（信号与信息处理专业论文）数字卫星电视接收定时同步的设计与实现.pdf

塑坚叁兰堡兰望些堡塞z 鱼墨童5 jz 摘要 数字高清晰度电视( d i g i t a lh d t v ) 是当今世界卜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一。数字 见频广播 ( d v b ) 是欧洲1 7 0 多个组织共同丌发出的数字高清晰度电视标准，它主要由p 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。 本文探讨了数字卫星电视( d v b s 和d v b s 2 ) 接收机中符号定时同步的实现 算法及结构，并给出了芯片实现方案。 第一章对数字电视及d v b 标准进行了介绍，由于本文主要是针对数字卫星 电视系统的，所以用了较多的篇幅介绍d v b s 和d v b s 2 两个标准的内容，以 及d v b s 2 向后兼容d v b s 的情况。并对数字卫星电视的发展趋势进行了介绍。 第= 章的内容介绍了在这两个标准中应用到的q p s k 8 p s k 1 6 a p s k ( 4 1 2 - a p s k ) 和3 2 a p s k ( 4 1 2 1 6 - a p s k ) 调制和解凋方面的技术背景，这 些可以作为后续章节的理论基础。 第三章中，对定时同步算法进行了介绍，对其重要性以及性能进行了分析， 给出了几种可供选择的方案。并对在本课题设计中应用到的基于内插算法的定时 同步方法原理进行了分析。 第旧章介绍了在具体的设汁中是如何来设计定时同步环路的内插滤波器以 及环路的各个部分的。在介绍的过程中，都给出了几种不同的实现方案供选择， 然后选出其中最实际可行并能得到最佳性能的方案作为本课题的具体实现方案。 同时还提出了基于内插实现同步的一些改进方法，包括t e d 算法的改进以及使用 前向滤波器抑制自噪声。 第五章是对d v b s 定时同步a s i c 实现的介绍。 本文主要研究的是数字卫星电视系统d v b s 和d v b s 2 两个标准下的接收端 设计。重点是在对定时恢复模块的算法研究及其硬件实现 ：。 关键词：数字卫星电视，d v b - s ，d v b s 2 ，定时同步，专用集成电路设计 浙江大学硕十毕业论文 a b s t r a c t d i g i t a lh d t v ( d i g i t a lh i g hd e f i n i t i o nt e l e v i s i o n ) t e c h n o l o g yi n t e g r a t e st h e m o s ta d v a n c e di m a g ec o m p r e s s e de n c o d i n gt e c h n o l o g ya n dt h ed i g i t a lt r a n s m i s s i o n t e c h n o l o g y i th a sb e c o m e o n eo f t h ef o c u s e si nt h eh i g h t e c hc o m p e t i t i o n s d v bi st h e d i g i t a lh d t v s t a n d a r dt h a td e v e l o p e db ym o r et h a n17 0o r g a n i z a t i o n si ne u r o p e i t m a i n l yc o m p r i s e ss a t e l l i t e ( d v b s ) ，t e r r e s t r i a l ( d v b t ) a n dc a b l e ( d v b c ) d i g i t a l t e l e v i s i o ns y s t e m s t h i sp a p e ri sa b o u tt h e a l g o r i t h m so ft i m i n gr e c o v e r yu s e di nd i g i t a l s a t e l l i t e t e l e v i s i o n ( d v b sa n dd v b s 2 ) c h a n n e lr e c e i v e rs y s t e ma n di t si m p l e m e n t a t i o ni n a s i c t h ef i r s tc h a p t e rg i v e sa no v e r v i e wo f t h ed i g i t a lh d t va n dt h ed v bs t a n d a r do f e u r o p e ，a n dt h e i rd e v e l o p m e n ta r ea l s oi n t r o d u c e di n t h ec h a p t e r a n di t s m a i n l y f o c u s e do nt h ed v b - sa n dd v b - s 2s y s t e m i tw i l ls h o wy o uh o wt h ed v b s 2 s y s t e mi sb a c k c o m p a t i b l ew i t hd v b ss y s t e m t h es e c o n d c h a p t e rm a k e sa n i n t r o d u c t i o no ft h ef u n d a m e n t a lt h e o r yo ft h e m o d u l a t i o na n dd e m o d u l a t i o no ft h ep s k ，i tc a nb et h et h e o r yb a s i so ft h ec h a p t e r s f o l l o w i n g t h et h i r dc h a p t e rd i s c u s s e sw i t ht h et i m i n gr e c o v e r yt h e o r ya n d a l g o r i t h m s a f t e r a n a l y z i n gt h e i r c h a r a c t e r i s t i c sa n dd i f f e r e n c e s ，i tb r i n g sf o r w a r dt h ea l g o r i t h ma n d s t m c t u r ea p p l i c a b l ef o rd v b - s s y s t e m t h ef o u r t hc h a p t e rw i l ls h o w y o u t h ed e t a i l so f t h e d e s i g n si nt h et i m i n gr e c o v e r y s y s t e mb a s e do ni n t e r p o l a t o r t h e r ea r es e v e r a lw a y s t od e s i g nt h ep a r t s ，a n dt h em o s t p r a c t i c a lw a yi s u s e di nt h er e c e i v e r s y s t e m i n t h ee n do ft h e c h a p t e r , s o m e i m p r o v e m e n t s o f t h e d e s i g na r ea l s oi n t r o d u c e d t h ef i f t hc h a p t e ri n t r o d u c et h ei m p l e m e n t a t i o ni na s i co ft h et i m i n gr e c o v e r y s y s t e m i nd v b sr e c e i v e r t h em a i nc o n t r i b u t i o n so ft h i s p a p e ra r ep r o p o s i n gt h ed e s i g no fd v b sa n d d v b s 2r e c e i v e r a n dt h es o u lo ft h e p a p e r i st h ea l g o r i t h ma n da s i c i m p l e m e n t a t i o n s c h e m e o f t i m i n gr e c o v e r ya p p l i c a b l ef o rd v b ss y s t e m k e yw o r d s 】h d t vd v b - s d v b - s 2 t i m i n gr e c o v e r y 浙江大学硕士毕业论文 第一章绪论 世界通信与信息技术的迅猛发展将引发整个电视广播产业链的变革，数字电 视是这一变革中的关键环节。伴随着电视广播的全面数字化，传统的电视媒体将 在技术、功能上逐步与信息、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。这一新兴产业已经引起广泛的关注，各发达国家根据自己 的国情，己分别制定出由模拟电视向数字电视过渡的方案和产业目标。数字电视 被各国视为新世纪的战略技术。数字电视成了继电信引爆l t 之后的又一+ 大“热 点”。 高清数字电视的发展带动了整个电子信息技术及其相关领域的发展，被称为 继半导体、电子信息技术之后电子行业的第三次机遇。 2 0 0 8 奥运会的数字电视转播，2 0 1 5 年的模拟电视停播，似乎都在向人们宣布 数字电视的大势所趋。数字电视在世界范围内跨出了科研阶段而进入了商品化的 时代。 本文主要针对欧洲的d v b s 标准，并结合芯片设计的具体情况，介绍了高清 晰度电视信道接收芯片中同步定时环路的实现方法。 1 1 数字电视概述“3 数字电视不是“数字电视机”。数字电视是采用数字信号广播图像和声音的电 视系统，它在电视信号的获取、产生、处理、传输、接收和存储的各个环节中都 采用数字信号或对数字信号进行处理。我们现在推广的“数字电视”主要是指在 传输阶段使用数字技术。它是一个可以承载综合业务，以视频业务为主；可以采 用多种传输媒介，结合单向广播与各种回传通道技术的数字平台。 1 1 1 数字电视的优越性 从用户使用的角度来说，数字电视与传统电视相比有以下四大优势： 1 高质量的音画效果 数字电视采用压缩编码方式，使用户在家里可看到与电视台播放时一样清晰 的电视画面，不再被模糊的电视画面所困扰，并可以获得环绕立体声伴音效果。 2 按需收视自作主张 采用数字技术后，使得人机交互成为可能，这将使得电视接收模式产生彻底 的变革。用户可以根据自己的需要、喜好，来选择节目套餐。播什么节目，什么 叫候播，都可以由用户来决定。 浙江大学硕士毕业论文 3 内容丰富乐趣多多 电视频道数量可以在现有基础上扩增数倍，与此同时，还有大量的互动图文 信息、声音广播节目、网络游戏等非传统电视类内容和应用加入进来，如浏览网 页、炒股、发送电子邮件、享受远程教育和电视购物等。 4 计费准确收费合理 数字电视可以准确地根据用户使用情况进行计费。用户将根据自己选择和制 定的节目付费。看多少节目付多少费；看什么节目付什么费，付费将更趋合理。 在实现的技术上，数字电视技术与原有的模拟电视技术相比，有如下优点： 1 信号杂波比和连续处理的次数无关 电视信号经过数字化后是用若干位二进制的两个电平来表示，因而在连续处 理过程中或在传输过程中引入杂波后，其杂波幅度只要不超过某一额定电平，通 过数字信号再生，都可能把它清除掉。即使某一杂波电平超过额定值，造成误码， 也可以利用纠错编、解码技术把它们纠正过来。所以，在数字信号传输过程中， 不会降低信杂比。而模拟信号在处理和传输中，每次都可f i l b l 入新的杂波，为了 保证最终输出有足够的信杂比，就必须对各种处理设备提出较高信杂比的要求。 模拟信号要求s n 4 0 d b ，而数字信号只要求s n 2 0 d b 。模拟信号在传输过程 中噪声逐步积累，而数字信号在传输过程中，基本上不产生新的噪声，也即信杂 比基本不变。 2 可避免系统的非线性失真的影晌 而在模拟系统中，非线性失真会造成图像的明显损伤。 3 数字设备输出信号稳定可靠 因为数字信号只有“0 ”、“1 ”两个电平，“l ”电平的幅度大小只要满足处 理电路中可能识别出是“l ”电平就可，大一点、小一点无关紧要。 4 易于实现信号的存储，而且存储时间与信号的特性无关 近年来，大规模集成电路( 半导体存储器) 的发展，可以存储多帧的电视信号， 从而完成用模拟技术不可能达到的处理功能。例如，帧存储器可用来实现帧同步 和制式转换等处理，获得各种新的电视图像特技效果。 5 由于采用数字技术，与计算机配合可以实现设备的自动控制和调整。 6 数字技术可实现时分多路，充分利用信道容量，利用数字电视信号中行、 场消隐时间，可实现文字多工广播( t e l e t e x t ) 。 7 压缩后的数字电视信号经数字调制后，可进行开路广播，在设计的服务区 f i ( 地面广播) ，观众将以极大的概率实现“无差错接收”( 发“0 ”收“0 ”， 发“l ”收“l ”) ，收看到的电视图像及声音质量非常接近演播室质量。 8 可以合理地利用各种类型的频谱资源 以地面广播而言，数字电视可以启用模拟电视中的“禁用频道”f t a b o o 浙江人学硕士毕业论文 c h a n n e l ) ，而且在今后能够采用“单频率网络”( s i n g l ef r e q u e n c yn e t w o r k ) 技术，例 如l 套电视节目仅占用同1 个数字电视频道而覆盖全国。此外，现有的6 m h z 模拟 电视频道。可用于传输l 套数字高清晰度电视节目或者4 6 套质量较高的数字常规 电视节目，或者1 6 2 4 套与家用v h s 录像机质量相当的数字电视节日。 9 在同步转移模式( s t m ) 的通信网络中，可实现多种业务的“动态组合” ( d y n a m i cc o m b i n a t i o n ) 例如，在数字高清晰度电视节目中，经常会出现图像细节较少的时刻。这时 由于压缩后的图像数据量较少，便可插入其它业务( 如电视节目指南、传真、电子 游戏软件等) ，而不必插入大量没有意义的“填充比特”。 1 0 很容易实现加密解密和加扰解扰技术，便于专业应用( 包括军用) p a 及 广播应用f 特别是开展各类收费业务) 。 11 具有可扩展性、可分级性和互操作性，便于在各类通信信道特别是异步 转移模式( a t m ) 的网络中传输，也便于与计算机网络联通。 1 2 可以与计算机融合而构成一类多媒体计算机系统，成为未来“国家信息 基础设施”i i ) 的重要组成部分。 1 1 2 数字电视的分类和系统结构 数字电视可以按以下几种方式分类： 1 按信号传输方式分类：可以分为地面无线传输( 地面数字电视) 、卫星 传输( 卫星数字电视) 、有线传输( 有线数字电视) 三类。 2 按产品类型分类：可以分为数字电视显示器、数字电视机顶盒、一体化 数字电视接收机。 3 按清晰度分类：可以分为低清晰度数字电视( 图像水平清晰度大于2 5 0 线) 、标准清晰度数字电视( 图像水平清晰度大于5 0 0 线) 、高清晰度数 字电视( 图像水平清晰度大于8 0 0 线，即h d t v ) 。v c d 的图像格式属于 低清晰度数字电视( l d t v ) 水平，d v d 的图像格式属于标准清晰度数字 电视( s d t v ) 水平。 4 按显示屏幕幅型分类：可以分为4 ：3 幅型比和1 6 ：9 幅型比两种类型。 5 按扫描线数( 显示格式) 分类：可以分为h d t v 扫描线数( 大于1 0 0 0 线) 年i s d t v 扫描线数( 6 0 0 8 0 0 线) 等。 1 1 3 数字电视的标准介绍 1 9 8 0 年c c i r ( 现i t u r ) 制订了6 0 1 号建议草案：演播室电视信号数字化参 数( 电视系统的发送端：信源) 。1 9 8 2 年德国i t t 研制出套v l s i ，对模拟电视 浙江人学硕上毕业论文 接收机中的电视基带信号进行数字处理( 电视系统的接收端：信宿) 。1 9 8 8 年， c c i t t ( 现i t u r ) 制订了h 2 6 1 建议草案：电视电话会议电视系统。其中活动 图像( 视频) 压缩编码算法，是“图像编码4 0 年经验的总结”。国际建议( m p e g 一1 、 m p e g - 2 、h 2 6 3 和m p e g 4 等) 中的视频压缩编码算法，都以h 2 6 l 中的视频压 缩编码算法为基础。1 9 9 1 年和1 9 9 3 年，相继制订了与数字电视发展密切关联的 m p e g l 建议草案( i s 01 11 7 2 ) 和m p e g 一2 建议草案( i s 01 3 8 1 8 ) 。在此基础上，美 国、欧洲和f 1 本先后制订出各自的数字电视标准系列，分别是欧洲e t s i 的 d v b ( 日本d i b e g 的i s d b t 源于d v b ，不另作分类) 、美国先进电视委员会a t s c 的d t v 。h 2 6 1 的制订，是数字电视发展历史上的重要转折点：数字电视系统由 专业应用扩展到消费电于应用，特别是单向的传统广播方式。 近来美国a t s c 提出了具有改进增强项的修改了的a t s c 标准。同时美国 l i n x 公司也提出了可满足移动接收的l i n xm o b i l e 2 - - v s b 传输标准，也在 n a b 2 0 0 3 上进行了演示。欧洲的卫星数字电视传输标准也有新的变化，d v b 制 定了新的卫星数字电视传输标准d v b - - s 2 。 在我国，具有自主知识产权的有线电视传输标准和地面数字电视传输标准也 在紧锣密鼓的进行中。 由清华大学开发的数字电视方案在河南进行了商业试播，上海交通大学也在 上海成功进行了移动数字电视的实验。清华方案和上海交大方案一直被认为是中 国数字电视基于无线的地面传输标准最有力的竞争者。它们的成功试播，为国家 标准出台提供了基础。上海、北京一些机构已经开始经营移动数字电视市场，其 它一些省市也在考虑上马移动数字电视项目，由于国家标准迟迟不能出台，目前 使用的都是国外标准。这一趋势如果持续下去，将对我国形成自主的市场开发带 来严重后果。 1 1 4 数字卫星电视的发展 目前世界上许多国家都在发展数字卫星电视系统，原因在于其独特的优点。 数字卫星电视系统具有传输质量高，占用频带少等优点。 1 数字电视通过卫星传输后，接收端的信号质量可与发送端的相比拟。这 是因为它采用了数字传输和误码保护技术，而普通模拟电视信号采用的 是模拟处理和传输方式，接收质量容易受噪声及干扰的影响。 2 数字卫星电视系统由于采用数字压缩技术及数字调制技术。在只能传1 路模拟电视节的一个3 6 m h z 卫星转发器上，可传输5 6 路数字电视节 日，从而大大的节约了空间频率资源。 3 采用犬规模集成电路，使设备功耗降低、体积减小、可靠性提高并易于 浙江大学硕上毕业论文 与计算机联网。 介于数字卫星电视具有上述突出的优点，再加上近年来高速信号处理技术和 超大规模集成电路技术的发展，为实现数字卫星电视系统提供了基础。 1 。2d v b s 标准的介绍 1 2 1d v b 的介绍 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 ) ，意为数字视频广播。是欧洲1 7 0 多个组 织参加的一个项目，是欧洲的电视传输系统标准。是一个系列化的全数字电视标 准，各标准在视频音频编码方案和系统复接方案上是一致的，都符合m p e g 一2 标 准，区别主要在于传输系统采用不同的方案，分别适用于不同的传输媒介和应用 环境。主要包括三部分：用于卫星数字电视广播的d v b s ，标准是e t s 3 0 0 4 2 1 ： 用于有线( 同轴电缆) 数字电视广播的d v b c ，标准是e t s 3 0 0 4 2 9 ；以及用于地 面数字电视广播的d v b t ，标准是e t s 3 0 0 7 4 4 。 d v b 项目的主要目标是要找到一种对所有传输媒体都适用的数字电视技术 和系统，对它的要求是： 1 系统应能灵活传送m p e g 2 视频、音频和其他数据信号。 2 系统使用统一的m p e g 2 传送比特流复用。 3 系统使用统一的服务信息系统提供广播节目的细节等信息。 4 系统使用统一的一级里德一索罗门前向纠错系统。 5 使用统的加扰系统，但可有不同的加密。 6 选择适于不同传输媒体的调制方法和通道编码方法以及任何必须的附加 纠错方法。 7 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。这一目标得到了i t u 卫星广播的支持。 8 支持数字系统中的图文电视系统。 目前d v b s 标准己为全球所认同：d v b c 为欧洲、澳大利亚、北美、南美 等一些国家接受；而数字电视地面广播d v b t 已在欧洲、澳大利亚、新加坡进 行了广泛的测试试验得到认可。 浙江大学硕上毕业论文 1 2 2o v b s 和i ) v b s 2 数字卫星电视技术的介绍 1 2 2 1d v b - s 标准的介绍嘲 1 9 9 4 年，d v b 引进了d v b s 标准用于数字卫星信息传输，以向全球听众传输 大量的新频道和新栏目。今天这一技术规则被全球卫星使用者们广泛用于电视信 号传输和数据传送。 d v b s 标准提供了一套完整的适用于卫星传输的数字电视系统规范。选定 i s o i e cm p e g 一2 标准作为音频及视频的编码压缩方式，对信源编码进行了统一； 随后对m p e g 一2 码流进行打包形成传输流( t s ) ，进行多个传输流复用，然后进行 信道编码和数字调制，最后通过卫星进行传输。d v b s 将数字化视频信号( m p e g ) 封装( e n c a p s u l a t i o n ) 打包传送，不同的视频流赋予不同的节目识别号后复接成 一个几兆几十兆比特每秒的大数字载波，经卫星广播传送到众多的地面接收 机。每个接收机按照有条件接收控制系统的授权，依节目识别号从复接在一起的 大数据流中取出需要的频道。 这种体制很适合卫星“高高在上、广域覆盖”的广播特点，不仅用在电视卫 星广播，在需要点对多点传送大量活动图像的应用中也很合适，近年在卫星通信 中得到较多采用。非活动图像的数据流也可与视频流复接在一起传送，形成视频 数据结合的有效卫星传输方式。为了适应市场运作机制的需要，在卫星广播式 传输时，除了有免费频道外，还会有加密的收费频道，这就需要条件接收系统 ( c a ) 。在卫星直抵系统中，地面接收机数可能以千万计，条件接收系统的管理 涉及用户库、计货、实时授权等，要有功能强大的计算机。要有授权卡，这涉及 卡的芯片。卡的操作系统c o s 、加密算法等等。 d v b s 系统的音频编码使用m p e g 2l a y e r l i 第二层音频编码，也称 m u s i c a m 。音频的m p e g 2l a y e ri i 编码压缩系统利用了声音的低声音频谱掩蔽 效应，这一人体生理学效应允许我们对于人耳不太敏感的频率进行低码率编码， 此技术的采用可以大大地降低音频编码速率。m p e g 2l a y e r i i 音频编码可用于 单音，立体声，环绕声和多路多语言声音的编码。d v b s 系统的视频采用标准的 m p e g 一2 压缩编码，m p e g 一2 视频编码系统由一个大家族构成，每一个子系统之间 都有兼容性和共同性。根据图像清晰度的不同，它分成四种信源格式或称“等级” ( l e v e l ) ，从录像带( v c r ) 的低图像清晰度，到高清晰度电视。除了根据图像清晰 度定义的“等级”以外，d v b - s 视频标准还定义了“档次”( p r o f i l e ) 的概念，每一个 1 i 同的“档次”( p r o f i l e ) 能够提供构成编码系统的压缩工具和压缩算法。 浙江大学硕士毕业论文 1 2 2 - 2d v b - s 数字卫星电视系统的基本组成 随着卫星广播技术的发展和数字视频压缩技术的突破，通过卫星把电视节目 直播到家庭的方式( d t h ) 已经逐渐普及。从总体结构上面来说，d v b s 数字卫 星电视系统的构成如图1 1 所示： 视频 音频 数据 斟卜1 数字卫星电视系统 d v b 要求数字视频广播系统必须具有通用性和互易性，这些是通过系统功能 的模块化设计来实现的，d v b 系统可分为相对独立的两个模块：信源编码部分和 信道编码部分。 d v b s 作为d v b 常用的传输模式之一，一方面，d v b 是一个通用的数字电 视系统，所以，d v b s 和其他d v b 传输系统一样，其系统的信源编码采用m p e g 一2 音视频编码标准，按照m p e g 2 的标准来设计，码流采用传送流( t s ： t r a n s p o r t s t r e a m ) 的格式：另一方面，d v b 须适应不同的传输媒体，因而需要采 用不同的调制和信道编码方式。d v b s 信道部分与其他d v b 传输系统稍有不同， d v b s 由于通过卫星广播进行d t h 业务，受功率限制的影响特别突出，因此系 统设计的主要目标是抗噪声和抗干扰性能，而不是频带利用率的高低。为达到很 高的功率效率而又对频谱效率没有过多的损害，系统使用q p s k ( 正交相移键控) 调制方式，以及采用卷积码与r s 码级联的前向纠错方式( f e c ) ，并通过对卷积 码的灵活设置，可以在给定的卫星转发器带宽内使系统性能达到最优化。 在d v b s 数字卫星电视系统的发送端，系统设计中使用插入固定长m p e g 来传送流中的视频、音频和数据，其中有一个打包数据包的过程。这个过程可以 表示如下： 1 ，将数据包每8 个包的头部处的同步字节进行反向，形成有规则的结构。 2 对数据内容进行加扰。 3 r sf e c 是额外的数据包开销。对于传输系统而言，成为外码。 4 卷积交织处理，进一步减少数据错误率。 5 利用另外一种卷积码进行处理，进一步减少解码误差，形成内码。可以 根据适合服务提供者的需要而对内码进行调用更改。 6 最后，对该数据信号采用正交相移键控( q p s k ) 的r f 载波调制。 经过凋制后的数字信号还需要进行上变频变化之后才能变成为适合在非线性 的卫星信道上传播的高频信号后而发送往卫星传送到各地。在接收端，则在把信 浙江大学硕上毕业论文 号接收下来以后需要进行一系列的与发送端相反的过程操作来恢复出原来的数 字信号。从发送到接收的整个过程，d v b s 数字卫星电视系统的基本组成示意图 如r ： 节 目 源 播 放 设 备 图卜2d v b s 系统原理图 可见，在发送端，视频、音频信号及附加数据送到上行编码系统，经过信源 编码、信道编码、调制等一系列处理后送上卫星。在接收端，用户只需要装备一 台d v b s 接收机解码器，将解码后的信号送入电视机即可接收卫星播送的节目。 通过对d v b s 系统原理分析可以知道，要设计基于d v b s 标准的接收机， 可把系统按照信道处理部分和信源处理部分划分成相对独立的两个部分。而本文 主要是对d v b s 接收机信道解码方面的研究与设计。 数字卫星电视的发送端分为两部分，一部分为信号形成即信源编码和复用部 分；另一部分为信号传输即信道编码与数字调制部分。 1 ，信源编码和复用 信源编码部分主要完成模数和标准变换以及数字压缩功能。模数和标准变 换系统能处理多种不同格式、不同标准并将其变换为单一的、可以进行压缩处理 的数字信号；压缩编码部分即是把该数字信号进行压缩，降低其码率，使常规的 一条模拟传输通道可传输多路数字电视信号且基本不降低信号质量；节目复用是 指视音频相辅助数据经节目复用器混合成一个数据流，即构成节目数码流，同时 加入一些业务用的信息。 2 信道编码和数字调制 由于卫星信道中信号衰减很大，信噪比较低，因此必须牺牲一定的频谱利用 率以保证足够的功率利用率，d v b s 系统就采取了两种措施：一是采用级联的信 道编码方案；二是采用q p s k 调制。 数字信号在传输中最重要的是防止误码，因此传输中要在原信源编码序列中 以某种方式加入某些作为误差控制用的数码( 即纠错码) ，以实现自动纠错，从 而提高信号传输的可靠性。d v b s 采用了前向纠错编码( f e c ) 。 级联信道编码由r s 编码( 里德一索罗门编码) 和卷积码组成。其中r s 码也 、孓； 浙江大学顿十毕业论文 称为外码，码型为r s ( 2 0 4 ，1 8 8 ) ，其特点为纠正与本组( 8 比特为一组) 有关 的误码，对纠正突发性误码很有效。卷积编码又为内码，码型可于1 2 ，2 3 ，3 4 ， 5 6 和7 8 中选择，选择的标准是在频谱利用率和抗误码性能问权衡，卷积编码除 纠f 本组的误码以外，也纠正其他组的误码。 在r s 码与卷积码问为一交织器，采用卷积交织方案。交织是为解决卷积编 码可能产生的连续误码，交织器可将连续误码分散开，使接收端能够有效的纠错， 使连续误码不会超出纠错能力。 1 2 2 3d v l i - s 2 标准的介绍【1 7 】 目前，大多数的卫星数字广播都是采用著名的q p s k 调制技术。q p s k 调制具 有理想的误差保护，其传输能力为每个符号传输两个比特位，即2 b i t s h z ，但在 有噪声的条件下显然还要进一步降低。提高效率的第一个思路是增加每个符号传 输的位数。在卫星数字广播中首选恒包络调制，以便使用饱和转发器，这实际上 对应一种8 p s k 方案，其信道位速率为3 b i t s h z 。但是，星座中相邻点之间的距离 现在几乎减少了一半。因此，信号的功率必须按照同样的倍数来增加，以保持同 样的噪声裕度并获得同样的输出位误码率( b e r ) 。 d v b 近期公布了d v b - s 2 ，这是一个新的卫星标准，它的性能已经非常极限 地接近理论性能效果( 这种极限被称为“香农极限”) ，达到了这种效果，我们 就永远也不必再去开发“d v b s 3 ”了。 d v b s 2 采用q p s k 8 p s k 1 6 a p s k 3 2 a p s k 数字调制方式，在系统中使用 8 p s k 解调器与一个解码器，而且为了向后兼容，它还将集成现有的d v b s 解调 内核。后向兼容功能允许d v b s 2 接收器能正确的解码d v b s 2 的部分信号。 d v b - s 2 是在d v b s 的成功经验的基础上设计的，它在合理成本的基础上提 供比现有的卫星更灵活、性能更好的服务。新的技术规则使得它在同样的传输条 件下提高了3 0 的性能，在同样的谱效率下，它具备更强大的接收能力，并能在 信躁比低至- 2 d b 、高至+ 1 6 d b 的条件下工作。它最高能够达到4 5 b i t s e c h z 的谱 效率。 d v b s 2 标准已经为四种不同类型的卫星宽带应用制作了规格：广播服务、 交互式服务、收集服务和内容分发中继服务( d s n g 、因特网中继和电缆输入等) 。 新标准不仅限于m p e g - 2 视频和音频编码，能够适应不同的应用领域，处理各种 多媒体数字信号编解码器。 d v b s 2 并不会替代d v b - s ，千百万台d v b s 解码器已经在艰难的环境下运 行，为全世界的数字卫星业务做出了成功的贡献。人们正在正视在卫星环境下的 新的应用，例如为消费者扩大h d t v 信息的供应、提供以i p ( 网际协议) 为基础 浙江大学硕士毕业论文 的服务。这些新的应用领域能够因d v b s 2 的改进而获益，在些情况下， d v b s 2 将能够做d v b s 从来都做不了的事情。 此外，对“单波”的应用，d v b s 2f e c ( 前向纠错) 系统与a c m ( 自适应编 码和调制) 技术相结合，能够使卫星系统的能力增大1 0 0 至2 0 0 。这种能力的 增大依赖于它所覆盖区域的天气特点。这可能会给成本效益比高的快速卫星因特 网服务打开一扇门，同a d s l 和电缆地面解决方案进行直接竞争。 d v b s 2 具有以下特点： 1 可变输入方式，适于输入单输入流或者各种形式的复用输入流( 包括信息 包形式或者连续形式) 。 2 基于l d p c 的b c h 前向纠错系统，在高斯白噪声信道情况下传送时的均 方误差离香农极限只有0 7 d b 到l d b 。 3 宽码率分布，从1 4 到9 1 0 ：四种星座分布，编码可以从2 b i t g h z 到5 b i t s h z ， 可以在非线性情况下传输。 4 三种衰减悉数：0 3 5 ，o 2 5 ，0 2 0 。 5 自适应编码与调制方式( a c m ) ，可基于帧与帧之间优化信道编码和调制。 1 2 2 4d v b - - 8 2 数字卫星电视系统基本组成n 7 l d v b s 2 是d v b s 数字卫星电视的第二代标准系统，因此与d v b s 并没有 本质的区别，两者在很多地方都有共通之处，而且d v b s 2 还能向后兼容d v b s 系统。由于d v b s 2 具有更多的调制方式和更多的服务内容，因此也比d v b s 的电视系统要更为复杂。其发送端系统原理图如图1 - 3 所示： 单输入流 多输入流 图t 一3d v b s 2 发送端系统棘理图 d v b s 2 各系统结构内部比d v b s 结构要复杂，功能也更全面，有必要对各 个模块进行解说。 1 模式调整模块： 在这个模块中，需要进行输入接口设计，并对输入信号进行输入同步，同时还 进行m p g e 空信息包的识别以及对输入码流合并以及输入信息的幅度调整。最 后，还需要加入基带信令信息，告知接收端相应的模式调整内容，包括当前的具 体输入数据流格式、适应模式、传输参数以及相应的信息等内容，使接收端能进 行正确的判断接收。经过模式调整后的的输出序列格式为：一个b b h e a d e r 0 浙江大学硕士毕业论文 ( 8 0 b i t s ) ，后面紧跟d a t af i e l d 数据信息。 具体的模块功能结构可以看图1 - 4 所示： 其中虚线表示的是只对多输入流有效的功能模块。 2 码流自适应模块： 从模式调整模块输出的数据流进入码流自适应模块。此时接收到的信息是不 等长的可变b b h e a d e r 加d a t a f i e l d 数据流。因此，需要对数据流进行比特 填充，填充入信息将此数据流变成等长的b b f r a m e 。在d v b s 2 的系统中， b b f r a m e 的长度由f e c 码的码率决定，也就是随着纠错条件的变化而需要进行 不断的调整。 经过填充后的输出数据格式为： 匦面工而而矿回 b b f r a m e # j 格式 为了使传送的数据流在接收端能更好的进行纠错恢复，在这个模块中还对数 据进行了加扰，使传播的数据分散，便于在接收端即使在恶劣的条件下也能正确 恢复。 3 f e c 编码模块： 此模块包括：b c h 外码、l d p c 内码、比特交织三大块。输入此模块的 b b f r a m e 数据经过f e c 编码后输出的为f e c f r a m e 格式的数据。 在进行交织之前先将数据进行调整，格式如下所示： 叵固三正 在进行比特交织前先将数据格式进行调整 f e c f r a m e 有2 种长度：普通f e c f r a m e ( 6 4 8 0 0 b i t s ) 短f e c f r a m e ( 1 6 2 0 0 b i t s ) 。对于8 p s k 、1 6 a p s k 、3 2 a p s k 调制的数据，还要进行比特交织。 4 星座映射模块： 完成数据流从串行到并行的转换，产生i , q 序列。并将数据流根据不同的情 况对应映射成d v b - s 2 标准中几种不同的调制情况，对于一般的广播业务应用， 采用b p s k 、q p s k 、8 p s k 调制方式，而对于专业应用则采用的是1 6 a p s k ( 4 一1 2 a p s k ) 、3 2 a p s k ( 4 1 2 1 6 a p s k ) 调制力式。 浙江大学顿十毕业论文 5 物理层组帧模块： 在将没有经过加扰的f e c f r a m e 即x f e c f r a m e 进行传送时，需要加入物 理层信令和引导信息用来保证接收短同步和物理层解读。而在没有x f e c f r a m e 进行传输的情况下还需要插入虚拟的p l f r a m e ，产生最终的p l f r a m e 。 包括p l h e a d e r 在内的p l f r a m e 在调制端还需要进行能量扩散处理。处 理方式为：将( ，+ ，q ) 采样乘以一个复数随机序列( c j + l ，) ，即 1 w r w b l e d = 1 1 c l q c 0 1 ，q r w b l e d = i l c q + q c l l 6 基带整形和成形调制： 能量扩散后信号需要进行升余弦均方滤波。滚降系数为0 3 5 应用的类别来决定。基带整形滤波器的系统函数为： h ( f ) = 1 2 】 0 2 5 ，0 2 0 ，由 l 州 f n ( 1 + 口) 其中厂= 瓦1 = 鲁是n y q u i s t 频率，口是滚降系数。 星座调制过程就是将同相信息和正交信息分别用s i n ( 2 石五f ) 和c o s ( 2 万工r ) 进行 采样，其中五为载波频率。并将得到的两个信号相加，得到调制后的输出信号。 1 2 - 2 5d v i l _ s 2 和d v b - s 的区别 1 、输入的数据流不同： d v b s 中输入的数据流是严格限制为单一的数据流一一m p e g 数据流； d v b s 2 的输入可以是单一输入数据流，也可以是各种不同格式的多输入流。 2 、前向纠错系统不同： d v b s 2 的f e c 是基于l d p c 的b c h 编码。允许的准无误码距香农极限只 有o 7 d b l d b ，由传输模式来限定( 高斯白噪声信道，调制方式受香农极限限制) 。 3 、编码携带的信息不同： d v b - s 用的是q p s k 调制方式，能携带的信息为2 b i t s h z ；d v b s 2 有 q p s k ，8 p s k ，1 6 a p s k ，3 2 a p s k 几种调制方式，所以，能携带的信息从2 b i t s h z 到 5 b i f f s h z 。 厂一 一一口掣 三珥 浙旺大学硕士毕业论文 4 、码率跨度大： d v b s 2 从1 4 到9 1 0 ，而d v b s 只有：1 2 ，2 3 ，3 4 ，5 6 ，7 8 几种码率。 5 、滚降系数： d v b s 2 有三种：o 3 5 ，o 2 5 ，0 2 ，而在d v b s 里面则是o 3 5 ，o 2 。 6 、内码方面的区别： d v b s 用的是卷积码；d v b s 2 用的是l d p c 。 d v b s 2 跟d v b s 相比，增加了3 0 卫星通讯链接容量( 接近于理论极限) ， 有效地配置如高清电视和宽带网络等需要高速数据传输的应用。跟其他新的编码 和卫星技术相比，d v b - s 2 能显著增强传统雷达收发机标准或者增加h d t v 信道 数日，就跟显著降低卫星容量的价格一样。通过配备满足d v b s 2 标准要求的设 备，卫星电视公司将能够提供成本低廉的带宽密集型业务，如向其他宽带技术无 法到达的农村地区提供符合当地消费水平的高速i n t e r n e t 接入、增加电视频道选 择以及扩展h d t v 业务等。 d v b s 2 标准由d v b s 标准发展而来，并且充分利用了信道编码和调制的最 新发展，比d v b s 的能力提高3 0 ，在同样的频谱效率下接收更可靠。 带宽和设备的价格已经对近来卫星i n t e m e t 接入的部署造成了阻碍。d v b s 2 标准中提出的高阶信号处理技术提高了带宽容量，结合新的双向卫星接入技术， 最终将使宽带i n t e m e t 接入业务以低成本实现。 1 2 2 6d v b - s 2 向后兼容d v i s d v b s 2 系统可以向后兼容d v b s 系统。而且其后向兼容b c 模式是在 一个卫星通道里面传送了2 个t s 流，其中第一个是高优先级的( h p ) ，可以兼容 d v b s 2 和d v b s 接收信号的。丽第二个是低优先级的( l p ) ，只能有d v b s 2 接收信号。 后向兼容可以用以下两种方法来实现； 1 分层调制 d v b s 和d v b s 2 异步的结合在射频通道上面。在这种方式中，采用了两条 不相关的上行链路来分别传送高优先级的d