【文章內(nèi)容簡介】 30Hz～15kHz；與 S 信號對應(yīng)的信道稱為副信道，頻率范圍在 23kHz～53kHz ，立體聲復(fù)合信號的頻譜可參見圖14 / 56210。1 02 07 0對主載波的頻率偏移M（ L + R ）1 50 1 9 2 3 3 8頻率( k H z )5 33 04 05 06 0( k H z )S（ L R ）主信道177。 6 7 k H z ( 9 0 % )副信道177。 6 7 k H z ( 9 0 % )導(dǎo)頻信號177。 7 . 5k H z( 1 0 % )圖 210 導(dǎo)頻制立體聲基帶信號頻譜圖在數(shù)字調(diào)頻激勵器中，用全數(shù)字方式來實現(xiàn)立體聲編碼，實現(xiàn)起來非常簡單，而且能夠很好地控制導(dǎo)頻與副載波的幅度和相位關(guān)系，實現(xiàn)較高的立體聲分離度。 利用數(shù)字信號處理算法產(chǎn)生數(shù)字立體聲復(fù)合信號，在產(chǎn)生了導(dǎo)頻信號和副載波信號的基礎(chǔ)上，僅需要通過簡單的加法和乘法運算就可以合成立體聲信號。在設(shè)計中選用的 FPGA 具有較高的工作頻率和并行處理數(shù)據(jù)的特點，很適合處理立體聲信號合成算法。將和（M）、差（S）信號與相對應(yīng)的系數(shù)相乘，可以精確地調(diào)整兩個通道的增益誤差；另外，在 FPGA 的設(shè)計中可以很容易地通過D 觸發(fā)器來實現(xiàn)同步延遲，這樣就可以精確的控制復(fù)合信號中各個分量間的相位關(guān)系，保證了基帶信號的相位同步，具體實現(xiàn)框圖如圖 211 所示，其中，19kHz 導(dǎo)頻信號和 38kHz 副載波信號產(chǎn)生采用直接數(shù)字頻率合成技術(shù)（詳見 節(jié)），實現(xiàn)方式簡單、頻率準(zhǔn)確、穩(wěn)定度高、幅度和相位控制方便，而且與系統(tǒng)處理時鐘同步。－＋左聲道信號右聲道信號3 8 k H z副載波信號++1 9 k H z導(dǎo)頻信號 0 . 9 0 . 1圖 211 數(shù)字立體聲編碼器實現(xiàn)框圖數(shù)字立體聲編碼器解決了傳統(tǒng)立體聲編碼器使用模擬網(wǎng)絡(luò)時所帶來的兩條支路不一致的問題，使得立體聲編碼器的性能僅取決于算法和運算精度，只要運算的位數(shù)夠高，就能保證信號的失真度能滿足指標(biāo)要求，而且立體聲隔離度15 / 56能達到理想的水平。另外，使用數(shù)字方法實現(xiàn)立體聲編碼，大大減小了硬件調(diào)試難度，從而縮短了調(diào)頻激勵器的開發(fā)周期。輸出的信號為正弦信號時，相位幅度變換器可以用一個正弦函數(shù)查找表來實現(xiàn)的。從相關(guān)文獻的理論分析中可以得知，通過加大相位幅度變換器的存儲深度，并提高正弦波幅度值的量化位數(shù)，可以提高 DDS 輸出信號的雜散性能。然而，增大存儲空間又受到 FPGA 資源大小的限制，因此，在設(shè)計中采取了對性能和資源的折中處理。正弦函數(shù)查找表的深度為 1024 個樣值，而相位累計器選用了 32 位，所以需要截取相位累加器輸出 32bits 的瞬時相位高 10bits 的值作為正弦函數(shù)查找表的尋址地址。通過構(gòu)建兩個完全相同的正弦函數(shù)查找表，精確地設(shè)置頻率控制字的值和尋址 ROM 空間的時序，就可以保證產(chǎn)生的 38kHz副載波信號的頻率恰好是 19kHz 導(dǎo)頻信號的兩倍，這樣就確保兩者具有相同的初始相位和信號幅度，大大提高立體聲的隔離度。在設(shè)計方案中，系統(tǒng)的工作時鐘為 ，當(dāng)頻率控制字取 6,375,342和 12,750,684 時，輸出的正弦信號頻率分別為：（26）61326, Hz??? （27）6232,.5f其中， 的頻率與 19kHz 只相差 ，而 的頻率與 38kHz 也只相1f 2f差 ， ，并且 頻率恰好是 的兩倍，故可以通過導(dǎo)頻信號 ，在接收2f1f 1f機中得到與 完全相同的副載波信號。2f（6）外部通信與控制接口FPGA 主要完成對外圍電路的控制和與單片機之間的通信。外圍電路主要包括音頻、存儲器、DDS 芯片和鎖相環(huán)芯片等。音頻 ADC 芯片和數(shù)字音頻芯片，以及鎖相環(huán)芯片一般均是通過 SPI 標(biāo)準(zhǔn)的接口進行命令控制的，通過時鐘、片選信號和數(shù)據(jù)信號，以串行傳輸?shù)姆绞絹硗瓿蓪?shù)據(jù)的傳輸。另外，就音頻 ADC 芯片和數(shù)字音頻芯片來說，還有音頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)男盘柾罚褂昧四壳拜^為常用 標(biāo)準(zhǔn)，主要由主時鐘、比特時SI216 / 56鐘、左右聲道同步信號和數(shù)據(jù)信號構(gòu)成，也是通過串行傳輸。DDS 芯片的控制和存儲器的數(shù)據(jù)寫入與讀取是通過尋址的方式來實現(xiàn)的，這里主要包括地址信號、數(shù)據(jù)信號、片選信號、讀寫控制信號等，是一種并行傳輸數(shù)據(jù)的方式，一次能夠傳輸多個比特的信號。與單片機的通信過程中，由于受到單片機有限的輸入輸出口和較低的工作頻率的限制，設(shè)計中采用了一種特殊的傳輸方式。在 FPGA 傳輸或接收數(shù)據(jù)時，首先需要根據(jù)方向控制信號來判斷是向單片機傳輸數(shù)據(jù)還是接收數(shù)據(jù)；其次，需要根據(jù)索引信號來判斷目前傳輸?shù)牡刂沸盘?，以確定需要修改的地址空間；最后，將 24 比特的數(shù)據(jù)按從高比特位到低比特位的順序，分三次進行傳輸，在接收端進行重新組合，寫入對應(yīng)的地址空間。最后，這里列出了整個工程文件的樹形結(jié)構(gòu)圖，基本反映了 FPGA 設(shè)計的組織結(jié)構(gòu)。17 / 56t o p . v h dc l k _ g e n . v h dc l o c k s . x a wa u d i o _ g e n . v h dt o p . u c fs o u r c e _ s i n . x c o s o u r c e _ s i n . c o ea n a l o g _ a u d i o . v h dd i g i t a l _ a u d i o . v h da u d i o _ m u x . v h da u d i o _ d e l a y . v h dd e l a y _ m a s t e r . v h dd e l a y _ s l a v e . v h df i l t e r i n g . v h dm u t i p l e x i n g . v h df i r _ c a s c a d e . v h de m p h a s i s . x c oi n t e r p o l a t o r . x c ou p _ 2 4 b i t . c o ei n t e r _ 2 8 b . c o ed e m u t i p l e x i n g . v h dd p r a m . x c om o d u l a t i o n . v h da m p _ a d j u s t . v h dp i l o t . v h dd d s t a b . x c os t e r e o _ m o d u l . v h dm u l t i 0 . x c om u l t i . x c om u x _ c o m p . v h dd d s . v h dd d s _ c t r . v h dp l l _ c o n t r o l . v h dm c u . v h dd d s t a b . c o eI S E 工 程圖 212 FPGA 設(shè)計的樹形結(jié)構(gòu)圖 射頻處理模塊射頻處理模塊最主要的功能是完成了調(diào)頻信號的合成。要在數(shù)字域中完成調(diào)頻調(diào)制，最容易實現(xiàn)的方法是采用直接數(shù)字頻率合成技術(shù)（DDS） ，它在相對帶寬、頻率轉(zhuǎn)換時間、高分辨力、相位連續(xù)性、正交輸出以及集成化等一系列性能指標(biāo)方面遠遠超過了傳統(tǒng)頻率合成技術(shù)所能達到的水平。DDS 的工作原理簡單地說就是通過高速的 DAC 將存儲器中的數(shù)字波形轉(zhuǎn)換為模擬信號，所以，這種技術(shù)需要工作在一個較高的工作頻率上。由于晶體振蕩器工作頻率不高，一般在 100MHz 以下，所以在射頻處理模塊中還需要包含鎖相環(huán)電路，來滿足這一需求。另外，由于 DDS 電路生成的信號輸出功率較小，以及在調(diào)頻廣播頻18 / 56帶范圍外還存在一些雜波，所以還需要通過濾波電路和射頻放大電路對 DDS 輸出的信號進行處理，以滿足廣播發(fā)射的要求。下面是對主要模塊的工作原理的分析。（1）調(diào)頻調(diào)制模塊的工作原理所謂調(diào)頻就是使載波的瞬時頻率隨調(diào)制信號的大小而變化，而其幅度保持不變。使用頻率調(diào)制，使得調(diào)制信號的頻譜結(jié)構(gòu)要比幅度調(diào)制情況更為復(fù)雜，占用的頻帶相對寬得多，但其抗噪聲性能明顯優(yōu)于幅度調(diào)制系統(tǒng)。在調(diào)頻立體聲廣播中，調(diào)頻信號可以通過數(shù)學(xué)公式表示為：（28）????costFMfseroStAkUd???????其中， 為載波幅度， 為載波角頻率， 為頻率偏移常數(shù)， 為cAcf ??steroU立體聲基帶信號。下面對調(diào)頻波的頻譜結(jié)構(gòu)進行分析，為了分析方便，需要對基帶信號進行簡化，假設(shè) 為一個單音信號，可表示為??steroU，則調(diào)頻信號可表示為：????cossteromUt??（29）???cssinofmFMccfkUSAtt????????????其中， ，為調(diào)頻波的最大相位偏移，又稱調(diào)頻指數(shù)。調(diào)頻波fmfkU??的有效帶寬定義為：（210）??21ffB???我國的調(diào)頻廣播標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，為了提供高質(zhì)量的話音和音樂節(jié)目，規(guī)定最大頻偏為 75kHz，最高調(diào)制頻率為 15kHz，各個電臺之間的最小頻道間隔為200kHz。直接數(shù)字頻率合成（DDS）技術(shù)就是把一系列數(shù)字形式的信號通過數(shù)/模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬量形式的信號合成技術(shù)。它有兩種基本的合成方式：一種是根據(jù)正弦函數(shù)關(guān)系式，按照一定的時間間隔，利用計算機進行數(shù)字遞推關(guān)系計算，求解瞬時正弦函數(shù)值并實時地送入數(shù)/模轉(zhuǎn)換器，從而合成所需要頻率的正弦波信號。這種合成方式具有電路簡單、成本低的特點，而且合成信號的頻率分辨19 / 56率很高，但由于受計算機運算速度的限制，合成信號頻率較低，一般在幾 kHz以下，現(xiàn)在較少使用。另一種是利用硬件電路取代計算機的軟件運算過程，即利用高速存儲器作查詢表，通過高速數(shù)/模轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生已經(jīng)用數(shù)字形式存入的正弦波，合成信號頻率可以很高，這是目前使用最廣泛的數(shù)字頻率合成方式。依據(jù) DDS 的原理，信號頻率可通過下式得到： （211）cNcco fKfMTf22????在這里，K 即為 DDS 的頻率控制字，一般用 N 比特的二進制數(shù)來表示。整個周期的相位 分成 等份， 為 DDS 時鐘頻率。根據(jù)采樣定理的要求，2?NcfK 的最大值應(yīng)小于 M（M= ）的二分之一。由此得知，信號頻率由時鐘頻率、頻率分辨率位數(shù) N 和頻率控制字 K 共同決定。信號的瞬時相位為：cf （212）????2mod20,12nnn??????? ??????因此，產(chǎn)生線性相位的過程可用一個相位累加器來實現(xiàn)，數(shù)字相位圖如圖213 所示。圖 213 數(shù)字相位圖相位累加器在工程實踐上一般采用數(shù)字全加器和數(shù)字寄存器的組合來完成上述的相位累加的過程。為了便于數(shù)字化處理，相位的量化是必須的，一般采用 Nbits 數(shù)字全加器和 Nbits 數(shù)字寄存器構(gòu)成的相位序列 的物理實現(xiàn)結(jié)構(gòu)。??n?相位累加器由 N 位加法器與 N 位累加寄存器級聯(lián)構(gòu)成，每來一個時鐘脈沖，加法器將頻率控制數(shù)據(jù) K 與累加寄存器輸出的累加相位數(shù)據(jù)相加，把相加后的結(jié)果送至累加寄存器的數(shù)據(jù)輸入端。累加寄存器將加法器在上一個時鐘作用后所20 / 56產(chǎn)生的新相位數(shù)據(jù)反饋到加法器的輸入端，以使加法器在下一個時鐘的作用下繼續(xù)與頻率控制數(shù)據(jù)相加。這樣，相位累加器在參考時鐘的作用下，進行線性相位累加，當(dāng)相位累加器累加達滿幅值時，就會產(chǎn)生一次溢出，完成一個周期性的動作，這個周期就是 DDS 合成信號的一個頻率周期，即累加器的溢出頻率就是 DDS 輸出的信號頻率。當(dāng)相位累加器的寬度為 16 比特，若時鐘頻率為100MHz，則最小分辨率（即頻率步進）為： ?這時輸出頻率與實際計算頻率必然存在誤差，增加累加器的位數(shù)使其誤差小到可以忽略的程度。如果時鐘頻率為 100MHz，累加器為 32 比特時，最小頻率分辨率為： ?相位累加器輸出的信息是信號的瞬時相位值，需要經(jīng)過相位－幅度轉(zhuǎn)化器，將相位信息轉(zhuǎn)換成相對應(yīng)的幅度信息。用查找表的方法來實現(xiàn)，是將一個圓周周期的正弦函數(shù)的幅度值存儲在 ROM 中，根據(jù)相位累加器輸出的相位值來對其查表。ROM 在將相位信息轉(zhuǎn)換為幅度信息時，執(zhí)行如下轉(zhuǎn)換： （213）????sin??DDS 是將相位累計器輸出的 N 比特數(shù)據(jù)作為 ROM 的尋址地址，但是一般ROM 的容量有限，其容量空間遠小于相位累加器輸出數(shù)據(jù)所能尋址的空間。例如，一個 ROM 能夠存儲 個 S 比特的數(shù)據(jù)，如果正弦信號的幅度也用 S 比特2L來量化，則表示 ROM 中只能夠存儲 個正弦波樣點，在一般情況下 ，L NL?所以，在實際應(yīng)用中，只能使用相位累加器輸出的 N 位數(shù)據(jù)中的高 L 位來驅(qū)動ROM。由于正弦函數(shù)是非線性函數(shù)，在將累加器輸出的相位值轉(zhuǎn)換為 ROM 表的正弦函數(shù)的幅度值時，因為相位累加器的輸出相位信息被截斷，產(chǎn)生的量化誤差的大小直接影響雜散信號的性能。一般地來說，當(dāng)相位累加器的輸出數(shù)據(jù)寬度 N 一定時，L 越大，即波形表存儲深度越深，由數(shù)字相位數(shù)據(jù)截斷引起的輸出信號的雜散越小。在方案中，利用了 DDS 技術(shù)來實現(xiàn)頻率調(diào)制器。由這種方法構(gòu)成完整的調(diào)頻波形，具有較高的精度和穩(wěn)定性。在數(shù)字調(diào)制器內(nèi)，由數(shù)控振蕩器提供 32bit21 / 56數(shù)字信號形成載波信號，在數(shù)字域內(nèi)的調(diào)制是一個理想的線性系統(tǒng)。對于同步廣播來說，載波相位可調(diào)整，直接數(shù)字頻率合成方式只需改變相位累加器的初始值就能實現(xiàn)相位變化，充分保證相位的精