（微电子学与固体电子学专业论文）卫星数字电视解调器算法及vlsi实现研究.pdf

卫星数字电视解调器算法及v l s i 实现研究 摘要 在科技飞速发展的今天，高清晰度数字电视( h d t v ) 已经成为现代电视技 术发展的必然趋势。高清晰数字电视因其数字化特有的优势以及高性能得到了世 界各国的广泛重视。数字电视广播主要通过有线、卫星、地面无线等几种方式实 现。卫星广播的传输信道噪声恶劣，载波频偏大，但是卫星广播电视网频带宽， 覆盖面广，适用于不方便铺设传输线以及远离地面发射塔的偏远地区。卫星和有 线数字电视广播一般采用单载波的调制方式。 本文以欧洲数字电视传输标准d v b s 为背景，研究了卫星数字电视的解调器 的设计。文中给出了卫星数字电视解调器内接收机系统级算法的设计和验证，同 时给出了部分关键模块的v l s i 实现，并对整个硬件系统进行了f p g a 验证。 本文的主要工作包括： ( 1 ) 深入调研数字电视发展状况以及各国的数字电视标准。以d v b s 标准的 应用为背景，结合正交幅度调制( q a m ) 调制技术的原理介绍了接收系统的基 本结构。 但) 系统分析卫星广播传输信道的特性，并对传输信道进行建模。调研现有 卫星数字电视广播接收系统的结构，包括天线、高频头、调谐器( t u n e r ) 、数字 卫星设备控制总线( d i s e q c ) 和解调芯片等。介绍信道解调芯片结构，重点介绍内 接收机的系统结构。 ( 3 ) 针对内接收机中的各模块进行算法级建模，仿真并比较各种实现方案的 性能，根据结果提出一种高性能内接收机设计方案。该方案可在恶劣嗓声下快速 捕获较大的载波频偏从而完成正确解调。同时充分从算法级和电路级考虑硬件复 杂度，优化其v l s i 实现结构，减小了电路实现的面积与功耗。 ( 4 ) 完成了d v b s 解调器的f p g a 设计，本文设计的解调器使用v 硪l o g 硬件 描述语言设计并采用m t e r a 开发板上的s 衄t i x e p 2 s 6 0f p g a 器件实现，系统由 3 2 位嵌入式微处理器通过1 2 c 总线控制，整个系统完全支持d v b s 标准。实现结 果表明本文设计的解调器非常适合于低成本的卫星数字电视系统。 关键词：卫星数字电视；解调器：内接收机；d v b s ；q a m ；q p s k ；v l s i 实 现 中图分类号：t n 9 4 9 19 7 ：r i n 9 3 8 ；t n 4 9 2 a l g o r i t h ma n dv l s ii m p l e m e n t a t i o n o f d i g i t a ls a t e l l i t e t e l e v i s i o nd e m o d u l a t o r a b s t r a c t n o w a d a y sw h e nt e c h n o l o g yi sd e v e l o p i n gr a p i d l y , h i g hd e f m i f i o nt e l e v i s i o n ( h d t v ) h a sb e e nt h et r e n do f m o d e r n t e l e v i s i o n t h a n k st oi t sd i g i t a l i z e da d v a n t a g e s ， h d t vh a sd r a w nw i d ca t t e n t i o nf r o mv a r i o u s c o u n t r i e s d i g i t a l t e l e v i s i o n b r o a d c a s t i n gi sr e a l i z e dm a i n l yt h r o u g hc a b l e ，s a t e l l i t ec h a n n e la n dt e r r e s t r i a lc h a n n e l a l t h o u g ht h es a t e l l i t eb r o a d c a s t i n gm o d e h a st h ed i s a d v a n t a g e so f l o w s i g n a lt on o i s e r a t i o ( s n r ) ，i th a sw i d e rb a n d w i d t h ，c o v e r sm o r ea r e a s ，a n di se s p e c i a l l ys u i t a b l et o b ea p p l i e dt or e g i o n sw h e r ei t sn o tc o n v e n i e n tt ou s ec a b l e sa n df a rf r o mt e r r e s t r i a l t r a n s m i s s i o nt o w e r s s a t e l l i t ea n dc a b l ed i g i t a lt e l e v i s i o nb r o a d c a s t i n gw h i c ha r eu s e d w i d e l yu s u a l l ya d o p ts i n g l ec a r r i e rm o d u l a t i o ns c h e m e t h i sp a p e rm a i n l yi n v o l v e sr e s e a r c ho nt h ed e s i g no fs a t e l l i t ec u g i t a lt e l e v i s i o n , b a s e do nt h ee u r o p e a nd i g i t a lt e l e v i s i o nt r a n s m i s s i o ns t a n d a r dd v b s w eg i v et h e a l g o r i t h md e s i g na n dv e r i f i c a t i o no ft h ei n n e rr e c e i v e ro fo u rd v b sd e m o d u l a t o ro n s y s t e ml e v e l a s w e l ia s t h ev l s ii m p l e m e n t a t i o no fs o m ec r i t i c a lm o d u l e s f u r t h e r m o r e ，w ea l s op r e s e n tt h ef p g av e r i f i c a t i o nt h ew h o l eh a r d w a r es y s t e m t h e m a i nc o n t r i b u t i o no f t l l i st h e s i sc o n t a i n s ： ( 1 ) i n v e s t i g a t et h ed e v e l o p m e n to fd i g i t a lt e l e v i s i o na n di t ss t a n d a r d si nv a r i o u s c o u n t r i e s b a s e do nd v b ss t a n d a r da n df u n d a m e n t a lt h e o r yo fq a m ，i n t r o d u c et h e a r c h i t e c t u r eo f ar e c e i v e rs y s t e m ( 2 ) a n a l y z es y s t e m a t i c a l l yt h ec h a r a c t e r i s t i c so fs a t e l l i t ec h a n n e la n dm o d e lt h e c h a n n e l i n v e s t i g a t et h ea r c h i t e c t u r eo fe x i s t i n gd i g i t a ls a t e l l i t et e l e v i s i o nr e c e i v e r s y s t e m ，i n c l u d i n ga e r i a l ，l o wn o i s eb o a r d ( l n b ) ，t u n e l , d i g i t a ls a t e l l i t ee q u i p m e n t c o n t r o lb u s ( d i s e q c ) ，d e m o d u l a t o ra n ds oo n d e s c r i b et h ea r c h i t e c t u r eo fc h a n n e l d e m o d u l a t o r , f o c u s i n go nt h ei n n e rr e c e i v e rs y s t e m ( 3 ) m o d e lo na l g o r i t h ml e v e lt h em o d u l e so fi n n e rr e c e i v e r , s i m u l a t ea n dc o m p a r e t h ep e r f o r m a n c eo fv a r i o u ss c h e m e s ，a n db r ! i n gf o r w a r dah i g h - p e r f o r m a n c ei n n e r r e c e i v e rs c h e m ea c c o r d i n gt os i m u l a t i o nr e s u l t s ，w h i c hi sa b l et ow o r ku n d e rs e v e r e n o i s e ，w i t ht h ea b i l i t y o fc a t c h i n gl a r g ec a r t i e rf r e q u e n c yo f f s e t t a k ei n t o c o n s i d e r a t i o nt h ec o m p l e x i t yf r o mt h ev i e wo fa l g o r i t h ma n dh a r d w a r e m o d i f yt h e v l s ia r c h i t e e t u r es oa st or e d u c et h ea r e aa n dp o w e rc o n s u m p t i o no f t h ec i r c u i t s ( 4 ) a c c o m p l i s ht h ef p g ad e s i g no fd v b - sd e m o d u l a t o r , w h i c hi sd e s c r i b e dw i t h v e r i l o gh a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g ea n di m p l e m e n t e db ys t r a t i xi e p 2 s 6 0f p g a d e v i c e so na l t e r ad e v e l o p i n gb o a r d n 培s y s t e m ，w h i c hs u p p o r t sd v b ss t a n d a r d 。i s c o n t r o l l e db y3 2 h i te m b e dp r o c e s s o rt h r o u g h1 2 cb u s n l et e s tr e s u k ss h o wt h a tt h e d e m o d u l a t o rd e s i g n e di nt h i sp a p e ri ss u i t a b l et ob ea p p l i e di nl o w - c o s td i g i t a l s a t e l l i t et e l e v i s i o ns y s t e m s k e yw o r d s ：s a t e l l i t ed i g i t a lt e l e v i s i o n ；d e m o d u l a t o r ；i n n e rr e c e i v e r ；d v b s ： q a m ；q p s k ；v l s ii m p l e m e n t a t i o n 英文缩写说明 a d c a g c a s i c a 潮g n b e r b p f b p s k c o r d i c c s d d a c d d d d f s d m b t d s p d t v d v b d v b c d v b s f d f e c f i r f s k h d t v m e e i f l a n m l n c 0 0 f d m p a m p d p l l a n a l o g - t o - d i g i t a lc o n v e r t e r a u t o m a t i cg a i nc o n t r o l a p p l i c a t i o ns p e c i f i ci n t e g r a t e dc i r c u i t s a d d i t i v e 强憾t eg a u s s i a nn o i s e b i te r r o rr a t e b a n dp a s sf i l t e r b i n a r yp h a s es h i f tk e ym o d u l a t i o n c o o r d i n a t er o t a t i o nd i g i t a lc o m p u t e r c a n o n i cs i g n e dd i 球 d i g i t a l - t o - a n a l o gc o n v e r c c r d e c i s i o n - d i r e c t e d d i r e c td i g i t a lf r e q u e n c ys y n t h e s i z e r d i g i t a lm u l t i m e d i ab r o a d c a s t i n g - t e r r e s t r i a l d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g d i g i t a lt e l e v i s i o n d i s t a lv i d e ob r o a d c a s t i n g d i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t i n g - c a b l e d i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t i n g - s a t e l l i t e f r e q u e n c yd e t e c t o r f o r w a r de r r o rc o n t r o l f i n i t ei m p u l s er e s p o n s e f r e q u e n c ys h i f tk e ym o d u l a t i o n h i 吐d e f m i t i o nt e l e v i s i o n i n s t i t u t eo f e l e c t r i c a la n de l e c t r o n i ce n g i n e e r s i n t e r m e d i a t ef r e q u e n c y l o c a la r e an e t w o r k m a x i m u ml i k e l i h o o d n u m e r i c a l l yc o n t r o l l e d0 s c i l l a t o r o r t h o g o n a lf r e q u e n c y d i v i s i o nm u l t i p l e x p u l s ea m p l i t u d em o d u l a t i o n p h a s ed e t e c t o r p h a s el o c kl 0 0 p p w m q a m q p s k i 强 r o m s n r v c 0 v l f v g a v l s i w d m p u l w i d t hm o d u l a t i o n q u a d r a t u r ea m p l i t u d em o d u l a t i o n q u a d r a t u r ep h a s es l l i f ik e ym o d u l a t i o n r a d i of r e q u e n c y r e a do n l ym e m o r y s i g n a lt on o i s er a t i o v o l t a g ec o n t r o l l e d0 s c i l l a t o r v e r yl o wf r e q u e n c y v a r i a b l eg a i na m p l i f i e r v e r yl a r g es c a l ei n t e g r a t e dc i r c u i t w a v ed i f i e r e n c em e t h o d 论文独创性声明 本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果论文中 除了特别加以标注和致谢的地方外不包含其他入或其它机构已经发表或撰写 过的研究成果其他同志对本研究的启发和所做的贡献均已在 台文中作了明确 的声明并表示了谢意 作者签名：二啦日期：垒掣，2 论文使用授权声明 本人完全了解复旦大学有关保留、使用学位论文的规定即：学校有权保 留送交论文的复印件允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容可以采用影印、缩印或其它复材手段保存论文保密的论文在解密后 遵守此规定 作者签名 第一章引言 数字时代带来了先进的图像压缩技术、高性能的数字传输技术以及其它一系 列高新技术，使高清晰度数字电视的产生成为可能。电视技术在经历了从黑白电 视到彩色电视的革命性转变后，已经进入了从模拟电视到数字电视的第二次革 命。 1 1 数字电视发展历程 日本是数字电视研究与开发起步最早的国家【l 】。早在1 9 8 5 年它就建立了 1 1 2 5 线、每秒6 0 帧的m u s e 帝i j 式。1 9 8 8 年率先在汉城奥运会进行大屏幕h d t v 试 播。1 9 8 9 年，n h k 开始进行面向h d t v 的广播演示。1 9 9 6 年6 月日本p e r f e c t t v 用 c s 卫星开始卫星数字电视广播。根据b p a 在2 0 0 1 年6 月2 0 日的估计，至1 2 0 0 3 年8 月2 7 日，卫星d t v 直接收看用户总数将达至1 7 1 7 万。日本的有线d t v 始于1 9 9 8 年 7 f l ，多j 2 0 0 1 年3 月已拥有1 0 4 8 万用户。日本的地面d t v 广播计划于2 0 0 3 在东京、 大阪和横滨开始，m p t 计划最晚在2 0 0 6 年前完成全国覆盖，主要是i - - i d t v 节目， 计划至u 2 0 1 1 年关闭模拟电视。 1 9 9 5 年，欧洲1 5 0 个组织成立数字视频广播d v b ( d i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t i n g ) 联盟，致力于在全球范围内发展和推广共同的数字电视广播标准。d v b 联盟共 同制定了数字电视的d v b 标准。这是一套有关电视广播系统大家庭诸多要素的 统一标准，包括d v b 数字卫星、有线、陆地无线以及手持电视传输系统的标准。 这些标准己作为世界统一的标准被很多国家接受，包括中国。 美国的h d t v 研究起步最晚，但是由于它在发展数字电视机方面占有优势， 特别是1 9 9 3 年成立的数字h d t v 大联盟( g a ) ，使得它在h d i v 的发展中具有举 足轻重的作用。1 9 9 4 年2 月，g a 推出了数字i - i d t v 大联盟制式，它不但吸取了本 国各主要数字 玎) t v 制式的优点，而且从日本和欧洲的研究中得到许多启示，因 此标准高，方法灵活。1 9 9 6 年1 2 月，美国正式批准了f l q a t s c 委员会制定的主要 用于地面广播数字电视的标准，称之为d t v 。1 9 9 7 年4 月，又颁布实施了数字电 视地面广播的时间表及电视频道分配方案。在新加坡，官方所属的新加坡电视公 司也已经正式实验美国规格。到2 0 0 2 年，全美1 6 0 多家电视台全部开播d t v 节目。 在这期间，美国数字电视广播和模拟电视广播同时播放，直3 0 2 0 0 6 年全美停止模 拟电视的广播。 我国政府也十分重视发展高清晰度电视的研究开发。1 9 9 4 年1 1 月，国务院成 立了h d t v 研究开发协调小组，1 9 9 8 年9 月，我国研制成功第一套数字高清晰度 电视系统，为我国发展数字高清晰度电视奠定了坚实的基础，也使得我国成为继 美国、欧洲和日本之后世界上第四个拥有数字高清晰度电视地面广播传输系统的 国家。2 0 0 6 年8 月，国家标准委员会公布了具有自主知识产权的数字电视地面传 输标准d m b - t 。我国的数字电视普及力度也较大，并预计在2 0 1 5 年停播模拟电 视。 1 2 数字电视的主要传输方式 根据不同的传输方式，数字电视可以分为四种：卫星数字电视、有线数字电 视、地面无线数字电视和网络数字电视。 卫星数字电视通常使用正交相移键控q p s k ( q u a d r a t u r ep h a s es h i f tk e y i n g ) 的单载波调制方式( 有少数应用中也采用了高阶的调制方式) 。卫星数字电视的 覆盖面很广，接收设备的成本低，有广泛的应用，而且对于无法铺设传输线以及 离地面发射塔较远的地区非常重要。它的缺点是无法支持移动设备，频谱利用率 不高。 有线数字电视通过光纤或同轴电缆传输，由于信道较好，可以采用频谱效率 高的调制方式，如高阶正交幅度调制q a m 。有线数字电视一般也采用单载波调 制。它的接收质量好，频谱利用率高，还可以利用原有的模拟有线数字电视的传 输线系统，但也无法实现移动接收。 地面无线数字电视可以实现移动接收。由于地面传输环境复杂，信号在传输 路径上有建筑物等遮挡造成信号回波反射，加上由于移动引起的多普勒频移干 扰，解调器实现的难度比较大。目前有北美、欧洲、日本和中国四种不同的地面 传输体制。为了有效地抵抗多径干扰，地面数字电视大多( 除了北美的标准) 采 用正交频分复用( 0 f d m ) 的多载波调制方式。 网络数字电视利用网络进行传输，接收终端可以是计算机。目前国内的口 网络带宽有限，因此暂时无法普及。本文提到的数字电视主要是指采用前三种传 输方式的数字电视。 卫星数字电视成本较低，覆盖面广，非常适合于我国幅员广阔，地形复杂的 国情。本文基于我国采用的卫星数字电视标准研究这种数字电视的解调器的实 现。 1 3q a m 调制解调技术的原理以及接收机系统的基本结构 1 3 1 现代调制解调技术 通信系统中，需要将信源产生的消息信号变换为便于在介质中传送的信号， 这一变换过程称为调制。在接收端与调制相逆的过程称为解调。将信号进行调制 不仅可以将信号搬移到频率较高的载波上，而且可以提高信号的频谱利用率。在 数字调制解调技术中，如何在特定的应用中提高频谱利用率以及抗干扰性是一个 关键的问题。基于这样的要求，诞生了一系列的数字调制方式，相移键控调制 ( p s k ) ，残留边带调制( v s b ) ，正交幅度调制( q a m ) ，正交频分复用调制 ( 0 f d m ) ，离散多音频调制( d m t ) 等。这些调制方式在数字电视中均有过应 用。如p s k 常用于卫星数字电视 2 】 3 】。q p s k 频谱效率较低，但是由于它抗干扰 性强，在卫星通信中使用非常普遍。有线电视传输常使用频谱效率较高的q a m 调制等。在无线移动数字电视中，为了增强抵抗多径干扰的能力，常采用o f d m 的多载波调制方式。我国的有线和卫星数字电视采用欧洲的数字电视标准 d v b c 【4 和d v b s 2 】，它们分别使用q a m 和q p s k 调制，由于q p s k 等同于4 元 q a m ，所以可以将它们都看作q a m 系统。下面将介绍一般的q a m 系统的原理。 1 3 2q a m 调制解调原理 q a m 是一种频谱利用率较高的数字调制方式。信号可以看成由两个独立的 脉冲幅度调制( p u l s e a m p l i t u d em o d u l a t i o n ，p a m ) 信号同时加在两个正交载波 c o s d r f d 和s i n d r f d 上并叠加而成。因此q a m 调制同时进行了调幅和调相，其 调制过程的数学表达式如下 5 】： s ( o = r e 觚f ) + _ ，q ( f ) ) e ，2 班 = l ( t ) c o s ( 2 x f d ) 一q ( t ) s i n ( 2 7 r f c t ) ( 1 - 1 ) = 锄g ( t ) e o s ( d r l t ) 一a m f g ( t ) s i n ( 2 7 t f d ) 其中： ，( f ) 为q a m 信号的同相分量； q ( f ) 为q a m 信号的正交分量； 五为载波频率： 一帕辨口分别是同相和正交信号的幅度信息： 窖( f ) 为发送的信号脉冲( 脉冲形状由发送滤波器决定，一般是升余弦脉冲) 。 比较直观地表示q a m 信号的方法是星座图，星座图常为矩形或十字形。经 过m 元q a m 调制的信号可以表示为【6 】： 咖= qc o s ( 2 n f j ) + 4 e d b , s i n ( 2 n f c t ) f - 0 , 1 ，4 a 彳一l ( 1 - 2 ) 其中，点二表示幅度最小的信号的能量，q ，鱼是一对相互独立的整数，对于6 4 元q a m 而言， 口， = 6 = 1 ，3 ，5 ，7 。6 4 q a m 调制的星座分布如图1 - l 所示。 澍隧 芴蔗 图1 - 16 4 q a m 的星厘分布图【7 l 在接收端，利用i 和q 两路信号的正交性可以将之分开。解调过程的数学表达 式如下： m i ( f ) = s ( t ) c o s ( 2 石f c t ) = l ( t ) e o s ( 2 n f c t ) c o s ( 2 7 r f e t ) 一q o ) s i i l ( 2 石正f ) c o s ( 2 石五r ) = l l ( t ) + l l ( t ) c o s ( 4 万肋一三舛) s i l l ( 4 石五f ) m f f ( t ) = s ( t ) s i n ( 2 t r f e t ) = ，( r ) c o s ( 2 7 r 五，) s i l l ( 2 石正r ) 一q ( t ) s i n 2 ( 2 l r f c t ) ( 1 - 3 ) = 三砸) s i n ( 4 x f 。f ) + 丢q ( r ) 一丢q ( f ) c 。s l t ) 只要使用简单的低通滤波滤除高频分量就可以恢复出发送端的调制信号。 与b p s k f s k p a m 等调制方式相比，q a m 的频谱利用率较高。而在相同的 带宽利用率下，q a m 调制比单纯的调相或调幅有更低的误码率。m 元q a m 系 统的误码率的理论值由式1 4 给出【5 】： p u = 1 - ( i - 2 ( 1 - - 击m ) q ( 岳钞 ( 1 川 q ( x ) 由式1 - 5 给出： ) 2 去r 2 西垃o ( 1 巧) 其中，m = 2 ，k 为偶数，q a m 星座为矩形，易为符号( 一个星座点所代表的 符号) 错误率，厶j 是平均符号信噪l - t ；( s n r ) 。 q p s k 等同于4 元的q a m ，这样在调制过程中只有调相( 4 种相位，常用 的相位组有两种：4 5 0 ，1 3 5 0 ，2 2 5 0 , 3 1 5 0 和o o ，9 0 0 ，1 8 0 0 ，2 7 0 0 ) ，不进行调幅。q p s k 的调制效率较低，但是其抗干扰性好，适用于低信噪比系统。 1 3 3q a m 数字系统基本结构 q a m 数字系统的基本结构框图如1 2 所示。在发送端中，信源数字信号分 别经过信源编码器进行压缩编码以及信道编码器进行信道编码，其输出的二进制 信号流首先按照一定的q a m 模式进行星座映射；然后经过发送滤波器进行脉冲 成形( 脉冲成形的作用是对信号带宽进行限制，并避免传输过程中的码间干扰， 它由发送滤波器以及与之匹配的接收滤波器共同完成) ：插值器将信号的速率由 波特率时钟调整为系统时钟；然后将数据调制到中频上。中频数字信号经过d a c 变成模拟信号，然后经过二次变频成为射频( r f ) 信号就可以发送到信道中( 图 中模拟电路部分略去) 。 在接收端，r f 模块将信号搬回到中频( 某些系统中直接搬到零中频) ，然后 a d c 将信号转换成数字信号。在数字解调器中需完成与发送端的调制器中相逆 的处理。此外，时钟恢复环路恢复出波特率时钟，并控制内插器以恢复出具有准 确采样频率和相位的数据；载波恢复环路消除载波偏差：均衡器消除信道引入的 畸变。判决器( 解映射模块) 将信号解映射到星座点上。然后解码器对信号进行 向前纠错解码，以消除信号中的误码。接下来信源解码器将经过压缩的数据还原。 一 婶莲卜删。 j ：i 一 宴圆。裂 图1 - 2q a m 数字系统基本结构 1 4 解调算法的v l s i 实现 高速q a m 和q p s k 解调器所完成的基带数字信号处理在波特率较高时具有 非常大的计算量。若是采用d s p 处理器来完成宽带解调，成本太高。因此，对 于数字电视广播及电缆调制解调器等需要高速传输数据的应用，通常需要采用专 用集成电路( a s i c ) 来实现q a m 和q p s k 解调器。 高速数字解调器的a s i c 实现是一个比较复杂的过程，在完成解调算法的设 计和优化后，首先需要将算法映射到相应的v l s i 结构，用不同的v l s i 实现结 构，其相应的性能、面积与功耗也就会有所差别。所以，在a s i c 实现的流程中， 将复杂的解调算法高效地映射到v l s i 结构并进行优化也非常重要。 1 5 论文的主要工作和结构 本文主要研究基于单载波的卫星数字电视解调器。首先系统地分析特定应用 中信道的特点以及对系统的性能要求，从算法级对系统进行建模，仿真和比较不 同算法的性能，并优化现有的算法，最终提出一个较为完善的系统方案。然后将 算法模型映射到v l s i 电路，并使用f p g a 对硬件系统进行验证。 论文共分为五章。 第二章系统分析卫星广播传输信道的特性，研究了卫星数字电视接收系统的 结构，以及接收系统中数字解调器的结构。针对d v b s 数字电视标准，以及卫 星应用的要求，提出了解调器的设计指标。重点介绍了解调器中内接收机的系统 结构。 第三章重点研究了卫星数字电视d v b s 内接收机中的同步模块的实现，进 行算法级建模。利用传输信道的模型，比较各种实现方案的性能，根据结果提出 了高性能的定时同步和载波同步的算法。同时充分考虑实现复杂度，完成了同步 模块算法到v l s i 硬件的映射，研究了其硬件优化。 第四章研究了内接收机中其它各关键模块的实现，同样考虑了算法级和硬件 级的实现和优化。 第五章通过f p g a 对整个解调器的硬件系统进行验证本文的解调器使用 v e r i l o g 硬件描述语言设计并采用a i t e r a 开发板上的s t r a t i x i ie p 2 s 6 0f p g a 器件 实现，测试结果表明本文的解调器抗噪声性能强，能够快速捕获大范围的载波频 偏，非常适合于低成本的卫星数字电视系统。 第六章是总结以及展望。 参考文献 【1 】“数字电视的发展过程与趋势”邓永红，计世网，2 0 0 2 7 3 【2 】e t s i ：e n3 0 04 2 1v i 1 2 ( 1 9 9 7 - 0 8 ) d i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t i n g v b ) ；f r a m i n gs t r u c t u r e , c h a n n e lc o d i n ga n dm o d u l a t i o nf o r1 1 1 2g h zs a t e l l i t es e r v i c e s 【3 】e t s ie n3 0 23 0 7v i i i ( 2 0 0 4 - 0 6 ) d i s t a lv i d e ob r o a d c a s t i n g0 3 v 8 ) ；s e c o n dg e n e r a t i o n f r a m i n gs t r u c t u r e ，c h a n n e lc o d i n ga n dm o d u l a t i o ns y s t e m sf o rb r o a d c a s t i n g ，i n t e r a c t i v es e r v i c e s ， n e w sg a t h e r i n ga n do t h e rb r o a d b a n ds a t e l l i t ea p p l i c a t i o n s 【4 】e t s ie n 3 0 04 2 9v e t 1 2 1 ，d i g i t a lv i d e o b r o a d c a s t i n g ( d v b ) ；f r a m i n gs t r u c t u r e ，c h a n n e l c o d i n ga n dm o d u l a t i o nf o rc a b l es y s t e m s 1 9 9 8 5 】j o h ngp r o a k i s ，“d i g i t a lc o m m u n i c a t i o n s ”4 r de d m c g r a w - h i l l ，2 0 0 3 6 】佟学俭，罗涛：“o f d m 移动通信技术原理与应用”，2 0 0 3 【7 】吴文思：“宽带网络高速数字传输技术的研究”，1 9 9 6 ， 第二章卫星数字电视广播接收系统 本章研究了卫星广播传输信道的特性，卫星数字电视接收系统的结构以及接 收系统中数字信道解调器的结构，针对d v b s 【1 】数字电视标准，以及卫星应用 的要求，提出本文支持d v b s 标准的卫星数字电视信道解调器的设计指标。此 外，还详细介绍了本文设计的解调器中的内接收机的系统结构。 2 1 卫星信道特点 厂国、 l 秭茹乩黧m t l , 图2 - i 卫星电视广播系统 卫星数字电视采用地球同步卫星( 定位在赤道上方3 6 万公里处) 作为广播 卫星，所使用的频段有c 波段( 3 7 4 2g h z ) 和k u 波段( 1 1 7 1 2 5 g h z ) 。图 2 1 给出了卫星电视广播系统的示意图。卫星数字电视的传输信道主要有以下几 个特点： ( 1 ) 接收信号的功率很小。在传输过程中信号受到大尺度衰落，大气、雨 等的吸收，电离层的闪烁导致的衰落等影响。其中大尺度衰落起主要作用，从广 播卫星到地面接收端的距离较大，而卫星转发器的功率有限，因此接收信号比较 微弱； ( 2 ) 在传输的上下行链路中存在热噪声以及其它噪声的干扰，在一定的范 围内可以将噪声等效为信道高斯噪声，信道高斯白噪声是主要的干扰源，噪声的 能量甚至可以达到与信号相同的数量级； ( 3 ) 由于是同步卫星，可以忽略传输过程中的多普勒频移； ( 4 ) 卫星到接收端是直视路径，因此较少受到多径信号的影响； ( 5 ) 由于传输的下行频率很高，所以在接收端频谱搬移时由于振荡器的不 精确导致较大的载波偏差。 综上几点卫星数字电视的信道可以等效为具有载波偏差和相位偏差的离散 加性高斯信道： ，( 七) = ( j ( 七) + 玎( 七) ) p ”灯+ ( 2 1 ) 其中，r ( j 】 ) 为接收信号，s ( k ) 为发送信号，甩( 七) 为加性高斯噪声，w 为频偏，缈 为相偏，r 为采样间隔。 2 2 卫星数字电视接收系统 在卫星应用中，接收系统接收高频( g h z 数量级) 的无线卫星信号，因此 整个接收系统的结构比较复杂，本节研究了卫星数字电视接收系统以及信道解调 器的结构。 图2 - 2 卫星数字电视接收机系统框图 图2 - 2 给出了卫星数字电视接收系统的结构。其中包括天线，高频头，功分 器，调谐器( t u n e r ) ，模数转换器( a d c ) ，信道解调器，信源解码模块以及显 示设备。下面分别介绍各模块的功能。 ( 1 ) 接收天线 天线，高频头和功分器属于室外接收部分。其余模块为室内接收部分。室内 外单元由高频电缆( 馈线) 相连，为防止损耗过大，长度一般不超过3 0 米。 卫星接收天线一般选用抛物面天线。抛物面天线具有较高的天线增益和方向 性。抛物面天线按馈电方式的不同可以分为一次反馈型抛物面天线( 前馈天线) 和二次反馈型抛物面天线。现在使用的多为前馈天线。按照馈源位置不同也可分 为前馈式和偏馈式。偏馈抛物面天线的馈源不影响反射面接收电波，天线的效率 较高。 一营腿一 ( 2 ) 高频头 高频头( l n b ) 即低噪声放大变换器，是卫星接收机中的重要部件，其性能 直接影响卫星接收的质量。在接收系统中，高频头有三种功能：放大信号，提高 接收机输入信号的载噪比；频率变换，输出一定的中频信号电平：筛选垂直极化 和水平极化的电磁波。 在接收系统中高频头是第一级混频器，需要将信号从g h z 的频段搬到m h z 的第一中频段，因此高频头的频率准确度以及其它性能对整个系统的影响很大。 高频头的技术指标有：噪声系数，本振频率稳定度，增益及输出中频带宽等。 ( 3 ) 功分器 在有些应用中，多个用户会接到同一天线上，那么在信号接入室内接收单元 之前需要进行功率放大，功分器即完成这一功能。 ( 4 ) 调谐器 调谐器( t u n e r ) 从第一中频信号中筛选出某一卫星频道的信号，并将之转 化为第二中频或零中频信号，在某些卫星系统如d v b - s 系统中，调谐器的输出 为零中频信号，分i 和o 两路输出( 这是由于卫星系统中数据的波特率一般较高， 如果中频信号输出，为了满足采样定理，会对a d c 的采样频率要求较高) 。同 时调谐器还完成对信号的能量放大的功能。其放大倍数可以由解调器中的自动增 益控制电路调整，与之形成闭合环路，以保证a d c 的输入信号在一定范围之内。 ( 5 ) 模数转换器( a d c ) a d c 将模拟信号转化为数字信号，对于零中频信号的系统，根据奈奎斯特 理论，a d c 的采样频率最低为系统支持的最高波特率的两倍，所以在卫星系统 中( 信号波特率较高) a d c 的采样频率一般比较高。但是由于系统采用q p s k 等低阶的调制方式，对a d c 的精度要求不高，一般低于有线和地面无线数字电 视接收系统。很多d v b s 接收机中，a d c 的精度为6 b i t 。 ( 6 ) 信道解调器 除了显示设备，其余部分为数字模块，主要是信道解调器和信源解码器。信 道解码器包含内接收机和信道解码模块。在很多信道解调芯片中也会包含a d c 模块，这是为了提高系统集成度，以降低系统的复杂度，提高抗干扰性。 a ) 内接收机 内接收机的作用是消除由信道引入的非理想因素，如信号的功率变化，载波 偏差，码间串扰等。内接收机主要包含自动增益控制模块，抗混叠滤波器，匹配 滤波器，插值滤波器，定时同步和载波同步模块，均衡器，判决器等。本文重点 介绍内接收机系统的设计。 b ) 信道解码器 信道解码器用来消除信号中的残留的误码，在卫星应用中信道信噪很低，所 以要求信道解码模块具有很强的向前纠错性能。信道解码器一般包括向前纠错 ( f e c ) 解码模块和解交织模块。 在数字通信中，由于实际信道的传输特性不理想及加性高斯白噪声的影响， 误码总是不可避免的。采用差错控制编码可以在一定的信噪比下降低误码率。差 错控制编码的基本思想是：在发送的信息序列上附加上一些监督码元，这些冗余 的码元与有效信息码元之间以某种确定的规则相互关联。接收端按既定的规则来 监督信息码元与监督码元之间的关系，如果由于传输过程中发生误码而导致这种 关系的破坏，接收端就能够发现误码，甚至纠正误码。 差错