频激励器中预加重滤波器的设计与实现

０．００４＊（（５．０５：０．０５：１０）一５）
０．０２＋０．００６＊（（１０．０５：０．０５：２７．７５）一ｌＯ）］＋ｓｑｒｔ（１＋（０．１＊ｐｉ＊
（０：０．０５：２７．７５））．＋（Ｏ．１＋ｐｉ＋（Ｏ：０．０５：２７．７５）））】 修改后，滤波器的幅频特性曲线如图３所示。
由于改动比较小且细，所以仅仅从图３所示的幅
制信号高频端的电压升高。高音频加重的结果，加大
了相应的频偏，提高了高频端的调频指数。然后再在接
收机端将高频衰减，这样，发射、接收综合起来，信号的
频率特性可保持原貌，而噪声却显著减少了，对于所有
调制频率来说，接收机输出端的信噪比可保持一样，
并且相当大。
设在音频频率为零时的输出电压为矿，，音频高频
端频率为北订时的输出电压为ｙ，，则
基于ＦＰＧＡ的调频激励器主要包括时钟模块、音 频采集模块、数字信号处理模块、功放模块、控制模块 和电源模块。其中数字信号处理模块采用ＦＰＧＡ实现， 用一片ＦＰＧＡ实现所有芯片的逻辑接口控制和数字 信号处理算法。数字信号处理算法包括低通滤波、预 加重滤波，内插滤波和立体声编码。数据处理流程如 图ｌ所示。
而造成传输系统的信噪比降低。再者，调频广播的噪声
在接收机的输出中呈三角形噪声特性，越到声频的高
频端，输出噪声越大，调频信噪比改善系数越小。因此，
Hale Waihona Puke Baidu
在高音频端接收机输出端所得到的信噪比很小。若在
接收机输出端接入衰减高频成分的滤波器，则可减少
噪声，改善信噪比，但这将使调制信号中的高频成分
同样被衰减，以致不能得到调制信号的保真复原。为了 克服这个缺点，可采用预加重的方法阁，即人为地将调
电声器件与电路ｎ
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文章编号：１００２－－８６８４（２００８）０６－００３１－－０３
调频激励器中预加重滤波器的设计与实现 ·产品设计·
尹文慧，高 飞，ｐ祥元 （北京理工大学信息科学技术学院电子工程系，北京１０００８１）
【摘 要】为了提高数字系统中滤波器的性能，对基于ＦＰＧＡ的数字调频激励器中预加重滤波器进行了设计与实现。
电声器件与电路ｎ
匡０＠＠劬，⑥囿＠＠凹则＠ ｐ圈旷屯￥囿响固＠６０，＠凹６ ０
足要求。预加重测试是以１５ ｋＨｚ为基准的，可以看到，
虽然整个频段均满足要求，但是结果并不理想，在中低
频时，结果偏大，接近要求的极限值，并且在整个音频
频段内有较大起伏。
出现上述结果的主要原因是由于前端的ＲＬＣ滤
波器在选择电阻电容时，并不能做到非常精准，使得
５ 结论
预加重滤波器在调频激励器中起着很重要的作
用。采用ＦＤＡＴｏｏｌ设计、ＦＰＧＡ实现预加重滤波器，方
便、快捷，在很大程度上减轻了工作量。在整个过程中
可以对比滤波器特性和系统性能，随时更改参数，以达
到滤波器设计的最优化。最重要的是，用任意幅度滤波
器逼近预加重滤波器，可以方便地修改幅频特性，用软
件的改进来弥补硬件方面的缺陷，解决了硬件的改进
块时的衰减是不可避免的。可以从软件方面进行改善。
预加重滤波器是用任意幅度滤波器来逼近的，而且用
ＦＰＧＡ实现时，只要修改滤波器的特性参数重新设计，
利用新生成的系数生成新的ＩＰ核加入到工程中即可。
因此，使用软件通过修改预加重滤波器的特性参数来
提高系统性能是方便可行的，只要把想要的幅频特性 曲线的幅度向量输入进去，ＦＤＡＴｏｏｌ会自动重新计算
低频端滤波效果不好；另外，不同频率的信号在经过
前面的音频采集模块时，都有不同程度的衰减，其中
低频端和高频端衰减较严重。因此，要改善系统的性
能，需要把低频和高频端的信号幅度进行不同程度的
提高。
要使得性能有所改善，硬件方面的改进是有限的。
首先，改变ＲＬＣ滤波器的电阻电容值，势必会改善音
频的一端而恶化另一端。其次，信号在经过前端处理模
国垒妻熊万羹方鲤璺数蔓据墼查蔓§塑
利用ＦＤＡＴ００ｌ设计并量化后的滤波器的幅频特性 如图２所示。
由图２所示的幅频特性可看出，设计的预加重滤 波器带内平坦，各频率点的预加重值符合要求。
数字滤波器主要通过乘法器、加法器和移位寄存 器实现。ＦＰＧＡ实现有限脉冲响应（ＦＩＲ）滤波器除了在 乘法方面有一定瓶颈外，其他方面都相当适合。在实际 设计中有分布算术式ＦＩＲ滤波器和乘累加式ＦＩＲ滤波 器１５１。在该设计中，由于对滤波器的速度要求不高，而且 ＦＰＧＡ的Ｓｌｉｃｅ资源比较紧张，所以选择使用分布算术 式ＦＩＲ滤波器。
调制度等因素来决定，一般为７５恤ｓ或５０ ｉＬＬｓｐｌ。
３ 预加重滤波器的设计与实现
利用ＭＡＴＬＡＢ信号处理工具箱里专用的滤波器 设计分析工具ＦＤＡＴ００ｌ进行设计。在ＦＤＡＴｏｏｌ界面 中，选择任意幅度滤波器对预加重滤波器进行逼近。当 选择了任意幅度滤波器后，会出现一个相应的设计窗 口。输入滤波器阶数、采样频率、频率向量、幅度向量等 参数后，ＭＡＴＬＡＢ会自动计算出滤波器系数，计算结束 后滤波器的响应曲线会显示在屏幕上。设计完成后，对 滤波器系数进行量化处理闱。
２ 预加重滤波器的作用
数字调频激励器是主要采用数字信号处理（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，ＤＳＰ）和直接数字合成（Ｄｉｒｅｃｔ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ，ＤＤＳ）等技术对数字音频进行处理的激励器， 其失真小、信噪比高，适合于构成单频同步广播系统，
万方数据
在数字音频广播（Ｄｉｇｉｔａｌ Ａｕｄｉｏ Ｂｒｏａｄｃａｓｔｉｎｇ，ＤＡＢ）系 统中具有很好的应用前景ｆｌ－２１。
根据系统设计要求，需要设计４种时间常数的预 加重滤波器供选择，其时间常数分别为０“ｓ，２５斗ｓ， ５０斗ｓ和７５斗ｓ。在调频激励器中主要使用５０斗ｓ，因此 以５０斗ｓ为例进行介绍。设计时，阶数为“，采样频率 为５５．６６４ ０６２ ５ ｋＨｚ，频率向量为［０：０．０５：２７．７５］，幅度 向量程序定义为 ［ｓｘｌｒｔ（１＋（０．１＋ｐｉ＋（０：Ｏ．０５：２７．７５））．＋（０．１＋ｐｉ４（Ｏ：Ｏ．０５：２７．７５）））］
利用ＭＡＴＬＡＢ信号处理工具箱里专用的滤波器设计分析工具ＦＤＡＴｏｏｌ进行设计。用ＦＰＧＡ实现。根据硬件实现效
果进行滤波器特性调整，达到了软硬件平衡的目的。
【关键词】数字调频激励器；预加重滤波器；软硬件平衡
【中图分类号】ＴＮ７１３
【文献标识码】Ａ
Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ Ｐｒｅ－ｅｍｐｈａｓｉｓ Ｆｉｌｔｅｒ ｉｎ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ－ｍｏｄｕｌａｔｉｎｇ Ｅｘｃｉｔｅｒ ＹＩＮ Ｗｅｎ－ｈｕｉ，ＧＡＯ Ｆｅｉ，ＢＵ Ｘｉａｎｇ－ｙｕａｎ
存在极限的问题，实现了软硬件平衡。
参考文献
【１】廖茂．调频激励器原理及其发展【Ｊ】．广电设备与技术， ２００４（４）：１７—２０．
万方数据
频特性曲线上看不出较大改进。然而，修改后的整机测 试结果的确有很大改善，如表２所示。
表２修改后的整机测试部分结果
测试内容
声道
音频频率，Ｈｚ ３０ １００ ｌ ｋ ３ ｋ ５ ｋ ７ ｋ １０ｋ １２ ｋ １５ ｋ
比较表ｌ与表２可看出，预加重滤波器修改之后， 频响和预加重都有了很大的改善。从频响来看，整个频 段内结果比较均匀，并且接近于最理想的情况即０；同 样的，预加重结果也在整个频段内没有大的起伏，且接 近理想情况０。由此也说明，硬件上的缺陷可以用软件 来弥补，以达到软硬件平衡。
厂—————１
ｖ／ｖ．＝Ｖ １＋（们）。
（１）
式（１）是描写预加重的频率特性预加重特性公式圈。
若以ｄＢ数表示，则式（１）可写成
，，
预加重电平（ｄＢ）＝１０ ｌｇ（１＋３９．４５，ｆ。）
（２）
其中，Ｆ是音频频率，单位是Ｈｚ；ｒ为预加重时间常数，
单位为ｓ。预加重时间常数用来衡量预加重的程度，即
高音频端相对于低音频端的提高程度，应由改善效应、
测试内容
声道
音频频率／Ｈｚ ３０ １００ ｌ ｋ ３ ｋ ５ ｋ ７ ｋ １０ｋ １２ ｋ １５ｋ
频响／ｄＢ 立体声Ｌ－０．４－０．１ ≤±Ｏ．５ ｄＢ （３０Ｈｚ一１５ ｋＨｚ）立体声Ｒ－０．４ ０
０－－０．１－０．２－－０．１－０．３—Ｏ．５—０．６ ０－０．１—Ｏ．１－０．１－０．３－－０．５－０．６
图１ 数据处理流程图
立
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体
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Ｐ１
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码
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号
预加重滤波器是其中很重要的环节，其性能好坏 关系到整个系统信噪比的高低。
在语言和音乐这类声频中，高频端的频谱分量振 幅很小，这使得在调频中高音频分量调制指数很小，从
堕妻魏羹婴生蔓墼堂蔓！塑国
。电声器件与电路 Ｂ０⑧＠铷，⑥囿＠⑨凹ｇ跑６＠ｐ囿盯，（砖囿响曲＠６酽＠凹舱
Ｏ．３ 预加重（５０岬）立体声Ｌ
Ｏ·６
Ｏ·６ Ｏ－５
０·５ ０·５
０．３
Ｏ·ｌ
０
土ｌ ｄＢ
立体声Ｒ Ｏ．４ Ｏ．７ ０ ０．６ ０．５ ０．６ ０．３ ０．２ ０
从表ｌ可看出，在低频端和高频端，频响结果比较 差：低频端，３０Ｈｚ时的频响接近要求的边缘；高频端， １０ ｋＨｚ时的频响处于要求值的边缘，１２ ｋＨｚ时的频响 正好位于边缘值，而１５ ｋＨｚ时的频响最差，甚至不满
ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ－ｍｏｄｕｌａｔｉｎｇ ｅｘｃｉｔｅｒ ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＦＰＧＡ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ａｎｄ ｒｅａｌｉｚｅｄ． Ｔｈｅ ｆｉｌｔｅｒ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｂｙ ｔｈｅ
ｓｐｅｃｉａｌ ｆｉｌｔｅｒ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ＦＤＡＴｏｏｌ ｉｎ ｔｈｅ ＭＡＴＬＡＢ ｓｉｇｎａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｔｏｏｌｂｏｘ ａｎｄ ｒｅａｌｉｚｅｄ ｂｙ ＦＰＧＡ．Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ａｃｈｉｅｖｅ ｔｈｅ ｂａｌａｎｃｅ ｏｆ ｈａｒｄｗａｒｅ ａｎｄ ｓｏｆｔｗａｒｅ，ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｔｈｅ ｆｉｌｔｅｒ ａｘｅ ａｄｊｕｓｔｅｄ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔＯ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｈａｒｄｗａｒｅ ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ．
【Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ】ｄｉｇｉｔａｌ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ—ｍｏｄｕｌａｔｉｎｇ ｅｘｃｉｔｅｒ；ｐｒｅ－ｅｍｐｈａｓｉｓ ｆｉｌｔｅｒ；ｂａｌａｎｃｅ ｏｆ ｈａｒｄｗａｒｅ ａｎｄ ｓｏｆｔｗａｒｅ
１ 引言
预加重滤波器是数字调频激励器中的主要滤波器 之一，其性能的好坏关系到整个系统信噪比的高低。 传统的数字滤波器设计使用繁琐的公式计算，改变参 数后需要重新计算，在设计滤波器尤其是高阶滤波器 时工作量很大。利用ＭＡＴＬＡＢ信号处理工具箱中的 ＦＤＡＴｂｏｌ可以快速有效地实现数字滤波器的设计。用 ＦＰＧＡ实现预加重滤波器时，使用ＩＰ核，可以减轻工作 量，提高工作质量。将分析工具ＦＤＡＴｏｏｌ和ＩＰ核相结 合，可为修改预加重滤波器的特性参数提供方便。设计 时采用任意幅度滤波器逼近预加重滤波器，可任意修 改幅频特性，弥补硬件方面的性能损失，最终得到比较 理想的系统性能。
出滤波器的系数。
以５０“ｓ为例，根据测试结果，将幅度向量程序改
为如下形式
【ｏｎｅｓ（１，１０１）
１＋０．００４４＊（（５．０５：０．０５：１０）一５）
１．０２７＋０．００９５＋（（１０．０５：０．０５：１２）－ｌＯ）
１．０４６＋０．００７６＊（（１２．０５：０．０５：２７．７５－１２）】．＋【【ｏ．０５８５—０．７５＊ （０：Ｏ．０５：０．０５）０．０２１－０．１０５＋（０．１：Ｏ．０５：０．２）ｚｅｒｏｓ（１，９６）
（Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００８１，Ｃｈｉｎａ）
【Ａｂｓｔｒａｃｔ】Ｔｏ ｅｎｈａｎｃｅ ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｆｉｌｔｅｒ ｉｎ ｔｈｅ ｄｉｇｉｔａｌ ｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｅ ｐｒｅ－ｅｍｐｈａｓｉｓ ｆｉｌｔｅｒ ｉｎ ａ ｄｉｇｉｔａｌ
将设计好的４种不同时间常数的预加重滤波器的 系数导出，组合成一个文件扩展名为“．ｃｏｅ”的文件，其 作为ＩＰ核生成器的输入文件。利用ＩＰ核生成工具生 成预加重滤波器的ＩＰ核，将ＩＰ核加入到工程中去，实 现预加重滤波器的功能。
４软硬件平衡
整个系统完成之后，整机测试的部分结果如表ｌ 所示。
表１ 整机测试部分结果