（电路与系统专业论文）基于NiosⅡ的数字电视接收机同步系统设计与实现[电路与系统专业优秀论文].pdf

摘要 摘要 本论文采用基于片上可编程系统( s o p c ) 的n i o s i i 嵌入式处理器实现中国数 字电视地面传输标准接收机同步系统。以s t r a l 政系列的e p l s 8 0 f 1 0 2 0 c 5f p g a ( 现 场可编程门阵列) 为基础构建了硬件处理平台，完成了整个系统同步的硬件设计。 本文首先概述了数字电视的国内外发展现状，再介绍了数字电视国家标准发射端 系统的整体结构以及接收机系统整体架构。重点介绍了数字电视国家标准接收机 同步算法和基于n i o s 的f p g a 结构设计，并根据数字电视国家标准信号帧的结 构特点分析了包括频率同步、采样同步和符号同步在内的时域同步算法，提出了 相位匹配处理模式；同时介绍了残余频偏校正的原理和硬件设计。本文还详细地 介绍了同步系统通用算法的软硬件设计。得出了基于s p w ( 信号处理工作站) 的接 收机同步系统的硬件仿真设计结果和整个接收机同步系统的片上调试结果。本文 所完成的主要工作有： 1 阅读相关文献资料，掌握中国数字电视地面传输标准的整体结构和原理。 2 完成了数字电视国家标准接收机同步系统基于s o p c 的n i o s i i 嵌入式处理器 软核设计，包括符号同步、采样同步和频率同步算法以及高速乘法器的硬件设计 和优化。完成了残余频偏校正的算法设计和硬件设计。 3 完成了数字电视国家标准接收机同步系统的s p w 硬件仿真平台的搭建以及功 能仿真、分析和验证。 4 完成了整个同步系统的片上调试工作。 关键词；数字电视国家标准，n i o s i i 嵌入式处理器，时域同步，s p w 仿真平台 垒坠坚! ! 一 a b s t r a c t w h a tt h ed i s s e r t a t i o nc o m p l e t i o ni sr e c e i v e rs y n c h r o n i z a t i o ns y s t e mf o rd i g i t a l t e l e v i s i o nt e r r e s t r i a lb r o a d c a s t i n gs t a n d a r do fc h i n a t h ed e s i g n m e n ta n dr e a l i z a t i o n i sb a s e do nt h en i o si ie m b e d d e dp r o c e s s o rw h i c hi st h es y s t e mo np r o g r a m m a b l e c h i p ( s o p q t h er e a l i z a t i o n s o fa l lt h e s y s t e ms y n c h r o n i z a t i o n h a v e b e e n i m p l e m e n t e db a s e d o nn i o s1 1w h i c hi st h em a i nh a r d w a r e - p l a t f o r mt h a ti sg r o u n d e do n t h e a l t e r a s s t r a t i xs e d e s f p g a ( f i e l d p r o g r a m a b l e g a t e a r r a y ) c h i p e p l s 8 0 f 1 0 2 0 c 5 t h ed i s s e r t a t i o nf i r s t l yi n t r o d u c e dt h ed e v e l o p i n gs t a t u so fd t 、t h ew h o l es t r u c t u r e i n t r o d u c t i o no ft h et r a n s m i t t e ra sw e l la st h er e c e i v e ri nn a t i o n a ls t a n d a r d f c i c u s e do n t h ea r i t h m e t i ca n a l y s i sm a dh a r d w a r ea r c h i t e c t u r ed e s i g no ft h es y n c h r o n i z a t i o ns y s t e m i n c l u d i n gf r e q u e n c y , s a m p l i n g ，s y m b o ls y n c h r o n i z a t i o na n dp r o c e s sm o d eo ft h ep h a s e m a t c h i n gi sd i s c u s s e da c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so ff r a m es t r u c t u r ei nn a f i o n a l s t a n d a r d a tt h es a m et i m e ，t h et h e o r ya n dt h eh a r d w a r ed e s i g no f t h er e s i d u a lf r e q u e n c y r e v i s i o na r ei n t r o d u c e di m p o r t a n t l y t h ea c a d e m i cs i m u l a t i o ni sa l s ow e l ld o n ei n t h i s p a r t b e s i d e s ，t h ed i s s e r t a t i o np r o v i d e sd e t a i l e di n f o r m a t i o no nt h eh a r d w a r ea n d s o r w a r ed e s i g no fa l l - p u r p o s ea l g o r i t h mi nt h es y n c h r o n i z a t i o ns y s t e m t h ed e b u g g i n g r e s u l t so nt h ec h i po ft h es y n c h r o n i z a t i o ns y s t e ma r ed e s c r i b e di nd e t a i l i nt h ee n d ， t h ed i s s e r t a t i o ni n t r o d u c e s t h ed e s i g no fr e c e i v e r s y n c h r o n i z a t i o n h a r d w a r e s i m u l a t i o n - p l a t f o r mw h i c hb a s e do nt h es p w ( s i g n a lp r o c e s s i n gw o r k s t a t i o n ) ，a n dt h e s i m u l a t i o nr e s u l t s m a tih a v em a i n l yd o n ei nt h i sd i s s e r t a t i o ni sl i s t e da sf o l l o w s ： 1 r e a d p a p e r sa s s o c i a t e dw i t ht h ep r o j e c t ，g e tf a m i l i a rw i t ht h eo v e r a l ls t r u c t u r ea n d p r i n c i p l e so f d i g i t a lt e l e v i s i o nt e r r e s t r i a lb r o a d c a s t i n gs t a n d a r do f c h i n a 2 c o m p l e t et h ea r i t h m e t i cd e s i g na n ds i m u l a t i o no ft h ef f e q u e n c y ，s a m p l i n ga n d s y m b o ls y n c h r o r l i z a t i o na sw e l la st h er e s i d u a lf r e q u e n c yr e v i s i o n 3 e s t a b l i s h e dt h er e c e i v e rs y n c h r o n i z a t i o nh a r d w a r es i m u l a t i o n - p l a t f o r mw h i c hb a s e d o nt h es p w c o m p l e t et h ef u n c t i o ns i m u l a t i o n ，a n a l y s i sa n dv a f i d a t i o no ft h e s y n c h r o n i z a t i o ns y s t e m 4 c o m p l e t e t h ed e b u g g i n go nt h ec h i po f t h es y s t e ms y n c h r o n i z a t i o n k e yw o r d ：d i g i t a lt e l e v i s i o nt e r r e s t r i a lb r o a d c a s t i n gs t a n d a r do f c h i n a ，t i m i n gd o m a i n s y n c h r o n i z a t i o n ，n i o si ie m b e d d e dp r o c e s s o r ，s p w i i 独创性声明 本人声明所呈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：苎堡 日期：2 班p 幺月夕日日期：2 垆p 幺月夕日 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： 0 ( 3 7 ) 设吒和。分别代表第k 和k + 1 个信号帧中最强的相关峰位置，系统中采用本地计 数器对相关后的最高峰值进行位置记录，设整数倍符号采样偏移距离为q = “。一吼 ( q = o ，4 - _ l ，2 ，) ，由采样引起的误差信号为d ， ) = k 0 + 2 1 一k q 一2 1 1 6 】，则 对其归一化为： 巳 ) = d 。( k ) i r ，g 】 设t 是保护间隔，由p n 组成，= 3 7 8 0 ， 第k + 1 个信号帧的归一化采样误差信号， ( 3 - 8 ) 由期望传送的有用数据组成。巳0 + 1 ) 是 则采样偏差可以由下式表达： 小毪等铲 净 经过逐步的分析求解，问题转移到如何得出整数倍符号采样偏移距离q ，并校 正它。只要它确定下来，采样同步的问题就迎刃而解了。而对它的求解离不开对 p n 序列相位生成的分析。 3 1 2 2p n 序列相位生成 根据中国地面数字电视广播标准，信号帧设定为对应帧头长度分别是4 2 0 、5 9 5 和9 4 5 的三种模式，而不同的模式又由不同的线性反馈移位寄存器( l f s r ) 初始 相位决定其对应的p n 序列相位。 第三章数字电视国家标准接收机同步系统的设计 p n 4 2 0 中一个超帧中共有2 2 5 个信号帧，每一个信号帧的帧头采用不同相位的 p n 信号为信号帧识别符。p n 序列为8 阶1 1 1 序列，生成多项式为x 8 + x 6 + x 5 + x + l 。 由8 比特l f s r 的生成结构( 如图3 6 ) 可知，l f s r 的不同初始状态可产生2 5 5 个不同相位的p n 4 2 0 序列，选用其中的2 2 5 个p n 4 2 0 序列，从序号0 到2 2 4 ，对 应于每个超帧中的2 2 5 个信号帧，每个信号帧的帧头采用不同相位的p n 4 2 0 信号 作为信号帧识别符，形成的信号帧序号序列和l f s r 的初始状态如表3 1 所示。 图3 - 68 阶m 序列生成结构 表3 - 1 部分p n 4 2 0 初始相位表 序号初始相位序号初始相位 序号初始相位 序号 初始相位 o1 0 1 1 0 0 0 01 0 1 1 0 l l l 0 12 0 51 0 0 1 0 1 1 12 1 50 0 0 1 0 1 0 0 l 0 1 1 0 0 0 0 l l l 0 0 1 0 1 0 0 1 2 0 6 1 1 1 0 1 1 0 l2 1 6 1 0 1 1 1 0 n 2 1 1 0 1 1 0 0 01 20 1 1 0 1 1 l o 2 0 70 1 0 0 1 0 l12 1 70 0 0 0 l o l 0 31 1 0 0 0 0 1 01 3 0 1 0 1 0 0 1 0 由 2 0 81 1 0 1 1 0 1 12 1 80 1 1 1 0 1 1 0 4 1 1 1 0 1 1 0 01 41 0 1 1 0 1 1 1间 2 0 91 0 1 0 0 1 0 12 1 91 0 0 0 0 1 0 l 51 0 0 0 0 1 0 11 5 1 0 1 0 0 1 0 1省2 1 01 0 1 1 0 1 1 l2 2 01 1 1 0 1 1 0 0 60 1 1 1 0 1 1 0 1 61 1 0 1 1 0 1 1略2 l l0 1 0 1 0 0 1 02 2 11 1 0 0 0 0 1 0 7 0 0 0 0 1 0 1 01 70 1 0 0 1 0 1 12 1 2 0 1 1 0 1 1 1 0 2 2 2 1 1 0 1 1 0 0 0 81 0 1 1 1 0 1 11 8 1 1 1 0 1 1 0 l2 1 30 0 1 0 1 0 0 12 2 30 1 1 0 0 0 0 1 9 0 0 0 1 0 1 0 01 91 0 0 1 0 1 1 12 1 41 1 0 1 1 1 0 12 2 41 0 1 1 0 0 0 0 根据p n 序列的循环周期性，第一个信号帧的帧头p n 就是0 相位，移位寄存 器初始值为1 0 1 1 0 0 0 0 ，则根据表3 - 1 的p n 相位特性，所得各帧p n 相位的确定标 准为： p h a s e , = 1 1 4 一等 2 5 6 一生 2 1 1 4 + 生 2 ，k = 0 , 2 2 4 ，= 1 , 3 , 5 ，1 1 1 ，i ：1 1 3 ，1 1 5 ，2 2 3 ( 3 一l o ) ，k = 2 , 4 ，6 ，1 1 0 ，k = 1 1 2 ，1 1 4 ，一，2 2 2 其中k 为信号帧号，设q 是第k 个信号帧中最强的相关峰位置，在本地p n 是固定 相位的情况下，除当前的第k 帧为1 1 0 ( 偶数) 和1 1 1 ( 奇数) 两种情况以外可以 + 。坐： 电子科技大学硕士学位论文 得到由式( 3 - 1 0 ) 得到： 饿a k + 2 - a k 。兰0 蝴数：饿薯，耄叠x 为奇数( 3 - 1 1 ) 其中的数字4 是由4 倍欠采样引起的，在两种情况下均有： q = 0 。，+ d 。+ ：一4 。一a k ) 4 ( 3 1 2 ) 而两种特殊情况在相位匹配之前虽然会带来一定的偏差( 0 2 5 t s ) ，但在匹配后同 样可以进行锁定。得到的q 代入式( 3 - 9 ) 中，即q 作为环路低通滤波器的输入信 号后，采样误差信号，被求得。 当校正采样偏差之后所得到的第一条超过设定门限值的相关峰位置即是正确 的符号位置，再利用环路低通滤波器将符号同步位置锁定在第一条多径上，符号 同步完成。 3 1 2 3 相位匹配 当接收端进行p n 相位匹配的工作时，同步子系统必须从接收到的信号中确定 每帧的帧号，由表3 1 可知，由于每一帧的p n 相位不同，因此在接收端初始状态 时并不能确定信号帧的帧号。 在整个相位匹配过程中，当各信号帧帧头相位为表3 - 1 所示时，由公式( 3 - 1 0 ) 知一个超帧中相邻两帧的相位差值是唯一且恒定的。我们首先按照采样偏差存在 与否来考虑匹配过程。 1 、若暂不考虑采样偏差，本地p n 初始化采用固定的0 相位p n ，则第k 个信 号帧和第k + 1 个信号帧最强相关峰位置的距离和k 的关系可表示为： 巩一q + i = 七十1 一七一1 2 2 4 一七 k 一2 2 4 ，k = 0 , 2 ，4 ，1 1 0 ，k = 1 ，3 ，5 ，1 1 l ( 3 1 3 ) ，女= 1 1 2 ，1 1 4 ，1 1 6 ，2 2 4 ，e = 1 1 3 ，1 1 5 ，1 1 7 ，2 2 3 由上式可知相邻两帧的最高峰位置的距离是唯一的，因此我们可以在本地设置一 个查找表，以最强相关峰位置的距离作为地址寻址，即寻址步长唯一，该地址的 内容就是下一帧的p n 相位。见图3 7 中间菱形部分。当找到信号帧帧头相位后， 相位匹配模块就不断地对最高峰位置进行检测，一旦相邻两帧的最高峰位置距离 不再为o ，则说明相位未能保持匹配状态，系统重新进入相位匹配程序。 第三章数字电视国家标准接收机同步系统的设计 苎竺竺垩 ，! 。 塑竺三兰 ，! 垩堡垒些， 图3 7 相位寻址示意图 2 、若加入采样偏差：峰值距离检测单元得到的a k 一吼+ 包含了由采样偏差引起 的整数倍符号采样偏移距离q 。虽然由这相邻两帧的峰值位置得到的q 包含了固定 的相位差值，但这个相位差值在相位匹配之前是不可检测的、且是变化的，因此 在不确定所接收到的信号帧p n 相位的情况下，由相邻两帧的峰值位置求得的q 是 不准确的，由此进行查找表得到的下一帧的相位就是错误的。必须首先依据表3 - 1 中的p n 相位特性来找到由采样偏差引起的整数倍符号采样偏移距离q ，即采样校 正步骤必须在相位匹配之前进行，且相位匹配模块一定要等到采样校正模块将采 样偏差校正到一个采样符号以内才能开始工作。 3 1 2 4 同步算法小结 综上所述，整个系统同步的工作过程为： 采样、符号同步和频率同步是同时进行的。首先频率同步采用的二次相关均 是在p n 2 5 5 中进行的；同时初始化本地的p n 相位；然后利用公式( 3 - 9 ) 和公式 ( 3 1 2 ) 控制内插滤波器校正输入采样信号，当q 为0 时并保持一定时间后转入 相位匹配过程，找到正确的符号起始位置，完成符号同步；最后只需要利用公式 ( 3 9 ) 进一步完成采样校正。在相位匹配之前频率同步只在一个信号帧范围之内 进行，当完成相位匹配之后频率同步可以在连续两个信号帧进行，进一步提高了 锁定精度。 而原融合方案中的时域同步算法的步骤为：首先是符号和频率联合同步的“捕 获0 ”阶段；“捕获0 ”完成后转入符号和频率联合同步的“捕获1 ”阶段；然后是 符号和频率联合同步的“跟踪”阶段；跟踪稳定后表示符号和频率同步完成，系 统转入采样同步阶段。完成采样同步后的数据就可以用来作信道估计了。综上比 电子科技大学硕士学位论文 较，我们可以得出： l 、 在原融合方案中符号、频率联合同步和采样同步被截然分为两大部 分，采样同步必须等到符号、频率联合同步完成后才能进行。三大同 步不是同步进行，费时太多，同步效率不高 2 、同步中每一阶段的比较和判断都是以帧为单位进行的，每一帧都须进 行长度为1 0 2 0 的两次子相关和同步相关1 6 8 0 次。计算工作量大，结 构设计复杂、效率低，同时耗费系统硬件资源也多了一些。 在算法完成之后，我们对所提出的实现算法进行了s p w 硬件仿真，由于篇幅 的关系，将在第六章详细介绍。 3 2 硬件结构设计 整个同步系统中各个模块结构的衔接关系由图3 - 2 所示，在q u a r t u s i i 中生成 了s o p cb u i l d e r 系统，各元件以及各端口连接关系如图3 - 8 所示。s y n c h 组件的输 入时钟通过锁相环p l l 一6 4 4 一r e c e i v e r 进行时钟管理，而r e s e t 信号经过 d e l a yr e s e tb l o c k 组件后送入。本节重点介绍各主要模块的功能和硬件实现。 图3 - 8 同步系统原理接线图 本节下面将重点介绍各个主要模块的功能和硬件实现方案。 第三章数字电视国家标准接收机同步系统的设计 3 2 1 本地相关器用户自定义逻辑 在数字电视国家标准接收机同步系统中，无论频率同步、采样同步还是符号同 步，其工作都是建立在利用本地p n 和输入数据相关结果的基础上的，所以本地相 关的硬件合理实现是同步系统性能保证的关键。因为本地相关算法需要高速、并 行和实时处理复杂数据接口，所以在s o p c b u i l d e r 中利用其强大的组件定制功能将 该模块的硬件设计作为用户自定义逻辑添加入组件库，在f p g a 片内实现本地相 关逻辑，并直接挂在片内的a v a l o n 交换总线上，为保证具有较大的设计灵活性， 选用a v a l o n s l a v e 接口和n i o s _ c u s t o m _ i n s t r u t i o n s l a v e 接口组合，使得我们可以根 据需要自由选择接口信号类型，得以非常方便的将该器件集成到n i o s i i 系统中去。 如图3 - 9 所示 图3 9 相关模块接e l 框图 3 2 1 1 硬件结构设计 同步方案的计算复杂度主要体现在相关模块，该自定义逻辑组件的硬件功能 如下：采用滑动窗技术，完成两次子相关和同步相关的运算，输出相关结果。 频率同步有两种工作模式，分别为频率捕获和频率跟踪，而频率捕获又分为 捕获0 阶段和捕获l 阶段，其目的是既可以获得比较大的频差范围又能很快缩小收 缩范围，从而比较迅速地进入频率同步状态。考虑到两种模式三个阶段分时工作， 在设计时为节省资源，三种模式下的相关共用相同的寄存器。若帧头长度为4 2 0 个 符号，一个信号帧就有4 2 0 0 个符号，由于在4 倍上采样进行相关，因此帧头有1 6 8 0 个采样符号，一个完整的信号帧就有1 6 8 0 0 个采样符号，其中，各模式各阶段所采 用的子相关长度k 和相关距离p ( 单位均为基带符号) 在仿真调试中经过实验验证 能够同步锁定，设定为： 捕获0 阶段：k = 1 2 8 ，p = 6 4 = 捕获1 阶段：k = 2 5 5 ，p = 1 2 8 ； 电子科技大学硕士学位论文 跟踪阶段：k = 2 5 5 ，p = 4 2 0 0 1 整个相关模块的功能框图如图3 1 0 所示。 i i 移 本 多 模l 信 呈 式i 号 i 相 位地项选 i 模 i 关 寄 - 相 加择 i式 i 幅 存关法 加 转 i 值 器器器法 i 换与 器 l - 卜 相 l l 位 图3 1 0 相关模块逻辑功能框图 整个相关自定义逻辑分为三大功能部件如图3 1 0 所示，每个部件作为一个 a v a l o n 外设各自拥有两个a v a l o n 从端口，便于平均分配信号的流量。因为整个相 关模块工作时序是逐步顺进的，且各功能模块的步进式使能控制时序是协调并进 的，基于以上的功能分配，所以端口传输模式建立为具有固定延迟的流水线从端 口传输。则整个相关模块作为a v a l o n 的从外设，在经过固定的总线时钟周期等待 后，开始返回有效数据，同步开始工作。 整个相关模块的实现框图如图3 1 l 所示。 图3 1 l 相关模块硬件逻辑实现框图 本设计模块选择移位寄存器作为输入器件接收输入的数据。输入信号为内插 滤波器4 倍插值并输送至1 a v a l o n 总线上的数据，因此在4 倍上采样的基础上由k 的取 第三章数字电视国家标准接收机同步系统的设计 值得到移位寄存器最少为1 0 2 0 个，即移位寄存器长度为1 0 2 0 ，每隔4 位取一数据与 接收端本地p n 作复数乘法运算。当系统的逻辑资源比较紧张的时候，该处的移位 寄存器可以用内部r a m 来实现，其输出抽头数为2 5 5 ，抽头长度为4 ，即移位寄存 器分为2 5 5 节，节间间隔为4 ，保证每隔4 位输出一个数据与本地p n 相乘。a v a l o n 总 线上传送过来的实部id a t ar 和虚部id a t ai 数据为1 6 位有符号数据，移位寄存器的 输出送入到数据抽取模块。 从移位寄存器过来的2 5 5 个实部和2 5 5 个虚部数据同时送到“相关”模块， 为了能更好的节约资源，提高占据最大计算复杂度的相关模块的复用率，整个系 统的工作频率采用送入数据频率的2 倍以上，因此“相关”模块可以根据本地的 p n 使进行相关运算的实部和虚部依次轮流通过，根据每位符号对应的p n 为0 或 者1 分别对送入的实部和虚部进行加减操作即完成了该符号的本地相关操作。 根据不同频率同步工作模式所确定的k 和p 值设置，从“相关”模块过来的 2 5 5 个相关结果被送入4 个“6 4 项流水线加法器”单元完成高速求和操作。“模式 选择相加器”根据模式控制信号is y n qm o d e 选择四个输入求和并输出二次相关的 输出结果s e l e c tc o r r1 和s e l e c tc o r r2 ： l 、在捕获0 阶段，s e l e c tc o r r1 为第1 和第2 个输入的二项之和， s e l e c tc o r r2 为第2 和第3 个和输入的二项之和； 2 、在捕获1 阶段，s e l e c tc o l t1 为4 个输入项之和，s e l e c tc o r r2 为第3 和第4 个输入的二项之和； 3 、在跟踪阶段，s e l e c tc o r r1 为4 个和输入的四项之和，s e l e c tc o r r2 应 该为上一帧最大相关峰信息，具体实现在最后一级完成。 4 、“模式选择相加器”还有一项输出是4 个和输入的四项之和，这个信 号是供采样频偏校正之用的一次相关幅值信息oc o r ra p 。 从“模式选择相加器”过来的两路复用信号分别代表二次相关的信息，每路均 是实部和虚部的轮流通道，根据式( 3 5 ) 同步相关信号需要同时求相关的幅度和 相位，可以通过c o r d i c 算法( 将在第四章说明) 来实现，为了节约系统资源， “信号格式转换”模块把二路信号r e a l _ i m a g _ l 和r e a l _ i m a g _ _ 2 转换成r e a l _ s i g n a l 和i i n a gs i g a n l ，通过“c o r d i c ”模块送入到最后一级“相关幅度和相位”模块求出 同步相关的最后幅度和对应的相位。 在系统进入频率跟踪模式后，频率同步在连续两个信号帧问进行，第一次相 关将从“前帧相关峰信息保存”模块进行提取出前一帧数据最大相关幅度和相位， 而当系统中“最大峰值检测”组件检测到最大相关峰的时候，会送入 电子科技大学硕士学位论文 l o a dl a s td a t ae l l 信号，更新该模块的存储信息。 本模块的工作因涉及到实虚部复用和拆分，控制时序要求保持协调稳定。具体 实现中，将其使能信号进行相应的延迟即可保证对应关系，即实部和虚部的使能 信号与数据实部和虚部的延迟是统一、并行、对应和同步的。 3 2 1 2 硬件功能仿真 与a r m 等通常的处理器开发不同，n i o s l i 是基于f p g a 的软核处理器，所以 其开发多了一个非常重要的手段：仿真。我们首先进行了在m o d e l s i m 6 0 环境下 的前仿真( n i o s i i 系统生成的时候，可以自动生成仿真环境) 。由于相关模块是由 v e r i l o g 代码编写的，被作为自定义逻辑添加入s o p cb u i l d e r 中，因此可以非常 方便地在m o d e l s i m 中进行功能仿真。 在m o d e l s i m 中进行功能仿真时，有如下一些要点：生成n i o s i i 系统的时候， 仿真环境可被自动生成，也就是在生成s o p c 系统的时候，必须选中s i m u l a t i o n c r e a t e m o d e l s i m ( t m ) p r o j e c t f i l e 项。部分组件( j t a g u a r t ，p i o ，d r a m 针对仿 真的选项必须被正确设置。相关子系统较为复杂，需要专门生成针对s i m u l a t i o n 的激励代码，因为仿真比正常的运行慢很多，从而加快系统初始化的进程，应当 选择m o d e l s i mo n l y ，n oh a r d w a r es u p p o r t 选项。在系统自动调用m o d e l s i m6 0 ， 进入仿真环境后，执行宏命令s ，重新载入所有的h d l 并编译、仿真。此后就可进 入w a v e 界面添加我们需要的波形信号了。 图形所示的结果是在采样基本获得同步的情况下得到的，相关的功能仿真波形 如图3 1 2 所示： 图3 一1 2 相关检测功能仿真 3 2 第三章数字电视国家标准接收机同步系统的设计 信号说明表如下： 表3 - 2 相关检测信号表 信号名 说明 o _ z e r o _ f l a g 本地一帧数据满帧复位信号，高电平有效 f r a m e 信号帧帧数计数器 o _ s y n c _ m o d e频率同步工作模式，0 表示频率捕获0 阶段，l 表示 频率捕获1 阶段，2 表示频率跟踪阶段 oc o r r 总相关幅度信号( 3 2 位) e 二d 0 逻a p一次相关幅度信号( 1 6 位) o _ p h a s e总相关相位信号( 3 2 位) c o r r d a t a m a x一帧数据总相关中的最大相关峰峰值 oc o r rm a x _ _ p h a s e一帧数据总相关中的最大相关峰的相位 p d l _ m a x本帧最大相关峰位置( 高8 位) p d 2m a x本帧最大相关峰位置( 低7 位) 从图中每当o z e r o _ f l a g 有效时，即本帧数据计满后，我们就可以分别得到该 帧中最大相关峰的峰值、相位和位置。 在本设计中把m o d e l s i m 作为仿真工具，但是因为设计较大，m o d e l s i m 的w a v e 窗口的效率、速度都非常低，所以在下一步的工作中，察看波形，d e b u gh d l 代 码都应当使用d e b u s s y 等第三方工具来配合m o d e l s i m 工作。 3 2 2 最大峰值检测用户逻辑 本模块的主要硬件功能：找出每帧数据的最大相关峰幅度、相位和位置，所有 输出信号是每帧输出一次供系统中外部模块使用。考虑到本模块功能单一明确， 呈连续、独立地工作，在s o p eb u i l d e r 中将该模块作为用户逻辑设计，在f p g a 片 内实现本逻辑，并直接挂在片内的a v a l o n 总线上。 “最大峰值检测”模块的功能实现框图如图3 1 3 所示。 电子科技大学硕士学位论文 、 、 j | 7 采样误莲检测， 图3 1 3 最大峰值检测实现框图 首先本模块建立一个1 6 8 0 0 点的本地计数器来对应记录最高峰位置，每当计数 达到1 6 8 0 0 ，则满帧复位信号f r a m ef u l lr e s e t 送出，而信号f r a m ef u l lr e s e t 每有 效一次，峰值幅度和相位就复位为0 ； 然后“最大峰值检测”模块不断检测从本地相关模块出来的每个符号总的相关 值，并与存储的最大峰值进行比较判断，当其大于存储的峰值幅度时就更新存储 新值，并存储该相关峰值的相位和位置；本帧的最大相关峰找到后，存储其幅度、 相位和位置，同时该更新使能信号输出，送至“本地相关”模块作为 l o a d l a s t d a t a e n 信号使用。由上述可以知道：本模块中，所有输出信号都是每帧 输出一次，因此这决定了频率校正和采样校正都是以信号帧长度为时间单位进行 工作的。 在采样同步中，为实际提高运算效率，因为一次子相关与总的相关，峰值位置 一致，只是幅度为总的同步相关值的方根，所以采用的是p n 2 5 5 一次相关的相关 值来代替总的相关值。本模块中一次相关幅度信号i c 0 1 2 a p 首先被送入5 个移位 寄存器，当比较器更新信号输出时，“采样误差检测”模块就同时读入 b q ) 、足g + 2 ) 、疋0 2 ) 值，求出式( 3 1 0 ) 的岛伍) 并送到环路采样滤波器中，再 结合由最近四个信号帧中最强相关峰的位置得出的整数倍符号采样偏移距离q ，逐 步校正后最终由式( 3 1 1 ) 求出采样偏差。 3 2 3 基于ld e 的同步工作模式软件控制流 软硬件的划分是s o p c 设计开始阶段需要解决的一个关键问题。划分首要遵循 的基本原则：尽量发挥软硬件各自的特点，通常将高速、并行和实时数据接口和 第三章数字电视国家标准接收机同步系统的设计 存储划归为硬件部分；而将实时性要求不高但涉及复杂状态机的系统控制、数据 传输和参数计算等功能划归为软件部分。依据以上原则并结合实际设计经验，整 个系统的同步工作模式控制流划归为软件设计。 本阶段的工作是在n i o s i i 系统的软件开发环境n i o s i ii d e ( 集成开发环境) p 1 中进行的，它基于e c l i p s ei d e 和g n uc c 抖编译器，提供了一个通用的开发环 境。硬件细节对上层应用软件开发来说是透明的，新建立的c c + + a p p l i c a t i o n 工 程s y s t e m中，应用程序的目标硬件，也就是产生的s y n c h r o n i z a t i o n s o p cb u i l d e r n i o s i i 系统p t f 描述文件。本系统库工程就是基于它建立的，其自动被命名为 “s y s t e ms y n c h r o n i z a t i o n _ s y s l i b ”，它实际上是一个硬件抽象层库，主要传递n i o s 系统的硬件配置信息，特别是各个组件的地址信息，这些信息将通过自动生成的 s y s t e m h 传递给上层应用程序，使其像访问c 程序库一样访问系统硬件和文件， 实现软硬件之间的无缝连接。 3 2 3 1 频率同步模式控制 频率同步分为频率捕获和频率跟踪两种工作模式，而频率捕获又分为捕获0 阶段和捕获l 阶段，各工作模式与阶段的k ( 子相关长度) 和p ( 子相关距离) 值 设定不同，因此该控制机理是依据频率偏差的大小范围进行各模式之间的切换， 于是软件状态机就成为了本模块的最重要的组成部分，如图3 1 4 所示： 图3 1 4 工作模式控制状态机框图 在图3 1 4 中，共划分了三个状态分别对应捕获0 阶段、捕获l 阶段和跟踪模 式，首先系统设置了一个同步状态计数器，其与各状态对应密切相关，该计数器 电子科技大学硕士学位论文 内部设置了两个独立的计数器：计数器a 对从频率同步低通滤波过来的频率检测 偏差进行计数，计数器b 对处于各工作状态的信号帧时长进行计数。 系统复位之后即处于“捕获0 ”状态，同时两个计数器清0 ，在每个信号帧的 起始位置对频率偏差进行门限检测，当偏差小于门限值时计数器a 加1 ，否则减l 。 当计数器a 大于设定的某值时就切换成“捕获1 ”状态，这个时候频率偏差累积 不大，采样开始信号s a m p l es t a r t 送出，同时对计数器a 进行清0 操作。 在“捕获i ”状态，子相关长度k 被设定为2 5 5 ，因此检测精度比较高。 l 、在信号帧的起始位置继续对频率偏差进行门限检测，与“捕获0 ”状态类 似，当偏差小于门限值时计数器a 加l ，否则减1 。同时每输入数，计数器b 加 1 。当计数器a 大于设定的某值时工作模式切换到“跟踪”状态，否则当计数器b 大于设定的某值时，即超过一定信号帧时长又退回到“捕获0 ”状态，以重新进行 大范围的频率偏差检测。在这里优先判断是否切换到“跟踪”状态，再判断是否 退回到“捕获0 ”状态，优先级是非常的重要。 2 、信号t r a c k _ r e a d y 输入是系统从“捕获1 ”状态进入到“跟踪”状态的必备 条件。它是相位匹配完成标志信号ip h a s e m a t c h _ c o m p l e t e _ f l a g 同采样锁定信号 i _ s a m p _ s y n el o c k 相与的结果。仅当t r a c k _ r e a d y 有效时，系统才能进入到“跟踪” 状态。其代表的物理意义在于：由于在相位匹配完成之前，各帧p n 相位不同，因 此只有采样同步把采样误差限制在一个采样符号以内，即i为1 ，_ s a m p 相邻两帧才没有引入的采样偏差；所以要相位匹配完成之后才能进_ s y 入n c “l o 跟c k 踪”状 态。 当两大条件满足之后，“捕获l ”状态切换到“跟踪”状态，并同时对两个计 数器进行清0 。在“跟踪”状态，此时总的同步相关是在相邻两帧之间进行的，频 率偏差稳定在设定值附近，其工作模式与“捕获l ”状态类似，当状态稳定一定时 间后频率锁定信号os y n cl o c kf l a g 送出。 3 2 3 2 相位匹配进程控制 3 2 3 2 1 进程控制 当信号帧在采样校正到一个采样符号偏差以内时，相位匹配程序启动，开始 工作，在每帧的起始位置检测输入的最高峰位置，其具体实现方法也是通过一个 软件状态机，控制数据流，该设计模块内部有一个虚拟时间轴，各个状态之间都 有严格的工作时间段，能够精确地控制该模块的工作时序，具体结构实现框图如 图3 1 5 所示。 第三章数字电视国家标准接收机同步系统的设计 进程时序轴 图3 - 1 5 相位匹配工作进程框图 工作状态分别为检测状态、运算状态和校验状态，时间轴被分为d e t e c t i n g 、 m a t c h i n g l 和m a t c h i n 9 2 三个独立段分别对应着系统工作状态。 系统复位之后处于“检测”状态，本地p n 相位是0 相位，此时就不断地检测 m a t c hs t a r t 输入信号，此输入信号在采样校正完成整数倍采样符号偏移之后才能有 效，此时工作片处于d e t e c t i n g 阶段，当输入第一帧的最大相关峰位置时完成状态 的切换。 在“运算”状态，当输入第二帧的最大相关峰位置时，令其和先前存储的第 一帧位置的差值进行查找表、溢出判断、峰值更新、下帧p n 相位等操作，这些操 作均在时间m a t c h i n g l 阶段完成，当所有备用操作完成之后将状态切换到“校验” 状态。 当第三帧的最大相关峰位置有效时，若其和更新后的第二帧的最大相关峰位 置的差值为0 时即可完成相位的匹配，下帧的p n 相位即可由查找表有序输出，匹 配完成，送出信号o _ p h a s e m a t c h _ c o m p l e t e _ f l a g 置1 。此后系统便一直处于该状态 不断地检测输入峰值位置，一旦差值不再为0 就切换到“检测”状态重新进行匹 配操作。该状态的所有操作均在时间m a t c h i n 9 2 阶段完成。 在进行“相位匹配”操作中，在相位匹配完成之后会送出一个更新峰值标志信 号ou p d a t ei d x ，该信号会储存匹配后数据的最大相关峰位置信息，更新后的峰值 位置才是正确的相关峰值位置。 在相位匹配之前频率同步仅在一个信号帧范围内进行，而当相位匹配完成之 后频率同步可以在连续的两个信号帧之间进行，进一步提高了锁定精度。 3 7 电子科技大学硕士学位论文 3 2 3 2 2 相位匹配进程功能仿真 相位匹配模块的功能仿真如图3 1 6 所示 其中信号列表如下： 图3 一1 6 相位匹配功能仿真 表3 - 3 相位匹配信号表 信号名说明 os y n cm o d e 频率同步的工作模式，“0 ”表示频率“捕获0 ”阶段，“i ” 表示频率“捕获”1 阶段，“2 ”表示频率“跟踪”阶段 f r a m e信号帧帧数计数器 m a _ o p e r a t e相位匹配中的“运算”状态标志 n l av e r i f v相位匹配中的“校验”状态标志 o _ p h a s e m a t c h _ c o m p l e t e _ f l a g 相位匹配完成标志，“高”有效 p r o c e s s _ f l a g相位匹配中进程时间标志 o _ _ u p d a t a _ i d x _ u p 峰值更新使能信号，“高”有效 o _ u p d a t