一种新型的高性能调频广播设备的实现技术(优秀奖)

萌芽杯1“萌芽杯”参赛论文“一种新型调频广播设备的实现技术”阶段性成果论文自控1001吴浩冉宋松齐张洋于文龙萌芽杯2目录摘要...........................................................................................................................11．选题背景及方案确定.............................................................................................21.1选题背景..............................................................................................................21.2方案分析及确定.................................................................................................32.方案的原理介绍........................................................................................................52.1总体框架分析.....................................................................................................52.2各主要功能模块的基本原理.............................................................................62.2.1音频信号处理模块......................................................................................62.2.2数字信号处理模块......................................................................................62.2.3射频处理模块............................................................................................162.2.4控制与显示模块........................................................................................213．硬件实现...............................................................................................................243.1主体硬件实现框架...........................................................................................243.2各关键模块的硬件设计与实现.......................................................................243.2.1模拟音频采集电路的设计........................................................................243.2.2数字音频接收电路的设计........................................................................263.2.3FPGA相关电路的设计..............................................................................273.2.4DDS芯片外围电路设计............................................................................293.2.5射频电路的设计........................................................................................303.2.6控制与显示电路的设计.............................................................................324．测试结果与仿真验证...........................................................................................354.1试验机的单机测试方法和结果.......................................................................354.2组建同步广播网的分析...................................................................................395．项目的创新点与优势...........................................................................................415.1使用数字信号处理技术...................................................................................415.2使用FPGA作为开发平台..............................................................................415.3实现单频同步广播...........................................................................................426．推广前景与进一步完善.......................................................................................446.1推广前景...........................................................................................................446.2进一步完善的设想...........................................................................................447．致谢.......................................................................................................................468．参考文献...............................................................................................................479．附录控制面板设置及操作说明.......................................................................48萌芽杯1摘要本参赛项目以广播业的需求为背景，主要研制了一种新型高性能调频广播设备的实现技术，项目采用数字调频调制技术替代传统调频广播的模拟调制方法，系统硬件设备与传统的调频广播设备相比具有较大突破，设备可以实现从模拟或数字双声道音频输入到87～108MHz立体声调频信号输出的全数字处理功能。系统以直接数字频率合成（DDS）技术实现数字调频调制，实现了高稳定度的射频输出和载波同步；以最新的低成本FPGA芯片实现所有的音频信号处理和立体声编码；通过数字逻辑来实现调频同步广播控制，具有极高的准确性，能够方便地实现同步控制，适合在调频同步广播系统中作同步激励器使用。从功能实现上，设备划分为四个模块：音频信号处理模块、数字信号处理模块、射频处理模块和控制与显示模块。运用本项目技术实现的数字化调频设备具有灵活性、兼容性、高性能指标（信噪比、失真度、频响等）、低成本、研制与调试方便等优势，可以提高现有广播业的频带利用率，设备完全满足同步广播系统中“三同”的需求。经验证，已经实现的设备各项指标较传统的模拟调频广播设备均有明显提高。关键词：数字调频调制，直接数字频率合成，频带利用率，FPGA萌芽杯21．选题背景及方案确定1.1选题背景目前各种广播系统普遍采用的调频广播是继调幅广播后的第二代广播设备。调频广播具有失真度小、无串信现象、信噪比好、能进行高保真度广播、效率高等显著优点[1-2]。调频广播的音质和频率稳定度主要取决于调频激励器。目前国内大部分地区采用的是模拟调频激励器。虽然模拟调频技术经过60多年的发展和完善，所能达到的各项指标不断提高。然而，由于模拟器件的固有缺陷，模拟调频激励器的指标已经接近极限，进一步提高的余地已经很小了。为了追求更高的广播收听质量，西方发达国家开始出现与兴起了数字音频广播（DAB）技术。该技术是将数字化的音频信号及各种数据业务信号在数字状态下进行压缩编码调制、传送等处理，提高了信号传输的抗干扰性，较小了非线性失真度。然而，DAB的发射与接收设备成本非常昂贵，面临一个巨大资金的投入问题；另外，DAB系统的实现还面临着一系列的技术难题，在我国发展比较缓慢。因此，在未来的几年里我国利用DAB系统来完全取代现有的廉价的调频广播系统是不现实的。那么如何在现有的广播制式下，提高调频广播系统的各项技术指标已成为近年来广播业亟待解决的关键技术问题。随着数字化技术的飞速发展，各种新的数字化的处理技术不断出现，在这种情况下，调频广播也要实现全面数字化才能提高整体性能。为满足当前信息社会的需求，数字化的调频广播系统已经成为广播行业急需投入实际应用的设备。如2007年，黑龙江省大庆市就调频同步广播网项目进行公开招标，以满足市区广播业的发展需求。招标要求投标系统应具有承载模拟、数字调频立体声广播业务的能力，并可以据此建立一套完善的、频带利用率较高的、技术先进、设备可靠、经济适用的广播系统。基于对数字广播技术的兴趣爱好，并受这则招标公告的启示，我开始深入研究调频广播的相关技术，认识到传统的调频广播为了扩大调频覆盖范围而必须建设高塔、大功率发射设备，这种方式不仅会造成能源的浪费，也易造成电磁辐射。另外，频率资源的日趋紧缺，也明显限制了调频广播的发展，这给广播界提出了一个亟待攻克的新课题。因此，依据标书的要求，本人对一些传统的调频广播技术进行了改进，设计了一种新型高性能调频广播设备的实现技术。萌芽杯31.2方案分析及确定要建立一套满足招标要求的广播系统，首先是要建立适合的调频发射机系统，而调频激励器又是调频发射机系统的核心部件[3]。因此，我认为设计一种新型高性能的调频激励器是实现同步广播系统的关键。调频发射机系统主要完成对输入音频