调频广播设备的实现技术论文

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1、萌芽杯 1 “萌芽杯萌芽杯”参赛论文参赛论文 “一种新型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” 阶段性成果论文阶段性成果论文 自控 1001 吴浩冉 宋松齐 张洋 于文龙 萌芽杯 2 目目 录录 摘摘 要要1 1选题背景及方案确定选题背景及方案确定2 1.1 选题背景选题背景2 1.2 方案分析及确定方案分析及确定3 2.方案的原理介绍方案的原理介绍.5 2.1 总体框架分析总体框架分析5 2.2 各主要功能模块的基本原理各主要功能模块的基本原理6 2.2.1 音频信号处理模块音频信号处理模块.6 2.2.2 数字信号处理模块数字信号处理模块.6 2.2.3 射频处理模块射频处

2、理模块.16 2.2.4 控制与显示模块控制与显示模块.21 3硬件实现硬件实现24 3.1 主体硬件实现框架主体硬件实现框架24 3.2 各关键模块的硬件设计与实现各关键模块的硬件设计与实现24 3.2.1 模拟音频采集电路的设计模拟音频采集电路的设计.24 3.2.2 数字音频接收电路的设计数字音频接收电路的设计.26 3.2.3 FPGA 相关电路的设计相关电路的设计27 3.2.4 DDS 芯片外围电路设计芯片外围电路设计.29 3.2.5 射频电路的设计射频电路的设计.30 3.2.6 控制与显示电路的设计.32 4测试结果与仿真验证测试结果与仿真验证35 4.1 试验机的单机测试方

3、法和结果试验机的单机测试方法和结果35 4.2 组建同步广播网的分析组建同步广播网的分析39 5项目的创新点与优势项目的创新点与优势41 5.1 使用数字信号处理技术使用数字信号处理技术41 5.2 使用使用 FPGA 作为开发平台作为开发平台.41 5.3 实现单频同步广播实现单频同步广播42 6推广前景与进一步完善推广前景与进一步完善44 6.1 推广前景推广前景44 6.2 进一步完善的设想进一步完善的设想44 7致谢致谢46 8参考文献参考文献47 9附录附录 控制面板设置及操作说明控制面板设置及操作说明48 萌芽杯 1 摘摘 要要 本参赛项目以广播业的需求为背景，主要研制了一种新型高

4、性能调频广播 设备的实现技术，项目采用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，设备可以实现从 模拟或数字双声道音频输入到 87108MHz 立体声调频信号输出的全数字处理功 能。系统以直接数字频率合成（DDS）技术实现数字调频调制，实现了高稳定度 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控制，具有极高的准确性，能 够方便地实现同步控制，适合在调频同步广播系统中作同步激励器使用。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

5、理模块和控制与显示模块。 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，可以提高现有 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。经验证， 已经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，直接数字频率合成，频带利用率，FPGA 萌芽杯 2 1选题背景及方案确定选题背景及方案确定 1.1 选题背景选题背景 目前各种广播系统普遍采用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

6、频广播的音质和频率稳定度主要取决于调频激励器。目前 国内大部分地区采用的是模拟调频激励器。虽然模拟调频技术经过 60 多年的发 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， 模拟调频激励器的指标已经接近极限，进一步提高的余地已经很小了。 为了追求更高的广播收听质量，西方发达国家开始出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非常昂贵，面临一个巨大资金 的投入问题；另外，DAB 系统的实现还面临着一系列的技

7、术难题，在我国发展 比较缓慢。因此，在未来的几年里我国利用 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发展，各种新 的数字化的处理技术不断出现，在这种情况下，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已经 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开招标，以满足市区广播业的发展需求。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，并可以

8、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 对数字广播技术的兴趣爱好，并受这则招标公告的启示，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围而必须建设高 塔、大功率发射设备，这种方式不仅会造成能源的浪费，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发展，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。 萌芽杯 3 1.2 方案分析及确定方案分析及确定 要建立一套满足招标要求的广播系统，首先是要建立适合

9、的调频发射机系 统，而调频激励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 新型高性能的调频激励器是实现同步广播系统的关键。 调频发射机系统主要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 87108MHz 波段的载波上，经激励器功放放大输 出，从而实现在不同的载波上播放不同的节目。调频激励器4是调频发射机的 信息处理核心，它直接决定发射机性能的优劣，在输出功率要求较小的情况下， 调频激励器也可直接作为发射机。根据内部信号处理方式的不同，调频激励器 可分为数字式和模拟式两种。 模拟调频激励器是采用模拟信号处理及频率调制技术的激励器。系统可分 为硬件和系统软

10、件两部分，系统硬件主要通过模拟电路技术，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；而系统软件则对系统硬件进行简单的监测和控制。如采 用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 般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影响，对激励器的性能提升有了很大 的限制。 而数字调频激励器是在模拟调频激励器基础上的一种数字化开发，其主要 功能框架与模拟调频激励器类似，但是主要采用了数字信号处理5-6和直接数字 频率合成7等技术对音频信号进行数字化处理。数

11、字调频激励器克服了模拟技 术中分立器件误差大，性能受器件老化影响等问题，其合成信号失真小、信噪 比高，各项性能指标有了很大的提高，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，可以充分保证左、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。 根据以上多方面的分析和对比，我认为从理论上来说，数字化的调频激励 器可以满足对高性能的要求；同时，实现成本又会比国外的数字激励器有大幅 萌芽杯 4 的下降，应该可以取代现在普遍使用的模拟激励

12、器并在全国推广。因此，我在 一年多以前就坚定了信心，决定设计一种数字调频激励器的实现技术方案。 萌芽杯 5 2.方案的原理介绍方案的原理介绍 2.1 总体框架分析总体框架分析 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，主要就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主要模块：音频信号处理 模块、数字信号处理模块、射频处理模块和控制与显示模块。 回顾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

13、模块。这两个模块以现场可编程门阵列8（FPGA）和 直接数字合成技术（DDS）为核心，完成数字化调频立体声信号的合成和调制。 之所以称它们是核心，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，用它可以实现对数字基带音频信号进行滤波和预加重 处理，并且通过简单的加法和乘法运算就可以完成立体声信号的合成。而利用 DDS 技术实现调频调制，很重要的是它可以保证输出的调频信号频率分辨率高， 相位噪声小，调频线性度好，频偏控制容易。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 文以下的叙述过程中，也是围绕这个系统

14、框图的各组成部分来展开的，先讲各 模块的基本原理，再描述它们的硬件设计与实现过程。 数字信号处理模块音频信号处理模块 模拟音频左、右声道输入 数字音频AES3格式输入 音频ADC采样电路 数字音频解码电路 FPGA信号处理电路 DDS调频信号生成电路 射频处理模块 带通滤波器 控制与显示模块 单片机控制电路人机界面与FPGA通信电路 锁相环 图 2-1 系统原理框图 萌芽杯 6 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（如果输入的是数字音频信号，则可以直接进行采样率转换） ；转换后送入 FPGA

15、 进行相应的数字处理，主要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 各主要功能模块的基本原理各主要功能模块的基本原理 2.2.1 音频信号处理模块音频信号处理模块 系统外部音频输入主要可以分为两类：模拟音频和数字音频。对于模拟音 频，音频信号处理模块主要是完成音频信号的采集，主要由低噪声放大器和音 频模数转化器构成，它的主要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况看，大多数的音频 ADC 均采用了过采 样技术和 Sigma-De

16、lta 技术，这样做可以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，可以了解到，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，这样的性 能指标能够满足我设计的调频激励器对信噪比的要求。 在我设计音频信号处理模块过程中，特别考虑了使模块支持数字音频接口， 这也可以说成为了整个设备的优势之一。这里，模块对数字音频信号的处理， 主要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）的情况下，可以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，既可以采 用软件算法实现，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 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，根据功能，数字信号处 理