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1、-基于数字多载波技术的数字电视网关研究背景基于数字多载波技术的数字电视网关是连接计算机网络和数字广播电视网的多媒体视频网关。计算机互联网、广播电视网和电信网是三大通信网络， “三网融合” 是近几年来通信行业的研究热点。目前计算机互联网和电信网的融合已非常成熟，三网融合的研究重点主要集中在计算机网络和广播电视网的互连与内容共享，本文研究的数字电视网关可连接 IP网络和基于 DVB-C 的数字电视网络，将互联网上丰富的多媒体资源通过有线数字网络传送到千家万户的电视机上。目前市场上思科的 SDQA24 和 Harmonic 的 NSG9000 都是与数字电视网关功能类似的产品，而国内企业对相关产品的
2、研制才刚刚起步，技术基础薄弱，尤其是无法掌握关键的数字多载波调制技术，由于核心技术与芯片设计受制于人，因此此类产品的价格居高不下，市场基本为国外厂家所垄断。基于数字多载波技术的数字电视网关的研制立足于自主设计核心的系统级芯片，攻克数字多载波调制技术，该项目的研究可以打破国外垄断，填补国内目前的技术空白。1. 研究方法1) 系统参数确定 测试主流 DVB-C 机顶盒对网络传输抖动的缓冲能力，然后计算 TS 流抖动容忍上限，并根据该参数推导 PCR 校正方法以及 DTS、PTS 修改方法，并通过仿真确保算法的有效性。 MC-QAM 调制算法，通过仿真全面比较正交混频和内插带通滤波两种方法在信号性能
3、、电路规模、关键器件、功耗等多方面的优劣，并根据 Cable 发射机的功能以及性能指标要求选择合适的调制算法。 最佳子载波相位搜索，对 MC-QAM 每一个载波可能的相位取值进行组合，并对所有的组合通过计算机进行遍历性仿真，在所有仿真结果选取最优的子载波相位组合供电路设计使用。 推导各种非线性压扩算法的时频域传递函数，根据频域特性设计预失真均衡滤波器，滤波器设计方法包括线性规划方法和等波纹频率逼近方法，再通过 Matlab 仿真评价所有方法设计的各种滤波器的性能优劣，并结合这些滤波器的电路规模以-及资源消耗、非线性压扩电路的功率增益以及最优滤波器性能，选择最适合的非线性压扩算法、预失真均衡滤波
4、器及其实现方法。 基带成形以及内插滤波器，采用线性规划方法，等波纹逼近法，最小最大误差法设计均方根升余弦滤波器，通过 Matlab 仿真各种滤波器的通带/阻带性能，然后推导各种 ISI 估算模型，并在模型的基础上通过 Matlab 计算各种滤波器的 ISI，在综合考虑电路规模、通带/阻带性能、ISI 等因素后选择最优的基带成型滤波器设计方法；仿真各种无乘法器滤波器作为内插滤波器的性能，选择符合通带/阻带频域特性的最佳滤波器设计方法。 高精度频率合成，根据相位噪声等指标的要求，通过外部时钟合成芯片数据手册中提供的计算模型，推导外部电路核心器件的参数和规格；根据载噪比、寄生输出抑制比等指标的要求分
5、析数字频率合成的方法，并通过 Matlab 仿真确定相位步进、相位精度等重要参数。 数字信号采样率的调整，根据基带成型滤波器和内插滤波器的设计结果，推算采样率调整滤波器的频域特性，据此采用等波纹逼近以及线性规划方法设计数字原型滤波器，通过仿真确认最优的滤波器设计方法；通过 Matlab 仿真搜寻最佳的连续内插函数用于抑制数字原型滤波器的数字镜像以保证两者级联后获得最优频域性能。2) 设计实现基于数字多载波技术的数字电视网关根据控制指令从业务承载接口获得基于 TS 流的视频节目流，然后所有 TS 流经过扰码、RS 编码、卷积交织、星座映射、成型滤波、内插滤波、MC-QAM 调制以及上变频、功率放
6、大和功率合成，最后发射到 Cable 网络，基于数字多载波技术的数字电视网关也按照上述信号处理流程分成 10 个部分：业务承载接口模块负责接收外部 TS 流；扰码、RS 编码、卷积交织、星座映射是 DVB-C 标准规定的物理层模块，分别实现信号频谱均衡扩散、信道编码、卷积交织扩散以及 QAM信号星座映射的功能；成型滤波模块按照 DVB-C 物理层规定的滚降因子实现内插滤波；内插滤波模块在成型滤波器后将采样率内插到指定频率上；MC-QAM 模块负责实现数字域的多载波调制以便降低产品成本、体积和功耗。- 确定业务承载接口的逻辑电路功能定义、接口定义、逻辑结构、外部寄存器接口、内部存储结构 确定扰码
7、、RS 编码、卷积交织、星座映射模块的逻辑电路功能定义、接口定义、逻辑结构、外部寄存器接口、内部存储结构 确定基带成形滤波器模块的逻辑电路功能定义、接口定义、滤波器实现结构、外部寄存器接口、滤波器系数存储结构 确定内插滤波器模块的逻辑电路功能定义、接口定义、滤波器分级实现结构、外部寄存器接口、滤波器系数存储结构 确定 MC-QAM 模块的逻辑电路功能定义、接口定义、逻辑结构、外部寄存器接口、子载波合成电路结构2. 研究内容基于数字多载波技术的数字电视网关通过千兆以太网接口从外部获取视频节目传输流，然后根据控制指令以及 DVB 标准将节目传输流转换成指定频点的信号送入 Cable 网络。涉及的研
8、究内容包括： 随机扰码，DVB-C 物理层的输入数据流是 MPEG2(Motion Picture Experts Group)标准规定的传输(Transport Stream,TS)流，TS 流中所有数据被分割成固定长度为 188 字节的数据包，其中包括一个值为 47H 的同步字节(Sync-Word Byte)和187 字节的数据。为了满足接收端时钟同步的需要，所有的 TS 流数据包需要进行随机扰码处理，其处理流程如下：每 8 个 TS 流的数据包拼成一组作为随机加扰的周期，8 个 TS 包的字节数据按照高位到低位的顺序转换成比特流，这 8 个 TS 包中第一个 TS 包的 Sync 字节
9、对应的 8 个比特全部翻转变成 B8H 用于接收端反扰码的同步，其余 7 个 TS 包的 Sync 字节保持 47H 不参与扰码用于包同步，而 1496 字节的数据共 11968 比特逐个与一个伪随机二进制序列(Pseudo Random Binary Sequence, PRBS)发生器的输出比特流作异或运算进行扰码。- RS 编码，RS 编码是非二进制循环编码，与二进制循环码不同的是 RS 编码的所有多项式系数都不是二进制符号，不能采用模 2 加，模 2 乘和模 2 除运算，RS 编码中的所有加法，乘法和模运算都是在伽罗华域(Galois Field，GF)中完成。DVB中采用的是(204
10、,188)RS 编码，这是(255,239)RS 编码的一种变形，区别在于编码的输入输出数据块各自减少了 51 个符号，这些变化都体现在信息符号数目的变化上，而监督符号的个数都是 16，能纠正的符号数目都是 8。 卷积交织，交织技术是一种时间/频率扩展技术，它把信道错误的相关度减小，在交织度足够大时，就把突发错误离散成随机错误，为正确译码创造了更好的条件。经常使用的两种交织器是块交织器(Block Interleaver) 和卷积交织器(Convolutional Interleaver)，DVB-C 中采用的是卷积交织器，与块交织不同，卷积交织器不需要将编码序列分组，是一种连续工作的交织器，
11、且比块交织更为有效。编码序列在切换开关的作用下依次进入 B 个支路，周而复始。每个支路的延迟缓存器数依次以 M 的倍数增加。输出端采用同步的切换开关从 B 个支路轮流取出符号。变量 B 称为交织宽度（支路） ，代表交织后相邻的符号在交织前的最小距离。变量 M B 表示交织深度（延迟缓存器） ，是交织前相邻的符号在交织后的最小距离。DVB-C 中规定交织器为 B=12 的卷积交织器。 基带成形滤波器的设计方法，为了提高频谱的利用率，除采用高效率的数字调制技术、正交极化技术之外，还广泛使用频谱成形技术，即对发送信号的频谱进行专门加工，使其在消除 ISI 和实现最佳检测的前提下，压缩信号频带，提高频
12、谱的利用率。频谱成形技术，可以在基带进行， 也可以在中频(Intermediate Frequency, IF) 和射频(RadioFrequency, RF)实现。由于中频和射频信号的频率较高，难以采用数字处理技术，技术实现的难度较大，且不易实现线性最佳化。因此，频谱成形常常在基带实现。理想的成形滤波器函数就是理想的矩形低通滤波器，也称作理想 Nyquist 滤波器，具有频带利用率高的优点，在无码间干扰的-条件下可以达到最优的频带利用率。但是有两个致命的弱点：第一是频域的陡峭截止特性难以实现；第二是在时域上 sinc 波形的前导和后尾起伏较大，衰减较慢，码间串扰严重，以致接收端定时的微小误差
13、都可能导致严重的码间干扰。若将理想低通滤波器的锐截止特性按一定规律滚降，同样可实现信号的无失真传输。这种滚降特性不仅易于实现，而且其时域响应波形的前导和收尾起伏小，衰减快，因而在接收端对系统定时的要求较理想低通滤波器低。然而它的这些优点是以牺牲频带的利用率换来的。在实际系统中，常采用的是以 Nyquist 频率为中心的升余弦滚降滤波器。DVB-C 中接收端（机顶盒）还有一个匹配滤波器，其频域响应和发送端的成形滤波器是复共扼的，以实现对信号的最佳接收。因此成形滤波器和匹配滤波器共同作用下的等效滤波器才被定义成升余弦滤波器，而成形滤波器和发送滤波器都被定义成均方根升余弦滤波器。传统的 FIR 滤波
14、器设计方法-窗函数法和频率取样法都无法有效保证均方根升余弦滤波器的 ISI 特性要求；引入线性规划技术来设计均方根升余弦滤波器，折衷考虑滤波器的带外衰减和可能产生的 ISI，可有效改善均方根升余弦滤波器的性能；等波纹逼近的滤波器设计方法具有最小最大阻带误差（即阻带最小衰减最大化）的特性，是改善寄生输出抑制比的最有效方法； FIR 滤波器实现结构，传统的直接型 FIR 滤波器结构由于需要多级叠加的加法器，目前在设计中已经较少采用。取而代之的是一种倒置型的 FIR 滤波器实现结构，对应于 N 阶 FIR 滤波器，该结构以（N1）个乘法器并联实现（N1）次的乘法运算，加法器采用级联结构减少加法器的扇
15、入以提高系统工作频率。目前 FPGA 中定制乘法器的最高工作频率都很高，远远大于目前绝大多数 FIR 滤波器需要处理的符号率，在一个符号周期内只让乘法器进行一次乘法运算是对硬件资源的巨大浪费。有鉴于此可以采用以时间换取空间的设计思想，让乘法器以时分复用的工作方式完成多次的乘法运算，以规模尽可能小的乘法器电路实现高性能的 FIR 滤波器； 数字内插和数字信号采样率的调整算法，数字域的多载波信号叠加需要面对数字信号采样率统一的问题，由于 DVB-C 中规定基带信号符号率是 1-7MBaud 连续可调，传统的整数倍内插/抽取的数字信号处理方法无法解决 MC-QAM 中频点间采样率统一的问题，需要研究
16、新的基于连续时域冲激响应的数字信号采样率调整算法，其约束可以分为频域（阻带衰减和通带纹波）和时域（无 ISI）两类，设计方法也可以分为时域逼近和频域逼近。时域逼近方法包括多项式逼近和多分段函数逼近，其中多项式逼近按照多项式的最高次数可以分成奇次多项式逼近和偶次多项式逼-近。频域逼近按照计算最小误差的原则可以分为最小均方误差(MMSE)和最小峰值误差两种逼近方法； MC-QAM 技术，MC-QAM 所说的多载波调制是在一个物理端口输出多个相邻频道的信号，和多个普通的 QAM 调制器输出信号叠加没有本质区别，接收端可以采用普通的机顶盒(Set-Top Box, STB)而无需关心局端是 MC-QAM 调制器或是普通的 QAM调制器。这和 DVB-T 中正交频分复用(Orthogonal Frequency Divided Multiplex, OFDM)的多载波调制是不同的：OFDM 中各个子载波的调制信号存在频谱交叠；而MC-QAM 调制器中各个子载波的调制信号在频谱上相互错开，
