HD Radio FM系統(tǒng)基帶收發(fā)器的設計

宋文君

摘 要：該文對HD Radio FM數(shù)字音頻廣播系統(tǒng)的發(fā)射、接收系統(tǒng)以及實現(xiàn)程序進行了設計和探討，并驗證了合理性。

關鍵詞：HD Radio FMOFDMFPGAIBOC

中圖分類號：TN93 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）06（a）-0255-02

在數(shù)字音頻廣播領域，正在使用幾項標準，比如歐洲的Eureka-147，它被稱為DAB（數(shù)字音頻廣播），并被多個歐洲國家所采用，這個系統(tǒng)利用了OFDM（正交頻分復用）技術。另外一個數(shù)字廣播技術叫做DRM（數(shù)字調幅廣播），運行在低于30 MHz的頻率。如果這兩種數(shù)字廣播技術都占用新的頻譜來單獨使用，對于有限的頻率資源，會造成極大的浪費。因此，出現(xiàn)了IBOC（帶內(nèi)同頻道）系統(tǒng)被，它允許傳統(tǒng)廣播和數(shù)字廣播在相同的頻道內(nèi)同時播出。

HD Radio FM系統(tǒng)是由iBiquity Digital公司開發(fā)的數(shù)字音頻廣播系統(tǒng)，它可以在相同的FM頻譜內(nèi)同時播放模擬和數(shù)字廣播信號。這個系統(tǒng)使用兩種播放模式：混合模式和全數(shù)字模式。在混合模式下，一個站點占用400 kHz帶寬同時發(fā)射它的模擬和數(shù)字信號；而在全數(shù)字模式下，它可以利用全部400 kHz帶寬來發(fā)射全數(shù)字信號。

1 發(fā)射機設計

HD Radio FM參數(shù)是：副載波間隔363.4 Hz，循環(huán)字首寬度7/128，F(xiàn)FT大小是4096，OFDM符號持續(xù)時間2.764 ms。在分配給每個站點的400 kHz帶寬中，中心的200 kHz只為模擬使用，兩邊剩下的邊帶總共200 kHz是為數(shù)字使用。在HD Radio FM頻譜中，數(shù)字信號占到534個副載波，頻譜分區(qū)遵從混合模式1。在模擬FM兩邊每邊都有10個頻率劃分區(qū)，每1個劃分區(qū)包含19個OFDM副載波，其中包含控制/同步的1個參考副載波和18個數(shù)字音頻數(shù)據(jù)副載波。每個框架持續(xù)1.486 s，其中包含16個塊和每個塊上的32個OFDM符號。另外，OFDM符號持續(xù)時間和循環(huán)字首長度分別是2.902 ms和7/128。

HD Radio FM系統(tǒng)的結構框架圖如圖1。數(shù)據(jù)流首先進入擾碼模塊，對輸入的傳輸流進行加擾，這樣可以隨機化每個邏輯信道中的數(shù)字數(shù)據(jù)。接著，經(jīng)過擾碼的數(shù)據(jù)通過使用卷積碼來編碼，在每個邏輯信道中給數(shù)字數(shù)據(jù)增加冗余度。然后，信道編碼信息流進行交織，交織可以提供時間和頻率分集，來減少突發(fā)誤差的影響。

HD Radio FM系統(tǒng)在數(shù)據(jù)副載波中利用QPSK映射，在參考副載波中利用BPSK映射。OFDM副載波映射把交織數(shù)據(jù)轉換到頻域范圍。在頻率分區(qū)中，交織器分割的成對的相鄰列被映射成QPSK調制數(shù)據(jù)副載波。

發(fā)射子系統(tǒng)形成了基帶IBOCFM波，通過VHF（甚高頻）信道發(fā)送。功能中包含字符組串和頻率上變頻。當發(fā)送混合波形或者擴展混合波形的時候，在與數(shù)字波形合成之前，先要對基帶模擬信號進行調制。這個模塊的輸入是一個合成的基帶時域OFDM信號y（t）。經(jīng)過Tdd延遲處理后，基帶模擬信號m（t）從模擬源出來。Tdd是可調整的，代表在模擬和數(shù)字連鎖之間的運行時延。在 IBOC系統(tǒng)，模擬和數(shù)字信號載著相同的音頻節(jié)目。

模擬信號m（t）由傳統(tǒng)的FM調制器發(fā)送。

公式1

這里fc代表FM載波頻率，=75kHz是最大頻率偏移。然后，數(shù)字調制RF OFDM信號經(jīng)過上變頻器后和FM射頻信號合成，產(chǎn)生IBCO FM合成波形，s（t）。

2 接收機設計

有兩個主要原因造成CFO（載波頻率偏移）。首先，發(fā)射機和接收器之間的相對速度導致了多普勒效應。第二個原因是發(fā)射機晶體振蕩器和接收機晶體振蕩器之間的不匹配。HDRadio FM的工作載波頻率可以高到108 MHz。信道模型明確了接收機在以141 km/h 的速度移動的時候，會導致13Hz的多普勒偏移。這個值仍然少于副載波間隔的一半。廣播臺站的不匹配，LO（本振）的不匹配，應該限制在1ppm。因此，接收機的本振不匹配是CFO的主要原因。下面的討論主要聚焦在本振的不匹配。假定本振不匹配是20ppm，載波頻率是108 MHz，CFO可以達到2160 Hz。

由上述討論中，我們可以把影響系統(tǒng)的載波頻率偏移分為FCFO（微小載波頻率偏移）和ICFO（整體載波頻率偏移）。在系統(tǒng)中，設計CP（循環(huán)字首）延遲的相關性來檢測STO（符號時間偏移）和FCFO。ICFO可以使用在參考副載波上的控制數(shù)據(jù)來解決。因為HD radio FM系統(tǒng)采用了OFDM調制技術，OFDM符號的循環(huán)字首允許接收器利用信號的周期性來估計一個符號的起始點。

通過符號中的高度自相關性能，自相關中的峰值指示了OFDM符號的起始值。其中，必須添加矯正功能來補償由于多徑信道造成的影響。即使這樣，仍然很難從周邊噪聲中區(qū)分出峰值。因此，平均一下符號長度的自相關值可以提高可靠性。

對于ICFO部分，在頻率范圍可以通過使用均勻間隔參考副載波來解決。依據(jù)系統(tǒng)的性能，系統(tǒng)控制數(shù)據(jù)數(shù)列的長度是32bits，一次由一個OFDM符號發(fā)送一位。在這個數(shù)列中存在11位同步類型，它的設計目的是為了框架的同步?；谶@個性能，接收機一旦收到OFDM信號，就能夠把收到的副載波交叉關聯(lián)到這11位同步類型。如果在19個副載波中找到了更高的關聯(lián)副載波，那么參考副載波的位置找到了，ICFO可以獲得。

3 在FPGA硬件平臺的實現(xiàn)

在對系統(tǒng)中定義的參數(shù)和有效的硬件資源仔細估計后，選擇下面的參數(shù)用在硬件實現(xiàn)中。FFT大小為2048，CP長度為112，采樣頻率為781.25 kHz，副載波間隔為381.5 Hz，符號率為361.9 Hz，發(fā)射率為104.2 kbps（編碼率2/5）。

在FPGA板上建立的CP2102 USB-UART橋接芯片用作板子和電腦之間的通信接口。由發(fā)射機產(chǎn)生的OFDM波形送入Agilent 89600導航信號發(fā)生器來分析它的頻譜圖和由MATLAB產(chǎn)生的仿真頻率圖相比較，發(fā)現(xiàn)這兩個頻譜圖基本相似。

FPGA實現(xiàn)提供了一個適用于HD Radio FM性能的原型基帶系統(tǒng)。由于FPGA性能，這個系統(tǒng)可以較快的處理信號，它能夠為以后程序配置增加靈活性。

參考文獻

[1] C.Faller，B.-H.Juang，P. Kroon，et Technical Advances in Digital Audio Radio Broadcasting[J].”IEEE proceedings，2002，90：1303-1333.

[2] iBiquity Digital Corporation， HD RadioTM FM Transmission System Specifications，2008.endprint

摘 要：該文對HD Radio FM數(shù)字音頻廣播系統(tǒng)的發(fā)射、接收系統(tǒng)以及實現(xiàn)程序進行了設計和探討，并驗證了合理性。

關鍵詞：HD Radio FMOFDMFPGAIBOC

中圖分類號：TN93 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）06（a）-0255-02

在數(shù)字音頻廣播領域，正在使用幾項標準，比如歐洲的Eureka-147，它被稱為DAB（數(shù)字音頻廣播），并被多個歐洲國家所采用，這個系統(tǒng)利用了OFDM（正交頻分復用）技術。另外一個數(shù)字廣播技術叫做DRM（數(shù)字調幅廣播），運行在低于30 MHz的頻率。如果這兩種數(shù)字廣播技術都占用新的頻譜來單獨使用，對于有限的頻率資源，會造成極大的浪費。因此，出現(xiàn)了IBOC（帶內(nèi)同頻道）系統(tǒng)被，它允許傳統(tǒng)廣播和數(shù)字廣播在相同的頻道內(nèi)同時播出。

HD Radio FM系統(tǒng)是由iBiquity Digital公司開發(fā)的數(shù)字音頻廣播系統(tǒng)，它可以在相同的FM頻譜內(nèi)同時播放模擬和數(shù)字廣播信號。這個系統(tǒng)使用兩種播放模式：混合模式和全數(shù)字模式。在混合模式下，一個站點占用400 kHz帶寬同時發(fā)射它的模擬和數(shù)字信號；而在全數(shù)字模式下，它可以利用全部400 kHz帶寬來發(fā)射全數(shù)字信號。

1 發(fā)射機設計

HD Radio FM參數(shù)是：副載波間隔363.4 Hz，循環(huán)字首寬度7/128，F(xiàn)FT大小是4096，OFDM符號持續(xù)時間2.764 ms。在分配給每個站點的400 kHz帶寬中，中心的200 kHz只為模擬使用，兩邊剩下的邊帶總共200 kHz是為數(shù)字使用。在HD Radio FM頻譜中，數(shù)字信號占到534個副載波，頻譜分區(qū)遵從混合模式1。在模擬FM兩邊每邊都有10個頻率劃分區(qū)，每1個劃分區(qū)包含19個OFDM副載波，其中包含控制/同步的1個參考副載波和18個數(shù)字音頻數(shù)據(jù)副載波。每個框架持續(xù)1.486 s，其中包含16個塊和每個塊上的32個OFDM符號。另外，OFDM符號持續(xù)時間和循環(huán)字首長度分別是2.902 ms和7/128。

HD Radio FM系統(tǒng)的結構框架圖如圖1。數(shù)據(jù)流首先進入擾碼模塊，對輸入的傳輸流進行加擾，這樣可以隨機化每個邏輯信道中的數(shù)字數(shù)據(jù)。接著，經(jīng)過擾碼的數(shù)據(jù)通過使用卷積碼來編碼，在每個邏輯信道中給數(shù)字數(shù)據(jù)增加冗余度。然后，信道編碼信息流進行交織，交織可以提供時間和頻率分集，來減少突發(fā)誤差的影響。

HD Radio FM系統(tǒng)在數(shù)據(jù)副載波中利用QPSK映射，在參考副載波中利用BPSK映射。OFDM副載波映射把交織數(shù)據(jù)轉換到頻域范圍。在頻率分區(qū)中，交織器分割的成對的相鄰列被映射成QPSK調制數(shù)據(jù)副載波。

發(fā)射子系統(tǒng)形成了基帶IBOCFM波，通過VHF（甚高頻）信道發(fā)送。功能中包含字符組串和頻率上變頻。當發(fā)送混合波形或者擴展混合波形的時候，在與數(shù)字波形合成之前，先要對基帶模擬信號進行調制。這個模塊的輸入是一個合成的基帶時域OFDM信號y（t）。經(jīng)過Tdd延遲處理后，基帶模擬信號m（t）從模擬源出來。Tdd是可調整的，代表在模擬和數(shù)字連鎖之間的運行時延。在 IBOC系統(tǒng)，模擬和數(shù)字信號載著相同的音頻節(jié)目。

模擬信號m（t）由傳統(tǒng)的FM調制器發(fā)送。

公式1

這里fc代表FM載波頻率，=75kHz是最大頻率偏移。然后，數(shù)字調制RF OFDM信號經(jīng)過上變頻器后和FM射頻信號合成，產(chǎn)生IBCO FM合成波形，s（t）。

2 接收機設計

有兩個主要原因造成CFO（載波頻率偏移）。首先，發(fā)射機和接收器之間的相對速度導致了多普勒效應。第二個原因是發(fā)射機晶體振蕩器和接收機晶體振蕩器之間的不匹配。HDRadio FM的工作載波頻率可以高到108 MHz。信道模型明確了接收機在以141 km/h 的速度移動的時候，會導致13Hz的多普勒偏移。這個值仍然少于副載波間隔的一半。廣播臺站的不匹配，LO（本振）的不匹配，應該限制在1ppm。因此，接收機的本振不匹配是CFO的主要原因。下面的討論主要聚焦在本振的不匹配。假定本振不匹配是20ppm，載波頻率是108 MHz，CFO可以達到2160 Hz。

由上述討論中，我們可以把影響系統(tǒng)的載波頻率偏移分為FCFO（微小載波頻率偏移）和ICFO（整體載波頻率偏移）。在系統(tǒng)中，設計CP（循環(huán)字首）延遲的相關性來檢測STO（符號時間偏移）和FCFO。ICFO可以使用在參考副載波上的控制數(shù)據(jù)來解決。因為HD radio FM系統(tǒng)采用了OFDM調制技術，OFDM符號的循環(huán)字首允許接收器利用信號的周期性來估計一個符號的起始點。

通過符號中的高度自相關性能，自相關中的峰值指示了OFDM符號的起始值。其中，必須添加矯正功能來補償由于多徑信道造成的影響。即使這樣，仍然很難從周邊噪聲中區(qū)分出峰值。因此，平均一下符號長度的自相關值可以提高可靠性。

對于ICFO部分，在頻率范圍可以通過使用均勻間隔參考副載波來解決。依據(jù)系統(tǒng)的性能，系統(tǒng)控制數(shù)據(jù)數(shù)列的長度是32bits，一次由一個OFDM符號發(fā)送一位。在這個數(shù)列中存在11位同步類型，它的設計目的是為了框架的同步。基于這個性能，接收機一旦收到OFDM信號，就能夠把收到的副載波交叉關聯(lián)到這11位同步類型。如果在19個副載波中找到了更高的關聯(lián)副載波，那么參考副載波的位置找到了，ICFO可以獲得。

3 在FPGA硬件平臺的實現(xiàn)

在對系統(tǒng)中定義的參數(shù)和有效的硬件資源仔細估計后，選擇下面的參數(shù)用在硬件實現(xiàn)中。FFT大小為2048，CP長度為112，采樣頻率為781.25 kHz，副載波間隔為381.5 Hz，符號率為361.9 Hz，發(fā)射率為104.2 kbps（編碼率2/5）。

在FPGA板上建立的CP2102 USB-UART橋接芯片用作板子和電腦之間的通信接口。由發(fā)射機產(chǎn)生的OFDM波形送入Agilent 89600導航信號發(fā)生器來分析它的頻譜圖和由MATLAB產(chǎn)生的仿真頻率圖相比較，發(fā)現(xiàn)這兩個頻譜圖基本相似。

FPGA實現(xiàn)提供了一個適用于HD Radio FM性能的原型基帶系統(tǒng)。由于FPGA性能，這個系統(tǒng)可以較快的處理信號，它能夠為以后程序配置增加靈活性。

參考文獻

[1] C.Faller，B.-H.Juang，P. Kroon，et Technical Advances in Digital Audio Radio Broadcasting[J].”IEEE proceedings，2002，90：1303-1333.

[2] iBiquity Digital Corporation， HD RadioTM FM Transmission System Specifications，2008.endprint

摘 要：該文對HD Radio FM數(shù)字音頻廣播系統(tǒng)的發(fā)射、接收系統(tǒng)以及實現(xiàn)程序進行了設計和探討，并驗證了合理性。

關鍵詞：HD Radio FMOFDMFPGAIBOC

中圖分類號：TN93 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）06（a）-0255-02

在數(shù)字音頻廣播領域，正在使用幾項標準，比如歐洲的Eureka-147，它被稱為DAB（數(shù)字音頻廣播），并被多個歐洲國家所采用，這個系統(tǒng)利用了OFDM（正交頻分復用）技術。另外一個數(shù)字廣播技術叫做DRM（數(shù)字調幅廣播），運行在低于30 MHz的頻率。如果這兩種數(shù)字廣播技術都占用新的頻譜來單獨使用，對于有限的頻率資源，會造成極大的浪費。因此，出現(xiàn)了IBOC（帶內(nèi)同頻道）系統(tǒng)被，它允許傳統(tǒng)廣播和數(shù)字廣播在相同的頻道內(nèi)同時播出。

HD Radio FM系統(tǒng)是由iBiquity Digital公司開發(fā)的數(shù)字音頻廣播系統(tǒng)，它可以在相同的FM頻譜內(nèi)同時播放模擬和數(shù)字廣播信號。這個系統(tǒng)使用兩種播放模式：混合模式和全數(shù)字模式。在混合模式下，一個站點占用400 kHz帶寬同時發(fā)射它的模擬和數(shù)字信號；而在全數(shù)字模式下，它可以利用全部400 kHz帶寬來發(fā)射全數(shù)字信號。

1 發(fā)射機設計

HD Radio FM參數(shù)是：副載波間隔363.4 Hz，循環(huán)字首寬度7/128，F(xiàn)FT大小是4096，OFDM符號持續(xù)時間2.764 ms。在分配給每個站點的400 kHz帶寬中，中心的200 kHz只為模擬使用，兩邊剩下的邊帶總共200 kHz是為數(shù)字使用。在HD Radio FM頻譜中，數(shù)字信號占到534個副載波，頻譜分區(qū)遵從混合模式1。在模擬FM兩邊每邊都有10個頻率劃分區(qū)，每1個劃分區(qū)包含19個OFDM副載波，其中包含控制/同步的1個參考副載波和18個數(shù)字音頻數(shù)據(jù)副載波。每個框架持續(xù)1.486 s，其中包含16個塊和每個塊上的32個OFDM符號。另外，OFDM符號持續(xù)時間和循環(huán)字首長度分別是2.902 ms和7/128。

HD Radio FM系統(tǒng)的結構框架圖如圖1。數(shù)據(jù)流首先進入擾碼模塊，對輸入的傳輸流進行加擾，這樣可以隨機化每個邏輯信道中的數(shù)字數(shù)據(jù)。接著，經(jīng)過擾碼的數(shù)據(jù)通過使用卷積碼來編碼，在每個邏輯信道中給數(shù)字數(shù)據(jù)增加冗余度。然后，信道編碼信息流進行交織，交織可以提供時間和頻率分集，來減少突發(fā)誤差的影響。

HD Radio FM系統(tǒng)在數(shù)據(jù)副載波中利用QPSK映射，在參考副載波中利用BPSK映射。OFDM副載波映射把交織數(shù)據(jù)轉換到頻域范圍。在頻率分區(qū)中，交織器分割的成對的相鄰列被映射成QPSK調制數(shù)據(jù)副載波。

發(fā)射子系統(tǒng)形成了基帶IBOCFM波，通過VHF（甚高頻）信道發(fā)送。功能中包含字符組串和頻率上變頻。當發(fā)送混合波形或者擴展混合波形的時候，在與數(shù)字波形合成之前，先要對基帶模擬信號進行調制。這個模塊的輸入是一個合成的基帶時域OFDM信號y（t）。經(jīng)過Tdd延遲處理后，基帶模擬信號m（t）從模擬源出來。Tdd是可調整的，代表在模擬和數(shù)字連鎖之間的運行時延。在 IBOC系統(tǒng)，模擬和數(shù)字信號載著相同的音頻節(jié)目。

模擬信號m（t）由傳統(tǒng)的FM調制器發(fā)送。

公式1

這里fc代表FM載波頻率，=75kHz是最大頻率偏移。然后，數(shù)字調制RF OFDM信號經(jīng)過上變頻器后和FM射頻信號合成，產(chǎn)生IBCO FM合成波形，s（t）。

2 接收機設計

有兩個主要原因造成CFO（載波頻率偏移）。首先，發(fā)射機和接收器之間的相對速度導致了多普勒效應。第二個原因是發(fā)射機晶體振蕩器和接收機晶體振蕩器之間的不匹配。HDRadio FM的工作載波頻率可以高到108 MHz。信道模型明確了接收機在以141 km/h 的速度移動的時候，會導致13Hz的多普勒偏移。這個值仍然少于副載波間隔的一半。廣播臺站的不匹配，LO（本振）的不匹配，應該限制在1ppm。因此，接收機的本振不匹配是CFO的主要原因。下面的討論主要聚焦在本振的不匹配。假定本振不匹配是20ppm，載波頻率是108 MHz，CFO可以達到2160 Hz。

由上述討論中，我們可以把影響系統(tǒng)的載波頻率偏移分為FCFO（微小載波頻率偏移）和ICFO（整體載波頻率偏移）。在系統(tǒng)中，設計CP（循環(huán)字首）延遲的相關性來檢測STO（符號時間偏移）和FCFO。ICFO可以使用在參考副載波上的控制數(shù)據(jù)來解決。因為HD radio FM系統(tǒng)采用了OFDM調制技術，OFDM符號的循環(huán)字首允許接收器利用信號的周期性來估計一個符號的起始點。

通過符號中的高度自相關性能，自相關中的峰值指示了OFDM符號的起始值。其中，必須添加矯正功能來補償由于多徑信道造成的影響。即使這樣，仍然很難從周邊噪聲中區(qū)分出峰值。因此，平均一下符號長度的自相關值可以提高可靠性。

對于ICFO部分，在頻率范圍可以通過使用均勻間隔參考副載波來解決。依據(jù)系統(tǒng)的性能，系統(tǒng)控制數(shù)據(jù)數(shù)列的長度是32bits，一次由一個OFDM符號發(fā)送一位。在這個數(shù)列中存在11位同步類型，它的設計目的是為了框架的同步?；谶@個性能，接收機一旦收到OFDM信號，就能夠把收到的副載波交叉關聯(lián)到這11位同步類型。如果在19個副載波中找到了更高的關聯(lián)副載波，那么參考副載波的位置找到了，ICFO可以獲得。

3 在FPGA硬件平臺的實現(xiàn)

在對系統(tǒng)中定義的參數(shù)和有效的硬件資源仔細估計后，選擇下面的參數(shù)用在硬件實現(xiàn)中。FFT大小為2048，CP長度為112，采樣頻率為781.25 kHz，副載波間隔為381.5 Hz，符號率為361.9 Hz，發(fā)射率為104.2 kbps（編碼率2/5）。

在FPGA板上建立的CP2102 USB-UART橋接芯片用作板子和電腦之間的通信接口。由發(fā)射機產(chǎn)生的OFDM波形送入Agilent 89600導航信號發(fā)生器來分析它的頻譜圖和由MATLAB產(chǎn)生的仿真頻率圖相比較，發(fā)現(xiàn)這兩個頻譜圖基本相似。

FPGA實現(xiàn)提供了一個適用于HD Radio FM性能的原型基帶系統(tǒng)。由于FPGA性能，這個系統(tǒng)可以較快的處理信號，它能夠為以后程序配置增加靈活性。

參考文獻

[1] C.Faller，B.-H.Juang，P. Kroon，et Technical Advances in Digital Audio Radio Broadcasting[J].”IEEE proceedings，2002，90：1303-1333.

[2] iBiquity Digital Corporation， HD RadioTM FM Transmission System Specifications，2008.endprint