STV0299B在卫星数字电视接收机中的应用.docx

中国有线电视2003 (13)CHINA CABL E TEL EV ISION卫星电视STV0299 B 在卫星数字电视接收机中的应用贺玉才 (北京邮电大学 ,北京 100876)摘 要 :QPSK 基带信号处理芯片 STV0299B 是集解调与解码功能于一体的高度集成芯片 ,是数字卫星 接收机前端信号处理部分的重要设备 ,被广泛应用于各种高频头电路中 。描述了 STV0299B 在数字卫 星电视接收机中的应用 ,介绍了其内部结构及内部主要功能部分的结构特点及其工作原理 。关键词 :QPSK;反旋器 ;时钟恢复 ; R - S 解码 ;Viterbi 译码中图分类号 : TN94313 文献标识码 :B 文章编号 :1007 - 7022 (2003) 13 - 0077 - 04The Application of STV0299 B in Satell ite Digital TV ReceiverHE Yu - cai(Beijing University of posts and telecommunications ,Beijing 100876 ,China)Abstract :The STV0299B is a highly integrated QPSK baseband signal chip with the function integration of decoding and demodulation. It is the key chip for digital satellite TV receiver ,and widely used in all kinds of signal process f ront end in digital satellite TV receiver. Described its application in digital satellite TV receiver ,and also introduced its inner st ructure and the function and theory of major module.Key words :quadriphase shift keying ( QPSK) ; derotator ; timing recovery ; reed - solomon decoding ; viterbi decoding1前言QPSK 四相移频键控是一种恒包络数字调制 ,受 调载波相位有 4 种不同的输出值 ,对应于不同输出相 位要求有 4 种不同的输入条件 ,因此二进制输入数据 必须以 2 bit 为一组输入 ,因而有 4 种可能的取值 :00 , 01 ,10 ,11 。每输入一组 bit ,输出相位就产生一次相位 变化 ,输出变换的速率是输入比特的一半 。QPSK 作 为数字卫星信道的调制方式 ,是卫星数字电视传输中 对卫星功率 、传输效率 、抗干扰性以及天线尺寸等多种 因素综合考虑的最佳选择 。由意法半导体公司生产的 QPSK 基带处理芯片STV0299B 兼容于 DVB - S 及 DSS 数字卫星广播规范 ,主要用作数字卫星电视接收机的 MPEG - 2 传输 流前端部分的信道解调及解码电路 ,由于其高度的集 成性及较低的设计成本等特性 ,被广泛应用于各种数 字卫星电视接收机中 。2STV0299B 在数字卫星电视接收机中的应用数字卫星电视接收机由调谐 、信道解调 、信道解 码 、M PEG - 2 解码器 、音频 DAC 和视频编码器 5 部分 组成 ,其中 STV0299B 负责信号前端接收部分的信道 解调及信道译码 。如图 1 所示 。3 芯片内部结构STV0299B 是 STV0199B 的改进型产品 ,在其内 部集成了双 6 bit 的模数转换器 , I2 C 总线控制接口 ,作者简介 :贺玉才 (1972 -) ,男 ,北京邮电大学硕士研究生 ,主要研究方向为数字电视 。贺玉才 : STV0299B 在卫星数字电视接收系统中的应用中国有线电视2003 年第 13 期图 1数字卫星接收机系统框图两路数字 A GC、卷积去交织 、平方根奈奎斯特匹配滤 波器 、载波锁定及跟踪回路 、载波/ 时钟恢复回路 、维 特比译码 、R/ S 译码等电路 。STV0299B 具有高达 90 Mbps 或 50 Mbaud (符号率) 采样速率 ,载波回路跟踪 范围可达 45 MHz ,该芯片还具有较好的邻频道抑 制 ,串并行选择输出等特性 ,可以以较低的成本同单片 零中频直接变换调谐器组成卫星接收前端 。如图 2 所 示 。3. 1 I2 C 总线接口对 STV0299B 寄存器的访问使用标准的 I2 C 总线 协议 , 其 写 首 地 址 为 0XD0 , 读 首 地 址 为 0XD1 , 对STV0299B 寄存器的每一次读写操作 ,其寄存器地址 自动加 1 ,STV0299B 的写操作流程如图 3 所示 。STV0299B 读操作流程相对复杂一些 ,包括读写 两个过程 ,首先是一个写操作过程 ,设置要读的寄存器 地址 ,然后再执行读操作 ,STV0299B 的读操作流程如 图 4 所示 。STV0299B 总线还包括一个 I2 C 总线转发器 ,在 低的符号率应用环境中 ,由 I2 C 总线 SDA/ SCL 所产生 的信号干扰可能会严重恶化调谐器的相位噪声 ,为了 避免这种情况发生 , STV0299B 提供一个 I2 C 总线转 发器信号线 SDA T/ SCL T , SDA T/ SCL T 只在必需的 时候才工作 , 一旦调谐器频率稳定后便被屏蔽 。I2 C 总线转发器由一个 I2 CT 寄存器控制 ,当该寄存器被 置位为 1 时 , 则发送到 SDA/ SCL 的消息被转发到 SDA T/ SCL T 引脚上 ,直到检测到一个 I2 C 停止信号 。 此时 SDA T/ SCL T 引脚复位到高电平状态 。3. 2A GC 控制STV0299B 包括两级 A GC 控制 : 主 A GC 和信号A GC。主 A GC 控制 A/ D 转换前 I/ Q 输入信号的强度 。图 2STV0299B 原理框图78中国有线电视2003 年第 13 期贺玉才 : STV0299B 在卫星数字电视接收系统中的应用通过将 I/ Q 输入系数同一个可编程的门限值 m1 (通常 为 20) 相比较 ,它们之间的差被累积后转换成脉冲密 度调制信号来驱动 A GC 输出 ,A GC 输出通过一个简 单的滤波器滤波后被用来作为 STV0299B I/ Q 输入信 号的增益控制 ,A GC 积分器寄存器的值反映了输入信 号的有效带宽范围内的信号强度 ,设计人员可以通过 读取该寄存器的值 (该寄存器地址为 0X16 ,其值为一 个带符号的整数 ,范围为 - 128127) 与一个 A GC 信 号强度查询表 (见表 1) 的对比来检测输入的卫星电视 信号的强度 。工程技术人员正是通过该信号强度判断 接收天线是否对准所要接收的卫星 。表 1AGC 信号强度查询表寄存器值127115998370605447分贝值 (单位 dBm)0- 20- 25- 30- 35- 40- 45- 50寄存器值40279- 20- 64- 116- 128分贝值 (单位 dBm)- 55- 60- 65- 70- 75- 80- 81图 4读操作流程图3. 3时钟恢复环路 时钟恢复环路是数字卫星电视节目 QPSK 调制信号的符号率自动捕获跟踪恢复环路 , STV0299B 有 一个比较宽的捕获范围 ,开发人员通过 I2 C 总线将要 调谐 节 目 的 符 号 率 设 置 到 环 路 的 符 号 率 寄 存 器 (0X1 F ,0X20 ,0X21) 中 ,通常情况下 ,能够很快地捕获 并锁定 ,其锁定时间约为 30 k 个符号传输时间 ,当环 路锁定并进入跟踪状态后 ,实际的符号率同设定的符 号率差值可通过读取环路的时钟频率寄存器 (0X1A) 获得 。通常 ,为了保证一个对称的捕捉范围 ,此值应尽 可能地接近为 0 ,因此可以通过该值对信号时钟频率 进行微调 。时钟恢复环路还包括一个时钟锁定寄存 器 ,开发人员可以通过该寄存器值来判定时钟环路是 否已经锁定 。该寄存器所反映的值的大小同 QPSK 信号锁定 状态时的信号噪声比 C/ N 有关 ,当该寄存器的值大 于 48 时 ,可以认为时钟恢复环路已经进入锁定状态 , 系统接收到一个 C/ N 较好的信号 ; 当其值为 4248 时 ,表明检测到一个低 C/ N 的 QPSK 信号 ,在这种情 况下 ,可以通过调整符号率使之与原来设定的值偏移 1 % ;如果调整后所检测到的寄存器值小于 42 ,则可以 认为先前情况下始终环路已锁定 ,否则认为没有锁定 。 3. 4载波恢复环路载波恢复环路是信号载波频率的自动捕获及跟踪 环路 ,其跟踪范围可达 1/ 2 系统时钟频率 (采样频率) , 捕获频率也可达几 MHz ,通常在初始化设定好时钟频 率后 ,在几 MHz 频率偏差范围内不需要重新设定 ,调 谐器时钟即可锁定恢复到原始信号频率 。载波恢复环79贺玉才 : STV0299B 在卫星数字电视接收系统中的应用中国有线电视2003 年第 13 期路具有一个载波频率偏移检测器和两个相位检测器 , 在频率捕获阶段 ,载波频率偏移检测器开始工作 ,环路 中心频率根据载波偏移通过一个频率偏移补偿电路 (derotator 反旋器) 按比例调整 ,其比例系数可通过寄 存器设置 。载波恢复环路还具有载波锁定检测器 ,当 载波环路快要进入锁定状态时 ,频率检测器自动停止 , 相位检测器便开始工作 ,相位检测器能保证载波相位 的锁定 ,一旦载波锁定检测器检测到相位锁定 ,便置位 载波锁定标志 ,开发人员通过读该标志来判定载波是 否锁定 。315 信号噪声指示器噪声指示器的值反映了 QPSK 输入信号质量的 好坏 ,信号质量的好坏是由接收天线的极化方式与被 接收的电磁波极化形式的匹配程度决定的 ,通常当接 收天线的极化方式同被接收的电磁波极化形式一致 , 其噪声指示值越小 ,信号质量越好 ,因此噪声指示器值 (在接收机上通常用信号质量来表示) 可以作为天线极 化角调节的参考 ,调节时应尽量使噪声指示器值达到 最小 ,以获得最佳质量的信号 。STV0299B 中表示信号噪声指示器的寄存器为 0X24 ,0X25 ,两个寄存器组合为一个无符号的 16 位整 数 ,根据该寄存器的值与一个信号质量查询表 ( 见表 2) 的对比来得到信号的质量 。表 2信号质量查询表寄存器值65 5359 6009 4509 2609 0008 7608 5208 250信号质量019222528313437寄存器值7 9707 6907 3607 0806 7706 4706 2005 900信号质量4043464952555861寄存器值5 6705 4205 1904 9604 7404 5504 3604 170信号质量6467707376798285寄存器值4 0103 8603 7103 5803 4400信号质量889194971003. 6 Viterbi 译码STV0299B 信道解码采用 Viterbi 译码 ( 内层解 码 ,约束长度 k = 7) 和 R - S 译码 (外层外码 ,交织深度 为 12) 两级级联 ,Viterbi 译码器计算出 4 种可能路径 中的每个符号 ,它们是以接收到的 I ,Q 输入信号的欧 基里德距离的平方值为度量的 ,在误差率的基础上测 定出收缩率 ( Puncture Rate ) 和相位 ,DVB - S 有 1/ 2 , 2/ 3 ,3/ 4 ,5/ 6 ,7/ 8 五种码率 , Viterbi 译码器能够自动 识别内码编码率 ,当选择自动识别码率时 ,对于每一个 可能的编码率 ,将其当前的误差率与一个可编程的阈 值相比较 ,若误差较大 ,则尝试其他的编码率和相位 ,80直到获得最小的误差为止 , 并锁定于此工作状态 。 Viterbi 译码器也可以根据已知的编码率进行设定 ,这 样可以缩短信号的同步时间 。Viterbi 译码器锁定状 态可通过读寄存器 VSTA TUS (0X1B) 得到 ,它能够在 输入误码率为 10 - 110 - 2的情况下正常工作 (具体误 码率取决于编码码率) ,并且保证解码后的误码率达到 2 10 - 4或更好的水平 。3. 7同步检测 同步检测由同步解码器从信号中提取 MPEG - 2的包同步头 ,为后面的卷积反交织提供同步信息 ,由于 在信号调制阶段同步头信息没有被加扰 ,因而同步解 码器很容易检测出同步头信息 ,如果在规定的时间内 发现指定个数的连续同步信息 ,指示同步锁定 ,用户可 查状态寄存器 VSTA TUS (0X1B) 来判断信号是否处 于同步状态 。3. 8R - S 解码该模块对 188 ,204 ,8 的 R - S 进行解码 ,以纠正 传输中出现的误码 ,由于 R - S 解码对连续突发性错 误的纠正能力较差 ,因而在再编码器中先对数据进行 交织 ,在接收端通过一个解交织器解交织 ,这样即使在 传输过程中发生