基于DAB标准的数字调制系统的研究与设计

薛曼芳

(福州职业技术学院 电子信息工程系，福州 350108)



基于DAB标准的数字调制系统的研究与设计

薛曼芳

(福州职业技术学院 电子信息工程系，福州 350108)

DAB是继AM、FM之后的第三代广播技术.针对DAB中的OFDM调制关键技术，采用改进基-2蝶形来减少乘法器的使用，运用浮点数模块实现高精度，利用流水线方式进行加法器和乘法器优化，同时用硬件描述语言Verilog HDL来完成调制系统核心模块FFT处理器的实现和用Quartus II进行功能仿真.通过用Matlab对设计结果进行验证，分析结果表明，本系统误码率低、精确度高、读取速度快，符合DAB调制系统的要求.

数字音频广播;正交频分复用;改进基-2蝶形;Quartus II

0　引　言

随着数字技术的逐渐成熟，我国相应的影视机构和广播电台已开始进行演播室数字化的建设.2013 年，我国在国际广播电视信息网络展览会(CCBN 2013)中，由我国的广播与电视台总局表态，2015 年至2016 年我国将会对地级以上城市完成数字音频广播的实行，数字式的广播将是未来几年发展的主要趋势[1].

目前存在三种DAB制式：欧洲的尤卡-147制式、日本的单套节目方案以及美国的带内同频制式[2-3].《30MHz～3000MHz地面数字音频广播系统技术规范》于2006年5月10日由我国的国家广播电视电影总局进行发布.与原有的调制技术相比，数字音频广播系统DAB(即Digital Audio Broadcasting)，对频率选择性衰落不仅有很好的对抗性，且具有优越的无线宽带移动传输能力[4].近年来，OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)的关键技术是使用数字信号处理：(1)通过数字信号处理方法来实现各个子载波的接收及产生，从而更加简化系统的设计结构；(2)将各个子载波中的频率谱进行重复叠加处理，可以有效提高频率谱的使用.由于获得的频率谱在一个OFDM符号周期中可达到正交性，从而保证了在接收端能够进行无失真的复原信号[5-6].

本设计主要完成DAB标准中核心模块OFDM调制技术的研究设计.使用的浮点数为32位，所得结果具有高精度；所设计的各模块，包括：所有的处理器以及乘法设计、地址功能模块、控制时钟等均使用的是流水线法，有效地提高了速度，同时，对地址单元又有一定的优化作用；采取先读取数据，而后进行FFT，有利于利用共有的使用，提高读取速度；通过对基-2 FFT进行改进，来实现硬件资源降低.为评估OFDM调制系统设计，通过在Quartus II环境进行综合仿真，用Matlab对结果验证分析，结果表明，本系统误码率低、精度高、读取速度快，它能够符合DAB的调制系统的要求.

1　DAB系统的OFDM调制系统结构

1.1基本原理

由文献[7]对 DAB系统研究可知，此标准不仅规定工作的频率范围为30 MHz～3 GHz，而且要满足在200 km/h 速度条件下移动时可稳定接收，同时防止能够有效地对抗多径延迟引发的衰落[7].该标准的OFDM调制设计是把来自信道编码的传输信号以帧为单位，将其当作生成的OFDM符号系统中的输入信号.在标准有效的范围中，把N(2r)个子载波平均分布在各个高频率的带宽中，而后通过数据的串并转换，采用高速与并行形式完成数据的N个多路、并行同时速度相对较低的数据变换，接着将N路符号，每2 bit的输入映射为I值与Q值，分别进行QPSK调制.调制结果利用伪随机码表进行查找，将比特信息交织、差分调制处理再将各路已调波进行混合，由此产生了频分复用的FDM信号.各个子载波之间要满足一定频率间距，由于各个子载波的信号频率谱具有正交特性，即使它的频率谱中还有重复叠加，当解调时由于该正交特性也可以实现各个子载波的正确解调.具体的OFDM信号频谱图如图1所示.

图1　OFDM正交频谱图

1.2实现方法

根据分析，将多个已经完成调制的子载波构成一个OFDM符号，本文中使用QPSK或QAM对每个子载波进行处理[8-9].根据前文描述，完成OFDM调制设计须在发送与接收端设置等级差频率为N的振荡器，N取值范围从几百到几千，通常情况下取两千多或四千多，不易实现，因此通过数学(即离散傅里叶反变换与离散傅里叶变换)的方法来完成设计.首先将全部的子载波信号采用叠加处理可生成反变换输出的符号数据，即对多个相连接的已完成调制的子载波叠加信号进行采样来实现;其次以此类推，通过DFT能够实现解调.根据实际应用情况，核心算法IDFT/DFT常以IFFT/FFT来实现.所以，IFFT是本文所讨论的核心算法.

2　DAB系统的OFDM调制系统设计

2.1DAB调制系统

DAB标准中调制系统的传输信号是以帧为基础的，原始数据流经过音频编码，进而信道编码，最终输入至OFDM符号生成系统.OFDM符号生成系统主要模块为：块划分、差分调制、QPSK、频率交织、OFDM调制等.实现MSC(Main Service Channel)以及FIC(Fast In formation Channel)符号的生成、产生同步信道符号、OFDM调制功能等，获得码流后，利用上变频器进行调制为中频或者射频.图2给出了DAB调制系统的框图[10].

图2　DAB信号调制系统框图

2.2DAB调制系统的核心模块IFFT设计

本系统设计采用的是基于时间抽样的基-2、流水线的FFT变换.采用的存储器是双端口的RAM和ROM.首先，将需进行输入的数据在双端口RAM1中存储，等完成全部数据的接收，将旋转因子提前配置于ROM内，接着，使用浮点变换法完成输入数据处理，而后进行FFT变换.最后，在RAM2内进行放置输出结果，通过判断模块，把RAM2输至RAM1中，重复FFT的变换，当地址为高位时将其进位存储在下一个模块里，再把保护间隔加入，完成输出就可以结束.图3为硬件设计结构图.

图3　硬件设计结构

(1)改进基-2蝶形单元设计

蝶形运算基本规律如式：

(1)

由式(1)知，蝶形运算模块包含复数的乘法运算，通常使用的复数乘法为3～4个的乘法器.但是基-2的蝶形运算具有特殊性：在一个蝶形运算中需要取数据Xm-1(i)和Xm-1(j)，但仅需一次复数的乘法运算，换言之可在两个时钟的周期内实现一次的乘法运算，利用这一点，可降低使用的乘法器数目，并且保持处理速度不变.本设计利用实部与虚部共同使用相同的乘法器，来实现硬件资源的降低.并且为获得更高的工作效率，使用流水线结构，最后通过浮点算法处理完成r次的循环蝶形变化.所设计的蝶形单元硬件结构如图4所示.

图4　蝶形单元的硬件设计结构

(2)地址控制设计

控制单元是整个设计的关键模块.本文通过一个硬件层控制模块来完成控制信号中的全部使能的设计.本设计在存储器中提前设置旋转因子，当输入所有的数据后完成连续的r次FFT变换，同时保持部分地址不变.当FFT变换点数是2048点时，完成变换后，保持原有顺序的情况下，它的后一级中上一半蝶形运算的旋转因子刚好为前一级的旋转因子.所以，使旋转因子存储器的多余操作有效的减少，进而减少系统的功率损耗.采用寄存器置位法来实现全部地址的控制，如此就实现了快速地址的生成，同时方便可配置性的设计与实现.

(3)循环前缀的设计

为了让OFDM符号具有正交性，进行周期性扩展OFDM，于每个传输信号之前加入1一段护间隔.保护间隔即循环前缀[11].具体硬件实现如下：首先把 IFFT 变换后的结果暂存于RAM中，紧接着运用重复读取部分数据法，将数据从RAM里读出，同时并将其中部分数据进行重复的复制，进而形成保护间隔.将2048 点IFFT运算所得数据存储于RAM中，其存储单元数为2048个(0～2047).加保护间隔操作之前，读取的地址的顺序是先地址1544～2047个数据，而后为地址0～2047的数据.以11位的计数器为地址发生器，其可计数值为0～2047，初值令其为1544，为此计数规则为1544～2047，0～2047.

3　系统仿真与验证分析

3.1系统仿真

利用FPGA来实现，属于可编译硬件设计，需建立硬件层DAB系统模型来实现算法的功能.根据以上建立的系统模型框架，首先进行系统的Matlab仿真编程验证.图5为加入噪声后的比特误码率结果图，可分析得在加入高斯噪声后，BER随着信噪比增大而减少，在近14 dB的时候，BER将近为10-4，据所查DAB标准要求，这个系统的可靠性基本达标，具有实用性.

图5　加噪后的信噪比

图6为已经完成调制后的功率谱密度的截图，从图中可得在2 MHz带宽中，系统具有的有效带宽是1.539 MHz.通过和DAB标准中理论有效带宽和仿真的有效带宽的比较，本文系统有效带宽达到了DAB标准系统的要求，证明了整个系统的正确性.

图6　调制系统的功率谱密度

3.2电路验证

本文利用FPGA完成10位字长2048点FFT复数处理器的设计.整个设计分成多个功能模块，使用Verilog HDL语言进行设计，并在Quartus II系列器件上综合仿真实现.设计采用时序框图如图7所示.

图8是综合仿真的输入和输出，为了验证其功能仿真的正确性，本设计在Quartus II进行了仿真，同时借助Matlab，将同一输入数据化为浮点型而后将数据测试模块载入FFT系统，将仿真后的结构转化到Matlab中，与Matlab中直接调用函数产生的结果进行比较.

图7　FFT设计的时序图

图8　综合仿真的输入与输出

设输入函数为x = 2000*sin(2*pi*t/N)，N=2048的点数，其采样频率是500 Hz，就是采样间隔为0.002 s，采样的时间长度为0.002×2048 s，该正弦信号通过2048点FFT处理结果如图9(a)所示，正弦信号通过调用FPGA生成的FFT进行Matlab文件仿真结果如图9(b)所示.两个验证结果基本一致，说明精度高.

图9　正弦信号FFT在MATLAB与FPGA仿真结果对比

4　结束语

本文应用Verilog HDL语言于Quartus II环境中设计出一种基于DAB标准下的OFDM调制符号生成器，并结合核的使用，进行基-2的改进算法，加以流水线设计，并且使用新颖的先接收后变换，以达到减少硬件资源，优化算法程序，提高运算精度和速度，致使系统的成本降低的目的.于此同时，该设计完成了DAB标准的调制系统Matlab仿真验证，其功能达到要求.

[1] 黄熹媛,苏凯雄.基于LDPC码的DAB系统性能分析[J].有线电视技术,2013,12:84-86.

[2] ETSI ES 201 980 V3.1.1.Digital Radio Modulate System Specification[S].2009.

[3] 张光华,门爱东.关于中国数字声音广播的讨论[J].电声技术,2011(8) :69-72.

[4] 盛乾.数字音频广播DAB的发展探讨[J].中国科技纵横,2012(15):33.

[5] B.W.kroeger,P.J.peyla.Compatibility of FM Hybrid in-Band On-Channel(IBOC ) System for Digital Audio Broadcasting[J].IEEE Translation Broadcasting,1997,43(4):421-430.

[6] 宋连国.数字音频广播正交频分复用调制/解调系统的研究[D]．西安：西安理工大学硕士学位论文,2007.

[7] 帅千钧. FM IBOC DAB系统中0FDM调制技术的研究[J].中国传媒大学学报(自然科学版),2007,14(3):28-33.

[8] 宋连国,余宁梅,王定.一种基于DAB正交频分复用系统的变长度高速OFDM处理器的硬件设计[J].电子技术应用,2007(1):115-11.

[9] 孙晶,周丽丽.OFDM符号同步技术以及总体电路设计[J].自动化技术与应用,2011,30(9):24-31.

[10] GY/T 214-2006.30MHz-3000MHz地面数字音频广播系统技术规范[S].北京:国家广播电影电视总局广播电视规划院,2006.

[11] 高焕英,陈曦.基于DAB标准的OFDM调制器实现方案[J].无线电通信技术,2008,31(4):40-44.

Research and Implementation of Modulation System Based on DAB

XUE Man-fang

(Department of Electronic Information Engineering, Fuzhou Vocational &Technical College， Fuzhou 350108, China)

The DAB(Digital Audio Broadcasting) is the third generation radio broadcast technology after AM and FM. The design is focused on OFDM modulation, which is the main technology of DAB. It uses the improved base-2 butterfly to reduce the usage of multiplier, uses floating-point module to achieve high accuracy and uses assembly line way to optimize the multiplier and adder. In the meantime, it uses Verilog HDL language to implement FFT processor core module, and uses Quartus II to do simulation. The Matlab analysis shows this system has low error rates, high accuracy and fast reading speed. It meets with the requirements of modulation system in DAB.

DAB; OFDM; improved base-2 Butterfly; quartus II

2016-04-20

薛曼芳(1964-)，女，工程硕士，副教授，研究方向：电子与通信工程.

TN929

A

1671-119X(2016)03-0012-05