（信息与通信工程专业论文）单频网适配器的研究与开发.pdf

浙江大学硕士做y 8 7 6 5 7 1 摘要 地面数字电视广播的单频网实现，是当今世界的热点，也是我国极力发展的 技术。研究和开发具有自主知识产权的相关产品，不仅具有现实的经济利益，而 且具有长远的社会效益。本文所研究的单频网适配器，是实现单频网组网的关键 设备之一。 首先，本文分析了单频网的组网方式和同步原理。通过适配器向传输流中插 入兆帧初始化包，网内发射机得到所需的时间信息从而实现发射的同步，是单频 网的关键，m p e g 2 和d v b t 的相关技术是其实现的保证。 其次，本文提出了单频网适配器实现的整体方案。通过对功能需求和开发现 状的分析，确定了以f p g a 为核心的开发方案，同时制定了产品的预计性能指标。 在此基础上，完成了硬件平台的构建，进行了主要器件的选择和电路原理图的设 计。接着，本文又对相关芯片的工作特性作了详细的说明，特别是对接收发送端 时序的分析，为f p g a 软件开发建立了基础。 第三，本文详细论述了f p g a 软件的实现原理和方法，并给出仿真结果加以 验证。开发过程采取了自顶向下的方法，首先在分析软件需求的基础上，将其划 分为输入输出管理、 p 包插入、p c r 更新等模块。然后分别对主要模块的原 理进行了详细阐述，采用v e 枷o g 语言实现并给出了在q u a n l l s i i 上仿真的结果。 接着，本文实现了对模块的整合和调试。通过对整体仿真结果的分析，可以发现， f p g a 实现了单频网适配器所需的基本功能。 在实现中，本文还提出了一种以计数器取代加法器的p c r 更新算法，仿真 结果表明，在保证结果正确的基础上，新算法减少了系统资源的占用。 本文还对p l l 紧缺情况下，g p s 时钟备份的方法进行了研究，仿真表明， 本文提出的方法，误差在可接受范围内。 最后，对论文所做的工作进行了总结，同时分析了软件存在的不足，提出 了下步工作的目标。 关键词：单频网、单频网适配器、兆帧初始化包、同步、f p g a 浙江大学硕士论文 a b s t r a c t 1 1 1 e s i n g l ef r e q u e n c yn e t w o r k( s f n ) i m p l e m c n t a t i o n o f d i g i t a l t v b r o a d c 船蛀n g - t e r r e 蹦a li sn o to n l ym ef o c u so f t l l ew o d d ，b u ta l s ot l l eo n ec h i m 廿y h e rb e s tt od e v e l o p c o n s e q u e n t i y ，w es h o t l l dd om er e s e a f c ho nt l l i sf i e l d 锄dd e v e l o p t l l ep m d u c t s 、砘mm ei n d e p e n d e mb l o w l e d g ep r o p e r 哆r i g h t ，a st h e r ea b o t h e c o n o m i c a li m e r e s ti n 也es l l o nt e r n la n ds o c i a lb e n e 矗ti nt l l el o n gt 咖1 1 l es f n a d 印t c rs t u d i e dh e r ei so n eo f t l l ek e ye q u i p m e m so f t h es 烈 f i 硎y ，w ea 1 1 a l y z e dm es t n l c t l 鹏o fs f na n d 血ep 血c i p l eo f t l l es y n c h r o m z a t i o n t h ea d 印t e ri n s e n sm e g a - 妇n ei i l i t i a l i z a t i o np a c k e t ( m i p ) i m ot h e 订a n s p o ns n _ e a m ， a i l d i nn l i s 、张yt h et r a j l s m i 舰rc 觚g e t 幽et i m ei n f o n i l a t i o n 锄db e 肿d h r o n i z e d m p e g 一2a l l dd b ta r et l l et w ob a s i ct e c h n o l o g i e s s e c o n d l y ，l l l ei n t e g r a ls c h e m eo fs n ja d a p t e r si m p l e m e n t a t i o ni sp r o p o s e d b y a n a l y 五n gm ef i l n c t i o nn e e d 锄d 叫e md e v e l o p m e n tc o n d m o n ，w ep m p o s e dt l l e p e r o n n a n c e 嘣t e r i o n 锄ds e l e c t e df p ( 了aa st l l ec o f en a t f o 衄o ft 1 1 es c h 锄e w e a c c o m p l i s h e dt i l eh a r d w 盯en a t f o m ld e s i g n ，m 撕nd e v i c e ss e l e c t i o na n dt l l ec i r c l l i t s c h e m a t i cd i a g r a md e s i g n 7 i 飞j r d l y ，t l l ei m p l e m e n t a t i o no f t l l es o f h v a r eb a s e do nf p g ai sd i s c l 】s s c di nd e t a i l a n d 怕es i m i l l 砒i o nr e s u l t sa r e 百v e ni nm i sp 印t b p d o w ns y s t e mi su s c d 协t h e s o f h v a r cd e v e l o p m e n t f i r s y ，w ed i 、，i d e di ti m os e v e r a lm o d l l l e s ：i n p m 趾do u t p l l t c o n 呐lm o d u l e ，m i pi n s e n i o nm o d u l e ，p c ru p d a t i n gm o d i l l e ，e ta 1 1 1 1 铋，w e i 曲o d u c e dt 1 1 ei m p l e m e n 诅t i o np r i n c i p l e so fm em a i nm o d u l e si nd e t a i l v 硪1 0 9 l a n g i l a g ei su s e dh e r e 锄dt h es i m u l 砒i o nr e s u h sb 觞e do nq u a n u s i ia r cg i v e n w i 血 t l l ea i l a l y s i so f 协ei n t e g r a ls i m l l l a t i o nr c s 砌t s ，i ti se a s yt of i n dm a tt h eb a s i c 血n c t i o n o f t h es f n a d 印t e ri si m p l e l l l e 小e ds u c c e s s 矗m y f d 耐n gt h ei m p l e m e n t a _ t i o n ，w e o p o s e dan o v da l g o r i n u nf o ru p da _ d n gp c r b yr e p l a c i n ga d d e rb yc o u n t e r i tr e d u c e dt l l eo c c u p a t i o no fs y s t e mr e s o u r c ew 砌1 0 u t a n yi n f l u e n c eo nt h er e s u l t s k e yw o r d s ：s f n 、s f na d a p t c r 、m i p 、s y n c h r o n i z a l i o n 、f p g a 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 从1 9 2 5 年拜尔德首次装配电视机成功至今的大半个世纪里，电视已经越来 越深入人们的生活，影响着人们工作、学习、娱乐的方方面面。电视不仅仅是一 种电子消费品，而且成为了改变人们生活方式的工具。随着人们要求的提高，电 视也不断的发展着，从黑白电视到彩色电视，从模拟电视到数字电视，从单向播 出到互动点播，电视正经历一次次的革命。 数字电视由于其自身的优势正得到迅猛发展，并表现出了逐渐取代模拟电视 的趋势。各国都加大了这方面的投入，数字电视技术日新月异，标准也日趋完善。 尤其是地面数字电视的单频网组网成为这一领域的热点，我国也正在加紧进行标 准的制定和地面组网的试验。 1 1 数字电视和数字电视标准 数字电视和模拟电视是根据信号在传输过程中采取的形式来划分的。 传统模拟电视是指电视信号从采集到处理、传输、接收、播放都采用模拟信 号的一种电视系统。完全意义上的数字电视( d t v ：d i 西t a lt v ) ，是指从信源、信道 到信宿全程采用数字信号的电视系统。按图象质量分，数字电视包括高清晰数字 电视h d t v 、标准清晰电视s d t v 等。从信号传输方式看，又可以分为地面、 卫星、有线等三类。 1 1 1 数字电视的发展 由于技术上的原因，在电视的发展之初，人们并不认同电视数字化的可行性， 也没有意识到数字电视可能带来的革命性进步。因此主要致力于模拟电视的研 究。上世纪中后期，随着数字信号处理、多媒体压缩、计算机、集成电路等技术 的发展，数字电视开始为人们所重视并得到飞速发展。 1 9 8 2 年美国成立的先进制式委员会a t s c ( a d v 锄c e dt e l e v i s i o ns v s t 咖s c o m i 他e ) ，被认为是数字电视研究的起源。该委员会以民间和政府合作形式， 研究和制定数字电视标准。至1 9 9 6 年，被美国政府采用为数字电视地面广播标 准，即通常所说的a t s c 标准。随后，在美国的带动下，欧洲、日本相继制定出 自己的标准d v b 和i s d b 。 从1 9 8 2 起，数字电视的发展可谓一波三折，但在政策、技术、市场开发以 及社会需求等各方面的共同支持下，数字电视在最近几年终于取得巨大的技术和 浙江大学硕士学位论文 市场进步。美国是发展数字电视最早的国家之一，也是发展较快的国家之一。按 照计划，美国将于2 0 0 6 年全部停止搔出n t s c 模拟电视并收回频带资源。欧洲 的数字电视无论从技术还是规模上目前都走在世界前列，其中尤其成功的是英 国。英国于1 9 9 8 年1 1 月5 日开始正式进行数字电视地面广播，到1 9 9 9 年底就 已到达8 1 个发射塔和4 8 6 套发射机。仅到2 0 0 2 年1 2 月3 1 日数字电视渗透率 就超过4 0 。英国政府预计最迟2 0 1 0 年最早2 0 0 6 年完成从模拟电视向数字电视 的过渡。德国政府也一直致力于数字电视的推广，2 0 0 3 年8 月3 日，柏林关闭 了地面模拟电视信号，成为世界上首个完成模数转化的城市。亚洲在这方面的研 究起步较晚，但日本的发展速度却十分迅速。不仅研制出了世界上第三个拥有独 立知识产权的数字电视广播标准i s d b ，并且在2 0 0 3 年首次试播了地面数字电 视。韩国、新加坡等国也都进行了地面数字电视的广播试验。 目前，数字电视正以惊人的速度发展，据2 0 0 4 2 0 0 5 年中国数字电视产业 报告1 2 】的统计，2 0 0 4 年全球数字电视渗透率已经达到1 3 ，其中英国已达到 5 9 4 。 数字电视的快速发展，和其自身的优势是分不开的，与传统模拟电视相比， 数字电视的优势表现在： 数字信号抗干扰能力强。 数字信号易于处理。 数字电视频带占用小，图像质量高。 数字电视方便增加各种增值业务。 1 1 2 数字电视标准 任何技术的发展，都是以标准的制定和推广为前提。数字电视的研究，也是 首先从制定标准开始的，目前，欧、美、日都已经制定了自己的标准，我国也正 在大力研究和制定具有自主知识产权的数字电视标准。 由于地面传输环境的复杂性，目前对数字电视的研究主要集中于地面标准的 研究，一般所说的数字电视标准也专指地面标准。虽然各国对数字电视技术提出 了各种方案，但这些差别主要体现在具体技术采用和参数设置上，在总体系统的 实现上已趋于一致。 经过几年的发展，目前世界上形成了三个主要的地面数字电视标准，即美国 的a t s c 、欧洲的d v b t 以及日本的i s d b t 。这些标准在技术、市场等方面各 有其优势【4 】【6 l 【8 j 。 a t s c 是第一个正式被官方采纳的数字电视标准，在1 9 9 6 年美国联邦通信 委员会就正式通过修改后的a t s c 标准，随后又根据实际试验等做出了一定的改 2 浙江大学硕士学位论文 进，目前在美国、加拿大等地得到了应用。a t s c 标准采用了分层结构，各层之 间有清晰的界面。包括图像层、图像压缩层、复用层、传输层。其中图像层确定 图像的基本形式，而中间两层规定了图像的压缩和复用，传输层则决定了信道调 制和信道编码技术。a t s c 的地面标准传输层采用了z e n i t l l 公司的8 - v s b 传输模 式，在6 m h z 的频道带宽上可以到达1 9 3 m b p s 的传输速率。 d v b 是数字视频广播( d i 西t a lv i d e o b m a d c 船t ) 的缩写，是由欧洲众多国家和 组织参与，旨在制定适合各种媒体都适用的数字电视技术的一个组织。d v b 针 对不同传输环境分别制定了相应的标准，其中的地面部分d v b t 口j 于1 9 9 8 年被 i t u 正式接收为第二个地面数字电视传播的国际标准。d v b - t 是目前应用最为 广泛的标准，在欧洲、新加坡等国家和地区都取得了较好的效果。d 是一个 关于数字电视标准的全面定义，本文将在第二章中详细分析其关键技术及组建单 频网的原理。 日本是世界上研究清晰电视最早的国家，但在数字电视方面稍晚于欧美。在 比较了欧美的技术后，日本决定采用以o f d m 多载波技术为基本路线制定自己 的标准。在借鉴d v b 标准并对之进行改进的基础上，提出了i s d b 标准。可以 说，i s d b 是欧洲方案的一个改进版。但是由于之前a t s c 和d v b 的实践为其制 定提供了经验，因此，i s d b 更多的考虑了数字广播新业务的特点，可以很好的 集成多路电视节日和数据服务。地面标准i s b d t 于2 0 0 1 年被i t u 接收为第三 个数字电视国际标准。 表1 1 地面数字电视标准比较 i s d b td v b - ta t s c 载频调制 d q p s k 、1 6 q a m 、6 4 q a mq p s k 、1 6 q a m 、“q a m 8 - v s b 载频数 2 k 、4 k 、8 k2 k 、8 k 单载频 音频编码 m p e 0 2 层im p e g - 2 层i id o l b va c 3 总码率 3 6 8 - 2 3 4 2m b i 讹4 9 8 3 1 6 7m b i t ，s1 9 2 8 m b j 讹 传输方式 分频段o f d m 传输o f d m 传输 8 v s b 传输 移动接收支持一定条件下支持不支持 调制方式o f d m8 v s 内编码 卷积码( 1 2 ，2 3 ，3 “，5 ，6 ，7 ，8 ) 2 3 格雷码 外编码r s ( 2 0 4 ，1 8 8 )r s ( 2 0 7 ，18 7 ) 组网方式单频网、多频网多频网 频道带宽 6 m h z 、7 m h z 、8 m 时z6 h 珏k 视频编码咿e g 2 复用方式 皿e g - 2 i s d b t 与d v b - t 在主要技术环节上都相同或类似( 见表1 1 ) ，目前的标准 浙江大学硕士学位论文 之争，主要是d v b 和a t s c 之间的竞争。两者技术上的差异，造成了性能上的 优劣。d v b t 在抗多径效应、抗同频干扰、支持移动接收等方面明显占优，而 a t s c 则在节约发射功率、降低接收门限、提高频带利用率等方面强于d v b - t 。 一些性能，如抗多径效应和提高频带利用率在实现上是相互矛盾的，因此，标准 之争，不仅体现在技术指标上，更体现在适应环境和满足用户不同需求上，体现 在市场的开发和推广上。 值得一提的是，d v b t 支持单频网的组网方式，是数字电视发展的重要进 步。虽然在应用、试验中，单频网组网仍存在许多有待解决的问题，但是由于其 在节约有限的频带资源方面的优势，单频网组网已成为数字电视领域研究的热点 之一。 1 1 3 数字电视在我国的发展 数字电视在我国的起步较晚，但是在政府的积极倡导和国际形势所迫下，我 国的数字电视产业发展也较为迅速。图1 1 显示了2 0 0 2 2 0 0 5 年我国数字电视用 户数量的增长【2 1 。 图1 l 中国数字电视用户的增长( 单位：万) 虽然增长迅速，但由于起点低，我国的数字电视发展仍十分落后。我国的数 字电视渗透率在2 0 0 4 年底仅为o 31 【2 j ，不仅远低于英国的5 9 4 0 ，而且大大低 于1 3 的世界平均水平。 更重要的是在标准制定上，目前我国仍处于摸索制定阶段。已经确定的卫星 数字电视广播和有线数字电视广播的标准也是采用欧洲的d v b s 和d v b c 。而 在地面数字电视广播标准方面，仍在研究试验多套方案。一方面是因为地面环境 较之于卫星、有线环境复杂的多，而且受各国家、地区具体环境的影响较大，不 宜直接采用他人标准，另一方面是因为一个具有自主知识产权的标准不仅对我国 浙江大学硕士学位论文 的电视产业而且对整个国家都有重要的战略意义。 目前，我国提出过或正在试验的地面数字电视广播方案共有5 套： 广电总局广播科学研究院提出的射频子带分割双载波混合调制系统c d t b t 国家h d t v 总体组提出的高级数字电视广播系统a d r b t 国家h d t v 总体组提出的b d b t 电子科技大学提出的同步多载波扩频地面数字电视传输系统 清华大学提出的地面数字多媒体与电视广播系统d t 其中，清华大学提出的d m b t 方案，已经在全国不同地区进行试验获得成 功，同时，基于d m b t 的数字电视芯片“中视一号”也已开发完成，这是我国 数字电视领域第一块拥有完全自主知识产权的芯片。d m b t 系统的创新之处在 于将数据检测和信道估计分别对待，对于数据检测采用o f d m 调制方式，对于 信道估计则采用p n 序列作为参考信号。这种将时域信号处理和频域信号处理相 结合的技术，可以同时发挥数字信号处理在时域和频域时的优势。 数字电视的发展，不仅具有重大的经济效益，而且对于带动我国相关产业的 发展具有十分重要的战略意义。因此，国家仍在加大对其的投入，未来的几年必 将是数字电视高速发展的时期。 1 2 数字电视组网方式比较 目前，地面数字电视广播系统的组网方式有单频网和多频网两种。 单频网( s f n ：s i n g l ef r e q u e n c yn 出v o r k ) 是指在同一网络中，所有发射机都 采用同一频段在同时传送同一数字电视信号的同一比特。多频网( m f n ： m u j t i f r e q u e n c yn e t w o r k ) 是指同一网络中相邻发射机以不同的频段发射相同的 电视节目，每个发射机覆盖一个区域。受技术限制，传统模拟电视和开发较早的 a t s c 等都采用了多频网的组网方式。 组建单频网的一个关键技术难题是克服多径效应造成的干扰，这也是传统单 载波调制发射碰到的最大问题。如美国的a t s c 标准，在弱多径环境下可以依靠 自适应均衡器进行处理，但在有多个发射台同时发射的强多径情况下，要处理这 种干扰变得非常困难。随着o f d m 等多载波方式的提出，以及其在理论和实践 中抗多径效应性能的证实，采用单频发射模式组建地面数字电视广播系统成为可 能。d v b 组织在经过研究后决定采用o f d m 作为其地面标准的信道调制方式， 又使得这种可能变成了现实。目前，采用单频网的基本上是基于d v b t 标准的。 单频网组网中另一个需要解决的是同步发射问题，d v b 组织为此专门制定 了相应的标准解决这一问题，即通过单频网适配器插入m i p 包。关于单频网同 步的实现原理和方法，本文将在后续章节中具体阐述。 浙江大学硕士学位论文 与已经发展较为成熟的多频网相比，单频网的出现，既有其优势，也存在着 应用上的问题。其优点主要表现在： 单频网能大大提高频谱效率。 相对传统多频网而言，单频网在发射一路数字电视信号对只需一个频段，因 此能节约宝贵的频率资源。而多频网为了避免相互干扰，同一频率的重用受到发 射机距离的极大限制。 单频网能有效提高覆盖质量。 由于是单频发射，因此单频网允许重叠覆盖，这将大大改善单一发射机覆盖 边缘的峭壁效应。同时，相邻发射机的信号不仅不会对本区域接收信号造成干扰， 相反还对本地接收机接收质量有建设性贡献。 单频网能进行蜂窝式组网。 将电视发射台进行蜂窝式分布化建设，不仅可以用较小的发射功率覆盖较大 的区域从而减小电磁污染，而且能极大的改善大城市内高楼林立造成的“遮蔽效 应”。 在一些国家的单频网组网试验中，也发现了单频网存在的一些问题，主要表 现在： 信号覆盖问题。 英国、澳大利亚在单频网方面的实践已经表明，目前基于d v b t 的单频网 在信号覆盖范围和信号接收质量上还不能达到两全。即使增加发射点的数量，也 不能从根本上改变这一矛盾。 可靠同步问题。 单频网发射机的之间需要严格的同步，目前解决这一问题的办法是在发射端 通过单频网适配器在传输流中插入时间同步信息。这势必增加发射成本，然而问 题还在于这种同步的可靠性。时间同步信息是通过提取g p s 时间得到的，而g p s 时间受到环境影响较大，特别是在雷雨天气可能完全失效。 另外，同步问题还更严重的存在于接收端。单频网适配器只能保证发射端的 频率，相位同步，而接收端由于恶劣信道的影响，仍会存在频率相位误差。这也 造成了单频网实践中信号断续问题的难以克服。 组网协调问题。 蜂窝式组网有着其优势，但也存在着协调上的难题。单频网的蜂窝式组网， 要求发射点根据接收场强的要求来协调各点的发射功率和信号发射延迟。这种协 调是一个整体的工作，牵一发而动全身，使得系统自我恢复能力极差。再加上各 地环境的千差万别，使得这种组网协调不仅复杂低效而且不可靠。 虽然也存在着不少问题，但是由于有限的频谱资源显得日益宝贵，单频网在 节约频带方面的优势越来越为人们所重视。目前我国正在进行的数字电视试验 浙江大学硕士学位论文 电视发展起步较晚，相关配套产品的开发也未跟上。如果能开发出具有一定竞争 力的产品，将在未来的市场争夺中占得先机。 其次，单频网适配器的开发具有长远的社会效益。广播电视网络是我国信息 基础设施的重要组成部分，数字电视也必将成为未来几年我国的主要产业之一。 在这样一个重要产业中，拥有具有自主知识产权的核心技术将非常关键。单频网 适配器的开发对于我国开发具有自主知识产权的数字电视技术、标准是一个强有 力的补充。 1 4 本文安排 本文将在在分析相关理论的基础上，提出单频网适配器的开发方案。重点阐 述基于f p g a 的软件的实现原理并给出仿真结果和分析。具体安排如下： 第一章在介绍数字电视技术及其标准的发展的基础上，比较了单频网和多频 网这两种目前主要组网方式在性能上的优劣。同时对已有单频网适配器进行了细 致调查，分析了开发现状，并指出了本项目实施的意义。 第二章阐述了单频网组网的实现原理。d v b t 关键技术的支持、网内传输 流管理、网内发射机的同步等是单频网得以实现的保证，本文在分析相关理论的 基础上，给出了单频网内码流的解析方法，并举例说明了单频网同步实现的方法。 第三章提出单频网适配器开发方案，并在此基础上进行了硬件平台的构建。 对外围芯片的工作特性、时序特点的深入了解，为f p g a 软件开发奠定了基础。 第四章详细论述了基于f p g a 的单频网适配器软件实现。在对软件整体功能 需求分析的基础上，提出模块划分方案。接着，对主要模块的实现方法、仿真结 果分别进行详细阐述和解释。软件完成了m i p 包插入、p c r 重计算、n i t 表更 新等基本功能，同时，本文提出了一种改进的p c r 重计算方法，减小了系统资 源的占用。 第五章总结本文已取得的成果，并对下一步工作做规划。 8 浙江大学硕士学位论文 第二章d v b t 的单频网组网 有限的频谱资源，是无线通信领域最为宝贵的资源，在地面数字电视广播的 组网中，单频网因为其在节约频带方面的优势而受到人们的重视。d v b - t 提出 和采用的各项创新性技术，如o f d m 、保护间隔等，又为单频网的实现提供了 技术基础。 m p e g 2 传输流管理、d v b t 调制、发射机同步是实现单频网的三个关键 技术。 2 1 单频网概述 2 1 1 单频网组网系统 d v b t 的单频网实现1 0 1 是指网内调制器均以相同频率发射信号，其系统构 成如图2 ，1 所示： 图2 1 d 一t 单频网组网示意图 单频网系统中一些主要模块及其功能如下所述： m p e g 一2 复用器 复用器的功能是将输入的多路节目信息复用成一路传输流( t s ) ，同时更新服 务信息( s i ：s e r v c ri n f 0 珊a t i o n ) 。 单频网适配器 该适配器( s f na d 印t 神的功能是形成兆帧，并插入兆帧初始化包。兆帧初始 化包中带有用于同步的时间信息，对这两者的定义和功能的详细分析将在本章后 9 浙江大学硕士学位论文 续章节给出。 分布式传输网络和传输网络适配器 进行信号的传输，一般以光纤网络为主。 同步系统 同步系统通过提取兆帧初始化包中同步时间信息，计算本地发射台的额外等 待延时并告知调制器具体发射时间。 d v b t 调制器 调制器是整个d v b 系统的核心。它首先通过提取兆帧初始化包中携带的关 于调制的控制信息设定自己的参数，然后根据同步系统提供的时间信息，调制并 发射信号。 全球定位系统g p s g p s ( g l o b a lp o s i t i o ns y s t 锄) 可以提供非常精确的全球同步时间，是向单频网 提供参考时钟的最合适选择。g p s 向网络提供1 0 z 和1 p p s 信号确保全网的同 步。 2 1 2 单频网的关键技术 单频网与多频网的本质区别在于发射机的频率选择，在单频网内，所有发射 机均工作在同一频率上，这就需要有一定的措施消除同频干扰。d v b t 所提出 的一系列技术正好在消除同频干扰、抗多径效应等方面具有很好的特性，是单频 网得以实现的理论基础和技术保证。 数字电视的单频网组网和传统多频网在技术上有相通之处，两者都要实现对 传输信号的管理。m p e g 2 是数字电视节目复用的基本标准，单频网对码流的管 理要符合m p e g - 2 标准中对于t s 流的相关定义，对码流的处理不能破坏传输流 结构，不能影响终端对数据的解码。对网内传输流的管理是实现单频网的前提。 由于所有发射机工作在同一频率，这就对发射机的同步提出了更高的要求， 分布式网络传输的复杂和多变，使得系统不可能为所有发射机事先设定时间同步 信息。为此，d v b 提出了在码流中携带同步信息的思想，即m i p 包的插入。这 也是单频网适配器的核心功能。 2 2d t 实现单频发射的技术保证 传统的单载波传输，无法克服多经效应带来的符号间干扰，因此只能采用多 频发射的模式。d v b t 创新性的采用了多载波调制的技术，为单频网组网的实 现提供了技术保证。 1 0 浙江大学硕士学位论文 2 2 1d v b t 概述 d v b t 标准【3 1 最早于1 9 9 7 年正式提出，并在1 9 9 8 年被正式接收为国际标准， 随后经过d v b 组织及其它国家的不断改进和应用，已成为目前国际上应用范围 最广、技术最为成熟的地面数字电视广播标准。 地面开路环境的复杂性和差异性，决定了d v b t 在保证传输质量上要比 d v b s 和d v b c 提出更先进的技术。d v b t 也是d v b 系列里面最为复杂的一 个标准。经过多年的研究论证，参与d v b 组织的专家们选定c o f d m 码分正交 频分复用的信道调制技术，同时伴随着强大的纠错码和交织技术，有效克服了地 面环境造成的多径效应和信道恶化。其发射端系统i 叫如图2 2 所示： 图2 2d 一t 系统发射端框图 d v b 的一大宗旨是在全球范围内推广其标准，因此，在标准的制定过程中， 充分考虑了各种可能的环境，对一些技术都提出了可选的参数设置。如c o f d m 信道调制编码技术提供2 种子载波数量2 k 和8 k 模式、调制方式有三种、支持小 范围和大范围的单频网运行。系统既可以支持目前模拟电视系统的8 m h z 带宽， 又可以工作于7 m h z 和6 m h z 带宽。工作模式的可选性，使得d v b t 的应用变 得十分灵活。我国幅员辽阔，地面环境千差万别，d v b t 对我国制定自己的地 面数字电视标准具有重要的参考意义。 d 一t 中，以o f d m 为核心，同时带有符号保护间隔的调制技术，是实现 单频网的保证。 2 2 20 f d m 信道调制 由于数字电视广播对传输速率要求较高，由多径效应产生的干扰较大，传统 单载波调制已很难满足需求，d v b t 经过研究提出了0 f d m 技术及相关的保护 浙江大学硕士学位论文 m p e g _ 2 淮叫湛描雾薹蹙 夜剐茸再蔓攀蠹萎鍪蠢薹鬟薹蓄蒜甜娶靠 襄。是地面数字i 。电鬟至誊。罂警磐睽强经型态臻努拿磊j 墨去雾盔罾接翌 碰鑫 蓦璧；捌霪垫! 颂企堑套羹蠢鬻。；恒星型去婆霪藩。 盎垂n 蒿蓑耄踅馋j 霏塑羹耗搬始戳鞋蛾一锱磊妻：冀嚣l l 霉霾霎。i 娄囊薹誉藿 囊黍冀篓甬疲孺杰苫灞搿；笔薪锄裁蓬满淄龋墙蛸带麓i o nt e c l l n o l o gi e s 公司( p t x x 】( 】【系列) 、意大利的s 缸瑚m ，i 磁公司 ( s f n 7 9 0 0 等) 、法国的e n e n s y st c cl l n o l o g i e ss a s 公可( n n 6 m 口等) 、美国的 h 删s 公司f v - s f n 系列) 等都已经在市场上占有一定的份额。 从功能上来说，目前的这几款产品均实现了m i p插入功能，m i p 的计算都 是基于g p s 接收器产生的参考信号。但它们之间也有不同的特点，例如n n 6m i p 支持等级和非等级工作方式，支持d v b t h的全部模式，支持n i t 表的更新等； p t 5 8 9 7 可选支持s p i 接口，但在支持不同的带宽模式时需要不同型号的设备； s f n 7 9 0 0 可选支持w e b 网管，并在信号丢失告警方面功能比较齐全。这三款产 品代表了目前单频网适配器的国内外的最好水平 。 从技术实现的角度来看，目前还没有专用的集成电路来实现单频网适配器的 核心功能，上述的几款产品都是采用f p g a 来实现的。 在我国，单频网适配器的开发也已经起步，并有相关产品面市。如杭州数电 科技有限公司的d i 西c a s t 单频网适配器，也具有了适配器的所有基本功能，如 m i p 插入、等级调制等，同时还具备了网络监控、面板监控、串口监控等多种控 制和监视方式。另外，支持d m b t 标准的单频网适配器也已经在组网试验中得 到应用。但从总体上说，无论是在技术还是市场上，国内产品与国外同类产品还 存在着差距。目前，我国所进行的单频网试验中，基本上都是采用了国外的产品。 1 3 2 单频网适配器开发的意义 在数字电视起步和即将高速发展的今天，进行具有自主知识产权的数字电视 相关设备单频网适配器，即具有现实的经济效益又具有长远的社会效益。 首先，单频网适配器的研发具有直接的经济效益。目前。数字电视在我国处 于飞速发展的时期，国家已经决定在2 0 1 5 年全面停播模拟电视。即使不算新增 用户，我国目我国数字 x 浙江大学硕士学位论文 调整字段控制：表示包头之后数据的类型，“1 0 ”表示只有调整字段，“叭” 表示只有负载，“1 1 ”表示两者都有，“0 l ”表示空包。 连续计数器：用于对含有相同p i d 的数据包进行计数。 调整字段长度：表示调整字段除了本字节之外的长度，取值范围为o 一1 8 3 。 当为0 时，表示只含有本字节而不含其它调整字段。1 8 3 表示数据包不含负 载。 可选字段标志：分别用于指示m p e g 2 传输包中的五个可选字段，即p c r 字段、o p c r 字段、拼接点、专用数据传输、调整字段扩展。“1 ”表示含有 对应字段。这些字段中。最为重要的是p c r 字段。 p c r 与o p c r 字段：节目时钟参考p c r ( p r o 鲥nc l o c kr e f b 啪c e ) ，总长为 4 2 b i t ，在信源编码复用时不定期向数据包中插入。在接收端，系统通过提取 p c r 数据进行时钟恢复，达到解码的同步。 p c r 的插入是不连续的，系统以p c rn a g 字段指示数据包是否含有有效 p c r 值。为了保证同步可靠性，m p e g 2 规定发送p c r 的时间问隔最大为1 0 0 m s ， 而d 则建议最大间隔不得大于4 0 m s 。 p c r 字段由两部分组成：长为3 3 b i t 的基本部分 c rb a s e ) ，以9 0 k h z 为计 数时钟；长为9 b i t 的扩展部分( p c re x t ) ，以2 7 m h z 为计数时钟。p c r 的值由两 部分共同决定： 尸c r ( f ) = p c r p a s e ( i ) + 3 0 0 + p c i t _ e x t ( i ) 式( 2 2 ) 其中标准规定： p c r 嬲i ) = ( s y s t 锄c l o c k _ 舶q u e n c y + t ( i ) d i v 3 0 0 ) 2 ”式( 2 3 ) p c r 。e x t ( i ) = ( s y s t e i h _ c l o c l o b q u e n c y + t ( i ) d 1 ) 3 0 0 式( 2 4 ) 式中d i v 表示整除，表示取模运算。 t ( i ) 为第i 个字节进入目标解码器的时间，是解码信息进行同步的关键，“i ) 的值可以通过p c r 值得到， t ( i ) 。面去鬈面+ 去蛐) 一 s y s t e m c l o c k _ f e q u e c n yt f a n s p o r cr a t e ( i ) q7 其中咖s p o r tm t e ( i ) 指当前数据到达的速率，该值也可以通过p c r 值进行确定： 唧。删) 2 堕絮器篙署燮式( 2 _ 6 ) 1 一 、7 p c r n 卜p c r ( i1 、 7 其中i 表示程序中正在被解码的字节序号，i 。表示包含程序中最近被解码的 浙江大学硕士学位论文 p c rb a s e 的最后一位的字节的序号，i 表示包含程序中即将被译码的p c r a s e 的最后一个字节的序号。 从上述式子可以看出，p c r 所表示的是一个相对时钟，在基准固定的情况 下，p c r 反映了数据包之间的时间间隔。 发送端 ： 接收端 i 图2 5p c r 在编解码端的应用框图 源节目时钟基准( o p c r ：o r i g i i l a lp r o 舯咖c l o c kr e f c r e i l c e ) ，用于只含有单 节目的传输流时钟恢复。o p c r 的构成和计算方法于p c r 完全相同。 2 - 3 1 3 节目专用信息p s i 传输流中包含多个节目的复用，需要提供一种机制使得解码端能正确得到关 于同一节目的信息并进行数据的解码。这种信息就是节目专用信息( p s i ：p m g r a m s p c c m ci n f o 咖a 廿o n ) ，在m p e g 2 中，p s i 被分为四类表结构： 表2 2 节目专用信息 结构名称p i d 值内容说明 节目关联表r 盯 o x 0 0 建立节目号和 y r 表p i d 的关联，给出n i t 表p i d 节目映射表p m t由r 玎给出规定组成节目的数据包p i d 值 网络信息表n l t由p a t 给出物理网络参数，如网络编号、f d m 频率等 条件访问表c a t o x o l建立e m m 流与每个独立h d 值得联系 任何传输流中必须包含p a t 和p m t ，同时，如果传输数据是加密的，还必 须传送c a t ，n i t 的传送在m p e g - 2 里是可选的。由于终端解码系统对传输流 访问的随机性，p s i 必须反复传送，但传输频率过高又会引起额外带宽的显著增 加。m p e g 2 没有规定p s i 重传频率，用户可以根据需要自由选择。 浙江大学硕士学位论文 2 3 2d 服务信息和n i t 表 m p e g 一2 中定义的节目专用信息p s i ，是为实现基本的码流解复用而服务的， 无法提供节目内容之外的信息。d v b 为了实现电子节目指南( e p g ) 、视频点播 ( v o d ) 等增值业务，定义了服务信息( s i ：s e r v i c ei n f o m a t i o n ) 表 2 8 】，用来传送供 应商、传输网络状况等的信息。除了n i t 表之外，d v b 还定义了九种不同的s i ， 其中比较重要的有n i t 、b a t 、s d t 、e i t 等。 网络信息表( n i t ：n e t w o r k i n f o m a t i o nt a b l e ) ，描述了当前传输网络的标识、 名称、t s 流的传输媒介和调制方式等。按照描述网络的不同又可以分为表 示当前传输的n i t 表和用于表示其它网络的n i t 表。 信束关联表a t ：b o u q u e t a s s o c i 撕o n l i a b l e ) ，用于将同一类节目进行关联。 所关联的节目可以按照内容分( 如影视、体育等) 这些节目可以来自相同或 不同的网络。 服务描述表( s d t ：s e r v i c ed e s c r i 面o nt a b l e ) ，用于描述t s 流中节目的相关 信息，如名称、供应商等，和n i t 一样，也可以分为描述当前t s 的s d t 表 和描述其它t s 的s d t 表。 事件信息表( e i t ：e v ti n f o i t n a t i o nt 曲l e ) ，用于描述当前节目中的事件，即 一个频道中的播出实体。 服务信息表从本质上讲，仍然是t s 数据包，因此，其语法构成要符合 m p e g - 2 的规定，d 、仍只规定了该数据包有效负载的格式和含义。下面以n i t 表为例说明s i 的一般构成。 n i t 表通过两个循环分别表示网络信息和频道传输流信息，其语法构成如图 2 6 所示。 蠢 分段保分段网络保版有划分段上一分保阿络信 网络 保传输流信传输流 c r c 语法 留 长度 i d留 太 指剥号 段号 留 息长度 信息留 息长度 信息 一5 一：_ _ 3 2 传输源网 保留 传输流描 传输流l 传输 源网 保留 传输流描传鞠流 流i d 络i d 述长度 描述l 流i d络i d述长度描述 图2 6 n i t 表的基本结构 一些重要字段的含义如下： 表i d ：用于表示表的类型，d v b 为n i t 分配了两个i d ，其中o ) 【4 0 表示现行 网络，o ) 【4 l 表示其它网络。 网络i d ：用于识别传输系统网络。 有效指示：为1 时表示当前表有效，为o 则表示下一子表有效。 网络信息长度和网络信息：前者表示了接下来对网络信息进行描述的字段长 浙江大学硕士学位论文 2 4 单频网同步原理 单频网组网中，最大的问题是网内发射机的同步问题。由于传输网络的差异 性，传输流从单频网适配器到各个调制器的时间不尽相同，并且，由于网络情况 的变化特性，同网络在不同时刻的传输延时也会相差很多。而o f d m 调制系 统对同步的要求又相对较高，为了解决这一矛盾，必须采取相应的措旄。d 、，b 提出的方案是在传输流中插入携带时间信息的数据包，并通过g p s 提供的全球 同步时间信息达到发射机同步的目的。 2 4 1 单频