高清晰度數(shù)字電視傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方案

　　在有限帶寬內(nèi)傳輸高清晰度數(shù)字電視對(duì)視頻、音頻壓縮編碼和信道編碼都提出了更高的要求，而且在進(jìn)行地面?zhèn)鬏數(shù)那闆r下無(wú)線環(huán)境的各種衰減和干擾也不可避免，同時(shí)考慮到移動(dòng)環(huán)境下的接收需求，在新一代的地面數(shù)字電視傳輸系統(tǒng)中必需引入無(wú)線通信的最新技術(shù)。數(shù)字電視廣播和現(xiàn)代數(shù)字通訊技術(shù)的結(jié)合，使得傳統(tǒng)的電視傳媒得以在通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上新生。

　　清華大學(xué)在綜合吸收國(guó)外已有高清晰度數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，完全自主地開(kāi)發(fā)完成了"地面數(shù)字多媒體電視廣播傳輸協(xié)議DMB-T"并申請(qǐng)了職務(wù)發(fā)明專利。在深圳舉行的第二屆中國(guó)國(guó)際高新技術(shù)成果交易會(huì)上，清華大學(xué)對(duì)此項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行了全面展示，得到眾多專家的肯定。

　　在DMB-T系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用了Cadence公司的系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)與仿真軟件SPW Signal Processing Worksystem。在大型系統(tǒng)設(shè)計(jì)中只有實(shí)現(xiàn)算法和系統(tǒng)級(jí)的優(yōu)化，才能對(duì)系統(tǒng)性能有極大的提升，因?yàn)樗鹊讓觾?yōu)化具有更大的優(yōu)化空間。

　　以Cadence公司的軟件工具為例相應(yīng)的系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

　　傳統(tǒng)的電子設(shè)計(jì)流程通常從硬件描述語(yǔ)言VHDL或Verilog開(kāi)始直接進(jìn)行與硬件相關(guān)的優(yōu)化而真正高層算法的優(yōu)化十分有限。這種設(shè)計(jì)思想在系統(tǒng)規(guī)模較小，相應(yīng)算法也較成熟時(shí)比較適用，而現(xiàn)在電子設(shè)計(jì)的規(guī)模越來(lái)越大，復(fù)雜度越來(lái)越高，很大的工作量都會(huì)集中在前期的高層算法開(kāi)發(fā)上，以前的流程將不再滿足需要。

　　系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)方法是指設(shè)計(jì)時(shí)首先利用專門的系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)工具如SPW來(lái)進(jìn)行算法開(kāi)發(fā)，與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法不同的是系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)工具可以使用戶從繁瑣的硬件實(shí)現(xiàn)中解脫出來(lái)，集中精力于相應(yīng)的算法開(kāi)發(fā)，通過(guò)仿真來(lái)驗(yàn)證系統(tǒng)算法的可行性并得到性能指標(biāo)。算法確定之后，設(shè)計(jì)者再通過(guò)硬件設(shè)計(jì)系統(tǒng)(Hardware Design System)和軟硬件協(xié)同仿真接口Co-Sim把系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)的結(jié)果轉(zhuǎn)換為硬件描述語(yǔ)言VHDL或Verilog，再用FPGA或ASIC實(shí)現(xiàn)。

　　1 理想系統(tǒng)仿真

　　數(shù)字電視傳輸系統(tǒng)涉及調(diào)制、編碼、發(fā)送和接收、解碼、解調(diào)諸多子系統(tǒng)，但信道的建模對(duì)系統(tǒng)性能具有重要意義。DMB-T中采用的核心技術(shù)是OFDM正交頻分復(fù)用，在信道估計(jì)和同步算法上比歐洲的DVB-T有很大改進(jìn)。在設(shè)計(jì)方法學(xué)上，可先考慮建立信道噪聲和干擾不存在的理想傳輸信道，著重調(diào)制、解調(diào)、編碼與解碼系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，先建立一個(gè)理想的系統(tǒng)模型。

　　對(duì)調(diào)制方式、糾錯(cuò)外碼、時(shí)域和頻域的交織編碼、糾錯(cuò)內(nèi)碼的描述如圖2所示。

　　在調(diào)制和編碼過(guò)程中提供了若干種可選的模式，如外碼選用高數(shù)據(jù)率的RS208200或高保護(hù)率的RS208188等。這主要是為了對(duì)不同的數(shù)據(jù)提供不同的優(yōu)先級(jí)和保護(hù)級(jí)別，達(dá)到分層傳輸?shù)哪康摹?/p>

　　理想系統(tǒng)仿真主要是為了驗(yàn)證系統(tǒng)信號(hào)傳輸流程的正確性。本設(shè)計(jì)是一個(gè)數(shù)字電視的設(shè)計(jì)，所以最直觀的方法就是對(duì)傳輸系統(tǒng)輸入一個(gè)MPEG2的碼流，在系統(tǒng)輸出端觀察接收到的碼流并用MPEG2播放器播放，這樣可以看到理想系統(tǒng)中整個(gè)數(shù)據(jù)通道的設(shè)計(jì)是完全正確的。用SPW可以方便地調(diào)整參數(shù)及替換相關(guān)的模塊，以便系統(tǒng)的總體性能最佳。相應(yīng)的接收過(guò)程是解碼、解交織、解調(diào)制的過(guò)程，選用何種模式及選用什么參數(shù)只需在設(shè)計(jì)中簡(jiǎn)單地修改即可，不斷調(diào)整參數(shù)和模塊可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)總體性能的最優(yōu)化。

　　可以看出，DMB-T具有很強(qiáng)的前向糾錯(cuò)能力。從理論上來(lái)說(shuō)，采用OFDM調(diào)制在接收機(jī)中的FFT可以平滑掉短持續(xù)時(shí)間的各種脈沖，所以應(yīng)該對(duì)時(shí)間域的脈沖干擾更為健壯；而高保護(hù)率的RS 208 188 碼和 104 2 、 52 4 模式的交織編碼也使DMB-T具有很強(qiáng)的抗脈沖干擾能力。

　　DMB-T采用OFDM正交多載波調(diào)制，使用大量子載波來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，單頻干擾會(huì)損害少量子載波，而丟失的數(shù)據(jù)很容易就可以通過(guò)糾錯(cuò)編碼來(lái)糾正。所以DMB-T也具有很強(qiáng)的抗單頻干擾能力。

　　用通用的比較標(biāo)準(zhǔn)來(lái)看，在AWGN信道下DMB-T對(duì)SDTV的載噪比容限 Eb/No 為7.8Db 而對(duì)HDTV的載噪比容限為10.8dB。這里利用了分層傳輸?shù)乃枷?，有兩個(gè)不同的結(jié)果，但即使是對(duì)于HDTV來(lái)說(shuō)DMB-T也具有較為突出的抗噪性能。

　　2 高斯白噪聲AWGN和多徑性能研究

　　在建立理想系統(tǒng)以后需要添加多徑信道模型和相應(yīng)的信道估計(jì)及處理模塊，因多徑建模和信道估計(jì)算法相對(duì)較為復(fù)雜，故仿真較耗時(shí)。除了參數(shù)仿真，還做了MPEG2碼流的仿真。用SPW得到的仿真界面如圖3所示。

　　可用鼠標(biāo)調(diào)節(jié)圖中的按鈕和滾動(dòng)條，從而達(dá)到交互式調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)的目的。圖右上角對(duì)應(yīng)美國(guó)和歐洲定義的無(wú)線信道多徑模型，設(shè)計(jì)中點(diǎn)擊相應(yīng)按鈕加入對(duì)應(yīng)的多徑模型，就可以得到相應(yīng)的仿真結(jié)果。對(duì)于指定的多徑模型，可調(diào)整信噪比觀察不同的仿真結(jié)果。用戶仿真時(shí)可選圖3右上角的"adjustable multipath"按鈕任意設(shè)定多徑模型并設(shè)定圖3右半部分的多徑參數(shù)和完成相應(yīng)仿真。圖3對(duì)應(yīng)美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)mpath_b信道模型，而左下部分是本系統(tǒng)根據(jù)接收信號(hào)作出的信道估計(jì)結(jié)果?？梢钥闯鲞@兩者是非常匹配的。