调频广播设备的实现技术论文.doc

1 56 萌芽杯萌芽杯 参赛论文参赛论文 一种新型调频广播设备的实现技术一种新型调频广播设备的实现技术 阶段性成果论文阶段性成果论文 自控 1001 吴浩冉 宋松齐 张洋 于文龙 2 56 目目 录录 摘摘 要要 1 1 选题背景及方案确定 选题背景及方案确定 2 1 1 选题背景选题背景 2 1 2 方案分析及确定方案分析及确定 3 2 方案的原理介绍方案的原理介绍 5 2 1 总体框架分析总体框架分析 5 2 2 各主要功能模块的基本原理各主要功能模块的基本原理 6 2 2 1 音频信号处理模块音频信号处理模块 6 2 2 2 数字信号处理模块数字信号处理模块 6 2 2 3 射频处理模块射频处理模块 16 2 2 4 控制与显示模块控制与显示模块 21 3 硬件实现 硬件实现 24 3 1 主体硬件实现框架主体硬件实现框架 24 3 2 各关键模块的硬件设计与实现各关键模块的硬件设计与实现 24 3 2 1 模拟音频采集电路的设计模拟音频采集电路的设计 24 3 2 2 数字音频接收电路的设计数字音频接收电路的设计 26 3 2 3 FPGA 相关电路的设计相关电路的设计 27 3 2 4 DDS 芯片外围电路设计芯片外围电路设计 29 3 2 5 射频电路的设计射频电路的设计 30 3 2 6 控制与显示电路的设计 32 4 测试结果与仿真验证 测试结果与仿真验证 35 4 1 试验机的单机测试方法和结果试验机的单机测试方法和结果 35 4 2 组建同步广播网的分析组建同步广播网的分析 39 5 项目的创新点与优势 项目的创新点与优势 41 5 1 使用数字信号处理技术使用数字信号处理技术 41 5 2 使用使用 FPGA 作为开发平台作为开发平台 41 5 3 实现单频同步广播实现单频同步广播 42 6 推广前景与进一步完善 推广前景与进一步完善 44 6 1 推广前景推广前景 44 6 2 进一步完善的设想进一步完善的设想 44 7 致谢 致谢 46 8 参考文献 参考文献 47 9 附录 附录 控制面板设置及操作说明控制面板设置及操作说明 48 1 56 摘摘 要要 本参赛项目以广播业的需求为背景 主要研制了一种新型高性能调频广播 设备的实现技术 项目采用数字调频调制技术替代传统调频广播的模拟调制方 法 系统硬件设备与传统的调频广播设备相比具有较大突破 设备可以实现从 模拟或数字双声道音频输入到 87 108MHz 立体声调频信号输出的全数字处理功 能 系统以直接数字频率合成 DDS 技术实现数字调频调制 实现了高稳定度 的射频输出和载波同步 以最新的低成本 FPGA 芯片实现所有的音频信号处理和 立体声编码 通过数字逻辑来实现调频同步广播控制 具有极高的准确性 能 够方便地实现同步控制 适合在调频同步广播系统中作同步激励器使用 从功 能实现上 设备划分为四个模块 音频信号处理模块 数字信号处理模块 射 频处理模块和控制与显示模块 运用本项目技术实现的数字化调频设备具有灵活性 兼容性 高性能指标 信噪比 失真度 频响等 低成本 研制与调试方便等优势 可以提高现有 广播业的频带利用率 设备完全满足同步广播系统中 三同 的需求 经验证 已经实现的设备各项指标较传统的模拟调频广播设备均有明显提高 关键词 数字调频调制 直接数字频率合成 频带利用率 FPGA 2 56 1 选题背景及方案确定 选题背景及方案确定 1 1 选题背景选题背景 目前各种广播系统普遍采用的调频广播是继调幅广播后的第二代广播设备 调频广播具有失真度小 无串信现象 信噪比好 能进行高保真度广播 效率 高等显著优点 1 2 调频广播的音质和频率稳定度主要取决于调频激励器 目前 国内大部分地区采用的是模拟调频激励器 虽然模拟调频技术经过 60 多年的发 展和完善 所能达到的各项指标不断提高 然而 由于模拟器件的固有缺陷 模拟调频激励器的指标已经接近极限 进一步提高的余地已经很小了 为了追求更高的广播收听质量 西方发达国家开始出现与兴起了数字音频 广播 DAB 技术 该技术是将数字化的音频信号及各种数据业务信号在数字状 态下进行压缩编码调制 传送等处理 提高了信号传输的抗干扰性 较小了非 线性失真度 然而 DAB 的发射与接收设备成本非常昂贵 面临一个巨大资金 的投入问题 另外 DAB 系统的实现还面临着一系列的技术难题 在我国发展 比较缓慢 因此 在未来的几年里我国利用 DAB 系统来完全取代现有的廉价的 调频广播系统是不现实的 那么如何在现有的广播制式下 提高调频广播系统的各项技术指标已成为 近年来广播业亟待解决的关键技术问题 随着数字化技术的飞速发展 各种新 的数字化的处理技术不断出现 在这种情况下 调频广播也要实现全面数字化 才能提高整体性能 为满足当前信息社会的需求 数字化的调频广播系统已经 成为广播行业急需投入实际应用的设备 如 2007 年 黑龙江省大庆市就调频同 步广播网项目进行公开招标 以满足市区广播业的发展需求 招标要求投标系 统应具有承载模拟 数字调频立体声广播业务的能力 并可以据此建立一套完 善的 频带利用率较高的 技术先进 设备可靠 经济适用的广播系统 基于 对数字广播技术的兴趣爱好 并受这则招标公告的启示 我开始深入研究调频 广播的相关技术 认识到传统的调频广播为了扩大调频覆盖范围而必须建设高 塔 大功率发射设备 这种方式不仅会造成能源的浪费 也易造成电磁辐射 另外 频率资源的日趋紧缺 也明显限制了调频广播的发展 这给广播界提出 了一个亟待攻克的新课题 因此 依据标书的要求 本人对一些传统的调频广 播技术进行了改进 设计了一种新型高性能调频广播设备的实现技术 3 56 1 2 方案分析及确定方案分析及确定 要建立一套满足招标要求的广播系统 首先是要建立适合的调频发射机系 统 而调频激励器又是调频发射机系统的核心部件 3 因此 我认为设计一种 新型高性能的调频激励器是实现同步广播系统的关键 调频发射机系统主要完成对输入音频及附加信道信号进行处理 合成基带 信号 并将基带信号调制到 87 108MHz 波段的载波上 经激励器功放放大输 出 从而实现在不同的载波上播放不同的节目 调频激励器 4 是调频发射机的 信息处理核心 它直接决定发射机性能的优劣 在输出功率要求较小的情况下 调频激励器也可直接作为发射机 根据内部信号处理方式的不同 调频激励器 可分为数字式和模拟式两种 模拟调频激励器是采用模拟信号处理及频率调制技术的激励器 系统可分 为硬件和系统软件两部分 系统硬件主要通过模拟电路技术 完成对音频信号 的立体声编码 合成基带信号 再把基带信号送到调制器 实现调频调制 并 放大射频信号等功能 而系统软件则对系统硬件进行简单的监测和控制 如采 用模拟调频调制技术来实现招标需求 由于使用较多模拟器件和分立元件 一 般在信号处理和滤波器的实现上会存在较大的误差 同时通过模拟技术来实现 调频调制 还存在着器件老化和非线性的影响 对激励器的性能提升有了很大 的限制 而数字调频激励器是在模拟调频激励器基础上的一种数字化开发 其主要 功能框架与模拟调频激励器类似 但是主要采用了数字信号处理 5 6 和直接数字 频率合成 7 等技术对音频信号进行数字化处理 数字调频激励器克服了模拟技 术中分立器件误差大 性能受器件老化影响等问题 其合成信号失真小 信噪 比高 各项性能指标有了很大的提高 并适合于构成单频同步广播系统 同时 当前许多广播电台提出了同步广播的要求 这就要求调频发射机系统能够精确 地满足 三同 要求 即频率 相位和调制度的精确相同 使用数字技术来实 现调频广播发射机 可以充分保证左 右声道性能的一致性 提高设备的性能 指标 充分满足同步广播的要求 根据以上多方面的分析和对比 我认为从理论上来说 数字化的调频激励 器可以满足对高性能的要求 同时 实现成本又会比国外的数字激励器有大幅 4 56 的下降 应该可以取代现在普遍使用的模拟激励器并在全国推广 因此 我在 一年多以前就坚定了信心 决定设计一种数字调频激励器的实现技术方案 5 56 2 方案的原理介绍方案的原理介绍 2 1 总体框架分析总体框架分析 基于对通信原理和数字调频等相关知识的学习 我个人认为用一句简单的 话来说 用数字技术来实现语音的调频调制 主要就是实现语音信号的数字化 语音信号的数字化处理 数字调频调制以及数字调频信号的模拟化这几项功能 因此在设计方案中 我将要实现的硬件设备分为四个主要模块 音频信号处理 模块 数字信号处理模块 射频处理模块和控制与显示模块 回顾我的方案设计和设备实现过程 我总结出以上模块中最重要的是数字 信号处理模块和射频处理模块 这两个模块以现场可编程门阵列 8 FPGA 和 直接数字合成技术 DDS 为核心 完成数字化调频立体声信号的合成和调制 之所以称它们是核心 是因为 FPGA 作为一种开发平台 具有丰富的输入输出 接口和灵活的可编程性 用它可以实现对数字基带音频信号进行滤波和预加重 处理 并且通过简单的加法和乘法运算就可以完成立体声信号的合成 而利用 DDS 技术实现调频调制 很重要的是它可以保证输出的调频信号频率分辨率高 相位噪声小 调频线性度好 频偏控制容易 为了能更好的说明设备的模块组 成和各模块之间的互联关系 我勾画了一个系统框图 如图 2 1 所示 在我论 文以下的叙述过程中 也是围绕这个系统框图的各组成部分来展开的 先讲各 模块的基本原理 再描述它们的硬件设计与实现过程 数字信号处理模块音频信号处理模块 模拟音频左 右声道输入 数字音频AES3格式输入 音频ADC采样电路 数字音频解码电路 FPGA信号处理电路 DDS调频信号生成电路 射频处理模块 带通滤波器 控制与显示模块 单片机控制电路人机界面与FPGA通信电路 锁相环 图 2 1 系统原理框图 6 56 另外 在此我简要说明一下音频信号 模拟信号或数字信号 的处理流程 先将输入的左 右声道模拟信号变换成数字信号 对该数字信号进行采样率转 换 如果输入的是数字音频信号 则可以直接进行采样率转换 转换后送入 FPGA 进行相应的数字处理 主要的数字信号处理包括低通滤波 音频预加重 内插处理以及立体声调制 随后 将调制信号输入 DDS 芯片进行频率调制 生 成调频广播的射频信号 进行滤波处理 2 2 各主要功能模块的基本原理各主要功能模块的基本原理 2 2 1 音频信号处理模块音频信号处理模块 系统外部音频输入主要可以分为两类 模拟音频和数字音频 对于模拟音 频 音频信号处理模块主要是完成音频信号的采集 主要由低噪声放大器和音 频模数转化器构成 它的主要性能指标是由音频模数转化器 Audio ADC 的 指标来决定的 就目前的实际使用情况看 大多数的音频 ADC 均采用了过采 样技术和 Sigma Delta 技术 这样做可以使频带内的量化噪声和采样过程中产生 的混迭噪声能量大大降低 在数字信号处理知识中 可以了解到 目前常用的 音频 ADC 指标均能够达到 16 比特以上的精度 信噪比均高于 90dB 这样的性 能指标能够满足我设计的调频激励器对信噪比的要求 在我设计音频信号处理模块过程中 特别考虑了使模块支持数字音频接口 这也可以说成为了整个设备的优势之一 这里 模块对数字音频信号的处理 主要是对数字音频数据流进行拆帧处理 从每一帧数据中提取有用的音频数据 另外 在音频系统中存在多种采样率 例如常用的有 44 1KHz 48 KHz 96kHz 等 的情况下 可以将这些采样率的数字音频转换到系统支持的 一个采样率上 以满足后级逻辑处理的要求 以上两个功能的实现 既可以采 用软件算法实现 也可利用硬件实现 2 2 2 数字信号处理模块数字信号处理模块 数字信号处理模块是整个设计的关键 它的一个重要功能是完成立体声编 码 我的方案是以 FPGA 作为开发平台来进行设计的 根据功能 数字信号处 理模块可以分为几个功能部分 音频输入选择 音频延时 预加重 内插处理 立体声合成和外部通信与控制接口 各功能之间的流程图如下所示 7 56 音音频频延延时时 时时分分 复复用用 预预加加重重滤滤波波内内插插 立立体体声声 合合成成 DDS 单单片片机机控制参数 控制参数 左左右右声声道道模模 拟拟采采样样信信号号 左左右右声声道道数数 字字采采样样信信号号 信信号号类类型型 选选择择器器 控制参数 图 2 2 数字信号处理模块原理框图 上图中虚线方框内为 FPGA 内部信号流程 1 音频输入选择 实现音频信号输入选择的方法有两种 一种是用加法器 另一种是多路选 择器 用加法器来实现就是把三种输入的音频数据进行相加 并进行相应的截 取 再送入后级处理 用这种方法来处理会损失一定的量化精度 用多路选择 器来实现 就是每次选择一种输入的音频数据送入后级进行处理 而对其它两 种输入的音频数据不做处理 用这种方法来处理 就不会损失量化精度 因此 本设计据此采用了第二种方法 在我的设计方案中 考虑并且支持了三种输入音源 模拟音频输入 数字 音频输入和测试音输入 前面两种已经在上面说明过了 测试音是主要用来进 行设备内部检测和自我校验 这样可以在不需要外部音源输入的情况下进行调 试 2 音频延时 精确的音频延时是实现同步广播的关键 使用数字技术来实现延时 要比 使用模拟技术来实现容易得多 也精确得多 在这里 音频延时范围可以从 0 999 s 步进为 1 s 由于 FPGA 的内部存储空间较为有限 需要借助外部的存 储器来共同实现音频信号的延迟 因此 在我的设计方案中 将音频延时用两 个模块分步骤来实现 主延时模块利用外部存储芯片来实现最小步进为 20 s 的 延时 即延时量为 0 20 40 60 s 副延时模块在 FPGA 内部存储器来实现最小 步进为 1 s 延时 且延时范围从 0 s 至 19 s 流程示意图如下所示 8 56 主主延延时时模模块块 延延时时20 k1 s 左声道信号及 ready信号 右声道信号及 ready信号 副副延延时时模模块块 延延时时k2 s 延时后左声道信号及 ready信号 延时后右声道信号及 ready信号 SDRAM 主延时参数副延时参数 图 2 3 音频延时处理流程图 如果设 0 999 s 范围内任意延时时间为 T 两个模块的延时步进参数为 k1 k2 总能将 T 表示为 T 20 k1 k2 其中 0 k1 49 0 k2 19 故只要 适当调节两个模块的主延时和副延时的步进参数就可以实现所需的精确延时时 间 3 预加重 在语言和音乐这类声频中 频率高的一端频谱分量的振幅很小 越到声频 的高频端 输出噪声越大 从而造成传输系统的信噪比降低 如图 2 4 所示 这样 接收机输出端所得到的信噪比 在高频部分会恶化 若在接收机输出端 接入衰减高频成分的滤波器 则可减少噪声 改善信噪比 但这将使调制信号 中的高频成分同样被衰减 以致不能得到调制信号的保真复原 为了克服这个 缺点 在我的设计中采用了预加重的方法 即人为地将调制信号高频端的电压 升高 高音频加重的结果 加大了相应的频偏 提高了高频端的调频指数 再 在接收机端将高频衰减 这样 发射 接收综合起来 信号的频率特性可保持 原貌 而噪声却显著减少了 对于所有调制频率来说 接收机输出端的信噪比 可保持一样 图 2 4 典型语音能量分布图 预加重特性公式如 2 1 所示 30 20 10 0 10 20 电平 dB 30501002005001k2k5k10k 15k 频率 Hz 9 56 预加重电平 dB 2 1 22 10log 1 39 45 F 式中 F 是音频频率 单位是 Hz 为预加重时间常数 单位为秒 s 预加重时间常数用来衡量预加重的程度 即高音频端相对于低音频端的提高程 度 虽然一般的节目在高音频端能量分布较少 仿佛预加重时间常数越大 信 噪比改善越好 但预加重时间常数过大时 高频成分所产生的频偏变得过大 边带分布也会过宽 现有理论中 一般预加重的时间常数为 或25 s 50 s 75 s 这里需设计三种类型预加重滤波器 时间常数分别为 和 25 s 50 s 75 s 预加重特性曲线如图 2 5 所示 图 2 5 预加重特性曲线 由预加重特性曲线可以得到各个频率的预加重量 可以用任意幅度滤波器 对其进行逼近 在这里使用 Matlab 中的 fdatool 滤波器设计工具来进行设计 9 基本界面如下图所示 10 56 图 2 6 仿真界面 下图给出了根据量化后的滤波器系数得到的预加重滤波器频率响应特性曲 线 05101520 0 2 4 6 8 10 12 Frequency kHz Magnitude dB Magnitude dB and Phase Responses 25 s 100 5491 83 6192 66 6893 49 7594 32 8295 15 8996 1 0303 Phase radians 11 56 0510152025 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Frequency kHz Magnitude dB Magnitude dB and Phase Responses 50 s 120 106 6667 93 3333 80 66 6667 53 3333 40 26 6667 13 3333 0 Phase radians 0510152025 0 5 10 15 20 25 Frequency kHz Magnitude dB Magnitude dB and Phase Responses 75 s 120 96 72 48 24 0 Phase radians 图 2 7 滤波器频率响应特性曲线 在 FPGA 中实现时 调用 MAC FIR 的 IP 核 根据该 IP 核说明文件将前面 所得三个 coe 文件整合到一起 作为 IP 核系数文件 这样只需要一个滤波器结 构 通过更换滤波器的抽头系数 实现三种预加重曲线 4 内插滤波器 为了使左右信号的抽样频率与导频和副载频的抽样率相统一 要对左右信 号进行内插 提高调制后基带信号的采样频率 从而使得 DDS 输出的波形杂散 降低 上抽样就是在表示信号的每个单位时间内增加样本点数的过程 信号的 频谱内容不会改变 所改变的是原始频谱图像之间的频率间隔 进行上抽样时 没有对信号增加新的信息 在这里 我选用了实际设计中比较常用的补零内插 法 12 56 补零内插法是在信号样本间隔之间插入零点 从而生成新的信号 然后 对新信号进行低通滤波 得到原始信号经过上抽样之后的信号 上抽样方法如 图 2 8 所示 假设原始信号是 x n 目的就是以因子 I 对它进行上抽样 在 x n 的每对相邻样本之间插入 I 1 个零点 得到 可以定义如下 m 图 2 8 内插器的直接实现 由于与单级内插实现相比 多级内插滤波的计算效率更高 并且减小了对 滤波器性能的要求 因此 此处的 32 倍内插采用两级来实现 第一级改变 8 倍 第二级改变 4 倍 内插滤波器的设计方法与预加重滤波器设计方法类似 首先 需要选择 FIR 滤波器的响应类型 选为低通滤波器 其次 选择滤波器的设计方法为等 波纹 再设置数字滤波器的阶数为最低阶 最后 将生成的滤波器参数进行量 化 并保存为相应的 coe 文件 两级内插滤波器频率响应特性曲线如下图所示 0100200300400500600700 80 60 40 20 0 Frequency kHz Magnitude dB Magnitude Response dB 补零 I 5 x n 插入 I 1 个零点 m hI m FIR 低通滤波器 y m 13 56 0100200300400500600700 25 20 15 10 5 0 Frequency kHz Phase radians Phase Response 图 2 9 内插滤波器的频率响应特性 同样 在 FPGA 实现时调用了 MAC FIR 的 IP 核 只是类型使用内插滤波 器 5 立体声编码器 立体声编码器也叫立体声调制器 它的作用是把左 L 右 R 两个声 道输入的模拟音频信号经过放大后 变换成主信道信号 M 和副信道信号 S 其中副信道信号是用左 右声道信号的差 对副载波 38kHz 正LR 弦波 进行抑制载波双边带调幅后形成 同时 立体声编码器还产生导频信号 并把上面这三种信号合并在一起 构成基带立体声复合信号 数学表示式为 2 2 stereo UMSP 2 3 MLR 2 4 cos s SLRt 2 5 cos 2 s Ppt 式中 为立体声复合信号的电压 M 为主信道信号的电压 S 为副信 stereo U 道信号的电压 P 为导频信号的电压 为副载频角频率 p 为导频信号电压 s 的振幅值 其中 导频信号的频率为 19kHz 副载频的频率为 38kHz 通常 与 M 信号对应的信道称为主信道 频率范围在 30Hz 15kHz 与 S 信号对应的 信道称为副信道 频率范围在 23kHz 53kHz 立体声复合信号的频谱可参见图 14 56 2 10 10 20 70 对主载波的频率偏移 M L R 150192338 频率 kHz 53 30 40 50 60 kHz S L R 主信道 67kHz 90 副信道 67kHz 90 导频信号 7 5 kHz 10 图 2 10 导频制立体声基带信号频谱图 在数字调频激励器中 用全数字方式来实现立体声编码 实现起来非常简 单 而且能够很好地控制导频与副载波的幅度和相位关系 实现较高的立体声 分离度 利用数字信号处理算法产生数字立体声复合信号 在产生了导频信号和副 载波信号的基础上 仅需要通过简单的加法和乘法运算就可以合成立体声信号 在设计中选用的 FPGA 具有较高的工作频率和并行处理数据的特点 很适合处 理立体声信号合成算法 将和 M 差 S 信号与相对应的系数相乘 可以 精确地调整两个通道的增益误差 另外 在 FPGA 的设计中可以很容易地通过 D 触发器来实现同步延迟 这样就可以精确的控制复合信号中各个分量间的相 位关系 保证了基带信号的相位同步 具体实现框图如图 2 11 所示 其中 19kHz 导频信号和 38kHz 副载波信号产生采用直接数字频率合成技术 详见 2 2 3 节 实现方式简单 频率准确 稳定度高 幅度和相位控制方便 而且与系 统处理时钟同步 左声道信号 右声道信号 38kHz 副载波信号 19kHz 导频信号 0 9 0 1 图 2 11 数字立体声编码器实现框图 数字立体声编码器解决了传统立体声编码器使用模拟网络时所带来的两条 支路不一致的问题 使得立体声编码器的性能仅取决于算法和运算精度 只要 运算的位数够高 就能保证信号的失真度能满足指标要求 而且立体声隔离度 15 56 能达到理想的水平 另外 使用数字方法实现立体声编码 大大减小了硬件调 试难度 从而缩短了调频激励器的开发周期 输出的信号为正弦信号时 相位 幅度变换器可以用一个正弦函数查找表来 实现的 从相关文献的理论分析中可以得知 通过加大相位 幅度变换器的存储 深度 并提高正弦波幅度值的量化位数 可以提高 DDS 输出信号的杂散性能 然而 增大存储空间又受到 FPGA 资源大小的限制 因此 在设计中采取了对 性能和资源的折中处理 正弦函数查找表的深度为 1024 个样值 而相位累计器 选用了 32 位 所以需要截取相位累加器输出 32bits 的瞬时相位高 10bits 的值作 为正弦函数查找表的寻址地址 通过构建两个完全相同的正弦函数查找表 精 确地设置频率控制字的值和寻址 ROM 空间的时序 就可以保证产生的 38kHz 副载波信号的频率恰好是 19kHz 导频信号的两倍 这样就确保两者具有相同的 初始相位和信号幅度 大大提高立体声的隔离度 在设计方案中 系统的工作时钟为 12 8MHz 当频率控制字取 6 375 342 和 12 750 684 时 输出的正弦信号频率分别为 2 6 6 1 32 6 375 342 12 8 10 18 999 9998 2 fHz 2 7 6 2 32 12 750 684 12 8 10 37 999 9995 2 fHz 其中 的频率与 19kHz 只相差 0 0002Hz 而的频率与 38kHz 也只相 1 f 2 f 差 0 0005Hz 并且频率恰好是的两倍 故可以通过导频信号 在接收 2 f 1 f 1 f 机中得到与完全相同的副载波信号 2 f 6 外部通信与控制接口 FPGA 主要完成对外围电路的控制和与单片机之间的通信 外围电路主要 包括音频 存储器 DDS 芯片和锁相环芯片等 音频 ADC 芯片和数字音频芯片 以及锁相环芯片一般均是通过 SPI 标准的 接口进行命令控制的 通过时钟 片选信号和数据信号 以串行传输的方式来 完成对数据的传输 另外 就音频 ADC 芯片和数字音频芯片来说 还有音频 数据传输的信号通路 使用了目前较为常用标准 主要由主时钟 比特时SI 2 16 56 钟 左右声道同步信号和数据信号构成 也是通过串行传输 DDS 芯片的控制和存储器的数据写入与读取是通过寻址的方式来实现的 这里主要包括地址信号 数据信号 片选信号 读写控制信号等 是一种并行 传输数据的方式 一次能够传输多个比特的信号 与单片机的通信过程中 由于受到单片机有限的输入输出口和较低的工作 频率的限制 设计中采用了一种特殊的传输方式 在 FPGA 传输或接收数据时 首先需要根据方向控制信号来判断是向单片机传输数据还是接收数据 其次 需要根据索引信号来判断目前传输的地址信号 以确定需要修改的地址空间 最后 将 24 比特的数据按从高比特位到低比特位的顺序 分三次进行传输 在 接收端进行重新组合 写入对应的地址空间 最后 这里列出了整个工程文件的树形结构图 基本反映了 FPGA 设计的 组织结构 17 56 top vhd clk gen vhd clocks xaw audio gen vhd top ucf source sin xcosource sin coe analog audio vhd digital audio vhd audio mux vhd audio delay vhd delay master vhd delay slave vhd filtering vhd mutiplexing vhd fir cascade vhd emphasis xco interpolator xco up 24bit coe inter 28b coe demutiplexing vhd dpram xco modulation vhd amp adjust vhd pilot vhd ddstab xco stereo modul vhd multi0 xco multi xco mux comp vhd dds vhd dds ctr vhd pll control vhd mcu vhd ddstab coe ISE工工程程 图 2 12 FPGA 设计的树形结构图 2 2 3 射频处理模块射频处理模块 射频处理模块最主要的功能是完成了调频信号的合成 要在数字域中完成 调频调制 最容易实现的方法是采用直接数字频率合成技术 DDS 它在相对 带宽 频率转换时间 高分辨力 相位连续性 正交输出以及集成化等一系列 性能指标方面远远超过了传统频率合成技术所能达到的水平 DDS 的工作原理 简单地说就是通过高速的 DAC 将存储器中的数字波形转换为模拟信号 所以 这种技术需要工作在一个较高的工作频率上 由于晶体振荡器工作频率不高 一般在 100MHz 以下 所以在射频处理模块中还需要包含锁相环电路 来满足 这一需求 另外 由于 DDS 电路生成的信号输出功率较小 以及在调频广播频 18 56 带范围外还存在一些杂波 所以还需要通过滤波电路和射频放大电路对 DDS 输 出的信号进行处理 以满足广播发射的要求 下面是对主要模块的工作原理的 分析 1 调频调制模块的工作原理 所谓调频就是使载波的瞬时频率随调制信号的大小而变化 而其幅度保持 不变 使用频率调制 使得调制信号的频谱结构要比幅度调制情况更为复杂 占用的频带相对宽得多 但其抗噪声性能明显优于幅度调制系统 在调频立体 声广播中 调频信号可以通过数学公式表示为 2 8 cos t FMccfstereo StAtkUd 其中 为载波幅度 为载波角频率 为频率偏移常数 为 c A c f k stereo Ut 立体声基带信号 下面对调频波的频谱结构进行分析 为了分析方便 需要对 基带信号进行简化 假设为一个单音信号 可表示为 stereo Ut 则调频信号可表示为 cos stereom UtUt 2 9 cossin cossin fm FMcc ccf kU StAtt Atmt 其中 为调频波的最大相位偏移 又称调频指数 调频波 fm f kU m 的有效带宽定义为 2 10 21 ff Bm 我国的调频广播标准规定 为了提供高质量的话音和音乐节目 规定最大 频偏为 75kHz 最高调制频率为 15kHz 各个电台之间的最小频道间隔为 200kHz 直接数字频率合成 DDS 技术就是把一系列数字形式的信号通过数 模转 换器转换成模拟量形式的信号合成技术 它有两种基本的合成方式 一种是根 据正弦函数关系式 按照一定的时间间隔 利用计算机进行数字递推关系计算 求解瞬时正弦函数值并实时地送入数 模转换器 从而合成所需要频率的正弦波 信号 这种合成方式具有电路简单 成本低的特点 而且合成信号的频率分辨 19 56 率很高 但由于受计算机运算速度的限制 合成信号频率较低 一般在几 kHz 以下 现在较少使用 另一种是利用硬件电路取代计算机的软件运算过程 即 利用高速存储器作查询表 通过高速数 模转换器产生已经用数字形式存入的正 弦波 合成信号频率可以很高 这是目前使用最广泛的数字频率合成方式 依据 DDS 的原理 信号频率可通过下式得到 2 11 c N c c o f K f M K T K f 22 在这里 K 即为 DDS 的频率控制字 一般用 N 比特的二进制数来表示 整个周期的相位分成等份 为 DDS 时钟频率 根据采样定理的要求 2 N 2 c f K 的最大值应小于 M M 的二分之一 由此得知 信号频率由时钟频率 N 2 频率分辨率位数 N 和频率控制字 K 共同决定 信号的瞬时相位为 c f 2 12 2 mod20 1 2 2N nK nn 因此 产生线性相位的过程可用一个相位累加器来实现 数字相位图如图 2 13 所示 图 2 13 数字相位图 相位累加器在工程实践上一般采用数字全加器和数字寄存器的组合来完成 上述的相位累加的过程 为了便于数字化处理 相位的量化是必须的 一般采 用 N bits 数字全加器和 N bits 数字寄存器构成的相位序列的物理实现结构 n 相位累加器由 N 位加法器与 N 位累加寄存器级联构成 每来一个时钟脉冲 加 法器将频率控制数据 K 与累加寄存器输出的累加相位数据相加 把相加后的结 果送至累加寄存器的数据输入端 累加寄存器将加法器在上一个时钟作用后所 20 56 产生的新相位数据反馈到加法器的输入端 以使加法器在下一个时钟的作用下 继续与频率控制数据相加 这样 相位累加器在参考时钟的作用下 进行线性 相位累加 当相位累加器累加达满幅值时 就会产生一次溢出 完成一个周期 性的动作 这个周期就是 DDS 合成信号的一个频率周期 即累加器的溢出频率 就是 DDS 输出的信号频率 当相位累加器的宽度为 16 比特 若时钟频率为 100MHz 则最小分辨率 即频率步进 为 625Hz15258 7890210 168 这时输出频率与实际计算频率必然存在误差 增加累加器的位数使其误差 小到可以忽略的程度 如果时钟频率为 100MHz 累加器为 32 比特时 最小频 率分辨率为 832 1020 023283064365386962890625Hz 相位累加器输出的信息是信号的瞬时相位值 需要经过相位 幅度转化器 将相位信息转换成相对应的幅度信息 用查找表的方法来实现 是将一个圆周 周期的正弦函数的幅度值存储在 ROM 中 根据相位累加器输出的相位值来对 其查表 ROM 在将相位信息转换为幅度信息时 执行如下转换 2 13 sinnn DDS 是将相位累计器输出的 N 比特数据作为 ROM 的寻址地址 但是一般 ROM 的容量有限 其容量空间远小于相位累加器输出数据所能寻址的空间 例 如 一个 ROM 能够存储个 S 比特的数据 如果正弦信号的幅度也用 S 比特2L 来量化 则表示 ROM 中只能够存储个正弦波样点 在一般情况下 2LNL 所以 在实际应用中 只能使用相位累加器输出的 N 位数据中的高 L 位来驱动 ROM 由于正弦函数是非线性函数 在将累加器输出的相位值转换为 ROM 表 的正弦函数的幅度值时 因为相位累加器的输出相位信息被截断 产生的量化 误差的大小直接影响杂散信号的性能 一般地来说 当相位累加器的输出数据 宽度 N 一定时 L 越大 即波形表存储深度越深 由数字相位数据截断引起的 输出信号的杂散越小 在方案中 利用了 DDS 技术来实现频率调制器 由这种方法构成完整的调 频波形 具有较高的精度和稳定性 在数字调制器内 由数控振荡器提供 32bit 21 56 数字信号形成载波信号 在数字域内的调制是一个理想的线性系统 对于同步 广播来说 载波相位可调整 直接数字频率合成方式只需改变相位累加器的初 始值就能实现相位变化 充分保证相位的精度 的瞬时角频率 可以通过对信号的相位求导得到 即 FM St 2 14 t cf cf dtkmd k m t dt 从上式可以看到 信号是通过改变调频信号的瞬时角频率 来实现调 m t 频调制的功能 分析式 2 14 和式 2 11 可以得到 使用 DDS 技术来改变 瞬时角频率 只需要改变式 2 11 中的 K 值 就可以改变输出信号的频率 在频率字寄存器前再加入一个频率字累加器 将载波信号频率控制字与立体声 数字信号的瞬时幅度值按一定比例相加 同时在相位 幅度变换器之后加入高速 DAC 和低通滤波器 就可以产生所要求频偏的模拟调频信号 实现框图如图 2 14 fclk K LN N 频率字 寄存器 相位 寄存器 相位 幅度 变换器 相位累计器 S 频率字 累加器 Fc n Fm n 高速 DAC 低通 滤波器 图 2 14 DDS 实现频率调制的基本结构图 2 锁相环模块的原理 锁相环 PLL 频率合成技术是利用锁相环路的窄带跟踪特性来得到不同 的频率 它是锁相环技术及数字电路发展和应用的结果 锁相环是一个相位误 差控制系统 它比较参考信号和压控振荡器经分频器后的信号之间的相位差 用产生的误差控制电压来调整压控振荡器的频率 以达到与参考信号倍频的关 系 锁相式频率合成器一般由鉴相器 环路滤波器 压控振荡器和分频器四个 部件组成 如图 2 15 所示 22 56 fofr 鉴相器低通滤波器压控振荡器 1 N分频器 图 2 15 锁相环路的基本框图 锁相式频率合成技术由于采用环路低通滤波器而具有很好的窄带跟踪特性 可以很好地选择所需频率的信号 降低杂散电平 由于避免使用了大量的滤波 器 它具备结构简单 体积小巧 调试方便 重量轻 成本低 易集成 易生 产等特点 因此应用前景广阔 DDS 芯片的最高工作时钟为 1GHz 为了能够得到较好的时域波形 减小 杂散分量的大小 改变杂散信号的分布 设计中将 DDS 的工作时钟定为 1GHz 此时从频谱上看 能量较大的镜像分量离调频信号载波较远 可以通过 滤波器进行抑制 降低了滤波器设计的难度 但是 在应用到同步广播时 时 钟基准采用的 GPS 时钟 频率为 10MHz 所以需要通过锁相式频率合成技术 产生频率为 1GHz 的正弦信号 作为 DDS 芯片的工作时钟 从而实现频率同步 由于这里只需要输出单一频率的信号 所以可以选用整数分频锁相环来构建一 个低相躁的频率源 3 射频信号的处理 由于 DDS 输出信号的频谱中含有较多的杂散分量 如果不对它进行处理 就会干扰其它频段的正常通信 所以 需要在激励器的输出端加一个带通滤波 器 保留 87 108MHz 带内的信号 滤除带外干扰信号 设计中还需要用到的低噪声射频放大器 这需要根据信号通路的功率预算 选择合适的放大器 由于 DDS 输出的信号功率不大 所以可以选用 3dB 压缩 点较小的放大器 但是 这种射频放大器 一般是固定增益的 因此 这需要 根据实际情况设计或 T 电阻衰减网络 来控制输出信号的功率衰减量 从而 实现最佳性能 2 2 4 控制与显示模块控制与显示模块 整个系统通过按键和液晶显示模块来实现人机交互 液晶显示模块完成操 作界面的显示 可以通过按键修改系统工作参数 系统将已设置的工作参数保 23 56 存起来 并保证掉电不丢失 同时 控制模块还将已设置的工作参数传递给数 字信号处理模块 使其按照设置的参数进行工作 控制与显示模块主要包含单片机电路 面板按键电路 液晶显示电路和串 行通信电路 这一部分的工作原理较为简单 可以通过如下的描述进行阐明 单片机首先需要控制液晶显示电路 将界面呈现给使用者 然后 使用者通过 面板按键电路 修改参数 以中断方式告知单片机 单片机响应中断 修改参 数 并将修改后的信息传输给 FPGA 同时修改液晶显示的参数值 控制板的软件编写和仿真均是在基于 Keil C 的 Silicon Laboratories IDE 环境 下实现的 通过 JTAG 接口可以很方便地将程序下载到 C8051F020 的 Flash 存 储器中 并且可以进行在线调试 软件设计采用模块化程序结构 主要程序模 块包括 C8051F020 初始化 液晶显示 按键中断子程序 工作参数存储程序 数据通信模块和液晶保护程序 控制板的工作流程如下 系统通电后 C8051F020 进行初始化 完成各寄 存器的配置 读取保存在 Flash 存储器 128B 临时存储区中的数据 对工作参数 进行初始设置 将设置好的工作参数发送给信号处理部分 实现数字调频激励 器的初始化 液晶显示模块显示初始界面及液晶保护中断设置 按键控制和液 晶保护通过中断方式来实现 软件流程如图 2 16 所示 开始 初始化 读存储器工作参数 传送工作参数 关中断 图 2 16 软件流程图 液晶显示初始界面 允许外部中断 0 允许 T2 中断 开中断 24 56 当开机上电后 等待一段时间以后 液晶显示模块转入初始化界面 初始 化完成之后 界面转入设置菜单 设置菜单结构如图 2 17 所示 射频设置 音频设置 调制设置 同步设置 系统维护 恢复默认值 中心频率设置 输出功率设置比比比 射频开关控制 设置功率 输出功率 控制电压 音量设置 音频输入 音频声道 静音设置 左声道 右声道 内部 模拟 数字 单声道 立体声 调制度设置 导频频偏设置 预加重设置 音频时延 导频时延 同步模式 频标选择 内部 10MHz 外部 10MHz 日期时间设置 参数存储 数字音频 模拟音频 本振锁相环 核心板 保存工作参数 调用工作参数 状态检测 25 56 图 2 17 显示菜单结构图 26 56 3 硬件实现 硬件实现 3 1 主体硬件实现框架主体硬件实现框架 项目的硬件平台主要包括 信号处理板 控制与显示板和电源模块 信号 处理板包括 数字和模拟立体声信号的调理和采样电路 FPGA 的处理及外围 辅助电路 DDS 及其时钟的锁相环电路 以及射频滤波 放大电路 控制与显 示板包括 单片机及其外部电路 以及面板按键电路和液晶显示模块 电源模 块主要是实现将 220V 的交流电转换为 5V 12V 和 12V 的直流电压 为整个 设备中各个模块提供电压 以下是整个硬件系统的框图 图 3 1 图 3 1 数字调频激励器的系统框图 3 2 各关键模块的硬件设计与实现各关键模块的硬件设计与实现 3 2 1 模拟音频采集电路的设计模拟音频采集电路的设计 这部分电路对左 右声道输入的模拟音频信号完成信号调理和低通采样 信号调理部分完成信号的限幅和放大功能 将小信号放大 从而提高小信号时 ADC 的采样有效位数 同时 当输入信号幅度较大时 可以防止由于信号过大 而损坏后级电路 这里用了低噪声运算放大器 NE5532 和 OPA1632 在音频领 域应用主要关注的性能指标有增益带宽积 等效输入噪声电压等 在音频采样部分 采用了 24bit 音频 ADC 芯片 PCM4202 这块芯片内集成 Spartan3 XC3S1000 FG456 4 OPA1632 AD9858 CS8420 C8051F020 JS14440 图 形点阵 VFD 带通滤波器和 射频放大器 NE5532 NE5532 PCM4202 NE5532 OPA1632 MAX232 ADF4106 AD7686 按键 BS616LV2013 27 56 了数字抽取滤波器功能 具有相当高的滤波性能和低的延迟 并且 这一块芯 片可以对左 右声道的信号同时进行采样 并且通过左对齐 右对齐或格SI 2 式将音频数据传出 这里采用了的方式 同时 这块芯片采用 调制技术SI 2 了 使用 256 倍过采样和噪声成形技术 减少了音频带内 20Hz 20kHz 的 噪声 从而提高了芯片的信噪比 其动态范围可达 118dB 总谐波失真加噪声 达 105dB 以下是模拟音频处理电路的原理图 图 3 2 3 3 所示 图 3 2 模拟音频信号调理部分 28 56 图 3 3 PCM4202 的外围电路 3 2 2 数字音频接收电路的设计数字音频接收电路的设计 数字音频信号通过 AES3 S PDIF 格式输入 同时由于外部数字音频信号 的采样速率可能不同于本系统的音频采样频率 所以要进行数字音频的格式调 整和采样速率的转换 这里采用了 Crystal 公司的 24 比特数字音频采样率转换 芯片 CS8420 它可以实现 AES3 S PDIF 音频数据格式和串行音频数据格式之 间的相互转换 并可以提取输入音频信号的采样频率 同时通过 SRC 采样率 转换 模块 实现采样速率转化 另外 它还以通过配置寄存器实现 AES3 S PDIF 拆帧和组帧处理 这款芯片业的串行音频数据格式有左对齐 右对齐和格式 这里采用了的方式 其具有较高的性能参数 动态范SI 2 SI 2 围可达 128dB 总谐波失真加噪声达 117dB 由于 CS8420 的输入输出接口电平是 5V 的标准 与 FPGA 通信需要进行电 平转换 这里用了 74LVXC3245 这款芯片 它同时可以支持 8 路 3 3V 到 5V 或 5V 到 3 3V 的转换 转换方向可以通过配置一个管脚的高低电位实现 具体外围电路如下图 图 3 4 29 56 图 3 4 数字音频电路的设计 3 2 3 FPGA 相关电路的设计相关电路的设计 项目中 FPGA 主要完成数据的采集 运算和输出 同时控制周围的从器件 协同工作 下