地面数字电视传输系统中信道调制的设计与实现(信号与信息处理专业优秀论文).pdf

摘要 本文主要论述地面数字电视传输系统中信道调制的实现 内容涉及到两个系 统的信道调制部分 第一个系统是符合欧洲d v b t 标准的信道编码调制器 文 中论述了o f d m 调制的设计与实现 第二个系统是以我国在2 0 0 4 年9 月份暂定 的地面数字电视融合传输方案 以下简称融合方案 为基础的信道编码调制器 文中论述了信号成形的设计与实现 以上模块基于a l t e r a 公司的s t r a t i x 系列器 件实现 具体的设计流程包括了算法仿真 v e r i l o gh d l 描述 f p g a 仿真和实 际系统测试 在d v b t 系统o f d m 调制的f p g a 实现中 使用了基于存储器的f f t 结构 只消耗很少的逻辑资源 而且使用了块浮点处理来提高运算精度 经仿真和实际 系统测试表明 能够满足实际需求 对f f t 中复数乘法器的实现 作者比较了 几种方法 也设计出了相关的f p g a 程序 文中还提出了一种既能实现2 k 点又 能实现8 k 点f f t 运算的电路结构 在融合方案的信号成形的f p g a 实现中 讨论了内插滤波器的f p g a 设计和 优化方法 关键词 d v b t 标准 正交频分复用 快速傅立叶变换 有限冲激响应数字 滤波器 现场可编程门阵列 a b s t r a c t t h i sp a p e rf o c u s e so nt h ei m p l e m e n t a t i o no fc h a n n e lc o d i n g m o d u l a t i n go f t e r r e s t r i a l d i g i t a l t e l e v i s i o nt r a n s m i s s i o n s y s t e m a n di n v o l v e s c h a n n e lc o d e r m o d u l a t o ro ft w os y s t e m st h ef i r s ts e c t i o ni sc h a n n e lc o d e r m o d u l a t o ra c c o r d i n g w i t he u r o p e sd v b ts t a n d a r d t h ed e s i g na n dr e a l i z a t i o no fo f d mm o d u l a t o ra l e d i s c u s s e di nt h i sa r t i c l e t h es e c o n ds y s t e m i nw h i c hd e s i g na n dr e a l i z a t i o no f s i g n a t s h a p i n ga r ed i s c u s s e d i sb a s e do nm i x e dt r a n s m i s s i o ns c h e m eo ft e r r e s t r i a ld i g i t a l t e l e v i s i o nt e m p o r a r i l yp r o p o s e db yc h i n ai ns e p 2 0 0 4 b r i e f l yc a l l e dm i x e ds c h e m e b e l o w a l l t h em o d u l e sa r e i m p l e m e n t e d o na l t e r a ss t r a t i xs e r i e sf p g a e p l 2 5 f 7 8 0 c h i p s t h ed e s i g nf l o w ss u c ha sa l g o r i t h ms i m u l a t i o n v e r i l o gh d l d e s c r i p t i o n f p g a s i m u l a t i o na n dd e b u go nr e a ls y s t e ma r ei n c l u d e di nt h e p r o j e c t s af f ta r c h i t e c t u r eb a s e do n m e m o r y w h i c h c o n s u m e sl e s sr e s o u r c e s c o m p a r a t i v et ou s u a lf f ta r c h i t e c t u r ei sa d o p t e di no f d m m o d u l a t o ro fd v b t s y s t e m f u r t h e r m o r e b l o c kf l o a t i n gp o i n tp r o c e s s i n gi s u s e dt oi n c r e a s ec o m p u t i n g p r e c i s i o n i th a sb e e np r o v e dt h a tt h ed e s i g nc a l l m e e tt h er e q u i r e m e n t s v a r i o u s m e t h o d st o i m p l e m e n tc o m p l e xm u l t i p l i c a t i o n a r ed i s c u s s e da n da l la r c h i t e c t u r e i n c l u d i n g2 kp o i n t sf f tp r o c e s s i n ga n d8 kp o i n t sf f tp r o c e s s i n gi nt h es a m e c i r c u i t s i sp r o p o s e d i nt h el a s ts e c t i o n t h ef p g a i m p l e m e n t a t i o no f t h ei n t e r p o l a t i n gf i l t e rf o rs i g n a l s h a p i n g o fm i x e ds c h e m ea r ed i s c u s s e d k e yw o r d s d v b t o f d m 研m f i rd f f p g a 知识水坝 pologoogle为您整理 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 盘塑叠呈日期 w 哆年1 月 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 塑盟军导师签名 囊自立矗 日期 o 5 年 月 尹日 知识水坝 pologoogle为您整理 地面数字电视传输系统中信道调制的设计与实现 第一章引言 广播电视由模拟向数字方向发展己成为共识 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 而我国也制定了相应的时间表 计划在2 0 0 8 年用数 字电视转播奥运会 2 0 1 0 年全面实现数字广播电视 2 0 1 5 年停止模拟广播电视 的播出 电视系统的全面数字化要求节目制作 节目存储 传输直到播出都发生革 命性的变化 数字电视传输主要包括卫星传输 地面无线传输以及有线传输三 种传输标准 其中以地面传输标准技术最为复杂 使用最为广泛 欧洲 美国 和日本都制定了数字电视传输标准 并得到了应用 如欧洲的d v b 标准主要包 括d v b s 卫星数字视频广播 d v b c 有线数字视频广播 和d v b t 地 面数字视频广播 这三个标准 在我国 卫星数字电视广播已初步确定采用欧 洲的d v b s 标准 在有线数字电视广播方面 由于众多运营商的推动 欧洲的 d v b c 标准己成为事实上的行业标准 我国现在还没有确定的是地面传输标准 也是数字电视传输中最重要的标准 我国现正加紧地面数字电视传输标准的制 定 我校的朱维乐教授是专家组的成员 参与了该标准制定的工作 j j 地面数字电视广播的基本需求 对于地面数字电视广播来讲 首先要求数字电视有足够好的接收性能 在 室内采用简单 小型和低增益天线实现稳定接收 1 甚至在较强静态和动态多径 的环境中 系统仍能够稳定工作 其次 有足够高的传输码率 以便在单个6 8 m h z 信道中提供高质量高清晰节目 大约2 0 m b p s 考虑到数字电视日后发展 的广阔空间和业务应用的多样性 对传输容量的需求不断增长 还要有利于频 率规划 使用现有分配的电视频道中传输d t v 节目 实现和模拟电视节目的同 播 当没有额外的频道分配时可使用禁用 t a b o o 频道 由于干扰过大 不能用 于模拟电视的频道 并具有和现有模拟电视台相当的覆盖范围 其它的要求包括 需要先进的信道编码和信道估计方案 以便降低系统c n 地面数字电视传输系统中信道调制的设计与实现 门限 以此降低发射功率 并减少了对现有模拟电视节目的干扰 抵抗各种干 扰 失真 高度灵活的操作模式 通过选择不同的调制方案 系统能够支持固定 便携 步行 手持或移动接收 易于和其它媒介或服务器的接口 支持多节目 业务 能够通过分级调制得到分级服务 具有交互性 高度灵活的频率规划和 覆盖区域 能够使用单频网和同频道覆盖扩展 缝隙填充 而且系统应允许多种 成本价格的接收机实现 包括低成本实现等等 j 2 国外地面数字电视传输的现状 经过1 0 年的深入研究 欧洲 美国和日本相继制定出地面数字电视传输标 准d v b t a t s c 和i s d b t 3 种传输标准使用相类似的信源编码方案和不同 的信道编码调制方案 其传输参数比较如表i 1 所示删 表1 1 美国 欧洲 日本地面广播传输参数比较 美国的a t s c 标准欧洲的d v b t 标准日本的i s d b t 标准 传输方案8 v s b 传输方案o f d m 传输方案分段o f d m 传输 载波数单载波 2 k 8 k2 k 4 k 8 k 视频压缩 m p e g 一2 音频压缩d o l b ya c 一3m p e g 一2 层i im u s i c a mm p e g 一2 层i i ia a c 音频编码音频编码 音频编码 复用方式 m p e g 2 信道外码r s 码 2 0 7 1 8 7 t 1 0 r s 码 2 0 4 18 8 t 8 r s 码 2 0 4 1 8 8 t 8 信道内码 网格编码 t c m 码率2 3 卷积编码 码率 1 2 2 3 3 4 5 1 6 7 8 调制技术 8 v s b q p s k 1 6 q a m 6 4 q a m 总码率 1 9 2 8m b 口s 4 9 8 3 1 6 7 m b p s 3 6 8 2 3 4 2m b p s 接收fj 限c n 三1 5 d bc n 1 9 d b 可以看到 i s d b t 和d v b t 有很多相似的地方 可以说 日本使用的是修 改的欧洲方案 目前 d v b 成员已经达到2 6 5 个 来自3 5 个国家和地区 a t s c 成员3 0 个 其中美国成员2 0 个 来自阿根廷 法国 韩国等7 个国家的成员 2 地面数字电视传输系统中信道调制的设计与实现 1 0 个 i s d b t 筹划指导委员会委员1 7 个 其他成员2 3 个 都是日本的电子公 司和广播机构 由此可以看出 d v b 标准发展最快 普及范围最广 从表中我们可以看到三套系统的一些区别和联系 a t s c d v b t i s d b t 标准的频道宽度均为6 8 m h z 每个频道都可以设置一个固定接收h d t v 高清 晰度电视 或4 5 个s d t v 标准清晰度电视 数字电视频道的宽度和原有模拟 电视频道相同 处在转换期的同播状况 均采用 放弃信源兼容 坚持信道兼容 的政策 a t s c 在6 m h z 内可稳定地传输一套h d t v 电视 d v b t 由于保护间 隔的插入 从而减少了频谱的利用率 在6 m h z 内较难稳定地接收一套h d t v 电视 必须加大带宽才能稳定地接收 目前d v b t 首先采用的是s d t v 电视 a t s c 采用网格编码调制 理论和实测都表明 接收门限 c n 达1 5 d b 提高了电视发射机覆盖范围 d v b t 和i s d b t 接收门限 c n 大约在1 9 d b 左右 从接收场强看 a t s c 要优于d v b t 和i s d b t3 4 d b 左右 模拟接收 的门限一般为4 0 d b 左右 可见 数字接收大大提高了广播的覆盖范围 a t s c 不支持移动接收 而d v b t 和i s d b t 都支持移动接收 为增强移动 接收能力 d v b 的工作小组从2 0 0 2 年前后开始研究d v b h 2 0 0 4 年1 月确定 了该规格的基本框架 d v b h 是d v b t 的扩展 它的主要应用是在手机 掌上电脑等手持移动终端上看电视 相对于d v b t d v b h 标准主要增加 了以下内容 f 1 1 引入时间切片 t i m es l i c i n g 技术 数据以脉冲方式传送 而不 是以连续方式传送 脉冲之间关闭电源 可以大大降低功耗 2 1 蜂窝间握手准备 通过对相邻蜂窝监控 将传输流的切换时 间放在接收机的关闭时间 蜂窝转换的握手可以保证服务不中断 f 3 1 在d v b t 的2 k 和8 k 传输模式之外加入4 k 传输模式 增加组网灵活性 j 3 国内地面数字电视传输的发展概况 2 0 0 1 年我国正式在全国范围内广泛征集地面数字电视传输标准 收到了清 华大学 广播科学研究院 h d t v 功能样机系统研究开发项目总体组和电予科 技大学4 家单位提交的5 套技术方案 其中 清华的d m b t 地面数字多媒体电 地面数字电视传输系统中信道调制的设计与实现 视广播传输协议 方案采用时域同步正交频分复用 t d s o f d m 技术 在信道 编码方面采用了t u r b o 纠错编码 在时域中插入p n 序列作为同步信号 d m b t 由于使用了肘域信道估算技术 所以它的同步时间比d v b t 快很多 d v b t 的同步时间为1 0 0 毫秒左右 而清华的d m b t 可以做到5 毫秒以内 d m b t 是一种多载波方案 共有3 7 8 0 个子载波 上海交大的a d t b t 标准 高 级数字电视广播系统 是一种 单载波 方案 采用t p c 信道编码技术f 4 j 清华d m b t 地面数字电视标准目前已在全国7 个省市投入了试运营 而上 海交大的a d t b t 数字电视地面标准也在上海地区开展了车载试运营 这两个 单位都开展了相关芯片的研制和测试 在国内的几套标准标准中走在前列 目前 我国正在加紧各套方案的融合工作 最终的国家标准将是一套吸收各 方意见的融合的方案 2 0 0 4 年9 月份 在国家发改委和数字电视专项领导小组 的领导下 由中国工程院具体组织国内有关研究单位形成了一套融合方案 该 方案包含时域数据模式 也包含频域数据模式 即有单载波和多载波两种工作 模式 现在 国内的相关单位正在对这套方案进行测试 j 4 本文的结构和侧重点 本文主要分为两部分 第一部分是d v b t 的信道调制的实现 第二章和第三 章1 先简要介绍了d v b t 信道编码调制系统的基本原理 实现方案 然后重点 论述d v b t 系统o f d m 调制的实现 包括设计方案 算法和结构的选取 f p g a 实现 测试结果等 第二部分是单载波 多载波融合方案的信道调制的实现 第四章 主要集中 在帧形成和基带成形滤波这两个部分 其中的单载波 多载波融合方案 以下简 称 融合方案 是基于2 0 0 4 年9 月份我国地面数字电视标准专家组确定的一个 折衷的方案 本文以第一部分为侧重点 地面数字电视传输系统中信道调制的设计与实现 第二章d v b t 信道调制概述及实现方案 2 j 地面数字电视广播的信道特征 在地面广播传输环境下 除常规的干扰 如高斯白噪声 脉冲f 家电 汽车冲 放电产生 干扰等 其信道还具有以下几个特点 j 1 多径干扰 射频 r f 信号会因山j i j 建筑物 移动物体的影响产生 反射 这样经不同路径到达接收机的信号相位相互影响 从而导致瑞利衰落 快 衰落 同时也会引起信号频谱的深度衰落 频率选择性衰落 多径传输干扰严 重时 单靠增加发射机功率提高接收时的信噪比并不能降低误码率 因此 克 服多径干扰成为实现地面数字电视广播的关键技术 2 多普勒频移 地面数字电视广播信道与接收方式有关 接收方式是指 固定接收 车载移动接收 还是便携手持接收 接收机或发射机的运动会产生 多普勒频移 例如 当接收机以速度v 移动 并且其运动方向和入射波的夹角为0 此时的多普勒频移由式给出厶 c o s 8 其中z 为载波的波长 3 由于同播的要求会受到常规电视干扰影响 同播时相邻服务区的同一 频道的普通电视节目将有可能进入h d t v 接收机 产生强同频干扰 而且在数 字地面广播传输u h f v h f 频段 还有诸如单载波干扰 邻频干扰等对传输信号 迭加影响 信道均衡时我们除了要考虑多径的影响之外 还必须考虑到如何对 抗频带内的单频干扰和同频p a l 模拟电视干扰 所有上述问题均使地面广播问题复杂化 使得接收信道随时间 频率和地点 而发生变化 在传输方案选择时都必须加以考虑 2 2d v b t 信道编码调制器系统概述 d v b t 系统使用c o f d m 编码正交频分复用 技术 有2 k 和8 k 两种o f d m 正交频分复用 模式 其中2 k 模式适合单独传输和小单频网络 s f n 8 k 模式适合单独传输 小单频网和大单频网 地面数字电视传输系统中信道调制的设计与实现 图2 1 描述的是d v b t 信道编码调制器系统 主要由信道编码 o f d m 和d a 三部分组成 其中能量扩散 外编码 外交织这三个部分与d v b c 和 d v b s 系统相同 p 编码与d v b s 相同 后面的部分是为适应地面信道而专门 设计的 如插入导频与t p s 传输参数信号 便于接收机的载波同步和信道估计 插入保护间隔便于消除i s i 符号间干扰 o f d m 是整个d v b t 系统的精髓 它可以有效地对抗多径时延扩展 提高频谱利用率 囤2 1d v b t 信道编码调制器系统框图 d v b t 系统还允许不同级别的q a m 调制 不同的内码码率 两级的分层 通道编码和调制 均匀和非均匀两种星座映射方式 不同长度的保护间隔 主 要功能模块简述如下 7 1 j 磁童矽哺为了保证在任何情况下进入d v b 传输系统的数据码流中 0 与 l 的概率都能基本相等 首先用一个伪随机序列对输入的t s 码流进行随 机化处理 伪随机序列是由 个标准的伪随机序列发生器生成的 其中 0 与 1 出现的概率接近5 0 无论原t s 码流是何种分布 随机化后的数据码流中的 0 与 1 的概率都接近5 0 从信号功率谱的角度看 随机化过程相当于将数字信 号的功率谱拓展了 使其分散开了 因此随机化过程又被称为 能量扩散 o 匆错缯碍d v b t 系统中采用了级联的两层纠错的方法以提高纠错 能力 外层编码采用r s 2 0 4 1 8 8 编码 这种编码可以纠正8 个字节的突发错误 内层编码采用卷积编码 主卷积码率为1 1 2 然后可以进行收缩而产生2 3 3 4 5 6 7 8 等多种卷积码率 内层的卷积编码虽然具有很强的纠错能力 但一旦发 生无法纠正的误码时 这种误码常常呈现连续发生的形式 也就是说 经卷积 解码器纠错后输出的码流中的误码常显连续的形式 此外 信道中还存在着诸 如火花放电等强烈的冲激噪声 也会在卷积解码后的码流中造成连续的误码 地面数字电视传输系统中信道调制的设计与实现 这些连续误码落在一组外层r s 码中 就可能超出r s 码的纠错能力而造成信息 失真 为避免这种情况 在两层纠错编码之间加入了数据交织环节 采用 i 1 2 m 1 7 的卷积交织 卷积交织改变了信号的传输顺序 将连续发生的误码分 散到多组r s 码中 落在每组r s 码中的误码数量就会大大减少 不会超出r s 码的纠错能力 r s 码能够将其纠正过来 实践证明 卷积交织提高了系统的纠 错能力 特别是对冲激噪声的纠错能力 卷积交织放在外层 称为外交织 在 d v b t 系统中还有一层内交织 内交织分成两部分 一部分是基于块交织的比 特交织 另一部分是基于随机交织的符号交织 符号交织在频域进行 以增强抗 频率选择性失真的能力 所以又叫频率交织 o 借翅嘈酽嬲d v b t 系统采用o f d m 传输方式 是一种多载波传输方 式 在一个o f d m 帧内 映射在每个子载上的数据使用q p s k 1 6 q a m 6 4 q a m 非均匀1 6 q a m 或者非均匀6 4 q a m 调制 星座映射后的数据是有效子载波数据 还要和连续导频 分散导频与t p s 一起组成o f d m 符号 其中 导频有助于接 收机的载波同步和信道估计 t p s 主要是给接收机提供一些发射模式的参数 例 如内码码率 星座映射方式等等 以上o f d m 符号是在频域中的信号 要通过 i d f t 变换到是时域 得到时域o f d m 符号 一般用i f f t 实现 d v b t 系统在 时域o f d m 符号间插入t g i 时域保护间隔 该保护间隔由经过i f f t 变换后 得到的有效符号的尾部数据复制得到 保护间隔长度可以是符号长度的1 4 1 8 1 1 6 或者1 3 2 只要其长度大于多径时延扩展宽度 能够克服由于多径引起的 i s i 2 2 1o f d m 帧结构 为叙述o f d m 调制的方便 这里简要介绍d v b t 系统的o f d m 帧结构1 5 j 每个o f d m 符号由k 1 7 0 5 2 k 模式 或者k 6 8 1 7 8 k 模式 个子载波组成 并且在以r 为符号周期的时间内发射 符号周期包含两个部分 有用持续期正 和 保护间隔 保护间隔是有用持续期正 内最后一段数据的拷贝 并且插在有用 符号期的前面 作为循环前缀 其长度可以为有用持续期的l 4 1 8 1 1 6 或者 1 3 2 图2 2 表示o f d m 符号的循环扩展 o f d m 信号采用分帧传输方式 每 帧包含6 8 个o f d m 符号 每4 帧组 地面数字电视传输系统中信道调制的设计与实现 成一个超帧 如图2 3 所示 除了传输数据 一个o f d m 帧还包括下述参考信 息 分散导频 连续导频 t p s 导频信息可以用于帧同步 频率同步 定时同 步 信道估计 也可以用于相位噪声跟踪 循环前缀 一 i 一一 二二二 二二 墨篓塑堕虬 壹旦堡丝塑t j l笪兰旦型玉 一 一 超帧 i 2 3 7 7 0 f 嘴号 k l 叫 图2 2o f d m 符号的循环扩展 图2 3o f d m 帧结构 一个o f d m 帧的o f d m 符号序号记为o 6 7 符号包含数据和参考信息 由于o f d m 信号由若干独立调制的载波构成 因而每个符号可分为由许多单元 构成 每一个单元对应一个载波在一个符号期内调制的信息 相邻载波间隔为 i tu 如表2 1 所示 发射的o f d m 信号表示为 其中 k m u s f 1 c 刍m 厶6 71 白7 0 4 r e l 0c m m 心 沼 1c厶厶厶 i 州 i f 2 1 tm 0t oj 1 6 8 x m x t s t t 6 8 x m 1 x t s 载波序数 1 传输帧序数 瓦 有用符号持续期 4 射频中心频率 符号数 符号周期 保护间隔 眦默 肾 妇 j p q 芏而 口 8 l my 地面数字电视传输系统中信道调制的设计与实现 c 第m 帧的0 个符号的第k 个载波的复数调制值 c 第m 帧的1 个符号的第k 个载波的复数调制值 c 第m 帧的 6 7 符号的第k 个载波的复数调制值 表2 18 m h z 信道带宽下的o f d m 参数 o f d m 参数8 k 模式2 k 模式 载波数k 6 8 1 71 7 0 5 最小载波序号k m i n o0 最大载波序号k m a x 6 8 1 61 7 0 4 有用符号持续期8 9 6 1 x s 2 2 4 s 载波间隔l 广r u 1 1 1 6 h z4 4 6 4 h z 载波k m i n 和k m 之间的间隔 7 6 1 m h z7 6 1 m h z 2 3d v b t 信道编码调制器实现方案 2 3 j 总体方案 图2 1 所示的功能模块大部分都有专用的器件可以实现 如外编码可以用l s i 公司的l 6 4 7 1 1 o f d m 调制模块可以用b u t t e r f l y 公司的b d s p 9 1 2 4 来实现 但 用这种方式设计编码调制器 将需要一块较大面积的电路板 上面集成各种专 用器件 这样硬件设计太复杂 信号的完整性如何保证也不容易 如何在一个 系统里集成各种功能模块 又要使系统不太复杂 是设计的难点所在 这里介绍一种基于f p g a 平台的方案 硬件组成比较简单 如图2 4 所示 主要由一片f p g a 和一片d a 转换器组成 数字基带部分完全在f p g a 芯片 e p l s 2 5 里完成 数字上变频和d a 转换用a n l o g d e v i c e 公司的a d 9 8 5 7 实现a 广 厂 r p g a e p l s 2 5 h 样b d 坡9 8 5 黜 h 滤波器p 图2 4d v b t 信道编码调制器硬件结构简图 9 地面数字电视传输系统中信道调制的设计与实现 项目的关键在于f p g a 的设计 其总体方案如图2 5 开发软件是 q u a r t u s i i4 0 图2 5f p g a 设计总体方案 外部给卫p g a 提供一个基准时钟 时钟管理模块以其作为参考时钟 利用 s t r a t i x 器件觞目环的特性生成各个模块的工作时钟 总控制单元负责各模块的启 动和相互间的数据交换 输入发射机的码流符合m p e g 2 标准 包头是0 x 4 7 包长可以是1 8 8 或2 0 4 传输流同步模块根据此性质找出包的起始位置 形成每1 8 8 个字节一组的数据 后面的信道编码模块对码流作一系列编码 交织 增强系统抗干扰和纠错的能 力 信道编码模块由随机化 r s 编码 卷积交织 卷积编码 内交织等子模块 组成 简述如下 8 9 1 1 随机化由伪随机二进制序列p r b s 与码流数据异或完成 p r b s 由多项 式g f x 1 x x 生成 初始化序列为1 0 0 1 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 2 r s 编码器以1 8 8 个字节为1 个信息分组 先在前面加上5 1 个字节的0 将信息分组的长度变成标准的2 3 9 个字节 然后根据这2 3 9 个字节运算生成1 6 个字节的校验码元 将其加在原1 8 8 个字节后 变成r s 2 0 4 1 8 8 输出 3 卷积交织予模块由一片双口r a m 和读写地址控制器构成 而不是如 标准中所述的由1 2 个移位寄存器组成 因此资源消耗和控制复杂度都得到降低 4 卷积编码子模块把卷积交织输出的字节流转成串行的比特流 主卷积 编码按码率要求生成两路输出x 和y 后面的的删余模块按删余图样选择x 和y 的对应位送至内交织模块 5 内交织包括比特交织和符号交织 首先通过一个多路器 根据不同的 星座产生v 个子流送入v 路位交织器 各路位交织器输出的比特流经串并转换 地面数字电视传输系统中信道调制的设计与实现 输出相应的v 比特字 这些v 比特字就是调制在各子载波的数据 通过符号交 织器将其分散在各子载波上 以进一步增强抗频率选择性失真的能力 因此符 号交织属于频率交织 星座映射模块完成比特到复数的映射 有q p s k 1 6 q a m 6 4 q a m 非均 匀1 6 q a m 或者非均匀6 4 q a m 五种方式 帧形成模块将固定导频 分散导频 t p s 数据加到符号的相应位置 形成一个个完整的符号数据 并将每6 8 个符号 组成一帧 每4 帧组成一超帧 在此之前的数据都是频域上的 o f d m 调制模 块将频域上的数据转换到时域 形成以符号为单位的时域数据 保护间隔模块 把每个符号的后面一部分数据复制到符号的开头 其长度可以是符号长度的1 4 1 8 1 1 6 和1 1 3 2 作者负责的是o f d m 及插入保护间隔部分 下一章详细介绍这两部分的 f p g a 实现 2 3 2s t r a t i x 系列f p g a 介绍 本项目选用的现场可编程器件是a l t e r a 公司的e p l s 2 5 f 7 8 0 e p l s 2 5 是为适 应片上系统 s o c 的需求而推出的s t r a f i x 系列器件之一 该器件内部集成有 大量的逻辑单元 大容量存储器 可编程锁相环和高性能的d s p 模块 同时采 用了全新的布线结构 最高工作时钟达到4 2 0 m h z 在本方案中 将数字基带处 理这个完整的系统集成在一片f p g a 里 避免了多芯片系统造成的硬件复杂 难于调试 不易移植等弱点 s t r a t i x 系列器件有如下特点 1 0 1 采用1 5 v 内核电压 0 1 3 一 z m 全铜工艺 2 高密度 含有大量的逻辑单元 l e 和存储器资源 r a mb i t s 3 内嵌的d s p 模块 易于实现高性能的乘法器和滤波器 4 支持多种i o 标准 5 最多支持1 2 个锁相环 最高时钟达4 2 0m h z 6 内部有1 6 个专用的全局时钟网络和1 6 个区域时钟网络 s t r a t i x 器件含有是一个基于行和列的二维的逻辑结构 一系列的行列连线存 地面数字电视传输系统中信道调制的设计与实现 在于l a b 逻辑阵列块 之间 存储模块之间和d s p 模块之间 这些连线以不同 的长度和速度为功能模块提供相互之间的信号链接 s t r a t i x 器件的主要单元的功 能特点如下 1 逻辑阵列块 l a b l a b 由1 0 个l e 逻辑单元 l e 间的进位链 级连链 l a b 控制信号和 l a b 局部互连构成 1 l e 是最小的 基本的逻辑单元 用于实现用户定制逻辑 功能 每个l e 包含1 个4 输入的查找表 1 个可编程寄存器 1 个进位链和1 个级连链 2 存储器模块结构 m e m o r y b l o c ks t r u c t u r e s t r a t i x 系列器件有三种类型的r a m 块 m 5 1 2 m 4 k 和m r a m m 5 1 2 模块是简单的双口存储块 有5 1 2 位外加奇偶校验位 共5 7 6 位 可 以用作简单的专用双口或者单口存储器 最大可达到1 8 位宽 3 1 8 m h z m 4 k 模块是真正的双口r a m 块 有4 0 9 6 位外加奇偶校验位 共4 6 0 8 位 可以用作真正的双口 或者单口存储器 最大可达到3 6 位宽 2 9 1 m h z m r a m 模块 6 4 k x 9 b i t 到4 k x l 4 4 b i t 5 1 2 k 位外加奇偶校验位 共5 8 9 8 2 4 位 可以用作真正的双口 或者单口存储器 最大可达到1 4 4 位宽 2 6 9 m h z 3 数字信号处理模块 d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n gb l o c k 每个数字信号处理模块可以实现8 个满精度的9 b i t s x 9 b i t s 乘法器 4 个满精 度的1 8 b i t s 1 8 b i t s 乘法器 或者1 个满精度的3 6 b i t s x 3 6 b i t s 乘法器 而且有加减 法器 数字信号处理模块包含1 8 位的输入移位寄存器 这一特点可用在f i r 和 i j r 滤波等处理中 4 锁相环 p l l 和时钟管理 s t r a t i x 系列器件提供了一个高级的时钟管理结构和多个p l l 来满足用户在 f p g a 内部对时钟的需求 分别有全局时钟网络和区域时钟网络 而器件的内部 p l l 也分别有两类 增强型锁相环 e n h a n c e d p l l 和快速锁相环 f a s t p l l s t r a t i x 系列器件有1 6 个专用的全局时钟网络 所有的资源 包括t o e l e 地面数字电视传输系统中信道调制的设计与实现 d s p b l o c k m e m o r y 都可以用此作为时钟源 而且 全局时钟信号也可以作为控 制信号 如时钟使能 同步或者异步清零信号 s t r a t i x 系列器件有1 6 个区域钟网络 器件可分为4 个象限 每个象限有4 个区域区域钟网络 它们只在所服务的象限内才有效 另外 s t r a t i x 系列器件有1 6 个专用的时钟管脚 用以驱动全局时钟网络或 者区域钟网络 5 1 0 e i o 单元 i o e 由一个双向i o 缓冲器和六个寄存器组成 寄存器可用作输入 输出和 输出使能信号 当用作专用时钟时 这些寄存器可以为外部存储器 如d d r s d r a m q d rs r a m 等 提供优异的接口性能 每个i o 单元都可配置成输入 输出或双向引脚 e p l 2 5 f 7 8 0 的资源配置如表2 2 可以看到 该器件的逻辑资源和存储器 资源非常丰富 能够把一个完整的信号处理系统放在一片f p g a 里实现 表2 2e p l 2 5 f 7 8 0 的资源配置 逻辑单元2 5 6 6 0i o 管脚 5 9 7 r a m 总量1 9 4 4 5 7 6 锁相环6 d s p 块 1 0全局时钟网络1 6 嵌入式乘法器 8 0专用时钟管脚1 6 9 b i t s 9 b i t s 2 4o f d m 调制实现方案 严格说来 星座映射 帧形成 o f d m 和插入保护间隔这四个部分都属于信 道调制 但本文中主要论述作者所负责的工作 o f d m 调制 图2 6 表示的是d v b to f d m 调制实现方案 输入的数据来自帧形成模块 输出数据送至d a c 转换为模拟信号 由式2 1 可见 发射的o f d m 信号s t 相当于对每帧数据作矸t 变换 以 1 3 地面数字电视传输系统中信道调制的设计与实现 2 k 模式为例 由帧形成模块输出的数据是以1 7 0 5 个复数为一组的数据包 要扩 展为2 0 4 8 个复数再作i f f t 变换 也就是补3 4 3 个0 式2 1 中的k 为 k 2 k m a x 州m i n 2 k 0 l 1 7 0 4 2 3 发射中心频率对应k 0 即k 8 5 2 在i f f t 之前 用频谱调整模块将数据调整 为2 0 4 8 个每帧 而且子载波k 8 5 2 对应中心频率 如图2 7 所示 补充的3 4 3 个0 充当了频域的保护间隔 田 嗍 f r o m 帧形成 i 甏1 7 阿 图2 6d v b to f d m 调制实现方案 l 兰叫一忸0 型尘挚迎型2 z拓 图2 7 频谱调整示意图 2 k 模式 出i f f t 模块输出的数据一般是逆序 4 2 倒序 需要调整为正常顺序才能送 给后续模块 速率调整模块将i 路和q 路数据合为一路 并调整为a d 9 8 5 7 所 需的速率 4 地面数字电视传输系统中信道调制的设计与实现 第三章d v b t 系统中o f d m 调制的实现 3 j 耶r 算法及结构选取 o f d m 的复等效基带信号可表示为 1 旷静酬 等 o k n 1 3 1 其中d 为调制在各个子载波上的数据 对应的时域数据屯等效为对d i 进行i d f t 运算 因此设计o f d m 调制模块的关键就是找到一种快速的算法实现i d f t 一 般采用i f f t 快速傅立叶逆变换 n 点 f t 定义如f 砌 专薹硼删i o n n 1 一p 等 3 2 即仔f r 七 x n 寺 z 庀 号 尸f r x 3 3 jt o 1 由上式可见 对n 点数据x k 做i f f t 运算 可以使用f f t 核 只需先把 输入数据取共轭 结果也取共轭并缩小n 倍 因此 设计的关键在于如何实现 f f t 图3 1 是用f f t 核实现肝t 运算的框图 图3 1 用f f t 核实现i f f t 运算 在f p g a 中设计f f t 要综合考虑资源消耗和运算速度 在设计中我们用到 了流水线的实现和基于存储器的实现两种方法 下面分别介绍两种方法并作比 较 地面数字电视传输系统中信道调制的设计与实现 3 j j 频率抽取基2 2 职丁算法及流水线结构 3 1 1 1 频率抽取基2 2f f t 算法 频率抽取基2 2f f t 算法具有运算速度快 控制简单 易于流水线实现等优 点 该算法在文献1 1 3 1 中有详尽推导 这里只作简单的描述 n 点的d f t 定义如下 1 t 工 h w j f o 0 j s 心 e x p 一 争 3 4 做3 维线性下标映射 盯 足 盯 史 它 心 7 其中h 女 o 1 n t o 1 了n 一1 d f t 式经过分解 化简变为 3 5 扣 z 岛 2 也 4 k 3 日 岛 如 蝶小1 瞪b 3 6 1 o4 其中 k 2 h 为 h t k 2 i 3 m 啪 矿叫心 学 叫伯 2 j 砌 警 叫 丢 3 7 3 1 1 2 频率抽取基2 2f f t 流水线结构 由上可以得至l j r a d i x 22 s d f 流水结构 图3 2 是n 6 4 点时的结构图 图3 2 中的b f 2 完成式 3 7 中两个方括号内的运算 可见这是基2 的运算 b f 2 2 把b f 2 的结果以某种方式相加 即计算日 k 这也是基2 的运算 i f j i b f 2 1 和b f 2 2 都和基2 算法的蝶型结构相同 但b f 2 1 和b f 2 2 的组合就完成了一个基4 的蝶型运 地面数字电视传输系统中信道调制的设计与实现 算 除了最后 级外 每个基4 的蝶型后都有一个复数乘法器 因此这种算法既 保留了基2 的蝶型结构 又和基4 算法有相同的乘法复杂度 该结构的控制非常 简便 对b f 2 1 和b f 2 2 的控制由计数器的相应位完成 b f 2 2 的控制信号t 对应 3 7 式中的k l s 对应k 图3 2r a d i x 2 2 s d f 流水线的n 丌结构 n 6 4 在第一个n 2 周期 输入的数据直接进入长度为n 2 的移位寄存器 下一个n 2 周期输入的数据x n n 2 与移出移位寄存器的数据x n 做运算 z l n x n x n n 2 z l n n 2 x n 一x n n 2 0 n n 2 3 8 z 1 n 进入b f 2 2 中长度为n 4 的移位寄存器 移出后与输入b f 2 2 的z 1 n n 4 乍n 3 8 式类似的运算得到 z 2 n z t n z l n n 4 1 z 2 n n 4 z l n 一z i n n 4 0 n 0 3 2 7 f 3 一a s 在f f t 中 可以用c o r d i c 算法来实现乘旋转因子 将旋转因子对应的角 度0 代入z 被旋转的向量代入v o x o y o 按式 3 一a s 迭代n 次即可得到复数乘 法器的输出 按j w a l t h e r 提出的迭代序列 o 1 2 n 一1 所覆盖的角度只有一9 9 9 0 9 9 9 0 而在本应用中明显超出此范围 有两种方法可以克服这个问题 一是在 迭代序列前添加两个0 将角度扩展到大于一 n 的范围 二是对角度进行转 换 举例0 m 2 e 一州2 n 2 0 a 则后一项必然位于 o 2 范围内 这 样 我们可在乘以模校丁e 因子之后 作xo y yo x z z n 2 的简单运算 过程 减少两级迭代 地面数字电视传输系统中信道调制的设计与实现 可以看出c o r d i c 算法结构简单 计算过程只包含移位 全加和比较 运 算复杂度小 控制简单 容易实现流水线 而且 用此方法来设计f f t 不需要 预先存储旋转因子的值 可以节约存储器资源 但 次计算需要2 0 个周期 乘 模校正因子和1 6 次迭代 时延较大 1 7 3 2 1 1c o r d i c 算法在d v b t 系统中的应用 除了上面所述的用于f f t 外 c o r d i c 在d v b t 系统中还可用于数字下变 频 分数频偏估计 符号精同步 在数字下变频中的应用方法与f f t 相同 不 再叙述 在分数频偏估计和符号精同步中 能够用c o r d i c 计算向量的角度和 模 已知向量v o x y 求其角度口 可以用反三角函数法 先求三角函数值 然后查找反三角函数表 那样计算比较复杂 用c o r d i c 只需用到移位 全加 和比较 大大简化 用c o r d l c 作向量旋转时 每次迭代时旋转的方向4 由z 是否大于零来判 断 这里稍作修改 将式 3 2 8 i 拘i 最后一项修改为 瓯 y o 3 2 9 即如果当前向量在实轴以上 则作顺时针旋转 一1 否则作逆时针旋转 1 这 样旋转1 1 次后 即得到向量的角度和模 0 z 3 3 0 l v o l 矗 3 3 1 而且