基于OFDM的数字电视地面广播解调芯片研究与设计

论文摘要

数字电视的热潮正在席卷全球，成为电视传播领域自从从黑白电视到彩色电视变革后的第二次彻底的变革，将会对未来人们的生活和工作产生深远的影响。美国从2006年起开始强制实施数字电视一体机的标准；中国将在2008年开通针对北京奥运的高清格式现场数字电视直播，并预期在2015年彻底关闭全国模拟电视广播而实现数字电视广播的全面覆盖。目前，作为数字电视地面广播系统的核心技术的解调芯片已经成为众多机构的研发重点。 本文在对当前数字电视发展现状进行深入调研及分析后，关注到目前中国在数字电视地面广潘方面存在多种方案并存的现状，其中包括使用多载波调制的欧洲DVB-T标准和中国TDS-OFDM标准以及使用单载波调制的中国ADTB-T标准。作者在针对多载波调制技术——正交频分复用技术（OFDM）进行系统的理论分析和研究之后，切实的结合DVB-T标准和TDS-OFDM标准的调制方式，根据这两种模式的不同特点，提出了适用于基于频域导频（DVB-T）和基于时域训练序列（TDS-OFDM）的数字电视地面广播系统的解调算法。针对目前多载波调制方案中两种标准并存的现实，本文创新性的提出了一种通过有效的共享硬件资源实现高性能、高性价比的双模（TDS-OFDM & DVB-T）解调器芯片的设计方案。 在研究解调器同步技术的过程中，本文提出了几种新颖的算法和结构以提高解调器的各项性能：（1）针对DVB-T具有多种传输模式的特点，提出利用指数加权平均（EWA）算法在保证载波同步和符号同步性能的前提下提供自动识别当前传输模式的功能，增强了系统的自适应能力和鲁棒性，同时还大幅减少了符号同步的硬件开销；（2）针对传统符号同步中最大似然算法容易造成前回波并引入严重的符号间干扰（ISI）与载波间干扰（ICI）的缺陷，本文提出一种新型的针对重构信道冲击响应的能量中心分析法（ECC）来自适应的判断并消除前回波的影响，大幅的增强了系统同步的性能；（3）针对传统TDS-OFDM系统中剩余同步偏差跟踪算法中存在高复杂度、大功耗的PN序列相关运算的弱点，本文提出一种利用频域的传输参数信息（TPS）进行采样偏差同步的方法，大幅简化电路结构的同时也因避免过多相关运算而大幅节省了芯片功耗，同时还保持了与DVB-T解调算法的兼容性，提高了芯片复用能力。 在解调器信道估计和均衡模块的设计过程中，本文充分考虑了两种标准的信道估计方法的不同，结合各自特点，给出了相应的算法和芯片实现结构，并给出了性能的比较。同时，还从理论上分析了相位噪声对于信道估计与均衡模块的影响，并提出了利用频域参考信息消除公共相位噪声的方法。 然后，文章从双模解调芯片的模块复用的角度，提出并设计了一个多模DFT的硬件模块。这种DFT处理器可以随意的被切换为3780／2K／4K／8K点的DFT运算单元。由于经过合理的算法优化和硬件构架设计，该模块实现了存储器的高度共享，因此该多模DFT与单一模式的DFT相比在增加功能的同时只增加了很少量的硬件资源。 最后，本文在综合前面论述的不同算法和模块电路结构的基础上，完整地提出了双模芯片的解调算法以及芯片的体系构架。详细地指明了解调过程的数据和控制通路，并且阐述了在两种标准下工作的复用方法和具体复用模块信息。随后，作者给出了一种适用于数字电视解调芯片验证和测试的通用验证平台，并对所设计芯片的内接收机部分进行了测试。测试结果表明本文所提出的各种算法和VLSI电路结构均达到预期的设计要求，有良好的实际应用价值。

论文目录

• 目录
• 主要英文缩略词表
• 摘要
• Abstract
• 第一章 引言
• 1.1 论文研究背景
• 1.1.1 无线通信技术发展简介
• 1.1.2 OFDM技术的发展过程和趋势
• 1.1.3 OFDM技术的特点
• 1.1.4 数字电视发展过程及现状
• 1.1.5 数字电视的主要传输方式
• 1.2 论文的选题和动机
• 1.3 论文的主要工作和贡献
• 1.4 论文的组织结构
• 参考文献
• 第二章 基于OFDM的数字电视地面广播
• 2.1 OFDM技术基本原理
• 2.2 OFDM调制解调器构架
• 2.2.1 OFDM调制器构架
• 2.2.2 OFDM解调器构架
• 2.3 数字电视地面广播原理概述
• 2.3.1 几种数字电视地面广播标准比较
• 2.3.1.1 美国ATSC8-VSB系统
• 2.3.1.2 欧洲DVB-T COFDM系统
• 2.3.1.3 日本ISDB-T OFDM系统
• 2.3.1.4 中国数字电视地面广播标准（草案）
• 2.3.2 欧洲数字电视地面广播标准DVB-T
• 2.3.2.1 DVB-T调制器基本构架
• 2.3.2.2 DVB-T解调器基本构架
• 2.3.3 中国数字电视地面广播标准多载波方案TDS-OFDM
• 2.3.3.1 TDS-OFDM调制器基本构架
• 2.3.3.2 TDS-OFDM解调器基本构架
• 2.4 数字电视地面广播传输信道模型
• 2.4.1 大尺度衰落
• 2.4.2 小尺度衰落
• 2.5 双模解调芯片设计指标
• 2.6 小结
• 参考文献
• 第三章 解调器同步算法及VLSI设计
• 3.1 同步类型及其对解调性能的影响
• 3.1.1 载波同步
• 3.1.2 符号同步
• 3.1.2.1 基于循环前缀的符号同步
• 3.1.2.2 基于时域训练序列的符号同步
• 3.1.3 采样同步
• 3.2 欧洲标准DVB-T的同步算法
• 3.2.1 新型快速模式识别与同步联合算法
• 3.2.1.1 传统的最大似然联合估计算法的缺陷
• 3.2.1.2 无参数辅助的改进型最大似然算法
• 3.2.2 新型前回波自适应消除同步算法
• 3.2.2.1 传统符号同步算法造成的同步延迟
• 3.2.2.2 基于重构冲击响应分析的前回波消除算法
• 3.2.3 整数倍载波频偏估计
• 3.2.4 载波频率偏差与采样频率偏差跟踪
• 3.2.5 DVB-T同步算法性能
• 3.2.6 DVB-T同步算法的VLSI实现
• 3.2.6.1 Pre-FFT同步算法VLSI实现
• 3.2.6.2 Post-FFT同步算法VLSI实现
• 3.3 TDS-OFDM系统同步算法
• 3.3.1 TDS-OFDM载波频偏捕获算法
• 3.3.1.1 D-Spaced载波频偏捕获
• 3.3.1.2 最大似然算法载波频偏捕获
• 3.3.2 TDS-OFDM符号同步算法
• 3.3.3 新型TDS-OFDM载波频偏频域跟踪算法
• 3.3.3.1 传统TDS-OFDM载波频偏时域跟踪算法
• 3.3.3.2 TDS-OFDM载波频偏频域跟踪算法
• 3.3.3.3 载波频偏跟踪算法的性能比较
• 3.3.4 新型TDS-OFDM采样频偏频域跟踪算法
• 3.3.4.1 基于时域相关运算的相位误差提取算法
• 3.3.4.2 基于频域TPS信息的相位误差提取算法
• 3.3.4.3 采样偏差跟踪算法性能比较
• 3.4 TDS-OFDM系统同步模块VLSI设计
• 3.4.1 无数据辅助D-Spaced估计器的VLSI设计
• 3.4.2 载波细同步模块的VLSI设计
• 3.4.3 采样频偏跟踪模块的VLSI设计
• 3.5 双模解调芯片同步模块VLSI实现
• 3.6 小结
• 参考文献
• 第四章 信道估计与均衡算法及电路设计
• 4.1 DVB-T信道估计与均衡算法
• 4.1.1 导频图案选择原则
• 4.1.2 基于导频信息的均衡算法基本原理
• 4.1.3 基于导频内插技术的信道估计
• 4.1.3.1 一维线性内插
• 4.1.3.2 二维线性内插
• 4.1.3.3 高斯内插滤波
• 4.1.3.4 二维维纳滤波
• 4.1.3.5 级联的一维维纳滤波
• 4.1.3.6 本设计采用的内插滤波技术
• 4.1.4 DVB-T信道估计算法性能比较
• 4.1.5 DVB-T均衡算法
• 4.2 相位噪声的补偿
• 4.2.1 相位噪声的建模
• 4.2.2 相位噪声的影响
• 4.2.3 模拟前端优化以抑制相位噪声
• 4.2.4 基带处理以补偿公共相位偏差
• 4.2.5 公共相位偏差补偿算法性能
• 4.3 DVB-T信道估计与均衡模块VLSI设计
• 4.4 TDS-OFDM信道估计与均衡算法
• 4.4.1 基于训练符号相关的时域信道估计
• 4.4.2 基于补偿的数据均衡算法
• 4.5 TDS-OFDM信道估计与均衡的VLSI实现
• 4.6 小结
• 参考文献
• 第五章 多模DFT模块VLSI设计
• 5.1 多模DFT运算算法设计
• 5.1.1 复合数的DFT/IDFT算法
• m的蝶形运算'>5.1.2 2^m的蝶形运算
• m的素数运算'>5.1.3 非2^m的素数运算
• 5.2 多模DFT/IDFT处理器VLSI设计
• 5.2.1 MRSDF多模DFT处理器结构
• 5.2.2 多模DFT/IDFT实现结果
• 5.3 小结
• 参考文献
• 第六章 解调芯片整体构架设计与验证
• 6.1 双模解调芯片的整体构架
• 6.2 双模解调芯片的处理流程
• 6.3 双模解调芯片性能
• 6.4 参数化芯片设计方法
• 6.5 VLSI芯片设计流程
• 6.6 数字解调器的FPGA验证平台
• 6.7 解调器内接收机测试结果
• 6.8 小结
• 参考文献
• 第七章 总结与展望
• 7.1 总结
• 7.2 研究工作展望
• 附录A 多径信道参数
• 致谢