（信号与信息处理专业论文）drm系统研究与drm接收机中解复用器的设计.pdf

中文摘要 a m 广播以其广泛的覆盖面和简易的接收机，已经深入人心。但是，随着听 众的欣赏水平的提高和日益丰富的娱乐信息来源并且a m 广播的音质不如f m 广 播更不及其他数字化的娱乐节目，人们开始慢慢放弃a m 广播了。在这种情况下， d r m 广播的出现给a m 广播带来了新的希望。d r m ( d i g i t a lr a d i om o n d i a l e ) 保留传统调幅广播的优点，克服传统a m 广播的缺点，为无线电广播特别是调幅 广播带来的新的发展契机。 本文首先分析了传统a m 广播的现状、优点、缺点，明确了d r m 广播的目 标和需要满足的条件，并简单介绍了d r m 广播的优势和工作流程。其次，研究 和分析了d r m 系统结构和传输模式，并对几个关键的技术进行了简要的介绍。 d r m 的发射系统是由信源编码、复用、信道编码和q a m 调制、o f d m 单元映 射和o f d m 符号生成、射频调制几个部分组成的。在接收端，信号的流动方向 与上述的顺序相反。为了满足不同的运行条件，不同频道和不同条件的传输可选 用不同的传输模式，每一种传输模式由信号带宽的相关参数和传输效率的相关 参数定义。最后，论述了d r m 软件接收机和解复用器的设计。复用器的设计是 用v i s u a lc + + 实现的，其主要功能就是把经信道解码的m s c 数据解复用为音频 数据和应用数据。首先根据s d c 和f a c 中相关参数提取要处理的数据的位置信 息，然后按照有分层帧和无层帧两种情况完成音频和数据信息的提取工作。文中 最后还给出了整机调试的结果，结果显示解复用可以正常工作。 关键词：a m 广播d r m 系统解复用器软件接收机 a bs t r a c t a mr a d i oi st a k e nf o rg r a n t e d ，f o ri t sl a r g ec o v e r a g ea n ds i m p l er e c e i v e r h o w e v e r , r a d i ol i s t e n e r sa l eb e c o m i n gm o r es o p h i s t i c a t e da n dd i s c e r n i n g ，a n dh a v e m o r es o u r c e so fe n t e r t a i n m e n ta n di n f o r m a t i o na v a i l a b l et ot h e ma 1 1t h et i m e p r e s e n t a mr a d i oc a r r o tm a t c ht h es o u n dq u a l i t yo ff mr a d i o ，l e ta l o n ec d sa n do t h e r d i g i t a l l ys t o r e do rr e c e i v e df o r m a t s ，s ol i s t e n e r sh a v ee v e r yi n c e n t i v et od e s e r ta m r a d i o k e e p i n gt h es t r o n g p o i n to fc o n v e n t i o n a la m r a d i oa n da v o i d i n gt h ew e a k n e s s o fi t , t h ea d v e n to fd r m ( d i g i t a lr a d i om o n d i a l e ) i san e wc h a n c ef o rt h e d e v e l o p m e n to fw i r e l e s sb r o a d c a s t i n g ，e s p e c i a l l ya mb r o a d c a s t i n g i n t h ef i r s tp l a c e ，t h i sp a p e ra n a l y z e st h ec u r r e n tc o n d i t i o n ，m e r i t sa n df l a w so f c o n v e n t i o n a la mr a d i ot om a k et h ea i m sa n dr e q u i r e dm a t t e r so fd r mc l e a r a l s o ，t h e a d v a n t a g eo fd r ma n di t so p e r a t i o np r o c e d u r ei si n t r o d u c e d t h e n ，i tr e s e a r c h e sa n d a n a l y z e sd r ms y s t e mc o n s t r u c t i o na n dt r a n s m i t t i o nm o d e s ，a n di n t r o d u c e ss e v e r a l k e yt e c h n i q u e so fd r ms y s t e m d r m 们n s m i s s i o ns y s t e mi sc o m p r i s e do fs o u r c e e n c o d e r s ，m u l t i p l e x e r , c h a n n e le n c o d e ra n dq a mm o d u l a t i o n ，o f d mc e l lm a p p i n g a n do f d ms i g n a lg e n e r a t o r , r fm o d u l a t i o na n ds oo n a tt h er e c e i v e re n d ，s i g n a l f l o w si nt h ei n v e r s ew a yo fa b o v e d r ms y s t e mo f f e r sd i f f e r e n tt r a n s m i s s i o nm o d e s f o rv a r i e db a n d sa n dc i r c u m s t a n c e s e a c ht r a n s m i s s i o nm o d ei sd e f i n e db ys i g n a l b a n d w i d t hr e l a t e dp a r a m e t e r sa n dt r a n s m i s s i o ne f f i c i e n c ym l a t e dp a r a m e t e r s f i n a l l y , t h ed e s i g no fd r ms o f t w a r er e c e i v e ra n dd e m u l t i p l e x e ri sd i s c u s s e di nt h i sp a p e r 乃e d e m u l t i p l e x e ri sd e s i g n e dw i t hv i s u a lc + + ，w h j c hi su s e dt od i v i d et h ea u d i od a t aa n d d a t aa p p l i c a t i o ni nm s c t h ef i r s tt h i n gt od oi st oe x t r a c tt h ep o s i t i o ni n f o r m a t i o no f p r o c e s s e dd a t a ，a n dt h es e c o n dt h i n gi st og e ta u d i od a t aa n dd a t aa p p l i c a t i o ni n d i f f e r e n tw a y sa c c o r d i n gt ow h e t h e rh i e r a r c h i c a lf r a m ei sa p p e a ro rn o t i nt h el a s t p a r to ft h i sp a p e r , s o m et e s tr e s u l t sa r ep r o v i d e dt op r o v et h a tt h ed e m u l t i p l e x e rc a l l w o r kw e l l k e yw o r d s ：a m b r o a d c a s t i n g ，d r ms y s t e m ，d e m u l t i p l e x e r , s o f t w a r er e c e i v e r 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，论文中不包含其匏入已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书两使用过的材料。与我一阕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：禹怎云 签字日期： 2 口。了年f 月唔墨 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权蕉鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据麾进行检 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。 ( 保密既学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：高嘉云 导师签名： 鑫移醢 签字日期：2 0 叩年1 月妇签字日期：”q 年f 月吖日 第一章绪论 1 1 课题背景 1 1 1a m 波段的使用情况 第一章绪论 首先介绍当前a m 波段的使用情况。地波和天波两种传输模式的属性使得 a m 波段有着很广泛的应用。a m 波段又可分成三个部分：l w ( 长波) 、m f ( 中 波) 和s w ( 短波) 。 图1 = 1a m 波段的电波传输 l w 波段是位于低频率的波段，地波传输使得单个发射机就可以实现大范围 的频率覆盖，很适用于国家广播或更大范围的广播。但是长波就意味着大型的发 射天线，因此只有大范围的频率覆盖是必须的并且在天线上的投资是物有所值的 时候才会使用该波段。l w 在欧洲很流行而在美国就基本不用。 m w 波段在全世界都可以使用并且有很广泛的应用。虽然它的地波传输效率 没有l w 那么高，但是在白天的时候覆盖面还是很好的。一个发射机或由几个发 射机组成的小网络可以实现国家范围的频率覆盖( 因国家大小而异) 。同时，单 个的低功率发射机就可实现这个波段在某一地方的广播。在电离层的d 层【1 】的吸 收能力减弱的夜晚，天波传输和地波传输会同时存在。两种传输方式的并存既有 好处又有坏处。增强后的传输会带来干扰，例如，一个很远的电台白天的时候听 第一章绪论 不到，晚上却成为要听电台的背景，是一种噪声。还有所谓的自干扰由于天 波信号比地波信号传输距离的差异致使到达接收机的时间也不同，信号的衰退和 失真就形成了多径现象。然而，增强后的传输还可以在国际广播有很好的应用， 实现地波传输到达不了的地区的频率覆盖。 s w 波段通过天波传输，主要用于世界范围内的广播。以s w 频段传输的广播 可以到达距离很远的国家，甚至可以直接传过半个地球。然而考虑到可靠性和接 收的灵活性，大多数的广播商会把发射机设在离目标接收区域较近的地方。s w 频段的低频端还可以用于热带国家或者一些大国家的频率覆盖。所有的这些应用 都依赖于天波传输，这就意味着它要受到电离层状态的影响，与为期1 1 年的太 阳黑子周期有着密切的关系，同时还会有很多随机的因素也会对它产生影响。因 此，对于广播商来说，使用s w 频段就要不断的改变频率，同时除非广播的时间 很短，在一个节目期间也会改变频率。另外，预测的不确定性和为实现不同的部 分较大的目标国家需要的不同的传输模式使得同时用两个或更多的频率传输节 目成为必要【z j 【引。 1 1 2a m 波段的优点和缺点 a m 广播的优点是 令覆盖范围广，很少的几个发射站就可达到国家或世界范围。 传播距离远，频谱利用率高( 带宽窄) ，固定接收和移动接收( 允许车速 1 0 0 0 公里d , 时) 有相同的质量。 夺a m 广播的接收机简单、廉价，并且在任何地方都可以工作。 a m 广播也有明显的缺点： 抗干扰能力很差，尤其是短波经常出现干扰，传输质量较差。 夺质量不高：带宽、噪声、干扰和衰减的综合影响。 s w 广播中频率的频繁改变和复杂的时间表使得接收机不好调谐。 ，不宜与先进的数字技术相结合 值得注意的是：前两个优点是a m 频段的基本的传输特性，也就是说无论技 术如何革新这两个特点都要保留。因此，问题的关键就成为如何在克服缺点的情 况下不损失第三个优点的核心部分。 1 1 3a m 波段的现状 目前，低于3 0 m h z 的各个广播频段还在以八十多年前无线电广播诞生时的 方式广播：把音频信息调制到无线电载波上，即所谓的幅度调制( a m ) 。因此， 这些广播频段通常叫做a m 波段，以与在v h f 广播波段广播的调频( f m ) 广播 第一章绪论 区分开来。 a m 波段对于无线电广播来说是很有用的，因为a m 广播的传输模式( 地波 和天波) 使得广播的覆盖面很大并且可以到达偏远地区，使得国际性的广播成为 可能。 a m 广播已经深入人心，据不完全估计目前在用的a m 接收机有2 0 亿台。但 是，随着听众的欣赏水平的提高和日益丰富的娱乐信息来源并且a m 广播的音质 不如f m 广播更不及其他数字化的娱乐节目，人们开始慢慢放弃a m 广播了【4 】。 因此，a m 波段的广播需要改进以适应新的形势。因为a m 频段的独特的覆盖 面特性，所以有充分的理由保留这个频段用于广播。需要改进的主要包括音质和 整个收听感受( 收听感受指使用是否方便，是否有附加信息，是否有简易的选择 等等) ，即更加“听众友好”。i s 一 为了达到上述的目标，就必须把数字处理技术应用到其中。在这样的情况下 d r m 应运而生。 1 2d r m 的发展情况 1 2 1d r m ：a m 的数字形式 为了选择合适的统一的数字a m 系统，1 9 9 8 年3 月在中国广州成立了数字a m 广播的国际组织d r m ( d i g i t a lr a d i om o n d i a l e ) 联盟。d r m 联盟的目标是开发数 字长、中、短波广播的世界范围的标准，并提供一个系统建议，供i t u 进行标准 化。经过紧张工作，d r m 提出了系统建议，并于2 0 0 1 年4 月在i t u 作为正式的 建议书而获得通过。d r m 系统在2 0 0 1 年l o 月被e t s i 标准化，并在2 0 0 2 年3 月 经i e c 通过，d r a m 系统规范正式生效，为a m 波段广播的数字化铺平了道路。国 际上不少广播机构的部分发射台，已经从2 0 0 3 年6 月1 6 日( 日内瓦召开i t u 无 线电行政大会) 开始，以d r m 方式正式投入广播运行，这标志着3 0 m h z 以下的 广播新时代的开始。d r m 系统是经过严厉的开路试验、技术成熟的系统。d r m 系统是世界上唯一的非专利的数字系统，用于短波、中波a m 和长波，它可以使 用已有的频率和带宽，是对模拟a m 广播的重大改善。d r m 系统充分考虑到了与 n u 现有的边界条件相一致以及与现有的模拟业务的兼容，并保证了由模拟广播 向数字广播的平滑过渡。【6 1 实现d r m 广播还必须满足下列几个条件【7 j ： 接收者感知到音质必须比a m 好，只有这样d r m 电台才可以与接收者 同样也能收听到的f m 电台竞争。目前a m 最明显的质量局限性在于音 第一章绪论 频带宽。除了本质的局限，降低a m 的质量的因素还有有限的信噪比、 或慢或快的衰减、多径选择性衰减、同频和临近频率间的干扰和由人为 原因和自然条件的原因造成的干扰。 d r m 信号必须在a m 波段的范围内，但是适当的灵活性还是允许的。 现存的发射机和接收机数量太大以至于从a m 到d r m 的完全转变需要 一个漫长的过程。还有就是频带已经极其拥挤，所以为了实现这个完全 转变，必须确保每个a m 电台可不麻烦并且不受地理或频率上临近的a m 电台的干扰就可以实现向d r m 的转变。这也就意味着不但r f 带宽适合 信道而且保护比例( a m d r m 、d r m a m 和d r m - d r m ) 和必要的载 波信噪比也需要合理关联。 令现存的发射机可以转换成d r m 工作方式的发射机。目前各个电台还有 各种类型的a m 发射机在工作，有的型号是很古老的。大多数还是利用 高层调制的变化来工作的，由此r f 信号的幅度由变化着的非线性的r f 放大器调制。数字调制信号可以看作与相位调制等价，只是还有幅度调 制。把这样的信号分成a m 和p m 两个部分就可以在a m 发射机中传输。 调幅信号只是替代了以前音频调制的输入，而载波频率的输入由调频r f 信号代替。这种情况下的调幅信号的带宽比音频信号的带宽大。另外， 调制器的工作频率必须可以低至零频率。有时候调制器已经足够修改滤 波器，而有的时候还得把它替换掉才能实现。 夺d r m 信号应该支持单频网络( s i n g l e f r e q u e n c yn e t w o r k ，s f n ) ：s f n 有 时候可与a m 一起使用。对于s w m w 网络来说，s f n 可以高效地利用 频谱资源是以在从两个发射机接收到的信号的强弱差不多的软块位置的 信号失真为代价的。因此，做规划时尽量把那些地方设在人口稀少的地 区。d r m 支持s f n 的好处是目前用两个或更多频率的网络和现在就在 使用的s f n 都可以转换为用s f n 工作的形式。在s w 上，s f n 可用于 国际广播，然而如果用a m 的话，频率覆盖的很多地方都会成为软块位 置。 对用户更加友好，也就是在各个方面改善用户的收听感受。收听者总是 选择听某个电台或节目，在a m 接收的时候他们需要明确地知道随时可 能改变的波段和时间表。而那些东西对于收听者来说是了无趣味的，使 用d r m 接收机收听者就不用在考虑那些事情了。与信号一起发送的一 些数据可以告诉听众( 通过显示屏、铃声或语音合成器) 收听的是哪个 电台，还可以为接收机提供如何跟随频率变化再找到它的信息并且提供 播放相同节目的其他可选择的频率。它还可以给出剧目预告信息。 第一章绪论 令广播商应具有处理固有性质或数据容量和不同环境的矛盾。如果在当地 由地波传送的节目，恰巧没有同信道和临近信道干扰，只需要很少的差 错保护就可以了，它的数据速率就可以相对较高。相反如果由天波传输 的远距离节目可能需要应付多径延迟扩展、干涉和很差的信噪比。广播 商应该有能力利用这个差别并在信道容量范围内使有效载荷最大化1 8 【9 】 o 1 2 2d r m 给a m 波段带来的福音 a m 广播的数字化，可以使声音质量得到明显的改善，通过好的质量再来吸 引听众。此外，数字化后，可以通过传输附加数据，例如电台名称和替换频率， 可使接收机的操作变得简单容易。 从能量的利用来看，a m 发射功率中的很大一部分是用于载波( 例如，当平 均m = 0 3 时，载波功率占发射总功率的9 5 7 ) ，对信号本身甚至完全没有好处。 现今中短波广播发射机功率都很大，与此相联系的是有相当高的运行费用。 从频率资源的利用来看，3 0 m h z 以下的广播波段有其特有的性能，它能实现 远距离和大范围的覆盖，是实现地区性、全国性及国际性广播覆盖的最好手段之 一，而且它的良好的快速移动接收特性是其它数字传播媒体所不能相比的。因此， 其它众多媒体的数字化并不能代替a m 广播的数字化。 模拟a m 广播数字化对听众、广播机构和发射与接收设备制造商都会带来好 处：首先，对于听众来说，除了得到良好的声音质量和接收机操作、使用简单方 便外，还可以得到如文本等数据业务的服务；对于广播机构来说，在振兴调幅波 段的广播的同时，数字广播可以有增值业务，具有节约发射功率( 在保持相同的 覆盖范围的情况下，发射功率起码可低6 d b ) 和节约频谱的能力( 有同步网运行 能力) ，可以说是既有显著的社会效益又有显著的经济效益；对于设备制造商而 言，通过数字化可以带来新的市场机遇，新市场的开辟会有良好的投资回报。【1 o 】 1 2 3d r m 系统的工作流程 一个数字声音广播系统的发射步骤： 音频信号必须转换为数字形式，由此产生的比特率高得不现实，所以还 要有一个削减比特率的过程，这就是所谓的信源编码； 令经过信源编码的数据和其他组成有效负载的数据复用到一起； 对有效负载的复用数据进行信道编码以增强健壮性； 把经信道编码的数据调制到r f 信号上发射出去。 在接收端接收机首先实现与信号的同步，然后再按下面的步骤把发射端的过 第一章绪论 程逆转： 解调； 信道解码( 纠正传输中的错误) ； 把信号解复用为各自的流： 信源解码( 从音频流中解得音频信号) 1 1 1 1 2 1 。 实际运行过程中，这些步骤并没有像这样明确的划分，但是概念上的划分仍 然很有必要，示意图见图2 1 。 1 3 论文的组织结构 图l - 2 数字调幅广播传输系统的原理图 第一章介绍了a m 广播的特点和应用现状及d r m 技术的发展的必要性和发 展情况。第二章介绍了d r m 系统的结构特点和d r m 的传输模式，还解释了d r m 系统中几个比较重要的技术特征。第三章详细介绍复用器的工作原理，对跟复用 有密切关系的s d c 数据实体进行了系统的说明。第四章介绍d r m 软件接收机 和解复用器的设计方法并给出了d r m 接收机整机运行的测试结果。 第二章d r m 系统分析 第二章d r m 系统分析 d r m 系统是世界上唯一非专利的，针对短波、中波、长波的数字调幅广播 系统的，可以利用全球现有的频率和带宽资源的，其接收效果明显优于模拟 a m 和f m 系统的，提供了模拟a m 的数字化改进方法。d r m 系统继承了一般 数据通信系统的结构特点，同时也有着它自身的独有的特点。 2 1d r m 系统结构 常规保护 卜躺峨 复 用 l 。l | 一 o f d骨 吗模m m 】，- ： 器 1 啾l | | | 至蕞i 堇曜旁 m _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 一 ： m l il _ 一 兀 同信道 。l 臻泊i ni 。网。网| ； f a c 、 映 一信r ：二二l| 一匕一巴l l 一 射 晷 挚圃 团坦羹； 图2 - 1d r m 发射系统方框图 图2 1 中所示的就是d r m 发射系统的方框图【1 3 】。主业务信道( m s c ) 包括 了d l w 多路复用所包含的所有业务的数据。多路复用可以包含一到四种业务， 每一种业务既可以是音频，也可以是数据。m s c 的总比特率是i 妇d r m 信道的带 宽和传输模式决定的。 快速访问信道( f a c ) 为接收机提供进行快速搜索的业务选择信息。它包括 接收机能够有效地开始解复用的有关信道参数信息( 如频带占有和交织深度) 。 它也包括关于在多路复用中的业务允许接收机解复用或变化频率和重新搜索的 信息。 业务描述信道( s d c ) 给出怎样对m s c 解码、怎样找到发射相同节目的替 换频率的信息，并给出在多路复用中的业务的归属。 第二章d r m 系统分析 信源源编码器和预编码器可以保证将输入数据流适应成合适的数字传输格 式。在音频源编码的情况下，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两种不同等级的保 护。所有业务都必须利用这两种保护或其中的一个。多路复用器将保护等级与所 有数据和音频业务结合起来。 能量扩散的目的是为了避免出现某些特定信号形式的可能性，能量扩散可以 通过给定的伪随机二进序列来实现。能量扩散用于主业务信道( m s c ) ，快速访 问信道( f a c ) 和业务描述信道( s d c ) 。 信道编码器是通过增加信息冗余来保证传输的准无误差，并将数字编码信息 映射到q a m 单元中。 单元交织器将连续的q a m 单元展开为在时域和频域都分开的准随机的单元 序列，以便提供在时间一频率弥散信道中的可靠的传输。 导频发生器为接收机提供信道状态信息，估计信号的相关解调。 o f d m 单元映射器将不同等级的单元集中起来并把它们放在时频栅格中。 o f d m 信号发生器以相同的时间序将每个单元组转换成时域来表示的信号， 通过插入保护间隔对信号的一部分进行重复，就可以从这些信号的时域体现得到 连续的o f d m 符号。在传输中，调制器将o f d m 符号的数字形式转换为模拟形 式。这项处理包括d a 转换和与频谱要求相一致的滤波。 2 2d r m 的传输模式 d r m ( d i g i t a lr a d i om o n d i a l e ) 系统适用于频率在3 0 m h z 以下，包括短波 ( s w ) 、中波( m 、聊和长波( l 叼在内的数字调幅广播标准。为了满足不同的运 行条件，不同频道和不同条件的传输可选用不同的传输模式，每一种传输模式由 信号带宽的相关参数和传输效率的相关参数定义。 2 2 1 信号带宽相关参数 a m 广播目前信道宽度为9 k h z 和1 0 k h z ，d r m 系统设计用于： 为满足当前的频道配置，工作于这些规定的带宽。 为同模拟a m 信号共同广播，工作于这些带宽的一半( 4 5 k h z 或5 k h z ) 。 当频率规划的限制允许时，工作于这些带宽的两倍( 1 8k h z 或2 0k h z ) ，以 提供更大的传输容量。 第二章d r m 系统分析 2 2 2 传输参数相关参数 对于任意信号带宽参数为了能够在传输容量( 有用比特) 和抗噪声性能，多 径和多普勒效应之间进行均衡，都定义了有两种类型的传输效率相关的参数【1 4 】： 编码率和星座图参数，定义传输数据时使用哪种编码率和星座图。 o f d m 符号参数，作为传播环境( 条件) 的函数，定义o f d m 符号结构。 ( 1 ) 编码率和星座图 为对每种业务或者一种业务的某些部分进行期望的保护，系统提供了一系列 选项，以便在某一时间提供一种或两种级别的保护。根据业务的需要，这些保护 的级别由信道编码的编码率( 如0 6 、0 8 ) 、星座图( 如年q a m ，1 6 - q a m ，6 4 q a m ) 或分级调制来决定。 ( 2 ) o f d m 参数组 o f d m 参数组中的每一套参数用于不同的传播衰减条件，以保证信号有不 同的键壮性。对于给定的带宽，不同的键壮模式用于不同的数据率，有四种典型 的键壮模式，如表2 - 1 所示。 表2 - 1 键壮模式详表 键壮模式典型传播条件 a有弱衰减的高斯信道 b有长时延弥散的时间选择性与频率选择性信道 c 与键壮模式b 相同，但有大的多普勒弥散 d与键壮模式b 相同，但有严重的时延和多普勒弥散 传输的信号由连续的o f d m 符号组成，每个符号由保护间隔及随后的有用 符号部分组成，每个符号是等间距的k 个频率上正弦波的集合。每个被称为“单 元”的正弦波随数据变化而有相应的幅度和相位。 每个载波以k 为序来表示，k 属于 ，k f 嗽】，k 曲是最低频率的载波， k 一是最高频率的载波，k = 0 对应于发射基准频率的载波。载波间隔啶符号有 效期t u 的倒数( f = l 厂r 。) ，根据使用的射频带宽，就可以计算出载波总数k 。 o f d m 符号与时间相关的参数是单位时间t 的倍数，t 等于8 3 彳伊，这些参 数为：t s ：o f d m 符号持续期；t 。：o f d m 符号中有有效持续期；t 。：保护间隔 持续期。o f d m 符号组合的传输帧持续期为t f 。 为了在解调处理中作为参考使用，每个o f d m 符号某些固定数量的单元采 用预定的幅度和相位传输，它们被称为“参考导频”。图2 2 中就是模式b 中的导 频分布方案。 第二章d r m 系统分析 t o o o 0o o oo oo 0o0 o。0 o o o oo “ 吒数据 导频 图2 - 2 d r m 导频分布方案 表2 - 2 0 f d m 符号参数 参数强壮模式a强壮模式b强壮模式c强壮模式d t ( 1 ts )8 31 1 38 31 38 31 ，38 3i ，3 k ( n l s )2 4 ( 2 8 8 7 ) 2 1i 3 ( 2 5 e d1 42 3 ( 1 7 e 1 )9i 3 ( 1 1 2 d t ( m s ) 22 3 ( 3 2 d 51 3 ( 6 4 1 ) 51 3 ( 6 4 1 )7i 3 ( 8 8 1 ) 量正 1 1 9l ，44 1 1 11 1 1 1 4 t ，一t u + t g ( m s ) 2 62 ，32 62 j ，32 01 62 ，3 i f ( m s ) 4 0 04 0 04 0 04 0 0 副载波间隔( h z ) 4 1 6 6 4 6 8 86 8 1 81 0 71 4 占用带宽( 髓电) 4 5 1 5 1 9 1 11 3 18 ，2 04 5 1 5 p l i o 1 8 2 01 0 ，2 01 0 2 0 载波总数1 叭4 6 19 1 4 1 11 3 8 2 8 08 8 1 7 8 o f d m 符号，传输帧1 51 52 02 4 o f d m 符号s d c 块 2233 s d c 净数据率( b ，。)1 3 4 1 4 0 01 0 3 1 0 9 22 3 5 1 0 0 01 2 1 5 4 2 ( 1 0 随z ，1 6 q a m 煸l 马率0 3 ) ( 6 6 5 )( 5 2 5 )( 4 7 0 )( 2 4 2 ) m s c 净数据辜( k b s )6 2 7 1 94 8 5 6 19 1 4 5 46 0 3 0 6 ( 1 0 奴6 q 脚吐编码辜0 5 ) ( 2 6 6 )( 2 1 0 )( 1 6 6 )( 1 1 0 ) 推荐工作频段l f ，m f ( 日)l 吁( 夜) ，i - i f阿i - i f 表2 - 3d r m 模式、数据率与带宽的关系 模式 带宽5 1 d - l z 带宽1 0 1 d - l z带宽2 0 k h z a m f ：1 2 8 k b p sm f ：1 2 8 k b p sm f - 1 2 8 k b p s i - i f ：8 9 k b p si - i f ：8 9 k b p sh f ：8 9 k b p s b m f ：1 2 8 k b p sm f ：1 2 8 k b p sm f ：1 2 8 k b p s h f ：8 9 k b p si - i f ：8 9 k b p st - i f ：8 9 k b p s c m f ：1 2 8 k b p sm f ：1 2 8 k b p s i - i f ：8 9 k b p sh f ：8 9 k b p s d m f ：1 2 8 k b p sm f ：1 2 8 k b p s i - i f ：8 9 k b p si f ：8 9 k b p s 1 0 第二章d r m 系统分析 表2 - 4 使用9 k h z 或1 0 k h z 时信道各种模式的比较 模式a bcd 调制 6 4 - q a m 1 6 6 4 - q a m1 6 一q a m1 6 6 4 一q a m 典型应用地波和电波天波不良天波垂直入射 保护间隔短长长最长 比特率 高 由 中低低 音频质量高 由 中“氐低 键壮性 由 高高很高很高 信号带宽相关参数定义了频率带宽的总量和一种传输模式所用的结构：传输 效率相关参数允许在容量( 可用比特率) 与抗噪声、多径干扰和多普勒效应之间 进行折衷。上面表2 2 详细说明了不同模式下o f d m 符号，表2 3 说明了d r m 模式、数据率与带宽的关系，表2 - 4 说明了使用9 k h z 或1 0 k h z 时信道各种模式 的比较。 2 3d r m 系统的几个关键技术 2 3 1 信源编码 信源编码的任务主要是解决数据存储、交换和传输的有效性问题，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。两者是矛盾的，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。 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 l ( 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处于8 k b s ( 半信道) 到大约2 0k b s ( 标准信 道) 、最高到大约7 2k b s ( x 2 信道) 的范围f 1 5 】【1 6 】。因此，d r m 系统必须选择压 缩效率最高，同时又有好的声音质量的信源编码方法。 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，以适应在数字a m 广播中不同节目( 音乐语言) 的不同带 第二章d r m 系统分析 宽的需要： ( 1 ) m p e g4 子集从c ( 先进音频编码) ，包括抗差错键壮性处理，用于普通 单声道和立体声广播； ( 2 ) m p e g4 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键壮性的情况下 应用； ( 3 ) m p e g4 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 和抗差错键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( 工具) ，它可以与a a c 、c e l p 和h v x c 联合应用，构成目前能力 最强的压缩方法。仅a a c 本身效率已经比盼m p 3 方法高出3 0 ，然而由于带 宽有限，仅使用a a 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 p s 左右的高级的音频信号，远不到i s d n 线路的l 3 。而m p 3 本身在可以 接受的质量下，也需要大约1 0 0 k b p s 的数据率。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【1 7 】【1 8 】【19 1 。 图2 3 所示的是d r m 系统信源编码、解码系统构成方框图。 编码器 固一 图2 - 3d r m 信源编码和解码系统 第二章d r m 系统分析 一、m p e g 4 a a c m p e g - 4 a 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 - 4 a 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往分析并利用人耳的“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。 在d r m 系统中a a c 数据流的细节为： 令比特率：a a c 可用于任何比特率。4 0 0 m s 的音频超级帧字节组合可以产 生2 0 k b p s 的a a c 比特率单元； 抽样频率：1 2 k h z 和2 4 k h z ； 变换长度：为保证一个音频帧在时间上相应于8 0 m s 或4 0 m s ，变换长度 为9 6 0 。这是为了协调c e l p 和a a c 帧长度，以便整个音频帧组成一个 持续期为4 0 0 m s 的音频超级帧： 今错误修复：在易发生错误的信道使用m p e g - 4 子集工具来改善a a c 比 特流的的错误修复能力： 音频超级帧：5 个( 1 2 k h z 取样频率) 或1 0 个( 2 4 k h z 取样频率) 音频 帧组成一个音频超级帧，其长度为4 0 0 m s 。 二、m 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 b r 频带展宽工具来提高。 m p e g - 4c e l p 编码的基本特征有： 支持2 种取样率，即8 k h z 和1 6 k h z 。8 k h z 取样率时音频带宽为1 0 0 3 8 0 0 h z ；1 6 k h z 取样率时音频带宽为5 0 , - - - 7 0 0 0 h z ； 夺比特率从4 2 0 k b p s ，可获得的比特率依赖于取样率； 令键壮的抗错能力； 第二章d r m 系统分析 夺整数个c e l p 帧可组成一个音频超级帧。 三、m 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 a r m o n i cv e c t o re x c i t a t i o nc o d i n g ，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 0 k b p s 和4 0 k b p 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 ) ( c ) 。h v x c 以8 k h z 取样率提供从1 0 0 h z 到3 8 0 0 h z 频段通信质量为市话一长话质量的语音。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。h v 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 0 k b s 和4 0 k b s 。为在有 错误倾向信道中增强解码键壮性，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) 。 d r m 系统中的m p e g - 4h v x c 可以在非常低的比特率如2 0 k b p s 情况下提 供合理的语音质量。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键壮性传输。 h v x c 编码的基本性能可归纳为： 8 k h z 的抽样频率； 固定编码率时使用2 0 k b p s 和4 0 k b p s 的比特率； 令任意数量的时间分级和强度调整； 令支持抗差错键壮性的句法，在有错误倾向的信道中，c r c 工具可用于改 善h v x c 比特流的纠错能力； 令固定整数个h v x c 帧( 2 0 ) 可组成一个音频超级帧