（信号与信息处理专业论文）数字am广播中信道编译码的研究与实现.pdf

中文摘要 近年来，各国都己认识到传统a m 广播制式不再能满足人们日益提高的需求， 而数字技术又迅速发展，于是一种新的广播制式数字a m ，即数字调幅广播 ( d r m ) 应运而生。 随着有关标准的纷纷出台，数字a m 广播业务在全世界迅速发展，并得到各 行业的广泛认同。而中国的数字a m 广播事业也在蓬勃发展，因此对数字a m 广播 技术的研究具有重要的现实意义。 在数字a m 广播系统中，信道编码主要采用了基于删余型卷积码的多级编码 ( m l c ) 。信道编码可以大大提高抗误码能力，保证数字音频广播的正确传输和 还原，而多级编码更是为提高数字传输系统的抗干扰性能而使编码与调制联合最 佳的一种方案。信道译码采用基于维特比译码( v i t e r b i ) 算法的多阶段译码 ( m s d ) 。多阶段译码( m s d ) 是一种准最佳的译码方法，其译码复杂度较最大似 然译码低的多，但其译码性能却是渐进最佳的，是多级编码方案的一种理想的译 码方法。维特比译码算法是一种最大似然译码算法，是一种最佳的概率译码算法。 维特比译码算法效率较高、速度较快、译码器也较为简单，因此自被提出以来， 无论在理论上还是实践上都得到了极其迅速的发展。 本论文对欧洲及一些其它国家的d r m 方案进行分析，在d r m 标准的基础上提 出了专门关于信道编码和信道译码的具体方案，并且也详细讨论了比特交织与解 交织、q a m 映射与解映射的问题。为了保证数据处理的速度，在接收端译码单元 用d s p 进行处理，关于系统运算量与软件仿真问题本文进行了详尽的分析。 关键词：数字调幅广播删余型卷积码多级编码维特比译码多阶段译码 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，i t sr e a l i z e dt h a tp e o p l ea r e n ts a t i s f i e dw i t ht h ep r e s e ma m b r o a d c a s t i n gp r o j e c t ，a n dt h ed i 百t a lt e c h n i q u ed e v e l o p sv e r yf a s t a sar e s u l t , an e w b r o a d c a s t i n gp r o j e c tn a m e dd i g i t a lr a d i om o n d i a l ef d r m ) h a sb e e np u tf o r w a r d w i 也t h eg e n e r a t i o no fm a n yr e l e v a n ts t a n d a r d s d i 蝴p r o j e c th a sf l o u r i s h e da l l o v e rt h ew o r l d ，a n dh a se n j o y e dw i d e s p r e a da c c e p t a n c e i nc h i n a , d i 泓p r o j e c ti s a l s oo nr a p i dd e v e l o p m e n t h e n c e r e s e a r c ho nt h et e c h n i q u eo fd r mi ss i g n i f i c a n t i nt h es y s t e mo fd i l _ m ，c h a n n e le n c o d i n gb s em u l t i l e v e lc o d e ( w m c ) ，w h i c hb a s e o np u n c t u r e dc o n v o l u t i o nc o d e c h a n n e le n c o d i n gc a ni m p r o v et h ec h a r a c t e ro fd a t at o r e s i s tt h en o i s e a n di n s u r et h eq u a l i t yo ft h et r a n s m i s s i o na n dr e c e i v e n 几ci sa n o p t i m a lc o d em e t h o d ，i t sac o m b i n a t i o no fc o d i n ga n dm o d u l a t i o nw h i c he n h a n c et h e r o b u s to fd i g i t a it r a n s m i s s i o ns y s t e m c h a n n e ld e c o d i n gi st h em u t l i s t a g ed e c o d e b a s e do nv i t e r b id e c o d ea l g o r i t h m ，i t sas u b o p t i m a ld e c o d em e t h o d ，a n dm u c hm o r e s i m p l et h a nt h em o s tl i k e l yd e c o d ew i mas u b - o p t i m a lp e r f o r m a n c e v i t e r b ii sak i n d o fo p t i m a lp r o b a b i l i t yd e c o d ea l g o r i t h m ，i th a sh i g he f f i c i e n c y ，h i 曲s p e e da n do n l y n e e d sas i m p l ed e c o d e r , s os i n c ei tw a sa d v u n c e d , v i t e r b ia l g o r i t h mh a dg a i n e da h i g h s p e e dd e v e l o p m e n t t 1 1 i st h e s i sa n a l y s e st h ed r ms c h e m eo fo t h e rc o u n t r i e s a sar e s u l t i nt h eb a s i s o fd r ms t a n d a r d , w ep r e s e n tt h es c h e m eo fc h a n n e le n c o d i n ga n dc h a n n e ld e c o d i n g t h et h e s i sa l s od e a l sw i t ht h ei s s u eo fb i ti n t e d e a v i n ga n dd e i n t e r l e a v i n g 、q a m m a p p i n ga n dd e m a p p i n g i no r d e rt oi n s u r et h ev e l o c i t yo fp r o c e s s ，w eu s ead s p i n d e c o d e r 。a d d i t i o n a l l y ，t h i st h e s i sr e s e a r c h e st h er e a l - t i m ep r o g r a md e s i g nt or e a l i z e c h a n n e ld e c o d i n g a n da l s om a k e sd e t a i la n a l y s e s k e y w o r d s ：d i g i t a lr a d i om o n d i a l e ( d r m ) ，p u n c t u r e dc o n v o l u t i o nc o d e ， m u l t i l e v e lc o d e ，m u t l i s t a g ed e c o d e ，v i t e r b id e c o d ea l g o r i t h m 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨壅盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：南径签字吼例7 年y 月歹日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 两霞导师签名：1 乏洲乏 ， 签字日期：硎7 年月乡日签字日期：伽7 年月歹 日 第一章绪论 1 1d r m 概述 第一章绪论 众所周知，调幅广播的工作频段为1 5 0 k h z - - 3 0 m h z ，因此，调幅广播又称 3 0 m h z 以下的广播方式。由于3 0 m h z 以下的电波传播特性，调幅广播有以下突 出的优点：覆盖范围广、传输距离远；接收机简单、廉价( 采用包络检波器) ， 能很容易从己调波中恢复出调制信号；既适合于固定和便携接收，也适合于高速 移动接收。但是，由于调幅广播幅度调制方式和占用窄的频带，也带来明显的缺 点：广播信号在传输过程中很容易受到干扰，传输质量不高；业务单纯，一部发 射机使用一个载波频率，传送一套声音广播节目。 调幅广播的突出优点令它占据了独特的优势，然而，当前调幅广播正面临着 来自电视、互联网、通讯等其它信息产业的巨大挑战，它明显的缺点让它陷入了 极度的困境中听众对这种广播方式的质量越来越不满意。所以改变调幅广播 的现状变得迫在眉睫。 数字a m 技术d r m ( d i g i t a lr a d i om o n d i a l e ) 正是在这种环境下产生和 发展起来的。它是调幅广播改变现状的唯一出路。d r m 技术采用a a c ( 先进音 频编码) 作为其主要的信源编码方式，并有效地使用s b r ( 频带恢复技术) 作 为补充，可以大大地改善收听的音频质量：d r a m 的信道编码和调制采用m l c ( 多 级编码) 和o f d m ( 正交频分复用) ，再以交织技术和差错保护、差错纠正技术 作为补充，大大地减轻了平坦衰落、多径干扰产生的频率选择性衰落、时延以及 多普勒效应的影响，提高了传输质量，接收也更加稳定、可靠。 通过与许多当前先进的技术合作，d r m 确实能改进a m 广播的质量和服务 能力，d r m 是一种带内系统，保持原有的频率配置构造，d r m 是一种开放、非 专利、发展的世界标准。 d r m 的各种先进技术决定它比模拟调幅广播有不可比拟的优越性： 显著提高a m 波段信号传送的音质，在保持现有带宽9 k h z 或1 0 k h z 的情况下， 利用音频数据压缩技术和d s p 技术，可达到f m 质量，如果带宽加倍，可达到 c d 质量； 在保持相同覆盖的情况下，由于数字传输本身具有的特性，d r m 发射机比模 拟a m 发射机的功率可降低四分之三以上，即降低6 - 8 d b 。这样有利于减小 电磁污染、降低功耗，即提高了发射的效率又提高了经济效益：而保持同等 功率等级，信号的覆盖范围将得到极大的扩展； 对现有的中短波广播发射机进行数字调幅广播技术改造，费用低廉；只要添 第一章绪论 加部分设备，如：数字信源编码器( 采用m p e g - 4 低比特率) 、调制器( 采用 c o f d m ) 、数字频率合成器，便可继续使用原有的p d m 、p s m 、d x 系列发 射机组成d r m 传输发射系统。 由于是数字信号的传输，避免了电离层衰落和多径传输造成的干扰，极大增 强了抗干扰能力，确保了a m 广播波段信号传送和接收的可靠性： 从模拟到数字传输的过渡能力强，做到模拟与数字信号传送兼容。可在一个 信道内传送一个模拟信号和一个数字信号，实现数模同播，也可在不同的信 道内传送模拟与数字信号而实现多路广播； 随着科学技术的发展，d r m 的应用已经不仅仅局限于声音广播，它可以提供 新业务，包括提供有与节目相关或无关的数据、文本、图形、图像业务等等。 1 2d r m 的发展与现状 d r m 组织是为3 0 m h z 以下的短波、中波、长波建立一个全世界的数字性的 体系。它给全世界的生产制造商和世界著名的媒体机构提供了合作的阵地。 1 9 9 8 年3 月5 日，世界上二十多个知名的广播组织在中国广州签署了“d r l v l 谅解备忘录，正式成立世界性数字a m 广播组织d r m 。在这期间，d r m 也成 为i t u 广播分部的成员。 1 2 1 欧洲的d r m 发展状况 r 1 2 0 0 1 年9 月，e t s i ( 欧洲电信标准协会) 公布了d l 洲系统技术规范瞄。在 2 0 0 1 年柏林i f a 期间，d r m 系统首次进行试验演示与公众见面。有5 套不同的中 波节目和2 套短波节目。作为网络运营者的t s y s t e m s 与其d r m 伙伴t e l e f u n k e n ( 负责发射机制作) ，费劳霍夫集成电路研究所与c o d i n gt e c h n o l o g i e s ( 负责接 收机制作) 合作，接收m e g a r a d i o 、s f b 、s w r 、德国广播电台和德国之声等电台 的d r m 广播节目。除固定接收外，还在t s y s t e m s 装备的汽车上，移动接收从5 个不同的发射站点发来的节目。 在2 0 0 3 年1 月3 0 日，i e c ( 国际电工委员会) 给d r m 颁发了最高级别的 通行证d l 溯数字声音广播系统成为世界标准。i e c 表决通过了标准 e c 2 27 2 i e d i ：d i g i m lr a d i om o n d i a l e ( d r m 卜- p a r t ：系统规范 。它是唯一的、经过测试的、 非专利的、发展的世界标准，受市场的驱动和消费者的导向。 2 0 0 3 年6 月1 6 日，i t u 世界无线电行政大会在瑞士日内瓦城举行。期间， d r m 对全球进行第一次试播。 德国之声( d w ) 首先开始对欧洲和中东进行数字短波节目的广播，使用在 2 第一章绪论 葡萄牙s i n e s 的两个经过改造的发射机。以d r m 标准用德语、英语和阿拉伯语 每天播出8 5 小时，服务区域对准中欧、东欧、南欧和中东。d w 计划的第二步 是对上述地区扩展节目时间和语种并为亚洲带来附加的节目。为此，d w 在2 0 0 3 年改造在斯里兰卡a t r i n c o m a l e e 转播台的发射机，使亚洲能够接收总共6 小时的 日播节目，语言为英语、德语、孟加拉语、鸟而都语、普什图语和达里语。 瑞典广播电台( r a d i os w e d e n ) 从6 月1 6 日起使用新的d r m 数字格式开始 正式广播。新的广播系统已经被加拿大国际广播电台( r g i ) 用在s a c k v i l l e 的发 射台，对北美进行瑞典电台的英语和瑞典语广播节目的转播。r g i 将会转播来自 许多国际电台的数字英语节目。其它启动d r a m 广播的广播电台还有a b c 、v o r 、 法国国际广播电台等。 迄今为止，全球已经有7 0 多个广播商使用中波频率和短波频率开始了d r m 的直接广播，与此同时，在这些广播商的努力下，d r m 的发射设备和接收设备 的技术也日趋成熟完善，渐渐走向市场、走向用户。 1 2 2 美国的d r m 方案 1 9 9 9 年4 月，d r m 在美国n a b 上首次设置了展台，d t 与t h o m c a s t 宣布两家 联合，各取所长以形成最佳标准。2 0 0 0 年1 月2 4 日，美国最大广播机构所拥有 的一家私营技术公司一美国数字广播公司( u s a d r ) 与d r m 宣布，将合作开 发数字调幅广播的世界标准。u s a d r 曾于1 9 9 9 年1 2 月1 5 日与朗讯公司( l d r ) 分别向美国全国广播制式委员会( n r s c ) 与联邦通信委员会( f c c ) 提交了关 于他们的带内同频道( m o c ) 数字音频广播( d a b ) 系统( 包括调幅与调频) 的实验室与现场测试总结报告。2 0 0 0 年9 月9 目，d r m 的管理委员会在总结多 年的实验室与现场测试结果的基础上，同意向电联递交数字调幅广播系统的标 准，1 0 月3 0 日，电联宣告正式推荐d r m 标准( 包括长、中、短波) 作为草案 向1 8 9 个电联成员国征求意见。2 0 0 1 年4 月4 日，d r m 的播出( 空中信号) 标 准获得了大多数电联成员国的赞同，并以b s 1 5 1 4 建议书发布。美国u s a d r 则 与朗讯公司合资成立t i b i q u i t y 公司，提出了只包括中波广播的i b o c 系统，在 2 0 0 0 年1 0 月1 1 日以电联t g 6 _ 6 7 e 文件发布“一。至此，数字调幅广播或 更正确地说，3 0 m h z 以下频段的数字声音广播的标准已集中为d r m 与i b i q u i t y 两个系统，两者虽然并不兼容，但由于决定一起合作，今后仍可能设计出能同时 工作于两种系统的接收机竹。 在2 0 0 3 年世界广播通讯会议上，一些广播电台宣布决定使用数字调幅广播 技术，即所谓d r m 技术。首批使用d r m 技术的电台有：德国之声、德意志广 播电台、b b c 、美国之音、荷兰广播电台、加拿大国际广播电台、法国国际广播 第一章绪论 电台和瑞典广播电台。 1 2 3d r m 在我国的发展前景与现状 从上面的介绍可以看到，世界对数字中短波的看法已基本一致，国际电联已 接受了相关标准，欧洲标准组织e t s i 己颁布了该标准。由于应用d r m 技术不 会牵扯到对目前正在使用的频率重新划分的问题，我国也在积极开展数字中短波 的研究和试验。 2 0 0 2 年4 月广电总局无线电台管理局与d r m 组织成员之一的法国t h a l e s 公司合作，对位于海南的一部5 0 0 k w 短波发射机进行了改造，从距离北京2 0 0 0 多千米的海南以d r m 方式传输数字声音广播节目，并在北京成功地进行了接 收。 2 0 0 3 年8 月1 9 - - 2 6 日，我国国家广电总局无线局用t h a l e s 公司的d 蹦激 励器和数字接收机。在海南8 7 1 台用t h a l e s 公司的一部5 0 0 k w 短波发射机，降 功率至8 0 k w ，更换了低通滤波器电容，扩展了发射机带宽至4 0 k h z ，更换了发 射机5 块控制板和一台数字频率合成器，进行了频率合成器和发射机输出频谱的 调整，发射了d r m 短波信号。 2 0 0 3 年1 2 月2 0 0 4 年4 月在位于黑龙江省齐齐哈尔市的2 0 2 1 台采用不同的 频率分别向北京、香港和欧洲的巴黎等地进行了多次d r m 广播实验。短波发射 机功率5 0 0 k w ，d r m 发射功率1 8 懈r ，广播频率为9 8 3 5 k h z 。 2 0 0 4 年9 月9 日 - - 1 5 日，江苏省广播电视总台中波发射台和法国泰雷兹公 司联合进行了中波数字广播d r m 实验。实验在江苏省南京市江东门发射台进 行。 2 0 0 5 年1 0 月，在天津召开的全国中波会议上，天津广播电视总局中波发射 台和法国泰雷兹公司联合进行了中波数字广播d r m 实验。实验在天津市杨柳青 发射台进行。 另外，我国的北京、广州和杭州等地也都陆续进行了d r m 数字广播实验， 均获得了成功，这为日后d 蹦广播在我国的应用和普及打下了坚实的基础。 1 3 本课题研究的意义 我国是a m 广播的大国，新世纪开始实施的西部创新工程还将进一步扩大a m 广播的规模，提高广播覆盖率与改变边远地区空中秩序。1 9 9 8 年的广州会议已 注意到了中国这样的大国不容易由调频( f m ) 广播覆盖，因而数字调幅广播具 有很大的市场。 4 第一章绪论 数字调幅广播是广播和信息领域的一场伟大革命，是当代高科技的结晶，它 的发展必将对全球的广播事业和电子信息产业产生巨大的影响。如果我国不及早 进行d r m 的研究和播出，将会面临巨大的政治和经济压力。反之，如果我们及 时研究开发d r m ，不仅能大大提高我国广播及信息传播的能力和质量，促进d r m 产业的形成，而且能带动我国集成电路等一大批相关电子信息产业的发展，因此 发展d r m 势在必行“1 。 ： 另外，目前d r m 技术已趋于成熟，欧洲各国、美国、加拿大、墨西哥、澳 大利亚及亚洲一些国家已经制订了发展d r m 广播的具体时间表。目前开发d r m 是一个极为有利的时机，既可以借鉴国外成熟技术，少走弯路，又可以给我们形 成自己的系统和产业留下一点宝贵的时间，因此我国应立即开始d r m 重大科技 产业工程。 d r m 将对我国的信息技术和相关产业的腾飞起到巨大的带头和牵引作用。 d r m 既有“尖”的一面，又有“广 的一面：一方面，它集微电子、数字信号 处理和数字通信等技术的最新成就于一身 另一方面，它又涉及到电子、广播、 通信等多种技术领域。再加上我国现有的广播电视产业有着良好的基础，因此经 过努力，我们完全能够支持这一高新技术。在科技高度发达的、各科技领域互相 渗透、互相结合的今天，d r m 技术不能也不可能孤立的发展。由于广播产品质 量高、数量大，因此，必将促进微电子制造业、通信业、计算机等领域的发展。 当前国际上d r m 的研究开发是个热门领域，受到广播界、科技界和工业界 的广泛关注，发达国家虽然起步较早，并己取得了一定经验，但网络规划方法和 系统参数有待于试验确定。现在使用的大多为试验用接收机，体积和耗电还达不 到移动和便携式接收机的要求，成本也比较高，这些问题需要开发v l s i 和开拓 市场去解决。目前瑞典和德国合资的t e c h o l i g i e s c h m i e d ec o d i n gt e c h n o l o g i e s 公 司与德国a f g 和英国b b c 合作，开发出一种基本上可以批量生产的d r m 接收 机，法国t h a l e s 公司也开发出了型号为t s w1 0 0 2 d 的数字标准接收机，但由于 市场的形成有一个过程，预计形成市场还要到几年以后。因此，正是在这样的形 势下，这为我国发展信息产业中的这一高新技术、赶超国际先进水平提供了一个 良好的机会。如果我们失去了这一机遇，不仅会丢掉d r m 的巨大市场，更是失 去一次发展电子信息产业的有利时机。 1 4 本论文内容安排 本论文包括六章，第一章简述了课题背景和发展历史、应用现状，讲述了课 题工作。第二章给出了d r m 系统的总体结构，以及所采用的主要技术。课题工 作主要在第三、四、五章。第三章详细讲解了信道编码算法多级编码，包括 第一章绪论 删余卷积码、q a m 映射的原理与方案。第四章给出了信道译码算法一多阶段 译码，详细阐述了循环多阶段译码方案，并讨论了交织技术。第五章给出了基于 d s p 的信道编译码器的设计及代码的开发与实验结果。第六章为论文工作总结和 下一步工作展望。 第二章数字a m 广播的关键技术 第二章数字a m 广播的关键技术 2 。1d r m 系统总体方案 d r m 系统主要包括源编码、复用、信道编码和o f d m 四个部分。图2 - 1 和2 - 2 给出了完整的d 刚发射框图与接收框图7 ，引。 ： 吊规保护 能量 j 童孽 i 单元m s c j 一i 毫黼猗广磊捌。 。1 ， 编码 1 交织 叫 扩散 翮r 1k 保护 源编码模块复 常规保护 用 导频单 0 攀预编码k 保 器 f 元生成 o d 叼 口 ip 互m 。 鱼 符 调 匆 兀一号 制； 映生 器 传 输 射 成 1 置 快速访问信 预编码能量信道 f a c 。 器 号 道( f a c ) 信叶i 扩散 + 编码 自 i 预编码能量信道 s d c 道(s ) 信c 霉墨- 扩散 - _ +编码 息 u f d m 懊与r 图2 1 基于d r m 标准的数字a m 广播传输系统结构 图2 - 2 基于d r m 标准的数字a m 广播接收系统结构 第二章数字a m 广播的关键技术 d r m 系统对不同的输入业务分别处理憎j w ： 主业务信道( m s c ) ：它载有d r m 多路复用中包含的所有业务的数据。多路 复用可以实现1 - - 4 种业务的复用，它们既可以是音频业务，也可以是数据业务。 m s c 中业务数据可以被分配相同或不同的保护等级，从而实现相等差错保护( e e p e a u a le r r o rp r o t e c t i o n ) 和不等差错保护( u e p - - - u n e q u a le r r o rp r o t e c t i o n ) 。 传输数据比特率取决于信道带宽和传输模式，帧周期为4 0 0 m s 。 快速访问信道( f a c ) ：它载有用来提供给接收端实现快速搜索的业务信息， 包括业务参数信息( 如复用描述、频点切换等) 和信道参数信息( 如频带占用、 交织深度等) ，帧周期为4 0 0 m s 。 业务描述信道( s d c ) ：它载有m s c 译码、相同数据的替换源搜索及复用业 务的归属等信息。s d c 可被看作一种单一的数据信道，传送的总数据量可以超过 一个单一业务描述信道帧能够传送的数据量，帧周期为1 2 0 0 m s 。 d r m 发射端主要由以下几部分组成： 源编码和预编码是用来使输入的流适合于数字传输的格式。对于音频编码， 其功能包括音频压缩技术。源编码器和数据流预编码器的输出可以包含两个部 分，它们在后继信道编码器中需要不同等级的保护，所有业务都必须利用这两个 保护或其中一个。 音频和数据流编码信号在复用器中进行联合。复用器是将所有数据和音频业 务的保护级别联合起来。 能量扩散的目的是为了降低由于系统模式导致的在传输信号中产生的有害 规律的可能性，避免出现有些特定的信号形式。1 | 信道编码是通过增加信息冗余来保证传输的准确无误差，并将数字编码信息 映射到q a m 单元中。 单元交织使相邻的q a m 单元在时域和频域都尽可能地分开来传送，以保证 在时间频率扩散信道中能可靠的传输，接收端经过去交织恢复信号原有的顺 序，出现差错时容易予以修正。 导频发生器通过与信道共同解调而使接收机能获取信道状态信息。 o f d m 映射单元收集不同类型的单元并将其分配到时间频率格中。 o f d m 信号发生器以相同的时间序列将每个单元组转换成时域信号，通过插 入周期性重复的信号片段使信号的一部分重复，产生连续的o f d m 信号。 调制器将数字的o f d m 信号转换成模拟信号传送，这一操作包括数模 转换及按照频谱要求过滤。 不经过复用器的信道有f a c ( f a s ta c c e s sc h a n n e l ) 和s d c ( s e r v i c ed e s c r i p t i o n c h a n n e l ) 。 第二章数字a m 广播的关键技术 接收机组成一种发射机的“镜像 ，但它也有一些附加的单元，在解调器之 后，采用维特比译码器。针对信道编码的特殊结构，采用了相应的信道译码方法。 2 2 信源编码 信源编码的任务主要是解决数据存储、交换、传输的有效性问题。即通过对 信源数据率的压缩，力求用最少的数码传递最大的信息量。在进行信源编码时， 既希望最大限度地降低码率，又希望尽可能不要对节目造成损伤，以便听不出数 据压缩的节目与原版节目的差别。二者是相矛盾的，只能根据不同节目的特点和 不同的需要折衷选择合适的压缩程度。 众所周知，数字音频信号的质量是由其数据率决定的，音频数据率越高，在 信道上传输的数据率也越高，所需的射频带宽也就越宽。d r m 系统规定使用与模 拟a m 广播相同的频道宽度( 9 k h z 或1 0 k h z ) ，在条件允许的情况下，最多可以 使用到加倍的带宽( 1 8 k h z 或2 0 k h z ) 。在这样窄的带宽限制下，为了得到好的 声音信号质量，除了选择相应的信道编码和调制方法外，十分重要的一点是选择 相应的信源编码方法，要求信源编码的比特率为从8 k b s ( 半信道) 到2 0 k b s ( 标准信道) 左右，最高约7 2 k b s ( 双信道) 。 国际上m p e g 组织迄今已经发布了b l p e g l 、m p e g 2 和m p e g 4 等不同的信源编码 标准。不同的信源编码方法有不同的数据压缩效率和不同的声音信号质量，适用 于不同的场合。d r m 系统必须选择压缩效率高，同时又有好的声音质量的信源编 码方法。 在d r m 系统中，信源编码方法是最关键的技术之一。为在给定的比特率下提 供更好的质量，d r m 系统使用了属于m p e g 4 的不同的信源编码方案b “j “，以适 应在数字a m 广播中不同节目( 音乐语言) 的不同带宽的需要： ( 1 ) b t p e g 4 子集a a c ( 先进音频编码) ，包括抗差错健壮性处理，用于普通 单声道和立体声广播。 ( 2 ) m p e g 4 子集c e l p ( 码本激励线性预测) 语音编码，用于单声道语音广播， 对很低比特率是有效的，或者适合于在要求较高的抗差错健壮性的情况下应用。 ( 3 ) m p e g 4 子集h v x c ( 谐波矢量激励编码) 语音编码，用于很低比特率和抗 差错健壮性单声道语音广播，特别适合于基于语音数据的应用。 除了上述的编码方法外，在d r m 系统中还应用了频带恢复( s b r - - s p e c t r a l b a n dr e p l i c a t i o n ) 技术，它是一种在低比特率情况下获得完全音频带宽的音频 编码增强方法，它可以与a a c 和c e l p 联合应用，构成目前能力最强的压缩方法。 仅a a c 本身效率已经比众所周知的m p 3 方法高出3 0 ，然而由于窄的有限的带宽， 仅使用从c 是不够的。借助附加应用的s b r ，可以在保持同样高的音频质量的情 9 第二章数字a m 广播的关键技术 况下，数据率还可以再减低4 0 。这样就有可能传输数据率仅为2 5 k b s 左右的 高级的音频信号，远不到i s d n 线路的1 3 。当节目是纯粹的语言内容时，例如 新闻节目，在d r m 系统中比特率甚至可以减低到1 0 k b s - - 2 k b s 。 信源编码传送的比特流传输格式要变化为适合于d r m 系统的要求。采用不等 错误保护( u e p ) ，以便在有错误倾向的传输信道中改善系统的性能。图2 3 和图 2 4 所示是d r m 系统信源编码与解码系统构成方框图。 图2 - 3d r m 系统信源编码模块结构图 2 2 1m p e g 4a a c 图2 - 4d r m 系统信源解码模块结构图 m p e g 4a a c 是在m p e g 2 ( l a y e r l 、2 、3 ) 投入应用以后，对编码技术的进一 步发展。它与m p e g 2 解码器不向下兼容，即m p e g 2 解码器不能对m p e g 4 信号解码。 m p e g 4a a c 的编码效率起码是m p e g 2l a y e r 3 的2 倍，它是m p e g 2 以后最有效的 编码方法。m p e g 4a a c 在数据率为4 8 k b s 的情况下，可以得到如同f m 立体声一 样的主观听觉质量。用减半的数据率并附加应用s b r ( 带宽展宽工具) 可以达到 f m 单声道的主观质量感觉。m p e g 4a a c 是一种对所有音频素材( 无论是语言还是 l o 第二章数字a m 广播的关键技术 音乐) 来说都可以一样好的编码与解码方法。如同在其他m p e g 音频编码方法一 样，a a c 也对音频信号的能量成分进行分析并利用人耳的“掩蔽效应，以便从 音频信号中找到对于听觉灵敏度来说被其它声音掩盖的成分。 2 。2 。2m p e g 4c e l p m p e g 4 也支持c e l p ( 码本激励线性预测) 算法，它对于语音的重放很好，但 是对音乐不很合适。 在m p e g 4 中实施c e l p 语言编码的原因是，a a c 在以低于1 4 k b s 的数据率进 行语音传输时能力大大减弱。在明显低的数据率的情况下，c e l p 的优点是可以 提供一个有明显好的质量，甚至数据率只有6 k b s 的数据流也还是可以使用的 ( 有很好的可懂性，尽管此时达不到f m 单声道质量) 。m p e g 4c e l p 的音频质量 还可以通过应用s 职频带展宽工具来提高。 2 2 3m p e g 4h v x c 为了对典型的2 k b s 这种很低数据率的语言信号进行编码，在m p e g - 4 中应 用了一种称为谐波矢量激励编码( h v x c ) 的参数语音编码。 m p e g 4h v x c 语音编码工具集，包括对以2 o k b s 和4 o k b s 比特率自然语音 的压缩和编码。h v x c 用于对声音部分进行l p c 残余信号谐波编码和非声音部分 的矢量激励编码( v x c ) 。h v x c 以8 k h z 取样率提供从l o o h z 到3 8 0 0 h z 频段通信质 量为市话与长话质量的语音。在解码时支持音调和速度变化的功能，这一功能在 进行语音数据库快速搜索或浏览时非常有用。肼x c 还有一个体系可以用错误保 护工具提供错误敏感度分类。另外，错误隐藏功能可以用在有错误倾向的信道中。 d r m 使用的h v x c 一个子集，比特率可以选择2 o k b s 和4 o k b s 。为在有错 误倾向信道中增强解码健壮性，d r m 中特别定义了一个低复杂性错误隐藏工具 ( c r c 和帧内交织) 。 h v x c 工作的比特率为d r m 提供了新的应用，例如： 语音业务附加到音频业务中； 多语言应用； 对多种节目例如新闻固化存储，可以存储在卡式收音机中的数据库( 例如 4 5 小时的广播节目可以存在4 m 字节的闪存中) ； 用于变化存储的节目快速回放浏览时的时间分级； 在有或者没有分级调制时提供高的抗差错健壮性传输。 第二章数字a m 广播的关键技术 2 2 4s b r 原理 s b r 是一个频带扩展工具，它与基本的音频编码器联合工作，用于展宽音频 带宽。在d r m 系统中，s b r 工具可以与m p e g 4 从c 、c e l p 和h v x c 联合工作。为 在低比特率时获得感觉上合适的音频质量，典型的音频和语音源编码算法需要限 制音频带宽并工作于低取样频率。在d r m 系统中希望在非常低的取样频率条件下 提供大的音频带宽，通过使用s b r 就可以实现。使用s b r 的目的是重建音频信号 中不能被编码器编码的高音频频段。为了以最好的方式来实现这个目的，需要在 音频比特流中传送某些边信息( 指导信息) ，动态说明编码音频信号的频谱外貌。 这些边信息在全频带信号的基础上被计算出，是在编码前以及在音频语言解码 后高音频频谱的辅助物的重建前进行的。 频带恢复( s b r ) 是音频编码增强工具，它提高了低比特率音频和语音编解码 系统的性能。s b r 可以将普通低比特率编解码系统带宽提高到等于或大于模拟f m 音频带宽( 1 5 k h z ) 。在语音编码时，s b r 还可以提升窄带语音编解码系统性能， 提供给广播者1 2 k h z 解说音频带宽，用于例如多语言广播。由于多数语音编解码 系统都是窄带的，s b r 的重要作用不仅在于提高语音质量，而且可以用于提升语 音的清晰度和语音的可懂度。s b r 主要是进行后处理，但在编码器，为指导解码 处理也有一些预处理。在接收机中，有s b r 能力的解码器从带有少量附加信息的 压缩的信号中重建高音频部分，并将其再附加到“沉闷”的音频信号中。结果是 音频信号主观感觉很好，音频带宽可达1 5 k h z ，而仅需要2 2 - 2 5 k b s 的数据率。 2 3c o f d m 技术 c o f d m ( 编码正交频分复用) ，是由法国c c e t t 开发的，是d r m 系统所采用的 传输方法。c o f d m 是一种多载波方法，用大量的载波( 又称副载波) 代替通常的 用很多套节目的一个载波。这些副载波有均匀频率间隔并形成一种正交的功能系 统，所选用的载波频率是一个基本振荡频率的整数倍。正交信号有这样的特性， 即它们可以精确地彼此被分离，即使在它们的频谱有重叠时也是如此。按照这种 方式，能够充分有效地利用频谱，各副载波可以很密的一个挨一个地排起来，只 要它们是正交的。c o f d m 作为宽带的传输方法，有利于传输数字信号。传输的信 号不再是单一的节目，而是许多节目相互交织地分布在一定的频率范围中，即频 率块中。c o f d m 具有很好的抗多径干扰能力，能够很好地满足频率时间选择性衰 落信道的要求，在无线广播与通信领域得到广泛应用劓。 第二章数字a m 广播的关键技术 2 3 1 信道编码 d r m 广播传输系统的信道编码过程基于多级编码方法( m l c ) 1 1 0 3 ，采用删余卷积 编码，如图2 - 5 。多级编码的原理是，通过编码和调制的最佳结合而达到最好的 传输性能。这意味着在q a m 映射中，容易出错的比特位置可得到较高的保护。不 同组成的码通过来源于同一母码的删余卷积码而得到，并得到不同等级的保护。 对于一个指定的传输，系统可以允许不同的码率范围或码率组合，以选择最合适 的纠错等级。因此，码率组合包括两种不同的综合码率，允许对不同的业务进行 不同的保护或对业务的不同差错保护。当传输音频数据流时，更容易出错的位能 获得更好的保护。 q a m 调制作为c o f d m 中副载波的调制方式，在d r m 系统中，对副载波进行调 制，只使用了两种基本的星座：1 6 q a m 和6 4 q a m 。在目前使用中，般选择1 6 q a m 用于对质量要求较高的语言节目，6 4 q a m 用于音乐节目。由于1 6 q a m 时副载波之 间的间隔比6 4 q a m 的大，所以具有较好的抗干扰性，当传输条件比较恶劣时，选 择1 6 q a m 可显著提高接收音质。为了进一步加强信号的传输质量，对除m s c 的其 它信号，还采用了q p s k ( 四相相移键控调制) 技术。 2 3 2o f d m 调制 图2 - 5d r m 信道编码系统框图 c c e t t 关于d r m 调制方法o f d m 的建议，在一定程度上结合了宽窄带的优点。 它基于这样的想法：把信息正交地分配给几个密集的副载波( 为了充分利用频谱) 进行调制。在这时候，形成比特组，这些比特组合并为复用帧，并与被调制的副 载波的数目相应同时被传送，即正交频分复用。 o f d m 的主要优点是通过以下几项的选择，用以适合各种情况倒： 第二章数字a m 广播的关键技术 一副载波数： 一每个调制副载波的带宽； 一符号周期； 褓护间距周期： 一可用带宽； 一最大允许时延。 利用保护间隙，o f d m 保证了连续的信号互相分离。在移动接收中，保护间 隙的周期由具有有效电平的反射波到达某点的时延决定。在这个时间内到达的反 射做有用的贡献，即增加有用信号的载波的总能量，后到的载波，无论电平如何， 都将导致信号间干扰。 。 d r m 传输系统采用了o f d m 调制方式，其o f d m 模块不只是单一的o f d m 功能 单元，而是包含导频生成、o f d m 单元映射、o f d m 符号生成等运算处理，以及与 d r m 传输帧密切相关的多功能单元，如图2 - 6 。 匐 o 导频生成器卜一+ 口 孓 一符o 号f 生d 成m 器卜 & o f a c 轰 筐 兀 萱 7 映 兀 射 器 s d c 。 2 4 传输模式 图2 - 6d r m 系统o f d m 调制系统框图 通过对c o f d m 信号主要参数如载波间隔和循环前缀( 保护间隔) 的适当选择， d r m 系统可以适应不同的信道传输条件，并提供尽可能高的有效码率。由于载波 间隔小，可以提高信道利用率，抵抗多普勒扩散的能力相对较弱；保护间隔短， 可以提高有效码率和有效功率比，但可能会产生符号问干扰。考虑d r m 广播所使 用的不同频率的传输特性，d r m 共有四种不同的载波间隔和保护间隔长度的传输 模式【旧，见表2 - 1 和表2 2 。 1 4 第二章数字a m 广播的关键技术 表2 - 1 典型的应用和传输模式( 占用一个9 或1 0 k h z 信道) 模式 a b c d 预期调制6 4 q a m6 4 1 6 q a m1 6 q a m6 4 1 6 q a m 典型应用地波( m 1 】i 几w )天波( m w s w )强天波( s w )垂直耦合( s w ) 交织 短长长 最大 码率高 中 低低 音质鬲 中 中低低 健壮性中等高高很高很高 表2 - 2 不同传输模