DRM測試接收機設計與實(shí)現

　　正是在上述背景下，DRM(Digital Radio Mondiale)系統應運而生。DRM系統采用OFDM調制方式，引入了先進(jìn)的信源信道編碼和調制技術(shù)，使得AM波段的音頻廣播質(zhì)量大大提高，在保持現有10kHz帶寬時(shí)接近了FM廣播的質(zhì)量。

　　本文首先簡(jiǎn)單介紹DRM系統，然后重點(diǎn)討論DRM測試接收機的設計背景、信號處理流程及硬件平臺的結構。

　　1 DRM系統介紹

　　1．1 系統概述

　　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。DRM標準同時(shí)提供了數模同播的廣播方案，可以將模擬與數字信號同時(shí)以同一載波頻率播出，有利于模擬廣播向數字廣播的平滑過(guò)渡。

　　DRM系統框圖如圖l所示，主要由三個(gè)邏輯通道組成

　　FAC通道提供信號帶寬、調制方式和交織長(cháng)度等信息；SDC通道提供如何解調MSC、如何找到相同數據的其他數據源，以及在復接器中為業(yè)務(wù)提供屬性等信息；MSC通道包含音頻或數據業(yè)務(wù)，通過(guò)復接器對不同保護級別的數據和音頻業(yè)務(wù)進(jìn)行復接，MSC最多可以包括四路業(yè)務(wù)，任何一路都可以是音頻或數據。

　　1．2 信源信道編碼

　　DRM的信源編碼采用先進(jìn)的AACPlus等編碼技術(shù)，有效地提高了信源的壓縮比。

　　信道編碼采用基于卷積編碼的多級編碼(MLC，Multi-Level Coding)，可以分為標準映射(SM)、對稱(chēng)分級映射(HMsym)和混合分級映射(HMmix)三種QAM映射類(lèi)型。通過(guò)交織克服時(shí)間和頻率選擇性衰落，根據信道特性可以選擇2s的長(cháng)交織或者0.4s的短交織。

　　1．3 導頻

　　DRM在所傳輸的OFDM碼元中插入了三種導頻信息，可用于接收機同步、均衡處理。其中頻率導頻主要用于接收機頻偏的估計；時(shí)間導頻用于接收機幀同步的計算；增益導頻用于接收機信道估計。

　　2 DRM測試接收機設計背景

　　我國已經(jīng)在部分地區進(jìn)行了DRM系統的現場(chǎng)測試，測試效果令人滿(mǎn)意，這給DRM系統的應用奠定了基礎。

　　目前，國內外采用的DRM接收機大多是基于PC的DRM軟件接收機，已經(jīng)比較成熟，但其應用范圍終究受到一定限制。適于廣泛應用的便攜式硬件DRM接收機目前還處于研制階段，尚未批量生產(chǎn)。而DRM系統只有在專(zhuān)用ASIC推出后才可以迅速降低接收機的成本，才能有利于DRM系統的推廣。

　　基于上述考慮，筆者設計了DRM硬件測試接收機。一方面是對硬件實(shí)現DRM接收機的一種探討，另一方面可以以此為原型機，進(jìn)一步為設計擁有自主知識產(chǎn)權的DRM接收機ASIC積累經(jīng)驗。為此，筆者將設計目標確定為：可以驗證DRM接收系統的各種算法，可以對相同模塊的不同算法進(jìn)行比較，可以對算法的硬件可行性、穩定性及復雜度進(jìn)行評估?？紤]到全數字接收機代替現有模擬接收機需要一個(gè)長(cháng)期的過(guò)程，設計中同時(shí)考慮了數模同播的兼容性問(wèn)題。

　　3 DRM測試接收機信號處理流程

　　根據數模同插的要求，在設計DRM接收機RF前端時(shí)采用了改造現有模擬收音機的方法。整合后的接收機既可以收聽(tīng)模擬信號，又可以完成數字信號的處理，這樣就可以適應數模同播的需要。下文主要討論數字接收機的信號處理過(guò)程。

　　測試接收機系統框圖如圖2所示。接收信號通過(guò)模擬收音機前端下變頻到中頻，將中頻信號引出，經(jīng)過(guò)濾波送入AD采樣，從而獲得中頻采樣數據。

　　中頻采樣數據通過(guò)正交解調得到基帶數據。首先通過(guò)碼元同步找到OFDM碼元的起始位置，然后通過(guò)FFT完成OFDM信號的解調，將時(shí)域數據變換到頻域，并利用頻率導頻信息計算并校正頻率偏差，因為OFDM系統對載波頻偏非常敏感，經(jīng)過(guò)頻率校正后，頻率誤差應小于0．01倍子載波間隔。在此基礎上，利用時(shí)間導頻信息找到DRM系統的傳輸幀起始碼元，此后接收機從傳輸幀起始位置開(kāi)始進(jìn)行后續處理。

　　由于短波信道變化復雜，時(shí)域及頻域的選擇性衰落都很強，造成丁接收信號的幅度和相位受到嚴重干擾，在解高階QAM映射時(shí)會(huì )引入較大的誤差，框圖中的均衡模塊用來(lái)解決上述問(wèn)題。DRM系統設計了增益導頻，分布在時(shí)間一頻率域上，利用增益導頻的信息進(jìn)行信道均衡。

按圖2所示流程，從均衡后的數據中提取FAC單元并將其解碼，得到解調SDC的信息；再提取SDC單元，根據FAC的信息解碼SDC，得到SDC數據實(shí)體；最后提取MSC，根據FACSDC的信息解碼MSC。上述單元分別經(jīng)過(guò)解交織、解OAM映射、Viterbi譯碼、能量解擾等模塊的處理后，最后將MSC解復接后的數據進(jìn)行音頻譯碼或者數據解碼。

　　4 DRM測試接收機硬件結構

　　測試接收機基帶信號處理部分主要采用ARM與FPGA聯(lián)合處理的硬件平臺實(shí)現。ARM處理器可以在不改變硬件結構的情況下，通過(guò)下載不同的軟件程序實(shí)現不同的功能，這樣非常有利于不同算法的驗證，而且ARM公司可以提供處理器內核，為進(jìn)一步設計接收機ASIC奠定基礎。由于A(yíng)RM以half-word(16 bits)為最小處理單位，所以用ARM處理器處理比特流信號會(huì )造成處理器資源的浪費，為此針對比特流信號的處理采用專(zhuān)用邏輯電路實(shí)現，在測試接收機中用FPGA實(shí)現。這樣，兩種處理器的特性可以形成互補，使硬件平臺設計比較合理。

　　4．1 模塊劃分

　　DRM系統設計了多種模式，不同模式的碼率是不同的，在正交解調后需要變碼率輸出；Viterbi譯碼器也是以比特流為處理單位；考慮到這兩個(gè)模塊的算法特點(diǎn)及數據輸出形式，將這兩個(gè)模塊放在FPGA中實(shí)現。

　　圖2中所示的其他處理模塊，特別是同步和均衡模塊 是接收機的關(guān)鍵模塊，其性能好壞直接影響接收效果，并且根據今后現場(chǎng)測試的情況，其算法存在調整的可能性．因此這些模塊通過(guò)ARM實(shí)現。需要對算法進(jìn)行調整時(shí)，只需修改軟件程序，重新載入ARM即可，硬件部分無(wú)需改動(dòng)。以實(shí)現測試接收機便于對各種算法的性能進(jìn)行驗證和比較的目的。

　　4．2 硬件平臺結構

　　測試接收機硬件平臺如圖3所示。FPGA采用XILINX公司的VirtexⅡXC2V500型芯片；ARM采用三星公司的S3C4510B型ARM7 TDMI芯片；ADC模塊采用了AD公司14-bit的AD9243。FPGA與ARM之間通過(guò)雙口RAM進(jìn)行數據交互，使用HC245芯片作為地址和數據總線(xiàn)的驅動(dòng)。

　　A/D采樣后的中頻數據送入FPGA做正交解調；FPGA將解調后的數據寫(xiě)入雙口RAM同時(shí)給ARM產(chǎn)生中斷信號；ARM響應外部中斷，將數據讀入、進(jìn)行后續處理。

　　如圖2中的流程，ARM在處理完解交織后，將處理后的數據寫(xiě)入雙口RAM，同時(shí)向特定的地址寫(xiě)控制字，FPGA檢測到控制字后，將數據讀入．進(jìn)行Viterbi譯碼。FPGA將Viterbi譯碼結果寫(xiě)入雙口RAM，向ARM發(fā)出中斷信號，ARM響應中斷，將數據讀入，再進(jìn)行后續處理。

　　4.3 主控制程序流程圈

　　根據圖2所示的DRM信號處理時(shí)序，圖4為ARM基帶處理主控制程序流程圖，依次進(jìn)行碼元同步、整數倍頻偏估計、幀同步及后續信道解碼處理。上述過(guò)程實(shí)現了DRM接收機基帶信道解碼過(guò)程。

　　4．4 測試結果

　　測試信號采用模式C、10kHz帶寬的DRM信號，信道采用標準中提供的2號信道模型，SNR=23dB，頻偏為2倍子載波間隔。

　　測試結果示于圖5中，其中圖5(a)為未經(jīng)過(guò)同步和均衡處理的數據星座圖；圖5(b)~(d)為接收信號通過(guò)硬件正交解調、同步、均衡、信道解碼等模塊后輸出數據的星座圖。從圖5中可以看出，經(jīng)過(guò)同步、均衡處理后，星座圖明顯改善，處理器有效地解出了三個(gè)通道的數據。

　　數字廣播產(chǎn)業(yè)有廣泛的市場(chǎng)前景，而擁有自主知識產(chǎn)權的接收機對民族工業(yè)具有特殊意義。本文討論的DRM測試接收機信號處理流程及硬件平臺的結構是對硬件實(shí)現DRM接收機的一次有益嘗試。上述結構、算法已經(jīng)在A(yíng)RM7和FPGA的硬件平臺上聯(lián)調通過(guò)，驗證了本文提出的信號處理流程及硬件平臺的可實(shí)現性，但所驗證的主要是基帶信號處理功能，還沒(méi)有包括接收機的全部．整個(gè)測試接收機的設計工作仍然需要進(jìn)一步完善。