基于FPGA的信號調制系統的設計

摘要：本文設計并在FPGA芯片中實現了數字音頻廣播系統的信號調制系統。信號調制系統位于整個數字音頻廣播系統基帶信號處理鏈的末端，是基帶數字信號處理的核心系統。根據Eureka 147標準，信號調制系統需要對輸入的基帶碼流進行數字調制、頻域交織、差分調制以及正交頻分復用等一系列處理。所設計的信號調制系統能夠對輸入的基帶碼流進行實時處理，完成上述信號處理算法，并輸出數字音頻廣播的基帶信號。

引言

數字音頻廣播（Digital Audio Broadcasting,DAB）是廣播通信系統由模擬向數字化演進的產物。在眾多的數字音頻系統方案中，Eureka 147 DAB系統是起源最早，也是技術發展最為完善的數字音頻系統。本文所設計的DAB基帶信號調制系統依據Eureka 147系統的技術要求。

本文采用基于模型的系統設計方法，首先對DAB基帶信號調制系統的各個模塊進行算法層建模，之后利用Simulink平臺以及Xilinx公司提供的可編程硬件模型庫，將系統的算法層模型轉換為可編程硬件模型，最后利用Xilinx公司的System Generator軟件將經過驗證的Simulink模型自動轉換為FPGA可實現工程。

1　DAB 信號調制系統簡介

DAB系統基帶信號處理鏈可以分為三個主要模塊：第一個模塊為信源編碼系統，負責輸入音頻及數據源文件，并按照相關標準對不同的源文件進行信源編碼，然后將編碼后的數據流復用轉換為特定的幀結構；第二個模塊對經過信源編碼的幀數據進行時域交織、信道編碼等處理，然后將處理得到的數據復用轉換為比特流；最后一個模塊為信號調制系統，這部分系統將對輸入的比特流進行正交相移鍵控調制、頻域交織、差分調制、正交頻分復用等一系列處理，并最終輸出完整的DAB基帶信號。圖1給出了DAB信號調制系統框圖。

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圖1　DAB信號調制系統框圖

2　DAB信號調制系統算法建模

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圖2　DAB信號調制系統結構框圖

為了能夠最終在FPGA芯片中實現DAB基帶架構信號調制系統結，首先對整個系統進行算法層建模，DAB信號調制系統結構框圖如圖2所示。DAB信號調制系統的算法層模型具有以下主要模塊：觸發序列檢測子系統、系統時鐘發生子系統、編碼QPSK映射系統、頻率交織子系統、差分調制子系統、OFDM子系統等。需要說明的是，幾乎每一個子系統（例如頻率交織系統）都有自己的時鐘域，并且系統時鐘發生所提供的輸出遠比一個單一時鐘信號復雜。

2.1　觸發序列檢測及系統時鐘子系統

在DAB信號調制系統中，需要設計一個相應的序列檢測系統來識別所接收到的數據流，當數據流中不包含觸發序列時，DAB信號調制系統處于休眠狀態，系統輸出為零；當檢測到觸發序列時，序列檢測系統將發出使能信號，使DAB信號調制系統對觸發序列之后的數據流進行處理。

狀態機是實現這個觸發序列識別子系統的一個直觀有效的方法。由于所要設計的DAB信號調制系統是一個復雜的實時信號處理系統，因此需要為系統建立全局時鐘來規范處理時序。還需注意，系統的各個子系統之間的處理時序必須協調一致，否則輸出端的DAB基帶信號其物理層或邏輯層的幀結構會遭到破壞，全局時鐘為各個子系統的協調工作提供了一個整體時序框架。同時，那些需要進行復雜處理的子系統（例如頻率交織子系統、差分調制子系統等）可以以全局時鐘為架構，建立自己的時鐘域以及處理控制信號。全局時鐘系統的建立主要依靠計數器及邏輯比較模塊的組合使用。

2.2　編碼QPSK映射子系統

假設DAB信號調制系統所接收到的比特碼流中已經包含了塊劃分結構的信息，QPSK符號映射子系統將從接收到的編碼數據流中將包含塊劃分的碼元對還原，并對碼流進行QPSK調制，即將還原的碼元對映射為QPSK符號。這個子系統的算法較為直觀，在還原碼元對的處理中，涉及到的串并轉換利用解時分復用算法實現，而QPSK符號的映射通過查找表實現。

2.3　頻率交織子系統

頻率交織算法將改變QPSK符號與載波之間的對應順序。實時處理要求大大增加了頻率交織子系統的算法模型復雜度。為了實現對輸入QPSK符號流的實時頻率交織處理，本文設計了雙緩沖空間算法模型，如圖3所示。

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圖3　雙緩沖空間算法模型

雙緩沖空間算法模型核心思想是提供兩個并行的緩沖空間。在同一OFDM符號周期（384個QPSK符號周期），一個緩沖空間接收QPSK碼流，而另一個緩沖空間處于讀入鎖定狀態，并進行靜態頻率交織處理。此時系統的輸入端連接至前一個緩沖空間，而系統的輸出則由第二個緩沖空間提供。在一個OFDM符號周期結束后，兩個緩沖空間的工作狀態對調，之前接收QPSK碼流的緩沖空間處于讀入鎖定狀態，進行靜態頻率交織處理并提供系統輸出；而之前進行頻率交織的緩沖空間則處于讀入狀態，并從系統的輸入端接收串行的QPSK碼流。

2.4　差分調制子系統

經過頻率交織子系統的處理，經過QPSK調制的符號流，其在一個OFDM符號周期內的載波對應關系發生了改變，從而使頻域的信息流得到了一定程度的無序化，提高了信號抗衰落的能力。但是，由于調制方式為QPSK，信息被調制在載波的絕對相位上，這就要求接收端的參考基準相位具有很高的穩定性，否則可能會發生由于參考基準相位的不穩定而導致碼信息的誤譯情況。為了進一步增強系統的可靠性，DAB基帶信號處理過程中引入了差分調制，將QPSK符號流轉換為DQPSK符號流，從而將信息調制在載波的相對相位信息上，提高了系統的穩定性。

在差分調制系統算法模型中，需要一個本地存儲區存儲頻率參考符號，每一幀信號的差分調制處理流程如下。在幀頭空符號輸入的時候，系統不做任何處理，直接輸出空信號。在頻率參考符號周期內，系統的輸入端依舊是空信號，但是本地存儲區將會在系統的輸出端提供頻率參考符號，同時將頻率參考符號引入反饋緩沖區。當第一個FIC符號輸入的時候，反饋緩沖區的頻率參考符號會與之同步，對應的QPSK符號做模8相加，相應的子載波進行了差分調制，同時輸出端經過模8相加的編碼DQPSK符號被引入反饋緩沖區。當第二個FIC符號輸入的時候，以反饋緩沖區中經過差分調制的前一個OFDM符號為基準進行模8相加，當一幀信號的所有OFDM符號都經過處理后，反饋緩沖區將被清零，為相位參考符號的再次裝載做準備。圖4描述了差分調制系統的算法模型。

圖4　差分調制系統算法模型