（电磁场与微波技术专业论文）atscvsb标准解码芯片设计及实现.pdf

天津大学硪圭学位论文 摘要 离清晰度惫视溅 瞪v 鞭i 豳d e f i n i t i o nt e l e v i s i o n 使惩了多项当今世赛上最先 进翡霹以实际鏖餍的数字逶信技术翱篱漂 蕊遵燕缩编码技术 当翦 离清鳜度 电视在世界范围内正跨出科研阶段而进入商品化的时代 在我国也已成为热门话 题 本文在信道接收芯片系统设计的基础上介绍了信道编码中f e c 码的a s i c 设计 在离清晰度电视信道接收蕊筹牵内码是8 v s b 的捂状编码 在系统毪髓 上使髑t c m 编码要比未编码有3 3 d b 的编码增益 另外在格状编码中加入了1 2 路的肉交织 可有效的抑制短的突发噪声对接收端v i t e r b i 解码性能的影响 出于q a m 与v s b 采用裰露的外褥电路 所以本文着重予h d t v 地面广播 系统a t s c 麓v s b 傣道编码孛的解码原理及其在专焉集成电路芯片 a s i c 上的 实现 本文在介绍a s i c 芯片设计的基础上 着重介绍了信道编码中的f e cl q 的 a s i c 实现帮性毙分耩 内容涉及裂了高清糍度电视系统煞介绍 系统芯片设计 s o c t c m 编解码原理和性能分析 r s 码部分的a s i c 实现等 论文首先介绍了数字电视的现状和基本技术 对主流的集中技术标准做了比 较 然嚣通过对各个模块静算法熬介缨 对整个解码芯片做了详缨阐述 最艨对 芯片设计流程的主要环节徽了比较详缀的介绍 本文篦工作是交际工俸豹总结 并且对今后相关技术的研究有一定的参考价值 关键词 高清晰度电视 维特比解码 网格编码 系统芯片设计 天津大学硕士学位论文 a b s t r a c t b a s 甜o nt h ea d v a n c e dt e c h n o l o g i e so fd i g i t a lc o m m u n i c a t i o n s o u l c ea n d c h a n n e le o 蕊瑶d i g i t a l 珏i 鳆d e f i n i t i o nt e l e v i s i o n 圆i g i t a lh d t v h a sb e e no n eo f t h ef o c u s e so ft h ew o r l d sc o m p e t i t i o ni nh i g ht e c h n o l o g y a n di tw o u l dg r a d u a l l y s u b s t i t u t et h ee x i s t i n ga n a l o g u et e l e v i s i o ns y s t e m c u r r e n t l y h i t vs y s t e mh a s s t e p p e do u tf r o ms c i e n t i f i c 怒s 髭r c hp h a s ea n di n t oa c o m m e r c i a lp h a s ei n 也eg l 豳a l w o r l d a n da l s o i n0 1 1 i c o t m t r y r e s e a r c h e si nh d t vs y s t e ma n da p p l i c a t i o n sh a v e a c c o m p l i s h e dm a n y a c h i e v e m e n t s b e c a u s eq a mh a st h es a m eo u t e rc o d e rc i r c u i t r ya sv s b t h i sp a p e rf o c u s e do n t h ep r i n c i p l e so ft h ev s bc h a n n e li m p l e m e n t a t i o ni na s i c a p p l i c a t i o ns p e c i f i c i n t e g r a t e dc i r c u i t s o f r e c e i v e ro f a t s c h d t v t e r r e s t r i a lt r a n s m i s s i o ns u b s y s t e m t h ep a p e rd i s c u s s e st h ep a r to f a s i cd e s i g no ft c m 疆r e l l i sc o d e dm o d u l a t i o n i nh d t v8 v s bt e r r e s t r i a lc h a n n e lb r o a d c a s t i n gr e c e i v e rc h i p i nt e s t i n g t h et c m c a ni m p r o v et h es i g n a l t o n o i s eb y3 3 d bc o m p a r e dw i t hu n c o d e d4 v s b m o d u l a t i o n a n dw i t ht h e1 2p a t hi n t e r l e a v i n gi nt c mc o d i n ga n dv i t e r b id e c o d i n g s y s t e mc a l lc o n t r o ls h o r tb u r s tn o i s ee r r o re f f i c i e n t l y t h ec o n t e n t so f t h i sp a p e rh a v e i n c l u d e dh d t vs y s t e mi n f o r m a t i o n s y s t e mo nc h i pd e s i g n t c mc o d i n g v i t e r b i d e c o d i n g a n dr s d e c o d i n g t h ep r i n c i p l eo fh d t va n di t ss t r u c t u r ea r ei n t r o d u c e di nt h i sp a p e rf i r s t l y a n d t h e nw ed e s c r i b ee v e r ym o d u l ea l g o r i t h m sa n dc o m p a r et h e i ra d v a n t a g e sa n d s h o r t c o m i n g s f i n a l l y w ei n t r o d u c et h ea s i cf l o wo fa t s c i ti so fg r e a tv a l u ei n e n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n a n di sag o o dg u i d et ot h e o r ys t u d yi nt h ef u t u r e k e yw o r d s h d t v v i t e r b id e c o d e r t c me n c o d e r s o cd e s i g n 2 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和取得的 研究成果 除了文中特鬟加以标注和致谢之处外 论文中不包含其毽人已经发表 或撰写过的研究成果 也不包含为获得墨盗冬堂 或其他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了诱 意 学位论文作者签名 寄0 午邑 签字同期 z 护7 年 月矿同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫鲞基堂有关保蜜 使用学位论文的援定 特授权鑫盗盘鲎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 并采用影印 缩印或扫描等复制手段保存 汇编以供查阅和借阅 同意学校 向国家有关部f j 或机构送交论文的复印件帮磁盘 保密的学位论文在解密后适用本授权 兑明 学位论文作者签名 移 聋型 导师签名 勘乏 签字r 期 砌7 年 f 胃西嚣 签字闩期 刀年 胃动 嚣 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 数字化革命是一场全世界的薪技术革命 电视的发展也不例外 电视技本的 数字化是电视产业发展的必然趋势 也是电视网络化的前提和必要条件 它与传 统的模拟电视技术相比产生了质的飞跃 数字毫视是一个从节誉摄制 编辑 发射 传输到信号接收 处理 曼示完 全数字化的电视系统 所包含的信息量大约是模拟电视的5 倍 越来越多的国家 已经运行或正在试运行数字电视系统 我国也有自己的循序渐进的数字电视发展 战略 并予2 0 0 6 年接出我们自己的d m b t 我国地面电视标准 标准 据国家 广电总局发布消息 截至2 0 0 5 年底 我国推出的数字电视付赞频道8 0 个 付赞 广播节目增至4 5 套 我国将于2 0 1 5 年关闭原有的模拟电视 1 1 数字电视的技术优势 数字电视是将传统的模拟电视信号经过量化和编码转换成二进制数的数字 信号 然后进行各种功能的处理 传输 存储和记录 也可以用计算机进行处理 监测和控制 采用数字技术能获得比模拟设备更好的性能 更具有模拟技术所达 不到的新功能 数字电视与模拟电视相比有以下一些技术优势 1 信号质量好盟抗干扰能力强 模拟电视信号的失真和干扰在传播和处理过程中存在积累现象 经过长距离 传输或多次复制后 信号质量会迅速下降 而数字信号在传输的过程中则有很强 的纠错功糍 其失真和干扰不会产生积累 经过远距离传输和多次处理詹 信号 仍能保持其原有的特性 所以数字电视在接收端看到的图象质量和声音质量几乎 与电视台发送的质量一致 而且几乎可以无限扩大其信号的覆盖面 2 传输效率高且多功能复用 传统的模拟电视使用6 m s m 带宽只能传输一套模拟电视节目 面数字电视 采用了先进的图象压缩编码技术 使用同样的带宽可以传送6 8 套电视节目 这 意味着用户可选择的节目将更加丰富 同时 节目的大容量低廉传输和广泛的收 视烽使运慧费用大大降低 使用数字技术还可以实现多功能复用 圈前数字电视可以提供5 1 声道的环 绕立体声 与传统的单声道模拟电视相比 大幅度提高了伴音质量 3 便于躜络纯晨双黉交互性 由于采用数字技术 数字电视有利于实现电视广播与计算机网络的融合 便 于图像和声音传输 从而实现电视节目资源共享 天津大学獗 学位论文 4 容易实现加密 解密和加扰 辫扰技术 由于数字信号的弱操作性 在翁端对信号加密和加扰都诧较容易实现 在托 基础上建立的条件接收系统 c a 是数字电视豹技术保障系统 可以对用户实 行有效的控制期警莲 防止未经授权或欠费用户收看收费节基 从蔼确保运黄商 的利益 总之 数字电视的诸多优势舞论是对于消费者还是对于相关厂商 甚至对予 整个趣予产业和广播行业都意味蓑一场重大的变革 对于消费者 数字电视不仅 提供了更清曦韵踅像 更逼真的声音 更多珂选择的频道和更丰富的节霹 焉且 集毫裰 电脑 电信1 兰大功能力 体 使电视成梵集多种功能予一身酶新型数字 家电 为我们提供了进入高速信息公路的便捷手段 对于电视机生产厂家 电视 台 奄视制作单位和传媒来说 数字电视的搬现所带来的是一种挑战又是 个机 遇 它将极大筋开发电视素场扩容的潜力 并可通过萁交互式特点麓应用推动相 关的各行业的发展 2 瑗今数字电视发震懿技术条傣 1 数字技术的发展 数字技术的发展和普及堪称现代信息领域最大的一次技术革命 数字技术更 力广毫事业的发展提供了广满的发展前景 首先是传输的存储容量增鸯霹 其次是 提高了信源零售道编码效率 毳次是为节重蠹容的控铡黧鳖务簸测提供了精懿手 段 使最终实现个人电视成为可能 2 大规模集成电路的发展 髓着徽毫予技术与工艺夔发震 数字集成邀路麸邀予管 鑫体管 孛小栽模 集成电路 超大规模集成电路 v l s l 到系统级芯片 快速发展着 集 成电路技术基本上正按照摩尔定律 即每十八个月就提高一倍的速度快速的发 展 在这种情况下 很多工程师希望设计自己的专用集成电路 a s 配 面不是 选雳通蹲瓣集袋电路芯片驳软件麴形式来设计系统 专蠲集成毫路瓣设计不设可 以使设计电子系统的成本降低 性能提高 而且也是提高掌握芯片核心设计技术 的竞争力所在 3 i n t e m e t 嚣发震 i n t e m e t 已经成为 个庞大的产鼗 随着光交换技术的成熟 第二代i n t e r n e t 的迅速发展 宽带赢遮交互网络已成为全球基础网络建设的发展方恳 对数字泡 褫系统 新豹数字化技术允许电缆 翌星业务提供商帮无线广播公霭提供各种强 大躺赢利链增值服务 天津大学硕士学位论文 4 卫星广播技术的应用 随着信息国际化步伐的加快 卫星广播的地位和作用日趋明显 利用卫星直 接传送和接收广播影褫节霹不仅经济 便捷 清晰 而且覆盖范围广 西经受到 很多国家和媒介组织的青昧 其发展前景广阔 1 3a s t c 地面传输标准简介 a s t c t l j 是美国 大联盟 g a g r a n d a l l i a n c e 提出的北美地亟电视标准 它与欧洲的d v b t 以及日本的i s d b t 并列为世界三大地面传输标准 表1 1 世界上当今三种数字电视地嚣标准的比较 基本l s 臻 欧溅剐美瓣矗戳a t v 带宽5 6 m 1 螂舭6 6 j 国m 甑 5 6 1 v 1 l z 调制o 陵 d me 劂 秘 q p s k 载频调制 d 妒s k 1 6 q a m 6 4 q a m 8 v s b 1 6 q a m 6 4 q a m 5 6 m h z 1 0 4 5 行 孤横向5 6 1 7 稂8 1 模内1 7 0 5 亍 2 1 橇内 载频数单载频 4 3 2 1 d h 1 0 9 俄2 k 横趣4 3 3 讯8 k 横向6 8 1 7 稂暇褥静 纠错 卷穗l 缓粥 3 4 5 6 7 8 r s 2 0 4 1 8 8 2 3 拇r s 2 0 7 1 8 7 多工方式m p e g 2 系统m 删系统酬p e g 2 系统 m p e g 2 编码 声音为 编码m 蚴编码m p f 珏2 编码 a g 3 5 6 轰i 目 z 3 6 8 骚窜s 2 1 4 6 氏l l 始 信息码率 4 3 孙腼趣 3 1 鳓蝴19 3 9 l 妇 4 3 2 k h z 2 8 3 始内 1 6 5 m b s 移动接收霹数霹毅z 呵潋 表1 1 清楚的列如了三种数字电视地面标准的系统信息 a s t c 有8 v s b 残 留边带调制 和q a m 正交振幅调制 两种调制方式 对v s b 来说 是采用导 频来恢复载波 采用训练序弼来控铡均衡器 导频的加入虽然提高了载波恢复精 度 但在 定程度上损失了信号的能量 训练序列虽减少计算量 但在威变能力 上却减弱了 对于q a m 来说 由于无导频 得以最大限度利用了信号的能量 虽计算时阀增加 算法复杂 但实时性强 q a m 调箭效率高 要求传送途径的 信嗓比较高 v s b 抗多经传播效应好 即消除重影效果好 a t s c 的8 一v s b 系统 在加性白商斯噪声 a w g n 信道传输系统有较强的抗干扰能力 具有较高的频 谱效率和较低的峰值 平均功率比 并且抗脉冲噪声和相位噪声的能力较强 它在低电平回波及模拟电视对数字电视的干扰方甏的效果与d v b t 性能类似 因 此 a t s c 的8 v s b 系统对于多频网络 m f n 实施和在6 m h z 信道内提供h d t v 服务方面可能具有较大的优势 天津大学硕圭学位论文 如图1 1 和图1 2 所示为a s t c 整体接收系统及本篇论文所要介绍的a t s c 信道解码系统 即数字接收部分 的设计流程 图1 1a t s c 接收系统 音频输出 图1 2a t s c 信道解码系统 数字部分 a t s c 接收系统首先通过调谐器选出a s t c 信号 并分成l q 两路信号 经过a d 采样后给信道解码提供i q 两路数字信号 通过信道解码芯片的解调 与解码解淝m p e g 码流 此时的码流是经过发射端复用后的码流 所以此时再 通过解复用得到独立的节霹流 并分离出视频 音频帮节曩信息 然后再通过信 源解码把在发射端压缩的视频 音频信号解压缩 得到正规的视频数据和音频数 据 通常解复用和信源解码是集成在一个芯片里的 对整个系统来说 它应该包含以下凡部分 自动增益控制 下变频 镜像抑 制低通滤波器 符号定时同步 均衡 载波恢复以及前向纠错模块 自动增益 a o c 控制模块 因为在不嗣线路环境下 高频头输入信号可畿有冗十分贝的变化 这就需要 a g c 电路调节下变频模块信号输出幅度 使得输入信号变化大时 输如幅度仍 旧落在a d 器件的上下参考电位之间 并鼠其峰值尽可能接近参考电位 典型 的方法是 首先确定一个时钟周期中最大样值的输入信号电平 然后执行算术倒 数运算 再将在这一个时钟周簸中魇有后来输入的各样值乘以这个倒数值 因此 大的输入信号乘以小的a g c 值 而小的输入信号乘以大的a g c 值 现有的各 种电流信号处理器的一个闯题是 执行除法运算的效率特别低 结果数字信号处 理器的大部分处理能力都用作皂动增益控制 为了提高硬件应用效率 监界也提 出了一些改进算法 这里不做详述 下变频模块 高频头的功能是娄基带信号经载波调制莲送至接收湍 接收端需要将信号还 原至基带 高频头完成对从有线电视网络的电缆得到的射频信号进行选频 滤波 天津大学硕士学位论文 下变频 放大等处理后得到中频信号 对中频信号进行抽样后变为纯数字信号 是整机系统的重要一环也是最前端的部件 符号定时同步单元 该单元是为了使接收端的本振时钟和发射端的时钟同步 时域恢复最重要的 是插值滤波器 它和码元时钟恢复模块协调工作 实现从抽样频率到码元速率的 转换 插值滤波器输出码流须要经过n y q u i s t 滤波器i 丛减少碣闻干扰 这个码元 时钟恢复模块是数字通信系统所必须的 镜像抑制低通滤波器 顾名思义 镜像抑铡低通滤波器是a d 转换经过高频头后用来滤除高次谐 波的低通滤波器 由于无线信道的瑞利衰落 多径延迟或有线信道的多次反射都 会引起信号的幅度畸变 用盲均衡和自适应均衡的技术相结合可以有效纠正信道 特性弓 起的畸变 均衡器包括时域均衡器弄蠢频域均衡器两种 所谓频域均衡 是 在频域设计的均赞器 使整个系统的总传输函数满是无失真的条件 时域均衡裂 从时域的冲击响应考虑 以满足无符号间干扰的条件 a t s c 系统是单载波系统 由于符号周期短 符学问干扰较为严重 常首先进行盲均衡然后再采用时域自适 应均衡 载波恢复 接收的信号因为前面本振时钟的不精确相等以及信道的快速衰落使得被传 送信号偏离中心频谱 会导致下变频后的基带信号存在一定的频率偏移 又因为 信号的相位在传输中也会因为有线信遒的时变特l 生 高频头的宽带滤波器 下变 频电路 接收端自适应均衡器的步长噪声等而引起一定的抖动 载波恢复模块的 功麓就是把伪基带信号搬移至基带 瀚对跟踪基带信号的相位 一般的电路都是 载波恢复和自适应均衡模块进行联合调整的过程 常用的盲均衡算法包括c m a r c a 等 因为接收的信号受到多径和噪声的影响畸变的很厉害 而在多径存在 也就是等效噪声极大的情况下载波恢复是无法工作的 必须先用盲均衡算法去除 多径 当然多径去除的越干净载波恢复的效果也就越好 等到富均衡收敛后再减 小步长 开启载波恢复环路 频偏捕获以后一般选择送到前面的高频头即定时部 分 这样的系统中载波恢复提取的频率信息被提供给高频头以使匹配滤波器恢复 的频率更准确 最后采用误差判决导向法联合调整载波恢复昶自适应均衡模块 前端纠错模块 f e c 是用来进行信道解码的 因为a s t c 倍道编码包括差分编码 能量扩散 r s 编码 交织 t c m 编码等 f e c 完成相应煞解交织 r s 解码和解扰码等 阕 时这也是解码芯片的核心部分 将在第三章作详细的叙述 天津大学硕士学位论文 1 4 本文的主要工作 2 0 0 5 年7 月 本人参与北京市嵌入式系统重点实验室a s t c 解码芯片的开发 工作 采用深亚微米工艺设计超大规模集成电路芯片 实现对高清晰度电视的信 道接收 该筒s c 芯片已成功在s m 配流片 并已经为美国l s i 公雹批量生产 本文根据作者的实际工作 对数字解调解码的硬件设计及验证做了详细介绍 在 a t s c 的设计及验证过程中 作者主要负责以下工作 1 进行r t l 代码的仿真工作 通过对整个系统的仿真 可以找毒芯片9 0 以上的b u g 这是i c 设计流程中的第一个重要环节 2 进行整个系统的f p g a 验证工作 r t l 的仿真覆盖率无法达到1 0 0 所 以f p g a 验证就成了整个流程中很关键的一个环节 它可以弥枣 翔匝铸真所测 试不到的情况 3 同其他工作人员一起完成芯片的a s i c 综合 静态时序分析和d f t 等工 作 作者负责其中部分模块的综合和静态时序分析工作 这部分是a s i c 流程从 r t l 到网表转换的过程 所以本文也做了比较详缎的耀述 尤其对综合的时序邀 路的分析 s t a 策略等关键部分都做了详尽分析 4 将a t s c 解码芯片在s m i c 实现流片 并进行测试封装 为美国l s i 公 霹批量生产 本文工作重点是详细介绍a t s c 的技术细节 重点放在a s t c 特有的t c m 编码以及v i t e r b i 解码 以及解交织等解码电路的原理和a s i c 实现 企文共分力五个章节 第一章作为绪论对数字电视的整体做了概述 对当今数字电视的几个主流标 准做了比较和分析 第二章介绍芯片的数字解调部分 这是芯片经过a d 采样后迸入的第一个模 块 数字鳃调主要由时钟同步 锁相 匹配滤波联均衡器构成 第三章是本文的核心章节 阐述解码芯片的f e c 解码原理 从算法到硬件 实现都尽量从每一个模块入手 详细介绍了各个模块的实现 f e c 解码部分主要 由以下几糖算法模块组成 t c m v i t e r b i 熬码 解交织 r s 鳃码 解扰碣 第四章把f p g a 验证测试和a s i c 流程的几个主要环节一起做了介绍 把 f p g a 验证部分放在这章主要是考虑到f p g a 综合和a s i c 综合有着很多的相似 性 在综合以及时序分析的策略上都有互糖借鉴的地方 所以为了便于分析阐述 把他们划分到同一章节 第五章本文的总结 是作者对本项目的概括 同时也回顾了作者在开发验证 过程中的经验帮教锱 并对未来的工作进行了展望 天津大学硕士学位论文 第二章数字解调及其a s i c 实现 2 1 数字解调系统概述 a t s c 信道解调解码芯片接收来自电子调谐篇调器输出的i q 两路正交的 模拟信号 对其数字化蜃进行进一步数字解调和解玛 以得刹压缩的m p e g 玛 流 本章介绍a t s c 数字解调模块 如图2 1 所示 解调模块包括自动增益控制 邻频滤波 匹配滤波 时钟恢 复环 载波恢复环帮变频 判决等模块 实际电路中 在模拟正交解调器串所使 用的本振信号并非由接收信号中提取的相干载频 两是由高稳定度的频率合成器 所产生 这样 由于传输信号的频率偏移或接收系统前端的高频头本振的偏移 在实际载频和标称载频之闻必然存在频差及相位抖动 这使得输出的模拟基带信 号是带有载频误差的信号 另外 a d 的取样时钟也不是从输入信号中提取的 所以当取样时钟与输入数据不同步时 取样不能在最佳时刻进行 使得产生误判 决的机会增大 取样判决螽的误码率就会增大 因此 这里的数字解调器是用来 消除模拟涎交髂调输濑中附带的频偏 并保证抽样判决输出端得笺最低误玛率 在a t s c 发射端 为了限制被传输的数字信号的频谱 需要对其进行滚降升 余弦滤波 形成基带波形 并对载波进行调制 以实现频带传输l 在接收端 需要对经过摆干解漏 匹配滤波形进嚣重薪采样褥到耱应豁数字信号 掇据奈奎 斯特抽样值无失真准则 a d 转换器若在最佳采样时刻进行采样 得到的采样值 恰好是发送端所要传递的数据 但在实际情况下 由于信道传输延时以及收发两 地对钟偏移 使采样无法在最佳时亥l 进行 这样采集到的数据与正确的数据之间 存在着偏豢 需要有同步措施来调整采样时钟或对采样值进行修正 a t s c 信道解调解码芯片接收来自a d 输出的两路正交的模拟i q 基带信 号 解码芯片要做的是对已经进行数字纯处理的i q 信号 进行进一步数字解 调和怨码 以褥到压缩的m p e g 码流 对模拟l q 基带信号数字纯处理是通过 模拟的a d 来实现的 在芯片设计时需引入一个模拟a d 来完成验证工作 本 文只介绍a d 后面的数字处理部分 a t s c 数字信道解调解码主要由两太模块组成 其框图如图2 1 所忝 解调模块 主要幽数字滤波器构成 前向纠错控制f e c 模块 是信道解码的实现部分 芯片内部采焉1 2c 总线连接 同时芯片调试时也是通过j 2c 串蠢写进程序 实现的 天津大学硕士学位论文 基带 字信 图2 l 数字解调与解码系统连接 芯片辨部的微处理器 设计中采照删7 处理器 通过 2e 串行线与f 2c 接口模块为整个解码芯片提供寄存器配置 以控制芯片在可编程的模式下工作 使得设计出来的芯片能适合不同的工作环境 数字解调模块的输入是电子调谐解调器产生的模拟i q 两路基带信号经过 a d 采样后的基带数字信号 匹配滤波是对应于发射端的基带信号成形滤波的 可以消除码间串扰 数字解调包括插值运算 时钟和载波恢复等 主要是为了消 除模拟解调输溅中附带的载频偏移量 并保证抽样判决输出端得到最低的误码 率 孵相模块主要完成信号匹配的作用 对接收的l o 位精度的互摆正交的l 秘 q 两路数字信号进行解相并给后面的前向纠错模块中的维特比解码提供4 位精度 的软翔决信号 维特比解码通过寄存器赋僮的不阕可分为1 2 2 3 3 4 5 6 7 8 五种不圊 的编码效率 解码主要是通过最大似然译码法来完成对随机误码的纠错 同步检 测出同步字节后进行字节划分 解交织是对发射端交织编码进行解码 交织使得 长率误码分教刹各个r s 编码帧中 使之处于r s 豹纯错能力之内 这里采用1 2 1 7 的解交织 r s 解码对发射端的r s 编码进行解码 这里使用g f 2 8 的 2 0 7 1 8 7 r s 码 其纠错能力为十个字节 解扰码是发送端扰码的译码 扰码主要是 为了使信号能量分散 使得同步接收端便于褥步检测并器可以便予区分通信信道 其他的业务信号 最后的数据格式转换是为了在信道解码完成后与信源解码的输 入数据格式相符合而进行的格式转换 第三章将做详细介绍 天津大学硕士学位论文 2 2v s b 数字调制 v s b 残留边带调制 方式是介于双边带和单边带之间的一种线形调制 它 既克服了双边带调制信号占用频带宽的缺点 又解决了单边带信号实现上的难 题 在这种调制方式中 并不要求将一个边带完全揶止 滤波器并不要求十分陡 峭 因此实现起来相对容易 而且在v s b 方案中 发送端加有载波导频 这样接 收端可以充分利用这个功率只占总功率不到0 3 d b 的导频信号来恢复载波 本节 就会绍一种数字的v s 裂蔫制解调麴处理方法 首先用数字技术对基带数字信号进行滤波 褥到精确的网相和正交信号 该 滤波器具有平方根升余弦特性 并且提供了对d a 变换器的补偿 接着两路信号 分剃乘上围楣载波帮正交的载波 相加得至u v s b 的调制信号 但是这个时候只是 调制到中频 经d a 变换器转变到模拟形式 在中频之后再采用s a w 滤波爨进 行邻带抑制 最后调制到射频 调制原理框图如下 图2 2 调制原理框图 数字处理在频域上分析会比较直观 所以就用频域上的示意图来说明整个 v s b 的数字调制过程 1 首先送进来的数据加上矗流 得到信号l 调制过后这个宣流信号将变成v s b 的导频信号 2 接下来基带信号进行频谱搬移 乘上c o s 旱得到i 路信号 原理框图中的2 点 z 乘上s i n 要得到q 路信号 原理框图中的3 点 对应在频域 这个时候的q 路信号 z 已经有了惩负9 0 度的相移 因为s i n 竿 p 1 一p1 所以魏正弦委数提菜 m 五 上j 如果频谱向右移 则相位移负9 0 度 频谱向左移 则相位移正9 0 度 搬 天津大学磺圭学位论文 3 再接下来i o 两路信号分别送入成形滤波器进行滤波 成形滤波器应该满足 平方根升余弦滚降的特性 得到成形詹的数据 原理图中的4 5 点 4 进行升抽样和低通滤波 褥到l 路和q 路2 傣内捶的信号 升抽样就是童接在数 据中插入0 点 频谱被压缩 产生镜像谱 通过低通 滤除镜像谱 相当于实现2 倍内插 原理图e e 6 7 点 在这一步之前 采样频率是送来的符号速率 这一步 之意 是2 倍笺符号速率 5 下一步就像相移法中一样 把i o 两路调制到载波上去 但是因为一开始已经 频谱搬移过了姿 2 倍内插后采样频率升高一倍 相当于现在的盟 所以这 一次调制频谱霎搬移s i 鑫 q n i 路和q 路分别乘上 s e 勘 和 s i n 三 q n 这个时候 o 路又会引入正负9 0 度的相移 6 最后 i 路和o 路相加 得至l j v s b 调制信号 i 路和o 路相加 有一半的频谱甄 稆抵消 稆位为0 和相位为1 8 0 度 另一半互楣加强 相位都为o 成形滤波器滤过 的信号在滚降边缘的那一部分被调制到载波点附近 作为残留边带 如果最后薅 路信号不是相加 而是相减 得到的是下边带的信号 但是载波位于 q 而不是9 而此时数字信号己经调制到中频 一开始加在基带信号的直流最后 被调制到了载波位置 中频信号经过d 焱变换和射频部分就哥以发射了 2 3v s b 数字解调原理与分析 在阐述了发送端的数字调制的一般原理之蜃 接下来观察解调的结构 其中 包括基带数据的恢复 载波相位误差提取 数字锁相环路 等等 数字解调接收到的是经过电子调谐器模拟解调后并经过一个a d 转换器后 的l o 基带数字信号 其缀理框銎如图2 3 所示 图2 3 数字解调框图 如图2 3 所示 解调模块包括插值滤波 匹配滤波 时钟恢复环 载波恢复 环和变频 判决等模块 数字解调是个复杂的过程 包括一些很多固定的i p 模块 由于实际工作中 解调模块多为s p w 工具生成 并且也限于本文篇幅 所以只介绍其中主要的两 天津大学硕士学经论文 个模块 数字解调主要部分的两大模块 即时钟恢复和匹配滤波 在a t s c 发射 端 为了限制被传输的数字信号的频谱 需要对其进行滚降升余弦滤波 形成基 带波形 并对载波进行调制 以实现频带传输 在接收端 需要对经过相干解谖 匹配滤波形进行重新采样得到相应的数字信号 根据奈奎斯特抽样值无失真准 则 a d 转换器若在最佳采样时刻进行采样 得到的采样值恰好是发送端所要 传递镌数据 但在实际情况下 盘予信道传输延时以及l 殳发两遗时钟偏移 使采 样无法在最佳时刻进行 这样采集到的数据与正确的数据之间存在着偏差 需要 有同步措施来调整采样时钟或对采样值进行插修正 2 3 1 时钟恢复 时钟恢复主要包括时钟误差检测 误差滤波 振荡控制器 插值滤波器 其 结构如图2 4 所示 图2 4 时钟恢复电路 盎图2 4 可以看到 时钟恢复模块是透过时钟相位误差来控制一个插值滤波 器来逼近最佳的采样时刻的 时钟误差检测器是根据最大似然估计算出的时钟误差公式如2 1 e k 鼍 2 k l 最i x y 2 k 1 i 十岛i y 2 k 1 l i 2 一1 如图2 5 所示其原理框图 e 妁 天津犬学硕 学位论文 圈2 5 时钟误差检测 这里t s 是采样间隔 忙t 2 t 是信息符号周麓 e k 表示采到第k 个符号 时所褥到的定时误差信息 表示采到第k 个符号时所信算滋麴最佳采样隧刻 和采群对锌之瓣豹襁位差 其范霜是 一王 1 3 群对钟偏差最多胃为王个采样间 隔 y k t s t s 奥j 是插值滤波器根据 两对隧怒滤波器的输感进行的差值修 正 将e 取 通过一环路滤波器和数字振荡控制器便可得到 卜王 环路滤波器的藤理框图如图2 6 所示 时钟误差 黉2 6 嚣路滤波器 当存在噪声干扰时 可通过环路滤波器将其滤除 使之对时钟相差估算产生 较小的影赡 环路滤波器系数k 1 k 2 的选择要视具体情况蔼定 取褥过大 翔 步时间较短 但抖动方差较大 反之 则需要较长的羼步对阔 通过环路滤波器 和振荡控制器后 e l j 计算所得的相位差 进行插值滤波 插傻滤波器理论上可班得到经意时刻的插值 庵公式 2 2 表示 舛 童鹏坶二老器 协2 巍公式 2 2 w 知 要得到经意时刻鲶摇蕊 嚣要无穷多个采样数据 这 在滤波器设计中是不现实的 所以需要对插值滤波器进行如窗涵数的截短 加窗厢的公式如2 3 这里采用了八个长度的窗函数 y 雄曩 o r s z 蝣霉强轵蠢书 曩 k t s 天津大学硕士学位论文 燃茎螭黼筹蓦燃嘲嘲 协3 其孛摊 是窗蠢数 麓前常鼹豹密羲数有h a r tn i n g h a m m i n g b l a c k m a n k a i s e r 等 本设计采用了k a i s e r 窗 它是一种近儆最佳翡窗遨数 其表达式如式 2 4 其中厶是零除修正b e s s e l 函数 f 墨逖二鲣婴 功 x o p j o 不 4 2 4 i o 其他 2 3 2 匹配滤渡嚣 这里采用的是滚降系数为0 3 5 静升余弦平方根滤波器 使用簏滤波器 方 面是必了与发射端的基带成型滤波波形据一致 贯一方覆可以露效能防止码阏于 扰的产生 在a t s c 系统中 升余弦滤波器的传递函数如公式 2 5 h 厂 1 f j l 1 a 升余弦平方根数字滤波器的结构如图厶7 所示 鬻2 7 舟余弦平方根数字滤波器结构 出 天津大学磺士学位论文 如图2 7 所示 这里所采用的滤波器是3 7 抽头的数字滤波器 这3 7 个抽头 的系数分别是k h 3 5 其中k o k 3 6 k 1 k 3 5 依次类推是对称的 即值是相 同的 具体的系数值如表2 1 所示 表2 1 滤波器参数 接头 q 3 6l 3 52 3 4 3 3 3毒 3 25 3 l6 3 07 2 98 2 89 2 7 数 系数 1o1 202 213 5 擒头1 0 2 6 1 1 2 5 1 2 2 4 1 3 2 31 4 2 2 1 5 2 1 1 6 2 01 7 1 91 8 数 系数 14 1 11 12 44 7 3 62 5 64 5 6 其时域波形图帮频域传输丞数的频谱图分别如图2 堪中豹a b 瑟示 llli 一 o o o 1 j i 1 j k j t k e i 一 t t t i t t t l 一 一 r t f o t 一 一一 i a a 八 a a f x c n 一 天津大学硕士学位论文 b 匹配滤波器波形 图2 8 匹配滤波器波形秘频谱 在硬件描述的时候 通过设置3 7 个寄存器 当时钟上升沿到来的时候每个 寄存器分别向麓移位给后丽的寄存嚣 输入信号输给第一个寄存器 同时这3 7 个寄存器都要乘以相应各自的系数 例如 第1 8 个寄存器要乘以4 5 6 由于乘 法器在电路设计中会占用很大的逻辑门资源 所以这里通过移位的方法进行乘法 运算 即左移一位福当于乘以2 第1 8 个寄存器乘以4 5 6 就可以通过以下的逻 辑框图来实现 如图2 9 所示 数据 网2 9 乘法运算简化 出 由图2 9 乘以4 5 6 相当予把输入分别左移3 6 8 位后相加的结果 得到结果即8 6 4 1 2 8 2 5 6 4 5 6 通过这种移位相加的逻辑设计 可以简化直接 设计乘法器福乘对系统带来的逻辑结构的复杂程度 对整个逻辑设计的时序约束 天津大学硕士学位论文 等都会产生很好的作用 载波恢复环的结构和时钟恢复环的结构基本相同 也是e l j 相位误差检测器 锁定检测器 滤波器 数字控制振荡器 n c o 组成的 载波恢复环的输出送给 下变频模块作为下变频模块来捕捉载波频率的参考 由于这里的下变频模块的输 入就是基带信号 所以此变频模块仅作载波恢复用 天津大学硕士学位论文 第三章f e c 解码及其a s ic 实现 3 1f e c 概述 数字电视要实现大量数据实时高速传播 决定了其信道编码必须采用f e c 前向纠错 算法 检错重发 a r q 和混合纠错 h e c 都是不适合的 为了克服 恶劣的信遂环境 a t s c 搽准规定采用内码和卦码级联的编码系统 在内 乡 码 之间加入了交织模块 使外码的纠错效率得到最大的发挥 另外 在f e c 编码 开始 要先对m p e g 码流进行加扰处理 相应的 对于解码系统来说也也要做解 扰码处理 本章作为论文的核心惠容将对解码系统徽详细阐述 3 2 鲥s e 标准规定的发送端f e c 编码 系统框图懿下图所示 图3 1a t s c 发送端编码框图 1 s c r a m b l e r 模块是加扰模块 2 b y t ei n t e r l e a v e 模块对r se n c o d e r 输出的数据进行交织处理 3 r se n c o d e r 模块为r e e ds o l o m o n 编码模块 4 t c me n e o d e r 模块是格形编码模块 3 2 ls c r a r n b i o r 加扰 加扰强 s c r a m b l i n g 就是改变标准电视信号的特性 以防止菲授权者接收 到清曦的图像穰伴音 这种改变应在加 解扰系统控制下 在发送端按规定处壤 此外通过加扰的处理 也方便接收端容易恢复系统时钟 扰码在数字通信系统中 主要完成以下两方面的作用 首先 在发送地丽数字电视信号时 经常会臻现输入数据流不存在 鲡没有 节目流输入时 或输入的数据序列与标准的m p e g 2 传输流格式不符的情况 在 对输入信号进行调制时 由于没有正确的调制信号输入 或者调制信号周期较短 这样在调制器输邂璇将褥到没有经过调制的载波鬣己谲波频率过予集中 其频谱 是高能量的离散谱 对共用频段的其它业务会造成严重干扰 经过扰码处理后 数字序列具有伪随机性质 周期非常长 采用这样的基带信号得到的已调波 频 谱将分散歼 从而减轻了对其它监务的干扰 其次 信源编码是根据实际的节舅或业务变换得到的 没有对传输方面的考 天津大学硕士学位论文 虑 这样的信号经常会出现长串的连1 或连0 序列 这种信号无法提供充分的定 时信息 对于接收端的解调造成很大困难 采用伪随机序列对原始数据进行扰码 可以降低连0 码鄹连1 码的长度帮概率 放丽改普定时恢复的质誊 4 在m p e g 2 传送复用器之盂 系统的输入码流将被设置戒凿定长度斡数据翘 m p e g 2 传送复用包的总长度是1 8 8 b 其中 包括一个同步字节 4 7 h e x 在发 送端 处理顺岸都趋从同步字节 帮0 1 0 0 0 1 1 1 的m s b h i 0 开始的 为了确 保时钟恢复有足够的二电平过渡 在复甩的输出端就要徽懿罄3 心的扰码处理 也就是将二进制数字信息臻 随机化努处理 变为随枕序列 加扰的硬彳孛实现是 通过把码流送入多顼箴为l 爿毒 掣5 的伪隧视 进制序歹 j 的移僚寄存器实现 的 如图赝示 在每8 个传送包的开始 将序列1 0 0 1 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 遴入p r b s 数 器使箕初始佬 为备勰码器提供一个震动信号 在一个8 个包长筋组中 第一个 包的m p e g 2 同步字节应逐比特倒相 铡相扶4 7 r m x 变为b 8 r m x 输出第一个比特应 作用于已倒摆的m p e g 2 露步字节 即转8 疆x 后熬第一个字节书的第一位 势实 现其它同步功能 在鼹继的7 个传送笆的m p e 争2 同步字节持续期闽 模块继续工 作 僵其输出应无效 不对这些字节遴行随规纯 因此p r b s 序列的屑期为1 0 5 3 b 隧3 2s c r a m b l i n g 实现原理 具体实现对s c r a m b l e r 由瑟个模块缀成 f r a m e 和r a n d o m i z e r 完 成同步提取 码头翻转等功能 模块负责都 p 输a r a 入l l e 码l 流f r 的a m 加e r a n d o m i z e rp a r a l l e l扰 3 2 2r s 编码 r s 是 r e e d s o l o m o n 的缩写 r s 码是一种线性分组循环码 相比较箕健 数字电视标准 如d v b a t s c 系统实施了更强有力的r s 2 0 7 1 8 7 t 1 0 编码 它能够纠正 o 个字节的误码 并且采用更长的s 2 个r s 块交织器 以便 平缓脉冲予撬积嚣频道鲍n t s c 她美模拟地面趣褫标准 予扰 r s 编码实施 的差别对于a t s c 系统将得出约0 5 d b 的c n 性能方面的优势 天津大学硕士学位论文 r s 码性能优良 同时由于近年来v l s i 技术发展 使原来非常复杂 难以 实现的解码电路集成化 虱气三笋 图3 3r se a a c o d e r 实现 a t s c 系统采用 2 0 7 1 8 7 1 0 r s 编码系统 在能量扩散随机化处理后 采用t 1 0 的截短的r s 码编码加到每一个m p e g 2 包上 这样 每个包中l o 个 错误字节可被绷正 d a t ai n d a t ao u t 分别是r s 编码器的数据输入端和输出端 编码后的码长1 1 2 0 7 字节 信患数据长度k 1 8 7 字节 校验数据长度r 2 0 字 节 m 1 0 s t a r t 用来标示数据块的同步字节 c l k r e s e t e n a b l e 分别 是系统时钟 复位信号和输出使能信号 s i g n 用来标示输出端是信息数据还是校 验数据 根据r s 编码覆瑗 在送入第2 0 7 个数据舞就必须箨止输入 直到校验数 据全部输出为止 因此电路实现中必须引入计数器 r sc a l1 8 8 是计数器的输 出信号 它的作用是控制与门和选择器 编码输入的是1 0 b i t 数据 编码采用的生 成多项式是 g x 并 五 x 旯1 工 五