“中視一號(hào)”IC芯片及其信號(hào)處理特點(diǎn)

    關(guān)鍵詞：中視一號(hào) 數(shù)字電視傳輸 時(shí)域同步

1 “中視一號(hào)”總體概述

2004年4月30日，由清華大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)、凌訊科技等多家單位聯(lián)合開(kāi)發(fā)的具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高清晰度數(shù)字電視地面?zhèn)鬏斠苿?dòng)接收系統(tǒng)專用芯片——“中視一號(hào)”順利通過(guò)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(jìn)一步擴(kuò)展到地面?zhèn)鬏斝诺佬酒?，使之成為用于DMB-T方案整機(jī)和系統(tǒng)的專用芯片。中視一號(hào)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(hào)的移動(dòng)接收方面有所創(chuàng)新。該芯片具有百萬(wàn)門(mén)級(jí)的規(guī)模，使用0.18微米工藝，采用多時(shí)鐘域技術(shù)，共有128個(gè)引腳。芯片在仿真、設(shè)計(jì)、驗(yàn)證、布局布線、測(cè)試、封裝等方面的整體水平在國(guó)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(xiàng)目已成功地走通了整個(gè)設(shè)計(jì)流程，包括邏輯綜合、布圖規(guī)劃、時(shí)序收斂、信號(hào)完整性、信號(hào)串?dāng)_處理、時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)、電源網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)、分布式參數(shù)提取、互聯(lián)網(wǎng)降價(jià)、低功耗技術(shù)等，這些都是目前超深亞微米芯片設(shè)計(jì)中最具有挑戰(zhàn)性的技術(shù)難題。

大量試驗(yàn)表明，安裝“中視一號(hào)”芯片的DMB-T高清晰度數(shù)字電視整機(jī)系統(tǒng)展示了良好的地面移動(dòng)接收性能，特別是該芯片在載噪比門(mén)限和移動(dòng)性指標(biāo)方面優(yōu)于國(guó)際同類產(chǎn)品。此外，該芯片在鑒定前已在國(guó)內(nèi)多個(gè)電視廠家（長(zhǎng)虹、創(chuàng)維、康佳等）得到成功試用，性能指標(biāo)達(dá)到了系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求?！爸幸曇惶?hào)”的傳輸和接收速度達(dá)到了24Mbps，在時(shí)速120公司的交通工具上播放，不會(huì)發(fā)生圖像抖動(dòng)和丟失的現(xiàn)象；而在時(shí)速75公司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(biāo)志著國(guó)內(nèi)對(duì)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)

DMB-T系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。在總體方案上，DMB-T是對(duì)歐盟的DVB-T地面?zhèn)鬏敇?biāo)準(zhǔn)的繼承與發(fā)展。其傳輸系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)擾碼、內(nèi)外糾錯(cuò)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(shí)域同步正交頻分復(fù)用（TDS-OFDM），這也是我國(guó)數(shù)字電視地面?zhèn)鬏敇?biāo)準(zhǔn)的特色之處。

TDS-OFDM調(diào)制過(guò)程是：輸入的MPEG-2 TS碼流經(jīng)過(guò)信道編碼處理后在頻域上形成長(zhǎng)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(zhǎng)度為3780的時(shí)域離散樣值幀體，即7.56Mps個(gè)樣值，在OFDM的保護(hù)間隔插入長(zhǎng)度為378的偽隨機(jī)序列（PN）作為幀頭，接著將幀頭和幀體結(jié)合成時(shí)間長(zhǎng)度為550的信號(hào)幀，再采用具有線性相位延遲特性的FIR低通濾波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行頻域整形，最后將基帶信號(hào)上變頻調(diào)制到RF載波上?！爸幸曇惶?hào)”的解調(diào)過(guò)程與調(diào)制過(guò)程相反。

圖1

    在設(shè)計(jì)DMB-T方案時(shí)，將傳統(tǒng)的DVB-T系統(tǒng)中的保護(hù)間隔由一段PN序列取代，而在IDFT幀體中沒(méi)有插入任何導(dǎo)頻。這樣，PN幀頭既可作為訓(xùn)練序列用于同步和信道估計(jì)，又在客觀上起到了保護(hù)間隔的作用。DMB-T的每一幀采用不同的PN頭作為幀標(biāo)志，在發(fā)射端對(duì)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(guò)同樣的PN序列產(chǎn)生器產(chǎn)生本地PN序列，并與接收信號(hào)的PN碼幀頭進(jìn)行時(shí)域相關(guān)運(yùn)算，從而完成幀同步、頻率同步、時(shí)間同步、信道傳輸特性估計(jì)等一系列同步運(yùn)算。

3 時(shí)域同步及其它標(biāo)準(zhǔn)之比較

數(shù)據(jù)擾碼僅對(duì)MPEG-2 TS碼流中的187個(gè)8位字節(jié)進(jìn)行編碼，對(duì)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(shí)域同步，這在目前數(shù)字電視地面?zhèn)鬏斚到y(tǒng)中是一個(gè)創(chuàng)新。OFDM作為一種可以有效對(duì)抗符號(hào)間干擾（ISI，Inter-Symbol Interference）和信道間干擾（ICI：Intel-Channel Interference）的高速傳輸技術(shù)，在高速無(wú)線應(yīng)用環(huán)境中，其技術(shù)優(yōu)勢(shì)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(lái)第四代（4G）移動(dòng)通信的速度（10Mbps～100Mbps）。在OFDM的發(fā)展中，基于TDS-OFDM的時(shí)域同步主要有以下顯著特點(diǎn)：

（1） PN序列作為保護(hù)間隔，用以消除或者至少可以大大減少I(mǎi)SI；

（2） 由于保持了各信道間的正交性，大大減少了ICI；

（3） 在實(shí)時(shí)傳輸與接收的信道估計(jì)中，時(shí)域同步較頻域同步更快；

（4） 時(shí)鐘同步過(guò)程對(duì)定時(shí)的要求不那么嚴(yán)格，即可果定時(shí)錯(cuò)誤（時(shí)域偏移）較小，使得沖激響應(yīng)長(zhǎng)度小于保護(hù)間隔，則各子載波之間的正交性仍可以維持。

此外，時(shí)域同步較頻域同步簡(jiǎn)單， 有用數(shù)據(jù)的傳輸效率大大提高（見(jiàn)表1）。這是因?yàn)閭鹘y(tǒng)OFDM的每個(gè)信號(hào)幀由前置保護(hù)間隔和IDFT幀體組成，保護(hù)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(hù)間隔，再進(jìn)行DFT變換以恢復(fù)數(shù)據(jù)。因此在歐盟及日本的標(biāo)準(zhǔn)中，需要插入大約10%的已知導(dǎo)頻，用于在收端通過(guò)頻域處理的方式獲得可靠的系統(tǒng)同步。這種方式相應(yīng)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(cè)試專用芯片，其設(shè)計(jì)信道均衡算法的多徑模型是采用當(dāng)時(shí)的美、歐標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試的相關(guān)參考模型，多徑延時(shí)分布取為（-3～18）μs，這個(gè)數(shù)值不太適合我國(guó)城市高樓群區(qū)或地理環(huán)境的實(shí)際情況，故經(jīng)過(guò)多次的改進(jìn)，包括2002年5月研制成功的“接收試驗(yàn)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(hào)”。

DMB-T傳輸系統(tǒng)的符號(hào)星座圖采用64QAM，其糾錯(cuò)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(hào)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(hù)優(yōu)先級(jí)，其中高、中、低優(yōu)先級(jí)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(cuò)編碼模式的DMBT傳輸系統(tǒng)使用均勻分布的64QAM符號(hào)星座圖，其I和Q坐標(biāo)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(wù)前向糾錯(cuò)編碼模式的DMB-T傳輸系統(tǒng)是全長(zhǎng)非均勻分布的64QAM星座圖，其I和Q坐標(biāo)的投影及其三層分組乘積碼為（-9，-7，-4，-2；2，4，7，9），如果2所示，圖中的高級(jí)Lay0層為全圖結(jié)構(gòu)。不同層按定義映射到64QAM星座符號(hào)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(jī)和調(diào)諧器，但二者不能兼容的是信道調(diào)制器和解碼器。前者采用分層的即多分辨率的TDS-OFDM信號(hào)方式，后者采用COFDM信號(hào)方式，且DMB-T制式有效信號(hào)帶寬比DVB-T略小0.6%，但在保證幀結(jié)構(gòu)、同步方式、信道估計(jì)、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。使得一提的是，移去PN序列后的接收機(jī)等效于填零的OFDM，而OFDM對(duì)定時(shí)和頻率偏移敏感，這些都是需要進(jìn)一步研究并逐步完善的問(wèn)題。

    總的來(lái)說(shuō)，“中視一號(hào)”芯片技術(shù)含量高、設(shè)計(jì)難度大，地面數(shù)字電視廣播傳輸信道專用芯片的設(shè)計(jì)成功，標(biāo)志著我國(guó)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(duì)我國(guó)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(shí)產(chǎn)權(quán)這個(gè)核心問(wèn)題外，DMB-T傳輸系統(tǒng)還具有可擴(kuò)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(shí)空分集編碼、智能天線、蜂窩網(wǎng)絡(luò)、定向定位接收等技術(shù)，能進(jìn)一步提高傳輸效率。按照規(guī)劃，2003年是我國(guó)高清晰度數(shù)字電視的標(biāo)準(zhǔn)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(yùn)會(huì)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(guó)的高清晰度數(shù)字電視的標(biāo)準(zhǔn)尚未出臺(tái)?？梢韵嘈?，“中視一號(hào)”IC芯片的成功問(wèn)世，必將為我國(guó)數(shù)字電視地面?zhèn)鬏敇?biāo)準(zhǔn)的建立奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。