DAB 송신 시스템 인코더의 설계 및 구현- 지능형 제조 네트워크

디지털 오디오 방송(DAB)은 줌(AM), FM(주파수 조절) 방송에 이은 3세대 방송이다.DAB는 현행 방송에 비해 음질이 좋고(CD 품질), 멀티미디어 및 고속 모바일 수신 가능, 암호화 가능, 송신 출력이 작고 커버리지가 넓으며 스펙트럼 활용도가 높고 교란 방지 능력이 뛰어나다는 장점이 있다.DAB가 전송하는 업무는 다양하다. 일반적인 오디오 프로그램뿐만 아니라 문자, 정지 이미지 또는 활성 영상음향과 같은 어떤 형식의 다른 데이터도 전송할 수 있다.그래서 사람들은 DAB를 디지털멀티미디어방송(DMB)이라고도 부른다.본문은 주로

PC 및 Cyclone II EP2C20F484C7 기반 FPAG에서 DAB 송신 시스템 인코더를 구현하는 소프트웨어와 하드웨어 설계를 소개하였으며, 회로 규모와 자원 활용의 요구를 충분히 고려하도록 설계되었다.이 설계는 DAB/DMB 수신기를 테스트하는 데 사용됩니다.

DAB 송신 시스템 인코더 설계

DAB의 송신 시스템은 주로 프로그램 공급자 위치에 있는 소스 인코더, 방송국 위치에 있는 리코더, 송신 위치에 있는 COFDM (인코딩 직교 주파수 분할 재사용) 인코더를 포함하며, 그 중 COFDM은 채널 인코딩과 OFDM 변조 두 부분으로 나눌 수 있다.DAB 송신단의 인코더는 주로 ETI (비즈니스 그룹 전송 인터페이스) 프레임 해제 모듈, 채널 인코딩 모듈, DQPSK 모뎀, OFDM 모뎀, 업스트림 인코딩 모듈, 디지털 필터 모듈, USB 인터페이스 모듈 등을 포함한다.그 중 채널 코딩 모듈은 에너지 확산, 삭제 가능한 볼륨 코딩, 시간 교차, 주파수 교차 등을 포함한다.전체 인코더의 입력은 리코더의 ETI 프레임이고 출력은 아날로그 중주파 신호입니다.

전체 디자인은 주로 PC의 소프트웨어 인코딩과 FPGA의 IFFT 모듈 디자인, USB 모듈과 DAC 모듈의 PCB 디자인으로 구성된다.PC단은 주로 ETI 프레임의 재사용, 채널 인코딩 및 DQPSK 변조를 실현하고, USB 인터페이스를 통해 변조된 데이터를 FPGA단으로 전송하며, FPGA단은 데이터를 수신하고 IFFT 모듈에 넘겨 IFFT 변환을 진행하는데, 이는 OFDM (직교 주파수 분할 재사용) 을 실현하는 주요 방법이다.IFFT가 출력하는 데이터는 IF의 인버터를 통해 베이스밴드 신호를 중간 주파수로 변환하고 디지털 필터를 거쳐 DAC 모듈에 전달된다.이후 DAC 모듈은 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환하여 송신기에 송신하고 송신기를 통해 송신하며 주파수는 BANDIII(165-240Mhz)에서 L밴드(1452-1492Mhz)까지 선택할 수 있다.

PC용 소프트웨어 설계

PC단 소프트웨어는 주로 ETI 프레임의 해제, 채널 코딩 (에너지 확산, 볼륨 코딩, 시간 교차, 주파수 교차 포함), DQPSK 변조를 실현한다.또한 제조업체가 제공하는 드라이버를 통해 USB 데이터 전송 및 USB 모듈의 제어를 실현하고 PC 휴먼 컴퓨터 인터페이스를 제공하여 사용자가 전송할 ETI 프로그램을 선택하고 전송 모드를 설정할 수 있다.

인코더 PC 인터페이스

(1) ETI 프레임 해제: 한 ETI 프레임에는 주로 프레임 헤드 정보 (이 프레임 및 프레임 내 각 하위 채널에 대한 정보) 와 홈 비즈니스 흐름 데이터 MST (오디오 데이터 코드 흐름 및 빠른 데이터 채널 FIC 포함) 가 포함된다.우선 전송된 ETI 프레임의 동기화 정보와 프레임 길이 정보를 추출하여 프레임 헤더를 쉽게 찾을 수 있도록 해야 합니다.다시 ETI 프레임 형식에 따라 FIC 정보와 주요 비즈니스 데이터 흐름 정보를 추출합니다.

(2) 채널 인코딩: ETI 프레임에서 추출한 FIC 데이터와 메인 비즈니스 흐름 데이터를 에너지 확산시키고, 추출한 각 하위 채널의 보호 등급 정보에 따라 각 업무 성분에 대해 보호 등급에 따라 삭제 가능한 볼륨 인코딩을 한 후 메인 비즈니스 데이터에 대해 진행 시간을 교차하고, 교차된 메인 비즈니스 데이터는 메인 비즈니스 채널 (MSC) 의 CIF 프레임으로 복합하며, FIC 정보는 시간 프레임과 교차하지 않고 CIB 프레임으로 전송한다.이와 동시에 PC단에서는 DAB 전송프레임에 대한 주파수교차도 실현되였다.

(3) DQPSK 변조: 데이터 정보는 주파수 교차 후 각 반송파의 초기 위상에 따라 DQPSK 변조를 진행하여 각 반송파의 변조 위상 정보를 얻는다.

(4) USB 전송 제어: DQPSK 변조된 DAB 프레임은 USB 인터페이스를 통해 FPGA의 IFFT 하드웨어 모듈로 전송됩니다.제조업체가 제공한 USB 드라이브를 기반으로 적절한 USB 데이터 전송 프로그램을 작성합니다.

FPGA단 디자인

FPGA단은 주로 IFFT (반부립엽 변환) 연산, IF상 주파수 변환기와 디지털 필터를 실현한다.PC에서 전송된 DAB 프레임 위상 정보를 IFFT 연산하여 OFDM 변조를 완료한 다음 변조된 베이스밴드 신호를 주파수 변환기를 통해 중주파 신호로, 필터링한 후 DAC 모듈로 보냅니다.USB 모듈에서 데이터를 수신하려면 FPGA에 USB 인터페이스 모듈이 필요합니다.또한 USB 인터페이스 모듈과 IFFT 모듈 사이에는 버퍼 버퍼로 내부 RAM이 필요합니다. IFFT 연산 후 데이터는 2048 * 24비트의 듀얼 포트 RAM 공간에 저장되며 인버터와 필터를 거친 후 DAC 인터페이스 모듈을 통해 DAC 모듈로 출력됩니다.IFFT 연산 모듈, USB 인터페이스 모듈, 업스트림 인버터 모듈, DAC 인터페이스 모듈, 이 몇 모듈은 ALTERA에 내장된 NIOSII 소프트 코어 프로세서를 통해 제어되며 FPGA에 SOPC(SystemOn Programmable Chip) 시스템을 구축했다.

FPGA 디자인 패브릭 상자

논리 유닛, 임베디드 스토리지를 포함한 이 설계가 자원을 얼마나 많이 사용하는지 고려하여 ALTERA사의 CycloneII 시리즈 FPGAEP2C20 개발판을 선택했습니다. 이 개발판은 512KByte의 슬라이스 외 RAM 공간을 가지고 있으며 NIOS의 프로그램 메모리와 USB 인터페이스의 데이터 버퍼로 데이터의 실시간 전송을 보장할 수 있습니다.FPGA의 각 모듈 설계를 종합하면 15000여 개의 논리 유닛(NIOSII 모듈 포함), 82%(52개의 M4K)의 메모리 비트를 차지하며, 전체 시스템은 65.536MHz의 클럭을 사용하여 개발 보드의 자원을 효과적으로 활용하여 좋은 결과를 얻었다.

PCB 설계

PCB는 USB 모듈과 DAC 모듈 두 부분으로 설계되었습니다.

(1) USB 모듈은 주로 PC와 FPGA 간의 고속 통신을 실현하고 전송 속도가 300KB/s가 되어야 데이터의 실시간 전송을 실현할 수 있다는 것을 고려하여 FT245BL을 USB 인터페이스 칩으로 선택했다.

(2) DAC 모듈은 디지털 필터가 출력하는 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환하기 위한 것이다.인코더는 16.384MHz의 샘플링 주파수와 1.536MHz의 대역폭을 가진 숫자의 중주파 신호를 출력한다.DAC를 거쳐 아날로그 신호로 전환된 후에도 이를 확대하고, 필터링하고, 후출력 피크가 1V인 DAB 아날로그 중주파 신호를 출력해야 한다.

본문 소결

본고는 PC와 FPGA 기반의 DAB 송신 시스템 인코더의 설계를 소개하였으며, 소프트웨어를 통해 DAB 송신 시스템 OFDM 변조 전의 채널 인코딩을 실현하였으며, 시험 테스트를 통해 2.048Mb/s의 ETI 데이터 흐름에 대한 실시간 채널 인코딩을 진행할 수 있으며, 동시에 USB 인터페이스를 통해 FPGA의 OFDM 모듈에 전송되는 데이터 비율은 320KB/s에 달하여 실시간 요구를 만족시킬 수 있다.DAC 모듈에서 출력되는 아날로그 신호는 SMA 연결 헤드를 통해 DAB 송신기로 전달됩니다.그림 4는 DAB 송신 시스템 인코더 실물 그림입니다.채널 인코딩 부분을 PC에 두는 것은 간단하고 효과적인 구현 방법이며, FPGA로 채널 인코딩 부분을 구현하는 것은 다음 단계가 될 것이라는 사실이 증명되었다.