HD Radio FM系統基帶收發器的設計

宋文君

摘 要：該文對HD Radio FM數字音頻廣播系統的發射、接收系統以及實現程序進行了設計和探討，并驗證了合理性。

關鍵詞：HD Radio FMOFDMFPGAIBOC

中圖分類號：TN93 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）06（a）-0255-02

在數字音頻廣播領域，正在使用幾項標準，比如歐洲的Eureka-147，它被稱為DAB（數字音頻廣播），并被多個歐洲國家所采用，這個系統利用了OFDM（正交頻分復用）技術。另外一個數字廣播技術叫做DRM（數字調幅廣播），運行在低于30 MHz的頻率。如果這兩種數字廣播技術都占用新的頻譜來單獨使用，對于有限的頻率資源，會造成極大的浪費。因此，出現了IBOC（帶內同頻道）系統被，它允許傳統廣播和數字廣播在相同的頻道內同時播出。

HD Radio FM系統是由iBiquity Digital公司開發的數字音頻廣播系統，它可以在相同的FM頻譜內同時播放模擬和數字廣播信號。這個系統使用兩種播放模式：混合模式和全數字模式。在混合模式下，一個站點占用400 kHz帶寬同時發射它的模擬和數字信號；而在全數字模式下，它可以利用全部400 kHz帶寬來發射全數字信號。

1 發射機設計

HD Radio FM參數是：副載波間隔363.4 Hz，循環字首寬度7/128，FFT大小是4096，OFDM符號持續時間2.764 ms。在分配給每個站點的400 kHz帶寬中，中心的200 kHz只為模擬使用，兩邊剩下的邊帶總共200 kHz是為數字使用。在HD Radio FM頻譜中，數字信號占到534個副載波，頻譜分區遵從混合模式1。在模擬FM兩邊每邊都有10個頻率劃分區，每1個劃分區包含19個OFDM副載波，其中包含控制/同步的1個參考副載波和18個數字音頻數據副載波。每個框架持續1.486 s，其中包含16個塊和每個塊上的32個OFDM符號。另外，OFDM符號持續時間和循環字首長度分別是2.902 ms和7/128。

HD Radio FM系統的結構框架圖如圖1。數據流首先進入擾碼模塊，對輸入的傳輸流進行加擾，這樣可以隨機化每個邏輯信道中的數字數據。接著，經過擾碼的數據通過使用卷積碼來編碼，在每個邏輯信道中給數字數據增加冗余度。然后，信道編碼信息流進行交織，交織可以提供時間和頻率分集，來減少突發誤差的影響。

HD Radio FM系統在數據副載波中利用QPSK映射，在參考副載波中利用BPSK映射。OFDM副載波映射把交織數據轉換到頻域范圍。在頻率分區中，交織器分割的成對的相鄰列被映射成QPSK調制數據副載波。

發射子系統形成了基帶IBOCFM波，通過VHF（甚高頻）信道發送。功能中包含字符組串和頻率上變頻。當發送混合波形或者擴展混合波形的時候，在與數字波形合成之前，先要對基帶模擬信號進行調制。這個模塊的輸入是一個合成的基帶時域OFDM信號y（t）。經過Tdd延遲處理后，基帶模擬信號m（t）從模擬源出來。Tdd是可調整的，代表在模擬和數字連鎖之間的運行時延。在 IBOC系統，模擬和數字信號載著相同的音頻節目。

模擬信號m（t）由傳統的FM調制器發送。

公式1

這里fc代表FM載波頻率，=75kHz是最大頻率偏移。然后，數字調制RF OFDM信號經過上變頻器后和FM射頻信號合成，產生IBCO FM合成波形，s（t）。

2 接收機設計

有兩個主要原因造成CFO（載波頻率偏移）。首先，發射機和接收器之間的相對速度導致了多普勒效應。第二個原因是發射機晶體振蕩器和接收機晶體振蕩器之間的不匹配。HDRadio FM的工作載波頻率可以高到108 MHz。信道模型明確了接收機在以141 km/h 的速度移動的時候，會導致13Hz的多普勒偏移。這個值仍然少于副載波間隔的一半。廣播臺站的不匹配，LO（本振）的不匹配，應該限制在1ppm。因此，接收機的本振不匹配是CFO的主要原因。下面的討論主要聚焦在本振的不匹配。假定本振不匹配是20ppm，載波頻率是108 MHz，CFO可以達到2160 Hz。

由上述討論中，我們可以把影響系統的載波頻率偏移分為FCFO（微小載波頻率偏移）和ICFO（整體載波頻率偏移）。在系統中，設計CP（循環字首）延遲的相關性來檢測STO（符號時間偏移）和FCFO。ICFO可以使用在參考副載波上的控制數據來解決。因為HD radio FM系統采用了OFDM調制技術，OFDM符號的循環字首允許接收器利用信號的周期性來估計一個符號的起始點。

通過符號中的高度自相關性能，自相關中的峰值指示了OFDM符號的起始值。其中，必須添加矯正功能來補償由于多徑信道造成的影響。即使這樣，仍然很難從周邊噪聲中區分出峰值。因此，平均一下符號長度的自相關值可以提高可靠性。

對于ICFO部分，在頻率范圍可以通過使用均勻間隔參考副載波來解決。依據系統的性能，系統控制數據數列的長度是32bits，一次由一個OFDM符號發送一位。在這個數列中存在11位同步類型，它的設計目的是為了框架的同步。基于這個性能，接收機一旦收到OFDM信號，就能夠把收到的副載波交叉關聯到這11位同步類型。如果在19個副載波中找到了更高的關聯副載波，那么參考副載波的位置找到了，ICFO可以獲得。

3 在FPGA硬件平臺的實現

在對系統中定義的參數和有效的硬件資源仔細估計后，選擇下面的參數用在硬件實現中。FFT大小為2048，CP長度為112，采樣頻率為781.25 kHz，副載波間隔為381.5 Hz，符號率為361.9 Hz，發射率為104.2 kbps（編碼率2/5）。

在FPGA板上建立的CP2102 USB-UART橋接芯片用作板子和電腦之間的通信接口。由發射機產生的OFDM波形送入Agilent 89600導航信號發生器來分析它的頻譜圖和由MATLAB產生的仿真頻率圖相比較，發現這兩個頻譜圖基本相似。

FPGA實現提供了一個適用于HD Radio FM性能的原型基帶系統。由于FPGA性能，這個系統可以較快的處理信號，它能夠為以后程序配置增加靈活性。

參考文獻

[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.endprint

摘 要：該文對HD Radio FM數字音頻廣播系統的發射、接收系統以及實現程序進行了設計和探討，并驗證了合理性。

關鍵詞：HD Radio FMOFDMFPGAIBOC

中圖分類號：TN93 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）06（a）-0255-02

在數字音頻廣播領域，正在使用幾項標準，比如歐洲的Eureka-147，它被稱為DAB（數字音頻廣播），并被多個歐洲國家所采用，這個系統利用了OFDM（正交頻分復用）技術。另外一個數字廣播技術叫做DRM（數字調幅廣播），運行在低于30 MHz的頻率。如果這兩種數字廣播技術都占用新的頻譜來單獨使用，對于有限的頻率資源，會造成極大的浪費。因此，出現了IBOC（帶內同頻道）系統被，它允許傳統廣播和數字廣播在相同的頻道內同時播出。

HD Radio FM系統是由iBiquity Digital公司開發的數字音頻廣播系統，它可以在相同的FM頻譜內同時播放模擬和數字廣播信號。這個系統使用兩種播放模式：混合模式和全數字模式。在混合模式下，一個站點占用400 kHz帶寬同時發射它的模擬和數字信號；而在全數字模式下，它可以利用全部400 kHz帶寬來發射全數字信號。

1 發射機設計

HD Radio FM參數是：副載波間隔363.4 Hz，循環字首寬度7/128，FFT大小是4096，OFDM符號持續時間2.764 ms。在分配給每個站點的400 kHz帶寬中，中心的200 kHz只為模擬使用，兩邊剩下的邊帶總共200 kHz是為數字使用。在HD Radio FM頻譜中，數字信號占到534個副載波，頻譜分區遵從混合模式1。在模擬FM兩邊每邊都有10個頻率劃分區，每1個劃分區包含19個OFDM副載波，其中包含控制/同步的1個參考副載波和18個數字音頻數據副載波。每個框架持續1.486 s，其中包含16個塊和每個塊上的32個OFDM符號。另外，OFDM符號持續時間和循環字首長度分別是2.902 ms和7/128。

HD Radio FM系統的結構框架圖如圖1。數據流首先進入擾碼模塊，對輸入的傳輸流進行加擾，這樣可以隨機化每個邏輯信道中的數字數據。接著，經過擾碼的數據通過使用卷積碼來編碼，在每個邏輯信道中給數字數據增加冗余度。然后，信道編碼信息流進行交織，交織可以提供時間和頻率分集，來減少突發誤差的影響。

HD Radio FM系統在數據副載波中利用QPSK映射，在參考副載波中利用BPSK映射。OFDM副載波映射把交織數據轉換到頻域范圍。在頻率分區中，交織器分割的成對的相鄰列被映射成QPSK調制數據副載波。

發射子系統形成了基帶IBOCFM波，通過VHF（甚高頻）信道發送。功能中包含字符組串和頻率上變頻。當發送混合波形或者擴展混合波形的時候，在與數字波形合成之前，先要對基帶模擬信號進行調制。這個模塊的輸入是一個合成的基帶時域OFDM信號y（t）。經過Tdd延遲處理后，基帶模擬信號m（t）從模擬源出來。Tdd是可調整的，代表在模擬和數字連鎖之間的運行時延。在 IBOC系統，模擬和數字信號載著相同的音頻節目。

模擬信號m（t）由傳統的FM調制器發送。

公式1

這里fc代表FM載波頻率，=75kHz是最大頻率偏移。然后，數字調制RF OFDM信號經過上變頻器后和FM射頻信號合成，產生IBCO FM合成波形，s（t）。

2 接收機設計

有兩個主要原因造成CFO（載波頻率偏移）。首先，發射機和接收器之間的相對速度導致了多普勒效應。第二個原因是發射機晶體振蕩器和接收機晶體振蕩器之間的不匹配。HDRadio FM的工作載波頻率可以高到108 MHz。信道模型明確了接收機在以141 km/h 的速度移動的時候，會導致13Hz的多普勒偏移。這個值仍然少于副載波間隔的一半。廣播臺站的不匹配，LO（本振）的不匹配，應該限制在1ppm。因此，接收機的本振不匹配是CFO的主要原因。下面的討論主要聚焦在本振的不匹配。假定本振不匹配是20ppm，載波頻率是108 MHz，CFO可以達到2160 Hz。

由上述討論中，我們可以把影響系統的載波頻率偏移分為FCFO（微小載波頻率偏移）和ICFO（整體載波頻率偏移）。在系統中，設計CP（循環字首）延遲的相關性來檢測STO（符號時間偏移）和FCFO。ICFO可以使用在參考副載波上的控制數據來解決。因為HD radio FM系統采用了OFDM調制技術，OFDM符號的循環字首允許接收器利用信號的周期性來估計一個符號的起始點。

通過符號中的高度自相關性能，自相關中的峰值指示了OFDM符號的起始值。其中，必須添加矯正功能來補償由于多徑信道造成的影響。即使這樣，仍然很難從周邊噪聲中區分出峰值。因此，平均一下符號長度的自相關值可以提高可靠性。

對于ICFO部分，在頻率范圍可以通過使用均勻間隔參考副載波來解決。依據系統的性能，系統控制數據數列的長度是32bits，一次由一個OFDM符號發送一位。在這個數列中存在11位同步類型，它的設計目的是為了框架的同步。基于這個性能，接收機一旦收到OFDM信號，就能夠把收到的副載波交叉關聯到這11位同步類型。如果在19個副載波中找到了更高的關聯副載波，那么參考副載波的位置找到了，ICFO可以獲得。

3 在FPGA硬件平臺的實現

在對系統中定義的參數和有效的硬件資源仔細估計后，選擇下面的參數用在硬件實現中。FFT大小為2048，CP長度為112，采樣頻率為781.25 kHz，副載波間隔為381.5 Hz，符號率為361.9 Hz，發射率為104.2 kbps（編碼率2/5）。

在FPGA板上建立的CP2102 USB-UART橋接芯片用作板子和電腦之間的通信接口。由發射機產生的OFDM波形送入Agilent 89600導航信號發生器來分析它的頻譜圖和由MATLAB產生的仿真頻率圖相比較，發現這兩個頻譜圖基本相似。

FPGA實現提供了一個適用于HD Radio FM性能的原型基帶系統。由于FPGA性能，這個系統可以較快的處理信號，它能夠為以后程序配置增加靈活性。

參考文獻

[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.endprint

摘 要：該文對HD Radio FM數字音頻廣播系統的發射、接收系統以及實現程序進行了設計和探討，并驗證了合理性。

關鍵詞：HD Radio FMOFDMFPGAIBOC

中圖分類號：TN93 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）06（a）-0255-02

在數字音頻廣播領域，正在使用幾項標準，比如歐洲的Eureka-147，它被稱為DAB（數字音頻廣播），并被多個歐洲國家所采用，這個系統利用了OFDM（正交頻分復用）技術。另外一個數字廣播技術叫做DRM（數字調幅廣播），運行在低于30 MHz的頻率。如果這兩種數字廣播技術都占用新的頻譜來單獨使用，對于有限的頻率資源，會造成極大的浪費。因此，出現了IBOC（帶內同頻道）系統被，它允許傳統廣播和數字廣播在相同的頻道內同時播出。

HD Radio FM系統是由iBiquity Digital公司開發的數字音頻廣播系統，它可以在相同的FM頻譜內同時播放模擬和數字廣播信號。這個系統使用兩種播放模式：混合模式和全數字模式。在混合模式下，一個站點占用400 kHz帶寬同時發射它的模擬和數字信號；而在全數字模式下，它可以利用全部400 kHz帶寬來發射全數字信號。

1 發射機設計

HD Radio FM參數是：副載波間隔363.4 Hz，循環字首寬度7/128，FFT大小是4096，OFDM符號持續時間2.764 ms。在分配給每個站點的400 kHz帶寬中，中心的200 kHz只為模擬使用，兩邊剩下的邊帶總共200 kHz是為數字使用。在HD Radio FM頻譜中，數字信號占到534個副載波，頻譜分區遵從混合模式1。在模擬FM兩邊每邊都有10個頻率劃分區，每1個劃分區包含19個OFDM副載波，其中包含控制/同步的1個參考副載波和18個數字音頻數據副載波。每個框架持續1.486 s，其中包含16個塊和每個塊上的32個OFDM符號。另外，OFDM符號持續時間和循環字首長度分別是2.902 ms和7/128。

HD Radio FM系統的結構框架圖如圖1。數據流首先進入擾碼模塊，對輸入的傳輸流進行加擾，這樣可以隨機化每個邏輯信道中的數字數據。接著，經過擾碼的數據通過使用卷積碼來編碼，在每個邏輯信道中給數字數據增加冗余度。然后，信道編碼信息流進行交織，交織可以提供時間和頻率分集，來減少突發誤差的影響。

HD Radio FM系統在數據副載波中利用QPSK映射，在參考副載波中利用BPSK映射。OFDM副載波映射把交織數據轉換到頻域范圍。在頻率分區中，交織器分割的成對的相鄰列被映射成QPSK調制數據副載波。

發射子系統形成了基帶IBOCFM波，通過VHF（甚高頻）信道發送。功能中包含字符組串和頻率上變頻。當發送混合波形或者擴展混合波形的時候，在與數字波形合成之前，先要對基帶模擬信號進行調制。這個模塊的輸入是一個合成的基帶時域OFDM信號y（t）。經過Tdd延遲處理后，基帶模擬信號m（t）從模擬源出來。Tdd是可調整的，代表在模擬和數字連鎖之間的運行時延。在 IBOC系統，模擬和數字信號載著相同的音頻節目。

模擬信號m（t）由傳統的FM調制器發送。

公式1

這里fc代表FM載波頻率，=75kHz是最大頻率偏移。然后，數字調制RF OFDM信號經過上變頻器后和FM射頻信號合成，產生IBCO FM合成波形，s（t）。

2 接收機設計

有兩個主要原因造成CFO（載波頻率偏移）。首先，發射機和接收器之間的相對速度導致了多普勒效應。第二個原因是發射機晶體振蕩器和接收機晶體振蕩器之間的不匹配。HDRadio FM的工作載波頻率可以高到108 MHz。信道模型明確了接收機在以141 km/h 的速度移動的時候，會導致13Hz的多普勒偏移。這個值仍然少于副載波間隔的一半。廣播臺站的不匹配，LO（本振）的不匹配，應該限制在1ppm。因此，接收機的本振不匹配是CFO的主要原因。下面的討論主要聚焦在本振的不匹配。假定本振不匹配是20ppm，載波頻率是108 MHz，CFO可以達到2160 Hz。

由上述討論中，我們可以把影響系統的載波頻率偏移分為FCFO（微小載波頻率偏移）和ICFO（整體載波頻率偏移）。在系統中，設計CP（循環字首）延遲的相關性來檢測STO（符號時間偏移）和FCFO。ICFO可以使用在參考副載波上的控制數據來解決。因為HD radio FM系統采用了OFDM調制技術，OFDM符號的循環字首允許接收器利用信號的周期性來估計一個符號的起始點。

通過符號中的高度自相關性能，自相關中的峰值指示了OFDM符號的起始值。其中，必須添加矯正功能來補償由于多徑信道造成的影響。即使這樣，仍然很難從周邊噪聲中區分出峰值。因此，平均一下符號長度的自相關值可以提高可靠性。

對于ICFO部分，在頻率范圍可以通過使用均勻間隔參考副載波來解決。依據系統的性能，系統控制數據數列的長度是32bits，一次由一個OFDM符號發送一位。在這個數列中存在11位同步類型，它的設計目的是為了框架的同步。基于這個性能，接收機一旦收到OFDM信號，就能夠把收到的副載波交叉關聯到這11位同步類型。如果在19個副載波中找到了更高的關聯副載波，那么參考副載波的位置找到了，ICFO可以獲得。

3 在FPGA硬件平臺的實現

在對系統中定義的參數和有效的硬件資源仔細估計后，選擇下面的參數用在硬件實現中。FFT大小為2048，CP長度為112，采樣頻率為781.25 kHz，副載波間隔為381.5 Hz，符號率為361.9 Hz，發射率為104.2 kbps（編碼率2/5）。

在FPGA板上建立的CP2102 USB-UART橋接芯片用作板子和電腦之間的通信接口。由發射機產生的OFDM波形送入Agilent 89600導航信號發生器來分析它的頻譜圖和由MATLAB產生的仿真頻率圖相比較，發現這兩個頻譜圖基本相似。

FPGA實現提供了一個適用于HD Radio FM性能的原型基帶系統。由于FPGA性能，這個系統可以較快的處理信號，它能夠為以后程序配置增加靈活性。

參考文獻

[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.endprint