??? 摘 要： “中視一號" title="中視一號">中視一號”IC芯片是基于自定義協議的DMB-T" title="DMB-T">DMB-T和TDS-OFDM" title="TDS-OFDM">TDS-OFDM多載波調制技術的芯片，可實現高碼率單天線HDTV信號的移動接收。對DMB-1系統的主要結構進行了介紹，并將它與現有其它傳輸標準特別是DVB-T" title="DVB-T">DVB-T傳輸標準進行了簡要的比較。
??? 關鍵詞： 中視一號? 數字電視傳輸? 時域同步
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1 “中視一號”總體概述
??? 2004年4月30日，由清華大學、復旦大學、凌訊科技等多家單位聯合開發的具有完全自主知識產權的高清晰度數字電視地面傳輸移動接收系統專用芯片" title="專用芯片">專用芯片——“中視一號”順利通過了教育部主持的成果鑒定。該芯片將高清晰度數字電視芯片的研究進一步擴展到地面傳輸信道芯片，使之成為用于DMB-T方案整機和系統的專用芯片。中視一號是基于自定義協議的DMB-T和TDS-OFDM多載波調制技術的芯片，在高碼率單天線HDTV信號的移動接收方面有所創新。該芯片具有百萬門級的規模，使用0.18微米工藝，采用多時鐘域技術，共有128個引腳。芯片在仿真、設計、驗證、布局布線、測試、封裝等方面的整體水平在國際上是領先的（出于工藝水平的考慮，第一批流片是由ST公司生產的）。該科研項目已成功地走通了整個設計流程，包括邏輯綜合、布圖規劃、時序收斂、信號完整性、信號串擾處理、時鐘網絡設計、電源網絡設計、分布式參數提取、互聯網絡降價、低功耗技術等，這些都是目前超深亞微米芯片設計中最具有挑戰性的技術難題。
??? 大量試驗表明，安裝“中視一號”芯片的DMB-T高清晰度數字電視整機系統展示了良好的地面移動接收性能，特別是該芯片在載噪比門限和移動性指標方面優于國際同類產品。此外，該芯片在鑒定前已在國內多個電視廠家（長虹、創維、康佳等）得到成功試用，性能指標達到了系統設計要求。“中視一號”的傳輸和接收速度達到了24Mbps，在時速120公里的交通工具上播放，不會發生圖像抖動和丟失的現象；而在時速75公里以下的交通工具上播放，收視聲像質量極為穩定可靠，標志著國內對地面數字電視廣播傳輸信道專用芯片的研究取得了重大突破。
2 DMB-T系統結構[1]
??? DMB-T系統結構如圖1所示。在總體方案上，DMB-T是對歐盟的DVB-T地面傳輸標準的繼承與發展。其傳輸系統主要包括數據擾碼、內外糾錯編碼以及交織編碼等部分，DMB-T與DVB-T的顯著區別在于DMB-T采用時域同步正交頻分復用（TDS-OFDM），這也是我國數字電視地面傳輸標準的特色之處。
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??? TDS-OFDM調制過程是：輸入的MPEG-2 TS碼流經過信道編碼處理后在頻域上形成長度為3780的反傅氏變換（IDFT）數據塊，采用傅氏變換（DFT）將IDFT數據塊變換為長度為3780的時域離散樣值幀體，即7.56Mps個樣值，在OFDM的保護間隔插入長度為378的偽隨機序列（PN）作為幀頭，接著將幀頭和幀體組合成時間長度為550的信號幀，再采用具有線性相位延遲特性的FIR低通濾波器對信號進行頻域整形，最后將基帶信號上變頻調制到RF載波上?！爸幸曇惶枴钡慕庹{過程與調制過程相反。表1就DMB-T與DVB-T的有關參數進行了對比。
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??? 在設計DMB-T方案時，將傳統的DVB-T系統中的保護間隔由一段PN序列取代，而在IDFT幀體中沒有插入任何導頻。這樣，PN幀頭既可作為訓練序列用于同步和信道估計，又在客觀上起到了保護間隔的作用。DMB-T的每一幀采用不同的PN頭作為幀標志，在發射端對PN頭采用BPSK調制以獲得可靠的傳輸效果；在接收端則通過同樣的PN序列產生器產生本地PN序列，并與接收信號的PN碼幀頭進行時域相關運算，從而完成幀同步、頻率同步、時間同步、信道傳輸特性估計等一系列同步運算。
3? 時域同步及與其它標準之比較[2]
??? 數據擾碼僅對MPEG-2 TS碼流中的187個8位字節進行編碼，對于提高DMB-T傳輸系統的同步性能是非常重要的。業已指出，TDS-OFDM多載波調制是DMB-T協議的核心技術，其基本幀結構中引入了PN碼作為幀頭，用于完成時域同步，這在目前數字電視地面傳輸系統中是一個創新。OFDM作為一種可以有效對抗符號間干擾（ISI，Inter-Symbol Interference）和信道間干擾（ICI:Inter-Channel Interference）的高速傳輸技術，在高速無線應用環境中，其技術優勢尤為明顯，因而它非常適合多徑環境和衰落信道中的高速數據傳輸，并且兼容未來第四代（4G）移動通信的速度（10Mbps～100 Mbps）。在OFDM的發展中，基于TDS-OFDM的時域同步主要有以下顯著特點：
??? （1）PN序列作為保護間隔，用以消除或者至少可以大大減少ISI；
??? （2）由于保持了各信道間的正交性，大大減少了ICI；
??? （3）在實時傳輸與接收的信道估計中，時域同步較頻域同步更快；
??? （4）時域同步過程對定時的要求不那么嚴格，即如果定時錯誤（時域偏移）較小，使得沖激響應長度小于保護間隔，則各子載波之間的正交性仍可以維持。
??? 此外，時域同步較頻域同步簡單，有用數據的傳輸效率大大提高（見表1）。這是因為傳統OFDM的每個信號幀由前置保護間隔和IDFT幀體組成，保護間隔通常是幀體的循環前綴或全0比特，在接收端首先去除保護間隔，再進行DFT變換以恢復數據。因此在歐盟及日本的標準中，需要插入大約10%的已知導頻，用于在收端通過頻域處理的方式獲得可靠的系統同步。這種方式相應地降低了有用數據的傳輸效率。2001年2月完成的第一套測試專用芯片，其設計信道均衡算法的多徑模型是采用當時的美、歐標準測試的相關參考模型，多徑延時分布取為（-3～18）μs，這個數值不太適合我國城市高樓群區或地理環境的實際情況，故經過多次的改進，包括2002年5月研制成功的“接收試驗專用芯片”，直至得到今天較為成熟的接收專用芯片“中視一號”。其DMB-T與現有的國際標準之主要區別如表2所示。
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??? DMB-T傳輸系統的符號星座圖采用64QAM，其糾錯編碼中還有三層分組乘積碼，不同層(Layer)的分組乘積碼按定義映射到64QAM星座符號的不同比特位，因此具有不同程度的抗干擾能力。DMB-T傳輸系統的多媒體數據流也可以根據需要給予不同的保護優先級，其中高、中、低優先級比特流分別映射為64QAM星座圖的高、中、低位。采用電視廣播前向糾錯編碼模式的DMB-T傳輸系統使用均勻分布的64QAM符號星座圖，其I和Q坐標的投影為（-7,-5,-3,-1;1,3,5,7）；而采用多媒體綜合數據業務前向糾錯編碼模式的DMB-T傳輸系統是使用非均勻分布的64QAM星座圖，其I和Q坐標的投影及其三層分組乘積碼為（-9,-7,-4,-2;2,4,7,9），如圖2所示，圖中的高級Lay0層為全圖結構。不同層按定義映射到64QAM星座符號的不同比特位，因此具有不同程度的抗干擾能力。鑒于DMB-T和DVB-T主體結構相似，它們的發射、接收系統結構基本相同，即可以采用相同的天線、廣播發射機和調諧器，但二者不能兼容的是信道調制器和解調器。前者采用分層的即多分辨率的TDS-OFDM信號方式，后者采用COFDM信號方式，且DMB-T制式有效信號帶寬比DVB-T略小0.6%，但在信號幀結構、同步方式、信道估計、信道均衡以及信道編碼方式上都有各自的基礎性發明與創新。值得一提的是，移去PN序列后的接收機等效于填零的OFDM，而OFDM對定時和頻率偏移敏感，對系統中的非線性問題敏感，這些都是需要進一步研究并逐步完善的問題。
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??? 總的來說，'中視一號'芯片技術含量高、設計難度大，地面數字電視廣播傳輸信道專用芯片的設計成功，標志著我國地面數字電視廣播傳輸信道專用芯片研究取得了重大突破，對我國數字電視的產業化和微電子工業的發展具有重大意義。它除了解決了具有自主知識產權這個核心問題外，DMB-T傳輸系統還具有可擴展性。由于采用了編碼的PN序列，TDS-OFDM能支持很多通信領域的最新研究成果，比如時空分集編碼、智能天線、蜂窩網絡、定向定位接收等技術，能進一步提高傳輸效率。按照規劃，2003年是我國高清晰度數字電視的標準化年，2004年是高清晰度數字電視的產業化年，2008年是北京奧運會前普及高清晰度數字化電視年，2015年將停止模擬電視廣播，目前我國的高清晰度數字電視的標準尚未出臺。可以相信，“中視一號”IC芯片的成功問世，必將為我國數字電視地面傳輸標準的建立奠定堅實的基礎。
參考文獻
1 Tsinghua University.Terrestrial Digital Multimedia/Television?Broadcasting System. P.R.China Patent 00123597.4.filed?August 25.2000.issued March 21,2001
2 Y Wu,E Plszks, B Caron and G Chouinard.Comparison of?Terrestial DTV Transmission System: the ATSC 8-VSB, the?DVB-T COFDM and the ISDB-T BST-OFDM. IEEE Trans.Broadcasting,2000；46（2）：101～113