CDR標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)

陳冬英

（福州大學(xué) 物理與信息工程學(xué)院，福建 福州 350108）

CDR標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)

陳冬英

（福州大學(xué) 物理與信息工程學(xué)院，福建 福州 350108）

中國(guó)調(diào)頻頻段數(shù)字音頻廣播即CDR標(biāo)準(zhǔn)可提供靈活的頻譜模式，本文針對(duì)其關(guān)鍵技術(shù)——正交頻分復(fù)用的調(diào)制技術(shù)進(jìn)行研究與設(shè)計(jì)。分析子載波矩陣的構(gòu)造，完成OFDM符號(hào)的有效子載波設(shè)計(jì)，對(duì)FFT設(shè)計(jì)采用改進(jìn)基-2蝶形降低乘法器數(shù)目，利用塊浮點(diǎn)數(shù)計(jì)算實(shí)現(xiàn)高精度，采用流水線(xiàn)方式優(yōu)化設(shè)計(jì)流程。用Verilog HDL語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)OFDM符號(hào)生成與FFT的設(shè)計(jì)，進(jìn)行FPGA綜合仿真。與MATLAB仿真結(jié)果對(duì)比表明，成幀載波可實(shí)現(xiàn)數(shù)模同播，F(xiàn)FT變換準(zhǔn)確性高，符合CDR調(diào)制系統(tǒng)的要求。

中國(guó)調(diào)頻頻段；正交頻分復(fù)用；子載波矩陣；改進(jìn)基-2蝶形

0 引言

隨著數(shù)字技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)字化演播室的建設(shè)已在我國(guó)相應(yīng)的影視機(jī)構(gòu)及電視臺(tái)進(jìn)行。2013年，由國(guó)家廣電總局指示，2015年～2016年我國(guó)將會(huì)對(duì)地級(jí)以上城市完成數(shù)字音頻廣播的實(shí)行［1］。

因我國(guó)DAB標(biāo)準(zhǔn)1.536 MHz信道帶寬受限于FM/AM的兼容問(wèn)題［2］，2013年 8月我國(guó)提出了一種 CDR（China Digital Radio）即調(diào)頻頻段的數(shù)字音頻廣播標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)布了復(fù)用和信道編碼調(diào)制的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)［3］。其可實(shí)現(xiàn)靈活的頻譜模式，而其核心模塊之一為正交頻分復(fù)用調(diào)制即OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）。目前以O(shè)FDM調(diào)制為數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，即運(yùn)用數(shù)字信號(hào)處理算法完成各子載波的產(chǎn)生和接收，不僅簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，同時(shí)利用各子載波上的頻譜相互重疊提高了頻譜利用率。因所得頻譜在一個(gè)OFDM周期內(nèi)具有正交性，為此接收端可實(shí)現(xiàn)信號(hào)的復(fù)原而不失真［4-5］。

本文對(duì)CDR標(biāo)準(zhǔn)中采用的OFDM調(diào)制系統(tǒng)的原理進(jìn)行研究與設(shè)計(jì)。對(duì) CDR標(biāo)準(zhǔn)使用的數(shù)模同播的子載波形式進(jìn)行分析，研究各個(gè)信號(hào)的有效子載波組幀，實(shí)現(xiàn)頻譜的靈活性選擇，對(duì) FFT變換采用 32位浮點(diǎn)數(shù)格式，達(dá)到高精度的要求；整體的處理器和乘法器、地址模塊、控制模塊等采用流水線(xiàn)設(shè)計(jì)，有利于對(duì)速度的提高；利用改進(jìn)的基二傅里葉變換法，降低硬件資源的使用。通過(guò)在FPGA軟件平臺(tái)綜合仿真，用MATLAB對(duì)結(jié)果驗(yàn)證分析，結(jié)果表明，本系統(tǒng)載波組幀可實(shí)現(xiàn)數(shù)字與模擬頻道同時(shí)播放，F(xiàn)FT變換準(zhǔn)確性高，讀取速度快，符合CDR調(diào)制系統(tǒng)的要求。

1 CDR系統(tǒng)的OFDM調(diào)制原理

1.1 CDR系統(tǒng)的物理層結(jié)構(gòu)

調(diào)頻頻段數(shù)字音頻廣播信道物理層的編碼和調(diào)制框圖如圖1，將來(lái)自上層的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)描述和系統(tǒng)信息進(jìn)行相應(yīng)的信道編碼，包括擾碼、LDPC編碼、卷積編碼、星座映射等，達(dá)到高效編碼的效果，把結(jié)果和離散導(dǎo)頻進(jìn)行m子矩陣的構(gòu)造，形成 OFDM符號(hào)，最終進(jìn)行OFDM調(diào)制，實(shí)現(xiàn)數(shù)模頻譜的靈活選擇［6］。

圖1 CDR物理結(jié)構(gòu)圖

1.2 OFDM符號(hào)幀形成原理

CDR標(biāo)準(zhǔn)中調(diào)制輸入的來(lái)源是：業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)描述信息、系統(tǒng)信息三大數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)信道編碼之后形成的有效子載波。同時(shí)根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)生相應(yīng)的離散導(dǎo)頻，經(jīng)過(guò)QPSK調(diào)制之后獲得相應(yīng)的導(dǎo)頻子載波信號(hào)，而后將業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)描述信息子載波和系統(tǒng)信息子載波進(jìn)行復(fù)接，并映射到相應(yīng)頻譜模式上，形成 OFDM頻域符號(hào)［7］。

OFDM符號(hào)包含虛子載波、連續(xù)子載波、離散子載波以及數(shù)據(jù)子載波，相應(yīng)放置的信息就是零信號(hào)、系統(tǒng)信息、導(dǎo)頻以及業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)描述信息。 其中，業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)描述信息、系統(tǒng)信息已由前面編碼獲得相應(yīng)子載波，離散導(dǎo)頻根據(jù)如圖2所示生產(chǎn)器，產(chǎn)生兩隨機(jī)信號(hào)，進(jìn)行QPSK調(diào)制即可獲得。傳輸模式為 1和 3時(shí)，pl=62NI，傳輸模式為2時(shí)，pl=32NI，兩路信號(hào)為：

形成的比特流形式為：

圖2 離散導(dǎo)頻的偽隨機(jī)序列生產(chǎn)器

1.3 OFDM調(diào)制原理

中國(guó)調(diào)頻頻段數(shù)字音頻廣播調(diào)制模式為 OFDM調(diào)制。其調(diào)制系統(tǒng)即正交頻分復(fù)用，將來(lái)自組幀形成的OFDM符號(hào)中以幀為基礎(chǔ)的，輸入到OFDM調(diào)制系統(tǒng)。在規(guī)定的高頻帶寬 B內(nèi)均勻安排 N （2r） 個(gè)子載波，OFDM將高速串行數(shù)據(jù)變換成多路相對(duì)低速的N個(gè)并行數(shù)據(jù)，而后將 N路符號(hào)，每 2個(gè)輸入比特映射為 I值和 Q值。各子載波間須有足夠的頻率間隔，但對(duì)于各個(gè)子載波正交的信號(hào)頻譜，雖然其頻譜間有重疊部分，但解調(diào)時(shí)因?yàn)檎恍匀阅軌蛘_解調(diào)出每個(gè)載波的調(diào)制符號(hào)。具體的OFDM信號(hào)頻譜圖如圖3所示。

圖3 正交頻分復(fù)用信號(hào)的頻譜示意圖

根據(jù)分析，單個(gè) OFDM符號(hào)內(nèi)含有多個(gè)已調(diào)制的子載波合成信號(hào)，其中，每個(gè)子載波可進(jìn)行 QPSK或正交幅度調(diào)制符號(hào)的調(diào)制處理。由前可知，實(shí)現(xiàn)OFDM調(diào)制需在接發(fā)兩端設(shè)有N個(gè)等級(jí)差頻率的振蕩器，N的值低至幾百多至幾千，常用的是 2 000多或者 4 000多，實(shí)現(xiàn)起來(lái)難度大，為此采用數(shù)學(xué)方法幫助實(shí)現(xiàn)，具體是利用離散傅里葉反變換和離散傅里葉變換。反變換輸出的符號(hào)數(shù)據(jù)的生成是由所有子載波信號(hào)經(jīng)過(guò)疊加而得，即通過(guò)采樣連續(xù)的多個(gè)經(jīng)過(guò)調(diào)制的子載波的疊加信號(hào)實(shí)現(xiàn)。同理，解調(diào)可以由 DFT得到。在實(shí)際應(yīng)用中，通常用IFFT/FFT來(lái)代替 IDFT/DFT［8-10］。所以，IFFT是本文所討論的核心算法。

2 CDR系統(tǒng)的OFDM調(diào)制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

CDR調(diào)制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)包含兩個(gè)部分，分別是OFDM符號(hào)組幀模塊和 FFT模塊。組幀模塊采用M子載波矩陣構(gòu)造，按照頻譜模式將各個(gè)元素從左至右依次填充至每個(gè)OFDM符號(hào)中的有效子載波上，具體設(shè)計(jì)如 2.1節(jié)說(shuō)明。OFDM調(diào)制由傳輸模式和頻譜模式共同確定，本設(shè)計(jì)選用傳輸模式 1，使用的點(diǎn)數(shù)是2 048點(diǎn)，數(shù)據(jù)體的循環(huán)前綴為240點(diǎn)，具體設(shè)計(jì)將在2.2節(jié)具體介紹。

2.1 CDR標(biāo)準(zhǔn)的OFDM符號(hào)組幀設(shè)計(jì)

首先構(gòu)造一個(gè)含有 4SN（NV·NI）個(gè)子載波的載波矩陣，即一個(gè)邏輯幀，以傳輸模式 1為例，SN=56，NV=242，NI=1，子載波矩陣填充的元素是除虛子載波外的有效子載波元素，載波矩陣形式如下：

其中，MS為子載波矩陣的一個(gè)子矩陣，表示一個(gè)邏輯子幀，由56個(gè)OFDM符號(hào)構(gòu)成。

其次，按一定規(guī)律進(jìn)行填充，填充方式具體如下：

（1）系統(tǒng)信息元素按固定的行和列位置填充，放置元素為 216 bit，放置元素位置如表1所示。

表1 每行中列的位置

其中，1～27行、28～54行填充相同的元素，55～56行把 1～2行的元素進(jìn)行復(fù)制。

（2）離散導(dǎo)頻的填充，子矩陣中位置行 a與列 b的值如下：

若傳輸模式為 1或者 3：

（3）數(shù)據(jù)導(dǎo)頻的填充，將每個(gè)子矩陣中前兩行剩余位置填充業(yè)務(wù)描述信息，其余填充的是數(shù)據(jù)信息。

如此便完成子矩陣的形成，而后按從上而下，從左至右填充子載波矩陣，最后映射形成一個(gè)邏輯子幀。

2.2 CDR標(biāo)準(zhǔn)FFT設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用DIT方式完成基-2蝶形運(yùn)算，采用流水線(xiàn)方式以及雙端口的RAM、ROM。首先，輸入的數(shù)據(jù)先存儲(chǔ)在雙端口RAM1中，接收所有數(shù)據(jù)之后，預(yù)置旋轉(zhuǎn)因子在ROM中，將輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行塊浮點(diǎn)變化后進(jìn)行FFT變換，輸出結(jié)果置于 RAM2中，在一個(gè)判斷模塊的作用下，將RAM2輸入RAM1中，循環(huán)FFT變換，將高位地址進(jìn)位存于下一個(gè)模塊中，最終加入保護(hù)間隔輸出即可。如圖4所示。

圖4 硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

（1）改進(jìn)基 2-蝶形單元設(shè)計(jì)

蝶形運(yùn)算基本規(guī)律如下兩式：

由式（1）、式（2）可得，一個(gè)蝶形運(yùn)算單元存在復(fù)數(shù)乘法運(yùn)算，一般復(fù)數(shù)乘法需要 3～4個(gè)乘法器。但是基-2的蝶形運(yùn)算具有特殊性：在一個(gè)蝶形運(yùn)算中需要取數(shù)據(jù)Xm-1（i）和 Xm-1（j），而只存在一次的復(fù)數(shù)乘法，即可以用兩個(gè)時(shí)鐘周期來(lái)完成一個(gè)復(fù)數(shù)乘法，利用這一點(diǎn)，可以減少乘法器的數(shù)目，同時(shí)不降低處理速度。本系統(tǒng)根據(jù)實(shí)部、虛部共用一個(gè)乘法器，減少了硬件資源。同時(shí)為了提高工作效率，采用流水線(xiàn)方式，最終設(shè)計(jì)是經(jīng)過(guò)浮點(diǎn)模塊處理后，r次循環(huán)蝶形變化而成。蝶形單元的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 蝶形單元的硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

（2）地址控制設(shè)計(jì)

控制單元是整個(gè)設(shè)計(jì)的核心模塊單元。本設(shè)計(jì)采取的方法是將控制信號(hào)的所有使能由一個(gè)硬件層控制實(shí)現(xiàn)。本文將已生成的旋轉(zhuǎn)因子預(yù)置在存儲(chǔ)器中，將所有數(shù)據(jù)讀入后進(jìn)行連續(xù)的 r次 FFT變換，有些地址可不變。對(duì)于點(diǎn)數(shù)為 2 048的FFT算法，進(jìn)行變換后，在保持順序不變的前提下，其后一級(jí)上一半蝶形運(yùn)算的旋轉(zhuǎn)因子恰好是前一級(jí)的旋轉(zhuǎn)因子。為此，大大降低了旋轉(zhuǎn)因子存儲(chǔ)器的多余操作，從而降低了系統(tǒng)功耗。所有地址的控制通過(guò)寄存器直接置位生成，快速地址的生成便可實(shí)現(xiàn)，且有利于可配置性的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

（3）流水線(xiàn)設(shè)計(jì)

流水線(xiàn)設(shè)計(jì)具體框圖如圖6所示。

圖6 FFT設(shè)計(jì)的時(shí)序圖

在順序執(zhí)行過(guò)程中［11］，蝶形運(yùn)算單元的工作遵循讀數(shù)、計(jì)算和輸出三個(gè)步驟。在進(jìn)行蝶形運(yùn)算的同時(shí)，對(duì)存儲(chǔ)器的存取處于暫停狀態(tài)；反之，當(dāng)從存儲(chǔ)器中讀取數(shù)據(jù)或?qū)⒔Y(jié)果存入存儲(chǔ)器時(shí)，蝶形運(yùn)算單元的乘法器和加法器也停止工作。這種處理結(jié)構(gòu)的工作效率不高。為了進(jìn)一步減少運(yùn)算時(shí)間，提高處理速度，可以使乘法器和加法器等運(yùn)算單元和存儲(chǔ)器在工作時(shí)處于“匹配”狀態(tài)。因此蝶形運(yùn)算單元采用流水線(xiàn)（pipeline）工作方式，使運(yùn)算結(jié)果連續(xù)輸出。

3 結(jié)果仿真與驗(yàn)證分析

根據(jù)前面的設(shè)計(jì)原理，應(yīng)用Verilog HDL語(yǔ)言進(jìn)行代碼編寫(xiě)。以一個(gè)子幀為例，使用B類(lèi)頻譜模式OFDM符號(hào)，具體表詳見(jiàn)中國(guó)調(diào)頻頻段數(shù)字音頻廣播標(biāo)準(zhǔn)［7］第42頁(yè)和 43頁(yè)。獲得的填充位置如圖7所示。

圖7 OFDM符號(hào)的子載波填充結(jié)果

上圖中數(shù)字 0表示虛載波，存放模擬信號(hào)；1表示系統(tǒng)信息，具有固定位置；3表示離散導(dǎo)頻，位置具有離散性；4表示業(yè)務(wù)描述信息，位于每個(gè) OFDM符號(hào)的前兩行；5表示業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)信息，除去以上填充位置都為數(shù)據(jù)信息元素。與MATLAB仿真結(jié)果完全一致。

將獲得的 OFDM復(fù)數(shù)符號(hào)作為本設(shè)計(jì)的 FFT處理器的輸入。采用Verilog HDL語(yǔ)言，在FPGA平臺(tái)上綜合仿真實(shí)現(xiàn)。圖8是綜合仿真的輸入和輸出。

圖8 綜合仿真的輸入與輸出

將輸出獲得的調(diào)制結(jié)果輸入 MATAB進(jìn)行畫(huà)頻譜，使用矩形濾波器進(jìn)行濾波。圖9為調(diào)制后的功率譜密度，根據(jù)仿真圖可以得到，400 kHz帶寬下的系統(tǒng)有效帶寬為 50 kHz，占比率為 1/8。通過(guò)理論系統(tǒng)有效帶寬與仿真系統(tǒng)有效帶寬的對(duì)比，實(shí)際系統(tǒng)有效帶寬達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)的要求，驗(yàn)證了整個(gè)系統(tǒng)的正確性。

圖9 調(diào)制系統(tǒng)的功率譜密度

4 結(jié)論

本文完成了 CDR標(biāo)準(zhǔn)的調(diào)制系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)，應(yīng)用Verilog HDL語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)了CDR標(biāo)準(zhǔn)的OFDM調(diào)制符號(hào)生成器， 利用改進(jìn)的二進(jìn)制， 采取流水線(xiàn)設(shè)計(jì)，同時(shí)采用新穎的先接收后變換方式，完成 FFT模塊的設(shè)計(jì)，準(zhǔn)確獲得 OFDM符號(hào)填充子載波，所得頻譜帶寬占比為 1/8，完全符號(hào)標(biāo)準(zhǔn)要求，表明該設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)數(shù)模同播調(diào)制，設(shè)計(jì)的功能仿真達(dá)到要求。因本標(biāo)準(zhǔn)最新頒布，還未找到同一標(biāo)準(zhǔn)的調(diào)制設(shè)計(jì)文獻(xiàn)進(jìn)行比較說(shuō)明，本設(shè)計(jì)對(duì)后續(xù)的 CDR研究具有重要的參考價(jià)值。

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Research and design of digital modulation system based on CDR

Chen Dongying
（College of Physics and Information Engineering，F(xiàn)uzhou University，F(xiàn)uzhou 350108，China）

Due to FM-China Digital Radio（CDR）can provide flexible spectrum model，the key technologies and design for orthogonal frequency division multiplexing modulation techniques are studied in this paper.Sub-carrier matrix structural is analyzed，the completion of effective OFDM symbol sub-carriers is designed.And then we use the improvement-2 butterfly transformation to cut usage of multiplier，use floating-point module to achieve high accuracy and with assembly line way to realize the optimal multiplier and adder.Finally，we implement OFDM symbol and FFT with Verilog HDL language.Compared with MATLAB analysis results，this system has low error rates，high accuracy with read quickly and framing carriers can achieve digital-analog simulcast.It meets the requirements of CDR.

CDR；OFDM；sub-carrier matrix；improvement-2 butterfly

TN929

A

1674-7720（2015）23-0065-04

陳冬英.CDR標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)［J］.微型機(jī)與應(yīng)用，2015，34（23）：65-68.

2015-08-04）

陳冬英（1989-），通信作者，女，碩士研究生，主要研究方向：中國(guó)調(diào)頻頻段數(shù)字音頻廣播信道編碼與調(diào)制研究，數(shù)字通信系統(tǒng)。E-mail：863848737@qq.com。