（信号与信息处理专业论文）基于am广播的电子报纸系统构架及实现.pdf

摘要 摘要 在互联网日益成为人们生活中不可缺少的一部分时，传统媒体报纸却开始面临生存的困 境。从2 0 0 5 年开始，报业结束了持续十多年的高速增长。开始呈现明显下滑趋势。从传统 报纸向电子报纸的转变己势在必行。但目前的电子报纸还属于概念性产品。世界范围内对“电 子报纸，还没有一个统一的标准，在电子纸、传输方式、接收端、网络传输格式标准方面都 没有统一的说法 在此背景下，本文提出了利用a m 广播信道传输电子报纸的系统构架及实现。本文作 者的主要工作是在参考了大量已有的数字a m 广播系统资料的基础上，给出了这样的一个 系统的一整套设计方案，并做出了软件实现，进行了场外实验。本系统采用o f d m 调制方 案，使用多级编码( m l c ) 作为信道编码方案。系统的设计还包括了复用机制和数据包格 式的设计。为了在单向信道实现可靠的数据业务，作者探讨了一个合适的上层的数据传输格 式设计。在保证了可靠的数据业务的基础之上，本文作者又进一步给出了电子报纸服务的设 计。最后，作者完成了上述完整方案的p c 平台的软件实现及室外实验。 本文首先根据a m 广播信道的物理特征选取了合适的信道模型，并据此选择了适合于 a m 广播信道的o f d m 参数集，描述了多级编码的基本原理，给出了复用机制和数据包格 式设计。然后对本系统中采用的数据传输格式进行了详细的介绍，并给出了在此之上的电子 报纸服务的设计方案。接下来文章给出了具体软件实现时要考虑的注意点，主要包括编程语 言的选择和使用、软件模块的划分、开发经验总结。最后，本文作者对开发出来的软件进行 了场外实验，并在文章中给出了相应的记录和总结。 关键字：电子报纸；数字调幅广播；多媒体对象传输；软件实现 东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t w h i l ei n t e r n e ti sb e c o m i n ga l li n d i s p e n s a b l ep a r to ft h el i f eo fh u m a nb e i n g s n e w s p a p e r , a t r a d i t i o n a lm e d i a , i sf a c e i n gw i t hp r e d i c a m e n to f s u r v i v a l t h en e w s p a p e ri n d u s t r yh a ss t o p p e di t sh i g h s p e e di n c r e m e n ts i n c e2 0 0 5 f u r t h e rm o r e ，t h et r e n do f d e c l i n ei se v i d e n te n dt h ea d v e r t i s e m e n tw h i c h u s e dt ob e l o n gt ot h en e w s p a p e ri n d u s t r yb e g i n st os h i f tt oo t h e rn e wr i s i n gm e d i a h o w e v e r , t h e n e w s p a p e ri n d u s t r y , w h i c hh a ss u c hal o n gl l i s t o r y ，w i l ln o td i s a p p e a r t h em o s tp o s s i b l eo u t c o m ei sa s h i rf r o mt r a d i t i o n a ln e w s p a p e rt oe l e c t r o n i c a ln e w s p a p e r ( o re - n e w s p a p e r ) b u tn o wt h ee l e c t r o n i c a l n e w s p a p e ri ss t i l l ac o n c e p tr a t h e rt h a nam a t u r ep r o d u c t , a n dt h e r ei sn o tau n i f o r ms p e c i f i c a t i o n a c c e p t e db yt h ew h o l ew o r dw h i c hd e f i n e st h em a t e r i a l ，t r a n s m i s s i o n , t e r m i n a l , a n dn e t w o r kp r o t o c o l o f t h ee l e c t r o n i c a ln e w s p a p e r t h i st h e s i sp r o p o s e sad e s i g no f e l e c t r o n i e a ln e w s p a p e rs y s t e mb a s e d0 1 1 a n di m p l e m e n t e do v e rt h ea m p l i t u d em o d u l a t i o n ( a m ) b r o a d c a s tc h a n n e la n ds y s t e m a sa l li n t r o d u c t i o no f t h i sp a p e r , t h ef i r s tc h a p t e rg i v e st h et e m p o r a r ys i t u a t i o n , t h ef u t u r ea n dt h e m a r k e tp o t e n t i a lo f t h ee l e c t r o n i c a ln e w s p a p e r m e a n w h i l e t h ea d v a n t a g eo f t a k i n ga n lb r o a d c a s ta s t h em a i nm e t h o do f t r a n s m i r i n ge l e c t r e n i c a ln e w s p a p e ri sg i v e n t h es e c o n dc h a p t e rd e s c r i b e st h es y s t e mc o n c e p to fd i g i t a la mb r o a d c a s t t h ec h a n n e lm o d u l e m u l t i p l e xm e c h a n i s m , m o d u l a t i o nm e t h o d c h a n n e le n c o d i n ga n dp a c k e tf o r m a t , a 圮d i s c u s s e d t h et l l 砷c h a p t e ri n t r o d u c e sap r o t o c o l m u l t i m e d i ao b j e c tt r a n s p o r t ( m o t ) p r o t o c o l , b a s e do n w h i c ha l lt h ed a t aa p p l i c a t i o na n ds e r v i c eb e c o m ep o s s i b l e t h ec o n t e n to ft h i sc h a p t e ri st h ek e yt o l l s eau n a r yd i r e c t i o nc h a n n e lt or e a l i z er e l i a b l ed a t aa p p l i c a t i o n s t h ef o u r t hc h a p t e rg i v e sad e s i g no f t h ee l e c t r o n i e a ln e w s p a p e rs e r v i c eu s i n gt h em o tp r o t o c o l a n dd i s c u s s e sh o wt oc o m b i n et h i ss e r v i c ew i t ht h ed i g i t a la mb r o a d c a s tm u l t i p l e x e r as o f t w a r e i m p l e m e n t a t i o no ft h ee l e e t r o n i c a ln e w s p a p e ri sp r o p o s e d , a l o n gw i t hi t s d e t a i l si nm o d u l e s e g m e n t a t i o n , a n di nf l o wa n de x p e r i e n c eo f d e v e l o p m e n t t h ef i f t hc h a p t e rd e s c r i b e st h ee x p e r i m e n t so f n e w s p a p e rs o f t w a r eo v e rw i r e l e s sc h a n n e lb yu s i n g a n a l o gt r a n s m i t t e r - r e c e i v e r a tl u s t , as u m m a t i o ni sg i v e nt ot h ew h o l ep a p e r , i n c l u d i n ge x p e r i e n c eo f t h ea u t h o ra c c u m u l a t e d d u r i n gt h ep r o c e s so f h i ss t u d i e s k e yw o r d s ：e l e c t r o n i c a ln e w s p a p e r ；d i g i t a la mb r o a d c a s t ；m u l t i m e d i ao b j e c tt r a n s p o r t ；s o f t ：w a r e i m p l e m e n t a t i o n 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它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。 2 望：兰：兰p 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名： 期： 盈竺屋2 彤 第一章绪论 1 1 传统报业的困境 第一章绪论 作为传统媒体历史最悠久的报业，从来没有像今天这么焦虑过，习惯了年年高速增长的暴 利日子，面对泡沫破灭后卷土重来的网络媒体，以及市场夹缝中成长起来的各种各样的媒体形 式，颇有猝不及防的感觉。在新形势面前保持一份镇定，首先深刻认识面临的危机与挑战是媒 体战略决策的前提。 2 0 0 5 年对于报业来说是个难忘的年份，是报业发展的“拐点”，报业结束了持续十多年的 高速增长，开始呈现明显下滑趋势，广告增长率从持续2 0 年的高位跌落下来，而整个广告行业 增长率仍然达到2 0 ，就是这一趋势的显著标志。年轻读者大量流失，发行市场进一步萎缩， 报业广告无可逆转地向网络等新兴媒体分流。2 0 0 5 年l o 月，世界首富比尔盖茨在庆祝5 0 岁生 日时宣布，“今后1 0 年纸张将失去原来的意义，大量信息将通过电子途径而不是以成堆纸页的 形式送达个人信息终端”。 国内报业集团2 0 0 5 年上半年营业额大幅下滑，广告收入平均跌幅超过1 5 ，为数不少跌幅 在4 0 以上，多家过去经营状况良好的报业集团出现亏损，曾经风光无限的球报与南方 体育先后停办，对比网络、楼字电视、手机媒体的丰收景象，报业可以说形势非常严峻。 2 0 0 6 ，颓势依旧。慧聪媒体研究中心提供的( 2 0 0 6 年中国报刊发行调查报告显示l l j ，2 0 0 6 年上半年报刊广告收入同比增长7 ，而2 0 0 5 年上半年同比增长为8 4 ，2 0 0 6 年的报刊广告依 旧延续着2 0 0 5 年的颓势( 图l 一1 ) 。与此同时，中国2 0 0 6 年上半年的g d p 同比增长1 0 ，报 刊广告增长率仍低于经济增长率。拥有国内最大的i t 平面媒体中国计算机报的上市公 司赛迪传媒( 深，0 0 0 5 0 4 ) 2 0 0 6 中期财务报告显示，2 0 0 6 年上半年主营业务收入9 。7 1 5 万元， 在2 0 0 5 年同比下降1 8 7 3 的基础上同比又下降8 5 9 ，净利润同比下降3 0 3 9 。 蚰d “ 3 5 0 0 t 3 0d d 2 5 0 口薯 即d d t 1 50 d 鼻 1 口口d t 5 0 d 薯 a d “ 2 d q l 年舶d 2 年2 8 q 3 年m a , t 年-2 0 f 1 5 年2 1 0 0 6 上半年 巨亘匦至巫夏三至圈 图1 - 12 0 0 6 年上半年报刊广告收入增长率示意图( 易观国际，2 0 0 6 ) 4 2 电子报纸的现状与前景 电子报纸并不是一个全新的概念，伴随电子纸技术的发展，从出现到现在有一个逐步的发 展过程。早期电子报纸的诞生来自于网络的发展，报刊直接上网建立网络版。初期的报纸网站 只是简单地申请个域名，挂上网页就算报纸上网了。网页设计水平低，网站内容基本全部照搬 东南大学硕士学位论文 母体报纸的内容，且缺乏交流沟通的途径，网上论坛人气寥寥，整个网站没有什么特色，只是 传统报纸的电子版本，作为传统媒体的附属而存在。1 9 9 5 年l o 月中国贸易报上网，成为中 国首家进入互联网的报纸，这个时期的电子报纸尚没有特别吸引人的地方，且阅读它需要软硬 件的搭配，必须在电脑上阅读，无法像传统报纸那样随身携带，不久就淹没在一片“网洋大海” 之中。随着移动通信技术的快速发展，手机、个人数字助理( p d a ) 等成为人们日常生活不可 或缺的工具，一直在寻求突围的传统报纸自然不会放过，电子报纸以手机报的形式风靡一时。 从2 0 0 4 年第一份中国妇女报手机报问世至今全国己有几十家报纸在做手机报。解放报业集 团2 0 0 6 年1 月在上海传媒市场率先推出“手机报”，但“手机报”大多是报纸平面内容的翻版。 显示屏幕小，不便阅读，与电子报纸的真实含义相去甚远 ，一个比较令人感兴趣的案例是解放报业集团的i - p a p e r 。解放报业集团从2 0 0 5 年9 月起与荷 兰i r e x 公司进行战略合作，于2 0 0 6 年4 月1 4 日推出中国报业第一张电子报纸。i r e x 公司拥有 电子纸技术原刨团队，而报纸的传输由电信的“天翼通”无线网络( w l a n ) 负责。 电子报纸阅读器像一本口袋书大 小，轻薄小巧，可一掌在手。方便 地轻触电子报阅览器右上方的按 钮，显示器上跳出“d o w n l o a d i n g j f d a i l y ”( 下载伯￥放日报) 的 字样，4 5 秒后，下载完毕，触摸笔 轻点文件夹，。缩小”的解放日 报头版完整、清晰地呈现出来。 图文并茂，对哪篇文章感兴趣，只 要再用触摸笔轻点这篇文章，页面 立即翻新，即可细细品读。这个阅 读嚣成本要4 0 0 0 多元。1 1 1 图i - 2 i - p a p e r 效果图 从目前的试用效果来看，情形并不乐观。首先是使用过程中经常死机，网络下载中断，翻 页速度慢，平均每页5 - 6 s ，主要原因是系统软件响应速度慢。其次阅读体验不是很好，由于频 繁死机，重新启动一次要花上近1 分钟，网络不稳定且电信的“天翼通”布点太少，目前上海 只有部分商务楼、肯德基和星巴克等处才能自由下载，受无线网络覆盖范围的限制。此外设备 成本很高，荷兰i r e x 公司提供的这款电子阅读器成本价4 0 0 0 多人民币，连触摸笔都要十几美 元。2 0 0 6 年l o 月2 0 日，i r e x 公司来人展示了改进后的阅读器但效果并没有很大改观，技术依 然成为产业化的瓶颈。尽管还存在很多技术、市场等问题，但今年以来，报业仍然对电子报纸 表现出了很高的热情。 通过对上述i - p a p e r 案例的分析，可以得出以下结论： 传统报业面对困境，在电子报纸上寄予了很大的期望。电子报纸有很大的市场潜力，并且 时机已经不远了。 技术尚不成熟，目前的电子报纸还属于概念性产品。世界范围内对“电子报纸”没有一个 统一的标准，在电子纸、传输方式、接收端、网络传输格式标准方面都没有统一的说法 2 第一章绪论 在技术上需要有两个方向上的突破，才能满足用户的期望。首先，阅读器要给读者纸的感 觉，可以卷曲、折叠。其次，传输技术上要有传统报纸的的优势，便宜并且随处可得。 本文重点就是在电子报纸的传输技术上给出自己的观点，并且做出实现。解放报业集团的 i = p a p e r 使用w l a n 传输：首先，不是很便宜，至少比报纸贵多了；其次，w l a n 覆盖范围有 限，失去了报纸随处可得的优点。本文提出的使用调幅( a m ) 广播技术来传输电子报纸的方案， 恰好可以满足电子报纸对传输技术的要求。 1 3a m 频带目前的使用状况 3 0 m i - i z 以下的调幅广播频带有着非常广泛的用途，主要有两种传播模式：地波和天波。 低频广播频带l f ，也常称为长波频段( l 聃，) 1 1 6 , 可以使用一个发射机通过地波提供广域覆 盖，对于国内或省内覆盖非常有效。长的波长意味着大的发射天线结构，所以这个频段一般只 用于大范围覆盖并且值得对天线投资的情况。 中频( m i d 或中波( m m 频段在全世界范围内有着广泛的应用。相比长波，这一频段的地波传 播不再那么高效，但白天的覆盖还很好。一台发射机或少数几台发射机构成的小网络可以提供 国内或省内覆盖。在夜晚( 当电离层d 层的吸收减弱时) 天波传播也开始了，这既可成为障碍也 可成为帮助。增强的传播会带来干扰，比如远处其它频道电台在白天听不到，但在晚上就成为 了目标台的背景噪声。同时目标台的天波传播还会带来自干扰，比地波后到达的天波以多径的 形式构成干扰，导致衰落。但是，天波传播可以被国际广播积极利用，因其目的地大多是地波 传播不到之处。 高频或短波( s 、) l ，) 频段以可以利用天波进行国际广播而闻名旧。天波传播依赖于电离层的状 况，而电离层以i1 年的太阳黑子周期天天变化着。为此，使用h f 频段需要广播台不时地改变 频率，这也非常可能是在广播的进行过程中。另外，可以预见的不确定性，以及一个大的目标 范围可能需要不同的传播模式才能覆盖到，这都意味着同时使用两个或多个频率是很正常的。 a m 频段的特点总结如下： 优点： 1 ) 只要很少的发射点，就可以实现国内或国际覆盖； 2 ) 便于实现国际广播，而不必多方协商； 3 滋收机便宜、简单，随处都可以工作。 缺点： 1 ) 信道噪声、干扰严重，带宽有限： 2 ) 短波广播需要时常改变频率，这会给收听者带来困惑与不便。 a m 广播的优点，正好符合人们对电子报纸的要求，是传输电子报纸的理想途径。但a m 广播也有一些固有缺点，克服上述缺点而保留上述优点，答案就是利用数字a m 广播。 1 4 本论文主要内容 作为全文的绪论，本文第一章讲述电子报纸的现状、前景和市场潜力，以及使用a m 广播 进行电子报纸传输的优点。 第二章介绍数字a m 广播的系统概念，讲述系统的信道模型、复用机制、调制方案、信道 编码方案、数据包格式设置 东南大学硕士学位论文 第三章详细介绍数据传输中使用的协议多媒体对象传输( m o t ) 协议，这是用单向信 道实现数据业务的关键。 第四章首先给出基于多媒体传输协议之上的电子报纸服务的设计，讲述如何把电子报纸服 务与数字a m 广播的复用机制相结合，并介绍包模式。其次描述电子报纸服务的软件实现方案， 介绍模块划分、开发流程及实践经验总结。 第五章给出应用软件通过短波电台在无线信道中传输的实验情况。 4 第二章数字a m 广播的系统概念 第二章数字a m 广播的系统概念 本章首先介绍a m 广播信道模型和o f d m 调制的基本原理，然后根据a m 信道的物理特征， 选择合适的o f d m 参数集。信道编码和交织也是系统的重要部分，本章给出数字a m 广播中使 用的信道编码和交织，从原理上解释使用这些方案的理由。还给出系统底层对数据应用的支持。 2 1 信道建模 2 1 1 多径衰落模型 无线信道中有许多物理因素会影响多径衰落，包括1 2 1 ： 1 ) 多径传播。无线信道中移动的反射体、散射体以及接收天线组成了一个不断变化的传播 环境，造成信号在幅度、相位和到达时间上的变化，形成多个不同的无线电波。各无线电波的 幅度和相位随机分布。使合成信号的功率波动起伏，导致多径衰落和信号失真等现象。多径传 播常常会延长信号基带部分到达接收机所用的时间，造成码问干扰，为了减少码间干扰，就要 加大码元周期。 2 ) 移动台的运动速度。移动台和基站之间的相对运动会产生多普勒频移，不同多径信号的 多普勒频移不同，由此所产生的调频也呈随机化。多普勒频移的正负，取决于移动台是朝向还 是背向基站运动。 3 ) 信道中障碍物的移动速度。如果信道中有移动物体，那么这些物体也同样会造成多径信 号的多普勒差异。如果移动台速度远大于环境物体速度，可以忽略环境物体运动速度的影响。 如果环境物体以大于移动台的速度运动，那么这种运动将对小尺度衰落起决定作用。 4 ) 信号的传输带宽。如果信号的传输带宽大于多径信道的带宽，接收信号会失真，但接收 信号的能量在很小的范围内变化不太大( 即小尺度衰落现象并不严重) 。如果发射信号的带宽 与信道相比是窄带的，那么信号幅度变化就会很快，但不会出现时间失真。所以小尺度信号的 强度和短距离传输后，信号模糊的可能性与多径信道的特定幅度、时延及传输信号的带宽有关。 如果在时变多径信道上传输极短的脉冲( 理想情况下为一个冲激) ，接收信号将表现为一 串脉冲。因此多径媒质的一个特征是在该信道上传输的信号中引入了时间扩展。 多径媒质的第二个特征，是由媒质结构的时变导致多径特性随时间而变，即若多次重复脉 冲探测试验，将会看到接收脉冲串的变化，包括各脉冲大小和脉冲问相对时延的变化。由于时 间变化对于信道上的用户而言不可预测，因此，统计表征时变多径信道是合理的【3 j 设发送信号表示为： s ( f ) = r e s ) p 7 2 。肛】 假设存在多条传播路径，且与每条路径有关的是传播时延和衰减因子， 的变化而随时间变化于是，接收信号可表示为： ，( f ) = 吒( t ) s ( t - q ：。( f ) ) ( 2 - 1 ) 两者都因媒质结构 其中，口。o ) 和l ( f ) 分别是第n 条传播路径上接收信号的衰减因子和传播时延， ( 3 6 ) 可得： ，= k 莓c 咖口f 饥( f ) 唧o - r ( t ) e j 2 x f ： ) ( 2 - 2 ) 将式( 3 - 5 y 心入 r 2 - 3 ) 东南大学硕士学位论文 其相应的等效低通信号为： ，l ( ，) = z o t 。o 弦2 胁o j ，( 1 - - t 。( f ) ) 因此，等效低通信道可用如下时变脉冲响应描述： h ( ；f ) = 口。( o p 2 如_ t ；( c - - t 。( ，) ) ( 2 _ 4 ) p 5 ) 对于某些信道，把接收信号看做由连续多径分量组成并表示为积分形式更合适： ，( f ) = 口( 叫j ( ，) d r ( 2 - 6 ) 其中，口( f ；，) 表示延时f 和t 时刻信号分量的衰减将式( 3 5 玳入式( 3 1 0 ) ： ，( f ) = r c 毗力e j 2 x f c r s l 胁 嘶) ( 2 - 7 ) 因为上式的积分表示j f o ) 和等效低通时变冲激响应口( f ；f ) 的卷积，故有： h ( r ；t ) = 口( f ；f 弦- j 2 t t 口 。 ( 2 8 ) 式中，h ( r ；f ) 表示t f 时刻施加的冲激在t 时刻的信道响应。于是式( 3 1 2 ) 是等效低通冲激响应 的合适定义。适用于连续多径信道的结果。 当冲激响应矗( f ；f ) 建模为零均值复高斯随机过程时，则任何时刻t 其包络为瑞利分布，此 时该信道称为瑞利衰落信道；若媒质中除了随机运动散射分量外，还存在固定散射或信号反射 分量，则 f ) 不再具有零均值，其包络具有赖斯分布，此时该信道称为赖斯衰落信道。 2 1 2a m 信道建模 数字调幅广播信道可分为长波、中波和短波3 种，其中短波信道又可分为典型的、恶劣的 和非常恶劣的。对其建模方法是使用统计平稳的随机时变模型，通过对基本模型采用不同的参 数来定义较好、一般、恶劣的信道。使用由下式定义的宽平稳不相关散射模型( w s s u s ) 。其中 s ( t ) 是输入信号的复包络，y ( t ) 是输出信号的复包络： 三 y o ) = p k c t ( t ) s ( t 一 ) ( 2 9 ) 这是一种抽头延迟线模型，其中，k 和。分别是第k 条路径的衰减和相对多径时延。时变抽头 权重k o ) 是零均值复数平稳高斯随机过程，其幅度k ( f ) l 是瑞利分布，相位m ( f ) 是均匀分布。 每一个权重 靠( r ) 对应着一个由其方差和功率谱密度( p s d ) 定义的随机过程。方差表明经过 该条路径后信号的平均能量，由相对衰减值风定量；p s d 决定该路径的时变程度，其带宽由其 多普勒扩展d 。定量表示。p s d 的中心频率表明该路径的平均频移，由其多普勒频移d m 表示。 可以让白噪声通过一个滤波器来对每条路径上的p s d 进行建模： 垡二丝 g = 。1 日( 州2 ，1 日( 州2 = 7 击p 2司(2-10) 、z 刀盯二 其中日是滤波器传输函数。这样建模后，g 就变成瑞利分布的。多普勒扩展被定义为双 边的且包括了6 8 的功率，因此z k = 2 0 d 。表2 - 1 给出了长波、中波、典型短波、恶劣短波 和非常恶劣短波信道所对应的信道参数【4 】 6 第二章数字a i v l 广播的系统概念 表2 1 数字调幅广播的信道参数 信道i ( a w g n )g o o d ：l f ，m f 和i - i f ；t y p i c a l m o d e r a t e ：h f 路径1路径2路径3路径4 延时( f ) 0 路径增益( p ) l 多普勒频移( d “) o 多普勒扩展( d 。) o 信道2 ( r i c ew i t hd e l a y )t y p i c a l m o d e r a t e ：m y 和h f 路径1路径2路径3路径4 延时( a 。) 0i m s 路径增益( , o k ) io 5 多普勒频移( d d ) o0 多普勒扩展( d 。) 00 1 h z 信道3 ( u sc o n s o r t i u m )t y p i c a l m o d e r a t e ：h f ； b a d ：m f 路径1路径2路径3路径4 延时( 。) 00 7 m s1 5 m s2 2 m s 路径增益( p ) lo 7o 5o 2 5 多普勒频移( d 。 ) o 1 f l zo 2 h z0 5 h zi 0 h z 多普勒扩展( d 。) 0 1 h z 0 5 h z1 o h z 2 o h z 信道4 ( c c i rp o o r )g o o d ，t y p i c a l m o d c r a ”，b a d ：h f 路径1路径2路径3路径4 延时( 。) 02 m s 路径增益( p 。) ll 多普勒频移( d 。) 0o 多普勒扩展( d 。) 1 h zl h z 信道5 ( c h a n n e l5 ) g o o d ，t y p i c a l m o d e r a t e ，b a d ：h f 路径1 路径2 路径3路径4 延时( 。) 04 m s 路径增益( p 。) li 多普勒频移( d “) 0o 多普勒扩展( d 。) 2 h z2 h z 信道6 ( c h a n n e l6 1g o o d ，t y p i c a l m o d e r a t c ，b a d ：h f 路径i路径2路径3路径4 延时( ) 02 r i m4 h i s6 m s 路径增益( p 。) 0 5 io 2 50 0 6 2 5 多普勒频移( d “) 01 2 h z2 4 h z3 6 h z 多普勒扩展( d 。) 0 1 h z2 4 h z 4 8 h z7 2 h z 2 2 复用 因为数字广播码率有限，因此在对所有传输进行适当保护的基础上，在效率和灵活性之间 进行平衡非常重要。在系统设计时，对主要的负载数据和其它各种帮助接收机对节目进行搜索 和解码的数据要区别对待。更迸一步，对负载数据本身也可以使用不等错保护( 可选的) ，也 即对数据的重要部分采用更高的保护。 7 东南大学硕士学位论文 主负载数据称为主服务信道( m a i ns e r v i c ec h a n n e l 。m s c ) 4 1 。同时还有两个辅助信道，分 别是快速接入信道( f a s ta c c e s sc h a n n e l ，f a c ) 和服务描述信道( s e r v i c ed e s c r i p t i o nc h a n n e l , s d c ) 。这两个信道是确保接收机操作更为简单的关键，被设计为可以在恶劣环境中保证可靠 接收，与主服务信道使用不同的前向纠错方案。 f a c 是为了让接收机在捕获到信号( 开机或调台) 时进行快速解码1 4 1 。这个信道中有少量 不断重复的数据，对这一接收时刻很关键，比如通知接收机目前所用的带宽，s d c 和m s c 分 别使用什么调制方式，m s c 使用了多长的交织器，等等。 s i x ：包含相对更多一些的数据。也是重复发送，但为了保持效率重复周期更长一些 4 1 。它 包括了m s c 中可用服务的标识，以及更进一步地用来指示接收机对每一个服务如何解码的信 息。这里也可以包括一些该节目的其它可选频率以及节目进度表。 最后，其它信号都用来传输m s c ；在有限的数据速率下，一般只能承载一个音频节目加少 量数据，但为了有更大的灵活性，m s c 可以包括i 至4 个数据流。流和服务按如下区分：一个 音频服务可以包括一个运载音频的流，以及可选的一个运载数据的流；一个数据服务包括一个 运载数据的流。 2 3 信道编码和调制 一旦使用天波传播，就必须克服多径传播。天波传播时延迟扩展可多达数毫秒。这与( 1 带宽) 相比是一个很大的值，使得数字调幅广播成为继d a b 、d v b - t 之后的，c o f d m ( c o d e d o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x ) 多载波调制的又一应用。同时需要小心在某些情况下 多普勒扩展也会很高，这使得数字调幅广播在某些方面难度比d a b 或d v b t 要大些。 c o f d m 的c 代表着必需的前向纠错编码( f e c ) 。f e c 使接收机可以应付噪声、衰落和 其它信道损害。和d a b 、d v b t 一样，编码基于一种卷积码，但是经过了一种更微妙的称为多 级编码( m u l t i l e v e lc o d i n g , m l c ) 的处理。 因为在本应用中可能出现平衰落及频率选择性衰落，因此同时使用时间交织和频率交织。 2 3 1o f d m 的基本原理 正交频分复用( o f d m ) 把高速数据通过串并转换，使得每个子载波上的数据符号持续长 度相对增加，降低了子信道的信息速率，将频率选择性衰落信道转换为平衰落信道，从而具有 良好的抗噪声、抗多径干扰的能力，适于在频率选择性衰落信道中进行高速数据传输。由于各 子载波之间存在正交性，允许子信道频谱互相重叠，与常规的频分复用系统相比，o f d m 可以 最大限度地利用频率谱资源。同时它在o f d m 中通过引入循环前缀，长度大于信道扩展长度时 可以有效地抑制符号干扰( i s i ) 。 o f d m 发射信号可由下式描述【5 】： j ( f ) = 专口j 仍，。( f ) 1 ，。t x 2 其中： c t , t ( f ) = 一h 7 弓x “以“( f 一正) = ： ：船- t q 8 ( 2 - 1 1 ) ( 2 1 2 ) ( 2 - 1 3 ) 第二章数字a m 广播的系统概念 后表示子载波标号，表示o f d m 信号数，置表示子载波数，表示符号持续时间，瓦表示一 个符号中有用部分的持续时间，t 表示保护间隔持续时间，q 乒表示第，符号第| 载波上的复数 据元 信号经过一个频率选择性衰落信道厅( f ，f ) = h i ( t ) j ( f f ，) 后，接收信号为 r ( f ) = h j ( t ) j ( f 一一) + 聍( f ) (2-14) f 在采样问隔= 朋? 上采样并去除保护间隔后，第，个o f d m 符号第一个采样值为 巧一= ，“疗+ g + ，) 刃。( 2 - 1 5 ) 通过f f t 解调后，得到的接收数据为 通过合理的参数选择，可以认为在一个o f d m 符号时间上，信道是恒定的。由文献【5 】，接 收信号可以表示为 2tj=nk|htl+|(2-in 正是利用这个结果，可以用简单的信道估计值来取代单载波系统中复杂的信道均衡器 2 3 2c o f d m 在本系统中的应用 被传送的数据首先通过卷积码编码，然后分配到一系列载波上进行调制和发射。每一个载 波因此码率较低，这使得多径扩展与符号长度相比较小，所以，加上一个小的保护间隔，在存 在多径的情况下l s l 可以被去除。更进一步，载波间隔被安排成时间窗长度的倒数，这保证了不 会发生载波间干扰( i c l ，在没有多普勒扩展的情况下) ，这被称为正交性准则。对许多载波同 时进行调制和解调的过程通过一个简单的快速傅立叶变换( f a s tf o u r i e rt r a n s f o r m , f f t ) 实现。 c o f d m 对通常的传输损害有着很好的抵抗力。比如说，一个载波被选择性衰落严重衰减 了，接收机可以注意到这点，把解调出来的该点数据标记成低可靠性。然后，信道解码器可以 把这一信道的状态信息用于解码过程。类似地，假如有足够的交织，当一个符号的所有载波都 被一个平衰落或冲激扰乱时，可能用一个类似的过程来解决这个问题。 由于插入了参考信元( 类似d v b - t 中的分散导频) ，所以可进行信道估计，还有一些更多 的参考信元用来帮助同步。 只有针对信道条件选择合适的参数( 载波间隔，保护间隔长度) 。c o f d m 的优点才能发 挥出来。如果保护间隔太短，性能可能会因为符号间干扰而恶化；相反，太长的保护间隔会造 成不必要的浪费。如果载波间隔太小，抗多普勒扩展的能力可能会不够。 考虑到可能会用在l f 、m f 、h f 频段以及不同的传播方式，数字调幅广播提供了一组“o f d m 参数集”( 载波间隔，保护间隔) 保持灵活性，适应各种情况。码率和星座图( 对m s c 而言是 1 6 - q a m 或6 4 - q a m ) 也可以自由选择。作为部分速率和可靠性的折衷。 4 组o f d m 里面的2 组被设计成可以应付大多数应用1 4 。一组参数是保护间隔2 必m s ，载 波间隔4 l h z 。这组参数是用在“具有较小衰落的高斯信道”，这比较适合于用在l f m f 的 局部地区覆盖。另一组参数用在。具有长时延扩展的时频选择性信道”，保护间隔5 m s ，载 9 回 0 g i拓 吖 p ， _ m = 东南大学硕士学位论文 波间隔4 6 i - i z ，还有一组更加密集的导频。长的保护间隔用于对付大的多径扩展，大的多径扩 展可能由多模式传播和天波传播引起。更大的载波间隔和导频密度用来对付多普勒扩展。 对于每一组参数集，合理安排载波使信号占有略少于标称带宽的频带。有多种带宽可选择， 包括标准带宽、双倍带宽和半带宽。标准带宽是9 和1 0 k l - i z ，因此共有6 种标称带宽：4 5 ，5 ， 9 ，1 0 ，1 8 和2 0 k h z 。 f a c 和s d c 如图2 - l 所示地被安插到信号中，这便于实现其各自的功能。 f 蒸 弋惑 it 上 j l i + 一传输帧一 l 基 e c 和m s c f a c 和m s c 荟 只有m s c 图2 1 数字调幅广播帧结构 因为f a c 要告诉接收机目前使用的带宽，所以无论使用哪种带宽，f a c 必须安排在4 5 k h z 内，这样接收机总能找到它。相同的原因，同步参考也必须安排在频带上的相同子集内。 时间上也必须有一个划分。一个传输超帧有1 2 s 长。被分为3 个4 0 0 m s 的传输帧，每个包 含了多个o f d m 符号。 参考信元的样式自始至终相同，但数据信元有一点不一样。在每个传输超帧开始的符号用 来只放s d c ，而其它符号用米放m s c 和f a c 。这种时分安排用来在接收机中方便地实现其它 频率切换( a l t e r n a t i v e 丘嘲u c ys w i t c h i n g , a f s ) 1 4 j 。 s d c 只包含重复发送的数据。一旦接收机获取了所有的信息，就不必再在每一个传输超帧 中对s d c 数据进行解码了。这意味着每1 2 s ，接收机有机会“看一下”其它频率正在广播什么， 然后及时回到主频率继续接收m s c 而不丢失任何数据。接收机设计者可以有多种方案来实现上 述的“看一下”，至少，接收机可以确定一个信号是否存在，估计一下它的强度。然而，更好 的设计是实现以下： 确定在其它频率上有与第一个频率上相同的服务( 如果是这种情况，那么所有的信号 有相同的s d c 因而相同的波形) ； 估计接收信号的质量； 初步确定相对的同步。 这样接收机可以决定这个另外的频率是否值得切换，然后继续下一步工作。 1 0 第二章数字a m 广播的系统概念 2 4 多级编码和交织 数字调幅广播和d v b - t 一样，使用q a m 星座图( 1 6 - q a m 或6 4 - q a m ) 把m s c 数据调 制到许多o f d m 载波上。每一个星座都可以加载几个编码比特。d v b - t 使用格雷码对星座点进 行编码。所有的比特无区别地用来决定一个星座点，因此每一比特从信道编码得到相同的保护 程度。然而，映射的本质导致所有的比特不是等概率出错，一个编过码的l s b ( 最小位) 比一 个编过码的m s b ( 最大位) 更易出错。这种不平衡没有它听上去那么糟糕，因为送进v i t e r b i 译码器不是硬判决( 0 或1 ) 而是一个软判决。平均而言，m s b 的软判决值会比l s b 的软判决 值表明更大的确定性，v i t e r b i 译码器会考虑这一点。然而也可以用另一种方案，这就是多级编 码。此时考虑到星座图上l s b 和m s b 不相等的错误概率，使二者来自两个码率不同的数据流。 也就是说考虑到接收端l s b 更易出错，故让l s b 以更低的码率编码一一更强的保护【6 】。 理论上，这将在效率上有一个改进一一在同样的信噪比、同样的误比特率( b e r ) 下单位 时间传输更多的比特。然后，如果选择了合适的映射，可以在接收端做进一步改进。简单起见， 图2 2 以1 6 - q a m 为例说明这种做法。 开始时，接收机并不知道4 个状态的哪一个被发送了； l l0 11 00 0 接收机首先从所有数据中解码得出l s b 。一旦这一步完成，接收机就知道了每一个星座图的l s b 酋比特绎讨了低码率编码) 简化t 对m s b 的解码t 加耍t 篇r 解码为。 如果l s b 解码为1 l l 0 1l o0 0 1 l 0 11 00 0 为了决定m s b 发射的是0 还是l ，接收机现在只需在两个相隔更远的星座点中做出选择，即使m s b 编码的码率高，也应当可以对其较可靠地译码。对这个过程可以更进一步地重复；知道了m s b 。 然后可以对l s b 再进行译码，如此继续。 图2 - 2 多级编码译码的步骤( 只画出了一个轴) 接收机首先从接收数据中解出编过码的l s b 。这得出了原先重点保护的一个数据流。这个 数据流被重新编码，所以通过修