基于FPGA的数字音频广播信道编码器的实现

2010-07-02 15:43:09来源: 嵌入式公社

  1 数字音频广播(DAB)发射系统及信道编码器

  DAB是继调幅和调频广播之后的第三代广播体系。与模拟广播相比它不仅可以提供高质量的声音信号(CD音质),也可以提供数据、图像等多种其他附加服务。它可以保证在高速移动接收时的声音质量,具有很强的抗干扰能力,在同样的频带宽度和环境下,DAB可以提供高质量的多种多样的广播节目。

  DAB的发射系统主要包括处于节目提供商位置的信源编码器,处于广播台演播室位置的复接器和处于发射机内部的COFDM(编码正交频分复用)编码调制器。其中COFDM可分为信道编码、OFDM调制和数字上变频。本文主要讨论使用FLEX10K系列FPGA来实现信道编码的功能。

  DAB的信道编码部分主要包括能量扩散、卷积编码和删除、时间交织等,输入为来自复接器的ETI(业务群传输接口Ensemble Transport InteRFace)帧,输出为DAB传输帧。能量扩散的作用是通过对二进制序列的随机化处理使频谱扩散,减少连\'0\'和连\'1\'的出现,以保证接收端比特按时恢复。对于信号的传输来说,由于卷积编码引入了大量的冗余比特,因此DAB的信道编码采用删除型的卷积编码。DAB发射机使用时间交织技术来纠正突发性的块差错。它按照既定的规则打乱数据排列顺序,使得信道中成块的错误分散在不同帧中,再结合卷积编码的点纠错能力,可以使接收机能够纠正移动传输中经常出现的块差错。

  2 FLEX10K系列特点

  FLEX10K系列是Altera公司生产的一种嵌入式可编程逻辑器件PLD-Programmable Logic Device 。Flex可更改逻辑单元阵列采用可重构的CMOS SRAM单元,其结构集成了实现通用多功能门阵列所需的全部特征。FLEX10K系列器件容量可达25万门,能够高速度、高性能地将整个数字系统集成于单个器件中。FLEX10K系列的高密度和易于在设计中实现复杂宏函数与存储器,使其可以适应系统级设计的要求。

  FLEX10K器件可通过Altera的MAX PLUS II 系统来开发,它具有强大的功能,支持原理图、硬件描述语言(VHDL,AHDL,verilogHDL)等多种输入方式。用FPGA来实现DAB信道编码器,大大简化了系统结构。而且VHDL描述语言的使用缩短了开发时间,增强了系统的可读性,便于后续产品的升级。如果想改变软件设计,只要修改程序、重新编译、下载即可,十分方便。即使要改变硬件设计,也可通过重新分配FPGA管脚实现,不需大规模改动原有的硬件。从信道编码器的的功能特点看,大部分是比特操作。如果使用DSP或单片机,每个指令周期只能处理一个字节中的一比特,效率相当低。而FPGA可以对多个比特同时并行操作,大大提高了处理效率。由于FPGA的最高工作频率在100MHz以上,所以可以通过提高FPGA的工作频率来提高其处理数据的速度。

  本设计中所用的FLEX10K100A FPGA是FLEX10K系列中的一种,它的等效门数为10万门,内建24K字节RAM,可用的I/O管脚达到189个,核心电压3.3V,支持5V输入输出。设计中采用原理图和VHDL语言混合输入的方法。

  3 用FPGA实现信道编码功能

  DAB信道编码技术包括ETI解复接、能量扩散、卷积编码和删除和时间交织。其中ETI解复接和系统控制由一片DSP ADSP2181来实现,核心部分能量扩散、卷积编码删除时间交织全部由一片FLEX10K100A实现。一个ETI帧中主要包括帧头信息本帧及帧内各子通道的相关信息和主业务流数据MST包括音频数据码流和快速数据通道(FIC)。图1是信道编码的硬件实现示意图。

信道编码的硬件实现示意图

  来自复接器的码流(ETI)经E1接口板,解出ETI帧,存入输入双口RAM缓冲区。在每帧(24ms)开始时,控制器2181从输入缓冲区读入ETI帧并根据帧头信息计算得一组控制矢量,并将其写回到输入缓冲区,然后启动FPGA。FPGA首先读入控制矢量,然后根据其描述读入ETI帧中MST域的各子通道数据并进行能量扩散、卷积编码和删除、时间交织的处理,结果输出到输出缓冲区给OFDM调制器。其中SRAM交织缓冲区是用来存放用于交织的6帧数据的。

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关键字:FPGA  信道编码器  数字音频广播  DAB

编辑:小甘 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/FPGA/2010/0702/article_1219.html
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北京航空航天大学教授,国内最早从事复杂数字逻辑和嵌入式系统设计的专家。

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