DRM广播系统及接收机技术.pdf

应用设计 ： 无线通信今日电子 · 2007 年 8月9 0DRM 广播系统及接收机技术中国电子金蜂 陈永春引言目前工作于中波和短波波段的调幅广播质量远远低于人们的收听要求，2004 年制定的数字音频广播 DRM 技术标准， 是一种在原中短波频带内， 仍占用 9kHz( 或 l0kHz) 带宽， 可提供无干扰的接近调频立体声质量的广播技术DRM 广播是继调幅广播、 调频广播之后的第三代广播方式， 它的出现标志着广播系统正由模拟向数字体制过渡 目前， 国内外采用的 DRM 接收机大多基于 PC 的 DRM 软件接收机， 已经比较成熟， 但其应用范围受到一定限制 因此为促进 DRM 系统的推广， 需要一种成本较低、 可靠性高、 体积小和携带方便的硬件 DRM 接收机DRM 系统采用 OFDM 调制方式，具有多种传输模式， 适用于多种信道和带宽的传输方式， 可以传送音频流及数据流 图 1 和图 2 分别给出了 DRM 发射系统结构和接收终端原理图DRM 系统关键技术DRM 关键技术包括 OFDM 调制解调、 信道估计和同步等OFDM 调制与解调技术OFDM 系统实现如图 3 所示 发送数据在频域进行编码映射， 经过 IFFT 运算变换到时域 ：（ 1 ）式中 X n,k 表示第 n个符号， 第 k 个子信道上调制的信号 T 为子载波上的符号周期， 子载波间的频率间隔为Δ f=1/T ， 整个符号周期为 T+T g ， g(t) 为发送滤波器波形。

经IFFT 后， 频域信号调制到了各个正交的子载波上， 完成了正交频分复用 每个 OFDM 码元前加上保护间隔T g =LT/N 保护间隔大于最大时延扩展， 这样所有时延小于保护间隔的多径信号将不会延伸到下一个码元期间， 因而有效地消除了码间串扰 OFDM 信号经加窗函数以降低带外信号的功率， 经低通滤波后调制到主载频发射到信道接收端的处理过程与发射端相反，信道出来的信号先经过主载频解调， 低通滤波 A/D 转换及串并变换后， 再进行FFT 得到一个符号的数据 对所得数据进行均衡， 以校正信道失真 然后进行译码判决和并串变换， 恢复出原始的二图 1 DRM 发射系统原理图图 2 接收终端结构原理图图 3 OFDM 调制 / 解调实现框图本文首先介绍了 DRM(Digital Radio Mondiale, 世界数字广播 ) 系统， 然后分析讨论了其关键技术的实现方法， 最后给出了两种 DRM 接收机方案， 该接收机可以实现从当前的模拟广播到数字广播的平滑过渡应用设计 ： 无线通信9 1今日电子 · 2007 年 8月元数据序列 表 1 给出了 DRM 系统OFDM 参数信道估计是进行相关检测、 解调和均衡的基础。

DRM 系统在发送端适当位置插入导频单元， 接收端利用导频恢复出导频位置的信道信息， 然后利用如内插、 滤波、 变换等处理手段， 获得所有时刻的信道信息 OFDM 信道估计算法采用最小平方差 (LS) 算法和线性最小均分差 (LMMSE) 算法 其中 LS 算法定义为 :(2)其中 k 的分布服从导频分布规律，H* k,LS 代表在子载波 k 点经过 LS 估计得到的信道信息， X k 是发送值， Y k 是经过信道的接收值， N k 为噪声， 其中条件方差为 E （│ V k │ 2 │ X k │） = 2 δ 2 n /│ Xk │ 2 LS 算法计算量较少， 但是其中的误差 V k 也大 为了减少误差影响，可以采用 LMMSE 算法进行平滑， 它是基于估计信道的自相关函数 R h 和信道噪声方差δ 2 n 得到的， 导频处的信道估计值为 ：(3)其中 h* LS 和 h* LMMSE 是 LS 和LMMSE 估计得到的导频处的信道值信道相关矩阵为 R h =E(hh H ) X 是一个对角矩阵， 其对角线上的值为相应的导频上的发送值， 上标 H 代表共扼转置LMMSE 要比 LS 性能要好 4dB 左右， 但计算量 LMMSE 要比 LS 复杂。

在 DRM系统中， 用于信道估计的导频定义为P s,k =a s,k e j2 πν [s,k] ， 通常 a s,k =2 1/2 ， 对于一些边界子载波 a s.k =2 同步技术DRM 系统是连续传送模式， 与基于 802.11a 标准的无线局域网的突发传输系统不同 突发传输模式的前缀码通常很短， 这就要求能利用有限的前缀码实现快速同步 而连续传输模式中系统信息是连续传的 因此， 接收机有更多的时间进行可靠的有效信号检测， 然后进行的各种误差估计补偿 同步包括频率同步、 时间同步 （符号同步、 定时同步） 和采样频率同步 图 4 给出了 DRM同步方案框图图 5 给出了使用信道 2( 典型中波 ) 、鲁棒模式 B 、 SNR=30dB 时， 对数据通道 MSC 在同步和信道估计前后接收到的信号星座图仿真结果 从图中可以看出， 经过同步、 信道估计处理后， 星座图明显改善接收机终端方案基于软件无线电的 DRM 接收机1 ） 基于 TMS320DM6446 的接收机硬件平台基于软件无线电技术 DRM 接收机的硬件平台如图 6 所示， 考虑到具有体积小、 可靠性高、 成本低及较好的实时性要求， 采用 TI 公司针对多媒体、 低功耗手持设备应用开发的双处理器核芯片TMS320DM6446 为核心的硬件平台。

利用 DSP 芯片强大的信号处理能力， 来完成 OFDM 解调、 信道解码及解复用任表 1 DRM 系统 OFDM 参数参数参数 A B C D抽样间隔 T( μ s) 83 1/3 83 1/3 83 1/3 83 1/3有用符号 T u (ms) 24 (288T) 21.33 (256T) 14.67 (176T) 9.33 (112T)保护间隔 T g (ms) 2.67 (32T) 5.33 (64T) 5.33 (64T) 7.33 (88T)符号 T s =T u +T g (ms) 26.67 26.67 20 16.67T g /T u (ms) 1/9 1/4 4/11 11/14传输帧时间 T f (ms) 400 400 400 400使用载波数 226 206 138 88OFDM 符号 / 传输帧 15 15 20 24工作频段 LF 、 MF （日） MF( 夜 ) 、 HF HF HF图 4 DRM 同步算法框图图 5 同步和信道估计前后 MSC （ 64QAM ） 星座图(b) 同步和信道估计后(a) 同步和信道估计前应用设计 ： 无线通信今日电子 · 2007 年 8月9 2务， 利用 ARM926 完成音频、 数据解码和系统的功能控制及管理。

该终端硬件平台包括调谐器、 控制和 DSP 处理三个模块 调谐器模块主要由前端调谐器、 混频器及滤波器组成，作用是为系统提供合适的中频信号 接收机前端应选用灵敏度高、 动态范围大、 集成度高的器件， 这里选择 ST 公司的高性能车载收音机前端调谐器TDA7511 ， 它包括混频、 中频放大、 自动增益控制、 AM/FM 解调、 PLL 锁相环和质量监测等， 具有集成度高、 所需外围器件少和占用电路板面积小的优点， 是射频前端的核心部件 控制模块主要由 DM6446 中的 ARM9 组成， 配以外围电路实现系统的控制及管理 DSP处理模块是本终端的核心模块， 主要由DM6446 中的 TMS320 C64x+ 组成， 经模数变换后的数据流被送入 DSP ， 完成DRM 信号的解调、 信道解码及解复用任务， 最后将结果输出给 ARM9 ， 得到音频信号调谐器的滤波器组是将空中接收到的信号划分为各个波段进行接收， 以便滤除杂波， 提高整个接收机的信噪比，增强灵敏度指标 滤波器选择椭圆函数滤波器， 其在通带和阻带内的频响都呈现等波纹特性， 其主要参数为滤波器阶数为 3 、 通带内波动为 0.25dB 、 阻带内衰减为 50dB 、 阻抗为 50 Ω和插入损耗为 6dB 。

TDA7511 内部具有两个混频器， 其先将天线收到的信号混频到 10.7MHz ， 再将信号二次混频到 455kHz ，然后模拟信号经过滤波、 放大后送入外部混频器 外部混频器选用 PHILIPS 公司的 SA612 芯片， 将 455kHz 模拟信号混频到 12kHz 中频上 SA612 是内部带振荡器和电压参考的双平衡混频器， 具有低功耗、 集成度高的优点， 其振荡器可被配置为晶体或调谐操作模式， 操作灵活 A/D 采样用于将 12kHz 模拟信号数字化， A/D 芯片的采样率至少应大于24kHz(12kHz 的 2 倍 ) ， 这里选用 AD9225 模数转换芯片 AD9225 为单电源供电、 12 位精度、25MSPS 高速模数转换器， 信噪比为 71dB, 杂散动态范围为 85dB TMS320DM6446 是具有双核达芬奇架构的产品， 具有高性能、 低功耗、 大存储容量和外设接口灵活等优点， 可以增添接收机硬件平台性能、 灵活性和可靠性 外接存储器连接到其 EMIF 接口， 由FLASH 和 SDRAM 组成 FLASH 选用一个 512K × 8b 的 AM29LV040B 芯片，用于存放应用程序，SDRAM 选用 16MB 的HY57V281620 芯片。

系统工作时， FLASH 中的程序在工作时被复制到DM6446 的内部存储空图 6 基于软件无线电结构的 DRM 接收机间， 并在内部存储器中开始运行， 而外部的 16MB SDRAM 主要用于存储处理后的数据 为了更方便地与计算机交换数据， 设置了 RS232 接口 /USB 接口图 6 的调谐器部分也可采用 Mirics公司 MS1001 多频段移动广播调谐器，实现 DRM 、 模拟 AM 、 FM 和 DAB 的多制式移动广播功能2 ） DRM 接收机软件总体流程接收机程序分两部分， 其中 C64x +DSP 主要完成 OFDM 解调、 信道解码及解复等功能， 并将结果输出给ARM926 ， 然后由 ARM926 完成音频、数据解码和系统的控制及管理功能 其程序流程如图 7 所示基于专用集成电路的 DRM 接收机图 8 给出了基于 DRM 专用集成电路 TMS320 DRM350 的多制式接收机方案TMS320 DRM300/DRM350 是 TI图 7 DRM 接收机软件总体流程图图 8 基于 TMS320 DRM350 的 DRM 接收机 （下转第 95 页）应用设计 ： 无线通信9 5今日电子 · 2007 年 8月所示。

从图 4 可知矩阵向量乘法器包括以下六个部分 ： 调度单元 （ Scheduler ）， 产生各模块单元的使能信号 ； 缓存单元（ Info_buffer ）， 对输入信息序列进行缓存处理 ； 存储器控制单元 （ Rom_ctrl ），产生存储器的地址信号 ； “ 1 ” 位置存储器 （ Rom_num ）， 存储矩阵各行 “ 1 ” 的位置 ； 行重存储器， 存储矩阵相应各行行重 ； 乘法单元 （ Multipler ）， 进行向量乘法运算， 最后输出码字矩阵向量乘法器仿真结果验证在 Quartus II 环境下， 实现output=X s ， 得到如图 5 所示时序图图 5 中 “ en ” 是使能信号， “ clock ”是时钟信号， addr_num 、 addr_wei 分别为两个存储器的地址信号， info_seq是输入信息信号， rece 是信息信号经过缓存后的输出信号， num_t 是 “ 1 ” 在各行的位置信息， row_wei_t 是相应各行的行重， output 是矩阵与向量相乘的结果 由图 5 可知， output=[1 1 1] ， 信号输出有一个时钟周期的延时， 仿真结果正确。