摘要 摘要 本項目完成的是基于中國“數(shù)字電視地面廣播傳輸系統(tǒng)幀結構、信道編碼和 調制 國家標準的發(fā)射端系統(tǒng)f p g a 設計與實現(xiàn)。在本設計中，系統(tǒng)采用了s t r a t i x 系列的e p l s 8 0 f 1 0 2 0 c 5f p g a 為基礎構建的主硬件處理平臺。對于發(fā)射端系統(tǒng)， 數(shù)據(jù)處理部分的擾碼器( 隨機化) 、前向糾錯編碼( f e c ) 、符號星座映射、符號交 織、系統(tǒng)信息復用、頻域交織、幀體數(shù)據(jù)處理( o f d m 調制) 、同步p n 頭插入、 以及信號成形4 倍插值滾降濾波器( s i u ) 等各模塊都是基于f p g a 硬件設計實 現(xiàn)的。其中關鍵技術：t d s o f d m 技術及其和絕對時間同步的復幀結構、信號幀 的頭和幀體保護技術、低密度校驗糾錯碼( l d p c ) 等，體現(xiàn)了國標的自主創(chuàng)新特 點，為數(shù)字電視領域首次采用。其硬件實現(xiàn)，亦尚未有具體產(chǎn)品參考。 本文首先介紹了當今國內外數(shù)字電視的發(fā)展現(xiàn)狀，中國數(shù)字電視地面廣播傳 輸國家標準的頒布背景。并對國標系統(tǒng)技術原理框架，發(fā)端系統(tǒng)的整體結構以及 f p g a 設計的相關知識進行了簡要介紹。在此基礎上，第三章重點、詳細地介紹了 基于f p g a 實現(xiàn)的發(fā)射端系統(tǒng)各主要功能模塊的具體結構設計，論述了系統(tǒng)中各 功能模塊的f p g a 設計和實現(xiàn)，包括設計方案、算法和結構的選取、f p g a 實現(xiàn)、 仿真分析等。第四章介紹了對整個系統(tǒng)的級連調試過程中，對系統(tǒng)結構進行的優(yōu) 化調整，并對級連后的整個系統(tǒng)的性能進行了仿真、分析和驗證。作者在項目中 完成的工作主要有： 1 閱讀相關資料，了解并分析國標系統(tǒng)的技術結構和原理，分解其功能模塊。 2 制定了基于國標的發(fā)端系統(tǒng)f p g a 實現(xiàn)的框架及各模塊的接口定義。 3 調整和改進了3 7 8 0 點i f f to f d m 調制模塊及滾降濾波器模塊的f p g a 設 計并驗證。 4 完成了擾碼器、前向糾錯編碼、符號星座映射、符號交織、系統(tǒng)信息復用、 頻域交織、幀體數(shù)據(jù)處理、同步p n 頭插入、以及信號成形4 倍插值滾降濾波器等 功能模塊的f p g a 設計和驗證。 5 在系統(tǒng)級連調試中，利用各模塊數(shù)據(jù)結構特點，優(yōu)化系統(tǒng)模塊結構。 6 完成了整個發(fā)射端系統(tǒng)f p g a 部分的調試、分析和驗證。 關鍵詞：數(shù)字地面電視，f p g a ，前向糾錯編碼，i f f t a b s t r a c t a b s t r a c t t h ef p g a - b a s e dh a r d w a r ei m p l e m e n t a t i o no ft h et r a n s m i t t e ro fg b 2 0 6 0 0 2 0 0 6 “f r a m i n gs t r u c t u r e ，c h a n n e lc o d i n ga n dm o d u l a t i o nf o rd i g i t a lt e l e v i s i o nt e r r e s t r i a l b r o a d c a s t i n gs y s t e m ”h a sb e e nc o m p l e t e di n t h i sp r o j e c t 1 1 1 em a i nh a r d w a r e p l a t f o r m i sb a s e do nt h ea l t r a ss t a t i xs e r i e sf p g ac h i pe p ls 8 0 f 10 2 0 c 5 t h er e a l i z a t i o no ft h e e n e r g yd i s p e r s a l ，f e c c o d i n g ，c o n s t e l l a t i o nm a p p i n g , s y m b o li n t e r l e a v i n g ，3 7 8 0 - p o i n t i f f to f d m ，s y n c h r o - p ni n s e r t i o n ，s r r c f i rf i l t e r , e t ch a v e b e e ni m p l e m e n t e db a s e d o n f p g a 硼1 ed e v e l o p i n gs t a t u so fd i s t a lt e l e v i s i o n , w h i c hi sf o l l o w e db yt h 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 ro ft h eg b 2 0 6 0 0 2 0 0 6 ，i si n t r o d u c e df i r s t l yi nt h i s d i s s e r t a t i o n a n dt h e nt h er e l a t e dk n o w l e d g ea b o u tf p g ad e s i g ni sp r e s e n t e d t h e f p g ad e s i g no ft h em o d u l e so ft h et r a n s m i t t e ri sb e e ni m p o r t a n t l ye x p a t i a t e di nc h a p t e r 3 i nc h a p t e r4 ，t h ea m e l i o r a t i o no ft h es y s t e ms t r u c t u r ei sb e e ne x p a t i a t e df i r s t l y 1 1 1 e s i m u l a t i o n , a n a l y s i sa n dv a l i d a t i o no ft h ew h o l et r a n s m i t t e ro ft h eg b 2 0 6 0 0 - 2 0 0 6i s a l s ob e e ni m p o r t a n t l ye x p a t i a t e di nc h a p t e r4 飛a tih a v em a i n l yd o n ei nt h ep r o j e c ti s l i s t e da sf o l l o w s ： 1 r e a dp a p e r sa s s o c i a t e dw i t ht h ep r o j e c ta n dg e tf a m i l i a rw i t ht h eb a s i c p r i n c i p l e so ft h eg b 2 0 6 0 0 - 2 0 0 6 2 e s t a b l i s ht h ef p g ad e s i g ns t r u c t u r eo ft h ew h o l es y s t e ma n df i n i s ht h e i n t e r f a c ed e f i n i t i o no fe v e r ys u b m o d u l e 3 a m e l i o r a t et h ef p g ad e s i g n so ft h e3 7 8 0 一p o i n ti f f to f d mm o d u l ea n dt h e s r r c f i rf i l t e rm o d u l eo nf p g a 4 c o m p l e t et h ef p g ad e s i g n sa n dv e r i f i c a t i o nt h em o d u l e so ft h et r a n s m i t t e r s y s t e r mo ft h eg b 2 0 6 0 0 - 2 0 0 6 5 a m e l i o r a t et h es y s t e ms t r u c t u r eo ft h et r a n s m i t t e r 6 f i n i s ht 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 l i d a t i o no ft h ew h o l es y s t e mo f t h et r a n s m i t t e rb a s eo i lg b 2 0 6 0 0 2 0 0 6 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 y s t e m ，f p g a ，f e c ，i f f t 獨創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學位論文是本人在導師指導下進行的研究工 作及取得的研究成果。據(jù)我所知，除了文中特別加以標注和致謝的地 方外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含 為獲得電子科技大學或其它教育機構的學位或證書而使用過的材料。 與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均已在論文中作了明 確的說明并表示謝意。 簽名： 絲選 日期：2 9 ，綽廠月2 日 關于論文使用授權的說明 本學位論文作者完全了解電子科技大學有關保留、使用學位論文 的規(guī)定，有權保留并向國家有關部門或機構送交論文的復印件和磁 盤，允許論文被查閱和借閱。本人授權電子科技大學可以將學位論文 的全部或部分內容編入有關數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、縮印或 掃描等復制手段保存、匯編學位論文。 ( 保密的學位論文在解密后應遵守此規(guī)定) 簽名：遂迭導師簽名：名絲魚 日期：z - 0 6 1 年廠月2 e l 第一章引言 第一章 引言 在經(jīng)歷了機械電視時代、黑白電子電視和彩色電視時代以后，電視向著數(shù)字 化和高清晰度向前邁進，模擬電視在全世界范圍內正在逐步引退。數(shù)字電視相對 模擬電視在節(jié)目制作、節(jié)目存儲、信號處理、傳輸以及播出都發(fā)生了革命性變化。 其采用數(shù)字技術將活動圖像和聲音等信號加以處理、壓縮、編碼、經(jīng)存儲或實時 廣播后，供用戶接收。與傳統(tǒng)的模擬電視相比，數(shù)字電視在圖像和聲音質量兩方 面都有重大改進。其根據(jù)清晰度可分為：標準清晰度數(shù)字電視( s d t v ：s t a n d a r d d e f i n i t i o nt e l e v i s i o n ) 和高清晰度數(shù)字電視( h d t v h i 西d e f i n i t i o nt e l e v i s i o n ) ， 碼率分別約為4 4 m b p s 和2 0 m b p s 左右。 經(jīng)過多年堅持不懈的研究和發(fā)展，數(shù)字電視地面廣播( d t t b ：d i g i t a lt e l e v i s i o n t e r r e s t r i a lb r o a d c a s t i n g ) 取得了很多的成果，在中國地面數(shù)字電視標準頒布之前， 世界上已經(jīng)提出了三個地面數(shù)字電視標準：歐洲的d v b t 、美國的a t s c 和日本的 i s d b t ，且都達到實用階段。經(jīng)過數(shù)年的研究和探討，2 0 0 6 年8 月3 0 日，國家標準 化管理委員會發(fā)布公告，中國數(shù)字電視地面廣播傳輸系統(tǒng)標準一g b 2 0 6 0 0 2 0 0 6 數(shù) 字電視地面廣播傳輸系統(tǒng)幀結構、信道編碼和調制n 1 ( 下稱國標) ，于2 0 0 6 年8 月1 8 日正式批準成為強制性國家標準，2 0 0 7 年8 月1 日起實施。 1 1 數(shù)字電視的優(yōu)勢和特點 數(shù)字電視的優(yōu)勢和特點主要表現(xiàn)在5 個方面： ( 1 ) 視頻清晰度高、音頻效果好。由于數(shù)字電視全過程采用數(shù)字信號，不受 節(jié)目編輯、傳輸、轉播和接收的影響。s d t v 數(shù)字電視節(jié)目可以達到d v d 質量，在 觀看h d t v 節(jié)目時清晰度是目前電視的4 倍以上，女n 3 5 m m 電影般清晰。 ( 2 ) 頻帶利用率高。原p a l 頻道可播放4 至1 j 8 套標清數(shù)字電視。 ( 3 ) 抗干擾性能好。解決了模擬電視中的閃爍、重影、亮色互串等問題；可 以實現(xiàn)城市樓群的高質量接收，移動載體中也可接收到清晰的數(shù)字電視節(jié)目。 ( 4 ) 便于開展各種綜合業(yè)務和交互業(yè)務( 包括因特網(wǎng)業(yè)務) ，有利于構建“三 網(wǎng)合一 的信息基礎設施。 電子科技大學碩! j 二學位論文 ( 5 ) 節(jié)目的加密處理等應用。 1 2 地面數(shù)字電視廣播的基本需求 對于數(shù)字電視地面廣播來講，首先要求數(shù)字電視有足夠好的接收性能，在室 內采用簡單、小型和低增益天線實現(xiàn)穩(wěn)定接收。甚至在較強靜態(tài)和動態(tài)多徑的環(huán) 境中，系統(tǒng)仍能夠穩(wěn)定工作。其次，考慮到數(shù)字電視日后發(fā)展的廣闊空間和業(yè)務 應用的多樣性及傳輸容量需求的不斷增長，要有足夠高的傳輸碼率，以便在單個 6 8 m h z 信道中提供高質量高清晰節(jié)目( 大約2 0 m b p s ) 。還要有利于頻率規(guī)劃， 使用現(xiàn)有分配的電視頻道來傳輸d t v 節(jié)目，實現(xiàn)和模擬電視節(jié)目的同播；當沒有 額外的頻道分配時可使用禁用( t a b o o ) 頻道( 由于干擾過大，不能用于模擬電 視的頻道) ，并具有和現(xiàn)有模擬電視臺相當?shù)母采w范圍。 其它的要求包括：需要先進的信道編碼和信道估計方案，以便降低系統(tǒng)c n 門 限，以此降低發(fā)射功率，并減少了對現(xiàn)有模擬電視節(jié)目的干擾，抵抗各種干拋失 真。高度靈活的操作模式，通過選擇不同的調制方案，系統(tǒng)能夠支持固定、便攜、 步行、手持或移動接收。易于和其它媒介或服務器的接口，支持多節(jié)目業(yè)務，能 夠通過分級調制得到分級服務，具有交互性。高度靈活的頻率規(guī)劃和覆蓋區(qū)域， 能夠使用單頻網(wǎng)和同頻道覆蓋擴展縫隙填充。而且系統(tǒng)應允許多種成本價格的接 收機實現(xiàn)，包括低成本實現(xiàn)等等。 1 3 國外地面數(shù)字電視傳輸?shù)默F(xiàn)狀 經(jīng)過1 0 年的深入研究，歐洲、美國和日本相繼制定出地面數(shù)字電視傳輸標準 d v b t 、a t s c 和i s d b t 。3 種傳輸標準使用相類似的信源編碼方案和不同的信 道編碼調制方案，其傳輸參數(shù)比較如表1 1 所示【2 1 。 2 第一章引言 表1 - 1 美國、歐洲、日本地面廣播傳輸參數(shù)比較 美國的a t s c 標準歐洲的d v b - t 標準 日本的i s d b t 標準 傳輸方案 8 v s b 傳輸方案o f d m 傳輸方案分段o f d m 傳輸 載波數(shù)單載波 2 k 、8 k2 k 、4 k 、8 k 視頻壓縮 m p e g 2 音頻壓縮d o l b ya c 3 m p e g 一2 層i i 刪s i c a mm p e g 一2 層ia a c 音頻編碼音頻編碼音頻編碼 復用方式 m p e g 2 信道外碼 r s 碼( 2 0 7 ，1 8 7 , t = 1 0 )r s 碼( 2 0 4 ，18 8 ，t ：= 8 )r s 碼( 2 0 4 ，18 8 ，t = 8 ) 信道內碼 網(wǎng)格編碼( t c m ) ( 碼率2 3 ) 卷積編碼( 碼率：1 2 ，2 3 ，3 4 ，5 6 ，7 8 ) 調制技術 8 v s b q p s k 16 q a m 6 4 q a m 總碼率 1 9 2 8m b p s4 9 8 31 6 7 m b p s3 6 8 - - 。2 3 4 2m b p s 接收門限 c 倫眨1 5 d bc 斛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，可以說，日本使用的是修 改的歐洲方案。目前，d v b 成員已經(jīng)達到2 6 5 個( 來自3 5 個國家和地區(qū)) 。a t s c 成員3 0 個，其中美國成員2 0 個，來自阿根廷、法國、韓國等7 個國家的成員1 0 個。i s d b t 籌劃指導委員會委員1 7 個，其他成員2 3 個，都是日本的電子公司和 廣播機構。由此可以看出，d v b 標準發(fā)展最快，普及范圍最廣。 從表中我們可以看到三套系統(tǒng)的一些區(qū)別和聯(lián)系。a t s c 、d v b - t 、i s d b - t 標準的頻道寬度均為6 , - - 一8 m h z ，每個頻道都可以設置一個固定接收h d t v ( 高清晰 度電視) 或4 - - 5 個s d t v ( 標準清晰度電視) ，數(shù)字電視頻道的寬度和原有模擬電視 頻道相同，處在轉換期的同播狀況，均采用“放棄信源兼容，堅持信道兼容的政 策”。a t s c 在6 m h z 內可穩(wěn)定地傳輸一套h d t v 電視。d v b t 由于保護間隔的 插入，從而減少了頻譜的利用率，在6 m h z 內較難穩(wěn)定地接收一套h d t v 電視， 必須加大帶寬才能穩(wěn)定地接收。目前d v b t 首先采用的是s d t v 電視。 a t s c 采用網(wǎng)格編碼調制，理論和實測都表明，接收門限( c n ) 達1 5 d b ， 提高了電視發(fā)射機覆蓋范圍。d v b - t 和i s d b - t 接收門限( c n ) 大約在1 9 d b 左 右。從接收場強看，a t s c 要優(yōu)于d v b t 和i s d b t3 - 4 d b 左右。模擬接收的門 限一般為4 0 d b 左右，可見，數(shù)字接收大大提高了廣播的覆蓋范圍。 3 電子科技人學碩 ：學位論文 a t s c 不支持移動接收，而d v b t 和i s d b t 都支持移動接收。為增強移動 接收能力，d v b 的工作小組從2 0 0 2 年前后開始研究d v b h ，2 0 0 4 年1 月確定了 該規(guī)格的基本框架。d v b h 是d v b t 的擴展，它的主要應用是在手機、掌上 電腦等手持移動終端上看電視。相對于d v b t 、d v b h 標準主要增加了以下 內容： ( 1 ) 、引入時間切片( t i m es l i c i n g ) 技術，發(fā)送數(shù)據(jù)仍然是連續(xù)的，接 收機可以選擇接收部分s l i c i n g 而省電。 ( 2 ) 、蜂窩間握手準備。通過對相鄰蜂窩監(jiān)控，將傳輸流的切換時 間放在接收機的關閉時間，蜂窩轉換的握手可以保證服務不中斷。 ( 3 ) 、在d v b t 的2 k 和8 k 傳輸模式之外加入4 k 傳輸模式，增加組網(wǎng)靈活 性。 1 4 國內地面數(shù)字電視傳輸?shù)陌l(fā)展概況 2 0 0 1 年我國正式在全國范圍內廣泛征集地面數(shù)字電視傳輸標準，收到了清華 大學、廣播科學研究院、h d t v 功能樣機系統(tǒng)研究開發(fā)項目總體組和電子科技大 學4 家單位提交的5 套技術方案。其中，清華的d m b t ( 地面數(shù)字多媒體電視廣播 傳輸協(xié)議) 方案采用時域同步正交頻分復用( t d s o f d m ) 技術，在信道編碼方面 采用了t u r b o 糾錯編碼，在時域中插入p n 序列作為同步信號。d m b t 由于使 用了時域信道估算技術，所以它的同步時間比d v b t 快很多，d v b t 的同步時間 為1 0 0 毫秒左右，而清華的d m b t 可以做到5 毫秒以內。d m b t 是一種多載波 方案，共有3 7 8 0 個子載波。上海交大的a d t b - t 標準( 高級數(shù)字電視廣播系統(tǒng)) 是 一種“單載波”方案，采用t p c 信道編碼技術【3 】。最終，在此基礎上打破了單、多 載波兩種體制的原有方案的組成模塊進行融合優(yōu)化，形成了滿足廣電應用要求的 數(shù)字電視地面廣播傳輸融合方案。 在經(jīng)歷多次的實驗室測試、場地測試后，相關管理部門于2 0 0 6 年8 月1 8 日 頒布了g b 2 0 6 0 0 2 0 0 6 數(shù)字電視地面廣播傳輸系統(tǒng)幀結構、信道編碼和調制國 家強制標準。國標的主要關鍵技術有：t d s o f d m 技術及其和絕對時間同步的復 幀結構、信號幀的頭和幀體保護技術、低密度校驗糾錯碼( l d p c ) 等，它們體現(xiàn) 自主創(chuàng)新特點，并能提高系統(tǒng)性能。國標支持4 8 1 3 3 2 4 8 6m b i t s 的系統(tǒng)凈荷傳 輸數(shù)據(jù)率，支持標準清晰度電視業(yè)務和高清晰度電視業(yè)務，支持固定接收和移動 4 第一章引言 接收，支持多頻組網(wǎng)和單頻組網(wǎng)n 1 。這一國家標準的頒布標志著中國地面數(shù)字電視 廣播的正式啟動。 1 5 項目背景與意義 隨著中國數(shù)字電視地面廣播傳輸系統(tǒng)標準一g b 2 0 6 0 0 2 0 0 6 ( ( 數(shù)字電視地面廣播 傳輸系統(tǒng)幀結構、信道編碼和調制的正式發(fā)布，廣電總局規(guī)劃將在2 0 1 5 年停止 模擬信號的傳輸，全面實現(xiàn)廣播電視數(shù)字化。在數(shù)字電視產(chǎn)業(yè)化的必然趨勢中， 模擬時代的終結和數(shù)字時代的興起，蘊涵著億萬級別的市場前景。 地面廣播電視接受系統(tǒng)作為數(shù)字電視體系中不可或缺的組成部分，其市場前 景伴隨廣播電視數(shù)字時代的到來，炙手可熱。本次發(fā)布采用國標的主要關鍵技術 有：t d s o f d m 技術及其和絕對時間同步的復幀結構、信號幀的頭和幀體保護技 術、低密度校驗糾錯碼( l d p c ) 等，體現(xiàn)了自主創(chuàng)新特點。這些創(chuàng)新技術的采用意 味著，在該市場領域，各競爭者在技術上處于同一起跑線。截至本文完成時，僅 有國內的凌訊、上海高清兩家公司可以提供基于國標的數(shù)字電視接收芯片。 在整個電視廣播系統(tǒng)中，發(fā)射端作為重要組成部分，在實際應用中，其市場 需求量相對較少。針對a s i c 研發(fā)成本高、周期長、功能固化的缺陷，采用f p g a 方式實現(xiàn)更適合發(fā)射端的市場和技術特點。同時隨著整個數(shù)字電視產(chǎn)業(yè)的發(fā)展， f p g a 方式有利于對系統(tǒng)進一步升級、優(yōu)化。 發(fā)射端信道編碼和調制部分設計，是整個發(fā)射端系統(tǒng)的核心。本設計的完成， 同時將為接收端芯片的信道解調、解碼部分的設計實現(xiàn)，奠定堅實的理論、技術 基礎，也為接收端設計的實際測試提供了必須的保障。本項目針對國標，實現(xiàn)了 基于f p g a 傳輸系統(tǒng)的幀結構，信道編碼和調制功能，具有廣闊的市場前景，對 基于國標的發(fā)射、接受端的深入產(chǎn)品研發(fā)方面都具有重要的實際參考價值。 1 6 本文的結構和側重點 本文主要分為兩部分： 第一部分，即在本文的第二章節(jié)中，首先簡要介紹了中國數(shù)字電視地面廣播 傳輸系統(tǒng)標準一g b 2 0 6 0 0 2 0 0 6 數(shù)字電視地面廣播傳輸系統(tǒng)幀結構、信道編碼和 調制，包括了數(shù)字電視地面廣播傳輸發(fā)端系統(tǒng)的整體結構、基本原理和實現(xiàn)的技 電子科技人學碩士學位論文 術指標。之后介紹了本設計中，發(fā)端系統(tǒng)的總體實現(xiàn)方案及其實現(xiàn)的硬件處理平 厶 i = io 第二部分詳細介紹了中國數(shù)字電視地面廣播傳輸發(fā)端系統(tǒng)的f p g a 設計和實 現(xiàn)。在本文的第三章節(jié)中，重點論述了系統(tǒng)中各功能模塊的f p g a 設計和實現(xiàn)， 包括設計方案、算法和結構的選取、f p g a 實現(xiàn)、仿真分析等。之后的第四章節(jié)， 介紹了本設計在系統(tǒng)級的設計分析中，根據(jù)系統(tǒng)模塊數(shù)據(jù)結構特點對系統(tǒng)進行了 一定的結構優(yōu)化，進一步減少硬件資源消耗成本。 本文以第二部分為重點。 6 第二章數(shù)字電視地面廣播發(fā)端系統(tǒng)概述及實現(xiàn)方案 第二章數(shù)字電視地面廣播發(fā)端系統(tǒng)概述及實現(xiàn)方案 2 1中國數(shù)字電視地面廣播傳輸標準概述【1 】 國家標準定義了數(shù)字電視地面廣播傳輸系統(tǒng)發(fā)送端完成從輸入數(shù)據(jù)碼流到地 面電視信道傳輸信號的轉換。地面數(shù)字電視廣播系統(tǒng)發(fā)送端完成從m p e g t s 傳送 碼流到地面電視傳輸信道信號的轉換。輸入數(shù)據(jù)碼流經(jīng)過擾碼器( 隨機化) 、前 向糾錯編碼( f e c ) ，然后進行比特流到符號流的星座映射，再進行交織后形成基 本數(shù)據(jù)塊，基本數(shù)據(jù)塊與系統(tǒng)信息組合( 復用) 后并經(jīng)過幀體數(shù)據(jù)處理形成幀體， 幀體與相應的幀頭( p n 序列) 復接為信號幀( 組幀) ，經(jīng)過基帶后處理轉換為輸 出信號( 8 m h z 帶寬內) 。該信號經(jīng)變頻轉換為射頻信號( u h f 和v h f 頻段范圍 內) 。其中體現(xiàn)自主創(chuàng)新具有與國外數(shù)字電視地面?zhèn)鬏敇藴什煌攸c、并能提高 系統(tǒng)性能的主要關鍵技術有：利用特殊設計的p n 序列作為同步和信道估計的符號 保護間隔填充方法、t d s o f d m 技術及其和絕對時間同步的復幀結構、低密度校 驗糾錯碼( l d p c ) 、系統(tǒng)信息的擴譜傳輸方法等。本系統(tǒng)的發(fā)送端原理如圖2 - 1 所示。 - - - _ _ - _ - - - - - - - 一_ _ - - _ _ - _ _ _ - - - - - - - _ - _ _ _ - - li 幀頭卜 基 正 數(shù)據(jù)輸入：。f = 習n i 網(wǎng)幾亙蓮兩兩習 幀 組帶交 - i 竺! ! 蘭一絕塑一皇鑾終r復 體 后 上 數(shù) 幀 處 變 射 據(jù) 理 頻 l 至蘭竺呈卜 用 處 理 2 1 1 編碼和調制 圖2 - 1 發(fā)送端原理框圖 出 2 1 1 1 隨機化 為了保證傳輸數(shù)據(jù)的隨機性以便于傳輸信號處理，輸入的數(shù)據(jù)碼流數(shù)據(jù)需要 用擾碼進行加擾。擾碼是一個最大長度的二進制偽隨機序列。該最大長度二進制 偽隨機序列線性反饋移位寄存器( l f s r ) 生成。其生成多項式定義為： g例=n-x14+x巧(2-1) ，7 電子科技大學碩二1 學位論文 該l f s r 的初始狀態(tài)定義為1 0 0 1 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 。 輸入的比特碼流( 字節(jié)碼字從m s b 到l s b ) 與p n 序列進行逐位模_ - a n 后產(chǎn) 生數(shù)據(jù)擾亂碼。擾碼器的移位寄存器在信號幀開始時復位到初始狀態(tài)。 2 1 1 2 前向糾錯編碼 前向糾錯編碼( f e c ) 技術是國標相對于國外現(xiàn)有的3 個地面數(shù)字電視廣播 標準的主要區(qū)別之一，由外碼( b c h 碼) 和內碼( l d p c ) 級聯(lián)實現(xiàn)，采用了三 種不同的碼率以滿足各種服務需求，并且為了降低實現(xiàn)成本，三種不同碼率采用 的l d p c 碼具有相同的結構，達到了硬件實現(xiàn)的資源共享。 ( 1 ) 外碼外碼采用的b c h 碼為b c h ( 7 6 2 ，7 5 2 ) 碼，b c h ( 7 6 2 ，7 5 2 ) 碼是由 b c h ( 1 0 2 3 ，l o 3 ) 系統(tǒng)碼縮短而成的。它在7 5 2b i t 的數(shù)據(jù)碼前加入2 6 1 b i t0 補足 1 0 1 3 b i t ，然后進行b c h ( 1 0 2 3 ，1 0 1 3 ) 編碼，b c h ( 1 0 2 3 ，1 0 1 3 ) 生成多項式為 gbch(x)=i+x3+00(2-2) 編碼后得到1 0 2 3b i t 碼字，然后刪除前2 6 1b i t 的0 ，得到了碼長為7 6 2 b i t 的 b c h 碼。根據(jù)線性分組碼的原理，b c h ( 1 0 2 3 ，1 0 1 3 ) 碼可糾1 b i t 的突發(fā)錯誤。 ( 2 ) 內碼低密度校驗碼( l d p c ) 采用了基于矩陣分解中的兩個信息符號 的r s 碼法，構造l d p c 碼的循環(huán)置換矩陣，得到其生成矩陣g 口。在國家標準 中，提供了3 種不同碼率的l d p c 編碼方式可供選擇，它們分別是： 1 ) 等效編碼碼率為r = 0 4 的l d p c ( 7 4 9 3 ，3 0 8 4 ) 碼： 2 ) 等效編碼碼率為r = 0 6 的l d p c ( 7 4 9 3 ，4 5 7 2 ) 碼： 3 ) 等效編碼碼率為r = 0 8 的l d p c ( 7 4 9 3 ，6 0 1 6 ) 碼。 國標中定義l d p c 碼信息位在后，校驗位在前。 2 1 1 3 符號星座映射 國標包含以下幾種符號映射關系：4 q a m 、4 q a m + n r 、1 6 q a m 、3 2 q a m 、 6 4 q a m 。 4 q a m 與4 q a m + n r 的符號映射對應于高速移動服務業(yè)務的需求，可以支持 標準清晰度電視廣播，能夠兼顧覆蓋范圍和接收質量的服務需求。 4 q a m 、1 6 q a m 與3 2 q a m 符號映射可對應于中碼率業(yè)務的需求，可以支持 第二章數(shù)字r 乜視地面廣播發(fā)端系統(tǒng)概述及實現(xiàn)方案 多路標準清晰度電視廣播，能夠兼顧覆蓋范圍和頻率資源利用的服務需求。 3 2 q a m 和6 4 q a m 符號映射對應于高碼率業(yè)務的需求，可以同時支持高清晰 度電視和多路標準電視的廣播，兼顧高檔用戶和普通用戶的服務需求。 2 1 1 4 符號交織 國標系統(tǒng)采用了時域符號交織技術以提高抗脈沖噪聲干擾能力。時域符號交 織編碼是在多個信號幀之間進行的。數(shù)據(jù)信號的數(shù)據(jù)塊間交織采用基于星座符號 的卷積交織編碼。國標支持2 種交織模式，交織深度分別為2 4 0 符號和7 2 0 符號，分 別稱為短交織和長交織。 善= i 卜薹飄 圖2 2 卷積式數(shù)據(jù)塊間交織與解交織 模式1 ：b = 5 2 ，m = 2 4 0 符號，交織解交織總延遲為1 7 0 個信號幀； 模式2 ：b = 5 2 ，m = 7 2 0 符號，交織解交織總延遲為5 1 0 個信號幀。 2 1 1 5 頻域交織 頻域交織僅適用于載波數(shù)為3 7 8 0 模式，目的是將調制星座點符號映射到幀體 包含的3 7 8 0 個有效載波上。頻域交織為幀體內數(shù)據(jù)的符號塊交織，交織大小等于 載波數(shù)3 7 8 0 。具體交織運算過程如下，數(shù)組x 3 7 8 0 的前3 6 個元素為系統(tǒng)信息 符號，后3 7 4 4 個元素為數(shù)據(jù)符號。為了使交織輸出時3 6 個系統(tǒng)信息符號集中放 置，首先將這3 6 系統(tǒng)信息符號按一定規(guī)律插入到3 7 4 4 個數(shù)據(jù)符號中，插入后得 到的序列由數(shù)組z 3 7 8 0 表示。將數(shù)組z 3 7 8 0 通過以下程序進行位置調換得 到最終交織輸出序列y 3 7 8 0 ： f o r ( i - - - o ；i 3 ；i - - i + 1 ) ；f o r 0 = 0 ；j 3 ；j = j + 1 ) ；f o r ( k - - 0 ；k 3 ；k - | 【+ 1 ) ；f o r ( 1 - - 0 ；l 2 ；l = 1 + 1 ) ； f o r ( m = 0 ；r n 2 ；m - - r e + 1 ) ；f o r ( n = 0 ；n 5 ；n = i l + 1 ) ；f o r ( o = 0 ；o 7 ；o = o + 1 ) ； y o 車5 4 0 + n 棗10 8 + m 木5 4 + 1 木2 7 + k 9 + j 木3 + i 】 = z i 幸1 2 6 0 + j 幸4 2 0 + k + 1 4 0 + 1 木7 0 + m 木3 5 + n 唪7 + o 】；( 2 3 ) 9 電了科技人學碩：l 學位論文 2 1 2復幀 2 1 2 1 復幀結構 數(shù)據(jù)幀結構如圖2 3 所示，是一種四層結構。其中，數(shù)據(jù)幀結構的基本單元為 信號幀，信號幀由幀頭和幀體兩部分組成。超幀定義為一組信號幀。分幀定義為 一組超幀。幀結構的項層稱為日幀( c a l e n d a rd a yf r a m e ，c d f ) 。信號結構是周期 的，并與自然時間保持同步。 0 0 a m 圖2 3復幀的四層結構 2 1 2 2 復幀各層組成 ( 1 ) 信號幀信號幀是系統(tǒng)幀結構的基本單元，一個信號幀由幀頭和幀體兩 部分時域信號組成。幀頭和幀體信號的基帶符號率相同( 7 5 6 m s p s ) 。幀頭部分由 p n 序列構成，幀頭長度有三種選項。幀頭信號采用i 路和q 路相同的4 q a m 調制。 幀體部分包含3 6 個符號的系統(tǒng)信息和3 7 4 4 個符號的數(shù)據(jù)，共3 7 8 0 個符號。( 詳 細結構說明見2 1 3 節(jié)) ( 2 ) 超幀超幀的時間長度定義為1 2 5 毫秒，8 個超幀為1 秒，這樣便于與 定時系統(tǒng)( 例如g p s ) 校準時間。 ( 3 ) 分幀一個分幀的時間長度為1 分鐘，包含4 8 0 個超幀。 ( 4 ) 日幀日幀以一個公歷自然日為周期進行周期性重復，由1 4 4 0 個分幀 構成，時間為2 4 小時。在北京時間0 0 ：0 0 ：0 0a m 或其它選定的參考時間，日幀被 復位，開始一個新的日幀。 l o 第二章數(shù)字電視地面廣播發(fā)端系統(tǒng)概述及實現(xiàn)方案 2 1 3 信號幀 上- - d 節(jié)提到，信號幀是系統(tǒng)幀結構的基本單元，一個信號幀由3 7 8 0 點得信 息幀體和起保護間隔作用得幀頭兩部分時域信號組成。如圖2 - 4 所示 一個信號幀 - i i 。 ：保護： 1 f = - 3 7 8 0 s y m b o l：保護：1 f = 3 7 8 0 s y m b o l： ：間隔：3 7 4 4 ( 載荷) + 3 6 ( t p s ) ：間隔：3 7 4 4 ( 載荷) + 3 6 ( t p s ) ： 圖2 _ 4信號幀結構圖 國標采用特殊設計的p n 序列填充保護間隔，利用p n 序列實現(xiàn)了快速穩(wěn)健的 同步和快速高效的信道估計。該p n 序列也可以用作為時域均衡器的訓練序列，充 分發(fā)揮判決反饋的作用。 2 1 3 1 幀體構成 3 7 8 0 個子載波中3 7 4 4 個子載波傳輸載荷數(shù)據(jù)，3 6 個子載波傳輸系統(tǒng)信息信 號。系統(tǒng)信息為每個信號幀提供必要的解調和解碼信息，包括符號映射方式、l d p c 編碼的碼率、交織模式信息、幀體信息模式等。在接收機端通過對t p s 信號的解 調可得到發(fā)射機信息，方便接收機端自動適應發(fā)端的工作模式，實現(xiàn)自動接收功 能。 國標系統(tǒng)中預設了6 4 種不同的系統(tǒng)信息模式，6 比特擴頻前的系統(tǒng)信息將采 用擴頻技術成為3 2 比特長的系統(tǒng)信息矢量，即用長度為3 2 的w a l s h 序列和長度 為3 2 的隨機序列來映射保護。對于3 7 8 0 個子載波，每個子載波占有的帶寬均相同。 在8m h z 帶寬信道中每個子載波占有2k h z 帶寬，3 7 8 0 個子載波總共占有7 5 6 m h z 。 2 1 3 2 幀頭構成 國標系統(tǒng)的保護間隔有3 種模式：1 9 幀體長度( 4 2 0 符號) 、l 6 幀體長度( 5 9 5 符號) 和l 4 幀體長度( 9 4 5 符號) ，不同的保護間隔可以適應不同得信道環(huán)境，便 于組建網(wǎng)絡。 幀頭模式1 采用的p n 序列定義為循環(huán)擴展的8 階m 序列?？捎梢粋€f i b o n a c c i 型線性反饋移位寄存器實現(xiàn)，經(jīng)“0 ”到+ 1 值及“l(fā) ”到1 值的映射變換為非歸零的二 進制符號。長度為4 2 0 個符號的幀頭信號( p n 4 2 0 ) ，由一個前同步、一個p n 2 5 5 序列和一個后同步構成。前同步和后同步定義為p n 2 5 5 序列的循環(huán)擴展。線性反 電子科技大學碩一i ：學位論文 饋移位寄存器的初始條件值確定所產(chǎn)生的p n 序列的相位。在一個超幀中共有2 2 5 個信號幀。每個超幀中各信號幀的幀頭采用不同相位的p n 信號作為信號幀識別 符。幀頭信號的平均功率是幀體信號的平均功率2 倍。 幀頭模式2 采用1 0 階最大長度的偽隨機二進制序列( m 序列的截短) ，幀 頭信號的長度為5 9 5 個符號，是長度為1 0 2 3 的m 序列的前5 9 5 個碼片。在一個超 幀中共有2 1 6 個信號幀。每個超幀中各信號幀的幀頭采用相同的p n 序列。幀頭信 號的平均功率與幀體信號的平均功率相同。 幀頭模式3 采用的p n 序列定義為循環(huán)擴展的9 階m 序列?？捎梢粋€f i b o n a c c i 型線性反饋移位寄存器實現(xiàn)，經(jīng)“0 ”至l j + l 值及“1 ”到1 值的映射變換為非歸零的二 進制符號。長度為9 4 5 個符號的幀頭信號( p n 9 4 5 ) ，其中9 4 5 個符號由一個前同 步、一個p n 5 11 序列和一個后同步構成。前同步和后同步定義為p n 5 11 序列的循 環(huán)擴展。線性反饋移位寄存器的初始條件值確定所產(chǎn)生的p n 序列的相位。在一個 超幀中共有2 0 0 個信號幀。每個超幀中各信號幀的幀頭采用不同相位的p n 信號作 為信號幀識別符。幀頭信號的平均功率是幀體信號的平均功率2 倍。 2 1 4 幀體數(shù)據(jù)處理 映射后3 7 4 4 個數(shù)據(jù)符號復接系統(tǒng)信息后，并經(jīng)幀體數(shù)據(jù)處理后形成幀體，用 c 個子載波調制，占用的r f 帶寬為7 5 6 m h z ，時域信號塊長度為5 0 0l as 。 c 有兩種模式：c = i 或c - - 3 7 8 0 ； 令x ( 1 ( ) 為對應幀體信息的符號； 當c = i 時，生成的時域信號可表示為： f b o d y ( k ) = x ( k )k = 0 ，1 ，一，3 7 7 9 ( 2 4 ) 在c = i 模式下，作為可選項，對組幀后形成的基帶數(shù)據(jù)在o 5 符號速率位置 插入雙導頻，兩個導頻的總功率相對數(shù)據(jù)的總功率為1 6 d b 。插入方式為從日幀的 第一個符號( 編號為0 ) 開始，在奇數(shù)符號上實部加1 、虛部加0 ，在偶數(shù)符號上 實部加1 、虛部加0 。 在c = 3 7 8 0 模式下，相鄰的兩個子載波間隔為2 k h z ，對幀體信息符號x ( 1 【) 進 行頻域交織，得到x ( n ) ，然后按下式進行變換得到時域信號： 1 2 第二章數(shù)字電視地面廣播發(fā)端系統(tǒng)概述及實現(xiàn)方案 船?？? 露) ：而1 cx ( ，z ) e 伽墨c 后：o ，1 ，3 7 7 9 叫乙* i ( 2 5 ) 2 1 5 基帶后處理及射頻信號 基帶后處理( 成形濾波) 采用平方根升余弦( s q u a r er o o tr a i s e dc o s i n e ，s r r c ) 濾波器進行基帶脈沖成形。s r r c 濾波器的滾降系數(shù)q 為o 0 5 。 平方根升余弦濾波器頻率響應表達式如下式所示： 日u ) = 1 i f l ( 1 - a ) 2 t s l 乏1 + 互1c o s ( ! 豎三三號蘭三二型 i q 一口，2 ( i + o r ) 1 2 t s ( 2 6 ) 其中t s 為輸入信號的符號周期( 1 7 5 6l as ) ，a 為平方根升余弦濾波器滾降 系數(shù)。 調制后的r f 信號由下式描述： s ( t ) = r e e x p ( j 2 z 矗v c t ) “j l l ( f ) of r a m e ( t ) ( 2 7 ) 其中， s ( t )一i 訌信號； f c一載波頻率( m h z ) ； 一s r r c 濾波器的脈沖成形函數(shù)； f r a m e ( t ) 一組幀后的基帶信號，由幀頭和幀體組成。 2 1 6基帶信號頻譜特- i 生及系統(tǒng)；爭荷數(shù)據(jù)率 對應于射頻發(fā)送信號的成形濾波后基帶信號( 未含雙導頻插入) 典型頻譜特 性如圖2 - 5 所示。 電子科技人學碩。l j 學位論文 3 趟 船 熟 哥 雷 相對于中心頻率f e 的頻率值( m h z ) 圖2 - 5 成形濾波后基帶信號頻譜特性 在不同信號幀長度、內碼碼率和調制方式下，標準支持的凈荷數(shù)據(jù)率如表2 1 所示。 表2 - 1 系統(tǒng)凈荷數(shù)據(jù)率( m b p s ) 信號幀長度 信號幀長度4 2 0 0 個符號 內碼碼率 0 4 0 60 8 映4 q a m n r 5 4 1 4 射4 q a m 5 4 1 4 8 1 2 21 0 8 2 9 1 6 q a m 1 0 8 2 91 6 2 4 3 2 1 6 5 8 3 2 q a m 2 7 0 7 2 6 4 q a m 1 6 2 4 32 4 3 6 53 2 4 8 6 信號幀長度信號幀長度4 3 7 5 個符號 內碼碼率 o 4o 6o 8 映 4 q a m - n r 、 5 1 9 8 射 4 q a m 5 1 9 87 7 9 71 0 3 9 6 1 6 q a m 1 0 3 9 61 5 5 9 3 2 0 7 9 1 3 2 q a m 2 5 9 8 9 6 4 q a m 1 5 5 9 32 3 3 9 03 1 1 8 7 信號幀長度信號幀長度4 7 2 5 個符號 內碼碼率 0 40 6 o 8 映 4 q a m - n r 、 4 8 1 3 射4 q a m 4 8 1 37 2 1 99 6 2 6 1 6 q a m 9 6 2 6 1 4 4 3 81 9 2 5 1 3 2 q a m 2 4 0 6 4 6 4 q a m 1 4 4 3 82 1 6 5 82 8 8 7 7 注：表中斜線表示該模式組合不在標準規(guī)范之內。 1 4 第二章數(shù)字電視地面廣播發(fā)端系統(tǒng)概述及實現(xiàn)方案 2 2發(fā)端系統(tǒng)實現(xiàn)的總體方案與設計層次 2 2 1總體方案 從圖2 1 1 發(fā)送端原理框圖可以看出系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸流程。在本設計方案中， 將圖中所示各功能模塊在基于f p g a 的發(fā)射系統(tǒng)中實現(xiàn)。其中數(shù)字基帶部分完全 在f p g a 芯片中完成，數(shù)字上變頻部分和d a 轉換由專用器件( a d 9 8 5 7 ) 完成。 這種處理方式使得系統(tǒng)結構簡單靈活，便于調試和移植。完整發(fā)端系統(tǒng)的硬件結 構簡圖如圖2 - 6 所示： 圖2 - 6 硬件結構簡圖 本文將詳細介紹其中的f p a g 部分的設計。根據(jù)f p g a 設計的自頂向下的設 計思路，在本設計中，作者根據(jù)數(shù)據(jù)的傳輸流程和功能模塊實現(xiàn)的復雜程度，將 整個f p g a 部分分為六個大的功能模塊，即能量擴散模塊( 隨機化) 、