DTMB多通道調(diào)制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

賈旭光，佟　璐，陽(yáng)　輝，潘長(zhǎng)勇，

(1.清華大學(xué) 信息技術(shù)研究院，北京 100084； 2.數(shù)字電視國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室(北京)，北京 100191)

DTMB多通道調(diào)制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

賈旭光1，佟璐2，陽(yáng)輝1，潘長(zhǎng)勇1，2

(1.清華大學(xué) 信息技術(shù)研究院，北京 100084； 2.數(shù)字電視國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室(北京)，北京 100191)

摘要:在地面數(shù)字電視基站建設(shè)中，為了滿足覆蓋區(qū)域多套標(biāo)清和高清節(jié)目的傳播要求，常常需要配置多臺(tái)數(shù)字電視激勵(lì)器。為了簡(jiǎn)化基站設(shè)施建設(shè)，提高硬件復(fù)用，提出了一種多通道數(shù)字電視調(diào)制器解決方案，實(shí)現(xiàn)僅用一臺(tái)激勵(lì)器即可完成基站建設(shè)。以五通道DTMB調(diào)制器為例完成了在FPGA芯片上的實(shí)現(xiàn)。經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試滿足設(shè)計(jì)要求，具有較大的實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞:DTMB；調(diào)制器；多通道；FPGA

地面數(shù)字電視不同于有線數(shù)字電視和衛(wèi)星數(shù)字電視，是通過(guò)在地面建立發(fā)射基站進(jìn)行數(shù)字電視信號(hào)的廣播傳輸。一臺(tái)數(shù)字電視激勵(lì)器只能傳輸有限的標(biāo)清或高清節(jié)目，無(wú)法滿足人們對(duì)幾十套節(jié)目的收視需求。因此，在現(xiàn)有地面數(shù)字電視基站建設(shè)中，常常需要配置多臺(tái)數(shù)字電視激勵(lì)器，將各臺(tái)調(diào)制器分別調(diào)制到不同的VHF/UHF頻段上，在射頻進(jìn)行合并接天線發(fā)出，完成多套節(jié)目的無(wú)線廣播。

在城市郊區(qū)和農(nóng)村，頻譜資源較為豐富，數(shù)字電視廣播可用頻段較為集中，基于該現(xiàn)狀，本文提出了一種多通道數(shù)字電視調(diào)制器的設(shè)計(jì)方案。本設(shè)計(jì)支持多路DTMB信號(hào)調(diào)制，每一路均支持全部的DTMB調(diào)制模式。本文以五通道為例詳細(xì)介紹了多通道調(diào)制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。五通道調(diào)制器共包含5個(gè)DTMB基帶調(diào)制模塊和一個(gè)多通道合并模塊。DTMB基帶調(diào)制模塊完成對(duì)輸入TS碼流的DTMB調(diào)制和基帶信號(hào)輸出，多通道合并模塊完成對(duì)5個(gè)通道的DTMB基帶信號(hào)的上采樣、低中頻調(diào)制和合并輸出，合并輸出經(jīng)過(guò)正交調(diào)制上變頻到射頻頻段，最后接天線發(fā)出。

1DTMB標(biāo)準(zhǔn)介紹

DTMB是我國(guó)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的地面數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)，并于2011年被國(guó)際電信聯(lián)盟ITU納為地面數(shù)字電視國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。DTMB以時(shí)域正交頻分復(fù)用(Time Domain Synchronous-Orthogonal Frequency Division Multiplexing， TDS-OFDM)調(diào)制技術(shù)為核心，形成了一套完整的自有知識(shí)產(chǎn)權(quán)體系，在幀結(jié)構(gòu)、調(diào)制技術(shù)和接收機(jī)同步技術(shù)上具有鮮明的技術(shù)特點(diǎn)[1]。DTMB支持單載波和多載波調(diào)制，0.4、0.6和0.8編碼碼率，三種幀頭模式以及QPSK、16QAM和64QAM等多種調(diào)制模式，能夠傳輸5.414～32.486 Mbit/s速率的碼流。本設(shè)計(jì)需要對(duì)DTMB調(diào)制器的輸出做進(jìn)一步處理和合并。DTMB調(diào)制器的功能框圖如圖1所示。

圖1　DTMB調(diào)制器功能框圖

DTMB調(diào)制器完成從輸入TS流到地面數(shù)字電視廣播信道傳輸信號(hào)的轉(zhuǎn)換。具體流程如下：將接收到的TS碼流進(jìn)行隨機(jī)化處理，以保證傳輸數(shù)據(jù)的隨機(jī)性，接著對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行信道編碼，DTMB采用兩級(jí)編碼結(jié)構(gòu)(內(nèi)碼采用LDPC，外碼采用BCH)，經(jīng)過(guò)編碼的數(shù)據(jù)通過(guò)星座映射為符號(hào)，對(duì)符號(hào)進(jìn)行時(shí)域卷積交織，交織后的符號(hào)與系統(tǒng)信息TPS結(jié)合經(jīng)過(guò)頻域交織后組成幀體數(shù)據(jù)，幀體數(shù)據(jù)添加幀頭組成基本信號(hào)幀。最后經(jīng)過(guò)基帶后處理SRRC脈沖成型濾波和正交上變頻后變成帶寬為8 MHz的頻帶信號(hào)，通過(guò)天線發(fā)出。

2多通道合并單元設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

多通道合并單元完成對(duì)5路DTMB調(diào)制器輸出信號(hào)的合并，DTMB調(diào)制器的符號(hào)速率7.56 MSymol/s，經(jīng)過(guò)4倍上采樣和SRRC濾波后，基帶信號(hào)輸出時(shí)鐘為30.24 MHz。在該時(shí)鐘模式下，系統(tǒng)僅能將基帶信號(hào)調(diào)制到±8 MHz兩個(gè)頻點(diǎn)上。為了完成5路信號(hào)的合并，至少需要5個(gè)頻點(diǎn)才能完成信號(hào)搬移，從而需要對(duì)輸入基帶信號(hào)進(jìn)行上采樣。本設(shè)計(jì)對(duì)DTMB基帶信號(hào)再次進(jìn)行4倍上采樣，最終合并后的信號(hào)采樣時(shí)鐘為120.96 MHz。該時(shí)鐘模式下，可支持將5路信號(hào)根據(jù)實(shí)際頻譜占用情況調(diào)制到15個(gè)頻點(diǎn)中的任意5個(gè)上。同時(shí)，考慮到后級(jí)功放在寬頻譜范圍內(nèi)無(wú)法保持增益一致，添加功率調(diào)整模塊進(jìn)行預(yù)校正。功率調(diào)整模塊可與上采樣模塊交換，上采樣后工作時(shí)鐘增加4倍，功率模塊在高時(shí)鐘模式下面向FPGA實(shí)現(xiàn)時(shí)有較大的時(shí)序壓力，因此對(duì)輸入信號(hào)先進(jìn)行功率調(diào)整。多通道合并單元主要包含4個(gè)模塊，分別為功率調(diào)整、上采樣、低中頻調(diào)制和合并限幅。多通道合并單元架構(gòu)圖詳見(jiàn)圖2。

圖2　多通道合并單元架構(gòu)圖

2.1功率調(diào)整

一個(gè)二進(jìn)制數(shù)中非零元素的個(gè)數(shù)記為該數(shù)的權(quán)重。一個(gè)數(shù)的CSD編碼是唯一的，CSD碼中任意兩個(gè)非零位不相鄰，且含有的非零位是所有數(shù)制表示法中最少的，即權(quán)重最小。系數(shù)經(jīng)CSD編碼后，權(quán)重最小，能最大幅度地減小運(yùn)算過(guò)程中加法器的數(shù)量。

如表1所示，每路經(jīng)過(guò)CSD編碼的常系數(shù)乘法器和二進(jìn)制編碼相比，共節(jié)省加法器3個(gè)，移位器9個(gè)，五通道調(diào)制器共需要10個(gè)功率衰減模塊(每個(gè)通道IQ各需要一個(gè))，因此，總共節(jié)省30個(gè)加法器和90個(gè)移位器。隨著通道數(shù)的增長(zhǎng)和功率衰減步進(jìn)的減小，采用CSD編碼的設(shè)計(jì)對(duì)加法器和移位器的節(jié)省優(yōu)勢(shì)將越來(lái)越明顯。

表1加法器和移位器資源節(jié)省對(duì)比

功率衰減/dB常系數(shù)二進(jìn)制權(quán)重CSD權(quán)重加法器減少移位器減少3.00.707955002.50.749973142.00.794355001.50.841464121.00.891243010.50.94415312

2.2上采樣

本設(shè)計(jì)對(duì)基帶信號(hào)進(jìn)一步進(jìn)行4倍上采樣，系統(tǒng)工作時(shí)鐘為120.96 MHz。4倍上采樣通過(guò)每?jī)蓚€(gè)采樣點(diǎn)插入3個(gè)零實(shí)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)內(nèi)插后，需要級(jí)聯(lián)低通濾波器抑制鏡像頻譜，常用的濾波器有CIC濾波器、半帶濾波器和奈奎斯特濾波器。CIC濾波器具有不需要乘法器，占用資源少的特點(diǎn)，然而，CIC濾波器阻帶衰減差，通帶平坦度差，在實(shí)際應(yīng)用中，常常需要級(jí)聯(lián)多個(gè)濾波器和添加補(bǔ)償濾波器使用，從而增加了實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度。半帶濾波器通帶和阻帶對(duì)稱，常與CIC濾波器級(jí)聯(lián)使用。奈奎斯特濾波器具有歸一化的直流增益和平坦的通帶特性[3]。奈奎斯特濾波器使用較低的濾波器階數(shù)就可以得到較大的阻帶衰減。固定系數(shù)奈奎斯特濾波器的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)也比較簡(jiǎn)單，因此常常被用在抽取和內(nèi)插器中。

奈奎斯特濾波器的頻率傳遞函數(shù)為

(1)

式中：β為滾降因子，取值范圍在[0，1]，1/T為采樣率。奈奎斯特濾波器的單位沖激響應(yīng)為

(2)

奈奎斯特濾波器有5個(gè)主要參數(shù)：波段數(shù)L，滾降因子β，過(guò)渡帶帶寬TW，阻帶衰減AST和濾波器階數(shù)N，且3 dB截止頻率為π/L。本文設(shè)計(jì)的奈奎斯特濾波器參數(shù)為：波段數(shù)L=6，滾降因子β=0.25，階數(shù)N=74。從圖3中可以看出阻帶衰減高達(dá)55 dB，滿足項(xiàng)目要求。

圖3　奈奎斯特濾波器頻率響應(yīng)

2.3低中頻調(diào)制

DTMB基帶信號(hào)經(jīng)過(guò)4倍上采樣后，采樣時(shí)鐘提升為120.96 MHz，因此可以將基帶信號(hào)分別調(diào)制到±8 MHz、±16 MHz、±24 MHz、±32 MHz、±40 MHz、±48 MHz和±56 MHz頻點(diǎn)上，加上零中頻共有15個(gè)頻點(diǎn)可供選擇。在實(shí)際應(yīng)用中經(jīng)常存在連續(xù)頻段被占用的問(wèn)題，因此，本模塊還要根據(jù)實(shí)際頻譜占用情況將5路信號(hào)靈活調(diào)制到15個(gè)頻點(diǎn)中的任意5個(gè)上。本文采用直接數(shù)字式頻率合成器(Direct Digital Synthesizer，DDS)產(chǎn)生調(diào)制到如上15個(gè)頻點(diǎn)所需的正交頻率信號(hào)。每一路基帶信號(hào)對(duì)應(yīng)一個(gè)DDS模塊，通過(guò)對(duì)DDS模塊頻率控制字的配置，實(shí)現(xiàn)對(duì)該路基帶信號(hào)15個(gè)頻點(diǎn)的任意調(diào)制。DDS結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

圖4　DDS結(jié)構(gòu)框圖

頻率控制字控制累加器的步進(jìn)，由于本設(shè)計(jì)對(duì)初始相位沒(méi)有要求，所以舍棄了相位控制字。累加器位寬為32位，位寬越高，輸出頻率精度越高。截取累加器高12位送入地址計(jì)算單元。為了節(jié)省片上ROM資源，ROM查找表只存儲(chǔ)四分之一的正弦波形，地址計(jì)算單元根據(jù)高2位地址信號(hào)決定尋址地址。符號(hào)調(diào)整單元同樣根據(jù)高2位地址信號(hào)對(duì)ROM查找表的輸出進(jìn)行正負(fù)和翻轉(zhuǎn)調(diào)整，地址計(jì)算單元和符號(hào)調(diào)整聯(lián)合實(shí)現(xiàn)僅存儲(chǔ)四分之一周期波形就能夠輸出完整的正余弦信號(hào)。

假設(shè)DTMB調(diào)制器的基帶信號(hào)輸出為Ibb+jQbb，中頻信號(hào)為cosw+jsinw，則低中頻調(diào)制信號(hào)輸出為[4]

Iif+jQif=Ibb×cosw-Qbb×sinw+

j(Qbb×cosw+Ibb×sinw)

(3)

式中：w為低中頻頻率。

每一路基帶信號(hào)低中頻調(diào)制實(shí)現(xiàn)框圖如圖5所示。

圖5　低中頻調(diào)制實(shí)現(xiàn)框圖

2.4合并限幅

本設(shè)計(jì)中的功率調(diào)整和上采樣中的奈奎斯特濾波器單元均采用了大量了組合邏輯和觸發(fā)器資源。加法器的輸入為5路位寬為16的數(shù)據(jù)，采用合理的加法樹(shù)結(jié)構(gòu)和流水單元能有有效減少組合邏輯路徑，減小FPGA時(shí)序約束壓力。本設(shè)計(jì)采用三叉樹(shù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化加法器。最終對(duì)加法器的輸出進(jìn)行限幅處理，輸出到DA經(jīng)過(guò)正交調(diào)制和功率放大到射頻輸出。三叉樹(shù)加法器結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6　三叉樹(shù)加法器結(jié)構(gòu)

3DTMB多通道調(diào)制器測(cè)試結(jié)果及分析

本文將第一路和第二路DTMB基帶信號(hào)分別調(diào)制到-40 MHz和-32 MHz頻點(diǎn)，對(duì)第三路不做調(diào)制，對(duì)第四路和第五路分別調(diào)制到+32 MHz和+40 MHz頻點(diǎn)，然后將多通道調(diào)制器的輸出正交調(diào)制到730 MHz的載頻上，用頻譜儀觀測(cè)得到頻譜圖如圖7所示。

圖7　多通道調(diào)制器頻譜圖(截圖)

通過(guò)對(duì)每路DTMB信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，MER正常，解調(diào)正常，接收?qǐng)D像無(wú)馬賽克。該設(shè)計(jì)測(cè)試通過(guò)。圖8為五路解調(diào)端星座圖(調(diào)制方式分別為16QAM，QPSK和64QAM)。

從頻譜圖和解調(diào)端星座圖可以看出，本文設(shè)計(jì)的五通道DTMB調(diào)制器很好地滿足了設(shè)計(jì)要求。與采用5臺(tái)獨(dú)立調(diào)制器在射頻頻段進(jìn)行合并的傳統(tǒng)方案相比，本設(shè)計(jì)在數(shù)字域完成對(duì)多路調(diào)制器信號(hào)輸出的合并，使用DDS模塊產(chǎn)生所需低中頻時(shí)鐘，能夠精確地控制搬移頻點(diǎn)的時(shí)鐘精度，有效減少相鄰頻段間的干擾。同時(shí)，整機(jī)只采用了1個(gè)DA芯片和正交調(diào)制芯片，所需硬件資源和整機(jī)功耗也大大減少，有效地提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

4小結(jié)

本文以五通道調(diào)制器為例，詳細(xì)介紹了多通道調(diào)制器的設(shè)計(jì)方案，通過(guò)對(duì)基帶信號(hào)進(jìn)行功率調(diào)整，上采樣和低中頻調(diào)制等一系列后處理，將多路基帶信號(hào)成功合并為一路信號(hào)輸出，極大地減少了DA和正交調(diào)制等芯片的使用，僅用1臺(tái)多通道調(diào)制器即可完成農(nóng)村

圖8　五路解調(diào)端星座圖(截圖)

以及城市郊區(qū)地面數(shù)字電視基站的覆蓋要求。經(jīng)測(cè)試，本文設(shè)計(jì)的五通道調(diào)制器與5臺(tái)獨(dú)立調(diào)制器相比，在成本和功耗大大降低的同時(shí)，性能幾乎無(wú)差異，具有很大的實(shí)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

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責(zé)任編輯：閆雯雯

Implementation and design of DTMB multi-channel modulator

JIA Xuguang1， TONG Lu2， YANG Hui1， PAN Changyong1，2

(1.ResearchInstituteofInformationTechnology，TsinghuaUniversity，Beijing100084，China；2.NationalEngineeringLab.forDTV(Beijing)，Beijing100191，China)

Abstract:In the construction of digital terrestrial TV broadcasting station， more than a couple of digital TV modulators are needed to meet the demands of broadcasting multiple SD and HD programs of coverage area. To simplify the construction of station and multiplex the hardware， this paper provides a solution of multi-channel digital TV modulator. Only one exciter is needed to fulfill the construction of the station. A five channel digital TV modulator is implemented on the FPGA as an example. The solution meets the design requirements by testing and has great practical value.

Key words:DTMB； modulator； multi-channel； FPGA

中圖分類號(hào)：TN948

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.16280/j.videoe.2016.06.020

基金項(xiàng)目：質(zhì)檢公益性行業(yè)科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)資助項(xiàng)目；科技部科技伙伴計(jì)劃資助項(xiàng)目

收稿日期：2015-11-02

文獻(xiàn)引用格式：賈旭光，佟璐，陽(yáng)輝，等. DTMB多通道調(diào)制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電視技術(shù)，2016，40(6)：111-114.

JIA X G， TONG L， YANG H, et al. Implementation and design of DTMB multi-channel modulator [J].Video engineering，2016，40(6)：111-114.