数字高清电视移动接收技术的研究与实现

本文分析了一种采用多天线接收(DIVERSITY)，实现数字高清信号的移动接收的最佳方案，同时，介绍了多天线接收的软硬件设计，分析了双重AGC控制电路和软件的扫描算法。最后对单天线与多天线接收性能进行比较和分析。本文对开发高性能、多功能、低成本的HDTV机顶盒有实际的借鉴意义。

数字高清电视（Digital High-Definition Television，简称HDTV）是电视的一场革命。其收视质量大幅度提高，大屏幕画面细腻逼真，并配以5.1声道环绕音响，已接近目前视听娱乐业中顶级质量的电影。凡是观看过数字高清电视演示的人们，都会深信HDTV是每一个家庭在数字信息时代所应该拥有的、真正的“家庭影院”。 当前，数字高清电视（HDTV）在美国、法国、德国和澳大利亚处于快速发展时期。HDTV采用的是MPEG-2 MP@HL，即主类/高级。图像宽高比为16∶9，格式通常是1920×1080像素/帧，信息量是数字标清电视(SDTV)的5倍，因此必须使用支持高传输率的调制模式去传送节目，这对接收机的抗干扰性能要求很高。此外由于移动信道的复杂性，接收到的信号是经过衰落的以及噪音、回声干扰的，信号的载噪比C/I往往很低，接收机还必须克服多普勒（Doppler）效应，这些因素导致了接收机还不能很好地应用于高速的移动环境中。为了解决上述问题，本文提出了一种采用多天线接收方案，实现数字高清信号的最佳接收。

多天线接收的硬件设计

1、多天线硬件框图设计

在移动接收的情况下，接收信号电平永远是变化的，而解调器必须依然能够提取可用的信号。为了克服信号的衰落、“重影”、多普勒效应、多径效应等问题，我们采用专为分集接收设计的新一代改进后的套片DM354和高灵敏度的锁相环PL316，使用高性能的双重AGC控制电路，用多天线实现分集信号的最佳合成。多天线接收能将来自不同天线的信号进行一致地整合，同时能改善接收信号的信号载噪比C/N，改善的程度则与所使用天线的数量成正比。它将天线所接收的各频率信号整合起来，进而增加信号的功率，同时也透过个别天线整合其它天线的接收信号，降低多重通道的影响，这过程称为“副载波最高比结合”。因为在多重路径环境中，信号经过多个物体产生反射，造成两个天线会接收到不同特征的信号，或是其中一个天线对某些频率的信号接收不清楚。在多天线接收下，可以使信道估值和跟踪功能得到大大改善，同时还改善了多普勒性能，增加了可用的移动速度。多天线接收硬件结构如图1。

多路天线接收的信号经过射频跟踪滤波器、RF可调放大器后，与本振PLL混频输出中频信号。中频范围可通过本振调节，典型的中频有4.57MHz，36.167MHz和43.5MHz等，可依据具体的应用环境而定。中频信号IF从PL316输出后依次进入中频滤波器、中频可调放大器及平衡转换电路后平衡输出两路信号用于解调器的平衡输入。其中中频滤波器的目的是为了滤除信号频带以外的噪声。

中频信号双端平衡输入至A/D转换电路(ADC)。ADC工作于抽样频率Fsamp下，负责将中频模拟信号转换为10bit的数字信号。其中A/D采样时钟不受压控晶振(VCXO)控制，而是由可编程PLL锁相环产生，采样时钟偏移由采样时钟同步部分估计得到。A/D转换后的数据一路经基带变换成FFT所需要的复信号送至解调器COFDM信号解调部分，另一路送至解调器的AGC控制部分。

2、双重AGC控制电路分析

为了提高接收机的移动性能，我们必须严格控制AGC电路。我们发现双重AGC电路性能优于单路中频AGC反馈性能。下面阐述一下双重AGC电路调试过程。正确的双重AGC控制曲线如图2所示。图中，实线代表中频增益AGC变化曲线，虚线代表射频增益AGC变化曲线，横轴代表输入的信号功率，纵轴代表AGC控制增益电平。可见，随着输入信号强度的增大，中频AGC以一定的增益幅度对中频信号进行衰减，直至中频衰减起点门限IF_THRESH。而后中频AGC控制曲线趋于饱和，钳位于中频增益最小值IF_LIMIT。在中频AGC对输入信号进行衰减的过程中，当输入信号强度达到射频衰减起点门限RF_THRESH之前，射频增益AGC一直处于饱和状态，钳位于射频增益最大值RF_LIMIT。当输入信号强度达到射频衰减起点门限RF_THRESH之后，射频AGC开始工作，并以一定的增益幅度对PL316射频信号进行衰减。两条AGC控制曲线的增益幅度分别取决于中频及射频的增益斜率寄存器IF_SLOPE和RF_SLOPE。

(1)双重AGC控制电路调试步骤如下：

① 开AGC环路滤波电路，对RF/IF AGC电路进行控制；

② 将IF AGC增益设置为最小值；

③ 输入RF信号，调整RF AGC输出电压，使之达到较合理的值；

④ 将信号1～5dB的步进增益递减，使解调器的ADC输入比较稳定的信号；

⑤ 直到RF AGC对输入信号电平没有影响，保证ADC有较稳定的输入，再增大IF AGC的反馈放大增益，分析记录RF AGC及IF AGC输出的比值；

⑥ 重复④、⑤步骤，直到RF AGC及IF AGC都没有办法处理输入信号电平，此时的电平就是系统的灵敏度。

(2) 通过上述步骤，可以描绘出双重AGC的控制曲线，通过修改AGC电路和调整AGC相关寄存器，可以使双重AGC的控制曲线达到最佳状态。无论AGC参数如何调整，都必须满足以下两个条件：

① 射频增益门限RF_THRESH不小于中频增益门限IF_THRESH。如果射频增益门限RF_THRESH大于射频增益门限IF_THRESH，则AGC控制曲线变成图3所示的情况。由图3可见，虽然AGC的控制电路在射频输入信号低于中频增益门限IF_THRESH或高于射频增益门限RF_THRESH时，都能起到对ADC输入信号强度进行AGC控制，但是也必须注意到，当射频输入信号强度介于中频增益门限IF_THRESH和高于射频增益门限RF_THRESH之间时，无论输入的信号强度如何变化，AGC电路都起不到自动控制信号增益的作用，即AGC电路失效，无法使ADC输入获得稳定值，这是在调整AGC电路过程中所必须注意的问题。

②.射频输出增益必须始终大于中频输出增益。射频输出增益大于中频输出增益可以保证中频放大器的输入端有足够的信号强度，从而使电路板上其它中频信号对中频放大器的影响降到最低。

多天线接收的软件设计

1、调谐器软件结构设计

前端调谐器的软件结构如图4所示：

调谐器软件结构设计采用多层软件架构技术，这样有利于扩充调谐器模块的功能和保证调谐器模块的独立性，大大增加程序设计的灵活性，可以更方便地对多个调谐器进行控制和管理。

① 调谐器应用程序（TUNER Application）：是最上层的应用程序，只要包括手动搜索、自动搜索、盲扫、调谐进程控制等操作；② 调谐器API（TUNER API）：是前端控制接口函数，封装所有对调谐器模块的访问和控制函数，主要包括调谐器状态读取、信号强度和质量读取、调谐控制等等；③ 设备驱动程序安装器（Device Driver Installer）：在调谐器初始化的时候，通过设备句柄对调谐器设备进行安装操作；④ 地面设备管理器（Terrestrial Device Manager）：是上层API与驱动的接口，主要用于对调谐器设备管理操作，包括TUNER_Init初始化、TUNER_Term结束、TUNER_Open设备打开、TUNER_Close设备关闭等操作；⑤ 调谐器驱动：是调谐器模块的主体，包括信道解调解码器（Demodulator）和锁相环PLL的驱动函数；⑥ I/O管理器主要完成对I2C总线I/O读写控制和调测I/O的控制。

2、调谐器软件算法设计

虽然运营商会在多个频点上发送信号流而每一个频点上又有多个节目，但对于用户而言，他不需要知道这些频道参数，用户所要做的就是进行一次盲扫，接收机会自动在每个频点上扫描，把每个频点上的节目信息都存储下来，在这之后，用户就可以像操作模拟电视一样选择不同的节目观看，但实际上这些节目很可能处在不同频点的不同流中。实现这一点依靠的就是一个快速、准确的盲扫机制。盲扫是接收机不可或缺的一项重要功能。

目前在欧洲，DVB-T信号的发送频段定义在474MHz至858MHz上，频道带宽为8MHz.频道的划分延续了模拟电视的标准，474MHz至858MHz对应于21-69频道，共有49个频道，试想如果平均每一个频道发送4个节目，那么总共就将有将近200个节目，这将是非常可观的。

由于本系统有多个前端调谐器，在段扫描设计上面有着很大的灵活性，可以线性扫描、也可以Zig-Zig扫描、还可以从中间往两边扫，甚至可以一个调谐器从小往大的方向扫，另一个从大往小的方向扫。但是比较好的算法有如下三种：① 两个调谐器调谐频率一样，采用线性扫描(SCANLINER)；② 两个调谐器调谐频率一样，采用Zig-Zig扫描(SCANZIG_ZIG)；③ 两个调谐器调谐频率不一样，采用从两端往中间扫，我们称它为多天线扫描(SCANDIVERSITY)。第一种做法比较简单，这里没有给出图形说明，后面两种算法如图5 所示。

（1）为了让三种算法兼容，必须考虑三个问题： 第一个扫描点频率设置；下一个扫描点频率设置；程序退出判断。下面一一分析：

图6-7

① 第一个扫描点频率设置

如果算法是Zig-Zig扫描，第一个扫描点频率为中心频率；如果是线性扫描，第一个扫描点频率为起始频率；如果是多天线扫描，调谐器1第一个扫描点频率为起始频率，调谐器2第一个扫描点频率为停止频率。

② 下一个扫描点频率设置

如果算法是Zig-Zig扫描，下一个扫描点频率是按Zig-Zig扫描路线的下一个接点；如果是线性扫描，下一个扫描点频率为当前频率加上步进频率；如果是多天线扫描，调谐器1下一个扫描点频率为当前频率加上步进频率，调谐器2下一个扫描点频率为当前频率减去步进频率。

③ 程序退出判断

程序规定无论是线性扫描还是Zig-Zig扫描算法，出口频率必须大于起始频率。因此这两种算法都以如下条件退出段扫描程序：当前频率大于停止频率。对于多天线扫描算法，两调谐器扫描频率相遇(也即i调谐器1起始频率 > i调谐器2起始频率)为程序退出判断。

（2）上面阐述了段扫描的三种不同算法以及其实现，下面对三种算法进行比较：

① 线性扫描速度最慢，但是准确性最高，不会出现漏扫情况。

② Zig-Zig扫描速度比线性扫描快，但是有时会出现漏扫， 原因是下一接点的扫描频率和上一接点扫描频率有时相差很大，容易造成调谐器失锁，为了让调谐器锁定，必须重新捕捉新的载波信息。

③ 多天线扫描是扫描速度最快的算法，但也最容易漏扫，原因是两个调谐器工作频率不一样，不利于信号的锁定。

因此扫描速度和扫描结果是一对矛盾，可以依实际的信号情况选择不同的算法。

实验结果与结论

完成软件和硬件设计和调试后，我们制作了一个目标测试板。该测试目的在于比较单天线与多天线在TU6移动信道中不同的抗干扰性能。图6为接收机在FFT模式8K，调制方式64QAM，编码率2/3，保护间隔1/32，TU6移动信道下的测试数据，其中横坐标为多普勒频率，纵坐标为门限值。

由图6可见，移动信道中双天线性能改善了至少9dB，四天线接收方式又比双天线改善了4dB左右。此外多天线接收使接收机的移动速度也得到大大改善（双天线比单天线改善了一倍），因此多天线非常适用于移动信道信号接收。

图7为单天线与双天线在FFT模式8K，调制方式64QAM，编码率5/6，保护间隔1/32下便携式接收的测试结果，其中测试点离发射塔距离为2km,每个小方格为25cm×25cm大小，天线离地面的高度为0.7m左右。通过比较可知在一样的环境中，双天线可接收的区域比单天线大得很多，可见多天线接收不仅改善了门限C/N、移动速度，还大大改善了接收机抗频率选择性衰落和回声干扰。