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数字电视解调芯片若干关键技术及其应用研究

陈赟  
【摘要】: 随着数字时代的到来,信息化程度的不断提高,人们相互之间的信息和数据交换日益增加。正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplex,OFDM)作为一种高频谱利用率的数字调制方式,在无线局域网(Wireless Local AreaNetwork,WLAN)、增强型3G技术(Enhanced 3G,E3G)、高清晰度电视(HDTV)广播、还有超宽带(Ultra Wide Band,UWB)等无线宽带通信领域得到了广泛应用。相关的国际标准和规范包括IEEE802.11、TD-SCDMA、ETSI提出的DVB-T、中国地面数字电视标准DTMB等。 近年来,集成电路和数字通信技术飞速发展,使高速数字通信系统集成于单芯片的实现成为可能。OFDM主要有时域同步OFDM(Time Domain SynchronousOFDM,TDS-OFDM)、编码OFDM(Coded OFDM,COFDM)、零填充OFDM(ZeroPadding OFDM,ZP-OFDM)三类。其中TDS-OFDM具有快速准确同步,频谱利用率高,实现复杂度低等优点,是OFDM传输方式中最重要的一种。鉴于TDS-OFDM调制/解调器芯片在宽带数据通信中的重要性,研究高性能TDS-OFDM解调器的设计方法及其VLSI体系结构已成为当前通信、集成电路设计领域热点和难点之一。根据应用领域的不同,宽带TDS-OFDM通信系统对解调器的结构/性能有各自不同的要求;本文的研究重点不在于设计某一具体的解调器芯片,而是解决数字电视解调器芯片设计中具有共性的问题,其研究成果可应用于符合DVB-T、DVB-H标准的数字电视接收机、符合中国电视DTMB标准的解调器、Wireless modem、HDTV接收机、等大多数基于OFDM的宽带通信领域。 本论文的主要工作包括; 1.在研究现有多种宽带OFDM通信标准/规范的基础上,分析了影响数字电视解调器的性能的主要因素,并提出了数字电视解调器的基本体系结构,讨论了解调器芯片设计中的关键技术问题。 2.深入研究了数字电视系统中的同步问题,包括载波同步、定时恢复和帧同步三方面的关键技术。从理论上系统分析了同步偏差对OFDM系统的影响。在充分研究了近年来国际上OFDM系统所采用的同步算法的基础上,借鉴数字通信技术方面的经验,分析PN序列的特性,提出了一系列适用于TDS-OFDM传输系统的同步算法及结构。上述方案相对传统方法,在显著提高了同步性能的同时,有效降低了芯片设计复杂度。 3.结合无线传播信道的特性,阐明了信道估计和均衡的重要性。本文提出了一种适合COFDM系统的时频二维插值的方法并改进了维纳滤波器的硬件结构,有效的降低了信道估计的复杂度。研究了适用于COFDM系统的基于EM算法的导频和数据联合估计的信道估计算法降低了迭代次数。并针对TDS-OFDM系统的特点,比较了不同情况下在频域和时域进行PN序列相关的信道估计的优缺点,改进了现有的TDS-OFDM信道估计与均衡硬件结构。分析了相位噪声对OFDM系统的影响。提出了一种基于TPS的既能消除CPE又能去除ICI的5点消除相位噪声算法。 4.研究了多码率非规则的LDPC解码器的VLSI结构。首先从LDPC的原理入手,分析了现有的LDPC算法的硬件实现性,选择min-sum算法作为VLSI结构的基本算法。接着提出单码率的LDPC的VLSI结构,说明在非规则情况下的实现难度。最后以DTMB中的LDPC码为例提出了基于存储器控制策略的多码率非规则LDPC的VLSI结构,并完成了FPGA验证。 5.在详细分析了中国数字电视地面传输标准DTMB之后,给出了符合DTMB的数字电视解调器的性能指标。然后将本文研究的部分成果应用到DTMB芯片的算法和VLSI设计中,并成功进行了FPGA和MPW的芯片验证工作。最后给出了实验室和外场测试的结果。


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