“中视一号”IC芯片及其信号处理特点

1 “中视一号”总体概述

        2004年4月30日，由清华大学、复旦大学、凌讯科技等多家单位联合开发的具有完全自主知识产权的高清晰度数字电视地面传输移动接收系统专用芯片——“中视一号”顺利通过了教育部主持的成果鉴定。该芯片将高清晰度数字电视芯片的研究进一步扩展到地面传输信道芯片，使之成为用于DMB-T方案整机和系统的专用芯片。中视一号是基于自定义协议的DMB-T和TDS-OFDM多载波调制技术的芯片，在高码率单天线HDTV信号的移动接收方面有所创新。该芯片具有百万门级的规模，使用0.18微米工艺，采用多时钟域技术，共有128个引脚。芯片在仿真、设计、验证、布局布线、测试、封装等方面的整体水平在国际上是的（出于工艺水平的考虑，批流片是由ST公司生产的）。该科研项目已成功地走通了整个设计流程，包括逻辑综合、布图规划、时序收敛、信号完整性、信号串扰处理、时钟网络设计、电源网络设计、分布式参数提取、互联网降价、低功耗技术等，这些都是目前超深亚微米芯片设计中有挑战性的技术难题。

        大量试验表明，安装“中视一号”芯片的DMB-T高清晰度数字电视整机系统展示了良好的地面移动接收性能，特别是该芯片在载噪比门限和移动性指标方面优于国际同类产品。此外，该芯片在鉴定前已在国内多个电视厂家（长虹、创维、康佳等）得到成功试用，性能指标达到了系统设计要求。“中视一号”的传输和接收速度达到了24Mbps，在时速120公司的交通工具上播放，不会发生图像抖动和丢失的现象；而在时速75公司以下的交通工具上播放，收视声像质量极为稳定可靠，标志着国内对地面数字电视广播传输信道专用芯片的研究取得了重大突破。

        2 DMB-T系统结构

        DMB-T系统结构如图1所示。在总体方案上，DMB-T是对欧盟的DVB-T地面传输标准的继承与发展。其传输系统主要包括数据扰码、内外纠错编码以及交织编码等部分，DMB-T与DVB-T的显著区别在于DMB-T采用时域同步正交频分复用（TDS-OFDM），这也是我国数字电视地面传输标准的特色之处。

        TDS-OFDM调制过程是：输入的MPEG-2 TS码流经过信道编码处理后在频域上形成长度为3780的反傅氏变换（IDFT）数据块，采用傅氏变换（DFT）将IDFT数据块变换为长度为3780的时域离散样值帧体，即7.56Mps个样值，在OFDM的保护间隔插入长度为378的伪随机序列（PN）作为帧头，接着将帧头和帧体结合成时间长度为550的信号帧，再采用具有线性相位延迟特性的FIR低通滤波器对信号进行频域整形，将基带信号上变频调制到RF载波上。“中视一号”的解调过程与调制过程相反。

        在设计DMB-T方案时，将传统的DVB-T系统中的保护间隔由一段PN序列取代，而在IDFT帧体中没有插入任何导频。这样，PN帧头既可作为训练序列用于同步和信道估计，又在客观上起到了保护间隔的作用。DMB-T的每一帧采用不同的PN头作为帧标志，在发射端对PN头采用BPSK调制以获得可靠的传输效果；在接收端则通过同样的PN序列产生器产生本地PN序列，并与接收信号的PN码帧头进行时域相关运算，从而完成帧同步、频率同步、时间同步、信道传输特性估计等一系列同步运算。

        3 时域同步及其它标准之比较

        数据扰码仅对MPEG-2 TS码流中的187个8位字节进行编码，对于提高DMB-T传输系统的同步性能是非常重要的。业已指出，TDS-OFDM多载波调制是DMB-T协议的技术，其基本帧结构中引入了PN码作为帧头，用于完成时域同步，这在目前数字电视地面传输系统中是一个创新。OFDM作为一种可以有效对抗符号间干扰（ISI，Inter-Symbol Interference）和信道间干扰（ICI：Intel-Channel Interference）的高速传输技术，在高速无线应用环境中，其技术优势尤为明显，因而它非常适合多径环境和衰落信道中的高速数据传输，并且兼容未来第四代（4G）移动通信的速度（10Mbps～100Mbps）。在OFDM的发展中，基于TDS-OFDM的时域同步主要有以下显著特点：

（1） PN序列作为保护间隔，用以消除或者至少可以大大减少ISI；

（2） 由于保持了各信道间的正交性，大大减少了ICI；

（3） 在实时传输与接收的信道估计中，时域同步较频域同步更快；

（4） 时钟同步过程对定时的要求不那么严格，即可果定时错误（时域偏移）较小，使得冲激响应长度小于保护间隔，则各子载波之间的正交性仍可以维持。

        此外，时域同步较频域同步简单， 有用数据的传输效率大大提高（见表1）。这是因为传统OFDM的每个信号帧由前置保护间隔和IDFT帧体组成，保护间隔通常是帧体的循环前缀或全0比特，在接收端首先去除保护间隔，再进行DFT变换以恢复数据。因此在欧盟及日本的标准中，需要插入大约10%的已知导频，用于在收端通过频域处理的方式获得可靠的系统同步。这种方式相应地降低了有用数据的传输效率。2001年2月完成的套测试专用芯片，其设计信道均衡算法的多径模型是采用当时的美、欧标准测试的相关参考模型，多径延时分布取为（-3～18）μs，这个数值不太适合我国城市高楼群区或地理环境的实际情况，故经过多次的改进，包括2002年5月研制成功的“接收试验专用芯片”，直至得到今天较为成熟的接收专用芯片“中视一号”。

        DMB-T传输系统的符号星座图采用64QAM，其纠错编码中还有三层分组乘积码，不同层（Layer）的分组乘积码按定义映射到64QAM星座符号的不同比特位，因此具有不同程度的抗干扰能力。DMB-T传输系统的多媒体数据流也可以根据需要给予不同的保护优先级，其中高、中、低优先级比特流分别映射为64QAM星座图的高、中、低位。采用电视广播前向纠错编码模式的DMBT传输系统使用均匀分布的64QAM符号星座图，其I和Q坐标的投影为（-7，-5，-3，-1；1，3，5，7）;而采用多媒体综合数据业务前向纠错编码模式的DMB-T传输系统是全长非均匀分布的64QAM星座图，其I和Q坐标的投影及其三层分组乘积码为（-9，-7，-4，-2；2，4，7，9），如果2所示，图中的Lay0层为全图结构。不同层按定义映射到64QAM星座符号的不同比特位，因此具有不同程度的抗干扰能力。鉴于DMB-T和DVB-T主体结构相似，它们的发射、接收系统结构基本相同，即可以采用相同的天线、广播发射机和调谐器，但二者不能兼容的是信道调制器和解码器。前者采用分层的即多分辨率的TDS-OFDM信号方式，后者采用COFDM信号方式，且DMB-T制式有效信号带宽比DVB-T略小0.6%，但在保证帧结构、同步方式、信道估计、信道均衡以及信道编码方式上都有各自的基础性发明与创新。使得一提的是，移去PN序列后的接收机等效于填零的OFDM，而OFDM对定时和频率偏移敏感，这些都是需要进一步研究并逐步完善的问题。

        总的来说，“中视一号”芯片技术含量高、设计难度大，地面数字电视广播传输信道专用芯片的设计成功，标志着我国地面数字电视广播传输信道专用芯片研究取得了重大突破，对我国数字电视的产业化和微电子工业的发展具有重大意义。它除了解决了具有自主知识产权这个问题外，DMB-T传输系统还具有可扩展性。由于采用了编码的PN序列，TDS-OFDM能支持很多通信领域的研究成果，比如时空分集编码、智能天线、蜂窝网络、定向定位接收等技术，能进一步提高传输效率。按照规划，2003年是我国高清晰度数字电视的标准化年，2004年是高清晰度数字电视的产业化年，2008年是北京奥运会前普及高清晰度数字化电视年，2015年将停止模拟电视广播，目前我国的高清晰度数字电视的标准尚未出台。可以相信，“中视一号”IC芯片的成功问世，必将为我国数字电视地面传输标准的建立奠定坚实的基础。