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中国数字地面电视解调方案的设计探讨 |
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作者：微开半导体研发(上海)有限公司 |
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中国从1996年开始对国际上的数字电视地面广播技术进行跟踪研究。经过多年不懈的努力，中国在2006年8月颁布了《数字电视地面广播传输系统帧结构、信道编码和调制》标准(也常被称作DTMB，标准编号为GB 20600-2006)，并定于从2007年8月开始正式强制性实施。地面国标在传输技术上采用更先进的信道编码技术，结合了时域和频域的信道同步和均衡技术，并采用巧妙的帧体数据结构，在多项技术上取得了创新突破，是真正完整的自主知识产权创新体系。
2008年1月1日，香港特别行政区率先开始了基于中国数字地面电视传输标准的广播商业运营。2008年5月1日“央视高清”高清频道的正式开播，标志着地面国标技术进入正式实施阶段。在广电总局的指导下，包括北京、上海、深圳的“6+2”个奥运城市借鉴北京地面广播试验测试和实践的经验，开展“央视高清”转播服务和本地的高清电视节目广播。国内各电视机及机顶盒厂商在等待多年之后，终于开始相关产品的实质性产品化设计及批量生产。
DTMB标准回顾
根据标准文本可看出，DTMB标准是单载波系统和多载波系统相融合的产物。载波数、PN类型、星座点、NR编码和LDPC编码码率、交织深度等多个参数选项总共衍生出330种组合。然而，其中有些参数选项明显是为了某种载波调制方式而设的，将它们应用到另一种载波调试方式则意义不大。在这330种模式中，大约260种是我们认为有实用价值的。事实上，相关部门研究制定的《地面数字电视接收机通用规范》也只对其中的7种模式作了要求。减少模式有利于降低产业实现成本并快速将方案推向实际应用。
DRX398yZ的系统原理框图
每个DTMB的信号帧均由用于同步和信道估计的PN序列以及数据载荷部分组成。单载波模式下的数据载荷在时域进行调制，而多载波模式下的数据载荷在频域进行调制。对于标准的多载波部分，使用频域处理是传统的解决方案，这使得与频谱相关的各类信道失真(诸如模拟同频干扰、单频干扰等)可以很方便地得到侦测、抑制或补偿。对于标准的单载波部分，则最好使用时域的判决反馈均衡器，以便侦测时域相关的失真(诸如回波、相位抖动等)。均衡器的工作不仅基于PN序列，而且在数据载荷部分也能继续。虽然这类时域均衡器的实现成本可能较高，但它们的性能好，还是物有所值的。
PN420和PN945帧头由循环PN序列构成，并发送功率高于帧内数据载荷部分。这使得多载波解调器可以仅依赖PN序列所带来的信道信息对频域载荷进行纠正补偿。相同的帧也可以用于单载波中，但高功率的PN要求均衡器的精度要提高，从而增加了实现成本。此外，这些序列的循环特性会在均衡器抽头上形成回波的假象，并与真实信号中的回波混在一起，很难消除。因此，非循环且信号功率连续的PN595序列更适合于标准中的单载波部分。
PN420和PN945帧头又分为固定和旋转两种。在固定模式下，每帧的PN序列都是相同的；在旋转模式下，每帧PN序列的起始相位都不同。由于回波的影响，前一帧的数据载荷会延后叠加到当前帧PN序列的前半部分，后半部分可仍旧保持“干净”。传统的处理此类失真的办法是在时间上进行滤波以减少影响。但在旋转模式下，PN序列的各部分均可以通过“干净”的窗口，这使得更多更好的信道算法可以得到运用。高级的解调芯片可以基于旋转模式提供更好的接收性能。
还有一类参数组合不太实用，即多载波的QPSK-NR模式。NR编码的码率是0.5，且只能结合码率为0.8的LDPC码使用，这使得总的编码码率为0.4。该组合的效率并没有码率为0.4的LDPC码高，因此在多载波模式下，应优先使用LDPC 0.4模式。在单载波模式下，NR解码器的短延迟使其能成为时域均衡器的一部分，有助于提高判决反馈均衡器的性能。
DTMB解调芯片的设计挑战
芯片设计的主要挑战总是如何提供一款性能优越且成本相对较低的产品。对于DTMB这样较复杂的标准来说，做到这一点并不容易，需要仔细斟酌哪些特性是有用的，并能解决实际碰到的问题。当将DTMB与DVB-T、ATSC和ISDB-T进行比较时，DTMB在接收机成本方面处在劣势。因此，设计重点不仅在于如何降低解调芯片的成本，同时也在于如何降低接收机的整体成本。
降低接收机的整体成本无非有以下几种方式：将外部电路集成到芯片内；降低对外部电路的性能要求或者摈弃外部电路；仔细考虑合适的芯片封装形式；缩小PCB面积。此外，如果现有的其他制式的解调产品可以快速切换到DTMB制式，也能有效地降低设计成本和缩短产品上市时间。
任何解调产品的设计都是从仔细选择针对中频信号的高性能数模转换器(ADC)开始的。如果ADC的性能不好，后续的数字逻辑设计无法弥补性能损失。为保证系统的低成本，通常采用廉价的低频晶振。高级的解调芯片甚至可以复用高频头内部的基准时钟，以进一步降低系统成本。对于这类解决方案，芯片内需具备低噪声的锁相环以便产生内部工作时钟。
为减少使用昂贵的声表滤波器，采样频率应足够高。强大的滤波技术可以抑制不需要的邻频信号。同时，高速的芯片内部工作时钟也能有效地降低芯片面积。缩小芯片面积的关键设计准则是：让尽量少的逻辑尽量繁忙。
解调芯片不仅仅要面对恶劣的信道，同时也要应付实际应用中巨大的温度、电压和环境波动。采样速率、中频频率和信号功率都需要实时跟踪，才能保障不间断的正常接收。因此，在实际解调信号通路以外附加跟踪信号电路也对提升性能有很大帮助。
DTMB信号的帧同步很重要。对单多载波来说，可以通过PN序列的时域提取同步信息。回波的信息也可以通过基于PN序列的时域均衡器或者频率信道估计模块得到。
DTMB标准的性能提升有很大一部分要归功于信道编码部分，很深的交织器和很强的LDPC编码组合应用于修复受损的数据。当然，提高性能是需要付出代价的。时域解交织需要能存储超过一百万个符号的内存，现有解调芯片通常需要配合SDRAM来完成该功能。无论内置还是外置SDRAM都直接增加了成本，但内置SDRAM可显著降低封装和PCB的成本。外置SDRAM的功耗也不能忽视。幸运的是，交织算法要求SDRAM的时钟频率在40MHz左右，这有效地限制了整体功耗，降低了接口电路的设计难度。
LDPC编码以强大的纠错能力著称。它的解码算法是迭代的，第一次迭代的效果比后续迭代显著很多。由于LDPC解码的功耗很大，数据修复一旦完成应立即终止迭代，或者应该设置最大迭代次数，以避免在修复概率很低的数据上白白耗费功率。
DRX398yZ解决方案
DRX398yZ是Micronas公司即将推出的一款针对中国地面数字电视传输标准GB20600-2006的解调芯片。DRX3986Z同时支持国标单多载波的解调，主要针对IDTV以及将在国内各地使用的接收机产品设计(如USB电视棒)。DRX-Z系列芯片的集成度很高，内置了10b高速ADC、锁相环和解交织用SDRAM，只需搭配简单的无源晶体便可工作，可大大简化解调芯片的周边电路，让工程师轻松完成设计。
DRX398yZ接收中频或者低中频差分信号输入，支持常用的中频频率(如36MHz、36.125MHz及36.166MHz等)。芯片配备中频及射频两路自动增益控制信号(IF/RF AGC)，输出形式均为脉宽调制波形，需使用分立元器件搭建低通滤波器从而形成平稳的增益控制电压。这两个AGC输出管脚也可以配置成Open Drain状态，这样可以进一步扩大电压控制范围，配合更多种类的高频头。
该芯片的TS流输出波形也可配置，并行、串行输出模式皆可选，输出的TS数据的高低位也可翻转，以便最大限度地优化与各类解码芯片搭配的PCB设计。
DRX-Z系列芯片的驱动软件和Micronas其它解调产品线保持兼容。相对于传统解调芯片开放寄存器表的做法，Micronas公司的解调产品内置了总控微核，通过I2C接口接收各类控制指令，执行内部控制操作之后再将结果返回。因此，在驱动程序中，Micronas公司给客户开放了一组API接口进行控制。为便于客户的评估和集成调试，还提供参考设计电路板和基于Windows操作系统的评估软件。
Micronas公司相信这款全新的解调产品系列将帮助中国客户轻松完成数字电视产品的设计，从容应对快速增长的数字地面国标市场。(end)
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(8/9/2008) |
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