調(diào)頻頻段數(shù)字音頻廣播（FM-CDR）發(fā)射機(jī)的的原理分析

羅正明

【摘要】調(diào)頻頻段數(shù)字音頻廣播系統(tǒng)（CDR）自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的標(biāo)準(zhǔn)體系，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了模擬調(diào)頻廣播、FM-CDR全數(shù)字廣播、模擬調(diào)頻和數(shù)字同播等三種工作模式。

【關(guān)鍵詞】FM-CDR;發(fā)射機(jī) ;激勵(lì)器;功率放大器;線性;非線性

1. 前言

CDR（C hina D igital R adio）是中國(guó)自主研發(fā)的新一代數(shù)字廣播技術(shù)，經(jīng)過多年不斷的努力，取各家之長(zhǎng)，結(jié)合相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域最新的成果，創(chuàng)造性的建立了具有我國(guó)調(diào)頻頻段數(shù)字音頻廣播系統(tǒng)（CDR）自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的標(biāo)準(zhǔn)體系，于2013年8月正式作為國(guó)家廣電總局行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)。

2. 系統(tǒng)原理

地面覆蓋網(wǎng)絡(luò)使用一個(gè)調(diào)頻廣播頻率，以模擬和數(shù)字同時(shí)播出的方式進(jìn)行傳輸覆蓋。該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)模擬調(diào)頻廣播、FM-CDR全數(shù)字廣播、模擬調(diào)頻和數(shù)字同播等三種工作模式。模數(shù)同播時(shí)，可通過調(diào)整模數(shù)功率比來設(shè)置模擬調(diào)頻廣播和數(shù)字廣播的發(fā)射功率。因而，在今后相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)期內(nèi)，CDR數(shù)字廣播信號(hào)將會(huì)與模擬廣播信號(hào)共存同播。

調(diào)頻頻段數(shù)字音頻廣播工作在現(xiàn)有的FM模擬發(fā)射的頻率上，并在保護(hù)頻帶內(nèi)進(jìn)行工作，不影響現(xiàn)有的頻率規(guī)劃，支持與FM模擬同臺(tái)、同頻、同發(fā)射機(jī)播出，可通過子帶捆綁實(shí)現(xiàn)傳輸容量擴(kuò)展（最高可達(dá)3Mbps），可支持多媒體數(shù)據(jù)廣播，調(diào)頻頻段數(shù)字音頻廣播系統(tǒng)由節(jié)目?jī)?nèi)容統(tǒng)一集成、衛(wèi)星傳輸分發(fā)、地面模數(shù)同播發(fā)射等部分組成。

發(fā)射系統(tǒng)采用模數(shù)同播的方式，使用現(xiàn)有中國(guó)之聲（中-1）模擬調(diào)頻廣播頻率、安裝一套調(diào)頻頻段數(shù)字音頻廣播發(fā)射系統(tǒng)，同時(shí)播出1套模擬調(diào)頻廣播節(jié)目和3套數(shù)字音頻廣播節(jié)目。

3. FM-CDR發(fā)射機(jī)

FM-CDR發(fā)射機(jī)主要由FM-CDR激勵(lì)器和線性功率放大器等組成。

FM-CDR發(fā)射機(jī)使用現(xiàn)有中1模擬調(diào)頻廣播發(fā)射機(jī)的功率和頻率，采用模數(shù)節(jié)目同播方式，同時(shí)播出1套模擬音頻廣播和3套數(shù)字音頻廣播節(jié)目。數(shù)字信號(hào)功率根據(jù)技術(shù)要求，功率比一般限制在-17 dB或-14 dB（數(shù)字/模擬信號(hào)功率比在-10dB至-20dB范圍內(nèi)可調(diào)節(jié)）。通過技術(shù)改造后的調(diào)頻頻段數(shù)字音頻廣播發(fā)射機(jī)與原有中1模擬廣播發(fā)射機(jī)通過同軸開關(guān)進(jìn)行切換，實(shí)現(xiàn)原有模擬發(fā)射機(jī)對(duì)新增發(fā)射機(jī)的備份。

FM-CDR發(fā)射機(jī)必須具有優(yōu)異的相位噪聲和高輸出帶肩及高M(jìn)ER等技術(shù)指標(biāo)，滿足內(nèi)置GPS模塊，支持100M IP輸入等技術(shù)要求。

FM-CDR數(shù)字廣播工作于傳輸模式1、頻譜模式9、QPSK-3/4的模式，傳送3路數(shù)字音頻（32Kbps+48Kbps）廣播。模擬調(diào)頻廣播信號(hào)占用頻道中心頻率附近±130KHz之內(nèi)，CDR數(shù)字信號(hào)占用±150至200KHz。

3.1 FM-CDR激勵(lì)器

FM-CDR發(fā)射機(jī)系統(tǒng)的激勵(lì)器，除了能支持CDR和FM同時(shí)或者獨(dú)立發(fā)射工作外，必須完全支持調(diào)頻頻段數(shù)字聲音廣播：GY/T 268.1-2013，《調(diào)頻頻段數(shù)字音頻廣播 第1部分：數(shù)字廣播信道幀結(jié)構(gòu)、信道編碼和調(diào)制》（簡(jiǎn)稱CDR），完全支持GD/J 061-2014調(diào)頻頻段數(shù)字音頻廣播激勵(lì)器技術(shù)要求和測(cè)量方法以及支持反饋式自適應(yīng)校正預(yù)失真功能和先進(jìn)的自適應(yīng)算法等。

圖三為 FM-CDR激勵(lì)器方框圖，主要由碼流輸入、FPGA單元、射頻輸出部份、控制部分、射頻采集、電源部份、時(shí)鐘處理等幾個(gè)部份構(gòu)成。

3.1.1 碼流輸入

兩路ASI輸入分別送入CY7B933接收芯片實(shí)現(xiàn)接口轉(zhuǎn)換，1路IP經(jīng)過100M的PHY芯片RTL8201CP，3路輸入的MEIP包分別送入FPGA，通過多路選擇一路供本機(jī)調(diào)制輸出。

3.1.2 FPGA單元

FPGA用了美國(guó)XILINX公司的芯片XC7A200T，該芯片采用了28納米工藝，芯片內(nèi)核使用1.0v電壓，降低整個(gè)系統(tǒng)的功耗。

根據(jù)系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)FPGA內(nèi)部邏輯框架，如圖四所示：

3.1.3 復(fù)用器輸入碼率處理

IP格式或者ASI格式的MEIP包處理，包含串并格式轉(zhuǎn)換，MEIP包中業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)信息提取，碼率適配，傳輸協(xié)議解析等處理;

3.1.4 模擬音頻（XLR）和數(shù)字音頻（AES）輸入處理模塊：

對(duì)輸入的AES/EBU、XLR音頻的數(shù)字化采樣;

3.1.5 信道編碼調(diào)制模塊

實(shí)現(xiàn)國(guó)標(biāo)調(diào)頻頻段數(shù)字音頻廣播信道編碼標(biāo)準(zhǔn)中業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)描述信息加擾、LDPC編碼和卷積編碼、比特交織、星座映射、子載波交織、組成幀體（系統(tǒng)信息插入）、幀體數(shù)據(jù)處理（1024或2048點(diǎn)IFFT實(shí)現(xiàn)）、邏輯幀成幀（幀頭生成與插入）、子幀分配、基帶后處理（成形濾波）;

3.1.6 頻率調(diào)制模塊

實(shí)現(xiàn)國(guó)標(biāo)米波調(diào)頻廣播技術(shù)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)中的立體聲廣播調(diào)頻輸出，包含立體聲預(yù)處理，預(yù)加重，導(dǎo)頻生成，調(diào)頻輸出等;

3.1.7 合成模塊

實(shí)現(xiàn)CDR和FM的獨(dú)立或者混合傳輸;

3.1.8 數(shù)字預(yù)失真處理

采樣后的數(shù)據(jù)與原始數(shù)據(jù)進(jìn)行功率匹配，同步處理，功率過載檢測(cè)，再提取發(fā)射機(jī)功放失真信息，采用先進(jìn)高效的自適應(yīng)算法，對(duì)發(fā)射機(jī)非線性進(jìn)行校正。

3.1.9 CFR（波峰因子抑制）

在MER和ACPR都滿足系統(tǒng)要求的條件下，把系統(tǒng)的峰均比（Peak-to-Average Ratio）降低。可提高發(fā)射機(jī)的功率，減少發(fā)射機(jī)功率回退，改善發(fā)射機(jī)的線性性，這樣在相同發(fā)射機(jī)功率的條件下，降低PAR可大大提高預(yù)失真性能。我們采用峰值對(duì)消技術(shù)降低PAR。

3.1.10 功率過載檢測(cè)

在發(fā)射機(jī)使用中，把發(fā)射機(jī)的功率推得過高，發(fā)射機(jī)的穩(wěn)定性和指標(biāo)變差，功耗增加，同時(shí)影響發(fā)射機(jī)的使用壽命，如果發(fā)射機(jī)推得過低，發(fā)射機(jī)的效率沒有充分體現(xiàn)出來。為此，在調(diào)制器里增加發(fā)射機(jī)功率過載檢測(cè)，能夠充分了解當(dāng)前發(fā)射機(jī)中功率放大模塊的工作狀態(tài)，減少因?yàn)槭褂枚斐傻牟槐匾膿p害。在滿足系統(tǒng)性能指標(biāo)的前提下提升發(fā)射機(jī)的穩(wěn)定性和效率，使其達(dá)到完美的統(tǒng)一。

3.1.11 采樣數(shù)據(jù)判決

接收數(shù)據(jù)的平均功率和統(tǒng)計(jì)結(jié)果，與發(fā)射信號(hào)的平均功率和統(tǒng)計(jì)結(jié)果進(jìn)行比較、判定。以保證采樣的數(shù)據(jù)能完全反映發(fā)射機(jī)失真信息的特征。

3.1.12 硬件加速

同步處理，自適應(yīng)算法，需要實(shí)時(shí)性較高，需要大數(shù)據(jù)量的數(shù)學(xué)運(yùn)算，因此我們利用硬件加速，計(jì)算速度快，校正時(shí)間短。在同行業(yè)中，我們的預(yù)失真取得了最快校正速度。

3.1.13 預(yù)失真參數(shù)估計(jì)

發(fā)射的數(shù)據(jù)與采樣數(shù)據(jù)對(duì)齊后，提取功放的失真信息，通過自適應(yīng)算法計(jì)算出一組系數(shù)，通過這組系數(shù)對(duì)發(fā)射機(jī)進(jìn)行預(yù)校正。

3.1.14 預(yù)失真函數(shù)

功放模塊的數(shù)學(xué)模型，一組可變系數(shù)的濾波器。

3.1.15 功率匹配

發(fā)射數(shù)據(jù)的功率和接收數(shù)據(jù)的功率保持一致。

3.1.16 同步處理

將發(fā)射的數(shù)據(jù)與采樣回的數(shù)據(jù)對(duì)齊，包括幅度，相位，延遲。

特別針對(duì)多合體（Doherty）高效率功放特別優(yōu)化，校正效果特別好。

3.1.17 GPS或者10M輸入時(shí)鐘處理模塊

主要是復(fù)用器輸入碼率同步，時(shí)鐘同步處理，射頻信號(hào)輸出同步處理，

3.1.18 控制部分（CPU）

實(shí)現(xiàn)各種模式下相關(guān)參數(shù)的設(shè)置。液晶和按鍵控制，遙控遙測(cè)通信，報(bào)警，監(jiān)測(cè)等。

3.1.19 射頻輸出部分

FPGA輸出的數(shù)字IQ信號(hào)送入高速16bit DA芯片AD9789進(jìn)行D/A 變換、直接上變頻后送入可變?cè)鲆娣糯笃鰽DL5330ACPZ進(jìn)行功率控制，開機(jī)功率緩釋放，最后進(jìn)行模擬濾波，射頻開關(guān)機(jī)抗沖擊保護(hù)通過兩級(jí)繼電器來實(shí)現(xiàn)，開機(jī)時(shí)通過RC延時(shí)電路去控制射頻輸出的開啟時(shí)間。關(guān)機(jī)時(shí)直接關(guān)斷繼電器的控制電源，射頻斷開。從而很好的保護(hù)發(fā)射機(jī)。

3.1.20 射頻采集部分

發(fā)射機(jī)監(jiān)測(cè)輸出信號(hào)通過射頻輸入口輸入，通過抗混疊濾波進(jìn)行濾波，然后利用高精度自動(dòng)增益控制電路，能自動(dòng)動(dòng)態(tài)適應(yīng)寬輸入的電平，最后經(jīng)過高速高位寬A/D，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行精準(zhǔn)采集。

3.1.21 時(shí)鐘處理

輸入的10MHZ時(shí)鐘或者GPS時(shí)鐘或者內(nèi)部10MHZ時(shí)鐘，經(jīng)過時(shí)鐘分配芯片產(chǎn)生4路時(shí)鐘。第1路進(jìn)入FPGA內(nèi)部，通過內(nèi)部鎖相環(huán)倍頻作為FPGA 工作時(shí)鐘;第2路經(jīng)過ADI 公司高穩(wěn)定高相位噪聲本振芯片ADF4350，產(chǎn)生2.4G高穩(wěn)定時(shí)鐘供給AD9789使用;第3路產(chǎn)生射頻輸入采樣時(shí)鐘;第4路產(chǎn)生音頻采樣時(shí)鐘。

3.1.22 電源部分

輸入的交流220v，通過臺(tái)灣明緯NET-50A開關(guān)電源產(chǎn)生直流+5v和+12v;+12v電源供射頻放大使用，+5v經(jīng)過DC-DC 變換成+1.0v 和+3.3v供數(shù)字電路使用。

3.2 功率放大器

數(shù)字信號(hào)要求功率放大器有較好的線性度， 使得FM-CDR功率放大器的工作狀態(tài)必須由原來FM功率放大器的丙類回退至甲乙類，使功率放大器有較高的功率儲(chǔ)備容量和載波調(diào)制信號(hào)有較高的峰值平均功率比。在發(fā)射機(jī)功率相同的前提下，數(shù)模同播發(fā)射機(jī)一般相當(dāng)于模擬調(diào)頻發(fā)射機(jī)功率的兩倍，因而發(fā)射機(jī)效率有較大幅度的下降。由于模擬信號(hào)易于受到數(shù)字信號(hào)的干擾，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中嚴(yán)格限定了FM-CDR發(fā)射信號(hào)的帶外輻射限值，目前主要依靠帶通濾波器實(shí)現(xiàn)。

線性功率放大器的復(fù)雜程度低，與非線性化技術(shù)（預(yù)失真技術(shù)）相結(jié)合的可實(shí)現(xiàn)性高。這里所說的線性功率放大器，是相對(duì)于非線性功率放大器而言，其實(shí)線性功率放大器內(nèi)的功放管，它的功率輸出曲線并非為線性，只是接近于線性曲線而已，因此，為了實(shí)現(xiàn)功率放大器有較好的線性度，F(xiàn)M-CDR激勵(lì)器必須采用反饋式自適應(yīng)校正預(yù)失真技術(shù)。

自適應(yīng)校正預(yù)失真技術(shù)是解決非線性功率放大器為線性功率放大器的一項(xiàng)技術(shù)，結(jié)合先進(jìn)的自適應(yīng)算法技術(shù)，將功率放大器輸出的預(yù)失真校正檢測(cè)信號(hào)送入FM-CDR激勵(lì)器，F(xiàn)M-CDR激勵(lì)器通過分析功率檢測(cè)信號(hào)，自適應(yīng)算法自動(dòng)算出功率放大器的線性度和校正量，由自適應(yīng)校正預(yù)失真電路完成校正工作。

功率放大器的功率分為線性功率和非線性功率兩部分，只用功率放大器的線性區(qū)，功率放大器的效率就很低。因此，采用預(yù)校正技術(shù)來提高功率放大器的使用效率，把功放管在線性區(qū)域之外的飽和區(qū)通過預(yù)失真技術(shù)變成線性放大，使功率放大器工作于接近飽和的非線性區(qū)。

數(shù)字發(fā)射機(jī)的性能指標(biāo)，取決于功率放大器的線性。要確保較大的線性功率余量，功率放大器的功率回退就相應(yīng)的增大，功放管的壽命就相對(duì)的增長(zhǎng)，發(fā)射機(jī)長(zhǎng)期的可靠性、穩(wěn)定性就高;過度的通過加大預(yù)校正量來提高功率放大器的線性，使功放管工作在深度飽和區(qū)工作，把功放管的功率用足，會(huì)使其結(jié)溫過高，在長(zhǎng)期的工作中加速了它的老化，就會(huì)縮短功放管的使用壽命，發(fā)射機(jī)的可靠性、穩(wěn)定性和性能指標(biāo)都會(huì)明顯降低。

在發(fā)射機(jī)同步頂功率一定時(shí)，調(diào)制誤差比MER隨著數(shù)字功率的增加而變差，誤差功率增大，也就是說回退越小，信號(hào)質(zhì)量越差，誤碼率越高。如圖六所示。

對(duì)發(fā)射系統(tǒng)其它部分的影響，考慮到數(shù)字信號(hào)峰均比（7dB），在多工器、天饋系統(tǒng)功率容量設(shè)計(jì)上應(yīng)留有一定余量，功率余量需根據(jù)播出設(shè)置測(cè)算。多工器的通道指標(biāo)特性要滿足相關(guān)技術(shù)要求，其輸入端口帶寬要求大于模擬調(diào)頻接口帶寬，至少應(yīng)達(dá)到500kHz以上，頻譜模式9的必要帶寬為400kHz，頻譜模式10為500kHz。

4. 結(jié)束語

通過技術(shù)改造，在模數(shù)比為17dB時(shí)的FM-CDR數(shù)字廣播信號(hào)與模擬調(diào)頻廣播信號(hào)同播的覆蓋范圍基本相同，覆蓋效果良好，數(shù)字音頻廣播使用100KHz頻譜傳輸兩套數(shù)字廣播信號(hào)，數(shù)據(jù)率在32Kbps的數(shù)字音頻廣播收聽音質(zhì)好于占據(jù)150kHz帶寬的模擬音頻廣播節(jié)目。另外，通過對(duì)FM-CDR數(shù)字廣播信號(hào)的覆蓋預(yù)測(cè)和實(shí)際測(cè)試，驗(yàn)證了FM-CDR調(diào)頻頻段數(shù)字音頻廣播系統(tǒng)的覆蓋性能，為FM-CDR的進(jìn)一步推廣取得了規(guī)劃參數(shù)方面的技術(shù)積累。