（通信与信息系统专业论文）地面数字电视广播传输系统同步算法仿真与fpga实现.pdf

地面数字电视广播传输系统同步算法仿真与f p g a 实现 摘要 中国地面数字电视广播传输标准( d t 皿) 已于2 0 0 6 年8 月3 0 号 正式出台，但如何设计一个适合该标准的接收系统仍是d t m b 的技术 难点和研究焦点所在。d t m b 系统标准的研究与实现，具有巨大的实 用价值和广阔的市场前景。 本文完成的是中国地面数字电视传输系统接收机同步系统的 f p g a 设计与实现，包括希尔伯特变换、数字下变频和整个同步模块。 本文首先介绍了地面数字电视的发展现状及中国地面数字电视传输 标准发送端整体结构和接收端的概括结构，然后详细介绍了接收机基 带变换的设计与实现过程。本文的基带变换由希尔伯特变换和数字下 变频构成。采用流水线转置结构实现希尔伯特滤波器，对滤波器的抽 头系数用c s d 表示，移位相加代替乘法运算，并通过r a g 算法实现系 数之间的复用，减少了加法器的数量，节省了资源消耗。采用c o r d i c 算法实现数字下变频，移位迭代操作节省了大量资源，并克服了传统 下变频不能应用于时变相位场合的缺点。 接着实现了接收机中整个同步模块的算法分析和硬件设计。根据 d t m b 系统信号帧结构特点，提出了符号同步、采样时钟同步和频率 同步的实现方法，包括：利用p n 序列的相关特性，通过定时误差闭 环反馈控制内插滤波器的方法完成数据的采样率转换，逐渐恢复出最 佳采样点，从而实现符号和采样时钟的联合同步；提出了闭环控制结 构的时域频偏校正方法，利用c o r d i c 算法进行频偏估计与补偿。首 先通过频点搜索补偿掉较大频偏，然后利用帧头p n 之间的延时互相 关操作，估计出剩余频偏，并通过改变延时大小，调节频偏的捕获范 围和估计精度，有效跟踪频偏的变化，实现频率同步。利用信号帧的 帧头初始相位编码特性，通过计算相关峰的间距，推算出信号帧的相 位，完成相位匹配；最后对整个接收机同步模块进行了仿真。 关键词：地面数字电视广播希尔伯特变换数字下变频符号和采样 ，时钟同步频率同步 北京邮电大学硕士研究生论文 s i m u l a t i o na n df p g ai m p l e m e n t a t i o no f s y n c h r o n i z a t i o n 。d i g i t a t e i q w i s i o n s y n c h r o n i z a t l o ni ni r i t a l1e l e v l s ! o n t e r r e s t r i a lb r o a d c a s t i n gt r a n s m i s s i o ns y s t e m c h i n e s ed 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 g ( d t m b ) t r a n s m i s s i o ns t a n d a r d sw a sf o r m a l l yt a b l e do na u g u s t3 0 2 0 0 6 t h e p r o b l e mo fh o wt od e s i g nas t e a d yr e c e i v e ra d a p t st ot h es t a n d a r di ss t i l l t h eb a s i ct e c h n i c a ld i f i c u l t ya n dr e s e a r c hf o c u so ft h ed t m b s y s t e m s t u d ya n di m p l e m e n t a t i o nf o rd t m bs y s t e mi so ft r e m e n d o u sp r a c t i c a l v a l u ea n db r o a dm a r k e tp r o s p e c t s t h ef p g a b a s e dh a r d w a r e i m p l e m e n t a t i o na n dd e s i g no ft h e r e c e i v e r sd i g i t a lh e a ds y s t e mo fc h i n e s ed 田m bs y s t e mh a sb e e n c o m p l e t e di n t h i sd i s s e r t a t i o n ，i n c l u d i n gt h er e a l i z a t i o n so ft h eh i l b e r t f i l t e r , d i g i t a ld o w n c o n v e r t e r ( d d c ) a n da l lt h es y n c h r o n i z a t i o ns y s t e m f i r s t l y , t h ed e v e l o p i n gs t a t u so fd 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 g ， w h i c hi sf o l l o w e db yt h ew h o l es t r u c t u r ei n t r o d u c t i o no ft h et r a n s m i t t e r a n ds y s t e ms u m m a r yo ft h er e c e i v e ro fc h i n e s ed t m bi si n t r o d u c e d t h e n ，t h ed e s i g no fb a s e b a n dc o n v e r t e r , w h i c hi sc o m p o s e do fh i l b e r t f i l t e ra n dd i g i t a ld o w n c o n v e r t e r , i si n t r o d u c e di m p o r t a n t l yi nc h a p t e r3 t h i sd i s s e r t a t i o nh a sb r i n g e du pap i p e l i n i n gt r a n s p o s e ds t r u c t u r ef o r i m p l e m e n t i n gt h eh i l b e r tf i l t e r b yu t i l i z i n gc s dr e p r e s e n t a t i o n so ff i l t e r c o e f f i c i e n t st or e p l a c et h em u l t i p l i e rw i t hs h i f ta d d e ra n do p t i m a l r e d u c e da d d e rg r a p h ( r a g ) a l g o r i t h mt os h a r et h et a pc o e f 蚤m i e n t st o r e d u c et h er e s o u r c ec o s t i m p l e m e n tt h ed d cw i t hc o r d l ca l g o r i t h m ， w h i c hr e d u c et h ef p g ar e s o u r c ec o s tw i t hi t si t e r a t i v es h i f to p e r a t i o n a n da l s oa v o i d i n gt h ed i s a d v a n t a g eo ft r a d i t i o n a ld d cm e t h o di nv a r i a b l e p h a s es i t u a t i o n i nc h a p t e r4 ，t h ea r i t h m e t i ca n a l y s i sa n da r c h i t e c t u r ed e s i g no ft h e s y n c h r o n i z a t i o ns y s t e mo ft h er e c e i v e ra r ei n t r o d u c e di nd e t a i l t h e t i m i n g d o m a i n s y n c h r o n i z a t i o ni n c l u d i n gs y m b o l ，s a m p l i n g a n d 北京邮电人学硕上研究生论文 f r e q u e n c ys y n c h r o n i z a t i o ni sp r o p o s e da c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so f f r a m es t r u c t u r eo fd t m bs y s t e m s y m b o la n ds a m p l i n gs v n c h r o n i z a t i o n i sb a s e do nt h ep ns e q u e n c ec o r r e l a t i o n r e c o v e r yt h eo p t i m a ls a m p l i n g s i g n a lb yt r a c i n gt h et i m i n gd r i f tb yac l o s e d - l o o pc o n t r o l l e di n t e r p o l a t o r f i l t e r , w h i c hi sa d j u s t e db yt i m i n ge r r o r b r i n gu paf r e q u e n c yo f f s e t c o r r e c t i o nm e t h o du s i n gc l o s e d 1 0 0 pc o n t r o l l e ds t r u c t u r e ，a n dd e a lw i t h f r e q u e n c yo f f s e te s t i m a t i o na n dc o m p e n s a t i o nb yu t i l i z i n g c o r d i c a l g o r i t h m i tf i r s t l yc o m p e n s a t el a r g es c a l ef r e q u e n c yo f f s e tb yf r e q u e n c y s c a n ，t h e ne s t i m a t et h ef r e q u e n c yo f f s e tb yu s i n gt h ec o r r e l a t i o no fp n a n di t s d e l a yi nt i m ed o m a i n a d j u s t i n gt h e e s t i m a t i o n r a n g e a n d e s t i m a t i o na c c u r a c yb yc h a n g i n gt h ed e l a yt i m et ot r a c et h ef r e q u e n c y o f f s e t a tt h es a m et i m e ，t h i sd i s s e r t a t i o nh a sr a i s e dt h ep r o c e s so ft h e p h a s em a t c h i n gi nt h em o d eo fc h a n g e dp n s i m u l a t i o na n df p g a v e d f i c a t i o ni sf u i f i l i e di nt h ef i n a l k e y w o r d s ：d i g i 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 g ( d t r b ) h i l b e r tf i l t e r d i g i t a ld o w n c o n v e r t e r ( d d c ) s y m b o la n ds a m p l i n g s y n c h r o n i z a t i o nf r e q u e n c ys y n c h r o n i z a t i o n i i i 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的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。尽我所知，除了文中特另u ；l l l ：l 以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或 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谢意。 申请学位论 本人签名： 处，本人承担一切相关责任。 日期： 掣望：型 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅 和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印 或其它复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密 论文注释：本学 本人签名： 导师签名： ，适用本授权书。 日期：盏型：全2 日期： q 旱乒2 ：! 北京邮电大学硕士研究生论文 第一章绪论 本章主要对地面数字电视广播传输系统( d 1 m ) 的形成背景、发展概况 进行了总结，并对国内外地面数字电视广播传输系统进行了对比讨论，指出了 各系统所采用的不同同步技术及其在d t t b 系统中所处的环节和作用；最后， 对自己在论文完成的过程中所做的主要工作做了介绍。 1 1 课题背景和意义 电视对于当今世界任何国家来说都是最重要的消费电子产品。在经历了机械 电视时代、黑白电子电视时代和彩色电视时代以后，现在已经进入了一个新时代： 数字电视时代。广播电视由模拟向数字方向发展已成为共识，电视系统全面数字 化的潮流势不可挡。数字电视的概念最早于2 0 世纪8 0 年代由欧洲率先提出，随后 欧洲、美国、日本的研发机构和企业纷纷迅速开展了数字电视技术的研发及标准 的制定，并分别于1 9 9 5 年、1 9 9 7 年和2 0 0 1 年制定了数字电视标准。 数字电视的全部流程包括制作编辑、信号处理、广播传输和接收显示等几大 部分，其中所包含的技术内容非常庞杂，涵盖了信源编解码、信道传输、条件接 收、中间件、流媒体技术、内容保护等多个方面。与传统的模拟电视相比，数字 电视在图像和声音质量两方面都有重大改进。其根据清晰度可分为：标准清晰度 数字电视( s d t v ：s t a n d a r dd e f i n i t i o nt e l e v i s i o n ) 和高清晰度数字电视( h d t v ： h i g hd e f i n i t i o nt e l e v i s i o n ) ，码率分别约为4 m b p s 和2 0 m b p s 左右。 数字电视的优势和特点主要表现在5 个方面： ( 1 ) 清晰度高、音频效果好。由于数字电视全过程采用数字信号，不受节目 编辑、传输、转播和接收的影响。s d t v 数字电视节目可以达到d v d 质量， 在观看h d t v 节目时清晰度是目前电视的4 倍以上，如3 5 r a m 电影般清晰。 ( 2 ) 频带利用率高。原w 也频道可播放4 到8 套标清数字电视。 ( 3 ) 抗干扰性能好。解决了模拟电视中的闪烁、重影、亮色互串等问题；可 以实现城市楼群的高质量接收，移动载体中也可接收到清晰的数字电视节目。 ( 4 ) 便于开展各种综合业务和交互业务( 包括因特网业务) ，有利于构建“三网 合一”的信息基础设施。 ( 5 ) 节目的加密处理等应用。 数字电视广播主要通过卫星、有线电视及地面无线三种传输方式实现。一 般认为，卫星广播着重于解决大面积覆盖。有线电视广播着重于解决“信息到 户”，特别是在城镇等人口居住稠密地区。与数字电视有线广播、卫星广播两种 北京邮电大学硕七研究生论文 传输方式相比较，数字电视地面广播不仅具备数字无线系统的共同优点与特征， 还具有卫星广播与有线广播所不具备的特点：与卫星接收相比较，地面广播实现 容易，价格低廉；与有线接收相比较，地面广播不易受自然灾害、战争、施工 建设等因素影响。此外，数字电视地面广播具备蜂窝单频网( s f n ：s i n g l e f r e q u e n c yn e t w o r k ) 功能，采用蜂窝单频网技术可提高频谱资源利用率。而且数 字电视地面广播可应用于宽带无线接入领域，还能实现移动接收和便携接收， 能够满足现代信息化社会所要求的“信息到人”的基本需求。所以，地面数字电 视广播( d i 西t a lt vt e r r e s t r i a lb r o a d c a s t i n g , d t r s ) 在未来数十年中将具备极大的 商业价值。随着数字电视广播近十年来的发展，卫星和有线电视广播的基本传 输技术已经成熟。而地面数字电视广播的传输环境恶劣，频谱资源有限，应用 需求分散，其技术仍有很多需要改善的地方，尤其在提高固定接收的稳定性以 及移动接收的性能等方面有很大的改进潜力n 1 ，本文就是基于这样的考虑重点 研究我国地面数字电视广播系统( d t m b ) 的内接收机设计与实现。 1 2 地面数字电视广播的基本需求嘲 对于地面数字电视广播来讲，首先要求数字电视有足够好的接收性能，在 室内采用简单、小型和低增益天线实现稳定接收。甚至在较强静态和动态多径 的环境中，系统仍能够稳定工作。 其次，考虑到数字电视同后发展的广阔空间和业务应用的多样性及传输容 量需求的不断增长，要有足够高的传输码率，以便在单个6 8 m h z 信道中提供 高质量高清晰节目( 大约2 0 m b p s ) 。 再次，要有利于频率规划，使用现有分配的电视频道来传输d t v 节目， 实现和模拟电视节目的同播；当没有额外的频道分配时可使用禁用频道( 由于干 扰过大，不能用于模拟电视的频道) ，并具有和现有模拟电视台相当的覆盖范围。 其它的要求包括：需要先进的信道编码和信道估计方案，以便降低系统 ( a n ) 门限，以此降低发射功率，并减少了对现有模拟电视节目的干扰，抵 抗各种干扰失真。高度灵活的操作模式，通过选择不同的调制方案，系统能够 支持固定、便携、步行、手持或移动接收。易于和其它媒介或服务器的接口， 支持多节目业务，能够通过分级调制得到分级服务，具有交互性。高度灵活的 频率规划和覆盖区域，能够使用单频网和同频道覆盖扩展缝隙填充。而且系统 应允许多种成本价格的接收机实现，包括低成本实现等等。 总结上述需求条件，可见d t t b 系统的主要设计目标是实现频谱的高 效利用，在保证足够大的数据传输速率下提供稳定的固定和移动接收能 力。 北京邮电大学硕上研究生论文 1 3 国内外地面数字电视传输的现状 从1 9 9 8 年1 1 月开始，北美和欧洲已经开播d t t b 节目，许多国家宣布了 他们的d t r b 制式选择和实现计划。目前，地面数字电视广播( d t f b ) 已经形成 了三种国际传输标准：基于v s b 技术的a t s c ( 美国) 、基于c o f d m 技术的 d v b t ( 欧洲) 和i s d b t ( 同本) 州。 a t s c 数字电视标准是高级电视系统委员会a t s c 开发的口1 。最初的 设计目标是用于室外固定接收的地面广播和有线分配系统，不支持便携和 移动接收，室内接收效果也不好。 调制方案采用了具有导频信号的单载波调制，即八电平残留边带调制 ( 8 v s b ) ，用于单发射机( 多频网m u l t i f r e q u e n c yn e t w o r k ，m f n ) 实现。此 系统的设计允许在已有的n t s c 发射机上分配一个额外的具有相当覆盖范 围的数字发射机，并且在区域和人口覆盖方面对现存n t s c 节目影响最小。 它是成熟的现有a m 调制技术的高度发展，其性能高度依赖于自适应均衡 器，因此为了抵抗多径回波和各种干扰，需要非常复杂的均衡器。 美国v s b 系统加入了0 3 d b 的导频信号，用于辅助载波恢复。传输信 号采用段、场结构，成帧发送，其帧结构如图1 - 1 所示。加入的段同步信 号用于系统同步和时钟恢复；而长度达5 1 1 的两电平场同步信号，用于系 统同步和均衡器训练，通过采用精心设计的自适应判决反馈均衡器来消除 多径衰落引起的回波干扰。为抗n t s c 同频干扰，采用在接收机中加入千 扰抑制滤波器，也称梳状滤波器( 因其幅频特性呈梳状) 。 3 1 3 s e s n e n t s 3 1 3 s e g n e n t s 1u _ - y lj f i e l ds y n ci s e g d a t a + f b c m e n l ll t f i e l ds y n ci + l s y n d a t a + f e c c c 一 图1 - 1a t s c 帧结构 另外，系统配以较强的内外信道编码纠错保护措施。如此设计的 北京邮电大学硕1 - 自0 f 究生论文 8 v s b 系统和d v b t 及i s d b t 相比，对于加性高斯白噪声( a w g n ) 和 小的重影信道有更强的抵抗性、更高的频谱效率、更低的峰值均值比和对 脉冲噪声的更高的可靠性。 但美国a t s c 系统存在一系列问题，最主要的是对付强动态多径困难。 这是由系统的原有设计思想、帧结构本身的缺陷造成的。在时延小的强多 径情况下，导频信号会受到严重影响，同步出现困难。尤其是均衡器性能 急剧下降：系统虽然使用了训练序列，但两个训练序列之间相隔2 4 m s ， 期间多径的快速变化无法被跟踪，虽然使用结构复杂判决反馈( d f e ) ，利 用数据本身产生的误差信号进行自适应调节，用以跟踪变化快的多径，但 d f e 需要信道被均衡到一定程度( 错误判决少于1 0 ) 才能正常工作，而且 d f e 是无限冲激响应结构( i i r ) ，在强多径下，系统是不稳定的。另外，为 了对付同频干扰使用的梳状滤波器使系统门限上升3 d b ，且实现复杂。 d v b t 系统是欧洲数字视频广播( d i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t i n g ，d v b ) 组 织开发的。设计目标是室内室外固定接收，提供便携接收而非移动接收。 因此，它的移动接收效果也不好。该系统在现存的已分配给模拟电视传输 的u h f 频谱内地面广播。8 m h z 信道内传输的有效净比特码率在4 9 8 3 1 6 7 m b i t s 范围内，取决于信道编码参数、调制类型和保护间隔的选择。 在地面传输方面，它采用与美国8 v s b 不同的调制技术c o f d m ， o f d m 属于多载波调制技术。d v b t 在每个电视频道内使用了1 7 0 5 ( 2 k 模式) 或6 8 1 7 ( 8 k 模式 ) 个子载波。d v b t 的帧结构如图1 2 所示。o f d m 的基本原理就是将一个较宽频带分成一些子信道( s u bc h a n n e l o r s u b c a r r i e r ) 。如果各子信道所占带宽足够窄，它们将分别经历平坦衰落。 在这种情况下，接收机的均衡器很容易实现。而且，为了提高系统频谱效 率，o f d m 系统中各子信道的频谱是重叠的，但它们之间又是正交的，这 就是其正交频分复用( o f d m ) 名称的由来。多径信道情况下，为了保持其 各子信道间的正交性，必须加入保护间隔( g u a r di n t e r v a l ，g i ) 。d v b t 使 用循环前缀( c y c l ep a d d i n g ，c p ) 保护间隔，就是将o f d m 码元最后一部分 复制到各码元前端。 图1 - 2d v b - t 帧结构 北京邮电大学硕士研究生论文 我们知道，两个信号的循环卷积的d f t 等于它们分别d f t 后的乘积： o r r d 一 丸 一胛p 一 o r r h ) 式( 1 一1 ) 信号和信道冲激响应之间的关系是线性卷积关系，在循环前缀( 后缀) 扩展 的情况下，只要信道冲激响应的长度小于保护间隔的长度，线性卷积等同于循 环卷积，就能克服由于信道多径带来的码间串扰( i n t e rs y m b o li n t e r f e r e n c e ，i s i ) 。 为了辅助完成同步任务，d v b - t 在频域放置了大量导频信号，穿插在数据子载 波之中，并以高于数据3 d b 的功率发送。如图1 3 所示。这些导频信号可以完 成系统符号同步、载波恢复、时钟调整和信道估计。由于分散导频的使用，能 够跟踪和估计较快的信道特性变化。 ；l l 0 ：0 ：j ；鼍； ；1 01 0 j j；|l耋i；兰；j|i；：l i ；i ；：j - 一一； | j ：- ：j ；! ，； 图1 - 3d v b t 导频信号 此外，长度可选择的保护间隔和子载波模式，允许d v b t 系统支持 不同的网络配置，8 k 模式适用于大范围的单频网( s f n ) 或者2 k 模式用于移 动接收。同时系统可以选择不同的q a m 调制级数和不同的内码码率，可 在一个d r r b 频道内提供两层业务。 不过，d v b t 也存在一些缺陷。首先是过多的导频使得频带损失严重。 分析d v b 的导频不难发现，导频信号和保护间隔至少占据了有效带宽的 1 4 左右，若采用大的保护间隔，此数值将超过3 0 。因此，d v b t 是以 过分下降宝贵的系统传输容量为代价来换取系统的抗多径性能。其次， c o f d m 细同步算法要利用导频信号在频域上实现，而导频是在d f t 之前 插入的，进行d f t 计算又需要首先同步( 之后才能进行正确解调) 。因此， c o f d m 采同步需要使用迭代逼近算法，这样就存在一个收敛误差和收敛 时间问题。而且与单载波8 v s b 相比，c o f d m 对同步误差更加敏感，同 步性能不好会导致接收机性能明显下降，这也是c o f d m 在a w g n 和时 延短、能量小多径情况下性能不如8 v s b 的原因。另外使用c o f d m 进行 信道估计时，将多径衰落信道看成是在时间和频率上的一个二维信号，利 用采样插值即可得到整个信道的频率响应值。要获得一次全信道估计需要 一-一 ：，：一：一u_一：， 叫m：-：_f0一：i 一一 一一 北京邮电人学硕：l ：研究生论文 连续4 个c o f d m 帧，估计时间也较长，使得对随时间快速变化信道的跟 踪性能不好。 i s d b t 系统是日本无线电工商业协会( a s s o c i a t i o no fr a d i oi n d u s t r i e sa n d b u s i n e s s e s ，a r l b ) 开发的啼1 。设计目标是综合业务的室内室外固定、便携和移动 广播接收。系统采用的调制方法称为频带分段传输佃s t ) o f d m ，由一组共同的 称为b s t 段的基本频率块组成。除o f d m 特性之外，b s t - o f d m 对不同的b s t 段采用不同的载波调制方案和内码编码码率，依此提供了分级传输特性。每个 数据段有其自己的误码保护方案( 内码编码码率、时间交织深度) 和调制类型 ( q p s k , d q p s k , 1 6 q a m 或者6 4 q a m ) ，这样每段能满足不同的业务需求。许 多段可以灵活地组合到一起，提供宽带业务( 例如h d t v ) 。该系统衍生于欧洲 系统，主要变动是针对多媒体广播和移动接收的需求，将频带进行了分段，并 大大加长了交织深度( 最长达o 5 秒) ，以改善移动接收效果。虽然日本系统在移 动测试中表现出一定的优越性( 也相应证明了欧洲系统需要改进) ，但它并没有 解决c o f d m 中的实质性问题。 上述3 种地面数字电视传输标准传输参数比较如表1 1 所示1 。 表1 - 1 美国、欧洲、日本地面广播传输参数比较 美国a t s c 标准欧洲d v b t 标准日本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 k2 k 、4 k 、8 k 视频压缩m p e g 2 音频压缩 d o l b ya c - 3 m p e g 2 层l im p e g 2 层l i i 音频编码m u s i c a m 音频编码a a c 音频编码 复用方式m p e g 2 信道外码 r s 码( 2 0 7 ，1 8 7 )r s 码( 2 0 4 ，1 8 8 )r s 码( 2 0 4 ，1 8 8 ) 信道内码 网格编码( t c m )卷积编码( 码率：1 2 、2 3 、3 4 、5 6 、7 8 ) ( 码率2 3 ) 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 8 m b p s 4 9 8 - 31 6 7 m b p s 3 6 8 - 2 3 4 2 m b p s 接收门限 c n = 1 5 d bc n = 1 9 d b 从表中我们可以看到三套系统的一些区别和联系。a t s c 、d v b - t 、i s d b - t 标准的频道宽度均为6 - 8 m h z ，每个频道都可以设置一个固定接收h d t v ( 高清 晰度电视) 或4 巧个s d t v ( 标准清晰度电视) ，数字电视频道的宽度和原有模拟 电视频道相同，处在转换期的同播状况，均采用“放弃信源兼容，坚持信道兼容 的政策”。a t s c 在6 m h z 内可稳定地传输一套h d t v 电视。d v b t 由于保护 北京邮电大学硕二研究生论文 间隔的插入，从而减少了频谱的利用率，在6 m h z 内较难稳定地接收一套 h d t v 电视，必须加大带宽才能稳定地接收。目前d v b - t 首先采用的是s d t v 电视。 a t s c 采用网格编码调制，理论和实测都表明，接收门限( c n ) 达1 5 d b ， 提高了电视发射机覆盖范围。d v b - t 和i s d b - t 接收门限( c n ) 大约在1 9 d b 左 右。从接收场强看，a t s c 要优于d v b t 和i s d b t3 训b 左右。模拟接收的 门限一般为4 0 d b 左右，可见，数字接收大大提高了广播的覆盖范围。 a t s c 不支持移动接收，而d v b t 和i s d b t 都支持移动接收。为增强移 动接收能力，d v b 的工作小组从2 0 0 2 年前后开始研究d v b - h ，2 0 0 4 年1 月 确定了该规格的基本框架。d v b h 是d v b t 的扩展，它的主要应用是在手机、 掌上电脑等手持移动终端上看电视。相对于d v b - t ，d v b h 标准主要增加了 以下内容： ( 1 ) 引入时间切片( t i m es l i c i n g ) 技术，发送数据仍然是连续的，接收机可以 选择接收部分s l i c i n g 而省电。 ( 2 ) 蜂窝问握手准备。通过对相邻蜂窝监控，将传输流的切换时间放在接收 机的关闭时间，蜂窝转换的握手可以保证服务不中断。 ( 3 ) 在d v b - t 的2 k 和8 k 传输模式之外加入4 k 传输模式，增加组网灵活性。 世界上的各个国家都需要按照本国的国情来选择或制定适合自己的数字电 视制式。目前，美国、韩国、加拿大和我国台湾少数几个国家和地区采用了a t s c 标准，欧洲大部分国家如英国、德国、西班牙等，以及澳大利亚、巴西、墨西 哥、新加坡、我国香港等较多数国家和地区采用了d v b 标准，仅日本采用i s d b 标准 。 为了制定出适合我国的电视标准，掌握具有我国自主知识产权及国际先进 水平的各种关键技术，我国自1 9 9 4 年起，也开始了高清晰度电视的研究工作， 并于1 9 9 8 年研制成功了中国第一代高清晰度电视功能样机。由广播电视主管单 位、国家广电总局组织了我国的专家对数字电视及数字高清晰度电视标准进行 了制定。2 0 0 6 年8 月3 0 同，国家标准委在“2 0 0 6 年第8 号( 总第9 5 号) 中国国 家标准批准发布公告”中发布了标准号为g b 2 0 6 0 0 2 0 0 6 的数字电视地面传输标 准数字电视地面广播传输系统帧结构、信道编码和调制。此标准简称为 d t m b ，是由我国多家单位联合研究的，具有自主知识产权的地面数字电视传 输标准。 与现行的美国a t s c ( 8 v s b ) 系统，欧洲d v b t ( c o f d m ) 系统，日本i s d b t ( o f d m ) 系统相比，我国的数字地面电视标准具有相当或更优的测试结果。我 国d t m b 系统中采用时域同步正交频分复用( t d s o f d m ) 调制属多载波技术， 北京邮电大学硕七研究生论文 但与欧洲的c o f d m 不同，在t d s 。o f d m 中没有插入频域导频信号，而是利 用了扩频通信技术，插入了p n 序列，在时域进行帧同步、频率同步、定时同 步、信道传输特性估计和跟踪相位噪声等。由于使用了扩频码，使得地面国标 具有了扩频通信的优越性能，从而使得系统既具有c o f d m 的优点，又回避了 其缺点。d t m b 具有更高的接收灵敏度，纠错能力强、合理的帧结构等使系统 在更低的载噪比下获得良好的接收效果：更大的有效载荷，系统频谱利用率高， 传输更多的有效载荷；更好的抗误码能力，获得更好的系统误码性能：简单、 精确、快速同步，支持高速、高码率、单天线接收，更容易实现与通信网络的 交互；在高速移动状态下接收，采用时域的快速信道估计技术，使系统同步和 信道估计时间由其他标准的约2 0 0 m s 和l m s 分别降低到2 m s 和0 6 m s 左右； 同一网络结构下支持多种业务模式，与绝对时间同步的帧结构和时频域混合处 理使国标可以在物理层支持包括手持终端在内的多种业务模式；更好地单频网 支持，与绝对时间同步的帧结构，使其单频网同步设备更易实现，同时可在更 大范围内支持移动接收单频网；更强的功能扩展，支持互连网的扩展设计、灵 活的接口方案埔1 。 1 4 本文的主要工作 中国数字电视地面广播标准公布之后，必然要将其产业化，形成真正可用 于地面数字电视广播的产品。而且，时域同步正交频分复用t d s o f d m 是我 国d t m b 系统的核心技术，是属于创新的多载波调制方式。其基本帧结构中引 入了p n 码作为帧头，充当保护间隔的角色，同时完成时域同步和信道估计， 相比其它标准更具有优势。因此，对地面国标系统的仿真和硬件实现过程的研 究是具有极大技术价值和广阔的市场发展前景的。 本文所属项目是完成具有发送和接收地面数字电视系统信号功能的芯片， 本文围绕我国数字电视地面传输( d t m b ) 系统接收机中数字前端在f p g a 实 现中的问题，对于希尔伯特滤波器、数字下变频和整个同步模块等进行了分析 和研究： 第一章：简单介绍了数字电视的发展过程和本文的课题背景。 第二章：简单介绍了我国数字电视地面传输系统的整体结构和接收机数字 前端的整体结构设计。 第三章：详细介绍了希尔伯特滤波器、数字下变频的工作原理和实现。 第四章：重点介绍了接收机中同步部分的算法仿真和f p g a 实现。 第五章：对全文做了总结，并展望数字电视未来的发展方向。 北京邮电大学硕上研究生论文 第二章d t m b 系统概述 2 1d t m b 系统发送端整体结构 地面数字电视广播系统国1 发送端完成从m p e g t s 传送码流到地面电视传 输信道的基带信号的转换。输入数据码流经过扰码器( 随机化) 、前向纠错编 码( u ) p c ) ，然后进行比特流到符号流的星座映射，再进行交织后形成基本 数据块，基本数据块与系统信息组合( 复用) 后并经过帧体数据处理形成帧体， 帧体与相应的帧头( p n 序列) 复接为信号帧( 组帧) ，经过基带后处理形成输 出信号( 8 m 带宽内) 。该信号经变频形成射频信号( 5 2 m h z 8 6 6 m h z 频段范围 内) 。系统发送端原理框图如图2 1 所示： 图2 一l 地面国标发送端系统结构图 为适应不同需求，d t m b 系统允许不同码率的l d p c 前向纠错编码、不同 级别的q a m 调制、不同参数的交织模式、均匀和非均匀两种星座映射方式以 及不同长度的p n 帧头，该系统发送端主要功能模块简述如下： ( 1 ) 随机化：为了保证在任何情况下进入d t m b 传输系统的数据码流中“o ， 与“1 ”的概率都能基本相等，首先用一个伪随机序列对输入的t s 码流进行随机 化处理。伪随机序列是由一个标准的伪随机序列发生器生成，随机化后的数据 码流中的“0 ”与“1 ”的概率都接近5 0 。从信号功率谱的角度看，随机化过程相 当于将数字信号的功率谱弥散，因此随机化过程又被称为“能量扩散”。随机化 后的数据不仅能保持信号频谱的稳恒，也能改善帧同步和自适应时域均衡等系 统的性能。 ( 2 ) 纠错编码：d t m b 系统中采用b c h 和l d p c ( 低密度奇偶校验码) 级联码 来提高纠错能力。l d p c 输出数据块长为7 0 4 8 比特，允许0 4 、0 6 、0 8 三种 码率的编码方式。l d p c 编码后的比特数据通过洲映射实现比特数据到符 号数据的转换。系统允许q p s k 、1 6 q a m 、3 2 洲、6 4 q a m 或者q p s k - n r5 北京邮电大学硕士研究生论文 种调制方式。 ( 3 ) 交织：为了在接收端能纠正大于i x ) p c 纠错能力的突发错误，对映射后 的符号数据进行交织编码，在d t m b 系统中采用两种交织技术：时域符号交织 和频域交织。时域符号交织编码是在多个信号帧的基本数据块之间进行的，数 据信号( 即数据码的星座符号) 的基本数据块问交织采用基于星座符号的卷积 交织编码，系统采用b ( 交织宽度) ：5 2 ，m ( 交织深度) ：2 4 0 或b ：5 2 ，m - 7 2 0 两种时域符号交织模式；频域交织在载波数c = 3 7 8 0 模式下使用，频域交织的 目的是将调制星座点符号映射到帧体包含的3 7 8 0 个有效载波上。频域交织为帧 体内的符号交织。交织后的数据与系统信息( t p s ) 组成数据块送入帧体数据处 理模块进行处理。 ( 4 ) 帧体数据处理：d t m b 系统允许2 种帧体数据处理模式：时域和频域模式。 在频域模式下，采用t d s o f d m ( 时域同步正交频分复用) 的多载波传输方式。 复用后的频域数据由3 7 8 0 点子载波组成，每个子载波间隔为2 k ，占用的的r f 带宽为7 5 6 m i - i z 。通过3 7 8 0 点的i f f t 运算变回时域数据，并和p i n 帧头数据 组成o f d m 符号。其中，p n 帧头数据可由一个f i b o n a c c i 型线性反馈移位寄存 器( l f s r ) 来实现，经“0 ”到“+ 1 ”值及“l ”到 - 1 ”值的映射变换为非归零的二进制 信号。p n 帧头数据不仅有助于接收机的载波同步、符号同步、定时同步和信 道估计，也能有效的对抗多径干扰。插入帧头数据的长度决定了系统抗多径能 力的强弱。方案允许n = 4 2 0 、5 9 5 、9 4 5 三种长度的帧头模式。 ( 5 ) 信号成形：为了消除码间干扰、并使抽样时刻的信噪比最大，需要在收、 发端各放置一个平方根升余弦滤波器。发送端滤波后的信号进行数字上变频和 功，a 转换后变成模拟中频信号，再经模拟上变频至r f 后进行功率放大，最后 经天线发射出去。 2 2d t m b 系统帧结构及其特点 为了支持便携设备，d t m b 传输系统采用了可与绝对时间同步的的分层帧 数据结构，以达到省电目的。帧结构分为同帧、分帧、超帧、信号帧，其中信 号帧为帧结构的基本单元，如图2 2 所示。 1 、日帧 日帧是d t m b 系统分层帧结构的项层，由1 4 4 0 个分帧组成，携带了发送 日的同期，是以一个自然同为周期进行周期性重复。在选定的参考时间，物理 信道帧结构被复位并开始一个新的日帧。 2 、分帧 d t m b 系统中的每个分帧由4 8 0 个超帧组成，分帧中每个超帧由其超帧