HD Radio FM系统基带收发器的设计

摘 要：该文对HD Radio FM数字音频广播系统的发射、接收系统以及实现程序进行了设计和探讨，并验证了合理性。

关键词：HD Radio FMOFDMFPGAIBOC

中图分类号：TN93 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）06（a）-0255-02

在数字音频广播领域，正在使用几项标准，比如欧洲的Eureka-147，它被称为DAB（数字音频广播），并被多个欧洲国家所采用，这个系统利用了OFDM（正交频分复用）技术。另外一个数字广播技术叫做DRM（数字调幅广播），运行在低于30 MHz的频率。如果这两种数字广播技术都占用新的频谱来单独使用，对于有限的频率资源，会造成极大的浪费。因此，出现了IBOC（带内同频道）系统被，它允许传统广播和数字广播在相同的频道内同时播出。

HD Radio FM系统是由iBiquity Digital公司开发的数字音频广播系统，它可以在相同的FM频谱内同时播放模拟和数字广播信号。这个系统使用两种播放模式：混合模式和全数字模式。在混合模式下，一个站点占用400 kHz带宽同时发射它的模拟和数字信号；而在全数字模式下，它可以利用全部400 kHz带宽来发射全数字信号。

1 发射机设计

HD Radio FM参数是：副载波间隔363.4 Hz，循环字首宽度7/128，FFT大小是4096，OFDM符号持续时间2.764 ms。在分配给每个站点的400 kHz带宽中，中心的200 kHz只为模拟使用，两边剩下的边带总共200 kHz是为数字使用。在HD Radio FM频谱中，数字信号占到534个副载波，频谱分区遵从混合模式1。在模拟FM两边每边都有10个频率划分区，每1个划分区包含19个OFDM副载波，其中包含控制/同步的1个参考副载波和18个数字音频数据副载波。每个框架持续1.486 s，其中包含16个块和每个块上的32个OFDM符号。另外，OFDM符号持续时间和循环字首长度分别是2.902 ms和7/128。

HD Radio FM系统的结构框架图如图1。数据流首先进入扰码模块，对输入的传输流进行加扰，这样可以随机化每个逻辑信道中的数字数据。接着，经过扰码的数据通过使用卷积码来编码，在每个逻辑信道中给数字数据增加冗余度。然后，信道编码信息流进行交织，交织可以提供时间和频率分集，来减少突发误差的影响。

HD Radio FM系统在数据副载波中利用QPSK映射，在参考副载波中利用BPSK映射。OFDM副载波映射把交织数据转换到频域范围。在频率分区中，交织器分割的成对的相邻列被映射成QPSK调制数据副载波。

发射子系统形成了基带IBOCFM波，通过VHF（甚高频）信道发送。功能中包含字符组串和频率上变频。当发送混合波形或者扩展混合波形的时候，在与数字波形合成之前，先要对基带模拟信号进行调制。这个模块的输入是一个合成的基带时域OFDM信号y（t）。经过Tdd延迟处理后，基带模拟信号m（t）从模拟源出来。Tdd是可调整的，代表在模拟和数字连锁之间的运行时延。在 IBOC系统，模拟和数字信号载着相同的音频节目。

模拟信号m（t）由传统的FM调制器发送。

公式1

这里fc代表FM载波频率，=75kHz是最大频率偏移。然后，数字调制RF OFDM信号经过上变频器后和FM射频信号合成，产生IBCO FM合成波形，s（t）。

2 接收机设计

有两个主要原因造成CFO（载波频率偏移）。首先，发射机和接收器之间的相对速度导致了多普勒效应。第二个原因是发射机晶体振荡器和接收机晶体振荡器之间的不匹配。HDRadio FM的工作载波频率可以高到108 MHz。信道模型明确了接收机在以141 km/h 的速度移动的时候，会导致13Hz的多普勒偏移。这个值仍然少于副载波间隔的一半。广播台站的不匹配，LO（本振）的不匹配，应该限制在1ppm。因此，接收机的本振不匹配是CFO的主要原因。下面的讨论主要聚焦在本振的不匹配。假定本振不匹配是20ppm，载波频率是108 MHz，CFO可以达到2160 Hz。

由上述讨论中，我们可以把影响系统的载波频率偏移分为FCFO（微小载波频率偏移）和ICFO（整体载波频率偏移）。在系统中，设计CP（循环字首）延迟的相关性来检测STO（符号时间偏移）和FCFO。ICFO可以使用在参考副载波上的控制数据来解决。因为HD radio FM系统采用了OFDM调制技术，OFDM符号的循环字首允许接收器利用信号的周期性来估计一个符号的起始点。

通过符号中的高度自相关性能，自相关中的峰值指示了OFDM符号的起始值。其中，必须添加矫正功能来补偿由于多径信道造成的影响。即使这样，仍然很难从周边噪声中区分出峰值。因此，平均一下符号长度的自相关值可以提高可靠性。

对于ICFO部分，在频率范围可以通过使用均匀间隔参考副载波来解决。依据系统的性能，系统控制数据数列的长度是32bits，一次由一个OFDM符号发送一位。在这个数列中存在11位同步类型，它的设计目的是为了框架的同步。基于这个性能，接收机一旦收到OFDM信号，就能够把收到的副载波交叉关联到这11位同步类型。如果在19个副载波中找到了更高的关联副载波，那么参考副载波的位置找到了，ICFO可以获得。

3 在FPGA硬件平台的实现

在对系统中定义的参数和有效的硬件资源仔细估计后，选择下面的参数用在硬件实现中。FFT大小为2048，CP长度为112，采样频率为781.25 kHz，副载波间隔为381.5 Hz，符号率为361.9 Hz，发射率为104.2 kbps（编码率2/5）。

在FPGA板上建立的CP2102 USB-UART桥接芯片用作板子和电脑之间的通信接口。由发射机产生的OFDM波形送入Agilent 89600导航信号发生器来分析它的频谱图和由MATLAB产生的仿真频率图相比较，发现这两个频谱图基本相似。

FPGA实现提供了一个适用于HD Radio FM性能的原型基带系统。由于FPGA性能，这个系统可以较快的处理信号，它能够为以后程序配置增加灵活性。

参考文献

[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.