“中視一號”IC芯片及其信號處理特點

    關(guān)鍵詞：中視一號 數(shù)字電視傳輸 時域同步

1 “中視一號”總體概述

2004年4月30日，由清華大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)、凌訊科技等多家單位聯(lián)合開發(fā)的具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的高清晰度數(shù)字電視地面?zhèn)鬏斠苿咏邮障到y(tǒng)專用芯片——“中視一號”順利通過了教育部主持的成果鑒定。該芯片將高清晰度數(shù)字電視芯片的研究進一步擴展到地面?zhèn)鬏斝诺佬酒?，使之成為用于DMB-T方案整機和系統(tǒng)的專用芯片。中視一號是基于自定義協(xié)議的DMB-T和TDS-OFDM多載波調(diào)制技術(shù)的芯片，在高碼率單天線HDTV信號的移動接收方面有所創(chuàng)新。該芯片具有百萬門級的規(guī)模，使用0.18微米工藝，采用多時鐘域技術(shù)，共有128個引腳。芯片在仿真、設(shè)計、驗證、布局布線、測試、封裝等方面的整體水平在國際上是領(lǐng)先的（出于工藝水平的考慮，第一批流片是由ST公司生產(chǎn)的）。該科研項目已成功地走通了整個設(shè)計流程，包括邏輯綜合、布圖規(guī)劃、時序收斂、信號完整性、信號串擾處理、時鐘網(wǎng)絡(luò)設(shè)計、電源網(wǎng)絡(luò)設(shè)計、分布式參數(shù)提取、互聯(lián)網(wǎng)降價、低功耗技術(shù)等，這些都是目前超深亞微米芯片設(shè)計中最具有挑戰(zhàn)性的技術(shù)難題。

大量試驗表明，安裝“中視一號”芯片的DMB-T高清晰度數(shù)字電視整機系統(tǒng)展示了良好的地面移動接收性能，特別是該芯片在載噪比門限和移動性指標方面優(yōu)于國際同類產(chǎn)品。此外，該芯片在鑒定前已在國內(nèi)多個電視廠家（長虹、創(chuàng)維、康佳等）得到成功試用，性能指標達到了系統(tǒng)設(shè)計要求。“中視一號”的傳輸和接收速度達到了24Mbps，在時速120公司的交通工具上播放，不會發(fā)生圖像抖動和丟失的現(xiàn)象；而在時速75公司以下的交通工具上播放，收視聲像質(zhì)量極為穩(wěn)定可靠，標志著國內(nèi)對地面數(shù)字電視廣播傳輸信道專用芯片的研究取得了重大突破。

2 DMB-T系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

DMB-T系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。在總體方案上，DMB-T是對歐盟的DVB-T地面?zhèn)鬏敇藴实睦^承與發(fā)展。其傳輸系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)擾碼、內(nèi)外糾錯編碼以及交織編碼等部分，DMB-T與DVB-T的顯著區(qū)別在于DMB-T采用時域同步正交頻分復(fù)用（TDS-OFDM），這也是我國數(shù)字電視地面?zhèn)鬏敇藴实奶厣帯?/P>

TDS-OFDM調(diào)制過程是：輸入的MPEG-2 TS碼流經(jīng)過信道編碼處理后在頻域上形成長度為3780的反傅氏變換（IDFT）數(shù)據(jù)塊，采用傅氏變換（DFT）將IDFT數(shù)據(jù)塊變換為長度為3780的時域離散樣值幀體，即7.56Mps個樣值，在OFDM的保護間隔插入長度為378的偽隨機序列（PN）作為幀頭，接著將幀頭和幀體結(jié)合成時間長度為550的信號幀，再采用具有線性相位延遲特性的FIR低通濾波器對信號進行頻域整形，最后將基帶信號上變頻調(diào)制到RF載波上?！爸幸曇惶枴钡慕庹{(diào)過程與調(diào)制過程相反。

圖1

    在設(shè)計DMB-T方案時，將傳統(tǒng)的DVB-T系統(tǒng)中的保護間隔由一段PN序列取代，而在IDFT幀體中沒有插入任何導(dǎo)頻。這樣，PN幀頭既可作為訓(xùn)練序列用于同步和信道估計，又在客觀上起到了保護間隔的作用。DMB-T的每一幀采用不同的PN頭作為幀標志，在發(fā)射端對PN頭采用BPSK調(diào)制以獲得可靠的傳輸效果；在接收端則通過同樣的PN序列產(chǎn)生器產(chǎn)生本地PN序列，并與接收信號的PN碼幀頭進行時域相關(guān)運算，從而完成幀同步、頻率同步、時間同步、信道傳輸特性估計等一系列同步運算。

3 時域同步及其它標準之比較

數(shù)據(jù)擾碼僅對MPEG-2 TS碼流中的187個8位字節(jié)進行編碼，對于提高DMB-T傳輸系統(tǒng)的同步性能是非常重要的。業(yè)已指出，TDS-OFDM多載波調(diào)制是DMB-T協(xié)議的核心技術(shù)，其基本幀結(jié)構(gòu)中引入了PN碼作為幀頭，用于完成時域同步，這在目前數(shù)字電視地面?zhèn)鬏斚到y(tǒng)中是一個創(chuàng)新。OFDM作為一種可以有效對抗符號間干擾（ISI，Inter-Symbol Interference）和信道間干擾（ICI：Intel-Channel Interference）的高速傳輸技術(shù)，在高速無線應(yīng)用環(huán)境中，其技術(shù)優(yōu)勢尤為明顯，因而它非常適合多徑環(huán)境和衰落信道中的高速數(shù)據(jù)傳輸，并且兼容未來第四代（4G）移動通信的速度（10Mbps～100Mbps）。在OFDM的發(fā)展中，基于TDS-OFDM的時域同步主要有以下顯著特點：

（1） PN序列作為保護間隔，用以消除或者至少可以大大減少ISI；

（2） 由于保持了各信道間的正交性，大大減少了ICI；

（3） 在實時傳輸與接收的信道估計中，時域同步較頻域同步更快；

（4） 時鐘同步過程對定時的要求不那么嚴格，即可果定時錯誤（時域偏移）較小，使得沖激響應(yīng)長度小于保護間隔，則各子載波之間的正交性仍可以維持。

此外，時域同步較頻域同步簡單， 有用數(shù)據(jù)的傳輸效率大大提高（見表1）。這是因為傳統(tǒng)OFDM的每個信號幀由前置保護間隔和IDFT幀體組成，保護間隔通常是幀體的循環(huán)前綴或全0比特，在接收端首先去除保護間隔，再進行DFT變換以恢復(fù)數(shù)據(jù)。因此在歐盟及日本的標準中，需要插入大約10%的已知導(dǎo)頻，用于在收端通過頻域處理的方式獲得可靠的系統(tǒng)同步。這種方式相應(yīng)地降低了有用數(shù)據(jù)的傳輸效率。2001年2月完成的第一套測試專用芯片，其設(shè)計信道均衡算法的多徑模型是采用當時的美、歐標準測試的相關(guān)參考模型，多徑延時分布取為（-3～18）μs，這個數(shù)值不太適合我國城市高樓群區(qū)或地理環(huán)境的實際情況，故經(jīng)過多次的改進，包括2002年5月研制成功的“接收試驗專用芯片”，直至得到今天較為成熟的接收專用芯片“中視一號”。

DMB-T傳輸系統(tǒng)的符號星座圖采用64QAM，其糾錯編碼中還有三層分組乘積碼，不同層（Layer）的分組乘積碼按定義映射到64QAM星座符號的不同比特位，因此具有不同程度的抗干擾能力。DMB-T傳輸系統(tǒng)的多媒體數(shù)據(jù)流也可以根據(jù)需要給予不同的保護優(yōu)先級，其中高、中、低優(yōu)先級比特流分別映射為64QAM星座圖的高、中、低位。采用電視廣播前向糾錯編碼模式的DMBT傳輸系統(tǒng)使用均勻分布的64QAM符號星座圖，其I和Q坐標的投影為（-7，-5，-3，-1；1，3，5，7）;而采用多媒體綜合數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)前向糾錯編碼模式的DMB-T傳輸系統(tǒng)是全長非均勻分布的64QAM星座圖，其I和Q坐標的投影及其三層分組乘積碼為（-9，-7，-4，-2；2，4，7，9），如果2所示，圖中的高級Lay0層為全圖結(jié)構(gòu)。不同層按定義映射到64QAM星座符號的不同比特位，因此具有不同程度的抗干擾能力。鑒于DMB-T和DVB-T主體結(jié)構(gòu)相似，它們的發(fā)射、接收系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基本相同，即可以采用相同的天線、廣播發(fā)射機和調(diào)諧器，但二者不能兼容的是信道調(diào)制器和解碼器。前者采用分層的即多分辨率的TDS-OFDM信號方式，后者采用COFDM信號方式，且DMB-T制式有效信號帶寬比DVB-T略小0.6%，但在保證幀結(jié)構(gòu)、同步方式、信道估計、信道均衡以及信道編碼方式上都有各自的基礎(chǔ)性發(fā)明與創(chuàng)新。使得一提的是，移去PN序列后的接收機等效于填零的OFDM，而OFDM對定時和頻率偏移敏感，這些都是需要進一步研究并逐步完善的問題。

    總的來說，“中視一號”芯片技術(shù)含量高、設(shè)計難度大，地面數(shù)字電視廣播傳輸信道專用芯片的設(shè)計成功，標志著我國地面數(shù)字電視廣播傳輸信道專用芯片研究取得了重大突破，對我國數(shù)字電視的產(chǎn)業(yè)化和微電子工業(yè)的發(fā)展具有重大意義。它除了解決了具有自主知識產(chǎn)權(quán)這個核心問題外，DMB-T傳輸系統(tǒng)還具有可擴展性。由于采用了編碼的PN序列，TDS-OFDM能支持很多通信領(lǐng)域的最新研究成果，比如時空分集編碼、智能天線、蜂窩網(wǎng)絡(luò)、定向定位接收等技術(shù)，能進一步提高傳輸效率。按照規(guī)劃，2003年是我國高清晰度數(shù)字電視的標準化年，2004年是高清晰度數(shù)字電視的產(chǎn)業(yè)化年，2008年是北京奧運會前普及高清晰度數(shù)字化電視年，2015年將停止模擬電視廣播，目前我國的高清晰度數(shù)字電視的標準尚未出臺。可以相信，“中視一號”IC芯片的成功問世，必將為我國數(shù)字電視地面?zhèn)鬏敇藴实慕⒌於▓詫嵉幕A(chǔ)。