一种新型的高性能调频广播设备的实现技术.docx

一种新型的高性能调频广播设备的实现技术〝一种新型调频广播设备的实现技术〞时期性成果论文自控1001吴浩冉宋松齐张洋于文龙目 录摘 要 11．选题背景及方案确定 21.1选题背景 21.2 方案分析及确定 32.方案的原理介绍 52.1 总体框架分析 52.2 各要紧功能模块的差不多原理 62.2.1 音频信号处理模块 62.2.2 数字信号处理模块 62.2.3 射频处理模块 162.2.4 操纵与显示模块 213．硬件实现 243.1 主体硬件实现框架 243.2 各关键模块的硬件设计与实现 243.2.1 模拟音频采集电路的设计 243.2.2 数字音频接收电路的设计 263.2.3 FPGA相关电路的设计 273.2.4 DDS芯片外围电路设计 293.2.5 射频电路的设计 303.2.6 操纵与显示电路的设计 324．测试结果与仿真验证 354.1 试验机的单机测试方法和结果 354.2 组建同步广播网的分析 395．项目的创新点与优势 415.1 使用数字信号处理技术 415.2 使用FPGA作为开发平台 415.3 实现单频同步广播 426．推广前景与进一步完善 446.1 推广前景 446.2 进一步完善的设想 447．致谢 468．参考文献 479．附录 操纵面板设置及操作说明 48摘 要本参赛项目以广播业的需求为背景，要紧研制了一种新型高性能调频广播设备的实现技术，项目采纳数字调频调制技术替代传统调频广播的模拟调制方法，系统硬件设备与传统的调频广播设备相比具有较大突破，设备能够实现从模拟或数字双声道音频输入到87～108MHz立体声调频信号输出的全数字处理功能。

系统以直截了当数字频率合成〔DDS〕技术实现数字调频调制，实现了高稳固度的射频输出和载波同步；以最新的低成本FPGA芯片实现所有的音频信号处理和立体声编码；通过数字逻辑来实现调频同步广播操纵，具有极高的准确性，能够方便地实现同步操纵，适合在调频同步广播系统中作同步鼓舞器使用从功能实现上，设备划分为四个模块：音频信号处理模块、数字信号处理模块、射频处理模块和操纵与显示模块运用本项目技术实现的数字化调频设备具有灵活性、兼容性、高性能指标〔信噪比、失真度、频响等〕、低成本、研制与调试方便等优势，能够提高现有广播业的频带利用率，设备完全满足同步广播系统中〝三同〞的需求体会证，差不多实现的设备各项指标较传统的模拟调频广播设备均有明显提高关键词：数字调频调制，直截了当数字频率合成，频带利用率，FPGA1．选题背景及方案确定1.1选题背景目前各种广播系统普遍采纳的调频广播是继调幅广播后的第二代广播设备调频广播具有失真度小、无串信现象、信噪比好、能进行高保真度广播、效率高等显著优点[1-2]调频广播的音质和频率稳固度要紧取决于调频鼓舞器目前国内大部分地区采纳的是模拟调频鼓舞器尽管模拟调频技术通过60多年的进展和完善，所能达到的各项指标不断提高。

然而，由于模拟器件的固有缺陷，模拟调频鼓舞器的指标差不多接近极限，进一步提高的余地差不多专门小了为了追求更高的广播收听质量，西方发达国家开始显现与兴起了数字音频广播〔DAB〕技术该技术是将数字化的音频信号及各种数据业务信号在数字状态下进行压缩编码调制、传送等处理，提高了信号传输的抗干扰性，较小了非线性失真度然而，DAB的发射与接收设备成本专门昂贵，面临一个庞大资金的投入问题；另外，DAB系统的实现还面临着一系列的技术难题，在我国进展比较缓慢因此，在以后的几年里我国利用DAB系统来完全取代现有的廉价的调频广播系统是不现实的那么如何在现有的广播制式下，提高调频广播系统的各项技术指标已成为近年来广播业亟待解决的关键技术问题随着数字化技术的飞速进展，各种新的数字化的处理技术不断显现，在这种情形下，调频广播也要实现全面数字化才能提高整体性能为满足当前信息社会的需求，数字化的调频广播系统差不多成为广播行业急需投入实际应用的设备如2007年，黑龙江省大庆市就调频同步广播网项目进行公布招标，以满足市区广播业的进展需求招标要求投标系统应具有承载模拟、数字调频立体声广播业务的能力，并能够据此建立一套完善的、频带利用率较高的、技术先进、设备可靠、经济适用的广播系统。

基于对数字广播技术的爱好爱好，并受这那么招标公告的启发，我开始深入研究调频广播的相关技术，认识到传统的调频广播为了扩大调频覆盖范畴而必须建设高塔、大功率发射设备，这种方式不仅会造成能源的白费，也易造成电磁辐射另外，频率资源的日趋紧缺，也明显限制了调频广播的进展，这给广播界提出了一个亟待攻克的新课题因此，依据标书的要求，本人对一些传统的调频广播技术进行了改进，设计了一种新型高性能调频广播设备的实现技术1.2 方案分析及确定要建立一套满足招标要求的广播系统，第一是要建立适合的调频发射机系统，而调频鼓舞器又是调频发射机系统的核心部件[3]因此，我认为设计一种新型高性能的调频鼓舞器是实现同步广播系统的关键调频发射机系统要紧完成对输入音频及附加信道信号进行处理，合成基带信号，并将基带信号调制到87～108MHz波段的载波上，经鼓舞器功放放大输出，从而实现在不同的载波上播放不同的节目调频鼓舞器[4]是调频发射机的信息处理核心，它直截了当决定发射机性能的优劣，在输出功率要求较小的情形下，调频鼓舞器也可直截了当作为发射机依照内部信号处理方式的不同，调频鼓舞器可分为数字式和模拟式两种模拟调频鼓舞器是采纳模拟信号处理及频率调制技术的鼓舞器。

系统可分为硬件和系统软件两部分，系统硬件要紧通过模拟电路技术，完成对音频信号的立体声编码，合成基带信号，再把基带信号送到调制器，实现调频调制，并放大射频信号等功能；而系统软件那么对系统硬件进行简单的监测和操纵如采纳模拟调频调制技术来实现招标需求，由于使用较多模拟器件和分立元件，一样在信号处理和滤波器的实现上会存在较大的误差，同时通过模拟技术来实现调频调制，还存在着器件老化和非线性的阻碍，对鼓舞器的性能提升有了专门大的限制而数字调频鼓舞器是在模拟调频鼓舞器基础上的一种数字化开发，其要紧功能框架与模拟调频鼓舞器类似，然而要紧采纳了数字信号处理[5-6]和直截了当数字频率合成[7]等技术对音频信号进行数字化处理数字调频鼓舞器克服了模拟技术中分立器件误差大，性能受器件老化阻碍等问题，其合成信号失真小、信噪比高，各项性能指标有了专门大的提高，并适合于构成单频同步广播系统同时，当前许多广播电台提出了同步广播的要求，这就要求调频发射机系统能够精确地满足〝三同〞要求，即频率、相位和调制度的精确相同使用数字技术来实现调频广播发射机，能够充分保证左、右声道性能的一致性，提高设备的性能指标，充分满足同步广播的要求。

依照以上多方面的分析和对比，我认为从理论上来说，数字化的调频鼓舞器能够满足对高性能的要求；同时，实现成本又会比国外的数字鼓舞器有大幅的下降，应该能够取代现在普遍使用的模拟鼓舞器并在全国推广因此，我在一年多往常就坚决了信心，决定设计一种数字调频鼓舞器的实现技术方案2.方案的原理介绍2.1 总体框架分析基于对通信原理和数字调频等相关知识的学习，我个人认为用一句简单的话来说：用数字技术来实现语音的调频调制，要紧确实是实现语音信号的数字化、语音信号的数字化处理、数字调频调制以及数字调频信号的模拟化这几项功能因此在设计方案中，我将要实现的硬件设备分为四个要紧模块：音频信号处理模块、数字信号处理模块、射频处理模块和操纵与显示模块回忆我的方案设计和设备实现过程，我总结出以上模块中最重要的是数字信号处理模块和射频处理模块这两个模块以现场可编程门阵列[8]〔FPGA〕和直截了当数字合成技术〔DDS〕为核心，完成数字化调频立体声信号的合成和调制之因此称它们是核心，是因为FPGA作为一种开发平台，具有丰富的输入输出接口和灵活的可编程性，用它能够实现对数字基带音频信号进行滤波和预加重处理，同时通过简单的加法和乘法运算就能够完成立体声信号的合成。

而利用DDS技术实现调频调制，专门重要的是它能够保证输出的调频信号频率辨论率高，相位噪声小，调频线性度好，频偏操纵容易为了能更好的说明设备的模块组成和各模块之间的互联关系，我勾画了一个系统框图，如图2-1所示在我论文以下的表达过程中，也是围绕那个系统框图的各组成部分来展开的，先讲各模块的差不多原理，再描述它们的硬件设计与实现过程图2-1 系统原理框图另外，在此我简要说明一下音频信号〔模拟信号或数字信号〕的处理流程：先将输入的左、右声道模拟信号变换成数字信号，对该数字信号进行采样率转换〔假如输入的是数字音频信号，那么能够直截了当进行采样率转换〕；转换后送入FPGA进行相应的数字处理，要紧的数字信号处理包括低通滤波、音频预加重、内插处理以及立体声调制；随后，将调制信号输入DDS芯片进行频率调制，生成调频广播的射频信号，进行滤波处理2.2 各要紧功能模块的差不多原理2.2.1 音频信号处理模块系统外部音频输入要紧能够分为两类：模拟音频和数字音频关于模拟音频，音频信号处理模块要紧是完成音频信号的采集，要紧由低噪声放大器和音频模数转化器构成，它的要紧性能指标是由音频模数转化器〔Audio ADC〕的指标来决定的。

就目前的实际使用情形看，大多数的音频ADC均采纳了过采样技术和Sigma-Delta技术，如此做能够使频带内的量化噪声和采样过程中产生的混迭噪声能量大大降低；在数字信号处理知识中，能够了解到，目前常用的音频ADC指标均能够达到16比特以上的精度，信噪比均高于90dB，如此的性能指标能够满足我设计的调频鼓舞器对信噪比的要求在我设计音频信号处理模块过程中，专门考虑了使模块支持数字音频接口，这也能够说成为了整个设备的优势之一那个地点，模块对数字音频信号的处理，要紧是对数字音频数据流进行拆帧处理，从每一帧数据中提取有用的音频数据；另外，在音频系统中存在多种采样率〔例如常用的有44.1KHz、 48 KHz、96kHz等〕的情形下，能够将这些采样率的数字音频转换到系统支持的一个采样率上，以满足后级逻辑处理的要求以上两个功能的实现，既能够采纳软件算法实现，也可利用硬件实现2.2.2 数字信号处理模块数字信号处理模块是整个设计的关键，它的一个重要功能是完成立体声编码我的方案是以FPGA作为开发平台来进行设计的，依照功能，数字信号处理模块能够分为几个功能部分：音频输入选择、音频延时、预加重、内插处理、立体声合成和外部通信与操纵接口。

各功能之间的流程图如下所示图2-2 数字信号处理模块原理框图上图中虚线方框内为FPGA内部信号流程〔1〕音频输入选择实现音频信号输入选择的方法有两种，一种是用加法器，另一种是多路选择器用加法器来实现确实是把三种输入的音频数据进行相加，并进行相应的截取，再送入后级处理用这种方法来处理会缺失一定的量化精度用多路选择器来实现，确实是每次选择一种输入的音频数据送入后级进行处理，而对其它两种输入的音频数据不做处理用这种方法来处理，就可不能缺失量化精度，因此本设计据此采纳了第二种方法在我的设计方案中，考虑同时支持了三种输入音源：模拟音频输入、数字音频输入和测试音输入前面两种差不多在上面说明过了，测试音是要紧用来进行设备内部检测和自我校验，如此能够在不需要外部音源输入的情形下进行调试〔2〕音频延时精确的音频延时是实现同步广播的关键，使用数字技术来实现延时，要比使用模拟技术来实现容易得多，也精。