基于FPGA的移动DTV调制系统技术的数字通信-论文原创

论文原创性声明本人郑重声明：此处所提交的论文《基于FPGA的移动DTV调制系统技术的数字通信》，是本人在导师指导下，在攻读学士学位期间进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。作者签字葛立扬葛海亮高鹏日期：2009年6月15日摘要我们重点研究基于移动DTV调制系统技术的数字通信，我们对基于移动DTV调制系统技术在深入研究移动DTV国家标准的基础上，首先对系统的调制系统进行了设计规划，然后对信道调制的星座映射、系统信息插入、帧体数据处理、PN序列插入的帧形成模块和成形滤波模块进行了设计和仿真，并验证了其在公交站牌系统上的正确性。3780个子载波的时域同步正交多载波技术（TDS-OFDM）是移动DTV调制系统的关键技术之一。由于载波数不是2的整数次幂，考虑到实现的有效性，不能采用现已成熟的基-2或基-4的快速傅立叶变换（FFT）算法。针对调制系统中特有的3780点IFFT，课题深入分析和比较了Cooley-Tukey、Winograd和素因子三种离散快速傅立叶变换算法的特点和性能，综合利用了三种算法优势，考虑了算法的复杂度、运算的速度、资源的消耗，设计出一种新的算法，进行了Matlab验证和基于FPGA（现场可编程门阵列）的仿真。分析表明，该算法所需的加法、乘法次数已很逼近4096点FFT算法。移动DTV发射端的基带成形滤波采用了平方根升余弦滚降滤波，由于其0.05的滚降系数在实现中比较苛刻，所以是设计的难点之一。本次我们利用alteria公司的DE2平台的FPGAMatlab工具采用了等纹波最优滤波的方法设计了169阶数字滤波器，其阻带衰减达到了46.9dB,完全符合标准的要求；利用四倍插值的方法实现了I、Q合路的该滤波器的FPGA设计，并进行了设计优化，显著降低了滤波器的运算量，大大节约了实现该滤波器所需的乘法器资源。关键词：移动DTV，TDS-OFDM，IFFT，平方根升余弦滚降滤波，FPGAABSTRACTThisdissertationfirstlyformulatesanddesignsthemodulationsystemofmobileDTVbasedonresearchingthemobileDTV’snationalstandarddeeply,thendesignsandsimulatesthestargraphmappingmodule,theinsertionofsysteminformationmodule,theprocessorofframe-bodydata,theframeformwithinsertingPNsequencesandtheshapingfilterwhichareverified.TDS-OFDM(TimeDomainSynchronousOrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing)with3780carriesisoneofthekeytechnologiesofthemobileDTV’smodulationsystem.Becausethenumberofcarrerwaveisnottheintegerpowerof2,wecannotusethematurationalradix-2andradix-4FFTalgorithminconsiderationoftherealizationeffectivity.Aimingatthetypical3780-pointIFFT,thesubjectdeeplyanalysesandcomparesthespecialityandcapabilityofCooley-Tukey,WinogradandPrimeFactorAlgorithm.Consideringthecomplexityandalgorithm,thespeedofcalculation,theconsumptionofresource,wedesignanewalgorithmusingtheadvantageofthreekindsofalgorithmsynthetically.Afterthat,weverifyitbyMatlabandcarryoutimitationbasedonFPGA.Byanalysisitisclearedthatthenumberofadditionandmultiplicationofthealgorithmclosestothe4096-pointFFT.Thesystemcanoperateatarateof70frame/sfor320×240arrays.Intheimageprocessingmodule,non-uniformitycharacteristicsofinfraredfocalplaneandthecharacteristicofinfraredimagearestudied.Hardwareimplementcircuitsfortwo-pointnon-uniformitycorrectionalgorithm,lineartransformationalgorithmforgrayimageandpseudo-coloralgorithmareproposed.Histogramequalizationalgorithm,linearsmoothingfilteralgorithmandnonlinearsmoothingfilteralgorithmaresimulatedusingMATLAB.Theresultshowsthathistogramequalizationalgorithmcanenlargethedynamicrangeofgrayimage,andthesmoothingfilterpseudo-coloralgorithmisproposedandanewadaptivenonlinearpseudo-coloralgorithmisusedtomaketheimagelooksoftanddifferenttemperatureregionsandthetargetcanbeeasilyrecognized.Keywords：nonuniformitycorrection,imageenhancement,adaptivenonlinearpseudo-coloralgorithm,FPGA第一部分引言本课题研究的内容正是我国公交车移动电视系统帧结构、信道编码和调制的传输调制技术。本课题的主要任务是：通过对移动DTV国家标准的深入了解，对移动DTV系统的调制端的部分关键技术进行研究设计，提高算法的效率，对实现的方法进行优化，在alteria公司的DE2平台的FPGA上上实现。第二部分星座映射、帧形成和PN序列插入模块的设计和实现2.1星座映射的设计实现由于星座映射的MATLAB仿真比较简单，所以在这里不详述。基于FPGA的设计接口定义如下：clk_bitx2：系统比特时钟2倍周期的输入时钟；QAM_para：控制模块的参数信号；constellation：星座映射模式；data_in_en：输入数据有效信号；data_v_in：输入数据，数据宽度为6位；data_I：输出I路数据，数据宽度为16位；data_Q：输出Q路数据，数据宽度为16位；data_out_en：输出数据有效信号。如图1所示为映射模块的FPGA设计结构，时钟信号为比特时钟周期的2倍。图1星座映射硬件实现模块图控制模块由QAM_para信号控制，输出64QAM、32QAM、16QAM、4QAM调制信息constellation外，还包括是否进行NR映射处理的控制信息NR_con。当检测到输入数据有效时，由输入选择器根据星座映射的模式把数据送入映射模块，按照constellation信号完成不同的映射。输入选择器还完成了在不同映射模式下将数据串转并，分别转换成4比特、5比特、6比特并行输出。在映射模块里根据标准里的星座映射图把输入的数据映射成I、Q两路。最后通过输出选择器选择其中一种调制模式的I、Q两路数据作为输出送到帧形成模块。输出选择器是个ROM存储器，深度为116，位宽32，存储各种星座映射对应的符号数据。其中地址0~3存储QPSK及QPSK+NR对应的4个符号数据；地址4~19存储16QAM对应的16个符号数据；地址20~51存储32QAM对应的32个符号数据；地址52~115存储64QAM对应的64个符号数据，且高16位为实部映射数据，低16位为虚部映射数据。图2映射模块时序的仿真的波形图2为64QAM的星座映射模式下(constellation=2’b11)经过星座映射后的时序仿真波形图，仿真工具用的是ModelSimSE6.0，可以看出时序波形比较整齐。在WindowsXP和quartusDE2的软件环境下，在altera公司的DE2平台的FPGA上综合之后消耗资源情况如下：占用了90个触发器，138个四输入查找表，69个Slices，占用1个片内存储块BlockRAM，不到总数的1%。2.2系统信息插入的设计实现1．系统信息TPS是传输参数信令的英文缩写，也叫系统信息；用于给出传输参数，即为信道编码和调制的每个信号帧提供必要的解调和解码信息。它包括符号映射方式、LDPC编码的码率、交织模式信息、帧体信息模式等。本系统中预设了64种不同的系统信息模式，并采用扩频技术传输。这64种系统信息在扩频前可以用6个信息比特（s5s4s3s2s1s0）来表示，其中s5为MSB，定义如下：s3s2s1s0：编码调制模式，s4：交织信息；s5：保留。该6比特扩频前的系统信息将采用扩频技术成为32比特长的系统信息矢量，即用长度为32的Walsh序列和长度为32的随机序列来映射保护。国家标准中已经给出了扩频后的64个32位的系统信息矢量，将这32比特采用I、Q相同的4QAM调制映射成为32个复符号，再加上4个帧体模式符号，得到了36个系统信息符号。在本设计中帧体模式C=3780，“1111”4个比特也采用I、Q相同的4QAM映射为4个复符号，由于这种映射模式是2位到2位的映射，所以把它扩展为8位的符号，用补码表示。映射后的4个帧体模式指示符号在前，32个调制和码率等模式指示符号在后。该36个系统信息符号通过复用模块与信道编码后的数据符号复合成帧体数据。如图3和4所示：图3帧体信息的结构图4个帧体模式符号32个调制和码率等模式符号3744个数据符号图4系统信息形成框图2系统信息插入的实现系统信息插入模块的端口定义为：tps_in[5:0]：输入的系统信息比特位，6比特并行数据；data_Qed：输入数据，经过QAM映射后的32位帧体数据，高16位为实部，低16位为虚部；data_valid_in：输入数据有效信号；clk：模块工作时钟，也是数据输入时钟；rst：复位信号，低电平有效，等于0时可以复位控制模块的寄存器值；dout_start：输出3780个连续数据的起始脉冲信号，持续一个时钟周期；dout_en：输出3780个连续数据的有效使能信号；dout：输出数据，高16位为实部，低16位为虚部；图5系统信息插入模块的实现结构输入tps_in[5:0]经过系统信息模块，产生36个系统信息符号，写入到RAM0（深度为36）中；再插入经QAM模块映射的3744个符号数据之前，形成了3780点的帧体数据。QAM模块的输出数据data_Qed写入到RAM1（深度为3744）中。RAM控制单元完成RAM0和RAM1的读写地址和读写使能信号产生。当RAM1的3708个数据写完时，控制单元产生RAM0的读使能信号，启动RAM0的读数据操作。当RAM0读完36个系统信息符号后，3744个数据正好读完，控制