（信号与信息处理专业论文）卫星数字电视信道解调及信源解码的技术研究与芯片设计.pdf

浙江大学博士学位论文 摘要 经过十多年的发展，以d v b s 为传输标准、m p e g 2 为信源标准的第一代卫星数字电视 广播系统的产业化已经成熟，被世界上绝大部分国家所广泛使用；虽然中国终端机顶盒的产 业化也已经形成规模，但是相应的i c 产业才刚刚起步。随着新一代卫星传输标准d v b - s 2 的公布，新的市场进入孕育期。 本文将以卫星数字电视接收终端中的关键芯片为研究对象，从d v b s 及d v b - s 2 解调 技术及s o c 设计技术等多个方面对卫星接收及解码领域的算法和框架等进行深入的分析和 讨论，提出了多项优化的算法和实现框架，其中d v b s 及s o c 相关的算法和技术已经通过 大规模的量产考验，d v b s 2 相关的算法已经通过仿真及f p g a 验证。 本文的主要内容安排如下： 第一章介绍了卫星数字电视传输标准及信源编码标准，及世界和我国在卫星数字电视广 播中的技术及产业化现状，给出本文内容安排及主要研究成果。 第二章首先给出了卫星信道模型，仿真分析了各种信道特性、干扰等对信号的影响。然 后以d v b s 解调算法为研究对象，对定时恢复、载波恢复及均衡等方面算法进行了分析， 提出了一种利于芯片设计实现的解调框架。测试结果及与其他主流芯片性能对比表明，在实 际信号接收能力方面，超越了竞争对手。 第三章以d v b s 2 为研究对象，对广播模式及交互模式下的定时恢复、物理帧同步及载 波相位恢复进行了分析，提出了广播模式及交互模式下的解调方案。文中提出的d v b s 2 广播模式解调算法结构不仅有利于芯片的设计实现，而且可以在无导频模式下也可以达到快 速捕获；针对卫星接收载波误差大的特点，提出了一种定时锁定检测辅助的载波扫频算法， 提高低符号率的载波扫频速度；引入一种性能优越的d v b s 2 物理帧同步算法，最大程度的 利用了已知信息，提高物理帧同步的速度；针对低符号率收敛速度慢的特点，提出一种 d v b s 2 载波粗略估计算法，提高低符号率时的载波粗略捕捉速度。接着在分析现有算法缺 点的基础上，提出一种利于芯片设计实现的d v b s 2 交互模式解调算法结构，可以满足最低 门限要求；提出一种快速收敛的载波恢复及相位恢复级联算法。 第四章以d v b s 模式下的盲扫算法的研究对象，首先分析了几种现有的符号率盲估计 算法，对基于基带脉冲的符号率估计算法进行了改进，并指出了缺点。接着提出了一种基于 频域和时域的二维盲扫算法，可以实现全频段的高速高效频点及符号率的自动搜索。文中提 出的一种针对频域的符号率及载波频率粗略估计算法，及两种针对时域的符号率精确搜索算 法，都经过了量产考验。 第五章以d v b s 解调及m p e g 2 解码单片接收s o c 芯片为研究对象，首先给出了面向 产业化的s o c 设计流程；接着分析了此s o c 的总线架构及数据流设计，给出了芯片实现框 架；同时给出了各个模块的实现方案；提出了一种在s o c 芯片中多处理器之间通信的机制。 作为国产首款卫星数字电视d v b s 信道接收及m p e g 2 解码s o c 芯片的基础方案通过了量 产考验。 关键词：d v b - s ，d v b s 2 ，定时恢复，载波恢复，物理帧同步，盲扫，s o c 巍嚣文学博圭学短论文 a b s t r a c t w i mt e ny e a r sd e v e l o p m e n t , t h ei n d u s t r i a l i z a t i o no ft h ef i r s tg e n e r a t i o nd i g i t a ls a t e l l i t e t e l e v i s i o nb r o a d c a s t i n gw i t hd v b sa n dm p e g 2h a sb e e nm a t u r e d ，w h i c hh a sb e i n ga d o p t i n gb y t h em o s to ft h ec o u n t r i e si nt h ew o r l d t h o u g ht h et h r o u g h p u to fs a t e l l i t es e t - t o pb o xi sv e r yl a r g e i nc h i n a ，t h ei n d u s t r i a l i z a t i o no ft h ec o r r e s p o n d i n gi ci sj u s tb e g i n n i n g + w i t ht h ep r o c l a m a t i o n o ft h en e wg e n e r a t i o nd i g i t a ls a t e l l i t et vb r o a d c a s t i n gs t a n d a r d - - d v b - s 2 ，t h en e wm a r k e tg o e s i n t ot h eg e s t a t i o np e r i o d t a k i n gt h ep i v o t a lc h i p si nd i g i t a ls a t e l l i t es t ba st h er e s e a r c ho b j e c t s ，t h ea u t h o ra n a l y z e d a n ds t u d i e dt h ea l g o r i t h ma n ds o ca r c h i t e c t u r ei nd v b s ，d v b - s 2d e m o d u l a t o ra n dm p e g d e c o d e r , a n dp r o p o s e ds o m eo p t i m u ma l g o r i t h m sa n dr e a l i z a t i o ns t r u c t u r e s , w h i c hd v b sa n d s o cr e l a t e dh a v eb e e nv e r i f i e db ya s i ca n dm a s sp r o d u c t i o n ，a n dw h i c hd v b - s 2r e l a t e dh a s b e e nv e r i f i e do nf p g a t h em a i nc o n t e n t so ft h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ： t h ef i r s tc h a p t e ri n t r o d u c t st h es t a n d a r do fd i g i t a ls a t e l l i t et vb r o a d c a s t i n ga n ds o u r e e s t a n d a r d ，a l s ot h es t a t u sq u oo ft h et e c h n i q u ea n di n d u s t r i a l i z a t i o no fd i g i t a ls a t e l l i t et v b r o a d c a s t i n gi nt h ew o r l da n dc h i n a ，t h e ni tl i s t st h es t r u c t u r ea n dt h em a i nc o n t r i b u t i o no f t h i s p a p e r t h es e c o n dc h a p t e rf i r s tp r o v i d e st h es a t e l l i t ec h a n n e lm o d e l t h e nt a k i n gt h ed v b - s d e m o d u l a t o ra l g o r i t h ma st h er e s e a r c ho b j e c t ，t h ea u t h o ra n a l y z e dt h ea l g o r i t h mo ft h et i m i n g r e c o v e r y , c a r r i e rr e c o v e r ya n de q u a l i z a t i o n ，a n dp r o p o s e dad e m o d u l a t o ra r c h i t e c t u r ew h i c hi sb e p r o p i t i o u st oa i s cr e a l i z a t i o n t h er e s u l to fi n s t r u m e n tt e s ta n dt h ec o m p a r i s i o nw i t ho t h e r m a i n s t r e a md v b sd e m o d u l a t o rc h i p si n d i c a t e dt h a tt h en e wa r c h i t e c t u r ea n da l g o r i t h me x c e e d s t h ec o m p e t i t o ro nt h ep e r f o r m a n c eo f r e c e i v i n gt h er e a ls i g n a l s t a k i n gd v b s 2a st h er e s e a r c ho b j e c t , t h et h i r dc h a p t e ra n a l y z e dt h ea l g o r i t h mo ft h et i m i n g r e c o v e r y , p h y s i c a lf r a m es y n c h r o n i z a t i o na n dt h ec a r r i e ra n dp h a s er e c o v e r y , a n dp r o p o s e dt h e d e m o d u l a t o rs c h e m ei nb r o a d e a s ts e r v i c e sm o d ea n di n t e r a c t i v es e r v i c e sm o d e f i r s tt h ea u t h o r p r o p o s e dad v b s 2d e m o d u l a t o ra l g o r i t h ma r c h i t e c t u r ei nb r o a d c a s ts e r v i c e sm o d ep r o p i t i o u st o a i s cr e a l i z a t i o n , w h i c hc a nc a p t u r et h es i g n a lf l e e t l yi np i l o t - l e s sm o d e a c c o r d i n gt ot h ef e a t u r e o fl a r g ec a r r i e rf r e q u e n c ye r r o r , at i m i n gl o c kd e t e c t o ra s s i s t a n t e dc a r r i e rs w e e pa l g o r i t h mw a s p r o p o s e d ，w h i c hi m p r o v e dt h es p e e do fc a r r i e rs w e e pi nl o ws y m b o lr a t e ad v b s 2p h y s i c a l f r a m es y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h mw a si n t r o d u c e d ，w h i c hi m p r o v e dt h es p e e do fp h y s i c a lf r a m e s y n c h r o n i z a t i o n a l s oac a r r i e rc o a r s ee s t i m a t i o na l g o r i t h mw a sp r o p o s e d ，w h i c hi m p r o v e dt h e s p e e do ft h ec a r r i e rc o a r s ee s t i m a t i o ni nl o ws y m b o lr a t e t h e na n a l y z e dt h ed i s a d v a n t a g eo f t h e e x i s t i n ga l g o r i t h m ，ad v b s 2d e m o d u l a t o ra l g o r i t h ma r c h i t e c t u r ei ni n t e r a c t i v es e r v i c e sm o d e p r o p i t i o u st oa 1 s cr e a l i z a t i o nw a sp r o p o s e d ，w h i c hw a ss a t i s f i e dw i t ht h el o ws n rp e r f o r m a n c e r e q u i r e m e n t m e a n w h i l eac a s c a d e dc a r r i e ra n dp h a s er e c o v e r ya l g o r i t h mw a sp r o p o s e d ，w h i c hi s 毯g hs p e e d 。 t a k i n gt h eb l i n ds e a r c ha l g o r i t h mi nd v b - sa st h er e s e a r c ho b j e c t ，t h ef o u r t hc h a p t e r a n a l y z e ds o m ee x i s t i n ga l g o r i t h m so fs y m b o lr a t eb l i n de s t i m a t i o n ，a n di m p r o v e dt h es y m b o lr a t e b l i n d e s t i m a t i o na l g o r i t h mb a s e do nt h eb a s e b a n ds h a p ep u l s e t h e nap l a n a rb l i n ds e a r c h a l g o r i t h mb a s e do nf r e q u e n c yd o m a i na n dt i m ed o m a i n , w h i c hc a na u t o s c a na l lt h ef r e q u e n c y p o i n ta n ds y m b o lr a t e i nt h ea l g o r i t h m ，o n ec o a r s ee s t i m a t i o na l g o r i t h mo fs y m b o lr a t ea n dc a r r i e r i i 浙江大学博士学位论文 f r e q u e n c yb a s e do nf r e q u e n c yd o m a i na n d t w of i n es c a na l g o r i t h mo fs y m b o lr a t eb a s e do i lt i m e d o m a i na r ei n c l u d e d a l la b o v ea l g o r i t h m sa r ev e r i f i e db ym a s sp r o d u c t i o n t a k i n gt h es o cd e s i g no fd v b - sd e m o d u l a t o ra n dm p e g 2d e c o d e ra st h er e s e a r c ho b j e c t ， t h ef i f t hc h a p t e rp r o v i d e dt h es o cd e s i g nf l o ww h i c hf a c e dt ot h ei n d u s t r i a l i z a t i o n t h e na n a l y z e d t h es o cb u sa r c h i t e c t u r ea n ds t r e a md e s i g n ，a n dp r o v i d e dt h ec h i pr e a l i z a t i o na r c h i t e c t u r e m e a n w h i l ei t p r o p o s e d 也er e a l i z a t i o ns c h e m eo fm o d u l e s t h ec o m m u n i c a t i o nm e c h a n i s m i n t e r - p r o c e s s o ri n s o cw a sp r o p o s e d t h i sa r c h i t e c t u r ew a sv e r i f i e db ya s i ca n dm a s s p r o d u c t i o n k e y w o r d s ：d v b - s ，d v b - s 2 ，t i m i n gr e c o v e r y , c a r d e rr e c o v e r y , p h y s i c a lf r a m es y n c h r o n i z a t i o n , b l i n ds e a r c h ，s o c i i i 浙江大学博士学位论文 第一章绪论 作为一场世界范围的新技术革命，数字化正在悄然地改变着这个世界，而数 字电视是这场革命中及其关键的一环。同时广播电视的数字化，也使数字电视产 业成为新兴的信息支柱产业之一。世界广播电视已经进入数字化时代，各国政府 制订了一系列时间表：美国在20o6 年关闭模拟电视；英国计划在20l0 年 关闭模拟电视；日本在20 06 年实现数字电视全国覆盖，2011 年关闭模拟 电视。中国政府亦提出了继续实施数字电视等对国民经济发展有深远影响的重大 高技术工程，并在“十五”计划中明确规划了中国数字电视的时间表：到20 l5 年，我国将关闭模拟电视。广电数字化实施“三步走”战略。第一步是在试验的基 础上，大力发展有线数字电视；第二步是发射直播卫星后开展卫星直播业务，同 时开始播出地面数字电视；第三步是到2oo8 年利用北京奥运会转播之机，大 力发展地面数字电视和高清晰度电视。在完成三个发展阶段后，我国的数字广播 电视可以通过有线、卫星、无线三种方式实现对全国的覆盖n 儿2 3 l 。虽然上述的 时问点并未如期完成，但是技术及产业的发展趋势是非常明确的。 国际上将数字电视广播分为卫星、有线及地面三种方式，最近又新增了手机 电视方式。而卫星广播由于覆盖范围广，接收受地理环境限制小等特点受到了世 界范围的欢迎。目前，世界上已有3 0 多个达到一定规模的数字卫星直播系统在 运营，其中家庭用户规模达1 0 0 0 万左右的系统就有3 个。 所谓卫星直播就是采用m c p c 方式将经过数字化处理后的广播电视节目及综 合业务信息，通过直播卫星进行直接广播，供个体用户接收。覆盖区内用户只需 使用直径5 0 厘米左右的小口径抛物面天线对准卫星即可实现良好接收，因此接 收便利、成本低廉。h 1 国际上现行的卫星数字电视传输及信源标准主要罗列如下表所示： 表1 1 现行的卫星数字电视传输及信源标准 第一代新一代 国家美国 日本其他国家 中国其他国家 信道标准 d s si s d b - s d v b - sa b s - sd v b - s 2 信源标准 m p e g 2m p e g 2m p e g 2 i d p e g 2 a v s h 2 6 4 从上表可以看到，第一代也就是现在最为普及的卫星标准中d v b s 1 及 m p e g 2 陋1 的使用是最为广泛的。而在新一代的标准中d v b s 2 阳1 被称为是卫星电 视广播标准的终极版本，其与h 2 6 4 n 们搭配可以用来传输高清节目；中国的a b s s 与d v b - s 2 类似，采用m p s k 与l d p c 相结合的方式来提高传输效率，并可能搭配 中国自主的信源标准a v s 1 1 3 。 浙江大学博士学位论文 作者在博士研究生学习期间，有幸参加和感受了中国卫星电视产业发展的重 要阶段，作为项目负责人组织并实施d v b s 信道解调芯片、d v b - s 2 信道解调芯 片、d v b s 信道解调及信源解码单片接收s o c 芯片的整个研发和产业化过程。本 文将从算法的研究、芯片的设计及产业化的角度来探讨卫星数字电视相关技术及 产品的研究。 本章组织如下：1 1 节介绍了卫星数字电视传输标准；1 2 节介绍了几种在 卫星广播中用到的信源编码标准；1 3 节介绍了世界及我国在卫星数字电视广播 中的技术及产业现状；1 4 节给出本文内容安排及主要研究成果。 1 1 卫星电视传输标准介绍 1 1 1d v b s d v b d s n g d v b s 系统标准于1 9 9 3 发布，是公认的最成功的两个系统之一( d v b - s 和g s m 标准) ，同时被全球直播( d t h d i r e c tt oh o m e ) 卫星电视广播商大量采用。d v b s 系统采用q p s k 调制方式、r s + 卷积码的级联码纠错编码方案。1 9 9 8 年，d v b 组织 发布了第二个卫星广播标准d v b - d s n g n 刭，该系统是d v b - s 系统的延伸，在原来 的基础上增加了高阶调制( 8 p s k 、1 6 q a m ) 。但是这两个系统中的前向纠错编码是 一样的其纠错性能略显不足。 1 1 2d s s d s s 是美国d i r e c t v 公司所有的私有直播卫星传输标准。标准本身与d v b s 较为类似，采用q p s k 调制方式，及r s + 卷积码的级联码纠错编码方案。 1 1 3i s d b - s 日本于1 9 9 9 年发布了数字电视标准i s d b ，其中卫星传输标准为i s d b s ，也 是采用q p s k 调制方式。i s d b 是日本的d i b e g ( d i g i t a lb r o a d c a s t i n ge x p e r t s g r o u p 数字广播专家组) 制订的数字广播系统标准，具有柔软性、扩展性、共通 性等特点，可以灵活地集成和发送多节目的电视和其它数据业务。从技术的角度， 其与d v b - s 相比差别不大。 2 浙江大学博士学位论文 1 1 4d v b s 2 随着技术的不断发展，同时为了缓解越来越严重的频谱资源，满足高清节目 播出的需要，d v b s 2 标准应运而生。与d v b - s 相比，d v b - s 2 有着更高的频带利 用率、更先进的编码方式和接近香农极限的系统性能，这些使得d v b s 2 系统数 据传输吞吐能力比d v b s 提高了3 0 ，因此d v b s 2 标准作为广播通信技术发展 到新水平的标志，受到广泛关注。 与d v b s 相比，d v b - s 2 除提供q p s k 调制方式外，还提供了多种具有更高频 带利用率的调制方式，如8 p s k 、1 6 a p s k 、3 2 a p s k 。与d v b d s n g 的1 6 q a m 相比， d v b - s 2 的16 a p s k 和3 2 a p s k 调制技术，减少了幅度变化，更能适应线性特性相 对不好的卫星传输信道，使高位调制方式通过卫星信道传输成为可能。 与d v b s 和d v b d s n g 相比，d v b s 2 采用的是功能更强大的前向纠错系统， 即b c h 和l d p c n 3 1 ( 低密度校验码) 码级联的信道编码方式，有效地降低了系统 解调门限，距离理论的香农极限只有0 7 l d b 。 d v b s 2 的升余弦滚降系数口可在0 3 5 、0 2 5 、o 2 中选择，而不是d v b s 固定的0 3 5 ，口越小，可以获得下降越陡峭的频谱，频谱利用率越高。 在d v b s 2 的单向广播应用中，d v b s 2 标准允许发射站根据接收站的不同条 件，对发送给不同接收站的数据帧的传输参数进行优化，在传输过程中采用可变 的编码和调制方式( v c m ) ，不必为最坏情况的传输预留额外的余量。d v b s 2 的 交互式应用中，可变编码和调制( v c m ) 功能与回传信道的运用相结合，形成一 种新的应用模式，即自适应的编码和调制( a c m ) u 引。 由于当前d v b s 在全世界范围内的广泛应用，d v b 官方认为短期内d v b s 2 不 会取代d v b s 。d v b - s 2 初始的应用主要面向一些新的业务如h d t v 、基于i p 的服 务等，今后通过卫星实现高速i n t e r n e t 连接，结合d v b s 2a c m 技术、多点k a 波段卫星和d v b - r c s 回传连接，使得当前卫星容量的价格将降低十倍。在国外， 这将启动新一轮卫星接入与地面接入方式( 如a d s l 和光纤) 的竞争。 1 1 5a b s - s 在中国，广电总局广科院研制的新一代卫星电视广播系统( a b s s ) 与d v b s 2 系统相比，具有相似的性能，但复杂程度有所降低。 与现有的d v b s 2 标准比较，a b s s 具有以下几点优势： ( 1 ) 没有b c h 码，减小了编码及系统的复杂度。 ( 2 ) 采用较短的帧长，降低了实现系统的成本。 ( 3 )更好的同步性能( 基于优化的帧结构) 。 3 浙江大学博士学位论文 ( 4 ) 更简化的帧结构。 ( 5 ) 固定码率调制( c c m ) 、可变码率调制( v c m ) 及自适应编码调制( a c m ) 模 式可以无缝结合使用。 a b s - s 具有如下特点： ( 1 )高质量信号采用无导频的模式，而对于由于使用低廉射频器件引起的 噪声信号，可以采用有导频模式。 ( 2 ) f e c 只使用具有强大纠错能力的l d p c 编码。 ( 3 ) 对于不同的应用，可以使用不同的码率，并具有四种调制方式：q p s k 、 8 p s k 、1 6 a p s k 和3 2 a p s k 。 ( 4 ) 三种成形滤波滚降因子：o 2 、0 2 5 和0 3 5 。 ( 5 ) a c m 可应用于互联网技术中。 a b s s 系统能够支持基于用户端的综合接收解码器、p c 或其他专业级双向 卫星通讯设备的交互式服务。其回传信道可以是任何能够支持卫星回传通信的标 准或现有的规范比如d v b r c s 等等。在这些应用中传输的数据格式可以是 t s 流，也可以是通用数据流。通过封装，a b s - s 系统可以支持诸如i p 的一些协 议。封装的协议遵循e n 3 0 11 9 2 或者i p t v 中的一些协议。 1 2 信源编码标准介绍 在此主要介绍在卫星数字电视广播中已经或者即将用到的信源标准，其他简 单介绍。 1 2 1m p e g 2 m p e g 组织于19 9 4 年推出m p e g 一2 压缩标准，以实现视音频服务与应用互操 作的可能性。m p e g 一2 标准是针对标准数字电视和高清晰度电视在各种应用下的 压缩方案和系统层的详细规定，编码码率范围是每秒3 兆比特1 0 0 兆比特，标 准的正式规范在i s o i e c l 3 8 1 8 中。m p e g 一2 不是m p e g 一1 的简单升级，m p e g 一2 在 系统和传送方面作了更加详细的规定和进一步的完善。m p e g - 2 特别适用于广播 级的数字电视的编码和传送，被认定为s d t v 和h d t v 的编码标准。 现有的数字电视广播主要采用m p e g 2 标清，比较少采用m p e g 2 高清。 1 2 2h 2 6 4 随着市场的需求，在尽可能低的存储情况下获得好的图像质量和低带宽图像 4 浙江大学博士学位论文 快速传输已成为视频压缩的两大难题。为此i e o i e c 和i t u t 两大国际标准化 组织联手制定了新一代视频压缩标准h 2 6 4 n 引，即m p e g 4 的第1 0 部分。实际上 是一个单纯的视频编解码标准。 h 2 6 4 和以前的标准一样，也是d p c m 加变换编码的混合编码模式。h 2 6 4 加 强了对各种信道的适应能力，采用“网络友好”的结构和语法，有利于对误码和 丢包的处理；h 2 6 4 应用目标范围较宽，可以满足不同速率、不同解析度以及不 同传输( 存储) 场合的需求。在技术上，h 2 6 4 标准有多个闪光之处，如统一的 v l c 符号编码，高精度、多模式的位移估计，基于4 块的整数变换、分层的编码 语法等。这些措施使得h 2 6 4 的算法具有很高的编码效率，在相同的重建图像质 量下，能够比m p e g 2 节约5 0 左右的码率。在混合编码的框架下h 2 6 4 引入了新 的编码方式，提高了编码效率，在低码流下可达到优质图像质量。 1 2 3a v s a v s 是我国自主知识产权的的信源标准。a v s 视频n 6 儿1 7 3 与m p e g 标准都采用混合 编码框架，包括变换、量化、熵编码、帧内预测、帧间预测、环路滤波等技术模 块。这是当前主流的技术路线。a v s 的主要创新在于提出了一批具体的优化技术， 在较低的复杂度下实现了与h 2 6 4 相当的技术性能，但并未使用国际标准背后的 大量复杂的专利。a v s 视频当中具有特征性的核心技术包括：8 x 8 整数变换、量化、 帧内预测、1 4 精度像素插值、特殊的帧间预测运动补偿、二维熵编码、去块效 应环内滤波等。 与h 2 6 4 相比，a v s 主要具有以下特点：( 1 ) 性能高，与h 2 6 4 的编码效率处 于同一水平；( 2 ) 复杂度低，算法复杂度比h 2 6 4 明显低，软硬件实现成本都低 于h 2 6 4 ；( 3 ) 我国掌握主要知识产权，专利授权模式简单，费用低。 a v s 以细微的性能损失换回了成本的降低，一方面作为中国自主知识产权， 可以成为中国与国外标准抗衡的武器，另一方面很有可能在中国的数字化过程中 被大量采用。 1 2 4 其他标准 其他的视频标准还有如m p e g 4 n 8 1 、v c 一1 等；音频标准有a a c 舯| 、a c - 3 瞻、 w m a 等等。这里不再赘述。 1 3 世界及我国技术及产业现状 从上世纪9 0 年代开始试播以来，d v b - s 卫星机顶盒的需求量不断升高。据高 5 浙江大学博士学位论文 科技咨询机构i n - s t a t 发布报告称，2 0 0 5 年全球数字卫星机顶盒的出货量达到 了6 5 0 0 万台，这两年还在不断发展，产量中有1 3 的机顶盒属中国制造。而在 2 0 0 5 年之前当我们打开卫星机顶盒时发现所有的芯片都是国外进口，中国无法 摆脱“中国制造的称谓。在2 0 0 5 年及其之前的卫星机顶盒市场中s t 毫无疑问 居于统治地位，其s t v 0 2 9 9 乜2 1 及s t i 5 5 1 8 晗鲫分别在信道解调及m p e g 2 解码领域占 据7 0 0 5 以上的份额。由于当时的选择性较小，因此此两款芯片得到了市场的认可。 d v b s 解调芯片及盲扫性能 在这个阶段z a r l i n k 公司提出了一个在卫星接收领域创新性的概念一一盲 扫，即在任何信息未知的情况下，将卫星上的节目自动搜索下来，同时推出了带 有盲扫功能的解调芯片m t 3 1 2 ，后继又推出z l l 0 3 1 2 3 1 3 窿4 1 。在不断的产品更新 和完善中盲扫速度和漏台率得到了改善，全频段搜索时间从m t 3 1 2 的半个多小时 缩短到z l l 0 3 1 3 的1 5 分钟，漏台率从较高变为z l l 0 3 1 3 的几乎不漏台，或者偶 尔漏低符号率。由于其采用纯时域的搜索算法，因此速度慢是显然的。这对于想 在i c 及数字电视领域有所突破的中国i c 设计公司来说是一个机遇，我们抓住了 这个机遇，在2 0 0 4 年5 月推出了具有自主知识产权，带高速硬件盲扫功能的解 调芯片g x l l 0 1 ，这是国产首款卫星数字电视信道接收芯片，盲扫速度远远快于 z l l 0 3 1 3 ，实际信号的接收性能超越竞争对手。 卫星解调及信源解码s o c 芯片 2 0 0 4 年底，科胜讯( c o n e x a n t ) 口叼推出了世界上第一款卫星f t a ( f r e et oa i r ) 解调及m p e g 2 解码s o c 芯片c x 2 4 1 3 8 及条件接收卫星解调及m p e g 2 解码s o c 芯片 c x 2 4 1 4 2 。此后一直未有其他的接收及解码s o c 芯片面世，直至2 0 0 5 年底才有台 湾的a l i ( 扬智科技) 推出了一款卫星f t a 解调及解码s o c 芯片m 3 3 2 8 。但仅几 个月之后2 0 0 6 年2 月份，我们推出了本土首款具有自主知识产权的卫星f t a 解 调及m p e g 2 解码的单片接收s o c 芯片g x 6 1 0 1 。一年后又推出了面向于条件接收 的卫星解调及m p e g 2 解码s o c 芯片g x 6 1 0 2 。 d v b s 2 信道解调芯片 自d v b s 2 标准公布始，欧洲及美国开始试播d v b s 2 ( 到目前为止都还处于 试播阶段) 。为了保持在卫星接收市场的领导地位，不少国际芯片公司都将目光 投向了新兴的市场d v b - s 2 ，加大研发投入，从孕育市场做起，到目前为止推出 了不少的解调芯片，如：s t 的s t b 0 8 9 9 、c o n e x a n t 的c x 2 4 1 1 6 等。新的市场与 新的技术也给我们有了相应基础的后来者提供了赶超国外强劲对手的机会。 6 浙江大学博士学位论文 1 4 本文内容安排及主要研究成果 在攻读博士学位期间，本文作者主持了国产首款符合欧洲卫星数字电视广播 标准的解调芯片g x l1 0 1 的设计及应用推广、符合第二代卫星数字电视广播标准 的解调芯片算法研究、国产首款d v b s 接收及m p e g 2 解码的单片接收s o c 芯片 g x 6 1 0 1 的设计、中高端d v b - s 接收及m p e g 2 解码s o c 芯片g x 6 1 0 2 的设计。 各款芯片的设计都经历了从算法研究、f p g a 验证、芯片设计到样片测试验证 等各个阶段。目前g x l1 0 1 产品已经销售超过1 0 0 0 万片；g x 6 1 0 1 产品也已投产 超过1 0 0 0 万片；g x 6 1 0 2 正处于客户的d e s i g ni n 阶段。 本文将从解调接收及s o c 设计等角度对卫星数字电视领域产品的设计技术进 行深入地分析研究，提出一些符合芯片设计的算法及实现结构，其中所有的算法 和实现结构都已经在量产芯片中使用或者在f p g a 平台中验证。 本文内容安排如下： 第一章介绍了卫星数字电视传输标准及信源编码标准，并且介绍了世界及我 国在卫星数字电视广播中的技术及产业现状，然后给出本文内容安排及主要研究 成果。 第二章首先给出了卫星信道模型，仿真分析了各种信道特性、干扰等对信号 的影响。接着对d v b - s 解调算法进行了研究，对定时恢复、载波恢复及均衡等方 面算法进行了分析，提出了一种利于芯片设计实现的解调框架，并对性能进行了 评估。 第三章以d v b - s 2 为研究对象，对广播模式及交互模式下的定时恢复、物理 帧同步及载波相位恢复进行了分析。首先在广播模式下，提出了一种利于芯片设 计实现的d u b s 2 广播模式解调算法结构，在无导频模式下也可以达到快速捕获。 其中针对卫星接收载波误差大的特点，提出了一种定时锁定检测辅助的载波扫频 算法，提高了低符号率的载波扫频速度；引入一种性能优越的d v b s 2 物理帧同 步算法，最大程度的利用了已知信息，提高了物理帧同步的速度；针对低符号率 收敛速度慢的特点，提出一种d v b - s 2 载波粗略估计算法，显著提高了低符号率 时的载波粗略捕捉速度。接着在交互模式下，在分析现有算法缺点的基础上，提 出一种利于芯片设计实现的d v b s 2 交互模式解调算法结构，可以满足最低门限 要求；在最恶劣情况下，提出一种快速收敛的载波恢复及相位恢复级联算法。 第四章讨论了d v b - s 模式下的盲扫算法，即在未知任何信号信息的情况下， 实现全频段的高速自动搜索，得到各个频道的频率及符号率等信息。首先分析了 几种现有的符号率盲估计算法，对基于基带脉冲的符号率估计算法进行改进，并 指出其缺点。接着提出一种基于频域和时域的二维盲扫算法，可以实现全频段的 7 浙江大学博士学位论文 高速高效频点及符号率的自动搜索。其中，提出一种针对频域的符号率及载波频 率粗略估计算法，得到符号率及载波频率的粗略估计值；提出两种针对时域的符 号率精确搜索算法( f s a l 和f s a 2 ) ，得出较为精确的符号率估计。 第五章首先以d v b - s 解调及m p e g 2 解码s o c 芯片为例给出了面向产业化的s o c 设计流程。接着分析此s o c 的总线架构及数据流设计，给出芯片实现框架；同时 给出了各个模块的实现方案；提出了一种在s o c 芯片中多处理器之间通信的机 制。 第六章为全文总结与工作展望。 本文的主要研究成果及贡献如下： 作为项目负责人主持并完成国产首款自主知识产权d v b s 信道解调芯片的开 发及推广，实现超过1 0 0 0 万片的芯片销售，占据国内市场占有率第一。该 芯片通过2 0 0 5 年浙江省新产品技术鉴定，技术达到国际先进、国内领先水 平，作者为第一完成人； 作为项目负责人主持并完成国产首款自主知识产权d v b - s 信道解调及m p e g 2 解码单片接收s o c 芯片的开发，目前该产品已投产超过1 0 0 0 万片，在国内 同类本土芯片中占据第一的市场份额。该芯片通过2 0 0 6 年浙江省新产品技 术鉴定，技术达到国际先进、国内领先水平，作者为第一完成人； 提出了一种创新的d v b - s 解调算法结构，并经过量产考验； 提出了一种利于芯片设计实现的d v b s 2 广播模式解调算法结构，在无导频 模式下也可以达到快速捕获； 针对卫星接收载波误差大的特点，提出一种定时锁定检测辅助的载波扫频算 法，提高了低符号率的载波扫频速度； 引入一种性能优越的d v b - s 2 物理帧同步算法，提高了物理帧同步的速度； 针对低符号率收敛速度慢的特点，提出一种d v b s 2 载波粗略估计算法，明 显改善低符号率时的载波粗略捕捉速度； 提出一种利于芯片设计实现的d v b s 2 交互模式解调算法结构，可以满足最 低门限要求； 提出一种d v b - s 2 交互模式下稳定可靠的快速收敛载波及相位恢复级联算法； 针对利用基带脉冲的符号率估计算法在低符号率时性能差的特点，提出了一 种改进算法； 针对d v b - s ，提出一种基于频域和时域的二维盲扫算法，可以实现全频段的 高速高效频点及符号率的自动搜索，并经过量产考验； 针对d v b - s 接收及m p e g 2 解码，提出一种s o c 芯片设计流程及芯片实现框架， 并经过量产考验； 8 浙江大学博士学位论文 提出一种在s o c 芯片中多处理器之间通信的机制。 9 浙江大学博士学位论文 第二章d v b - s 解调算法研究 由于d v b s 系统已经在全世界得到了广泛的应用，为了在卫星数字电视领域 追赶上世界技术水平，针对产业化设计d v b - s 解调芯片，在技术上赶上并且超越 国外竞争对手是第一步。本章将从卫星信道模型及d v b - s 解调算法出发对d v b s 解调算法进行研究。 本章2 1 节给出了卫星信道模型，仿真分析了各种信道特性、干扰等对信号 的影响。2 2 节对d v b - s 解调算法进行研究，对定时恢复、载波恢复及均衡等方 面算法进行分析，提出一种利于芯片设计实现的解调框架。并且给出仪器测试及 与其他主流芯片性能对比结果。2 3 节给出本章小结。 2 1 卫星信道模型 2 1 1d v b s s 2 系统框图 下图所示为d v b - s s 2 端到端的系统结构框图，由发生端( 卫星地球站) 、卫 星转发器、卫星