（機械電子工程專業(yè)論文）數(shù)字調頻激勵器——基帶信號的處理.pdf

四川大學碩士學位論文 數(shù)字調頻激勵器基帶信號的處理 機械電子工程 研究生馬清清指導教師韓震宇 隨著科學技術的飛躍進步，全世界已經進入了數(shù)字化、信息化、網絡化時 代，廣播電視事業(yè)也隨之得到了迅猛發(fā)展。人們對廣播質量的要求也越來越高， 傳統(tǒng)的模擬激勵器已經難以達到這種要求。而數(shù)字激勵器在數(shù)字基帶信號處理 和調制方面有其不可比擬的優(yōu)越性，而且可以實現(xiàn)與數(shù)字音源的直接接口，使 得它不僅大幅度提高廣播質量，而且能適應現(xiàn)代數(shù)字化技術的普及。除此之外， 也攻克了調頻同步廣播的技術難題。所以研究和設計數(shù)字激勵器，推進數(shù)字激 勵器的國產化，對我國廣播事業(yè)的發(fā)展有重要意義。 論文在分析數(shù)字激勵器原理和結構的基礎上詳細論述數(shù)字立體聲調頻激勵 器的基帶信號處理部分的設計。系統(tǒng)設計的關鍵性技術問題主要集中在四個方 面：， 1 實現(xiàn)與數(shù)字音頻的直接接口，避免了中間的丸d 、d a 轉換導致的失真、 噪聲和增加系統(tǒng)成本的問題。 2 基于d s p 實現(xiàn)基帶信號的完全數(shù)字化處理，包括預加重、濾波、幅度 調整等，防止了模擬基帶信號處理時的幅度和相位限制導致的信號質量下降。 3 基于d s p 冊g a 平臺，完成導頻制立體聲復合信號的合成，精確保證 了基帶信號的質量和導頻信號、副載波信號的精度和相位要求。 4 基于直接數(shù)字合成技術( d d s ) 完成數(shù)字頻率調制，使調制度和線性度 完全獨立于載波頻率，實現(xiàn)了完全數(shù)字化控制載波中心頻率和頻率偏移。 文章首先論證了數(shù)字激勵器發(fā)展現(xiàn)狀和背景，在對多抽樣率技術、d d s 、 d d f m 與鎖相環(huán)等關鍵技術進行研究分析后，提出了立體聲調頻廣播激勵器基 四川大學碩士學位論文 帶信號處理部分的系統(tǒng)設計方案，詳細論證了選擇用d s p 與f p g a 相結合的系 統(tǒng)結構的原因，并分模塊介紹了系統(tǒng)的具體實現(xiàn)方法，給出了相關的設計結果。 系統(tǒng)實現(xiàn)了模擬或者數(shù)字音源系統(tǒng)的接口設計、音頻數(shù)據的處理、立體聲復合 基帶信號的合成以及調頻等任務。論述了基帶信號處理各部分參數(shù)的確定和依 據，給出了基于d d s 的立體聲復合基帶信號合成的算法以及參數(shù)確定，介紹了 用正交調制上變頻器實現(xiàn)數(shù)字調頻調制。 系統(tǒng)主要使用了d s p 、f p g a 、d u c 、a d c 、以及d a c 等芯片，針對多處 理芯片的系統(tǒng)，介紹了基于f p g a 的系統(tǒng)時序控制設計方案，給出了多種設備 接口之間相互通信的具體實現(xiàn)方案。最后給出了設計的最終結果以及系統(tǒng)的工 作情況，證明了系統(tǒng)方案的正確性和可實現(xiàn)性。文章最后列出系統(tǒng)開發(fā)過程中 遇到的問題和對整個數(shù)字激勵器的總體設計的構思。 全文理論結合實際，分模塊闡述了立體聲基帶信號的處理過程，并給出了 具體的軟硬件調試過程和仿真結果，對數(shù)字激勵器的進一步研究和改進奠定了 基礎。 關鍵字：數(shù)字調頻激勵器d s pf p g ad d s 2 四川大學碩士學位論文 d i g i t a lf m e x c i t e r - 一b a s e b a n ds i g n a lp r o c e s s i n g s p e c i a l 鑼：m e c h a n o i l i c s p o s t g r a d u a t e ：q i n g q i n gm as u p e r 、，i s o r ：z h e n y uh a n w i t ht h em p i da d v a n c e m e n to ft e c h n o l o 鼢t h ew o r l d h 勰e n t e r e dt h ed i g i t a l ， 衄e b n n a t i o na n dn 咖o r ka g e ，t h eb r o a d c a s ta n dt 、廠t e c h n i q u eh a sa l s ob e e n 筍e a t l y d l w e l o p e d s ot h eq u a l i t yr e q ：i l i r e m e n t so fb r o a d c a s ta r ei n c r e a s i n gt o o ，t r a d i t i o n a l a n a l o ge x c i t e rc a nh a r d l ym e e t st h er e q v i r e m e n t s ，b u td i 西t a le x c i t e rh a sa l o to f a d v a n t a g e si nb 弱e _ b a n dd i g i t a ls i 弘a lp r o c e s s i n ga n d 行e q u e n c ym o d u l a t i o n i tc a n m c r e a s et h eq u a l i t yo ft h eb r o a d c a s ta n df i tt h ep o p u l 撕z a t i o no fd i 舀t a l 白e c h n o l o g y b e c a u s eo fi t sd k e c ti n t e r f a c et od i 百t a ls o u r c e ，a i l di tc a nr e s o l v em et e c h n i q u e d i 伍c u h yo ff ms y n c h r o n i z a t i o nb r o a d c 嬲tt o o s oi ti sv e 哆s i g n i j e i c a t i v et or e s e a r c h 砒l dd e s i g nd i g i t a le x c i t e ra 1 1 dp r o d u c eh o m e m a d ee x c i t e f s t h et h e s i se x p a t i a t e st 1 1 ed e s i 弘o fb 嬲e b a n ds i 弘a 1p r o c e s s i n gp a r to fd i 西t a l s t e r e 0f me x c i t e rd e t a i l e d l yb a s e do nt 1 1 ea n a l y s i so fe l e m e m a 巧m e o r ya n ds t n l c t i l r e o fd i 酉t a le x c i t 甌t h ek e yt e c h n i q u eo fs y s t e md e s i 弘m a i n l yc o n c e n 虹a t e so nf o u r p o i n t s ： 1 d i r e c ti n t 柏c et od i 豇a ls o u r c e se l i m i n a t e si n t e m e d i a t ea 仍a n dd 值 c o n v e r s i o n s 、砌c ha d dd i s t o r t i o n ，n o i s e ，a n ds y s t e mc o s t 2 d 遠i t a ls i 鵲a lp r o c e s s o f ( d s p ) p r o 、，i d e sa b s o l u t ed i g i t a lp f o c e s s i n gi n c l u d i n g p r e 唧h a s i s ，f i l t 耐n ga n d 鋤p l i t u d e 確u s t i n g0 fb 2 l s e b a n ds i g n a l ，w i t hn o n eo ft h e s i 驢a ld e g r a d a t i o nr e s u l t i n g 丘o mt h ea r 叩l i t u d ea 1 1 dp h a s el i m i t a t i o n s0 fa n a l o g b a s d b a n d 3 d s p + f p g an a ts y m h e s i st h ep i l o t t o n ef ms t 唧s i 弘a le n s u r e st h eq u a l 塒 3 四川大學碩士學位論文 o f b a s e b a n ds i 弘a 1 ，t h ep r e c i s i o na n dp h a s ed e m a n do fp i l o ts i g n a la j l dc a n i e rs i 驢a 1 4 d d f mb a s e do nd d sm a k e sm o d u l a t i o nl e v e la n dl i n e 撕t yi n d 印e n d e mo f c a r r i e rf r e q u e n c y ，a c t u a l i z e sd b s o l u t ed i 百t a lc o n t r o lo fc a r r i e rc e n t e r 行e q u e n c ya l l d f r e q u e n c yd e v i a t i o n t h em e s i si n t r o d u c e st 1 1 ed e v e l o p m e l l ta c t u a l i t ya n db a c k g r o u n do fd i 西t a l e x c i t e rf i r s t a r e rt h e a n a l y s i s a n dd e s e a r c ho ft h e k e yt e c m q u ei n c l u d i n g 咖1 t i s 鋤p l er a t e ，d d s ，d d f m ，p l l ，i tb m g sf o 聊捌t h es y s t e n ld e s i g l ls c h e m eo f b a s e b a i l ds i 弘a lp r o c e s s i n gp a r to ft h ed i g i t a ls t e r e of me x c i t e r ，d e m o n s t r a t e s 也e r e a s o n0 fu s i n gt h ed s p + f p g a s y s t e m ，a 1 1 di n t r o d u c e s 仕i ei d i o g r a p h i ct e c b - 1 1 i q u eo f t 1 1 es y s t 鋤a n ds h o w st h ec o r r e l a t i v ed e s i g qr e s u l t t h es y s t e ma c t u a l i z e st h e i n t e r | 沁ed e s i 薩o fa n a l o go rd i g i t a la u d i os o u r c es y s t e m ，a u d i od a t ap r o c 髑s i n g ，t h e c o m p o s i n go fb 嬲e b a n ds t e r e os i 薩a la n d 骶q u e n c ym o d u l a t i o n i te x p a t i a t e st h e p 猢e t e rs e l e c t i o na n dr e a s o no fb a s e b a i l ds i 弘a lp r o c e s s i n gp a r t ， s h o w st h e a r i t h m e t i ca n dp a r a m e t e rc o n f i 珈蚴舡o no fb a s e b 齜l ds t e r e os i 弘a lc o i n p o s i n gb a s e d o nd d s ，a n di n t r o d u c e sm ed i g i t a l 舶q u e n c ym o d u l a t i o nu s i n go r t h o g o n a l m o d u l a t i o nd u c n ec h i p su s e di nt h es y s t e mi n c l u d ed s p ，f p g a ，d u c ，a d ca n dd a c e t c ， t h et 1 1 e s i s 鋤加d u c e st h et i m ec o 肋0 ld e s i 弘o ft h ew h o l es y s t e m ，t h ei d i o 鯽l p h i c c o m m u n i c a t i o nd e s i g no fm u l t i i n t e r f i ei na l l u s i o nt ot h e 瑚m l t i c b i p ss y ，s t e m t h e t 1 1 e s i sa l s os h o w st h ep r o b l e m si nt ：h ew h o l ed e s i g np r o c e s s 孤l dm eg o i n go ft h e s y s t e m ，i tp r o v e st 1 1 ec o r r e c t n e s sa n dr e a l i z a t i o no ft h es y s t e ms c h e m e f i n a l l yt h e t 1 1 e s i sl i s t st h ep r o b l e m si nt 1 1 ed e s i g np r o c e s sa n dd i s c u s s 懿t ：h ed e s i g no ft 1 1 ew h o l e d i 西t a le x c i t 甌 t h et h e s i sc o m b i n e s 也e o 巧t op m c t i c e ，e x p a t i a t e st h ep r o c e s s i n go fb 弱e b 缸l d s t e r e os i g n a lp a r t l y ，s h o w st h ed e b u ga n ds i m u l a t i o nr e s u l to fh 衲a r ea n ds o f t w a r e ， a n dh 嬲c e n a j nr e f 釃m c et ot h ef i l 吡e rr e s e a r c ha n di m p r 0 v 鋤e n to fd i 百t a le x c i t 既 k e yw b r d s ：d i 舀t a lf m e x c i t e rd s pf p g ad d s 4 四川大學碩士學位論文 聲明 本人聲明所呈交的學位論文是本人在導師指導下進行的研究工作及取得的 研究成果。據我所知，除了文中特別加以標注和致謝的地方外，論文中不包含 其他人已經發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得四川大學或其他教育機 構的學位或證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢 獻均已在論文中作了明確的說明并表示謝意。 本學位論文成果是本人在四川大學讀書期間在導師指導下取得的，論文成 果歸四川大學所有，特此聲明。 1 0 0 研究生簽名：弓磕清 導師簽名：種袈窨 日 期：耙降r 月 四川大學碩士學位論文 1前言 1 1 課題的背景和意義 廣播是最早出現(xiàn)的電子大眾傳媒，在各國政治、經濟、社會、文化生活中 的作用十分巨大。而調頻廣播因其優(yōu)秀的音質和抗干擾性能而成為城市廣播覆 蓋的主要手段。雖然在電子和計算機技術日新月異的今天，調頻廣播這一大眾 傳媒正經歷著來自電視及互聯(lián)網等諸多領域的沖擊，但在一些移動工具( 例如汽 車內) 及開闊環(huán)境，調頻廣播仍具有不可替代的地位；同時，可傳送立體聲也賦 予它特別的魅力，使其成為家庭休閑及餐飲娛樂場所“背景音樂”的重要提供 者；且就目前世界的經濟水平而言，調頻廣播在發(fā)展中國家的推廣和普及仍有 很大的前景【l j 。 在聲音廣播領域，如果將模擬調幅、模擬調頻看成是第一代和第二代的廣 播技術，則數(shù)字音頻廣播( d a b ) 可看成是第三代廣播技術。數(shù)字音頻廣播具 有模擬聲音廣播不可比擬的優(yōu)勢，且必然會最終取代模擬聲音廣播。就調頻發(fā) 射機系統(tǒng)的核心激勵器的普遍原理而言，數(shù)字激勵器和模擬激勵器是基本 相同的，各功能模塊和指標都是共通的，但是數(shù)字激勵器更多地融入了數(shù)字技 術，解決了以下幾個難點：1 直接與數(shù)字音源接口，解決了數(shù)字音源的普及對 模擬激勵器的沖擊；2 。使激勵器的各項技術指標更好、更容易地得到滿足；3 使 無線電廣播頻帶資源得到進一步充分的利用和整合，對附加信道( s c a ) 的使 用更加靈活。 目前，廣播電視正處于由模擬向數(shù)字化過渡的熱潮中。由于數(shù)字技術的發(fā) 展與應用，使得原有的調頻廣播以全新的面貌和優(yōu)異的特性出現(xiàn)。近兩、三年 來，數(shù)字音頻工作站、數(shù)字傳輸、數(shù)字調頻激勵器等新設備不斷面市，標準的 制定與不斷完善加速了數(shù)字化進程。現(xiàn)在，完全可以組成一套全數(shù)字化的系統(tǒng)， 進行開路調頻廣播，其技術指標完全可以做到與c d ( 激光唱盤) 和d a t ( 數(shù) 字音頻磁帶) 相同，從而提高現(xiàn)有的廣播質量。在數(shù)字音頻廣播( d a b ) 未進入 實用階段之前，數(shù)字化的調頻廣播是實現(xiàn)d a b 的先導準備和過渡。 四川大學碩士學位論文 在我國，最近幾年汽車工業(yè)有飛速的發(fā)展，人們在汽車上的生活時間也越 來越長，生活空間也越來越廣，而廣播成為漫長旅程中最好的消遣方式。要想 在廣闊范圍內( 如高速公路上) 輕松、方便的接收廣播節(jié)目，則對廣播的覆蓋 范圍提出了新的要求。調頻同步廣播是解決這一問題的最好途徑，而數(shù)字激勵 器則是普及調頻同步廣播的關鍵技術。 數(shù)字調頻激勵器是主要采用數(shù)字信號處理( d s p ) 和直接數(shù)字頻率合成( d d s ) 等技術對數(shù)字音頻進行處理的激勵器，其失真小、信噪比高，適合于構成單頻 同步廣播系統(tǒng)。而且基帶信號的數(shù)字化處理技術能很好的控制信號的帶寬，減 少頻帶間的串擾，對促進空余頻帶的利用也有舉足輕重的作用。所以研究和發(fā) 展數(shù)字激勵器有很重要的現(xiàn)實意義【1 7 1 。 1 2 課題的來源及主要任務 1 2 1 課題的來源 課題一開始是來源于對調頻同步廣播的思考。調頻同步廣播是采用多部發(fā) 射機、具有相銜接的覆蓋區(qū)域、使用相同的載波頻率和廣播節(jié)目以實現(xiàn)特定區(qū) 域的覆蓋的技術手段【2 】。從廣播業(yè)界的角度來看，用于實現(xiàn)調頻廣播的高塔大 功率覆蓋模式的主要優(yōu)點是建設方便、省事省力、見效快，但其固有缺點和帶 來的負面影響也是不容忽視的，主要有以下幾點【3 】： ( 1 ) 因調頻廣播工作于米波段，極易因高大建筑物和其他物體反射形成多 徑干擾； ( 2 ) 因高山和低谷等地形因素會產生收不到信號的陰影區(qū)； ( 3 ) 大區(qū)制覆蓋因頻率不能復用造成規(guī)劃困難； ( 4 ) 不能解決長距離交通線的連續(xù)覆蓋問題。 從社會發(fā)展的角度來看，它還有以下的幾條缺點： ( 1 ) 浪費能源：覆蓋區(qū)場強不均勻度可達6 0 d b ，大量超出需要的無效輻射， 形成能源的巨大浪費； 2 四川大學碩士學位論文 ( 2 ) 污染環(huán)境：大功率f m 發(fā)射臺在天線附近周邊地區(qū)輻射場強超過環(huán)境 電磁波衛(wèi)生標準已是不爭的事實； ( 3 ) 對航空無線電業(yè)務造成干擾：大功率蹦廣播電臺和尋呼發(fā)射臺的互 調產物是造成航空無線電業(yè)務遭受嚴重干擾的主要原因。 對于這些問題，調頻同步廣播無疑是最好的解決方法。從目前國內外的經 驗看，與傳統(tǒng)的調頻廣播相比，調頻同步廣播有可能大大節(jié)省調頻廣播的頻率 資源。用傳統(tǒng)的頻率規(guī)劃方法分配調頻廣播的頻率時，不但要考慮鄰頻道干擾、 鏡像頻率干擾的制約，更主要的是同一個頻率在近距離，甚至中距離不能重復 使用，造成實際上能夠安排的頻道并不多。調頻同步廣播的一個重要特點是同 一個頻率可以重復地在不同地區(qū)用于同一套節(jié)目，而且這種重復在空間上是連 續(xù)的，聽眾可在大范圍內以同一頻率接收某一個節(jié)目。這不僅在節(jié)約頻譜資源 方面的效益相當大，而且在吸引聽眾方面也會帶來許多好處，聽眾不必在不同 的地區(qū)為了接收同一套節(jié)目而更換接收頻率。然而實現(xiàn)同步廣播有其自身的技 術難點【4 ，5 】： 1 、保證多部發(fā)射機之間的同頻。模擬激勵器也可以通過g p s 產生的標頻 進行同步，但數(shù)字激勵器利用d d s 技術，無論是頻率精度還是穩(wěn)定度都可以得 到很好地保證。 2 、保證在發(fā)射天線饋源端系統(tǒng)同相。要利用模擬電路實現(xiàn)準確的延遲會很 困難，而且信號經過不同的激勵器所產生的延遲是隨機的，也會隨環(huán)境的變化 而變化；數(shù)字激勵器用軟件來實現(xiàn)信號處理，處理過程穩(wěn)定、可靠，延遲時間 能通過軟件精確地調整，信號經過系統(tǒng)的延遲時間是確定的，不會隨環(huán)境變化 而變化，所以很容易實現(xiàn)相位的同步。 3 、保證節(jié)目的同步。一般情況下，音頻節(jié)目在各同步發(fā)射機間的傳送是通 過衛(wèi)星或者光纖等。眾所周知，如果信號用模擬方式傳輸，經多次轉傳后( 例 如，經光纖，再經微波或經有線電視同軸電纜網絡) ，信號質量難免受到損傷， 尤其明顯的是信噪比下降。而全數(shù)字化的傳輸系統(tǒng)則沒有這樣的問題。而且可 以在數(shù)據傳送時插入時間同步標志，標定準確的相位，使音頻信號送入激勵器 前能獲得準確的信號相位，更進一步地保證“同相。直接采用數(shù)字激勵器能最 四川大學碩士學位論文 方便地與這種數(shù)字傳輸系統(tǒng)終端接口。 4 、保證發(fā)射機對節(jié)目信號有相同的調制度。數(shù)字激勵器中用軟件實現(xiàn)增益 控制，對音頻信號的幅度能得到準確地控制，更容易實現(xiàn)預定的調制度。 所以，從以上四點技術要求來看，使用數(shù)字激勵器可以既方便又精確地實 現(xiàn)調頻同步廣播，而模擬激勵器在這方面的表現(xiàn)卻難以讓人滿意，其調試的復 雜程度也阻礙了調頻同步廣播的推廣。目前，調頻同步廣播在國內外均受到越 來越多的重視【6 】，更精確、更方便地實現(xiàn)調頻同步廣播的要求促成了對數(shù)字調 頻激勵器的需求。 陜西數(shù)字廣播電視設備廠是國內生產大功率調幅、調頻廣播發(fā)射機的主要 生產廠家之一，其產品在國內市場的占有率達3 0 ，還出口一些發(fā)展中國家。 目前，廠家希望解決同步廣播所面臨的一系列技術難題，而數(shù)字激勵器的國產 化是發(fā)展和普及同步廣播關鍵，也是我校與陜西數(shù)字廣播電視設備廠的一個合 作研發(fā)項目。 1 2 2 課題的主要任務 課題的目的是設計出滿足功能要求和技術標準的數(shù)字調頻激勵器，為了說 明具體的工作任務，先簡要介紹數(shù)字調頻激勵器的結構及工作原理。 數(shù)字調頻激勵器與模擬調頻激勵器的基本功能結構類似，只是更多地融入 了數(shù)字信號處理技術。調頻激勵器作為調頻發(fā)射機系統(tǒng)的核心，對輸入的音頻 信號及附加信道信號進行處理并合成基帶信號，再把基帶信號調制到抒波段 的載波上，然后經激勵器功放放大輸出。在輸出功率要求較小的情況下，調頻 激勵器也可直接作為發(fā)射機。一方面，調頻激勵器是調頻發(fā)射機的信息處理核 心，它直接決定發(fā)射機性能的優(yōu)劣；另一方面，它又承擔發(fā)射機部分故障處理 及報警的責任，即調頻激勵器應對自身及發(fā)射機整機進行監(jiān)控，在發(fā)射機運行 出現(xiàn)故障時需進行自身調整，來保證發(fā)射機運行的正常和安全。所以通常激勵 器按照模塊化思想，分為音頻處理模塊、調頻調制器、激勵器功放、監(jiān)控模塊、 電源模塊等部分。其典型結構如圖1 1 【1 1 。 4 四川大學碩士學位論文 圖1 1 激勵器典型結構 1 音頻處理模塊 音頻處理模塊由音頻預處理、預加重、1 5 姐z 低通濾波、限幅器、立體聲 編碼器等組成。在常見的具備國際領先技術的調頻激勵器中，音頻處理模塊均 提供m o n o s t e i 也o m p x 信號及附加信道信號( s c a ) 的輸入接口。某些國外 激勵器廠商還提供可選的數(shù)字音頻接口，以支持a e s e b u 、s p d 數(shù)字式輸 入。為了與傳統(tǒng)的廣播技術兼容，數(shù)字激勵器一般都具有模擬音頻和數(shù)字音頻 兩種接口。 音頻預處理：對輸入的音頻信號( l 、r ) 進行幅度調整，包括輸入阻抗選擇( 平 衡或不平衡方式) ，以及可控音頻衰減器的衰減量設置?？煽匾纛l衰減器使得一 定電平范圍內的音頻信號均可設置為標稱值( 參考電平) 。標稱電平輸入時，輸 出基帶信號對載波的調制頻偏為7 5 此。 預加重：通過模擬開關控制預加重常數(shù)的選擇，常見調頻激勵器均提供0 、 5 四川大學碩士學位論文 2 5 臚、5 0 腳、7 5 j 等預加重常數(shù)。 1 5 k h z 低通：濾除音頻以外的信號，保證音頻信號( 3 0 h z 1 5 k h z ) 通過，同 時對導頻及以上頻點( 1 9 l 沮z ) 具有良好的抑制。目前具備領先技術的模擬激勵 器可做到3 0 1 5 k h z 的頻率響應 5 0 d b 。 用數(shù)字激勵器，通過數(shù)字濾波，這些參數(shù)能更好地得到保證。 立體聲編碼器：通常采用軟開關方式對l 、r 信號進行處理，并與l9 k h z 導頻混合。編碼后的信號包括左右路和信號m 、抑制副載波( 3 8 k h z ) 調幅后的左 右路差信號s 、以及導頻音。與矩陣式和硬開關等編碼方式相比，軟開關編碼 具有立體聲分離度高、失真小的優(yōu)點。目前，某些模擬調頻激勵器的立體聲分 離度已可達到6 5 d b ，失真度 0 1 。在數(shù)字激勵器中，用軟件方式實現(xiàn)立體聲 編碼，不僅可以很好地保證分離度和失真度，而且能獲得高精度、高穩(wěn)定度的 導頻信號。 限幅器：當音頻輸入信號遠超過標稱電平時，限幅器對輸出復合基帶信號 的幅度進行控制，可使總調制頻偏不至過大。 2 調頻調制器 調頻調制器采用鎖相環(huán)技術產生頻率精確的載波( 8 7 5 1 0 8 m h z ) ，并將合 成的基帶信號調制到該載波上。集成鎖相環(huán)頻率合成調制技術使調頻調制器具 有良好的調制跟蹤特性，頻率設置和控制都比較容易，頻率穩(wěn)定度可達1 p p m 。 目前，國際上較為領先的激勵器產品其調頻調制器的信噪比均超過8 0 d b 。數(shù)字 激勵器采用直接數(shù)字調頻( d d f m ) 技術，完全由數(shù)字方式實現(xiàn)f m ，線性度高， 低頻的調制信號不會影響p l l 等其它電路，因而改善了低頻調制特性，并且抑 制了所有相關的低頻失真。 3 激勵器功放 激勵器功放對已調制載波進行功率放大，并經低通濾波器( 或帶通濾波器) 及定向耦合器后輸出。一般模擬激勵器和數(shù)字激勵器的功放部分結構類似。 4 監(jiān)控模塊 監(jiān)控模塊負責維持和監(jiān)控激勵器的正常工作，保障系統(tǒng)工作于最佳狀態(tài)。 它還為用戶提供l c d 或u d 顯示，并接受用戶輸入( 輸入方式包括鍵盤、脈沖 6 四川大學碩士學位論文 編碼器、串行接口等) ，以實現(xiàn)用戶對工作參數(shù)的設置和對工作狀態(tài)的查詢。同 時，監(jiān)控模塊還應具備遠端連接功能，可與共同構成發(fā)射機的后級功放或主控 單元等構成外環(huán)，實現(xiàn)整機a l c 。數(shù)字激勵器中以數(shù)字方式實現(xiàn)對基帶信號的 處理，并監(jiān)控c p u 獲取系統(tǒng)運行信息，控制精度也能很大程度的提高。 5 電源模塊 電源模塊為激勵器各模塊供電，目前各激勵器廠商有采用線性變壓電源的， 也有采用開關電源供電的，其關鍵是對電源紋波及e m i 的控制。為適應不同國 家和地區(qū)的電網，激勵器電源電壓及工作頻率的容限范圍應足夠寬。 數(shù)字系統(tǒng)與模擬系統(tǒng)相比有性能穩(wěn)定、具有更好的抗噪聲性能、電路體積 小、功耗低、靈活性高等許多優(yōu)點，所以在數(shù)字激勵器的設計中要盡量地選用 數(shù)字方式來實現(xiàn)系統(tǒng)的功能。從以上激勵器的幾大模塊來看，其中音頻處理模 塊、調頻調制器和監(jiān)控模塊基本上都可以用數(shù)字化方式來實現(xiàn)。 所以總結課題的具體設計任務是：1 音頻信號( 包括數(shù)字方式和模擬方式) 和附加節(jié)目( s c a ) 的輸入和處理；2 用數(shù)字方式實現(xiàn)立體聲復合基帶信號的 合成；3 用數(shù)字方式實現(xiàn)中頻調頻信號的產生；4 上變頻；5 射頻功率放大； 6 系統(tǒng)的監(jiān)控；7 系統(tǒng)供電電源等。 論文涉及的內容主要是系統(tǒng)中的數(shù)字信號處理部分，即上述的前三項任務， 把實現(xiàn)這部分功能的模塊總稱為基帶信號處理模塊。這部分是整個系統(tǒng)的核心， 也是數(shù)字激勵器區(qū)別于模擬激勵器的最明顯的地方。 1 3 關鍵技術在國內外的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 早在1 9 9 2 年，美國h a r r i s 公司的電子工程師e d w i n t w i t c h e l l 就提出了激 勵器的數(shù)字實現(xiàn)方法，稱之為直接數(shù)字頻率調制( d d f m ) ，即以直接數(shù)字頻率 合成( d d s ) 技術實現(xiàn)真正數(shù)字化的f m 信號【7 j 。d d s 可實現(xiàn)完全的線性調制， 相比模擬的v c o 方法來說，具有更加優(yōu)良的相位噪聲特性。他還提出用d d s 調 制器驅動一個低噪聲的鎖相環(huán)( p l l ) ，實現(xiàn)中頻( ) 到射頻( r f ) 的上變頻。 所以由于信號調制通道和頻率控制通道相互獨立，p l l 的帶寬可以較寬，這就 7 四川大學碩士學位論文 消除了調制器中環(huán)路帶寬過窄的問題。v c o 的線性性也不再是關注的焦點，因 為調制信號無須經過此環(huán)路，f m 的頻率偏移對每個調頻電臺來說都是相同的， 這就使系統(tǒng)能無障礙地在廣播電臺的n + 1 方案中得到應用。其系統(tǒng)結構如圖1 2 。 圖1 2 數(shù)字調頻激勵器實現(xiàn)框圖 之后，軟件無線電【8 】的概念被提出，更促進了對無線電通信理論的研究。 基于軟件無線電的各種形式的發(fā)射機平臺被建立起來。楊平生，張云珠在“基 于軟件無線電的調頻立體聲激勵器的設計和實現(xiàn) 中提出了基于d s p + f p g a + d d s ( 帶有i q 調制通道) 結構的通用數(shù)字調制平臺，采用正交調制的方式實現(xiàn)全 數(shù)字調頻激勵器【9 j 。他在這里提的d d s 是能完成正交調制的上變頻芯片 ( d u c ) ，由于目前市場上還沒有出現(xiàn)工作頻率大于2 0 0 瑚h z 的能實現(xiàn)正交調 制的d u c 集成芯片，所以沒辦法直接從d u c 芯片中獲得8 7 1 0 8 m h z 的射頻 信號，該文獻中提出通過取d u c 輸出的鏡像成分而滿足設定的工作頻段。然而， 經過d a c 轉換之后的信號會得到s i n c 函數(shù)的衰減，其鏡像成分必定會弱于原 信號，取其鏡像成分，會大大減少其信噪比，無法滿足國家標準的要求，很難 滿足實際的需要。鐘清華等提出的基于d s p 和d d s 的數(shù)字立體聲調頻發(fā)射系 統(tǒng)是利用d s p 實現(xiàn)數(shù)字立體聲調制，并在較低速率( 采樣頻率為1 7 6 4 k h z ) 下 四川大學碩士學位論文 根據設定的最大頻偏和載波頻率計算出調頻的瞬時輸出頻率，作為頻率控制字 輸入a d 9 8 5 2d d s 芯片( 內部時鐘最大為3 0 0 啪眩) ，將數(shù)字信號轉換成射頻信 號f l o 】。這種方式由于受d s p 芯片的處理速度的限制，頻率控制字的調整速率和 d d s 的參考時鐘頻率不一致，產生的射頻信號必然會產生毛刺或者出現(xiàn)鏡像。 就算是后續(xù)的模擬電路部分增加高性能的低通濾波器，也很難保證輸出信號的 高信噪比和對相鄰頻道節(jié)目的干擾。所以這種系統(tǒng)只用于小范圍內( 如校園) 的廣播發(fā)射。 隨著數(shù)字信號處理技術和軟件無線電的發(fā)展，與數(shù)字調頻激勵器相關的各 種技術也得到了廣泛的研究和重視。 1 a d c 的發(fā)展 數(shù)字激勵器需要與傳統(tǒng)的廣播技術兼容，所以除了數(shù)字音頻接口，也需要 模擬音頻接口。這就需要考慮信號的加轉換問題。a d c 一直是數(shù)字信號處理 的一個瓶頸，其轉換速率和分辨率總是難以兼顧。近年來，a d c 集成芯片得到 了快速的發(fā)展，各種適合高精度、高速刖d 轉換的結構在實際芯片中得到廣泛 應用。特別是一結構在立體聲采樣芯片中的出色表現(xiàn)，使這種結構的a d c 在數(shù)字音頻處理領域得到了廣泛的推廣和應用。這類a d c 在立體聲采樣方面能 達到較高的信噪比和較低的功耗，最值得注意的是其價格低廉。很多半導體公 司，如德州儀器( t i ) 、模擬器件( a d ) 等公司均有這類產品，且品種齊全， 適合各種應用場合【l i ，1 2 1 。 2 多抽樣率技術的發(fā)展 多抽樣率數(shù)字信號處理是軟件無線電的理論基礎，在數(shù)字激勵器中也起了 舉足輕重的作用。它的兩個基本操作就是內插和抽取。其目的是使系統(tǒng)更容易 處理( 例如使計算效率更高) 或者是為了與其它的系統(tǒng)兼容。關于這方面的研 究成果很多，很多可以顯著減少運算量、提高運算效率、適合d s p 硬件結構的 方法被提出來，如多級結構、采用多相濾波器、半帶濾波器、級聯(lián)梳狀( c i c ) 濾波器等【1 3 ，1 4 1 。多抽樣率技術的應用貫穿于整個系統(tǒng)設計，也出現(xiàn)了很多針對 于這方面應用的理論和方法。在立體聲復合基帶信號合成前，音頻數(shù)據的處理 和加采樣在較低速度下進行，以減少運算量、提高計算效率，而且一般的數(shù) 9 四川大學碩士學位論文 字音源送出的音頻數(shù)據的采樣率也較低。但是在立體聲合成時，立體聲復合信 號的帶寬較寬，為了滿足信號不產生混疊，所以在立體聲合成時必須先完成內 插。詹柔瑩等提出利用半帶濾波器實現(xiàn)這個內插計算量小，且能和立體聲編碼 在同一片d s p 中完成【l5 1 。這僅僅是一個整數(shù)倍內插，相對簡單，在系統(tǒng)中還存 在比較復雜的非整數(shù)倍速率變換。由于數(shù)字音源的信號抽樣頻率可能是3 2 k h z 、 4 4 1 k h z 或者4 8 k h z ，所以在系統(tǒng)處理前希望把采樣頻率統(tǒng)一起來。但是用傳統(tǒng) 的方法難以實現(xiàn)這種轉換因子比較復雜的抽樣率變換。據已有的資料，已經有 人提出了用實時的方式、f a 渤w 結構、異步抽樣率轉換等實現(xiàn)c d ( 抽樣率為 4 4 1 k h z ) 到盯( 抽樣率為4 8 k h z ) 的速率變換方法【1 6 1 副。 3 d d s 和d d f m 直接數(shù)字頻率合成( d d s ) 技術在合成立體聲復合信號和實現(xiàn)d d f m 甚至 是本振信號源頻率的合成方面都發(fā)揮了重大作用。無論是d d s 技術理論本身還 是相關的集成芯片( 如d d s 芯片、上下變頻芯片等) 在近來都得到了重大的 發(fā)展和廣泛的應用。d d s 是1 9 7 1 年由美國學者j t i e m c y 等人提出的，是從相 位概念出發(fā)，直接合成所需波形的一種新的頻率合成原理【1 9 2 ，具有很多優(yōu)點： 相對帶寬較寬，頻率轉換時間快，頻率分辨率高，集成度高等。它的一些缺點， 如輸出頻率低、雜散較大也隨著技術的發(fā)展，得到一定程度的克服?，F(xiàn)在市場 上已經有可以輸出l g 以上頻率的d d s 芯片。隨著芯片的生產技術的提高和相 關技術的發(fā)展，d d s 處理位數(shù)也不斷的增加，使其相位累加器和波形查找表的 字長都得到顯著增加，從而使雜散信號得到很好的抑制【2 2 】。目前限制d d s 性能 主要是數(shù)模轉換器( d a c ) ，d a c 的位數(shù)和處理速度的進一步提高，是提高d d s 性能的關鍵。 文獻 7 】中提出的d d f m 是用調制信號加上載波中心頻率直接驅動d d s ， 利用d d s 直接輸出中頻調頻信號。這要求調制信號的抽樣頻率f 與d d 蹦調 制器的參考時鐘頻率厶相關，即z = 厶，否則調頻波會出現(xiàn)混疊或者鏡像。 但是厶要大于中頻信號的奈奎斯特采樣頻率，這個頻率較高( 如數(shù)字激勵器中， 厶至少為1 0 h z ) ，要在這個速度下處理音頻數(shù)據顯然很困難。用這種方式實 現(xiàn)f m 時，中頻頻率的選擇也比較困難。一方面，為了盡量降低d s p 處理的速 1 0 四川大學碩士學位論文 度，需要選擇一個較低的中頻頻率，但這樣會導致上變頻后，混頻中頻信號兩 側的邊帶信號相隔較近，很難用模擬濾波器濾出所需的f m 信號；另一方面， 如果選取的中頻頻率較高，不僅d s p 難以完成計算任務，而且要求高速的d a c 和大容量的d d s 正弦查找表，這會大大增加成本。正交調制【2 3 】是一個很好的解 決辦法。正交調制是指i 和q 路正交信號分別用余弦和正弦信號調制，然后再 把獲得的兩路信號相加的過程。正交調頻即是先以抽樣頻率較低的調制信號驅 動正交d d s ，產生復數(shù)形式的零中頻調頻信號( 包括實部和虛部，一般稱之為 i 路和q 路信號) ，然后分別經過d a 轉換和低通濾波，再分別與頻率等于載波 中心頻率的正弦和余弦信號混頻，最后獲得的兩路信號相加，得到所需的f m 信號。這種方式可以在較低速度下完成頻率合成，降低了對d s p 和d a c 的速 度要求。實現(xiàn)框圖如圖1 3 。 圖1 3 正交調制框圖 當然，也不難看出這種實現(xiàn)結構也有其缺陷。一方面增加了分離元器件， 難以保證精度，另一方面i 和q 路上的d a c 、l p f 和混頻器無法做到完全同步 和性能一致，這必將會導致f m 信號出現(xiàn)毛刺等噪聲。所以這種f m 方式的直 接應用一般很少見。 隨著信號處理技術和集成電路的發(fā)展，結合多抽樣率信號處理技術，很多 d d s 芯片和d u c 芯片都可以實現(xiàn)一種改進的正交調制。這種調制方式采用的 方法是獲得i 和q 路數(shù)據信號后并不立即轉換成模擬信號，而是經過數(shù)字內插， 把其速率轉換到正交調制的參考時鐘頻率，再經數(shù)字化混頻后輸出。以f m 為 四川大學碩士學位論文 例，正交頻率合成仍在較低速率下完成，然后通過軟硬件相結合，基于多相f 承 濾波和c i c 濾波技術，實現(xiàn)i 和q 路數(shù)字信號的內插，最后再輸入正交調制器。 這種d d f m 方式綜合了前兩種方式的優(yōu)點，利用集成芯片的軟硬件結構完成了 必要的速率變換，這樣可以減少元器件，降低系統(tǒng)的復雜程度，集成度也大大 提高。市場上已經有大量的這種d u c 芯片( 如a d 6 6 2 3 、a d 9 8 5 7 、g c 4 1 1 6 等) ， 而且其精度較高，價格也越來越低【2 牝5 。 4 鎖相環(huán)( p l l ) 的應用和發(fā)展 完成d d f m 后，就必須通過混頻方式完成上變頻到設定射頻頻帶。傳統(tǒng)的 發(fā)射機采用晶體振蕩產生發(fā)射機頻率，這種方式產生的頻率精度不高，穩(wěn)定度 不好，這會嚴重影響到通信的質量，幾乎無法用于同步廣播。所以現(xiàn)在的激勵 器一般采用鎖相環(huán)( p l l ) 電路產生本振頻率。p l l 的結構如圖1 4 。 基 圖1 4p l l 結構 基準頻率為頻道選擇的最小頻率步長。來自外部的低噪聲壓控振蕩器 ( v c o ) 最終輸出1 個本振頻率，作為上變頻的本振信號；同時這個頻率也會 反饋到分頻器，分頻后輸入鑒相器，與基準頻率比較，鑒相器再把頻率差轉換 的誤差電壓送入v c o ，驅動v c o 輸出固定的本振信號。通過調整分頻器的分 頻倍數(shù)n ，可獲得不同的本振頻率。為了使輸出的本振信號穩(wěn)定、精確，基準 頻率可以通過d d s 產生；在同步廣播中，基準頻率也可以由g p s 的標準時鐘 分頻產生?，F(xiàn)在，大量集成p l l 芯片不斷涌現(xiàn)，如日本富士通公司的1 5 0 4 系 列、美國m o t o r o l a 公司的m c l 4 5 1 9 0 1 9 1 、m c l 4 5 1 9 2 、m c l 4 5 2 0 0 2 0 等等， 使p l l 電路從分立元件向集成方向發(fā)展瞵】。大量新技術如d d s 、脈沖吞除技 1 2 四川大學碩士學位論文 術等也廣泛應用到該領域，促使p l l 電路向低成本、低功耗、高品質方向發(fā)展。 數(shù)字激勵器相關技術的發(fā)展，促進了數(shù)字激勵器的研發(fā)和性能的不斷提高。 在發(fā)達國家，1 9 9 3 年就有調頻立體聲數(shù)字激勵器面世。目前激勵器主要生產廠 家有【2 7 3 2 ，7 5 】： 1 美國h a r r i s 公司 h a r r i s 公司是世界廣播傳送技術領域的領導者，它生產數(shù)字激勵器最早， 也具有最強的技術優(yōu)勢。所生產的數(shù)字蹦激勵器系列為d i g n c d 。它的數(shù)字 和模擬接口模塊具有可置換性。由通用d s p 完成立體聲的合成和處理，處理過 程保持1 6 位以上的分辨率，保證舍入和截斷誤差低于1 6 位域值。在信號輸入 單元后的數(shù)字調制器中，為防止輸入的模擬信號或數(shù)字a e s e b u 信號過調， 有一數(shù)字復合限幅器( d c l ) ，可使輸入的數(shù)字信號限制在o 1 8 d b 的范圍， 確保系統(tǒng)不會產生過調制現(xiàn)象。采用d d s 產生f m 信號，利用3 2 位的數(shù)控振 蕩器( n c o ) 代替?zhèn)鹘y(tǒng)的應用于模擬激勵器中的v c o 。使得與v c 0 或者p l l 技術相關的缺陷( 如低頻分離度較差、p l l 失鎖等) 不復存在。調制發(fā)生在 n c o 中，v c o 僅為上變頻的一混頻源，不會受到調制信號的影響。多級模擬 帶通濾波，把不需要的混頻信號抑制到8 0 d b 以下。數(shù)字技術的引入，使激勵 器具有較高的精度和穩(wěn)定性。h a r r i s 的數(shù)字激勵器方框圖如圖1 5 。 圖1 5h a r = r i s 數(shù)字激勵器結構 四川大學碩士學位論文 2 美國大陸電子公司( c e c ) 美國大陸電子公司( c e c ) 的數(shù)字激勵器8 0 2 d 以4 8 6 6 6 計算機為核心， 具有4 m bra m 、4 m be e p r o m ，采用軟件進行立體聲編碼。c e c 數(shù)字激勵器 的關鍵技術是，使用了一塊功能較強的浮點數(shù)字處理板，板上用了四塊 a d s p 2 1 0 6 2 芯片以對信號進行處理，主要作用為：產生f m 信號、立體聲信號 發(fā)生、預加重、復合信號處理、音頻處理、產生s c a 信號和數(shù)字濾波等。浮點 d s p 的采用，避免了定點d s p 中的動態(tài)范圍受舍入誤差的影響。不管音頻信號 如何，它均能保持相同的動態(tài)范圍和高精度。其結構框圖如圖1 6 。 圖1 68 0 2 d 結構框圖 3 加拿大n a u t e l 公司 加拿大n a u t e l 公司的n e 5 0 數(shù)字激勵器采用d d s 產生調頻信號，由數(shù)控 振蕩器( n c o ) 提供3 2 b i t 數(shù)字信號形成載波信號，確保了優(yōu)良的線性度。數(shù) 字立體聲產生器接收數(shù)據流，根據激勵器內