（电路与系统专业论文）dvbt数字电视信道调制器的研究与设计.pdf

硕士学位论文 摘要 本文是基于d v b t 数字电视信道编码调制器的设计项目而写的。文中对信 道调制部分进行了深入研究并设计了相关模块。信道调制部分采用了o f d m 调 制技术，本文在f p g a 平台上利用i f f t 算法实现了o f d m 调制模块。 文章主要围绕着o f d m 调制的实现来展开。首先分析了几种数字调制技术 的原理及特点，重点研究了o f d m 的实现原理及其应用于数字电视信道调制上 的优势；其次论述了d v b t 传输系统整体结构，详细解析了o f d m 调制部 分，确定了所需的参数和技术细节，推导出了如何采用i f f t 算法来实现o f d m 数字调制；再次对i f f t 算法的实现做了深入的研究，选择了合适的运算方法， 蝶形单元采用按频率抽取基2f f t 算法，提出了两种运算实现结构，经比较分 析，确定采用双通道流水线方式来实现i f f t 运算；接下来在f p g a 平台上，利 用v h d l 语言设计了2 k 模式的o f d m 调制器，即2 0 4 8 个点的i f f t 运算模 块；最后利用q u a r t u si i 软件进行系统仿真，各方面性能基本满足需求，同时 提出了一些有待改进的设想和方案。 o f d m 调制应用于数字电视传输系统，其信号实时性和带宽要求都很高。 2 k 模式需要在2 2 4 闺内完成2 0 4 8 个复数点的i f f t 运算，设计的难点在于如何 快速、高效地实现大量数据的i f f t 运算。通常的c p u ，即使d s p 器件根本无 法满足要求，且在数字电视前端设备信道调制部分没有现成的i c 可以利用，因 此只有通过f p g a 来设计独有的o f d m 模块。本文提出的基于双通道流水线i f f t 运算模块控制信号简单，易于在f p g a 上实现，数据处理速度快，能够满足 实时性要求。 关键词：信道调制；数字电视；正交频分复用；傅立叶反变换；流水线结构 a bs t r a c t t h et h e s i si sa c c o r d i n gt ot h ep r o j e c to fd v b - td i g i t a lt e l e v i s i o nc h a n n e l c o d em o d u l a t o r 。c o n c e n t r a t e so nt h ec h a n n e lm o d u l a t o rr e s e a r c ha n dd e s i g n c h a n n e lm o d u l a t o ru s e so f d mm o d u l a t i n g ，i ti si m p l e m e n t e db yi f f to n f p g ap l a t f o r m t h et h e s i sm a i n l ys u r r o u n d st h e r e a l i z a t i o no fo r t h o g o n a lf r e q u e n c y d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ( o f d m ) w h i c hi st h ek e yt e c h n o l o g yo fd v b - t c h a n n e l m o d u l a t o r f i r s t ，t h i st h e s i sp r o v i d e sa no v e r v i e wo ft h ed i g i t a lm o d u l a t i n g ， f o c u s e so nt h eo f d mp r i n c i p l ea n di t sa d v a n t a g e o nd i g i t a lt e l e v i s i o n m o d u l a t i n g s e c o n d ，t h ew h o l ed v b tt r a m s m i s s i o ns y s t e ma r c h i t e c t u r e i s d i s c u s s e d ，t h eo f d mm o d u l e i s a n a l y s e di nd e t a i l a n di t s t e c h n o l o g i c a l p a r a m e t e r s i sc o n f i r m e d ，h o wt oi m p l e m e n to f d mb yi n v e r s ef a s tf o u r i e r t r a n s f b r m ( i f f t ) i sa l s od e d u c e d t h e ni f f ta l g o r i t h mi sd e e p l yr e s e a r c h e d ， f r e q u e n c ys a m p l er a d i x 一2i f f ta l g o r i t h mi sa p p l i e d t w oi f f tc a l c u l a t i n g a r c h i t e c t u r ei sp r o p o s e da n dc o m p a r e d ，d o u b l ep a s s a g e sp i p e l i n em e t h o di s c h o o s e dt oi m p l e m e n ti f f t f o l l o w e d ，o nf p g ap l a t f o r m ，a ni n t e g r a t e d2 k m o d eo f d mm o d u l a t o ri si m p l e m e n t e db yv h d l ，t h a ti s 2 0 4 8p o i n ti f f t c a l c u l a t i n gm o d u l e f i n a l l y ，s i m u l a t i o ni sp e r f o r m e db ye d ad e v e l o p m e n t t o o lq u a r t u si it oe n s u r et h a tt h ef u n c t i o n sm e e tt h ed e m a n d s i na d d i t i o n ， s o m ei m p r o v i n gc o n c e i v e sw i t ht h ep r o je c ti sp r e s e n t e d o f d mm o d u l a t i n ga p p l y i n gi nd 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 y t e mw i t h h i g hr e q u e s to fr e a l t i m ea n db a n d w i d t h ，f o re x a m p l e ，i n2 km o d ei t n e e d st o c o m p l e t e2 0 4 8p o i n t si f f tt r a n s f o r mi n2 2 4 z s t h ed i f f i c u t y l i e si nh o wt o d e s i g naq u i c k l ya n de f f i c i e n t l ym a s sd a t ai f f tc a l c u l a t i n g m o d u l e i nr e s p e c t t h a tn e i t h e rt h eg e n e r a lc p ue v e nd s pc a ns a t i s f i e st h er e q u e s t ，n o re x i s t i n g i cc a nb eu s e d ，i m p l e m e n t i n go f d mm u d u l ew i t hf p g a i sas p e c i a lm e t h o d t h ed o u b l ep a s s a g e sp i p e l i n ei f f t a r i t h m e t i ca r c h i t e c t u r eh a sc h a r a c t e r i s t i c s o fe a s i l yi m p l e m e n t i n go nf p g a 、h i g h tp r o c e s s i n gs p e e da n ds a t i s l y i n gt h e s y s t e mr e a l t i m er e q u e s t k e yw o r d s ：c h a n n e lm o d u l a t i o n ；d t v ；0 f d m ；i f f t ；p i p e l i n ea r c h i t e c t u r e 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得 的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个 人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承 担。 作者签名： 郭哮剑 日期矿7 年月，6 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权湖南大学可以将本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和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“ ) 作者签名： 导师签名： 日期之刁年b 月，专日 日矩垆月跖日 硕士学位论文 1 1 数字电视的发展状况 第1 章绪论 伴随着电视广播的全面数字化，传统的电视媒体将在技术、功能上逐步与通信领 域的其它手段相互融合，从而形成全新的、庞大的数字电视产业。数字电视技术的应 用，能够使运营商在提供电视节目这项基本服务的同时，实现诸如用户控制、电视短 信、电视网站、电子杂志、电视购物、电视游戏、视频点播等多项增值服务。 数字电视传输主要包括卫星传输、地面无线传输以及有线传输三种传输模式，其 中以地面传输标准使用最为广泛、技术最为复杂。欧洲、美国和日本都制定了数字电 视传输标准，并得到了广泛应用。如欧洲的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 ) 标准主 要包括数字卫星电视广播d v b s ( d v b s a t e l l i t e ) 、数字有线电视广播d v b c ( d v b c a b l e ) 和数字地面电视广播d v b t ( d v b t e r r e s t r i a l ) 这三个标准。在我 国，卫星数字电视广播已初步确定采用欧洲的d v b s 标准；在有线数字电视广播方 面，由于众多运营商的推动，欧洲的d v b c 标准已成为事实上的行业标准。 1 2 国外数字电视地面传输标准 目前国际上共有三套成熟的数字电视地面传输标准【1 1 ，即：美国1 9 9 6 年高级电视 系统委员会( 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 ，a t s c ) 研发的“格形编码八电平 残留边带一( 8 一v e s t i g i a l s i d eb a n d , 8 - v s b ) ，欧洲1 9 9 7 年提出的数字地面电视广播 ( d v b t ) 采用编码正交频分复用( c o d i n go r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o n m u l t i p l e x i n g , c o f d m ) ，日本1 9 9 9 年提出的地面综合业务数字广播( i n t e g r a t e d s e r v i c e sd i s t a lb r o a d c a s t i n g - t e r r e s t r i a l ，i s d b t ) ( 1 ) 美国a t s c8 - v s b 系统：a t s c 采用的8 电平残留边带调制方式，它是有导 频的单载波调制，也是对现有成熟a m 调制技术的发展。它能够可靠地在6m h z 内用 8 - v s b 调制传输1 9 3 6m b p s 的数据。8 - v s b 系统加入了0 3 d b 的导频信号，用于辅助 载波恢复，并加入了段同步信号，用于8 - v s b 系统同步。系统噪声门限低( 理论值 1 4 9d b ) ，抗多径干扰的能力依赖于复杂的自适应均衡器，但对回波时延变化很敏 感。系统提供固定的接收，不支持移动接收。 ， ( 2 ) 欧洲d v b t 系统【2 】：欧洲d v b t 系统采用c o f d m 调制方式，把传输比特 分割到数千计的低比特率副载波上( 例如，2k 模式有1 7 0 5 个载波；8k 模式有6 8 1 7 个载波) 。欧洲系统中放置了大量的导频信号，穿插于数据之中，并以高于数据3d b 的功率发送。这些导频信号完成系统同步、载波恢复、时钟调整和信道估计。导频信 号数量多且散布在数据中，能够较为及时地估计信道特性的变化。为进一步降低多径 效应造成的码问干扰，欧洲系统又使用了“保护间隔”技术，以抵御多径的影响。可以 d v b - t 数字电视调制器的研究与设计 认为，大量导频信号插入和保护间隔技术是欧洲系统的技术核心，正是这两项技术使 欧洲系统能在抗强多径和动态多径及移动接收的实测性能方面优于美国a t s c8 - v s b 系统。另外，欧洲系统还对保护间隔长度和调制星座等参数进行组合，形成了多种传 输模式供使用者选择。不过d v b - t 的综合频带利用率比美国的v s b 方案低，它是以 额外开销系统传输容量为代价来换取系统的抗多径性能。 ( 3 ) 日本i s d b t 系统：日本提出的“综合业务数字广播 即i s d b t 系统使用 的编码调制方式与d v b t 基本相同，可以说是经修改的欧洲方式，不同之处在于接收 方面增加了部分接收和分层传输，将整个6m h z 频带划分为1 3 个子带，每个子带4 3 2 k h z ，将中间一个用于传输音频信号，并大大加长了交织深度( 最长达0 5s ) ，增加 交织深度将引入长达几百m s 的延迟，该延迟将影响频道切换和双向业务。 ( 4 ) 表1 1 所示，三种国外地面数字电视传输系统的比较。 表1 1 三种数字电视传输系统的比较 美国的a t s c 标准欧洲的d v b t 标准日本的i s d b t 标准 频道宽度 6 z 6 m h z 、7 征i z 、8 皿王z6 a m z 、7 z 、8 m h z 视频压缩m p e g - 2 视频编码m p e g 2 视频编码m p e g - 2 视频编码 h d t v l 9 2 0 1 0 8 01 6 ：9h d t v l 9 2 0 1 0 8 01 6 ：9h d t v l 9 2 0 x1 0 8 01 6 ：9 图像格式 s d t v 7 0 4 x 4 8 04 ：3 s d t v 7 0 4 5 7 6 4 ：3s d t v 7 2 0 x 5 7 64 ：3 d o l b ya c 一3m p e g 2 层，m p e g - 2 层，a a c 音频压缩m u s i c a m 音频编码音频编码音频编码 复用方式m p e g - 2 系统t s 码流m p e g 2 系统t s 码流 m p e g 2 系统t s 码流 数据随机化1 6 位p l m s1 5 位p i m s1 5 位p i m s 信道外码 r s 码( 2 0 7 ，1 8 7 ，t = 1 0 )r s 码( 2 0 4 ，1 8 8 ，t = 8 )r s 码( 2 0 4 ，1 8 8 ，t = 8 ) 外码交织5 2 r s 块交织1 2 r s 块交织 1 2 r s 块交织 信道内码 网格编码( t c m ) 卷积编码卷积编码 内码交织网格交织卷积交织卷积交织 调制技术8 - v s b 调制1 6 q a m 3 2 q a m 6 4 q a mo f d m 调制 总码率 1 9 “- 2 8 m b s ( 6 m h z ) 4 9 8 , - - 31 6 7 m b s ( 8 m h z )3 6 8 - - 2 3 4 2 m b s ( 5 6 m h z ) 载波数单载波2 k 、8 k2 k 、4 k 、8 k 接收门限 1 5 d b 1 9 d b 1 9 d b 传输方案 8 v s b 传输方案 o f d m 传输方案分频段o f d m 传输方案 抵御电气干扰能力强 克服多径干扰能力强克服多径干扰能力强 特征 有效的覆盖区域 可做单频网 可做单频网 不考虑移动接收可用于移动接收可用于移动接收 2 硕士学位论文 1 3 国内数字电视地面传输标准 我国提出了5 套地面数字电视广播传输方案【3 】： ( 1 ) 以上海交大为主组成的国家h d t v 总体组的l 号提案，即高级数字电视广 播系统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 ) ，为混 合传输模式的单载波系统，是由美国a t s c 标准发展而来； ( 2 ) 国家h d t v 总体组的2 号提案，即地面数字电视广播系统，基于多载波调 制技术； ( 3 ) 国家广电总局广播科学研究院的技术方案，射频子带分割双载波混合调变系 统( c d t a ，r ) ，由欧洲d v b t 标准发展而来； ( 4 ) 清华大学微波与数字通信国家重点实验室提出的技术方案，即基于地面数字 多媒体电视广播传输协议的d m b t 【4 】，采用时域同步正交频分复用调制技术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 lf 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 ) ，由欧洲 d v b t 标准发展而来； ( 5 ) 成都电子科技大学的技术方案，即同步多载波扩频地面数字电视传输系统 ( s m c c c o f d m ) 。 我国地面数字电视标准将采用融合标准，即在原有清华大学的d m b t 、上海交大 的a d t b t 、广播科学研究院t i m i 的基础上，进行技术改造，最终将三者融合成一个 国家标准。 由于该标准出台较晚，国内很多城市已铺设了d v b - t 地面数字电视网络，d v b t 还将在一段时间内存在。 1 4 论文的研究内容及结构安排 本文是基于设计d v b t 数字电视信道编码调制器项目而写的，本人主要负责信道 调制部分。数字电视信道调制器用于数字电视传输系统前端设备，可以有效提高发射 信号的抗干扰能力。文章中主要对信道调制做了深入的研究，并设计了基于f p g a 的 o f d m 调制实现方案，用v h d l 语言编程实现，经过仿真验证各方面性能符合要求。 设计中提出了很多新的思路和方法，在设计运算模块的时候，尝试了多种方法，最后 采用双通道流水线方式来实现2 0 4 8 个点的i f f t 运算器，其具有运算速度快、结构简 单、控制简便等特点。适合于高速率、大容量的复杂f f t 运算。在v h d l 编程设计中 利用了l p m 宏单元简化了设计过程，提高了器件利用率和运算效率。 第1 章论述了数字电视的发展现状和现存各种数字电视标准的制定和应用； 第2 章论述了数字调制的基本原理，研究了调制器设计中将要用到的q p s k 、 m p s k 、m q a m 等调制方法； 第3 章深入分析了了d v b t 传输系统及o f d m 调制，对d v b t 传输系统做了 整体分析，重点研究了o f d m 调制部分，为接下来的设计奠定了理论基础，确定了关 键部分的技术参数； d v b - t 数字电视调制器的研究与设计 第4 章深入研究了i f f t 的实现方法，i f f t 作为o f d m 的实现手段，选取了合适 的运算结构来实现i f f t 运算； 第5 章设计了基于f p g a 的o f d m 调制模块，介绍了各运算子模块，并用v h d l 编程实现。进行了相应的仿真和验证，主要指标都满足要求； 最后在结论中对全文进行总结，并提出了有待进一步改进的设想。 4 硕士学位论文 第2 章数字调制实现方法 2 1 数字调制基础 在长距离信号传输中，特别是d v b t 用于无线长距离传输，必须通过调制措施对 高频载波进行调制之后的已调波向外传输。模拟信号中的调制有调幅( a m ) 、调频 ( f m ) 和调相( p m ) 以及高频脉冲载波的脉宽调制( p w m ) 和脉冲阶梯调制 ( p s m ) 等。数字调制是由数据流对高频载波进行调制，对于正弦高频载波，也有调 幅、调频和调相三种基本调制方式。 原则上数字调制和模拟调制没有本质区别。模拟调制中是由模拟信号的瞬时值改 变载波信号的某个参量( 幅度、频率或相位) 实现载波调制的，模拟信号在时间上和 幅度上都是连续的，所以载波信号的调制参量也是连续变化的。在接收端，对接收到 的已调制载波的被调制参量的连续变化进行检测，由此解调出来模拟调制信号。数字 调制中，由时间上离散和幅度上离散的数字信号改变载波信号的某个参量，使之作相 应的离散变化。在接收端，对接收到的离散的变化的被调制参量进行检测，由此解调 出原来数字信号。 数字调制信号也称为键控信号，可分为幅度键控( a s k ) 、频移键控( f s k ) 或 相移键控( p s k ) 。这三种方式分别对应于模拟调制中的调幅( a m ) 、调频( f m ) 和调相( p m ) 。 数字调制中典型的调制信号是二进制调制。为了提高高频载波的调制效率，也常 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高的码率。高频载 波的调制效率用每赫兹( h z ) 已调波带宽内可传输的码率( b i f f s ) 来表示，单位为 b i f f s h z 。多进制调制中，若干个比特构成一个符号，得到一个2 七= m 迸制符号逐个符 号对高频载波作多进制的a s k 、f s k 或p s k 调制。已调波高频调制效率用b a u d h z 表 示。 2 2q p s k 调制 q p s k 可以看成是两个相移键控2 p s k 综合构成的，2 p s k 表示为： 础，=：cso僦s 旺1 ) l -饼致_ 惦刀l 盯i 在q p s k 中如图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m ) 标记；令b 路比特序列0 和1 也以+ 1 和1 表示，并用函数表示。再由i ( 0 对载波s i n 研进行平衡调制，也即妁与s i n r o t 相乘，得到i ( t ) s i n c a t = ：t ：s i n c a t ；同样的，由对载波c o s c a t 进行平衡调制，得到 d v b t 数字电视调制器的研究与设计 鲫c o s r _ a 旷= 4 - c o s ( a t 。然后将士s i i l 饼与a - c o s c a t 信号相加，从而形成q p s k 信号。因 此，q p s k 调制器实际_ ed di e 交平衡调制器组成。 图2 1q p s k 调制 a 、b 码元的调制波组合形成4 种绝对相位的q p s k 信号，如表2 1 所示。 表2 1 载波相位 双比特码元 载波相位1 i r a b ( q )a 方式b 方式 o ，+ lo ，+ l4 5 0 0 0 0 ，+ ll ，13 1 5 02 7 0 0 l 。- ll ，12 2 5 01 8 0 0 l ，一lo ，+ l1 3 5 09 0 0 图2 2 为已调相波星座图。如果基准载波的相位为_ 4 5 0 ，即i ( t ) 对载波s i n ( at 一4 5 0 ) 进行平衡调制，对载波s i n ( c a + 4 5 。) 进行平衡调制，得到的载波相位是表2 1 中的 b 方式数值，参见图2 2 中的“ 点，a b 码元的4 中组合状态由相位相邻间隔9 0 0 的 四个载波震荡( 0 0 ，9 0 0 ，1 8 0 0 ，2 7 0 0 ) 表示。 j。q i = li = o q = o q ：o ，u。 一 i ：l ：(i = o q = 1 q = 1 图2 2 q p s k 星座图 6 硕士学位论文 2 3m p s k 和m q a m 调制、 2 3 1m p s k 调制 m a s k ( 多进制幅度键控) ，即以多种符号电平( 士1 、士3 、士5 ) x e y s i n c o t 或c o s c a 载波进行幅度调制，这时的星座图是在水平轴( i 轴，载波为s i n c o t 时) 或垂直轴( q 轴，载波为c o s c o t 时) 上呈线状分布的m 个矢量端点。而在m p s k ( 多进制相移键控) 调制中，已调波的星座图是均匀分布在同一圆周上的m 个点。图2 3 为8 p s k 的星座 图，在圆周上均匀分布了8 个点。其调制框图如图2 4 所示。 q + l b 2 b ： ，- 。 - ，一 一 0 1 旷、 0 1 0 j0 1 0 0 1 0j 1j j + l。 ： 、 il0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 一。 - 1 图2 38 p s k 星座图 采用m p s k 调制中m = 2 量，调制效率是2 p s k 的k 倍。m 越大，频谱利用率越 高，同时相邻星座点之间的夹角越小，已调相信号的抗相位干扰能力越低。 图2 48 p s k 调制电路框图 2 3 2m q a m 调制 由上所述可知m p s k 的载波矢量端点按圆周状分布，它与m a s k 的载波矢量端点 按线状分布类似，都只占据调制平面内的一维位置，未充分利用整个调制平面位置。 m 增大时m p s k 信号容易受相位噪声干扰，而m a s k 信号易受幅度噪声干扰。m 增 加时m p s k 信号矢量之间的相位差减小，m a s k 信号矢量间的幅度差减小，都不利于 7 d v b - t 数字电视调制器的研究与设计 对信号码元作出正确的数据判决。为了解决这个问题，有m a s k 和m p s k 相结合的 m q a m 调制方式。它可以充分利用整个调制平面，在相同的m 值可使m q a m 的抗干 扰能力强于m a s k 和m p s k 。 1 6 q a m 调制电路的方框图如图2 5 所示，输入的串行数据流经过串并变换器分成 两路双比特流b l b 2 和b 3 b 4 ，它们分别由数模变换器把4 种数据组合( 0 0 ，0 1 ，1 1 ， 1 0 ) 变换成4 种模拟信号电平( + 3 ，+ 1 ，1 ，3 ) ，上，下支路的模拟输出分别调 制载波信号s i n c o t 和c o s a l t ，然后通过加法器使两个已调波相加，得到合成的调制波信 号1 6 q a m 输出。 图2 51 6 q a m 调制器框图 图2 6 为1 6 q a m 星座图中星座点与b l b 2 b 3 b 4 四比特数据之间的关系。 q 一、 石o o o 品oo o 朱 | | f 1 0 0 1 1 1 0 1 o 南1o o 占l 。 k t j ， 0 1 1o o r l ? b l b 2 b 3 1 留n i , n l l lt )o o 赢 7 图2 61 6 q 舢v l 星座点与码元的关系 1 6 q a m 为常用的m q a m 调制方式，其他还有4 q a m ，3 2 q a m ，6 4 q a m ，1 2 8 q a m 和2 5 6 q a m 等。其中4 q a m 实际与4 p s k 是等效的，星座上都是4 个星座点。全 部可能的m q a m ( m _ 4 ，1 6 ，3 2 ，6 4 ，1 2 8 ，2 5 6 ) 的星座图综合如图2 7 所示。m 为 2 的偶次方时( m = 2 2 ，2 4 ，2 6 ，2 8 ) 星座图呈方形，m 为2 的奇次方时( m = 2 5 ， 2 7 ) 星座呈缺角的十之形。 8 硕士学位论文 ju m =2 5 6 m =1 2 8 m =：6 4 m - -! 勉 m !：醺 m 三：4 一 i 图2 7m q a m 调制的各种星座图 2 3 3m q a m 与m p s k 比较 1 6 p s k 与1 6 q a m 的载波调制矢量都有1 6 个端点，因而也有相同的高频载波带宽 效率，但在抗干扰能力上是有差别的。假设已有信号两者有同等的最大幅度1 ，可以 算出，在相同的m 值下，m p s k 中星座图上相邻星座点的最小距离巩艘为 = 2 s i n ( 1 8 0 。m ) ( 2 1 ) 而对于m q a m ，若m = 2 七中七为偶数，则其相应的最小距离丸麟为 ：2 ( l 一1 ) = 2 ( m 1 ) ( 2 2 ) 式中，m - r ，l 为星座点在水平轴和垂直轴上的投影点数目。由式( 2 1 ) 和 ( 2 2 ) 可知，当m = 4 时得到吐麟2 d 删实际上吐粼和d 4 渊的星座图是相同的当 m 4 时吐脚 吐洲，1 6 q a m 的抗干扰能力强于1 6 p s k 的抗干扰能力。当平均功率受 限时，m q a m 的优点更明显，因为m q a m 信号的峰值功率与平均功率之比为 屹：名塑l ( 2 3 ) 2 ( 2 i - 1 ) 2 而m p s k 信号的峰值功率与平均功率之比为k l , = 1 ，所以在相同平均功率下比 较，比或麟又可加大倍。 9 d v b t 数字电视调制器的研究与设计 2 4o f d m 调制研究 2 4 1o f d m 应用领域 o f d m 技术是h p a 联盟( h o m e p l u gp o w e r l i n ea l l i a n c e ) 工业规范的基础，它采用 一种不连续的多音调技术，将被称为载波的不同频率中的大量信号合并成单一的信 号，从而完成信号传送。由于这种技术具有在杂波干扰下传送信号的能力，因此常常 会被利用在容易受外界干扰或者抵抗外界干扰能力较差的传输介质中。 o f d m 技术的应用已有近4 0 年的历史，主要用于军用的无线高频通信系统。但 是，一个o f d m 系统的结构非常复杂，从而限制了其进一步推广。直到上世纪7 0 年 代，人们采用离散傅立叶变换来实现多个载波的调制，简化了系统结构，使得o f d m 技术更趋于实用化。8 0 年代，人们研究如何将o f d m 技术应用于高速m o d e m 。进入 9 0 年代以来，o f d m 技术的研究深入到无线调频信道上的宽带数据传输 5 1 。目前 o f d m 技术已经被广泛应用于广播式的音频、视频领域和民用通信系统【6 】，主要的应 用包括：非对称的数字用户环路( a d s l ) 、e t s i 标准的数字音频广播( d a b ) 、数 字视频广播( d v b ) 、高清晰度电视( 玎) t v ) 、无线局域网( w i ，a n ) 等。 o f d m 在数字广播电视系统中取得了广泛的应用，其中数字音频广播( d a b ) 标 准是第一个正式使用o f d m 的标准。另外，当前国际上全数字高清晰度电视传输系统 中采用的调制技术中就包括o f d m 技术1 7 1 ，欧洲h d t v 传输系统已经采用c o f d m ( c o d e do f d m ) 技术。它具有很高的频谱利用率，可以进一步提高抗干扰能力，满 足电视系统的传输要求。选择o f d m 作为数字音频广播和数字视频广播( d v b ) 的主 要原因在于：o f d m 技术可以有效地解决多径时延扩展问题。 o f d m 技术良好的性能使得它在很多领域得到了广泛的应用。欧洲的d a b 系统使 用的o f d m 调制技术其试验系统已在运行，很快吸引了大量听众。它明显地改善了移 动中接收无线广播的效果，用于d a b 的成套芯片的开发工作正在一项欧洲发展项目中 进行，它将使o f d m 接收机的价格大大降低，其市场前景非常看好。 2 4 2o f d m 实现原理 为了解决高速数据在通过开路通道传输时因多径效应引入的码间干扰问题，可以 采取的方法是在规定的高频带宽b 内均匀安排以n = 2 7 个子载波，同时将高码率的串 行数据流经串并变换器分路成n 个并行支路，使支路的码率相应地大为降低，然后由 n 路符号( 每符号由2 ，4 或6 比特组成) 分别对n 个子载波进行调制( 4 p s k ， 1 6 q a m 或6 4 q a m ) ，在将各路已调波混合，可得到总带宽为b 、频分复用的f d m 信 号。 各个载波的信号频谱是正交的，即各个载波的频谱间虽有重叠部分，但解调时利 用正交性可正确解调每个载波的调制符号。如果是8 m h z 的高频带宽的电视频道， n = 2 中的，值可取1 1 ，1 2 或1 3 ，即n = 2 0 4 8 ，4 0 9 6 或8 1 9 2 ，我们称之为2 k ( 载 波) 模式、4 k 模式和8 k 模式。理论上相邻载波间隔厂分别为8 x1 0 6 ( 2 0 4 8 ，4 0 9 6 ， 1 0 硕士学位论文 8 1 1 9 2 ) = 3 0 9 6 h z ，1 9 5 3 h z 或9 7 6 5 h z 。各个载波频率可表示为五，z ， 五，乃，m ，其中，乃= f o + j a y 。用角频率表示为，a t ， a t 2 ，国 ，彩1 ，其中，彩，= 国o + 必国。当对各个载波采用p s k 或者q a m 调制 时，每个国，有s i n a t ，f 和c o s a t ，f 两个正交载波可供一对j ，和q i 信号进行调制，而，和 q ，基带信号可以分别由l ，2 或3 比特( 对应与4 p s k ，1 6 a q m 和6 4 q a m ) 组成。如 图2 8 为o f d m 调制的原理框图。图中，输入数据流经串并和d a 变换后，j ，和q ， 数值为l ，3 或者土5 ，调制正交载波后得到相应的星座图，各路已调波经相加后复 用成最终的o f d m 信号输出。接收端对此o f d m 信号的解调是调制的逆过程。 串行数 据输入 卜 图2 8o f d m 调制原理框图 2 4 3o f d m 技术特点 与卫星传输信道和有线信道相比较，地面开路传输信道环境差，电磁波信号容易 受到各种各样的外来杂散电磁波干扰，因此，数字电视用于地面广播时须在完善的信 道编码基础上进一步选择优化的高频调制方式，在抗御随机误码和突发误码之外，还 应考虑到接收端抗御多径传输干扰的能力，在室外适应于便携接收的能力，以及车载 快速运动中的移动接收能力等。 就地面开路接收时的传输信道种类而言，有三种信道模型： ( 1 ) 高斯信道：这是天线接收信号只受到高斯噪声( 随机噪声，自噪声) 干扰的 信道模型； ( 2 ) r i c e a n 信道：这是天线接收信号接收到直达波之外还接收到多个反射的信道 模型，它对应于用室外屋顶天线时还会接收到高楼等来的许多多径反射波； ( 3 ) 瑞利信道：其接收天线接收不到直达波，只接收到许多反射波，对应于用室 内天线接收或室外便携接收和移动接收，接受点直视不到发射天线，只有大楼、山丘 等来的诸多反射波。 o f d m 正适合于多径接收，因为每路载波的调制符号数据率大为降低后其符号周 期显著增大，多径信号的延时时间( 几十微妙) 相对于符号周期只占很小比例，接收 d v b - t 效孚电视调制器的研究与设计 端接收时反而可能是多径信号能量与主信号能量被相加起来应用，使有害的多径变为 有利的所需信号。 至于在高速运动汽车内的移动接收，c o f d m 调制对于由多普勒效应引起的载波 频移问题也能适应。当汽车方向与电波到来方向相顺或向逆时，形成的最大多普勒频 移厶为： 矿 z d m = 睾五 ( 2 4 ) ， 山 ，1，c 、白- r7 l 式中，为最大车速，c 为光速，工为射频载波频率。 如果8 m h z 射频带宽内安置2 k 载波，相应的载频间隔矽约为4 k h z 。这时，最大 多普勒频移厶与矽之比约为占= 2 7 5 。理论和实践证明，这样的相对平频移不会破 坏多载波系统载波间的正交性能，占= 厶v 的比值不能超过6 2 5 。 因此，如果采用8 k 模式而鲈约为l k h z 时，厶须小于6 2 5 h z ，这时车速限 制为1 3 5 k m h 。或者，若容许2 4 0 k n d h 移动速度时，电视频道应为v h f ( v e r yh i g h f r e q u e n c e ) 波段第1 2 频道( 2 1 5 2 2 3 z ) 或更低的频道。 由此可见，从适应于高速移动接收看，采用2 k 模式的c o f d m 优于8 k 模式。然 而，从下面可知，对于多径传输和实施单频网( s i n g l ef r e q u e n c yn e t w o r k , s f n ) ，8 k 模 式优于2 k 模式。由于多径信号可辅助直达信号加以应用，因此，c o f d m 适合于在地 面上组成单频网s f n t 引，在第一发射机天线覆盖区域的邻近边缘地带，由第二、第 三、等发射机用同一载频进行接力广播以扩大覆盖区，如此推广开去，可做到用 同一频率在很大区域甚至全国内广播同一数字节目，如图2 9 所示为c o f d m 组成的 s f n 示意图。 6： 、 i ， t ：一、 ? 一。、 5 ： ，- ， 图2 9c o f d m 组成的s f n 示意图 1 2 硕士学位论文 2 5 小结 本章介绍了数字调制的基本原理，d v b t 数字电视信道调制中主要用到了o f d m 技术，因此对o f d m 做了详细的介绍和深入探讨。针对d v b t 数字电视信道调制需 求，讨论了o f d m 调制所需的参数及其优势。此外，在星座映射阶段用到了m p s k 和 m q a m 调制方式，对该两种调制方式也做了较为深刻的分析。该章为下面的设计做理 论上的铺垫。 d v b t 数字电视调制器的研究与设计 第3 章d v b t 系统o f d m 调制模块研究 3 1d v b t 传输系统 图3 1 为d v b t 的传输系统框图。输入端是视频、音频、和数据等复用的传送流 t s ( t r a n s p o r ts t r e a m ) 流，每个t s 包由1 8 8 字节组成，经过一系列信号处理后输出 c o f d m 调制的载波信号，这里o f d m 加上“c 而称为c o f d m 是因为在进行。 o f d m 调制前需要先对符号进行信道编码【9 1 。 图3 1d 一t 传输系统框图 观察发射端的信号流，d v b t 信号发射系统主要经过以下过程： ( 1 ) 信源编码及复用，音频信号采用m p e g 2 ( m o v i n gp i c t u r ee x p e r tg r o u p ) 音 频第二层或d o l b ya c 3 编码，视频信号采用m p e g 2 视频编码，传输码流采用 m p e g - 2 传输编码进行复用，通过复用使得原来传输一路模拟电视信号的信道可以同 时传送多路数字电视信号。每个传输包为1 8 8 字节，其中第一个字节为同步字节 “0 1 0 0 0 1 1 1 ，其他为传输数据能量扩散。 1 4 硕士学位论文 ( 2 ) 能量扩散为了保证在任何情况下进入传输系统的数据码流中“0 与“l 的 概率都能基本相等，首先用一个伪随机序列对输入的t s 码流进行随机化处理。伪随机 序列是由一个标准的伪随机序列发生器生成的，无论原t s 码流是何种分布，随机化后 的数据码流中的“o 与“1 一的概率都接近5 0 。从信号功率谱的角度看，随机化过 程相当于将数字信号的功率谱拓展了，使其分散开了，因此随机化过程又被称为“能 量扩散 。 ( 3 ) 纠错编码d v b t 系统中采用了级联的两层纠错的方法以增强f e c (