DVB-C中载波同步的算法研究及其芯片实现
摘要
数字高清晰度电视(Digital HDTV)是当今世界上最先进的图象压缩编码技术和数字传输技术的结合，是当今世界高技术竞争的焦点之一。数字视频广播(DVB)是欧洲170多个组织共同开发出的数字高清晰度电视标准，它主要由卫星广播(DVB-S)、地面广播(DVB-T)和有线电视(DVB-C)三部分组成。
本文探讨了数字视频广播有线电视(DVB-C)接收机中载波同步的实现算法及结构，并给出了芯片实现方案。
第一章首先概述了数字电视及其发展，接着重点介绍了DVB-C有线电视传输系统，并对专用集成电路(ASIC)设计的发展、流程及将来的趋势——SOC的设计技术作了概述。
第二章主要介绍了QAM数字调制解调技术和锁相环技术原理，是后续章节的理论基础。
第三章重点讨论了各种载波同步算法并分析各自的优缺点，然后提出DVB-C接收芯片中载波环的实现方案，并给出仿真性能曲线。
第四章给出载波同步在ASIC设计中的具体实现，包括结构划分、硬件设计、逻辑综合和验证等，最后讨论了面向综合的ASIC设计技巧和可测性设计。
本文的主要贡献在于分析研究了各种载波同步算法，提出适用于DVB-C传输系统的实现算法及结构，给出具体的ASIC实现，并结合实际经验讨论了面向综合的ASIC设计技巧和可测性设计。
Digital HDTV (Digital High Definition Television) technology integrates the most advanced image compressed encoding technology and the digital transmission technology. It has become one of the focuses in the high-tech competitions. DVB is the digital HDTV standard that developed by more than 170 organizations in Europe. It mainly comprises satellite (DVB-S), terrestrial (DVB-T) and cable (DVB-C) digital television systems.
This paper is about algorithms of carrier recovery used in DVB-C channel receiver system and its implementation in ASIC (Application Specific Integrated Circuit).
The first chapter gives an overview of digital HDTV and its development, then focus on the DVB-C system, finally talks about the technology involved in ASIC.
The second chapter makes an introduction of the fundamental theory of QAM modulation & demodulation, also briefly describes the basic principle of PLL.
The third chapter discusses all kinds of algorithms of carrier recovery. After analyzing their characteristics and differences, it brings forward the algorithm & structure applicable for DVB-C system, followed by performance curve.
The fourth chapter is the implementation part of carrier recovery in ASIC, including structure division, hardware design logic synthesis and verification. The ASIC design skills oriented to synthesis and DFT (Design for Test) are discussed in the end.
The main contributions of this paper are proposing the algorithm and ASIC implementation scheme of carrier recovery applicable for DVB-C system. It also discusses the ASIC design skills for synthesis and DFT according to practical experiences.
本文探讨了数字视频广播有线电视(DVB-C)接收机中载波同步的实现算法及结构，并给出了芯片实现方案。
第一章首先概述了数字电视及其发展，接着重点介绍了DVB-C有线电视传输系统，并对专用集成电路(ASIC)设计的发展、流程及将来的趋势——SOC的设计技术作了概述。
第二章主要介绍了QAM数字调制解调技术和锁相环技术原理，是后续章节的理论基础。
第三章重点讨论了各种载波同步算法并分析各自的优缺点，然后提出DVB-C接收芯片中载波环的实现方案，并给出仿真性能曲线。
第四章给出载波同步在ASIC设计中的具体实现，包括结构划分、硬件设计、逻辑综合和验证等，最后讨论了面向综合的ASIC设计技巧和可测性设计。
本文的主要贡献在于分析研究了各种载波同步算法，提出适用于DVB-C传输系统的实现算法及结构，给出具体的ASIC实现，并结合实际经验讨论了面向综合的ASIC设计技巧和可测性设计。
Digital HDTV (Digital High Definition Television) technology integrates the most advanced image compressed encoding technology and the digital transmission technology. It has become one of the focuses in the high-tech competitions. DVB is the digital HDTV standard that developed by more than 170 organizations in Europe. It mainly comprises satellite (DVB-S), terrestrial (DVB-T) and cable (DVB-C) digital television systems.
This paper is about algorithms of carrier recovery used in DVB-C channel receiver system and its implementation in ASIC (Application Specific Integrated Circuit).
The first chapter gives an overview of digital HDTV and its development, then focus on the DVB-C system, finally talks about the technology involved in ASIC.
The second chapter makes an introduction of the fundamental theory of QAM modulation & demodulation, also briefly describes the basic principle of PLL.
The third chapter discusses all kinds of algorithms of carrier recovery. After analyzing their characteristics and differences, it brings forward the algorithm & structure applicable for DVB-C system, followed by performance curve.
The fourth chapter is the implementation part of carrier recovery in ASIC, including structure division, hardware design logic synthesis and verification. The ASIC design skills oriented to synthesis and DFT (Design for Test) are discussed in the end.
The main contributions of this paper are proposing the algorithm and ASIC implementation scheme of carrier recovery applicable for DVB-C system. It also discusses the ASIC design skills for synthesis and DFT according to practical experiences.
引文
【1】 鲁业频，《数字电视基础》，电子工业出版社，2002年。
【2】 Jerry Whitaker著，邱绪环，乐匋，徐孟侠，张凤超等译，《数字技术：数字电视原理与应用》，电子工业出版社，2000年。
【3】 Digital Video Broadcasting(DVB), Framing structure、channel coding and modulation for cable systems, 1998.
【4】 段新东，“深亚微米集成电路设计方法学与EDA技术”，集成电路设计，1997年第4期。
【5】 魏少军，“SOC设计方法学”，电子产品世界，2001年5月。
【6】 吉利久，“SOC的技术支持及嵌入式系统设计”，单片机与嵌入式系统应用，2000年1月。
【7】Jim Turley. "CPU and DSP cores vie for ASIC designer's attention", Computer Design, pp.75-86, Jan. 1997.
【8】Barbara Tuck, "Integrating IP blocks to create a system-on a chip", Computer Design, pp.49-61, Nov. 1997.
【9】Ray Weiss,"32-bit cores drive systems-on-a-chip", Comouter Design, pp.82-89, Sept. 1996.
【10】 袁寿财，朱长纯，“集成电路技术：过去与未来”，半导体杂志，1998．23(2)。
【11】 Bejoy G. Oommann，“系统级芯片的内置式测试新技术”，CEO of Genesys Testware Inc，1999。
【12】 杨之廉、申明，超大规模集成电路设计方法学导论，清华大学出版社，1999年。
【13】 《中国集成电路大全》编委会，专用集成电路和集成系统设计自动化设计方法，北京：国防工业版社，1997年。
【14】 张厥盛，郑继禹，万心平，锁相技术，西安电子科技大学出版社，2000年。
【15】 Alan V．Oppenheim，Signals and Systems，西安交通大学出版社，刘树棠译，2001年
【16】 程佩青，《数字信号处理教程》，清华大学出版社，1997年。
【17】 张贤达，现代信号处理，清华大学出版社，1999年。
【18】 梅剑平，全子一，《DVB信道编解码与调制解调》，中国有线电视导航。
【19】 John G．Proakis，Digital Communication(Third edition)，电子工业出版社，1998年。
【20】 姚庆栋，梁慧君，戴文琪，《数字无线传输》，浙江大学出版社，1992年。
【21】 储钟圻，《数字通信导论》，机械工业出版社，2002年。
【22】 樊昌信等，《通信原理》，国防工业出版社，1995年。
【23】 傅海阳，《SDH数字微波传输系统》，人民邮电出版社，1998年。
【24】 Anthony J.Rustako, Larry J.Greenstein, Robert S.Roman, Adel A.M.Saleh, "Using Times-Four Carrier Recovery in M-QAM Digital Radio Receivers", IEEE, Journal on Selected Areas in Communications, Vol.SAC-5, No.3, April 1987, pp524-587.
【25】Yongtae Lee,Youngju Jung and Gooyong Jeong, "A Limiter Added 4~(th) Multiplying PLL Carrier Recovery Technique for 16-QAM Signal", IEEE, 1997, pp442-443.
【26】Young-Ok Park and Jcc-Hwan Ahn, "A New Carrier Recovery Method for 16-QAM Signal", IEEE, 1997, pp194-197.
【27】 Jason Preston and Costas N.Georghiades, "Algorithms for carrier acquisition for QAM constellations" , IEEE, 1997, pp122.
【28】 A. Leclert, "Universal Carrier Recovery Loop for QASK and PSK Signal Sets", IEEE Trans. Comm.Vol. COM-31, No.1, January 1983, pp. 130-136.
【29】 Hikmet Sari and Said Moridi, "New Phase and Frequency Detectors for Carrier Recovery in PSK and QAM Systems", IEEE Trans. on Comm.,Vol.36,No.9,September 1988, pp.1035-1043.
【30】A.Mouaki Benani and F.Gagnon, "Comparison of Carrier Recovery Techniques in M-QAM. Digital Communication Systems",IEEE,2000.
【31】Neil K.Jabion, "Joint Blind Equalizatin, Carrier Recovery,and Timing Recovery for High Order QAM Signal Constellations", IEEE Transactions on Signal Processing, Vol.40, No.6, June 1992, pp.1383-1398.
【32】Ki-Yun Kim and Hyung-Jin Choi, "Design of Carrier Recovery Algorithm for High-Order QAM with Large Frequence Acquisition Range", IEEE, 2001.
【33】Yuan Ouyang and Chin-Liang Wang, "A new carrier recovery loop for high-order quadrature amplitude modulation", IEEE, 2002.
【34】 Chun-Nan Ke, Cheng-Ⅰ Hwang, Chih-Peng Fan, "An adaptive carrier synchronizer for MQAM cable receiver", IEEE, 2003.
【35】Daekyo Shin, Ki Hyuk Park and Myung H.Sunwoo, "A 64/256 QAM receiver chip for high-speed communications", IEEE, 2000.
【36】Shahriar Mirabbasi, Saeed Gazor and Ken Martin, "A wideband carrier-recovery system for multilevel QAM signals", IEEE International Symposium on Circuits and Systems, May 28- 31, 2000.
【37】 何小艇，数字电路，浙江大学出版社，1997年。
【38】 张明，《Verilog HDL实用教程》，电子科技大学出版社，1999年。
【39】 任艳颖，王彬，《IC设计基础》，西安电子科技大学出版社，2003年。
【40】 Himanshu Bhatnagar, 《Advanced ASIC Chip Synthesis》, 2000年。
【2】 Jerry Whitaker著，邱绪环，乐匋，徐孟侠，张凤超等译，《数字技术：数字电视原理与应用》，电子工业出版社，2000年。
【3】 Digital Video Broadcasting(DVB), Framing structure、channel coding and modulation for cable systems, 1998.
【4】 段新东，“深亚微米集成电路设计方法学与EDA技术”，集成电路设计，1997年第4期。
【5】 魏少军，“SOC设计方法学”，电子产品世界，2001年5月。
【6】 吉利久，“SOC的技术支持及嵌入式系统设计”，单片机与嵌入式系统应用，2000年1月。
【7】Jim Turley. "CPU and DSP cores vie for ASIC designer's attention", Computer Design, pp.75-86, Jan. 1997.
【8】Barbara Tuck, "Integrating IP blocks to create a system-on a chip", Computer Design, pp.49-61, Nov. 1997.
【9】Ray Weiss,"32-bit cores drive systems-on-a-chip", Comouter Design, pp.82-89, Sept. 1996.
【10】 袁寿财，朱长纯，“集成电路技术：过去与未来”，半导体杂志，1998．23(2)。
【11】 Bejoy G. Oommann，“系统级芯片的内置式测试新技术”，CEO of Genesys Testware Inc，1999。
【12】 杨之廉、申明，超大规模集成电路设计方法学导论，清华大学出版社，1999年。
【13】 《中国集成电路大全》编委会，专用集成电路和集成系统设计自动化设计方法，北京：国防工业版社，1997年。
【14】 张厥盛，郑继禹，万心平，锁相技术，西安电子科技大学出版社，2000年。
【15】 Alan V．Oppenheim，Signals and Systems，西安交通大学出版社，刘树棠译，2001年
【16】 程佩青，《数字信号处理教程》，清华大学出版社，1997年。
【17】 张贤达，现代信号处理，清华大学出版社，1999年。
【18】 梅剑平，全子一，《DVB信道编解码与调制解调》，中国有线电视导航。
【19】 John G．Proakis，Digital Communication(Third edition)，电子工业出版社，1998年。
【20】 姚庆栋，梁慧君，戴文琪，《数字无线传输》，浙江大学出版社，1992年。
【21】 储钟圻，《数字通信导论》，机械工业出版社，2002年。
【22】 樊昌信等，《通信原理》，国防工业出版社，1995年。
【23】 傅海阳，《SDH数字微波传输系统》，人民邮电出版社，1998年。
【24】 Anthony J.Rustako, Larry J.Greenstein, Robert S.Roman, Adel A.M.Saleh, "Using Times-Four Carrier Recovery in M-QAM Digital Radio Receivers", IEEE, Journal on Selected Areas in Communications, Vol.SAC-5, No.3, April 1987, pp524-587.
【25】Yongtae Lee,Youngju Jung and Gooyong Jeong, "A Limiter Added 4~(th) Multiplying PLL Carrier Recovery Technique for 16-QAM Signal", IEEE, 1997, pp442-443.
【26】Young-Ok Park and Jcc-Hwan Ahn, "A New Carrier Recovery Method for 16-QAM Signal", IEEE, 1997, pp194-197.
【27】 Jason Preston and Costas N.Georghiades, "Algorithms for carrier acquisition for QAM constellations" , IEEE, 1997, pp122.
【28】 A. Leclert, "Universal Carrier Recovery Loop for QASK and PSK Signal Sets", IEEE Trans. Comm.Vol. COM-31, No.1, January 1983, pp. 130-136.
【29】 Hikmet Sari and Said Moridi, "New Phase and Frequency Detectors for Carrier Recovery in PSK and QAM Systems", IEEE Trans. on Comm.,Vol.36,No.9,September 1988, pp.1035-1043.
【30】A.Mouaki Benani and F.Gagnon, "Comparison of Carrier Recovery Techniques in M-QAM. Digital Communication Systems",IEEE,2000.
【31】Neil K.Jabion, "Joint Blind Equalizatin, Carrier Recovery,and Timing Recovery for High Order QAM Signal Constellations", IEEE Transactions on Signal Processing, Vol.40, No.6, June 1992, pp.1383-1398.
【32】Ki-Yun Kim and Hyung-Jin Choi, "Design of Carrier Recovery Algorithm for High-Order QAM with Large Frequence Acquisition Range", IEEE, 2001.
【33】Yuan Ouyang and Chin-Liang Wang, "A new carrier recovery loop for high-order quadrature amplitude modulation", IEEE, 2002.
【34】 Chun-Nan Ke, Cheng-Ⅰ Hwang, Chih-Peng Fan, "An adaptive carrier synchronizer for MQAM cable receiver", IEEE, 2003.
【35】Daekyo Shin, Ki Hyuk Park and Myung H.Sunwoo, "A 64/256 QAM receiver chip for high-speed communications", IEEE, 2000.
【36】Shahriar Mirabbasi, Saeed Gazor and Ken Martin, "A wideband carrier-recovery system for multilevel QAM signals", IEEE International Symposium on Circuits and Systems, May 28- 31, 2000.
【37】 何小艇，数字电路，浙江大学出版社，1997年。
【38】 张明，《Verilog HDL实用教程》，电子科技大学出版社，1999年。
【39】 任艳颖，王彬，《IC设计基础》，西安电子科技大学出版社，2003年。
【40】 Himanshu Bhatnagar, 《Advanced ASIC Chip Synthesis》, 2000年。