CN101895699B - 用于准实时信号分析仪的地面数字电视信号解调解码分析方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于准实时信号分析仪的地面数字电视信号解调解码分析方法。该方法由FPGA直接接收经过调谐器中的模数转换器输出的中频A/D转换数据，并进行数据采集、下变频和低通滤波等预处理；由解码芯片同时对多载波信号进行处理，实时输出传输流TS及解调中出现的误码个数；由DSP完成相对复杂的载波及定时恢复，信道估计均衡以及星座图数据分析等运算，同时DSP通过I2C总线访问解码芯片的内部寄存器，读取芯片输出的误码个数，记录误码出现的时刻和错误数，从而得到中频信号的BER/PER指标，并输出误码统计图。本发明充分发挥DSP、FPGA和ASIC芯片在信号分析中的各自优势，使得系统具有实现复杂度低，灵活性高，以及实时解码的特性。

Description

用于准实时信号分析仪的地面数字电视信号解调解码分析方法
【技术领域】
本发明涉及地面数字电视领域的信号解调解码分析系统，采用DSP(数字信号处理器)+FPGA(元器件可编程逻辑门阵列)+ASIC(专用集成电路)芯片的方案进行解调解码分析。DSP+FPGA对DTMB(数字电视地面多媒体广播)信号进行解调分析，输出星座图，MER(调制误差率)、EVM(矢量误差)、系统信息等解调中间信息，用于信号的诊断测量，同时用ASIC芯片进行解码，实时输出电视节目流，以及输出PER(误包率)，BER(误码率)等信息用于信号的长时间监测，可以捕获信号的突发干扰。
【背景技术】
数字电视的信号分析包括解码和解调两部分。它的实现主要有以下几种方法：
1)、芯片方案：就是依据现成的ASIC芯片，通过读取芯片提供的信息，给出解调、解码的各个参考参数。
优点是：实现速度快，复杂度低，实时的解调解码信息读取。
其不足是：受芯片本身的束缚较多，很不灵活。因为芯片的主要用处是解码数字信号，提供稳定的码流输出，所以它输出的中间测试信号内容非常有限。
2)、DSP软解调方案：在宽带输入和高速采样的基础上，用DSP进行数字电视信号的解调和解码。
优点是：实现复杂度比较低，非常灵活，可以根据客户需要和调制方式的不同，随时调整各中间测试结果的输出。可以方便的增加、减少和修改所需的测试参数，并可以根据测试结果进行综合分析。
其不足是：不能实现实时的解调解码。由于DSP本身的内RAM空间有限，对于需要存储大量码字后才能进行解码分析的编码方式，在解码分析方面尤为不足。
3)、FPGA等硬件解调方案：用FPGA的硬件解调逻辑完成信号的解调，输出星座图，以及各种解调解码信息。
优点是：比较灵活，是实时解调。
其不足是：实现复杂度较高，而且方案确定之后，修改会比较复杂。
【发明内容】：
本发明目的是克服现有技术存在的上述不足，提供一种用于准实时信号分析仪的地面数字电视信号解调解码分析方法。
2006年我国提出了自己的数字电视地面多媒体广播GB20600-2006(DTMB)，该标准的信号时域符号交织延迟最大达510个信号帧(交织模式为720时)，最长的信号帧长是625μs(帧头模式为PN(伪随机序列)945时)。也就是说基于本标准的时域交织器最大延时达318.75ms，按照7.56MHz的码率计算，需要存储的数据长度为2409750个码字，这么大数据量已经显然不适合用DSP来存储和运算。因此根据DTMB信号的这一特性，综合考虑实现的复杂度和分析结果的灵活性，本发明采用DSP+FPGA+ASIC芯片的分析方案。
本发明提供的用于准实时信号分析仪的地面数字电视领域的信号解调解码分析方法，包括如下步骤：
第1、中频A/D转换数据的预处理：由元器件可编程逻辑门阵列FPGA直接接收经过调谐器中的模数转换器输出的中频A/D转换数据，并对这些数据进行预处理，然后将预处理之后的数据传给DSP做进一步处理；
所述的预处理包括：数据的采集，下变频和低通滤波，经过FPGA预处理输出的数据是采样率20MHz～50MHz(可根据不同硬件进行调整，典型值在中频为36MHz时，采样率是28MHz，)，带宽为8M的基带信号数据，这些数据被存储到DSP的外存储器同步动态随机存储器SDRAM之中，数据存满之后FPGA会中断通知DSP，取用新的数据；
第2、解码处理：解码芯片同时对多载波信号进行处理，即解码芯片接收调谐器输出的中频信号，实时输出传输流TS及解调中出现的误码个数；传输流的对外输出可供进一步的码流分析使用，或者进一步解码后输出给电视终端进行电视节目的输出；
第3、DSP数据处理
第3.1、DSP对接收到的经过FPGA预处理之后的数据首先进行载波及定时恢复，载波及定时恢复后输出载波频偏、定时频偏，然后进行信道估计与均衡；
第3.2、信道估计与均衡处理后，输出包含信号调制编码信息的系统信息值、反映回波状态的回波测试图形和可以解读多种噪声原因的星座图；
第3.3、最后DSP对星座图数据进行分析，给出MER/ENM(估计噪声容限)/EVM的统计结果以及信号相位的噪声分析图；
第3.4、同时DSP通过I2C(内部整合线路)总线访问解码芯片的内部寄存器，读取芯片输出的误码个数，记录误码出现的时刻和错误数，从而得到中频信号的BER/PER指标，并输出误码统计图。
其中，第3.1步所述的载波及定时恢复的具体处理过程如下：
经过FPGA预处理的基带信号，进入插补和匹配滤波模块，插补后数据以四倍码速率进行输出；匹配滤波后的数据进到帧同步判定模块，考虑到运算的复杂度和DSP存储空间的问题，在找到同步头之前数据可以以一倍的码速率进行存储运算，确定帧头之后，帧头部分用四倍的码速率进行存储，帧体可以继续用一倍的速率进行存储；分离出的帧头进行载波频偏和定时频偏估计；通过对实际解调系统的分析，得到以下结论：(1)系统的载波频偏可能会有几十KHz，但是频率抖动的值却很小，一般在几十Hz，(2)因为数字电视地面多媒体广播(DTMB)的调制码输出速率是固定不变的，所以相对于载波频偏，定时频偏的值一般要小得多；因此根据系统的特性，将载波频偏的估计和校正分成两步进行；大的频率误差反馈给调谐器单元，令其重新锁定更精确的频率值，剩余的相位误差，在帧头和帧体数据中，分别通过相位校正模块进行校正；而定时频偏的估计则在第一步载波频偏的粗估计完成之后再进行，这样可以比较好的避免定时和载波频偏之间的相互影响，提高每段数据的锁定速度并且保证锁定的精度；定时频偏的值被反馈到插补和匹配滤波模块用来修正插补频率和位置；在锁定一个频点进行解调时，首先通过宽的载波频偏估计，得到频偏的粗略估计结果，并将它反馈给调谐器单元，使得重新锁定的中频信号的频率误差小于500Hz；这样经重新锁定的信号，再次进行载波频偏校正时，载波环路可以很快锁定，非常适合准实时系统的信号分析。
第3.2步所述的信道估计与均衡的具体处理过程如下：
经过相位校正的帧体数据，进一步用来做信道估计，对信道估计的数据及帧体数据同时做快速傅立叶变换DFT运算，然后做频域的信道均衡；最后将信道均衡的输出进行DFE均衡，进一步降低载波间干扰ICI的影响，并输出星座图。
本发明用于准实时信号分析仪的地面数字电视领域的信号解调解码分析系统，本发明采用DSP+FPGA+ASIC芯片的分析方案，解调中算法相对简单稳定，不需要经常修改且不涉及参数输出的部分放在FPGA中完成；解调中算法比较复杂，而且涉及绝大部分测试结果输出的部分放在DSP中，DSP是系统的控制和运算中心，它控制FPGA硬件逻辑的数据采集和解码芯片的工作；芯片负责解码，输出TS流(传输流)和误码个数。DTMB解调解码的整体框图如图1所示。
本发明的优点和有益效果：充分发挥DSP、FPGA和ASIC芯片在信号分析中的优势，使得系统具有实现复杂度低，灵活性高，以及实时解码的特性。
【附图说明】
图1是DTMB解调解码的整体框图，
图2是DTMB信号解调的流程图，
图3是解码芯片的工作原理图，
图4是FPGA输入信号频谱图，
图5是经过FPGA预处理的输出信号频谱图，
图6是DSP解调输出星座图，PER/BER，MER/ENM/EVM，系统信息，载波频偏，定时频偏的测试结果，
图7是回波测试图形，
图8是误码统计图形。
【具体实施方式】
实施例1
如图1所示，本发明提供的用于准实时信号分析仪的地面数字电视领域的信号解调解码分析方法，包括如下步骤：
第1、中频A/D转换数据的预处理：由元器件可编程逻辑门阵列FPGA直接接收经过调谐器中的模数转换器输出的中频A/D转换数据，并对这些数据进行预处理，然后将预处理之后的数据传给DSP做进一步处理；
所述的预处理包括：数据的采集，下变频和低通滤波，经过FPGA预处理输出的数据是采样率20MHz～50MHz(可根据不同硬件进行调整，典型值在中频为36MHz时，采样率是28MHz，)，带宽为8M的基带信号数据，这些数据被存储到DSP的外存储器同步动态随机存储器SDRAM之中，数据存满之后FPGA会中断通知DSP，取用新的数据；
第2、解码处理：解码芯片同时对多载波信号进行处理，即解码芯片接收调谐器输出的中频信号，实时输出传输流TS及解调中出现的误码个数；传输流的对外输出可供进一步的码流分析使用，或者进一步解码后输出给电视终端进行电视节目的输出；
第3、DSP数据处理
第3.1、DSP对接收到的经过FPGA预处理之后的数据首先进行载波及定时恢复，载波及定时恢复后输出载波频偏、定时频偏，然后进行信道估计与均衡；
第3.2、信道估计与均衡处理后，输出包含信号调制编码信息的系统信息值、反映回波状态的回波测试图形和可以解读多种噪声原因的星座图；
第3.3、最后DSP对星座图数据进行分析，给出MER/ENM(估计噪声容限)/EVM的统计结果以及信号相位的噪声分析图；
第3.4、同时DSP通过I2C(内部整合线路)总线访问解码芯片的内部寄存器，读取芯片输出的误码个数，记录误码出现的时刻和错误数，从而得到中频信号的BER/PER指标，并输出误码统计图。
本发明解码芯片的工作配置图如图3所示：中频信号依次经过衰减器、放大器、滤波器和自动增益控制放大器，最后进入解码芯片。衰减器的作用就是减小后级处理电路对主路中频信号的干扰，低噪声放大器作用有两个，一是用于放大信号，使信号幅度达到一定的强度，二是抑制信号反向干扰，滤波器的作用就是抑制中频带外信号的幅度，减小带外信号对中频信号的干扰，AGC(自动增益控制放大器)用于放大信号以达到解码芯片的最佳解码的幅度范围。
本发明用DSP完成相对复杂的载波及定时恢复，信道估计均衡以及星座图数据分析等运算。这部分输出的测试参数都是相对稳定的，对实时性的要求不是很严格，而非实时性的设计将大大提高系统的灵活性，同时降低实施的复杂度。因此这部分被设计成了一个准实时系统，存储固定时长的数据之后，用大约10倍存储时长的时间进行运算处理。时长选用合适的话，得到的测试结果跟实时系统是基本一致的。分时存储的数据在进行解调时，每段都要重新找同步头，进行载波和定时恢复，而解调的主要目的是输出相应的测试参数，而不是做译码的输出。因此根据系统的特殊性，将DSP的信号解调的流程设置成如图2所示。
经过FPGA预处理的基带信号，进入插补和匹配滤波模块，插补后数据以四倍码速率进行输出；匹配滤波后的数据进到帧同步判定模块，考虑到运算的复杂度和DSP存储空间的问题，在找到同步头之前数据可以以一倍的码速率进行存储运算，确定帧头之后，帧头部分用四倍的码速率进行存储，帧体可以继续用一倍的速率进行存储；分离出的帧头进行定时频偏和载波频偏估计，定时频偏反馈到插补和匹配滤波模块用来修正插补频率和位置，载波频偏对多载波信号的解调产生的影响比较大，为了提高每段数据的锁定速度并且保证锁定的精度，载波频偏的估计和校正分成两步进行。大的频率误差反馈给调谐器单元，令其重新锁定更精确的频率值，剩余的相位误差，在帧头和帧体数据中，分别通过相位校正模块进行校正。通过对实际解调系统的分析，得到以下结论：系统的频偏可能会有几十KHz，但是频率抖动的值却很小，一般在几十Hz。因此在锁定一个频点进行解调时，可以首先通过宽的载波频偏估计，得到频偏的粗略估计结果，并将它反馈给调谐器单元，使得重新锁定的中频信号的频率误差小于500Hz。经重新锁定的信号，再次进行载波频偏校正时，载波环路可以很快锁定。非常适合准实时系统的信号分析。
经过相位校正的帧体数据，进一步用来做信道估计，对信道估计的数据及帧体数据同时做DFT(快速傅立叶变换)运算，然后做频域的信道均衡；最后将信道均衡的输出进行DFE均衡，进一步降低ICI(载波间干扰)的影响，并输出星座图。
本发明方法已经在天津市德力电子仪器有限公司最新一代的数字信号分析仪(DS8831T和DS8853T)上进行验证，验证过程及结果如下：
每次采集100ms的数据，分析时间1s左右，载波误差估计范围±50KHz，定时误差估计范围±20ppm，回波测试范围±125us，星座图MER测试范围(64QAM)20dB-40dB，BER/PER统计时长1分钟到72小时。
某地空间DTMB多载波信号测试结果，如图4-8所示。从图4和图5可以看出FPGA完成了数据的采集，下变频和低通滤波；图6-8是DSP解调输出的星座图，MER/ENM/EVM，系统信息，载波频偏，定时频偏以及回波测试等的各项测试结果，以及读解码芯片输出后得到的PER/BER以及统计图的输出。

Claims (3)

1.一种用于准实时信号分析仪的地面数字电视信号解调解码分析方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
第1、中频A/D转换数据的预处理：由元器件可编程逻辑门阵列FPGA直接接收经过调谐器中的模数转换器输出的中频A/D转换数据，并对这些数据进行预处理，然后将预处理之后的数据传给DSP做进一步处理；
所述的预处理包括：数据的采集，下变频和低通滤波，经过FPGA预处理输出的数据是采样率20MHz～50MHz，宽为8M的基带信号数据，这些数据被存储到DSP的外存储器同步动态随机存储器SDRAM之中，数据存满之后FPGA会中断通知DSP，取用新的数据；
第2、解码处理：解码芯片同时对多载波信号进行处理，即解码芯片接收调谐器输出的中频信号，实时输出传输流TS及解调中出现的误码个数；传输流的对外输出可供进一步的码流分析使用，或者进一步解码后输出给电视终端进行电视节目的输出；
第3、DSP数据处理
第3.1、DSP对接收到的经过FPGA预处理之后的数据首先进行载波及定时恢复，载波及定时恢复后输出载波频偏、定时频偏，然后进行信道估计与均衡；
第3.2、信道估计与均衡处理后，输出包含信号调制编码信息的系统信息值、反映回波状态的回波测试图形和星座图；
第3.3、最后DSP对星座图数据进行分析，给出调制误差率/估计噪声容限/矢量误差的统计结果以及信号相位的噪声分析图；
第3.4、同时DSP通过I2C总线访问解码芯片的内部寄存器，读取芯片输出的误码个数，记录误码出现的时刻和错误数，从而得到中频信号的误码率误包率指标，并输出误码统计图。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，第3.1步所述的载波及定时恢复的具体处理过程如下：
经过FPGA预处理的基带信号，进入插补和匹配滤波模块，插补后数据以四倍码速率进行输出；匹配滤波后的数据进到帧同步判定模块，考虑到运算的复杂度和DSP存储空间的问题，在找到同步头之前数据以一倍的码速率进行存储运算，确定帧头之后，帧头部分用四倍的码速率进行存储，帧体继续用一倍的速率进行存储；分离出的帧头进行载波频偏和定时频偏估计；通过对实际解调系统的分析，得到以下结论：(1)系统的载波频偏会有几十KHz，但是频率抖动的值在几十Hz，(2)因为数字电视地面多媒体广播(DTMB)的调制码输出速率是固定不变的，所以相对于载波频偏，定时频偏的值要小；因此根据系统的特性，将载波频偏的估计和校正分成两步进行；频率误差反馈给调谐器单元，令其重新锁定更精确的频率值，剩余的相位误差，在帧头和帧体数据中，分别通过相位校正模块进行校正；而定时频偏的估计则在第一步载波频偏的粗估计完成之后再进行，这样可以避免定时和载波频偏之间的相互影响，提高每段数据的锁定速度并且保证锁定的精度；定时频偏的值被反馈到插补和匹配滤波模块用来修正插补频率和位置；在锁定一个频点进行解调时，首先通过宽的载波频偏估计，得到频偏的粗略估计结果，并将它反馈给调谐器单元，使得重新锁定的中频信号的频率误差小于500Hz；这样经重新锁定的信号，再次进行载波频偏校正时，载波环路可以很快锁定，非常适合准实时系统的信号分析。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，第3.2步所述的信道估计与均衡的具体处理过程如下：
经过相位校正的帧体数据，进一步用来做信道估计，对信道估计的数据及帧体数据同时做快速傅立叶变换DFT运算，然后做频域的信道均衡；最后将信道均衡的输出进行DFE均衡，进一步降低载波间干扰载波间干扰的影响，并输出星座图。
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