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本文將介紹數字音頻廣播（DAB）接收機的樣機設計。 系統的性能要求 歐洲DAB系統規定了4種模式，本設計采用的是第1種模式，具體參數如表1所示。其中，L表示一幀的符號數，K表示每個符號的子載波個數，TF表示一幀的持續時間，TNULL表示空符號持續時間，Ts表示每個符號的持續時間，Tu表示有效符號的持續時間，Δ表示保護間隔的持續時間。 表1 第1種DAB傳輸模式的具體參數 采用這一模式的設計要求為：帶寬1.536MHz，載波頻率174～240MHz，誤碼率不超過10-4。 方案原理及設計思路 1 方案原理框圖 DAB接收機原理框圖如圖1所示。DAB接收機將從天線接收到的信號經過高頻頭轉為中頻模擬信號，放大后進行A/D變換，得到數字信號。其中A/D采樣時鐘受晶振VCXO的控制，采樣時鐘偏移由采樣時鐘同步部分估計得到。A/D轉換后的數據一路做AGC檢測去控制高頻頭的輸出，另一路經過R/C變換成FFT所需要的兩路實虛部數據信號。時間同步部分估計得到一個時域符號的同步頭，并粗略地估計由于收發頻率不一致而引起的頻偏。經過FFT變換后，頻率同步單元定出FFT的窗口位置，校正帶有頻偏的數據。校正后的數據經過信道估計，得到當前實時的信道響應，經過信道均衡處理以消除信道多徑衰落的影響，然后再經過解映射軟判決譯碼和解擾，然后將音頻信號送入信道解碼器解碼，接著進行信源解碼和音頻綜合，最后經D/A還原成模擬音頻? 圖1 接收機原理框圖 2 方案的設計思路 DAB接收機主要由數字下變頻、同步、OFDM解調和Viterbi譯碼四大部分構成。 數字下變頻就是把ADC輸出的中頻數字信號變為數字基帶信號，也就是在數字上實現頻譜的下搬移，主要包括希爾伯特變換、頻譜下搬移及降采樣等。 同步部分按功能包括符號定時同步、載波頻率同步和采樣時鐘頻率同步，以FFT為界可以分為時域同步和頻域同步兩部分。 OFDM解調包括FFT和差分解調等，經FFT和差分解調后的數據再經過頻域解交織后進行QPSK解映射及量化，送給后續Viterbi譯碼器進行軟判決譯碼。 對OFDM解調送來的數據提取快速信息信道(FIC)數據進行解收縮、Viterbi譯碼、解擾，得到復合結構信息(MCI)，再利用MCI對主業務信道(MSC)數據進行譯碼。 DAB接收機硬件電路設計 1 方案結構框圖 根據對DAB接收機組成部分的分析，本次設計采用FPGA+DSP的設計方案，DAB接收機完整的結構框圖如圖2所示。DAB信號從天線接收后進入高頻頭部分，選出所需的頻率塊，然后將選出的高頻信號送入混頻器，變為中心頻率為38.912MHz、帶寬為1.536 MHz的中頻信號，中頻信號濾掉無用的頻譜部分后再經頻率變換和濾波，變為中心頻率為2.048 MHz、帶寬為1.536MHz的基帶信號。然后進入ADC，采樣速率為8.192MHz，轉換成數字信號后進入FPGA。FPGA完成并串轉換，同步和解調， 以及VCXO所需的控制電路等。處理后的數據進入DSP，DSP外部時鐘為24.5MHz，所以DSP可進行4倍頻，工作于100MHz。DSP中完成解交織、Viterbi譯碼、解擾以及音頻解碼，最后數據被送入DAC，恢復出原始模擬信號，送入喇叭即可收聽。 圖2 接收機的結構框圖 2 器件的選型 器件的選型要求在滿足系統需求的情況下力爭使成本最低，功耗最小，設計方便且易于調試，所以要全面兼顧芯片的運算速度、價格、硬件資源、運算精度、功耗以及芯片的封裝形式、質量標準、供貨情況和生命周期等。綜合考慮以上幾方面因素，本次設計中ADC選用TLV5535，DAC選用AKM4352，FPGA選用EP1S40，DSP選用TMS320VC5510。 TLV5535是一款性能優良的8位ADC，具有35MSPS的采樣速率，3.3V單電源供電，典型功耗只有90mW，模擬輸入帶寬達600MHz，很適合本設計。AKM4352是非常適合便攜式音頻設備的DAC，帶寬20kHz，采樣速率8～50kHz，工作電壓為1.8～3.6V，通帶波動只有±0.06dB，阻帶衰減達43dB，性能非常優良。TMS320VC5510是TI公司的一款高性能、低功耗DSP。它具有很高的代碼執行效率，其最高指令執行速度可達800MIPS，雙MAC結構，可設置的指令高速緩沖存儲器容量為24KB，片上RAM共160K×16b，此外還有3組多通道緩沖串行口和可編程的數字鎖相環發生器等，I/O電壓 3.3V，內核電壓1.6V。EP1S40是ALTERA公司Stratix系列FPGA，具有非常高的內核性能、存儲能力、架構效率，提供了專用的功能用于時鐘管理和數字信號處理應用及差分和單端I/O標準，此外還具有片內匹配和遠程系統升級能力，功能豐富且功耗較小。EP1S40的片內資源也足以滿足本設計所需。 3 主要模塊的電路設計 ADC與FPGA相連，并在FPGA內完成并串變換，譯碼電路也由FPGA來完成。FPGA與ADC間的連接包括數據線和時鐘線，ADC的時鐘由FPGA來提供，數據線和時鐘線均與FPGA的I/O引腳直接相連即可，如圖3所示。 圖3 ADC與FPGA連接原理圖 DSP通過異步串行口與DAC連接，如圖4所示，DAC輸出的模擬信號經濾波后可直接輸出語音信號。 圖4 DSP與DAC連接原理圖 現今的高速DSP內存不再基于Flash，而是采用存取速度更快的RAM。DSP掉電后其內部RAM中的程序和數據將全部丟失，所以在脫離仿真器的環境中，DSP芯片每次上電后必須自舉，將外部存儲區的執行代碼通過某種方式搬移到內部存儲區，并自動執行。常用的自舉方式有并行自舉、串行自舉、主機接口(HPI)自舉和I/O自舉。HPI自舉需要有一個主機進行干預，雖然可以通過這個主機對DSP內部工作情況進行監控，但電路復雜、成本高;串行自舉代碼加載速度慢;I/O自舉僅占用一個端口地址，代碼加載速度快，但電路復雜，成本高;并行自舉加載速度快，雖然需要占用DSP數據區的部分地址，但無須增加其他接口芯片，電路簡單。因此在TI公司的5000系列DSP中得到了廣泛應用，本次設計也是采用并行自舉。與傳統的EEPROM相比，Flash具有支持在線擦寫且擦寫次數多、速度快、功耗低、容量大和價格低廉等優點。目前在很多Flash芯片采用3.3V單電源供電，與DSP連接時無須采用電平轉換芯片，因此電路連接簡單。在系統編程時，利用系統本身的DSP直接對外掛的Flash編程，節省了編程器的費用和開發時間，使得DSP執行代碼可以在線更新。圖5為外部程序數據存儲器Flash的電路連接。 圖5 外部程序數據存儲器Flash的電路連接 FPGA與DSP通過McBSP、GPIO、EMIF和EHPI口相連，接口種類多，便于根據需要靈活使用。FPGA內的程序和數據掉電后也會全部丟失，所以為其配備了專用配置芯片EPC16，上電后自動將程序下載到FPGA中，簡單易用。 總結 為了方便調試，本次設計十分靈活，留的系統資源也比較多，不僅可以實現模式1，其他三種模式也可以在此硬件平臺上實現。用來存儲程序和數據的Flash既可以用FPGA來讀寫，也可以用DSP來讀寫。DSP和FPGA分別配了JTAG下載口用于下載程序和檢測芯片。DSP還連接RS232，用于發出控制指令以及監控DSP內部情況。FIC解碼完成后可進行DAB/DMB的業務選擇，依據選擇業務的不同進行不同的處理后分別產生聲音和圖像信號，并分別從喇叭或液晶顯示器輸出。 |
