（通信与信息系统专业论文）atsc8vsb接收芯片内码系统的asic设计及实现.pdf

摘要 r 2 3 3 8 高清晰度电视( h d t v ：h i g hd e f i n i t i o n t e l e v i s i o n ) 使用了多项当今世界上最 先进的可以实际应用的数字通信技术和信源、信道压缩编码技术，当前，高清晰 度电视在世界范围内正跨出科研阶段而进入商品化的时代，在我国也已成为热门 、，百一 话题夕本文在信道董堕荃苴系统设计的基础上介绍了值鲎塑璺中内码的a s i c 设 计。在高清晰度电视信道接收芯片中内码是8 一v s b 的格状编码，在系统性能上 使用t c m 编码要比未编码有3 3 d b 的编码增益，另外在格状编码中加入了1 2 路的内交织，可有效的抑制短的突发噪声对接收端v i t e r b i 解码性能的影响。 本文在介绍垒! g 莶苴设计的基础上，着重介绍了信道编码中的内码的a s i c 实现和性能分析。内容涉及到了高清晰度电视系统的介绍、系统芯片设计( s o c ) 、 t c m 编解码原理和性能分析、内码部分的a s i c 实现等。最后在整个芯片系统 达到了1 4 9 的噪声门限。 a b s t r a c t b a s e do nt h ea d v a n c e dt e c h n o l o g i e so fd i g i t a lc o m m u n i c a t i o n ，s o u r c e a n dc h a n n e lc o d i n g d i g i t a lh i g hd e f i n i t i o nt e l e v i s i o n ( d i g i t a lh d t v ) h a sb e e n o n eo ft h ef o c u s e so ft h ew o r l d sc o m p e t i t i o ni nh i g ht e c h n o l o g y ，a n di tw o u l d g r a d u a l l ys u b s t i t u t et h ee x i s t i n ga n a l o g u e t e l e v i s i o ns y s t e m c u r r e n t l y 。h d t v s y s t e mh a ss t e p p e d o u tf 巾ms c i e n t i f i cr e s e a r c hp h a s ea n di n t oac o m m e r c i a l p h a s ei n t h eg l o b a lw o r l d a n da l s o 。i no u rc o u n t r y ，r e s e a r c h e si n h d t v s y s t e ma n da p p l i c a t i o n sh a v ea c c o m p l i s h e dm a n y a c h i e v e m e n t s t h ep a p e rd i s c u s s e st h ep a r to fa s i cd e s i g no ft c m ( t r e l l i sc o d e d m o d u l a t i o n ) i nh d - i - v8 v s b t e r r e s t r i a lc h a n n e lb r o a d c a s t i n gr e c e i v e rc h i p i n t e s t i n g t h et c m c a ni m p r o v et h es i g n a l - t o - n o i s eb y3 3 d bc o m p a r e dw i t h u n c o d e d4 v s bm o d u l a t i o n ，a n dw i t ht h e1 2p a t hi n t r a s e g m e n ti n t e r l e a v i n gi n t c m c o d i n ga n dv i t e r b id e c o d i n g ，s y s t e mc a nc o n t r o ls h o r tb u n t n o i s ee r r o r e f f i c i e n t l y t h ec o n t e n t s o ft h i sp a p e rh a v ei n c l u d e dh d i - vs y s t e mi n f o r m a t i o n ， s y s t e m o n c h i pd e s i g n ，t c mc o d i n g ，v i t e r b id e c o d i n g a n di t s s y s t e m p e f f o m a n c e w i t ht h e o u t e rc o d e r ( r e e d - s o l o m e nc o d i n g ) 。t h eh d - i vr e c e i v e r c h i pc a na t t a i n 14 9 d bi ns i g n a l - t o - n o i s e 第一章绪论 高清晰度电视( h d t v ：h i g hd e f i n i t i o nt e l e v i s o n ) 是全球广播电视行业最引人 注目的焦点之，当前，高清晰度电视在世界范围内正跨出科研阶段而进入商品 化的时代，在我国也已成为热门话题，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，成为技术发展的驱动器和 经济发展的倍增器，被称为继半导体、电子信息技术之后电子行业的第三次机遇。 c c i r ( 国际无线电咨询委员会) 的8 0 1 报告中中是这样说的：“高清晰度电视系 统的设计要求是使观看者在图象高度的大约3 倍距离处能看到或接近看清楚细 节的程度，达到视力正常的的观看者在看原始景物中相同的感觉。”这就意味着， h d t v 和现在的电视制式相比达到下列标准：( 1 ) 垂直和空间分解力各提高 倍；( 2 ) 改善重现的彩色：( 3 ) 色信号和亮度信号分离；( 4 ) 宽屏幕，提高宽高 比；( 5 ) c d 质量的立体声；( 6 ) 改进提高时域分解力。h d t v 地面广播系统发 展到现在已经形成美国v s b 和欧洲c o f d m 两大系统方案相互竞争的局面。 1 1 国际上研究开发h d t v 的历史和现状【1 , 7 , 8 】 1 1 1国际上研究开发h d t v 的历史 从7 0 年代开始，高清晰度电视就成为国际上的一个热门话题。经过2 0 年左 右的参所，日、欧、美三个主要集团在h d t v 的技术方面走着不同的道路。 日本从7 0 年代初期就提出了自己的h d t v ( 日本人h d r v 为h i v i s i o n ) 方 案，并把它成为m u s e 制式。在这个方案中，电视画面的垂直分解力提高到11 2 5 行，水平清晰度也相应提高，仍保持每秒3 0 帧画面、2 ：1 隔行扫描，传送的信 息量约为n t s c 制电视信号的5 倍。同时由于把图象的宽高比从4 ：3 扩展到1 6 ： 9 ，使视野较为开阔，在较大屏幕的条件下，可以获得较强的临场感，使人们得 到更高更美的享受。为此所需的代价是视频带宽从n t s c 制4 2 m h z 展宽到 2 0 m i - i z 。从1 9 8 6 年起，日本的n h k 就以m u s e ( m u l t i p l es u b - n y q u i s ts a m p i n g e n c o d i n g ) 方式播出h d t v 。m u s e 方式把频带压缩为8 1 m h z ，通过卫星广播。 日本从1 9 8 9 年每天1 小时试播，从1 9 9 1 年起又开始每天8 小时的广播。接 收机的价格己降到6 5 万日元一台，但普通人仍嫌贵，因此降低接收机价格成了 推广h d t v 的关键。日本的h d t v 虽然是用数字技术进行图象研所，但仍采用 模拟制式传送，频带为8 1 m h z ，和常规电视的贫道不能兼容，故而只能利用卫 星通道传送，不能采用地面广播的方式。尤其是因为它不能和多媒体技术相融合， 所以日本有关部门曾经表示要以全数字h d t v 来代替m u s e 系统。这一表示遭 到有关厂商的激烈反对，官方不得不又声明目前仍推广m u s e 系统，要到2 0 0 7 年才改用全数字化，并打算采用i s d b 系统。 在8 0 年代中期，正当日本集中力量研究h d t v 时，欧洲就提出了m a c 制， 想用它代替p a l 和s e c a m 。 m a c 制是一种“模拟分量时分多工制”，用时间周压缩方法，将每行的亮度 信号和和色度信号顺序的传送，从而取消了副载波，彻底克服了现行制式中的一 些缺点，如亮色互串、需用陷波器等问题。 在m a c 制刚刚提出时，正是日本想把它的h i v i s i o n 定位世界统一标准之际， 因此欧洲被迫仓促上马迎战，于1 9 8 6 年提出了h d - m a c ，其制式时1 2 5 0 2 5 1 ， 宽高比1 6 ：9 ，视频带宽也超过8 m h z ，通过卫星播出，与m a c 兼容。h d m a c 在1 9 9 1 年奥运会上播出国，但它和m u s e 制一样，都是用模拟方式传送的，在 技术上已经落后。据了解，欧洲已停止了h d - m a c 制式的继续研究，并开始了 全数字h d t v 制式的研究。其中主要的又北欧研究的h d d i n e 和德国的 h d t v - t 。在心愿编码方面，欧洲和美国一样都采用m p e g 一2 国际标准，但 h d t v t 主要研究的课题是关于兼容的t v h d 传输和适度降级的分级性能。 h d d i v i n e 提出的c o f d m 技术引起了国际上的逐一，它对于抗御多径干扰有 着明显的优势。正是在这个基础上开发成功d v b 标准。现在世界上有不少国家 采用它作为数字电视标准。 对于h d t v 的研究开发工作，美国起步比欧洲更晚。在美国他们把h d t v 称为先进电视( a t v ：a d v a n c e dt e l e v i s i o n ) 。1 9 8 8 年9 月美国联邦通信委员会 ( f c c ：f e d e r a lc o m m u n i c a t i o n sc o m m i s s i o n ) 提出，新一代的电视必须与现有 n t s c 接收机的收看性能相兼容，且其播出不能打乱现有的电视频谱划分。1 9 9 0 年3 月f c c 取消了h d t v 与n t s c 接收机兼容的要求，但坚持必须在6 m h z 频 道中播出。1 9 9 0 年6 月g i 公司( 通用仪器公司) 提出了d i g i c i p h e r 全数字化方 案，它是一种能通过原有的米波( f ) 或分米波( u 王 f ) 电视频道传输的全数 字h d t v 系统，能提供全部的h d t v 性能。该系统可将信源高达1 1 8 g b s 的码 率压缩到2 0 m b s 以下，再用适当的调制方式( 1 6 一o a m ) 把它压缩在6 m h z 信 道内进行播出。 在美国g i 公司提出d i g i c i p h e r 制式之后，又有z e n j t l l 公司提出的d s c h d t v ( d i s t a ls p e c t r u mc o m p a t i b l eh d t v ) 制式、a t r c ( a d v a n c e d t e l e v i s i o nr e s e a r c h c o n s o r t i u m ) 财团提出的a d h d t v ( a d v a n c e dd i g i t a lh d t v ) 制式，以及由 m i t 和g i 公司联合提出的c c d c ( c h a n n e l c o m p a t i b l ed i g i c i p h e r ) 制式。 美国的这四个全数字方案都建成了实验系统，由一个独立的j 蛆v 测试中心 进行测试，这个测试中心叫a t t c ( a d v a n c e d t e l e v i s i o nt e s tc e n t e r ) 。1 9 9 3 年2 月a t t c 提供了对这些系统的测试报告。从测试报告看，这四个系统的性能虽各 有上下，但总的水平难以分出高低。因此，f c c 所属的先进电视业务顾问委员 会( a c a t s ：a d v i s o r y c o m m i t t e eo na d v a n c e dt e l e v i s i o ns e r v i s e ) 主席r i c h a r d e w i l e y 提出将四个制式融合成为一个制式，称之为h d t v 的大联盟( g r a n d a l l i a n c e ) 。他的建议被大家接受，1 9 9 3 年制订了大联盟纲要，1 9 9 4 年4 月已完 成了融合设计，然后做试验。实验结果，大联盟系统优于原有4 个系统。于是以 大联盟方案作基础，又在1 9 9 5 年7 月加上了s d t v 的两种扫描格式。于1 9 9 5 年 1 1 月a c a t s 正式将该方案推荐为美国a t v 广播标准，称之为a t s c 数字电视标准。 美国的全数字化方案具有如下特点：( 1 ) h d t v 信号在n t s c 的频道中播出； ( 2 ) 由于采用全数字化传输，接收端能得到与演播室中相差无几的高质量图象； ( 3 ) 可以用很小的功率播出，与现行模拟制式的电视之间的相互干扰极小，可 以启用禁用频道：( 4 ) 全数字化是广播电视信号发展的一个方向；( 5 ) 能够在地 2 面网播出。美国制定了f i d t v 发展的1 5 年计划，打算在过渡期采用同播制方式， 即在1 5 年同一个节目同时用n t s c 和h d t v 两种标准播出，然后用h d t v 逐步代替 n s c 。在正式开始播出i d t v 的1 5 年后，全部用h d t v 播出节目。 1 1 2h d t v 各国发展概况 1 美国 ( 1 )1 9 9 3 年5 月四大数字h d t v 公司联合组成大联盟，并对其设备进行测试。 ( 2 ) 1 9 9 4 年发表“大联盟高清晰度电视系统规定版本1 - 0 版本”，1 2 月又通过 了2 0 版本。 ( 3 ) 1 9 9 5 年4 月通过了a t s c 标准。具体的时间表如下述。在1 9 9 8 年1 2 月 2 5 日之前，排名前1 0 名的电视公司中的2 6 个电视台开播。1 9 9 9 年5 月 1 日之前，排名前1 0 名的电视公司的主要地方电视台开播。1 9 9 9 年1 1 月 1 目前，排名前3 0 名的电视公司的地方电视台开播。2 0 0 2 年5 月1 目前， 所有商业台开播。2 0 0 3 年5 月1 日前，所有非商业台开播。2 0 0 6 年，停 止n t s c 模拟电视广播。 2 欧洲和亚洲 欧洲数字电视广播是由d v b 来组织的，它提出d v b t 、d v b s 和d v b c 三个标准。英国于1 9 9 8 年9 月由内阁会议通过，要求到2 0 1 0 年位置全部实 现从模拟技术广播到数字化广播的转变。使得电视数字化走到欧洲的前列， 使电视节目增加增加1 0 倍。从1 9 9 8 年秋季开始播出数字电视节目，英国规 划出六个频率复用器用于地面电视广播，六个复用器覆盖英国7 0 0 6 0 9 0 的 面积。1 9 9 7 年第四季度安装第一台发射机，并生产第一台民用接收机解码器， 1 9 9 8 年第一季度生产接收解码芯片，1 9 9 8 年第三季度正式广播。在瑞典用8 个频道进行地面广播，已有3 0 个公司申请广播执照，1 9 9 8 年底在5 个主要 地区开播，人口覆盖4 0 0 万，采用d v b t 标准。瑞士、法国、西班牙以采 用d v b t 标准进行实验，挪威、瑞典、意大利也准备实验。在澳大利亚已 定5 个频道，计划在2 0 0 1 2 0 0 8 年开播，澳大利亚广播委员会采用d v b t 标准。 在亚洲，日本计划先进行卫星广播，然后进行地面广播。从2 0 0 0 年开始， n h k 和其他五个电视网首播，地区为东京、大阪和长野，采用i s d b t 标准， 设备和发射机于1 9 9 8 年6 月在新加坡亚洲电视设备展览会上展出。韩国采 用美国的a t s c 标准，2 0 0 0 年开播。 3 h d t v 中国概况 1 9 9 4 年1 1 月，国务院成立了1 1 个有关部委局组成的数字高清晰度电视 研究开发协调小组，制定了我国数字高清晰度电视开发分两步走的战略：第 一步，以掌握技术、组织队伍和培养人才为主要目标，用两年时间研究开发 一套数字高清晰度电视功能样机系统；第二步，我国在2 0 0 0 年左右进行数 字高清晰度电视试播，并建立相关的产业基础。1 9 9 6 年8 月8 日，广研所向 广电部科技司正式提交“关于在北京地区建立数字地面电视广播试验台“的 报告，1 9 9 6 年1 0 月2 9 日广电部批准立项，由中央电视台实施。1 9 9 7 年7 月2 8 日8 月4 日，在长城上作了接收试验，由中央电视台发射h d t v 信 号，功率为1 k w 。1 9 9 8 年3 月2 8 日，广电部批准三个频率：d 4 3 、d - 4 4 、 d - 4 5 作为中央电视台数字电视试播频率，1 9 9 7 年建立室内闭路试验系统。 在1 9 9 8 年9 月8 目1 2 日，数字h d t v 系统在中央电视塔上进行广播试验， 功率为9 k w ，采用第3 0 频道。它已达到国际9 0 年代技术水平，在世界上 继美国、西欧、北欧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。在1 9 9 9 年1 0 月1 日5 0 周年国庆庆典上用自行研制的的高清晰度电视 功能样机成功了进行了实况转播，目前正在制定我国的数字电视标准并做好 产业化准备。 1 2 数字电视广播系统 数字电视信号由信源到接收机到电视接收机上显示有一个传递系统，称 之为数字电视广播链。 如图1 1 所示，它包含5 个部分：( 1 ) 信源编码和压缩：( 2 ) 复用和传 送；( 3 ) 信道编码和调制；( 4 ) 信道；( 5 ) 接收机。 图1 一l数字电视广播链 “信源编码”是设法减少比特率，也可以叫做数据压缩，适用于视频、 音频和辅助数据流。在在美国的a t s c 标准中视频编码采用了m p e g 2 标准 音频编码采用d o l b y a c 一3 标准。欧洲的d v b 视频和音频编码都采用m p e g 2 标准。 “复用和传送”指的是将数字化的数据流分割成许多信息包的的方法， 毫不含糊的识别每个包及其包的类型的方法，将视频数据流包、音频数据流 包、辅助数据流包复用成一个单一的数据流的方法。 “信道编码和调制”指的是利用数据流信息来调制发射信号的方法。调 制技术的讨论包括信道编码和利用单载波或多载波方案的差错防御技术。 “信道”可以是卫星信道，或者是有线电视，或者地面广播。 “接收机”应包括解调、信道解码、解复用、视频和音频解码和终端显 示屏部分。 4 1 3 1 概述 1 3 两种h i ) t v 地面传输系统简介【2 - 6 】 目前世界上的h d t v 传输技术体系主要有两大类，一类是以美国为为代表的 8 v s b 残留边带调制系统，另一类是以欧洲为代表的c o f d m ( 编码正交频分复用) 调制系统。二者各有千秋。 h d t v 信号的地面广播面临的主要干扰有：加性噪声，多径传输和同频干扰。 h d t v 传输系统的主要任务是：抵抗噪声干扰，消除回波干扰，消除同频干扰，以 确保h d t v 数字信号正确无误地传输到接收端。h d t v 传输系统的关键技术都是针对 消除上述3 类主要干扰的。 对消除噪声干扰，需要加入强有力的纠错措施，所以系统中的纠错编码由两 种纠错码级联而成。由于r e e d s o l o m n ( r s ) 码具有强大的纠正连续误码的能力， 因此被各种h d t v 传输系统选为外码。内码一般选用卷积码，因为在相同的编码效 率的前提下，卷积码具有比分组码更优良的性能。特别是8 0 年代初g u n g e r b o e c k 提出将卷积码和调制综合设计的t c m ( 格状编码调制) 技术，在白噪声环境下与 原来传统的技术相比较能获得3 d b 以上的编码增益。这一技术已被广泛地应用于 各种h d t v 系统中，因此系统中内码和调制一般是综合进行的。此外，为控制冲击 噪声，交织要与纠错编码一起进行。 在地面广播途径中，由于山脉、楼房等障碍物的影响，常常会产生十几微秒 的回波，在接收信号中引起严重的符号间干扰。美国的g a 系统中使用均衡器来消 除回波。这是1 项传统技术，被广泛应用于数字通信系统中。它的特点是技术成 熟，其能对付的时延长度与均衡器的级数有关。欧洲的h d t v 系统采用正交频分复 用o f d m 技术。o f d m 技术是6 0 年代提出的。8 0 年代中期o f d m 技术被应用于欧洲数字 声音广播( d a b ) 工程中，并获得了巨大成功，证明对数字地面广播是1 项很有效 的技术。它的最大优点是结构简单，对长、短回波均有良好的消除效果，且对回 波时延的变化不敏感。 由于同播的要求，相邻服务区同一频道的普通电视节目有可能进入h d t v 接收 机，产生同频干扰。美国g a 系统中，使用一个n t s c 同频干扰梳状滤波器，可以较 好地消除同频干扰，但其代价是付出了3 5 d b 的载噪比性能，且收发两端因此需 要使用1 2 对t c m 编解码器，使系统的结构大为复杂。在o f d m 系统中，是通过直接 在频谱上开槽来消除同频干扰的，实现简单，不需额外增加设备，仅使频谱利用 率有少许降低。 目前，在使用r s 码和t c m 上，欧、美已取得了一致。分歧主要在于是选择均 衡器还是选择o f d m 技术，以及如何决定系统参数，这些正是h d t v 传输系统的技术 关键。 1 3 2v s b 调制在i - i d t v 中的应用 8 v s b 地面广播模式的发射机和接收机整体功能框图如下 图1 28 v s b 地面广播发射机和接收机整体功能框图 8 v s bh d t v 传输系统为了消除噪声干扰、多径干扰、多径衰落和同频干扰， 采取了以下的措施： 为了抵消多径衰落引起的回波干扰，采用判决反馈均衡器来消除多径引 起的线性失真，利用训练序列来加速收敛。 - 为了消除同频干扰，采用了p a l 同频干扰抑制梳状滤波器。p a l 梳状 滤波器的加入是因为与普通电视同播时，会受到普通电视的同频干扰。 通过将p a l 的视频载波、色副载波和伴音载波的峰值安排在梳状滤波器 的谷底附近，可抑制掉其大部分能量。经过滤波之后的p a l 信号可看成 是类似于噪声的干扰，由v s b 系统中的其他抗干扰措施如r s 码，交织， t c m 等予以消除。为了抑制同频道干扰，梳状滤波器会使得系统的性能 降低3 d b ：同时由于系统存在一个延迟1 2 个符号的差分编码过程，还会引 入一个附加的约0 5 d b 的性能下降。通常情况下，梳状滤波器处于关闭 状态。 一为了对付加性噪声干扰和脉冲噪声，利用r s + t c m 内外级联码，内码为 t c m ，外码为r s 码，辅以深度交织。为了确保突发错误不超过r s 码的纠 错能力，采用内、外双重交织措施，外交织为r s 码和t c m 之间的深度为 8 7 数据分段字节间交织，内交织为t c m 编码器中的1 2 个符号间交织，在 接收端v i t e r b i 译码器也使用1 2 组数据交替译码。 8 v s b 带g 式h d t v 接收机的实测信噪比门限为1 4 9 d b 。 限制数字信道传输质量的主要问题之一是多径传播效应。若最大多径时延差 tm 较大，则其相关带宽f = l tm 就很小，传输波形的频谱就大于f ，造成明 显的频率选择性衰落，信道的冲激响应在时间上展宽，从而使数字信号的传输产 生严重的码间干扰。 正交频分复用( 0 f d m ) 通过多载波的并行传输方式将n 个单元码同时传输来 取代通常的串行脉冲序列传送，使每个单元码所占的频带小于f ，从而有效的 防止了因频率选择性衰落造成的码间干扰。 多径传播还产生时间选择性衰落( 平坦性衰落) 以及多普勒频移，这会使 o f d m 各载波间的正交性受到破坏。而c o f d m ( c o d e do f d m ) 基于使信息在 6 频域和时域扩展的思想，通过编码使传输时各单元码信号受到的衰落可认为统计 独立，从而消除平坦性衰落及多普勒频移的影响。 1 3 3 c o h ) m 原理 限制数字信道传输质量的主要问题之一是多径传播效应。若最大多径时延差 tm 较大，则其相关带宽f = l t m 就很小，传输波形的频谱就大于f ，造成明 显的频率选择性衰落，信道的冲激响应在时间上展宽，从而使数字信号的传输产 生严重的码间干扰。 正交频分复用( o f d m ) 通过多载波的并行传输方式将n 个单元码同时传输来 取代通常的串行脉冲序列传送，使每个单元码所占的频带小于f ，从而有效的 防止了因频率选择性衰落造成的码间干扰。 多径传播还产生时间选择性衰落( 平坦性衰落) 以及多普勒频移，这会使o f d m 各载波间的正交性受到破坏。而c o f d m ( c o d e do f d m ) 基于使信息在频域和时域 扩展的思想，通过编码使传输时各单元码信号受到的衰落可认为统计独立，从而 消除平坦性衰落及多普勒频移的影响。o f d m ( o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v s i o n m u l t i p l e x i n g ) 是种多载波调制方式，其基本思想是把高速率的信息流通过串并 变换，转换成低速率的n 路并行数据流，然后用n 个相互正交的载波进行调制，将 n 路调制后的信号相加即得发送信号。 设 f k ) 是一组载波，各载波频率的关系为 f k ) = f o + k t sk = o ，l ，2 ，n l 式中，t s 是单元码的持续时间，f o 是发送的频率。 o f d m 良好地解决了多径环境中的信道选择性衰落，但对信道平坦性衰落( 即 各载波的幅度服从瑞利分布的衰落) ，尚未得到较好的克服。用信道编码来解决 这一问题的o f d m 称为c o f d m 。 c o f d m 制式h d t v 地面传输系统的发射和接收过程如图所示： 蓁髓雌舜 蓁雕 复 接 器 加 保 护 时 间 q 熊旧善喹 斟f 9 v h 趴，信 砜r 雕 解码jj 波 j 调l ( b ) 接收部分 图l 一3c o f d m 地面广播发射机和接收机整体功能框图 为了抵消多径衰落、同频干扰以及各种噪声，c o f d m 采用下列措施： 一利用在每个信号周期前插入一个保护间隔来对付多径衰落。只要多径 时延的大小在保护间隔内，它对系统的性能就没有太大影响。由于接收 频域解交织 i 蚕舞一 时域解交织 到的频域信号必然受到干扰，所以需要精确地测得多径传递函数，于接 收端进行均衡。在实际中，用发射已知测试信号的方法来预测信道特性， 得到各载波上的均衡因子，用均衡因子进行均衡，消除多径干扰。 _ 采用频谱开槽的办法来消除同频干扰。即通过频谱成形，将信号点在有 效载波频带上进行排列，预留出频谱保护带即在频谱中开槽，开槽的位 置分别对应于普通电视的亮度载波、色度载波和伴音载波，同时频带边 缘还需留有一定的边缘保护，防止频谱泄露，对邻频带造成干扰。 采用r s + t c m 级联码并辅以交织来对付各种噪声干扰，降低误码率。利用 r s 编码对数据加以前向纠错保护：利用时域交织解交织器将t c m 解码后 的突发误码分散到不同的r s 码字中，使其不超过r s 码的纠错能力；t c m 编码将编码与调制结合起来，一般采用2 3 卷积码对m q a m 的星座点进行 编码：频域交织的作用是使相邻网格编码的信号点在时间上分散开，以 便使突发干扰点的噪声相对均匀地分散在不同网格编码点，而非集中在 连续的几个信号点上而导致超出t c m 的解码能力，频域交织由于将受同 频干扰严重的载波分量分散开，因而提高了t c m 对同频干扰的抵抗能力。 尽管c o f d m 在技术上比其他数字调制方式复杂，但以其抗多径、抗回波的 突出优点在地面数字电视传输中受到重视。 1 3 4 两种传输技术体系的比较 c o f d m 多载波传输系统可以在频域上直接控制系统，使得系统灵活性好， 具有实现复杂程度低、抗干扰性强、易于实现s f n 等优点；v s b 具有对功率放大 器线性动态要求较低的优点，因而两种方案各有优点，目前还难分伯仲。美国和 欧洲选择不同的制式是出于政治、经济方面的考虑，而并非单纯从技术角度出发。 系统复杂程度 c o f d m 的核心是快速傅立叶变换( f f t ) ，通常选择的载波数较大，一般是1 0 2 4 的整数倍，所以f f t 的运算量较大，对f f t 芯片的集成度和运算量提出了较高的要 求。随着v l s i 和d s p 技术的发展，f f t 芯片能够满足c o f d m 的要求。f f t 处理技术会 逐渐成为c o f d m 的一种优势所在。 v s b 不能像c o f d m 3 5 样直接在频谱上通过开槽来消除同频干扰，而是使用梳状 滤波器消除n t s c 的同频干扰，增加了系统复杂度。v s b n 用均衡器来对抗多径干 扰，均衡器的抽头多达2 5 6 个，是v s b 实现的难点之一。 c o f d m 由于采用频域交织技术，对短突发噪声有较好的抑制作用，收发两 端只需对t c m 编解码器就能克服突发干扰。而v s b 系统则需1 2 对t c m 编墒￥码 器才能使v i t e r b i 译码引起的突发误码分散开，这样才能克服短时突发噪声造成的 连续误码。 一抗多径干扰性能 c o f d m 系统在抵抗多径干扰方面，采用添加保护间隔的方法，可以消除保护 间隔内的任意时延长度的多径干扰。但对超过保护间隔的多径无能为力。v s b 系 统采用自适应均衡器来对付多径，可以消除均衡器级数范围内的多径，而对时延 较长的多径效果较差，并且对多径时延的变化也很敏感。 澳大利亚实测结果表明：当多径强度大于3 d b 时，v s b 系统优于c o f d m 系 统，而多径强度小于3 d b 时c 0 f d m 系统虽然比v s b 系统好，但这时所需的载噪 比非常高，没有实际意义。澳大利亚实测动态、静态载噪比门限也表明载噪比 门限均是v s b 系统优于c o f d m 系统。 7 抗噪声性能 c o f d m 与v s l 3 采用相同的信道编码( r s + t c m ) 方法提高其对付噪声的能力。在 高斯白噪声环境下，c o f d m 理论门限电平是1 5 d b ，v s b 是1 4 9 d b 。 v s b 系统采用r s ( 2 0 7 ，1 8 7 ) ，可以纠正2 0 7 b y t e 中l o 个b y t e 的错误，不管每 个b y t e 中有多少比特的错误。 c o f d m 系统采用r s ( 2 0 4 ，1 8 8 ) ，只可以纠正2 0 4 b y t e 中8 个b y t e 的错误，不管 每个b y t e 中有多少比特的错误。 可见v s b 系统纠正冲激噪声造成的突发错误的能力强于c o f d m 。 抗同频道干扰性能 在抵抗同频干扰方面，c o f d m 采用频谱开槽和频谱交织的方法，可抵抗3 d b 的同 频干扰。v s b 采用抗n t s c 同频干扰滤波器，在同频干扰下，使门限损失3 d b ，即 达到1 7 9 d b 。 c o f d m 系统的予载波是统计独立分布的，当子载波数目较大时，信号能量 呈高斯分布。而v s b 系统的能量分布依赖于星座点和成形滤波器的滚降系数，其 能量分布呈等概分布。因而c o f d m 的峰值功率与平均值的比值要e e v s b 的大， 这就对发射机的功率放大器的线性动态范围提出了更高的要求，导致同频道干扰 对c o f d m 系统的影响比对v s b 系统的大，而且信号不适于在强非线性信道中传 输。 相位噪声要求 c o f d m 系统的载波数目较大，载波之间的间隔相当小，因此对频偏和相位 噪声非常敏感。而v s b 系统无此限制。 - 适用接收方式比较 c o f d m 系统的优点是可以是可以做到便携便收，如室内多间房屋内的便携 接受；也可以做到移动接收，主要是私人轿车和出租车后座观看，或短途客车和 火车乘客观看。长途客车或火车如果跨地区，不采用大的单频网会有一定问题， 对中国国情来说并不一定有很大的市场。 v s b 系统则主要用于固定接收。 一两种系统方案的综合对比 作为h d t v 地面传输系统，c o f d m 与美国v s b 系统方案( 9 9 年数据) 比较见表1 一 。 1 4g a v s b 的地面传输系统简介 1 4 1 系统信息 g a v s b 传输系统按图3 所示的数据帧格式传输数据。每帧由若干分段组成， 而每段有8 3 2 个符号。每个要传输的分段由4 个符号的分段同步，接着是8 2 8 个 数据加f e c ( 前向纠错) 的符号组成。每个要传输的分段由1 个同步字节( 4 个符 号) ，1 8 7 个数据字节及2 0 个i 峪奇偶检验字节组成，这对应一个1 8 8 字节数据 包，它由1 8 7 个数据字节和一个同步字节组成。 对于g a v s b 的准确符号率是： 4 5 2 8 6 m h z 6 8 4 = 1 0 7 6 m b z ( 近似) ，式中4 5 2 8 6 是n t s c 水平扫描速率。 分段的频率是： f , e g = 1 0 7 6 m 符号s 8 3 2 符号分段= 1 2 9 3 k 符号s 。 对于地面广播模式，每个分段对应于一个2 0 7 字节的r s 纠正块： 2 0 7 字节块8 b i t 字节= 3b i t ，符号2 3 速率8 2 8 符号 = 1 6 5 6b i t 分段。 而对于高速率的电缆模式，每分段对应两个r s 纠正块的2 0 7 个字节如下： 2 块2 0 7 字节块x8 b i t ，字节= 3 3 1 2b i t 分段。 如图1 4 所示，每个数据帧从第一个数据场同步分段开始，接着是3 1 2 个 数据分段，再是第二个数据场同步分段，再是另一个3 1 2 数据分段。 除了数据段同步和场同步是二电平外，所有其它传输的数据是多电平的。对 地面广播传输模式，传输的是8 电平的符号( 3 b i t 符号) ，而对于高速率电缆模 式采用的是1 6 电平的符号( 4 b i t 符号) 。它们分别被称为8 - v s b 和1 6 - v s b 。 结合数据分段同步和数据场同步结合多电平的符号，以抑制载波方式来调制 单个载波。但在传输之前，大多先去掉大部分下边带。除了在频道的两边有平方 根升余弦波响应造成的6 2 0 k h z 的过渡区( 其中1 1 5 多余带宽) 以外，得出的 频谱是平坦的。g a s b 传输频谱与n t s c 频谱的关系见图1 5 。在距下边带边 界3 1 0 k h z 的已抑制的载波频率处，还附加一个小的导频信号。此导频信号在 v s b 接收机中用于载波的锁定。导频信号使信号总信号功率增加了0 3 d b ，但有 助于降低实施中的远大于该值的损耗。有了导频信号的辅助，v s b 传输系统能 实现真正的理论性能。导频信号位于同频道n 璐c 信号的残留边带内，而且对 n t s c 不产生同频道干扰。 地面广播的v s b 系统在设计时考虑了坚韧性。采用r s 码和格状编码以及 1 6 场的数据段交织方式的前向纠错编码，提供了一个能承受既有白噪声又有干 扰环境的牢固系统。仿真结果表明地面广播v s b 系统可在信噪比( s n ) 为1 4 9 d b 的环境下工作，其比特误码率不超过3 1 0 。6 。 一4 | 卜j 塑仝j 壁l 一 h 刊 一个分段= 7 7 3 u s 图1 - - 4 v s b 数据帧 2 4 2 m s 眨4 2 i n s j i j ? ，7 ，n 视频载波 p 尘_ 十q 色载波音频载波 频率以删z 为单位 图1 - - 5v s b 与n t s c 的频道占用情况 1 4 2 发射机的功能模块介绍 8 v s b 地面广播模式的发射机和接收机整体功能框图见图l 一2 。下面概略介绍 一下发射机各模块的原理。 _ 扰码和r s 编码 采用扰码处理，使数据呈现伪随机特性，在频谱上呈现均匀分布，适合于信 道传输。信道编码采用r s ( 2 0 7 ，1 8 7 ) 编码，通过引入冗余信息，增大了码字 之间的汉明距离，使之达到2 1 ，这样一个码字可以纠正1 0 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。 交织 因突发噪声引起的突发连续误码将引起t c m 译码严重的误码扩散。交织重新 安排了数据之间的相对位置，使数据间的约束长度加长，通过解交织能使因突发 噪声引起的突发错误分散开来，防止了t c m 译码的误码扩散。 t c m 编码部分： t c m 编码由2 3 卷积和8 v s b 调制结合而成。t c m 编码采用r = 2 3 的格状编码，将 在论文正文中详细阐述。 _ 复接 复接就是在数据符号流中插入段同步和场同步，得到最终的数据帧结构。 段同步是由2 电平的4 个符号( + 5 、- 5 、一5 、+ 5 ) 组成，它将被用来实现符 号同步和段同步，完整的数据段格式如图1 6 所示。 图1 6 数据段格式 场同步中的数据也是2 电平的( + 5 ，一5 ) ，每3 1 3 个段组成一个数据场，其 中第1 段为场同步段，其余为数据段。场同步的结构如图1 7 所示，先是一个 长度为5 1 1 的伪随机序列；再是兰个长度为6 3 的伪随机序列( 其中第二个p n 6 3 每一场反相一次) ；接着是系统参数的控制字。场同步中的伪随机序列用作均衡 器和相位跟踪器的训练序列。 + 7 + 5 + 3 + l 一1 3 5 7 图1 7 场同步结构 一导频插入： 为了使接收机能够可靠地提取载波，需要在发送端的频谱中插入一个小的导 频( p i l o t ) 信号，这使发射功率增加了0 3 d b ，但这样使接收机的载波恢复的 复杂度大大下降。 _ v s b 调制： 实现v s b 调制的方法有许多种，其中比较理想的一种方法是：首先用数字技 术对基带数字信号进行滤波，得到精确的同相和正交信号，该滤波器具有平方根 升余弦特性，并且提供了对d a 变换器的补偿；接着两路正交信号经d a 变换器转 变到模拟形式，最后调制到中频。在中频之后再采用s a w 滤波器进行邻带抑制。 一射频上变频： g a v s b 发射机的上变频采用与普通n t s c 相同的二级调制方式。第一步对 所有的频道采用同一中频频率，第二级再调制到各自对应的射频频道上。由于 h d t v 的频谱利用率较高，为获得与n t s c 发射机相同的服务区，只需常规电视 的大约十分之一的发射功率。 1 4 3 接收机的功能模块介绍 接收机的功能模块如图l 一2 的下半部分所示。 调谐 在调谐器中要进行两次混频。第一本振在0 9 7 g h z 1 7 2 g h z 之间可变，第二 本振固定在8 7 6 m h z 。还要进行滤波、放大和a g c ，最后经工作在4 4 m h z 的固定增益 放大器输出。 载波恢复 因为在发射机端插入了导频信号，能够简化载波的恢复。在这里采用了多级 的f p l l 。g a v s b 的样机在0 d b 信噪比或有严重干扰存在的情况下都能正确恢复载 波并保持锁定。 同步提取 g a v s b 的位同步提取没有采用传统的提取方法，而是采用了“数据辅助的位 同步提取”。中频解调后的模拟信号送2 k a d 变换器按符号率进行取样，取样的结 果与已知的段同步图案进行匹配可以检测出段同步。每当段同步到来时，根据段 同步图案的值估计冲击响应。然后可以对冲击响应估值的结果运用迫零算法，就 可以恢复出相位正确的位同步时钟。这种方法性能优越，甚至可以在0 d b 信噪比 时正常工作。 在这里还要得到a g c 控制信号。粗略的a g c 信号来自对d a 变换器是否溢出的 判断。检测到段同步之后，可以由段同步图案的幅值得到精确的a g c 控制信号。 两种a g c 分别控制调谐器与中频两处的放大器的增益。 可以把每个接收到的数据段同奇数场和偶数场的参考信号比较而得到场同 步。这里不要求精确的数据定位，只要能指出哪一段是场同步段即可。 梳状滤波 g a - v s b 方案抑制n t s c 同频道干扰的方法是插入n t s c 抑制梳状滤波器。具体地 说是将输入信号减去延时1 2 个周期后的输入信号。这样，可以把导频信号、n t s c 视频载波、色副载波和伴音载波都近似地放在梳状滤波器的零点。由于梳状滤波 器的引入也会带来副作用，因此要根