【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 30Hz～15kHz；與 S 信號(hào)對(duì)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(hào)的頻譜可參見(jiàn)圖14 / 56210。1 02 07 0對(duì)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(hào)177。 7 . 5k H z( 1 0 % )圖 210 導(dǎo)頻制立體聲基帶信號(hào)頻譜圖在數(shù)字調(diào)頻激勵(lì)器中，用全數(shù)字方式來(lái)實(shí)現(xiàn)立體聲編碼，實(shí)現(xiàn)起來(lái)非常簡(jiǎn)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(shí)現(xiàn)較高的立體聲分離度。 利用數(shù)字信號(hào)處理算法產(chǎn)生數(shù)字立體聲復(fù)合信號(hào)，在產(chǎn)生了導(dǎo)頻信號(hào)和副載波信號(hào)的基礎(chǔ)上，僅需要通過(guò)簡(jiǎn)單的加法和乘法運(yùn)算就可以合成立體聲信號(hào)。在設(shè)計(jì)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(diǎn)，很適合處理立體聲信號(hào)合成算法。將和（M）、差（S）信號(hào)與相對(duì)應(yīng)的系數(shù)相乘，可以精確地調(diào)整兩個(gè)通道的增益誤差；另外，在 FPGA 的設(shè)計(jì)中可以很容易地通過(guò)D 觸發(fā)器來(lái)實(shí)現(xiàn)同步延遲，這樣就可以精確的控制復(fù)合信號(hào)中各個(gè)分量間的相位關(guān)系，保證了基帶信號(hào)的相位同步，具體實(shí)現(xiàn)框圖如圖 211 所示，其中，19kHz 導(dǎo)頻信號(hào)和 38kHz 副載波信號(hào)產(chǎn)生采用直接數(shù)字頻率合成技術(shù)（詳見(jiàn) 節(jié)），實(shí)現(xiàn)方式簡(jiǎn)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(shí)鐘同步。－＋左聲道信號(hào)右聲道信號(hào)3 8 k H z副載波信號(hào)++1 9 k H z導(dǎo)頻信號(hào) 0 . 9 0 . 1圖 211 數(shù)字立體聲編碼器實(shí)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(shí)所帶來(lái)的兩條支路不一致的問(wèn)題，使得立體聲編碼器的性能僅取決于算法和運(yùn)算精度，只要運(yùn)算的位數(shù)夠高，就能保證信號(hào)的失真度能滿足指標(biāo)要求，而且立體聲隔離度15 / 56能達(dá)到理想的水平。另外，使用數(shù)字方法實(shí)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(lì)器的開(kāi)發(fā)周期。輸出的信號(hào)為正弦信號(hào)時(shí)，相位幅度變換器可以用一個(gè)正弦函數(shù)查找表來(lái)實(shí)現(xiàn)的。從相關(guān)文獻(xiàn)的理論分析中可以得知，通過(guò)加大相位幅度變換器的存儲(chǔ)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(hào)的雜散性能。然而，增大存儲(chǔ)空間又受到 FPGA 資源大小的限制，因此，在設(shè)計(jì)中采取了對(duì)性能和資源的折中處理。正弦函數(shù)查找表的深度為 1024 個(gè)樣值，而相位累計(jì)器選用了 32 位，所以需要截取相位累加器輸出 32bits 的瞬時(shí)相位高 10bits 的值作為正弦函數(shù)查找表的尋址地址。通過(guò)構(gòu)建兩個(gè)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(shí)序，就可以保證產(chǎn)生的 38kHz副載波信號(hào)的頻率恰好是 19kHz 導(dǎo)頻信號(hào)的兩倍，這樣就確保兩者具有相同的初始相位和信號(hào)幅度，大大提高立體聲的隔離度。在設(shè)計(jì)方案中，系統(tǒng)的工作時(shí)鐘為 ，當(dāng)頻率控制字取 6,375,342和 12,750,684 時(shí)，輸出的正弦信號(hào)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(guò)導(dǎo)頻信號(hào) ，在接收2f1f 1f機(jī)中得到與 完全相同的副載波信號(hào)。2f（6）外部通信與控制接口FPGA 主要完成對(duì)外圍電路的控制和與單片機(jī)之間的通信。外圍電路主要包括音頻、存儲(chǔ)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(guò) SPI 標(biāo)準(zhǔn)的接口進(jìn)行命令控制的，通過(guò)時(shí)鐘、片選信號(hào)和數(shù)據(jù)信號(hào)，以串行傳輸?shù)姆绞絹?lái)完成對(duì)數(shù)據(jù)的傳輸。另外，就音頻 ADC 芯片和數(shù)字音頻芯片來(lái)說(shuō)，還有音頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)男盘?hào)通路，使用了目前較為常用 標(biāo)準(zhǔn)，主要由主時(shí)鐘、比特時(shí)SI216 / 56鐘、左右聲道同步信號(hào)和數(shù)據(jù)信號(hào)構(gòu)成，也是通過(guò)串行傳輸。DDS 芯片的控制和存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)寫(xiě)入與讀取是通過(guò)尋址的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這里主要包括地址信號(hào)、數(shù)據(jù)信號(hào)、片選信號(hào)、讀寫(xiě)控制信號(hào)等，是一種并行傳輸數(shù)據(jù)的方式，一次能夠傳輸多個(gè)比特的信號(hào)。與單片機(jī)的通信過(guò)程中，由于受到單片機(jī)有限的輸入輸出口和較低的工作頻率的限制，設(shè)計(jì)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(shí)，首先需要根據(jù)方向控制信號(hào)來(lái)判斷是向單片機(jī)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(hào)來(lái)判斷目前傳輸?shù)牡刂沸盘?hào)，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(jìn)行傳輸，在接收端進(jìn)行重新組合，寫(xiě)入對(duì)應(yīng)的地址空間。最后，這里列出了整個(gè)工程文件的樹(shù)形結(jié)構(gòu)圖，基本反映了 FPGA 設(shè)計(jì)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(jì)的樹(shù)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(hào)的合成。要在數(shù)字域中完成調(diào)頻調(diào)制，最容易實(shí)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(duì)帶寬、頻率轉(zhuǎn)換時(shí)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(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了傳統(tǒng)頻率合成技術(shù)所能達(dá)到的水平。DDS 的工作原理簡(jiǎn)單地說(shuō)就是通過(guò)高速的 DAC 將存儲(chǔ)器中的數(shù)字波形轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，所以，這種技術(shù)需要工作在一個(gè)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(lái)滿足這一需求。另外，由于 DDS 電路生成的信號(hào)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(guò)濾波電路和射頻放大電路對(duì) DDS 輸出的信號(hào)進(jìn)行處理，以滿足廣播發(fā)射的要求。下面是對(duì)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(shí)頻率隨調(diào)制信號(hào)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(hào)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(duì)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(hào)可以通過(guò)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(hào)。下面對(duì)調(diào)頻波的頻譜結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，為了分析方便，需要對(duì)基帶信號(hào)進(jìn)行簡(jiǎn)化，假設(shè) 為一個(gè)單音信號(hào)，可表示為??steroU，則調(diào)頻信號(hào)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(guó)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(lè)節(jié)目，規(guī)定最大頻偏為 75kHz，最高調(diào)制頻率為 15kHz，各個(gè)電臺(tái)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(hào)通過(guò)數(shù)/模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬量形式的信號(hào)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(shí)間間隔，利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)字遞推關(guān)系計(jì)算，求解瞬時(shí)正弦函數(shù)值并實(shí)時(shí)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(hào)。這種合成方式具有電路簡(jiǎn)單、成本低的特點(diǎn)，而且合成信號(hào)的頻率分辨19 / 56率很高，但由于受計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度的限制，合成信號(hào)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(jì)算機(jī)的軟件運(yùn)算過(guò)程，即利用高速存儲(chǔ)器作查詢表，通過(guò)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(hào)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(hào)頻率可通過(guò)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(jìn)制數(shù)來(lái)表示。整個(gè)周期的相位 分成 等份， 為 DDS 時(shí)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(hào)頻率由時(shí)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(hào)的瞬時(shí)相位為：cf （212）????2mod20,12nnn??????? ??????因此，產(chǎn)生線性相位的過(guò)程可用一個(gè)相位累加器來(lái)實(shí)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(shí)踐上一般采用數(shù)字全加器和數(shù)字寄存器的組合來(lái)完成上述的相位累加的過(guò)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(shí)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(jí)聯(lián)構(gòu)成，每來(lái)一個(gè)時(shí)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(gè)時(shí)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(gè)時(shí)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(shí)鐘的作用下，進(jìn)行線性相位累加，當(dāng)相位累加器累加達(dá)滿幅值時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生一次溢出，完成一個(gè)周期性的動(dòng)作，這個(gè)周期就是 DDS 合成信號(hào)的一個(gè)頻率周期，即累加器的溢出頻率就是 DDS 輸出的信號(hào)頻率。當(dāng)相位累加器的寬度為 16 比特，若時(shí)鐘頻率為100MHz，則最小分辨率（即頻率步進(jìn)）為： ?這時(shí)輸出頻率與實(shí)際計(jì)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(shí)鐘頻率為 100MHz，累加器為 32 比特時(shí)，最小頻率分辨率為： ?相位累加器輸出的信息是信號(hào)的瞬時(shí)相位值，需要經(jīng)過(guò)相位－幅度轉(zhuǎn)化器，將相位信息轉(zhuǎn)換成相對(duì)應(yīng)的幅度信息。用查找表的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，是將一個(gè)圓周周期的正弦函數(shù)的幅度值存儲(chǔ)在 ROM 中，根據(jù)相位累加器輸出的相位值來(lái)對(duì)其查表。ROM 在將相位信息轉(zhuǎn)換為幅度信息時(shí)，執(zhí)行如下轉(zhuǎn)換： （213）????sin??DDS 是將相位累計(jì)器輸出的 N 比特?cái)?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(yuǎn)小于相位累加器輸出數(shù)據(jù)所能尋址的空間。例如，一個(gè) ROM 能夠存儲(chǔ) 個(gè) S 比特的數(shù)據(jù)，如果正弦信號(hào)的幅度也用 S 比特2L來(lái)量化，則表示 ROM 中只能夠存儲(chǔ) 個(gè)正弦波樣點(diǎn)，在一般情況下 ，L NL?所以，在實(shí)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(lái)驅(qū)動(dòng)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(shí)，因?yàn)橄辔焕奂悠鞯妮敵鱿辔恍畔⒈唤財(cái)?，產(chǎn)生的量化誤差的大小直接影響雜散信號(hào)的性能。一般地來(lái)說(shuō)，當(dāng)相位累加器的輸出數(shù)據(jù)寬度 N 一定時(shí)，L 越大，即波形表存儲(chǔ)深度越深，由數(shù)字相位數(shù)據(jù)截?cái)嘁鸬妮敵鲂盘?hào)的雜散越小。在方案中，利用了 DDS 技術(shù)來(lái)實(shí)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(hào)形成載波信號(hào)，在數(shù)字域內(nèi)的調(diào)制是一個(gè)理想的線性系統(tǒng)。對(duì)于同步廣播來(lái)說(shuō)，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(shí)現(xiàn)相位變化，充分保證相位的精