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DRM廣播系統及接收機技術(shù)

作者: 時(shí)間:2008-04-16 來(lái)源:網(wǎng)絡(luò ) 收藏

引言


目前工作于中波和短波波段的調幅廣播質(zhì)量遠遠低于人們的收聽(tīng)要求,2004年制定的數字音頻廣播標準,是一種在原中短波頻帶內,仍占用9kHz(或l0kHz)帶寬,可提供無(wú)干擾的接近調頻立體聲質(zhì)量的廣播。廣播是繼調幅廣播、調頻廣播之后的第三代廣播方式,它的出現標志著(zhù)正由模擬向數字體制過(guò)渡。目前,國內外采用的大多基于PC的DRM軟件,已經(jīng)比較成熟,但其應用范圍受到一定限制。因此為促進(jìn)DRM系統的推廣,需要一種成本較低、可靠性高、體積小和攜帶方便的硬件DRM。


DRM系統采用OFDM調制方式,具有多種傳輸模式,適用于多種信道和帶寬的傳輸方式,可以傳送音頻流及數據流。圖1和圖2分別給出了DRM發(fā)射系統結構和接收終端原理圖。

圖1 DRM發(fā)射系統原理圖

圖2 接收終端結構原理圖


DRM系統關(guān)鍵


DRM關(guān)鍵技術(shù)包括OFDM調制解調、信道估計和同步等。


OFDM調制與解調技術(shù)


OFDM系統實(shí)現如圖3所示。發(fā)送數據在頻域進(jìn)行編碼映射,經(jīng)過(guò)IFFT運算變換到時(shí)域:

圖3 OFDM調制/解調實(shí)現框圖


(1)


式中Xn,k表示第n個(gè)符號,第k個(gè)子信道上調制的信號T為子載波上的符號周期,子載波間的頻率間隔為Δf=1/T,整個(gè)符號周期為T(mén)+Tg,g(t)為發(fā)送濾波器波形。經(jīng)IFFT后,頻域信號調制到了各個(gè)正交的子載波上,完成了正交頻分復用。每個(gè)OFDM碼元前加上保護間隔Tg=LT/N。保護間隔大于最大時(shí)延擴展,這樣所有時(shí)延小于保護間隔的多徑信號將不會(huì )延伸到下一個(gè)碼元期間,因而有效地消除了碼間串擾。OFDM信號經(jīng)加窗函數以降低帶外信號的功率,經(jīng)低通濾波后調制到主載頻發(fā)射到信道。


接收端的處理過(guò)程與發(fā)射端相反,信道出來(lái)的信號先經(jīng)過(guò)主載頻解調,低通濾波A/D轉換及串并變換后,再進(jìn)行FFT得到一個(gè)符號的數據。對所得數據進(jìn)行均衡,以校正信道失真。然后進(jìn)行譯碼判決和并串變換,恢復出原始的二元數據序列。表1給出了DRM系統OFDM參數。


信道估計是進(jìn)行相關(guān)檢測、解調和均衡的基礎。DRM系統在發(fā)送端適當位置插入導頻單元,接收端利用導頻恢復出導頻位置的信道信息,然后利用如內插、濾波、變換等處理手段,獲得所有時(shí)刻的信道信息。OFDM信道估計算法采用最小平方差(LS)算法和線(xiàn)性最小均分差(LMMSE)算法。其中LS算法定義為:


(2)


其中k的分布服從導頻分布規律,H*k,LS代表在子載波k點(diǎn)經(jīng)過(guò)LS估計得到的信道信息,Xk是發(fā)送值,Yk是經(jīng)過(guò)信道的接收值,Nk為噪聲,其中條件方差為E(│Vk│2│Xk│)=2δ2n / │Xk│2。LS算法計算量較少,但是其中的誤差Vk也大。為了減少誤差影響,可以采用LMMSE算法進(jìn)行平滑,它是基于估計信道的自相關(guān)函數Rh和信道噪聲方差δ2n得到的,導頻處的信道估計值為:


(3)


其中h*LS和h*LMMSE是LS和LMMSE估計得到的導頻處的信道值。信道相關(guān)矩陣為Rh=E(hhH)。X是一個(gè)對角矩陣,其對角線(xiàn)上的值為相應的導頻上的發(fā)送值,上標H代表共扼轉置。LMMSE要比LS性能要好4dB左右,但計算量LMMSE要比LS復雜。在DRM系統中,用于信道估計的導頻定義為 Ps,k=as,k ej2πν[s,k] ,通常as,k=21/2,對于一些邊界子載波as.k=2。


同步技術(shù)


DRM系統是連續傳送模式,與基于802.11a標準的無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)的突發(fā)傳輸系統不同。突發(fā)傳輸模式的前綴碼通常很短,這就要求能利用有限的前綴碼實(shí)現快速同步。而連續傳輸模式中系統信息是連續傳的。因此,接收機有更多的時(shí)間進(jìn)行可靠的有效信號檢測,然后進(jìn)行的各種誤差估計補償。同步包括頻率同步、時(shí)間同步(符號同步、定時(shí)同步)和采樣頻率同步。圖4給出了DRM同步方案框圖。

圖4 DRM同步算法框圖


圖5給出了使用信道2(典型中波)、魯棒模式B、SNR=30dB時(shí),對數據通道MSC在同步和信道估計前后接收到的信號星座圖仿真結果。從圖中可以看出,經(jīng)過(guò)同步、信道估計處理后,星座圖明顯改善。

(a)同步和信道估計前

(b)同步和信道估計后

圖5 同步和信道估計前后MSC(64QAM)星座圖

接收機終端方案


基于軟件無(wú)線(xiàn)電的DRM接收機


1)基于TMS320DM6446的接收機硬件平臺


基于軟件無(wú)線(xiàn)電技術(shù)DRM接收機的硬件平臺如圖6所示,考慮到具有體積小、可靠性高、成本低及較好的實(shí)時(shí)性要求,采用TI公司針對多媒體、低功耗手持設備應用開(kāi)發(fā)的雙處理器核芯片TMS320DM6446為核心的硬件平臺。利用DSP芯片強大的信號處理能力,來(lái)完成OFDM解調、信道解碼及解復用任務(wù),利用ARM926完成音頻、數據解碼和系統的功能控制及管理。

圖6 基于軟件無(wú)線(xiàn)電結構的DRM接收機


該終端硬件平臺包括調諧器、控制和DSP處理三個(gè)模塊。調諧器模塊主要由前端調諧器、混頻器及濾波器組成,作用是為系統提供合適的中頻信號。接收機前端應選用靈敏度高、動(dòng)態(tài)范圍大、集成度高的器件,這里選擇ST公司的高性能車(chē)載收音機前端調諧器TDA7511,它包括混頻、中頻放大、自動(dòng)增益控制、AM/FM解調、PLL鎖相環(huán)和質(zhì)量監測等,具有集成度高、所需外圍器件少和占用電路板面積小的優(yōu)點(diǎn),是射頻前端的核心部件??刂颇K主要由DM6446中的ARM9組成,配以外圍電路實(shí)現系統的控制及管理。DSP處理模塊是本終端的核心模塊,主要由DM6446中的TMS320 C64x+組成,經(jīng)模數變換后的數據流被送入DSP,完成DRM信號的解調、信道解碼及解復用任務(wù),最后將結果輸出給ARM9,得到音頻信號。


調諧器的濾波器組是將空中接收到的信號劃分為各個(gè)波段進(jìn)行接收,以便濾除雜波,提高整個(gè)接收機的信噪比,增強靈敏度指標。濾波器選擇橢圓函數濾波器,其在通帶和阻帶內的頻響都呈現等波紋特性,其主要參數為濾波器階數為3、通帶內波動(dòng)為0.25dB、阻帶內衰減為50dB、阻抗為50Ω和插入損耗為6dB。


TDA7511內部具有兩個(gè)混頻器,其先將天線(xiàn)收到的信號混頻到10.7MHz,再將信號二次混頻到455kHz,然后模擬信號經(jīng)過(guò)濾波、放大后送入外部混頻器。外部混頻器選用PHILIPS公司的SA612芯片,將455kHz模擬信號混頻到12kHz中頻上。SA612是內部帶振蕩器和電壓參考的雙平衡混頻器,具有低功耗、集成度高的優(yōu)點(diǎn),其振蕩器可被配置為晶體或調諧操作模式,操作靈活。A/D采樣用于將12kHz模擬信號數字化,A/D芯片的采樣率至少應大于24kHz(12kHz的2倍),這里選用AD9225模數轉換芯片。AD9225為單電源供電、12位精度、25MSPS高速模數轉換器,信噪比為71dB,雜散動(dòng)態(tài)范圍為85dB。


TMS320DM6446是具有雙核達芬奇架構的產(chǎn)品,具有高性能、低功耗、大存儲容量和外設接口靈活等優(yōu)點(diǎn),可以增添接收機硬件平臺性能、靈活性和可靠性。外接存儲器連接到其EMIF接口,由FLASH和SDRAM組成。FLASH選用一個(gè)512K8b的AM29LV040B芯片,用于存放應用程序,SDRAM選用16MB的HY57V281620芯片。系統工作時(shí),FLASH中的程序在工作時(shí)被復制到DM6446的內部存儲空間,并在內部存儲器中開(kāi)始運行,而外部的16MB SDRAM主要用于存儲處理后的數據。為了更方便地與計算機交換數據,設置了RS232接口/USB接口。


圖6的調諧器部分也可采用Mirics公司MS1001多頻段移動(dòng)廣播調諧器,實(shí)現DRM、模擬AM、FM和DAB的多制式移動(dòng)廣播功能。


2)DRM接收機軟件總體流程


接收機程序分兩部分,其中C64x+ DSP主要完成OFDM解調、信道解碼及解復等功能,并將結果輸出給ARM926,然后由ARM926完成音頻、數據解碼和系統的控制及管理功能。其程序流程如圖7所示。

圖7 DRM接收機軟件總體流程圖


基于專(zhuān)用集成電路的DRM接收機


圖8給出了基于DRM專(zhuān)用集成電路TMS320 DRM350的多制式接收機方案。

圖8 基于TMS320 DRM350的DRM接收機


TMS320 DRM300/DRM350是TI公司推出的世界第一塊支持DRM標準的專(zhuān)用單芯片。RS500是RadioScape推出的基于TI DRM300與DRM350芯片的模塊,支持DRM、模擬AM、FM和DAB標準,RS500模塊實(shí)現了圖6中的全部DRM接收機功能。以RS500為基礎,可以快速、低成本地開(kāi)發(fā)出可靠性高的多制式便攜式DRM接收機。圖8就是一種成本較低、可靠性高、體積小和攜帶方便,可接收DRM、模擬AM等多制式廣播信號的接收機方案,外部MCU單片機,通過(guò)I2C控制RS500的配置及工作。

結束語(yǔ)


本文主要研究了DRM系統設計技術(shù),詳細分析了DRM關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)現方法。數字廣播逐漸取代模擬廣播是必然的發(fā)展趨勢,但在過(guò)渡期間二者是共存的。針對目前DRM接收機大多是基于PC的DRM軟件接收機,應用范圍受到一定限制,文章提出了兩種成本較低、可靠性高、體積小和攜帶方便的多制式硬件DRM接收機方案。采用這種數字、模擬AM混合接收機,可以促進(jìn)DRM系統的推廣,實(shí)現從當前的模擬廣播到數字廣播的平滑過(guò)渡。



關(guān)鍵詞: 技術(shù) 接收機 廣播系統 DRM

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