基于模型的數(shù)字音頻廣播信號調(diào)制系統(tǒng)設計

摘要：本文設計并在FPGA芯片中實現(xiàn)了數(shù)字音頻廣播系統(tǒng)的信號調(diào)制系統(tǒng)。信號調(diào)制系統(tǒng)位于整個數(shù)字音頻廣播系統(tǒng)基帶信號處理鏈的末端，是基帶數(shù)字信號處理的核心系統(tǒng)。根據(jù)Eureka 147標準，信號調(diào)制系統(tǒng)需要對輸入的基帶碼流進行數(shù)字調(diào)制、頻域交織、差分調(diào)制以及正交頻分復用等一系列處理。所設計的信號調(diào)制系統(tǒng)能夠?qū)斎氲幕鶐Тa流進行實時處理，完成上述信號處理算法，并輸出數(shù)字音頻廣播的基帶信號。

關鍵詞：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，也是技術發(fā)展最為完善的數(shù)字音頻系統(tǒng)。本文所設計的DAB基帶信號調(diào)制系統(tǒng)依據(jù)Eureka 147系統(tǒng)的技術要求。本文采用基于模型的系統(tǒng)沒計方法，首先對DAB基帶信號調(diào)制系統(tǒng)的各個模塊進行算法層建模，之后利用Simulink平臺以及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)過驗證的Simulink模型自動轉(zhuǎn)換為FPGA可實現(xiàn)工程。

1 DAB信號調(diào)制系統(tǒng)簡介

DAB系統(tǒng)基帶信號處理鏈可以分為三個主要模塊：第一個模塊為信源編碼系統(tǒng)，負責輸入音頻及數(shù)據(jù)源文件，并按照相關標準對不同的源文件進行信源編碼，然后將編碼后的數(shù)據(jù)流復用轉(zhuǎn)換為特定的幀結構；第二個模塊對經(jīng)過信源編碼的幀數(shù)據(jù)進行時域交織、信道編碼等處理，然后將處理得到的數(shù)據(jù)復用轉(zhuǎn)換為比特流；最后一個模塊為信號調(diào)制系統(tǒng)，這部分系統(tǒng)將對輸入的比特流進行正交相移鍵控調(diào)制、頻域交織、差分調(diào)制、正交頻分復用等一系列處理，并最終輸出完整的DAB基帶信號。圖1給出了DAB信號調(diào)制系統(tǒng)框圖。

2 DAB信號調(diào)制系統(tǒng)算法建模

為了能夠最終在FPGA芯片中實現(xiàn)DAB基帶架構信號調(diào)制系統(tǒng)結，首先對整個系統(tǒng)進行算法層建模，DAB信號調(diào)制系統(tǒng)結構框圖如圖2所示。DAB信號調(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，幾乎每一個子系統(tǒng)(例如頻率交織系統(tǒng))都有自己的時鐘域，并且系統(tǒng)時鐘發(fā)生所提供的輸出遠比一個單一時鐘信號復雜。

2．1 觸發(fā)序列檢測及系統(tǒng)時鐘子系統(tǒng)

存DAB信號調(diào)制系統(tǒng)中，需要沒計一個相應的序列檢測系統(tǒng)來識別所接收到的數(shù)據(jù)流，當數(shù)據(jù)流中不包含觸發(fā)序列時，DAB信號調(diào)制系統(tǒng)處于休眠狀態(tài)，系統(tǒng)輸出為零；當檢測到觸發(fā)序列時，序列檢測系統(tǒng)將發(fā)出使能信號，使DAB信號調(diào)制系統(tǒng)對觸發(fā)序列之后的數(shù)據(jù)流進行處理。

狀態(tài)機是實現(xiàn)這個觸發(fā)序列識別子系統(tǒng)的一個直觀有效的方法。由于所要設計的DAB信號調(diào)制系統(tǒng)是一個復雜的實時信號處理系統(tǒng)，因此需要為系統(tǒng)建立全局時鐘來規(guī)范處理時序。還需注意，系統(tǒng)的各個子系統(tǒng)之間的處理時序必須協(xié)調(diào)一致，否則輸出端的DAB基帶信號其物理層或邏輯層的幀結構會遭到破壞，全局時鐘為各個子系統(tǒng)的協(xié)調(diào)工作提供了一個整體時序框架。同時，那些需要進行復雜處理的子系統(tǒng)(例如頻率交織子系統(tǒng)、差分調(diào)制子系統(tǒng)等)可以以全局時鐘為架構，建立自己的時鐘域以及處理控制信號。全局時鐘系統(tǒng)的建立主要依靠計數(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DAB信號調(diào)制系統(tǒng)所接收到的比特碼流中已經(jīng)包含了塊劃分結構的信息，QPSK符號映射子系統(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還原，并對碼流進行QPSK調(diào)制，即將還原的碼元對映射為QPSK符號。這個子系統(tǒng)的算法較為直觀，在還原碼元對的處理中，涉及到的串并轉(zhuǎn)換利用解時分復用算法實現(xiàn)，而QPSK符號的映射通過查找表實現(xiàn)。

2．3 頻率交織子系統(tǒng)

頻率交織算法將改變QPSK符號與載波之間的對應順序。實時處理要求大大增加了頻率交織子系統(tǒng)的算法模型復雜度。為了實現(xiàn)對輸入QPSK符號流的實時頻率交織處理，本文設計了雙緩沖空間算法模型，如圖3所示。