Вход |  Регистрация
 
 
Время электроники Среда, 22 января
 
 

Это интересно!

Ранее

Проектирование ИС на основе учета разброса параметров

В статье рассматриваются причины и последствия разброса параметров элементов современных ИС, выполненных по технологическим нормам 90 нм и менее. Показано, что традиционные методики и средства разработки не позволяют в должной мере учесть это влияние, и определены направления развития этих систем, что позволит снизить риск неработоспособности проектируемых ИС и время их разработки.

Институт проектирования приборов и систем (университет Cadence): качество, стабильность, будущее

Вот уже 7 лет в Институте проектирования приборов и систем (ИППС) МИЭТ ведется подготовка специалистов для нужд микроэлектроники. В статье освещается современное состояние ИППС, планы Института, а также приводятся сведения о программных продуктах компании Cadence и их роли в учебном процессе Института. Современные САПР отличаются чрезвычайной сложностью, интеграцией и функциональностью. Эффективное освоение таких САПР как Cadence возможно только на базе специализированных учебно-научных комплексов, незамедлительно реагирующих на развитие средств САПР и микроэлектроники в целом.

Использование FPGA в разработках телевидения высокой четкости (HDTV)

Современное быстрое развитие телевизоров высокой четкости (HDTV) с большим экраном требует для достижения высокого разрешения применения весьма сложных алгоритмов обработки видео, что, в свою очередь, вызывает необходимость более быстрого отслеживания и коррекции искажений, которые зритель обычно не замечает на экранах меньшего размера. Для преодоления этих проблем разработчики в настоящее время начинают применять алгоритмы динамической обработки изображений с использованием FPGA для преобразования и распределения цифровых видеосигналов на панели дисплея. Существует ряд методов обработки и отображения видеоинформации, с помощью которых можно получить чистое и ровное изображение на панелях HDTV. [англ.]

 

14 мая

Проектирование беспроводных систем цифрового вещания с использованием универсальных ПЛИС

В каждой цифровой системе связи есть модули, используемые в цифровых телевизионных передающих системах, например, модули кодирования и модуляции сигнала. Идентичность модулей позволяет переносить, слегка модифицировав, существующие схемы из одной системы в другую.



О

СНОВЫ ЦИФРОВОЙ СВЯЗИ

Независимо от типа передаваемой информации, будь то голос, видео или данные, разработчики стремятся, во-первых, увеличить эффективность использования ограниченной полосы пропускания, а во-вторых, уменьшить число ошибок, возникающих из-за шума и замираний в линии передачи.
Обработка сигнала в любой цифровой телевизионной или другой беспроводной системе включает следующие операции: кодирование/форматирование НЧ-источника, кодирование канала, модуляцию, мультиплексирование, расширение/скремблирование сигнала, временную синхронизацию (см. рис. 1).

Рис. 1. Общая структура блока цифрового модулятора

 

Кодирование и форматирование источника информации обеспечивают оцифровку сигнала с оптимальной частотой дискретизации. Это позволяет избежать спектральных искажений и обеспечивает равномерное распределение сигнала (нулей и единиц) по всей полосе передачи. Самыми распространенными кодами являются NRZ (без возвращения к нулю), RZ (с возвращением к нулю), многоуровневый бинарный код, а также фазовое кодирование.
Длинные последовательности нулей или единиц приводят к появлению дискретных линий в спектре ВЧ-сигнала, что может вызвать рассинхронизацию приемника и передатчика. Чтобы этого не происходило, в схемах скремблирования используют элементы задержки и «исключающего ИЛИ». Они «выравнивают» данные, так что значение любого бита становится независимым от значений смежных битов.
Кодирование канала включает в себя не только цифровое кодирование формы сигнала, но и добавление избыточных битов для защиты от шума и искажения сигнала. М-ричные системы сигналов, ортогональные и антиподальные сигналы — все это примеры кодирования, которое облегчает и делает устойчивее детектирование сигнала в приемнике. Блочное или сверточное кодирование обычно применяют для реализации кодирования с прямой коррекцией ошибок FEC (Forward Error Correction — упреждающая коррекция ошибок).
FEC-кодирование позволяет получить требуемый коэффициент ошибок на бит (BER) при существенно меньшем отношении сигнал/шум. Таким образом, может быть принят слабый высокоскоростной сигнал при большем уровне шума в канале, который без кодирования принять было бы невозможно. Уменьшение отношения сигнал/шум при использовании FEC называют эффективностью кодирования. Например, если для некоторого вида модуляции пороговое отношение сигнал/шум составляет 18 дБ без FEC-кодирования, а с кодированием 15 дБ, то эффективность кодирования составляет 3 дБ. Однако заметим, что из-за добавления избыточных битов для передачи информации требуется более широкая полоса пропускания канала.
Двумя самыми распространенными методами модуляции в беспроводных и цифровых ТВ-системах являются квадратурная амплитудная модуляция (QAM) и ортогональное частотное мультиплексирование (OFDM). QAM обычно означает использование одной несущей, а OFDM — систему с большим количеством несущих. QAM в основном применяется в цифровых телевизионных кабельных каналах связи, в то время как OFDM используется в беспроводных сетях передачи данных, в том числе в эфирном телевидении (за пределами США). Каждая несущая в OFDM-системе может модулироваться методом QPSK, 16QAM или 64QAM.
Технология OFDM используется в современных широкополосных системах связи и эфирного телевидения, таких, как DVB-T, ISDB-T и DMB-T. В высокоскоростных системах OFDM для уменьшения искажений многолучевого канала связи в передаваемый поток данных включают циклический префикс и защитный интервал для устранения межсимвольных помех. Конец IFFT-пакета копируют в начало OFDM-символа. Обычно длину префикса выбирают так, чтобы она превышала длину задержки многолучевого канала, тогда возможность межсимвольных помех будет исключена полностью.
В приемнике OFDM сначала отсекаются циклический префикс, защитный интервал и другая служебная информация, а затем пакет демодулируется в блоке быстрого преобразования Фурье (FFT, БПФ). Все беспроводные и цифровые телевизионные системы имеют одинаковую базовую архитектуру. Отличие заключается в длине выборки быстрого преобразования Фурье, поскольку от нее зависит количество несущих в системе. В стандарте WiMAX используется до 2К (2048), в DVB-T — до 8К, а в DMB-T — до 3К несущих.
При QAM-модуляции для передачи двух сигналов на одной и той же несущей частоте используется свойство ортогональности сигналов синуса и косинуса. Модулируется как амплитуда, так и фаза сигналов. На рисунке 2 показана общая структура модулятора QAM, реализованного на ПЛИС.

 

Рис. 2. Общая структура QAM-модулятора на ПЛИС

 

Поток данных с FEC-кодера мультиплексируется на TDM-шине (временное мультиплексирование) и подается на вход модулятора. Данные с TDM-шины буферизуются во внутреннем ОЗУ, откуда поступают в формирователь модуляционных символов (QAM constellation mapper), в котором происходит выбор наиболее подходящего вида квадратурной модуляции. Чем выше порядок QAM, тем большее число бит передается в данной полосе пропускания в единицу времени. В зависимости от типа передаваемого сигнала и шумовых параметров среды выбирают вид QAM-модуляции, который определяет отношение сигнал/шум в приемнике. Для передачи по кабелю можно использовать модуляцию 256QAM, а для эфирного вещания — до 64QAM. Для спутникового модема предельное допустимое для приемника отношение сигнал/шум достигается при модуляции 32QAM или 16QAM, поскольку сигнал проходит очень большие расстояния и подвержен искажениям и замираниям. В худшем случае используют двухпозиционную фазовую манипуляцию BPSK.
Последовательность дискретных значений в каналах I и Q преобразуется в сглаженные непрерывные сигналы, проходя через синусквадратные фильтры (raised cosine filter, синусный фильтр 2-го порядка), как показано на рисунке 1. Граничная частота фильтра зависит от области применения и стандарта связи. Именно здесь применение реконфигурируемой ПЛИС наиболее удобно, как для передачи цифрового ТВ, так и в беспроводных системах связи.

 

МИРОВЫЕ СТАНДАРТЫ ПЕРЕДАЧИ

Передача сигналов ведется в диапазоне частот от 9 кГц до 300 ГГц. Использование спектра регулируется государственными комитетами и зависит от географического региона. В США действует Федеральная комиссия связи (FCC — Federal Communication Commission), в Европе — Европейский институт стандартов связи (ETSI — European Telecommunications Standards Institute), в Японии — Ассоциация радиопромышленности и бизнеса (ARIB — Association of Radio Industries and Businesses), в Китае — Государственное управление по радио, кино и телевидению (SARFT — State Administration of Radio, Film and Television). Все эти учреждения определяют стандарты и полосы частот для всех видов беспроводных и телевизионных средств передачи информации. Общие мировые стандарты беспроводной связи и ТВ приведены в таблицах 1 и 2.

 

Таблица 1. Мировые стандарты цифрового телевидения

Регион

Кабельное ТВ

Спутниковое ТВ

Эфирное и мобильное ТВ

Северная Америка

ITU-T/J.83B (64/256QAM)

DVB-S & DSS (QPSK), DVB-S2

ATSC (8VSB) MediaFLO

Европа

DVB-C (64QAM)

DVB-S (QPSK), DVB-S2

DVB-T, DVB-H (COFDM), T-DMB, DAB-IP

Китай

DVB-C, DTV-C (64QAM)

DVB-S (QPSK)

DMB-TH CMMB

Япония

ITU-T/J.83A (64QAM)

ISDB-S (8PSK)

ISDB-T S-DMB

 

Таблица 2. Мировые стандарты беспроводной связи

 
Цифровая сотовая связь
Беспроводная передача данных
WiBRO
TDMA
CDMA
EV-DO
W-CDMA/UMTS
GSM/GPRS
WiMAX
ZigBee
Bluetooth
WiFi
Модуляция
OFDM/4/16/64 QAM
DQPSK
QPSK/OQPSK
HPSK
QPSK/OQPSK
GMSK/8PSK
OFDM/от QPSK до QAM
GFSK/OQPSK
DQPSK/D8PSK
OFDM/QAM
Макс. скорость передачи, Мбит/с
18,432
48,6
0,115; 2,4
2,4
1,2288
0,115
75
28 Кбит/с
1,5
54

 

РЕАЛИЗАЦИЯ FEC-КОДИРОВАНИЯ

Одними из самых распространенных упреждающих кодов, исправляющих ошибки, являются коды Рида-Соломона, Витерби и турбо-коды. Кодеры FEC имеют много регулируемых параметров, поэтому их можно подстраивать под различные типы задач и различные стандарты.
Кодеры и декодеры (кодеки) Рида-Соломона, построенные на ПЛИС, являются полностью параметризованными. Они часто используются для обнаружения и исправления ошибок в системах ЦОС в задачах хранения, считывания и передачи данных. Следующие парамет­ры являются переменными: число бит на символ, число символов в кодовом слове, число проверочных бит в кодовом слове, параметрический полином и расстояние между корнями порождающего полинома.
Код Витерби (известный также как метод максимального правдоподобия или динамического программирования) — самый распространенный метод сверточного кодирования, основанный на асимптотически оптимальном декодировании. Эффективный рекурсивный алгоритм Витерби позволяет проводить оптимальный полный поиск. Обычно код Витерби используется в паре со сверточным кодом, что обеспечивает исправление ошибок при высоком уровне шума в канале. Программируемыми параметрами являются: число кодируемых бит, длина кодового ограничения, количество бит для «мягкого» алгоритма принятия решения, глубина просмотра, полином для каждого закодированного бита.
Турбо-коды обычно построены на двух сверточных кодах, которые используются одновременно с некоторым перемежением. Сверточные коды могут использоваться для кодирования непрерывного потока данных, в этом случае из данных формируют конечные блоки в соответствии с шагом перемежения. В зависимости от конфигурации турбокоды способны показывать более высокую скорость кодирования, чем другие FEC-коды.

 

РЕАЛИЗАЦИЯ OFDM НА ПЛИС

Для приложений на ПЛИС разработано много различных конфигурируемых логических блоков. Самыми сложными операциями при реализации OFDM являются прямое (при приеме) и обратное (при передаче) быстрое преобразования Фурье. Эти операции осуществляются практически одинаковыми блоками, поэтому они могут взаимозаменяться или применяться в обоих направлениях. В современных масштабируемых беспроводных системах, таких, как WiMAX и 3GPP LTE, одним из обязательных требований является возможность переконфигурирования «на лету». Это относится и к системам мобильного телевидения. Возможность программирования ПЛИС обеспечивает такую реконфигурируемость и масштабируемость. Следует предусмотреть возможность гибкого конфигурирования блока БПФ в условиях переменного потока, чтобы менять длину блока данных БПФ от пакета к пакету. Обычно для уменьшения числа логических элементов модуль БПФ тактируют с намного большей частотой, чем другие НЧ-блоки. Один и тот же блок БПФ может использоваться с различными источниками сигнала, например, с разнесенными антеннами, при приеме и передаче с временным/частотным дуплексом. Блок БПФ может также совмещаться с другими функциональными модулями, такими, как блок уменьшения пик-фактора или блок оценки канала.

 

Рис. 3. Структура полного модулятора DVB-T на основе ПЛИС

 

На рисунке 3 изображена структура модулятора DVB-T на основе ПЛИС.

 

ЦИФРОВОЙ ПЕРЕНОС ЧАСТОТЫ

Цифровое перенос вверх по частоте — это последняя операция с цифровым сигналом перед преобразованием в аналоговую форму. Ядром преобразователя является генератор с числовым управлением (NCO — numerically controlled oscillator). Он представляет собой логический блок, который выдает сигнал, частота которого соответствует цифровому значению на входе. Выходной сигнал может быть любой формы, обычно пилообразной, синусоидальной или синус-косинусной. Значение выходной частоты не может превышать половины тактовой частоты системы.
Генератор с числовым управлением NCO состоит из программируемого счетчика и таблицы форм сигнала. На каждом такте текущее показание счетчика складывается со значением на частотном входе генератора. Чем больше значение частоты на входе, тем быстрее переполняется и сбрасывается счетчик. Показания счетчика используются как указатель в таблице формы. Выход таблицы определяет форму сигнала.
Один из способов цифрового переноса по частоте действительного НЧ-сигнала с преобразованием в комплексную форму основан на использовании таблицы форм для создания синусной (синфазной) и косинусной (квадратурной) компонент. Согласно жестким требованиям, предъявляемым к модуляторам, NCO-генератор должен выдавать очень качественный сигнал. Характеристикой качества сигнала является параметр SFDR (Spurious Free Dynamic Range — динамический диапазон без паразитных составляющих). Для беспроводных систем третьего поколения SFDR обычно должен быть не меньше 110 дБ.

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В настоящее время область цифровой связи очень быстро развивается, появляются более совершенные системы цифрового телевидения и беспроводной связи. Доступность программных модулей для ПЛИС значительно упрощает разработку систем цифрового телевидения, а также позволяет использовать эти же модули в других системах передачи данных.



Вы можете скачать эту статью в формате pdf здесь.
Оцените материал:

Автор: Там До, старший технический специалист, компания Altera



Комментарии

0 / 0
0 / 0

Прокомментировать





 

Горячие темы

 
 




Rambler's Top100
Руководителям  |  Разработчикам  |  Производителям  |  Снабженцам
© 2007 - 2020 Издательский дом Электроника
Использование любых бесплатных материалов разрешено, при условии наличия ссылки на сайт «Время электроники».
Создание сайтаFractalla Design | Сделано на CMS DJEM ®
Контакты