摘  要： 在深入研究移動(dòng)DTV國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，對(duì)調(diào)制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)規(guī)劃，并對(duì)信道調(diào)制的星座映射、系統(tǒng)信息插入、幀體數(shù)據(jù)處理、PN序列插入的幀形成模塊和成形濾波模塊進(jìn)行了設(shè)計(jì)與仿真，驗(yàn)證了其在公交站牌系統(tǒng)上的正確性。
關(guān)鍵詞： 移動(dòng)DTV；TDS-OFDM；IFFT；FPGA

1 星座映射的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
　　基于FPGA的星座映射模塊設(shè)計(jì)接口定義如下：
 　   clk_bitx2：系統(tǒng)比特時(shí)鐘2倍周期的輸入時(shí)鐘；
　　QAM_para：控制模塊的參數(shù)信號(hào)；
　　constellation：星座映射模式；
　　data_in_en：輸入數(shù)據(jù)有效信號(hào)；
　　data_v_in：輸入數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)寬度為6位；
　　data_I：輸出I路數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)寬度為16位；
　　data_Q：輸出Q路數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)寬度為16位；
　　data_out_en：輸出數(shù)據(jù)有效信號(hào)。
　　在Windows XP和Quartus DE2的軟件環(huán)境下，在Altera公司的DE2平臺(tái)的FPGA上綜合之后，其消耗資源情況如下：占用了90個(gè)觸發(fā)器，138個(gè)四輸入查找表，69個(gè)Slices，占用1個(gè)片內(nèi)存儲(chǔ)塊Block RAM，不到總量的1%。
2 系統(tǒng)信息插入的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
2.1 系統(tǒng)信息
　　本系統(tǒng)中預(yù)設(shè)了64種不同的系統(tǒng)信息模式，并采用擴(kuò)頻技術(shù)傳輸。這64種系統(tǒng)信息在擴(kuò)頻前可以用6個(gè)信息位（s5s4s3s2s1s0）來(lái)表示，其中s5為MSB，定義如下：s3s2s1s0：編碼調(diào)制模式;s4：交織信息；s5：保留[1]。
　　該6 bit擴(kuò)頻前的系統(tǒng)信息將采用擴(kuò)頻技術(shù)擴(kuò)為32 bit長(zhǎng)的系統(tǒng)信息矢量，即用長(zhǎng)度為32 bit的Walsh序列和長(zhǎng)度為32 bit的隨機(jī)序列來(lái)映射保護(hù)[2]。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中已經(jīng)給出了擴(kuò)頻后的64個(gè)32 bit的系統(tǒng)信息矢量，將這32 bit采用I、Q相同的4QAM調(diào)制映射成為32個(gè)復(fù)符號(hào)，再加上4個(gè)幀體模式符號(hào)[3]，得到了36個(gè)系統(tǒng)信息符號(hào)。在本設(shè)計(jì)中幀體模式C=3 780，“1111”4個(gè)bit也采用I、Q相同的4QAM映射為4個(gè)復(fù)符號(hào)，由于這種映射模式是2位到2位的映射，所以把它擴(kuò)展為8 bit的符號(hào)，用補(bǔ)碼表示。映射后的4個(gè)幀體模式指示符號(hào)在前，32個(gè)調(diào)制和碼率等模式指示符號(hào)在后。該36個(gè)系統(tǒng)信息符號(hào)通過(guò)復(fù)用模塊與信道編碼后的數(shù)據(jù)符號(hào)復(fù)合成幀體數(shù)據(jù)[4]。
2.2 系統(tǒng)信息插入的實(shí)現(xiàn)
　　系統(tǒng)信息插入模塊的端口定義[5]為：
　　tps_in[5：0]：輸入的系統(tǒng)信息位為6 bit并行數(shù)據(jù)；
　　data_Qed：輸入數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)QAM映射后的32位幀體數(shù)據(jù)，高16位為實(shí)部，低16位為虛部；
　　data_valid_in：輸入數(shù)據(jù)有效信號(hào)；
　　clk：模塊工作時(shí)鐘，也是數(shù)據(jù)輸入時(shí)鐘；
　　rst：復(fù)位信號(hào)，低電平有效，等于0時(shí)可以復(fù)位控制模塊的寄存器值；
　　dout_start：輸出3 780個(gè)連續(xù)數(shù)據(jù)的起始脈沖信號(hào)，持續(xù)1個(gè)時(shí)鐘周期；
　　dout_en：輸出3 780個(gè)連續(xù)數(shù)據(jù)的有效使能信號(hào)；
　　dout：輸出數(shù)據(jù)，高16位為實(shí)部，低16位為虛部； 系統(tǒng)信息插入模塊[6]仿真波形圖如圖1所示。

　　在Windows XP和Quartus DE2的軟件環(huán)境下，在Altera公司的DE2平臺(tái)的FPGA上綜合之后，其消耗資源情況如下：占用了115個(gè)Slices，187個(gè)觸發(fā)器，208個(gè)四輸入查找表，占用片內(nèi)Block RAM資源在6%以下。
　　本文設(shè)計(jì)的是幀頭模式1，長(zhǎng)度為420，為OFDM幀體長(zhǎng)的1/9。前同步緩沖的長(zhǎng)度取82，后同步緩沖的長(zhǎng)度取83[7]。
　　PN幀頭數(shù)據(jù)插入[8]模塊的結(jié)構(gòu)定義如下：
　　clk：模塊工作時(shí)鐘，是系統(tǒng)的符號(hào)時(shí)鐘；
　　data_in：32位的輸入數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的高16位為實(shí)部，低16位為虛部；
　　data_in_en：輸入有效數(shù)據(jù)使能信號(hào)，高電平有效；
　　data_in_start：輸入有效數(shù)據(jù)起始信號(hào)，高電平有效；
　　PN_mode：插入PN序列的模式指示信號(hào)；
　　dout_start：輸出有效數(shù)據(jù)起始信號(hào)，高電平有效；
　　dout_en：輸出有效數(shù)據(jù)使能信號(hào)，高電平有效；
　　dout：32位輸出數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的高16位為數(shù)據(jù)實(shí)部，低16位為數(shù)據(jù)虛部[9]。
　　PN幀頭數(shù)據(jù)插入模塊主要完成OFDM調(diào)制的3 780個(gè)數(shù)據(jù)和PN幀頭的數(shù)據(jù)拼接。具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，輸入的3 780個(gè)數(shù)據(jù)首先緩存在RAM中，當(dāng)所需要的PN頭數(shù)據(jù)產(chǎn)生完以后，啟動(dòng)讀RAM操作，把緩存數(shù)據(jù)輸出。PN幀頭數(shù)據(jù)插入模塊硬件實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)框圖[10]如圖2所示。在Windows XP和Quartus DE2的軟件環(huán)境下，在Altera公司的DE2平臺(tái)的FPGA上綜合之后，其消耗資源情況如下：占用了145個(gè)Slices，207個(gè)觸發(fā)器，273個(gè)四輸入查找表，占用片內(nèi)Block RAM資源在6%以下。

3  幀體數(shù)據(jù)處理的設(shè)計(jì)
3.1  傅里葉變換在OFDM系統(tǒng)中的應(yīng)用[11]
      設(shè)一個(gè)時(shí)間信號(hào)s(t)的抽樣函數(shù)為s(k)，其中k=0，1，2，…，N-1，則s(k)的離散傅里葉變換（DFT）為：
　　
　　 對(duì)上式中S(t)進(jìn)行抽樣，抽樣間隔為T(mén)，假定在一個(gè)碼元周期內(nèi)T內(nèi)含有N個(gè)抽樣值。由于OFDM信號(hào)的產(chǎn)生首先在基帶上實(shí)現(xiàn)，之后通過(guò)上變頻產(chǎn)生輸出信號(hào)，因此基帶處理時(shí)可令上式簡(jiǎn)化為[13]：
　　 

　　由此可知，OFDM系統(tǒng)的調(diào)制可以由IDFT來(lái)實(shí)現(xiàn)。同理，它的解調(diào)可以用離散傅里葉變換實(shí)現(xiàn)，大大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度。
 　　下面討論如何用DFT來(lái)實(shí)現(xiàn)IDFT。令X(k)是N點(diǎn)離散系列x(n)的DFT，于是有下面2式成立：
       

　　把X(k)看作OFDM調(diào)制系統(tǒng)的輸入信號(hào)，則它的IDFT就是系統(tǒng)調(diào)制后的輸出，所以可以通過(guò)正向的傅里葉變換來(lái)實(shí)現(xiàn)IDFT，可分3個(gè)步驟來(lái)實(shí)現(xiàn)[14]：(1)將長(zhǎng)度為N的輸入數(shù)據(jù)取共軛；(2)對(duì)N點(diǎn)數(shù)據(jù)做正向傅里葉變換；(3)把得到的結(jié)果求共軛，再乘以系數(shù)1/N。若要完成N點(diǎn)傅里葉變換，需要N×N次復(fù)數(shù)乘法和N(N-1)次復(fù)數(shù)加法。N值較大時(shí)，計(jì)算量會(huì)相當(dāng)驚人，可能會(huì)因?yàn)橛?jì)算量過(guò)大，占用系統(tǒng)大部分的資源并造成較長(zhǎng)的延時(shí)，最終導(dǎo)致系統(tǒng)無(wú)法實(shí)時(shí)。
3.2 3 780點(diǎn)快速傅里葉變換算法
3.2.1 算法概述
　　目前，關(guān)于FFT的算法主要有基于基-2和基-4[15]兩種，從軟件仿真到硬件實(shí)現(xiàn)已有多種成熟的算法。圖3所示為3 780點(diǎn)FFT算法程序流程圖。

　　 將輸入的3 780個(gè)復(fù)數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行串轉(zhuǎn)并，進(jìn)行下標(biāo)映射，從原始數(shù)據(jù)中以60為間隔抽取數(shù)據(jù)，組成了60組63個(gè)數(shù)1組的新序列，用63點(diǎn)的素因子算法作FFT運(yùn)算，再進(jìn)行第1次素因子算法的整序，然后將3 780個(gè)數(shù)據(jù)乘以相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)因子，做60點(diǎn)的素因子算法，進(jìn)行第2次由于素因子分解所需的整序，最后進(jìn)行因混合基分解算法所需要的整序[16]。
　　利用Matlab自帶的函數(shù)，輸入采用了2.4 Hz和3.5 Hz的正弦信號(hào)，將最終得到的仿真圖和Matlab自帶的函數(shù)計(jì)算比較，可以驗(yàn)證本設(shè)計(jì)的正確性。
3.2.2 算法實(shí)現(xiàn)
　　3 780點(diǎn)FFT算法實(shí)現(xiàn)模塊的端口定義如下：
　　clk：系統(tǒng)的符號(hào)時(shí)鐘；
　　clk_working：工作時(shí)鐘，也是系統(tǒng)比特時(shí)鐘；
　　reset：系統(tǒng)復(fù)位信號(hào)，低電平有效，完成系統(tǒng)初始化和復(fù)位；
　　data_in_I、data_in_R：輸入數(shù)據(jù)的實(shí)部、虛部，16位位寬；
　　data_in_valid：輸入數(shù)據(jù)有效起始信號(hào)，高電平有效，持續(xù)1個(gè)輸入時(shí)鐘周期，表示從下一個(gè)時(shí)鐘沿開(kāi)始為3 780個(gè)有效數(shù)據(jù)輸入；
　　dout_start：輸出有效數(shù)據(jù)起始信號(hào)，高電平有效，持續(xù)期為1個(gè)輸出時(shí)鐘周期，表示下一個(gè)時(shí)鐘開(kāi)始的3 780個(gè)數(shù)據(jù)為輸出有效數(shù)據(jù)；
　　dout_valid：輸出數(shù)據(jù)有效使能信號(hào)，高電平有效[18]；
　　dout_R、dout_I：輸出復(fù)數(shù)數(shù)據(jù)的實(shí)部、虛部，16位位寬。
　　3 780點(diǎn)FFT模塊的硬件實(shí)現(xiàn)如圖4所示。clk_work-ing是系統(tǒng)的比特時(shí)鐘，每個(gè)上升時(shí)鐘沿到來(lái)，串行數(shù)據(jù)讀寫(xiě)1次，小N點(diǎn)WFTA模塊內(nèi)部移位計(jì)算1次。為了解決由于雙口RAM讀或?qū)懙奶S性[19]，Winograd小N DFT算法是整個(gè)3 780點(diǎn)FFT實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)，3 780點(diǎn)FFT被分解成幾個(gè)小點(diǎn)的DFT，最終通過(guò)Winograd小N DFT算法來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

　　經(jīng)過(guò)Matlab工具驗(yàn)證算法設(shè)計(jì)的正確性之后，在Quartus DE2軟件環(huán)境下編寫(xiě)了Verilog HDL代碼，并進(jìn)行硬件仿真。輸入data_in_I和data_in_R為2路16位寬的隨機(jī)數(shù)，關(guān)鍵數(shù)據(jù)的仿真波形如圖5所示。可以看出，存儲(chǔ)器的讀寫(xiě)控制完全達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)效果。把輸出數(shù)據(jù)導(dǎo)入Matlab進(jìn)行分析，當(dāng)輸出數(shù)據(jù)為16 bit時(shí)，模塊的信噪比達(dá)到了56.8 dB，完全符合標(biāo)準(zhǔn)45 dB～60 dB的要求。對(duì)信噪比有更高要求的應(yīng)用場(chǎng)合，可以采用擴(kuò)展位寬來(lái)設(shè)計(jì)。要完成IFFT運(yùn)算，根據(jù)兩者之間的關(guān)系，只需對(duì)該模塊的輸入和輸出分別取共軛，就可以完成整體數(shù)據(jù)處理模塊的功能。

　　理論上分析本設(shè)計(jì)的實(shí)數(shù)乘法和加法數(shù)量已逼近4 096點(diǎn)FFT，但是在FPGA具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，小N點(diǎn)的WFTA運(yùn)算消耗了較多的邏輯單元，與4 096點(diǎn)FFT采用蝶形運(yùn)算單元完成相比較，前者消耗的邏輯單元較4 096點(diǎn)FFT多出不少。整個(gè)仿真在Windows XP和Quartus DE2的軟件環(huán)境下，在Altera公司的DE2平臺(tái)的FPGA上綜合之后消耗資源情況比較如表1所示。

　　本設(shè)計(jì)沒(méi)有涉及交織模塊的編寫(xiě)，但完成了一個(gè)相對(duì)完整的DMB-T的調(diào)制系統(tǒng)，其中3 780個(gè)子載波的TDS-OFDM調(diào)制是移動(dòng)DTV系統(tǒng)的核心模塊。利用FFT在OFDM中的應(yīng)用以及實(shí)現(xiàn)，針對(duì)移動(dòng)DTV系統(tǒng)中特有的3 780點(diǎn)IFFT，綜合利用了Cooley-Tukey算法、Winograd算法、素因子算法3種算法各自的特點(diǎn)，考慮了算法的復(fù)雜度、運(yùn)算的速度、資源的消耗。本設(shè)計(jì)采用了一種新的算法，通過(guò)了Matlab驗(yàn)證和基于FPGA的仿真。本設(shè)計(jì)采用了Winograd小N DFT算法的硬件實(shí)現(xiàn)，通過(guò)16次迭代的方法完成了公交車(chē)站牌系統(tǒng)的移動(dòng)DTV的核心模塊仿真設(shè)計(jì)。
參考文獻(xiàn)
[1] 姜秀華，張永輝，章文輝.數(shù)字電視原理與應(yīng)用[M].北京：人民郵電出版社，2003：149-154.
[2] 中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)——數(shù)字電視地面廣播傳輸系統(tǒng)幀結(jié)構(gòu)、信道編碼和調(diào)制[M]. 2007.
[3] 汪裕民.OFDM關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.
[4] 北京凌訊華業(yè)科技有限公司，清華大學(xué).DMB-TH地面數(shù)字電視傳輸技術(shù)白皮書(shū)(第2版)[M].2006.
[5] 趙堅(jiān)勇.數(shù)字電視技術(shù)[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2005：150-152.
[6] RODGER E Z，ROGER L P.數(shù)字通信基礎(chǔ)(第2版)[M].  尹長(zhǎng)川，等譯.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.
[7] 文紅，符初生，周亮.LDPC碼原理與應(yīng)用[M].成都：電子科技大學(xué)出版社，2006.
[8] 佟學(xué)儉，羅濤.OFDM移動(dòng)通信技術(shù)原理與應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.
[9] 王誠(chéng)，薛小剛，鐘信潮.FPGA/CPLD—Xilinx ISE使用詳解[M].北京：人民郵電出版社，2005：1-341.
[10] YANG Zhi Ying，HU Yu Peng，PAN Chang Yong，et al.  Design of a 3780-point IFFT processor for TDS-OFDM[J].  IEEE Tras on Broadcasting，2002，48(01)：57-59.
[11] 谷萩隆嗣.快速算法與并行信號(hào)處理[M].北京：科學(xué)出版社，2003.
[12] 胡廣書(shū).數(shù)字信號(hào)處理(第2版)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2003：195-198.
[13] BURRUS C S，PARKS T W.DFT/FFT and convolution  algorithms theory and implementation[M].Canada：A Wlley-Intersclence Publication，1985.
[14] 蔣增榮，曾泳泓，余品能.快速算法[M].長(zhǎng)沙：國(guó)防科技大學(xué)出版社，1993.
[15] HARVERY F.S.An introduction to programming the  winograd fourier transform algorithm(WFTA)[J].IEEE Tras on Acoustics,Speech，and signal processing，April 1977(2).
[16] BURRUS C S，PETER W E.An in-place，in-order prime   factor FFT algorithm[J].IEEE Trans，Acoust，Speech，Signal   Processing，1982，29(1)：4-6.
[17] 陳懷琛.數(shù)字信號(hào)處理教程MATLAB釋義與實(shí)現(xiàn)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2004：90-105.
[18] 余濤.DVB-H信道編碼調(diào)制的設(shè)計(jì)及其FPGA實(shí)現(xiàn)研究[D].成都：電子科技大學(xué)，2006.
[19] RAY A．A survey of CORDIC algorithms for FPGA based  computers．In Proceedings of the 1998 ACM/SIGDA sixth  international symposium on field programmable gate arrays，1998：191-200.