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浙江大学硕士学位毕业论文- - h f c 前端研究与开发 y 2 3 6 8 6 摘要 f i 有线电视工业正处于一场革命之中“1 。市场的竞争，数字电视，数据通信和计 算机技术的融合正在改变着我们的世界，它同时也正在改变着我们的有线电视工 业。在这场革命中，数字技术给有线电视工业带来的革新是革命性的。它将改变整 个电视传输的体制，已经使得并且还将更加深入地使得娱乐和通信相结合。同时， 数字电视带来了新的业务和新的商业模式。这些都是模拟电视所不能奢望的。 本文将从第一章的h f c 网络的拓扑结构开始，在分析相关标准的前提下提出 h f c 前端调制器的设计方案。 h f c 前端调制器作为数字电视的宽带传输的前端设备，其重要性是很显然的。 在论文的第三章简要分析了前端调制设备需要考虑的接口后于第四章提出了我们的 前端调制器的实现方案。 对于要实现的前端调制器作性能的分析和硬件软件开销的预算是非常有必要 的。所以，在第五章详细讲述了在前端调制器实现过程中的几个非常重要的系统模 块对于系统的性能的影响。 由于本设计是一个比较复杂的工程。所以，对于其后续的改进建议在第六章给 出。 浙江大学硕士学位毕业论文一h f c 前端研究与开发 a b s t r a c t t h ec a t v i n d u s t r yi sn o wb e i n gr e v o l u t i o n i z e d t h em e r g i n go f m a r k e t c o m p e t i t i o n ， d i g i t a lt e l e v i s i o n ，d a t ac o m m u n i c a t i o na n dc o m p u t e rt e c h n o l o g i e sa r en o w c h a n g i n go u r w o r l d t h e y a l s o c h a n g e o u rc a t vi n d u s t r y d i g i t a l t e c h n i q u e s w i l l p l a y a g r e a t i m p o r t a n tr o l ei nt h i sr e v o l u t i o n i tw i l lc h a n g et h ei n f r a s t r u c t u r eo fc a t v n e t w o 叱l e a d t h ef u r t h e ri n t e g r a t i o no fe n t e r t a i n m e n ta n dc o m m u n i c a t i o n t h ed i g i t a lt v b r i n g st h e n e w c o n c e p t t ot h e o p e r a t i o na n d b u s i n e s s a l lo f t h e s ea r ef a rf r o mt h et r a d i t i o n a la n a l o g t e l e v i s i o n c h a p t e r li sa l li n t r o d u c t i o nt ot h e t o p o l o g yo ft h eh f cn e t w o r k , i n c l u d i n ga h i s t o r i c a lp e r s p e c t i v ea n da d e s c r i p t i o no f h f c n e t w o r k t o p o l o g i e s c h a p t e r 2c o n t a i n sar e v i e wo f t h er e l a t e ds t a n d a r d ss u c ha sd o c s i s a n dd v b c i t d e a l sw i t han u m b e r o f p r o p o s e ds t a n d a r d so f d v b c c h a p t e r3g i v e st h ei n t e r f a c e sw h i c hw i l lb ei m p l e m e n t e db yah e a d e n de q u i p m e n t a n dt h ef o l l o w i n gc h a p t e rp r e s e n t st h er e a li m p l e m e n t a t i o no f o u ro w nd ch e a d - e n d m o d u l a t o rb a s e do nb r o a d c o r n sb c m 3 0 3 3 i nc h a p t e r5 t h er e a d e ri si n t r o d u c e dt ot h ep e r f o r m a n c e a n a l y s i so f t h e c o r em o d u l e i nt h em o d u l a t o r c h a p t e r6p r o p o s e ds o m eu p g r a d i n ga s p e c t so f t h em o d u l a t o rs u c ha st h ei n s e r t i o no f s e r v i c ei n f o r m a t i o nt a b l ea n dt h ef i l t r a t i o no f p a c k e t sw i t hs p e c i f i cp i d s 浙江大学硕士学位毕业论文- - h f c 前端研究与开发 第一章h f c 网络拓扑结构 自1 9 9 0 年以来，由于光纤技术的应用，有线系统得到了迅速发展。直到这 时，有线系统被设计成支持所有有线系统的同一信道阵列的广播，并且还要受到频 率范围和信号质量的限制。随着光纤应用于有线分布网络，有线系统的特点起了很 大的变化“1 。 频率范围增加到8 7 0 m h z ( 或者更高) ，扩展了模拟信道阵列，为数字信道创 建了附加的频谱。 通过减少r f 放大器的层数，将噪声和失真干扰极小化，信号质量得到大大提 高。 有线系统被分割成许多并行的分布式网络。尽管广播信号被分开并输进每一个 分布网络，但分割可以使得诸如多种商业应用插入区域和视频点播这样小范围的播 送业务称为可能。 在维护上，有线系统更加可靠和容易，因为它合并了物理连接的冗余，并且每 一个节点服务区域也比较小。 混合光纤同轴网络是基于图1 1 所示的三层结构，它包含一个头端( 信号 源) ，一个分布式集线器( 一般传输给2 0 0 0 0 个家庭) 和一个光纤节点( 一般传输 给5 0 0 个家庭) 。在最后一公里分布到机顶盒处，光纤节点把光信号转变成r f 。 光纤节点通常连接在个星型网络的分布式集线器中，以便降低成本。星型网络是 可以接受的，因为一个光纤中断只影响个光节点和数量十分有限的用户。 浙江大学硕士学位毕业论3 - - h f c 前端研究与开发 图1 1 h f c 网络拓扑结构 1 1 国内h f c 网络的状况 中国有线电视自1 9 9 0 年以来，发展极为迅速，目前已超过美国成为世界第一 大有线电视网。全国有线电视网络线路长达2 0 0 万公里。光纤干线2 6 万公里。有 线电视用户为8 1 0 0 万。经广电总局批准的有线电视台1 3 0 0 座，2 0 0 0 个县铺设了 有线电视网络“”( 2 0 0 0 年国际有线电视会议前公布的数据) ，有线电视网成为我 国家庭入户率最高的信息网络。根据原广电部颁发的中国有线广播电视传输覆盖 网总体方案规划，要把分散在各地的有线电视网连成一张覆盖全国的大网，由此 而真正实现宽带高速入户，连接千家万户，使开展大规模、高容量、分门别类的信 息服务成为可能。国家干线传输网期工程于1 9 9 8 年底完成光缆干线的铺设，到 2 0 0 0 年底，2 4 个省市已经全面开通运行，最终大网达到覆盖6 0 0 0 多万家庭用户。 我国有线电视的主要任务之一是扩大广播电视的覆盖率。随着h f c 网络的高速发 展，各大城市和经济发达地区的工作重点应从发展用户、扩大覆盖率转移到提高服 务质量、开发网上多功能业务上来“”。 浙江大学硕士学位毕业论文一h f c 前端研究与开发 1 2 国内h f c 网络内的业务构成 目前，国内h f c 网络的业务除了传统的模拟电视业务外，还有数据广播业 务。具体有如下几个方面。 数字电视服务 数字电视以其清晰稳定的画面，丰富的伴音吸引了众多用户。目前展开数字电 视服务的不仅有地方电视台，还有象中央电视台样的国家级电视台。比如央视的 体育互动频道就是数字电视广播。 广告信息发布 目前一些品牌意识相当强的厂商正在或者将要为进入数据广播网的广告而竞 争。由于数据广播网的用户有相当一部分是层次相对比较高用户，他们的消费能力 也非一般消费者可比。所以，知名厂商对于这些用户的争夺可谓是用心良苦。 金融证券信息服务 1 沪深两市股票实时行情 2 财经资讯 “中国有线信息服务网”和国内最为知名的6 家财经证券网站建立了良好的合 作关系。每天将最新的财经资讯、特色栏目源源不断地发送传输。 教育信息服务 教育信息服务的市场正在迅速形成之中，中国数据广播中心授权中广三维等公 司负责建设与运营的“中国广播教育信息服务网”已组织了同步教育，成人、职业 技能教育，阳光英语等远程教育信息，每周向用户传送约6 0 0 m 的信息。 1 同步教育 与国家教学大纲同步，提供小学、初中、高中同步多媒体教学辅导。把全国重 点学校老师编写的课程辅导、解题分析、课堂练习、同步测验、高考模拟试题等以 生动活泼的数字多媒体课件的形式表现出来。将声音、视频、图像、数据有机的结 合在一起，大大提高了学生的学习兴趣。 2 成人、职业技能教育 它是继金融信息后又一热点信息。目前开展的内容有：企业经理人培训，各类 会计师资格考试，高等自学考试，英语学习，计算机软硬件知识等。 电子报刊 新 工太学硕士学位毕业论文- - h f c 前端研究与开发 组织了全国主要的三十多份报刊：人民日报、光明日报、广州日报、南方周 末、计算机世界、足球、中国证券报等，提供全方位的新闻资讯，每天传送。这些 报刊如果用户在邮局订阅所需费用为5 0 0 0 元年。 知名网站 网络的发展成就了一批网站，网站的发展使人们认识了网络。数据广播的发展 将使网站普及到老百姓家中，国内最为知名、最为专业、最为权威的网站纷纷与 h f c 运营商建立合作关系，通过数据广播将其精彩内容进行广泛传播。 信息领域涉及广泛，随着数据广播平台的对外开放，将会不断有新的信息服务 亮相，如旅游、健康、娱乐、商情等等。 1 3 国内h f c 网络的承载能力 h f c 网络的承载能力指网络的实际性能所能够进行宽带传输的数据速率。简单 而言就是网络能够传输调制信号的能力。目前，国内的h f c 网络发展还不平衡。 东西部地区的区别还非常大。在东部地区，一部分经过宽带化改造的网络，其性能 已经相当好。 d v b c 采用q a m 调制，q a m 调制是一种高效的调制方式，d v b c 标准对于 下行数据广播建议采用6 4 q a m ，1 2 8 q a m 或者2 5 6 q a m 调制。采用6 4 q a m 调制 可以在传统的8 m 模拟频道带宽上传输约4 0 m b p s 的数据，目前国内的一些宽带化 改造后的网络已经可以比较可靠的传输6 4 q a m 信号。对于1 2 8 q a m 调制，在一 些性能比较好的网络中，可以进行传输，而对于2 5 6 q a m 信号的传输就不太可靠 了。关于此的简单理论分析从下面的图可以看出。 浙江大学硕士学位毕业论文- - h f c 前端研究与开发 零慧忒i l 桑心j 心 h 闲f1 荆i i r o 露一；| | 、 g | 谬一f 娄4 0 “目 f 钱| | 1 2 e q a ：? 二，泛j 磷。聱嘤! ? i 蛩? 豫燕0 蠹螽漫融，瓣夔露、 图1 3 1m q a m 调制误码率图 理论分析的误码率曲线图如图1 3 1 ，从图中可以看出，需要达到l o 6 量级的误 码率时，对于6 4 q a m 调制，需要1 6 d b 左右的信噪比。对于1 2 8 q a m 调制，需要 1 9 d b 左右的信噪比，对于2 5 6 q a m 调制，需要2 2 d b 左右的信噪比。 浙江大学硕士学位毕业论文- - h f c 前端研究与开发 第二章相关标准 与h f c 有关的标准主要有d o c s i s 和d v b c 。下面将简要介绍有关的标准。 在这个部分，由于我们主要倾向于采用h f c 作为单向数据广播应用，所以，对于 d o c s i s 协议我们将简单介绍，而对于d v b c ，我们将给予更多的篇幅。 2 1d v b c d v b 项目成立于1 9 9 3 年，他是一个以市场为导向，包括了许多电视工业的公 共和私有组织的一个标准化组织。其目的是构建一个基于m p e g - 2 的数字电视服 务的框架。现在，d v b 标准化组织已经有全世界的超过2 5 个国家的2 0 0 0 个组织 加入。d v b 研究消费电子和广播工业的经济状况以切实满足市场的需求。 2 1 1 简介 近年来，d v b 项目已经有了非常成功的研究并且也开发了相当多的标准。实 际上，数字视频广播一词已经很难定义d v b 的标准了：因为d v b 标准不仅包含 有数字视频传输，还包括数字音频，数据和辅助信息的传输。其中一些标准的目的 在于提供双向的通信信道。比如，使用c a b l e 进行双向通信。 由于d v b 环境的复杂性，规划服务或者设备的时候需要考虑相当多的文档。 对于对d v b 解决方案已经有相当的研发基础的人而言，d v b 解决方案中的文档列 表是容易理解的。但是对于新手而言，总览现行的标准，指导标准等等是非常必要 的。 本章的主要目的是将现有的d v b 的文档呈现一个总体的框架，而不是提供对于 文档列表的详细说明。 浙江大学硕士学位毕业论文一f i f c 前端研究与开艇 2 1 2 基带处理 d v b 早期的一个最基本的决定是采用m p e g 2 作为音频和视频的的信源编码 和p e s ，t s 流，这是所谓的系统级。该三个文档 i s o1 3 8 1 8 1 】， i s o1 3 8 1 8 2 1 和 【i s o1 3 8 1 8 3 】是描述m p e g 一2 系统、视频、音频的国际标准。所有的三个标准对于 d v b 标准来讲范围都太宽了。不是非常适用于直接采纳。 因此，d v b 项目产生3 e t r1 5 4 ，该指导性文件包括了对于m p e g - 2 描述的 语法和参数的限定以及在d v b 应用中的首选数值。 在模拟电视中，图文电视广播已经被使用好多年了。观众对于从图文电视广播 获取信息已经非常习惯。现行的电视接收机概念对于将卫星信号通过一个“黑盒 子”接受并解调然后送电视机显示已经非常习惯了，从电缆出口或者屋顶的天线到 现有的接收机( 被称之为集成接受解调器) ，d v b 必须有一个能够提供模拟图文 广播的机制，这个机制在 e t s3 0 0 4 7 2 里面阐述并被表述为d v b t ) ( t 。 在很多国家，通常在广播电视节目的时候，伴随着原始的音轨会提供翻译的字 幕。另外一个应用是在广播的图象上加上图形标记比如电视台的商标等等。在 e t s3 0 0 7 4 3 】中，提供了一个有效的机制使得所有的字幕和图形能够伴随d v b 的 信号同传送。 将来的d v b 服务将有种类相当多的节目同步大量的从传输信道传输。为了使 集成接收解调器能够调谐到这些频道并且使得d v b 用户能够在众多的节目中浏 览，d v b 流中有必要加入强大的浏览的支持。在l e t s3 0 0 4 6 8 描述的服务信息s i 构成了对这些的支持。称为d v b s i 。【e t r2 1l 】包括了一系列指导性文件描述了如 何必须以及能否使用s i 信息。在 e t r1 6 2 1 中，s i 码被列出表明不同广播者的服 务。 2 1 3 传输 通过所有广播信道传送信号的传输的技术标准定义了d v b 项目的运送能力。 【e t s3 0 0 4 2 l 淀义了通过卫星信道传输数据的标准，称为d v b s 。在这个文档 里面，第一次描述了信道编码的不同工具，后来这成为其他运载媒体的重要部分。 【e t s3 0 0 4 2 9 描述了在有线电视系统内的进行d v b 信号传送的信道编码和调 制方式，称为d v b c 。该文档组成了【e t s3 0 0 4 7 3 】的基础，在该文档中还描述了 利用卫星电视天线的作为d v b 传输的标准，称为d v b c s 。 浙江大学硕士学位毕业论文- - h f c 前端研究与开发 利用d v b 作为地面广播系统在许多国家正在制定( d v b - t ) ( 1 9 9 6 年冬季) 。与 此应用有关的标准是【e t s3 0 0 7 4 4 。如果单一频率的网络架构被采用作为d v b t 信号传输，所有的网络中的发射机的同步是最重要的。 t m1 7 4 3 包含的s f n 同步 的m e g a - f r a m e 的标准。 如果采用微波传送d v b 信号，根据不同应用频率，两个标准可以被微波多通 道分布系统( m m d sm u l t i c h a n n e lm i c r o w a v ed i s t r i b u t i o ns y s t e m ) 采用。f e t s 3 0 0 7 4 8 描述了在1 0 g h z 及其以上频率的微波多通道分布系统的标准。该传输系统 是基于采用d v b s 作为传输体系。 e t s3 0 0 7 4 9 是频率低于1 0 g h z 时可以应用于 m m d s 传输的。该标准是基于d v b c 的技术，所以被称为d v b m c 。 2 1 4 条件接收 在许多场合下，基于d v b 的服务是需要付费的或者至少有一些不能由公众自 由收看的内容。条件接收这个名词通常用来描述用来控制节目、服务等的接收的系 统。条件接收( c a ) 系统包括许多模块，其中有对于节目和服务的加扰机制，终端 用户管理系统s u b s c r i b e rm a n a g e m e n ts y s t e m ( s m s ) ，在该系统中，所有用户的数 据被保存着。用户认证系统s u b s c r i b e ra u t h o r i z a t i o ns y s t e m ( s a s ) 用来对节目加密 并且传送密钥使得终端用户能够合法收看节目。 s m s 或者s a s 不被标准化是d v b 项目的一个策略化的决定。由d v b 成员联 合制定的条件接受系统的仅有的部分是公用加扰算法c o m m o ns c r a m b l i n g a l g o r i t h m 。e t r2 8 9 是一个使得对于t s 流或者p e s 流进行安全加扰的强大的工 具。由于该系统的特殊性，该系统没有向公众公开其细节。该标准可以通过 a 0 1 1 1 定义的过程向有关机构得到。 条件接收的所有其他的部分是以许多竞争的商业产品形式由d v b 成员提供 的。 为了使得集成接收解调器能够同时解扰使用不同条件接收系统并行广播的节 目，在集成接收解调器内部可以包含一个条件接收和其他数字视频广播解调应用的 公用接口。该接口由 e n5 0 2 2 1 】定义。通过向公用接口插入一个p c m c i a 模块， 不同的条件接收系统可以被集成接收解调器搜索到。多重加密m u l t i c r y p t 用来描述 多个条件接收系统的同时操作。 提供给观众访问经过不同条件接收系统处理过的节目的另外一个途径称为同时 加密s i m u | c r y p t 。在这个例子中，不同节目提供商之间通过相互协商达成一个使得 观众通过一个集成在集成接收解调器那部特定的条件接收系统来观看所有的节目。 浙江大学硕士学位毕业论文- - h f c 前端研究与开发 而不必关心这些节目是由不同的条件接收系统加扰的。个使得同时加密 s i m u l c r y p t 成为可能的协议由【d v bg a 2 ( 9 4 ) 9 ，l e v 1 】描述。 d v b 项目的目标之是帮助产生欧洲的反盗版法规a n t i p i r a c yl e g i s l a t i o n ，即 允许对于破坏条件接收系统的盗版行为进行严格的惩罚。对于这个法规的提议在 【a0 0 6 有包含。 如果从卫星和地面广播系统接收的加扰后的节目馈入有线电视网络，在有些特 定的场合下，建议有线电视网络运营商作条件接受系统的变换，这样所有的节目就 可以在同一个条件接收系统下受控。在有线电视前端变换条件接收系统被称为传输 控制t r a n s c o n t r o l ，他也是d v b 项目支持的。 2 1 5 互动服务 很多形式的d v b 提供的服务需要用户和节目提供商或者网络运营商之间的互 动。这个互动可以是仅仅含有几个命令的简单的互动，也可以复杂到类似于 i n t e r n e t 通信的程度。 在d v b 中，提供互动的工具被大体分为两类。一个是与网络无关的可以被认 为对于i s o o s i 协议栈的两层到三层的延伸f e t s3 0 0 8 0 2 。该协议栈的一个重要部 分是由m p e g 【i s o1 3 8 1 8 - 6 】定义的数字存储媒体命令控制( d s m c o 协议。文档 【t m1 6 3 1 1 是为了使用户能够理解这个有些复杂的协议栈而生成的指导性文件。 第二组d v b 协议与较低的层面有关系。( 大概为i s o o s i 模型的第一或者二层) 因此描述了与网络有关的互操作的工具。到目前为止( 1 9 9 6 冬季) ，已经有两个标准 产生。第一个是描述了如何使用公用电话网( p s t n ) 和综合业务数据网( i s d n ) 作为 互动的物理网络 e t s3 0 0 8 0 1 1 。第二个是利用有线电视网络完成同样的互动的目的 的完整的解决方案 e t s3 0 0 8 0 0 】。最近将设计如何采用极小口径卫星传输将 ( s ) m a t v 连接并将其作为d v b 地面广播的互动信道。 2 1 6 其他 d v b 技术的一个能力是他能够以极高的数据速率实现一点对多点的非常安全 的大量数据传输。这些数据可以是视频和音频，但是在许多应用中，这些数据可以 是文件或者其他通用信息的格式。为了对这些数据进行传输，包括对于同样数据进 行规则的或者不规则的重复传输，一个数据广播的标准刚刚完成【t m1 8 2 7 ， r e v 1 】。该文档描述了四个应用领域为数据管道d a t ap i p i n g ，数据流d a t a 浙江大学硕士学位毕业论文- - h f c 前端研究与开发 s t r e a m i n g ，多协议封装m u l t i p r o t o c o le n c a p s u l a t i o n 和数据重复传送d a t ac a r o u s e l 。 该协议是d v b 推荐的数据广播的实现方案。其他形式的实现方案也可以共存。 由于许多广播者的需求，d v b 项目正在考虑将来设计一组数字卫星新闻( d s n g ) 收集的标准。该标准很可能包括上面提到的一些文件加上一些新的工具。比 如，使得个人间相互的双向通信的d s n g 上行和下行。 电信网络在连接中将会起非常重要的作用。比如，广播者的播放中心和其他城 市的卫星上行站之间的连接。可以使用不同的网络( 比如p d h ，s d h ，a t m 等等) 达 到这个目的。d v b 项目已经设计了连接d v b 信号和p d h 网络的接1 ：2 研s 3 0 0 8 1 3 。对于s d h 网络的对照性接口在 e t s3 0 0 8 1 4 内描述。 d v b 系统对于设备制造商，广播商和网络运营商来说是一个新技术。对于这 些系统设备的测试和验证需要一些指导。 e t r2 9 0 作为该指导可以帮助区分有无 意义的测试和如何进行测试。 d v b 项目并不对于具体的d v b 和集成接收解调器的硬件结构作具体限定，而 是定义了一些软件操作比如应用编程接e l ( a p i ) 。d v b 主要定义了外部的接口。在 【e n5 0 2 0 1 1 中，集成接收解调器的接口被定义。 e n5 0 0 8 3 9 】描述了电缆前端，卫 星上行链路和类似的专业安装的接口。 为了使集成接收解调器能够和将来的媒体( 如d v d ，d v c ，d v h s 等等) 接口， d v b 数据流必须满足特定的条件。比如这些条件与传输节目的最大比特速率有 关，反过来，这是由特定的存储媒体的记录能力限定的。这些条件包含在 e t r1 5 4 1 和 e t s3 0 0 4 6 8 里。 2 1 7 总结 d v b 项目的工作已经有了一系列的广泛的技术与非技术的文档用来描述市场 需求的解决方案以使得他们能够利用好这个广播数字信号的新技术。这些文档是很 多人花了数以千计小时的时间来针对新阃题设计新的锯决方案的结果。 很多组织( m p e g d a v i c ) 通过将他们的工作呈现给d v b ，或者通过与d v b 积 极合作来推动d v b 规范标准化，对d v b 作出了非常重要的贡献。 d v b 项目的工作已经接近非常成熟了，但是它还没有结束。大量的设计活动 还在继续。在这些活动中，有如何采用d v b 进行高清晰度电视( h d t v ) 广播。因 此，d v b 正在为中长期的电视发展作准备。 浙江大学硕士学位毕业论文- - h f c 前端研究与开发 2 1 8 参考 由于规范和标准的快速发展，推荐大家检查参考”到“”是否已经被更新的版 本所替换。该列表生成于1 9 9 6 年二月。 2 2d o c s i s d o c s i s 是c a b l et e l e v i s i o nl a b o r a t o r i e s 、i n c 联合业界诸多厂商推出的标准。该 标准主要是要实现c a b l e 上的透明的i p 数据传输。其1 1 版本主要包括以下几个方 面： 射频接口标准 c m t s 网络接口标准 基本数据保密接口标准 c m 与用户设备的接口标准 互操作支持系统的接口标准 相容性测试计划 ， 关于d o c s i s 的具体信息请参见参考文献“”“”。 2 3 相关的国内标准进展 我国早于八十年代末就开始跟踪研究世界数字电视发展的趋势。在“八五”和 “九五”期间，我国在h d t v 技术的科研项目攻关上都取得了重大突破。数字电 视产业化已列入国家“十五”计划中十二大高新技术工程之。我国的数字电视广 播的信道编码和调制标准主要包括有线数字电视传输标准，卫星数字电视标准和她 面数字电视标准。其中，有线数字电视的信道编码和调制标准将很有可能参照 d v b c 的标准进行制定。 浙江大学硕士学位毕业论玉 - - h f c 前端研究与开发 = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = - ! ：= ：! = ：! = = = = = = = = 第三章h f c 网络前端调制器 h f c 网络前端调制器是进行数据广播，包括数字电视等业务所不可缺少的中心 端设备，它的性能好坏，升级能力的强弱，兼容性的优劣直接影响到整个网络的运 营状况，所以，h f c 网络前端调制器是个非常重要的设备，对于它的技术要求 几乎可以用“苛刻”来形容。下面是其主要的技术指标： 带宽：1 - - 8 m h z 可选 比特速率：1 8 0 m b s 可调 中频输出：3 5 m h z 可适当调整 e v m ：2 2 s n r ：5 0 d b 谐波与杂散抑制：6 0 d b 实际上，这些性能绝大部分是取决于调制器a s i c 的性能的。根据b c m 3 0 3 3 的性能指标，可以看出，通过优化p c b 板的布线结构以及系统的整体架构，能够 达到以上的性能指标。 3 1d v b c 定义的接口标准 为了使得研发的h f c 前端调制器能够与业界其他厂商的设备互连互通，h f c 网络的前端调制器必须支持业界公共的标准。这里将讨论d v b c 的接口标准。 d v b c 定义的接口标准有很多，这里仅仅关心与前端调制器相关的接口。 3 1 1a s i a s i 接口全称是异步串行接口。它用于m p e g 一2 设备之间的互连，它是传输 m p e g 一2 传输流的本地基带传送设施。d v ba s i 运用8 b 1 0 b 编码，速度为 2 7 0 m b s ，产生的最大有效载荷为2 1 6 m b s 。d v ba s i 设计采用两种媒体： 同轴电缆：同轴电缆比光纤便宜，对在头端的设备之间相互连接很理想。然 而，同轴电缆衰减极限大约为5 米。 浙江大学硕士学位毕业论文- - h f c 前端研究与开发 光纤：光纤比同轴电缆昂贵许多，但是支持相当大的衰减长度。多模光纤支持 长度可以达到数千米，应用也非常广泛。单模光纤传送的距离更长。 d v ba s i 的特点可以简单总结如下： 传输格式：d v ba s i 传输格式如图3 1 1 1 表示。运用8 b 1 0 b 编码，每一个字 节编码成l o 比特，每个m p e g 传输分组至少被两个同步化的字节领先或随后。 一个分组可以用任何数量的填充字节重组。 差错检测和恢复：d v ba s i 没有差错检测和恢复的机制，因为它设计用于短距 离设备的相互连接。 定时：d v ba s i ，顾名思义是异步的。即是说，在连接时钟和m p e g 系统定时 之间没有相互关系。所以，运用d v ba s i 输入的每个设备使用一个高保真的局部 2 7 m h zv c x o 来进行定时。当m p e g - 2 传输分组输出到a s i 连接时，他们又一次 附加上时间信息，以补偿由于多路复用引起的任何抖动。 局限性：d v ba s i 限于在短距离设备的互连上，这是由于其衰减和没有差错保 护机制引起的。 e 日珂回， lj8 b ，1 0 b 编丹m p e g 传输分组( 1 8 8 0 比特) )j 柯个或更多 两个或更多 同步字节 同步字节 同步字节字节 同步字节 图3 1 1 1d v ba s t 传输格式 3 1 2s p i s p i 接口是并行同步接口的简称。它同样用于m p e g 2 源设备和中心调制器的 互连。 s p i 接口是变比特速率的并行传输模式。数据传输与数据的字节同步时钟相同 步，该数据就是m p e g 2 的传输流。如图3 1 2 1 。传输链路采用低压差分信令技 术( l v d s ) 。关于具体的l v d s 的阐述，请参见附录。 浙江大学硕士学位毕业论文- - h f c 前端研究与开发 d a t a ( 0 - 7 )，8 i 发送端接收端 d v a l i d ，1 一 p s y n c，1 一 图3 1 2 1 同步并行接口传输系统信号 s p i 接口采用d b 2 5 芯的连接器，传送的数据是m p e g 2 的1 8 8 字节或者2 0 4 字节的传送流。在传送2 0 4 字节格式的传送流时，其中包括了1 6 个字节的空位置 是用于r s 编码的，所以，需要有d v a l i d 信号来标定这些空数据。p s y n c 信号 表明了一帧数据的开始。 实现了s p i 接口的设备必须支持图3 1 2 2 的三种数据传输格式。 广 厂 长度为1 8 8 字节的帧格式 厂 厂 长度为2 0 4 字节，其申1 6 字节为j 更充字节的帧格式 c i o e k d a t a ( o - 7 ) d v a l j d p s y n c c l o c k d a t a ( 0 - 7 ) o v a l i d p s y n c in 几门n n n nnn c l o c 。 色 呶x 炎烫删d a m ( 0 - 7 ) 。“一d v a l i d 厂 厂 p 5 y n c 长度为2 0 4 字节，其中1 6 字节为有效的r s 编码字节的帧格式 图3 1 2 2s p i 传输的三种数据格式 黜毁 浙江大学硕士学位毕业论文一h f c 前端研究与开发 3 1 2 1 信号格式 时钟c l o c k ，数据d a t a 和同步信号必须并行传输。+ 8 位数据连同p s y n c 和 d v a l i d 表明了m p e g 2 传输流中何时为有效数据，何时为空字节。所有的信号 都与时钟c l o c k 信号同步。信号被编码成非归零( n r z ) 的形式。 d a t a ( 0 7 ) ：传输流的帧数据，8 位，d a t a 7 是最高有效位。 d v a l i d ：高电平使能，表明接口上的数据有效。在1 8 8 字节帧长的传输流模 式中，该信号恒定为高电平。在2 0 4 字节帧长的传输流的模式中，低电平表示不必 对于r s 冗余字节进行校验。 p s y n c ：高电平使能，表明一帧的开始，同时，该高电平表明了数据线上出现 的是传输流的同步字节。 3 1 2 2 时钟 时钟信号是一个方波信号，它的0 到1 的跳变即时钟的上升沿表明了数据传 输。时钟的频率l 依赖于传输的速率。 当传输流没有经过插入r s 码，帧长为1 8 8 字节时： 厶2 等 3 1 2 2 1 ) 当传输流经过了r s 编码并加上了1 6 个字节的r s 码校验字节时，帧长为2 0 4 字节，此时： 以：2 掣2 0 4 比2 ：， 。9 8 、 。 频率工对应了m p e g - 2 传输层的有用比特率。时钟频率厶不能超过 3 1 2 3 接口的电气特性 s p i 接口采用了1 1 个线驱动器和1 1 个线接收器，每个线驱动器有一个平衡输 出对，相应的线接收器有一个平衡输入对。线驱动器和线接收器必须符合l v d s 的电气特性，也就是说，必须使用l v d s 线驱动器和线接收器来作s p i 的线驱动和 线接收。所以，接口的电气特性兼容于l v d s 的标准，具体参见附录“1 。 浙江大学硕士学位毕业论文- - h f c 前端研究与开发 3 1 2 4 接插件的物理参数 接插件使用了2 5 芯d 型i s 0 2 1 1 0 规定的小型接插件。在设备上是孔型的，在 电缆部分是针型的，具体可以参见相关标准。表3 1 2 4 1 是其引脚的信号定义。 表3 1 2 4 1 引脚信号线定义引脚信号线定义 1c l o c k a1 4c l o c k b 2 s y s t e mg n d 1 5 s y s t e mg n d 3d a m 7 a ( m s b ) 1 6d a t a 7 b 4d a t a 6 a1 7d a t a 6 b 5d a t a 5 a 1 8d a t a 5 b 6d a t a 4 a 1 9d a t a 4 b 7d a t a 3 a2 0d a t a 3 b 8d a t a 2 a 2 1d a t a 2 b 9d a t a l a 2 2d a t a lb 1 0d a t a 0 a 2 3d a t a 0 b 1 1d v a l i d a 2 4d v a l i d b 1 2p s y n c a 2 5p s y n c b 1 3c a b l es h i e l d 3 1 3s s i s s 口可以看成是s p i 接口的串行形式。详细的规范参见附录n 1 。 3 2 主流厂商的产品的功能和性能 x c 主流f - n i 的产品的功能和性能进行比较，可以为自行研究开发提供方案指 导。目前，生产h f c 前端调制器的主要的厂商有b a r c on e t i n c ，m e n t o rd a t a s y s t e mi n c ，h i r s c h m a n n ，i n t e g r a c o ，g e n e r a li n s t r u m e n t s 等公司。表3 2 1 是其功 能和性能简要比较。 浙江大学硕士学位毕业论文- - h f c 前端研究与开发 b a r c o q u a s支持所有的输入数据速率，所有的信号带宽和1 6 ，3 2 ，6 4 ， n e t i n c a r l l 1 2 8 ，2 5 6 q a m 星座图，兼容i t u tj 8 3 a n n e xa ( d v b ) ， b ( o p e n c a b l e ) ，c ( j a p a n ) ，a s i 输入接口( 带环路输出) ，比 特填充，可调射频输出，中频环路输出，静态p i d 过滤，远 程监控和基于r o s a 的管理，通过r o s a 的冗余备份和自动 电平控制 h i r s c h q a m 8专业广播级d v b 处理器，s p i 输入，r f 输出，频率范围3 0 0 m a n n5 0 0 - - 8 6 2 m h z ，可选的a s i 接口，可选的p i d 过滤，可选的s i 信息插入，输入符号率：1 7 2 5 m s y m b s ，调制方式：1 6 ， 3 2 ，6 4 ，1 2 8 ，2 5 6 q a m ，监控：前面板l c d ，可选的s n m p m e n t o r q a m l兼容d v b ，s p i 或者a s i 数据输入，可变比特率，1 6 ，3 2 ， d a t a1 0 0 6 4 q a m 调制，1 2 8 ，2 5 6 q a m 调制( 此时不能保证相应的射 s y s t e m 频性能) ， i n c 备注：功能简述中凡出现可选的字样表明该功能需要另外附加模块实现。 从表中可以看出，主流厂商已经完全满足或者超越了d v b 标定的对于前端设 备的功能和性能需求。总体而言，主流厂商的基本部件大都采用s p i 输入，l c d 加键盘进行监控，以及直接射频输出。所以根据此，设计规划我们自己的方案，我 们可以采用前端调制器a s i c 加f p g a 和m c u 来实现这些基本的功能( 射频变频 需要另外的模块) ，并能够有所突破。 3 3 前端调制器的设计原则 前端可分为四个主要的功能块，即信号输入块、处理块、信号输出块和系统管 理块，每一块都有其特定的功能“。前端设备不仅要有很强的适应性，而且还要 有紧凑的结构设计。对于一个前端设备，需要考虑的设计原则主要有以下几个方 面。 信号输入模块能够接受标准的接口标准的输入，并把它转换成统一的格 式。所有的模块能够热插拔，支持冗余备份，能够监视输入信号的有无。 数据处理部分能够支持标准所规定的数据处理流程。从基本的数据的加扰 到复杂的s i 信息的插入以及p i d 的过滤。 信号输出模块则需要得到符合标准的传输信号。对于d v b c 而言就是符 合标准的6 4 q a m 或者2 5 6 q a m 调制，对于d v b s 则是q p s k 调制。 浙江大学硕士学位毕业论文一h f c 前端研究与开发 ：= ：一- ! = ：= = = = = = = ：= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = ! = = = = = = = = = = = = 系统管理模块应该能够进行系统的管理，包括状态监控和出错报警等等。 以上面几个原则来规范前端调制器的设计是一个明智之举，只有这样才能设计 出一个真正能够应用的前端调制器。 浙江大学硕士学位毕业论文一h f c 前端研究与开发 = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 兰= = = = = = = = = = = 。= ：= = = = = = = = = = ：= = = ：= = = = = = ： 第四章h f c 前端调制器的实现方案 h f c 前端调制器采用b r o a d c o m 公司的一块专门用于前端调制器市场的芯片加 上f p g a ，m c u 等组成。图4 1 是系统的总体框图。 图4 1 系统的整体框图 为了使得读者能够对于数据处理的整体流程有一个总体的把握，本章将首先介 绍d v b c 前端调制器的数据处理流程。然后在此基础上介绍其硬件实现。 4 1 符合d v b - c 标准的数据处理流程 4 1 1m p e g 2 传输层 m p e g 2 传输层由i s o i e c1 3 8 1 8 1 1 定义，m p e g 2 传输流由1 8 8 字节的数据 帧组成，其中一个字节用于同步，3 个字节用于服务指示，加扰和控制信息，随后 的是1 8 4 字节的