（信号与信息处理专业论文）ldpc测试平台时域同步算法设计及fpga实现.pdf

摘要 摘要 中国地面数字电视广播融合方案是根据中国数字电视发展现状提出的一套地 面数字电视标准，其中使用l d p c 码作为前向纠错编码。由于软件仿真的诸多局 限，所以本课题通过搭建硬件测试平台，完成l d p c 码的解码误码测试工作。 测试平台中的时域同步是o f d m 系统下基于p n 序列的符号和频率同步，其 算法是根据融合方案时域同步算法，同时结合测试平台系统要求设计的，算法性 能已经通过m a t l a b 仿真得以验证。目前时域同步的v e r i l o g 模块设计已经完成，并 且通过了f p g a 片上调试，达到预期效果。 本文将首先概述数字电视的发展现状和中国地面数字电视融合方案及测试平 台。介于本人在该项目中的主要工作是时域同步算法设计及f p g a 实现和l d p c 码译码器的f p g a 设计，在文章的第三章将系统的介绍测试平台时域同步的算法 设计过程及m a t l a b 仿真分析，第四章将介绍时域同步的f p g a 设计、仿真及硬件 调试。第五章为文章的总结部分。l d p c 码译码器的设计不是文章重点，所以只在 第二章结尾部分作简要的介绍。在本人的研究生学习阶段主要参与了这个项目中 的工作，主要内容可以概括为以下几点： 1 根据融合方案同步算法设计测试平台时域同步算法，并编写m a t l a b 程序 进行仿真验证。 2 根据m a t l a b 程序编写v e r i l o g 模块，完成功能仿真和时序仿真。 3 在硬件平台上对同步模块进行调试，达到预期目的。 4 根据算法进行l d p c 码解码器的f p g a 设计。 关键词：时域同步，o f d m ，f p g a ，l d p c ，v e r i l o g a b s 仃a c t a b s t r a c t t h em e r g e db l u ep r i n tf o rd i 百t a lt e r r e s t r i a lt e l e v i s i o nb r o a d c a s t i n gw h i c hs u i t st o t h ed e v e l o p i n gs t a t u so fd t vi nc h i n aj sas t a n d a r do ft h ec h i n e s ed t v - t l d p cc o d e i su s e da sf e c t h en a r r o w b a n dl d p cc o d ep l a t f o r mi sc o n s t r u c t e dt ot e s tt h er a t i o e r r o ro ft h el d p cd e c o d e r , f o rt h er e s t r i c t i o no ft h es o f t w a r ed e b u g g i n g u s u a l l yi no f d ms y s t e m ，t h et i m e d o m a i ns y n c h r o n i z a t i o ni nt h ep l a t f o r mi st h e s y m b o l - f r e q u e n c ys y n c h r o n i z a t i o nu s i n gp n - s e q u e n c ep r e a m b l e s i t sa l g o r i t h mh a sb e e n d e s i g n e db a s e do nt h er e q u i r e m e n to fp l a t f o r m ，a n dv a l i d a t e db ym a t l a bs i m u l a t i o n t h e nt h ev e r i l o gp r o g r a mh a sb e e nd e s i g n e db a s e do nt h i s a l g o r i t h m f i n a l l y , t h e h a r d w a r ed e b u g g i n gh a sb e e nd o n e i nt h i st h e s i s ，t h ed e v e l o p i n gs t a t u so fd t vi si n t r o d u c e df i r s t l y t h em e 唱e db l u e p r i n tf o rd i 西t a lt e r r e s t r i a lt e l e v i s i o nb r o a d c a s t i n gi nc h i n aa n dt h es t r u c t u r eo fp l a t f o r m i si n t r o d u c e df o l l o w i n g i nt h ep r o j e c to fc o n s t r u c t i n gt h ep l a t f o r m ，t h ed e s i g no ft h e t i m e - d o m i a ns y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h mi si nt h ec h a r g eo fm e w h i c hh a sb e e nr e a l i z e d o nf f g a i ti si n t r o d u c e dd e t a i l e d l yi nc h a p t e r3a n dc h a p t e r4 a d d i t i o n a l l y , t h ed e s i g n o fl d p cd e c o d e rb a s e do nf p g ai sa n o t h e rp a r to ft h ep r o j e c t i ti si n t r o d u c e db r i e f l y i nt h ee n do fc h a p t e r2 t h i st h e s i si ss u m m a r e di nc h a p t e r5 t h em a i nw o r kd e s c r i b e d i nt h i sp r o j e c ti sl i s t e da sf o l l o w s ： 1 d e s i g nt h et i m e d o m a i ns y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h mo fp l a t f o r m ，a n ds i m u l a t ei t i m a n a b 2 d e s i g nt h ev e r i l o gp r o g r a ma n df i n i s ha l lk i n d so fs i m u l a t i o n 3 d e b u gt h ev e r i l o gp r o g r a mo nt h eh a r d w a r ep l a t f o r m 4 d e s i g nl d p c - d e c o d e rb a s e do nf p g a k e y w o r d s ：t i m e - d o m a i ns y n c h r o n i z a t i o n ，o f d m ，f p g a ，l d f c ，v e r i l o g i i 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：丕磊日期：孙勺1 年月拥 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：毛虢 导师签名： 日期： 。- 第一章引言 第一章引言 随着数字技术的迅速发展，我们已经进入了崭新的数字时代。在经历了几十 年的模拟电视时代之后，如今我们有了先进的图像压缩技术，高性能的数字传输 技术以及一系列相关的高新处理技术，这无疑是在提醒着我们数字电视时代也即 将到来了。数字电视，即高清晰度电视( h i g hd e f i n i t i o nt e l e v i s i o n - - h d t v ) ，它区 别于传统的模拟电视，简而言之，可以称之为计算机化的电视，与计算机技术融 为一体，数字化的处理，传输，接收和显示信息。一场数字电视和模拟电视之争 正在进行之中，一场电视革命已经拉开了序幕。 1 1 地面数字电视发展现状 自上个世纪开始，计算机技术，集成电路技术，网络传输技术以及卫星技术 等等，都得到了迅猛的发展，并且取得了重大成果。这些都给广播电视带来了前 所未有的机遇，全球范围内掀起了一场广播电视技术革新的热潮。早在1 9 6 8 年， 日本广播协会( n h k ) 就以经开始试验性的数字电视研究，并在1 9 9 1 年实现了通过 卫星的d b 3 b 的正式广播。美国也开发了自己的数字电视广播系统( 8 v s b l 。在欧 洲，有2 5 个国家和地区的2 0 0 多家公司和组织参加于1 9 9 3 年提出了数字视频广 播( d ) 规划，制定欧洲的d v b 标准，以尽早引入d v b 业务。现已制定了数字 卫星电视( d v b s ) ，数字有线电视( d v b c ) ，数字地面电视( d v b t ) 等标准，由于 其公开性和通过性，已经被很多国家采用。在国内从八十年代起就已经开始了对 h d t v 的研究，一些大专院校和研究单位一直跟踪国际上h d t v 的发展，在传播 体制，编解码方式和传输方式等方面均取得了不少成果。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，得到了国内广大研究机构的参与，其中 包括朱维乐教授带领下的电子科技大学数字视频与h d t v 实验室。数字电视在国 内的推行已经成为了必然的趋势。 1 1 1 三种国际标准及比较 从全球看来，国际上已经有三种数字电视的标准，分别是：美国a t s c 标准【”， 欧洲d v b 标准 x l ，日本i s d b 标准。 电子科技大学硕士学位论文 日本i s d b 标准 日本的数字电视地面传输方案i s d b t ，其信源部分是m p e g 2 ，传输采用 c o f d m 多载波方案，可分为2 k 和8 k 两种模式，与欧洲标准相同。在编码方式 和调制方式等方面也与欧洲标准相同，不同之处在于接收方面。i s d b t 标准增加 了部分接收和分层传输。所谓部分接收是指系统将整个6 m h z 带宽分为1 3 段，每 段4 3 2 k h z ，主要解决窄带和宽带业务的同时接受问题，使接收机既可以接收 6 m h z 全带宽，也可以接收频带中心的那一段的窄带o 4 3 2 m h z 信号。前者主要 用于固定和车载移动接收，后者主要可用于能放入衣袋的小型便携接收机。而所 谓分层是指对不同段的纠错和调制方式进行不同的设置，以针对不同重要程度的 信息和不同的接收区域。该系统一共分成a 、b 、c 、d 四层，a 层具有最高的可 靠性，用来传送解码必须的重要信息，其他层则可安排不同的保护率以适应不同 的业务。 美国a t s c 标准 美国a t s c 数字电视标准由四个分离的层级组成，层级之间有清晰的界限。 最高为图像层，确定图像的形式；接着是图像压缩层，采用m p e g 2 压缩标准； 再下来是系统复用层，特定的数据被纳入不同的压缩包中，也采用m p e g 一2 压缩 标准；最后是传输层，确定数据传输的调制和信道编码方案。区别于日本和欧洲 的地面传输标准，美国的地面广播系统采用单载波传输模式。a t s c 采用的是z e n i t h 公司开发的8 - v s b 传输模式，再6 m h z 的带宽内可实现1 9 3 m b p s 的传输速率。 该标准也包含有线电视系统高数据率的1 6 v s b 传输模式，可在6 m h z 有线电视 信道中实现3 8 6 m b s 的传输速率。 欧洲d v b 标准 欧洲d v b 标准中，以数字地面电视( d v b 最为复杂，其发射的传输容量理 论上与有线电视系统相当，本地区覆盖好。采用正交频分复用( c o f i ) m ) 调制方式， 可在8 m h z 的带宽内传送4 套电视节目，传输质量高。在信道编码上采用的外码 为r s ( 2 0 4 ，1 8 8 ，8 ) ，内码为卷积编码的级联码实现。调制方法上可以选择q p s k ， 1 6 q a m ，6 4 q a m i 可分为2 k 和8 k 两种模式。 三种标准的比较 在三种标准中，美国标准采用了单载波传输方案，而欧洲和日本则采用的 c o f d m 多载波信道传输方案，因此具有抗多径能力强，可分层，可移动接收，可 组成单频网的优点。由于c o f d m 的许多潜在优势，采用c o f d m 方案的国家越 2 第一章引言 来越多，欧洲、日本、韩国、新加坡、我国台湾地区等等。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) ，遍布全球各地。 下面由表1 - 1 对三种标准作出简要的比较： 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 k 2 k 、4 k 、8 k 视频压缩m p e g 2 音频压缩d o l b va c 3m p e g 一2 层 m p e g 一2 层i a a c 音频编码i im u s i c m音 音频编码 频编码 复用方式m p e g 一2 信道外码 r s 码( 2 0 7 ，1 8 7 ，t = 1 0 )r s 码( 2 0 4 ，1 8 8 ，t = 8 )r s 码( 2 0 4 ，1 8 8 , t = 8 ) 信道内码网格编码h q ( 码率2 3 ) 卷积编码( 码率：1 彪，2 3 ，3 4 ，5 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 p s 4 。9 8 3 1 6 7 m b p s 3 ，6 8 2 3 4 2m b p s 接收门限c n = 1 5 d bc n = 1 9 d b 1 1 2 我国地面数字电视的发展概况 1 9 9 5 年，原国家科委立项，成立了由上海交通大学等单位组成的数字高清晰 度电视总体组。1 9 9 8 年9 月，总体组完成了第一代高清数字电视功能样机，第一 代h d t v 功能样机采用1 4 4 0 x 1 1 5 2 格式，帧频5 0 h z 。然后又推出第二代样机，采 用1 9 2 0 x 1 1 5 2 格式，帧频6 0 h z ，1 9 9 9 年，在国庆5 0 周年时用该方案完成了国庆 庆典的实况直播。1 9 9 9 年，电子科技大学出色的完成了国家九五重点科研项目“数 字h d t v 地面广播c o f d m 传输方案”的设计。其总体特征是：视频信号经信源 编码成为m p e g 2 码流，以t s 包的形式送往码流适配器、信道编码器和调制器， 最终形成o f d m 调制信号。 从2 0 0 1 年开始我国已经收到了来自清华大学、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子科技大学等四家单位提交的5 套技术方案。 电子科技大学硕士学位论文 在这5 套方案中，清华大学的d m b t 3 ( 地面数字多媒体电视广播传输协议) 方案目 前已在全国7 个省市投入了试运营。d m b t 采用时域同步正交频分复用 ( t d s o f d m ) 4 】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。由于使用了时域信道估算技术，所以它的同步时间比d v b t 更短，可以做到5 毫秒以内，而d v b t 的同步时间为1 0 0 毫秒左右。上海交大的 a d t b t 标准( 高级数字电视广播系统) 也在上海地区开展了车载试运营，这是一种 “单载波”方案，采用t p c 信道编码技术。这两家单位都开展了相关芯片的研制 和测试，在国内的几套标准中走在前列。 目前正是我国的数字电视传输标准制定的紧要关头，适合我国国情的自主知 识产权的数字电视地面传输标准不久即将出台。根据广电总局的规划，我国将首 先局部试播数字电视，可望在2 0 1 0 年全面采用数字广播电视，2 0 1 5 年停止模拟广 播电视的播出。 1 2 地面无线信道特征 地面信道的传输特性的两大突出特点是时间选择性和频率选择性，同时地面 传输信道工作在u h f v h f 频段，还具有高斯加性白噪声干扰、突发干扰、工业干 扰及电离层反射、同频干扰等信道的恶劣特性。同时由于地面传输信道环境的复 杂性和特殊性，传输信道具有色散和时变特性。在这样的信道上传输信号有以下 的主要特性： 加性白高斯噪声( a w g n ) 主要引起随机错误。高斯分布的白噪声概率密度可表 不： ， 一蛙业 ，0 ) = 告e 2 矿 ( 1 - 1 ) 、，：a t r o - 突发干扰表现为短时大噪声，这种短时大噪声主要由工业电火花等突发因素 引起，噪声能量可能高于信号能量。 夺p a l 同频干扰 由于数字地面电视广播是在现有的电视频带内，与标准的n k l 信号同播，因 此信号会受到p a l 同播信号的干扰，p a l 信号的频谱特征是信号能量主要集中在 视频载波、色度及音频副载波。 第一章引言 夺多径传输 使信号产生频率选择性失真，多径主要是由于城市建筑物对电波的多次反射 及散射引起的，多径干扰主要包括三个参数：多径延时、衰减和相移。通过对这 些参数的不同选择可得到不同的多径传输模型。 夺衰落 移动接收中的多径的时变会引起附加的调幅和调相，信号的失真取决于这种 附加的调幅、调相的特点。它既可能是无衰落的高斯型也可能是电平有大起伏的 瑞利衰落。 夺多普勒频移效应 这是由于移动接收的运动造成的，频移值与入射角，波长和运动速度有关， 设所有电波入射角为均匀分布，则多普勒频移分布函数可由下式给出： 巳( 厶) 2 i 1 丽1 ( 1 - 2 ) 其中，i 厶jc i ，卅。i ，一x 为最大多普勒频移，且有：，一= ，0 兰，v 为移动 接收运动速度。，0 为接收频率。 在上述信道中传输信号，许多人研究后指出典型的调制体制f 如q p s k 或f s k l 导致了误码展平现象，甚至在很大的信噪比下也如此。这由以下的两个独立现象 造成： 由于信道的冲激响应的时间延展产生的频率选择性，当传输的数据率提高时 导致了严重的符号干扰( i s i ) 。在多载波并行传输时还导致严重的子载波间干扰 0 0 ) 。 由于接收的环境变化导致信道特性的时变，产生衰落，使接收机的相位估计 性能恶化。 1 3 正交频分复用技术 正交频分复用( o f d m ) 技术的思想最早可以追溯n 2 0 世纪5 0 年代末期。6 0 年 代，人们对多载波调制作了许多理论上的工作，论证了在存在符号间干扰的带限 信道上采用多载波调制可以优化系统的传输性能。多载波传输是把数据流分解为 若干个独立的子比特流，每个子数据流将具有低得多的比特速率。用这样低比特 率形成的低速率多状态符号去调制相应的子载波，就构成了多个低速率符号并行 5 电子科技大学硕士学位论文 发送的传输系统。1 9 7 0 年1 月有关o f d m 的专利被首次公开发表。1 9 7 1 年w e i n s t e i n 5 f u e b e r t 在i e e e 杂志上发表了用离散傅立叶变换实现多载波调制的方法，8 0 年代， 人们对多载波调制在高速调制解调器、数字移动通信等领域中的应用进行了较为 深入的研究，但是由于当时技术条件的限制，多载波调制没有得到广泛的应用。 9 0 年代，由于数字信号处理技术和大规模集成电路技术的进步，o f d m 技术在高速 数据传输领域受到了人们的广泛关注。目前，o f d m 已经在欧洲的数字音视频广播 ( 女h d v b ) 、欧洲和北美的高速无线局域网系统( 女n i e e e 8 0 2 1 l a ) 、以及高比特率 数字用户线( 女n a d s l ) 中得到了广泛的应用。 正交频分复用技术具有以下特点： 夺高频谱利用率 普通的频分复用系统为了分离开各子信道的信号，需要在相邻的信道间设置 一定的保护间隔( 频带1 ，以便接收端能用带通滤波器分离出相应子信道的信号，造 成了频谱资源的浪费。o f d m 系统各子信道间不但没有保护频带，而且相邻信道 间信号的频谱的主瓣还相互重叠。o f d m 系统的各子信道信号的分离( 解调) 是靠这 种正交性来完成的。另外，o f d m 的子信道上还可以采用多进制调制( 如频谱效率 很高的q a m ) ，进一步提高了o f d m 系统的频谱效率。 夺调制和解调简单 当子信道上采用q a m 或m p s k 调制方式时，调制过程可以用i f f t 完成，解 调过程可以用f f t 完成，既不用多组振荡源，又不用带通滤波器组分离信号。 夺抗多径，抗衰落能力强 由于一般的o f d m 系统均采用循环前缀f c y c l i cp r e f i x ，c p ) 来充当保护间隔， 使得o f d m 系统在一定条件下可以完全消除信号多径传播造成的码间干扰，减少 多径传播对载波间正交性的破坏，因此o f d m 系统具有很好的抗多径干扰能力。 o f d m 的子载波把整个信道划分成许多窄信道，尽管整个信道有可能是极不平坦 的衰落信道，但在各子信道上的衰落却是近似平坦的，这使得o f d m 系统予信道 的均衡特别简单，甚至有时可以不需要均衡器。并且在单载波系统中，次衰落 或者干扰有时可以导致整个链路失效，但是在多载波系统中，某一时刻只会有少 部分的子信道受到深衰落的影响，而不会影响整个数据链路，这给接收端正确解 调提供了可能性。 与单载波系统相比，o f d m 也有一些困难问题需要解决： 夺同步问题。理论分析和实践都表明，o f d m 系统对同步系统的精度要求非常高， 第一章引言 大的同步误差不仅造成输出信噪比的下降，还会破坏子载波问的正交性，造成 载波间干扰，从而大大影响系统的性能，甚至使系统无法正常工作。 夺o f d m 信号的峰值平均功率比( p e a k t o a v e r a g ep o w e rr a t i o ，p a p r ) 比较高， 使它对放大器的线性范围要求大，同时也降低了放大器的效率。o f d m 技术要 想在未来通信系统中得到更大发展，在很大程度上将取决于这些问题被解决的 程度。 1 4s t r a t i x 系列f p g a 及o u a r t u s | i 简介 1 4 1s t r a t ix 系列f p g a 介绍 2 0 0 2 年2 月1 2 日，a l t e r a 公司宣布推出新一代可编程逻辑器件：s t r a t i x t ”，该 系列采用1 5 v 内核，0 1 3 微米全铜工艺。该系列芯片由q u a r t u s l i 版本软件支持。 芯片主要特点 夺内嵌三级存储单元：可配置为移位寄存器的5 1 2b i t s 小容量r a m ；4 kb i t s 容量的标准r a m 0 订4 k ) ；5 1 2 kb i t s 的大容量r a m ( m e g a r a m ) ，并自带奇 偶校验。 夺内嵌乘加结构的d s p 块( 包括硬件乘法器硬件累加器和流水线结构) 适于 高速数字信号处理和各类算法的实现。 夺全新布线结构，分为三种长度的行列布线，在保证延时可预测的同时，提 高资源利用率和系统速度。 夺增强时钟管理和锁相环能力，最多可有4 0 个独立的系统时钟管理区和1 2 组 锁相环p l l ，实现k * m n 的任意倍频，分频，且参数可动态配置。 夺增加片内终端匹配电阻，提高信号完整性，简化p c b 布线。 s t r a t i x 器件的主要单元的功能特点 s t r a t i x 器件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在于 l a b ( 逻辑阵列块1 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连接。 夺逻辑阵列块( 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。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。 7 电子科技大学硕士学位论文 审存储器模块结构( m e m o r yb 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 s 到4 k x l 4 4 b i t s ) ：5 1 2 k 位外加奇偶校验位( 共5 8 9 ，8 2 4 位1 ，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 。 令数字信号处理模块( 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 x1 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 f f 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 i r 滤波等处理中。 夺锁相环( p i d 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 i 上也分别有两类：增强型锁相环( e n h a n c e dp l l ) 和快速锁相环( f a s tp l l ) 。 g t r a t i x 系列器件有1 6 个专用的全局时钟网络，所有韵资源，包括i o e 、l e 、 d s pb 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 区域时钟网络，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 区域时钟网络。 夺i o e ( 单元) i o e 由一个双向f o 缓冲器和六个寄存器组成。寄存器可用作输入、输出或输 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1 提供优异的接1 2 1 性能。每个i o 单元都可配置成输入、输出或双向 引脚。 本项目选用的现场可编程器件为s t r a t i x 系列的e p l s 8 0 8 9 5 6 c 6 ，其资源配置 如表4 1 所示： 第一章引言 表4 - 1e p i s 8 0 8 9 5 6 c 6 的资源配置 逻辑单元7 9 ，0 4 0i o 管脚 6 8 3 r a v l 总量7 ，4 2 7 ，5 2 0b i t s锁相环 1 2 d s p 块2 2 全局时钟网络 1 6 嵌入式乘法器 1 7 6 专用时钟管脚1 6 ( 9 b i t sx9 b i t s ) 1 4 2o u a r t u sii 介绍 作为一个e d a 软件，q u a r t u s1 1 人机界面友好，与覆盖面广、面向设计的i pc o r e 相结合，可以得到不同等级并且易于使用的性能表现，实现最快的产品面世。 q u a r t u si i 软件提供了最全面的f p g a 、c p l d 和结构化a s i c 设计流。由于其技术 上的优势使得高密度f p g a 设计、低成本f p g a 设计和c p l d 设计具有最佳的性 能表现。q u a r t u si i 为f p g a 的设计提供了一个非常完善的开发环境： 夺支持原理图式图形输入、文本设计、内存编辑、模块化设计； 夺支持e d i t 、h d l 和v q m 等第三方设计工具； 夺强大的逻辑综合，功能和时序仿真。 使用q u a r t u si i 开发工具进行设计，设计者无需精通器件内部的复杂结构，只 需要自己熟悉设计的输入工具，如h d l 语言、原理图或者波形进行设计输入。 q u a r t u si i 将会自动地把这些设计输入转化为目标结构所要求的格式，由于有关结 构的详细知识已经装入开发工具，设计者不需要手工优化自己的设计，因此能大 大提高设计效率。 1 4 3s i g n a it a p | | 介绍 本课题在后期f p g a 片上调试阶段所使用的主要工具为内嵌于q u a r t u si i 中的 s i g n a l t a pi i ，因此这里将该工具作简要介绍。 s i g n a l t a pi i ，即嵌入逻辑分析仪，集成到q u a r t u si i 设计软件中，能够捕获和 显示可编程单芯片系统( s o p c ) 设计中实时信号的状态，这样开发者就可以在整个 设计过程中以系统级的速度观察硬件和软件的交互作用。它支持多达1 0 2 4 个通道， 采样深度高达1 2 8 k b ，每个分析仪均有1 0 级触发输入输出，从而增加了采样的精 度。s i g n a l t a pi i 为设计者提供了业界领先的s o p c 设计的实时可视性，能够大大 减少验证过程中所花费的时间。目前s i g n a l t a pi i 逻辑分析仪支持的器件系列包括： 电子科技大学硕士学位论文 a p e x ti i ，a p e x 2 0 k e ，a p e x 2 0 k c ，a p e x 2 0 k ，c y c l o n e ，e x c a l i b u r ，m e r c u r y ，s t r a t i x g x s t r a t i x 。 图1 - 1s i g n a l t a p l l s i g n a l t a pi i 将逻辑分析模块嵌入到f p g a 中，如图1 - 1 所示。逻辑分析模块 对待测节点的数据进行捕获，然后将数据通过j t a g 接口从f p g a 传送到q u a r t u si i 软件中显示。使用s i g n a l t a pi i 无需额外的逻辑分析设备，只需将一根j t a g 接口 的下载电缆连接到要调试的f p g a 器件。s i g n a l t a p l i 对f p g a 的引脚和内部的连 线信号进行捕获后，将数据存储在一定的r a m 块中。因此，需要用于捕获的采样 时钟信号和保存被测信号的定点数的r a m 块。 使用s i g n a l t a pi i 的一般流程是：设计人员在完成设计并编译工程后，建立 s i g n a l t a pi i ( s t p ) 文件并加入工程、配置s t p 文件、编译并下载设计到f p g a 、在 q u a r t u si i 软件中显示被测信号的波形、在测试完毕后将该逻辑分析仪从项目中删 除。 设置s i g n a l t a pi i 文件的基本流程 图1 2 中标注为s i g n a l t a pi i 具体设置过程。 图1 - 2s i g n a l t a p i l 设置 1 0 第一章引言 夺设置采样时钟 采样时钟决定了显示信号波形的分辨率，它的频率要大于被测信号的最高频 率，否则无法正确反映被测信号波形的变化。s i g n a l t a p1 1 在时钟上升沿将被测信 号存储到缓存。 夺设置被测信号 可以使用n o d ef i n d e r 中的s i g n a l t a pi i 滤波器查找所有预综合和布局布线 后的s i g n a l t a pi i 节点，添加要观察的信号。逻辑分析器不可测试的信号包括：逻 辑单元的进位信号、p l l 的时钟输出、j t a g 引脚信号、l v d s ( 低压差分、信号。 夺配置采样深度、确定r a m 的大小 s i g n a l t a pi i 所能显示的被测信号波形的时间长度为t x ，计算公式如下： t x = n x t s n 为缓存中存储的采样点数，t s 为采样时钟的周期。 夺设置b u f f e ra c q u i s i t i o nm o d e b u f f e ra c q u i s i t i o nm o d e 包括循环采样存储、连续存储两种模式。循环采样存 储也就是分段存储，将整个缓存分成多个片段( s e g m e n t ) ，每当触发条件满足时就 捕获一段数据。该功能可以去掉无关的数据，使采样缓存的使用更加灵活。 夺触发级别 s i g n a l t a p1 1 支持多触发级的触发方式，最多可支持1 0 级触发。 夺触发条件 可以设定复杂的触发条件用来捕获相应的数据，以协助调试设计。当触发条 件满足时，在s i g n a l t a p 时钟的上升沿采样被测信号。 完成s t p 设置后，将s t p 文件同原有的设计下载到f p g a 中，在q u a r t u si i 中s i g n a l t a pi i 窗口下查看逻辑分析仪捕获结果。s i g a a l t a pi i 可将数据通过多余的 y o 引脚输出，以供外设的逻辑分析器使用；或输出为c s v 、t b l 、v c d 、v w f 文件格 式以供第三方仿真工具使用。 s i g n a l t a pi i 嵌入式逻辑分析器，提供了芯片测试的个很好的途径。通过 s i g n a l t a pi i 测试芯片无需外接专用仪器，它在器件内部捕获节点进行分析和判断 系统故障，能大大提高系统的调试能力。 1 。5 本文选题依据以及文章结构 电子科技大学硕士学位论文 目前我国数字地面电视传输的国家标准尚未出台，在信道编码方面，l d p c 码 的占据了诸多优势，若能应用于数字地面电视传输中，必能使其性能进一步完善。 本项的目的就是搭建硬件测试平台，对l p d c 码解码误码进行测试。测试平台中 的l d p c 码结构和融合方案中相同，所以在满足测试平台要求条件下设计的l d p c 码编码器和译码器可以直接移植到融合方案中使用。 本文第一章为引言，主要介绍数字电视和相关技术的国内外动态，以及在本 文课题中涉及到的f p g a 和相关工具。文章的第二章将概括性的介绍中国地面数 字电视广播融合方案【6 】，窄带l d p c 解码误码实验测试平台的总体结构和原理以 及本人根据测试平台要求设计的l d p c 码译码器结构，由于译码器的设计不作为 本文重点，所以只作简要的介绍。在文章的第三章，将介绍窄带l d p c 码解码误 码测试平台时域同步的算法设计过程及m a t l a b 仿真分析，第三章为本文一个重点。 第四章将具体介绍时域同步基于f p g a 的设计，仿真以及硬件调试，这是文章另 一重点。第五章是文章的结论部分，将对整个项目做一些总结。 1 2 第二章测试平台结构及l d p c 译码器设计 第二章测试平台结构及l d p o 译码器设计 基于清华大学、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 和电子科技大学4 家单位提交的5 套技术方案的融合方案，即中国地面数字电视 广播融合方案 6 】，已经基本确定，其很有可能成为我国数字电视地面传输标准。在 融合方案中用到的前向纠错编码将是l d p c 码，由此可见测试平台项目的必要性。 2 1 中国地面数字电视广播融合方案 中国数字电视地面广播融合方案采用t d s o f d m 4 l f 时域同步正交频分复用1 技术，用3 7 8 0 个正交子载波来传送h d t v 信号。图2 - 1 为该方案的发送端系统框 图。系统发送端的输入数据码流经过信道编码咆括能量扩散即扰码、前向纠错编 码和交织等) 、符号星座映射，并加入系统信息后形成基本数据块，该基本数据块 经过帧体数据处理后以时域信号形式与相应的p n 同步序列复合为信号帧。此后， 经过基带滤波，再变频生成射频信号放大后发射。 | 墨f2 - 1 融合方案发端系统框图 夺扰码器 数据扰乱码( 能量扩散码) 是由一个1 5 阶的二进制多项式x 1 5 + x 1 4 + 1 定义的、其 初始状态为1 0 0 1 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 的p n 序列。数据扰码器中所用的p n 序列可由图2 2 所示的线性反馈移位寄存器( l f s r ) 生成。输入的b i t 码流( b y t e 码字从m s b 到 l s b ) 与p n 序列进行逐位模二加后产生数据扰乱码。扰码器的移位寄存器每个信 号帧或每个l d p c 编码块复位一次，取决于何者长度最长。 电子科技大学硕士学位论文 图2 - 2 扰码器组成 夺前向纠错编码 前向纠错编码( f e c ) 采用l d p c 码。具体参数见表2 - 1 。 表2 - 1 f e c 码的参数 编号 块长f 比特】 信息比特 对应的内码码率 码率1 7 4 8 83 0 0 80 4 码率27 4 8 84 5 1 2 0 6 码率37 4 8 86 0 1 6 0 8 夺符号星座映射 本标准包含以下几种符号映射关系：4 q a m 、1 6 q a m 、3 2 q a m 、6 4 q a m 、 4 q a m + n r 。 各调制方式加相应的功率归一化因子，使各种调制方式的平均功率 趋同。 夺数据信号交织 时域符号交织编码是在多个信号帧之间进行的。数据信号( 数据码的星座符号) 的数据块间交织采用基于星座符号的卷积交织编码，如图2 - 3 所示。其中变量b 表示交织宽度( 支路) ，变量m 表示交织深度( 延迟缓存器) 。交织去交织对的总时 延为m x ( b - - 1 ) x b 符号。取决于应用情况，数据块间交织的编码器有两种工作模 式： 模式1 ：b = 5 2 ，m = 2 4 0 符号，交织猝交织总延迟为1 7 0 个信号帧。 模式2 ：b = 5 2 ，m = 7 2 0 符号，交织解交织总延迟为5 1 0 个信号帧。 。二二互二二卜、 二二巫 二) 一 j 一 二 互夏i 二玉匝亟二卜 图2 - 3 卷积式数据块间交织 1 4 第二章测试平台结构及l d p c 译码器设计 夺数据帧结构 该系统采用的数据帧结构是一种四层结构。其中，一个基本帧称为信号帧， 信号帧由帧头和帧体两部分组成。超帧定义为一组信号帧。分帧定义为一组超帧。 帧结构的顶层称为日帧( c a l e n d a r d a y f r a m e , c d r ) 。信号结构是周期的，并与自然时间 保持同步。其结构如图2 - 4 所示。 日帧 图2 - 4 分级复帧结构 以上为中国地面数字电视广播融合方案发送端的大概结构，由于目前国家尚 未出台，该方案仍处于保密阶段，所以本文不作详细介绍。 2 2 窄带l d p c 解码一误码测试平台 窄带l d p c 解码一误码测试平台主要是完成l d p c 码解码的误码率测试工作， 系统框图如图2 5 所示，下面对该平台的结构作一些介绍分析。 图2 - 5 窄带l d p c 解码一误码测试平台系统框图 电子科技大学硕士学位论文 发送端3 2 7 6 7 点m 序列用于误码测试，其经过被测的信道编码后与2 5 5 点的 m 序列组成一个测试数据i 陨，2 5 5 点的m 序列用于测试数据帧的同步。测试数据 帧经过星座映射以及频域成帧后形成1 0 2 4 点的频域数据帧，频域成帧的时候插入 1 5 个频域导频，再经过1 0 2 4 点i f f t 变换到时域，与1 2 7 点的p r b s 帧头一起构 成一个时域帧，时域帧信号经过滚降滤波后成为数字基带信号。 接收端经过t u n e r 后经a d 采样后进行o f d m 的同步和基带