基于模型的數(shù)字音頻廣播信號(hào)調(diào)制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：本文設(shè)計(jì)并在FPGA芯片中實(shí)現(xiàn)了數(shù)字音頻廣播系統(tǒng)的信號(hào)調(diào)制系統(tǒng)。信號(hào)調(diào)制系統(tǒng)位于整個(gè)數(shù)字音頻廣播系統(tǒng)基帶信號(hào)處理鏈的末端，是基帶數(shù)字信號(hào)處理的核心系統(tǒng)。根據(jù)Eureka 147標(biāo)準(zhǔn)，信號(hào)調(diào)制系統(tǒng)需要對(duì)輸入的基帶碼流進(jìn)行數(shù)字調(diào)制、頻域交織、差分調(diào)制以及正交頻分復(fù)用等一系列處理。所設(shè)計(jì)的信號(hào)調(diào)制系統(tǒng)能夠?qū)斎氲幕鶐Тa流進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，完成上述信號(hào)處理算法，并輸出數(shù)字音頻廣播的基帶信號(hào)。

關(guān)鍵詞：數(shù)字音頻廣播；FPGA；VIRTEX 6；數(shù)字調(diào)制；頻域交織；正交頻分復(fù)用

引言

數(shù)字音頻廣播(Digital Audio Broadcasting，DAB)是廣播通信系統(tǒng)由模擬向數(shù)字化演進(jìn)的產(chǎn)物。在眾多的數(shù)字音頻系統(tǒng)方案中，Eureka 147 DAB系統(tǒng)是起源最早，也是技術(shù)發(fā)展最為完善的數(shù)字音頻系統(tǒng)。本文所設(shè)計(jì)的DAB基帶信號(hào)調(diào)制系統(tǒng)依據(jù)Eureka 147系統(tǒng)的技術(shù)要求。本文采用基于模型的系統(tǒng)沒計(jì)方法，首先對(duì)DAB基帶信號(hào)調(diào)制系統(tǒng)的各個(gè)模塊進(jìn)行算法層建模，之后利用Simulink平臺(tái)以及Xilinx公司提供的可編程硬件模型庫，將系統(tǒng)的算法層模型轉(zhuǎn)換為可編程硬件模型，最后利用Xilinx公司的System Generator軟件將經(jīng)過驗(yàn)證的Simulink模型自動(dòng)轉(zhuǎn)換為FPGA可實(shí)現(xiàn)工程。

1 DAB信號(hào)調(diào)制系統(tǒng)簡介

DAB系統(tǒng)基帶信號(hào)處理鏈可以分為三個(gè)主要模塊：第一個(gè)模塊為信源編碼系統(tǒng)，負(fù)責(zé)輸入音頻及數(shù)據(jù)源文件，并按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)不同的源文件進(jìn)行信源編碼，然后將編碼后的數(shù)據(jù)流復(fù)用轉(zhuǎn)換為特定的幀結(jié)構(gòu)；第二個(gè)模塊對(duì)經(jīng)過信源編碼的幀數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)域交織、信道編碼等處理，然后將處理得到的數(shù)據(jù)復(fù)用轉(zhuǎn)換為比特流；最后一個(gè)模塊為信號(hào)調(diào)制系統(tǒng)，這部分系統(tǒng)將對(duì)輸入的比特流進(jìn)行正交相移鍵控調(diào)制、頻域交織、差分調(diào)制、正交頻分復(fù)用等一系列處理，并最終輸出完整的DAB基帶信號(hào)。圖1給出了DAB信號(hào)調(diào)制系統(tǒng)框圖。

2 DAB信號(hào)調(diào)制系統(tǒng)算法建模

為了能夠最終在FPGA芯片中實(shí)現(xiàn)DAB基帶架構(gòu)信號(hào)調(diào)制系統(tǒng)結(jié)，首先對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行算法層建模，DAB信號(hào)調(diào)制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。DAB信號(hào)調(diào)制系統(tǒng)的算法層模型具有以下主要模塊：觸發(fā)序列檢測子系統(tǒng)、系統(tǒng)時(shí)鐘發(fā)生子系統(tǒng)、編碼QPSK映射系統(tǒng)、頻率交織子系統(tǒng)、差分調(diào)制子系統(tǒng)、OFDM子系統(tǒng)等。需要說明的是，幾乎每一個(gè)子系統(tǒng)(例如頻率交織系統(tǒng))都有自己的時(shí)鐘域，并且系統(tǒng)時(shí)鐘發(fā)生所提供的輸出遠(yuǎn)比一個(gè)單一時(shí)鐘信號(hào)復(fù)雜。

2．1 觸發(fā)序列檢測及系統(tǒng)時(shí)鐘子系統(tǒng)

存DAB信號(hào)調(diào)制系統(tǒng)中，需要沒計(jì)一個(gè)相應(yīng)的序列檢測系統(tǒng)來識(shí)別所接收到的數(shù)據(jù)流，當(dāng)數(shù)據(jù)流中不包含觸發(fā)序列時(shí)，DAB信號(hào)調(diào)制系統(tǒng)處于休眠狀態(tài)，系統(tǒng)輸出為零；當(dāng)檢測到觸發(fā)序列時(shí)，序列檢測系統(tǒng)將發(fā)出使能信號(hào)，使DAB信號(hào)調(diào)制系統(tǒng)對(duì)觸發(fā)序列之后的數(shù)據(jù)流進(jìn)行處理。

狀態(tài)機(jī)是實(shí)現(xiàn)這個(gè)觸發(fā)序列識(shí)別子系統(tǒng)的一個(gè)直觀有效的方法。由于所要設(shè)計(jì)的DAB信號(hào)調(diào)制系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的實(shí)時(shí)信號(hào)處理系統(tǒng)，因此需要為系統(tǒng)建立全局時(shí)鐘來規(guī)范處理時(shí)序。還需注意，系統(tǒng)的各個(gè)子系統(tǒng)之間的處理時(shí)序必須協(xié)調(diào)一致，否則輸出端的DAB基帶信號(hào)其物理層或邏輯層的幀結(jié)構(gòu)會(huì)遭到破壞，全局時(shí)鐘為各個(gè)子系統(tǒng)的協(xié)調(diào)工作提供了一個(gè)整體時(shí)序框架。同時(shí)，那些需要進(jìn)行復(fù)雜處理的子系統(tǒng)(例如頻率交織子系統(tǒng)、差分調(diào)制子系統(tǒng)等)可以以全局時(shí)鐘為架構(gòu)，建立自己的時(shí)鐘域以及處理控制信號(hào)。全局時(shí)鐘系統(tǒng)的建立主要依靠計(jì)數(shù)器及邏輯比較模塊的組合使用。

2．2 編碼QPSK映射子系統(tǒng)

假設(shè)DAB信號(hào)調(diào)制系統(tǒng)所接收到的比特碼流中已經(jīng)包含了塊劃分結(jié)構(gòu)的信息，QPSK符號(hào)映射子系統(tǒng)將從接收到的編碼數(shù)據(jù)流中將包含塊劃分的碼元對(duì)還原，并對(duì)碼流進(jìn)行QPSK調(diào)制，即將還原的碼元對(duì)映射為QPSK符號(hào)。這個(gè)子系統(tǒng)的算法較為直觀，在還原碼元對(duì)的處理中，涉及到的串并轉(zhuǎn)換利用解時(shí)分復(fù)用算法實(shí)現(xiàn)，而QPSK符號(hào)的映射通過查找表實(shí)現(xiàn)。

2．3 頻率交織子系統(tǒng)

頻率交織算法將改變QPSK符號(hào)與載波之間的對(duì)應(yīng)順序。實(shí)時(shí)處理要求大大增加了頻率交織子系統(tǒng)的算法模型復(fù)雜度。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入QPSK符號(hào)流的實(shí)時(shí)頻率交織處理，本文設(shè)計(jì)了雙緩沖空間算法模型，如圖3所示。