数字音频广播（DAB）接收机的方案原理及设计思路

　本文将介绍数字音频广播（DAB）接收机的样机设计。

　　系统的性能要求

　　欧洲DAB系统规定了4种模式，本设计采用的是第1种模式，具体参数如表1所示。其中，L表示一帧的符号数，K表示每个符号的子载波个数，TF表示一帧的持续时间，TNULL表示空符号持续时间，Ts表示每个符号的持续时间，Tu表示有效符号的持续时间，Δ表示保护间隔的持续时间。

　　表1 第1种DAB传输模式的具体参数

　　采用这一模式的设计要求为：带宽1.536MHz，载波频率174～240MHz，误码率不超过10-4。

　　方案原理及设计思路

　　1 方案原理框图

　　DAB接收机原理框图如图1所示。DAB接收机将从天线接收到的信号经过高频头转为中频模拟信号，放大后进行A/D变换，得到数字信号。其中A/D采样时钟受晶振VCXO的控制，采样时钟偏移由采样时钟同步部分估计得到。A/D转换后的数据一路做AGC检测去控制高频头的输出，另一路经过R/C变换成FFT所需要的两路实虚部数据信号。时间同步部分估计得到一个时域符号的同步头，并粗略地估计由于收发频率不一致而引起的频偏。经过FFT变换后，频率同步单元定出FFT的窗口位置，校正带有频偏的数据。校正后的数据经过信道估计，得到当前实时的信道响应，经过信道均衡处理以消除信道多径衰落的影响，然后再经过解映射软判决译码和解扰，然后将音频信号送入信道解码器解码，接着进行信源解码和音频综合，最后经D/A还原成模拟音频?

　　图1 接收机原理框图

　　2 方案的设计思路

　　DAB接收机主要由数字下变频、同步、OFDM解调和Viterbi译码四大部分构成。

　　数字下变频就是把ADC输出的中频数字信号变为数字基带信号，也就是在数字上实现频谱的下搬移，主要包括希尔伯特变换、频谱下搬移及降采样等。

　　同步部分按功能包括符号定时同步、载波频率同步和采样时钟频率同步，以FFT为界可以分为时域同步和频域同步两部分。

　　OFDM解调包括FFT和差分解调等，经FFT和差分解调后的数据再经过频域解交织后进行QPSK解映射及量化，送给后续Viterbi译码器进行软判决译码。

　　对OFDM解调送来的数据提取快速信息信道(FIC)数据进行解收缩、Viterbi译码、解扰，得到复合结构信息(MCI)，再利用MCI对主业务信道(MSC)数据进行译码。

　　DAB接收机硬件电路设计

　　1 方案结构框图

　　根据对DAB接收机组成部分的分析，本次设计采用FPGA+DSP的设计方案，DAB接收机完整的结构框图如图2所示。DAB信号从天线接收后进入高频头部分，选出所需的频率块，然后将选出的高频信号送入混频器，变为中心频率为38.912MHz、带宽为1.536 MHz的中频信号，中频信号滤掉无用的频谱部分后再经频率变换和滤波，变为中心频率为2.048 MHz、带宽为1.536MHz的基带信号。然后进入ADC，采样速率为8.192MHz，转换成数字信号后进入FPGA。FPGA完成并串转换，同步和解调， 以及VCXO所需的控制电路等。处理后的数据进入DSP，DSP外部时钟为24.5MHz，所以DSP可进行4倍频，工作于100MHz。DSP中完成解交织、Viterbi译码、解扰以及音频解码，最后数据被送入DAC，恢复出原始模拟信号，送入喇叭即可收听。

　　 图2 接收机的结构框图

　　2 器件的选型

　　器件的选型要求在满足系统需求的情况下力争使成本最低，功耗最小，设计方便且易于调试，所以要全面兼顾芯片的运算速度、价格、硬件资源、运算精度、功耗以及芯片的封装形式、质量标准、供货情况和生命周期等。综合考虑以上几方面因素，本次设计中ADC选用TLV5535，DAC选用AKM4352，FPGA选用EP1S40，DSP选用TMS320VC5510。

　　TLV5535是一款性能优良的8位ADC，具有35MSPS的采样速率，3.3V单电源供电，典型功耗只有90mW，模拟输入带宽达600MHz，很适合本设计。AKM4352是非常适合便携式音频设备的DAC，带宽20kHz，采样速率8～50kHz，工作电压为1.8～3.6V，通带波动只有±0.06dB，阻带衰减达43dB，性能非常优良。TMS320VC5510是TI公司的一款高性能、低功耗DSP。它具有很高的代码执行效率，其最高指令执行速度可达800MIPS，双MAC结构，可设置的指令高速缓冲存储器容量为24KB，片上RAM共160K×16b，此外还有3组多通道缓冲串行口和可编程的数字锁相环发生器等，I/O电压 3.3V，内核电压1.6V。EP1S40是ALTERA公司Stratix系列FPGA，具有非常高的内核性能、存储能力、架构效率，提供了专用的功能用于时钟管理和数字信号处理应用及差分和单端I/O标准，此外还具有片内匹配和远程系统升级能力，功能丰富且功耗较小。EP1S40的片内资源也足以满足本设计所需。

　　3 主要模块的电路设计

　　ADC与FPGA相连，并在FPGA内完成并串变换，译码电路也由FPGA来完成。FPGA与ADC间的连接包括数据线和时钟线，ADC的时钟由FPGA来提供，数据线和时钟线均与FPGA的I/O引脚直接相连即可，如图3所示。

　　图3 ADC与FPGA连接原理图

　　DSP通过异步串行口与DAC连接，如图4所示，DAC输出的模拟信号经滤波后可直接输出语音信号。

　　图4 DSP与DAC连接原理图

　　现今的高速DSP内存不再基于Flash，而是采用存取速度更快的RAM。DSP掉电后其内部RAM中的程序和数据将全部丢失，所以在脱离仿真器的环境中，DSP芯片每次上电后必须自举，将外部存储区的执行代码通过某种方式搬移到内部存储区，并自动执行。常用的自举方式有并行自举、串行自举、主机接口(HPI)自举和I/O自举。HPI自举需要有一个主机进行干预，虽然可以通过这个主机对DSP内部工作情况进行监控，但电路复杂、成本高;串行自举代码加载速度慢;I/O自举仅占用一个端口地址，代码加载速度快，但电路复杂，成本高;并行自举加载速度快，虽然需要占用DSP数据区的部分地址，但无须增加其他接口芯片，电路简单。因此在TI公司的5000系列DSP中得到了广泛应用，本次设计也是采用并行自举。与传统的EEPROM相比，Flash具有支持在线擦写且擦写次数多、速度快、功耗低、容量大和价格低廉等优点。目前在很多Flash芯片采用3.3V单电源供电，与DSP连接时无须采用电平转换芯片，因此电路连接简单。在系统编程时，利用系统本身的DSP直接对外挂的Flash编程，节省了编程器的费用和开发时间，使得DSP执行代码可以在线更新。图5为外部程序数据存储器Flash的电路连接。

　 图5 外部程序数据存储器Flash的电路连接

　　FPGA与DSP通过McBSP、GPIO、EMIF和EHPI口相连，接口种类多，便于根据需要灵活使用。FPGA内的程序和数据掉电后也会全部丢失，所以为其配备了专用配置芯片EPC16，上电后自动将程序下载到FPGA中，简单易用。

　　总结

　　为了方便调试，本次设计十分灵活，留的系统资源也比较多，不仅可以实现模式1，其他三种模式也可以在此硬件平台上实现。用来存储程序和数据的Flash既可以用FPGA来读写，也可以用DSP来读写。DSP和FPGA分别配了JTAG下载口用于下载程序和检测芯片。DSP还连接RS232，用于发出控制指令以及监控DSP内部情况。FIC解码完成后可进行DAB/DMB的业务选择，依据选择业务的不同进行不同的处理后分别产生声音和图像信号，并分别从喇叭或液晶显示器输出。