| 摘要：系統(tǒng)級設計軟件為復雜電子系統(tǒng)提供了一種全新的設計實現(xiàn)方法。本文用Cadence公司的SPW軟件工具對數(shù)字電視傳輸系統(tǒng)進行系統(tǒng)級設計與仿真,介紹了系統(tǒng)級設計與仿真的完整流程。
1.引言
在數(shù)字電視的概念提出以前,高清晰度電視的開發(fā)是以模擬電視技術為基礎的。數(shù)字電視的開發(fā)工作始于1980年代末期,當時集成電路技術與計算機技術的發(fā)展使得將高清晰圖象和高保真音響以數(shù)字技術壓縮進單一模擬電視頻道成為可能。
在有限帶寬內傳輸高清晰度電視對視頻、音頻壓縮編碼和信道編碼都提出了更高的要求,而且在地面?zhèn)鬏數(shù)那闆r下無線環(huán)境的各種衰落和干擾也不可避免,同時考慮到移動環(huán)境下的接收需求,在新一代的地面數(shù)字電視傳輸系統(tǒng)中必需引入無線通信的最新技術。數(shù)字電視廣播和現(xiàn)代數(shù)字通信技術的結合,使得傳統(tǒng)的電視傳媒得以在通信網(wǎng)絡的基礎上新生。
我們在數(shù)字電視傳輸系統(tǒng)設計中采用了Cadence公司的系統(tǒng)級設計與仿真軟件SPW(Signal Processing Worksystem)。在大型系統(tǒng)設計中只有實現(xiàn)算法和系統(tǒng)級的優(yōu)化,才能對系統(tǒng)性能有極大的提升,因為它比底層優(yōu)化具有更大的優(yōu)化空間。
2.理想系統(tǒng)仿真
數(shù)字電視傳輸系統(tǒng)涉及調制、編碼、發(fā)送和接收、解碼、解調諸多子系統(tǒng),但信道的建模對系統(tǒng)性能具有重要意義。在設計方法學上,可先考慮建立信道噪聲和干擾不存在的理想傳輸信道,即著重調制、解調、編碼與解碼系統(tǒng)的設計。若以信號幀為基本信息單元,信號幀的同步頭采用沃爾斯(Walsh)編碼的偽隨機序列,數(shù)據(jù)體采用多載波調制(OFDM)信號且由保護間隔(Guard Interval)和離散傅里葉變換（DFT）模塊構成。
用SPW可以方便地調整參數(shù)及替換相關的模塊,以便系統(tǒng)的總體性能最佳。對調制方式、糾錯外碼、時域和頻域的交織編碼、糾錯內碼的描述如信號流程圖如圖1所示。相應的接收過程是解碼、解交織、解調制的過程,選用何種模式及選用什么參數(shù)只需在設計中簡單地修改即可,不斷調整參數(shù)和模塊可實現(xiàn)系統(tǒng)總體性能的最優(yōu)化。?
圖1 信號流程圖
在調制和編碼過程中提供了若干種可選的模式,如外碼選用高數(shù)據(jù)率的RS(208,200)或高保護率的RS(208,188)等。這主要是為了對不同的數(shù)據(jù)提供不同的優(yōu)先級和保護級別,達到分層傳輸?shù)哪康�。理想系統(tǒng)仿真只對成幀、分幀、編碼和調制驗證其可行性。仿真分兩部分：1)信號源用給定數(shù)據(jù)碼流,以在接收端得到源碼流為仿真正確的標準。2)信號源為一幀圖象,在接收端解碼后恢復此圖象,這是一個直觀正確的結果。3．高斯白噪聲（AWGN）和多徑性能研究。
因多徑建模和信道估計算法相對較為復雜,故仿真較耗時。除了參數(shù)仿真,還做了MPEG2碼流的仿真。用SPW得到滿意的仿真界面如下圖。
對應美國標準mpath_b信道模型,與本系統(tǒng)根據(jù)接收信號作出的信道估計結果作對比�？梢钥闯鲞@兩者是非常匹配的。對系統(tǒng)參數(shù)的仿真結果如圖2所示,縱坐標是誤碼率,橫坐標是信噪比。
圖2 多徑性能參數(shù)仿真結果
4．系統(tǒng)同步性能仿真。
為了評估系統(tǒng)的同步性能,設計了專門仿真的同步電路,如圖3所示：
圖3 系統(tǒng)同步性能仿真
設計包括transmitter、Code acquisition、STR、AFC、FFT和Channel Estimation等部分,完整地實現(xiàn)了系統(tǒng)同步功能。仿真的交互式界面如圖4所示。
圖4同步性能仿真界面
圖中的Time(ms)域示出的是實際系統(tǒng)運行的時間(與仿真時間不同),下面各域表示頻率偏移、時間偏移以及設計系統(tǒng)同步電路估計出來的頻偏和時偏,右半部分的域表示了信道估計之前和之后對應的星座圖。從仿真可以得到整個碼同步捕獲時間僅僅需要5ms, 這比同類系統(tǒng)的同步時間大大縮短,且時偏和頻偏的糾正都達到了設計要求。
5．分層傳輸性能仿真
本系統(tǒng)中HDTV和SDTV以復合信號的形式傳輸。該復合信號由基本信號和增強信號兩部分組成并且分別以不同的優(yōu)先級別傳送,基本信號和增強信號一起可以產生HDTV信號,僅用基本信號可以產生SDTV信號。這種方法的效率稍低于只傳送HDTV信號,但是SDTV信號的抗干擾能力比HDTV大大提高,特別適合于移動接收環(huán)境。
具體實現(xiàn)中對基本信號（base signal）采用高保護級,而對增強信號(enhanced signal)采用一般保護級,這樣可以實現(xiàn)SDTV和HDTV電視信號的分層傳輸。仿真時給出兩組信號源,將HDTV和SDTV以復合信號的形式進行傳輸,對應于不同的調制方式。仿真結果表明系統(tǒng)在信噪比很高(如22dB)時能夠接收到高清晰度的電視信號,信噪比下降以后(如10dB) 由于高保護級的信號仍然能夠被接收,所以用戶還可以接收標準清晰度的數(shù)字電視信號,甚至當信噪比已經無法忍受時仍然能夠收聽到高保真的聲音。
綜上所述,采用SPW軟件進行系統(tǒng)級設計與仿真可以讓設計者把主要的精力放在系統(tǒng)的算法實現(xiàn)及優(yōu)化上面,而不必過多地考慮具體硬件實現(xiàn)。當這些系統(tǒng)級仿真都全部完成以后,我們可以采用Cadence的硬件設計系統(tǒng)HDS、Verilog仿真軟件Verilog-XL和NC-Verilog、SPW和Verilog描述的接口協(xié)同仿真軟件等把SPW中的系統(tǒng)設計轉換為Verilog語言硬件描述,之后再用FPGA實現(xiàn)、PCB布板進行驗證。最后把完整的設計做成ASIC。 |
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