數(shù)字衛(wèi)星電視系統(tǒng)發(fā)射機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

數(shù)字衛(wèi)星電視系統(tǒng)發(fā)射機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

隨著廣播行業(yè)數(shù)字化的發(fā)展，數(shù)字廣播行業(yè)的數(shù)量逐漸增多。歐洲ETSI協(xié)會(huì)制定了數(shù)字電視廣播DVB系列標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)不僅定義了數(shù)字電視傳輸標(biāo)準(zhǔn)，還制定了數(shù)據(jù)廣播傳輸標(biāo)準(zhǔn)。這使得廣播信道不僅可以傳送數(shù)字電視業(yè)務(wù)，還可以提供數(shù)據(jù)廣播業(yè)務(wù)，使得數(shù)字廣播系統(tǒng)的應(yīng)用得到了普及。人們?cè)谑湛磾?shù)字電視的同時(shí)，可以通過數(shù)據(jù)廣播方式獲得更多的服務(wù)，例如：隨時(shí)隨地獲取天氣預(yù)報(bào)、股市信息、家庭的水電煤氣費(fèi)用等；在專業(yè)領(lǐng)域，如石油、鐵路及安全部門，也有廣泛的應(yīng)用前景。DVB數(shù)據(jù)廣播標(biāo)準(zhǔn)，定義了7種數(shù)據(jù)廣播方式，但是此協(xié)議只規(guī)定了數(shù)據(jù)廣播的下三層協(xié)議，并沒有規(guī)定應(yīng)用層數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)是如何封裝的。在實(shí)際應(yīng)用中，存在著各種類型的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，包括流媒體業(yè)務(wù)、文件業(yè)務(wù)、互動(dòng)信息等。對(duì)于這些應(yīng)用，各公司和各廠商都定義了自己的業(yè)務(wù)傳輸協(xié)議。本文依據(jù)DVB-S標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)數(shù)字廣播系統(tǒng)的發(fā)射機(jī)進(jìn)行了設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。1dvb-s的系統(tǒng)概述DVB是歐洲數(shù)字視頻廣播標(biāo)準(zhǔn)，其傳輸系統(tǒng)涉及衛(wèi)星、有線電視、地面等所有傳輸媒體，對(duì)應(yīng)的DVB標(biāo)準(zhǔn)為：DVB-S(衛(wèi)星數(shù)字視頻廣播系統(tǒng))標(biāo)準(zhǔn)、DVB-C(數(shù)字有線電視廣播系統(tǒng))標(biāo)準(zhǔn)和DVB-T(數(shù)字地面電視廣播系統(tǒng))標(biāo)準(zhǔn)。其中DVB-S(衛(wèi)星數(shù)字視頻廣播標(biāo)準(zhǔn))系統(tǒng)幾乎被所用的衛(wèi)星廣播數(shù)字電視系統(tǒng)所采用。目前世界上許多國家都在發(fā)展數(shù)字衛(wèi)星電視系統(tǒng)，原因在于其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：首先，數(shù)字電視通過衛(wèi)星傳輸后，因?yàn)樗捎昧藬?shù)字傳輸和誤碼保護(hù)技術(shù)，接收的信號(hào)質(zhì)量抗噪聲及其他干擾的能力較強(qiáng)；第二，數(shù)字衛(wèi)星電視系統(tǒng)由于采用數(shù)字壓縮技術(shù)及數(shù)字調(diào)制技術(shù)，大大節(jié)省了空間的頻率資源；第三，采用大規(guī)模集成電路，使設(shè)備功耗降低、體積減小，可靠性提高并易于與計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)。典型的數(shù)字衛(wèi)星廣播傳輸系統(tǒng)，是由MPEG-2信源編碼和復(fù)用、信道編碼、地球站發(fā)射設(shè)備、衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器、接收站前端、解調(diào)、信道譯碼、MPEG-2解復(fù)用和譯碼等組成（如圖1所示）。MPEG-2信源編碼和復(fù)用，是采用壓縮編碼技術(shù)去掉與傳輸信息無關(guān)的多余度，然后經(jīng)過信道編碼，認(rèn)為加入一些冗余度使二進(jìn)制的數(shù)字信息序列具有自動(dòng)檢錯(cuò)和糾錯(cuò)能力，以抗擊傳輸過程中的各種干擾，提高傳輸?shù)目煽啃院陀行?。信道編碼器送出的信息序列，通過調(diào)制器變換為適合于衛(wèi)星信道的信號(hào)波形，將地球站的上變頻和高功率放大，再通過天線向衛(wèi)星發(fā)射上行信號(hào)。衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器將接收到的上行信號(hào)低噪聲放大、下變頻和功率放大環(huán)節(jié)，生成衛(wèi)星廣播的下行信號(hào)，并轉(zhuǎn)發(fā)至其服務(wù)區(qū)域之內(nèi)。接收站的前端，將下行信號(hào)經(jīng)低噪聲放大、下變頻和功率放大環(huán)節(jié)生成中頻信號(hào)，再經(jīng)解調(diào)器變換為數(shù)字信息序列，由于在信道傳輸過程中，受到各種干擾，需要經(jīng)過信道譯碼器對(duì)其中的錯(cuò)誤進(jìn)行檢測(cè)和糾正，再通過信源譯碼及解密恢復(fù)出原始的視頻、音頻和數(shù)據(jù)信息。DVB-S的系統(tǒng)框圖如圖1所示。DVB-S系統(tǒng)的傳輸質(zhì)量，在很大程度上依賴于所采用的信號(hào)調(diào)制方式和信道的差錯(cuò)控制方式。調(diào)制是為了使信號(hào)與信道的特相向匹配，差錯(cuò)控制是為了保證信號(hào)經(jīng)有噪聲和干擾的信道時(shí)，傳輸過程中造成的誤碼最少。在DVB-S系統(tǒng)中，主要采用MPEG-2信源編碼和復(fù)用技術(shù)。根據(jù)衛(wèi)星帶限和非線性恒參信道特性，采用級(jí)聯(lián)的卷積碼和RS碼FEC前向差錯(cuò)控制方式及QPSK調(diào)制技術(shù)。2dvb-s程序基于FPGA的DVB-S發(fā)射機(jī)組成框圖如圖2所示。圖2中，DVB-S發(fā)射機(jī)的輸入時(shí)鐘，需產(chǎn)生CLK1,CLK2,CLK3,CLK4等4個(gè)時(shí)鐘，分別為：32.768MHz,1.1796MHz,1.28MHz,10.24MHz,40.96MHz。信源產(chǎn)生的數(shù)據(jù)速率為1.1796MHz，數(shù)據(jù)位寬為8bit。經(jīng)過加擾、RS編碼后，數(shù)據(jù)速率變?yōu)镃LK2=1.28MHz。再經(jīng)過卷積交織，數(shù)據(jù)位寬變?yōu)?bit，數(shù)據(jù)速率變?yōu)?0.24MHz。然后數(shù)據(jù)流經(jīng)過卷積編碼后進(jìn)入QPSK調(diào)制，此時(shí)DVB-S基帶數(shù)據(jù)成為正交的為I、Q兩路，數(shù)據(jù)位寬為14bit，數(shù)據(jù)速率為10.24MHz。DVB-S的基帶數(shù)據(jù)產(chǎn)生后，進(jìn)入DVB-S發(fā)射機(jī)的前端。發(fā)射機(jī)前端主要由成型濾波和數(shù)字上變頻二部分組成，發(fā)射機(jī)前端設(shè)備組成框圖如圖3所示。成型濾波器的設(shè)計(jì)采用FPGA實(shí)現(xiàn)，首先進(jìn)行4倍過采樣處理，成形濾波器為25階平方根升余弦濾波器，成型因子設(shè)為0.4?；鶐?shù)據(jù)經(jīng)過成型濾波后，采用AD公司生產(chǎn)的專用上變頻器件AD9857進(jìn)行上變頻，關(guān)于AD9857，這里需要注意以下幾點(diǎn)：成型濾波器輸出的數(shù)據(jù)速率是DVB＿S基帶數(shù)據(jù)速率與成型濾波之前過采樣倍數(shù)的乘積，經(jīng)過計(jì)算，此時(shí)數(shù)據(jù)速率為40.96MHz。FPGA輸出40.96MHz差分時(shí)鐘作為AD9857的參考輸入時(shí)鐘，AD9857內(nèi)部時(shí)鐘倍頻器設(shè)定為4倍，也就是說，此時(shí)AD9857的系統(tǒng)時(shí)鐘為163.84MHz。按照設(shè)計(jì)要求，選擇DDS頻率控制字，產(chǎn)生上變頻頻率為70MHz。頻率控制字選擇滿足以下公式：AD9857在配置完畢后，向FPGA輸入一源同步時(shí)鐘PD-CLK，此時(shí)鐘頻率等于輸入AD9857符號(hào)速率（40.96MHz）的兩倍，即81.92MHz。FPGA利用該時(shí)鐘進(jìn)行源同步，把成型濾波之后的14位寬的I、Q兩路數(shù)據(jù)并串變換為一路數(shù)據(jù)，使輸出的數(shù)據(jù)邊沿與該時(shí)鐘對(duì)齊。這里使用FPGA內(nèi)部的ODDR器件，ODDR的輸入時(shí)鐘是由PDCLK二分頻后的時(shí)鐘PD-CLK-T2，時(shí)鐘頻率為40.96MHz。FPGA與AD9857的信號(hào)與時(shí)鐘連接圖如圖3。圖中的CLK3,CLK4在前文中已定義好，CLK3是AD9857的配置時(shí)鐘，CLK4是差分的參考輸入時(shí)鐘。由于DVB-S基帶信號(hào)是一個(gè)復(fù)信號(hào)，其頻譜不像實(shí)信號(hào)那樣是一個(gè)共軛對(duì)稱譜，所以在發(fā)射端上變頻和接收端下變頻對(duì)頻譜邊帶的選擇和濾波要仔細(xì)，否則會(huì)引起錯(cuò)誤。設(shè)基帶數(shù)據(jù)在時(shí)域上的表示是I+J·Q，對(duì)基帶頻譜作數(shù)字上變頻，就是要把基帶中心頻率搬移到既定的中頻上，在數(shù)學(xué)上就是要乘以一個(gè)e基帶復(fù)信號(hào)：I+J·Q上變頻后復(fù)信號(hào)：AD9857輸出的實(shí)信號(hào)：基于FPGA硬件平臺(tái)，設(shè)計(jì)該DVB＿S發(fā)射系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，F(xiàn)PGA選用XILINX公司的VIRTEX-4XC4VLX100系列產(chǎn)品。在設(shè)計(jì)該發(fā)射系統(tǒng)時(shí)，采用了軟件無線電的思想，采用的XC4VLX100芯片為DVB-S擴(kuò)展到DVB-S2預(yù)留了足夠的資源。3全數(shù)字化設(shè)計(jì)中fpga的應(yīng)用本文通過對(duì)DVB＿S協(xié)議進(jìn)行簡單分析，按協(xié)議對(duì)實(shí)現(xiàn)過程分解為多個(gè)模塊，說明了每個(gè)模塊的工作原理和工作流程