摘 要: 中国调频频段数字音频广播即CDR标准可提供灵活的频谱模式,本文针对其关键技术——正交频分复用的调制技术进行研究与设计。分析子载波矩阵的构造,完成OFDM符号的有效子载波设计,对FFT设计采用改进基-2蝶形降低乘法器数目,利用块浮点数计算实现高精度,采用流水线方式优化设计流程。用Verilog HDL语言实现OFDM符号生成与FFT的设计,进行FPGA综合仿真。与MATLAB仿真结果对比表明,成帧载波可实现数模同播,FFT变换准确性高,符合CDR调制系统的要求。
关键词: 中国调频频段;正交频分复用;子载波矩阵;改进基-2蝶形
0 引言
随着数字技术的不断发展,数字化演播室的建设已在我国相应的影视机构及电视台进行。2013年,由国家广电总局指示,2015年~2016年我国将会对地级以上城市完成数字音频广播的实行[1]。
因我国DAB标准1.536 MHz信道带宽受限于FM/AM的兼容问题[2],2013年8月我国提出了一种CDR(China Digital Radio)即调频频段的数字音频广播标准,发布了复用和信道编码调制的相关标准[3]。其可实现灵活的频谱模式,而其核心模块之一为正交频分复用调制即OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)。目前以OFDM调制为数字信号处理技术,即运用数字信号处理算法完成各子载波的产生和接收,不仅简化了系统的结构,同时利用各子载波上的频谱相互重叠提高了频谱利用率。因所得频谱在一个OFDM周期内具有正交性,为此接收端可实现信号的复原而不失真[4-5]。
本文对CDR标准中采用的OFDM调制系统的原理进行研究与设计。对CDR标准使用的数模同播的子载波形式进行分析,研究各个信号的有效子载波组帧,实现频谱的灵活性选择,对FFT变换采用32位浮点数格式,达到高精度的要求;整体的处理器和乘法器、地址模块、控制模块等采用流水线设计,有利于对速度的提高;利用改进的基二傅里叶变换法,降低硬件资源的使用。通过在FPGA软件平台综合仿真,用MATLAB对结果验证分析,结果表明,本系统载波组帧可实现数字与模拟频道同时播放,FFT变换准确性高,读取速度快,符合CDR调制系统的要求。
1 CDR系统的OFDM调制原理
1.1 CDR系统的物理层结构
调频频段数字音频广播信道物理层的编码和调制框图如图1,将来自上层的业务数据、业务描述和系统信息进行相应的信道编码,包括扰码、LDPC编码、卷积编码、星座映射等,达到高效编码的效果,把结果和离散导频进行M子矩阵的构造,形成OFDM符号,最终进行OFDM调制,实现数模频谱的灵活选择[6]。
1.2 OFDM符号帧形成原理
CDR标准中调制输入的来源是:业务数据、业务描述信息、系统信息三大数据经过信道编码之后形成的有效子载波。同时根据标准产生相应的离散导频,经过QPSK调制之后获得相应的导频子载波信号,而后将业务数据、业务描述信息子载波和系统信息子载波进行复接,并映射到相应频谱模式上,形成OFDM频域符号[7]。
OFDM符号包含虚子载波、连续子载波、离散子载波以及数据子载波,相应放置的信息就是零信号、系统信息、导频以及业务数据、业务描述信息。其中,业务数据、业务描述信息、系统信息已由前面编码获得相应子载波,离散导频根据如图2所示生产器,产生两随机信号,进行QPSK调制即可获得。传输模式为1和3时,pl=62NI,传输模式为2时,pl=32NI,两路信号为:
pI={pI1,pI2,…,pIi,…,pIpl}
pQ={pQ1,pQ2,…,pQi,…,pQpl}
形成的比特流形式为:
pI1pQ1,pI2pQ2,…,pIpl pQpl
1.3 OFDM调制原理
中国调频频段数字音频广播调制模式为OFDM调制。其调制系统即正交频分复用,将来自组帧形成的OFDM符号中以帧为基础的,输入到OFDM调制系统。在规定的高频带宽B内均匀安排N(2r)个子载波,OFDM将高速串行数据变换成多路相对低速的N个并行数据,而后将N路符号,每2个输入比特映射为I值和Q值。各子载波间须有足够的频率间隔,但对于各个子载波正交的信号频谱,虽然其频谱间有重叠部分,但解调时因为正交性仍能够正确解调出每个载波的调制符号。具体的OFDM信号频谱图如图3所示。
根据分析,单个OFDM符号内含有多个已调制的子载波合成信号,其中,每个子载波可进行QPSK或正交幅度调制符号的调制处理。由前可知,实现OFDM调制需在接发两端设有N个等级差频率的振荡器,N的值低至几百多至几千,常用的是2 000多或者4 000多,实现起来难度大,为此采用数学方法帮助实现,具体是利用离散傅里叶反变换和离散傅里叶变换。反变换输出的符号数据的生成是由所有子载波信号经过叠加而得,即通过采样连续的多个经过调制的子载波的叠加信号实现。同理,解调可以由DFT得到。在实际应用中,通常用IFFT/FFT来代替IDFT/DFT[8-10]。所以,IFFT是本文所讨论的核心算法。
2 CDR系统的OFDM调制系统设计
CDR调制系统实现包含两个部分,分别是OFDM符号组帧模块和FFT模块。组帧模块采用M子载波矩阵构造,按照频谱模式将各个元素从左至右依次填充至每个OFDM符号中的有效子载波上,具体设计如2.1节说明。OFDM调制由传输模式和频谱模式共同确定,本设计选用传输模式1,使用的点数是2 048点,数据体的循环前缀为240点,具体设计将在2.2节具体介绍。
2.1 CDR标准的OFDM符号组帧设计
首先构造一个含有4SN(NV·NI)个子载波的载波矩阵,即一个逻辑帧,以传输模式1为例,SN=56,NV=242,NI=1,子载波矩阵填充的元素是除虚子载波外的有效子载波元素,载波矩阵形式如下:
其中,MS为子载波矩阵的一个子矩阵,表示一个逻辑子帧,由56个OFDM符号构成。
其次,按一定规律进行填充,填充方式具体如下:
(1)系统信息元素按固定的行和列位置填充,放置元素为216 bit,放置元素位置如表1所示。
其中,1~27行、28~54行填充相同的元素,55~56行把1~2行的元素进行复制。
(2)离散导频的填充,子矩阵中位置行a与列b的值如下:
若传输模式为1或者3:
(3)数据导频的填充,将每个子矩阵中前两行剩余位置填充业务描述信息,其余填充的是数据信息。
如此便完成子矩阵的形成,而后按从上而下,从左至右填充子载波矩阵,最后映射形成一个逻辑子帧。
2.2 CDR标准FFT设计
本系统采用DIT方式完成基-2蝶形运算,采用流水线方式以及双端口的RAM、ROM。首先,输入的数据先存储在双端口RAM1中,接收所有数据之后,预置旋转因子在ROM中,将输入数据进行块浮点变化后进行FFT变换,输出结果置于RAM2中,在一个判断模块的作用下,将RAM2输入RAM1中,循环FFT变换,将高位地址进位存于下一个模块中,最终加入保护间隔输出即可。如图4所示。(1)改进基2-蝶形单元设计
蝶形运算基本规律如下两式:
Xm+1(i)=Xm(i)+WNrXm(j)(1)
Xm+1(i)=Xm(i)-WNrXm(j)(2)
由式(1)、式(2)可得,一个蝶形运算单元存在复数乘法运算,一般复数乘法需要3~4个乘法器。但是基-2的蝶形运算具有特殊性:在一个蝶形运算中需要取数据Xm-1(i)和Xm-1(j),而只存在一次的复数乘法,即可以用两个时钟周期来完成一个复数乘法,利用这一点,可以减少乘法器的数目,同时不降低处理速度。本系统根据实部、虚部共用一个乘法器,减少了硬件资源。同时为了提高工作效率,采用流水线方式,最终设计是经过浮点模块处理后,r次循环蝶形变化而成。蝶形单元的硬件结构设计如图5所示。
(2)地址控制设计
控制单元是整个设计的核心模块单元。本设计采取的方法是将控制信号的所有使能由一个硬件层控制实现。本文将已生成的旋转因子预置在存储器中,将所有数据读入后进行连续的r次FFT变换,有些地址可不变。对于点数为2 048的FFT算法,进行变换后,在保持顺序不变的前提下,其后一级上一半蝶形运算的旋转因子恰好是前一级的旋转因子。为此,大大降低了旋转因子存储器的多余操作,从而降低了系统功耗。所有地址的控制通过寄存器直接置位生成,快速地址的生成便可实现,且有利于可配置性的设计与实现。
(3)流水线设计
流水线设计具体框图如图6所示。
在顺序执行过程中[11],蝶形运算单元的工作遵循读数、计算和输出三个步骤。在进行蝶形运算的同时,对存储器的存取处于暂停状态;反之,当从存储器中读取数据或将结果存入存储器时,蝶形运算单元的乘法器和加法器也停止工作。这种处理结构的工作效率不高。为了进一步减少运算时间,提高处理速度,可以使乘法器和加法器等运算单元和存储器在工作时处于“匹配”状态。因此蝶形运算单元采用流水线(pipeline)工作方式,使运算结果连续输出。
3 结果仿真与验证分析
根据前面的设计原理,应用Verilog HDL语言进行代码编写。以一个子帧为例,使用B类频谱模式OFDM符号,具体表详见中国调频频段数字音频广播标准[7]第42页和43页。获得的填充位置如图7所示。
上图中数字0表示虚载波,存放模拟信号;1表示系统信息,具有固定位置;3表示离散导频,位置具有离散性;4表示业务描述信息,位于每个OFDM符号的前两行;5表示业务数据信息,除去以上填充位置都为数据信息元素。与MATLAB仿真结果完全一致。
将获得的OFDM复数符号作为本设计的FFT处理器的输入。采用Verilog HDL语言,在FPGA平台上综合仿真实现。图8是综合仿真的输入和输出。
将输出获得的调制结果输入MATAB进行画频谱,使用矩形滤波器进行滤波。图9为调制后的功率谱密度,根据仿真图可以得到,400 kHz带宽下的系统有效带宽为50 kHz,占比率为1/8。通过理论系统有效带宽与仿真系统有效带宽的对比,实际系统有效带宽达到了标准系统的要求,验证了整个系统的正确性。
4 结论
本文完成了CDR标准的调制系统的研究与设计,应用Verilog HDL语言实现了CDR标准的OFDM调制符号生成器,利用改进的二进制,采取流水线设计,同时采用新颖的先接收后变换方式,完成FFT模块的设计,准确获得OFDM符号填充子载波,所得频谱带宽占比为1/8,完全符号标准要求,表明该设计可实现数模同播调制,设计的功能仿真达到要求。因本标准最新颁布,还未找到同一标准的调制设计文献进行比较说明,本设计对后续的CDR研究具有重要的参考价值。
参考文献
[1] 黄熹媛,苏凯雄,陈俊.基于LDPC码的DAB系统性能分析[J].有线电视技术,2013(12):84-86.
[2] ETSI ES 201 980 V3.1.1.Digital Radio Mondrian System Specification[S]. 2009.
[3] 盛国芳,王涛.调频频段数字音频广播系统的实验性能测试[J].广播电视信息,2014,40(16):44-48.
[4] 李蕾,宋建新.OFDM系统中视频传输的调度算法研究[J].电视技术,2012,36(5):53-56.
[5] KROEGER B W, PEYLA P J. Compatibility of FM hybrid in- Band On-Channel(IBOC)system for digital audio broadcasting[J]. IEEE Trans on Broadcasting, 1997,43(4):421-430.
[6] 高鹏,盛国芳.调频频段数字音频广播系统研究[J].广播电视信息,2014,40(11):27-30.
[7] GY/T 268.1-2013.调频频段数字音频广播第1部分:数字音频广播信道帧结构、信道编码和调制[S].2013.
[8] 居敏,许宗泽.OFDM系统基于矩阵开方的盲信道估计[J].电子与信息学报,2009,31(6):1371-1375.
[9] 孙晶,周丽丽.OFDM符号同步技术以及总体电路设计[J].自动化技术与应用,2011,30(9):24-31.
[10] BERTHOLD U, JONDRAL F K, BRANDES S. OFDM-based overlay systems: a promising approach for enhancing spectral efficiency[J]. IEEE Communications Magazine,2007(12):52-58.
[11] 蔡可红,黄继业.基于FPGA的FFT设计[M].北京:科学出版社,2006.
联系客服