数字电视解调芯片关键技术研究

论文摘要

随着数字时代的到来,数字广播电视在全球范围内得到广泛的发展,从模拟电视到数字电视已成为广播电视领域自从黑白电视到彩色电视变革后的第二次彻底的革命,并将会对未来人们的生活和工作产生深远的影响。面对这样的技术变革,全球各国家都在全面制定和部署自己的数字广播电视网络,并且都详细地规划了从模拟电视到数字广播电视转换的过渡方案和计划。美国于2009年6月已停播所有模拟电视信号的发送,全面进入数字电视时代,而英国等部分欧洲国家也于2010年完成了模拟电视到数字电视的转换,而我国于最近颁布自主研发的地面传输数字电视标准和移动多媒体广播电视行业标准,并预期在2015年彻底关闭全国模拟电视广播,并实现数字电视广播的全面覆盖。目前,数字电视解调芯片作为广播数字电视系统的核心技术已经成为众多科研机构的研究重点。本文首先对当前数字电视发展现状进行深入调研及分析,并讨论了包括帧同步偏差、采样偏差、载波偏差、多径衰落和多普勒频移等影响数字电视接收解调系统性能的关键因素。通过对数字电视解调器中的同步、信道估计均衡等关键模块的理论分析和研究,然后结合欧洲第二代卫星数字电视（DVB-S2）,中国移动多媒体广播电视行业标准（CMMB）等标准提出了在低噪声、恶劣多径信道下的同步方案,同时针对多载波系统,结合了CMMB和地面传输数字电视标准（DTMB）,提出了基于频域导频和基于时域训练序列的数字电视地面广播系统的解调算法和优化的硬件结构,并针对单频网络环境和高速移动信道的特点,设计了高性能低复杂度的长回波消除电路和ICI消除电路。另外,论文还对单载波调制系统中的均衡技术做了研究,并将研究结果用于美国地面传输标准（ATSC）和DTMB的单载波传输模式中,分别提出适用于两种不同地面传输标准的单载波频域均衡方案,并优化了硬件结构。在研究数字电视解调器同步、信道估计均衡等关键技术的过程中,本文提出了几种新颖的算法和硬件结构以提高解调器的各项性能,减少芯片硬件消耗：（1）通过DVB-S2传输特点的研究,提出了适用于低噪声环境下的帧同步算法,该算法能在低至-2.35dB的信噪比、5MHz的载波偏差环境下快速地实现帧同步,并能通过帧长度的判断,自动识别调制方式,增强了系统的自适应能力和对抗恶劣卫星信道干扰的能力,同时通过优化硬件,减小了帧同步的硬件消耗。（2）通过对CMMB系统帧传输结构的研究,提出了一种对抗多径信道干扰的整数频偏估计算法。不同于传统OFDM系统中采用的连续导频估计整数频偏的方法,该算法利用CMMB帧结构中的同步信号,采用连续数据互相关的方式消除信道干扰,从而提高整数频偏估计在恶劣的多径衰落环境下的性能,加快了载波同步的速度。（3）在单频网络环境下,当多径时延超过OFDM传输系统的保护间隔的情况下,系统会产生严重的符号间干扰（ISI）。本文结合DTMB系统提出了判决反馈信号重构的方法,有效地消除了长多径环境下的ISI,提高了数字电视解调器的性能,同时优化了硬件实现结构,减小了硬件消耗。（4）针对高速移动的信道环境,本文分析了子载波间干扰（ICI）对数字电视解调器性能的影响,提出了一种自适应的ICI消除方法。该方法采用低复杂度的多普勒估计算法,通过对多普勒频率的估计,控制ICI消除电路的启动。在针对高速移动的环境下,采用迭代消除ICI的方案,有效地消除了接收数据中ICI的影响,提高了系统性能,同时通过优化电路结构,降低了硬件实现的代价。（5）针对DTMB系统中单载波调制模式,提出了高性能低复杂度的频域均衡方案。相对于传统单载波调制系统中使用的时域均衡技术,该方案有效地降低了硬件代价,提高单载波系统的性能。根据该均衡结构,本文提出了一种同时兼容单多载波模式的全模式DTMB解调芯片的硬件架构,通过硬件资源的复用,减小了硬件消耗。（6）结合ATSC解调系统,提出了适用于ATSC的频域均衡算法。该算法结合了循环重构技术,采用迭代的判决反馈频域均衡结构,有效消除了由于没有保护间隔导致的工CI和块间干扰（IBI）与多径信道导致的ISI,提高了ATSC系统在静态信道和动态信道下的性能。

论文目录

• 目录
• 英文缩写
• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 数字电视的优势
• 1.1.2 数字电视的发展概况
• 1.2 论文研究工作的意义与创新点
• 1.2.1 论文研究工作的意义
• 1.2.2 论文研究工作的创新点
• 1.3 论文主要工作和组织结构
• 第二章 数字电视接收解调器体系结构
• 2.1 影响接收解调系统性能的关键因素
• 2.1.1 帧同步偏差
• 2.1.2 采样偏差
• 2.1.3 载波偏差
• 2.1.4 多径传播和多普勒频移
• 2.2 数字电视解调器的体系结构
• 2.2.1 数字电视解调器的结构
• 2.2.2 单、多载波数字电视解调器的差异分析
• 2.3 本章小结
• 第三章 数字电视解调器的同步技术
• 3.1 数字电视解调器中的同步问题
• 3.2 数字电视解调器中的帧同步
• 3.2.1 基于滑动相关的帧同步技术
• 3.2.2 结合信道估计的帧同步技术
• 3.3 数字电视解调器中的载波同步
• 3.3.1 ATSC系统中载波同步技术
• 3.3.2 CMMB系统中频偏估计算法
• 3.4 数字电视解调器中的采样同步
• 3.5 其他模块设计
• 3.5.1 IQ失配消除模块
• 3.5.2 低复杂度的邻频干扰消除技术
• 3.6 本章小结
• 第四章 OFDM调制数字电视解调器中的信道估计及均衡技术
• 4.1 OFDM原理和系统模型
• 4.2 CMMB系统中的信道估计及均衡
• 4.2.1 CMMB标准简介
• 4.2.2 基于导频的信道估计和均衡
• 4.2.3 ICI消除技术
• 4.2.4 信道估计均衡及1CI消除电路的硬件优化
• 4.3 DTMB多载波模式中的信道估计及均衡
• 4.3.1 DTMB标准简介
• 4.3.2 基于PN序列的信道估计和均衡
• 4.3.3 单频网下长多径的消除技术
• 4.3.4 信道估计和均衡的硬件结构优化
• 4.4 本章小结
• 第五章 单载波调制数字电视解调器中的信道估计及均衡技术
• 5.1 单载波均衡技术介绍
• 5.1.1 单载波时域均衡（SC-TDE）
• 5.1.2 单载波频域均衡（SC-FDE）
• 5.1.3 单多载波系统中均衡技术的融合问题
• 5.2 DTMB单载波模式中的频域均衡
• 5.2.1 单载波模式下的频域均衡算法
• 5.2.2 算法性能分析和硬件结构优化
• 5.2.3 单多载波融合的DTMB系统结构
• 5.3 ATSC中的信道估计及均衡
• 5.3.1 联合循环重构的频域均衡技术
• 5.3.2 判决反馈的信道估计
• 5.3.3 算法性能分析和复杂度比较
• 5.4 本章小结
• 第六章 多天线数字电视解调器
• 6.1 MIMO技术介绍
• 6.2 MIMO技术在数字电视系统中的应用
• 6.3 CMMB解调器中Diversity结构的实现
• 6.3.1 Diversity结构的算法设计
• 6.3.2 Diversity结构的硬件优化
• 6.4 本章小结
• 第七章 数字电视接收芯片实现和测试
• 7.1 DVB-S2解调器的FPGA验证
• 7.1.1 FPGA验证平台
• 7.1.2 FPGA测试结果及分析
• 7.2 CMMB解调器的FPGA、芯片验证
• 7.2.1 FPGA及芯片验证平台
• 7.2.2 芯片测试结果及分析
• 7.3 DTMB解调器的FPGA验证
• 7.3.1 FPGA验证平台
• 7.3.2 FPGA测试结果及分析
• 7.4 ATSC解调器的FPGA验证
• 7.4.1 FPGA验证平台
• 7.4.2 FPGA测试结果及分析
• 7.5 本章小结
• 第八章 总结与展望
• 8.1 论文总结
• 8.2 工作展望
• 参考文献
• 附录A 多径信道参数
• 博士学习期间发表的论文及专利
• 致谢