DTMB數(shù)字電視解調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

敬奕艷，曹高翔

（康佳集團(tuán)多媒體全球研發(fā)中心，廣東 深圳 518053）

與模擬電視相比，數(shù)字電視有很多優(yōu)勢(shì)，如圖像清晰度高、抗干擾能力強(qiáng)、音頻質(zhì)量好、頻譜利用效率高、便于進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、廣播發(fā)射功率低。很多國(guó)家和地區(qū)都已制定了各自的數(shù)字電視制式，比如美國(guó)的ATSC，歐洲的DVB-T，日本的ISDB-T等[1]。我國(guó)于2006年8月18日發(fā)布了《數(shù)字電視地面廣播傳輸系統(tǒng)幀結(jié)構(gòu)、信道編碼和調(diào)制》GB20600—2006國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，簡(jiǎn)稱DTMB標(biāo)準(zhǔn)。2011年12月6日，DTMB成為國(guó)際電聯(lián)第4個(gè)地面數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)[2]。根據(jù)我國(guó)相關(guān)部門的要求，在2015年之前，解調(diào)DTMB數(shù)字電視將成為國(guó)內(nèi)銷售電視機(jī)的必備功能。因此，DTMB解調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)成為近幾年電視技術(shù)研究的一個(gè)熱點(diǎn)。

1 DTMB概述

表1 DTMB的7種重要模式

2 DTMB解調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

DTMB包含多項(xiàng)技術(shù)參數(shù)：?jiǎn)屋d波或多載波，前向糾錯(cuò)碼率、PN類型、符號(hào)星座映射方式等，可組合成300余種不同的工作模式?！兜孛鏀?shù)字電視接收機(jī)通用規(guī)范》[3]只對(duì)其中7種具有實(shí)用價(jià)值的模式作了具體要求。一般而言，設(shè)計(jì)DTMB數(shù)字電視接收機(jī)也只是針對(duì)這7種模式進(jìn)行性能指標(biāo)測(cè)試，如表1所示。

2.1 DTMB解調(diào)系統(tǒng)的硬件組成

DTMB數(shù)字解調(diào)系統(tǒng)的硬件有3個(gè)關(guān)鍵部分：Tun?er（調(diào)諧器）、DTMB信道解調(diào)芯片和TS流（Transport Stream）解碼器。

從圖1可見，來自天線或信號(hào)發(fā)生器的RF（射頻）信號(hào)進(jìn)入Can Tuner（鐵盒式調(diào)諧器）或Silicon Tuner（硅調(diào)諧器），目前廣泛使用的是Silicon Tuner。Tuner將調(diào)制在不同高頻載波上的信號(hào)搬移到統(tǒng)一的IF（中頻）載波上，輸出模擬IF信號(hào)或模擬I/Q基帶信號(hào)送到DTMB信道解調(diào)芯片ATBM8878。

圖1 數(shù)字電視接收系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

根據(jù)IF的強(qiáng)度，發(fā)出AGC（自動(dòng)增益控制）信號(hào)送回Tuner，使Tuner對(duì)IF強(qiáng)度進(jìn)行反向調(diào)整。二者之間有I2C總線通信線路，對(duì)臺(tái)位、頻點(diǎn)等信息進(jìn)行通信。ATBM8878和Main Processor（主處理芯片）也通過I2C總線通信，主芯片是主控制器件，ATBM8878是從屬器件。ATBM8878還作為I2C轉(zhuǎn)發(fā)器，建立起主處理芯片和Tuner之間的通信。在現(xiàn)在主流的電視方案中，主處理芯片集成度很高，包含MCU（微控制器）、模擬音視頻處理模塊、模擬電視解調(diào)模塊等，前述TS流解碼器也包含其中。ATBM8878外圍需要接上一個(gè)晶振或時(shí)鐘信號(hào)，作為芯片內(nèi)各功能模塊的時(shí)間基準(zhǔn)。

ATBM8878輸出的TS流，送進(jìn)主處理芯片進(jìn)行解復(fù)用和解碼，解出圖像信號(hào)和數(shù)字音頻信號(hào)，圖像信號(hào)通過顯示設(shè)備顯示出來，數(shù)字音頻信號(hào)再經(jīng)過DAC（數(shù)模轉(zhuǎn)換）得到模擬音頻信號(hào)，通過揚(yáng)聲器播放。主處理芯片外掛SDRAM和Flash，SDRAM用于暫存接收機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)算數(shù)據(jù)，F(xiàn)lash用于存放軟件文件。

2.2 信道解調(diào)芯片工作原理淺析

以ATBM8878為例，它能完全滿足中國(guó)數(shù)字電視地面廣播系統(tǒng)GB/T 26686—2011的要求，能靈活地適應(yīng)較大的載波頻偏、ADC采樣時(shí)基偏移和較長(zhǎng)的脈沖干擾，能很好地對(duì)抗較強(qiáng)的數(shù)字音頻壓縮偽影和前回波，尤其是對(duì)單頻網(wǎng)絡(luò)。其具備的自動(dòng)信道估計(jì)技術(shù)能適應(yīng)信道的快速變化，因此，即使是在快速衰落的信道環(huán)境下，ATBM8878也可正常解調(diào)數(shù)字電視信號(hào)。ATBM 8878的內(nèi)部框圖如圖2所示。

Tuner接收到調(diào)制有地面數(shù)字信號(hào)的RF信號(hào)，解調(diào)出模擬IF信號(hào)，送進(jìn)ATBM8878，外掛的晶振接至芯片內(nèi)部的PLL（鎖相環(huán)）電路。PLL的作用是跟蹤相位差，產(chǎn)生控制信號(hào)去修正壓控振蕩器產(chǎn)生的頻率，使頻率保持穩(wěn)定。

圖2 ATBM8878的內(nèi)部框圖

在ADC模塊中對(duì)模擬IF進(jìn)行采樣，得到數(shù)字IF信號(hào)。根據(jù)數(shù)字IF的強(qiáng)度，AGC模塊輸出信號(hào)給Tuner，反方向調(diào)整模擬IF的強(qiáng)度，最終使數(shù)字IF的強(qiáng)度保持在一個(gè)正常范圍。ADC模塊的性能非常關(guān)鍵，如果性能不佳，解調(diào)出的數(shù)字信號(hào)會(huì)受到較大影響。

經(jīng)過正交解調(diào)，將IF信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閎aseband（基帶）信號(hào)。時(shí)域恢復(fù)模塊的作用是改善采樣速率和相位偏差，獲得最佳采樣點(diǎn)。頻域恢復(fù)模塊用于調(diào)整頻率偏差和相位偏差。信道估計(jì)即對(duì)信道模型的參數(shù)進(jìn)行估計(jì)，對(duì)數(shù)字電視的解調(diào)效果有很大影響。均衡是利用估計(jì)出的信道參數(shù)對(duì)實(shí)際信道的線性失真進(jìn)行補(bǔ)償?shù)倪^程[4]。

為提升DTMB的性能，在信道編碼中，采用了程度很深的交織，因此在時(shí)域解交織時(shí)，需要搭配大容量的SDRAM存儲(chǔ)臨時(shí)計(jì)算數(shù)據(jù)，ATBM8878內(nèi)置了SDRAM。

數(shù)字電視信號(hào)在傳輸過程中可能受到外部干擾引起誤碼，因此必須引入FEC（前向糾錯(cuò)）技術(shù)。FEC是對(duì)傳輸信號(hào)編碼時(shí)，在有用信號(hào)前根據(jù)一定算法加入校驗(yàn)字；在接收端按相應(yīng)的算法進(jìn)行解碼，從而糾正碼流在傳輸過程中產(chǎn)生的部分錯(cuò)誤。

解擾器是針對(duì)一些在數(shù)字電視信號(hào)中加擾或加密的情況。

ATBM8878可解調(diào)出多種格式的Transport Stream，包括MPEG-2，MPEG-4，H.264和AVS。

2.3 ATBM8878解調(diào)電路

如圖3所示，ATBM8878需要3.3 V和1.2 V兩種供電，其中3.3 V for Tuner分出兩個(gè)支路3.3 V digital和3.3 V，分別給芯片內(nèi)部數(shù)字和模擬處理模塊供電。如圖4所示，芯片的每個(gè)供電腳都接上0.1 μF去耦電容，在PCB上必須盡可能靠近管腳放置才能達(dá)到理想的去耦效果。

圖3 ATBM8878供電圖

圖4 ATBM8878電路圖（截圖）

ATBM8878的pin42是復(fù)位腳，可由R104和C140組成的RC電路實(shí)現(xiàn)低電平復(fù)位，或者由來自主芯片的I/O信號(hào)Demod_RST進(jìn)行復(fù)位。

由圖4可見，將Tuner對(duì)RF信號(hào)解調(diào)得到的差分IF信號(hào)IFP和IFN送到pin20和21，串聯(lián)0.1 μF電容用于交流耦合。該芯片可支持來自兩個(gè)Tuner的兩組IF信號(hào)輸入，另一組從pin18和19輸入，本方案只有一組IF信號(hào)，pin18和19接地。

芯片外掛30.4 MHz晶振，ATBM8878對(duì)晶振的性能參數(shù)有如下要求：

1）最大頻偏：±50/106；對(duì)于30.4 MHz晶振，頻率最大的偏差范圍是±1.52 kHz。

2）負(fù)載電容：12 pF；負(fù)載電容會(huì)影響晶振的起振與否和頻率的準(zhǔn)確度，通常是通過在晶振的兩腳上接下地陶瓷電容來調(diào)整負(fù)載電容的值。

IF_AGC_D是ATBM8878發(fā)出的PWM信號(hào)，經(jīng)過R141和C184組成的低通濾波電路，產(chǎn)生直流電平送到Tuner，根據(jù)檢測(cè)到的數(shù)字電視IF的強(qiáng)度去控制Tuner內(nèi)部放大電路的增益。如果IF較強(qiáng)，則降低增益；如果IF較弱，則加大增益。IF強(qiáng)度不同，PWM的占空比就不同，直流電平的高低也不同，從而Tuner內(nèi)部放大電路的增益就不同。

ATBM8878有兩組I2C接口，每組由時(shí)鐘和數(shù)據(jù)組成。Pin29和30的TUN_SCL和TUN_SDA連接到Tuner的I2C接口，只用于二者之間的通信。Pin26和27的SCL_T和SDA_T連接到主芯片的I2C接口，和主芯片通信。Tuner和主芯片之間沒有直接的通信路徑，二者間的信息交換，必須通過ATBM8878這個(gè)媒介。

ATBM8878可支持串行或并行的TS流，而大多數(shù)主處理芯片也可同時(shí)支持這兩種方式，那么優(yōu)選并行方式，如圖5所示。串行傳輸?shù)拿總€(gè)時(shí)鐘對(duì)應(yīng)1 bit，并行傳輸?shù)拿總€(gè)時(shí)鐘對(duì)應(yīng)1 byte。因此并行方式在EMI方面有優(yōu)勢(shì)，在所需傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量相同時(shí)，并行傳輸?shù)臅r(shí)鐘頻率只是串行時(shí)鐘頻率的1/8，可降低時(shí)鐘線的輻射強(qiáng)度，減少對(duì)周邊電路的干擾。TS0～TS7是并行TS流信號(hào)，每路串聯(lián)33 Ω電阻用于阻抗匹配，TS1_D[7：0]連接到主處理芯片的相應(yīng)接口。

圖5 并行TS流

Pin48 TS_SYNC是在傳輸過程中實(shí)現(xiàn)ATBM8878和主處理芯片同步收發(fā)的控制信號(hào)，在軟件設(shè)置中，可自由選擇對(duì)每一個(gè)bit同步或?qū)γ恳粋€(gè)byte同步。

Pin47 TS_VALID是從主處理芯片端反饋回來的數(shù)據(jù)確認(rèn)信號(hào)，針對(duì)188 byte或204 byte的DTMB TS流數(shù)據(jù)包長(zhǎng)，可選擇每188 byte或204 byte發(fā)出一個(gè)確認(rèn)信號(hào)。

TS_CLK是TS0-TS7，TS_SYNC,TS_VALID這幾個(gè)信號(hào)的時(shí)間基準(zhǔn)。

2.4 軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

ATBM8878的底層驅(qū)動(dòng)程序提供了4個(gè)API（應(yīng)用編程接口），包括硬件復(fù)位、延時(shí)、讀I2C操作和寫I2C操作。當(dāng)軟件調(diào)用ATBM8878硬件復(fù)位API后，會(huì)對(duì)芯片進(jìn)行復(fù)位，配置晶振的頻率，Tuner IF的頻率和TS輸出格式等。具體解調(diào)軟件流程如圖6所示。

圖6 DTMB解調(diào)軟件流程圖

1）搜臺(tái)操作

使Tuner自動(dòng)地搜索頻道列表里的所有頻點(diǎn)，從最低頻點(diǎn)，以8 MHz的步長(zhǎng)，搜索到最高頻點(diǎn)，并保存搜索到的DTMB數(shù)字臺(tái)位。一般DTMB的頻率范圍從474～858 MHz。

2）換臺(tái)操作

同樣的臺(tái)位切換時(shí)，不會(huì)對(duì)Tuner和ATBM8878進(jìn)行任何操作；不同的臺(tái)位切換時(shí)，只需向Tuner寫入新的RF頻率，不用再進(jìn)行初始化操作。

3）鎖定操作

軟件會(huì)向Tuner的寄存器寫入特定的頻點(diǎn)或頻道，然后讀取ATBM8878的鎖定標(biāo)志位來判斷解調(diào)器是否找到了有效的數(shù)字電視信號(hào)。如果找到，就存儲(chǔ)頻點(diǎn)信息，并繼續(xù)進(jìn)行TS流解碼。

3 DTMB性能測(cè)試方法和報(bào)告

在試驗(yàn)室進(jìn)行DTMB接收機(jī)的性能測(cè)試，主要采用SFU Broadcast Test System，它是碼流儀、調(diào)制器和信道仿真器等多種儀器的集合體。支持包含DTMB在內(nèi)的各種數(shù)字制式信號(hào)的輸出；內(nèi)部集成了數(shù)字電視和模擬電視干擾信號(hào)源，用于測(cè)試接收機(jī)抑制數(shù)字或模擬電視的同頻、上下鄰頻干擾的能力；能模擬多種常用典型的信道模型，如高斯信道、萊斯信道和瑞利信道等。

測(cè)試項(xiàng)目主要是：最小接收電平，最大接收電平，高斯信道載噪比，萊斯信道載噪比，瑞利信道載噪比，抑制模擬電視同頻、上下鄰頻干擾能力，抑制數(shù)字電視同頻、上下鄰頻干擾能力和頻率捕捉范圍等。每項(xiàng)測(cè)試都需對(duì)DTMB的7種模式逐一測(cè)試，在低頻段、中頻段和高頻段各選取1～2測(cè)試頻點(diǎn)。表2和表3提供了該DTMB解調(diào)系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，測(cè)試結(jié)果證明系統(tǒng)設(shè)計(jì)是可行的。

表2 DTMB性能測(cè)試報(bào)告（第一部分）

表3 DTMB性能測(cè)試報(bào)告（第二部分）

除了實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，實(shí)地場(chǎng)測(cè)也是數(shù)字電視接收機(jī)十分重要的測(cè)試手段，一般選取遠(yuǎn)離發(fā)射臺(tái)的偏遠(yuǎn)山區(qū)，高樓密集的城市室內(nèi)等惡劣的接收環(huán)境。對(duì)于DTMB數(shù)字電視，除了測(cè)試惡劣的信道環(huán)境之外，還需要對(duì)多種標(biāo)準(zhǔn)或非標(biāo)準(zhǔn)格式和碼率的TS流加強(qiáng)測(cè)試。

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[1]陳田明.美歐數(shù)字電視制式比較及中國(guó)數(shù)字電視展望[J].深圳大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，20（2）：42-47.

[2]潘長(zhǎng)勇.DTMB標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用與發(fā)展[J].電視技術(shù)，2012，36（22）：15-16.

[3]GB/T 26686—2011，地面數(shù)字電視接收機(jī)通用規(guī)范[S].2011.

[4]劉雨.國(guó)標(biāo)地面數(shù)字電視DTMB接收系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].北京：北京郵電大學(xué)，2009.