FM IBOC数字广播系统中交织器的FPGA实现

2012-09-20薛腾万欣倪暄王威

中国传媒大学学报(自然科学版) 2012年3期

薛腾，万欣，倪暄，王威

(1.中国传媒大学信息工程学院，北京100024;2.中国传媒大学广播电视数字化工程中心，北京100024)

1 引言

带内同频IBOC(In Band On Channel)数字广播标准是美国基于高清晰无线电系统的数字AM、FM广播技术标准［1］。IBOC最大的优点在于无需新的频率分配，允许广播信号由模拟信号向数字信号过渡，它在不影响现有模拟广播的前提下，通过现有模拟广播的频谱提供高清晰度的数字声音广播与数据业务。这样就可以实现在使用数字信号时不需大量更换设备，对原来的模拟信号进行兼容。FM IBOC是在1992年的国际会议上，以IBOC(In Band on Channel-带内同频道)的名称公诸于世的，现在已有多个国家和地区使用［2］。

IBOC系统中的多数模块都容易实现，只是交织器部分比较难，主要原因是，数学公式较多，不易用数字芯片直接实现，其次交织数据量太大，每一帧发射数据量多达368640bit［3］，实现这个系统要考虑内存，处理速度，时延［4］等一系列问题。本论文对其中最典型的模块(MP1、MP2、MP3 和 MP11［5］的 PM交织器)进行分析。

由于在FM IBOC(In Band On Channel)数字广播系统的交织器的参数有规律性，利用这些这种规律，不再直接用数字芯片实现系统中的数学公式，而是用数字芯片去实现仿真后的有规律的数据，这样将大大降低设计交织器的难度。

2 FM IBOC系统交织器的参数计算

交织器Ⅰ:

间隔的计算:

数据块的计算:

如果M=1:

如果M=2或者4:

行和列的计算:

其中

交织器II:

间隔的计算:

块的计算:

行和列的计算:

3 仿真结果及硬件实现分析

该交织方式使用交织器Ⅰ和交织器Ⅱ［6］，利用交织器I对P1G信号交织处理，经过仿真得知:P1G一帧数据365440bit被分配到320个数据块中，每个数据块有1142bit，而每个数据块能存储1152bit，剩余的10个数据由PIDSG进行填充，320个数据块一共剩余了3200个未填单元，恰好被16个每一帧为200bit的PIDSG信号填充。下面是详细交织过程:

对于P1G:

A、20个数据一组分别分配到每一个间隔指定的数据块中的第0行第0列。

B、下一组的20个数据像A一样，分配到每一个间隔的下一个数据块中的第0行第0列(间隔不变、数据块序号加1，行、列不变)。

C、经过16次数据分配，则每一个间隔中的所有数据块都循环一遍，都存储在每一个数据块中的第0行第0列。一共存储了320个数据。随后320个数据存储时:(行+11)%32，(列+11)%36，一共循环了288次，交织处理了92160个数据。

D、经过288次(A、B、C)循环，每一个数据块中都存储288个数据，此时(间隔10、块6，行0、列0)地址循环到了初始值，寻址不加修改，第 2组92160bit将会覆盖前面的92160bit，这是不应该的，由于在每个块中有32行36列，列多4，所以间隔、数据块、行不变，列+1。

E、又经过288次循环，存储92160bit，初始列地址再加1，一共修改了4次，最后一次循环了278次，存储了88960bit，此时，P1G的365 440bit存储完毕，每个数据块中存储了1142bit，但是一个块容量是32*36=1152个数据，剩余的10bit用来存储PIDSG信号。

对于PIDSG:

A、每一帧共有3200bit，20bit一组，先存储在每一个间隔第0块中的指定位置。

B、下一组数据(20个)存储在每一个间隔第0块中的下一个指定位置。一共循环了10次，存储了200bit。

C、像前面320bit数据存储方法一样，只是块地址加1。经过16次循环，一共存储3200bit，每个数据块中都有10bit，不同数据块中的数据存储的行列地址是相同的。这样3200个数据存储完毕。

所有P1G信号存储完毕后，剩余的由PIDSG中的10bit进行填充，依次填充(18，1)、(29，12)、(8，23)、(19，34)、(30，9)、(9，20)、(20，31)、(31，6)、(10，17)、(21，28)。到此，交织完毕，PM 矩阵已被填充满，可以做下一步的子载波映射。

4 应用硬件对FM IBOC系统的交织器进行设计

有了以上的仿真结果，就可以把数学公式的直接硬件实现改为对数学仿真结果的实现，对于实现除法、乘法、求余公式比较难的FPGA芯片［7］来说，这样更容易实现。

对于硬件实现，采用的是altera公司的CycloneII芯片［8］，在系统中主要是对 P1G和 PIDSG信号进行交织，整个系统分为两个部分，一个对P1G信号用交织器Ⅰ进行交织，另一个部分对PIDSG信号用交织器II进行交织，系统的框图如图1:

图1 FM IBOC系统交织器MP1、MP2、MP3和MP11服务模式

用FPGA芯片实现P1G信号的编码时主要有四个参数:Partition(编码后该bit值所在的间隔数)，block(编码后该bit值所在的块数)，r(编码后该bit值所在数据块的行数)，c(编码后该bit值所在块的列数)。其中有对32和36求余的模块，可以利用数字芯片的方便的求余算法，对32求余，可以直接取该数值的第五位。在该模块中，数据比较多，每一帧有365440个数据，任务比较繁杂，但是经过简化，采用状态机、计数器和查找表的方式。整个过程也很容易实现。在流程图的初始化模块中，初始值为:R=18;C=1;B=0;Partition=10。Count288是计数器，每处理320bit，Count288就加一，Count4也是计数器，每处理92160bit就加一。Partition是间隔矩阵的索引值，B是数据块的索引值。下图中的结束方框是指该帧数据的处理结束，结束后开始进行下一帧数据的交织。

用FPGA芯片对P1G信号进行交织流程图如图2:

图2 P1G信号交织流程图

用FPGA芯片实现PIDSG的编码参数和实现P1G的编码参数基本相同。但是相对于对P1G的编码，对PIDSG的编码更简单，流程更清晰，数据更少，每一帧只有3200bit，处理更加容易。同处理P1G信号一样，在流程图中的结束方框是指该帧数据的交织结束，结束后开始进行下一帧数据的交织。用FPGA芯片对PIDSG信号进行交织的流程图如图3: