（通信与信息系统专业论文）正交幅度调制器的设计与实现.pdf

摘要 目前，我国的数字有线电视的推广和发展正在如火如荼的进行当中。数字有 线电视在推广的过程中所持有的优点主要是高清晰的收视效果，更多的频道选择 和准v o d 点播频道。而数字有线电视的更大的优越性，像远程教育、家庭炒股、 电视购物等即将推广的业务均是需要通过双向传输来实现的。所以，目前我国的 有线电视网络正在进行双向改造，即在用户方推广含有c a b l e m o d e m 调制解调功 能的电视。但是在目前的有线电视网络在从单向网络向双向网络改造的过程中遇 到的主要困难就是双向改造的费用相当高昂，阻碍了改造进行的速度。为此本设 计定位在以较低的开销在用户方实现c a b l e m o d e m 的部分功能，从而推动有线电 视网络的双向改造，提高使用双向业务用户的数量。 在设计该调制器时由于我国的相关标准还未出台，所以更多的参考了欧洲的 d v b c 标准和d a v i c “1 规范中的相关技术要求，采用1 6 q a m 的调制方式。在具体 的接入网指标，如频率稳定度等方面则参照了我国广电总局出台的相关规定。 在设计方法上，采用了首先在m a t l a b 环境中进行系统级仿真，并利用c 语 言自行编写了仿真文件，比较了不同的实现方案，并从中筛选出了与以往实现方 式所不同的，采用f f t 进行处理，随后在频域加权进行滤波的方式，和利用d d s 方式实现一对严格同频、正交载波的实现方案。 在具体硬件实现时，采用在单片f p g a 中主要利用v h d l 硬件编码的方法来实 现q a m 调制器的主要功能的思路，自主设计研发了基带成型滤波器、d d s 子系统 的模块，并在q u a r t u s l i 开发环境和板级仿真中验证了设计的结果。 关键字：q a m 调制d v b cd a v i c 基带成型滤波器d d sv h d l a b s t r a c t n o w a d a y s ，d i g i t a lc a b l et e l e v i s i o ni s ap r o s p e r o u si n d u s t r y m o r ea n dm o r e c l i e n t sa r ea t t r a c t e db yi t sa d v a n t a g e ss u c ha sv i v i dv i s i o n ，p l e n t yo fc h a n n e l sa n d q u a s i v i d e o o n d e m a n d s e r v i c e sw h i c hm a k ei to u t w e i g h 恤et r a d i t i o n a lc a b l e t e l e v i s i o n h o w e v e r , t h ef e a t u r eo fd i g i t a lc a b l et e l e v i s i o nl i e si nt h eb i - d i r e c t i o n a l c o m n m n i c a t i o nw h i c hf a c i l i t a t e sm a n ye n j o y a b l es e r v i c e s ：s o m eo ft h e ma r eo nt h e h o r i z o nl i k ed i s t a n c ea n dr e m o t ee d u c a t i o n a sar e s u l to fa 1 1t h eb e n e f i t sc o n mf r o m t h e b i - d i r e c t i o nc o m m u n i c a t i o n ，t h ec a b l en e ti su n d e rt h er e c o n s t r u c t i o nf r o m t r a d i t i o n a lu n i d i r e c t i o nc o m m u n i c a t i o n n e tt ot h eb i - d i r e c t i o nc o m m u n i c a t i o nn e t b u tt h eh i g hc o s to fc a b l em o d e m ，t h ek e r n e lo ft h i sb i - d i r e c t i o nc o m m u n i c a t i o nn e t b a f f i e st h i sr e c o n s t r u c t i o n 1 1 1 ed e s i g n q a mm o d u l a t o rd i s c u s s e di nt h i sp a p e ra i m e d a ti m p l e m e n t i n gs o m eb a s i cc h a r a c t e r i s t i c so f t h em o d u l a t o rw o r k i n gi nt h eu pl i n ka t r e l a t i v e l yl o wc o s t t h ed e s i g no ft h i sq & mm o d u l a t o rc o m p l i e sw i t l lt h es t a n d a r d sl i s t e di n d v b c 1 】t o g e t h e rw i t hp h y s i c a ll a y e rp r o t o c o l si nd a v i c l 2 1b yu s i n g1 6 q a m m o d u l a t i o n i ta l s om e e t sa l lt h ec o n c e r n e dr e q u i r e m e n t sp u b l i s h e db yo n rn a t i o n a tt h eb e g i n n i n go ft h i sp r o j e c t ，t h es i m u l a t i o nw a sc o m p l e t e di nm a t l a b i no r d e rt o c o m p a r ed i f f e r e n tm e t h o d si ni m p l e m e n t a t i o n ，i n - d e p t hs i m u l a t i o nb yu s i n gci s i n c l u d e d a f t e rt h ev e r i f i c a t i o no ft h en o v e lm e t h o d ss u c ha su s i n gf f tt of i l t e ri n f r e q u e n c yd o m a i na n dm a k i n ga d v a n t a g eo f d d s t os y n t h e s i z et h ee f t t i e r s t h ed e s i g nm e t h o di su t i l i z e di no n ef p g aw h i c hd e c r e a s e st h em o d u l a t o r sc o s t t h es u b - s y s t e m sl i k eb a s e b a n d s h a p i n g f i l t e ra n dd d sm e n t i o n e da b o v ea l e d e v e l o p e di nq u a r t u s l ib yc o d i n gi nv h d l t h er e s u l t sa r ec o n s i s t e n t 、i ma l lt h e b a s i cr e q u i r e m e n t s k e yw o r d s ：q a m d v b cd a v i cb a s e b a n ds h a p i n gf i l t e rd d $ v h d l 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，也不包含为获得墨鲞盘鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。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： 涨满 签字日期： 归占年2 月7 于日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫洼盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨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) 签字日期：。舶年2 月7 于日 签字日期：文一6 年 月产日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 我国有线电视双向化发展及所遇到的问题 1 1 1 调制器从传统的m o d e m 正在向c a b l e m o d e m 方向发展 在深入讨论本文所涉及的q a m 调制器之前，有必要先解释一下通信系统中调 制和解调的概念。首先，在某些有线信道中，若传输距离不太远且通信容量不太 大时，数字基带信号可以直接传送，通常称之为数字信号的基带传输。而在另外 一些信道，特别是无线信道和光信道中，数字基带信号则必须经过调制将信号频 谱搬移到高频处才能在信道中传输，通常把这种传输称为数字信号的频带传输。 此时，就需要进行调制和解调。调制是指将各种基带( 数字) 信号转换成适于信道 传输的数字调制信号( 已调信号或频带信号) 的过程，完成此功能的设备就叫做调 制器；解调就是指在接收端将收到的数字频带信号还原成基带( 数字) 信号。 提到调制解调，最容易让人联想到的就是调制解调器，也就是通常所说的 m o d e m ，本毕设中所设计的调制器和传统的m o d e m 之间存在着一些区别和联系， 而与正在蓬勃发展的c a b l e m o d e m 之间更是有着密切的联系，从某种角度上来说， 本毕设中所设计的调制器就是在从传统的d 酬到c a b l e m o d e m 中发展的中间产 物，或者说它具备完成c a b l e m o d e m 中部分功能的能力。 提到m o d e m 和c a b l e m o d e m ，就不得不提一下时下最热门的话题之一一宽带 网络。从贝尔博士发明电话到1 9 9 2 年w w 因特网的流行，再到今天的宽带网风 云渐起，网络的概念已经越来越多地出现在我们面前。所谓宽带，目前而言，超 于传统5 6 k m o d e m 传输速率的都可以归入宽带的范围。众所周知，电话的工作原 理是将声音信号转换成电信号，借助电话线来传送，然后在接收端将电信号再还 原成原来的声音信号。在电脑发明之后，于是想到了所谓d a c 数字模拟转换器这 种设备，如果把它加在电话机之前，先将数字信号转成模拟信号，然后再利用电 话线来传送，最后再将模拟信号转成数字信号就可以完成数据传送了，于是 m o d 跚也就应运而生。从这个意义上分析，无论是目前广泛应用的普通拨号连接 的m o d e m 还是c a b l e m o d e m ，都不例外。只不过传统的矾0 d e m 使用的是双绞线， 而c a b l e m o d e m 使用的则是同轴电缆。话又说回来，尽管可以利用电话线来传送 信号，但电话线能承载的数据量比较小，那么为什么不用承载量比较大的线路来 进行这种数据的传输昵? 通过电力系统网络显然不太可能，因为那是用来传送能 第一章绪论 量极大的电流，因此不易进行转换。那么接下来最可能实现这种传输的就应该算 是有线电视网的线路了。 有线电视系统在实现时采用的是光缆与电缆混合传输( 即：前端光缆干线 传输一同轴电缆分配系统) 来实现的。1 ，也即混合光纤同轴网( h f c ，h y b r i d f i b e r c o a x ) 。具体来说，h f c 网络的传输架构，光纤由有线电视中心头端出发，连接 至用户区域的光纤节点( f i b e rn o d e ) ，再由节点以7 5 0m h z 同轴电缆线连出， 经由电缆线连到用户家中。采用混合传输的主要原因是光缆虽然具有频带宽、损 耗小、可靠性高、不受电磁波干扰等优点。但光缆存在设备价格昂贵，光纤之间 的连接困难( 要用光纤自动熔接机进行熔接) ，光缆在敷设过程中其曲率半径又 有严格的要求( 即尽量大弧形转弯，不允许直角直转弯曲) 等缺点；电缆却具有 近距离传输成本低，电缆之间接线容易，且布线方便等优点。电缆最突出的缺点 是传输损耗大。因此，综合考虑有线电视传输线( 即光缆与电缆) 的具体特性， 并进行价值工程分析，采用光缆与电缆混合传输( 即h f c 网络) 既发挥了光缆远 距离传输损耗小的优点，又发挥了电缆便于分配与接线的优点，因而得到普遍使 用。 1 1 2 我国有线电视网络的长远发展规划 由于其传输介质网络的上述特点，使得有线电视网络与生俱来的资源优势决 定了它是一个实现多元化、多媒体化应用服务的宽广平台。但现在我国的有线电 视网络大部分还是只能实现传统的单向广播的功能，不能充分的利用和发挥有线 电视网络的高传输频宽的特点。双向电缆电视系统是在单向电缆电视系统基础上 发展起来的高效率信息传输系统。所谓双向传输系统，一般是指在电缆电视系统 的单根馈线上载有正反两个方向的电视信号，一是从前端站或控制中心向用户传 输的下行信号( 4 5 5 5 0 7 6 0 删z ) ，二是由用户端向前端站传送的上行信号( 5 - 3 0 m h z ) 。这两类信号可形成前端站与用户之间的信息交流与传递，因而扩展了电 缆电视系统的应用功能。这一功能的开发应用，就是为了使建成的电缆电视系统 可以将各种开路和闭路的电视信号传送给所有的有线电视用户，而且能够实现各 用户向前端站交换各种信息。 目前，我国的有线电视网络正在进行双向改造，其短期目标是建成有线网络 数字技术平台。在该平台上，除传统的电视节目信号传输之外，有线电视网络还 将具有诸多的增值潜能，向人们提供包括图像、语音、数据等全方位的服务，如 数字电视广播、数字音频广播及交互电视的应用，包括多媒体杂志、游戏天地、 节目指南、信息咨询、影视点播、远程教育、家庭炒股、电视购物、远程医疗、 区域高速数据通信联网、电缆电话等，还可以进行互联网浏览、收发电子邮件、 2 第一章绪论 电视电话、电子商务等机关报的业务与功能。通过有线电视这一宽带网络，使用 户真正体会到信息化建设与居民日常生活的密切联系，切实体现“数字化”和“信 息化”的优势，帮助人们运用信息，添加娱乐，从而为人们创建崭新的信息化生 活理念。进而可以发展为双向互动电视，即通过在技术平台上增加双向通信设备， 实现诸如电视上网、电视邮件、按次付费数字电视等业务，同时可以扩展到电视 商务、在线游戏、远程教育、在线竟猜、家庭银行、视频点播等，以及日后和 i p 电话功能融合，真正实现三网融合业务。 1 1 3 目前我国有线电视网络的发展中所遇到的问题 有线电视上行信号来源主要来自用户终端。用户采用现场直播的摄像、编辑 设备、产生数据信号的计算机终端、产生控制信号的控制键盘、以及产生状态信 号的各种传感器，并利用调制器、变换器、调制解调等设备，将上述信号转换成 易于在电缆中传输，这是双向传输技术应用功能的主体部分。 但是在目前的有线电视网络在从单向网络向双向网络改造的过程中遇到的 主要困难就是双向改造的费用在用户端相当高昂，前面所提到的实现此功能的 c a b l e m o d e m 的单台售价就在几千元，有人做过计算，平摊到每个用户的改造费 用，会比机项盒的费用还要高，而其中造价主要来自的部件就是从用户到机房的 上行线路调制器。鉴于此，本毕设旨在探索在有线电视网络进行双向改造的初始 阶段，能否通过数字电视机顶盒内部或数字一体机的内部增加一些模块从而初步 实现c a b l e m o d e m 中例如多媒体杂志、信息咨询、影视点播、远程教育、家庭炒 股、电视购物等功能。为了实现上述功能，从物理层来考虑，那么首先就是要实 现从用户到演播室的一条上行线路，在该线路上传送用户所发送的操作请求，实 现数字电视的双向通讯。由于，上述功能在实现时对上行线路的带宽要求不高， 仅用于传送少量命令信息，并且，目前我国并未出台有线数字电视上行线路的所 占用的频段规定，所以本设计主要参照了d a v i c 规范中所规定的上行线路参数， 即载波频率为5 m h z ，数据所占用的带宽为1 m h z 。在其中设计到某些需要与我国 现有的网络相融合的技术指标( 例如相位抖动，长期频率稳定度等) 时，主要参 照了由我国广电总局的入网技术条件和测量方法。 3 1 2 数字有线电视相关组织和技术的介绍 1 2 1d v b - c 标准和d a v l c 规范 在本文中将多次提到d v b 有线电缆传输标准d v b - c 和d a v i c 规范，二者均是 在欧洲广为采用的数字有线电视传输标准。其中，d v b 即d i g i t a lv i d e o b r o a d c a s t i n g ，是欧洲于1 9 9 3 年成立的数字视频广播组织，现有成员近2 0 0 个。 该组织为数字视频广播系统提供一个唯一的、确定的框架。他推出的d v b s 、 d v b - c 、d v b t 制定了被世界范围能接受的数字电视广播标准。在d v b c 中规定 了在有线电视网中传播数字电视的调制标准，使原来传送一套p a l 制节目的频道 可以传播四六套数字电视节目。它d v b s 和d v b - t 均得到欧洲通信标准组织 ( e t s i ) 和国际电联( i t u ) 的通过。d a v i c 是指数字音视频联盟。该组织是成 立于1 9 9 5 年的非赢利性组织，主要成员以欧洲的通信、媒体处理公司为主。其 初始目标为制订在基于a t m 技术的网络上提供数字音视频业务的相关标准。输出 的标准包括d a v i c1 o _ d a v i c l 5 。在其所推出的协议中对数字有线电视的传输 在物理层方面做了详细深入的规定，并且与d v b - c 的宽泛性规定相比，对于具体 实施调制器的设计更有参考意义。当然两者之间在某些细节规定上还是有较大差 异的，在后面会详细阐述d v b - c 标准的内容和，d a v i c 规范中的部分相关内容， 并对两者做一个粗略的比较，从而更具体的说明本设计中相关参数的选择目的核 原因。 1 2 2o a m 调制技术 在d v b - c 标准和d a v i c 规范中都明确列出在地面h f c 网络数字电视广播推荐 采用正交幅度调制( q a m ) ，此方式调制效率高，要求传输信道的信噪比高。那 么什么是正交幅度调制( o a m ) 呢? 正交幅度调制( q a m ) 是一种矢量调制，它将 输入比特先映射到一个复平面( 星座) 上，形成复数调制符号。然后将符号的i 、 q 分量( 对应复平面的实部和虚部) 采用幅度调制，分别对应调制在相互正交( 时 域正交) 的两个载波( c o s ( w t ) 和s i n ( w t ) ) 上。这样与只作幅度调制( a m ) 相 比，其频谱利用率高出一倍。 由于正交幅度调制，尤其是高维数的正交幅度调制，抗干扰能力差，接收时 需要的信噪比高，故不宜用于条件恶劣的无线信道，而常用于有线信道。目前， 在d v b - c 中根据信道质量和传输数据率要求的不同，可采用1 6 一o a m 、3 2 一q a m 、 6 4 - q a m 、1 2 8 - q a m 、和2 5 6 - q a m ，分别对应符号4 、5 、6 、7 和8 比特。在d a v i c 4 第一章绪论 规范中上行线路的传输中推荐选用1 6 q a m 。本设计所实现的就是1 6 一q a m 调制器 的主要功能。 除了被广泛的应用于数字有线电视传输中，o a m 还被广泛的应用于a d s l ( 不 对称数字用户线路) 、v d s l ( 甚高比特率数字用户线路) 和l m d s ( 本地多点分配 系统) 等领域中；由于它具有频谱利用率高、设备不太复杂等特点，也成为目前 被广泛应用的有线通信调制的热门技术。此外，q a t 4 作为一种多进制调制技术也 是超三代移动通信核心技术的重点研究技术。 1 3 本论文完成的主要任务 在进行本毕设的研究中，在翻阅查询了大量的相关文献和资料的基础上， 参照相关协议d v b - c 和d a v i c 规范的要求，自行设计了q a m 调制器的结构，其主 要功能模块连接如图1 i 所示。 。= 图1 1 q a m 调制器结构 其中各模块所实现的功能将在随后的章节中分别作详细的讲解。图中本毕设的主 要工作集中在在f p g a 中实现虚线框内部的各主要功能模块。 本论文共分为三个部分，五章内客。第一章是全文的绪论，其中详细介绍了， 本毕设的选题背景，国内外的数字有线电视的发展和研究现状以并简要的介绍了 相关的组织。第二章也是论文的第一部分，其中详细的讲解了所涉及的d v b - c 标准和d a v i c 规范中所推荐的技术内容，并在此基础上，对所设计的调制器做了 功能仿真和系统仿真。第三章和第四章的内容联合组成了本文的第二部分，其中 详细阐述了调制器中的核心模块基带成型滤波器和混频器的设计和实现方案的 选择。第五章是论文的最后一部分，主要介绍了硬件实现时芯片的选择，开发的 软、硬件环境。并对核心模块的实现做了详细的讲解。在论文的最后提出了对项 目下一步发展的一点建议。 第二章相关协议介绍和系统级仿真 第二章相关协议介绍和系统级仿真 2 1 设计所参照的协议内容 在本节中将详细的介绍一下i ) v w - c 标准中的相关规定，并在最后比较d a v i c 规范中的相关内容，说明本设计所遵从的最终设计标准。 2 1 1 d v b c 规范概要 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。 d v b 选定i s o i e cm p e g 一2 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。 d v b - c ( e t s3 0 04 2 9 ) 数字有线广播电视系统标准以有线电视网作为传输介 质，应用范围广。它具有1 6 、3 2 、6 4 、2 5 6 q a m 等多种方式。采用6 4 0 a m 正交调 幅调制时，一个p a l 通道的传送码率为4 1 3 4 m b s ，还可供多套节目复用。系统 前端可从卫星和地面发射获得信号，在终端需要电缆机项盒。 由于有线电视传输信道的途径较短，信号衰减较小，且受到的外界干扰也较 小，因此d v b c 系统中的误码比较轻。为了针对数字信号的电缆传输获得适当程 度的的差错控制能力，d v b - c 系统中只采用了一级纠错编码和一次交织。纠错编 码采用r s 码，交织采用卷积交织。 2 1 1 1 同步反转与数据扰乱 数字通信理论在设计通信系统时都是假设所传输的比特流中“0 ”与“1 ”出 现的概率是相等的，各为5 0 ，实际应用中的通信系统以及其中的数字通信技术 的设计性能指标首先也是以这一假设为前提的。但t s 码流经过编码处理后，可 能会在其中出现连续的“0 ”或连续的“1 ”。这样一方面破坏了系统设计的前提， 使得系统有可能会达不到设计的性能指标，另一方面在接收端进行信道解码前必 须首先提取出比特时钟，比特时钟的提取是利用传输码流中的“o ”与“1 ”之间 的波形跳变实现的，而连续的“0 ”或连续的“1 ”给比特时钟的提取带来了困难。 为了保证在任何情况下进入d v b 传输系统的数据码流中的“0 ”与“1 ”的概率都 能基本相等，传输系统首先用一个伪随机序列对输入的t s 码流进行扰乱处理。 伪随机序列是由一个标准的伪随机序列发生器生成的，其中“0 ”与“l ”出现的 第二章相关协议介绍和系统级仿真 概率接近5 0 n 5 。由于二进制数值运算的特殊性质，用伪随机序列对输入的t s 码 流进行扰乱后，无论原t s 码流是何种分布，扰乱后的数据码流中的“0 ”与“l ” 的概率都接近5 0 。扰乱改变了原t s 码流，因此在接收端对传输码流纠错解码 后，还需按你过程对其进行解扰处理，以恢复原t s 码流。 另外，从信号功率谱的角度看，扰乱过程相当于将数字信号的功率谱拓展了， 使其分散开了，因此扰乱过程又被称为“能量分散”。为了保证与m p e g - 2 标准的 兼容，d v b c 传输系统中的数据扰乱和r s 编码都以m p e g - 2 的t s 包为基本单位 进行处理。数据扰乱以8 个t s 包的数据为周期进行，每8 个t s 包数据加扰后伪 随机序列发生器重新进行一次初始化，初始化序列为“1 0 0 1 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 ”。为了 使接收端的解扰器能同步的进行初始化，以便正确的对数据解扰，需在每8 个 t s 包的头部加入特殊的指示信息以指示解扰器何时对其中的伪随机序列发生器 进行初始化，解扰器的初始化序列同样为“1 0 0 1 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 ”。在d v b - c 传输系 统中这个特殊的指示信息是将第一个t s 包的包头( 即4 7 h ) 按比特取反，变成 b 8 h ，这个过程称为同步反转。 由于t s 包的头要用作后面的r s 编码的码字同步，因此t s 包头不被扰乱。 在传输第一个被反转的t s 包头时，伪随机序列发生器要进行初始化，因此没有 输出；而传输随后的7 个t s 包头时，伪随机序列发生器继续工作，但产生的为 随机序列不被输出，因而这7 个t s 包头也不被扰乱。这样从伪随机序列发生器 生成的用于扰乱t s 数据的伪随机二进制序列( p r b s ) 的周期就为 1 8 8 字节8 l = 1 5 0 3 字节，如图( 2 。i ) 所示。 图2 1 同步反转与数据扰乱 由于二进制异或运算的特殊性，数据扰乱器和解扰器的结构是完全一样的， 加扰和解扰的处理过程也是完全相同的。加解扰器的结构如图( 2 2 ) 所示。 丘- 凼- _ - 曲 岫b n t 图z z 加解扰器的结构图 7 第二章相关协议介绍和系统级仿真 伪随机序列发生器可由一个1 5 位寄存器组成的移位寄存器，加扰解扰处理 通过二进制“异或”运算实现。在f p g a 中实现时可以利用h l t e r a 公司提供的免 费i p 函数来实现。 需要指出的是，即是在系统没有数据输入或数据不符合船e g 一2 传输流结构， 随机化的处理也不能被关闭，这是为了避免未调制的载波产生有害的辐射。 2 1 1 2 里德一所罗门( r e e d - s o l o m o n ) 编码 纠错编码采用r s ( 2 0 4 ，1 8 8 ，t = 8 ) 码，它是由r s ( 2 5 5 ，2 3 9 ，t = 8 ) 截短而得 到的，编码效率效率为1 8 8 2 0 4 “o 9 2 ，可以纠正一个r s 码字内的不超过8 个字 节的误码。选择这一r s 码字长度完全是为了与m p e g - 2 的t s 包兼容，即每一个 t s 包独立进行r s 编码保护，生成一个r s 码字，r s 码字的同步头就采用t s 包的 包头或取反的t s 包头。这样设计有两点好处，首先，当某个r s 码字在接收端解 码时出现无法纠正的错误时，误码集中在一个t s 包中，不会影响到其他的t s 包，便于分接器进行差错指示；此外，便于分接器提取t s 包的同步，简化了t s 包同步提取系统结构。 需要注意的是，1 6 个字节的校验数据是由包括t s 同步或反转同步在内的整 个t s 包的数据生成的，也就是说r s 编码保护的作用范围也包括t s 同步在内。 这一r s 码的纠错性能为：当交织深度，= 1 2 时，只要输入误码率小于2 x 1 0 - 4 ， 经过r s 解码后的误码率可达1 0 - 1 1 ，即“准无失真”的水平；而当采用无限字节 交织时，只要输入误码率小于7 1 0 - 4 ，经过r s 解码后的误码率即可达到“准无 失真”的水平。 2 1 1 3 卷积交织 数据交织采用卷积交织方案，交织深度i = 1 2 ，即具有1 2 个分支支路。交 织器与反交织器在原理上是一样的，但在支路延时上正好相反，如图( 2 3 ) 所 示。 图2 3 交织器与反交织器工作原理图 8 第二章相关协议介绍和系统级仿真 可以看出，如果将交织器与反交织器直接连接起来，各条支路的时延就都为 一个恒定值，等于数据通过1 7 1 1 个字节的移位寄存器所需的时间。因此经过交 织与反交织后数据帧的结构和顺序并没有改变，只是延时了一个固定的时间，即 通过1 7 x l1 个字节的移位寄存器所需的时间，但前提是交织器与反交织器必须同 步工作。所谓交织器与反交织器的同步是指它们同时从第n 条支路开始，按照相 同的顺序依次循环向各支路输入数据和从各支路输出数据。 交织过程是这样的：r s 编码码字向第卜第1 1 支路依次循环输入数据，每 条支路每次输入一个字节；交织后的数据按相同的顺序从个支路中输出，每条支 路每次输出一个字节。r s 码字的同步头永远从第0 支路，即无延时支路传送。 这样交织后的数据流依然保持了r s 码字的同步和长度，为反交织的同步进行打 下了基础。 反交织过程是这样的；将输入的交织数据流中识别出的第1 个r s 码字的同 步输入到第o 条之路，以此为起点依次循环向后面各支路输入数据，每条支路每 次输入一个字节；反交织后的数据按相同的顺序从各支路中输出，每条支路每次 输出一个字节。 r s 码字的长度是交织深度的整数倍，2 0 4 字节1 2 = 1 7 字节，即每个r s 码字 在各支路中要占用1 7 个字节的寄存器( 无延时支路除外) 。因此各支路移位寄存 器的存储器要以1 7 个字节为基本单位，为1 7 个字节的整数倍。 2 1 1 一4 字节到符号的映射 由于发射端在卷积交织之前以及接收端在卷积反交织之后，信息都是以二元 比特的形式呈现，为方便计算，在具体处理时以8 个二进制构成的字节为单位进 行。而在进行2 旷q a m 调制解调时，每个调制符号要与1 1 1 个比特进行映射，即每 次调制解调要以i n 个比特为单位进行。因此要在字节与m 位符号之间进彳亍转换、 映射。 d v b c 系统中所规定的字节与m 位符号之间的映射方式是这样的：符号z 的 最高位应对应于字节v 的最高位，相应地，该符号的下一个有效位应与字节v 的下一个有效位对应。对2 m - q a m 调制，这一映射应将k 个字节映射到1 1 个符号 中，k 、m 、n 间的关系为；8 k = m ，l 。以1 6 - 1 瑚1 为例，每1 个字节被转换为2 个4 比特的符号，k = l ，m = 4 ，n = 2 。 为了或得万2 旋转不变的o a m 星座图，在q a m 调制前需进行差分编码。差分 编码对每个m 位符号的最高两位进行，如图( 2 4 ) 所示。 图( 2 4 ) 中，q = m - - 2 。对1 6 q a m ，q = 2 ；对3 2 q a m ，q = 3 ；对6 4 q a m ，q = 4 。m 位 符号的最高位4 与次高位岛经过差分编码器生成厶和级，差分编码的布尔表 9 第二章相关协议介绍和系统级仿真 达式如下： = 巧酉涵乃0 。o i k 一。) + 0 。o b k ) 0 。o g 一。) 幺= 巧1 函刁瓴。反一，) + 0 。o b k ) - p 。o ，。减( 2 1 ) 厶和姨与m 位符号中的未经差分编码的低q 位数据共同映射成一个q a h i 星座点。 q ”嶂龟 、 b y 值 t o p p i n a m 圳e o a w 翻 i o n 2 h 1 6 q a m q l i b0 l o t 驼q a m 4 o r 8 4 q a m 图2 4 差分编码实现示意图 以1 6 q a i 为例，其星座图映射方式如图( 2 5 ) 所示。 1 6 - q a m q i t q t = l o i k q t = o o i o i l1 0 0 i0 0 1 0o o l l oooo l o l 口1 0 0 00 0 0 00 0 0 l oooo l l o l1 1 0 0 o 訾oo o l l 0 1o o l “ll l l o 0 1 0 lo l l l oooo i t q i , = 1 li t q k = 0 1 2 1 1 5 基带成型滤波器 根据乃奎斯特准则可知，如果信道呈现一个截止频率数值为信号波特率数值 一半的理想低通滤波器，就可以消除基带信号的码间串扰。在工程实现中，采用 满足一定条件的具有滚将特性的低通滤波器同样可以达到这个目的。升余弦滤波 器就可以满足这一要求，通常用做基带型滤波器。 在实际的系统里，这个成型滤波器是由发送滤波器和接收滤波器共同组成 的，成为匹配滤波器。因此d v b - c 系统中发端的基带成型滤波器采用平方根升余 1 0 喜 第二章相关协议介绍和系统级仿真 弦滚降滤波器，其滚将因子盯= 0 1 5 。 2 1 2 d a v i c 规范中的相关内容嘲 上面所列出的均是d v b - c 标准中所规定的数字有线电视在下行( 从演播室到 用户) 线路上传输在帧结构、信道编码和调制等方面的规定。但是，现在所要设 计的调制器是应用于数字有线电视在上行( 从用户到演播室) 线路上的，此时所 传输的数据只是一些用户向演播室发送的需要提供某种服务的请求信息，而不是 带宽为6 或8 m l l z 的电视信号，所以在调制时基带型滤波器，以及载波的频率范 围均有所变化，下面就列出d a v i c 协议中相关部分的参数，作为后面设计和实现 时的参考。 在对基带成型滤波器参数的规定上，在d a v i c 协议中考虑到上行线路对调制 解调器的低价位的要求，和所传送数据的带宽通常不超过1 m h z ，于是相应的将 基带成型滤波器的滚降因子降为口= o 3 0 。具体来讲，其信道码元速率为 0 9 11 6 m b a u d ，考虑到滚降特性所带来的额外带宽后，总信道带宽为1 1 8 5 1 删z 。 在频谱分配方面，目前，有线电视向双向性转变时一般从4 2 m t t z 7 5 0 m t t z 之间电 视频道中分离出一条6 m h z 的信道用于下行传送数据。通常下行数据采用6 4 q a m ( 正交调幅) 调制方式，最高速率可达2 7 m b p s ，如果采用2 5 6 q a m ，最高速率可 达3 6 m b p s 。上行数据一般通过5 4 2 m h z 之间的一段频谱进行传送，为了有效抑 制上行噪音积累，一般选用q p s k 和1 6 q a m 进行调制，它们比6 4 q a m 更适合噪音 环境，但速率较低。上行速率最高可达1 0 m b p s 。 2 1 3 最终设计所要满足的指标 综上所述，本设计的最后目标是设计一个能完成载频为5 m h z ，带宽为1 m h z 的上行电缆调制器。此外，此调制器应符合我国现行的有关电视传输信号的接口 规则。 2 2 系统级仿真及硬件实现算法的初步验证 已知了要设计的调制器的功能模块划分和最终的指标要求，但是这距离把待 设计系统划分为若干子系统模块，并且设计出实际可实现的模块，并且严格的规 范各模块之间的接口规范和技术指标，并最终实现整个系统，还具有很大的一段 距离。在系统设计的最初，往往通过不同层次的仿真，来加深设计者对系统的认 识和理解，并且完成各自系统模块的划分以及子系统问接口的定义。现在各种专 第二章相关协议介绍和系统级仿真 业的仿真软件层出不穷。在设计本课题的初期，采用m a t l a b 进行了系统级的功 能仿真。 m a t l a b 作为世界顶尖的数学应用软件旧，以其强大的工程计算、算法研究、 工程绘图、应用程序开发、数据分析和动态仿真等功能，在航空航天、机械制造 和通信工程等领域发挥着越来越重要的作用。s i m u l i n k 是基于m a t l a b 的框图 设计环境，可以用来对各种动态系统进行建模、分析和仿真，它的建模范围广泛， 可以针对任何能够用数学来描述的系统进行建模，例如航空航天动力学系统、卫 星控制制导系统、通讯系统等等，其中了包括连续、离散，条件执行，事件驱动， 单速率、多速率和混杂系统等等。m a t l a bc o m p i l e r 是一种编译工具，它能够 将那些利用m a t l a b 提供的编程语言m 语言编写的函数文件编译生成为函 数库、可执行文件c o m 组件等等。这样就可以扩展m a t l a b 功能，使m a t l a b 能 够同其他高级编程语言例如c c + + 语言进行混合应用，取长补短，以提高程序 的运行效率，丰富程序开发的手段。 图2 6 m a t l a b 中的仿真系统 图2 7 m a n a b 中的仿真波形 在本设计做仿真时，即利用m 语言自行编写了符合本设计要求的调制模块也 1 2 第二章相关协议介绍和系统级仿真 利用了s i m u l i n k 中提供的丰富的库，创建了仿真文件如图( 2 6 ) 所示。其仿真 波形如图( 2 7 ) 所示，在满足最终设计指标的条件下，系统中的如基带成型滤波 器，混频器等具体模块的参数的设定会在下面两章中有所涉及。 通过以上的功能仿真，可以准确的预测出在实际硬件实现各模块时的理想波 形，并且可参照在仿真文件中的模块间接口来设计实际硬件子系统间的接口。这 就是功能仿真能完成的。但是，有了对各予系统的划分，究竟各子系统是如何实 现的，换而言之，子系统的算法是怎样的，或者说怎样的算法在实现时更好呢? 这就要通过比较深层次的算法仿真来考察了。在本设计中，主要影响最终设计指 标的是基带成型滤波器的性能，有两种算法可以用来实现该滤波器。第一种方法， 就是在功能仿真中所用的直接利用f i r 滤波器来实现的方法。第二种方法，就是 采用f f t 算法，在频域内对数据进行处理的方法。为了考察方法二是否可行，以 及它对系统最终指标的影响，利用c 语言编程“1 ，进行了算法仿真。所获得的仿 真波形如图( 2 8 ) 所示。 图2 8 利用c 语言进行仿真波形图 最后，通过上述仿真不难发现，所要实现的调制器的技术难点在其基带成型 滤波器的设计和混频器的实现，事实上，由于最终所选用的芯片是f p g a ，由芯 片供应商可提供大量的免费i p 兆宏函数来简化芯片的设计和使用，其中就包括 信道编码模块和映射模块，所以真正需要进行自主设计和研发的主要就是基带成 型滤波器和混频器，这将在后面两个章节中做详细的讲解。 第三章滤波器设计 第三章滤波器设计 本章共分两部分，首先将详细介绍在上一章系统仿真时基带成型滤波器的设 计，并在不同实现算法之间做了详细的比较和权衡，最终选择了利用f f t 处理来 实现频域滤波的方法；此外，还将对系统中需要用到的插值滤波器的设计做了简 要的说明。 3 1 基带成形滤波器的设计与实现 3 1 1 指标要求 依据d a v i c 规范的要求基带成形滤波器是满足以下要求的均方升余弦滚降 滤波器：其传输函数为： 日( 厂) = 1 ，当i 厂l a ( 1 + 口) 。 其中，奈奎斯特频率为矗= 上2 t s = 鲁，滚降因子为口= o 3 0 a 且在附录中迸步规定了，在考虑了数字滤波器的设计的局限性的同时，。也 考虑到了系统中模拟元件( 如d a 变换器和模拟滤波器) 所带来的影响后，将图 ( 3 i ) 中绘出的样板作为硬件实现n y q u i s t 滤波器时的最低标准。 l嘲 缓缀缆缓缓戮黝： 0 d b r m v tmi盏五 黝缓黝缀黝! b 寸们瞌 删m 卿 _ 畏 t 0 3 0 1 ni , $ o f n ：删椭嗍 图3 i 基带成型滤波器指标示意图 稿 1 4 第三章滤波器设计 图中己标明通带纹波o 0 4 r i b ，最小_ 4 3 d b ，过渡带宽2 0 6 厶 3 1 2 选用l i r 滤波器还是f i r 滤波器来实现 在权衡是用i i r 滤波器还是f i r 滤波器来实现时嘲，首先，考虑到i i r 滤波 器对系数误差的灵敏度( 由于系数误差引起系统特性变化，或引起不稳定) 较高， 特别当极点位置靠近单位圆时。对计算中的有限字长效应很敏感。而f i r 滤波 器不会产生这种稳定问题。 此外，在实现方法上，i i r 滤波器用递归算法、由反馈系统实现，有累积误 差产生。而f i r 滤波器用非递归算法、无反馈系统实现，没有积累误差。并且f i r 滤波器为有限冲击响应，可以用直接卷积实现：也可以用f f t 方法实现( 分段卷 积) ，有利于大量连续数据的滤波处理。 综上，选用f i r 滤波器来实现基带成型滤波器。但是f i r 滤波器设计的窗 函数设计法中，对通带波动和阻带衰耗不容易控制，尤其对特性要求较高的滤波 器设计需要反复试算，设计算量很大。 并且f i r 滤波器时延为n t ，和滤波器的阶数成正比。因此在设计时要考虑由f i r 滤波器产生的时延对系统响应速度的影响以及如何通过改进实现结构和充分利