DTMB數(shù)字電視解調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

敬奕艷，曹高翔

（康佳集團多媒體全球研發(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，如圖像清晰度高、抗干擾能力強、音頻質(zhì)量好、頻譜利用效率高、便于進行數(shù)據(jù)處理、廣播發(fā)射功率低。很多國家和地區(qū)都已制定了各自的數(shù)字電視制式，比如美國的ATSC，歐洲的DVB-T，日本的ISDB-T等[1]。我國于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國家標準，簡稱DTMB標準。2011年12月6日，DTMB成為國際電聯(lián)第4個地面數(shù)字電視標準[2]。根據(jù)我國相關(guān)部門的要求，在2015年之前，解調(diào)DTMB數(shù)字電視將成為國內(nèi)銷售電視機的必備功能。因此，DTMB解調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)成為近幾年電視技術(shù)研究的一個熱點。

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

DTMB包含多項技術(shù)參數(shù)：單載波或多載波，前向糾錯碼率、PN類型、符號星座映射方式等，可組合成300余種不同的工作模式?！兜孛鏀?shù)字電視接收機通用規(guī)范》[3]只對其中7種具有實用價值的模式作了具體要求。一般而言，設(shè)計DTMB數(shù)字電視接收機也只是針對這7種模式進行性能指標測試，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，來自天線或信號發(fā)生器的RF（射頻）信號進入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搬移到統(tǒng)一的IF（中頻）載波上，輸出模擬IF信號或模擬I/Q基帶信號送到DTMB信道解調(diào)芯片ATBM8878。

圖1 數(shù)字電視接收系統(tǒng)簡圖

根據(jù)IF的強度，發(fā)出AGC（自動增益控制）信號送回Tuner，使Tuner對IF強度進行反向調(diào)整。二者之間有I2C總線通信線路，對臺位、頻點等信息進行通信。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外圍需要接上一個晶振或時鐘信號，作為芯片內(nèi)各功能模塊的時間基準。

ATBM8878輸出的TS流，送進主處理芯片進行解復用和解碼，解出圖像信號和數(shù)字音頻信號，圖像信號通過顯示設(shè)備顯示出來，數(shù)字音頻信號再經(jīng)過DAC（數(shù)模轉(zhuǎn)換）得到模擬音頻信號，通過揚聲器播放。主處理芯片外掛SDRAM和Flash，SDRAM用于暫存接收機系統(tǒng)的運算數(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，能靈活地適應較大的載波頻偏、ADC采樣時基偏移和較長的脈沖干擾，能很好地對抗較強的數(shù)字音頻壓縮偽影和前回波，尤其是對單頻網(wǎng)絡(luò)。其具備的自動信道估計技術(shù)能適應信道的快速變化，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。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)字信號的RF信號，解調(diào)出模擬IF信號，送進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模塊中對模擬IF進行采樣，得到數(shù)字IF信號。根據(jù)數(shù)字IF的強度，AGC模塊輸出信號給Tuner，反方向調(diào)整模擬IF的強度，最終使數(shù)字IF的強度保持在一個正常范圍。ADC模塊的性能非常關(guān)鍵，如果性能不佳，解調(diào)出的數(shù)字信號會受到較大影響。

經(jīng)過正交解調(diào)，將IF信號轉(zhuǎn)變?yōu)閎aseband（基帶）信號。時域恢復模塊的作用是改善采樣速率和相位偏差，獲得最佳采樣點。頻域恢復模塊用于調(diào)整頻率偏差和相位偏差。信道估計即對信道模型的參數(shù)進行估計，對數(shù)字電視的解調(diào)效果有很大影響。均衡是利用估計出的信道參數(shù)對實際信道的線性失真進行補償?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，因此在時域解交織時，需要搭配大容量的SDRAM存儲臨時計算數(shù)據(jù)，ATBM8878內(nèi)置了SDRAM。

數(shù)字電視信號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）技術(shù)。FEC是對傳輸信號編碼時，在有用信號前根據(jù)一定算法加入校驗字；在接收端按相應的算法進行解碼，從而糾正碼流在傳輸過程中產(chǎn)生的部分錯誤。

解擾器是針對一些在數(shù)字電視信號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是復位腳，可由R104和C140組成的RC電路實現(xiàn)低電平復位，或者由來自主芯片的I/O信號Demod_RST進行復位。

由圖4可見，將Tuner對RF信號解調(diào)得到的差分IF信號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Tuner的兩組IF信號輸入，另一組從pin18和19輸入，本方案只有一組IF信號，pin18和19接地。

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

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

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

IF_AGC_D是ATBM8878發(fā)出的PWM信號，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)檢測到的數(shù)字電視IF的強度去控制Tuner內(nèi)部放大電路的增益。如果IF較強，則降低增益；如果IF較弱，則加大增益。IF強度不同，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€時鐘對應1 bit，并行傳輸?shù)拿總€時鐘對應1 byte。因此并行方式在EMI方面有優(yōu)勢，在所需傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量相同時，并行傳輸?shù)臅r鐘頻率只是串行時鐘頻率的1/8，可降低時鐘線的輻射強度，減少對周邊電路的干擾。TS0～TS7是并行TS流信號，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接口。

圖5 并行TS流

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

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

TS_CLK是TS0-TS7，TS_SYNC,TS_VALID這幾個信號的時間基準。

2.4 軟件的設(shè)計與實現(xiàn)

ATBM8878的底層驅(qū)動程序提供了4個API（應用編程接口），包括硬件復位、延時、讀I2C操作和寫I2C操作。當軟件調(diào)用ATBM8878硬件復位API后，會對芯片進行復位，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）搜臺操作

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

2）換臺操作

同樣的臺位切換時，不會對Tuner和ATBM8878進行任何操作；不同的臺位切換時，只需向Tuner寫入新的RF頻率，不用再進行初始化操作。

3）鎖定操作

軟件會向Tuner的寄存器寫入特定的頻點或頻道，然后讀取ATBM8878的鎖定標志位來判斷解調(diào)器是否找到了有效的數(shù)字電視信號。如果找到，就存儲頻點信息，并繼續(xù)進行TS流解碼。

3 DTMB性能測試方法和報告

在試驗室進行DTMB接收機的性能測試，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)字制式信號的輸出；內(nèi)部集成了數(shù)字電視和模擬電視干擾信號源，用于測試接收機抑制數(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。

測試項目主要是：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。每項測試都需對DTMB的7種模式逐一測試，在低頻段、中頻段和高頻段各選取1～2測試頻點。表2和表3提供了該DTMB解調(diào)系統(tǒng)在實驗室的實測數(shù)據(jù)，測試結(jié)果證明系統(tǒng)設(shè)計是可行的。

表2 DTMB性能測試報告（第一部分）

表3 DTMB性能測試報告（第二部分）

除了實驗室測試，實地場測也是數(shù)字電視接收機十分重要的測試手段，一般選取遠離發(fā)射臺的偏遠山區(qū)，高樓密集的城市室內(nèi)等惡劣的接收環(huán)境。對于DTMB數(shù)字電視，除了測試惡劣的信道環(huán)境之外，還需要對多種標準或非標準格式和碼率的TS流加強測試。

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[1]陳田明.美歐數(shù)字電視制式比較及中國數(shù)字電視展望[J].深圳大學學報，2003，20（2）：42-47.

[2]潘長勇.DTMB標準的應用與發(fā)展[J].電視技術(shù)，2012，36（22）：15-16.

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

[4]劉雨.國標地面數(shù)字電視DTMB接收系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[D].北京：北京郵電大學，2009.