《電子技術(shù)應(yīng)用》
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CDR標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)
2015年微型機(jī)與應(yīng)用第23期
陳冬英
(福州大學(xué) 物理與信息工程學(xué)院,福建 福州 350108)
摘要: 中國(guó)調(diào)頻頻段數(shù)字音頻廣播即CDR標(biāo)準(zhǔn)可提供靈活的頻譜模式,本文針對(duì)其關(guān)鍵技術(shù)——正交頻分復(fù)用的調(diào)制技術(shù)進(jìn)行研究與設(shè)計(jì)。分析子載波矩陣的構(gòu)造,完成OFDM符號(hào)的有效子載波設(shè)計(jì),對(duì)FFT設(shè)計(jì)采用改進(jìn)基-2蝶形降低乘法器數(shù)目,利用塊浮點(diǎn)數(shù)計(jì)算實(shí)現(xiàn)高精度,采用流水線方式優(yōu)化設(shè)計(jì)流程。用Verilog HDL語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)OFDM符號(hào)生成與FFT的設(shè)計(jì),進(jìn)行FPGA綜合仿真。與MATLAB仿真結(jié)果對(duì)比表明,成幀載波可實(shí)現(xiàn)數(shù)模同播,F(xiàn)FT變換準(zhǔn)確性高,符合CDR調(diào)制系統(tǒng)的要求
Abstract:
Key words :

  摘  要中國(guó)調(diào)頻頻段數(shù)字音頻廣播即CDR標(biāo)準(zhǔn)可提供靈活的頻譜模式,本文針對(duì)其關(guān)鍵技術(shù)——正交頻分復(fù)用的調(diào)制技術(shù)進(jìn)行研究與設(shè)計(jì)。分析子載波矩陣的構(gòu)造,完成OFDM符號(hào)的有效子載波設(shè)計(jì),對(duì)FFT設(shè)計(jì)采用改進(jìn)基-2蝶形降低乘法器數(shù)目,利用塊浮點(diǎn)數(shù)計(jì)算實(shí)現(xiàn)高精度,采用流水線方式優(yōu)化設(shè)計(jì)流程。用Verilog HDL語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)OFDM符號(hào)生成與FFT的設(shè)計(jì),進(jìn)行FPGA綜合仿真。與MATLAB仿真結(jié)果對(duì)比表明,成幀載波可實(shí)現(xiàn)數(shù)模同播,F(xiàn)FT變換準(zhǔn)確性高,符合CDR調(diào)制系統(tǒng)的要求。

  關(guān)鍵詞: 中國(guó)調(diào)頻頻段;正交頻分復(fù)用;子載波矩陣;改進(jìn)基-2蝶形

0 引言

  隨著數(shù)字技術(shù)的不斷發(fā)展,數(shù)字化演播室的建設(shè)已在我國(guó)相應(yīng)的影視機(jī)構(gòu)及電視臺(tái)進(jìn)行。2013年,由國(guó)家廣電總局指示,2015年~2016年我國(guó)將會(huì)對(duì)地級(jí)以上城市完成數(shù)字音頻廣播的實(shí)行[1]。

  因我國(guó)DAB標(biāo)準(zhǔn)1.536 MHz信道帶寬受限于FM/AM的兼容問(wèn)題[2],2013年8月我國(guó)提出了一種CDR(China Digital Radio)即調(diào)頻頻段的數(shù)字音頻廣播標(biāo)準(zhǔn),發(fā)布了復(fù)用和信道編碼調(diào)制的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[3]。其可實(shí)現(xiàn)靈活的頻譜模式,而其核心模塊之一為正交頻分復(fù)用調(diào)制即OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)。目前以O(shè)FDM調(diào)制為數(shù)字信號(hào)處理技術(shù),即運(yùn)用數(shù)字信號(hào)處理算法完成各子載波的產(chǎn)生和接收,不僅簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),同時(shí)利用各子載波上的頻譜相互重疊提高了頻譜利用率。因所得頻譜在一個(gè)OFDM周期內(nèi)具有正交性,為此接收端可實(shí)現(xiàn)信號(hào)的復(fù)原而不失真[4-5]。

  本文對(duì)CDR標(biāo)準(zhǔn)中采用的OFDM調(diào)制系統(tǒng)的原理進(jìn)行研究與設(shè)計(jì)。對(duì)CDR標(biāo)準(zhǔn)使用的數(shù)模同播的子載波形式進(jìn)行分析,研究各個(gè)信號(hào)的有效子載波組幀,實(shí)現(xiàn)頻譜的靈活性選擇,對(duì)FFT變換采用32位浮點(diǎn)數(shù)格式,達(dá)到高精度的要求;整體的處理器和乘法器、地址模塊、控制模塊等采用流水線設(shè)計(jì),有利于對(duì)速度的提高;利用改進(jìn)的基二傅里葉變換法,降低硬件資源的使用。通過(guò)在FPGA軟件平臺(tái)綜合仿真,用MATLAB對(duì)結(jié)果驗(yàn)證分析,結(jié)果表明,本系統(tǒng)載波組幀可實(shí)現(xiàn)數(shù)字與模擬頻道同時(shí)播放,F(xiàn)FT變換準(zhǔn)確性高,讀取速度快,符合CDR調(diào)制系統(tǒng)的要求。

1 CDR系統(tǒng)的OFDM調(diào)制原理

  1.1 CDR系統(tǒng)的物理層結(jié)構(gòu)

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  調(diào)頻頻段數(shù)字音頻廣播信道物理層的編碼和調(diào)制框圖如圖1,將來(lái)自上層的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)描述和系統(tǒng)信息進(jìn)行相應(yīng)的信道編碼,包括擾碼、LDPC編碼、卷積編碼、星座映射等,達(dá)到高效編碼的效果,把結(jié)果和離散導(dǎo)頻進(jìn)行M子矩陣的構(gòu)造,形成OFDM符號(hào),最終進(jìn)行OFDM調(diào)制,實(shí)現(xiàn)數(shù)模頻譜的靈活選擇[6]。

  1.2 OFDM符號(hào)幀形成原理

  CDR標(biāo)準(zhǔn)中調(diào)制輸入的來(lái)源是:業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)描述信息、系統(tǒng)信息三大數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)信道編碼之后形成的有效子載波。同時(shí)根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)生相應(yīng)的離散導(dǎo)頻,經(jīng)過(guò)QPSK調(diào)制之后獲得相應(yīng)的導(dǎo)頻子載波信號(hào),而后將業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)描述信息子載波和系統(tǒng)信息子載波進(jìn)行復(fù)接,并映射到相應(yīng)頻譜模式上,形成OFDM頻域符號(hào)[7]。

002.jpg

  OFDM符號(hào)包含虛子載波、連續(xù)子載波、離散子載波以及數(shù)據(jù)子載波,相應(yīng)放置的信息就是零信號(hào)、系統(tǒng)信息、導(dǎo)頻以及業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)描述信息。其中,業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)描述信息、系統(tǒng)信息已由前面編碼獲得相應(yīng)子載波,離散導(dǎo)頻根據(jù)如圖2所示生產(chǎn)器,產(chǎn)生兩隨機(jī)信號(hào),進(jìn)行QPSK調(diào)制即可獲得。傳輸模式為1和3時(shí),pl=62NI,傳輸模式為2時(shí),pl=32NI,兩路信號(hào)為:

  pI={pI1,pI2,…,pIi,…,pIpl}

  pQ={pQ1,pQ2,…,pQi,…,pQpl}

  形成的比特流形式為:

  pI1pQ1,pI2pQ2,…,pIpl pQpl

  1.3 OFDM調(diào)制原理

  中國(guó)調(diào)頻頻段數(shù)字音頻廣播調(diào)制模式為OFDM調(diào)制。其調(diào)制系統(tǒng)即正交頻分復(fù)用,將來(lái)自組幀形成的OFDM符號(hào)中以幀為基礎(chǔ)的,輸入到OFDM調(diào)制系統(tǒng)。在規(guī)定的高頻帶寬B內(nèi)均勻安排N(2r)個(gè)子載波,OFDM將高速串行數(shù)據(jù)變換成多路相對(duì)低速的N個(gè)并行數(shù)據(jù),而后將N路符號(hào),每2個(gè)輸入比特映射為I值和Q值。各子載波間須有足夠的頻率間隔,但對(duì)于各個(gè)子載波正交的信號(hào)頻譜,雖然其頻譜間有重疊部分,但解調(diào)時(shí)因?yàn)檎恍匀阅軌蛘_解調(diào)出每個(gè)載波的調(diào)制符號(hào)。具體的OFDM信號(hào)頻譜圖如圖3所示。

003.jpg

  根據(jù)分析,單個(gè)OFDM符號(hào)內(nèi)含有多個(gè)已調(diào)制的子載波合成信號(hào),其中,每個(gè)子載波可進(jìn)行QPSK或正交幅度調(diào)制符號(hào)的調(diào)制處理。由前可知,實(shí)現(xiàn)OFDM調(diào)制需在接發(fā)兩端設(shè)有N個(gè)等級(jí)差頻率的振蕩器,N的值低至幾百多至幾千,常用的是2 000多或者4 000多,實(shí)現(xiàn)起來(lái)難度大,為此采用數(shù)學(xué)方法幫助實(shí)現(xiàn),具體是利用離散傅里葉反變換和離散傅里葉變換。反變換輸出的符號(hào)數(shù)據(jù)的生成是由所有子載波信號(hào)經(jīng)過(guò)疊加而得,即通過(guò)采樣連續(xù)的多個(gè)經(jīng)過(guò)調(diào)制的子載波的疊加信號(hào)實(shí)現(xiàn)。同理,解調(diào)可以由DFT得到。在實(shí)際應(yīng)用中,通常用IFFT/FFT來(lái)代替IDFT/DFT[8-10]。所以,IFFT是本文所討論的核心算法。

2 CDR系統(tǒng)的OFDM調(diào)制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

  CDR調(diào)制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)包含兩個(gè)部分,分別是OFDM符號(hào)組幀模塊和FFT模塊。組幀模塊采用M子載波矩陣構(gòu)造,按照頻譜模式將各個(gè)元素從左至右依次填充至每個(gè)OFDM符號(hào)中的有效子載波上,具體設(shè)計(jì)如2.1節(jié)說(shuō)明。OFDM調(diào)制由傳輸模式和頻譜模式共同確定,本設(shè)計(jì)選用傳輸模式1,使用的點(diǎn)數(shù)是2 048點(diǎn),數(shù)據(jù)體的循環(huán)前綴為240點(diǎn),具體設(shè)計(jì)將在2.2節(jié)具體介紹。

  2.1 CDR標(biāo)準(zhǔn)的OFDM符號(hào)組幀設(shè)計(jì)

  首先構(gòu)造一個(gè)含有4SN(NV·NI)個(gè)子載波的載波矩陣,即一個(gè)邏輯幀,以傳輸模式1為例,SN=56,NV=242,NI=1,子載波矩陣填充的元素是除虛子載波外的有效子載波元素,載波矩陣形式如下:

  OB)(9R[F2VRK_MH550KF8@A.png

  其中,MS為子載波矩陣的一個(gè)子矩陣,表示一個(gè)邏輯子幀,由56個(gè)OFDM符號(hào)構(gòu)成。

  其次,按一定規(guī)律進(jìn)行填充,填充方式具體如下:

 ?。?)系統(tǒng)信息元素按固定的行和列位置填充,放置元素為216 bit,放置元素位置如表1所示。

010.jpg

  其中,1~27行、28~54行填充相同的元素,55~56行把1~2行的元素進(jìn)行復(fù)制。

 ?。?)離散導(dǎo)頻的填充,子矩陣中位置行a與列b的值如下:

  若傳輸模式為1或者3:

  %D{%YQ]9X9WZGRBVPJM6]VH.png

 ?。?)數(shù)據(jù)導(dǎo)頻的填充,將每個(gè)子矩陣中前兩行剩余位置填充業(yè)務(wù)描述信息,其余填充的是數(shù)據(jù)信息。

  如此便完成子矩陣的形成,而后按從上而下,從左至右填充子載波矩陣,最后映射形成一個(gè)邏輯子幀。

  2.2 CDR標(biāo)準(zhǔn)FFT設(shè)計(jì)

  本系統(tǒng)采用DIT方式完成基-2蝶形運(yùn)算,采用流水線方式以及雙端口的RAM、ROM。首先,輸入的數(shù)據(jù)先存儲(chǔ)在雙端口RAM1中,接收所有數(shù)據(jù)之后,預(yù)置旋轉(zhuǎn)因子在ROM中,將輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行塊浮點(diǎn)變化后進(jìn)行FFT變換,輸出結(jié)果置于RAM2中,在一個(gè)判斷模塊的作用下,將RAM2輸入RAM1中,循環(huán)FFT變換,將高位地址進(jìn)位存于下一個(gè)模塊中,最終加入保護(hù)間隔輸出即可。如圖4所示。(1)改進(jìn)基2-蝶形單元設(shè)計(jì)

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  蝶形運(yùn)算基本規(guī)律如下兩式:

  Xm+1(i)=Xm(i)+WNrXm(j)(1)

  Xm+1(i)=Xm(i)-WNrXm(j)(2)

  由式(1)、式(2)可得,一個(gè)蝶形運(yùn)算單元存在復(fù)數(shù)乘法運(yùn)算,一般復(fù)數(shù)乘法需要3~4個(gè)乘法器。但是基-2的蝶形運(yùn)算具有特殊性:在一個(gè)蝶形運(yùn)算中需要取數(shù)據(jù)Xm-1(i)和Xm-1(j),而只存在一次的復(fù)數(shù)乘法,即可以用兩個(gè)時(shí)鐘周期來(lái)完成一個(gè)復(fù)數(shù)乘法,利用這一點(diǎn),可以減少乘法器的數(shù)目,同時(shí)不降低處理速度。本系統(tǒng)根據(jù)實(shí)部、虛部共用一個(gè)乘法器,減少了硬件資源。同時(shí)為了提高工作效率,采用流水線方式,最終設(shè)計(jì)是經(jīng)過(guò)浮點(diǎn)模塊處理后,r次循環(huán)蝶形變化而成。蝶形單元的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖5所示。

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 ?。?)地址控制設(shè)計(jì)

  控制單元是整個(gè)設(shè)計(jì)的核心模塊單元。本設(shè)計(jì)采取的方法是將控制信號(hào)的所有使能由一個(gè)硬件層控制實(shí)現(xiàn)。本文將已生成的旋轉(zhuǎn)因子預(yù)置在存儲(chǔ)器中,將所有數(shù)據(jù)讀入后進(jìn)行連續(xù)的r次FFT變換,有些地址可不變。對(duì)于點(diǎn)數(shù)為2 048的FFT算法,進(jìn)行變換后,在保持順序不變的前提下,其后一級(jí)上一半蝶形運(yùn)算的旋轉(zhuǎn)因子恰好是前一級(jí)的旋轉(zhuǎn)因子。為此,大大降低了旋轉(zhuǎn)因子存儲(chǔ)器的多余操作,從而降低了系統(tǒng)功耗。所有地址的控制通過(guò)寄存器直接置位生成,快速地址的生成便可實(shí)現(xiàn),且有利于可配置性的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

 ?。?)流水線設(shè)計(jì)

  流水線設(shè)計(jì)具體框圖如圖6所示。

006.jpg

  在順序執(zhí)行過(guò)程中[11],蝶形運(yùn)算單元的工作遵循讀數(shù)、計(jì)算和輸出三個(gè)步驟。在進(jìn)行蝶形運(yùn)算的同時(shí),對(duì)存儲(chǔ)器的存取處于暫停狀態(tài);反之,當(dāng)從存儲(chǔ)器中讀取數(shù)據(jù)或?qū)⒔Y(jié)果存入存儲(chǔ)器時(shí),蝶形運(yùn)算單元的乘法器和加法器也停止工作。這種處理結(jié)構(gòu)的工作效率不高。為了進(jìn)一步減少運(yùn)算時(shí)間,提高處理速度,可以使乘法器和加法器等運(yùn)算單元和存儲(chǔ)器在工作時(shí)處于“匹配”狀態(tài)。因此蝶形運(yùn)算單元采用流水線(pipeline)工作方式,使運(yùn)算結(jié)果連續(xù)輸出。

3 結(jié)果仿真與驗(yàn)證分析

  根據(jù)前面的設(shè)計(jì)原理,應(yīng)用Verilog HDL語(yǔ)言進(jìn)行代碼編寫(xiě)。以一個(gè)子幀為例,使用B類(lèi)頻譜模式OFDM符號(hào),具體表詳見(jiàn)中國(guó)調(diào)頻頻段數(shù)字音頻廣播標(biāo)準(zhǔn)[7]第42頁(yè)和43頁(yè)。獲得的填充位置如圖7所示。

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  上圖中數(shù)字0表示虛載波,存放模擬信號(hào);1表示系統(tǒng)信息,具有固定位置;3表示離散導(dǎo)頻,位置具有離散性;4表示業(yè)務(wù)描述信息,位于每個(gè)OFDM符號(hào)的前兩行;5表示業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)信息,除去以上填充位置都為數(shù)據(jù)信息元素。與MATLAB仿真結(jié)果完全一致。

  將獲得的OFDM復(fù)數(shù)符號(hào)作為本設(shè)計(jì)的FFT處理器的輸入。采用Verilog HDL語(yǔ)言,在FPGA平臺(tái)上綜合仿真實(shí)現(xiàn)。圖8是綜合仿真的輸入和輸出。

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  將輸出獲得的調(diào)制結(jié)果輸入MATAB進(jìn)行畫(huà)頻譜,使用矩形濾波器進(jìn)行濾波。圖9為調(diào)制后的功率譜密度,根據(jù)仿真圖可以得到,400 kHz帶寬下的系統(tǒng)有效帶寬為50 kHz,占比率為1/8。通過(guò)理論系統(tǒng)有效帶寬與仿真系統(tǒng)有效帶寬的對(duì)比,實(shí)際系統(tǒng)有效帶寬達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)的要求,驗(yàn)證了整個(gè)系統(tǒng)的正確性。

4 結(jié)論

  本文完成了CDR標(biāo)準(zhǔn)的調(diào)制系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì),應(yīng)用Verilog HDL語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)了CDR標(biāo)準(zhǔn)的OFDM調(diào)制符號(hào)生成器,利用改進(jìn)的二進(jìn)制,采取流水線設(shè)計(jì),同時(shí)采用新穎的先接收后變換方式,完成FFT模塊的設(shè)計(jì),準(zhǔn)確獲得OFDM符號(hào)填充子載波,所得頻譜帶寬占比為1/8,完全符號(hào)標(biāo)準(zhǔn)要求,表明該設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)數(shù)模同播調(diào)制,設(shè)計(jì)的功能仿真達(dá)到要求。因本標(biāo)準(zhǔn)最新頒布,還未找到同一標(biāo)準(zhǔn)的調(diào)制設(shè)計(jì)文獻(xiàn)進(jìn)行比較說(shuō)明,本設(shè)計(jì)對(duì)后續(xù)的CDR研究具有重要的參考價(jià)值。

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