盧起斌，趙長(zhǎng)青，李正祥

(中國(guó)傳媒大學(xué)廣播電視數(shù)字化教育部工程研究中心，北京100024)

傳統(tǒng)模擬調(diào)幅廣播(AM)自身存在傳輸質(zhì)量差、業(yè)務(wù)單一、易被干擾等缺點(diǎn)，隨著衛(wèi)星廣播、數(shù)字音頻廣播DAB(Digital Audio Broadcasting)、有線電視以及國(guó)際互聯(lián)網(wǎng)(Internet)等多媒體技術(shù)的發(fā)展，中短波調(diào)幅廣播的數(shù)字化已經(jīng)成為迫切需求，DRM(Digital Radio Mondiale)技術(shù)正是在這樣的背景下發(fā)展起來(lái)的。數(shù)字調(diào)幅廣播DRM(ETSI ES 201 980)標(biāo)準(zhǔn)是世界數(shù)字調(diào)幅廣播組織DRM(Digital Radio Mondiale)確立的30 MHz以下數(shù)字調(diào)幅廣播標(biāo)準(zhǔn)［1］，能夠同時(shí)應(yīng)用于長(zhǎng)、中、短波頻段的非專利的數(shù)字廣播系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)。DRM很好地解決了模擬調(diào)幅廣播的數(shù)字化問(wèn)題，充分利用了數(shù)字音頻壓縮技術(shù)和數(shù)字編碼傳輸技術(shù)的最新成果，不但保留了模擬AM廣播的傳統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)，如業(yè)務(wù)覆蓋范圍大，可適應(yīng)移動(dòng)接收等，而且顯著提高了AM廣播的聲音質(zhì)量，抗干擾能力大大加強(qiáng)，擴(kuò)展了單一的業(yè)務(wù)，被認(rèn)為是目前傳統(tǒng)AM廣播的最好替代者［2］。另外DRM標(biāo)準(zhǔn)可以實(shí)現(xiàn)當(dāng)前AM發(fā)射系統(tǒng)到DRM系統(tǒng)的平穩(wěn)過(guò)渡，給運(yùn)營(yíng)商和設(shè)備制造商帶來(lái)成本節(jié)約。

本設(shè)計(jì)中DRM接收機(jī)的接收前端將模擬前端送來(lái)的射頻信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成可以進(jìn)行數(shù)字化處理的數(shù)字信號(hào)，在性能足夠的處理器中進(jìn)行下變頻和下采樣處理，然后送給計(jì)算機(jī)裝載的軟件接收機(jī)運(yùn)行解碼等操作，將DRM數(shù)字信號(hào)還原為音頻信號(hào)和數(shù)據(jù)信號(hào)。

1 DRM接收前端整體設(shè)計(jì)

在現(xiàn)有條件下DRM接收機(jī)比較容易實(shí)現(xiàn)的接收方法之一是硬件接收前端下變頻和基于PC的軟件解調(diào)。該類型DRM接收機(jī)主要包括射頻前端、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、FPGA和基于PC的接收軟件平臺(tái)。其中FPGA主要完成數(shù)字下變頻，下采樣濾波等功能;PC機(jī)主要完成接收機(jī)的基帶信號(hào)處理部分，恢復(fù)音頻信號(hào)。

DRM接收機(jī)簡(jiǎn)單框圖如圖1所示，對(duì)于DRM接收機(jī)來(lái)說(shuō)，其接收性能很大程度上由硬件接收前端性能決定，所以前端設(shè)計(jì)是DRM接收機(jī)的設(shè)計(jì)重點(diǎn)［3］。本設(shè)計(jì)主要完成了硬件接收前端模塊，并通過(guò)PCM2902E完成向計(jì)算機(jī)傳輸基帶信號(hào)。

圖1 DRM接收機(jī)框圖

2 A/D采樣

本設(shè)計(jì)將射頻前端送來(lái)的低射頻信號(hào)直接進(jìn)行A/D采樣，所以選用性能優(yōu)異的 AD9220器件，AD9220是ADI公司一款高性能、低功耗的12 bit模數(shù)轉(zhuǎn)換器件，采用單電源供電，轉(zhuǎn)換速率可高達(dá)10.0 MSPS［4-5］，具有真12 bit線性度和溫度漂移性能以及11.5 bit或更佳的交流性能，其內(nèi)置片內(nèi)高性能、低噪聲采樣保持放大器和可編程基準(zhǔn)電壓源，或配置外部基準(zhǔn)電壓，以滿足應(yīng)用的直流精度與溫度漂移要求。AD9220特別適用于下變頻的通信系統(tǒng)，因?yàn)樵诓罘州斎肽Ｊ较?，采樣保持放大?SHA)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)超過(guò)其額定奈奎斯特頻率的出色動(dòng)態(tài)性能。設(shè)計(jì)中，選用位寬較寬的AD9220，可以完成一定范圍的數(shù)字AGC，利于簡(jiǎn)化電路的硬件設(shè)計(jì)。

AD9220具有單端輸入或差分輸入的靈活方式，本設(shè)計(jì)采用差分模擬輸入，因此需要將單端輸入轉(zhuǎn)化成差分輸入，在應(yīng)用里，一個(gè)帶有中間抽頭的RF變壓器就是產(chǎn)生差分輸入的最好方式。如圖2所示，這種輸入方式不但不會(huì)帶來(lái)額外的噪聲和失真，而且還能起到隔離信號(hào)源的作用。

圖2 AD9220變壓器耦合輸入

3FPGA控制器

采樣數(shù)字信號(hào)進(jìn)入FPGA后，首先完成數(shù)字下變頻，產(chǎn)生12 kHz的中頻信號(hào)，然后進(jìn)行抽取濾波，降低到48 kHz的采樣率，最后進(jìn)行雙相位標(biāo)志碼編碼，發(fā)送給帶有S/PDIF輸入接口的PCM9202E聲卡芯片。

3.1 數(shù)字下變頻

A/D采樣的數(shù)字信號(hào)，其采樣速率非常高，不利于直接送到PC機(jī)進(jìn)行軟件處理，需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行下變頻和抽取濾波處理變?yōu)?8 kHz采樣率的中頻信號(hào)，以利于PC機(jī)的解調(diào)。數(shù)字下變頻DDC(Digital Down Converter)技術(shù)是軟件無(wú)線電的核心技術(shù)，包括數(shù)字混頻器、數(shù)控振蕩器和抽取濾波器［6］。基本結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 下變頻結(jié)構(gòu)圖

數(shù)字下變頻(DDC)是緊接著A/D變換后進(jìn)行的數(shù)字信號(hào)變換，是整個(gè)系統(tǒng)中數(shù)字運(yùn)算量最大的一部分。數(shù)控振蕩器(NCO)產(chǎn)生本振信號(hào)，與高頻采樣信號(hào)相乘，進(jìn)行混頻產(chǎn)生12 kHz的中頻信號(hào)，其中，NCO的頻率可調(diào)，以適應(yīng)不同頻率的射頻信號(hào)，保證產(chǎn)生固定12 kHz的中頻信號(hào)。NCO本振通過(guò)DDS來(lái)產(chǎn)生，DDS是直接頻率合成技術(shù)(Direct Digital Frequency Synthesis)，與傳統(tǒng)的頻率合成器相比，直接數(shù)字頻率合成(DDS)技術(shù)具有成本低、頻率精度高以及轉(zhuǎn)換時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)。

混頻后的中頻信號(hào)仍然具有很高的采樣率，需要進(jìn)行下采樣抽取。信號(hào)的載波頻率fc=12 kHz，帶寬B=9 kHz，所以截止頻率f=fc+B/2=16.5 kHz。根據(jù)采樣定理，采樣率fs＞=2f=33 kHz。為滿足PCM2902E對(duì)采樣速率的要求，選擇降低到48 kHz的采樣率，這里采用適合高速率抽取的CIC濾波器來(lái)進(jìn)行下采樣。CIC濾波器常應(yīng)用于高速抽取下采樣系統(tǒng)中，沒(méi)有乘法運(yùn)算單元，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能對(duì)高采樣率數(shù)據(jù)進(jìn)行任意抽取因子的抽取。高采樣率數(shù)據(jù)通過(guò)CIC濾波器抽取降到較低速率后送給HB濾波器，HB濾波器帶內(nèi)平坦度好，計(jì)算效率高，特別適合抽取因子等于2的冪次方抽取運(yùn)算，經(jīng)過(guò)HB濾波器進(jìn)一步的抽取和抗混疊濾波，提取出有用信號(hào)［7］，完成下變頻功能。

3.2 S/PDIF輸出

本文采用了S/PDIF(Sony/Philips Digital Interface Format)這種被廣泛應(yīng)用的數(shù)字音頻接口，是AES/EBU民用格式，被廣泛應(yīng)用于CD機(jī)，DAT和一些計(jì)算機(jī)聲卡上。下面介紹它的編碼格式和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，S/PDIF的音頻格式可以從16 bit擴(kuò)展到24 bit，它所支持的信號(hào)采樣率為32 kHz，44.1 kHz和48 kHz。IEC 60958標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范S/PDIF傳輸中的數(shù)字信號(hào)采用“雙相位標(biāo)志碼”(Biphase Mark Code)，簡(jiǎn)稱BMC，是一種相位調(diào)制(Phase Modulation)的編碼方法［8］，將時(shí)鐘信號(hào)和數(shù)據(jù)信號(hào)混合在一起傳輸?shù)木幋a方式。

編碼原理是在時(shí)鐘信號(hào)的作用下，用電平跳變來(lái)表示1或者0的編碼，把一位邏輯數(shù)據(jù)分為兩位邏輯電平，當(dāng)數(shù)據(jù)為1時(shí)在其時(shí)鐘周期內(nèi)轉(zhuǎn)變兩次電平，讓數(shù)據(jù)變成兩個(gè)不同電平的碼元，變成10或01，而當(dāng)數(shù)據(jù)為0時(shí)則轉(zhuǎn)變一次電平，變成11或00，與前一碼元比較都發(fā)生跳變，如圖4所示。由于每一位編碼中都有跳變，不存在直流分量，因此BMC碼具有很好的自同步能力和抗干擾性能，但是由于每一個(gè)碼元都被表示成兩個(gè)電平，所以數(shù)據(jù)的傳輸速率只有原來(lái)速率的一半。此外有關(guān)S/PDIF幀結(jié)構(gòu)的內(nèi)容可參見(jiàn)文獻(xiàn)［8］。

圖4 雙相位標(biāo)志碼

4PCM2902E聲卡

本設(shè)計(jì)選用帶有S/PDIF輸入接口的一款音頻編解碼器 PCM2902E［9］，PCM2902E 是一種由 USB總線供電的音頻編解碼器，內(nèi)部集成的16 bit Delta-Sigma結(jié)構(gòu)的ADC和DAC可以實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)的輸入輸出，一個(gè)S/PDIF數(shù)字解碼器和一個(gè)S/PDIF數(shù)字編碼器可以接收發(fā)送S/PDIF數(shù)字信號(hào)，片上集成了 USB接口全速收發(fā)器，數(shù)據(jù)接收接口符合USB1.1標(biāo)準(zhǔn)，PCM2902E的D+引腳與VDDI引腳之間的1.5 k上拉電阻使PCM2902E的USB接口以全速狀態(tài)工作，如圖5。PCM2902E內(nèi)部采用TI采樣周期適應(yīng)性控制跟蹤系統(tǒng)(SpAct)，片上模擬鎖相環(huán)能夠抑制時(shí)鐘抖動(dòng)，降低噪聲［10］。

圖5 PCM2902E總線供電配置電路圖

PCM2902E輸入信號(hào)可以自動(dòng)選擇為S/PDIF輸入或者ADC的模擬輸入，當(dāng)器件檢測(cè)到S/PDIF輸入數(shù)據(jù)并且成功鎖定數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)源自動(dòng)轉(zhuǎn)向?yàn)镾/PDIF輸入，否則，數(shù)據(jù)源選擇為ADC的模擬輸入。本設(shè)計(jì)采用S/PDIF接口輸入數(shù)據(jù)，USB輸出數(shù)據(jù)到PC機(jī)，最后由PC機(jī)進(jìn)行軟件解調(diào)，恢復(fù)出音頻及其他數(shù)據(jù)信息。PCM2902E連上PC機(jī)的USB接口，操作系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)檢測(cè)到USB設(shè)備并安裝好驅(qū)動(dòng)程序，不需要設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)專門的驅(qū)動(dòng)程序，從而降低了設(shè)計(jì)工作量，提高了開(kāi)發(fā)效率。

5 接收前端實(shí)物圖及測(cè)試結(jié)果

接收前端下變頻采集卡實(shí)物圖如圖6所示，輸入射頻信號(hào)為1 MHz，采樣時(shí)鐘為6.144 MHz，經(jīng)過(guò)CIC濾波器8倍抽取，F(xiàn)IR濾波器16倍抽取濾波變?yōu)?8 kHz采樣率的中頻信號(hào)，PC機(jī)接收端輸出頻譜如圖7所示。

圖6 電路實(shí)物圖

圖7 接收信號(hào)頻譜圖

6 結(jié)論

基于PCM2902E的高性能硬件接收前端采集卡實(shí)現(xiàn)了廣播信號(hào)的采集，數(shù)字信號(hào)下變頻以及USB傳送的功能，適應(yīng)了DRM接收機(jī)系統(tǒng)的功能需求，通過(guò)PC機(jī)裝載的DRM接收軟件，驗(yàn)證了算法和電路設(shè)計(jì)的正確性，實(shí)現(xiàn)了DRM接收機(jī)前端的基本功能。本設(shè)計(jì)已經(jīng)應(yīng)用于DRM廣播的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，性能良好，運(yùn)行穩(wěn)定。

［1］Digital Radio Mondiale(DRM);System Specification.ETSI ES 201 980 V2.1.1，2004.

［2］李江，呂銳，楊占昕.數(shù)字調(diào)幅廣播(DRM)技術(shù)與應(yīng)用研究［J］.中國(guó)傳媒大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2008(2):1-5.

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［4］Analog Devices Inc.AD9220 DataSheet［EB/OL］.2003.http://www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/AD9221_9223_9220.pdf.

［5］劉靜.某雷達(dá)A/D轉(zhuǎn)換器AD9220及其應(yīng)用［J］.火控雷達(dá)技術(shù)，2003，32(3):26-28.

［6］徐小明，蔡燦輝.基于FPGA的數(shù)字下變頻(DDC)設(shè)計(jì)［J］.通信技術(shù)，2011，44(10):19-21.

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［9］BB Company.PCM2902E datasheet［EB/OL］.2008.http://www.ti.com.cn/cn/lit/ds/symlink/pcm2902.pdf.

［10］張正華，王豐碩.基于PCM2902的高性能音頻接口卡的研制［J］.電聲技術(shù)，2008(12):35-37.

［11］李棟.數(shù)字多媒體廣播［M］.電子工業(yè)出版社，2010.

［12］楊小牛，樓才義，徐建良.軟件無(wú)線電技術(shù)與應(yīng)用［M］.北京理工大學(xué)出版社，2010.