数字电视地面广播传输系统发端FPGA 设计与实现

【关键词】数字电视 广播传输系统 FPGA

在技术的推动下，当前电视逐渐充财社电

视向数字化和高清晰度方向麦基。与传统模拟

电视相比，数字电视的信号处理、传输及传播

都发生巨大变革，数字电视的图像和声音质量

都会远远超过传统模拟电视。经过研发人员的

坚持不懈，我国的数字电视地面广播（DTTB）

也取得巨大进展，政府于2006 年颁布了数字

电视地面广播传输系统帧结构、信道编码和

调制标准。数字电视地面广播传输系统发端从

TS 码流到信号转换，数据码流经过了一系列

处理后形成基本数据块，再经帧体数据处理后

形成信号帧，信号帧经基带后处理、变频处理

生成射频信号，最后放大信号后发射。

1 FPGA设计实现方案

本研究设计的数字地面电视广播传输系

统中，发端FPGA 是实现系统各个模块功能的

基础，如FPGA 芯片负责数字基带、专用器件

负责完成数字变频和D/A 转换。该设计方式

优点在于系统结构简单灵活，方便调试系统，

发端FPGA 设计方案详见图1。发端FPGA 外

部包含一个时钟控制单元，通过锁相环生成各

个模块的工作时钟，总控制单元负责各模块启

动和数据传输工作中。

2 信道编码及星座映射的FPGA设计

信道编码及星座映射包含随机化、前向

纠错编码以及复用三个内容。

2.1 随机化

是指输入的数据马六和比特码流分经过

结构变化及逐位模二加后生成数据扰乱码，本

方案通过移位寄存器生成随机序列，序列多项

式定义为G（x）=1+x14+x15。首先，通过信号

帧开始信号生成移位寄存器的初始化信号，使

寄存器开处于初始化状态，时钟同步循环，并

生成为伪随机序列，根据位与输入数据流模二

方式开始计算，达到随机输入数据的效果。

2.2 前向纠错编码

通过外码和内码协同实现，计数器通过

对移位寄存器的循环及复位进行控制，以生成

合适码长。根据生成矩的特点，内码编码首先

文/张富

结合国家标准GB-20600-2006

相关要求，对数字电视广播传输

系统发端结构进行分析，提出发

端FPGA 设计与实现方案，重点对

数字逻辑部分的FPGA 设计进行分

析，包括信道编码及星座映射、

信道调制、信号数据帧的设计与

实现。

摘 要

将循环矩阵行信息存储至移位寄存器内，再和

输入数据进行同步循环移位。单个时钟内，只

能完成一位输入数据与相对应相乘运算。获得

运算结构后，依据位异或并方式，将结果存入

对应的寄存器内，从而并行处理输入数据与循

环矩各列的运算及结果相加。并行使用以上结

构可通过控制循环矩行信息重新复位，可到的

内码的校验位，再输入信息位复用，即可获得

完整的内码码字。

2.3 星座映射与交织

星座映射采用ROM 查找方式处理，首先

将星座映射后形成的星座符号扩展为码字，按

照一定迅速存储至ROM，映射方式控制信号

控对输入码流进行控制，并将输入码流分解为

宽度合适的码字，映射方式控制信号同时对其

进行处理，将输入码流生成ROM 地址。系统

根据地址读取ROM 信息和输出符号位[]。交

织的时域符号在多个信号帧基本数据块之间完

成，编码方式选用卷积交织变法方式，该方式

以星座符号为基础。时域交织工作模式分为两

种，但是两种工作模式的结构相同，仅M 取

值存在差异。当M-2，所需存储器资源更多，

使用移位寄存器会增大硬件消耗，因而本研究

采用外部SDRANM 完成，欧诺个古控制模式

生成存储读取地址后，控制器进行读写操作，

从而完成时域交织。

3 信道调制设计

信道调制设计包括频域交织、OFDM 调

制以及两个部分，系统信息为6 bits 扩频前的

系统信息，通过ROM 地址查找将其扩展为32

bits，复用4 bits 真帧体模式符号产生36 位系

统信息复数符号。在单载波模式中，无需任何

处理，可直接生成是时域信号帧。而在多载波

模式中们需要在频域交织后，通过OFDM 调

制生成时域信号帧。

3.1 频域交织

频域交织是服用后3780 点交织，本系统

采用双口RAM 存储方式对进行处理，初始阶

段，将交织输出符号序号存入ROM，再按照

一定顺序将数据存入RAM，并依据存储序列

地址作为RAM 读取顺序，从而完成频域交织。

本系统设计了的两块相同的RAM，输入信号

和输出数据均有控制信号交替存储完成，从而

实现实时处理输入信号。

3.2 OFDM调制

本方案的OFDM 调制模块通过3780 点

IFFT 实现，由于3780 并非2 的幂次方，因而

采用基于存储器的3780 点FFT 实现，而非传

统基2 或基4。3780 点DFT 分别经过60 次

63 点DFT、乘以旋转因子矩阵以及进行63 次

60 点DFT 实现。60 点和63 点DFT 的均采用

WFTA 算法，并利用5 级WFTA 和1 个旋转

因子矩阵获得整个3780 点FFT。

4 信号数据帧实现

信号帧包括帧头及帧体，我国相关标准

提出了3 种帧头模式，不同帧头模式的长度不

同，但是每种帧头模式的生成方式具有相似之

处。帧头产生结构为伪随机二进制序列，再利

用移位寄存器生成帧头。控制模块控制序列生

成模块，计数器生成额定长度序列，最后有数

据选择器服用帧头和帧体。由于信号帧帧头的

PN信号不通，因而可以将PN信号识别信号帧，

但是需要事先设置计数器的选择初始状态值，

并利用数据选择器确定输出帧体数据的控制信

号，事先控制移位寄存器的初始化。

5 结语

本方案仅对数字电视地面广播传输系统

发端FPGA 的数字逻辑和转换装置进行分析，

并采用自上而下的设计原则进行分析。在实际

应用中，还可通过I/Q 调制器和变频器达到上

变频作用，再结合模拟上变频器和射频发射设

备，才形成完整的发射前端。

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作者简介

张富（1978-）， 男， 内蒙古呼和浩特人，

大学本科学历，现为国家新闻出版广电总局

六九四台工程师。主要研究方向为广播电视维

护。

作者单位