衛(wèi)中陽，張紅升，馬小東，易勝宏

(重慶郵電大學(xué) 光電工程學(xué)院，重慶 400065)

0 引言

應(yīng)急通信廣播系統(tǒng)作為緊急情況發(fā)生后傳播信息的重要途徑，屬于民生重大工程。應(yīng)急廣播在實現(xiàn)向廣大群眾傳遞信息的同時，還能實現(xiàn)信息以及資源共享。應(yīng)急廣播已被列入“十四五”發(fā)展規(guī)劃，來構(gòu)建國家應(yīng)急廣播體系[1]。在應(yīng)急廣播中，短波波段的數(shù)字化廣播能夠減少傳輸失真，具有抗干擾能力強、便于儲存、頻譜利用率高和覆蓋范圍廣的特點，是應(yīng)急廣播建設(shè)的重點方向[2]。近年來，國家重點研發(fā)計劃發(fā)布“重大自然災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警與防范”重點專項，明確將短波技術(shù)用于大尺度區(qū)域重大自然災(zāi)害的應(yīng)急通信。目前,國產(chǎn)化的數(shù)字短波發(fā)射裝備較少，用于民用級應(yīng)急通信的幾乎沒有?，F(xiàn)有的商業(yè)級數(shù)字廣播發(fā)射機主要采用歐洲的數(shù)字短波廣播(Digital Radio Mondiale，DRM)標(biāo)準(zhǔn)，包括Ampegon,Fraunhofer,Nautel等。這些商業(yè)級廣播電臺，雖然性能比較穩(wěn)定，但體積龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，使得成本高昂[3]。主要原因在于基帶信號處理部分的集成度不高，系統(tǒng)功能冗雜造成發(fā)射機的體積與成本難以有效降低。同時，短波天波通信中電離層的高度和電子密度是隨著日照強度而日夜變化，使得短波傳輸出現(xiàn)頻率選擇性衰落，影響短波通信性能[4]。綜上，在重大自然災(zāi)害下的應(yīng)急通信中，數(shù)字短波發(fā)射系統(tǒng)應(yīng)具備高集成度、便攜性、可重構(gòu)特性以適應(yīng)多種復(fù)雜嚴(yán)峻的工作場景。針對上述需求，本文提出設(shè)計高集成度的數(shù)字短波基帶調(diào)制系統(tǒng)，借助片上系統(tǒng)(System on Chip，SoC)技術(shù)實現(xiàn)數(shù)字短波發(fā)射系統(tǒng)的高集成化。此方案可降低數(shù)字短波發(fā)射系統(tǒng)的體積與成本，并具備重構(gòu)發(fā)射頻點的特性，更適合應(yīng)用于應(yīng)急通信下的DRM發(fā)射系統(tǒng)。

1 數(shù)字短波基帶系統(tǒng)

根據(jù)國際數(shù)字短波信息傳輸標(biāo)準(zhǔn)，DRM是用于30 MHz以下AM廣播頻段的數(shù)字廣播。相較于傳統(tǒng)模擬短波廣播，由于DRM采用正交頻分復(fù)用 (OFDM)多載波調(diào)制技術(shù)而具有更高的聲音質(zhì)量、更多的業(yè)務(wù)類型以及更強的抗干擾能力。

DRM的基帶信號生成流程如圖1所示。經(jīng)過編碼后的信息源數(shù)據(jù)通過復(fù)合數(shù)據(jù)接口送給數(shù)字短波調(diào)制模塊進(jìn)行處理，完成數(shù)字短波基帶信號的生成[5]。

圖1 基帶信號生成流程Fig.1 Baseband signal generation process

軟件編碼部分可按照國際DRM通用協(xié)議的規(guī)定進(jìn)行信源編碼、信道編碼，組合生成數(shù)據(jù)傳輸幀。數(shù)字短波發(fā)射系統(tǒng)中應(yīng)用了頻帶恢復(fù)技術(shù)，可以在低比特率的情況下獲得完全音頻帶寬的音頻編碼增強辦法[6]。發(fā)射系統(tǒng)端的傳輸幀復(fù)用器將編碼后的數(shù)據(jù)復(fù)用在一起，按協(xié)議規(guī)定分別經(jīng)過m-QAM星座映射后再通過FPGA硬件進(jìn)行IFFT運算，生成數(shù)字短波基帶信號。本文主要對硬件部分OFDM多載波調(diào)制以及整個發(fā)射系統(tǒng)結(jié)構(gòu)搭建進(jìn)行研究。

本文提出如圖2所示的DRM發(fā)射系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，在該結(jié)構(gòu)中將整個發(fā)射系統(tǒng)分為3個部分[7]：軟件信息編碼部分、OFDM調(diào)制與數(shù)字上變頻組成的硬件發(fā)射機部分,以及功放和天線部分。

圖2 數(shù)字短波發(fā)射系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of digital HF transmitting system

編碼軟件完成信道編碼與數(shù)據(jù)傳輸幀的合成，通過軟件編碼實現(xiàn)能量擴散、可刪除型卷積編碼、時間交織和頻率交織[8]。使用軟件來實現(xiàn)這些功能主要是為了節(jié)省硬件成本，降低系統(tǒng)復(fù)雜度，減少邏輯電路的使用，達(dá)到系統(tǒng)最優(yōu)化。

由于在大尺度區(qū)域的應(yīng)急通信中，對發(fā)射系統(tǒng)的集成度、可重構(gòu)性提出了要求。在本文方案中，OFDM調(diào)制與整個發(fā)射系統(tǒng)的控制可以在帶ARM硬核的Zynq開發(fā)板上實現(xiàn)[9-13]。數(shù)字基帶信號輸出到專用可配置的AD9957上變頻芯片中，變?yōu)槟M輸出信號，再經(jīng)過信號功率放大，通過天線向外部發(fā)送，上變頻芯片的可配置屬性使得發(fā)射系統(tǒng)具備可重構(gòu)特性。同時，采用此方案可以較大地減少外圍電路以縮減硬件規(guī)模，可在一塊單板上實現(xiàn)整個發(fā)射系統(tǒng)硬件集成互聯(lián)，達(dá)到提高數(shù)字短波發(fā)射系統(tǒng)集成度的目的。

2 基帶調(diào)制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 OFDM調(diào)制電路設(shè)計

DRM采用多載波調(diào)制進(jìn)行信息傳輸，如表1所示，DRM傳輸協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)對多個關(guān)鍵傳輸參數(shù)做了詳細(xì)定義說明。

表1 數(shù)字短波協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)Tab.1 Digital HF protocol standard

如表1所示，該模式下的數(shù)字短波信號頻譜帶寬為10 kHz，帶寬里包含206個相互正交的載波，單個載波帶寬為46.88 Hz。數(shù)字短波基帶信號傳輸采用OFDM調(diào)制，調(diào)制過程就是把一個OFDM符號數(shù)據(jù)分配到各個子載波上，實現(xiàn)基帶信號復(fù)合信息調(diào)制。

根據(jù)數(shù)字短波傳輸標(biāo)準(zhǔn)，本文在OFDM調(diào)制模塊中設(shè)計了256點的IFFT硬件運算電路，該模塊的信號處理流程如圖3所示。本設(shè)計的優(yōu)勢在于采用模塊化思想，將實現(xiàn)OFDM調(diào)制功能的一系列電路集成為一個模塊，后續(xù)可通過軟件封裝為OFDM調(diào)制IP，從而作為一個DRM發(fā)射系統(tǒng)的專用基帶調(diào)制IP來使用。

圖3 OFDM調(diào)制模塊結(jié)構(gòu)Fig.3 OFDM modulation module structure

OFDM調(diào)制模塊工作流程為：將接收到的外部模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)存入內(nèi)部RAM中，調(diào)制模塊在收到調(diào)制開始信號后，將存入RAM中的數(shù)據(jù)開始讀出到IFFT運算電路中。在完成一個OFDM符號數(shù)據(jù)讀入后，開啟IFFT運算，得到運算結(jié)果后還需添加循環(huán)前綴、調(diào)整信號輸出順序等，最終輸出符合AD9957上變頻器件工作時序的基帶I/Q信號。該調(diào)制模塊中包含了狀態(tài)控制寄存器和控制寄存器，狀態(tài)寄存器用于外部處理器讀出基帶信號處理IP中的工作狀態(tài)、傳輸模式、幀傳輸計數(shù)和OFDM符號傳輸計數(shù)等信息?？刂萍拇嫫髦饕糜谔幚砥鲗鶐盘柼幚鞩P中傳輸模式控制、啟動工作控制以及清除狀態(tài)寄存器中數(shù)據(jù)的控制。

出于高集成度的要求考慮，通過參考多款成熟的帶ARM硬核的FPGA，選用Xilinx旗下Zynq系列開發(fā)板。該開發(fā)板具有較高的集成度以及豐富的外設(shè)資源，符合本文高集成度、小型化的開發(fā)目標(biāo)?；鶐盘柼幚鞩P里面的寄存器接口以及內(nèi)存接口都滿足AXI總線協(xié)議時序，需符合Zynq的接口互聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)。把整個輸入數(shù)據(jù)經(jīng)過一系列運算變換,得到的輸出為I/Q信號的OFDM多載波調(diào)制模塊封裝為遵循AXI協(xié)議的外設(shè)IP模塊。將該基帶處理IP添加進(jìn)設(shè)計IP庫中即可被SoC硬件系統(tǒng)調(diào)用。處理器能夠通過內(nèi)存接口訪問RAM，也可以通過寄存器接口訪問OFDM調(diào)制IP的控制寄存器和狀態(tài)寄存器

2.2 SoC搭建

SoC有2個顯著的特點：① 硬件規(guī)模龐大，通?；贗P設(shè)計模式；② 軟件比重大，需要進(jìn)行軟硬件協(xié)同設(shè)計。本設(shè)計的數(shù)字短波基帶調(diào)制系統(tǒng)采用SoC構(gòu)架，通過內(nèi)嵌ARM處理器對所有模塊進(jìn)行協(xié)調(diào)控制。設(shè)計中的處理器只做少量的數(shù)據(jù)解析和配置[14]，占絕大部分運算量的OFDM調(diào)制模塊則通過全硬件的方式設(shè)計。其中，本設(shè)計的數(shù)字短波發(fā)射系統(tǒng)的基帶調(diào)制芯片架構(gòu)如圖4所示。傳輸幀數(shù)據(jù)在物理傳輸層通過USB接口傳遞ARM硬核處理器，由嵌入式軟件完成傳輸幀解析，整理出每個調(diào)制符號內(nèi)待調(diào)制的數(shù)據(jù)。待調(diào)制數(shù)據(jù)通過AXI互聯(lián)總線寫入到系統(tǒng)的BRAM中，其中BRAM采用位寬為8 bit，深度為1 024的IP核,ARM硬核處理器能夠通過總線控制BRAM讀IP，將BRAM中的數(shù)據(jù)讀到OFDM調(diào)制IP中。待調(diào)制數(shù)據(jù)通過總線送入OFDM調(diào)制電路后，經(jīng)過256點IFFT運算、循環(huán)前綴添加等數(shù)據(jù)處理后，最終通過上變頻接口電路輸出數(shù)字I/Q信號。

圖4 基帶調(diào)制SoC架構(gòu)Fig.4 Baseband modulation SoC architecture

該SoC集成了從傳輸幀輸入到數(shù)字基帶I/Q信號輸出的全部功能。由于短波信號的傳輸質(zhì)量易受到頻率選擇性的影響，通過系統(tǒng)SPI接口配置AD9957上變頻器件電路，實現(xiàn)在短波波段上變頻頻點的可重構(gòu)，增強數(shù)字短波傳輸質(zhì)量,以有效應(yīng)對短波頻段頻率選擇性的影響[15]。數(shù)據(jù)處理流程的設(shè)計能夠一定程度上提高芯片集成度，減少SoC總線開銷，降低芯片電路規(guī)模和硬件成本，更符合應(yīng)急通信場景下的限制性要求。

2.3 SDK軟件設(shè)計

DRM發(fā)射系統(tǒng)控制程序的開發(fā)在Vivado軟件下的SDK開發(fā)工具中完成，通過C語言程序編寫來控制整個發(fā)射系統(tǒng)的工作流程?？傇O(shè)計中采用“自底向上”的設(shè)計思路，先局部、再整體，對每個子程序都規(guī)定其功能，明確輸入輸出[16]。將控制程序按照如圖5所示的順序，構(gòu)成整體程序流程圖。

圖5 主程序控制流程Fig.5 Control flow of main program

應(yīng)用控制程序首先完成對所有FPGA外設(shè)的虛擬地址分配，其中包括DRM基帶處理IP、外設(shè)MIO口和SPI主設(shè)備等。第一步完成后，ARM硬核處理器通過SPI接口對上變頻電路AD9957芯片內(nèi)部的寄存器進(jìn)行讀寫配置，可通過寫入與讀出的寄存器值對比來判斷是否正確配置上變頻電路。應(yīng)用程序完成AD9957配置后，數(shù)據(jù)緩沖池BRAM持續(xù)接收AXI總線傳輸過來的編碼數(shù)據(jù)，待存滿后啟動，將數(shù)據(jù)送入DRM基帶處理IP內(nèi)部的 RAM里，然后開啟基帶處理IP進(jìn)行多載波調(diào)制。由于基帶處理IP中設(shè)計了一個運算完成標(biāo)志的狀態(tài)寄存器，可通過讀取該寄存器的值判斷工作狀態(tài)，當(dāng)完成了一個OFDM符號的數(shù)據(jù)調(diào)制后，再將一個OFDM符號數(shù)據(jù)從緩沖池BRAM中讀入到基帶處理IP的內(nèi)部RAM中，如此循環(huán)運行。

3 系統(tǒng)仿真與測試

3.1 IFFT模塊仿真分析

該硬件模塊為一個基2的256點IFFT運算電路，輸入數(shù)據(jù)處理按照流水線模式，在運算輸出周期中，每個時鐘周期都輸出一點的運算結(jié)果。該硬件電路輸入到輸出的潛在延遲為580個時鐘周期，其中從輸入數(shù)據(jù)到全部數(shù)據(jù)輸出的延遲為839個時鐘周期。將時鐘的頻率設(shè)置為10 MHz，則計算一個OFDM符號結(jié)果的時間為83.9 μs，遠(yuǎn)小于協(xié)議中OFDM符號持續(xù)時間，滿足設(shè)計要求。

將硬件模塊仿真中數(shù)據(jù)的實部與虛部輸入到Matlab中進(jìn)行仿真，IFFT256算法的硬件與軟件仿真輸出的結(jié)果如圖6所示。對比輸出結(jié)果可知，軟件與硬件的輸出波形基本一致，證明硬件邏輯正確。

本設(shè)計采用Zynq系列的ZedBoard開發(fā)板作為硬件電路驗證平臺，該開發(fā)板主芯片的型號為xc7z020clg484-1。Vivado軟件邏輯綜合顯示該256點IFFT運算模塊使用3 260個邏輯單元，1個DSP48塊以及2.5 kB的RAM。

3.2 SoC仿真

本設(shè)計需要在Vivado軟件block design中完成整體SoC的搭建，將系統(tǒng)模塊與自主設(shè)計的基帶信號調(diào)制IP以及其他外設(shè)控制模塊組合互聯(lián)為一個完整的系統(tǒng)。通過Vivado軟件自帶的集成邏輯分析儀(ILA)來完成SoC內(nèi)部信號的抓取與分析。調(diào)試采用SDK軟件與硬件聯(lián)合調(diào)試的方式進(jìn)行，通過設(shè)置敏感信號觸發(fā)條件來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時抓取。對數(shù)據(jù)在BRAM中的寫入讀取測試如圖7所示。

由圖7可以看出，SoC中BRAM上的數(shù)據(jù)可以被正常讀取到OFDM調(diào)制IP的RAM中，讀出信號與軟件控制寫入的數(shù)據(jù)一致，說明該數(shù)據(jù)通路系統(tǒng)功能正確。

圖7 ILA測試結(jié)果Fig.7 ILA test results

本文主要研究高集成度DRM基帶調(diào)制電路設(shè)計，其中電路的輸出是并行的I/Q數(shù)據(jù)。經(jīng)過OFDM調(diào)制后的I路與Q路數(shù)據(jù)需要交錯輸出，以符合上變頻器件的輸入接口時序。按照數(shù)字短波傳輸協(xié)議，在Matlab中搭建軟件仿真模型，并加入測試向量，Matlab仿真得到基帶I/Q并行輸出的仿真結(jié)果如圖8(a)所示?；鶐盘枖?shù)據(jù)輸出形式為交錯的實部與虛部數(shù)據(jù)，由于采用并行I/Q輸出的方式，一個OFDM符號調(diào)制后的數(shù)據(jù)從256個復(fù)數(shù)變?yōu)?12個并行I/Q路數(shù)據(jù)。OFDM傳輸系統(tǒng)中為了減少多徑效應(yīng)的影響，需要添加循環(huán)前綴，圖8(b)為循環(huán)前綴添加后的基帶數(shù)據(jù)輸出。在連續(xù)輸出的640個數(shù)據(jù)中，前128個數(shù)據(jù)是數(shù)字短波傳輸協(xié)議中規(guī)定循環(huán)前綴，而后512個數(shù)據(jù)為一個OFDM符號的I路與Q路交錯輸出的數(shù)據(jù)。該循環(huán)前綴通過復(fù)制輸出OFDM調(diào)制數(shù)據(jù)的后1/4，并添加到OFDM符號前端來減少信號傳輸中多徑效應(yīng)的影響。硬件仿真中，將輸入Matlab的測試向量同時也輸入到本文設(shè)計的基帶調(diào)制系統(tǒng)中，通過對比二者的輸出來判斷該基帶調(diào)制系統(tǒng)硬件邏輯是否正確。其中，硬件邏輯仿真結(jié)果如圖8(c)所示。

(a) Matlab下仿真實部數(shù)據(jù)輸出

(a) 基帶信號輸出軟件仿真

通過對二者輸出數(shù)據(jù)的對比分析能夠看出，基帶調(diào)制IP輸出的交錯I/Q信號波形與Matlab仿真輸出波形基本一致，表明該基帶調(diào)制SoC能夠?qū)崿F(xiàn)對編碼數(shù)據(jù)的OFDM多載波調(diào)制，能夠穩(wěn)定輸出基帶I/Q信號。

3.3 系統(tǒng)性能分析

本文設(shè)計的硬件系統(tǒng)在實現(xiàn)OFDM調(diào)制過程中，由于硬件電路位寬限制，將導(dǎo)致輸出數(shù)據(jù)的截位，引起精度損失。本文通過引入信噪比概念來評估所設(shè)計的DRM基帶調(diào)制器的性能，其中性能分析平臺模型如圖9所示。

圖9 性能分析平臺模型Fig.9 Performance analysis platform model

首先，需要驗證編碼數(shù)據(jù)的正確性，即確定待調(diào)制信號是否符合標(biāo)準(zhǔn)DRM傳輸協(xié)議的信號，需要將編碼信號輸入到DRM專用解調(diào)軟件中來驗證。其中，DRM信息解調(diào)軟件對編碼數(shù)據(jù)的解調(diào)結(jié)果如圖10所示，所有的編碼校驗結(jié)果都為綠色，解調(diào)軟件能夠正確解析編碼數(shù)據(jù)，證明了編碼數(shù)據(jù)的正確性。

圖10 編碼數(shù)據(jù)解調(diào)結(jié)果Fig.10 Coded data demodulation result

將通過解碼軟件驗證的編碼數(shù)據(jù)作為輸入信號，經(jīng)過本文設(shè)計的基帶調(diào)制電路，輸出得到DRM基帶信號。同時，也將編碼數(shù)據(jù)輸入到Matlab搭建的基帶調(diào)制模型中，軟件也輸出一組基帶數(shù)據(jù)。將硬件電路的輸出結(jié)果和軟件的仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，分析基帶調(diào)制器引入的系統(tǒng)噪聲。系統(tǒng)噪聲越小，表示基帶調(diào)制器的性能越好。

在本文基帶調(diào)制器設(shè)計中，系統(tǒng)信噪比等于10lg(PS/PN)，信噪比的單位為dB。在Matlab中，其中PS的函數(shù)表達(dá)為PS=(var(ifft(Data_in),而PN= mean(abs(error)).^2)，其中，error為基帶調(diào)制器的輸出結(jié)果與Matlab理論計算值之間的差值。最終，通過Matlab計算得到本文設(shè)計的DRM基帶調(diào)制器的信噪比為25.321 6 dB，相對于數(shù)字廣播通信中一般14 dB的門限噪聲標(biāo)準(zhǔn)，本文設(shè)計的DRM發(fā)射系統(tǒng)基帶調(diào)制器滿足要求。

本文提出的數(shù)字短波發(fā)射系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與部分文獻(xiàn)所設(shè)計的數(shù)字短波發(fā)射機進(jìn)行比較，在實現(xiàn)基本傳輸功能的基礎(chǔ)上，相比于文獻(xiàn)[9]中的PC+聲卡采樣的上變頻方式，本文設(shè)計采用專用上變頻芯片，具有更強的功能與穩(wěn)定性。本文的數(shù)字短波發(fā)射系統(tǒng)雖然功能不如商用發(fā)射機完善，但體積更小、集成度更高，更具備便攜性質(zhì)，更適合應(yīng)用于應(yīng)急通信下的信息傳輸。

4 結(jié)束語

出于短波應(yīng)急通信廣播的應(yīng)用情景考慮，針對性地提出了一種高集成度的數(shù)字短波發(fā)射系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并對發(fā)射系統(tǒng)的基帶調(diào)制部分進(jìn)行了設(shè)計與仿真驗證。軟件與硬件聯(lián)合仿真結(jié)果表明，硬件實現(xiàn)的OFDM調(diào)制部分邏輯正確，提出的SoC結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)基帶信號的生成，達(dá)到信號傳輸標(biāo)準(zhǔn)。 軟件控制程序設(shè)計思路正確，能夠與硬件結(jié)構(gòu)結(jié)合，穩(wěn)定輸出數(shù)字短波基帶并行I/Q數(shù)據(jù)，作為上變頻芯片電路的輸入。同時，由于提出的發(fā)射系統(tǒng)基帶調(diào)制與控制都在單塊芯片上完成，能減小發(fā)射機體積、提高整體集成度，還具備可重構(gòu)特性。本文設(shè)計為OFDM多載波通信SoC設(shè)計提供了一個基本方案，可供工程研究與應(yīng)用參考。