GX1001型DVB-C信道解调解码芯片的设计

       介绍了GX1001型DVB-C信道解调解码芯片的系统结构及关键算法。

       随着数字有线电视的日益普及，庞大的用户端设备市场开始展现出巨大商机，而用户端设备的核心之一——信道解调解码芯片的性能将成为许多厂商考虑的重中之重。本文将以杭州国芯公司出品的GX1001系列DVB-C信道解调解码芯片为基础，介绍此种芯片的设计、实现以及结合实际应用所做的优化。

       1、 系统概述

       该芯片集成了10 bit AD，采用直接中频信号输入，支持DVB-C下16QAM、32QAM、64QAM、128QAM和256QAM解调；支持可变符号率信号（符号率下限可到0.45MHz，上限根据外接晶振会有所不同）；由于使用了数字内插原理，所以只需要一个固定频率的外部晶振；其优化后的载波恢复和均衡算法可以在大载波频偏情况下对抗强烈回波的恶劣信道；具有完全符合DVB-C标准的RS解码、解交织和MPEG-2 TS流串/并行输出。可广泛用于数字有线电视机顶盒、调谐器等方面。

 图1 系统结构图

       简明结构框图图1，一些次要模块没有画出来。信号经A/D采样进入芯片，agc模块根据信号平均幅度调节高频头（tuner）的中频和射频放大器增益，采样进来的通带信号经基带搬移后变为I、Q两路基带信号。插值器根据定时恢复模块提供的控制信息把采样频率上的I、Q路信号变换到实际符号率上去，再经成形滤波，降抽样后送入解旋器。解旋器根据载波恢复提供的控制信号纠正信号残余频差和相差，经均衡器消除线性失真后，完成信号的解调过程，再经映射、解交织、RS解码和解扰码，得到最终TS流输出。

       2、 AGC

       AGC（自动增益控制）是信号所要经过的第一个环节。接收机收到的信号强度随接收条件会有很大的变化，AGC模块根据AD采样进来信号的平均幅度调整tuner部分RF和IF放大器的增益，以使信号保持一定的幅度。

       AGC模块设计的两个重要指标是稳定性和响应速度。稳定性要求AGC在工作时控制电压抖动小，不易受脉冲干扰的影响。响应速度要求AGC电路在开始工作的瞬间能尽快把输入信号放大/衰减到正常的范围，并在工作中能够跟上信号幅度的低频变化。可以看出这两个指标实际是矛盾的，所以在设计过程中根据实际情况做了多次的测试，以找出两者之间最佳的权衡，同时关键参数做成可配置的，便于用户调整。

       3、 基带搬移

       顾名思义，此模块的作用就是把AD采样进来的中频信号搬移到基带上去，以进行插值和nyquist滤波。基带搬移后还会有残余频差，由后面的载波恢复模块去除。如果残余频差较大，载波恢复模块就把频差置到基带搬移模块，以使信号无失真的通过nquist滤波器。

图2 基带搬移

       4、定时恢复

       定时恢复也可以理解为符号率变换。接收机AD采样的速率就是晶振频率，定时恢复的任务就是把晶振频率上的数据变换到它的实际符号率上面去。

图3 定时恢复结构

        定时恢复部分采用全数字方案实现，由抗混叠滤波器、误差提取、环路滤波、本地振荡器、插值器五个部分组成。抗混叠滤波器用于在低符号率时滤掉带外的干扰，防止频谱混叠。误差提取部分使用Gardner算法，这个经典算法已经被广泛应用，实现简单，性能良好。环路滤波部分使用理想比例积分滤波器，考虑到Gardner算法提取出的误差噪声过大，故误差信号在送入理想比率积分滤波器之前先进行预滤波处理。本地振荡器受环路滤波器输出控制，产生插值相位信号。插值器采用失真较小的分段抛物线插值方案，根据相位信号把晶振频率上的数据变换到实际符号率上去。

        5、 载波恢复

        系统稳定工作时，使用判决环进行载波恢复，这种方案实现简单、精度高、抖动小，具有良好的性能。

图4 载波恢复前后的星座图

       但在大频偏的情况下，判决环的捕捉范围不能满足要求了，需要其它辅助手段帮助载波捕捉，GX1001使用鉴频（FD）和扫频相结合的方法，使系统同时具有较快的捕捉速度和很宽的捕捉范围。
最终，GX1001的载波捕捉范围达到土450kHz，这个结果是在256QAM、有噪声、有回波的实际工作情况下测得的。

      6、 均衡器

      GX1001使用DDLMS作为均衡器的基本算法，该算法是均衡器的经典算法，稳态条件下误差小，工作稳定可靠，但在大回波的恶劣信道条件下不能工作，必须使用盲均衡（blind equalization）帮助均衡器收敛。

      有线网络需要大量的接插件和分配/分支件，这些器件本身的质量和安装质量会对信号产生严重的影响，实际测试中多次发现，由于接插件安装的问题会导致信号传输中产生大回波，除此之外传输过程中的放大器、滤波器等都可能产生回波。

      为了对付这些在实际中经常出现的大回波情况，GX1001着重进行了盲均衡算法方面的设计和优化。比较经典的算法有CMA、SGA、RCA等等，CMA算法对相位误差不敏感，但残差大，且在CMA和LMS之间需要切换；SGA对相位误差较敏感，但可以平滑过渡到LMS，综合考虑了其它一些方案，GX1001最终采用了改进的SGA盲均衡算法。

      一般来说，均衡器级数越多，则收敛越慢，捕获范围越小，能够对付的回波幅度越小。GX1001改进了均衡器结构，在提高对付回波强度能力的同时，也提高了对付长时延回波的能力。64QAM下可对付回波时延：3.6us，回波强度：-1.8dB。

图5 有回波和频偏时的星座图与恢复后星座图

      实际应用中，频偏和回波经常同时存在，载波恢复的残余频差过大会影响盲均衡的性能，而盲均衡收敛不好又反过来影响载波捕捉的范围和速度。GX1001对载波捕捉与盲均衡两个模块进行了联合优化，使这两个模块在捕捉过程中相互辅助，保证其在大频偏和大回波同时存在的情况下仍能迅速捕捉到信号。

      7、 外部接口，寄存器

      作为一个成熟的产品，GX1001尽量将配置寄存器设计得简单、便于理解和使用。与同类型芯片相比，GX1001的配置寄存器数量是最少的，但功能方面毫不逊色，以常见的锁相环参数设置为例，一般芯片需要配置环路滤波器的直流增益和积分增益，其带宽和阻尼因子需要换算才能知道，对于芯片应用人员来说既不直观也不方便。GX1001直接把带宽分为几级，在内部把阻尼因子调节到最优，极大方便了应用开发。有些同类产品在使用时要求MCU有较强的运算能力（如有乘法和除法运算），而GX1001不需要此类操作。

      参考文献
      [1] GX1001 datasheet， GuoXin ltd;
      [2] John G. Proakis, Digital Communications, 电子工业出版社;
      [3] G. Picchi, G. Prati, Blind Equalization and Carrier Recovery Using a “Stop-and-Go” Decision-Directed Algorithm, IEEE Transactions on Communications, Vol. COM-35, No. 9, Sep. 1987, pp877~887
      [4] D. N. Godard, Self-Recovering Equalization and Carrier Tracking in Two-Dimensional Data Communication Systems, IEEE Transactions on Communications, Vol. COM-28, No. 11, Nov. 1980, pp1867~1875 
      [5] Floyd M. Gardner, Interpolation in Digital Modems-Part I: Fundamentals, IEEE TRANSACTION ON COMMUNICATIONS VOL 41 NO.3 MARCH 1993
      [6] Floyd M. Gardner, Interpolation in Digital Modems-Part II: Implementation and Performance, IEEE TRANSACTION ON COMMUNICATIONS VOL 41 NO.6 JUNE 1993

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