（计算机应用技术专业论文）drm接收机的设计与实现.pdf

哈尔滨工程大学硕十学位论文 摘要 由于广播环境、音质、功耗等因素的影响，调幅广播正在由传统的模拟 信号向数字信号转变。d r m 数字广播系统已成为从模拟广播向数字广播过渡 的主要手段和更新换代的重要方向。 本文以d r m 数字广播系统的国际标准为依据，在比较分析d r m 系统各 模块功能的基础上，设计实现了d r m 接收机。首先，按照信号处理内容将 d r m 接收机分成接收信号的硬件部分( 模拟信号处理) 和处理信号的软件部 分( 数字信号处理) 。其次，对两者分别展开论述，重点对d r m 接收机软件部 分的各功能模块进行了分析。d r m 系统以c o f d m ( c o d eo r t h o g o n a l f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x ) 技术为基础，具有高频带利用率和抗多径干扰等 优点。d r m 接收机软件部分的实现以数字信号的接收和处理流程为主线，充 分利用了p c 机的强大运算能力。文中对实现d r m 接收机软件部分的信号接 收、信道解调、信道解码、信源解码等主要功能模块展开论述，其中涉及d r m 信号同步、o f d m 解调、v i t e r b i 译码、信源解码算法等问题。最后，对实现 的d r m 接收机进行接收效果测试，对采用的关键算法也作出性能分析，在 此基础上找出工作的不足，并对下一步的工作进行了展望。 关键字：d r m 接收机；信号同步；o f d m 解调；v i t c r b i 译码；信源解码算法 i 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t o w i n gt ot h ei n f l u e n c eo ff a c t o r s ，s u c h 笛b r o a d c a s t i n ge n v i r o n m e n t s ，t i m b r e ， p o w e rc o s ta n ds oo n ，t h ea mb r o a d c a s t i n gi sc h a n g i n gf r o mt h et r a d i t i o n a l a n a l o gs i g n a l st o t h ed i g i t a ls i g n a l s d r mh a sb e c o m eap r i n c i p a lm e a no f t r a n s i t i o na n da ni m p o r t a n td i r e 圮t i o no fr e p l a c e m e n tf r o ma n a l o g u et od i g i t a l b r o a d c a s t i n g r e l i e do nt h ei n t e r n a t i o n a ls t a n d a r do ft h ed r m d i g i t a lb r o a d c a s t i n gs y s t e m ， t h i st h e s i sd e s i g na n di m p l e m e n t sad r mr e c e i v e rb yc o m p a r i n ga n da n a l y z i n g e a c hm o d u l ef e a t u r e so ft h ed r ms y s t e m f i r s t l y , i td i v i d e st h ed r mr e c e i v e r i n t ot w op a r t sa c c o r d i n gt ot h es i g n a lp r o c e s s i n g ：o n ei st h eh a r d w a r ep a r tf o r r e c e i v i n gs i g n a l ( a n a l o gs i g n a lp r o c e s s i n g ) a n dt h eo t h e ro l l ei st h es o f t w a r ep a r t f o rp r o c e s s i n gs i g n a l ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ) s e c o n d l y , i td i s c u s st h et w op a r t s s e p a r a t e l y , e s p e c i a l l yt h ef u n c t i o n a lm o d u l e so ft h es o f t ：w a r ep a r ta r ea n a l y z e d t h ed r ms y s t e mt a k e s c o f d m ( c o d eo r t h o g o n a lf r e q u e n c y d i v i s i o n m u l t i p l e x ) t e c h n i q u ea st h ef o u n d a t i o n ；i th a sh i g h f r e q u e n c yb a n du t i l i z a t i o na n d a n t i - m u l t i p a t hi n t e r f e r e n c e ，a n do t h e ra d v a n t a g e s r e g a r d i n gt h ep r o c e s so f r e c e i v i n ga n dp r o c e s s i n gd i g i t a ls i g n a l 嬲am a i nl i n e ，t h er e a l i z a t i o no fs o f t w a r e p a r tr e c e i v e rf u l l yu s e dt h ec o m p u t i n gp o w e ro fp c 1 1 1t h i sp a p e r , w ed i s c u s s e d t h em a i nf u n c t i o nm o d u l e s ，s u c ha ss i g n a lr e c e i v i n g ，c h a n n e ld e m o d u l a t o r , c h a n n e ld e c o d s o u l - c od e c o d e ra n ds oo n , w h i c hi n v o l v i n gd r ms i g n a l s y n c h r o n i z a t i o n ， o f d md e m o d u l a t i o n ,v i t e r b i d e c o d e r , s o u l c ed e c o d e r a r i t h m e t i c ，a n do t h e ri s s u e s a tl a s t ，w et e s t e dt h er e c e i v i n gr e s u l to ft h ed r m r e c e i v e r , a n a l y z e dt h ep e r f o r m a n c eo ft h ek e ya l g o r i t h m o nt h i sb a s i s ，w ef i n dt h e i n s u f f i c i e n c yo ft h ew o r k ，a n dt h e np r o s p e c tt h ef u r t h e rt a s k k e yw o r d s ：d r mr e c e i v e r ：s i g n a ls y n c h r o n i z a t i o n ：o f d md e m o d u l a t i o n ； v i t e r b id e c o d e r ；s o u r c ed e c o d e ra r i t h m e t i c i i 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文是由我个人在导师指导下进行的 研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以 说明和致谢的地方外，论文中不包含他人已经发表或撰写研 究成果，也不包含为获得哈尔滨工程大学或其他单位的学位 或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的贡献已在论文中做出明确的说明，并表示了谢意。本声明 的法律结果由本人承担。 日期：瑚孑年3 月j 日 哈尔滨工程大学硕十学位论文 1 1 声音广播数字化 第1 章绪论 模拟调幅( a m ) 广播历史悠久，最早出现于2 0 世纪2 0 年代。由于其信号 覆盖面广、传输距离远、接收机简单廉价等显著的优点，它一直是广播行业 优先考虑和选择的信号传输手段。但是，随着通信业务的不断拓展，电磁空 间环境越来越拥挤，模拟调制声音广播的接收质量受到很大影响。传输信号 易受干扰、接收声音质量差、信号易衰减等明显的缺点，使模拟调幅广播在 越来越差的电磁环境下愈发无法满足听众的要求。传统的广播行业同时还遭 受着数字媒体和网络媒体的广泛冲击，面临着数字多媒体业务的严峻挑战。 然而，基于经济、功耗等因素的综合考虑，在今后较长的一段时期内， 声音广播的大面积覆盖传输仍然将以中短波信号传输为主要手段，调幅广播 仍具有巨大的应用价值。一方面是自身的传输条件越来越差亟待改进，另一 方面是新媒体的发展越来越快，广播数字化已经成为声音广播的迫切要求和 唯一出路。中短波a m 广播的数字化问题已经成为各国广播电视技术研究中 的一个关注焦点。 1 2 数字调幅广播d r m 系统综述 1 2 1d r m 系统的发展 1 9 9 0 年以来，3 0 m h z 以下频段中短波a m 广播的数字化问题逐渐成为各 国广播电视技术研究中的一个重要课题。 1 9 9 6 年1 1 月，国际上一些大机构在巴黎举行会议，决定成立专家组，定 义一个称为d i g i t a lr a d i om o n d i a l e ( d r m ) i f 3 正式组织。该组织的任务是：定义 一个数字调幅系统，寻找最佳的数字a m 系统，定义一个针对3 0 m h z 以下的 长、中、短波波段的数字调幅广播系统，使之成为一种不断发展完善的世界 通用数字a m 广播标准，促进数字调幅技术在全球范围推广。 1 9 9 8 年3 月，d r m 组织在中国广州签署数字调幅广播谅解备忘录，在广 哈尔滨工程大学硕士学位论文 播世界拥有了正式地位。1 9 9 9 年初，法国t h o m c a s t 公司、德国电信和t e l e f u n k e n 公司共同加入了数字a m 的研究计划。1 9 9 9 年3 月，d r m 组织开始对法国 s k y w a v e 2 0 0 0 和德国t i m 两大系统进行测评，综合两种方案效果后，于1 9 9 9 年底向i t u 提交草案，最终决定采用s k y w a v e 2 0 0 0 i 拘o f d m + q a m 方案。 2 0 0 1 年2 月，1 1 r u 通过了“3 0 m h z 以下数字声音广播的业务需求 建议， 要求该频段的数字广播能够为车载、便携和固定的接收机提供高质量的单声 道或立体声广播节目；相对于当前的模拟系统有更高的频谱功率效率；在多 径传播中信号质量有显著改善；在发射功率确定后，覆盖范围和服务质量可 以相互折中；允许普通接收机接收所有传送方式播出的节目；方便地提供节 目相关数据和附加数据业务；通过批量生产降低接收机成本。同时，数字接 收机还可以接收当前的模拟广播，使其技术和部件有最大的通用性。 同年7 月，e t s i 公布了d r m 系统规范；9 月份又公布了该标准的第二版本 ( e t s i1 0 19 8 0v i 1 12 0 0 1 0 9 ) 。后来几经修正，目前的最新版本为2 0 0 5 年l o 月发布的版本( e t s ie s2 0 19 8 0v 2 2 1 ) 。 2 0 0 3 年1 月3 0 日，国际电工委员会( i e c ) 表决通过了d r m 标准，随后d r a m 在2 0 0 3 年6 月1 6 日开始正式广播。目前，d r m 系统标准已被很多国家采纳， 欧洲已经有国家于2 0 0 3 年将d r m 系统正式投入广播运行。 截止到2 0 0 5 年7 月，d r m 组织成员已经达到了9 0 个，分布在3 0 个国家和 地区；包括b b c 在内的2 0 多家知名广播公司已经开展了d r m 广播业务服务。 1 2 2d r m 系统的特点 作为较理想的一种数字a m 广播，d r m 数字广播不仅具有良好音质( 达到 f m 或接近c d 水平) ，还具有以下优势：抗干扰和噪声的能力强：传输可靠性 高；在较低发射功率的情况下，可以达到与模拟广播相同的覆盖范围；数字 信号便于处理、存储、交换，便于计算机处理；易于实现多媒体广播：功耗 低、可靠性高。d r m 系统还可以提高信号频谱利用率，它必将取代模拟中短 波a m 广播；同时也可以作为过渡手段逐步替代传统的a m 广播，并与卫星广 播、f m 广播等其它广播形式组成有益的补充。d r m 系统的主要优势在于它 采用现有广播的频率和带宽，并且是世界上唯一非专用的、可利用现有频率 和带宽的数字系统，它必将在全球3 0 m h z 以下a m 广播领域成为主流应用。 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 尽管d r m 数字广播优势明显，但作为一种新的技术，尚未完全成熟，无 法一步到位地替换传统的模拟广播，这需要一段过渡时期。d r m 数字与模拟 节目的同播，可以实现由模拟广播向数字广播的平滑过渡。在过渡期间，可 以使用现有的发射机和已有的频率，为同一覆盖区域同时发射模拟节目与 d r m 数字节目。这种兼容处理的方式，有利于d r m 技术的理性发展，对模拟 a m 广播到数字d r m 广播的平稳过渡具有积极的作用。 1 2 3d r m 系统的前景 a m 广播系统是目前国内覆盖面最大和较为经济的广播系统，其数字化 和产业化对我国的广播行业具有特别重要的意义。 d r m 系统的产业化前景广阔，具有重大的社会、经济效益。短波广播覆 盖面大，不仅能够开拓新的多工广播服务和业务，利用数字a m 广播频道传 送各种附加数据及多媒体信息，紧急时刻还可用于军事及国家安全数据传输。 据统计，我国现有约3 亿台中、短波收音机，其更新换代及出口将产生近千 亿元的市场容量；在模拟a m 广播到数字a m 广播的过渡期内，可为现有的 中、短波收音机加配数字a m 广播接收附件；可能成为多媒体电脑和个人数 字助理( p d a ) 的基本功能或标准附件和选项，引出新兴产业。可利用数字a m 广播频道传送各种附加数据及多媒体信息，开拓新的多工广播服务和业务。 同时，短波国际广播在国际交往中也具有重要的意义，很多国家大量投 资支持短波业务。今天，世界上已有1 6 0 多家国际广播电台。美国某项研究 认为：未来4 0 年内，没有其它媒体能够以相同的优点替代短波( 某种程度上 也适合于中波) 。据有关统计资料显示，全世界已有3 千多座短波发射台，l 万2 千多座中波发射台，2 5 亿台调幅收音机，其中7 亿台可接收短波广播。 可见数字a m 广播系统的市场前景潜力巨大。 d r m 系统的经济可行性好，能够在我国得到快速推广。d r m 广播系统具 有深刻的理论意义和巨大的应用价值，更具有宽广的发展和应用潜力。 3 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 3d r m 接收机体系结构设计 1 3 1d r m 接收机设计思路 标准的广播系统通常由两部分组成：发射部分和接收部分。发射部分将 需要传送的声音信号调制为射频信号后进行发射；接收部分则将从空中接收 的射频载波信号中分离出有效信号，经过解调等处理，最终还原为声音信号， 完成广播的目的。发射部分与接收部分的处理工作在很大程度上是互逆的过 程。本文的工作是要设计实现d r m 数字广播系统的接收机，可以在借鉴收 音机接收机工作原理的基础上，参考d r m 系统标准中给出的技术标准和发 射流程，逆向设计d r m 接收系统的信号处理流程，以实现d r m 接收机。 1 3 2d r m 系统标准 2 0 0 1 年9 月，欧洲电信标准化协会( e t s d 颁布了“世界性数字广播( d r m ) 系统详细说明”，确定了3 0 m h z 以下数字音频广播的标准，并经过数次修改。 本文参考的是于2 0 0 5 年1 0 月发布的d r m 系统规范“e t s ie s2 0 19 8 0v 2 2 1 ： d i g i t a lr a d i om o n d i m e ( d 砌旧；s y s t e ms p e c i f i c a t i o n 一，该e t s i 标准由联合技 术委员会( j t c ) 、欧洲广播联盟( e b u ) 、c e n e l e c 和欧洲电信标准协会( e t s i ) 共同协作产生，它阐述了d r m 系统( 主要是发射部分) 的相关内容和3 0 m h z 以下带宽的数字广播d r m 系统的详细规范，是本文工作的基础和指南。 作为典型的广播系统，d r a m 广播系统也可以分为信号发射部分和信号接 收部分。d r m 系统规范给出了d r m 发射系统的结构原理框图，如图1 1 。 眦牡 眦值冬n 磊 信源翁码 复 用 嚣 蒯嚣h 嚣睁1 疆教一编码 勤 妥 图1 1d r a m 发射系统结构框图 4 嚣h 訾 卯删信号生成 冀伽町 雠船一一雠船一码悭厦躺 卜h道 量敌一一量敌一信 童眍一 一能驱一 哈尔滨工程大学硕十学位论文 图中描述了不同种类的信息( 音频、数据等) 转换为d r m 信号的处理流 程。这里没有区分不同的服务，因为这些服务可以在一种或多种信息中传播。 我们可以将d r m 系统发射系统简单归纳为以下几个阶段： ( 1 ) 信源编码阶段：声音数字信号复用压缩为特定格式的数字信号； ( 2 ) 信道编码阶段：将数据流信号进行信道编码使其适应无线信道传输； ( 3 ) o f d m 信号生成阶段：将三大业务信道( m s c 、f a c 和s d c ) 数据与导 频信息混合映射，生成o f d m 信号，并调制到载波信号发射出去。 1 3 3d r m 接收机系统结构设计 我们可以参考d r m 发射系统处理流程来设计d r m 接收系统，分析信号 接收处理的工作流程。作为信号发射逆过程的信号接收处理，d r m 系统接收 系统需要划分为以下几个处理过程： ( 1 ) d r m 信号捕获 通过接收天线获取高频率射频信号，然后下变频到固定的中频模拟信号， 经过声卡的a d 转换和数据采样处理，得到有效的d r m 数字信号输入。 ( 2 ) 信道解调 利用d r m 发射系统在d r m 信号中加入的导频信息进行同步处理，确定 接收到的d r m 信号中传输帧的起始位置。 ( 3 ) 纠错解码 针对发射系统的信道编码操作，将得到的同步信号解码，恢复到复用前 的信号阶段，同时判断传输信道的衰落状况，纠正信号传输中的错误。 ( 4 ) 信源解码 将传送的复用信息分解为各自独立的数据流，分开处理三大业务信道， 并将主业务信道( m s c ) 分解为待处理的音频业务和数据业务。将分离出的音 频数据流，经过与信源编码相对应的操作进行反向解码，最终将其还原为音 频信号，送入声卡后输出声音信号。 综上所述，根据d r m 系统标准中给出的发射系统框图以及其它相关内 容的提示，并综合上述d r m 接收系统流程的粗略划分，可以将d r m 接收机 按照图1 2 所示的流程结构进行扩展设计。 5 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i i 宣i i 宣i i i i i i 宣i i 宣i i i i i 宣i i ii 一i im _ 置置宣暑i 萱i 宣i i i i i li ii 高 艏i i 园一 宿遁l o ! 旷一 馘iiii 解 年晰j 复 用 嚣辇： 信l ；道i l l! i 嚣嚣! i墨要! i 前端l 解码 解码 图1 2d r m 接收机系统结构设计图 1 4 论文组织 ， 本文主要研究d i l m 系统的接收部分- d i 洲接收机的设计与实现。在 参考普通收音机以及d r m 发射系统工作原理的基础上，本文设计实现的 d p j v 接收机包括硬件模拟接收前端和信号处理软件两个部分。 软件部分可以称为软件接收机s d r ( s o r w a r e d e f i n e dr e c e i v 神，它以p c 机的强大数据运算处理功能为依托，利用软件编程的方式模拟实现d r m 信 号的处理。 由于s d r 的可编程部分只能扩展到i f ( 中频) ，因而实现的d r m 接收机 接收信号的工作必须由硬件实现：这一部分称为硬件模拟接收前端，实质上 是一种变频接收调谐器( 接收天线) 。 本文将按照以下结构组织安排： 第l 章，绪论，从声音广播数字化这一转变趋势引出数字广播d r m ，对 d r m 系统进行综合论述，进而引出本文的研究内容，初步设计d r m 接收系 统的结构。 第2 章，在参考普通收音机工作原理的基础上，介绍d r m 接收机硬件 模拟接收前端部分的设计与实现工作。 第3 章，对照d r m 系统标准的指导和d r a m 发射系统的操作流程，针对 接收系统信道解调部分的流程操作进行详细设计，重点分析同步捕获、o f d m 解调和信道估计等关键技术，并对其实现性能进行分析。 第4 章，继续接收系统纠错解码部分流程的设计实现，重点分析去交织、 q a m 逆映射和v i t e r b i 译码算法。 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第5 章，根据d r m 发射系统选择的a a c + s b r 信源编码算法，采取相 应措施进行信源解码的设计与实现。 第6 章，综合前几章的设计与分析，对设计实现的d r m 接收机进行测 试，并对其接收效果和性能进行分析评价。 结论，总结本次课题的工作，分析课题工作的不足，并对后续的工作进 行展望。 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章模拟前端设计 数字信号不适合无线传输信道的远距离传输，d r m 发射系统需要将待发 送的d r m 信号上变频为适合无线信道传输的高频模拟信号后再进行传输。 相应的，d r m 接收端则需要通过硬件模拟接收前端电路捕获这种高频信号， 经下变频处理后，将得到的适当频率的中频模拟信号送往声卡，经a d 转换 为数字信号流，并作为软件接收机部分的输入信号。 2 1 设计参考 d r m 接收机硬件模拟前端要实现的功能是捕获载有d r m 信号的高频模 拟信号，该模拟信号经过下变频等操作后，将输出结果作为软件接收机的输 入，这与平时使用的收音机非常类似。本节对收音机的工作原理进行了解， 可以为硬件模拟接收前端的设计工作提供一些思路。 收音机工作时，首先通过天线接收各种频率的无线电波，并利用选频电 路择取收听的电台频率，就是将其它频率的无关信号过滤掉，这一选择过程 称为调谐。天线接收到的高频信号通过输入电路与收音机的本机振荡频率一 起送入变频管内，经过混合变频，在变频级的负载回路产生一个新的频率， 即通过频差产生的中频( 本机振荡频率比外来高频信号高出一个固定的中频， 我国中频标准规定为4 6 5 忆) 。中频信号只改变了载波的频率，却可以更好 地得到放大。经检波后，可以滤除高频信号。需要说明的是，从天线上直接 接收到的无线电信号非常微弱，在通过调谐电路后还需经过放大电路放大到 一定幅度才能送往解调电路，最后得到的电信号推动扬声器发出声音。这就 是一般收音机的工作原理。图2 1 给出了某晶体管收音机的功能模块框图。 图2 1 晶体管收音机功能模块结构图 8 器 哈尔滨工程大学硕士学位论文 对于收音机而言，检波是一个重要的过程。它主要利用了半导体元件的 单向导电性，本质上是一种整流过程。任何一种有整流作用的元件都可以用 于实现检波电路。 混频电路的作用在于将不同载频的高频已调制信号变换为同一个固定载 频( 一般称为中频) 的已调波信号，并保持其调制规律不变。由于设计和制作 的增益高，选择性好，工作频率与原载频较低的固定中频放大器比较容易， 所以采用混频方式可大大提高接收机的性能。 图2 2 为混频电路组成原理图。混频电路的输入是载频丘的高频已调波 信号( f ) 和频率以的本振信号( f ) ，输出是中频石的已调制信号( f ) 。通 常取石= 五一尼。 。 图2 2 混频电路原理图 滤波器的主要功能是滤除不需要的频率，保留有效频率信号，它被广泛 用于模拟信号处理、数据传送和干扰等方面。 功率放大器通常由前置放大电路和功率放大电路组成。前置放大器由信 号放大器组成，其主要任务是不失真地提高输入信号电压或电流的幅度，以 驱动后面的功率放大电路。 2 2 设计实现 d r m 接收系统包括硬件模拟接收前端和基于p c 的d l w 基带信号处理软 件。对于d r m 接收系统来说，其接收性能很大程度上由硬件模拟前端性能决 定。本节将结合收音机工作原理的分析，对照d i 洲信号接收和处理的需求， 主要对d r m 硬件模拟接收前端进行设计。 9 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 2 2 1 功能模块划分 d r m 硬件模拟接收前端的任务是捕获载有d r m 信号的高频射频信号， 它应该具有信号接收灵敏度高、动态范围大、集成度高等特点。可以将待实 现的模拟硬件接收前端看作一个小的信号接收系统。 首先，系统的信号输入端是“天线一，它可以有效地响应各频率的高频射 频信号，接收各种频率的无线电波，并转化为微弱的电流信号；输入信号为 空中的射频信号，除了包含由发射机发出的有用频率信号，还包含其它广播 信号和噪声信号，它们需要与固定频率的振荡信号混合变频，在滤波器的作 用下有针对性地筛选；而后，通过电路的混频和滤波功能将高频信号下变频 到1 2 k h z 中频信号( 考虑到信号很微弱，还要进行功率放大处理) ；系统的 输出信号最终要通过p c 机声卡的l i n ei n 端口送入p c 机处理，可以用耳机 插口作为系统的输出部件：而输出的信号则是下变频为中频信号的d r m 信 号，通过音频延长线送入p c 机后由软件程序做进一步处理。 需要说明的是，在整个硬件模拟接收前端的信号接收过程中，所处理和 得到的都是模拟信号，整个硬件电路包括可能应用到的器件需要稳压直流电 源的支持，因而稳压电源电路也是不可或缺的。 根据上述分析，可以将要实现的硬件模拟接收前端根据功能进行大致划 分，功能模块框图如图2 3 所示。 图2 3d r a m 硬件模拟接收前端功能框图 2 2 2 电路设计与实现 d r i 中 频 信 号 硬件模拟接收前端的最终目的是为d r m 软件接收机提供载有d r m 信号 的1 2 k h z 中频模拟输入信号。理论上，设计的接收前端所接收的信号频率应 当与d r m 发射机发出的空中射频信号频率是_ 广致的；更进一步，它可以通 l o 哈尔滨工程大学硕士学位论文 过调谐改变振荡频率以接收不同d r m 发射机发送的不同频率d r m 信号。但 在某一时刻，它只能接收到唯一频率的发射信号。在电路设计时，可以采用 固定频率的晶振作为硬件接收电路的振荡源并接收某一固定频率的信号，以 简化设计。硬件接收电路设计成功后，也可以换用可变频振荡源或其它改变 振荡源振荡频率的方法，使硬件接收电路能够接收不同频率的信号。 根据上述分析，模拟前端电路可以由以上几部分组合而成： ( 1 ) 接收天线可以用普通收音机的接收杆或多股导线替代； ( 2 ) 理论上，接收机的接收频率范围是可调的。但为了设计和调试的方 便，可以用固定频率的晶体振荡器元件提供时钟源信号。根据设计要求和实 际购买的器件，振荡源选择1 4 7 4 5 6 m h z 的晶振q ，使用芯片7 4 h c 0 4 的非 门电路稳定电压和延迟，按图2 4 中的电路搭建振荡电路。 图2 4 振荡电路设计 ( 3 ) 芯片7 4 h c 0 4 的锁存电路作用于信号频率，可以达到分频的效果， 从而得到晶振频率的1 2 ，如图2 5 。 f 图2 5 二分频电路图 上舳zi上咖 l 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ( 4 ) 可以采用滤波器组作为天线接收信号的波段选择。由于从天线接收 到的各信号电平高低不等，且a g c 电路的起始控制点为强信号电平，若不 做波段选择的话，弱信号将被强信号所压制，导致接收机灵敏度下降。 ( 5 ) 选择芯片7 4 h c 4 0 6 6 构建混频电路，o p 2 7 芯片则用于功率放大电路 部分，工作原理如图2 6 。 图2 6 混频、滤波和功放电路设计 7 4 h c 4 0 6 6 芯片含有4 个独立的模拟开关，每个开关由2 个输入输出针 脚( n v 和n z ) 和1 个高电平有效使能输入针脚( n e ) 。当a e = l o w 时，模拟开 关闭合，它具有一个有限的电阻( 一般为5 0 0 ) ，该数值可能会受到其工作频 率的影响。在t q 系统中，该电阻能够使v q 分支之间保持较好的振幅平衡。 分支之间的振幅不平衡将导致非常差的或者是不可预测的有害抑制带。因此， 电路中需要有非常类似的音频a f 支流，该支流在整个调制或者解调音频带 的过程中能与r c 组件很好地匹配。 o p 2 7 可以为低水平信号在低噪声、高精确等方面提供卓越的性能，应用 广泛，包括稳定的综合，精确的加法放大，精确的电压开端检测，比较仪和 专业音频电路，如录音头和话筒前置放大器等。 ( 6 ) 稳压电路选择1 2 v 1 0 0 m a 的稳压直流电源给整个模拟电路提供工作 电压，除了给o p 2 7 提供功放电压外，还通过电压转换器( 可采用器件7 8 0 5 ) 给各芯片提供5 v 的工作电压。 ( 7 ) 器件p g 2 0 3 j ( 一种耳机插孔器件) 用于提供连接p c 机声卡的接口， 1 2 哈尔滨工程大学硕十学位论文 可以将硬件接收前端输出的模拟信号送入声卡。实际工作时，将该器件通过 一根音频延长线与p c 机声卡的l i n e i n 口相连。 根据模拟前端硬件电路原理图，用p r o t e l 作出整个设计电路，见附录。 然后根据电子器件尺、j 做好元件库，完成p c b 板的电路布局，如图2 7 。 图2 , 7 模拟前端p c b 板元器件布局图 将各元器件焊接到p c b 电路板，实际实现的电路板如图2 8 。 图28p c b 电路板实物照片 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i i _i i 2 3 功能测试 p c b 板焊接完成后，进入下一步的调试阶段。如图2 7 ，k 4 通过直流转 换器与2 2 0 v 电源相连，提供1 2 v 直流电压作为工作电压；经过i c 4 ( 稳压 管7 8 0 5 ) 的转换提供5 v 直流电压，供各芯片作为工作电压；q 1 ( 晶振) 为 本地振荡源；k 1 为天线座，作为线路输入口：硒为耳机插口，作为该电路 的输出口。硬件模拟接收前端电路板的实际测试结果如下： ( 1 ) 接收信号的频率范围为3 0 k h z 7 0 m h z 。晶振q 的频率为 1 4 7 4 5 6 m h z ，可以得到7 3 7 2 8 m h z 和3 6 8 6 4 m h z 的接收频率。 ( 2 ) 测量的最大i i p 3 在3 8 d b 条件下只有3 d b 的a f 增益，但这样却降低 了接收的灵敏性。 ( 3 ) 每3 5u v 的灵敏变化都会带来1 0 d b 的信噪比，测试的最大信噪比 为8 0 d b 。这一灵敏度足够满足频率在2 0 m h z 附近的信号适应天线系统的接 收，更高频率的信号会增加a f 增益，或在接收电路前端放置一些射频信号 前置放大器，以降低接收信号噪音系数。 测试的结果表明，接收前端能够接收规定频率范围内的信号，但具体的 接收效果如何，还需要配合软件部分，形成d r m 接收系统后进一步测试。 2 4 本章小结 本章首先参考分析了普通收音机的工作原理，对模拟收音机接收的主要 功能进行简单的分析，然后设计实现了硬件模拟接收前端电路。根据电路原 理图和相关电子元器件，利用p r o t e l 软件布局定制了p c b 板，焊接完成后， 对该硬件模拟电路进行初步的功能测试。 1 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第3 章信道解调 d r m 接收机硬件模拟前端得到的中频模拟信号作为d r m 软件接收机的 输入，经过若干信号处理环节，最终还原为信源信号。从本章起，将逐步分 析并设计实现d r m 软件接收机的功能模块。 3 1 信道调制分析 d r m 发射系统的信道调制，主要是将三大业务信道数据信息连同添加的 导频信息混合后映射到一起，采用c o f d m 技术处理生成o f d m 信号，送入下 一操作环节，经过发射端将信号上变频后发射出去。 在接收端，接收到载有d r m 信号的射频信号后，经过下变频处理，送入 声卡的信号仍是模拟信号，需要通过声卡的a d 处理变为数字信号，而后送 入d r m 软件接收机部分，进行信道解调处理，目标是检测接收到信号的正确 性( 即是否收到d l 蝴信息) ，在此基础上进行信号同步处理，同时确定d r m 信号数据帧的起止标识，将d r m 信号还原为o f d m 单元映射前的状态，方便 后续信号处理。 3 2 声卡采样 d r m 接收系统采用声卡作为信号数据的输入输出设备，利用声卡内置的 d a 转换器将o f d m 中频已调制信号发射出去，同时通过a d 转换器对接收到 的o f d m 中频信号进行模数转换，而后将得到的数据信号送入计算机进行后 续处理，即利用p c 机上的声卡实现数据流的结构来实时发射和接收o f d m 数 据。大体流程参见图3 1 。这样不仅可以充分利用p c 机资源，开发、升级也比 较方便，且成本较低。 信源 信宿 串并 并串 信道 编码 信道 解码 中频 上变换 中频 下变换 图3 1 声卡处理框图 1 5 声卡i d a 卜 - j 信道 矾 a i ) i 哈尔滨工程大学硕士学位论文 taii i m , i 昌,- mt - _ i i i i i i i i i i i i i i 葺i i i i i i i i 信号数据从声卡处输入，在软件接收机的控制下，调用声卡的d 模块 对输入信号进行采样，将从模拟前端送入的1 2 k h z 的模拟信号转换成数字信 号( 采样频率为4 8 k h z ) 。由于计算机声卡的a d 采样频率不够精确，所以在 后面的操作中还要进行采样同步，对模数转换频率偏移进行校正。 d r m 接收系统在实际应用时，声卡采样环节是必不可少的。但是为了能 够方便地测试软件接收机的功能效果，也可以用d r m 信号文件代替实际的 输入信号，通过命令行参数选择编程方式实现声卡输入或文件输入的选择。 3 3 同步捕获 3 3 1 同步原理 在通信系统中，发同步器、收同步器分别为发射机、接收机提供各种同 步信号。使收、发信机步调一致地工作，从而确保信息正确地传输。同步是 通信系统，尤其是数字通信系统中的关键技术。 当采用同步解调或相干检测时，信号接收端需要提供一个与信号发射源 调制载波同频同相的相干载波。这种相干载波的获取称为载波提取，或称为 载波同步。除了载波同步之外，还有位同步和帧同步，解调时可以根据同步 信息获取各个码元的起止时刻。 同步问题对通信系统具有十分重要的意义。同步系统性能的降低，会直 接导致通信系统性能的降低。当通信在两点间进行时，一旦完成载波同步、 位同步和帧同步，接收端不但会获得相干载波，还会解决通信双方的时标关 系。这样，接收端就能以较低的错误率恢复传输的数字信息。 3 3 2d r m 同步处理 d r m 接收系统的同步处理包括频率同步、时间同步、模式捕获设置、帧 同步、采样频偏等内容，可以利用d r m 信号中的导频信号来实现系统的同步。 信号同步是d r m 接收机研究的重要内容，其同步处理可分为两大阶段：捕获 阶段和跟踪阶段。 捕获阶段( a c q u i s i t i o n ) 主要完成频率同步捕获( 粗同步) 、时间同步捕 获( 粗同步) 、模式捕获和帧同步。这两种同步都是基于循环前缀( c p ) 的相关 性来实现的，可以用较小的代价快速建立初步的同步。 ， 1 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 跟踪阶段( t r a c k i n g ) 则完成频率细同步、时间细同步和采样同步。捕获 阶段已经把频率偏移控制在一个很小的范围，在跟踪阶段只需处理很小的波 动，处理时间相对捕获操作会小很多，并且能够进一步提高同步的精度。 3 4o f d m 解调 在o f d m 符号中，有些符号单元是已知相位和幅度的数据单元，并且已经 被调制过，称为导频信号或导频单元。导频单元最重要的作用就是引导并帮助 接收系统在信号接收阶段顺利实现信号同步和信道估计等处理工作。这些导频 单元在传输数据帧中的位置、信号的幅度、相位都要在发射端经过仔细的甄选， 以达到最理想的接收效果和可靠性保证，尤其是在初始化同步阶段。 3 4 1o f d m 同步解调 3 4 1 1o f d m 工作原理 o f d m ( 正交频分复用) 技术是d r m 系统的关键技术，其工作原理是将 高速串行数据分成n 路低速并行数据，并调制到n 个不同的子载波上，每路子 载波采用不同星座大小的正交幅度调制( q a m ) ，从而大大扩展符号的脉冲 宽度，提高抗多径衰落的性能。在发送端n 个子载波的信号调制需通过 i d f t ( 离散傅立叶逆变换) 完成；接收端的解调处理则通过d f t ( 离散傅立叶变 换) 完成。图3 2 是o f d m 系统调制解调的原理图。 图3 2o f d m 调制解调原理图 1 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 基于o f d m 系统对子载波的频率偏移比较敏感的特性，如果在信号接收 时不能保证子载波间的正交关系，解码时就会引起严重的载波间串扰( i c i ) 和码间串扰( i s i ) 。为了克服这些问题，需要在d r m 系统发射部分的信源编 码过程中加入保护时间、导频信息等冗余数据；d r m 接收机则根据这些数据 信息实现同步操作，保证o f d m 的准确处理。 在发射端，发射数据经过常规q a m 调制，形成速率为r ( 码字秒) 的基带 信号。设基带调制信号的带宽为b ，则传送的o f d m 信号的采样时间必须为 t s = 1 b = i i ( n a f ) 。一个o f d m 信号由频率间隔为f 的n 个子载波进行承 载，所有的子载波在一个间隔长度为缸= l a f 的时间内相互正交。由于传输 信道被分成n 个窄带子信道，所以o f d m 信号的持续时间互就是相同带宽的 单载波传输系统的n 倍。然后可以利用n 个子信号分别调制n 个相互正交的子 载波。 在o f d m 系统中，可以将发射端通过i d f t 产生的第n 个o f d m 符号的第i 个载波的基带传送信号表示为： 毛阼丽1 荟n - i 鼍2 训专( 。，一1 ) ( 3 一1 ) 其中石 七】( 0 k n 1 ) 表示各子信道上的信息符号的复数信号点。 为了抵抗由多径衰落引起的符号间干扰，计算出n 个傅立叶逆变换的值后， 还需要在o f d m 符号之间加上持续时间为磊= l t 。n 的保护间隔，即把一个 v 长度为l 的循环前缀j 3 f l 至l j n 个样值前，从而构成一个长为+ 的完整的循环 拓展o f d m 数据帧，这+ 个采样点经过d a 转换后输出。一般来说，该循 环前缀就是n 个傅立叶逆变换值的最后l 个样值。注意，所加的保护间隔时间 乃要大于典型的信道时延扩展时间，使得所有时延小于乃的多径信号无法延 伸到下一个码元期间，从而有效地消除了码间串扰。o f d m 信号帧的总的持 续时间为兀= 磊+ 兀，这样得到带有循环前缀的o f d m 信号为： ( 勘【一三+ 1 1 ，勘 一1 1 ，赫 o 】，勘 1 】，溉 一1 】) 。 哈尔滨工程大学硕十学位论文 接着用这组信号去调制子载波信号，即与矩形窗函数进行卷积编码，而 后发射到信道上去，调制的信号可表示为： 乏 f 】= 毛 ，】白( f 一万乃) ( 3 - 2 ) 其嘲归月裹嚣k 第1 个子载波褥且子载波信号之 间是两两正交的，即 f o t 啪培托) = 信三 ( 3 3 ) 其中“ 表示共轭复数。 由于采用的子载波为矩形脉冲，而每个子载波的频谱是采样正弦函数， 因此频谱会有一定的交叠。而正是由于子载波的正交性，反而节约了信道带 宽。如果不考虑信道干扰，并假设传输信道是一个时不变信道，利用( 3 3 ) 式 中子载波的正交性来解调子载波信号，得到的第i 个子载波的信号为： 以吲= 丢上五饥f 研( f 一刀马) ( 。f + l - 1 ) ( 3 _ 4 ) 其中露嗍为信道接收的时域信号。 接收信号的同步算法也可以通过d f t 实现，首先对接收信号引f 采样得 到r n i 】，i 表示第i 个采样值，得到的输出序列有n + l 个样点，去掉l 个循 环前缀，得到n 个样点后，再通过d f t 解调出删的调制信号： 五【七】：n - i 元 f p - 2 a t 专( o 七一1 ) ( 3 - 5 ) 1 = 0 3 4 1 2o f d m 子载波间的正交性 由于子载波的正交性，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。在o f d m 系统中，