关于RDSRadioDataSystem的毕业论文

RDS/RBDS 解码器设计及其性能仿真 I摘 要RDS（Radio Data System）是利用广播调频波段（87.0MHz 108.0MHz） ，将数据加载到每个电台波段的57KHz副载波上，随同音频一起进行广播发射的一种广播数据系统。RDS系统规定了若干种信息传播类型，包括基准时间、交通信息、电台台标等。早在上世纪90年代初，在欧洲和拉丁美洲就已经出台了RDS系统标准化方案。RBDS是美国官方的RDS系统名字，就数据调制解调过程而言，其与欧洲标准RDS没有实质区别看，主要区别是两者解码时所采用的偏置字有所区别。在欧洲标准中，一帧数据有四个块，按顺序分别是A、B、C（C） 、D块。在美国标准中，一帧数据除了可能是A、B、 C（C ） 、D 块外，还可能是4个E块。中国采用欧洲 RDS标准。本文所开发的系统解决方案兼容两种标准，并着重介绍了具体实现的过程。本课题主要研究的内容是RDS/RBDS系统的一部分，即解码部分。论文首先简单介绍了国内外RDS/RBDS 的研究背景，综述了国内外数据广播技术的发展和现状。接下来，论文重点介绍了RDS/RBDS编码器的设计原理，硬件实现方式；介绍了解码器的设计原理，硬件实现方式；介绍了解码器系统的同步机制，失锁机制；最后仿真了在高斯信道下解码器的工作性能。仿真结果表明， （1）在失锁机制关闭的情况下，译码前的仿真误码率与理论误码率完全吻合； Eb/N0大于7dB 以后，实际解码性能与采用理想偏置字进行解码的性能相差无几；译码后要达到1e-2的误码性能，其Eb/N0=6.2dB，译码前要达到同等的误码率理论值为7.4dB，由此可知解码与纠错电路能够获得1.2dB的增益。 （2）利用偏置字和xor信号两种失锁机制下的每64块错误块的平均误块性能。本文给出了译码后希望达到的误码率所需的失锁门限BBL和临界失锁的帧数numFrame 。译码时，利用偏置字或 xor信号来统计每64块中错误块数，当错误块数大于失锁门限时，系统将失锁，重新进入同步搜索。本文还给出了两种方案下临界失锁帧数numFrame ，通过临界失锁帧数 numFrame可以获得信号质量不好时不会发生失锁的最短时间，该最短时间=numFrame*4*26/1187.5 S 。关键词：RDS/RBDS，广播数据系统，调频，同步，信道编解码RDS/RBDS 解码器设计及其性能仿真 IIABSTRACTRDS (Radio Data System) is applicable for VHF/FM Broadcast in the range from 87.5 MHz to 108.0MHz. It loads data into each radio within 57 KHz band, along with the broadcast audio signal. The RDS system standardizes several types of information transmitted, including time, track/artist info and station identification. RDS has been standard in Europe and Latin America since the early 1990s. RBDS (Radio Broadcast Data System) is the official name used for the U.S. version of RDS. In terms of data demodulation process, with the European standard, RDS has no substantial difference, the main is adopted when the decoding offset words. In European standard, a frame has four blocks, respectively is block A, B, C (C ), D. In American standard, except a frame is block A, B, C (C), D, also may be four block E. China adopts the European standard of RDS. In this paper the system solutions compat two kinds of standards, and emphatically introduces the concrete implementation process.This topic main research content is one part of RDS/RBDS system, the decoder section. First, backgrounds of research of RDS/RBDS both in and out of the country are presented. Next, the paper mainly introduced the RDS/RBDS encoder, the design principle of hardware implementation; Decoder is introduced, the design principle of hardware implementation; Decoder system synchronization mechanism are introduced, and loss of lock mechanism; finally, simulating the decoder work performance under the gaussian channel. The results show: (1) In the case of closing loss of lock mechanism, to achieve the ber performance of 1 e-2 after decoding is consistent with theoretical error rate completely; After Eb/N07dB, the actual decoding performance is almost the same as using ideal bias word decoding performance; to achieve the ber performance of 1 e-2 after decoding, the Eb/N0 = 6.2 dB, to achieve the same ber before decoding, the theoretical value should be 7.4dB, thus the decoding and error correcting circuit obtains a gain of 1.2 dB. (2) The use of bias and xor signal, under the two loss of lock mechanism, the average error blocks performance of per 64 error blocks. The paper gives out the loss of lock threshold of the BBL at expected bit error rate and the critical loss of lock frames after decoding. Using offset word or xor signal to statistic each error blocks per 64, when the error blocks is greater than the loss of lock threshold, the system will be loss of lock, the decoder comes back to search synchronization. This paper also gives a critical loss of lock frames numFrame under two kinds of schemes, it doesnt happen in the shortest time through the critical loss of lock frames numFrame until the decoder is loss of lock when the signal is bad , the shortest time = numFrame*4*26/1187.5 S.Key words: RDS/RBDS, Radio Data System, FM, Synchronization, Channel codecRDS/RBDS 解码器设计及其性能仿真 III目 录1 绪论 .11.1 RDS/RBDS 综述 .11.2 无线广播数据系统起源 .11.3 无线广播数据系统现状 .21.4 RDS/RBDS 系统框图 .42 RDS decoder 系统设计 .62.1 RDS decoder 系统组成 .63 RDS/RBDS 数据帧结构 .83.1 RDS/RBDS 系统 .83.2 编码过程 .93.3 解码过程 .124 组与块的同步 .164.1 RDS decoder 系统状态切换 .164.2 组与块的同步原理 .164.3 同步搜索 .175 失锁机制 .256 程序流程图 .267 仿真结果及结论 .27参考文献 .29致 谢 .31RDS/RBDS 解码器设计及其性能仿真 11 绪论1.1 RDS/RBDS 综述RDS 最初是由英国广播公司播出的一种特殊的无线电广播被称为“无线电广播数据系统（无线数据系统，简称：RDS） 。 ”它是在调频副载波广播传输信号，电台名称，节目类型，节目内容及其它信息以数字形式发送。 RDS 调谐器可以识别这些数字信号，变成字符显示在显示屏上 1。FM 立体声广播发送附加信息根据 CCIR 协议，调制信号的基带，只能使用的频率范围为 53KHz75KHZ 。为了兼容与现有的广播系统中，以提供 57kHz 的副载波频率，可以为6KHz 的偏差时， RDS 信号抑制副载波调幅和要求的载波相位 9010，其主要活动是，如下所示：（1） 立体声相关信息：电台名字、电台频率、正在播放歌名等。（2） 寻呼：寻呼服务等。（3） 交通信息：交通信息通告、交通时况等。（4） 差分全球定位系统：多维定位、连续定位等。（5） 紧急警报系统：随时播放紧急通报等。（6） 电子小型通讯录：旅游指南信息、地图等。 RDS 使收音机自动化、高档化，并且在城市交通管理中发挥了显著作用，仍再扩大其应用领域。RDS 在起源于欧洲，被广泛应用于欧洲和美国，是欧洲汽车电子收音机重要的功能之一 2。不过迄今为止，中国国内电台不支持 RDS，但到目前为止，中国的国内广播不支持 RDS，但国内小部分电台在进行 RDS 功能实验，在深圳或珠海，可以收到香港的 RDS 电台，如 88.1MHz（雷霆台） 、90.1MHz（商台） 、93.2MHz（香港一台） 、97.3MHz（香港四台） 31.2 无线广播数据系统起源1984 年欧洲广播联盟（EBU）制定了无线数据广播系统（RDS）的欧洲规范，并于 1985 年 9 月向国际无线电咨询委员会（CCIR）提交了以 RDS 作为 FM 广播中传送识别广播电台节目附加信息的标准方式建议书。1986 年 CCIR 批准将 RDS 作为世界统一标准。自此欧洲各国纷纷开设发 RDS 的广播业务。1987 年 5 月 CCIR 引入国际标准化组织（ISO）的开放系统互连（OSI）的概念，进而制定了 RDS 的参考模型 4。与中波相比，RDS 城市交通信息广播的主要特点是利用现有的调频广播资源，通过广播信号里插入数字码实现，只需少量的投资即可建成广播发射端。它与音频信号是分开的，RDS/RBDS 解码器设计及其性能仿真 2丝毫不会干扰收音，也不会影响收音机音质。当收音机检测和解调这些数字码后，便能提供相应的功能 5。因为广播原则上是单向的，采用 OSI 的结构有一定的困难。尽管如此，在广播领域内 OSI 参考模型仍旧被广泛接受了。同时因为电信正向宽带综合业务数字网（B-ISDN）发展，广播正向综合业务广播（ISDB）发展，其间的相互结合是肯定的。1.3 无线广播数据系统现状继 RDS 欧洲标准出台之后，美国于 1993 年出台了美国的无线广播数据系统标准，称之为 RBDS（Radio Broadcast Data System，缩写：RBDS） 6。就数据调制解调过程而言，二者没有实质区别。皆可相嵌于调频立体声广播之中。二者的本质区别在于数据同步过程中所用校验包格式的差别。声音广播系统的接收设备，属声像电器。它把天线接收到的高频信号还原为音频信号，加到扬声器上重放出声音。1906 年 R.A.费森登在美国马萨诸塞州布兰特岩城的实验室里，作了有史以来的第一次无线电广播。1920 年美国开始调幅广播。1941 年开始调频广播，并在 1961 年确定了与单声道广播兼容的立体声广播制式。80 年代，又在研究立体声调幅广播 7。1916 年美国已有矿石收音机出售。1921 年，收音机生产成为美国发展最快的工业部门之一，1922 年销售量达 10 万台 8。随后收音机便以极快的速度在全世界普及。收音机的类别很多。按接收的广播制式分为调幅收音机、调频收音机、调频调幅收音机：按所用元器件分为电子管收音机、晶体管收音机、集成电路收音机：按接收的波段分为中波收音机、中短波收音机、中波超短波收音机、长中短波收音机、全波段收音机：按体积分为微型收音机、袖珍收音机、卡片式收音机、便携式收音机、台式收音机、落地式收音机：按使用的电源分为交流收音机、直流收音机、太阳能收音机、交直流两用收音机：按功能分为汽车收音机、立体声收音机、钟控收音机、电唱收音两用机、收录机和其他多用机等：按原理分为直放式收音机和超外差式收音机，前者在检波前不改变原来的接收频率，后者不论所选收的电台频率大小，先把它变成一个较固定的中间载频（中频） ，然后再对它进行放大、检波。常用的收音机是超外差式收音机，主要有调幅收音机、调频收音机和调频立体声收音机三类 9。调频（Frequeney Modulation，缩写：FM）是一种以载波的瞬时频率变化来表示信息的调制方式。 （与此相对应的调幅方式是透过载波幅度的变化来表示信息，而其频率却保持不变。 ）在模拟应用中，载波的频率跟随输入信号的幅度直接成等比例变化。在数字应用领域，载波的频率则根据数据序列的值作离散跳变，即所谓的频率键控。调频技术通常运用在甚高频段 VHF 无线电上的高保真无线电音乐和语音的传送。普通的（模拟）电视的音频信号也是透过调频方式传递。窄带形式的调频广播（N-FM）限于商业上的声音通讯和业余无线电领域，广播中使用的调频技术则一般称为宽带调频（W-FM） 。宽带调频（W-FM）和调幅相比，在同样的调制信号作用下，宽带RDS/RBDS 解码器设计及其性能仿真 3调频需要更宽的带宽。但是这也使信号具有更强的抗噪声和干扰能力。调频还具有较强的抗简单信号振幅衰减能力（simple signal amplitude fading phenomena） 。因此，调频被选做高频、高保真无线电传输的调制标准 10。RDS/RBDS 系统可以在传送调频立体声广播节目的同时传送公众性的数据信息，不另外占用有限的频率资源，不增加调频发射机的发射功率，并且在普通调频立体声节目和 RDS 数据通道之间不发生干扰情况下，不减小普通调频立体声节目的覆盖范围11。更重要的是根据我国的广播政策， “我国调频广播将由中央、省（自治区、直辖市）、市和县开办的调频广播节目组成四级混合覆盖网。在技术规范中应保证 95%以上的人口能听好广播，在城市与农村同时有 45 个调频广播节目供选择收听。 ”因此，我国的调频广播网覆盖范围非常广，应该充分利用广播电台已经建成调频广播网这一优势，研究开发通过 RDS/RBDS 发布数据信息的网络，建成既经济又实用的数据信息发布网 12。通常的调频立体声广播只占用调频基带的 53 KHz 以下的频带，而 53 KHz 以上的频带还可用于传输其它信息，如图 1-1 所示。57 KHz2.4 KHz 用于数据广播 RDS。按照欧洲广播联盟（EBU）规定的传输格式，在其上主要传送收音机辅助调谐用的数字信息，并可同时传送寻呼机、DGPS 和交通诱导等信息，还可在透明通道传送其它信息。以 67 KHz、76 KHz、92 KHz 为中心的信道称辅助业务信道（SCA） ，其上的数据广播并没有统一的规定和格式，研制的广播数据系统可以工作在中心频率 57 KHz96 KHz、速率 1 187.5 bps（中心频率 57 KHz）到 2 kbps（中心频率 96 KHz） ，可在一个调频广播信道上开展多套广播数据服务 13。来自网上的文件服务器或通过调制解调器和电话线远程接人的信息源数据经播出控制计算机处理后送入 RDS 编码器，编码器对数据进行双相频移键控调制（DPSK） ，调制在 RDS 或 SCA 信道上，然后与立体声信号一起复合成调频基带信号（如图 1-1 频谱） ，再对 VHF 主载波调频，经发射塔发射出去。接收机具有自动调谐功能，可搜索信道并锁定在相应的调频台及副载波上，经解码按照控制端给出的授权，接收各自的信息，此信息可由串行 RS-232C 口输出 14。本文仅分析作者开发的 RDS 编解码器的帧结构、编解码和同步的原理及实现方法。RDS/RBDS 解码器设计及其性能仿真 4H(f)f0 15 19 38 57 67 76主信道 导频 副信道 RDS SCA SCA图 1-1 广播数据系统多工信号频谱图1.4 RDS/RBDS 系统框图本广播数据系统应用于 87.0108.0 MHz 立体声（导频制）或单声道导频声音广播。广播数据接收机不应受数据信道以外的信号干扰。数据信号调制在副载波上传送，它与立体声复合信号（或单声信号）混合后，送到 FM 发射机的调制信号输入端 15。RDS 发送端设备和典型的接收机解码器框图分别示于图 1-2 和图 1-316。发送系统：计算机将信息送人 RDS 编码器，编码器对数据进行双相频移键控调制（DPSK） ，调制在 RDS 或 SCA 信道上，然后与立体声信号一起复合成调频基带信号，再对 VHF 主载波调频，经发射塔发射。接收系统：调频接收机接收发射塔送出的信号，并送入给解码处理系统，对 RDS/RBDS 信号的滤波和解调、符号解码等操作，最后通过主微处理器送出处理后的有效数据。图 1-2 发送端编码器框图RDS/RBDS 解码器设计及其性能仿真 5图 1-3 典型的接收机解码器框图RDS/RBDS 解码器设计及其性能仿真 62 RDS decoder系统设计2.1 RDS decoder 系统组成2.1.1 RDS decoder 系统结构模块RDS decoder 系统结构模块如图 2-1 所示。它包括两个模块：解码和纠错电路模块（Decoding and Correction Circuits） 、组与块的同步检查电路模块（Group-and-Block Synchronization Detection Circuits） 。其中，组与块的同步检查电路模块（Group-and-Block Synchronization Detection Circuits）中包含 PDC（Polynomial Division Circuits）模块和 SCC（Syndrome Compare Circuits）模块。首先，26 位数据进入，组与块的同步电路对数据进行同步，输出块标志。DCC 利用正确的偏置字对 26 Bits 数据进行解码和纠错，并输出解码后的 16 Bits。Data 16 BitsGroup and Block Sync. SignalDecoding and CorrectionCircuitsGroup-and-Block Synchronization Detection CircuitsData 26 Bits图 2-1 RDS 解码器模块图解2.1.2 RDS decoder 系统框图RDS decoder 系框图如图 2-2 所示。主要包括三个模块：PDC（Polynomial Division Circuits）模块、SCC（Syndrome Compare Circuits）模块、DCC （Decoding and Correction Circuits） 。BufferForShiftRegister26是一个 26 位的缓存，NextBlockTag0 和NextBlockTag1 用来存放同步搜索过程中的块标志，BlockTag5*8用来存放同步后 5 个块的块标志，Buffer5*26用来存放 5 个块的数据，Offset Word Table 中存放了 6 种类型块的偏置字。当 26 位缓存满时，RDS decoder