数字有线电视前端调制器的设计与实现

1、数字电视从 20世纪 90年代出现以来 , 在世 界范围内掀起了一场前所未有的信息产业革命 , 它与电信 、 电脑共同构成了信息高速公路 , 是信 息产业发展的必然趋势 1。 未来几年是模拟电视 向数字电视过渡的时期 , 有线电视的数字化将获 得极大的发展良机 。 而 HFC 网络前端调制器是进 行数据广播 , 包括数字电视等业务所不可缺少的 中心端设备 , 它的性能的好坏 、 升级能力的强弱 、 兼容性的优劣直接影响到整个网络的运营状态 。目前 , 各国在数字传输系统方案上存在分 歧 , 主要有两大流派 , 以美国 GA 系统和 欧洲DVB 系统为代表 , 这两种系统在技术上难分优劣 , 已

2、发展成为各自国家或地区的数字电视及HDTV 的标准 。 目前 , 尽管我国最终的数字有线电视的标准依旧没有出台 , 但各地广电部门已纷 纷采用欧洲标准 (DVB-C 作为有线传输标准 , 欧 洲标准 DVB-C 正式作为过渡标准在我国使用已 基本得到认同 。 所以 , 本文中前端调制器的设计数字有线电视前端调制器的设计与实现赵敏笑 1, 2, 赵云 1, 陈文正 2(1. 金华职业技术学院 , 浙江 金华 321017; 2. 浙江大学信息与电子工程系 , 杭州 310027摘 要 :前端调制器是 HFC 网络实现数据传输的关键设备 。 本文从 DVB-C 标准入手 , 给出了前端调制器组成框

3、图 , 对数据接口 、 QAM 调制 、 射频上变频器等主要组成模块进行了分析与讨论 , 给出了设计方 案 。 最后 , 给出调制器的中频和射频输出信号的实测结果 。 关键词 :DVB-C ; 前端调制器 ; QAM 调制 ; 射频上变频器 ; 性能测试 中图分类号 :TN915.11文献标识码 :A文章编号 :1001-7119(200702-0258-04Design and Realization of Head-end Modulator for Digital Cable TelevisionZHAO Min-xiao 1,2, ZHAO Yun 2, CHEN Wen-zheng

4、1(1. Jinhua College of Profession and Technology , Jinhua 321017, China ;2. Department of Information and Electronic Engineering , Zhejiang University , Hangzhou 310028, China Abstract:The Head-end modulator is the key equipment for data transmission applied in HFC network. At first, this pa-per int

5、roduces DVB-C standard. With the understand of this, we put forward the conceptual block diagram of head-end modulator. The main modules of the modulator are analyzed and discussion. These modules include the data interface, QAM modulation and RF up-converter. At last, this paper presents the measur

6、ing results of medium frequency &RF sig-nals for modulator.Key words:DVB-C; head-end modulator; QAM modulation; RF up-converter; performance test收稿日期 :2005-09-05基金项目 :金华职业技术学院校基金作者简介 :赵敏笑 (1974- , 女 , 浙江东阳人 , 讲师 , 主要从事电子技术研究 。第 23卷 第 2期2007年 3月科 技 通 报BULLETIN OF SCIENCE AND TECHNOLOGY第 2期 采用 DVB

7、-C 标准 。 1DVB-C 标准DVB-C 是由欧洲 ETSI 提出的电缆数字视频 广播系统标准 , 运用 MPEG-2标准 , 并采用多电 平正交幅度调制 (MQAM 技术 , 实现全数字化传 输 。 由于它采用 RS 纠错码和数字滤波技术 , 因而具有抗干扰能力强 、 图像质量好 、 能够实现无 差错接收 、 对邻近频道干扰小的特点 。DVB-C 标准针对的是有线电视系统 , 它规定 基带数字电视信号到 CATV 信道之间的适配方法 , 即信道编码及调制方法 , 它输入的数字信号 可以是卫星接收到的节目 、 分配链路传来的节目 或本地节目 , DVB-C 前端系统需对这些信号进行 处理

8、。 系统结构如图 1所示 2, 3。符合 MPEG-2的 TS 流经过基带物理接口进 入 QAM 调制系统 。 数据流首先经过生成多项式 为 X 15+X 14+1的 PRBS 模 块 实 现 扰 码 和 能 量 扩 散 , 以方便接收端的码字节同步 ; 随后进行纠错 能力为 8的 RS 编 码 , 由 188个 有 效 数 据 形 成204个字节为一帧 (16个校验字 的结构 ; 为克服信道中可能产生的突发错误 , 本系统引入卷积交 织模块 , 能消除小于 204/17=12个的突发错误 ; 字节到符号转换完成 m=4,5,6,7,8比特符号的转换 , 分别对应 16,32,64,128,2

9、56QAM 模式 ; 差分编 码及 QAM 映射完成 m 比特到星座图的转换 , 实 现 I/Q 正交和最大码距 ; 基带成形滤波使信号带 宽接近最小奈奎斯特带宽 , 并消除由于滤波器或 码元定时不理想造成的码间串扰 ; 最后对 I 、 Q 路 信号进行 QAM 调制 。2前端调制器设计根据 DVB-C 标准 , 前端制调制器组成框图如图 2所示 。从图 2可以看到 , 前端调制器系统由数据接 口 (包括 DVB 接口 、 码速调整 、 信道编码 (包括 数据扰乱 、 纠错编码 、 卷积交织 、 QAM 调制和射 频上变频器等部分组成 , 其中信道编码可以采用 专用的芯片完成 , 不再赘述 。

10、 下面介绍其它组成 部分的设计 。2.1数据接口进入 DVB-C 前端系统的数字信号可以是卫 星接收到的节目 、 分配链路传来的节目或本地节 目 , 这些符合 MPEG II 格式的 TS 流应通过数据 口进入调制系统 , 这里 , 我们采用 SPI 接口 。 SPI 接口是并行同步接口的简称 , 它采用变比特速率 的并行传输模式 , 数据传输与 MPEG II 的 TS 流 的字节同步时钟相同步 。同 时 , MPEG II 的 TS 数 据 流 通 常 是 由 188个字节组成的包为单位进行传送的 , 而在 DVB-C 系统中信道编 码采用 RS (204, 188 编码方 法进 行 ,

11、输出流以 204个字节为一个包 , 其中后 16个 字节为纠错监督位 。 所以需要对输入的 TS 流进 行码速调整 , 其调整后的速率为输入速率的 204/188倍 。 由于输入流中含有包长为 188字节的字 节时钟信号 , 所以可以采用锁相环 (PLL 得到所 需的时钟 , 其原理如图 3所示 。数字有线电视前端调制器的设计与实现259科 技 通 报 第 23卷 图 3中 , 输入 、 输出信号的时钟关系应满足 以下等式BitCLK 204=204×8×ByteCLK 188(1有了所需的比特时钟 , 我们只要对被缓存下 来的输入数据以新的时钟读出 , 便可得到所需速 率

12、的输出流 。 需要注意的是 , 此处 BitCLK 204将作 为此后调制器的基准时钟 , 所以对 VCO 的性能 要求是比较高 , 要求所使用的 VCO 必须是低抖 动 、 大锁定范围的高性能压控振荡器 。2.2QAM 调制在 DVB-C 系 统 中 采 用 QAM 调 制 , QAM 调制是一种被进行了广泛研究的高效调制方式 , 在 各种通信系统中有着广泛应用 , 是数字微波中继 通信 、 卫星通信 、 有线电视网数字视频广播等的 主要调制方式 。 传统的 QAM 调制方法有正交调 幅法和四相迭加法 , 它们需要采用多路 D/A 变换 的模拟调制技术 , 往往存在正交载波误差大 、 IQ

13、信号幅度不平衡 、 信号谱畸变严重等问题 , 导致 码间干扰 (ISI 大 、相噪高 、 已调信号质量差 , 因此 很难得到高性能的调制信号 4。 为了解决这些问 题 , 本文采用全数字化实现 QAM 调制的方法 。全数字化调制指的是调制器中各主要模块均用数字信号处理技术实现 , 经数模转换后输出 中频已调信号 , 其原理框图如图 4所示 。 从图中 可以看出 , 输入接口为一路并行数据流和一路串行 比特时钟 。 输出接口为一路中频 (f IF =35.25MHz 已调信号 , 由一个控制单元控制各个模块的工作 状态和参数 。采 用 全 数 字 化 方 法 实 现 QAM 中 频 调 制 方案

14、 , 能 够 实 现 高 性 能 和 复 杂 信 号 的 调 制 , 如 256QAM 。其中 , 选取合适的星座图映射结果和成 形滤波器的设计对适应不同星座点数的 QAM 调 制很重要 , 而内插器 、 NCO 、 网孔均衡等模块的性 能好坏也对整个中频调制器性能有着较大的影 响 。2.3射频上变频器的设计QAM 调制后输出为 35.25MHz 的中频已调信号 , 要在 Cable 上传输 , 还必 须上变 频到 射频频道 。 射频变频器完成的功能比较简单 , 只需要 把一个 8MHz 带宽的 35.25MHz 中频信号谱搬 至几百兆 Hz 的一个射频 8MHz 信道内即可 。 但 在 DV

15、B 标准中并没有给出如何将数字基带信号 转换为射频输出的方案 。 本文根据设计要求 , 给 出一种频率捷变 、 双射频上变频器方案 , 其组成 框图如图 5所示 。图中有两个混频器 , 第一个混频器把信号上 变频至固定高中频 f IF2, 这样可以清除被置于变 频器的最高频率范围以外的寄生载波 , 该高中频 混频器的输出经带通滤波 、 射频放大后被送往第 二个混频器 。 由于 Cable 中有线电视频带为 65 865MHz , 所以第一个混频本振频率应在 1GHz 左右 。 由于要求输出频道捷变 ,所以第二个混频260 第 2期本振频率应该可以由微处理器来调节控制 , 使最终输出信号在我们所

16、要的频道中 。 第二个混频器 的射频输出接一下可变损耗衰减器以调整至所 需输出电平 , 其输出射频信号经过微处理器选择 的带通滤波器 , 输出我们所需的频谱 。 经采用适 当的带通滤波器我们可以将宽带噪声减至最低 , 在没有外部其它滤波的情况下 , 便可容许任意信 道组合 (射频信道混合 , 最后信号经低失真放大 后作分配 , 一路送给发射机而另一路作为测试用 信号 。对上述上变频器性能影响较大的模块是带 通滤波器 (BPF 、 两个数字频率合成器和两个混 频器 。 3系统性能测试前端调制器系统作为数字视频广播前端设 备 , 它与用户终端设备不同 , 对其的性能指标的 要求是相当高的 。 因此

17、 , 在完成系统设计的基础 上 , 我们对所完成的 DVB-C 前端调制器各指标 进行测试 , 在测试中 , 输入是以 188字节为一帧 的空信 号 , 信道 编码 为 RS (204, 188 , 调制 星座 点数 M=64, 符号速率 fs=6.875MS/s , 滚降系数 =0.15, 中频 f IF =35.25MHz , 射 频 频 道 中 心 频 率 f RF =403MHz 。 测试结果如图 6所示 。从图 6可以看出 , 中频输出谱已相当平整 , (下转第 265页 数字有线电视前端调制器的设计与实现 261第 2期 其倾斜不超过 0.8dB , 带外抑制在 40dB 以上 ,

18、 此 时 EVM 约 为 1.6%(RMS 。 经 射 频 上 变 频 至403MHz (见图 510 , 输出谱仍然相当平整 , 带 外干扰在 43dB 以下 , 能满足系统要求 。 此时 EVM 比中频时增加了 0.4%, 约为 2.0%(RMS 。从而可以验证该前端调制器的有效性和高性能 。 参考文献 :1马时平 , 毕笃彦 , 陈振华 . DVB-C QAM 调 制 器 的 实 现J. 中国有线电视 , 2002(02:32-33.23任雄伟 , 王宏远 . DVB-C 中实现正交幅度调制中频输 出的两种方法 J. 电视技术 , 2002(11:7-8.4赵民建 , 袁梦涛 , 李式巨 , 等 . 全数字多星座图 、 可变符 号率 QAM 调制器 J. 电路与系统学报 , 2001, 6(1:1-5.5荀颖 , 杨士中 , 黄天聪 . 一种高性能直接射频调制多 功能正交调制器的研制 J. 中国有线电视 , 2004, 21:62-66.(上接第 261页 0.8秒 , 稳态误差为 0.9%。5结 论本文分析了球杆系统的基本原理 , 建立了其PID 串级控制模型 , 并采用遗传算法对其参数进行了整定 。 仿真结果表明 , 遗传算法为球杆系统 的控制研究提供了一种很有意义的方法 。 参考文献 :1杨冬