DMB单频网及适配器电路的设计与实现

张红升，张国栋，王虹云，王国裕

（重庆邮电大学 微电子工程重点实验室，重庆 400065）

近年来，随着数字音频广播（digital audio broadcasting，DAB）以及数字多媒体广播DMB的发展与进步，DAB／DMB的应用场景已不仅局限于传统广播的模式。DAB／DMB系统开始在防灾预警、双向应急通信等信息发布领域得到应用。重庆邮电大学在自主研发的DAB／DMB芯片、终端和发射系统的基础上提出了新一代数字多媒体信息传输系统，即DMB＋［1］。目前，DMB＋已在全国多个学校、核电站、景区得到正式应用，但在一些地形较为复杂的地区会存在信号死角，导致接收机无法正确接收到可靠的信息。为解决这一难题，需要使用多台DMB发射机组成单频网，从而消除信号死角，提高信号质量。

现有的单频网方案主要有4种。其中前3种分别传输信号群传输接口（ensemble transport interface，ETI）数据、馈送编码正交频分复用（coded OFDM，COFDM）信号以及馈送射频（radio frequency，RF）信号，另外一种是同频直放站转发方案［2］。

ETI信号馈送方案是单频网实现方案中最经典的一种。这种方案的优点是信号质量好，可以很好地覆盖整片区域。缺点也很明显，该系统使用专用的网络传输ETI数据，且每个发射台都需要配备调制器，建设成本高。例如，中央广播电视节目无线数字化覆盖工程采用卫星链路传输数据，还需额外加入卫星调制器等设备，增加了系统复杂度及成本［3］。

COFDM信号馈送方案的优点在于只需1个COFDM调制器，可降低建设成本；缺点在于仍需要COFDM信号专用的传输网络。现阶段，国内多使用光纤网络、微波链路作为信号传输网络［4－5］，不利于单频网系统在低成本场景的应用。

RF信号馈送方案与前2种方案相比的优势在于：①不需要专用的传输网络传输数据；②减少了COFDM调制器的数量。这2个优点使得该方案与前2种方案相比成本较低［2］。但该方案的不足在于RF信号馈送方案会使用（2～5）GHz区间的频点用于信号馈送，而该区间内的频谱资源紧张。此外，该方案引入了新的频率通道，降低了信噪比，同时增加了系统的复杂性和故障风险，不适用于小区等应用场景［6－7］。

直放站转发属于无线同频转发，其难点在于解决收发天线耦合而导致的自激干扰问题，且该方案在组网灵活性、通信质量等方面相对较弱，也会增加额外的管理维护工作［8］。上述局限性都使得DMB新业务的推广应用受到限制。

此外，现有的单频网适配器方案大都采用ARM＋FPGA的方案［9－10］，电路复杂度高，消耗的电路资源多，且需要嵌入式程序控制。因此成本较高，且维护困难。

DMB＋系统主要是一种小区广播的模式，用于某个单位或某个区域内的无线信息传输，采用小功率发射且成本低。传统的单频网实现方法因为对数据传输网络要求高，导致成本高、施工复杂，无法满足需求。本文中，基于重庆邮电大学开发的高集成度DMB发射系统设计了可用于DMB单频网适配器电路，并提出了一种使用普通局域网传输数据，利用GPS校准DMB发射机的发射时间、系统频率，可用于小区和校园等小型DMB系统的低成本单频网实现方法。

1 DMB单频网基本理论

1.1 DMB实现单频网关键技术

DMB作为专门适用于移动场景应用情况的数字广播系统，在发展过程中充分考虑了无线信道会出现时间选择性衰落、频率选择性衰落以及频率偏移现象［11－12］等情况。单频网也称同步网，DMB的优点之一就是能组建单频同步网络，该网络建立在DMB先进的数字技术基础上：OFDM调制、符号中加入保护间隔、频率交织和时间交织以及信道卷积编码。

OFDM是一种多载波调制方式，把经过DQPSK调制后的所有正交的载波在时域混合以形成DMB的基带信号。OFDM调制选择合适的载波间隔，使得各个载波相互正交，相邻载波的零点相互重叠［13］。由于载波之间相互重叠却不相互干扰，OFDM有效提高了频带利用率。OFDM的优点包括抗干扰能力强、频带利用率高、实现方便等。

OFDM将调制符号分布在多个载波上延长每个符号的持续期，以在符号间加入保护间隔［14］。DMB系统将每个符号后约1／4的内容复制到前面作为保护间隔。接收机接收直达信号和反射信号（包括来自与直达信号不同发射台的直达信号和所有反射信号），如果这些信号的时延差小于保护间隔时间，那么这些信号不会对接收造成影响；如果这些信号的时延差大于保护间隔时间，那么反射信号会对直达信号造成一定程度的干扰，影响接收效果。不同的符号长度和保护间隔有着不同的应用。例如，模式1适合地面广播，如表1所示。每个符号期达到1 246μs，其中246μs作为保护间隔。

表1 DMB的4种工作模式参数

上述技术的存在使得DMB系统在频移及多径干扰下仍能正确解码数据，这些技术结合在一起就是COFDM传输方法。这种传输方法能增强DMB的抗多径干扰能力，解决多径反射问题，是单频网实现的基础。

1.2 单频网同步条件

由于保护间隔的存在，使得DMB接收机同时接收到DMB信号及其反射信号时能正确处理叠加之后的信号。这也意味着DMB允许多个发射台使用相同的频点发射同一节目。理论上，只要不同发射机发射出的RF信号能在保护间隔内到达接收机，便能够实现单频网。

DMB单频网需要满足3个同步：时间同步，频率同步以及比特同步。时间和频率同步后，只要是同一节目源，比特自然能达到同步［16］。为保持时间和频率的同步，使用GPS作为参考源。

频率同步要求各台DMB发射机所发射的DMB信号的中心频率是相同的［2］。根据ETI标准，频率的精确度应在载波间隔的1%以内。对于模式1，其载波间隔为1kHz，即频率精度要求在10Hz以内［15］。

为使直达信号和反射信号在接收端的时延在可抵抗干扰范围内，要求各发射机时间同步，时间精度在保护间隔的5%以内［17］。也就是说，在12 μs以内，确保网络中所有发射机在相同时刻发射相同的内容。

为实现单频网，需要每个发射台发射的RF信号的中心频率误差在10 Hz以内，发射每个符号的时间误差小于12μs。

为达到以上同步要求，DMB单频网的实现需要依靠高精度的绝对时间和绝对频率的参考。GPS系统可以全天候发送高精度的纳秒级时间信息［20］。使用GPS的秒脉冲（pulse per second，PPS）作为绝对时间参考源，计算校准发射机系统的运行频率和DMB信号的发射时间。校准后的时钟信号也是上变频芯片所需的参考时钟信号，从而实现单频网的设计。传统的单频网设计方案中，为了保证时间同步，一般都需要延迟非常小的专用网络（如专用光纤、电信网络等）［18－19］。

2 系统方案

2.1 系统方案原理

所设计的单频网系统基于重庆邮电大学开发的高集成度DMB发射系统，使用常见的局域网传输DMB数据。使用普通局域网可避免搭建专用网络，降低了系统搭建成本，并增加了单频网应用场景。图1为DMB单频网系统结构。该单频网系统主要包括两部分，服务器端和发射客户端。服务器端为1台运行发射软件的服务器，发射客户端为1台运行客户端软件的PC和1台DMB发射机。因为单频网中各发射客户端应有相同的节目数据来源，故服务器端通过局域网统一向各个发射客户端传输数据。

图1 单频网系统结构框图

服务器端软件的主要功能是采集DMB节目的数据，并将数据进行编码和复用；然后通过局域网，服务器端将DMB帧数据发送到各发射客户端之中。同时，服务器端实时读取GPS模块输出的UTC信息，使得服务器端本地时间与GPS时间保持统一，从而保证服务器端本地时间与发射客户端的本地时间一致。

传输帧复用器根据服务器端的系统时间计算时间戳，并插入传输帧内。各发射客户端的软件接收服务器端软件传来的DMB帧数据，然后客户端软件将获取到的DMB帧数据转发给DMB发射机。通过传输帧中的时间戳信息以及单频网适配器模块输出的同步信号，配合OFDM调制模块对传输帧中OFDM符号进行精准调制。

DMB发射机中的OFDM调制模块以及上变频模块的时钟都由输出精度约为0.005 ppb、标称频率为16.384 MHz的OCXO通过锁相环倍频产生。

2.2 单频网适配器电路设计

单频网实现的关键在于不同发射机之间的发射时间必须严格同步以确保信号不会相互干扰。各发射机的发射时间由其本振频率和系统时间决定。传统的DMB发射机的板载晶振受老化情况、温度、湿度等环境因素影响，使得其输出的频率值与标称频率存在误差，导致严重影响单频网的实现。这就需要实时对发射机系统的时钟频率进行校准，使不同发射机能保持频率和时间同步。本文中设计了单频网适配器电路实现对发射系统时钟的校准和不同发射机的发射时间同步，保证各发射机能同步发射频率一致且包含相同信息的RF信号。

图2是单频网适配器电路结构框图。该模块包含GPS接收模块、DAC驱动模块、频率校准模块以及时间同步模块等子模块。DAC驱动模块、频率校准模块和时间同步模块使用FPGA进行电路实现。模块的主要信号包括：

图2 单频网适配器电路结构框图

1）CLK＿IN：16.384 MHz，由OCXO输出的时钟信号；

2）CLK＿A：24.576 MHz，时间同步模块的运行频率；

3）CLK＿B：98.304 MHz，频率校准模块的运行频率；

4）PPS：秒脉冲信号；

5）TX：串口输出引脚，UTC电文通过TX输出到时间同步模块中；

6）PPS＿EN：经过同步的本地的秒脉冲信号；

7）DIFF：频率校准模块计算出的OXCO压控电压值；

8）V＿CTRL：DAC驱动模块控制OXCO的电压信号；

9）CNT：时间同步模块输出的传输帧计数值；

10）START：时间同步模块输出的传输帧起始脉冲信号；

11）UPDATE：时间同步模块输出的调制符号同步信号。

频率校准模块采用频率校准方法对98.304 MHz的时钟频率进行校准，使得PLL输出24.576 MHz的时钟。该时钟用做时间同步模块、OFDM编码模块及上变频模块的时钟信号。图3为频率校准模块结构框图。

图3 频率校准模块结构框图

为控制OCXO晶振产生精确的频率，消除频率差，首先需要对频率差值进行检测计算。GPS接受模块会产生1 s的基准信号PPS，CLK＿B为OXCO晶振产生N（MHz）的待测时钟信号。

在理想条件下，CLK＿B的频率值为：

但在实际情况下，由于环境以及晶振自身影响，OCXO晶振与标定值存在偏差，所以CLK＿B的实际频率值应为：

因此，频率差值为：

若f0＞f，即实际频率大于理论频率，则减小DAC模块输出的控制电压值，从而减小OCXO晶振的频率；反之，则加大OCXO晶振的频率。频率校准原理如图4所示。

图4 频率校准原理示意图

由图4可知：该电路在实际测量时会产生1个时钟周期内的误差，在2个不同的发射机之间产生2个时钟之内的误差。若使用16.384 MHz的时钟进行频率校准，其检测精度仅有51 ns，2个不同发射机之间的频率误差精度将扩大到102 ns。因此，采用98.304 MHz的时钟进行检测，此时的单发射机的频率测量精度能达到10 ns。也可以继续扩大时钟频率提升测量精度。设计电路时，将阈值设置为1个时钟周期。如果频率差值在1个时钟周期之内，则不调节晶振频率。

为了检验PPS秒脉冲信号的有效性，防止噪声干扰，需要对PPS秒脉冲进行去抖处理。若PPS有效，则将PPS＿EN信号变为高电平，并保持4个时钟周期。

频率校准模块根据上述算法对系统频率进行校准，并输出本地的PPS＿EN信号，为时间同步模块提供高精度的频率参考信号。

在获取频率差值后，需要控制DAC模块驱动DAC芯片实现电压控制。由于选用的OCXO晶振输出精度为0.005 ppb，频率调整范围为±0.5 ppm，控制端电压调整范围为0～5 V。通过倍频之后，频率的调整范围应在±50 Hz。经实际测量发现，晶振的调整范围实际在±80 Hz以内。考虑到晶振存在日老化等因素都会使晶振频率发生飘移，所以设定电路误差在频率差值为±150 Hz以内时会对晶振进行误差调整。当频率差值在±150 Hz以外时，可能由于系统刚启动，OXCO晶振仍在升温导致频率过低造成，还有可能是GPS模块失锁导致未输出正确的PPS秒脉冲信号所致，该情况不调整电压。

频率校准电路中DAC芯片选用TI公司生产的12位电压输出数／模转换器TLV5618，输出电压的最小分辨率约为0.001 V。由于OCXO晶振的控制分辨率约为0.002 V／Hz，因此TLV5618完全满足要求。

时间同步模块的结构如图5所示。时间同步模块由PLL输出的24.576 MHz时钟CLK＿A控制，其中CNT＿0与TF信号生成模块用于生成传输帧同步的相关信号，CNT＿1与SYM信号生成模块用于生成OFDM符号同步的相关信号，UART模块负责解析GPS信号中的UTC时间。

图5 时间同步模块结构框图

时间同步模块生成的3种同步信号分别用作传输帧同步、传输帧起始同步和OFDM符号同步。其中，CNT信号是记录第几个传输帧的信号。START信号为传输帧起始脉冲，UPDATE信号为OFDM符号同步信号，UPDATE翻转1次，时间到达OFDM的符号长度时UPDATE再次翻转。

在DMB模式1中，1个OFDM符号的长度为1 246μs，1个传输帧包含77个OFDM符号，因此1个传输帧的持续时间为96 ms。125个传输帧的持续长度为12 s，故设定第0、12、24、36、48 s时传输第1个传输帧。CNT＿0的计数范围为0～124，CNT＿1的计数范围为0～76。

本文中所设计的单频网系统，数据以传输帧的形式通过局域网馈送，传输帧的帧计数值CNT作为时间戳保存在传输帧中。发射机解析收到的传输帧时间戳信息得到该帧的发射时间，然后在START信号上升沿到达时判断是否为该帧的发射时间。如果是该帧的发射时间，则开始调制传输帧的相位参考符。同时，START信号启动CNT＿1计数，使得调制完相位参考符号之后UPDATE信号立即改变，从而启动OFDM模块调制新的符号。直到调制完77个OFDM符号，1次完整的传输帧调制全部实现。

上述通过3种同步信号控制传输帧符号调制的设计方案使得单频网中各个发射机在调制每个传输帧以及每个OFDM符号时都能实现同步。设计方案也为实现低成本的局域网传输方案提供了可行性。在传输帧的发射端和接收端都设置一定的传输帧缓存，发射台根据时间戳信息从缓存中得到正确的传输帧进行调制发射，解决了局域网因存在网络波动和传输延时而造成的单频网系统中各发射台无法持续稳定地同步调制传输帧的问题。

3 系统测试

3.1 信号同步测试

选择Cyclone IV系列型号为EP4C6F17C8的FPGA作为验证平台。GPS接收模块使用秒脉冲精度在30 ns以内的NEO－6M模块。发射机系统时钟是由OCXO晶振输出的16.384 MHz时钟，其输出稳定度为5 ppb。对单频网适配器电路进行综合，显示电路共消耗1 635个逻辑单元，995个寄存器。

如图6所示，用1个服务器端和2个发射客户端组成DMB单频网测试平台。2个发射客户端PC与服务器端PC的IP地址在局域网的同一网段内，并将单频网适配器电路加入发射机电路之中。设置两路发射机RF信号的中心频率为185.360 MHz。连接发射客户端的软件与服务器端的软件，进行信号同步测试。

图6 单频网测试系统示意图

图7为OXCO晶振频率校准结果。图7（a）的前70 s，由于发射机刚启动，恒温晶振的恒温槽正在加热使得频率逐渐升高，当频率差值进入设定的150 Hz之内时，频率校准电路开始对98.304 MHz的时钟进行校准，频率值最终在120 s时达到稳定，并基本保持不变。图7（b）显示了频率稳定后的数据，频率差基本稳定在1个时钟周期之内，这是由电路本身结构决定的，可认为频率保持不变。从发射台冷启动至开始发送，所需时间大于2 min，故频率校准电路可满足单频网系统正常运行条件。

图7 晶振频率校准曲线

图8显示了GPS模块失锁时，无法输出PPS秒脉冲信号，此时OXCO晶振频率的变化情况。图9测试了失锁3 min后频率的变化情况。可以发现：在第620～720 s，频率保持不变，这是由于没有PPS秒脉冲信号，使得频率校准电路无法正常计算频率值，所以输出保持不变。在GPS模块恢复锁定之后，频率校准电路正常工作，OXCO晶振输出频率依然保持在设定值。

图8 GPS失锁情况下频率

图9为START信号同步测试的结果。从图9（a）中可以看出：2个传输帧之间发送的时间间隔约为96 ms，为1个传输帧数据的时间长度。从图9（b）中可以看出：2个发射机输出的START信号的时间差为22 ns。多次测量后发现，2个发射机START信号的时间差保持在50 ns以内。

图9 START信号同步测试结果

图10为测试UPDATE信号的同步测试结果。图10（a）表明：2个发射机输出的UPDATE信号能保持同步，且UPDATE信号每1 246μs翻转1次，是1个OFDM符号的持续时间。从图10（b）中可以看出：2个发射机输出的UPDATE信号的时间差为44 ns。经多次测量发现，2个发射机UPDATE信号的时间差保持在50 ns以内。

图10 UPDATE信号同步测试结果

图11为两路发射机输出的IQ基带信号的同步测试结果。通过测量可得：2台发射机输出的IQ基带信号的时间差为74 ns。经多次测量发现，2台发射机输出的IQ基带信号的时间差在100 ns以内。

图11 IQ基带信号同步测试结果

图12是测量不同发射机上变频后输出的RF信号的同步测试结果。传输帧第1个零符号结束、第2个符号刚开始时，水平标度为4μs，测量出两路发射机输出的RF信号时间差为380 ns。经过多次测量发现，两路RF信号的时间差保持在0.5μs以内。

图12 射频信号中零符号的同步测试结果

图13显示了2台发射机输出的RF信号的测试结果。可以看出：2台发射机输出射频信号的中心频率偏差分别为9.6、9.5 Hz，两路发射机的频率偏差为0.1 Hz。

图13 射频信号频谱测试结果

3.2 校园测试

如图14所示，在校园内设立2个发射客户端组建DMB单频网系统，其中发射客户端分别位于图14中左下角与右上角。2个发射客户端的直线距离约为1 000 m，校园覆盖面积约为500 000 m2。图14中左下角发射客户端的发射机功率为5 W，右上角发射客户端的发射机功率为3.5W。2个发射客户端发射机的RF信号的中心频率为185.360 MHz。

图14 发射台与测试路线及地点示意图

测试过程中，校内地形以及建筑物的阻挡会影响不同地点信号的接收效果。另外，DMB接收机测量伪误码率（PBER）值存在误差且并不固定。同时，手持频谱仪会随着天线位置的移动，根据受建筑物的阻挡情况导致显示的信号强度在一定范围内波动。因此，使用多次测量之后得到的平均值作为最终的测试结果。

表2列出了校园内4个测试地点的信号强度与PBER值的变化情况，分别为2个发射机单独工作以及2个发射机协同工作组建单频网的情况。

表2 测试地点信号强度与PBER变化情况

从RF信号的强度来看，工作在单频网模式下的发射机整体信号强度均大于只有1个发射机工作时的信号强度。处在单频网模式时，DMB接收机的误码率均有降低，能稳定地接收到射频信号。

4 结论

设计了一种基于局域网的DMB单频网实现方案，并设计了一款可用于DMB单频网系统的单频网适配器电路。该单频网适配器电路配合OFDM调制模块能够实现2台发射机输出的IQ基带信号时间差小于0.1μs的目标。相比CPU＋FPGA架构或其他FPGA架构的单频网适配器电路，其控制方式速度快，电路规模更小。同时，上变频后输出的RF信号的时间差在0.5μs之内，中心频率偏差约为0.1 Hz。户外测试结果表明：在约500 000 m2的校园区域内，使用单频网适配器的发射机组建单频网系统后，RF信号强度得到提升，PBER值得到显著降低，实现了单频网系统的目标效果。此外，该单频网的实现方案不需要建设专用信号传输网络，降低了DMB单频网的架设成本，适合小区、校园等运行小型DMB系统的区域实现低成本单频网，有助于扩大DMB系统的应用范围。