陳冬英，魏建崇,2

（1.福建江夏學(xué)院 電子信息科學(xué)學(xué)院，福建 福州，350108 2.福建師范大學(xué) 光學(xué)與信息工程學(xué)院，福建 福州，350108）

2013年中國國際廣播電視信息網(wǎng)絡(luò)展覽會(huì)(CCBN 2013)上，國家廣電總局明確表示，將逐步開展全國范圍的數(shù)字音頻廣播網(wǎng)的建設(shè)，并且在2016年完成全國300個(gè)地級(jí)以上城市的數(shù)字音頻廣播發(fā)射系統(tǒng)的建設(shè)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字音頻廣播在地級(jí)以上城市的全面覆蓋[1-2]。數(shù)字音頻廣播的大力發(fā)展，必將進(jìn)一步提高我國的廣播信息化水平，拉動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展，帶來巨大的商業(yè)發(fā)展空間[3-4]。

中國調(diào)頻頻段數(shù)字音頻廣播CDR(China Digital Radio)（在本文中均以CDR來表示）是適應(yīng)中國國情的最新標(biāo)準(zhǔn)，在保持?jǐn)?shù)字音頻廣播優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，還可有效地降低因多普勒頻移和多徑、突發(fā)噪聲等各種干擾源對接收音頻質(zhì)量效果的影響[5-6]；并且能有效增大頻譜的利用率，使得在一樣的射頻帶寬中，能有更多的節(jié)目內(nèi)容通過傳輸，為獲得更高級(jí)的數(shù)據(jù)及音頻業(yè)務(wù)創(chuàng)造了條件[7]。

針對我國現(xiàn)有的情況，近年來，國家廣播科學(xué)研究院在國家廣播電影電視總局的指導(dǎo)下，在國家支持自主創(chuàng)新下，吸取CMMB(China mobile multimedia broadcasting，中國移動(dòng)多媒體廣播)、地面數(shù)字電視等的研究以及產(chǎn)業(yè)化的寶貴的成功經(jīng)驗(yàn)，率先開展了中國數(shù)字音頻廣播系統(tǒng)CDR(China digital radio)即中國調(diào)頻頻段數(shù)字音頻廣播的研究[8]，目前在北京和廣東兩地已經(jīng)建立起CDR示范網(wǎng)。2013年8月調(diào)頻頻段的信道和復(fù)用兩部分的標(biāo)準(zhǔn)正式頒布，2013年廣東省的CDR覆蓋范圍測試也獲得成功。

由于CDR標(biāo)準(zhǔn)比其他標(biāo)準(zhǔn)具有更多優(yōu)點(diǎn)，成為有關(guān)業(yè)界的矚目焦點(diǎn)，但因CDR系統(tǒng)被確定為國家數(shù)字廣播的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行全網(wǎng)使用投入時(shí)間不久，各方面的研究資料比較有限，因此，本設(shè)計(jì)對其核心模塊之一的組幀模塊進(jìn)行了研究與仿真，并將其集成于一個(gè)FPGA(field-programmable gate array，即現(xiàn)場可編程門陣列）芯片上進(jìn)行系統(tǒng)的仿真，對搭建一個(gè)全面的系統(tǒng)測試環(huán)境有重大的意義，具有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值，同時(shí)也為將來在專用的集成電路芯片(ASIC)上提供了實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。

1 CDR標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)構(gòu)成及原理

2013年我國頒布了本國的數(shù)字音頻廣播標(biāo)準(zhǔn)即CDR系統(tǒng)，本設(shè)計(jì)對其信道編碼調(diào)制即基帶系統(tǒng)進(jìn)行研究與設(shè)計(jì)[9]。CDR信道物理層的編碼和調(diào)制結(jié)構(gòu)如圖1所示。對來自上層的主業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行擾碼、LDPC(low density parity check code，低密度奇偶校驗(yàn)）編碼、星座映射和子載波交織處理，而業(yè)務(wù)描述信息擾碼后和系統(tǒng)信息采用1/4卷積碼、比特交織和星座映射處理，最后與離散導(dǎo)頻完成復(fù)接后共同進(jìn)入OFDM(orthogonal frequency division multiplexing，正交頻分復(fù)用技術(shù)）調(diào)制。而后將信標(biāo)插入在已調(diào)的信號(hào)后組成一個(gè)邏輯幀，再按子幀分配構(gòu)成一個(gè)物理層的信號(hào)幀，最后通過基帶發(fā)射機(jī)進(jìn)行發(fā)射[10-11]。

2 組幀模塊的原理與設(shè)計(jì)

組幀設(shè)計(jì)是本系統(tǒng)的一個(gè)重點(diǎn)與難點(diǎn)。根據(jù)CDR標(biāo)準(zhǔn)，將已經(jīng)獲得的業(yè)務(wù)描述信息子載波、系統(tǒng)信息子載波以及主業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)信息子載波聯(lián)合離散導(dǎo)頻進(jìn)行組幀，可獲得OFDM調(diào)制前數(shù)據(jù)。子載波矩陣含有連續(xù)子載波、離散子載波和數(shù)據(jù)子載波，如何將相應(yīng)信息準(zhǔn)確放置于對應(yīng)子載波中，是本文所要設(shè)計(jì)的內(nèi)容。

2.1 頻譜模式說明

頻譜模式1是B類頻譜模板，只含有一個(gè)子帶DB3，包括它的上下半子帶均為有效子帶，DB1、DB2、DB4、DB5均為虛子帶。圖2是頻譜模式為9的頻譜示意圖，頻譜模式為1的類似，只是有效帶寬不同而已。

圖2 頻譜模式為9的頻譜示意圖

2.2 子載波索引設(shè)計(jì)

不同的傳輸模式其子載波索引是各異的，其中傳輸模式1和傳輸模式3相同。圖3～4表示各傳輸模式中OFDM符號(hào)的子載波索引圖。

圖3 傳輸模式1與3中子載波索引圖

圖4 傳輸模式2中子載波索引圖

傳輸模式1和3有2048個(gè)有效子載波，而傳輸模式2則為1024點(diǎn)。如何設(shè)計(jì)各個(gè)導(dǎo)頻放置位置，如下文所述。

2.2.1 系統(tǒng)信息元素有效子載波設(shè)計(jì)

首先，系統(tǒng)信息元素是以一個(gè)邏輯子幀，即每子載波子矩陣作為一傳輸單位。其次，下半子帶與上半子帶以一個(gè)邏輯子幀為單位，以216 bits為單位進(jìn)行填充，因此每108 bits填充于半個(gè)子帶中，依次從左至右，自上而下進(jìn)行填充到各個(gè)中。最后，把108 bits的系統(tǒng)信息進(jìn)行重復(fù)兩次放置。

具體放置的行與列，如表1～2所示。

表1 每一行中列的位置

表2 行的位置分布

以傳輸模式1為例，其中系統(tǒng)信息一個(gè)邏輯子幀子矩陣位置填充如下所示。

其中，1～27行與28～54行中的元素相同，且55～56行的元素與1～2行的元素一致。一行相當(dāng)于一個(gè)OFDM符號(hào)，一個(gè)子載波矩陣有56個(gè)OFDM符號(hào)，每個(gè)OFDM符號(hào)有242個(gè)有效子載波。

2.2.2 離散型導(dǎo)頻元素有效子載波設(shè)計(jì)

離散導(dǎo)頻在各個(gè)子矩陣中位置a行與b列的值由不同的傳輸模式而確定。

若為傳輸模式1或者3時(shí)

若傳輸模式為2時(shí)

以一個(gè)邏輯子幀子矩陣為例，傳輸模式設(shè)為1、頻譜模式設(shè)為1，對每個(gè)子矩陣，分別進(jìn)行按如上方法填充，生成長度為62的符號(hào)，依次按從左至右，自上而下的方法將各個(gè)子載波子矩陣中1～3行進(jìn)行填充，從第四行開始，按以下方法實(shí)現(xiàn)各個(gè)位置的填充，其中4≤c≤SN（56）：

若mod(c-1,3)=0，那么當(dāng)前一行所放置的離散導(dǎo)頻數(shù)據(jù)與第一行相同；

若mod(c-1,3)=1，那么當(dāng)前一行所放置的離散導(dǎo)頻數(shù)據(jù)與第二行相同；

若mod(c-1,3)=2，那么當(dāng)前一行所放置的離散導(dǎo)頻數(shù)據(jù)與第三行相同。

2.2.3 數(shù)據(jù)元素的有效子載波設(shè)計(jì)

根據(jù)CDR標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)據(jù)元素子載波放置的元素有兩種：業(yè)務(wù)描述信息元素和主業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)元素。它們的原理各不一樣。

1、業(yè)務(wù)描述信息

業(yè)務(wù)描述信息以一個(gè)邏輯幀作為傳輸單位。將完成擾碼、卷積編碼、比特交織以及星座調(diào)制處理后的業(yè)務(wù)描述信息分別放置于子載波子矩陣的指定位置，具體的業(yè)務(wù)描述信息元素的有效子載波索引如表3所示。在每個(gè)子載波子矩陣中的第1行到NSDISn行，除所有用于放置連續(xù)導(dǎo)頻和離散導(dǎo)頻以外，其他的數(shù)據(jù)元素子載波放置業(yè)務(wù)描述信息；在第NSDISn+1行開始，從第一列到第NSDISn列中除了連續(xù)導(dǎo)頻、離散導(dǎo)頻外的數(shù)據(jù)元素均放置業(yè)務(wù)描述信息。每個(gè)子矩陣的填充方式與前面的系統(tǒng)信息一樣，自左向右，自上而下。各個(gè)子矩陣之間的填充方式是先自上而下，后自左向右。

表3 子矩陣中業(yè)務(wù)描述信息的數(shù)據(jù)元素位置

2、主業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)信息

將每個(gè)子矩陣剩下的數(shù)據(jù)元素位置，用于填充主業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)元素。填充方式與業(yè)務(wù)描述信息相同。填充的數(shù)據(jù)元素中業(yè)務(wù)描述信息元素與主業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)元素的個(gè)數(shù)如表4所示，指業(yè)務(wù)描述信息，指主業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)信息：

表4 子矩陣中業(yè)務(wù)描述信息與主業(yè)務(wù)信息的數(shù)據(jù)元素個(gè)數(shù)

填充完成后的數(shù)據(jù)信息元素，還需進(jìn)行子載波交織處理，具體步驟如下：

第一步：將子載波矩陣M的某一行記為Mi（以NI=1為例）

第二步：對子載波矩陣中某一行中放置的主業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)元素進(jìn)行置換，得到

其中vci,j，（j=1）由Vi中連續(xù)的p個(gè)分量構(gòu)成（p隨著i不同而不同）

其中vch，i,j，是VCi,j的分量，中表示業(yè)務(wù)描述信息在子載波矩陣Mi,l的位置，其放置的是主業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)元素，l與j的關(guān)系如式(4)：

因 NI=1，化簡

第三步，按照行序號(hào)依次取出 Vi第 j個(gè)子向量 VCi,j，構(gòu)造一維向量 Bj=（VC1，j，VC4×（SN-NSDISN)，j即為第j個(gè)交織塊。然后將Bj進(jìn)行比特交織。

2.3 組幀模塊元素的填充設(shè)置

如前設(shè)計(jì)，完成代碼的編寫，以一個(gè)子幀為例，傳輸模式為1，頻譜模式為1，一個(gè)OFDM為2 048點(diǎn)，一邏輯子幀由1個(gè)信標(biāo)加56個(gè)OFDM符號(hào)構(gòu)成，根據(jù)B類頻譜模式OFDM符號(hào)的子載波索引表以及同步信號(hào)的子載波索引表，具體位置填充詳見標(biāo)準(zhǔn)第42～43頁。參數(shù)填充配置如表5所示。

表5 子載波元素的設(shè)計(jì)配置表

3 仿真設(shè)計(jì)與結(jié)果分析

3.1 FPGA平臺(tái)介紹

本設(shè)計(jì)的使用平臺(tái)包括MATLAB和FPGA：首先，使用美國MathWorks公司開發(fā)的MATLAB 2019仿真軟件進(jìn)行CDR基帶系統(tǒng)性能的分析與研究；其次，應(yīng)用由Xilinx公司所開發(fā)的設(shè)計(jì)軟件ISE 13.3，綜合使用 VHDL(very-high-speed integrated circuit hardware description language)與 Verilog HDL硬件語言進(jìn)行設(shè)計(jì)；最后，聯(lián)合應(yīng)用ModelSim SE 10.0c（FPGA平臺(tái)中的一個(gè)自帶仿真軟件）和MATLAB兩者仿真工具以及ISE 13.3本身具有的綜合工具分析驗(yàn)證FPGA設(shè)計(jì)的可行性。

本文選用的芯片是xc6slx150t--3fgg484，該芯片具有更大的片上存儲(chǔ)空間及更多的邏輯單元，對規(guī)模比較大的系統(tǒng)設(shè)計(jì)更合適。具體的資源情況如表6所示。

表6 xc6slx150t--3fgg484資源情況

3.2 仿真流程

具體的FPGA設(shè)計(jì)的流程如圖5所示。首先，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的劃分；接著，使用硬件輸入語言(本文綜合使用Verilog HDL和VHDL語言)對設(shè)計(jì)進(jìn)行描述輸入；而后進(jìn)行RTL(regis tertransfer level，寄存器傳輸級(jí)）邏輯綜合，繼而進(jìn)行功能仿真，判斷所編寫代碼的正確性，并完成相應(yīng)的布局布線，最后調(diào)用ModelSimSE10.0c進(jìn)行時(shí)序仿真。其中，RTL綜合與時(shí)序上的分析等工作均由EDA(electronic design automation，電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化)自帶實(shí)現(xiàn)。仿真驗(yàn)證可行后將程序下載到板上，實(shí)現(xiàn)硬件調(diào)試，本設(shè)計(jì)因工作量較大只實(shí)現(xiàn)至下載板前的仿真工作。

圖5 仿真流程圖

程序里重要變量的含義如下：

3.3 仿真結(jié)果及分析

根據(jù)上文所闡述的設(shè)計(jì)思路，在Xilinx平臺(tái)下完成設(shè)計(jì)，使用Modelsim SE 10.0c仿真軟件進(jìn)行調(diào)用程序，所得部分仿真波形如圖6所示。

圖6 成幀后的部分時(shí)序仿真圖

將獲得的數(shù)據(jù)導(dǎo)出來，結(jié)果如圖7所示（上下半子帶合并分析），圖中數(shù)字0指用于存放模擬信號(hào)的虛載波；1指放置系統(tǒng)信息的連續(xù)導(dǎo)頻，位置固定；3指放置偽隨機(jī)信號(hào)的離散導(dǎo)頻，位置離散；4指放置業(yè)務(wù)描述信息的數(shù)據(jù)導(dǎo)頻，位于每個(gè)OFDM符號(hào)的前兩行；5指放置主業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)信息的數(shù)據(jù)導(dǎo)頻，去除所有填充位置以外的數(shù)據(jù)信息元素。

圖7 成幀后部分導(dǎo)出數(shù)據(jù)

通過與MATLAB的結(jié)果進(jìn)行對比可以得出所設(shè)計(jì)結(jié)果是否符合要求，同時(shí)利用MATLAB軟件實(shí)現(xiàn)頻譜的轉(zhuǎn)換。結(jié)果表明，所有特性均符合CDR標(biāo)準(zhǔn)的特征，與MATLAB仿真結(jié)果對比兩者具有一致性，根據(jù)設(shè)置有5個(gè)子載波等級(jí)信息，證明可以根據(jù)具體的站臺(tái)及覆蓋要求來選擇不同的頻譜模式。由此表明，CDR頻譜模式具有靈活性，實(shí)現(xiàn)了AM/FM的數(shù)字頻段兼容性。

4 結(jié)語

本設(shè)計(jì)針對中國自主研發(fā)的CDR標(biāo)準(zhǔn)中組幀模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)與仿真驗(yàn)證。通過分析CDR標(biāo)準(zhǔn)中的頻譜模式，以模式1為例分別研究系統(tǒng)信息元素的有效子載波設(shè)計(jì)、離散導(dǎo)頻元素的有效子載波、業(yè)務(wù)描述信息的有效子載波的各自組幀原理，最后通過對各個(gè)子載波聯(lián)合MATLAB和ModelSim平臺(tái)對系統(tǒng)仿真。結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的組幀模式具有AM/FM的數(shù)字頻段兼容性，并驗(yàn)證了該功能模塊具有正確性以及硬件可行性，為將來系統(tǒng)在硬件平臺(tái)上的實(shí)現(xiàn)創(chuàng)造了條件。