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浙江大学硕士毕业论文 摘要 数字电视的发展己成为全球广播电视行业最引人注目的焦点， 而随着电子技 术的不断发展与进步使得a s i c迅速发展，数字电视d v b - s 信道接收芯片就是 两者的完美结合，本文完成了d v b - s 接收芯片中载波恢复的研究和实现。 本文第一章， 主要介绍现有各种数字电视标准， 并着重介绍欧洲卫星数字电 视d v b - s 传输标准; 同时介绍了专用集成电路a s i c设计解决方案和涉及流程。 第二章， 主要介绍欧洲d v b - s 卫星数字电 视的 接收系统中的各个组成部分， 然后介绍d v b - s 信道解码芯片的整体方案。 第三章， 主要讨论数字调制解调的基本原理， 然后介绍了锁相环的原理和构 架，为第四章d v b - s 信道解码芯片载波恢复模块的具体实现提供一个知识基础 和初步研究。 第四 章是d v b - s 信道解码芯片载波恢复模块的设计和实现，其中包括整个 系统的构成和每个构成的算法实现。 第五章是介绍d v b - s信道解码芯片载波恢复模块a s i c设计中需要考虑的 技 术 和 算 法到 硬 件 实 现中 需 要 注 意 的 点 几同 时 介 绍了 可 测 试 设 计 和 各 种 验 证 方 法。 关键词:d v b - s 信道 接收a s ic s o c载 波恢复 第 3页 浙江大学硕士毕业论文 d v b - s 信道接收芯片载波恢复的研究及 a s i c实现 第一章 绪论 面对已 经来临的数字化时代， 美国未来学家尼古拉尼葛洛庞帝指出: “ 一个 个产业揽镜自问 我在数字化世界中有什么前途时， 其实， 它们的前途百分百 要看它们的产品或服务能不能转化为数字形式” 。电视的发展亦如是。 数字电 视( d ig it a l w) 是 从电 视信号的采集、 编辑、 传播、 接收整个广播链路 数字化的数字电 视广播系统。数字电 视利用m p e g标准中的各种图像格式， 把 现行 模 拟电 视制 式下的图 像、 伴音 信号的 平 均码率 压 缩到大 约4 .6 9 -2 1 m b p s , 其图 像质量可以 达到电 视演播室的 质量水平， 胶片质量水平， 图像水平清晰度达 到5 0 0 -1 2 0 0 线以 上， 并 采用a c - 3 声音信号压缩技术， 传输5 . 1 声道的 环绕声 信号。 数字电视的发展己成为全球广播电视行业最引人注目 的焦点， 它所具有很大 的市场潜力， 同时对各国的政治、 经济、 文化、 社会生活各方面都会产生深远的 影响， 它的发展标志着一个国 家技术水平和经济实力， 并能带动整个电子信息技 术及相关领域的发展。 同时，随 着电 子技术的 不断发展与 进步， 尤其是近1 0 年来， e d a技术和半 导体集成工艺技术的快速进步， 国际集成电路设计产业正在从设计单一功能芯片 向 多 功能 系统 集成 芯片 发 展， 即s o c ( s y s t e m o n c h i p ) 的 发展。 s o c 为 “ 片 上 系统” ，是指在单一硅芯片上对整个系统进行方案设计和功能划分，实现完整系 统所具有的全部功能， 通过专用集成电 路 ( a s i c ) 实现。 本 文 主 要 介 绍 了 高 清 晰 度电 视 信 道 接 收 芯 片 中 解 调 实 现 方 法， 主 要 针 对 欧 洲 的d v b - s标准，并结合芯片设计的具体情况，详细介绍了d v b - s载波恢复的 a s i c实现方法和优化. 1 . 1 数字电视标准和发展情况 1 . 1 . ， 现有的主要数字电视传输标准 世界上现有的主要数字电视标准有美国的a t s c ， 欧洲的d v b标准， 以及日 本的i s d b标准。 这些标准的主要区别主要在于信道编解码及调制解调的不同， 特别是调制解调的不同， 数字传输常用的调制方式有二 正交振幅调制( q a m ) : 调制效率高， 要求传送途径的信噪比 高， 适合有 线电视电缆传输 d 残留 边带调制( v s b ) : 面广播。 抗多径传播效应好 ( 即消除重影效果好) ， 适合地 第 5 页 浙江大学硕士毕业论文 键控 移相调制( q p s k ) : 调制效 率高， 要求 传送 途径的 信噪比 低， 适 合卫 星广播。 编码正交频分调制( c o mm ) : 抗多径传播效应和同 频干扰好， 适合地面 广播和同频网广播。 据悉， d v b 成员己 经 达到2 6 5 个( 来自3 5 个国 家 和 地区 ) ， 主要 集中 在欧 洲 并遍及世界各地，我国的广播科学研究院和 t c l电子集团也在其中。 a t s c成 员3 0 个，其中有美国国内成员2 0 个、来自 阿根廷、法国、 韩国等7 个国家的 成员 1 0个，中国的广播科学研究院也参加了a t s c组织。is d b筹划指导委员 会委员 ， 7 个，其他成员2 3个， 其成员都是日 本国内的电 子公司和广播机构。 以下是各个标准的简略介绍。 1 . 1 . 1 . 1美国的a t s c标准 美国在发展高清晰度电视时首先考虑的是如何通过地面广播网进行传播， 并 提出了以 数字高清晰度电视为基础的标准一 a t s c ( a d v a n c e d t e l e v i s i o n s y s t e m c o m m i tt e e 先进电视制式委员会) 。 美国h d t v地面广播频道的带宽为6 mh z , 调制采用8 v s b 。 预计美国的卫星广播电视会采用q p s k调制， 有线电视会采用 q a m或v s b调制。 a t s c数字电视标准由四个分离的层级组成， 为图像层， 确定图像的形式， 包括象素阵列、 层级之间有清晰的界面。最高 幅型比和帧频。 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，采用 m 尸 e g - 2压缩标准。最后是传输层，确定数据传输的调制和信道编 ， 采用z e n it h 公司开发的8 - v s b 传输模式， 在6 m h z 地um 厂描数道上可实现1 9 . 3 m b / s 的传输速率。 该标准也包含适合有线电 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 miy 演 蜜 码方案。 对于地面广播系统 地 闻厂播 翻 道 上 可 实 现 1 9 . 这个标准在 1 9 %年由美国高级电视系统委员会 底，美国的联邦通信委员会f c c做出决定， ( a t s c )提出，并在该年年 广播格式。国做出了a t s c制式的决定， 美国将采用a t s c的地面数字电 视 数字电 视接收机。大约在1 9 9 8 目。 开始正式生产数字的制作， 发射设备和 年第四季度，开始正式在电视台播出数字电视节 1 . 1 . 1 .2欧洲标准d v b 欧 洲数字电 视标 准为d v b ， 即d ig it a l vi d e o 从， 9 9 5 年 起， 欧 洲陆 续 发 布了 数 字电 视 地 面 广播 ( d v b - t ) 、 数 字电 视 卫 星 广 播 ( d v b - s ) , 数 字电 视 有 线 广 播( d v 日 一 c ) 的 标 准。 欧 洲数 字电 视首 先 考 虑的 是 卫 星 信道， 采用q p s k 调制。 欧洲地面广播数字电 视采用c o f d m调制， 8 m带宽。 欧洲有线数字电视采用q a m调制。 d v b - c ( e t s 3 0 0 4 2 9 ) ) 数字有线电视广播系统标准。它具有 9 6 , 3 2 , 第6 浙江大学硕士毕业论文 6 4 q a m ( 正交调幅) 三种调制方式， 工作频率在， o g h z 以 下。 采用6 4 q a m 时，一个p a l 通道的 传送码率为4 1 .3 4 m b / s ，可用于多套节目 的复用。 系统前端可从卫星和地面发射获得信号，在终端需要电缆机顶盒。 d v b - s ( e 丁 s3 0 0 4 2 1 ) 为数字卫星广播系统标准。 卫星传输具有覆盖面 广、节目 容量大等特点。数据流的调制采用四相相移键控调制( q 尸 s k ) 方式， 工作频率为， 1 / 1 2 g h z 。 在使用m p e g - 2 m p qm l 格式时， 用户 端若达到c c i r 6 0 1 演播室质量，码率为9 m b / s ; 达到p a l 质量，码率 为5 m b / s 。 一个5 4 m h z 转发器传送速率可 达6 8 m b / s ， 可用于多 套节目 的复用。 d v b - s 标准几乎为所有的卫星广播数字电视系统所采用。 我国 也选用了d v b - s标准。 d v b - t ( e t s 3 0 0 7 4 4 ) 为 数字地面电 视广播系统标准。 这是 最复杂的 d v b 传输系统。 地面数字电 视发射的 传输容量， 理论上与有线电 视系统 相当， 本地区 覆盖好。 采用编码正交频分复用( c o f d m ) 调制方式， 在 8 m h z 带宽内能传送4 套电 视节目 ， 传输质量高; 但其接收费 用高。 怪 1 . 1 . 1 .3日 本数字电视的标准i s d b 日 本数字电 视首先考虑的是卫星信道， 采用q p s k 调制。 并在， 9 9 9 年发布 了 数字电 视的 标 准一 i s d b . is d b 是日 本的d i b e g ( d ig it a l b r o a d c a s t i n g e x p e rt s g r o 叩 数字广播专家组) 制订的数字广播系统标准， 它利用一种己 经标准化的复 用方案在一个普通的传输信道上发送各种不同 种类的信号， 同时己 经复用的信号 也可以通过各种不同的传输信道发送出去。i s d b 具有柔软性、扩展性、 共通性 等特点，可以灵活地集成和发送多节目的电视和其它数据业务。 1 . 1 . 2 我国的数字电 视发展状况 1 9 8 9 年在国务院领导下成立了中国h d t v软科学研究专家领导小组， 之后， h d t v就成为有关部门和专家学者之间的热门话题。1 9 8 9年，国家科委先后批 准了“ h d t v 软科学 研究 课 题”及“ 八 五高 清晰 度电 视 ( h d t v ) 攻关课 题” 。 在 先后一年的时间 完成了“ h d t v软科学研究 课题” 的 研究 报告， 其主要内 容有: h d t v软科学总结; 在我国 开展广播用h d t v研究的 策略; 在我国开展 非广播用 h d t v研究的策略等。“ 八五高清晰 度电 视( h d t v ) 攻关课题” 项目 主要以计算机仿真为主，目 的是弄清 h d t v广播的技术可行性， 包括对压缩编 解码技术机理的研究， h d t v制式的选择等。通过几年的研究，我国己能运用 m p e g - 2 标准进行信源编解码的仿真研究， 也能 运用现代通信技术进行信道调制 解调及编解码的仿真研究， 基本上从理论上解决了 有关的原理性问 题， 独立建立 了 属于自己 版权的“ h d t v仿真软件包” 。“ 九五” 期间， h d t v作为国家重大 科技产业工程项目 ，国 家科委高 技术研究发展中 心就h d t v功能样机系统的7 个专题进行了公开招标，浙江大学信电系承担了 地面传输部分v s b方案的研制 第 7 页 浙江大学硕十毕业论文 工作。 新华社9 8 年9 月8日 报道:国家重大产业项目 一数字高清晰度电视功能样 机系统由我国一批科研单位联合研制成功。从9月8日到9 月1 2日，这一系统 在中央电视塔上进行广播试验， 这标志着我国继美国、 欧洲之后己系统掌握了数 字高清晰度电视技术， 奠定了国家电视机产业升级换代的技术基础。 据专家认定， 我国开发的数字高清晰度电 视功能样机系统己 达到国际9 0 年代的技术水平， 在 世界上继美国、 西欧、 北美之后第四个完整拥有数字高清晰度电 视地面广播传输 系统。 随着信息产业的高速发展， 数字技术取代模拟技术己成必然。 h d t v功能 样机系统的研制成功标志着我国数字化产业进入了 世界先进行列， 它的意义是非 常深远的。 1 9 9 9 年1 0 月， 我国 成功地试用高清晰 度数字电 视技术对5 0 周年国 庆活动进 行了实况转播。标志着我国在数字电视技术方面进入了世界先进水平。 2 0 0 1 年，我国 在北京、上海、深圳等城市率先进行了 数字电视的试播。 我国的数字电视时间表确定为: 2 0 0 5 年全国1 / 4 的电 视台将发射和传输数字 电 视信号; 2 0 0 8 年将用数字电 视转播奥运会; 2 0 1 0 年我国 计划全面实现数字广 播电 视; 2 0 1 5年全面实现数字化， 完成模拟向 数字的过渡， 停止模拟广播电 视 的播出。 1 . 2欧洲的d v b - s 标准 1 . 2 . 1 d v b标准简介 d v b标准提供了一套完整的，适用于不同媒介的数字电视广播系统规范， 其周全的计划及广泛的共识是其成功的关键。 d v b标准选定 i s g / i e c mp e g - 2 标准作为 音频及视频的 编码压缩方式， 对信源编码进行了 统一， 随后对 m p e g - 2 码流 进行打 包形 成传输流 ( t s ) ， 进 行多 个传 输流 复用， 最后通过卫星、 有 线电 视 及开路电视等不同媒介传输方式进行传输。其系统总图如下: 第s 页 浙江大学硕十毕 业论文 图1 . 3 . 1 d v b 系统总图 d v b核心为: 系统采用 m p e g压缩的音频，视频及数据格式作为数据源 系统采用公共 mp e g - 2 传输流( t s ) 复用方式 系统采用公共的用于描述广播节目 的系统服务信息( s i ) 系统的第一级信道编码采用 r - s 前向纠错编码保护 调制与其它附属的信道编码方式，由不同的传输媒介来确定 使用通用的加扰方式以及条件接收界面 卜卜卜卜卜卜 d v b系统的音频编码使用 m p e g - i l a y e r i i第二层音频编码，也称做 m u s i c a m 。 音 频的m p e g 一 工 l a y e r i i 编码压 缩系统 利用了 声 音的 低声 音 频谱掩 蔽效应，这一人体生理学效应允许我们对于人耳不太敏感的频率进行低码率编 码， 这一技 术的 采用可以 大 大 地降 低音频 编码速率。m p e g - 1 l a y e r i i 音频 编码 可用于单音，立体声，环绕声和多路多语言声音的编码。 d v b系统信道编码包括:前向纠错编码、调制、解调和上下变额三部分。 前向 纠错码根据不同 的 传输 媒介采用不同的 组合。 卫 星 传输 采用 q p s k调制， 有线传输采用 q a m调制， 开路传输采用 c o f d m调制或 1 6 v s b 调制。 1 . 2 . 2 d v b - s卫星传输标准系统结构 d v b - s 传输标准的系统框图见图1 .3 .2 : 臀 吟呻嘲卸 基带物理 s y n c 1 反转 和随机化 r s 编码器 1 2 0 7 . 1 8 8) 卷积交织a 1 = 1 2 6 r t e s 字节到. 位 符号变换 叫 o c r 编 码i 月 i 1 x r : ri m 卫星信道 内码解码 符号到字 节映射 :积去交织 1 = 1 2 b y t e s r s 胡码器 ( 2 0 4 , 1 8 8 ) s y n g 1 反转 与去能盈扩 散 从带物理 呵嵘 日园 嘲户呵骼 蛾波，时钟和同步恢复 从上图可以看到 1 . 基带接口同步 图1 . 3 . 2 d v b - s 传输标准的系统框图 d v b - s 传输标准主要有以 下 几部分组成: :该单元将数据结构与信号源格式匹配和同步。 与包括同步字节的mp e g - 2 传送层一致。 2 . s y n c 1 变换和随机化:在mp e g - 2 帧结构应 以固定长度包组合。mp e g - 2 传送ml x 传送复 用器之后，该系统输入码流应 包的总长是1 8 8 个字节，其中，包括一 第 夕 页 浙社大学硕士毕业论文 个同步字节 ( 即 4 7 h e x ) 。在发送端，处理顺序都是从同步字节 ( 0 1 0 0 0 1 1 1 )的 ms b开始的。为保证时钟恢复有足够的二电平间过渡，m p e g - 2 传送复用器输出 端的数据应按图所视的结构进行随机化。 伪随机二进制序列( p r b s ) 生成的生成 多 项 式 : 1 + x 1 4 + x 1 5 。 3 . r s 码编解器: 采用r s ( 2 0 4 , 1 8 8 ) 编码， 同 步头参加编码， 通过引 入冗余信 息， 增大了码字间的汉明距离，使之达到1 7 ，这样一个码字可以纠正8 个错误。 r s 编码的采用使系统具有一定的抗随机噪声的能力。码生成多项式: g ( x ) 一 ( x + 沪 )( ， + 分 )( 二 十 尸 ). 】 (二 + 分 5 ) 这里a= 0 2 h e x 生 成 多 项 式 : p ( x ) = x 8 + x 4 + x 3 + x 2 十 i 4 . 卷积交织器: 采用深度为1 = 1 2 的卷积交织，重新安排了数据之间的相对 位置， 使数据之间的约束长度加长， 通过解交织能使因突发噪声引起的错误分散 开来。 其具体结构如下图1 .3 .3 s y n c w o r d r o u t e y t es i t i 0too iti n 8 1 7 x上一 j p 1 7 反 万 1 1 - - -x 3 i 1 1 =1 -1 匕生今-牛-兰it e r l e a v e r = l 2l 一 一 一 一 d e - i n t e r l e a v e r = 1 2 习 图1 . 3 . 3 d v b - s 交 织 去 交 织 示 意 图 s . 字 节 变 换 到m比 特 符 号 : 该 单 元 将 交 织 器 产 生 的 字 节 变 换 成q p s k 符 号 。 6 . 基带 成 型 ( b a s e b a n d s h a p i n g ) : 将 卷 积编 码 后的比 特 符号 映 射 到工 和q 信 号， 并 在 调 制 前， 调 制 前， 对i 和q 信号 进 行 余弦 滚降 平 方 根 滤 波。 7 . q p s k 调制:该模块完成q p s k 调制。 8 . q p s k 解 调: 该 模 块 主 要 是 接 通 过t u n e r 下 变 频 的 信 号 ， 进 行q p s k 解 调 9 . 匹 配 滤 波 器: 系 统 成 型 滤 波 器 采 用 升 余 弦 滚 降 成 型函 数 ， 根 据 最 佳 基 带 系 统 理 论 ， 把 网 络 成 型 函 数 h (w ) 分 配 到 发 送 端 h t (w ) 和 接 收 端 h r (w ) ， 当 满 足 h t (w ) 一 h r (n ) 一 扣 (w )( 1 . 3 . 1 ) 第 功 页 浙江大学硕士毕业论文 时， 系统具有最小的误码率。 所以接收端采用的滤波器 ( 匹配滤波器) 是开方根 的升余弦滤波器。 1 0 . 其他部分:其它部分都是以上各个变换的反变换。 1 .3 专用集成电路a s i c设计解决方案 现代电子产品在性能提高、 复杂度增大的同时， 价格却一直呈下降趋势， 而 且产品更新换代的步伐也越来越快， 实现这种进步的主要原因就是生产制造技术 和电子设计技术的发展。 前者以 微细加工技术为代表， 目 前己 进展到深亚微米阶 段， 可以 在几平方厘米的芯片上集成数千万个晶 体管; 后者的核心就是e d a技 术。 e d a是指以 计算机为 工作平台，融合了 应用电 子技术、 计算机技术、 智能 化技术最新成果而研制成的电子c a d通用软件包，主要能辅助进行三方面的设 计工作:i c设计， 电子电 路设计以 及p c b设计。 马 1 . 3 . 1 e d a技术的发展 回顾近3 0 年电子设计技术的发展历程，可将e d a技术分为三个阶段。 七十年代为c a d阶段，这一阶段人们开始用计算机辅助进行i c版图编辑 和p c b布局布线， 取代了 手工操作，产生了计算机辅助设计的概念。 八 十 年 代为c a e阶 段， 与c a d相比 ， 除了 纯 粹 的图 形 绘 制 功 能 外， 又 增 加了电 路功能设计和结构设计， 并且通过电 气连接网 络表将两者结合在一起， 以 实现工程设计，这就是计算机辅助工程的概念。 c a e的主要功能是:原理图 输 入，逻辑仿真，电路分析，自动布局布线， p c b后分析。 九十年代为e s d a阶段。 尽管c a d / c a e 技术取得了巨 大的成功， 但并没有 把人从繁重的设计工作中彻底解放出 来。 在整个设计过程中， 自 动化和智能化程 度还不高， 各种e d a软件界面千差万别，学习使用困 难，并且互不兼容，直接 影响到设计环节间的 衔接。 基于以 上不足， 人们开始追求贯彻整个设计过 程的自 动化， 这就是e s d a即电子系统设计自 动化。 e s d a代表了当今电 子设计技术的最新发展方向， 它的基本特征是: 设计人 员按照的 自 顶向下” 的设计方法， 对整个系统进行方案设计和功能划分， 系统的关 键电路用一片或几片专用集成电 路( a s i c ) 实现， 然后采用硬件描述语言( h d l ) 完成系统行为级设计， 最后通过综合器和适配器生成最终的目 标器件。 这样的设 计方法被称为高层次的电子设计方法 9 1 . 3 . 2 a s i c设计流程 a s i c设计流程如下图1 .4 . 1 所示， 主要包括芯片s p e c编写， 系统设计， 行 为级和 r t l级代码设计，逻辑综合，后端版图设计，时序分析， 流片和在各级 设计中的验证。 第 i l 页 浙江大学硕十毕业论文 概念和市场研究 us 和d h c 、流片 图1 . 4 . 1芯片设计流程 肛. 3 . 2 . 1 系统设计 电子信息类产品的开发出现了 两个明显的特点: 一是产品的复杂程度加深， 二是产品的上市时限紧迫，然而电路级设计本质上是基于门级描述的单层次设 计， 设计的所有工作 ( 包括设计输入， 仿真和分析， 设计修改等) 都是在基本逻 辑门这一层次上进行的， 显然这种设计方法不能适应新的形势， 为此引入了一种 高层次的电子设计方法，也称为系统级的设计方法。 系统级设计的任务是根据芯片实现功能的要求， 确定算法及结构划分。 在进 行系统设计的过程中， 设计人员往往需要快速尝试并比 较各种算法的优劣， 并且 验证结构划分的可行性与合理性; 而且这个设计与验证过程一般不是一个顺序流 程就可以完成的，它往往包含许多反复。 系统设计可以通过 c / c + + 实现， 备描述系统算法上的优势， 因为c / c + + 既具备仿真速度上的 优势，也具 但是c / c + + 完全没有硬件的 概念， 如: 自 响应性等， 它也不支持如比特、 逻辑电平等硬件类数据， 时钟、 并行性、 必然需要一个从c / c + + 系统描述向h d l 描述转换的过程。 所以 在仿真完成以后 第1 2页 浙江大学硕士毕业论文 随着设计系统复杂 度的提高， 这些问 题对项目 进度及设计质量的 影响越来越 严重。 因此， 迫切需要一种既具备c / c + + 抽象级高， 同时又支持硬件概念的系统 设计语言。目前，业界流行并正在成为标准的这种硬件系统级描述语言是 s y s t e m c . 两者的流程如下图: 6 l 6 * s y s t e m l e v e l mo d e l . l x i . i 伪 图1 . 4 . 1 c / c 十 十 和s y s t e m c 系统描述流程的比较 1 .3 . 2 .2 行为级描 述和验证 在系统结构定下来之后， 就可以 进行行为级的描述了 在完成系统性能分析 与功能划分的基础上，对于各个电 路功能模块，用 h d l语言 ( v e ri lo g h d u v h d l ) 完成行为级 ( b e h a v i o r l e v e l )描述。 h d l的代码质量是芯片 质量的 根本。 除了通过高质量的 验证平台来控制 h d l代码错误外， 还需从基于仿真的完备性和面向芯片实现的代码要求进行检 查。 完成行为级描述和验证以 后， 就的完成行为级优化与r t l级描述的转化， 现有e d a工具只能 接受r t l 级( r t l : r e g i s t e r t r a n s p o r t l e v e l 寄存器传送级) 描述的h d l 文件进行自 动逻辑综合。 当然对转化后生成的r t l 级描述同样需要 进行仿真验证。 转化由e d a设计工具完成。 那.3 . 2 3设计实现和芯片验证 在 完成行为 级描述之 后就是逻辑综合， 超深亚 微米a s i c 设计要求作为 逻辑 设计和物理设计桥梁的逻辑综合必须是高效高质量的， 要做到高效高质量的逻辑 综合、 实现设 计指标的 前提是要有良 好的h d l 代码风格， 不仅要能保证 综合结 果的 功能正确性， 而且要提供足够的优化空间; 逻辑综合还要求综合得到的满足 时序的设计在后端物理实现时也能做到没有任何时序违反，即达到时序收敛 第 1 3 页 浙江大学硕士毕业论文 在将逻辑综合得到的门级网表交给后端版图设计前，应当完成可测试设计 ( d f t ) 和内 置自 检( b i s t ) 技 术。 芯片 缺陷 率的 降 低 直接依赖于 测试种类 本身的 特性以 及相应的测试覆盖率的大小。 可测试设计 ( d f t ) 和内 置自 检( b i s t ) 技术 可以 用来简化板级或系统级多 芯片模块 ( m c m ) 的 生产测试和系统集成， 提高 测 试的错误覆盖率，缩短设计周期，加快产品的面市速度。 接下来的工作是版图设计: 当得到了一个能潜在地满足所有芯片设计指标的 门级网表后， 下面的任务是如何在物理层次上将这个逻辑网表实现这就是后 端实现。 布局规划是合理安排逻辑设计中的模块大致确定物理设计版图的一个过 程。 随着超深亚微米技术的发展， 布局规划越加重要， 而且要求在设计流程的早 期就要进行预布局， 以 得到真实的约束和准确的线负载模型驱动代码设计和逻辑 综合。 最后流片，芯片的功能测试和工艺测试等。 芍 1 . 3 . 3 s o c设计技术 半个多世纪以来， 集成电路 ( i c ) 产 业不断发展壮大。 从2 0 世纪7 0 年代开 始，半导体工艺设备和 i c c a d 设备成为一个独立的产业;到了8 0 年代，工艺设 备生产能力相当强大， 而且费用也十分昂贵， 从而与设计环节分开， 成为两个独 立的产业; 到了9 0 年代， 测试也成为独立产业分离出去;目前i c 设计产业中的 系统设计和 i p设计逐渐开始分工，形成了以s o c ( s y s t e m o n a c h i p ) 技术为主 的c h i p l e s s 设计方式， 它对i c 产业的影响将不亚于8 0 年代f a b l e s s 与f o u n d r y 的分工。 由于单片系统级芯片设计在速度、 功耗、 成本上和多芯片系统相比占 有较大 的优势， 而且电 子系统的专用性对不同的应用， 也使得专用系统的需求大为增加， 因此发展s o c 设计在未来的集成电路设计业中将有举足轻重的地位。 那.3 .3 . 1 s o c系统级芯片特点 1 . 规模大、结构复杂 s o c通常都具有数百万门乃至上亿个元器件的设计规模，而且在电 路结构 中还包括mp u ( mi c r o p r o c e s s o r u n it ， 微处理单元) . s r a m ( s t a t i c r a n d o m a c c e s s m e m o r y , 静 态 随 机访问 存 储 器) 、 d r a m ( d y n 态随 机访问 存储器) 、 a d c ( a n a l o g - t o - d i g i t a l a m i c r a n d o m a c c e s s m e m o r y ， 动 c o n v e r t e r ，模数转换器) 、d a c ( d i g i t a l - t o - a n a lo g c o n v e r te r ， 数 模转换 器)以 及 其它一 些 模拟和射频电 路。 为 了缩短投放市场时间 单元作为基础单元， ， 要求设计起点比普通a s i c高， 不能依靠基本逻辑、电路 而是采用被称为i p ( i n t e l l e c t u a l p r o p e r ty ， 知识 产权)的 更 大部件或模块。在验证方法上要采用数字和模拟电路在一起的混合信号验证方 法。为了 对各模块特别是i p 能进行有效的测试，必须进行可测性设计。 2 . 速度高、时序关系严密。 高 达数百兆的系统时钟频率以 及各模块内 和模块间 错综复杂的时序关系， 给 第 “页 浙江大学硕士毕业论文 设计带来了许多问题， 如时序验证、 低功耗设计以 及信号完整性和电磁干扰、 信 号串扰等高频效应。 3 . 深亚微米工艺加工技术 系统级芯片多采用深亚微米工艺加工技术。 目前， 世界上最先进的半导体工 艺已进入到纳米 ( 线宽6 5 n m ) 级别，而线宽为0 .2 5 u m至0 . 1 3 u m的芯片已经非 常普遍。 在深亚微米 ( 纳米) 设计级别， 走线延迟和门 延迟相比 变得不可忽视， 并成 为主要因素; 系统级芯片复杂的时序关系， 增加了电 路中时 序匹配的困 难; 深亚 微米工艺中十分小的线间距和层间距使得线间和层间的信号祸合作用大为增强， 再加上系统高速的工作频率， 电磁干扰、 信号串 扰现象， 给设计验证带来造成很 大的困难。 邵3 . 3 .2 s o c 设计方 法学 s o c设计方法学主要关注八大技术: s o c设 计方法学主要研究总线架构技 术、i p核可复用技术、软硬件协同设计技术、s o c验证技术、可测性设计技术、 低功耗设计技术、 超深亚微米电路实现技术等， 此外还要做嵌入式软件移植、 开 发研究，是一门跨学科的新兴研究领域。 l 总线架构技术: 总线架构及互连技术直接影响芯片的总体性能性对于单一 应用领域应可选用成熟的总线架构; 对于系列化或综合性能要求很高的， 可进行 深入的体系结构研究， 构建颇具特色的总架构， 做精做强， 不受制于第三方， 且 更具竞争力 的总体架构 。目前 s o c主要开发研制基于平台、基于核、基于合成及自 主构建 2 . i p可复用技术:i p核一般分为硬核、软核和固核三种，硬核是指经过预 先布局且不能由 系统设计者修改的i p ;软核通常以h d l 语言形式提交;固核由 r t l的描述和可综合的网表组成;i p核应有良 好的开发文档和参考手册，包括 数据手册、用户使用指南、仿真和重用模型等。 3 . 软硬件协同设计技术:软硬件协同说明、 和协同 验证， 可大大减少硬件设计风险， 缩短嵌入式软件的开发调试时间， 同时 在协同 验证环境中能 够及时发现软硬件中 所存在的致命问 题， 避免在最后 集成测 ; 才阶 留雷薪排 杆 针石 雨 杜 的调罄 _ 4 . s o c验证技术:主要分i p核验证和系统级验证， 实现验证、 设计性能验证、 故障模拟、 芯片测试等; 如设计概念验证、设计 试、 边角测试、随机测试、 真实 码测试、 r e g r e s s i o n -9 1 试等，由于芯片愈来愈复 杂， 软件仿真开销大， 因此硬件仿真验证是一种重要的验证手段， 整个验证工作 4 h迁 : 自 欠 刁, u l . i 4 . 一 d 乍自 6， n o i 第 1 5 页 浙江大学硕士毕业论文 6 . 低功耗设计技术: 低功耗己经成为与面积和性能同等重要的设计目 标，同 时也面临精确评估功耗的问题。 芯片功耗主要由跳变功耗、 短路功耗和泄漏功耗 组成，研究多电压技术、功耗管理技术以及软件 ( 算法)低功耗利用。 7 . 超深亚微米电路实现技术:由于晶体管数急剧增加，芯片尺寸日益变小， 密度不断增大，i p可重用频度高，低电压、高频率、新工艺 / 新设计技术层出不 穷，可测性高， 封装难度大，要不断研究新工艺、 新工具，研究关键电 路架构、 时序收敛性、信号完整性、天线效应等问题。 8 . 嵌入式软件移植、开发: 主要研究开发s o c的b i o s 和嵌入式操作系统移 植/ 开发，要支持多任务，使应用程序被分解成多个任务，程序开发变得更加容 易， 系统的稳定性、 可靠性会得到提高， 也便于维护， 易读易懂， 具有安全性好、 健壮性强、代码执行效率高等特点。如对 s o c片内进行嵌入式l i n u x操作系统 代码的植入研究，可减轻系统开发者对 b s p开发的 难度要求，同时提高开发效 率，缩短开发周期。 1 .4本文的内 容安排 2 0 0 3 年1 月至2 0 0 4 年3 月， 作为主要设计开发人员， 参与 d v b - s 信道接 收芯片的技术开发 项目。 该项目 采用深亚微米工艺设计超大规模集成电路芯片， 实现对高清晰度电视的卫星信道接收， 本人负责接收芯片中载波恢复模块的设计 开 发。 具体的工作包括系统设计 ( 算法实现和系统的性能仿真) 、结构设计 ( 硬 件结构划分) 、 逻辑设计( 对结构进行硬件描述语言代码描述) 以 及逻辑综合( 映 射到库单元) 。该芯片采用u m c . 1 8 工艺，已经一次性流片成功， 本文工作的 重点是根据d v b 传输系统的 技术细节， 对d v b - s 的 调制、 解调 的原理进行分析，提出数字解调的a s i c实现方案。主要内容安排如下: 第一章， 绪论: 主要介绍现有各种数字电 视标准， 并着重介绍欧洲卫星数字 电 视d v b - s 传输标准;同时本章还介绍了专用集成电 路a s i c设计解决方案和 涉及流程。 第二章， 主要介绍欧洲d v b - s 卫星数字电 视的接收系统中的 各个组成部分 然后介绍d v b - s 信道解码芯片的 整体方案。 第三章， 主要讨论数字调制解调的基本原理， 然后介绍了 锁相环的原理和构 架， 为第四 章d v b - s 信道 解码芯片 载波恢复 模 块的 具体实 现 提供一 个知识 基 础 和初步研究。 第 四 章 是d v b - s 信 道 解 码 芯 片 载 波 恢 复 模 块 的 设 计 和 实 现 ， 其 中 包 括 整 个 系统的构成，和每个构成的算法实现。 第五章是介绍d v b - s 信道解码芯片载波恢复模块 技术和算法到硬件实现中需要注意的点。 法。 a s i c设计中需要考虑的 同时介绍了可测试设计和各种验证方 由于缺乏经验， 本文所介绍的实现方案难免有不足之处， 待改进和提高， 希望能抛砖引玉， 所以许多地方还有 并希望本文能对以后芯片设计研究工作的同 行 第 1 6 页 浙江大学硕十毕业论文 们有所帮助，也为我国的数字电视信道传输研究工作尽一份微薄之力。 第 1 7页 浙江大学硕十毕业论文 第二章 d v b s卫星数字电 视接收系统 卫星厂 播是广播电视的一个重要途径， 具有覆盖面广、 受地形条件影响小等 优点。 近年来，由于数字压缩技术的突破， 使电视图像、 声音及各种多媒体信息 都采用数宇方式来处理， 因为数字信号易于处理和存贮， 具有信号质量好， 经多 代录放和多环节传输之后， 仍然良 好复原， 从而保证了图像、 声音和各种信息的 高质量。本章将介绍用于d v b - s的卫星数字电视接收系统 2 . 1卫星数字电视接收系统组成 卫星数字电视接收系统见图 2 . 1 . 1 ，其中包括卫星接收天线、高频头、第一 中频电 缆、功分器和卫星接收机和显示器等部分组成，有时还包括线路放大器。 各个部分的功用将一一介绍。 卫星人线接收范围 c 波段:3 . 7 -4 . 2 g h z k u 波段: 图2 . 1 . 1接收系统总图 2 . 1 . ， 卫星接收天线 卫星接收天线处于接收系统的最前端， 它有效的接收卫星辐射到地面的电磁 第 i s页 浙江大学硕士毕业论文 波， 并将其传送到高频头之内。 卫星接收天线在整个接收系统中的地位非常重要， 其性能优劣直接影响着信号的接收质量。 世界各国卫星电 视广播普遍采用c频段 ( 3 . 7 -4 .2 g h z ) 和ku 频段 ( 1 0 . 7 5 n1 2 .7 5 g h z ) o c频段电 波传输性能好， 受外来噪声影响小， 但由 于c 频段是和 地面通信业务共用的， 所以为了避免卫星电 视信号对地面通信业务的干扰， 卫星 发射到地面的功率通量密度受到限制。 为保证接收图像质量， 您最好采用较大口 径的接收天线。k l频段的特点是频率高、频率范围宽、信道容量大，但其电磁 波受雨雪吸收大， 暴雨时甚至会中断广播， 卫星发射k u频段到地面， 其功率通 量密度不受限制。加上信号波长短，同 样口 径天线的增益要比c频段高，因而 采用较小口 径的接收天线就能获得满意的图像， 有些甚至可以安装在您家中的阳 台上，十分方便。 微波信号的传播具有光学特性， 因而卫星接收天线系统采用类似光学系统的 面状结构， 称为面天线。 反射面是以旋转轴为中心线的对称抛物面， 一般称作抛 物面天线。在抛物面的焦点设有馈源，收集经反射面反射并汇聚后的微波信号。 面天线一般由 反射面、 馈源和支架等部分组成。 按照反 射面与馈源所处相对 位置的不同，可分为前馈天线、偏馈天线和后馈天线三种 降可 前馈天线的馈源处于天线的主波束内， 因而对所接收的电磁波形成遮挡 低了天线增益， 增大了旁瓣。当馈源移出天线反射面的口 径， 形成偏馈天线， 消除馈源及其支持物对电磁波的遮挡， 旁瓣小， 当反射面边缘的照射锥削为1 5 - 2 0 d b时，偏馈天线的旁瓣电平要比前馈天线改善 8 -l o d b 。并且由于馈源避开 了 来自 反射面的回波， 因 而也改善了 天线的驻波比。 但是， 由 于偏馈天线的结构 不对称会产生较高的交叉极化辐射， 并且随着天线口 径的 增大， 馈源与反 射面的 距离也变大， 给加工带来困 难， 因 此偏馈天线在小口 径卫星直播电 视接收 系统中 刁 被广泛采用。 2 . 1 . 2高频头 ( l n b) 室外单元的高频头 ( l n b ) 是英语l o w n o i s e b l o c k d o w n c o n v e n e r 也就是” 低噪声频段下变换器” 的缩写。 它由 低噪声放大器、 混频器、 本机振荡器等构成。 l n b首先将卫星传来的极其微弱的 c或 k u波段的信号 ( 3 . 7 - 4 .2 g h z或 1 0 .7 5 - 1 2 .7 5 g h z ) 经低噪声放大器 放大， 然后在混频器中 将收到的信号频率与本 机振荡 器产生的 本振 频率 做减法， 将不同 频段的、 非常高 频率的 信号转 换为 适合 卫星接收机处理的、 统一频段的中 频信号 ( 9 5 0 - 2 1 5 0 m h z ) o 室外单元的高频头是卫星接收系统的关键部件之一， 它直接决定接收 机的灵 敏度，主要有以 下几项性能指标: 补 噪声特性 ( n o i s e f i g u r e ) ， 表示信号 经高 频头后损失的信 噪比， 对接收系统 整体性能起着至关重要的作用。以噪声系数或噪声温度来描述。 二者可以换 算。 k u 波 段 一 般 要 求噪 声 系 数 为1 .2 - 0 .6 d b ， 即 噪 声 温 度9 24 3 k ; c 波 段 噪声系数一般要求在0 . 3 d b ，即噪声2 0 k以 下。 功 率 增 益( c o n v e r s io n g a in ) ， 为 弥 补 线 路 衰 减 及 噪 声 影 响 ， 高 频 头 必 须 具 第 1 9 页 浙江大学硕士毕业论文 有较高的功率增益，一般要求大于6 0 d b . 输出电 压驻波比 ( o u t p u t v s wr ) ,驻波比 过大， 会引 起较强的反射，降 低 传输功率及稳定性，通常要求小于2 .5 : 1 . 为了充分利用频段内的无线电频率，卫星电 视广播将每个频段分为若干频 道， 并采用两种极化方式传送信号， 以避免相邻频道信号间的相互干扰， 提高频 段利用率。目 前大多数广播卫星采用线极化( 水平极化物垂直极化) 方式传送信 号 ， 线极化是指电 磁波在传送过程中 在一个平面内 振动。 其振动方向与地面平等 的电磁波极化方式为水平极化; 振动方向与地面垂直的电 磁波极化方式为垂直极 化。 通过水平极化或者垂直极化， l n b输出的是为适合卫星接收机处理的、统 一频段的中频信号 ( 9 5 0 -2 1 5 0 mh z ) . 2 . 1 . 3 卫星接收机 功分器用于多个卫星接收机的接收。 数字卫星接收机基本功能是将高频头经射频电缆送来的第一中频信号， 变换 成视频和音频信号， 提供给终端显示设备播放， 或通过调制转发设备重新发射出 去。主要结构如下: 准基带 信 号t s 流 - 第一中 电子调 谐选台 数字解 调解码 码流解 复用 音视频 解码 1 2 c a t r: 粗遍呼 r ow 1 i1 )从a m d/a - i 图2 . 1 . 2卫星接收机 卫星接收机就是将高频头出来的第一中频信号首先进入调谐选台器 ( t u n e r ) ， 通