（通信与信息系统专业论文）drm接收机的硬件设计与实现.pdf

摘要 2 1 世纪的广播、电视节目将无法离开数字技术，成熟的数字处理技术已广 泛地应用于各种广播、电视节目的采集、制作及播出系统。传统的工作频率在 3 0 m h z 以下的a m 广播，具有调制技术简单，覆盖范围广，传播距离远以及接 收机便携、廉价等优点，被全世界广泛使用。但是随着各种数字技术、通信技术 和微电子技术的不断飞速发展，一方面，大多数广播电视媒体都开始提供多媒体 信息服务，传输丰富的声音、图像和信息，从中人们可真正感受到高质量数字节 目的优越性；另一方面，a m 广播还处在上世纪传统模拟技术的阶段，而且随着 各种电子信号传播的越来越密集，a m 广播所赖以生存的电磁环境已变得越来越 差，使其收听效果大不如以前。所以，传统a m 广播的处境日益艰难。寻找既能 充分利用3 0 m h z 以下频率资源，发挥a m 广播传统的优良特性，又可以改善其 明显缺点的通信技术成为人们追求的目标。 d r m 组织顺应形势的需要，依据a m 广播数字化的思想，制定了数字调幅 广播的国际标准。该标准涵盖了3 0 m h z 以下调幅广播波段的长波( l f ) 、中波( m f ) 和短波( h f ) ，播出效果可以达到调频广播的质量等级，解决了信号的衰落问题， 可以在短波广播的覆盖区域提供高质量、多样化的数字多媒体节目，并由此吸引 了全世界的目光。 本论文以软件无线电理论为基础，以t m s 3 2 0 c 6 4 1 6d s p 为核心，设计了一 种可以接收、转换、实时处理和播放d r m 节目的数字广播接收机平台。该平台 分为模拟前端、a d a 转换、主处理器、外部存储器、协处理器、总线隔离和电 源供电等几个模块，具有强大的实时数字信号处理能力和灵活多样的控制功能， 为接收软件的编写和运行提供了有力的硬件支持。 关键词：d r m 数字调幅广播软件无线电t m s 3 2 0 c 6 4 16d s pd r a m 接收机 a b s t r a c t b r o a d c a s tt vt e c h n o l o g yc a l l te x i s tw i t h o u td i g i t a lt e c h n o l o g yi n2 1c e n t u r y d d i g i t a lt e c h n o l o g yh a sb e e nw i d e l ya p p l i e dt ov a r i o u sr a d i oa n dt e l e v i s i o np r o g r a m s a c q ui s i t i o n ，p r o d u c t i o na n db r o a d c a s ts y s t e m s t r a d i t i o n a la mr a d i o ，as i m p l e m o d u l a t i o nt e c h n i q u e s ，c o v e r i n gaw i d er a n g eo ft r a n s m i s s i o nd i s t a n c e ，a sw e l la s p o r t a b l er e c e i v e r s ，a n dt h ea d v a n t a g e so fc h e a p ，w i d e l yu s e da l lo v e rt h ew o r l d b u t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fd i g i t a la n dc o m m u n i c a t i o n st e c h n o l o g y , o nt h eo n e h a n d ，t h em a j o r i t yo fr a d i oa n dt e l e v i s i o nm e d i aa leb e g i n n i n gt op r o v i d em u l t i m e d i a m e s s a g i n gs e r v i c e s ，t r a n s m i s s i o nr i c hv o i c e ，i m a g e sa n di n f o r m a t i o n p e o p l ec a nt r u l y f e e lt h eq u a l i t yt h ea d v a n t a g e so fd i g i t a lp r o g r a m m i n g ；o nt h eo t h e rh a n d ，a mr a d i o i ss t i l li nt h et r a d i t i o n a la n a l o gt e c h n o l o g ys t a g e t h ee l e c t r o m a g n e t i ce n v i r o n m e n tf o r t h ea mb r o a d c a s t i n gh a sb e c o m ei n c r e a s i n g l yw o r s et h a nb e f o r e t h e r e f o r e ，t h e s i t u a t i o no ft r a d i t i o n a la mr a d i oh a sb e c o m ei n c r e a s i n g l yd i f f i c u l t f i n daw a yt h a t c a nm a k ef u l lu s eo ft h ea mf r e q u e n c yr e s o u r c e sa n d i m p r o v e i t so b v i o u s s h o r t c o m i n g sb e c o m ep u r s u i to ft h eg o a l d r mo r g a n i z a t i o n sc o n f o r mt ot h en e e d so ft h es i t u a t i o n ，b a s e do nd i g i t a la m b r o a d c a s t i n gi d e a s ，a n dd e v e l o p e dad i g i t a la mb r o a d c a s t i n gi n t e r n a t i o n a ls t a n d a r d s t h es t a n d a r dc o v e r st h el f , m fa n dh f t h er e s u l t sc a nb eb r o a d c a s tt of mq u a l i t y a n ds o l v et h ep r o b l e mo ft h ed e c l i n eo fs i g n a l d r mc a np r o v i d eh i g h q u a l i t ya n d d i v e r s ed i g i t a lm u l t i m e d i ap r o g r a m s ，a n dt h u sa t t r a c t e dt h ee y e so f t h ew o r l d i nt h i sp a p e r , iu s et h es o f t w a r er a d i ot h e o r ya st h eb a s i sa n dt h et m s 3 2 0 c 6 4 16 d s pa st h ec o r e ，t od e s i g nad r m d i g i t a lr a d i os i g n a lr e c e i v e r t h er e c e i v e ri sd i v i d e d i n t os e v e r a lm o d u l e s ，i n c l u d i n ga n a l o gf r o n te n d ，a d ac o n v e r t e r , m a i np r o c e s s o r , e x t e r n a ls t o r a g e ，c o p r o c e s s o r , t h eb u ss e g r e g a t i o na n dt h e p o w e rs u p p l y i th a s p o w e r f u lr e a l t i m ed i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n gc a p a b i l i t i e sa n df l e x i b l ec o n t r o lf u n c t i o n i tp r o v i d e sap o w e r f u ls u p p o r tt ot h ep r e p a r a t i o na n d o p e r a t i o no ft h es o f t w a r e k e y w o r d s ：d r m ，t m s 3 2 0 c 6 4 16d s p , d r mr e c i e v e r , s o f t w a r er a d i o 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨盗盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：彳呈庆气乡签字日期- z 口口了年岁月z7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨壅基堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨望盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：缍度每罗 导师签名：勿j 斫彳 签字日期：乙口1 7 孑年 月z 叩日 签字日期：砂纠乡年r 月矽日 第一章绪论 第一章绪论 1 1d r m 存在的原因和意义 传统的a m 中波调幅广播，作为被广大人民群众深深喜爱的一种娱乐形式， 具有调制技术简单，覆盖范围广，传播距离远以及接收机便携、廉价等优点。但 是随着科技的进步和人们生活水平的不断提高，大众对日常休闲娱乐活动的质量 要求也水涨船高。当人们已经习惯了c d 或m p 3 的优美音质的时候，传统a m 收音机广播的相对较差的声音质量就变得越来越无法接受。但对其完全放弃又十 分可惜。这时，可以兼顾二者优点的d r m 数字收音机系统也就应运而生。 d r m ( d i g i t a lr a d i om o n d i a l e ) 联盟于1 9 9 8 年3 月在中国广州成立；2 0 0 1 年9 月，欧洲广播联盟( e b u ) 会同欧洲电信标准协会( e t s i ) 制定了d r m 系统规范( 技术规范) ( 以下简称d r m 规范) ；2 0 0 2 年7 月，d r m 规范被批准 为e t s i 标准，该规范有望成为全球a m d a b 标准。i l i d r m 规范之所以在短短的几年内受到全球众多关注，除了具有数字化传输 系统的主观听觉质量好、发射功率低并适合开展多媒体业务等优点外，还有两个 很显著的优点：1 与模拟a m 广播占用的频谱具有一致性频谱兼容，a m 的频谱 分配不用重新划分；2 传统高效率大功率发射机能通过简单技术改造重新使用， 不用重新购置新的发射机设备。1 2 1 1 2 软件无线电理论介绍 本课题所设计的接收机主要是基于软件无线电理论的，下文将对该理论进行 简要介绍： 1 2 1 软件无线电理论的基本原理 所谓软件无线电，就是采用数字信号处理技术，在可编程控制的通用硬件平 台上，利用软件来实现无线电台的各部分功能，包括前端接收、中频处理以及调 制解调等，都由软件编程来完成。软件无线电台是一种基于数字信号处理器 ( d s p ) 芯片、以软件为核心的无线通信体系结构。软件无线电台只要在硬件平 台上加载相应的软件模块，就可以构造不同功能的无线电台，应用于各种通信系 第一章绪论 统中。一个标准的软件无线电台包括宽带天线、前端接收、宽带数模转换器、通 用数字信号处理器等几部分。宽带模数模a d i a ) 转换器的放置位置以及电 台功能的软件定义程度是衡量软件无线电品质的重要指标。a d i a 的位置越接近 天线，说明电台可以用软件实现的部分越多，其软件化程度就越高。软件无线电 台最理想的目标是将数模转换器件直接放置在宽带天线之后，在射频就将信号转 换成数字信号。这样电台的其它部分都可以用软件来完成，从而实现通信电台的 全软件化。软件无线电必须支持广泛的业务开发工具，以便对其结构和功能进行 构造。这些工具可以对无线通信环境进行分析，生成合适的通信软件模块来定义 增加的业务，然后在实际通信环境中进行调试以进一步完善，最终实现对电台功 能的扩展。【3 】 1 2 2 软件无线电理论的主要特点 1 ) 系统软硬件模块化 模块化就是将系统定义的各个任务分解为相互独立的软件和硬件模块，这些 模块通过接口以逻辑的方式连接起来形成所需要的系统功能。模块化系统可以通 过增加或替换模块来动态改变功能，而不会与系统中的其它模块产生冲突。模块 间定义良好的接口有助于增强模块化系统的设计。软件无线电台的硬件电路和通 信软件都应该采用模块化、开放式的体系结构，以保证整个电台( 包括硬件和软 件) 都具有较好的灵活性和通用性。软件电台在工作时，先根据要求确定其结构 和功能，然后加载相应的软件模块，构造所需要的电台。模块化设计还可以像个 人计算机一样使电台硬件和软件的更新升级简便易行，大大缩短研制周期并减少 开发资金，同时保证各模块具有较长的使用寿命。 2 ) 可重构性 软件无线电最根本的特性是可重构性，就是系统功能随着需求改变的能力， 也可称为可编程性。软件无线电必须在软件和硬件两方面都支持系统重构，才具 有通过改变所运行的软件来定义系统功能的能力。可重构性分为不同的层次，可 以仅仅是波形的重构，具备可重构性是作为软件无线电的必需条件，软件无线电 具有系统级的重构能力。 3 ) 灵活性 工作模式可由软件编程改变，包括可编程的射频频段宽带信号接入方式和可 编程调制方式等。所以可任意更换信道接入方式，改变调制方式或接收不同系统 的信号，可通过软件工具来扩展业务、分析无线通信环境、定义所需增强的业务 和实时环境测试，升级便捷，减少设备费用的开支，因而大大降低了整个网络的 成本。 4 1 第一章绪论 1 2 3 软件无线电理论的关键技术 在软件无线电中的关键技术主要有： 1 ) 组合式多频段天线及射频前端 软件无线电需要采用组合式多频段天线的方案，因为它要覆盖从2 2 0 0 0 m h z 的频段，在多频段下工作就必须应用宽带、低损耗天线。美国虽然已 研究出多倍频程的天线，但效率偏低。目前，还没有全频段天线。而大多数系统 只要求覆盖不同频段的几个窗1 ：3 ，而不必覆盖全部频段。故可以采用该多频段天 线技术来满足不同系统的需要。射频前端要求器件有较宽的频率范围，主要完成 低噪声放大、滤波、混频、自动增益控制( a g c ) 以及放大输出功率等功能。 宽带低噪声前置放大器在器件和电路上虽然可达到几个倍频程，可是对于多倍频 的宽带功率放大，则要很好地选择器件，并利用e d a 技术进行优化设计才能实 现。1 5 2 ) 模数和数模转换部分 理想的软件无线电台是直接在射频上进行模数和数模变换。由于要在中频甚 至射频端完成模数和数模变换，因此软件无线电对a d ( 模数) 和d a ( 数模) 转换器的要求包括采样速率和采样精度。采样速率主要由信号带宽决定，因为软 件无线电系统的接收信号带宽较宽，而采样速率一般要求大于信号带宽的2 5 倍， 因此采样速率较高；采样精度在8 0 d b 的动态范围，要求采样位数不能低于1 2 位。除了进一步提高器件性能外，还可采用多个a d 并联使用的方法。模数和 数模转换器件在软件无线电台中所处的位置非常关键，它直接反映了软件电台的 软件化程度。 3 ) 高速处理器模块d s p 高速数字信号处理器d s p 既是软件无线电的一个核心部件，也是一个主要 瓶颈。软件对数字信号的处理都是在d s p 上进行的，包括滤波、调制解调、信 道编解码、协议控制等中频以后的所有功能。中频以下主要包括三部分：基带处 理、比特流处理和信源编码。基带处理主要是完成各种波形的调制解调，扩频解 扩以及信道的自适应均衡和各种同步的数字处理，每路需要几十到几百个m i p s 的处理能力。比特流处理主要完成信道编解码( 软判决译码) 、复用或分解或交换、 信令、控制、操作和管理以及加密解密等功能，每路需要几十个m i p s 的处理能 力。信源编码要完成话音、图像等的编码算法、每信道需要十几个m i p s 的处理 能力。要完成如此巨大的信号处理运算，必须采用高性能d s p 才有可能实现。 用于软件无线电的d s p 必须满足下列要求：运算速度快；芯片容量扩大；高精 度的数据处理；高速数据交换能力。当前，研制速度更高和功能更强大的d s p 芯片已经成为影响软件无线电发展的关键。 第一章绪论 4 ) 软件模块 软件化是软件无线电最基本的特征，软件算法是软件电台的灵魂，电台对数 字信号的处理功能主要靠软件来定义实现。软件程序的性能直接影响着整个电台 的通信质量，它也是软件无线电研究的核心部分。 软件无线电是一个开放式的系统结构，为了保证系统的通用性和可扩充性， 其软件设计必须采用模块化的设计方法。应该在i s o o s i 模型的基础上，建立软 件无线电的软件体系结构，制定出统一的软件无线电结构标准，并根据标准进行 研究和开发。这样才能最有效地实现软件无线电的各种优点。 5 ) 信息安全与网络功能 目前，信息安全成为软件无线电技术必须考虑的一个方面。加密处理计算机 软件可以被信息安全子系统分配到指定的信道，在明文工作模式时，它只提供简 单的总线到总线的连接。在需要时，它可以对数据流提供实时的加密解密。例如 可以采用跳频软件，根据保存在信息安全模块中跳频图案进行频率更新。当前， 软件无线电网络功能的研究也提上了日程。一种互联网子系统可以提供l p 路由 选择、i o 口与处理语音的多媒体处理器。该处理器可以压缩和恢复语音信号， 将数据从一种r f 模式转换到另一种模式，输送语音到网络或用户。互联网子系 统可以支持多路独立的半双工无线信道，同时支持多路有线语音与数据电路。另 外，可以利用软件总线的概念，来简化系统的设计。软件总线只要将应用模块按 照标准做成软件，插入总线即可实现集成运行，从而可以方便地支持分布式的计 算环境。【6 】 1 3 论文的主要工作 论文完成了以下主要工作： 1 ) 对d r m 标准进行了深入研究。 2 ) 基于软件无线电理论，使用t i 公司的t m s 3 2 0 c 6 4 1 6 芯片为主处理核心， 以x i l i n x 公司的s p a r t a n 3 e 系列f p g a 为协处理与控制核心，完成了一个d r m 接收机硬件平台的设计。 3 ) 编写f l a s h 烧写、串口通信等程序，对d r m 接收机硬件平台进行了整体 调试和初步功能测试。 第一章绪论 1 4 论文结构 本论文分为五个部分： 第一章是绪论，主要介绍了本课题的来源、意义和主要任务，并概括了论文 的结构。 第二章介绍了d r m 系统的构成和基本原理。 第三章从总体上分析并确定了d r m 接收机硬件设计的方案，并选择和介绍 了相应的模块部件。 第四章介绍了d r m 接收机的具体实现方案和调试过程。 第五章是对本课题的总结以及对未来的进一步展望。 1 5 本章小结 本章主要介绍了d r m 存在的原因和发展的意义，以及软件无线电理论的原 理、特点和关键技术，并总结了本论文所作的主要工作，最后介绍了论文的结构。 第二章d r m 系统的基本原理和构成 第二章d r m 系统的基本原理和构成 2 1d r m 传输系统的基本原理 如图2 1 所示，d r m 数字广播系统的传输系统主要由信源编码、复用、信 道编码和o f d m 调制四部分组成。1 7 1 一一一一一一一l 广一一一一一一一一一一一1 广啭艘毋吲 l 撞；访缱越：i i i i 源编码 商供护o 复 i 二也绷二l ：i 一m m 譬r0 l 1 d r f li 。： l 用 f r 广 艟输艉 广噌规岱 l 器 d f l i d 预编码高馁护0m 谣 m i l 。：卜 li 僳髓；l 单- 符 o 翩 国b 剖竺 兀 号 器 映生 怎习l 。闻- 佾且 。 射 成 器 j 飘 啊，# 掌 l 弋毒酾n 毖弼厂 - i一 2 1 1 信源编码【8 】 l l j 图2 1d r m 传输系统框图 广播系统由模拟向数字化过渡，首先会遇到的就是模拟信号的数字化问题。 如果在广播信道直接传输未经压缩的p c m 信号，将会极大的占用信道带宽，频 谱利用率极低。因此，必须进行信源编码以降低数字音频信号的数据率。在进行 信源编码时，即希望最大限度地降低码率，又要尽可能不损伤节目质量，二者是 矛盾的。所以，只能根据实际传送的节目质量和具体要求来折衷选择合适的压缩 比。 显而易见，数字音频信号的数据率在很大程度上决定了它的声音质量。信源 的数据率越高，相应的信道上传输的数据率也就越高，所需的射频带宽也就越宽。 d r m 标准规定使用与模拟a m 广播相同的带宽( 9 k h z 或1 0 k h z ) ，条件允许时 最大可用带宽为1 8 k h z 或2 0 k h z 。因此，为了得到更好的声音信号质量，除了 选择合适的信道编码和调制方式外，还必须选择合适的信源编码，且要求编码码 第二章d r m 系统的基本原理和构成 率在8 k b s ( 半信道) 到大约2 0 k b s ( 标准信道) 之间。 m p e g ( m o v i n gp i c t u r e se x p e r t sg r o u p ) 组织迄今为止发布了m p e g i 、 m p e g 2 、m p e g 4 等不同的信源编码标准。d r m 系统必须根据不同的声音质量 要求和具体场合，选择压缩效率较高、同时又有好的声音质量的信源编码方法。 为在给定的比特率下提供更好的声音质量，系统提供了属于m p e g - 4 的不同的 信源编码方案，以适应不同种类节目的不同带宽需要： 1 ) 对于普通单声道和立体声广播，系统采用m p e g 4 子集a a c 编码方式。 a a c 是由m e p g 2 ( l a y e r1 、2 、3 ) 编码技术发展而来，它的编码效率起码是 m p e g 2l a y e r3 的2 倍，可谓m p e g 2 之后最有效的音频编码方法。在数据率 为4 8 k b s 的情况下，可以得到如同f m 立体声一样的主观听觉质量。a a c 提供 一种对所有音频素材都可以一样好的编码与解码方法。a a c 也对音频信号的能 量成分进行分析并利用人耳的“遮掩效应 ，以便从音频信号中找到听觉上可被 其他声音掩盖的成分。 2 ) 对于低比特率的单声道语音广播，d r m 系统采用m p g e - 4c e l p 编码算 法。它对语音重放非常有利，但不适合音乐。在m p e g - 4 中实施c e l p 语言编码 器的原因是，a a c 在以低于1 4 k b s 的数据率进行语音传输时，能力大大减弱。 在明显低的数据率的情况下，c e l p 的优点是可以提供明显好的音质，甚至数据 率低至6 k b s 时仍然可以使用。其音频质量还可以通过应用s b r 来提高。 3 ) 对2 k b s 或4 k b s 的语言信号，d r m 系统采用m p e g 4h v x c 语音编码 工具集进行编码。h v x c 用于对声音部分进行残余信号谐波编码( l p c ) 和非声 音部分的矢量激励编码( v x c ) ，它能够以8 k h z 取样率为10 0 - 3 8 0 0 h z 频段的 通信提供市话到长话质量的语音。h v x c 还有一个体系可以用错误保护工具提供 错误敏感度分类。另外，其错误隐藏功能可以用在有错误倾向的信道中。 h v x ct 作时的低比特率为d r m 提供了新的应用。例如：语音业务附加到 音频业务中；多语言应用：对多种节目固化存储；用于改变存储的节目快速回放 浏览时的时间分级。 4 ) 除上述编码方法外，在d r m 系统中还应用了频带复制( s b r ) 技术。 s b r 是一种在低比特率情况下获得全音频带宽的音频编码增强方法( 工具) ， 可与a c c 和c e l p 联合使用，形成目前为止能力最强的压缩方法。仅a a c 本 身的效率就已经比众所周知的m p 3 高出3 0 。然而，由于带宽很窄，仅使用a a c 是不够的。附加应用s b r ，可以在同样高的音频质量的情况下，使数据率再减 少4 0 。这样就有可能传输数据率仅为2 5 k b s 左右的音频信号，此数据率尚不 到i s d n 线路的1 3 。 d r m 系统信源编码原理如图2 2 所示。 第二章d r m 系统的基本原理和构成 2 1 2 多路复用9 1 图2 2d r m 系统信源编码原理结构图 嚣 d r m 系统一次可以传输1 4 个不同的业务，为了将不同业务中保护级别相 同的部分一起传输，需要将业务的原始逻辑帧复用成为传输超帧。一个d r m 传 输超帧由三个不同的信道组成：主业务信道( m s c ) 、快速访问信道( f a c ) 、 业务描述信道( s d c ) 。 1 ) 主业务信道( m s c ) ：m s c 含有d r m 复用中所传输的所有不同业务的 数据。多路复用可以实现1 4 种业务的复用，既可以是音频业务，也可以是数据 业务。业务中的数据可以被分为高和低两种保护等级，从而实现相同保护等级的 数据传输。m s c 的帧周期为4 0 0 m s 。 2 ) 快速访问信道( f a c ) ：f a c 载有用来提供给接收端实现快速搜索的业 务信息，包括业务参数信息( 如复用描述、频点切换等) 和信道参数信息( 如频 带占用、交织深度等) ，帧周期为4 0 0 m s 。 3 ) 业务描述信道( s d c ) ：s d c 包含m s c 译码、相同数据的替换源搜索 及复用业务的归属等信息。s d c 可被看作一种单一的数据信道，传送的总数据 量可以超过一个单一业务描述信道帧能够传输的数据量。其帧周期为1 2 0 0 m s 。 d r m 传输超帧结构如图2 3 所示。 图2 3d r m 传输超帧结构 第二章d r m 系统的基本原理和构成 2 1 3 信道编码f l o j 所谓信道编码，是指按照一定的规则，在信源编码后的数据中，人为加进冗 余，即补充差错保护，使信号尽可能无干扰地通过传输信道发送到接收机。 d r m 系统的三个不同的信道分别对应于不同的编码和映射方案。其信道编 码模块主要采用多极编码的方式，它把差错保护和q a m 映射结合起来考虑，对 q a m 映射中易于受信道噪声干扰的比特采用较高的保护，而对于相对较难受干 扰的比特采用较低的保护。其中差错保护分为两种：不等差错保护( u e p ) 即采 用两种不同的编码率分别对应码流的高低保护部分；相等差错保护( e e p ) 即采 用单一编码率对信道的所有数据进行编码。这两种差错保护模式可以在信道编码 中结合使用。f a c 和s d c 信道被指定使用e e p 模式，u e p 模式只能应用于m s c 信道。 当使用分级调制时，可以应用3 种映射方式：标准映射( s m ) 、对称分级映 射( h m s y m ) 、混合分级映射( h m m i x ) 。混合分级映射是前两种的混合，即其 星座图的实部采用分级映射方式；虚部采用标准映射方式。分级映射将待编码的 数据流分为两个部分：一个是超强保护部分( v s p p ) ，一个是标准保护部分( s p p ) 。 标准映射模式只包括s p p 。在任何情况下，对于m s c 信道的s p p 部分，最多能 够使用不超过两种对应于不同差错保护的码率。对于f a c 和s d c ，只允许使用 标准映射模式。 对于经过一个3 级编码器的比特流，每6 个比特就会映射成为一个6 4 q a m 单元。对于采用n q a m 星座映射的调制方案，尤其在n 较大的时候，分级编码 提供了比较好的差错保护性能。 对于m s c 信道，采用的分级编码级数取决于所选用q a m 映射的大小：2 级编码对应1 6 q a m ，3 级编码对应6 4 q a m ，如图2 4 和图2 5 所示。 比 叫一- 嘲一。芦 特 1 6 0 a m 分 映射 配 x o , o & l , - - j 船飙陋叫姗。p 墼 图2 4s m 映射下2 级编码框图 9 第二章d r m 系统的基本原理和构成 比 划瓤擞 v z o , , v z b - j 效潲：y z o , y z , , - - ； 6 4 0 a m s m ， 特 叫编嗽。r 叫姗- r _ 一 l - k n s y m 分 配 映射 型刊绷l l “ m 肌山”； 图2 5s m 和h m s y m 映射下的3 级编码框图 对s d c 信道，在信道编码前s d c 数据分组为块，块的大小由选用的s d c 信道容量所确定。它可采用编码方案为：一级编码( 4 q a m ) ，如图2 - 6 所示；二 级编码( 1 6 q a m ) ，如图2 4 所示。 比 特 二塑些兰唑叫编码器c 。 二兰兰竺二= = 交织器i 【j ：兰兰! 竺二j 4 q a m 分映射 配 图2 6s m 映射下1 级编码框图 对于f a c 信道，是以每7 2 比特为一组进行多级编码，只采用一级编码方案 ( 4 q a m ) ，如图2 - 6 所示。 发射台可根据传播条件和期望达到的声音质量来进行选择，而接收机可以自 动识别发射机所使用的调制方式，进行相应的解调。d r m 使用的调制方式与编 码率的详细信息见下表2 1 。 表2 1d r m 使用的调制方式与编码率 信道调制方式 信道编码率。 f a c4 q a m0 6 s d c 4 1 6 q a m 0 5 1 6 q a m 0 5 0 6 2 m s c 6 4 q a m 0 5 0 6i 0 7i 0 7 8 2 1 4o f d m 调制 o f d m 调制技术的基本原理是把调制在单载波上的高速串行数据流，分成 多路低速的数据流，再分别调制到多个子载波上并行传输。各个子载波上的调制 方式可以相同，也可不同。通过利用正交的子载波组可以将衰落和干扰隔离，通 常的频率选择性衰落信道被分割成了相对于每一个子载波基本独立的平坦衰落 信道；信道在时域的扩散由于数据流被并行地分到每一个子信道，符号速率降低， 符号间干扰( i s i ) 的影响也随之变小。与传统的频分复用方式不同，o f d m 系 1 0 第二章d r m 系统的基本原理和构成 统中允许各子载波上的信号频谱是相互重叠的，但各子载波之间必须保持严格的 正交性。d r m 系统规定，应该在1 0 k h z 的射频带宽内传输符号，即每个符号包 含大约8 8 2 2 6 个子载波，具体的子载波数目是由传输模式来决定的。 1 l i o f d m 的实现原理如图2 7 所示。 _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 一 一q a m 调制生 ，j g b s p 一 x ( 1 ) - 一 _ _ 一 串并! 目牛 转换 f f t ( 略) x ( n ) h 一 图2 7o f d m 基本实现框图 在实际信道中，由于无线信道中的多径传输会破坏子载波的正交性，因而导 致误码率的上升。为了更大限度地消除i s i ，可以在o f d m 符号之间插入保护间 隔t g ，它的长度要根据无线信道的时延特性来选择。如果保护间隔t g 比无线信 道的最大时延扩展还大，则不产生i s i ，也不影响子载波的正交性，仅仅在保护 间隔内才出现与先前已传输信息的干扰。在每一段保护间隔内，可以不插入任何 信号。然而，在这种情况下，由于多径传播的影响，会造成信道问干扰( i c i ) 。 所以，为了避免i c i ，将每个o f d m 符号尾部长度为t g 的部分复制到o f d m 符 号的前面，并且称保护间隔内的信号为循环前缀，如图2 - 8 所示。 | 一 ! 塑竺：生塑皇苎! ! = ! 堡 一0： - - - - - - hl i 小八小i 刮黜缆堰； 图2 8 循环前缀避免i c i 第二章d r m 系统的基本原理和构成 2 2d r m 接收机软件系统的基本原理 与传输系统相对应的，d r m 接收机软件系统必须有相应的模块将原始音频 信号还原播放出来，本节将介绍其基本结构和原理。 2 2 1 同步模块 引入正交的子载波使得o f d m 系统对子载波的频率偏移很敏感，因此保持 系统子载波的正交性成为o f d m 系统中的关键技术，它是o f d m 系统中不可或 缺的组成部分。对于无线传输信道而言，信道具有多径传输和终端移动接收等特 点，因此会产生时延扩展和多普勒频移，造成o f d m 符号间的干扰和子载波频 率的偏移。另外，由于发射端和接收端的晶振也会存在频率不稳现象，这也会导 致接收信号的载波产生偏移。 o f d m 系统同步主要包括以下三个方面： 1 ) 频率同步：校正接收端的子载波使之与发端同频同相； 2 ) 时间同步：符号同步、定时同步和帧同步； 3 ) 采样频率同步：对模数转换频率偏移进行校正。 频率同步和时间同步又分为捕获( 粗同步) 和跟踪( 细同步) 两步。捕获是以较 粗略的算法建立起来同步，使得定时偏差和频率偏差控制在一个比较小的范围 内，它所需要的时间长、运算量大。虽然粗同步已经建立起来，但是误差较大， 接收性能不是太好，为获得更好的性能，一般还需要进行跟踪。跟踪一方面在捕 获的基础上进一步提高同步的精度，使得频偏误差和定时误差更小，另一个方面 跟踪频偏、定时偏差的变化，当偏差已经超出了细同步校正的范围时，系统将重 新进入捕获过程。采样频率同步就是校正由发送端和接收端时钟偏差引起的频率 偏差和接收端移动性引起的多普勒效应导致的频率偏差，一般来说这两个偏差都 是固定的，估计出来就无需重复计算，除非进入粗同步过程。i l z j 2 2 2 信道估计模块 调幅广播传输分为天波和地波两种方式。对天波传输方式而言，调幅广播信 道是一种时变色散的信道，它利用电离层的反射传送信息。由于电离层是分层、 不均匀、各向异性、随机、有时空性的介质，信道存在多径时延、衰落、多普勒 频移、频移扩散、近似高斯分布的白噪声和电台干扰等一系列复杂现象。因此， 在接收d r m 广播信号时，对信道进行估计是一个不可或缺的处理过程。 信道估计方法分为盲估计和基于导频信号估计方法，根据导频插入位置可分 1 2 第二章d r m 系统的基本原理和构成 为面向判决方法和导频辅助调制方法；从实现准则而言，又可分为最小平方估计 ( l s e ) 和最小均方误差估计( l m m s e e ) 等。1 1 ) j d r m 系统中采用的是基于导频信号的信道估计方法，处理过程为： 1 ) 在发送端的适当位置插入所选择的导频单元； 2 ) 在接收端利用导频恢复出导频位置的信道响应； 3 ) 通过导频位置获取的信道信息得到信道所有时刻的信道响应。 信道估计是d r m 系统接收中的关键技术，所采用的算法有三种：线性插值、 加窗的f f t 插值和w i e n e r 滤波插值。 2 2 3 信道解码模块 对于三个逻辑信道f a c 、s d c 和m s c 信道解码过程是相互独立的，当接收 到一个完整的传输帧数据之后，通过o f d m 解映射将数据拆分为f a c 帧、s d c 帧和m s c 帧，然后分别对各帧解码。d r m 系统采用了多级编码( m l c ) 作为信道 编码，与之相应的采用渐进最佳的多阶段译码( m s d ) 作为接收机信道译码方法。 将二进制表示的数据流连续的分配进入m q a m 星座点，组成信号星座点子集。 对3 级6 4 q a m 映射的m l c 最简单和有效的译码策略就是m s d ，即利用 前一级的译码结果连续地对每一级进行译码。 y 一一差三0 一i 盂三再菌品雨乙一酥试f 百乙一一 l 一一一一一一一一一? 一ii - 一一一一一一- - 一i m e t r i c 卜叫d e i n t e r l e a v e r 兀i 。hd e c o d e rd 2 j ( i ) i n t e r l e a v e rn 1 d e i n t e r l e a v c r 兀 贾( 0 ) 2 2 4 音频解码模块 一一一一一一：2 i t e r a t i o n 图2 - 9m s d 译码框图 五( 2 ) 口【i ) 卜 f 2 1 0 ) 用f a c 和s d c 数据解码之后的音频流按固定格式将数据分到相应的解码器 和s b r 组件中，然后通过解码将数据解出得到低频带信号，最后再采用s b r 技 术来重建得到另外一半的高频带信号。这样就可以恢复原始的音频信号。 一一一一一一一 一孽 第二章d r m 系统的基本原理和构成 2 3d r m 接收机硬件系统的基本原理 基于软件无线电理论的d r m 硬件接收机，其主要任务包括将模拟前端接收 到的模拟信号转化为可以进行数字化处理的数字信号，并提供性能足够的处理器 运行接收软件程序。同时，还要将解码出的数字音频信号转换为模拟信号发送出 去，并提供接收机控制处理能力。硬件的具体实现将在本论文下面几章讨论。 2 4 本章小结 本章从总体上介绍了d r m 系统的基本原理和构成，包括传输部分，接收机 软件部分和硬件部分。 第三章d r m 接收机硬件方案的选择与设计 第三章d r m 接收机硬件方案的选择与设计 3 1d r m 接收机硬件系统需求分析 图3 1d r m 接收机硬件系统架构 d r m 接收机硬件整体架构如图3 1 所示。模拟前端接收到调制信号，将其 降频到12 k h z 载波上。然后由a d 转换为数字信号传输至主处理器进行处理。 主处理器需要配有相应的外部存储器和供电模块。同时，为了提供控制和协处理， 需要有相应的协处理器，并需要在外部总线上有一级隔离。协处理器也要配有相 应的外部存储器和供电模块。而主处理器处理过的数字信号也需要有适当的d a 模块将其转换为模拟信号并最终播放出去。下面将按照各个模块的划分具体分析 其要求。 第三章d r m 接收机硬件方案的选择与设计 3 2 模拟前端 d r m 接收机的模拟前端部分可以很容易的用传统的a m 收音机改造，因为 其与模拟a m 广播占用的频谱具有一致性频谱兼容，a m 的频谱分配不用重新划 分。所以，只需要将传统a m 收音机与中频混频得到最终信号的第二本振进行 调整，使其产生d s p 处理所需的1 2 k h z 的第二中频。再将其传输到其后的a d 变换器转换为数字信号，再进行传输。【u 中频带通采样结构的d r m 接收机模拟前端设计框图如图3 1 所示，射频前 端采用分波段接收，减小滤波器的压力，同时采用类似超外差的方法，经过两次 混频将射频接收到的信号稳定在一个频率上，即1 2 k h z ，然后再放大。这种结构 提高了接收灵敏度，频率稳定，抗干扰能力强。 3 3a d a 模块 图3 1d r m 接收机模拟前端框图 信号 馨出 d r m 接收机的模拟前端接收到的是模拟信号，为了能够用d s p 处理器进行 实时处理，需要将其转换为数字信号。这就需要相应的a d 转换器。同时，d s p 处理后的数字信号，也需要利用d a 转换器将其转换为模拟信号播放出去。有 时，为了简化设计和节约成本，可以采用单一的a d a 模块同时完成以上两项 任务。 3 3 1a d 转换器 a d 转换器的主要技术指标有：输入动态范围、采样频率、采样位数和数据 输出方式等。 1 ) 输入动态范围：大体上可分为单极性和双极性两种，每种又有其具体的 输入电压范围。范围越大，成本越高。d r m 模拟前端输出的信号幅度范围为 4 0 0 9 0 0 m v ，所以选择单极性，电压范围o 1 v 的转换器比较符合要求。 2 ) 采样频率：模拟前端接收的模拟信号的载波f 。= 1 2 k r t z ，带宽b = 1 0 k h z ， 所以信号的截止频率f - 气。+ b = 2 2 k h z 。根据采样定理，采样频率f = 2 f = 4 4 k h z 。 所以无论c d 格式的4 4 1 k h z 采样率还是d a t 格式的4 8 k h z 采样率都可以满足 1 6 第三章d r m 接收机硬件方案的选择与设计 指标要求。 3 ) 采样位数：a d 转换器的采样位数越高，绝对转换精度越高，音质越好， 但价格也就越高。d r m 标准规定的格式为1 6 位p c m