采用PC、FPGA功能模块实现DAB发射系统编码器的设计与应用

　　数字音频广播（DAB）是继调幅（AM）、调频（FM）广播之后的第三代广播。与现行广播相比，DAB具有音质好（CD质量）、可实现多媒体及高速移动接收、可加密、发射功率小、覆盖面积大、频谱利用率高、抗干扰能力强等优点。DAB传送的业务可以是多种多样的，除了普通的音频节目，它也可以传送任何形式的其它数据，比如文字、静止图像或活动影音。因此，人们也称DAB为数字多媒体广播（DMB）。

　　本文主要介绍了基于PC和Cyclone II EP2C20F484C7的FPAG上实现DAB发射系统编码器的软硬件设计，设计充分考虑了电路规模和资源利用的要求。本设计最终用于测试DAB/DMB接收机。

　　DAB发射系统编码器设计

　　DAB的发射系统主要包括处于节目提供商位置的信源编码器、处于广播台位置的复用器和处于发射位置的COFDM（编码正交频分复用）编码调制器，其中COFDM又可分为信道编码和OFDM调制两部分。DAB发射端的编码器主要包括解ETI（业务群传输接口）帧模块，信道编码模块，DQPSK调制模块，OFDM调制模块，上变频模块，数字滤波模块、USB接口模块等。其中信道编码模块包括能量扩散、可删除型卷积编码、时间交织、频率交织等。整个编码器的输入为来自复用器的ETI帧，输出为模拟中频信号。

　　整个设计主要由PC端的软件编码和FPGA端的IFFT模块设计以及USB模块和DAC模块的PCB设计组成。PC端主要实现ETI帧的解复用，信道编码以及DQPSK调制，通过USB接口将调制后的数据传输到FPGA端，FPGA端接收数据并交由IFFT模块进行IFFT变换，这是实现OFDM（正交频分复用）的主要方法。IFFT输出的数据通过IF上变频器将基带信号变为中频，经数字滤波后送给DAC模块。最后，DAC模块将数字信号转换成模拟信号送入发射机，通过发射机发射出来，频率从BANDIII（165-240Mhz）到L波段（1452-1492Mhz）都可选。

　　PC端软件设计

　　PC端软件主要实现ETI帧的解复用，信道编码（包括能量扩散，卷积编码，时间交织，频率交织），DQPSK调制。同时，通过厂商提供的驱动程序实现USB数据传输及USB模块的控制，以及提供PC人机界面，用户可以选择要传送的ETI节目并可设定其传送模式。

　　（1） 解ETI帧：一个ETI帧中主要包括帧头信息（本帧及帧内各子通道的相关信息）和主业务流数据MST（包括音频数据码流和快速数据通道FIC）。首先我们需要将传输进来的ETI帧的同步信息和帧长信息提取出来，便于找到帧头。再根据ETI帧格式，提取FIC信息和主业务数据流信息。

　　（2） 信道编码：从ETI帧中提取出来的FIC数据和主业务流数据，将其进行能量扩散，再根据提取的各子信道保护等级信息，对各业务成分按保护等级进行可删除型卷积编码，然后对主业务数据进行时间交织，交织后的主业务数据复合成主业务信道（MSC）的CIF帧，FIC信息不经过时间交织，与CIF帧一起复合成DAB传输帧。同时，在PC端还实现了对DAB传输帧进行频率交织。

　　（3） DQPSK调制：数据信息在进行频率交织后，根据各载波的初始相位进行DQPSK调制，得到每个载波的调制相位信息。

　　（4） USB传输控制：DQPSK调制后的DAB帧通过USB接口传输到FPGA上的IFFT硬件模块。根据厂家提供的USB驱动编写相应的USB数据传输程序。

　　FPGA端的设计

　　FPGA端主要实现IFFT（反傅立叶变换）运算，IF上变频器和数字滤波器。将PC传送来的DAB帧相位信息进行IFFT运算，完成OFDM调制，然后将调制后的基带信号经变频器变为中频信号，滤波后送给DAC模块。由于要接收来自USB模块的数据，所以FPGA上还需要一个USB接口模块。同时，在USB接口模块和IFFT模块之间需要一个内部RAM作为buffer缓冲区，IFFT运算后，数据存储到一个2048*24位的双口RAM空间，经变频和滤波后，通过DAC接口模块输出给DAC模块。IFFT运算模块，USB接口模块，上变频模块、DAC接口模块，这几个模块是通过ALTERA内嵌的NIOSII软核处理器来控制的，在FPGA上构建了一个SOPC（System On Programmable Chip）系统。FPGA设计结构如图3所示。

　　考虑到本设计所占用资源，包括逻辑单元、嵌入式存储器的多少，以达到资源充分利用，选用了ALTERA公司的Cyclone II系列FPGA EP2C20开发板，此款开发板具有512KByte的片外RAM空间，可以作为NIOS的程序存储器和USB接口的数据缓冲区，以保证数据的实时传输。FPGA各模块设计综合后占用了15000多个逻辑单元（含NIOSII模块）， 占用了82%（52个M4K）的存储器位，整个系统使用65.536MHz的时钟，有效地利用了开发板的资源，结果良好。

　　PCB的设计

　　PCB的设计包含USB模块和DAC模块两部分。

　　（1） USB模块主要是实现PC与FPGA之间的高速通信，考虑到传输速度要达到300KB/s才能实现数据的实时传输，所以选用了FT245BL作为USB接口芯片。

　　（2） DAC模块是为了将数字滤波器输出的数字信号转换成模拟信号。编码器输出的是数字的中频信号，采样频率16.384MHz，带宽1.536MHz。经过DAC转成模拟信号后还需要对其放大，滤波，最后输出峰峰值为1V的DAB模拟中频信号。

　　本文小结

　　本文介绍了基于PC和FPGA的DAB发射系统编码器的设计，通过软件实现了DAB发射系统OFDM调制前的信道编码，经试验测试能够对2.048Mb/s的ETI数据流进行实时的信道编码，同时通过USB接口传输给FPGA上OFDM模块的数据率可达到320KB/s，满足了实时的要求。最后，DAC模块输出的模拟信号经过SMA连接头送入DAB发射机。图4为DAB发射系统编码器实物图。事实证明，将信道编码部分放在PC端是简单有效的实现办法，用FPGA来实现信道编码部分将是下一步的工作。