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“中視一號”IC芯片及其信號處理特點

2008-07-29
作者:魯業(yè)頻 陳兆龍 李鳳亭

??? 摘 要:中視一號" title="中視一號">中視一號”IC芯片是基于自定義協(xié)議的DMB-T" title="DMB-T">DMB-T和TDS-OFDM" title="TDS-OFDM">TDS-OFDM多載波調(diào)制技術(shù)的芯片,可實現(xiàn)高碼率單天線HDTV信號的移動接收。對DMB-1系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)進行了介紹,并將它與現(xiàn)有其它傳輸標準特別是DVB-T" title="DVB-T">DVB-T傳輸標準進行了簡要的比較。
??? 關(guān)鍵詞: 中視一號? 數(shù)字電視傳輸? 時域同步

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1 “中視一號”總體概述
??? 2004年4月30日,由清華大學、復旦大學、凌訊科技等多家單位聯(lián)合開發(fā)的具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的高清晰度數(shù)字電視地面?zhèn)鬏斠苿咏邮障到y(tǒng)專用芯片" title="專用芯片">專用芯片——“中視一號”順利通過了教育部主持的成果鑒定。該芯片將高清晰度數(shù)字電視芯片的研究進一步擴展到地面?zhèn)鬏斝诺佬酒?,使之成為用于DMB-T方案整機和系統(tǒng)的專用芯片。中視一號是基于自定義協(xié)議的DMB-T和TDS-OFDM多載波調(diào)制技術(shù)的芯片,在高碼率單天線HDTV信號的移動接收方面有所創(chuàng)新。該芯片具有百萬門級的規(guī)模,使用0.18微米工藝,采用多時鐘域技術(shù),共有128個引腳。芯片在仿真、設計、驗證、布局布線、測試、封裝等方面的整體水平在國際上是領(lǐng)先的(出于工藝水平的考慮,第一批流片是由ST公司生產(chǎn)的)。該科研項目已成功地走通了整個設計流程,包括邏輯綜合、布圖規(guī)劃、時序收斂、信號完整性、信號串擾處理、時鐘網(wǎng)絡設計、電源網(wǎng)絡設計、分布式參數(shù)提取、互聯(lián)網(wǎng)絡降價、低功耗技術(shù)等,這些都是目前超深亞微米芯片設計中最具有挑戰(zhàn)性的技術(shù)難題。
??? 大量試驗表明,安裝“中視一號”芯片的DMB-T高清晰度數(shù)字電視整機系統(tǒng)展示了良好的地面移動接收性能,特別是該芯片在載噪比門限和移動性指標方面優(yōu)于國際同類產(chǎn)品。此外,該芯片在鑒定前已在國內(nèi)多個電視廠家(長虹、創(chuàng)維、康佳等)得到成功試用,性能指標達到了系統(tǒng)設計要求?!爸幸曇惶枴钡膫鬏敽徒邮账俣冗_到了24Mbps,在時速120公里的交通工具上播放,不會發(fā)生圖像抖動和丟失的現(xiàn)象;而在時速75公里以下的交通工具上播放,收視聲像質(zhì)量極為穩(wěn)定可靠,標志著國內(nèi)對地面數(shù)字電視廣播傳輸信道專用芯片的研究取得了重大突破。
2 DMB-T系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[1]
??? DMB-T系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。在總體方案上,DMB-T是對歐盟的DVB-T地面?zhèn)鬏敇藴实睦^承與發(fā)展。其傳輸系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)擾碼、內(nèi)外糾錯編碼以及交織編碼等部分,DMB-T與DVB-T的顯著區(qū)別在于DMB-T采用時域同步正交頻分復用(TDS-OFDM),這也是我國數(shù)字電視地面?zhèn)鬏敇藴实奶厣帯?/FONT>

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??? TDS-OFDM調(diào)制過程是:輸入的MPEG-2 TS碼流經(jīng)過信道編碼處理后在頻域上形成長度為3780的反傅氏變換(IDFT)數(shù)據(jù)塊,采用傅氏變換(DFT)將IDFT數(shù)據(jù)塊變換為長度為3780的時域離散樣值幀體,即7.56Mps個樣值,在OFDM的保護間隔插入長度為378的偽隨機序列(PN)作為幀頭,接著將幀頭和幀體組合成時間長度為550的信號幀,再采用具有線性相位延遲特性的FIR低通濾波器對信號進行頻域整形,最后將基帶信號上變頻調(diào)制到RF載波上?!爸幸曇惶枴钡慕庹{(diào)過程與調(diào)制過程相反。表1就DMB-T與DVB-T的有關(guān)參數(shù)進行了對比。

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??? 在設計DMB-T方案時,將傳統(tǒng)的DVB-T系統(tǒng)中的保護間隔由一段PN序列取代,而在IDFT幀體中沒有插入任何導頻。這樣,PN幀頭既可作為訓練序列用于同步和信道估計,又在客觀上起到了保護間隔的作用。DMB-T的每一幀采用不同的PN頭作為幀標志,在發(fā)射端對PN頭采用BPSK調(diào)制以獲得可靠的傳輸效果;在接收端則通過同樣的PN序列產(chǎn)生器產(chǎn)生本地PN序列,并與接收信號的PN碼幀頭進行時域相關(guān)運算,從而完成幀同步、頻率同步、時間同步、信道傳輸特性估計等一系列同步運算。
3? 時域同步及與其它標準之比較[2]
??? 數(shù)據(jù)擾碼僅對MPEG-2 TS碼流中的187個8位字節(jié)進行編碼,對于提高DMB-T傳輸系統(tǒng)的同步性能是非常重要的。業(yè)已指出,TDS-OFDM多載波調(diào)制是DMB-T協(xié)議的核心技術(shù),其基本幀結(jié)構(gòu)中引入了PN碼作為幀頭,用于完成時域同步,這在目前數(shù)字電視地面?zhèn)鬏斚到y(tǒng)中是一個創(chuàng)新。OFDM作為一種可以有效對抗符號間干擾(ISI,Inter-Symbol Interference)和信道間干擾(ICI:Inter-Channel Interference)的高速傳輸技術(shù),在高速無線應用環(huán)境中,其技術(shù)優(yōu)勢尤為明顯,因而它非常適合多徑環(huán)境和衰落信道中的高速數(shù)據(jù)傳輸,并且兼容未來第四代(4G)移動通信的速度(10Mbps~100 Mbps)。在OFDM的發(fā)展中,基于TDS-OFDM的時域同步主要有以下顯著特點:
??? (1)PN序列作為保護間隔,用以消除或者至少可以大大減少ISI;
??? (2)由于保持了各信道間的正交性,大大減少了ICI;
??? (3)在實時傳輸與接收的信道估計中,時域同步較頻域同步更快;
??? (4)時域同步過程對定時的要求不那么嚴格,即如果定時錯誤(時域偏移)較小,使得沖激響應長度小于保護間隔,則各子載波之間的正交性仍可以維持。
??? 此外,時域同步較頻域同步簡單,有用數(shù)據(jù)的傳輸效率大大提高(見表1)。這是因為傳統(tǒng)OFDM的每個信號幀由前置保護間隔和IDFT幀體組成,保護間隔通常是幀體的循環(huán)前綴或全0比特,在接收端首先去除保護間隔,再進行DFT變換以恢復數(shù)據(jù)。因此在歐盟及日本的標準中,需要插入大約10%的已知導頻,用于在收端通過頻域處理的方式獲得可靠的系統(tǒng)同步。這種方式相應地降低了有用數(shù)據(jù)的傳輸效率。2001年2月完成的第一套測試專用芯片,其設計信道均衡算法的多徑模型是采用當時的美、歐標準測試的相關(guān)參考模型,多徑延時分布取為(-3~18)μs,這個數(shù)值不太適合我國城市高樓群區(qū)或地理環(huán)境的實際情況,故經(jīng)過多次的改進,包括2002年5月研制成功的“接收試驗專用芯片”,直至得到今天較為成熟的接收專用芯片“中視一號”。其DMB-T與現(xiàn)有的國際標準之主要區(qū)別如表2所示。

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??? DMB-T傳輸系統(tǒng)的符號星座圖采用64QAM,其糾錯編碼中還有三層分組乘積碼,不同層(Layer)的分組乘積碼按定義映射到64QAM星座符號的不同比特位,因此具有不同程度的抗干擾能力。DMB-T傳輸系統(tǒng)的多媒體數(shù)據(jù)流也可以根據(jù)需要給予不同的保護優(yōu)先級,其中高、中、低優(yōu)先級比特流分別映射為64QAM星座圖的高、中、低位。采用電視廣播前向糾錯編碼模式的DMB-T傳輸系統(tǒng)使用均勻分布的64QAM符號星座圖,其I和Q坐標的投影為(-7,-5,-3,-1;1,3,5,7);而采用多媒體綜合數(shù)據(jù)業(yè)務前向糾錯編碼模式的DMB-T傳輸系統(tǒng)是使用非均勻分布的64QAM星座圖,其I和Q坐標的投影及其三層分組乘積碼為(-9,-7,-4,-2;2,4,7,9),如圖2所示,圖中的高級Lay0層為全圖結(jié)構(gòu)。不同層按定義映射到64QAM星座符號的不同比特位,因此具有不同程度的抗干擾能力。鑒于DMB-T和DVB-T主體結(jié)構(gòu)相似,它們的發(fā)射、接收系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基本相同,即可以采用相同的天線、廣播發(fā)射機和調(diào)諧器,但二者不能兼容的是信道調(diào)制器和解調(diào)器。前者采用分層的即多分辨率的TDS-OFDM信號方式,后者采用COFDM信號方式,且DMB-T制式有效信號帶寬比DVB-T略小0.6%,但在信號幀結(jié)構(gòu)、同步方式、信道估計、信道均衡以及信道編碼方式上都有各自的基礎(chǔ)性發(fā)明與創(chuàng)新。值得一提的是,移去PN序列后的接收機等效于填零的OFDM,而OFDM對定時和頻率偏移敏感,對系統(tǒng)中的非線性問題敏感,這些都是需要進一步研究并逐步完善的問題。

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??? 總的來說,'中視一號'芯片技術(shù)含量高、設計難度大,地面數(shù)字電視廣播傳輸信道專用芯片的設計成功,標志著我國地面數(shù)字電視廣播傳輸信道專用芯片研究取得了重大突破,對我國數(shù)字電視的產(chǎn)業(yè)化和微電子工業(yè)的發(fā)展具有重大意義。它除了解決了具有自主知識產(chǎn)權(quán)這個核心問題外,DMB-T傳輸系統(tǒng)還具有可擴展性。由于采用了編碼的PN序列,TDS-OFDM能支持很多通信領(lǐng)域的最新研究成果,比如時空分集編碼、智能天線、蜂窩網(wǎng)絡、定向定位接收等技術(shù),能進一步提高傳輸效率。按照規(guī)劃,2003年是我國高清晰度數(shù)字電視的標準化年,2004年是高清晰度數(shù)字電視的產(chǎn)業(yè)化年,2008年是北京奧運會前普及高清晰度數(shù)字化電視年,2015年將停止模擬電視廣播,目前我國的高清晰度數(shù)字電視的標準尚未出臺??梢韵嘈牛爸幸曇惶枴盜C芯片的成功問世,必將為我國數(shù)字電視地面?zhèn)鬏敇藴实慕⒌於▓詫嵉幕A(chǔ)。
參考文獻
1 Tsinghua University.Terrestrial Digital Multimedia/Television?Broadcasting System. P.R.China Patent 00123597.4.filed?August 25.2000.issued March 21,2001
2 Y Wu,E Plszks, B Caron and G Chouinard.Comparison of?Terrestial DTV Transmission System: the ATSC 8-VSB, the?DVB-T COFDM and the ISDB-T BST-OFDM. IEEE Trans.Broadcasting,2000;46(2):101~113

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