（通信与信息系统专业论文）tmmb信道编码与cofdm调制的研究与实现.pdf

中文摘要 手机电视移动多媒体广播系统可以为移动终端提供数字音、视频内容，使 用户能够随时随地的获取优质快捷的资讯和信息，市场应用前景十分广阔。 t - m m b 手机电视移动多媒体广播标准被确定为国家标准以来，成为手机电视领 域研究的热点之一。 本文在深入研究t - m m b 基带信号处理单元标准内容的基础上，设计并实现 了t - m m b 发射机的信道编码和c o f d m 调制系统。本文首先简要地介绍了 t - m m b 标准的特点和系统结构，分析了与本设计相关的系统的帧结构和传输模 式；介绍了本设计采用的f p g a 硬件实现平台和设计方法，f p g a 具有高速数字 信号处理的能力，能够很好地满足本系统的设计要求；接着重点讨论了t o m m b 发射机信道编码部分的原理和规范，设计并实现了能量扩散、删余卷积编码、准 循环l d p c 编码、时域交织器等模块，文中详细阐述了各部分的设计思想和设计 方法，给出了采用硬件描述语言在q u a r t u si i 开发环境下各模块的实现过程和仿 真结果，各项仿真结果表明本设计正确、合理；最后，本文按照t - m m b 标准关 于c o f d m 调制部分的相关规定，设计并实现了符号映射、频域交织、差分调制 和i f f t 变换等功能模块，并且给出了相关的设计方法和仿真结果，各模块能够 满足系统的时序和功能要求。 本设计对t - m m b 发射端基带信号处理系统的硬件实现进行了有意义的探索 和讨论，并且提出了设计方案，对于其今后的商用和推广有一定意义。同时，本 论文对发送端数字基带处理系统的相关关键技术进行了深入地讨论和分析，相信 对其他手机电视移动多媒体广播系统的设计也有借鉴价值。 关键词：陆地移动多媒体广播系统信道编码编码正交频分复用现场可编程 门阵列设计准循环低密度奇偶校验码 a b s t r a c t m o b i l ep h o n et v m o b i l em u l t i m e d i ab r o a d c a s t i n gs y s t e mp r o v i d e sd i g i t a la u d i o a n dv i d e oc o n t e n t sf o rt h em o b i l et e r m i n a l s t h eu s e r sc a ng e tt h eh i g hq u a l i t y i n f o r m a t i o nc o n v e n i e n t l ya n df r e e l y , t h ef u t u r em a r k e to f t h i sk i n do fs e r v i c ei sv e r y b r o a d a f t e rt h et - m m b ( t e r r e s t r i a lm o b i l em u l t i m e d i ab r o a d c a s t i n g ) s t a n d a r dw a s i d e n t i f i e da st h en a t i o n a ls t a n d a r d ，i tb e c o m e so n eo ft h eh o t s p o t si nt h ef i e l do ft h e m o b i l ep h o n et v b a s e do nt h er e s e a r c ho f t h et - m m bb a s e b a n ds i g n a lp r o c e s s i n gs t a n d a r d s ，t h i s p a p e ri l l u s t r a t e st h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no ft h ec h a n n e lc o d i n ga n dc o f d m m o d u l a t i o ns y s t e mo ft h et - m m bt r a n s m i t t e r t h i sp a p e rf i r s ti n t r o d u c e st h e c h a r a c t e r i s t i ca n ds t r u c t u r eo ft h et - m m bs y s t e mb r i e f l y ，a n dt h e na n a l y z e st h ef r a m e s t r u c t u r ea n dt h et r a n s m i s s i o nm o d e s f p g ah a r d w a r ep l a t f o r ma n dd e s i g nm e t h o d a r ea l s oi n t r o d u c e d f p g ah a sh i g hs p e e dd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n gc a p a b i l i t y , s oi ti s s u i t a b l ef o r t h ed e m a n do f t h i sd e s i g n a f t e rt h a t ，t h i sp a p e rd i s c u s st h ep r i n c i p l ea n d s t a n d a r do ft h ec h a n n e lc o d i n g ，d e s i g nt h ef o l l o w i n gm o d u l e s ：e n e r g yd i s p e r s a l ，d e l e t e r e d u n d a n tc o n v o l u t i o n a lc o d i n g ，q c - l d p ca n dt i m e - d o m a i ni n t e r l e a v e r t h ep a p e r a l s od e s i g n sa n di m p l e m e n t st h es y m b o lm a p p i n g ，f r e q u e n c y - d o m a i ni n t e r l e a v e r , d i f f e r e n t i a lm o d u l a t i o na n di f f tf u n c t i o n si nt h ep a r to ft h ec o f d mm o d u l a t i o n t h i sp a p e ro f f e r st h eh a r d w a r ec i r c u i td e s i g nw i t hv e r i l o gh d l ，d i s c u s s e st h ed e s i g n i d e a sa n dm e t h o d si nd e t a i l s t h i sd e s i g nc a nm e e tt h et e c h n i c a lr e q u i r e m e n t sa f t e r b e i n gt e s t e da n ds i m u l a t e d t h i sp a p e re x p l o r e sa n dd i s c u s s e st h eh a r d w a r ei m p l e m e n t a t i o n so f t h eb a s e b a n d s y s t e mo f t h et - m m bt r a n s m i t t e r , i ti sm e a n i n g f u lt ot h ef u t u r ec o m m e r c i a l a p p l i c a t i o n s t h ek e yp o i n t so f t h ec h a n n e lc o d i n ga n dc o f d mm o d u l a t i o na r ea l s o r e l a t e d ，s oi th a sr e f e r e n c ev a l u et oo t h e rm o b i l ep h o n et v m o b i l em u l t i m e d i a b r o a d c a s t i n gs y s t e m s k e yw o r d s ：t - m m b ，c h a n n e lc o d i n g ，c o f d mm o d u l a t i o n ，f p g ad e s i g n ， q c - l d p c 缩略语 d a b c m m b t m m b c o f d m l d p c s f n m f n s y n c f i c m s c f i b f i g c i f c u f p g a c p l d s r a m s o p c e d a l e p l l p r b s q c l d p c s r a a q p s k 8 p s k i f f t d q p s k d 8 p s k 缩略语 数字音频广播 中国移动多媒体广播 陆地移动多媒体广播 编码正交频分复用 低密度奇偶校验编码 单频网 多频网 同步信道 快速信息信道 主业务信道 快速信息块 快速信息组 公共交织帧 容量单元 现场可编程门阵列 复杂可编程逻辑器件 静态随机访问存储器 片上可编程系统 自动电子设计 逻辑单元 锁相环 伪随机二进制序列 准循环低密度奇偶校验码 移位寄存器累加电路 四进制相移键控 八进制相移键控 逆傅里叶变换 差分四迸制相移键控 差分八进制相移键控 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和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨盗盘鲎或其他教育机构的学位或证 书面使用过的材料。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。 学位论文作者签名：豳印手签字日期：跏7 年占月弓j 日 l， 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解叁盔盘鲎有关磉留、使用学位论文的规定。 特授权叁鲞盘堂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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 团印子 j 签字同期：如7 年占月弓l 同 导师签名： 孑懈 | 签字隅叫年王月弓同 第一章绪论 1 1 课题背景 第一章绪论 1 1 1t - m m b 手机电视标准概述 手机电视移动多媒体广播业务是指移动终端( 手机) 以频道或信道的形式， 接收广播形式的数字音视频内容( 如电视等) ，而这种业务需要在具有操作系统 和视频功能的智能手机上实现【l 】。国外关于手机电视标准的研究起步较早，技术 较成熟，手机电视业务也是层出不穷。韩国在d a b ( d i g i t a la u d i ob r o a d c a s t i n g ， 数字音频广播) 的基础上开发了数字多媒体广播t d m b ( 陆地数字多媒体 广播) ，而英国也基于d a b 开发了d a b i p ( 基于i p 的数字音频广播) ，从 而使d a b 突破声音广播的单一业务模式，成为多媒体广播系统。目前t d m b 和d a b i p 都已经被e t s i ( 欧洲电信标准化组织) 采纳为标准，并且已经在 韩国和英国进入商用阶段。相关的政府和厂商都在世界范围内进行各自多 媒体广播系统的研究和推广。 相比较而言，国内关于手机电视的研究起步较晚。但由于2 0 0 8 年北京奥运 会的推动，以及手机用户对手机电视的期盼，中国迎来了手机电视业务发展的新 机遇。为了应对广阔的市场、技术的推动和国外标准的压力，必须建立一套符合 中国国情的手机电视标准。正是在这种背景下，国内各方面纷纷推出了各自的手 机电视标准。 d m b t h 是由清华大学和北京凌讯华业科技有限公司提出的地面数字电视 传输标准，它是在国家数字电视标准d m b t 系统的基础上改进而得来的标准； c d m b 是中国标准化协会发布的手机电视标准，该标准组合了回传信道技术 t d s c d m a 、广播信道传输标准d a b 和信源编码标准a v s ：c m m b ( c h i n am o b i l e m u l t i m e d i a b r o a d c a s t i n g ) 是中国移动多媒体广播的简称，由国家广电总局于2 0 0 6 年l o 月发布，c m m b 标准可以使用3 0 m h z 至i j 3 0 0 0 m h z 频率范围内的广播业务频 率，通过卫星和地面无线发射电视、广播的数据信息，c m m b 目前已经推出了终 端手机产品并且正在进行试点商用。 t m m b ( t e r r e s t r i a lm o b i l em u l t i m e d i ab r o a d c a s t i n g ，陆地移动多媒体广播) 手机电视移动多媒体广播标准是北京新岸线公司于2 0 0 4 年1 0 月在信产部、 发改委和广电总局的推动下开始研发的1 2 j 。t m m b 系统通过时域复用和信 第一章绪论 道复用等技术，井利用d a b 系统的予信道和复用控制在全球首次实现基于 d a b 发射端的多标准( d a b 、t - d m b 和d a b i p ) 信号输出，解决了发射 端的多标准兼容性。它有力地呼应了目前全球在接收端多话准兼容接收的趋势。 其意义在于有可能使覆盖欧洲、亚洲、中国、印度、加拿大和澳洲的d a b 继已 实现全球漫游的手机通信之后，成为另一个具有全球漫游服务功能的系统。中国 科学院和中国工程院多名院士一致认为新岸线公司的t - m m b 技术达到了 国际先进水平，是统一d a b 多标准版图的有力工具，且优于d a b 体系的 其它标准，使中国标准第一次有机会在全球骨干产业成为全球主流标准。 目前，t m m b 手机电视移动多媒体广播标准已经通过国家标准委员会 的试验测试，正式成为手机电视的国家标准。 图1 1 为t - m m b 系统的阿络结构图。 ；： r i ：t ：- i - 毫0 ft _ 置、 荽一，”奁。诵譬静乏 一 鼯自m 诵 图i - it - m m b 系统网络结构图 乎唾 t ，m m b 系统具有支持频率范围广( 3 0 m i - i z 到3 0 0 0 m h z ) 、兼容性好、 频谱效率高、支持单频网、产业基础好、系统成熟等优点。t - m m b 系统具 有完整的自主知识产权体系，目前已申请2 2 项专利。 ll2 t - m m b 的主要技术特点 1 兼容性 t m m b 系, 统完全兼容d a b 、d a b i p 、t d m b 等标准。在t m m b d a b t d m b d a b i p 信号都是独立的子信道，运营商可根据实际情况灵活 选用。 2 高频谱效率 掌 铲晦 口 盘 鼻_ 一 鼻 第一章绪论 为了提高系统频谱效率，以便在有限带宽内传输更多的节目，t m m b 不仅支持d q p s k 调制，而且增加了对8 d p s k 和l6 d a p s k 等高阶调制方式的 支持。此外，t m m b 采用单一的l d p c 耋q 错码，不需要级联外码，因此相比 d a b i p 和t d m b 中的级联码方案又进一步提高了系统频谱效率。 3 高效的纠错编码技术 为了保证采用高阶的调制方式时系统在高速移动环境下良好的接收性 能，在综合考虑了性能、复杂度、实现平台等因素的影响后，t m m b 系统 引入了先进的信道纠错编码技术l d p c ( 低密度奇偶校验) 码。t - m m b 中采用的l d p c 方案无需级联外码就可以保障系统的接收性能，从而提高了系统 的频谱效率，同时降低了接收机的复杂度；在设计l d p c 码字时充分考虑了性能 和功耗的要求，非常适合应用于手持设备；另外由于l d p c 解码器可以自适应终 止迭代，从而大幅降低了接收机的功耗。目前在t - m m b 系统中提供了1 2 和2 3 两种码率的l d p c 纠错码，运营商可以自主选择。需要指出的是，综合考虑编码 性能与复杂度，t - m m b 系统的l d p c 码代表了当前l d p c 编码领域最先进的研 究成果，达到了世界一流的水准。 1 2 本文的主要工作及意义 课题的研究内容是：t - m m b 信道编码和c o f d m 调制的设计与实现。信道编 码和c o f d m 调制属于通信系统的数字基带处理部分。本论文在详细分析讨论了 t m m b 手机电视移动多媒体广播标准关于基带信号处理单元的相关内容的基 础上，设计了系统实现的结构和总体方案；以大容量f p g a 为硬件平台，对发射 机基带部分的主要功能模块进行了设计；分析介绍了信道编码的相关理论，讨论 了相关模块的实现方式，并对设计进行了仿真；讨论了关于c o f d m 调制的相关 内容，并对发射机的调制部分的相关模块进行了设计和仿真。 由于t m m b 被确定为手机电视国家标准的时间不是很长，各方面的研究资 料比较有限，因此，本设计对t - m m b 系统的硬件实现进行了有意义的探索和讨 论，对于其商用和推广有一定意义。同时，本论文还对信道编码和c o f d m 调制 的相关关键技术进行了重点讨论和分析，对其他手机电视移动多媒体广播系统 的发送端基带部分设计也有借鉴价值。 1 3 本文的结构 本文在分析了相关标准规定的基础上，分别对信道编码部分和c o f d m 调制 第一章绪论 部分进行了分析和设计，具体章节安排如下： 第一章：绪论。介绍了t m m b 手机电视移动多媒体广播标准的背景和特点， 给出了论文的主要内容和研究意义。 第二章：t m m b 手机电视移动多媒体广播标准简介。本章主要介绍了与本 设计有关的帧结构、传输模式、编码调制方案等标准规定。 第三章：f p g a 开发及系统总体设计。本章对f p g a 的特性和开发流程作了简 单介绍，选定了系统实现的f p g a 硬件开发平台。同时，本章还讨论了系统的总 体设计，包括时钟规划和资源消耗等问题。 第四章：t - m m b 的信道编码部分的设计与实现。本章对t - m m b 的信道编码 部分进行了详细的分析和设计，给出了各主要模块的实现方法和仿真结果。 第五章：t - m m b 的c o f d m 调制部分的设计与实现。本章对c o f d m 调制部 分的原理进行了深入地分析，并给出各主要功能模块的设计和仿真结果。 第六章：总结与展望。对全文的研究工作进行了分析和总结，并对整个系统 的进一步完善提出了建议。 4 第二章t - m m b 手机电视移动多媒体广播标准简介 第二章t m m b 手机电视移动多媒体广播标准简介 t - m m b 手机电视移动多媒体广播标准包括一系列相关内容，包括总体技术 要求、帧结构、编码调制方案、信息复用、接口标准以及各种实际应用要求等， 目前已经成为国家标准。本章主要介绍与本设计有关的帧结构、传输模式、编码 调制方案等内容，更多的标准细则请参阅相关标准、文献。 2 1 发送端整体结构概述 广播传输系统的发送端要完成对输入的上层数据到传输信号的转换，上层数 据包括视频、音频、数据和紧急信息广播等业务中的一种或多种业务的内容。输 入数据经过能量扩散、前向纠错编码、时域交织、星座映射、频域交织、差分调 制及o f d m 调制等处理，复用成传输帧信号。该信号经上变频调制成发射信号 ( 3 0 m h z - 一3 0 0 0 m h z ) 。本系统的发送端原理框图如图2 1 所示。 i 空符号卜 茬藉莓卜 能 删余 符 配置佰恳 量 卷积 rvo 号 业务信息 扩比 f 传上 散 编码 特 星频差 d- 输 -变 ： 传 座域分 m 帧 频 ： ! 输 + 映 _ - 符 复 交调 。v 童音 主 帧 射织制 号 用 _ 一 时业 复 生 能 业务数据 l d p c 域-务 -用成 量 扩 编码 交复 散一织一 用 图2 1t o m m b 发送端原理框图 根据用户控制信息，上层数据源复用单元输出配置信息、业务信息和业务数 据。各路业务数据分别经过能量扩散、低密度奇偶校验( l d p c ) 编码和时域交 织后复用成主业务信道数据，配置信息和业务信息经过能量扩散和删余卷积编码 后，同主业务信道数据进行比特传输帧复用，再经过符号映射、频域交织和差分 调制，连同空符号和相位参考符号生成o f d m 符号。连续的o f d m 符号组成信号 单元传输帧。图2 1 中实线箭头表示数据的处理流程，虚线箭头表示配置信息为 第二章t - m m b 手机电视移动多媒体广播标准简介 相应模块提供配置参数。能量扩散、l d p c 编码、时域交织这三个三维框图表示 各路子信道的数据进行单独处理。 广播信道物理层支持固定接收和移动接收，并支持单频网( s f n ) 和多频网 ( m f n ) 两种组网模式。 2 2 信号单元传输帧结构 广播信道物理层的传输信号由传输帧组成，传输帧的周期为砰。传输帧结构 如图2 2 所示。每个传输帧由时间连续的同步信道( s y n c ) 、快速信息信道( f i c ) 和主业务信道( m s c ) 构成【3 】o 尢时间交织 时间交织 一一 i 同步信道 快速信息信道 主业务信道( m s c ) i ( s y n c ) ( f i c ) f i bf i bc i fc i f 快速信息块( f i b ) 公共交织帧( c i f ) 图2 2 信号单元传输帧结构 2 2 1 同步信道 同步信道用于实现传输系统的一些基本解调功能，如传输帧同步、自动频率 控制、信道信息估计等。同步信道由信号单元传输帧中起始的两个o f d m 符号构 成【3 1 。信号单元传输帧的第一个o f d m 符号为全零的空符号，空符号时间长度为 舭，。信号单元传输帧的第二个o f d m 符号为相位参考符号，为后续o f d m 符号 进行差分调制提供参考相位，有关相位参考符号的具体规定，请参看5 4 1 节的相 关内容。 2 2 2 快速信息信道 快速信息信道的主要功能是传输主业务信道的配置信息，还可用于传输业务 信息和快速数据信息等内容。快速信息信道由快速信息块( f i b ) 组成，每个传 输帧传送一定数量的快速信息块，分别同一定数量的公共交织帧相对应，该数量 同传输模式相关，请参见表2 1 。快速信息信道中采用q p s k 符号映射方式【3 1 。 6 第二章t - m m b 手机电视移动多媒体广播标准简介 快速信息块由f i b 数据字段和c r c 组成，包含2 5 6 个比特，如图2 - 3 所示。f i b 数据字段以字节为单位，由有效数据字段、结束符和填充构成。有效数据字段包 含整数个快速信息组( f i g ) ；结束符是一种特殊的f i g ，其头字段为1 11 111 11 b ， 无数据字段；填充按字节填充，全为0 。 f i b 数据字段组成情况如下： 曲有效数据为3 0 字节时，无结束符，无填充； b ) 有效数据为2 9 字节时，有结束符，无填充； c ) 有效数据少于2 9 字节时，有结束符，有填充； d ) 无有效数据时，f i b 数据字段以结束符开始，剩余为填充。 c r c 对f i b 数据字段进行1 6 比特循环冗余校验编码，c r c 的生成多项式为 公式( 2 1 ) 。 g ( x ) = x 1 6 + x 1 2 + x 5 + l 3 i 7 j 1 1l t ，【l ，j ，- f i b 敛氟雩段 c r c 彳f 教数揪亨段l f l gvf l gkf i gt 辨寐铲填允 f i g _ ： 3 l 二4 t s l ! h 。h h 、k f i g 敏引厂段 f i g 囊掣i 二嚷 图2 3 快速信息块( f i b ) 结构 ( 2 1 ) 为了保证接收机对于主业务信道配置信息的快速、可靠的响应，在快速信息 信道中不使用时域交织，并采用较高的保护级别来减少传输错误。 2 2 3 主业务信道 主业务信道用于传输业务数据。主业务信道由公共交织帧( c i f ) 组成。一 个公共交织帧最小的地址单元是容量单元( c u ) ，每个公共交织帧8 6 4 个c u 组成。c u 的大小是3 2 x n 个比特。刀的取值有两种，分别对应两种不同的符号映 射方式：, = 2 ( 对应q p s k 映射) 、 = 3 ( 对应8 p s k 映射) 。主业务信道被划 第二章t - m m b 手机电视移动多媒体广播标准简介 分为多个子信道，每个子信道均由整数个c u 组成。各个子信道独立进行能量扩 散、信道编码、时域交织及符号映射，在一个子信道内采用单一的信道编码、时 域交织和符号映射方式。各子信道传输的内容由逻辑帧组成，每个逻辑帧包含 2 4 m s 的突发数据p j 。 主业务信道有两种传输机制：流模式和包模式。在流模式下，子信道透明地 传输业务数据，一个子信道只能传输一个业务分量。在包模式下，子信道以包为 最小单元传输业务数据，一个子信道可以传输多个不同的业务分量，不同业务分 量的包用地址加以区分。不同地址的包可以在子信道中按任意次序传输，同一地 址的包必须顺序传输。 本设计采用流模式进行设计，即一个子信道只能传输一个业务分量。 2 3t - m m b 系统的传输模式 本系统定义了四种传输模式，每种模式都有其特定的一组参数。传输模式的 选择与系统运行环境有关【3 j 。 传输模式i 适用于波段i 、i i 、i l i 的地面单频网( s f n ) 和本地广播网络。 传输模式i l 和i v 适用于波段i 、i i 、i i i 、i v 、v 和1 4 5 2 1 4 9 2 m h z ( l 波段) 的地面本地广播网络，也可用于l 波段的卫星广播和卫星一地面混合广播网络。 传输模式i i i 适用于3 0 0 0 m h z 以下的地面、卫星和卫星一地面混合广播网络。 表2 1 给出了在四种模式下的传输帧周期，以及每帧传输的快速信息块( f i b ) 和公共交织帧( c i f ) 的数目。 表2 1 传输帧特性 传输帧周期每帧传输的每帧传输的 传输模式 ( 毫秒) f i b 数目 c i f 数目 i9 61 24 l i2 43l i i i2 441 i v4 862 在传输模式i 中，每个传输帧包含1 2 个f i b ，按顺序分成4 组，每组分别对应 该传输帧中的一个c i f ，即前3 个f i b 对应第1 个c i f ，第4 、5 、6 个f i b 对应第2 个 c i f ，依次类推。传输模式i i 和传输模式中，传输帧的所有f i b 对应同一个c i f 。 第二章t - m m b 手机电视移动多媒体广播标准简介 传输模式中，每个传输帧包含6 个f i b ，按顺序分成两组，每组分别对应该传输 帧的一个c l f ，即前3 个f i b 对应第1 个c i f ，第4 、5 、6 个f i b 对应第2 个c i f 。 每种模式的传输帧都由o f d m 符号序列组成，每个o f d m 符号由一定数目的 子载波构成。复用器将快速信息块同公共交织帧复用起来，用于生成o f d m 符号。 传输帧由连续的o f d m 符号组成，每个传输帧中o f d m 符号的数目取决于传输模 式。在任何传输模式中，同步信道总是占用每个传输帧最初的两个o f d m 符号。 传输帧的第一个o f d m 符号是持续时间为。，的空符号，传输帧的其余部 分是连续的o f d m 符号序列，每个o f d m 符号持续时间为疋。 每个o f d m 符号均由一组等间隔的子载波组成，其载波间隔为1 正，。系统基 带传输帧信号f r a m e ( t ) 和射频信号s ( f ) 由以下公式定义1 3 1 ： f r a m e ( 垆艺壹釜锄慨，t - r o t f - 一) 五) l l t l = - o o 一( 2 - 2 ) s ( f ) = r e e 2 j t r f c t x f r 口7 ，2 p ( f ) ) ( 2 - 3 ) 其中， f o，= 0 ，= 1 孑_ ，础( f - 惕r e c t 五) ，：1 ，2 ，l 且五= 乃+ 。 参数和变量定义如下： 三 每个传输帧中o f d m 符号的数量( 不包括空符号) ； k o f d m 符号中有效子载波的数量； 疋 传输帧周期； 巧眦 空符号持续时间； 疋 每个o f d m 符号( 索引为，= 1 ，2 ，3 ，l ) 的持续时间； z ， 子载波间隔的倒数： 保护间隔的持续时间； z 。“ 在第m 个传输帧中的第，个o f d m 符号的第k 个子载波上传输的 复数差分调制符号。当k = 0 时，乙f 。- - 0 ，即中心子载波不传输信息； 厶 信号的中心频率。 以下章节具体描述了传输帧中复数差分调制符号z 坍 f 。的产生过程。由于对于 每个传输帧，其产生过程是相同的，所以在适当的情况下，下标m 将被省略。 9 第二章t - m m b 手机电视移动多媒体广播标准简介 表2 2 给出了四种传输模式下的系统参数，各种与时间相关的参数值以单位 周期t = 1 2 0 4 8 0 0 0 秒的整数倍给出，近似到微秒或毫秒f 3 1 。 表2 - 2 四种传输模式下的参数定义 参数传输模式i传输模式i i传输模式i i i传输模式i v l 7 67 61 5 37 6 k 1 5 3 63 8 4 1 9 27 6 8 1 9 6 6 0 8t4 9 1 5 2 丁4 9 1 5 279 8 3 0 4t 耳 9 6m s2 4m s2 4 ，l s4 8m s 2 6 5 6t6 6 4t 3 4 5t1 3 2 8t 巧眦 - 1 2 9 7 9 s- 3 2 4 9 s 1 6 8 “s - 6 4 8 t s 2 5 5 2t6 3 8t3 1 9t1 2 7 6t 五 - 1 2 4 6 9 s - 3 1 2 9 s1 5 6 筇 - 6 2 3 t s 2 0 4 8t5 1 2z2 5 6t1 0 2 4t 巧 lm s 2 5 0 9 s1 2 5 s 5 0 0 佳s 5 0 4t1 2 6 丁6 3 丁2 5 2t 2 4 6 邶- 6 2u s 3 1 t s 1 2 3 “s 2 4 本章小结 本章主要介绍了t - m m b 标准关于发送端的相关内容，重点描述了信号单元 传输帧结构和t - m m b 系统的传输模式。 第三章f p g a 开发及系统总体设计 第三章f p g a 开发及系统总体设计 本课题选用f p g a 作为主要的硬件实现平台，f p g a 在信号处理和控制方面 有其独特的优势，有利于系统的集成和开发。本章将对f p g a 的特性和开发流程 作简单介绍，选定本设计采用的硬件平台，同时对系统的整体设计方案进行相关 讨论。 3 1f p g a 及其开发流程 3 ，1 if p g a 及s o p c 技术 可编程逻辑器件【4 】( p r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ) 简称p l d ，不仅具有很高 的速度和可靠性，而且具有用户可重复定义的逻辑功能，即具有可重复编程的特 点。目前，可编程逻辑器件的主要两种类型是f p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t e a r r a y ，现场可编程门阵列) 和c p l d ( c o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ，复 杂可编程逻辑器件) 。本课题中采用f p g a 作为系统实现的平台。 f p g a 产品一般基于查找表( l o o k u pt a b l e ) 技术，用s r a m ( 静态存取存 储器) 工艺制造，密度高，触发器多。f p g a 是由存放在片内r a m 中的程序来 设置其工作状态的，工作时需要对片内的r a m 进行编程。用户可以根据不同的 配置模式，采用不同的编程方式。加电时，f p g a 芯片将e p r o m 中数据读入片 内编程r a m 中，配置完成后，f p g a 进入工作状态。掉电后，f p g a 内部逻辑 关系随之消失。不同的编程数据可以产生不同的电路功能，使用起来非常的灵活 和方便。 f p g a 是在p a l 、g a l 、e p l d 等可编程器件的基础上进一步发展的产物， f p g a 具有传统门阵列的所有特点：内部阵列化的单元排列、通用性强、设计灵 活、功耗小等特点，同时它还有自身突出的优点： 随着超大规模集成电路工艺的不断提高，f p g a 芯片的规模越来越大，所能 实现的功能也越来越强，同时也可以实现系统集成。 提高了产品的可靠性。f p g a 芯片减少了大量分立式元器件向印刷电路板上 装配时所发生的虚焊或接触不良而造成的故障问题。 大大减小了电子产品的体积和重量，降低了电子产品的功耗，提高了产品的 工作速度。 第三章f p g a 开发及系统总体设计 开发周期缩短，减少了库存风险与设计错误所带来的危险，从而提高了企业 在市场上的竞争能力和应变能力。 新一代的f p g a 集成了中央处理器( c p u ) 或数字信号处理器( d s p ) 内核， 在f p g a 上进行软硬件协同设计，为实现片上可编程系统( s o p c ) 提供了 强大的硬件支持。 s o p c ( s y s t e mo nap r o g r a m m a b l ec h i p ：片上可编程系统) 是a l t e r a 公司提 出来的一种灵活、高效的s o c 解决方案。它将处理器、存储器、i o 口、l v d s 、 c d r 等系统设计需要的部件，集成到一个p l d 器件上，构建成一个可编程的片 上系统m 。它是可编程系统，具有灵活的设计方式，可裁减、可扩充、可升级， 并具备软硬件在系统可编程的功能。s o p c 技术是m c u 、d s p 和f p g a 技术的 结合，一般采用大容量的f p g a 作为载体，除了在一片f p g a 中定制m c u 处理 器和d s p 功能模块外，可变成逻辑器件内还具有小容量高速r a m 资源和部分可 编程模拟电路。s o p c 技术已经成为嵌入式系统领域中一个新的研究热点，并代 表了未来半导体产业的一个发展方向。 基于s o p c 的设计在很大程度上依赖于集成电路i p l 7 j 。i p 是i n t e l l e c t u a l p r o p e r t y 的简称，即知识产权。在集成电路设计领域，i p 特指可以通过知识产权 贸易在各个设计公司流通的完成特定功能的电路模块。集成电路i p 模块具有知 识含量高、占用芯片面积小、运行速度快、功耗低、工艺容差性大等特点，可重 复用于s o p c 设计中。 3 1 2f p g a 设计开发流程 一般f p g a 设计大体上可以分为系统划分、设计输入、逻辑综合和优化、功 能仿真( 前仿真) 、布局布线、时序仿真( 后仿真) 、配置下载以及电路验证等几 个步骤1 6 】，其设计流程如下( 如图3 1 所示) ： 设计输入：采用硬件描述语言( v e r i l o gh d l 、v h d l 或a h d l ) 或原理图输 入描述整个系统。本设计中采用了以硬件描述语言为主，原理图为辅，两者 结合的方式。 逻辑综合与优化：逻辑综合的目标是把r t l 级描述转化为门级网表对逻 辑单元和逻辑单元之间连接关系的描述，对综合生成的网表根据布尔方程功 能等效的原则，用更小更快的综合结果代替一些复杂单元，并将r t l 的h d l 代码映射到具体的工艺加以实现。综合的依据是逻辑设计的描述和各种约束 条件，综合的结果则是一个硬件电路的实现方案，该方案必须同时满足预期 的功能和约束条件，综合器将产生一个最优的或接近最优的结果。 功能仿真：是指使用设计软件包对已经生成的门级网表模拟实际物理环境下 1 2 第三章f p g a 开发及系统总体设计 进行门级电路的功能测试，以了解其实现的功能是否满足原设计的要求。 布局布线：在芯片上规划各种功能块的位置，确定各个功能模块中每个单元 的位置并对功能模块和单元之间进行布线。 时序仿真：通过布局布线过程中获得的连线电容、电阻等参数反标到门级网 表中，提取有关的器件延迟、连线延时等时序参数进行仿真，如果不满足约 束，则要修改布局布线甚至是r t l 级描述。它是接近真实器件运行的仿真。 配置下载及电路验证：将产生的f p g a 配置时所需要的位流文件下载到要调 试的f p g a 中，进行硬件调试和验证。 图3 1f p g a 设计开发流程 从流程中可以看出，采用硬件描述语言或原理图进行f p g a 设计，主要工作 在于系统模块的划分、对各个模块r t l 级可综合h d l 语言代码的编写、功能仿 真和时序仿真。设计综合、布局布线、时序分析等通常由e d a ( e l e c t r o n i cd e s i g n a u t o m a t i c ) 工具来完成。由于仿真时激励文件的不完善，所以时序仿真通过不 第三章f p g a 开& i m # 设计 能确保所设计的电路加载至f p g a 后仍然能够满足系统的各种约束。只有通过 f p g a 的硬件调试才可咀确定所设计的电路是否成功。 在本设计中用到的e d a 工具有q u a r t u si i 集成开发环境和m o d e l s i ms e 仿 真软件，q u a l n | $ 1 i 是功能强大的可编程器件设计环境支持a l t e r a 公司各种类 型的最新可编程器件，它将设计、综合、布局、仿真验证和编程下载及第三方 e d a 工具集成在一个无缝的环境中，可以进行系统级设计、嵌入式系统设计和 可编程器件设计1 7 。m o d e i s i ms e 是m e n t o r 公司开发的业界最优秀的h d l 语言 仿真器之一，它支持v h d l 、v e r i l o gh d l 以及混合语言设计的仿真，既可应用 于设计的前仿真，也可以在f p g a 器件库的支持下进行时序仿真，是当前 f p g h d a s i c 设计的r t l 级和门级电路仿真验证的首选。 3 13c y c l o n e i i i 系列f p g a 介绍 c y c l o n ei l l 系列f p g a 是a i t e r a 公司最薪款、最先进的低成本f p g a ，从它 的设计之初就充分考虑到了成本的节省问题。c y c l o n ei l l 系列f p g a 采用低功耗 6 5 r i m 工艺技术生产，功耗可比前一代c y c l o n ei i 系列产品降低5 0 。另外，与 c y c l o n e1 1 相比较，c y c l o n ei l l 的密度提高17 倍达到1 2 0 k 逻辑单元( l e ) ： 嵌入式存储容量提高3 5 倍，达到4 m b i t s ；嵌入式1 8 1 8 位乘法器数量由1 5 0 个 增长到2 8 8 个；由于它采用m 9 k 存储器模块取代m 4 k 存储器模块，因此更适 合视频流缓冲和视频图像处理。 c y c l o n e1 1 1 系列f p g a 的其它优点还包括口】：更多的i o 特性支持，包括针 对显示应用的l v d s 、m i n il v d s 、r s d s 和p p d s ：支持高达4 0 0 m b p s 的d d r 2 存储器接口：全功能的p l l ( 提高了频率范围，可动态改变频率和相位，井能够 级联产生更宽的频率范围) 等。c y c l o n ei l l 结构如图3 - 2 所示。 。一 # r w 一* t 1 b n 1 8 n 镕 一m i r a v o i i * r t8 7 s m b w d 5 s 、= 当一_ # b i i o i i * 咖m 帅，# * 口 圈3 - 2c y c l o n e 结构示意圈 1 4 第三章f p g a 开发及系统总体设计 嵌入式乘法器可以实现通用的数字信号处理功能，而且比基于逻辑单元的乘 法器性能更高，占用的逻辑单元更少。嵌入式乘法器同时支持有符号数和无符号 数的乘法，还提供可选输入输出寄存器，用以提高性能。嵌入式乘法器可以和 c y c l o n ei i i 器件的m 9 kr a m 进行无缝集成，实现高效的d s p 算法，并且能在 2 6 0 m h z 频率下运行，消除了复杂算法计算的性能瓶颈。c y c l o n ei i i 器件支持n i o s i i 嵌入式处理器，并且可以将多个n i o si i 嵌入式处理器集成到一个c y c l o n ei i i 器件中，这就为实现