（信号与信息处理专业论文）dvbt发射端输出接口的研究与实现.pdf

摘要 j 广播电视正由模拟向数字全面过渡，电视系统全面数字化韵潮流势， i 可挡一7 强前数字地面电视( d v b - t ) 也提到日程j ：来。论文就是d v b t 发 射系统研究课题中的一部分即：研究和实现d v b t 发射端输出接口，要求 将数字中频信号转换为模拟中频信号。 论文首先对c o f d m 的基本原理以及c o f d m d v b t 中的作用作j ， 简单介绍，然后对d v b t 发射端输出接u 原理及相关技术作了详细介绍， 最后详细介绍了d v b t 发射端输出接u 设 以及实现。 f 实验调试结果表明，作者设计的d v b t 发射端输出接口达到了设计要 犯k 关键词： 数字地商电视jc o f d m ：直接数字频率合成、单片机、数模转换 7 4 ， a b s t a r c t t e l e v i s i o n b r o a d c a s t i n g i s c o m i n gf r o ma n a l o g t e l e v i s i o n b r o a d c a s t i n g t o d i g i t a l t e l e v i s i o n b r o a d c a s t i n g a tt h es a m et i m e ，d i g i a lt e r r e s t r i a l t e l e v i s i o n b r o a d c a s t i n ga l s o i s c o m i n gi n t o o u rl i f e t h i s p a p e rd e s c r i b e st h e p r i n c i p l eo fap a r to f d v b - t t r a n s m i s s i o ns y s t e mt h e p u r p o s eo f t h i sp a p e ri s t o r e a f i z ed i g i t a l - t o - a n a l o ge o l w e r s i o n i nt h i sp a p e r ，f i r s t l y , t h eb a s i ct h e o r yo fo f d ms y s t e mi sd e s c r i b e d ，t h e n g i v e sa ni n t r o d u c t i o no fr e l a t e d t e c h n o l o g i e so ft h eo u t p u ti n t e r f a c eo f d v b t t r a n s m i s s i o n s y s t e m f i n a l l y ，t h i sp a p e rd e s c r i b e st h ed e s i g na n dr e a l i z a t i o n o f t h eo u t p mi n t e r f a c eo f d v b tt r a n s m i s s i o n s y s t e m i ns o f t w a r ea n dh a r d w a r e i tc o m e st o t h ec o n c l u s i o nt h a ta u t h o rr e a i i z e s t h ep u r p o s eo ft h e o u t p u t i n t e r f a c eo f d v b tt r a n s m i s s i o ns y s t e m k e y w o r d d v b - tc o f d md d s s i n g l e - c h i p - m i c r o c o m p u t e r d a 独创性声 明 本人声明所里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：进日期：弘缉2 且彩日 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：囊己盘舅导师签名：_ 煎 日期：加o ? 年2 月描日 电子科技人学硕士论文 第章绪论 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。1 9 9 7 年，美国宣布拟在2 0 0 6 年完成模拟到数字电视广播 的转换，给世界广播电视界很大震动。日本也已经承认m u s e 系统已经不 适合今后电视向数字化方向发展的趋势，并制定了i s d b 的实施计划。欧 洲自1 9 9 3 年起不得不放弃研制h d m a c 的计划，转向d v b 的开发研究。在 这种背景下，欧洲提出了数字视频广播规划。该规划始于1 9 9 3 年，已有2 5 个国家和地区的2 0 0 多家公司与组织参加，目标是制定欧洲的d v b 标准以 尽早引x d v b 业务。现在已制定数字卫星电视( d v b s ) 、数字有线电视 ( d v b c ) 、数字地面电视( d v b t ) ，由于其通用性和公开性，现已为 许多国家所采用。亚洲的印度、新加坡、中国香港等地区也开始发展数字 电视广播，中国已开始进行数字卫星电视广播( d v b s ) 业务并正在制定数 字电视广播的各项标准。在五年内，中国大部分的有线电视台将开展数字 电视广播，用户数将超过一千万。 1 1 数字技术的优点 1 信号质量高，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 传输效率高，多功能复用 大家知道在6 - 8 m h z 的带宽内只能传输一套模拟电视节目，而数字电 视信号经过压缩后能传送4 5 套电视节目，利用有限的频道资源，数字技 术还可以多功能复用，例如把数字图文信号插入场逆程中，可以传送各种 电子科技大学硕士论文 数据信息、电子出版物，把声音插入在声音载波上，可传送多路立体声。 数字电视信号在处理和传输过程中具有很强纠错功能。 3 双向交互性 数字电视广播可将一点对多点的“广播”扩展为点对点的交互系统 用户可以根据个人爱好去“点播”自己需要的节目及各种信息，这就使 v o d ( 观众点播) 成为可能。 4 便于网络化，且可做动画 由于数字电视信号便于利用计算机网络，能进行图像和声音的传输， 利于电视节目的资源共享。 另外，数字电视系统还有体积小、耗电低、价格便宜等一些优点。 1 2 数字电视地面传输的发展概况 自2 0 世纪8 0 年代初开始，大规模集成电路、计算机、网络传输、卫星 和光传输等技术的革命，促使广播电视技术和业务飞跃发展。特别是进入 2 0 世纪9 0 年代，广播电视新技术逐渐成熟，有关新设备的定位逐渐明朗。 广播电视中心采用数字信号处理、模块化结构、硬盘阵列播出、网络化传 输、软件化管理和集中参数监控。卫星广播基本采用d v b s 标准。有线电 视采用h f c 网络、1 0 0 0 m h z 带宽、模拟和数字并用、非对称双向通路结 构。2 0 世2 2 , 9 0 年代中期数字电视技术首先在卫星和有线电视领域获得应 用。目前数字地面电视也提到日程上来。我国基本上紧跟世界广播电视的 发展步伐，已建立起地面、卫星和有线电视以及互联网广播的大系统。基 本完成了中央广播电视和省级主要广播电视节目的全国覆盖。 在数字地面电视的系统规范问题上，i t u ( 国际电信联盟) 建议适用 于数字地面广播系统的世界通用系列的要素应以下列各项为基础： a 、系统的原则： 电子科技大学硕士论文 1 、地面系统应当与其他的数字电视传输系统如卫星、电缆等有最大 的通用性。 2 、 各个广播系统可以用透明的和灵活的方式传输m p e g 2 或其他的 数据业务。 3 、 复用结构应是m p e g 2 传输流。 4 、 各系统允许复用。 5 、 接收机应能对在用的所有r sf e c 解码。 6 、 基础系统应是一个单层传输系统，能够传送一路h d t v 业务或几 路常规质量业务。 7 、 应当为业务信息和标题描述词系统提供实施方法。 b 、基带编码原则 l 、图象编码系统采用m p e g 2 图象编码系列，并且有能力使用主类 和主级( m a i n p r o f i l e & m a i n l e v e l ) 或更高。 法。 2 、声音编码应采用i s o i e c1 3 8 1 8 3m p e g 2 音频层或a c 3 的方 3 、应当设法制定使用与视频和音频编码系统特性的质量要求。基本 的音频编码技术规范只涉及句法，并且由于改进编码器设计而形成的质量 改进留有余地。应给出最低质量要求目标值并为那些建议的编码器特征提 出意见。 c 、调制和信道编码原则 所选择的调制和信道编码应当保证实现所要求的传递方案。 各国根据i t u 的基本原则结合自己的特点实施各自的全数字h d t v 研 电子科技大学硕士论文 究计划。就系统而言，基于m p e g 一2 框架的活动图象信源压缩解压缩标 准和d b a c 3 的音频信源压缩标准己被广泛接受，而信道传输则有两种主要 的方案。一种是美国及北美的8 一v s b 或q a m 方案，另一种是以欧洲为 代表的c o f d m 方案。 v s b 与o f d m c o f d m 的方案之争仍未结束。尽管在北美f c c 已接纳 8 一v s b 调制方案为广播地面传输标准，由于o f d m c o f d m 的许多潜在 的优势，美国和加拿大的广播界和f c c 仍非常关注c o f d m 的发展。特别 是美国广播界坚决反对v s b 方案，采用c o f d m 方案的国家越来越多，欧 洲、日本、韩国、新加坡、我国台湾等均拟采用c o f d m ，阵容日益强 大。 国内的h d t v 研究起始为2 0 世纪8 0 年代，一些大专院校和研究单位一 直跟踪国际上h d t v 的发展。2 0 世纪8 0 年代以来在国内外刊物上发表了大 量有关h d t v 方面的论文和计算机模拟实验结果。在传播体制、编解码方 式和传输方式等方面的研究均取得不少成果。在硬件方面，从可视电话、 会议电视到现行电视的数字化及信道编解码调制设备的研制，都为自主发 展我国的h d t v 积累了经验。 1 9 9 2 年我国各有关部、委相继立项，开展不同规模的全数字h d t v 的 研究。国家科委、国家计委分别会同广电部、电子部下达八五h d t v 科技 攻关项目。1 9 9 6 年国家科委正式启动h d t v 功能样机研究项目。 我校h d t v 研究室在顾德仁教授倡导下，较早从事h d t v 和数字视频 方面的技术跟踪，在朱维乐教授的带领下分别承担了八五攻关项目h d t v 系统的计算机仿真和目前的全数字h d t v 功能样机c o f d m 专题研究，取 得了富有成效的成果。 数字化技术体制提高了广播电视节目的技术质量，提供了广播、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 l 电予科技大学硕士论文 出了新的课题。既是：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。 发展h d t v 首先要确定传输体制。尽管目前地面传输还没有现成的标 准可依，在传输技术上形成多种技术并行发展的局面，但这些分属欧美两 大阵营开发的调制技术正日趋实用化，对地面传输方案的研究具有重大的 理论和实际应用价值。从已发表的测试结果看，作者认为o f d m c o f d m 在地面传输的抗干扰性能和实现复杂性都具有突出的优点，因而论文工作 重点研究了c o f d m 的传输方案。c o f d m 的传输方案的实现由3 部分组 成，即：d v b t 发射端输入接口、d s p 数据处理系统、d v b t 发射端输出 接口。第一部分d v b t 发射端输入接口，主要利用c a b 总线实现m p e g 2 信号到d s p 系统的输入，主要基于硬件设计实现；第二部分d s p 数据处理 系统，主要是利用d s p 高速运算速度，可大规模集成等特点来实现d v b t 发射端的信道编码调制等图象处理计算，主要基于软件设计实现；第三部 分d v b t 发射端输出接口，主要利用c a b 总线实现将d s p 系统处理后的数 字信号转换成模拟中频信号，主要基于硬件设计实现。 作者的任务就是研究和实现d v b - t 发射端输出接口。主要基于硬件设 计实现，当然也有少数软件编程。d v b t 发射端输出接口要求通过c a b 总 线把d s p 系统处理后的数字信号取出然后按照一定的转换速度匀速地将数 字信号转换成模拟中频信号。 电子科技大学硕士论文 2 1 1 地面传输信道特性 地面信道的传输特性的两大突出特点是时间选择性和频率选择性，同 时地面传输信道工作在u h f v h f 频段，还具有高斯加性白噪声干扰、突发 乇扰、工业干扰及电离层反射、同频干扰等信道的恶劣特性。同时由于地 面传输信道环境的复杂性和特殊性，传输信道具有色散和时变特性。在这 样的信道上传输信号有以下的主要特性： 1 、时间选择性 2 、频率选择性 3 、加性白高斯噪声( a w g n ) 主要引起随机错误。高斯分布的白噪声概率密度可表示 m ，：击。一学 c2 4 、突发干扰 突发干扰表现为短时大噪声，这种短时大噪声主要由工业电火花等突 发因素引起，噪声能量可能高于信号能量。 5 、p a l 同频干扰 由于h d t v 的地面广播是在现有的电视频带内，与标准的p a l 信号同 播，因此h d t v 信号会受到p a l 同播信号的干扰，p a l 信号的频谱特征是 信号能量主要集中在视频载波、色度及音频副载波。 6 电子科技大学硕士论文 6 、多径传输 多径传输使信号产生频率选择性失真，多径主要是由于城市建筑物对 电波的多次反射及散射引起的，多径干扰主要包括三个参数：多径延时、 衰减和相移。通过对这些参数的不同选择可得到不同的多径传输模型。 7 、衰落 移动接收中的多径的时变会引起附加的调幅和调相，信号的失真取决 于这种附加的调幅、调相的特点。它既可能是无衰落的高斯型也可能是电 平有大起伏的瑞利衰落。 8 、多普勒频移效应 这是由于移动接收的运动造成的， 有关，设所有电波入射角为均匀分布， 给出： 频移值与入射角，波长和运动速度 则多普勒频移分布函数可由式2 2 p ，dr 厶j = 志如，l 办i 1 0 0 kq ) 。所有这些电流 3 5 u巨臣匝匪压 1 o 9 8 7 6嘲洲嘴阴阻嘲 bsm 电子科技大学硕士论文 源通过p m o s 的差分电流开关转换到2 个输出节点的任何一个上( 既i o u t a 或i o u t b ) 。这些开关是基于这样的一种新结构，它明显地减少了各种定时 误差并提供匹配互补驱动信号到差分电流开关的输入端。 a d 9 7 6 2 的模拟和数字部分具有独立的电源输入( 即： a v d d 和 d v d d ) ，它们分别工作在2 7 v 5 5 v 的电压范围内。数字部分能够工作在 1 0 0 m h z 时钟速率上，它包括边沿触发锁存和分段译码逻辑电路。模拟部 分包括p m o s 电流源、差分开关、1 个1 2 v 电压基准和一个基准控制放大 器。 满量程输出电流由基准控制电压放大器所调整， 通过1 个外部电阻 r s e t ，并能够在2 - 2 0 m a 间变化。外部电阻与基准控制放大器和电压基准 v re f l o 相接，该电阻设定基准电流i r e f ，该基准电流应分段电流源电流的 适当倍数。满量程电流i o u t f s 是l a e f 的3 2 倍。 一、d a c 的转换功能 a d 9 7 6 2 提供了互补电流输出i o u t a 和i o u t b 。当所有位是高电平( 即 d a c c o d e = 4 0 9 5 ) 时i o u t b 将提供一个接近满量程的电流输出i ；而互补 输出i o u t n 没有提供电流。在i o u t a 和i o u t b 上的电流输出是输入码和i o u t f s 的 函数，并能够表示为 i o u t a = ( d a cc o d e 4 0 9 6 ) i o u t f s ( 3 - 9 ) i o u - r b = ( ( 4 0 9 5 d a cc o d e ) 4 0 9 6 ) i o u t f s ( 3 - 1 0 ) 其中，d a c c o d e = 0 4 0 9 5 ( 十进制表示) ，i o u t f s 是基准电流i r e f 的一 个函数即 i o u t f s = 3 2 i r e f ( 3 1 1 ) 基准电流一般是由基准电压v re f l o 和外部电阻r s e t 所设定的，即 i r e f = v r e f i o r s e t ( 3 1 2 ) 电子科技大学硕士论文 一般地i o u t a 和i o u t b 将直接驱动或通过一个变压器来驱动一个电阻负载 r l o a d 。出现在i o u t a x i o u t b 节点上的单端电压输出可简化为 v o d t a ： o u t a r l o a d v o u t b = i o u t b r l o a d ( 3 1 3 ) ( 3 1 4 ) 注意：v o u t a 和v o u t b 的满量程值不应该超过额定的输出值，以保持 失真和线性度性能指标。 出现在i o u 队和i o u t b 的差分电压 v d i f f = ( i o u t a i o u t b ) r l o a d ( 3 - 1 5 ) 二、数字输入 a d 9 7 6 2 的数字输入包括1 2 个数据输入引脚和1 个时钟输入引脚。这 1 2 位并行数据输入遵循标准正二进制编码，其中d b l l 是最高有效位 ( m s b ) 而d b 0 是最低有效位( l s b ) 。当所有数据位都是逻辑1 时， i o u t a 产生了一个满量程输出电流。i 删t b 产生一个满量程电流的互补输出， 而这两个输出成为输入码的一个函数。 用一个边沿触发主从锁存器来完成数字接口。在时钟的上升沿后更新 d a c 输出，如图3 1 6 所示，而且该输出可以支持一个高达1 0 0 m h z 的时钟 速率。该时钟能够在任何占空比下工作，只要该占空比满足额定的锁存脉 冲宽度。 三、模拟输出 a d 9 7 6 2 产生两个互补电流输出i o u t a * i 1 0 u t b ，可以作单端或差分结 构。i o u t a 和l o u t b 能够通过负载电阻r l o a d 转换成互补单端电压输出v o u t a 和v o u t b 。存在于v o u t a 和v o u t b 之间的差分电压v d i f f 也能够通过变压 器或差分放大器转换成单端电压。 3 7 电子科技大学硕士论文 c l o c k l o u t o r l o u r b ) o 。【揪 k t s l h r i j 。 一 - j 1 l 一一l i t p d - - t 针一土 ，r l - 下 1 0 t jo 。1 图3 - 1 6 定时关系图 3 、a d 9 7 6 2 的应用及在本项目中的作用 a d 9 7 6 2 主要用于高速数模转换，将数字信号转换成模拟信号。 a d 9 7 6 2 在本项目中也主要是实现其基本功能：数字到模拟电流的变化。 在a d 9 7 6 2 的i o u t a 端接一个电阻即可实现数字到模拟电压的转换。 3 5 无源滤波器原理及应用 3 5 1 滤波器概论 1 、滤波器的分类 近代电子设备中，广泛地应用着各种型式的滤波器。按对滤波器的不 同要求，可分为不同的类型。若按频段来划分，可分为低频、高频、甚高 频和微波等滤波器；若按网络中是否含有能源划分，可分为有源或无源滤 波器；若按使用元件的特征来划分，又可分为l c 滤波器、晶体滤波器、 机械晶体滤波器、机械滤波器、陶瓷滤波器、螺旋滤波器和声表面滤波器 等。 此外，在电子设备中还常按滤波器对频率的选择性分为以下四种： ( 1 ) 低通滤波器 低通滤波器只通过从零频率开始到某一确定的截止频率为止的电信 豫 电子科技大学硕士论文 号，阻止大于截止频率的电信号通过。若以横坐标表示频率，纵坐标表示 衰减，则低通滤波器的衰减特性如图3 一1 7 所示。 a c 翥撼 图3 ，1 7 低通滤波器的衰减特性 ( 2 ) 高通滤波器 高通滤波器只通过从某一确定的截止频率开始到无穷大频率的电信 号，阻止包括直流在内的低于截止频率的电信号通过。其衰减特性如图 3 1 8 所示。 图3 1 8 高通滤波器的衰减特性 ( 3 ) 带通滤波器 带通滤波器只通过某两个界限频率之间的电信号，阻止在此两界限频 电子科技大学硕士论文 率之外的电信号通过。其衰减特性如图3 1 9 所示，其中f 1 和f 2 为界限频 率，f 1 和f 2 之间称为通带，n 和f 2 之外称为阻带。 a ( 衰碱 图3 1 9 带通滤波器的衰减特性 ( 4 ) 带阻滤波器 带阻滤波器只通过某两个界限频率以外的电信号，阻止在此两界限频 率之间的电信号通过。其衰减特性如图3 2 0 缩示，图中n 和f 2 为界限频 率，f 1 和f 2 之间称为阻带，f 1 和f 2 之外称为通带。 图3 2 0 带阻滤波器的衰减特性 2 、滤波器的应用 滤波器的应用十分广泛，归纳起来有以下几个方面： 电子科技火学硕士论文 ( i ) 分离信号、抑制干扰 分离信号、抑制干扰这是滤波器最广泛和最基本的应用。在这种应用 中，它所需要的频率信号顺利传输，对不需要的频率产生抑制。例如接收 机的预选滤波器、中频滤波器、分路滤波器等；又如直接频率合成器中混 频器、倍频器输出端抑制谐波的滤波器等都属于这一类应用。 ( 2 ) 阻抗变换 在电子设备中，常常会遇到实际的负载电阻与源网络所需要的负载电 阻不等，如果把它们直接连接起来，则将产生信号反射；这就不能得到最 大的功率传输，在高频高功率时，还会引起其他的电路问题。在此情况 下，往往需要设计一个网络插入在实际负载电阻与源网络之间，把实际负 载电阻转换为源网络所需要的负载电阻。对于具有指定带宽的、不等电阻 的两个终端间的匹配，可用不等终端电阻的滤波器来实现。 ( 3 ) 阻抗匹配 与阻抗变换相似，当网络与半导体器件配合工作时，常常遇到电抗性 负载情况。若要在指定带宽内与电抗性负载相匹配，可用电抗性负载匹配 滤波器来实现。 ( 4 ) 延迟信号 电子设备中，常常需要在指定的带宽内延迟信号或校正设备时延的 不均匀性。这也可以用滤波器来实现。 3 、滤波器的振幅特性 图3 2 l 显示了滤波器的工作图，即滤波器接在实际的信号源和负载之 间。当信号源电压e s ( 它是复量，选它作参考，即令其相位为零) 的频率 改变时，则负载电阻r 。所吸收的功率大小将发生变化，这就显示出滤波器 的频率选择性来。因此，将功率转移函数定义为，信号源的额定概率p m 4 1 电子科技大学硕士论文 ( 即信号源的最大输出功率) 与负载所吸收的功率p l 之比，即p m p l 。 r _ 且k 口。 l滤波器 二r l c q 广 由图可知 图3 2 l 滤波器工作图 p 。= e s ：( 4 r s ) p l _ j e l l 2 瓜l 故功率转移函数为 p r o p c = ( r l 4 r s ) ie s e l l 2 r e l 王 ( 3 1 6 ) ( 3 1 7 ) ( 3 1 8 ) 式中，e l i 和i e s e l l 分别是复量e l 和( e s e l ) 的模数。由于p m 兰p l 故p n 卯l 兰1 。 通常，功率转移函数用分贝来表示，即 a = 1 0 1 0 9 l o ( p m p l ) ( 分贝) ( 3 - 1 9 ) 我们称a 为工作衰减，简称衰减。显然a 墓0 ( 分贝) 当用曲线来表示滤波器的振幅特性时，常按工作衰减来绘制，即取纵 坐标为工作衰减，横坐标为频率。绘出的曲线称为滤波器的衰减特性，工 程上称之为响应曲线。 3 5 2 椭圆函数低通原型滤波器 l 、椭圆函数低通滤波器的响应曲线及其基本网络结构 电子科技大学硕士论文 a w cw jw 图3 2 2 椭圆函数低通响应曲线 图3 2 2 显示了椭圆函数低通响应曲线，图3 2 3 则显示了椭圆函数低通 基本网络结构。由图可知，椭圆函数低通响应曲线通带和阻带都有等波动 的起伏。 2 、表征椭圆函数低通滤波器的主要参数 ( 1 ) 通带最大衰减a p ( 2 ) 截止频率w e 。它表示通带边缘衰减为a p 处的频率。又称为 低通滤波器的带宽。 ( 3 ) 阻带最小衰减a s ( 4 ) 阻带带边频率w s 。它表示达到阻带最小衰减a s 处的最低阻 带频率 图3 - 2 3 椭圆函数低通滤波器的基本网络 电子科技大学硕士论文 3 、椭圆函数低通滤波器设计 图3 2 2 所示，椭圆函数低通滤波器的通带和阻带都具有等波动的起 伏，其特征函数可用椭圆函数来表示，滤波器的参数须用椭圆函数来计 算，故称之为椭圆函数低通滤波器。 qs = w s w c( 3 2 0 ) qs 是阻带带边频率和通带带边频率之比，它表示带边截止率的陡峭 程度，故称之为选择因数。它的倒数k = l qs ，是计算这种滤波器参数的 椭圆函数的模数，有时令k = s i n0 ，则。叫模数角。 椭圆函数低通滤波器的阻带最小衰减可近似表示为 a s = 1 0 1 0 9 l o ( 1 0 a p 1 0 _ 1 ) n l o g l o q ( k ) 1 2 】( 分贝) ( 3 - 2 1 ) 其中 q ( k ) = k 2 1 + 2 ( k 4 ) 2 + 5 ( k 4 ) 4 + 1 5 0 ( k 4 ) 6 + 4 1 6 ( 3 - 2 2 ) n 一滤波器的阶数滤波器的复杂程度，即滤波器的阶数，它表示滤波 器网络中的支路数目。根据给定的通带最大衰减a p 和阻带最小衰减a s 以及选择性因数qs ，可以确定出1 3 来。 3 5 3 椭圆函数低通原型滤波器在本项目中的作用 分离信号、抑制干扰是椭圆函数低通原型滤波器在本项目中的作用。 在本项目中，有两个低通滤波器，其中一个应用于d d s ，另外一个应用于 d a 。它使所需要的频率信号顺利传输，对不需要的频率产生抑制。 3 6 集成运算放大器a d 8 1 8 原理及应用 3 6 1 、集成运算放大器的基础知识 l 、集成运算放大器的基本构成 电子科技大学硕士论文 集成运算放大器是实现高增益放大功能的一种模拟集成电路。从内部 电路组成看，集成运算放大器是一个多级串接的直接耦合放大器电路，实 质上就是一种高增益的直流放大器。一般由三个部分组成：输入级、中间 放大级以及输出级。输入级是由各种改进型差分放大器构成，因此，集成 运算放大器具有差分放大器的性能特点。差分放大器的两个基极就是集成 运算放大器的两个输入端。集成运算放大器是一个双端输入，单端输出的 器件，因此内部必然有一个由双端输入转换为单端输出的过程，这一过程 多在输入级完成。 中间放大级一般由一级共射放大器( 或共源放大器) 或组合放大器组 成，主要功能是放大信号，为获高增益和高输入阻抗，所以普遍采用恒流 源负载和复合管结构。 输出级大多为互补对称腿挽电路， 大的输出电压和尽可能小的输出电阻。 加有过载保护电路。 v i i v i 2 以满足集成运算放大器具有尽可能 为保护器件的安全，一般输出级均 ( v + ) 图3 2 4 集成运算放大器符号 图3 2 4 为集成运算放大器符号，它有两个输入端和一个输出端，表注 有“一”号称为反向输入端，表示输出端电压v o 与该输入端电压v - ( v 1 ) 相位相反；同理，标有“+ ”号称同向输入端，表示输出端电压v o 与该 输入端电压v + ( v 2 ) 相位相同。 2 、理想运算放大器 理想运算放大器有足够大的输入电阻，足够小的输出电阻，足够高的 电子科技大学硕士论文 增益，以及足够宽的频率响应范围。集成运算放大器是人们对“理想运算 放大器”的一种实现。一般在分析集成运算放大器的实用性能时，为了方 便，通常认为集成运算放大器是理想的，即具有以下特征： 迟 ( 1 ) 开环电压增益a v d 无限大，a v d = c o ( 2 ) 差模和共模输入电阻均为无限大，r l d = 一，r l 。= o 。； ( 3 ) 输出电阻为0 ，r o = o ( 4 ) 开坏带宽无限大，放大器本身不引入额外相移，信号传输无延 ( 5 ) 共模抑制比无限大，k c m r = 一； ( 6 ) 放大器无失调误差，v l o = 0 ，i l o = 0 差模电压增益a v d 无限大的含义是要求差模信号要无限小，也就是认 为理想运放两个输入端( 同相端和反相端) 之间的电位差为零。差模输入 电阻r l d = o o ，则表明在有限的输入信号时输入电流等于零，即两个差分 输入端的电流为零。这就是运放的两条重要规律即： i=0 v 。= v ( 3 2 3 ) ( 3 2 4 ) 因为v 。总是有限的，故必然有v + 一v 一= v 0 1 a v d = 0 ，但请注意，这 一重要规律只有在线性应用时才是正确的。而在实际应用时，因为a v d 很 高，只有在负反馈条件下才能使运放工作在线性放大区。 3 、理想运算放大器的三种基本组态 由于集成运算放大器有两个输入端，因此按输入接入方式不同，可有 三种基本组态，即反向放大器、同向放大器和差分放大器。它们是构成集 成运算系统的基本单元。 4 6 电子科技大学硕士论文 一、反向放大器 v i - 图3 2 5 反向放大器 ( 1 ) r 2 = r 1 i i v , v ( 2 ) 输入输出关系 v o = 一r f v r t ( 3 ) 增益 a v f = 一r f r - ( 4 ) 差模输入电阻 r i d = r i ( 5 ) 输出电阻 r o d = 0 二、同向放大器 v o ( 3 2 5 ) ( 3 - 2 6 ) ( 3 2 7 ) ( 3 - 2 8 ) 图3 2 6 同向放大器 电子科技大学硕士论文 ( 1 ) r 2 = r i ，r 3 = r f ( 2 ) 输入输出关系 v o = ( i + r f r i ) ( 1 - r 2 ( r 2 + r 3 ) ) v i ( 3 - 2 9 ) ( 3 ) 增益 a v f = ( i + r f rz ) ( 1 r 2 ( r 2 + r 3 ) )( 3 - 3 0 ) ( 4 ) 差模输入电阻 r i d = r 2 + r 3( 3 - 3 1 ) ( 5 ) 输出电阻 r o d = 0( 3 - 3 2 ) 三、差分放大器 图3 2 7 差分放大器 ( 1 ) r 2 = r i 。r 3 = r f ( 2 ) 输入输出关系 忙一r f v i l r i + ( 1 吣r ) ( 1 - r 2 ( r 2 + r 3 ) ) 2 ( 3 - 3 3 ) ( 3 ) 增益 a v f = 一r f r i( 3 - 3 4 ) ( 4 ) 差模输入电阻 r i d 2 r 2 + r 3( 3 - 3 5 ) ( 5 ) 输出电阻 r o d 2 0 ( 3 - 3 6 ) 电子科技大学硕士论文 由三种基本放大组态的主要性能指标、电路结构、特点可见，理想运 算放大器的闭环特性完全由外接元件决定。 3 6 2 、集成运算放大器a d 8 1 8 原理及应用 1 、概诉 a d 8 1 8 是低价的运算放大器，适合于增益大于等于2 或- 1 的强驱动输 出能力的视频应用。3 d b 带宽为1 3 0 m h z ，o 1 d b 带宽为5 5 m h z 以及 5 0 0 v u s 的摆率等特性使得a d 8 1 8 能够应用于高速处理，比如视频鉴控、 a c t v 、图象扫描等。a d 8 1 8 在视频方面的应用如图3 2 8 图所示。 + 1 5 v 图3 2 8a d 8 1 8 的视频驱动 2 、a d 8 1 8 在本项目中的作用 a d 8 l 8 在本项目中主要用作放大、缓冲和视频驱动作用。 r l 7 5 n 电子科技大学硕士论文 图4 - 1 系统功能图 d v b t 发射端的总体方案如图4 1 方框图所示。方案考虑到不同层次 质量信号及扩充其它数据业务在信道中的传输要求，参考欧洲d v b t 方案 传输参数灵活可变的特点设计了h d t v 地面信道传输方案。 方案中信道编码采用级联编码方式。外码采用r s ( 2 0 4 ，1 8 8 ， t = 8 ) 的分组编码。内码采用可变码率的卷积码。通过采用工业标准1 2 卷积码截取可获得不同的码率。为抗突发干扰，在r s 编码后采用同步卷 积交织方案。在卷积码后采用二级交织。首先采用块b i t 交织器完成b i t 交织以对付突发噪声和分散v i t e r b i 译码后的误码会聚，然后采用随机符号 交织器完成符号交织对付信道的频率选择性衰落。因而系统设置在具有中 等以上的信道编码增益。 电子科技大学硕士论文 信号调制采用可变的映射星座的方式以适应不同数据率的码流传输。 信号的传输以分帧方式传输。利用o f d m 的时，频二维特性，在每帧插入 连续导频、分布导频、传输信令参数导频等参考信号。这些信号的调制由 伪随机参考序列导出，为使参考信号具有较高的抗干扰性能，连续导频和 分布导频采用b p s k 方式调制且以比数据载波平均电平高2 5 d b 的电平发 射。而传输参数信令导频则以频率分集的方式传输，在接收端可以通过合 并获得1 2 3 d b 增益的好处。大大增强了传输信令参数解调的可靠性。传输 参数信令还采用b c h 码进行误码保护进一步减低了传输参数误码率。通过 设置不同的保护时隙长度，可有效地消除多径信道的带来的i s i 和i c i 。 为在码率与抗扰能力间平衡，系统可在不同的q a m 调制分级下和不 同的内码率使用。同时，系统可进行两层信道编码和调制，这包括均匀和 多分辨率的星座图。根据高优先和低优先码流，分离器将输入的码流分为 两个独立的m p e g 传输流。通过具有相应输入数目的映射器和调制器，将 这两个码流映射到信号的星座上。 为保证简单的接收机接收到分层发射的信号，分层的性质限于分层信 道编码和调制，不使用分层源编码。因此，某一节目业务可用低码率、高 抗扰度的部分进行同播，而另一部分为高码率、较低抗扰度。另外，全部 不同的节目可用具有不同抗扰度的各别码流发射。无论在哪种情况下，接 收机仅需一组互逆的单元：内解交织器，内解码器，外解交织器，外解码 器和复用自适应。唯一对接收机的附加要求是其解调器和逆映射器具有从 发端映射码流中选择产生某一码流的能力。 方案以2 k 模式为输模式，所以以下信道编码与调制主要是在2 k 模 式下进行描述的。但方案设计时还考虑到将来实现大区单频网( s f n ) 的 可能性，因而也考虑了8 k 模式的传输。 d v b t 发射端的实现由3 部分组成，即：d v b - t 发射端输入接口、 d s p 数据处理系统、d v b t 发射端输出接口。第一部分，d v b t 发射端输 入接口，主要利用c a b 总线实现m p e g 2 信号到d s p 系统的输入。主要基 电子科技大学硕士论文 于硬件设计实现；第二部分d s p 数据处理系统，主要是利用d s p 高速运算 速度，可大规模集成等特点来实现d v b t 发射端的信道编码调制等图象处 理原算，主要基于软件设计实现；第三部分d v b - t 发射端输出接口，主要 利用c a b 总线实现将d s p 系统处理后的数字信号转换成模拟中频信号，主 要基于硬件设计实现。故系统可简化为如图4 - 2 所示 图4 2d v b t 发射端框图 4 2d v b - t 发射端输出接口总体设计 d v b t 发射端输出接口总体设计如图4 3 所显示。 4 3 用a i ) 9 8 5 0 和朋隗脚1 设计时钟。 时钟信号是输出接口中必不可少的信号，从f i f d 中读取数据，以及 实现d a 转换都必须时钟信号。由于标准晶振中没有我们所需要的时钟频 率，故我们需要进行频率合成。由于d d s 技术的相对带宽很宽，频率转换 时间极短( 可小于2 0 n s ) ，频率分辨率很高( 典型值为0 0 0 1 h z ) ，全数 字化结构便于集成，输出相位连续，频率、相位和幅度均可实现程控等一 系列优点。所以我们选择用用a d 9 8 5 0 和a t 8 9 c 2 0 5 1 设计时钟 4 3 1 硬件结构框图 图4 3d v b t 发射端输出接口原理框图 用a d 9 8 5 0 和a t 8 9 c 2 0 5 1 合成时钟的硬件框图如图4 - 4 。其中低通 滤波器用于过滤驱除不需要的频段，a t 8 9 c 2 0 5 1 用于向a d 9 8 5 0 发送控制 字。 粤p o l e e l u p t i c a i 1 8 硼圮l o w p a s s m p e 队n c e 图4 - 4 用a d 9 8 5 0 和a t 8 9 c 2 0 5 1 合成时钟的硬件框图 4 3 2 硬件参数确定与选择 电子科技大学硕士论文 1 、频率合成参考时钟选择 从f i f o 中匀速读取数据所需要的时钟信号频率为1 8 2 3 7 5 m h z ，即 a d 9 8 5 0 的输出频率为f o = 1 8 2 3 7 5 m h z 。根据d d s 设计要求，d d s 输出时 钟频率必须小于参考时钟频率的5 0 ，d d s 输出时钟频率最好小于参考时 钟频率的3 3 ，故我们选择参考时钟源c l k i n = 6 0 m h z 的晶振。晶振分为 两类，一类为无源晶振，主要特点是精度不高，不需要单独供电，般为 两个脚；另一类为有源晶振，主要特点是精度高，需要单独供电，一般为 四个脚，其中2 个为电源，1 个为频率输出，还有一个脚为空脚，输出时 钟信号的电压幅度由电源确定。 2 、a d 9 8 5 0 频率合成命令控制字确定 公式f 0 = ( p h a s e x c l k i n ) 2 3 2 ( 其中f o 为输出时钟，c l k i n 为参考时 钟，p h a s e 为d d s3 2 位控制字) 反应了a d 9 8 5 0 输出频率，参考频率 和a d 9 8 5 0 命令控制字三者之间的关系，故可根据该公式计算出a d 9 8 5 0 的3 2 位控制字。 kp h a s e = ( c l k l n ) 2 3 2 = 0 x 4 d d 0 3 6 9 d 3 、椭圆低通滤波器的参数选择 由于a d 9 8 5 0 输出是采样信号输出，故它的输出频谱遵循采样定理， 特别地，a d 9 8 5 0 输出频谱包括f 0 以及n c l k i n4 - f o ，所以为了得到所需 要的时钟信号f o ，必须用低通滤波器。椭圆低通的可用带宽较宽，在整个 通带内具有均匀的起伏，即等波纹，而波纹的大小可以控制在很小的范 围，适合于要求在通带内均匀传输的情况，阻带衰减的陡度最好，故作者 采用椭圆低通滤波器。该椭圆低通滤波器，要求从0 1 8 2 3 7 5 m h z 的衰 减不大于0 2 分贝，而( 6 0 一1 8 2 3 7 5 ) m h z = 4 1 7 6 2 5 m h z 以上衰减6 0 分 贝，两终端电阻为2 0 0 欧。考虑到实际与理论的差异，作者选择该椭圆低 通滤波器的要求为：0 一1 8 8 m h z 的衰减不大于o 2 分贝，而3 0 m h z 以上 衰减6 0 分贝，两终端电阻为2 0 0 欧，即f c = 1 8 8 m h z ，f s = 3 0 m h z 。 电子科技大学硕士论文 设计过程如下： ( 1 ) 写出qs qs =us c a ) c = f s f c = 3 0 1 8 8 = 1 5 9 5 7 ( 2 ) 查高频电路参考资料l c 和螺旋滤波器的设计附录之椭圆 函数滤波器的归一化元件值表，选n = 7 ，p = 1 0 ( 根据公式a p = 一1 0 l 0 9 1 0 ( 卜】pl ：) ，相应a p = o 0 4 4 分贝) ，qs = 1 5 8 9 0 ，此时a s = 6 7 分贝。图 4 5 显示了该椭圆低通滤波器电路。 图4 5 椭圆低通滤波器电路 查得的归一化参数为 c 1 = o 9 5 5 1 3 法 c 2 = o 0 6 6 7 4 法 c 3 = 1 6 6 0 8 9