基于模型的數字音頻廣播信號調制系統設計

摘要：本文設計并在FPGA芯片中實(shí)現了數字音頻廣播系統的信號調制系統。信號調制系統位于整個(gè)數字音頻廣播系統基帶信號處理鏈的末端，是基帶數字信號處理的核心系統。根據Eureka 147標準，信號調制系統需要對輸入的基帶碼流進(jìn)行數字調制、頻域交織、差分調制以及正交頻分復用等一系列處理。所設計的信號調制系統能夠對輸入的基帶碼流進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，完成上述信號處理算法，并輸出數字音頻廣播的基帶信號。

關(guān)鍵詞：數字音頻廣播；FPGA；VIRTEX 6；數字調制；頻域交織；正交頻分復用

引言

數字音頻廣播(Digital Audio Broadcasting，DAB)是廣播通信系統由模擬向數字化演進(jìn)的產(chǎn)物。在眾多的數字音頻系統方案中，Eureka 147 DAB系統是起源最早，也是技術(shù)發(fā)展最為完善的數字音頻系統。本文所設計的DAB基帶信號調制系統依據Eureka 147系統的技術(shù)要求。本文采用基于模型的系統沒(méi)計方法，首先對DAB基帶信號調制系統的各個(gè)模塊進(jìn)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，將系統的算法層模型轉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(guò)驗證的Simulink模型自動(dòng)轉換為FPGA可實(shí)現工程。

1 DAB信號調制系統簡(jiǎn)介

DAB系統基帶信號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，負責輸入音頻及數據源文件，并按照相關(guān)標準對不同的源文件進(jìn)行信源編碼，然后將編碼后的數據流復用轉換為特定的幀結構；第二個(gè)模塊對經(jīng)過(guò)信源編碼的幀數據進(jìn)行時(shí)域交織、信道編碼等處理，然后將處理得到的數據復用轉換為比特流；最后一個(gè)模塊為信號調制系統，這部分系統將對輸入的比特流進(jìn)行正交相移鍵控調制、頻域交織、差分調制、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信號調制系統框圖。

2 DAB信號調制系統算法建模

為了能夠最終在FPGA芯片中實(shí)現DAB基帶架構信號調制系統結，首先對整個(gè)系統進(jìn)行算法層建模，DAB信號調制系統結構框圖如圖2所示。DAB信號調制系統的算法層模型具有以下主要模塊：觸發(fā)序列檢測子系統、系統時(shí)鐘發(fā)生子系統、編碼QPSK映射系統、頻率交織子系統、差分調制子系統、OFDM子系統等。需要說(shuō)明的是，幾乎每一個(gè)子系統(例如頻率交織系統)都有自己的時(shí)鐘域，并且系統時(shí)鐘發(fā)生所提供的輸出遠比一個(gè)單一時(shí)鐘信號復雜。

2．1 觸發(fā)序列檢測及系統時(shí)鐘子系統

存DAB信號調制系統中，需要沒(méi)計一個(gè)相應的序列檢測系統來(lái)識別所接收到的數據流，當數據流中不包含觸發(fā)序列時(shí)，DAB信號調制系統處于休眠狀態(tài)，系統輸出為零；當檢測到觸發(fā)序列時(shí)，序列檢測系統將發(fā)出使能信號，使DAB信號調制系統對觸發(fā)序列之后的數據流進(jìn)行處理。

狀態(tài)機是實(shí)現這個(gè)觸發(fā)序列識別子系統的一個(gè)直觀(guān)有效的方法。由于所要設計的DAB信號調制系統是一個(gè)復雜的實(shí)時(shí)信號處理系統，因此需要為系統建立全局時(shí)鐘來(lái)規范處理時(shí)序。還需注意，系統的各個(gè)子系統之間的處理時(shí)序必須協(xié)調一致，否則輸出端的DAB基帶信號其物理層或邏輯層的幀結構會(huì )遭到破壞，全局時(shí)鐘為各個(gè)子系統的協(xié)調工作提供了一個(gè)整體時(shí)序框架。同時(shí)，那些需要進(jìn)行復雜處理的子系統(例如頻率交織子系統、差分調制子系統等)可以以全局時(shí)鐘為架構，建立自己的時(shí)鐘域以及處理控制信號。全局時(shí)鐘系統的建立主要依靠計數器及邏輯比較模塊的組合使用。

2．2 編碼QPSK映射子系統

假設DAB信號調制系統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符號映射子系統將從接收到的編碼數據流中將包含塊劃分的碼元對還原，并對碼流進(jìn)行QPSK調制，即將還原的碼元對映射為QPSK符號。這個(gè)子系統的算法較為直觀(guān)，在還原碼元對的處理中，涉及到的串并轉換利用解時(shí)分復用算法實(shí)現，而QPSK符號的映射通過(guò)查找表實(shí)現。

2．3 頻率交織子系統

頻率交織算法將改變QPSK符號與載波之間的對應順序。實(shí)時(shí)處理要求大大增加了頻率交織子系統的算法模型復雜度。為了實(shí)現對輸入QPSK符號流的實(shí)時(shí)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。