薛曼芳

(福州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子信息工程系，福州 350108)

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基于DAB標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

薛曼芳

(福州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子信息工程系，福州 350108)

DAB是繼AM、FM之后的第三代廣播技術(shù).針對(duì)DAB中的OFDM調(diào)制關(guān)鍵技術(shù)，采用改進(jìn)基-2蝶形來(lái)減少乘法器的使用，運(yùn)用浮點(diǎn)數(shù)模塊實(shí)現(xiàn)高精度，利用流水線方式進(jìn)行加法器和乘法器優(yōu)化，同時(shí)用硬件描述語(yǔ)言Verilog HDL來(lái)完成調(diào)制系統(tǒng)核心模塊FFT處理器的實(shí)現(xiàn)和用Quartus II進(jìn)行功能仿真.通過用Matlab對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，分析結(jié)果表明，本系統(tǒng)誤碼率低、精確度高、讀取速度快，符合DAB調(diào)制系統(tǒng)的要求.

數(shù)字音頻廣播;正交頻分復(fù)用;改進(jìn)基-2蝶形;Quartus II

0　引　言

隨著數(shù)字技術(shù)的逐漸成熟，我國(guó)相應(yīng)的影視機(jī)構(gòu)和廣播電臺(tái)已開始進(jìn)行演播室數(shù)字化的建設(shè).2013 年，我國(guó)在國(guó)際廣播電視信息網(wǎng)絡(luò)展覽會(huì)(CCBN 2013)中，由我國(guó)的廣播與電視臺(tái)總局表態(tài)，2015 年至2016 年我國(guó)將會(huì)對(duì)地級(jí)以上城市完成數(shù)字音頻廣播的實(shí)行，數(shù)字式的廣播將是未來(lái)幾年發(fā)展的主要趨勢(shì)[1].

目前存在三種DAB制式：歐洲的尤卡-147制式、日本的單套節(jié)目方案以及美國(guó)的帶內(nèi)同頻制式[2-3].《30MHz～3000MHz地面數(shù)字音頻廣播系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》于2006年5月10日由我國(guó)的國(guó)家廣播電視電影總局進(jìn)行發(fā)布.與原有的調(diào)制技術(shù)相比，數(shù)字音頻廣播系統(tǒng)DAB(即Digital Audio Broadcasting)，對(duì)頻率選擇性衰落不僅有很好的對(duì)抗性，且具有優(yōu)越的無(wú)線寬帶移動(dòng)傳輸能力[4].近年來(lái)，OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)的關(guān)鍵技術(shù)是使用數(shù)字信號(hào)處理：(1)通過數(shù)字信號(hào)處理方法來(lái)實(shí)現(xiàn)各個(gè)子載波的接收及產(chǎn)生，從而更加簡(jiǎn)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)；(2)將各個(gè)子載波中的頻率譜進(jìn)行重復(fù)疊加處理，可以有效提高頻率譜的使用.由于獲得的頻率譜在一個(gè)OFDM符號(hào)周期中可達(dá)到正交性，從而保證了在接收端能夠進(jìn)行無(wú)失真的復(fù)原信號(hào)[5-6].

本設(shè)計(jì)主要完成DAB標(biāo)準(zhǔn)中核心模塊OFDM調(diào)制技術(shù)的研究設(shè)計(jì).使用的浮點(diǎn)數(shù)為32位，所得結(jié)果具有高精度；所設(shè)計(jì)的各模塊，包括：所有的處理器以及乘法設(shè)計(jì)、地址功能模塊、控制時(shí)鐘等均使用的是流水線法，有效地提高了速度，同時(shí)，對(duì)地址單元又有一定的優(yōu)化作用；采取先讀取數(shù)據(jù)，而后進(jìn)行FFT，有利于利用共有的使用，提高讀取速度；通過對(duì)基-2 FFT進(jìn)行改進(jìn)，來(lái)實(shí)現(xiàn)硬件資源降低.為評(píng)估OFDM調(diào)制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，通過在Quartus II環(huán)境進(jìn)行綜合仿真，用Matlab對(duì)結(jié)果驗(yàn)證分析，結(jié)果表明，本系統(tǒng)誤碼率低、精度高、讀取速度快，它能夠符合DAB的調(diào)制系統(tǒng)的要求.

1　DAB系統(tǒng)的OFDM調(diào)制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1基本原理

由文獻(xiàn)[7]對(duì) DAB系統(tǒng)研究可知，此標(biāo)準(zhǔn)不僅規(guī)定工作的頻率范圍為30 MHz～3 GHz，而且要滿足在200 km/h 速度條件下移動(dòng)時(shí)可穩(wěn)定接收，同時(shí)防止能夠有效地對(duì)抗多徑延遲引發(fā)的衰落[7].該標(biāo)準(zhǔn)的OFDM調(diào)制設(shè)計(jì)是把來(lái)自信道編碼的傳輸信號(hào)以幀為單位，將其當(dāng)作生成的OFDM符號(hào)系統(tǒng)中的輸入信號(hào).在標(biāo)準(zhǔn)有效的范圍中，把N(2r)個(gè)子載波平均分布在各個(gè)高頻率的帶寬中，而后通過數(shù)據(jù)的串并轉(zhuǎn)換，采用高速與并行形式完成數(shù)據(jù)的N個(gè)多路、并行同時(shí)速度相對(duì)較低的數(shù)據(jù)變換，接著將N路符號(hào)，每2 bit的輸入映射為I值與Q值，分別進(jìn)行QPSK調(diào)制.調(diào)制結(jié)果利用偽隨機(jī)碼表進(jìn)行查找，將比特信息交織、差分調(diào)制處理再將各路已調(diào)波進(jìn)行混合，由此產(chǎn)生了頻分復(fù)用的FDM信號(hào).各個(gè)子載波之間要滿足一定頻率間距，由于各個(gè)子載波的信號(hào)頻率譜具有正交特性，即使它的頻率譜中還有重復(fù)疊加，當(dāng)解調(diào)時(shí)由于該正交特性也可以實(shí)現(xiàn)各個(gè)子載波的正確解調(diào).具體的OFDM信號(hào)頻譜圖如圖1所示.

圖1　OFDM正交頻譜圖

1.2實(shí)現(xiàn)方法

根據(jù)分析，將多個(gè)已經(jīng)完成調(diào)制的子載波構(gòu)成一個(gè)OFDM符號(hào)，本文中使用QPSK或QAM對(duì)每個(gè)子載波進(jìn)行處理[8-9].根據(jù)前文描述，完成OFDM調(diào)制設(shè)計(jì)須在發(fā)送與接收端設(shè)置等級(jí)差頻率為N的振蕩器，N取值范圍從幾百到幾千，通常情況下取兩千多或四千多，不易實(shí)現(xiàn)，因此通過數(shù)學(xué)(即離散傅里葉反變換與離散傅里葉變換)的方法來(lái)完成設(shè)計(jì).首先將全部的子載波信號(hào)采用疊加處理可生成反變換輸出的符號(hào)數(shù)據(jù)，即對(duì)多個(gè)相連接的已完成調(diào)制的子載波疊加信號(hào)進(jìn)行采樣來(lái)實(shí)現(xiàn);其次以此類推，通過DFT能夠?qū)崿F(xiàn)解調(diào).根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況，核心算法IDFT/DFT常以IFFT/FFT來(lái)實(shí)現(xiàn).所以，IFFT是本文所討論的核心算法.

2　DAB系統(tǒng)的OFDM調(diào)制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1DAB調(diào)制系統(tǒng)

DAB標(biāo)準(zhǔn)中調(diào)制系統(tǒng)的傳輸信號(hào)是以幀為基礎(chǔ)的，原始數(shù)據(jù)流經(jīng)過音頻編碼，進(jìn)而信道編碼，最終輸入至OFDM符號(hào)生成系統(tǒng).OFDM符號(hào)生成系統(tǒng)主要模塊為：塊劃分、差分調(diào)制、QPSK、頻率交織、OFDM調(diào)制等.實(shí)現(xiàn)MSC(Main Service Channel)以及FIC(Fast In formation Channel)符號(hào)的生成、產(chǎn)生同步信道符號(hào)、OFDM調(diào)制功能等，獲得碼流后，利用上變頻器進(jìn)行調(diào)制為中頻或者射頻.圖2給出了DAB調(diào)制系統(tǒng)的框圖[10].

圖2　DAB信號(hào)調(diào)制系統(tǒng)框圖

2.2DAB調(diào)制系統(tǒng)的核心模塊IFFT設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用的是基于時(shí)間抽樣的基-2、流水線的FFT變換.采用的存儲(chǔ)器是雙端口的RAM和ROM.首先，將需進(jìn)行輸入的數(shù)據(jù)在雙端口RAM1中存儲(chǔ)，等完成全部數(shù)據(jù)的接收，將旋轉(zhuǎn)因子提前配置于ROM內(nèi)，接著，使用浮點(diǎn)變換法完成輸入數(shù)據(jù)處理，而后進(jìn)行FFT變換.最后，在RAM2內(nèi)進(jìn)行放置輸出結(jié)果，通過判斷模塊，把RAM2輸至RAM1中，重復(fù)FFT的變換，當(dāng)?shù)刂窞楦呶粫r(shí)將其進(jìn)位存儲(chǔ)在下一個(gè)模塊里，再把保護(hù)間隔加入，完成輸出就可以結(jié)束.圖3為硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖.

圖3　硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

(1)改進(jìn)基-2蝶形單元設(shè)計(jì)

蝶形運(yùn)算基本規(guī)律如式：

(1)

由式(1)知，蝶形運(yùn)算模塊包含復(fù)數(shù)的乘法運(yùn)算，通常使用的復(fù)數(shù)乘法為3～4個(gè)的乘法器.但是基-2的蝶形運(yùn)算具有特殊性：在一個(gè)蝶形運(yùn)算中需要取數(shù)據(jù)Xm-1(i)和Xm-1(j)，但僅需一次復(fù)數(shù)的乘法運(yùn)算，換言之可在兩個(gè)時(shí)鐘的周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)一次的乘法運(yùn)算，利用這一點(diǎn)，可降低使用的乘法器數(shù)目，并且保持處理速度不變.本設(shè)計(jì)利用實(shí)部與虛部共同使用相同的乘法器，來(lái)實(shí)現(xiàn)硬件資源的降低.并且為獲得更高的工作效率，使用流水線結(jié)構(gòu)，最后通過浮點(diǎn)算法處理完成r次的循環(huán)蝶形變化.所設(shè)計(jì)的蝶形單元硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示.

圖4　蝶形單元的硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

(2)地址控制設(shè)計(jì)

控制單元是整個(gè)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵模塊.本文通過一個(gè)硬件層控制模塊來(lái)完成控制信號(hào)中的全部使能的設(shè)計(jì).本設(shè)計(jì)在存儲(chǔ)器中提前設(shè)置旋轉(zhuǎn)因子，當(dāng)輸入所有的數(shù)據(jù)后完成連續(xù)的r次FFT變換，同時(shí)保持部分地址不變.當(dāng)FFT變換點(diǎn)數(shù)是2048點(diǎn)時(shí)，完成變換后，保持原有順序的情況下，它的后一級(jí)中上一半蝶形運(yùn)算的旋轉(zhuǎn)因子剛好為前一級(jí)的旋轉(zhuǎn)因子.所以，使旋轉(zhuǎn)因子存儲(chǔ)器的多余操作有效的減少，進(jìn)而減少系統(tǒng)的功率損耗.采用寄存器置位法來(lái)實(shí)現(xiàn)全部地址的控制，如此就實(shí)現(xiàn)了快速地址的生成，同時(shí)方便可配置性的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).

(3)循環(huán)前綴的設(shè)計(jì)

為了讓OFDM符號(hào)具有正交性，進(jìn)行周期性擴(kuò)展OFDM，于每個(gè)傳輸信號(hào)之前加入1一段護(hù)間隔.保護(hù)間隔即循環(huán)前綴[11].具體硬件實(shí)現(xiàn)如下：首先把 IFFT 變換后的結(jié)果暫存于RAM中，緊接著運(yùn)用重復(fù)讀取部分?jǐn)?shù)據(jù)法，將數(shù)據(jù)從RAM里讀出，同時(shí)并將其中部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行重復(fù)的復(fù)制，進(jìn)而形成保護(hù)間隔.將2048 點(diǎn)IFFT運(yùn)算所得數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于RAM中，其存儲(chǔ)單元數(shù)為2048個(gè)(0～2047).加保護(hù)間隔操作之前，讀取的地址的順序是先地址1544～2047個(gè)數(shù)據(jù)，而后為地址0～2047的數(shù)據(jù).以11位的計(jì)數(shù)器為地址發(fā)生器，其可計(jì)數(shù)值為0～2047，初值令其為1544，為此計(jì)數(shù)規(guī)則為1544～2047，0～2047.

3　系統(tǒng)仿真與驗(yàn)證分析

3.1系統(tǒng)仿真

利用FPGA來(lái)實(shí)現(xiàn)，屬于可編譯硬件設(shè)計(jì)，需建立硬件層DAB系統(tǒng)模型來(lái)實(shí)現(xiàn)算法的功能.根據(jù)以上建立的系統(tǒng)模型框架，首先進(jìn)行系統(tǒng)的Matlab仿真編程驗(yàn)證.圖5為加入噪聲后的比特誤碼率結(jié)果圖，可分析得在加入高斯噪聲后，BER隨著信噪比增大而減少，在近14 dB的時(shí)候，BER將近為10-4，據(jù)所查DAB標(biāo)準(zhǔn)要求，這個(gè)系統(tǒng)的可靠性基本達(dá)標(biāo)，具有實(shí)用性.

圖5　加噪后的信噪比

圖6為已經(jīng)完成調(diào)制后的功率譜密度的截圖，從圖中可得在2 MHz帶寬中，系統(tǒng)具有的有效帶寬是1.539 MHz.通過和DAB標(biāo)準(zhǔn)中理論有效帶寬和仿真的有效帶寬的比較，本文系統(tǒng)有效帶寬達(dá)到了DAB標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)的要求，證明了整個(gè)系統(tǒng)的正確性.

圖6　調(diào)制系統(tǒng)的功率譜密度

3.2電路驗(yàn)證

本文利用FPGA完成10位字長(zhǎng)2048點(diǎn)FFT復(fù)數(shù)處理器的設(shè)計(jì).整個(gè)設(shè)計(jì)分成多個(gè)功能模塊，使用Verilog HDL語(yǔ)言進(jìn)行設(shè)計(jì)，并在Quartus II系列器件上綜合仿真實(shí)現(xiàn).設(shè)計(jì)采用時(shí)序框圖如圖7所示.

圖8是綜合仿真的輸入和輸出，為了驗(yàn)證其功能仿真的正確性，本設(shè)計(jì)在Quartus II進(jìn)行了仿真，同時(shí)借助Matlab，將同一輸入數(shù)據(jù)化為浮點(diǎn)型而后將數(shù)據(jù)測(cè)試模塊載入FFT系統(tǒng)，將仿真后的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化到Matlab中，與Matlab中直接調(diào)用函數(shù)產(chǎn)生的結(jié)果進(jìn)行比較.

圖7　FFT設(shè)計(jì)的時(shí)序圖

圖8　綜合仿真的輸入與輸出

設(shè)輸入函數(shù)為x = 2000*sin(2*pi*t/N)，N=2048的點(diǎn)數(shù)，其采樣頻率是500 Hz，就是采樣間隔為0.002 s，采樣的時(shí)間長(zhǎng)度為0.002×2048 s，該正弦信號(hào)通過2048點(diǎn)FFT處理結(jié)果如圖9(a)所示，正弦信號(hào)通過調(diào)用FPGA生成的FFT進(jìn)行Matlab文件仿真結(jié)果如圖9(b)所示.兩個(gè)驗(yàn)證結(jié)果基本一致，說(shuō)明精度高.

圖9　正弦信號(hào)FFT在MATLAB與FPGA仿真結(jié)果對(duì)比

4　結(jié)束語(yǔ)

本文應(yīng)用Verilog HDL語(yǔ)言于Quartus II環(huán)境中設(shè)計(jì)出一種基于DAB標(biāo)準(zhǔn)下的OFDM調(diào)制符號(hào)生成器，并結(jié)合核的使用，進(jìn)行基-2的改進(jìn)算法，加以流水線設(shè)計(jì)，并且使用新穎的先接收后變換，以達(dá)到減少硬件資源，優(yōu)化算法程序，提高運(yùn)算精度和速度，致使系統(tǒng)的成本降低的目的.于此同時(shí)，該設(shè)計(jì)完成了DAB標(biāo)準(zhǔn)的調(diào)制系統(tǒng)Matlab仿真驗(yàn)證，其功能達(dá)到要求.

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Research and Implementation of Modulation System Based on DAB

XUE Man-fang

(Department of Electronic Information Engineering, Fuzhou Vocational &Technical College， Fuzhou 350108, China)

The DAB(Digital Audio Broadcasting) is the third generation radio broadcast technology after AM and FM. The design is focused on OFDM modulation, which is the main technology of DAB. It uses the improved base-2 butterfly to reduce the usage of multiplier, uses floating-point module to achieve high accuracy and uses assembly line way to optimize the multiplier and adder. In the meantime, it uses Verilog HDL language to implement FFT processor core module, and uses Quartus II to do simulation. The Matlab analysis shows this system has low error rates, high accuracy and fast reading speed. It meets with the requirements of modulation system in DAB.

DAB; OFDM; improved base-2 Butterfly; quartus II

2016-04-20

薛曼芳(1964-)，女，工程碩士，副教授，研究方向：電子與通信工程.

TN929

A

1671-119X(2016)03-0012-05