，不能分辨同相和正交支路的信号。经过四进制差分编码/ 译码，就可以解 决这一问题。 具体结构如图2 - 8 所示d 1 图2 - 8 码流变换和星座点映射 差分编码的布尔表达式为: i k = ( a k e b k ) . ( a , ed i k - , ) + ( a , 乓) 。 ( 凡( d q k - 1 )( 2 - 1 2 ) 浙江大学 硕士毕业论文 级=( a k e b k ) o ( b , e) 级- i ) +( a k . b k ) o ( a k . i ,)( 2 - 1 3 ) 其中” o ” 为同或，。 为异或，.y ， 为与 操作， 年” 为或操作。 图2 - 9 给出d v b - c 6 4 q a m调制的映9 4 图。 6 4 - q a l l m 2 - 9 6 4 q a m电 平映射图 为了得到优良的调制信号， 星座点之f i ll 的最小距离应取得尽可能大， 但同时 又受到成型滤波器输入比特数的限 制， 不可能取得很大的 输入宽度， 否则滤波器 的资源占 用量将急剧上升， 所以 对于星座点固定的系统， 选取的输入宽度 一 般为 ( m / 2 + 1 ) l l 特 ， 映 射 结 果 集 为 士 ( m 一 1 ) , 士 ( m 一 3 ) ， 二 ， 士 1 , m /2 表 示 不 小 十m / 2 的 最小正整数。 由于我们要求星座点数是从4 到2 5 6 可变， 而系统中的成形滤波器 一般是固定输入宽度的，所以我们应选取一个合适的映射结果集合，使得从 q p s k到2 5 6 q a m的 情况 都能 够很 好地利用 成 形滤 波 器的 计算 精 度。 以下是一组合理的影射表: q p s k : + 1 5 , - 1 5 ) 1 6 q a m: ( + 1 5 , + 5 , - 5 ， 一 1 5 ) 3 2 q a m: f + 1 5 , + 9 , + 3 , - 3 , - 9 ， 一 1 5 6 4 q a m : + 1 4 , + 1 0 ,+ 6 ,+ 2 ， 一 ，- 6 ,- 1 0 ，一 1 4 1 2 8 / 2 5 6 q a m: + 1 5 ,+ 1 3 ,+ 1 1 ,+ 9 ,+ 7 ,+ 5 ,+ 3 ,+ i , - 1 ,- 3 ,- 5 ,- 7 ,- 9 ， 一 1 1 , - 1 3 ，一 1 5 ) . 6 采样率调整 整个q a m中 频调制系统的内 插模块，其工 作时钟是以 符号 速率f s y m b o l 为 基准的， 各 个数字逻辑模块 都分别工 作于 若干 倍符号 速率时 钟上。 q a m的 符号 率为3 m b p s - 6 .8 7 5 m b p 6 可 调， 而 整 个f p g a工 作时 钟 式固 定的5 6 m h z ， 这样 浙江大学硕士毕业论文 必须要使