CDR系统的组帧模块FPGA设计与仿真

陈冬英，魏建崇,2

（1.福建江夏学院 电子信息科学学院，福建 福州，350108 2.福建师范大学 光学与信息工程学院，福建 福州，350108）

2013年中国国际广播电视信息网络展览会(CCBN 2013)上，国家广电总局明确表示，将逐步开展全国范围的数字音频广播网的建设，并且在2016年完成全国300个地级以上城市的数字音频广播发射系统的建设，实现数字音频广播在地级以上城市的全面覆盖[1-2]。数字音频广播的大力发展，必将进一步提高我国的广播信息化水平，拉动相关产业链的发展，带来巨大的商业发展空间[3-4]。

中国调频频段数字音频广播CDR(China Digital Radio)（在本文中均以CDR来表示）是适应中国国情的最新标准，在保持数字音频广播优点的同时，还可有效地降低因多普勒频移和多径、突发噪声等各种干扰源对接收音频质量效果的影响[5-6]；并且能有效增大频谱的利用率，使得在一样的射频带宽中，能有更多的节目内容通过传输，为获得更高级的数据及音频业务创造了条件[7]。

针对我国现有的情况，近年来，国家广播科学研究院在国家广播电影电视总局的指导下，在国家支持自主创新下，吸取CMMB(China mobile multimedia broadcasting，中国移动多媒体广播)、地面数字电视等的研究以及产业化的宝贵的成功经验，率先开展了中国数字音频广播系统CDR(China digital radio)即中国调频频段数字音频广播的研究[8]，目前在北京和广东两地已经建立起CDR示范网。2013年8月调频频段的信道和复用两部分的标准正式颁布，2013年广东省的CDR覆盖范围测试也获得成功。

由于CDR标准比其他标准具有更多优点，成为有关业界的瞩目焦点，但因CDR系统被确定为国家数字广播的标准进行全网使用投入时间不久，各方面的研究资料比较有限，因此，本设计对其核心模块之一的组帧模块进行了研究与仿真，并将其集成于一个FPGA(field-programmable gate array，即现场可编程门阵列）芯片上进行系统的仿真，对搭建一个全面的系统测试环境有重大的意义，具有很强的实用价值，同时也为将来在专用的集成电路芯片(ASIC)上提供了实现的基础。

1 CDR标准的系统构成及原理

2013年我国颁布了本国的数字音频广播标准即CDR系统，本设计对其信道编码调制即基带系统进行研究与设计[9]。CDR信道物理层的编码和调制结构如图1所示。对来自上层的主业务数据进行扰码、LDPC(low density parity check code，低密度奇偶校验）编码、星座映射和子载波交织处理，而业务描述信息扰码后和系统信息采用1/4卷积码、比特交织和星座映射处理，最后与离散导频完成复接后共同进入OFDM(orthogonal frequency division multiplexing，正交频分复用技术）调制。而后将信标插入在已调的信号后组成一个逻辑帧，再按子帧分配构成一个物理层的信号帧，最后通过基带发射机进行发射[10-11]。

2 组帧模块的原理与设计

组帧设计是本系统的一个重点与难点。根据CDR标准，将已经获得的业务描述信息子载波、系统信息子载波以及主业务数据信息子载波联合离散导频进行组帧，可获得OFDM调制前数据。子载波矩阵含有连续子载波、离散子载波和数据子载波，如何将相应信息准确放置于对应子载波中，是本文所要设计的内容。

2.1 频谱模式说明

频谱模式1是B类频谱模板，只含有一个子带DB3，包括它的上下半子带均为有效子带，DB1、DB2、DB4、DB5均为虚子带。图2是频谱模式为9的频谱示意图，频谱模式为1的类似，只是有效带宽不同而已。

图2 频谱模式为9的频谱示意图

2.2 子载波索引设计

不同的传输模式其子载波索引是各异的，其中传输模式1和传输模式3相同。图3～4表示各传输模式中OFDM符号的子载波索引图。

图3 传输模式1与3中子载波索引图

图4 传输模式2中子载波索引图

传输模式1和3有2048个有效子载波，而传输模式2则为1024点。如何设计各个导频放置位置，如下文所述。

2.2.1 系统信息元素有效子载波设计

首先，系统信息元素是以一个逻辑子帧，即每子载波子矩阵作为一传输单位。其次，下半子带与上半子带以一个逻辑子帧为单位，以216 bits为单位进行填充，因此每108 bits填充于半个子带中，依次从左至右，自上而下进行填充到各个中。最后，把108 bits的系统信息进行重复两次放置。

具体放置的行与列，如表1～2所示。

表1 每一行中列的位置

表2 行的位置分布

以传输模式1为例，其中系统信息一个逻辑子帧子矩阵位置填充如下所示。

其中，1～27行与28～54行中的元素相同，且55～56行的元素与1～2行的元素一致。一行相当于一个OFDM符号，一个子载波矩阵有56个OFDM符号，每个OFDM符号有242个有效子载波。

2.2.2 离散型导频元素有效子载波设计

离散导频在各个子矩阵中位置a行与b列的值由不同的传输模式而确定。

若为传输模式1或者3时

若传输模式为2时

以一个逻辑子帧子矩阵为例，传输模式设为1、频谱模式设为1，对每个子矩阵，分别进行按如上方法填充，生成长度为62的符号，依次按从左至右，自上而下的方法将各个子载波子矩阵中1～3行进行填充，从第四行开始，按以下方法实现各个位置的填充，其中4≤c≤SN（56）：

若mod(c-1,3)=0，那么当前一行所放置的离散导频数据与第一行相同；

若mod(c-1,3)=1，那么当前一行所放置的离散导频数据与第二行相同；

若mod(c-1,3)=2，那么当前一行所放置的离散导频数据与第三行相同。

2.2.3 数据元素的有效子载波设计

根据CDR标准，数据元素子载波放置的元素有两种：业务描述信息元素和主业务数据元素。它们的原理各不一样。

1、业务描述信息

业务描述信息以一个逻辑帧作为传输单位。将完成扰码、卷积编码、比特交织以及星座调制处理后的业务描述信息分别放置于子载波子矩阵的指定位置，具体的业务描述信息元素的有效子载波索引如表3所示。在每个子载波子矩阵中的第1行到NSDISn行，除所有用于放置连续导频和离散导频以外，其他的数据元素子载波放置业务描述信息；在第NSDISn+1行开始，从第一列到第NSDISn列中除了连续导频、离散导频外的数据元素均放置业务描述信息。每个子矩阵的填充方式与前面的系统信息一样，自左向右，自上而下。各个子矩阵之间的填充方式是先自上而下，后自左向右。

表3 子矩阵中业务描述信息的数据元素位置

2、主业务数据信息

将每个子矩阵剩下的数据元素位置，用于填充主业务数据元素。填充方式与业务描述信息相同。填充的数据元素中业务描述信息元素与主业务数据元素的个数如表4所示，指业务描述信息，指主业务数据信息：

表4 子矩阵中业务描述信息与主业务信息的数据元素个数

填充完成后的数据信息元素，还需进行子载波交织处理，具体步骤如下：

第一步：将子载波矩阵M的某一行记为Mi（以NI=1为例）

第二步：对子载波矩阵中某一行中放置的主业务数据元素进行置换，得到

其中vci,j，（j=1）由Vi中连续的p个分量构成（p随着i不同而不同）

其中vch，i,j，是VCi,j的分量，中表示业务描述信息在子载波矩阵Mi,l的位置，其放置的是主业务数据元素，l与j的关系如式(4)：

因 NI=1，化简

第三步，按照行序号依次取出 Vi第 j个子向量 VCi,j，构造一维向量 Bj=（VC1，j，VC4×（SN-NSDISN)，j即为第j个交织块。然后将Bj进行比特交织。

2.3 组帧模块元素的填充设置

如前设计，完成代码的编写，以一个子帧为例，传输模式为1，频谱模式为1，一个OFDM为2 048点，一逻辑子帧由1个信标加56个OFDM符号构成，根据B类频谱模式OFDM符号的子载波索引表以及同步信号的子载波索引表，具体位置填充详见标准第42～43页。参数填充配置如表5所示。

表5 子载波元素的设计配置表

3 仿真设计与结果分析

3.1 FPGA平台介绍

本设计的使用平台包括MATLAB和FPGA：首先，使用美国MathWorks公司开发的MATLAB 2019仿真软件进行CDR基带系统性能的分析与研究；其次，应用由Xilinx公司所开发的设计软件ISE 13.3，综合使用 VHDL(very-high-speed integrated circuit hardware description language)与 Verilog HDL硬件语言进行设计；最后，联合应用ModelSim SE 10.0c（FPGA平台中的一个自带仿真软件）和MATLAB两者仿真工具以及ISE 13.3本身具有的综合工具分析验证FPGA设计的可行性。

本文选用的芯片是xc6slx150t--3fgg484，该芯片具有更大的片上存储空间及更多的逻辑单元，对规模比较大的系统设计更合适。具体的资源情况如表6所示。

表6 xc6slx150t--3fgg484资源情况

3.2 仿真流程

具体的FPGA设计的流程如图5所示。首先，实现系统的划分；接着，使用硬件输入语言(本文综合使用Verilog HDL和VHDL语言)对设计进行描述输入；而后进行RTL(regis tertransfer level，寄存器传输级）逻辑综合，继而进行功能仿真，判断所编写代码的正确性，并完成相应的布局布线，最后调用ModelSimSE10.0c进行时序仿真。其中，RTL综合与时序上的分析等工作均由EDA(electronic design automation，电子设计自动化)自带实现。仿真验证可行后将程序下载到板上，实现硬件调试，本设计因工作量较大只实现至下载板前的仿真工作。

图5 仿真流程图

程序里重要变量的含义如下：

3.3 仿真结果及分析

根据上文所阐述的设计思路，在Xilinx平台下完成设计，使用Modelsim SE 10.0c仿真软件进行调用程序，所得部分仿真波形如图6所示。

图6 成帧后的部分时序仿真图

将获得的数据导出来，结果如图7所示（上下半子带合并分析），图中数字0指用于存放模拟信号的虚载波；1指放置系统信息的连续导频，位置固定；3指放置伪随机信号的离散导频，位置离散；4指放置业务描述信息的数据导频，位于每个OFDM符号的前两行；5指放置主业务数据信息的数据导频，去除所有填充位置以外的数据信息元素。

图7 成帧后部分导出数据

通过与MATLAB的结果进行对比可以得出所设计结果是否符合要求，同时利用MATLAB软件实现频谱的转换。结果表明，所有特性均符合CDR标准的特征，与MATLAB仿真结果对比两者具有一致性，根据设置有5个子载波等级信息，证明可以根据具体的站台及覆盖要求来选择不同的频谱模式。由此表明，CDR频谱模式具有灵活性，实现了AM/FM的数字频段兼容性。

4 结语

本设计针对中国自主研发的CDR标准中组帧模块进行设计与仿真验证。通过分析CDR标准中的频谱模式，以模式1为例分别研究系统信息元素的有效子载波设计、离散导频元素的有效子载波、业务描述信息的有效子载波的各自组帧原理，最后通过对各个子载波联合MATLAB和ModelSim平台对系统仿真。结果表明，所设计的组帧模式具有AM/FM的数字频段兼容性，并验证了该功能模块具有正确性以及硬件可行性，为将来系统在硬件平台上的实现创造了条件。