本文將介紹數(shù)字音頻廣播（DAB）接收機(jī)的樣機(jī)設(shè)計(jì)。

系統(tǒng)的性能要求

歐洲D(zhuǎn)AB系統(tǒng)規(guī)定了4種模式,，本設(shè)計(jì)采用的是第1種模式,，具體參數(shù)如表1所示。其中,，L表示一幀的符號數(shù),，K表示每個符號的子載波個數(shù)，TF表示一幀的持續(xù)時間,，TNULL表示空符號持續(xù)時間,，Ts表示每個符號的持續(xù)時間，Tu表示有效符號的持續(xù)時間,，Δ表示保護(hù)間隔的持續(xù)時間,。

表1 第1種DAB傳輸模式的具體參數(shù)

采用這一模式的設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)思路

1 方案原理框圖

DAB接收機(jī)原理框圖如圖1所示。DAB接收機(jī)將從天線接收到的信號經(jīng)過高頻頭轉(zhuǎn)為中頻模擬信號,，放大后進(jìn)行A/D變換,，得到數(shù)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(jì)得到,。A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)一路做AGC檢測去控制高頻頭的輸出，另一路經(jīng)過R/C變換成FFT所需要的兩路實(shí)虛部數(shù)據(jù)信號,。時間同步部分估計(jì)得到一個時域符號的同步頭,，并粗略地估計(jì)由于收發(fā)頻率不一致而引起的頻偏。經(jīng)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(shù)據(jù)。校正后的數(shù)據(jù)經(jīng)過信道估計(jì),，得到當(dāng)前實(shí)時的信道響應(yīng),，經(jīng)過信道均衡處理以消除信道多徑衰落的影響，然后再經(jīng)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(jìn)行信源解碼和音頻綜合,，最后經(jīng)D/A還原成模擬音頻?

圖1 接收機(jī)原理框圖

2 方案的設(shè)計(jì)思路

DAB接收機(jī)主要由數(shù)字下變頻、同步,、OFDM解調(diào)和Viterbi譯碼四大部分構(gòu)成,。

數(shù)字下變頻就是把ADC輸出的中頻數(shù)字信號變?yōu)閿?shù)字基帶信號，也就是在數(shù)字上實(shí)現(xiàn)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(diào)包括FFT和差分解調(diào)等,，經(jīng)FFT和差分解調(diào)后的數(shù)據(jù)再經(jīng)過頻域解交織后進(jìn)行QPSK解映射及量化,，送給后續(xù)Viterbi譯碼器進(jìn)行軟判決譯碼。

對OFDM解調(diào)送來的數(shù)據(jù)提取快速信息信道(FIC)數(shù)據(jù)進(jìn)行解收縮,、Viterbi譯碼,、解擾，得到復(fù)合結(jié)構(gòu)信息(MCI),，再利用MCI對主業(yè)務(wù)信道(MSC)數(shù)據(jù)進(jìn)行譯碼,。

DAB接收機(jī)硬件電路設(shè)計(jì)

1 方案結(jié)構(gòu)框圖

根據(jù)對DAB接收機(jī)組成部分的分析，本次設(shè)計(jì)采用FPGA+DSP的設(shè)計(jì)方案,，DAB接收機(jī)完整的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示,。DAB信號從天線接收后進(jìn)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?yōu)橹行念l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(jīng)頻率變換和濾波,，變?yōu)橹行念l率為2.048 MHz、帶寬為1.536MHz的基帶信號,。然后進(jìn)入ADC,，采樣速率為8.192MHz，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后進(jìn)入FPGA,。FPGA完成并串轉(zhuǎn)換,，同步和解調(diào)， 以及VCXO所需的控制電路等,。處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)入DSP,，DSP外部時鐘為24.5MHz，所以DSP可進(jìn)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(shù)據(jù)被送入DAC，恢復(fù)出原始模擬信號,，送入喇叭即可收聽,。

圖2 接收機(jī)的結(jié)構(gòu)框圖

2 器件的選型

器件的選型要求在滿足系統(tǒng)需求的情況下力爭使成本最低，功耗最小,，設(shè)計(jì)方便且易于調(diào)試,，所以要全面兼顧芯片的運(yùn)算速度、價格,、硬件資源,、運(yùn)算精度、功耗以及芯片的封裝形式,、質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn),、供貨情況和生命周期等。綜合考慮以上幾方面因素,，本次設(shè)計(jì)中ADC選用TLV5535,，DAC選用AKM4352，F(xiàn)PGA選用EP1S40,，DSP選用TMS320VC5510,。

TLV5535是一款性能優(yōu)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(dá)600MHz,，很適合本設(shè)計(jì),。AKM4352是非常適合便攜式音頻設(shè)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(dá)43dB,，性能非常優(yōu)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(zhí)行效率，其最高指令執(zhí)行速度可達(dá)800MIPS,，雙MAC結(jié)構(gòu),，可設(shè)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(shù)字鎖相環(huán)發(fā)生器等,，I/O電壓 3.3V,，內(nèi)核電壓1.6V。EP1S40是ALTERA公司Stratix系列FPGA,，具有非常高的內(nèi)核性能,、存儲能力、架構(gòu)效率,，提供了專用的功能用于時鐘管理和數(shù)字信號處理應(yīng)用及差分和單端I/O標(biāo)準(zhǔn),，此外還具有片內(nèi)匹配和遠(yuǎn)程系統(tǒng)升級能力，功能豐富且功耗較小,。EP1S40的片內(nèi)資源也足以滿足本設(shè)計(jì)所需,。

3 主要模塊的電路設(shè)計(jì)

ADC與FPGA相連，并在FPGA內(nèi)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(shù)據(jù)線和時鐘線，ADC的時鐘由FPGA來提供,，數(shù)據(jù)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(jīng)濾波后可直接輸出語音信號。

圖4 DSP與DAC連接原理圖

現(xiàn)今的高速DSP內(nèi)存不再基于Flash,，而是采用存取速度更快的RAM,。DSP掉電后其內(nèi)部RAM中的程序和數(shù)據(jù)將全部丟失，所以在脫離仿真器的環(huán)境中,，DSP芯片每次上電后必須自舉,，將外部存儲區(qū)的執(zhí)行代碼通過某種方式搬移到內(nèi)部存儲區(qū)，并自動執(zhí)行,。常用的自舉方式有并行自舉,、串行自舉、主機(jī)接口(HPI)自舉和I/O自舉,。HPI自舉需要有一個主機(jī)進(jìn)行干預(yù),，雖然可以通過這個主機(jī)對DSP內(nèi)部工作情況進(jìn)行監(jiān)控，但電路復(fù)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(fù)雜，成本高;并行自舉加載速度快,，雖然需要占用DSP數(shù)據(jù)區(qū)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(yīng)用,，本次設(shè)計(jì)也是采用并行自舉。與傳統(tǒng)的EEPROM相比,，F(xiàn)lash具有支持在線擦寫且擦寫次數(shù)多,、速度快、功耗低,、容量大和價格低廉等優(yōu)點(diǎn)。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(zhuǎn)換芯片,，因此電路連接簡單。在系統(tǒng)編程時,，利用系統(tǒng)本身的DSP直接對外掛的Flash編程,，節(jié)省了編程器的費(fèi)用和開發(fā)時間，使得DSP執(zhí)行代碼可以在線更新,。圖5為外部程序數(shù)據(jù)存儲器Flash的電路連接,。

圖5 外部程序數(shù)據(jù)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(jù)需要靈活使用,。FPGA內(nèi)的程序和數(shù)據(jù)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(jié)

為了方便調(diào)試，本次設(shè)計(jì)十分靈活,，留的系統(tǒng)資源也比較多,，不僅可以實(shí)現(xiàn)模式1，其他三種模式也可以在此硬件平臺上實(shí)現(xiàn),。用來存儲程序和數(shù)據(jù)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(fā)出控制指令以及監(jiān)控DSP內(nèi)部情況。FIC解碼完成后可進(jìn)行DAB/DMB的業(yè)務(wù)選擇，依據(jù)選擇業(yè)務(wù)的不同進(jìn)行不同的處理后分別產(chǎn)生聲音和圖像信號,，并分別從喇叭或液晶顯示器輸出,。