数字音频广播系统的研究与设计

摘要

对比于模拟方式的广播技术，数字音频广播的声音品质更好、频带的利用率更高、抗干扰的能力更强、信号的发射功率更小、信号的有效覆盖范围更广。 近年来，欧美等国家数字音频广播的使用率和覆盖率越来越高，并且已经在逐步淘汰传统的模拟广播。为了顺应移动互联时代对广播的新需求和追赶发达国家的步伐，国家新闻出版广电总局发布了调频频段数字音频广播相关的行业标准，开启了中国广播数字化发展的新篇章。但是目前中国数字音频广播电台的数量不够多，覆盖范围也不够广，广播接收机的价格高、型号少，听众比率不高，数字音频广播并没有在全国推广开来。因此对数字音频广播的标准进行研究和学习以做进一步推广很有必要。 本文根据调频频段数字音频广播系统的结构，以其最主要的信道编码和信号调制为重点研究对象，完成了其主要模块的仿真与设计。 本文主要工作如下： （1）系统主要模块的方案设计 参考数字音频广播中的相关标准，在通信原理和信息论与编码等理论的基础上，深入地研究了数字音频广播系统的结构和各模块的作用与原理，确定了扰码模块、LDPC编码模块、卷积编码模块、交织模块、星座映射模块和OFDM调制模块等主要模块的设计方案。在设计过程中，介绍了各模块相关技术的研究发展过程和技术原理，为下一步进行设计和功能仿真做铺垫。 （2）系统主要模块的MATLAB仿真分析 根据前面制定好的设计方案，使用MATLAB完成了系统主要模块的功能仿真。扰码模块采用MATLAB生成了数字音频广播标准所需求的伪随机序列，然后将输出的数据与输入的数据进行异或运算实现了加扰的效果；16QAM的作用是对输入的信息序列进行符号映射，完成对输入序列的数字调制。通过编写仿真文件实现了16QAM模块的仿真，并绘制了其星座图；卷积编码部分参考信道编码与调制标准中的相关介绍，得出了设计（4,1,6）卷积码的结论。然后利用MATLAB编写仿真文件完成了卷积编码的仿真。为了验证结果，又实现了其译码，最终显示结果正确；LDPC编码模块通过进行不同条件下的仿真得到了其误码特性；交织模块按照给定的算法实现了信息序列的重新排列；在进行OFDM调制仿真时，首先验证了使用离散傅里叶变换实现OFDM的想法的正确性，然后进行仿真得到了信号频谱等仿真结果。综合各仿真结果与设计方案得知各主要模块的设计思路是正确的。 （3）系统主要模块的FPGA设计 通过使用MATLAB对设计方案进行仿真，确定了设计方案的可行性和正确性。然后采用Altera公司Cyclone IV E系列的FPGA，以Quartus II为平台，使用Verilog HDL硬件描述语言对各主要模块进行设计。最后采用ModelSim对设计的各模块进行功能仿真。根据仿真结果可知各主要模块的FPGA设计是正确的。 本文的创新点在于除了采用MATLAB进行系统的建模和仿真外，还采用FPGA进行设计，相比用纯软件实现具有硬件可更改性，灵活性强。 综上所述，本文通过研究调频频段数字音频广播系统的结构，利用MATLAB实现了系统主要模块的功能仿真，在此基础上完成了各主要模块的FPGA设计，仿真和设计结果验证了设计方案的正确性，为以后进行广播系统整体的搭建提供了技术依据。本文的设计方法在一定程度上可作为研究信道编码和信号调制技术的仿真和设计的参考。

目录

1绪论

1.1课题研究目的及意义

1.2数字音频广播国内外发展及研究现状

1.3本文主要研究内容与章节安排

2数字音频广播系统主要模块的研究与方案设计

2.1数字音频广播系统的结构

2.2扰码模块研究与方案设计

2.3卷积编码模块研究与方案设计

2.4 LDPC编码模块研究与方案设计

2.5交织模块研究与方案设计

2.6星座映射模块研究与方案设计

2.7 OFDM模块研究与方案设计

2.8本章小结

3数字音频广播系统主要模块的MATLAB仿真分析

3.1 MATLAB仿真简介

3.2通信系统仿真的基本方法

3.3扰码的MATLAB仿真分析

3.4 16QAM的MATLAB仿真分析

3.5卷积编码的MATLAB仿真分析

3.6 LDPC编码的MATLAB仿真分析

3.7交织的MATLAB仿真分析

3.8 OFDM的MATLAB仿真分析

3.9本章小结

4数字音频广播系统主要模块的FPGA设计

4.1 FPGA简介

4.2 扰码模块的FPGA设计

4.3 16QAM模块的FPGA设计

4.4卷积编码模块的FPGA设计

4.5 LDPC编码模块的FPGA设计

4.6交织模块的FPGA设计

4.7 IFFT的FPGA设计

4.8本章小结

5总结与展望

5.1全文工作总结

5.2未来工作展望

致谢

参考文献

附录A：卷积编码性能仿真主要代码

攻读硕士学位期间发表的学术论文

攻读硕士学位期间科研成果

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