DVB-T接收机（精选4篇）
DVB-T接收机 篇1
欧洲地面数字电视广播( DVB-T) 标准采用编码正交频分复用( Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing,COFDM) 技术,具备较高的频谱利用效率和强大的抗多径干扰能力[1]。依据该标准建立的地面数字电视系统正为全世界范围内的电视用户提供标清和高清电视节目传输服务。
目前用于DVB-T信号接收的设备多采用专用功能的硬件芯片实现,此种实现架构凭借运行效率高、性能稳定等优点得到了众多设备生产商的认可。但该实现架构存在如下缺点: 首先,开发过程中较高的硬件制作成本导致不能充分对比不同设计方案的优劣性; 其次,难以伴随数字电视传输标准的发展实现设备的快速更新。随着软件无线电概念的提出和发展,可通过模/数转换尽早实现信号数字化,并通过各种数字信号处理设备完成基带信号处理[2]。基于此方式可得到一种新的实现架构,即采用软件无线电架构实现DVB-T信号接收。采用软件无线电架构实现DVB-T接收机具有开发周期短和灵活度高的优点,可以快速实现对不同设计方案的验证和对比。意大利比萨大学研究小组利用通用软件无线电外设( Universa Software Radio Peripheral,USRP) 实现DVB -T发射机,证明了采用软件无线电架构的可行性[3]。但是,考虑到接收端算法较发送端更为复杂,利用软件无线电架构实现有一定的困难,因此,本文依据欧洲地面数字电视广播标准,基于由USRP和通用计算机组成的软件无线电平台,实现DVB-T接收机。
1 软件无线电与USRP
软件无线电是指以通用、标准、模块化的硬件平台为依托,通过软硬件编程实现无线电处理的各种功能[4]。相比功能单一的硬件电路,软件无线电的一个显著特性是在软硬件方面都具备可重构性,即在不改变软硬件结构的情况下,可采用不同的参数配置和算法设计实现不同的无线电功能。
本文采用的软件无线电平台由USRP和通用计算机组成。USRP是一套基于数字中频架构的可配置软件无线电射频前端,由母板和覆盖不同频段的射频子板组成,结构如图1 所示。在接收路径中,射频子板的功能是对天线接收的信号进行正交下变频,产生I、Q两路中频模拟信号。母板主要由12 位模/数转换器( ADC) 芯片、FPGA芯片和USB控制器芯片构成。ADC芯片完成I、Q路中频模拟信号的数字采样; FPGA芯片对ADC采样得到的中频信号进行数字下变频,并通过级联梳状滤波器对采样值进行可变速率的抽取,形成低速率的基带采样信号; USB控制器芯片用于控制USRP与通用计算机间的基带信号传输。通用计算机采用软件编程实现基带信号的后续处理。
DVB-T标准在现有的甚高频( VHF) 和特高频( UHF)频段提供地面数字电视信号的传输服务。本文采用WBX宽带子板,其频率覆盖50 MHz ~ 2. 2 GHz,满足基本频段要求。
2 接收机实现
2. 1 实现架构
根据实现功能的不同,接收机可分为三个部分: USRP射频前端、内接收机和外接收机。接收机实现架构如图2所示。USRP射频前端实现接收信号的下变频、模/数转换和下采样处理,将天线接收的模拟信号转换为基带数字信号; 内接收机完成基带数字信号的定时和频率同步,并实现对信道参数的估计和均衡处理; 外接收机对同步均衡后的信号进行解调、信道译码和视频解码,实现接收视频流的实时播放。
2. 2 USRP射频前端
USRP为接收机的射频前端,可配置参数主要包括母板FPGA抽取系数和子板射频中心频率。DVB-T标准定义了6 MHz、7 MHz和8 MHz三种信道带宽模式。三种带宽模式编码映射方式、交织方式和帧结构完全相同,唯一不同的是采样周期Ts,分别等于7/48 μs 、1/8 μs和7/64 μs 。采用第一代USRP作射频前端时,受限于USB 2. 0 总线的传输速率( Rmax= 32 Mbyte / s) ,在I、Q路复采样信号量化精度为Nbits= 32 bit的情况下,最小采样周期为
不满足8 MHz信道带宽模式对采样周期的要求。接收机实现中针对7 MHz信道带宽模式,在USRP模/数转换器芯片AD9862 固定采样速率为64 MSample/s( 兆采样/s) 情况下,FPGA抽取系数设置为8,即满足该模式对采样周期的要求。在射频中心频率配置方面,选择与DVB-T固定频道中心频率一致。
2. 3 内接收机
国内外学者已针对DVB-T信号的接收提出了众多同步和信道估计方案,本文在考虑算法性能和复杂度的基础上,选择恰当算法实现内接收机各信号处理模块。整个同步过程分为捕获阶段和跟踪阶段。捕获阶段完成定时、频率偏差值的大致捕获; 跟踪阶段完成剩余偏差值的估计和跟踪校正。接收机进入稳定跟踪状态之后,再进行信道估计和频域均衡。
1) 符号定时与小数倍载波频偏捕获
内接收机运行过程中,首先需要完成对OFDM符号起始位置的捕获。内接收采用基于OFDM符号循环前缀的最小均方误差估计算法,同时实现对OFDM符号起始位置和小数倍载波频偏值的捕获[5]。该算法不需要对接收信噪比进行估计,可有效降低捕获的实现复杂度,实现结构如图3 所示。
2) 整数倍载波频偏捕获
接收机与发射机晶振频率的差别,可能造成较大的载波频率偏差。若传输过程中存在整数倍载波频偏,则FFT变换后OFDM符号中所有子载波产生整体移位,导致解调数据完全错误。DVB-T标准中连续导频在每个OFDM符号中占用固定子载波,内接收机基于连续导频采用频域相关算法,实现对整数倍载波频偏值的捕获[6]。采用频域相关算法,运算复杂度与使用连续导频的数目成正比。DVB-T标准2K模式共有45 个连续导频,内接收机实现中使用直流载波附近的15 个连续导频,完成整数倍载波频偏值的捕获。
3)符号定时精同步
完成对OFDM符号起始位置的捕获后,剩余符号定时偏差主要有两部分: 一部分是符号起始位置捕获值与实际值的差值; 另一部分是采样偏差导致的符号定时漂移。DVB-T标准中离散导频在每个OFDM符号中等间隔分布,内接收机采用基于相邻离散导频相位差的估计算法,实现对OFDM符号定时偏差值的精确估计[7]。
4) 剩余载波频偏估计
剩余载波频偏导致接收星座点发生相位旋转并具有累加效应。内接收机基于相邻OFDM符号连续导频相位差,采用最小平方准则估计算法,实现对剩余载波频偏值的估计[8,9]。内接收机实现中预先建立最小平方准则系数矩阵,并存储为查找表,可有效避免重复运算。此外,为减小估计抖动,首先将剩余载波频偏估计值通过环路滤波器进行平滑滤波,然后再进行反馈和补偿。
5) 信道估计与均衡
衰落信道下各子载波信号会产生不同程度的相位旋转和幅度畸变,需要进行信道估计和均衡,保证相干解调的正确进行。内接收机基于每个OFDM符号中等间隔分布的离散导频信号,首先在频域内采用最小二乘算法估计导频位置的信道响应值; 然后,采用频域线性插值方法预测非导频位置处的信道响应值; 最后,在频域内采用相除方式实现对全部子载波信号的均衡处理。
2. 4 外接收机
外接收机根据DVB-T标准定义的发射信号生成方式,反向处理恢复原始传送流( Transport Stream,TS) 。为正确提取系统信息,同时保证RS码译码器的输入为完整RS码码字,外接收机首先需要实现超帧同步。超帧同步利用本地存储的同步字序列与差分解调后传输参数信令( Transmission Parameter Signaling,TPS) 中的同步字序列进行滑动相关,若相关结果大于预设阈值且帧号序列为“00”,则可确定超帧的起始位置。
超帧同步后,对每个OFDM符号中的数据子载波进行硬判决解调和解内交织,并将解交织比特序列送入卷积码译码器。卷积码译码器采用硬判决维特比译码算法进行译码。译码完成后,将译码信息比特序列转换为字节序列,并采用移位寄存器法实现基于字节的解卷积交织[10]。卷积交织/解交织产生的总延时为11 个RS码码字,因此RS码译码器在接收11 个RS码码字后启动。数据解扰是在检测到取反同步字节( 0x B8) 后,将接收数据与DVB-T标准定义的伪随机序列进行异或运算。最后,借助开源多媒体音视频处理工具FFmpeg,对接收TS流进行解码和播放。
3 软件实现
接收机实现中,USRP的参数配置以及内接收机和外接收机对基带信号的处理全部在通用计算机中完成。选择恰当的信号处理方式并设计合理的软件流程,对提高接收机程序运行效率尤为重要。同时,为实现接收视频的实时播放,需完成视频显示界面的开发。
3. 1 软件流程
在通用计算机中实现基带信号处理的方式有两种:借助软件开发工具如GNU Radio、Lab VIEW等,通过构建流图并创建信号处理模块实现; 调用USRP应用程序编程接口( Application Programming Interface,API) 函数读取基带信号,并编写信号处理函数实现。本文采用第二种方式,该方式不必使用其他软件,可实现对各运算单元输入/输出数据的完全控制,因此通用性更强。
内接收机和外接收机流程如图4 所示,各运算单元采用封装的C ++ 函数实现,封装函数的接口参数为本运算单元的输入、输出数据。接收机主程序通过控制函数调用,实现各运算单元的连接,保证数据处理的连续性。
3. 2 多线程处理
为提高程序运行效率,接收机编程实现中采用多线程模式。根据实现复杂度,将整个接收机划分为3 个线程: 内接收机线程、外接收机线程和视频解码播放线程。各线程独立运行,并通过循环阻塞队列实现线程间的数据交互,循环阻塞队列结构如图5 所示。
接收机程序启动后,首先申请能够存放N ×M_BYTES byte的内存,其中N为队列节点数目,M_BYTES表示每个节点的字节长度。读写线程通过调用get函数和put函数,实现队列数据的读取和写入操作。若队列空,则get函数阻塞; 若队列满,则put函数阻塞。接收机实现中,需要建立两个循环阻塞队列,分别用于实现内接收机线程与外接收机线程、外接收机线程与视频解码播放线程间的数据交互。各线程并行运行,可较大程度提高程序运行效率,保证接收机实时稳定运行。
3. 3 视频显示界面
在实现接收机的基础上,进一步采用QT用户图形化界面开发工具,开发了视频显示与配置界面,如图6 所示。通过该界面可对USRP母板FPGA抽取系数和子板射频中心频率进行配置,启动后可实现接收视频流的实时播放。
4 测试与验证
针对所实现接收机,利用标准调制信号验证其接收功能的正确。发射端采用荷兰Dek Tec公司生产的调制卡DTA-115 产生符合DVB-T标准的调制信号; 接收端采用主频3. 4 GHz,Intel Core i7 -3770 CPU的通用计算机作为宿主机运行接收机程序。经验证,接收机可实现对7 MHz信道带宽、2K模式、内码码率1 /2、QPSK映射、1 /4 保护间隔模式信号的实时稳定接收,接收TS流比特速率为4. 354 Mbit / s。
进一步,在室内场景下对接收TS包的误包率进行了测试。实际测试中,射频中心频率为226. 5 MHz,收发天线距离为3. 5 m,测试结果如图7 所示。发射端通过设定功率参数改变发射功率的大小,接收机根据RS码译码结果,对接收TS包的误包率进行统计。可以看出,在发射功率为-8 d Bm时,TS包误包率降低至1. 3 × 10- 6。该系统被用于海洋上综合业务通过TS流的传输,具有良好的扩展性和较低的成本。
5 小结
本文依据欧洲地面数字电视传输标准,选择合适的信号同步和信道估计算法,基于由通用软件无线电外设和通用计算机组成的软件无线电平台实现了DVB - T接收机。测试表明,接收机可实现对固定模式DVB - T信号的稳定接收和视频实时播放。
摘要：为提高地面数字电视广播(DVB-T)接收机的实现灵活性,基于由通用软件无线电外设(Universal Software Radio Peripheral,USRP)和通用计算机组成的软件无线电平台,实现DVB-T接收机。接收机以USRP作为射频前端,在通用计算机中完成全部基带信号处理、视频解码与显示等。测试结果表明,接收机可实现对DVB-T信号的接收,为接收机算法开发、验证与评估提供了更为灵活的方法。
关键词：软件无线电,USRP,DVB-T,接收机
DVB-T接收机 篇2
欧洲第二代地面数字电视广播传输标准(DVB-T2)[1]是用于地面数字电视广播的一个新标准。它建立在第一代地面数字电视广播标准(DVB-T)[2]的基础上，采用了更多先进的编码调制等技术。相对于DVB-T，该标准提供了更多的系统参数选择以适应不同的信道环境，同时采用了物理层管道、高阶调制、低密度奇偶校验码(Low Density Parity Code,LDPC)与BCH码的级联码、星座旋转、交织以及降低峰均功率比等多种新技术，提高了数据传输率和频谱利用率，并提升了系统鲁棒性[3,4]。因此，设计和实现新一代地面数字电视多媒体广播接收机具有重要意义。
但是DVB-T2接收机算法复杂，实现存在很大困难。一方面，DVB-T2标准采用编码的正交频分复用(Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing,COFDM)调制系统，容易产生符号间干扰和载波间干扰，因此对同步性能要求较高，必须采用复杂的同步算法。另一方面，DVB-T2接收机的挑战还来源于可选的长达32k的FFT、256-QAM以及码长达到64k的LDPC码译码器等。为灵活实现接收机算法在实际环境下的验证，本文采用通用软件无线电外设(Universal Software Radio Peripheral,USRP)和计算机组成的软件无线电平台对DVB-T2的算法进行验证。
本文依据DVB-T2标准，选择合适的同步和信道估计算法，进一步完成了信道译码等模块，实现了完整的DVB-T2接收机算法。为验证所实现的接收机，选择DVB-T2的一种模式并由调制卡DTA-115产生相应的DVB-T2调制信号并通过USRP发送;接收端使用USRP接收射频信号并存储为离线文件，进一步采用本文实现的接收机算法完成全部基带信号处理，并实现视频编码和显示。实验结果表明，本文所设计的接收机算法可实现对DVB-T2信号的正确解析，证实了算法的有效性，也说明了采用基于USRP的软件无线电平台可以实现DVB-T2算法的验证，为算法开发提供了更接近实际情况的验证手段。
1 软件无线电与USRP
软件无线电的概念最早由Jeo Mitola提出，其基本思想是将A/D变换尽可能地靠近射频天线，即尽可能早地将信号数字化，并通过数字信号处理实现无线电的各种功能，如频段选择、调制解调、数据格式、网络协议等，提高通信系统的通用性和灵活性[5]。
USRP是基于数字中频采样架构的可配置软件无线电平台，由母板和覆盖不同频段的射频子板组成，可实现上下变频、内插和抽取等高速通用操作，通过USB设备实现与通用计算机间的基带信号传输。USRP拥有与之配套的完全开放的GNU Radio软件无线电项目，且USRP本身价格低廉，极大方便了研究者对无线通信相关算法的研究。文献[6]使用USRP设备和计算机搭建的软件无线电平台实现了DVB-T接收机，灵活便捷地验证了接收机所使用的相关算法的实用性。
验证所实现的DVB-T2接收机采用的是第一代USRP设备，基本结构如图1所示。在发送路径中，计算机完成所有基带信号处理后将数字信号经过USB接口输入到现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array,FPGA)，根据所需带宽对数据进行抽取。经过抽取的信号经过与FPGA相连的AD9862芯片上的14位高速数/模转换器(Digitalto-Analog Converter,DAC)实现基带信号到中频信号转变，并通过射频子板完成正交上变频，经由天线实现信号发送。在接收路径中，射频子板对天线接收到的信号进行正交下变频，生成I、Q两路中频模拟信号，再经过12位模/数转换器(Analog-to-Digital Converter,ADC)和FPGA完成数字采样和数字下变频，最终经过USB接口连接到计算机，完成基带信号的后续处理。
2 DVB-T2接收机
在DVB-T2接收端，接收机根据功能的不同可分为内接收机和外接收机。内接收机完成基带数字信号的定时与频率同步，并实现对信道参数的估计和均衡处理;外接收机对同步均衡后的信号进行解调、信道译码和视频解码。下文分别就内接收机和外接收机两部分的实现进行介绍。
2.1 内接收机
DVB-T2内接收机在接收机设计中占据非常重要的地位。在DVB-T2系统中，可用于同步的物理资源主要包括:P1符号、P2符号的循环前缀与导频以及数据符号的循环前缀与导频。下面按照内接收机的处理顺序，分别介绍基于P1符号的初始同步、P2符号与数据符号的时频同步、信道估计与均衡三个模块。
(1)基于P1符号的初始同步
作为T2帧的帧头，P1的长度是固定的，与数据OFDM符号的FFT模式以及保护间隔配置无关，这种设计非常有利于接收机进行快速侦测。基于P1符号的初始同步主要完成三个任务:找到T2帧的帧头位置，实现粗载波频偏估计并确定P2符号和数据符号的保护间隔。该模块可大致分为四个子模块:P1符号检测、P1符号验证、P1符号译码和保护间隔的确定。
P1符号检测模块的主要作用是根据P1符号的特殊结构找到T2帧的帧头位置并得到小数倍载波频偏值。该模块分两路对接收序列进行频移延迟和共轭相乘，然后对得到的相关值进行平滑滤波，最后再对滤波后的相关值进行能量归一化，降低了不同信噪比对度量函数的影响[7]。
P1符号验证模块的作用是验证P1符号检测模块捕获到的P1符号是否正确，该过程通过识别捕获的P1符号是否符合标准中的载波分布实现。由于多个子载波携带P1符号信息，本模块首先提取P1符号中携带信息的相应子载波处的数据，然后与理想载波分布序列进行相关计算，根据这个相关值便可验证接收到的信号是否为P1符号，进而估计得到整数倍频偏值。
P1符号译码模块对截取的P1符号进行译码，提取出S1和S2子序列，从而确定FFT大小、离散导频模式和一个T2帧中P2符号的个数。保护间隔确定模块则利用这些信息，找到系统可能使用的几种保护间隔，然后采用保护间隔相关法确定P2符号和数据符号的保护间隔大小。具体步骤为:首先根据FFT模式确定保护间隔Ng的所有可能取值;然后对每一种可能的取值，截取循环前缀部分和数据部分的后Ng个采样点进行相关计算;最后对得到的相关值进行归一化，找到最大的相关值。根据最大相关值的位置即可获得正确的保护间隔大小。
(2)P2符号和数据符号的时频同步
P2符号和数据符号均参考文献[8]给出的基于离散导频序列的频偏和定时偏差联合估计方法，同时估计得到细频偏值和符号定时偏差。该方案首先将频域的离散导频按照其调制方式进行调制，其中数据部分填充为0，然后做IFFT变换转换到时域，得到T2帧中每个数据符号或P2符号对应的时域离散导频;然后根据数据符号的序号分别与对应的时域离散导频进行滑动相关，通过相关峰位置确定数据符号中有用部分的起始位置;最后根据相邻相关峰的相位确定细频率偏差。该算法可以估计的频偏范围小于1/2个子载波间隔。
符号定时粗同步采用基于循环前缀的最小均方误差估计方法实现[9]。而针对DVB-T2中的采样频率偏差，本文利用数据符号中的连续导频实现采样频率偏差的估计，并根据估计到的采样频率偏差利用3次Farrow插值滤波器对接收数据进行补偿，将接收数据恢复成与发送符号率同步的数据。
(3)信道估计与均衡
本文使用离散导频与边沿导频对数据符号进行信道估计，使用P2导频完成对P2符号的信道估计。该模块采用计算复杂度低的最小二乘算法实现[10]。首先利用离散导频和边沿导频位置的接收值与理想值，采用最小二乘算法快速得到每个导频位置的频率响应值;然后，通过线性内插得到每个子载波上的频率响应值;最后，在频域内完成信道均衡。
2.2 外接收机
在内接收机实现同步和信道均衡后，则将数据传送给外接收机。外接收机根据DVB-T2标准定义的发射信号生成方式，对信号进行解调和译码反向处理恢复原始传输流(Transport Stream,TS)。根据外接收机的工作流程，可将DVB-T2外接收机分为四个部分:L1前信令的比特交织编码调制(Bit Interleaved Coding and Modulation,BICM)译码、L1后信令的BICM译码、数据的BICM译码和输出处理。根据实现功能的不同，BICM模块主要可分为解交织模块、星座解调模块和信道译码模块。输出处理模块包括基带帧解扰、基带包头删除、循环冗余校验(Cyclic Redundancy Check,CRC)和TS流的码流重组四个子模块。
3 软件实现
在接收机实现中，基带信号处理、视频解码与显示以及USRP的参数配置全部在计算机中完成。本文针对一种DVB-T2调制信号模式，选择恰当的信号处理方式并设计合理的软件流程。进一步，为提高接收机程序运行效率，采用多线程来实现接收机。同时，本设计还开发了用户界面程序，可直接显示解调解码后的视频。
3.1 软件流程
本文通过调用USRP的应用程序编程接口函数读取基带信号，在计算机中实现基带信号处理。接收机流程如图2所示，各运算单元采用封装的C++函数实现，封装函数的接口参数为本运算单元的输入和输出数据。接收机主程序通过控制函数调用，实现各运算单元的连接，保证数据处理的连续性。
为了提高程序运行效率和信号处理的实时性，本文实现的DVB-T2接收机算法采用多线程。将整个接收机划分为四个线程，即接收线程、内接收机处理线程，外接收机处理线程和视频解码播放线程。同一进程中的各线程之间相互独立，均采用环形队列来共享内存数据，利用信号量机制实现线程同步。
3.2 视频显示界面
在实现接收机的基础上，进一步采用Qt用户图形化界面开发工具开发了视频显示界面，如图3所示。通过该界面可对USRP母板上FPGA内部的抽取系数和射频子板的中心频率进行配置，启动后可实现接收视频流的播放。
4 测试与验证
本文选择DVB-T2标准中的一种模式对所实现的接收机进行测试。具体参数包括:L1前信令采用的LDPC码的码率为1/5，调制方式选择BPSK;L1后信令采用的LDPC码的码率为4/9，调制方式选择16-QAM;数据符号采用的码长为64800，码率为1/2的LDPC码，调制方式选择16-QAM;保护间隔选择1/8;FFT大小选择2k模式;导频模式选择PP2。护间隔选择1/8;FFT大小选择2k模式;导频模式选择PP2。
测试时，发射端采用荷兰DekTec公司生产的调制卡DTA-115根据上述参数生成符合DVB-T2标准的调制信号，并通过天线以8MHz的带宽进行发射;接收端利用计算机与USRP组成的软件无线电平台进行接收，将接收的数据存放在记录文件中。随后使用该记录文件完成内接收机测试和外接收机测试。其中USRP射频子板选择WBX宽带子板，中心频率选择800MHz。收发端的天线处于相同高度，距离为3米。
4.1 内接收机的验证
为验证内接收机的性能，在VC6.0平台下运行所设计DVB-T2接收机代码对记录文件进行处理，截取完成基带信号的同步和信道估计与均衡后的星座图，如图4所示。从图4可以看出，星座点较清晰，也进一步说明内接收机可以完成定时误差、载波频偏和信道参数的正确估计并补偿。
4.2 外接收机的验证
外接收机测试部分对L1前信令、L1后信令和数据部分的编码方案都进行了仿真验证。其中，L1前信令的长度为200比特，L1后信令为350比特。接收端在对L1前信令和L1后信令分别进行BPSK和16-QAM解调后，都需要根据发端所进行的删余和缩短操作，进行删余与缩短的相对应操作，然后进行LDPC码译码和BCH码译码。数据部分没有删余和缩短操作，只需要进行LDPC译码和BCH译码。LDPC码的译码均采用BP译码算法，最大迭代次数均为50。在AWGN信道下，对L1前信令、L1后信令和数据部分的误帧率进行仿真，仿真结果如图5所示。从图5中可看出，虽然L1前信令部分在编码过程中存在删余和缩短操作，但由于其码率较低，仍具有良好的纠错性能，可保证L1前信令具有较高的鲁棒性。
4.3 整体测试
本文根据DVB-T2标准，对L1前信令和L1后信令进行CRC32编码，而对数据部分采用CRC8编码。接收端分别对L1前信令、L1后信令和数据部分进行相应的CRC校验，据此测试各部分的误帧率和误包率，实验结果如图6所示。从图6可以看出，L1前信令和L1后信令的误帧率性能要优于数据部分，具有更高的鲁棒性，保证了接收机的正常运行。
5 结束语
本文采用由个人计算机和USRP搭建的软件无线电平台实现了完整的DVB-T2接收机算法，并验证了所实现的DVB-T2接收机算法在实际环境中的可行性。实验结果表明，本文所设计的接收机算法可实现对DVB-T2信号的正确解析，而所采用的软件无线电平台可以实现对DVB-T2算法的验证，为算法开发提供了更接近实际情况的验证手段。
摘要：DVB-T2是欧洲开发的新一代地面数字电视广播标准。为验证DVB-T2接收机算法在实际环境中的可行性,采用由个人计算机和通用软件无线电外设(Universal Software Radio Peripheral,USRP)搭建的软件无线电平台实现了DVB-T2接收机算法。该实现在计算机中完成全部基带信号处理与后续视频解码和显示等,算法验证灵活方便。实验结果表明,所实现的接收机算法可对DVB-T2信号正确接收,证明了接收机相关算法在实际环境中的可行性。
关键词：DVB-T2,接收机,USRP
参考文献
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DVB-T接收机 篇3
鉴于DVB-T标准的广泛应用, 本文介绍了一个DVB-T接收机自动测试系统的硬件设计方法和软件实现方法。
一DVB-T标准介绍
图1是一个DVB-T发射机的模块框图, 首先对TS码流进行加扰 (Randomization) , RS编码 (Out Coding) , 外交织 (Out Interleaving) , 卷积编码 (Inner Coding) , 再经过比特交织器 (Bitwise Interleaving) 和符号交织器 (Symbol Interleaving) 完成信道编码。编码后数据经过映射调制到对应的星座图上成为数据载波。OFDM帧形成部分将数据载波, 导频载波和信道传输参数 (Transmission Parameter Signaling) 按照帧结构的要求组合在一起, 形成完整的OFDM符合。然后将各个载波经过IFFT变换得到时域的数据流。之后, 在每个OFDM符号前插入保护间隔, 在经过D/A上变频形成最终的模拟信号发射到信道中去。
在DVB-T标准中, 有多种卷积编码速率, 星座映射方式, 保护间隔的种类以及2k, 8k两种IFFT的方式, 这样就可以产生出多种调制组合, 因此如果人为去完整地测试一个DVB-T接收机性能的话, 工作量非常大, 而且时间消耗也非常长。在这种情况下, 我们就需要一个自动测试系统来帮助测试。
二自动测试系统介绍
所谓自动测试系统 (automated test system) , 通常是指在人工最少参与的情况下, 能自动进行测量和数据处理, 并能以适当的方式显示和输出测试结果的测量系统, 在此系统中, 整个测试过程都是在预先编制好的测试程序统一指挥下自动完成的。其突出特点就是高速度, 可节约大量人力;同时, 还避免了人为因素的误差, 可获得十分良好的测试复现性。可以说, 高速度, 高精度, 多参数, 多功能的自动测试系统是电子测量与仪器和计算机技术密切结合的产物。
1. 自动测试系统的硬件平台结构
对于一个接收机来说, 误码率是一个非常重要的指标, 直接关系到接收系统能否正常工作, 所以本文中的测试系统主要设计了一个接收机误码率的自动测试平台。本设计基于DVB-T标准的要求, 结合实际通信中的信道特点, 综合考量技术和经济性能的优化匹配, 采用总线电缆或网络将被测设备、测量仪器和控制计算机连接起来, 构成自动测试系统, 以完成接收机误码率的自动测试任务, 并使组建的测试系统具有造价低, 灵活性高, 可靠性高等特点。
图2就是一个DVB-T接收机的自动测试平台, 为了保证测试数据的随机性, 选用PRBS数据作为数据源, PRBS产生器可以将PRBS数据按照MPEG-2标准中对于TS码流的格式要求以188个字节封装成一个TS包, PRBS数据包经过DVB-T调制器后送入信道模拟器, 信道模拟器不仅可以改变信号的幅度, 而且还可以模拟各种信道特性, 比如高斯型信道, 瑞利型信道, 莱斯型信道等等。然后将接收机解调后的P R B S信号再返回给PRBS产生器来比较误码率并且显示出来。
在实际实现过程中, 通过Ethernet接口控制伪随机序列 (Pseudo-Ran-dom Binary Sequence) 信号产生器并且读回误码率计算的结果, 通过GPIB总线控制DVB-T调制器以及信道模拟器来改变各种调制模式和模拟各种信道特性, 由RS232总线来设置接收机解调参数并且读回解调器的工作状态。
2. 自动测试平台的软件设计
VB (visual basic) 是计算机系统中主要的开发语言之一, 它具有高效, 简单易学的特点和强大的图形功能, 支持面向对象的程序设计, 具有结构化的事件驱动编程模式和良好的人机界面。因此, 应用VB语言可以很方便地设计出需要的自动测试应用程序。鉴于VB的优点, 笔者采用VB作为本自动测试软件的开发语言。
自动测试软件的功能就是为了可以通过主控计算机对测试需要的基本参数进行设置, 比如测试频率, 编码速率, 保护间隔大小, 星座映射方式, IFFT方式, 信道特性等, 并由主控计算机作为控者对系统设备和被测设备发令, 进行参数配置。为了保证测试的灵活性, 可以把需要测试的参数提前保存在一个用例文件中, 通过自动测试程序读取用例文件的参数以满足不同的测试要求。最后将每个模式下误码率测试结果保存下来就可以了。
三误码率自动测试流程
当开始自动测试时, 首先要初始化被测设备和各种仪器, 然后读取用例文件中的测试参数, 并根据这些参数来配置仪器和被测设备。配置成功后, 主控计算机向被测设备发送命令来查询接收机的工作状态, 同时也可以向PRBS产生器发送读取误码率的请求。为了保证测试的准确性, 可以通过主控计算机来设置测试间隔, 以接收机工作一定时间后的误码率结果为准。将读回的误码率存储到本地的硬盘上后, 判断是否已经完成测试用例, 如果完成就结束测试, 如果没有, 就读取用例文件中的下一个测试条件, 继续测试 (如图3) 。
为实现软件的易读性和可移植性, 在软件编程设计中采用了模块化的设计思想, 将系统所实现的功能以模块来分别实现, 各程序模块按所涉及的软件结构在主控计算机和操作系统管理下实现相互调用和连接。
四结论
本文介绍了基于VB平台的DVB-T接收机误码率自动测试平台的设计方法。介绍了硬件平台的搭建, 设计了误码率自动测试的流程, 并成功实现了DVB-T接收机各种调制模式下误码率的自动测试。
摘要：本文基于VB高级语言的图形功能和常用总线的特点, 介绍了一个DVB-T接收机误码率自动测试系统的设计方法, 包括硬件机构和软件实现方法。该系统可以快速高效地完成接收机误码率测试任务, 在生产实践中获得了很好的应用。
关键词：VB,DVB-T,误码率,自动测试
参考文献
[1]EN300744V1.1.2.1997
[2]Michael Halvorson, Microsoft Visual Basic2008step by step, 2008
DVB-T接收机 篇4
接收机的回波处理功能是地面数字电视广播面临的特殊问题。它首先要区分是固定接收(室外天线、窗外天线和室内天线)还是手持式接收或移动接收。
固定接收采用的室外天线、窗外天线或室内天线可有较强的方向性(4～10 dBi)。而且室外天线的高度可达10 m以上,在农村地区往往可以没有阻挡而接收直达信号或绕射信号(也许会面临穿越树林的情况)。而窗外天线或室内天线既可以是位于没有阻挡的房屋,也可以是位于高楼林立的城市中心区域的住宅楼群,面临极为复杂的回波情况;而周围街道又会有行驶车辆的火花干扰。此外,在住房的室内接收还有室内回波和电风扇转动叶片的特殊回波,以及家用电器(搅拌机、吹风机和冰箱)的火花干扰。而手持式接收或移动接收一般则采用无方向性天线。
此外,回波可划分为“滞后”回波(post-echo)和“超前”回波(pre-echo);这是针对接收机锁定的主信号(main signal)而言的(见图1)。但滞后回波或超前回波的强度经常出现与主信号相等的情况,即所谓“0 dB回波”问题。这在大城市中心、楼群密集地区的固定接收特殊情况下,也会出现:没有直达信号,而把某个强回波信号当成主信号,但另一个强回波就可能构成0 dB回波(滞后或超前)。
笔者简要介绍ATSC[1]和DVB-T[2]的接收机在固定接收时的回波性能曾进行过的几次对比测试结果;而且,只讨论固定接收回波处理的性能,而不涉及其技术。因为,后者的公开论文较少,而更多是实现技术秘密(know-how)。
2 ATSC接收机1999年的回波处理性能
ATSC数据帧分为2个数据场(#1和#2);数据场的第一个数据段(segmet)是数据场同步;而数据段的头部都是相同的数据段同步,见图2。
数据场同步#1的结构见图3,其中有一个511位PN码(PN 511)和3个相同的63位PN码(PN 63)顺序排列。而数据场同步#2仅把数据场同步#1中3个PN 63中间那个的“0”和“1”相互倒置而得。
因此,除了数据段(周期77.3μs)的同步码“1001”以外,还有PN 511和3个PN 63等时间域的已知信息(周期24.2 ms),在接收机中可用于时间域的回波处理。这些时间域已知信息的位总数为:4+511+3×63=704位;而其合计的时间为77.3×(704/832)μs=65.4μs,周期为24.2 ms,而65.4/24 200约1/370。
美国Zenith公司小组(8-VSB方案提出者)成员Tim Laud在2000年1月美国消费电子展CES的报告中对比了ATSC和DVB-T回波处理性能,见图4。
把图4的结果同澳大利亚通信实验室1998年4月的“DVB-T和ATSC的澳大利亚7 MHz实验室测试结果”(图5)对比可知,其趋势大致相似。再把它同巴西Mackenzie大学小组(与政府部门ABERT/SET合作)2000年3月的实验室测试结果(图6～9)对比可知,其趋势也大致相似。
值得注意的是,在图5中:1)当回波幅度与主信号相比较弱时(20 dB衰减量),ATSC样机的门限值约15.3 dB,与DVB-T维持约4 dB的优势;而这个4 dB优势同美国、澳大利亚、巴西进行过的ATSC和DVB-T大功率发射现场测试之固定接收对比结果(平均有4 dB的差距,本文略)基本一致。2)当回波衰减量由20 dB减小到6 dB时(图5中由右向左),这个4 dB差距基本不变。3)当ATSC样机在回波衰减量继续减小到4 dB或更小时,其性能迅速恶化,以致不能工作(图4和图6～9都有类似情况)。
DVB-T接收机在图5的性能是:门限值从右边的约19.5 dB上升到左边的37.0 dB或40.0 dB;以上升约17.5 dB或20.5 dB的代价,可继续正常接收。
3 DVB-T接收机在固定接收时的回波处理可不依赖于保护间隔
DVB-T采用OFDM多载波系统的理论优势是,可以利用保护间隔而简洁处理回波;代价是有效比特率稍有下降。
但从图8和图9可以看出:Chip M有两方面的突出性能:1)处理32μs的滞后回波时,门限值由约17.6 dB上升到约18.8 dB,仅增加约1.2 dB,显著小于图5的结果。2)特别是,可处理正负时延约76μs的滞后或超前回波(8 k模式;保护间隔为1/16);或可处理正负时延约43μs的滞后或超前回波(8k模式;保护间隔为1/32)。图中,E表示回波;D表示直达信号。图6未给出76μs或43μs时门限值上升的结果。
但是,从DVB-T标准[2]附录E的表E.3可知,在8k模式中,保护间隔1/16的绝对时间为74.667μs,而保护间隔1/32的绝对时间为37.333μs。这两者分别都小于Chip M实际可处理的76μs或43μs。
这就是说,提供Chip M芯片的公司在1999年已掌握“不依赖于保护间隔”的回波处理技术。估计其技术是:在接收机中把频率域信号经过DFT运算还原为时间域信号后,从所获得的已知信息(由PN码的片断组成,下面说明)对回波进行时间域处理,获得良好结果。这种时间域处理同第2节分析的ATSC可利用已知信息(主要由几个顺序的PN码组成),在接收机中实现对回波的处理,在原理上是相似的。
DVB-T标准[2]共有3类PN码:
1)分散导频单元(scattered pilot cells)(图10):除子载波两端K下标为0的子载波和K下标为1 704(2k模式)或6 816(8k模式)的子载波以外,在每个数据符号(symbol,编号从0～67,总共68个)内,每12个子载波有1个留给分散导频单元;而从纵方向的时间域来看:在2个相继的符号(例如符号的编号从0～1)中,分散导频的子载波编号“加3”(图7的黑点位置向右方移动3位)。而在这些设定位置(图10的黑点),插入已知的PN码。
对于2k模式而言,插入的PN码的位数是:1 70412=142位,然后再“加1”或“加2”(考虑符号两端)。而对于8k模式而言,插入的PN码的位数是6 816/12=568位,然后再“加1”或“加2”(也考虑符号两端)。
2)连续导频(continual pilots):2k模式有45个固定位置的子载波,插入已知的PN码;而8k模式则有177个固定位置的子载波,插入已知的PN码。
3)此外,还有传输参数信令(TPS)导频:在每个符号内,2k模式有17个固定位置的子载波,插入已知的PN码;而8k模式则有68个固定位置的子载波,插入已知的PN码。
把DVB-T数据帧内上述可在时间域利用的PN码位数之分析,整理成表1。
把表1的DVB-T结果同第2节ATSC结果对比,尽管后者有704位,大约是205位的3.43倍(2k模式),或者稍低于814位(8k模式);但其周期24.2 ms,则是308μs
*注:考虑每个符号的两端情况,有时要加1位。(2k模式)的78.6倍,或1 232μs(8k模式)的19.6倍。
这就是说,DVB-T接收机与ATSC相比,具有更为充裕的处理时间,来利用时间域已知信息(由PN码片断组成)在固定接收时实现回波处理。
当然,这并不是说,DVB-T的接收机不能利用保护间隔简洁地实现“0 d B回波处理”。
在了解到DVB-T解调芯片“可利用时间域已知信息(由PN码的片断组成)进行固定接收的回波处理”,可不依赖于保护间隔,就不难理解DVB-T2[3]可把保护间隔由DVB-T[2]的1/32扩展到1/128,以增加约2.34%的有效比特率(1/32-1/128=3/128=0.0234)。
4 ATSC接收机样机2003年秋的回波处理性能
美国LINX公司在2003年秋向笔者通报了由第三方进行的ATSC与DVB-T接收机对比测试结果。对比的技术参数见表2;而多种模型回波(其参数需查其他资料)的测试结果则见表3。
1)ATSC接收机样机与DVB-T接收机相比,其多种回波模型的实验室测试门限值要低2.5～4.0 d B;单载波系统的优势鲜明。
2)值得特别提出的是:由于充分利用回波的能量,7类模型中有4类的门限值有所降低(同无回波的校正值相比,最多降低3.9 d B;而单个0 d B回波理论上最多可降低3.0 d B)。此外,ATSC和DVB-T两者具有完全类似的测试结果;两者可能采用了原理相同的技术。
把表3的结果同图5～9的结果对比可知:7类回波模型中有3类的门限值上升,但幅度一般较小(巴西E例外);而有4类则下降(充分利用回波的能量;图5和图6～9都是上升)。
上述测试结果表明:从1999～2003年约4年时间里,ATSC和DVB-T接收机的回波处理性能都有显著提高。但ATSC(单载波)的门限值低于DVB-T(多载波)(2.5～4.0 d B),再一次被实验室测试证实。
5 对中国地面数字电视广播传输标准的分析
中国地面数字电视传输标准[4](简称“地面国标”,CTTB)的数据结构过短,头部开销过大,不利于固定接收主流业务[5]:只有420/3 780=1/9,595/3 780,945/3 780=1/4这3种,没有头部开销极小的可选项:类似ATSC的4/828=1/207,或DVB-T的1/32,或DVB-T2的1/128。
CTTB是以DMB-T/TDS-OFDM多载波方案为基础,与ADTB-T/OQAM单载波方案融合而得的。但DMB-T/TDS-OFDM方案的一公开论文[6]曾刊载过1/30和1/20的保护间隔可选项;但在其后续的论文中则已被删除。而DVB-T[2]的1/32可选项在英国、法国、意大利和波兰等欧洲各国的高比特率固定接收业务都有大量实际应用[7]。
因此,本人认为,DMB-T方案的回波处理技术可能完全依赖于保护间隔,没有利用PN420(420位的PN码,周期555.56μs)或PN945(945位的PN码,周期625μs)在时间域的回波处理技术。该方案过度考虑了移动电视和手机电视业务,而CTTB应当把高比特率固定接收[8]作为主流业务[9]。
上述ATSC,DVB-T和CTTB的讨论结果可整理成表4。
从上述讨论可看出:CTTB解调芯片的设计者可开发类似ATSC的技术,利用已知的PN码信息,在时间域进行回波处理。
如果借鉴ATSC或DVB-T的经验,那么CTTB标准可增加类似ATSC的4/828=1/207或DVB-T2的1/128可选项,以增加固定接收时的有效比特率10%～15%[5]。
6 简短小结
地面数字电视广播传输标准(CTTB)中C=3 780可选项的回波处理技术,可依赖于保护间隔,但也可不依赖于保护间隔:即充分利用已知PN码信息(PN420,PN595,PN945),在时间域进行回波处理而获得良好性能。C=1属单载波系统,原来就是时间域处理,无须特别提出。
2)建议地面国标(CTTB)及时进行修订,增加类似ATSC的4/828=1/207(或DVB-T2的1/128)的可选项,以提高高比特率固定接收时的有效比特率。
致谢:笔者感谢陈志葛、夏劲松、赵季伟和管云峰等专家对本文初稿提出的宝贵意见。
参考文献
[1]Advanced Television Systems Committee.ATSC Standard:DigitalTelevision Standard(A/53),Revision D,Including Amendment No.1[EB/OL].[2009-08-26].http://www.pensacolatvrepair.com/Docs/Supporting/atscStandardVer_D.pdf.
[2]ETSI.EN300744V1.2.1,Digital Video Broadcasting(DVB):Framing structure,channel coding and modulation for digital terrestrial television[S].1999.
[3]ETSI.EN300755,Digital Video Broadcasting(DVB):Framing structure,channel coding and modulation for a second generation digital terrestrial television[S].2008.
[4]GB20600—2006,数字电视地面广播传输系统帧结构、信道编码和调制[S].2006.
[5]徐孟侠.评中国地面数字电视广播传输标准[J].电视技术,2009,33(1):9-12.
[6]杨知行,杨林,门爱东,等.地面数字多媒体国标传输协议[J].世界广播电视,2000(12):22.
[7]徐孟侠.DVB-T标准的工程实现组合介绍与启示[J].电视技术,2007,31(4):8-9.
[8]徐孟侠.DVB-T工程实现中的高/中比特率固定接收[J].电视技术,2007,31(6):4-7.