（信号与信息处理专业论文）与模拟am广播兼容的数字am广播系统.pdf

摘要 摘要 本文是在分析数字无线电组织( d r m ) 数字广播标准的基础上，根据我国现有的调幅广播系统和 具体国情，分析论证了一种与模拟a m 广播兼容的数字a m 广播( d a m b ) 系统。相对于欧洲的d r m 标准，该方案无需改变现有的中短波广播发射和接收装置，简单易行。 我国现有的模拟a m 广播发射机只有模拟音频输入，而d r m 标准要求用基带信号分别控制发 射机载波信号的幅度和相位，这就需要对现有的调幅广播发射设备进行改造，费时、费力、费钱。 本方案可直接将编码的正交频分复用( c o f d 岣基带信号加载到现有模拟a m 广播发射机的模拟音频输入 口，用现有系统进行调幅发射；接收端则可沿用现有的中短波收音机，检波后从音频口导出c o f d m 基带 信号，再进行o f d m 解调、信道译码和信源解压缩，得到模拟音频信号斤输出。 中短波广播频道带宽为9 好k 或1 0 k h z ，d t m 标准装置同时发射幅度和相位信号，有效信号带宽为 9 k h z ，l o k | 王z ，而我们仅送实信号到音频口，实际信号带宽只有4 5 灶i 加珏k 。在带宽减半的情况下如何保 证系统的传输速率和声音质量就成了一个具有挑觇幽的问题。本文对此做了一些探讨，重点研究了其中一 些关键问题，如m s c 信号星座图映射的改进、6 4 d a p s k + o f d m 的应用、实调幅信号的获得、调幅信 号的包络检波以及o f d m 基带信号解调的实现等，并通过m a t 】a b 做了相应的仿真。 本文的体系结构主要是：首先介绍数字广播产生的背景，指出数字广播的优点及其广阔的市场前景， 然后分析了正交频分复用( o f d 岣系统以及t m 标准，在此基础上论述了我国d a m b 系统建议方案中的 若干关键问题，并进行了性能仿真和分析。 关镅i 词：数字a m 广播o f d md r m 调制解调包络检波f f td c t a b s t r a c t a b s t r a c t l nt h i sm e s i sad i 百t a la m b m a d c a 科i n gg g t e mc o m p a t b l ew i t ht h ee x j s t i n ga 1 1 a l o g 口s l e mi sp r o p o s e d b a s e do nt h ed r m s t a n d a r d ，a n da c c o r d l n gt ot h ep r a c t j c a li n s t a i l c eo f0 1 1 rc o u n 廿yt r a n s m j t t e r sa n d r e c e i v e r s0 f t h ee x l s t i n gb r o a d c a s ts y s t e mn e e dn o tt ob ec h a n g e da i l dc a ns t i l lb e u s e di n 也i ss c h e m e ，s oi t i se a s ya n ds i m p l et oi m p l e m e n t i n0 u rc o u m r yt h ej n p u ta u d i oo fe x i s t i n ga mt r a n s m i n e r sl ss t 1 1i na i l a l o gv e 商o n ，w h n ei nt h ed 州 s t a n d a r d ，i t sa i l lp l t l l d e 锄dp h a s eo ft h ec a 埘e ra r ec o n 舡训l e db yt h eb a s e b a n ds i g n a l ，s ow em u s tc h a n g e 廿l ee x i s t i n ge q u j p m e m s h o w e v e lo l l rs c h e m ed e s c r m e di nm j sa r t i c l ed o e sn o tn e e dt or e b u i l dm ee x i s t j n g d e v i c e s 1 nn 舶s m i t t i n ge n d ，c o f d mb a s e b a f l ds i g n a l i ss e n td j r e c t l yt o 慨a u d i oi n t e r f a c eo ft h ee x i s t i n g t r a n s m i t t e la n di nr e c e i v i n ge n d ，d i g i t a lc o f d mb a s e b a n ds i g n a ii sd e r i v e df r o mm ea u d i oi n t e r f a c e0 f c o m m o nr a d j ot ot h ed i 西t a lp r o c e s s i n gu n j t t h e na 1 1 a l o gs i g n a lc a nb eg a j n e da 1 1 ds e n tt oa n o m e ra u d i o j n t e r f a c ea so u t p u t t h eb a n d w i d t ho fm e d i u mw a v ea t l ds h o r t w a v ei s9 k h zo rlo k h z a m p | i t u d ea n dp h a s es i g n a lo f d r m s y s t e ma r es e n ts i m u l t 锄e o u s l ys om ea c t u 出b a n d w i d mo fm es i g n a li s9 k h z ，10 j z w eo n l ys e n d r e a lp a r to fm es i g n a lt ot i l ea u d j oi n t e r f a c e ，s ot h ea c t u a lb a i l d w i t hi sj u s t 叩l y4 5 k h 加l d j 互h o wt o g u 删t em ot r a n s m i s s i 彻r a t ea 1 1 dq u a l i t y ? t m sp a p e ra n s w e r st h j sp r o b l e i i ls o m ek e yp f o b l e m sa r e r e s e a r c h e de m p h a t i c a l l y ，s u c ha st h e 啪e l i o r a t i o no ft h em s cs i 印a lc o n s t e l l a t i o n g s 柚dm a p p i n g ，t 1 1 e 叩p l i c a l i o no f 6 4 一d a p s k + o f d m ，1 1 1 eg a j n i n gm e l l l o do f t h er e a la m p l i t u d es i g n a lt 1 1 ew r a pd e m o d u l a t i o n o f t l l ea m p i i t u d es i g n a l ，t l l ed e m o d u l a t i 伽o f 血eo f d mb a s e b 锄ds i g n a l 锄ds oo n a l l 血e s ep r o b l e m sa r e t e s t e di nm a t l a bs i m u l a t i o np l a t f o r m i nt 1 1 i sp a p e rw ei n 订o d u c et h eb a c k g m 咖do fd i g i t a la m b r o a d c a s 石n ga tf i r s 如dt h e n j n d i c a t e 廿l e s y s t e m sc h 啪c t e s t i c sa i l di t sw d em a r k e tf o r e g m u n d s e c o n d l yw ea n a l ”et h eo f d ms ”t e ma i l dd r m s t 柚d a r d a c c o r d i n gt ot h e s ew ed i s c u s ss o m ek e yp r o b l e m so fo u rc o u n t r y sd i g i t a la ms y s t e m ，a n dt e s t t h e i rp e r f b l a n c ea i l dg i v et h er e l e v 趾ta t l a l y s i s k e y w o r d s ：d i 百t a ia m ，o f d m ，d r ms y s t e m ，m o d u i a t e ，w r a pd e m o d u l a t i o n ，f f t ，d c t l j 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。 研究生签名：型量日期：巡，：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：燃鸯导师签名：日期：翌：z 可 第l 章绪论 1 1 第三代声音广播 第1 章绪论 广播，作为一种“一对多”的单向信息传输方式，正在从传统的模拟传输向先进的数字传输发 展。 作为声音广播本身，也已经历了三代： 1 ) 第一代是模拟调幅( a m ) 广播，其终端产品就是中短波( m w s w ) 波段的半导体收音机； 2 ) 第二代是模拟调频( f m ) 广播，其终端产品就是调频立体声收音机： 3 ) 目前的第三代是数字声音广播( d s b ) ，又受现有的频谱分配限制而有以下3 种类型： 数字音频广播a b ) ：1 9 8 8 年公开演示，高码率、宽频带，可达到5 1 环绕声的音质，但需 要启用新的频点，改造现有的发射机，制造专门的接收机，在我国没有推开。特别是数字电视地面 广播( d v b t ) 开播后，应该可以取代d a b 的业务； 3 卟m z 以上调频波段的数字声音广播：除副载波外，主载波的数字化尚未标准化： 3 0 m h z 以下调幅波段的数字声音广播：传统保留载波的模拟双边带调幅( d s b _ a m ) 广播占用 带宽很窄，能远距传播，相应的接收机即m w ，s w 收音机简单廉价，可高效、经济地实现大范围的 广播覆盖。因而近年来，主要发达国家竞相对现有的a m 广播进行数字化改造，使其能具有优质的 音质。目前利用现有频率资源和大功率广播发射机，在模拟a m 广播信道的9 l o k h z 带宽内，已经 达到甚至超过了模拟f m 广播的音质，而在双倍的带宽内，可以达到c d 的音质。而且系统能抗同 频和相邻频带干扰，传输的可靠性大大提高。 1 2 数字调幅广播系统产生的背景以及发展 数字广播是近年来兴起的一种新型的广播系统，其研究到现在也不过十几年的历史。它首先由 欧洲兴起，随后传入我国。调幅广播发展时间由来已久，接收工具简单，价格低廉，而且可以方便 地进行室内、外的便携接收与车、船中的移动接收，因此仍是世界上至今使用最广泛的广播媒体。 但是，传统的a m 广播仍停留在模拟信号的水平上，因此也有自己无法克服的缺点，比如声音质量差， 信号容易衰落等。因此，中短波a m 广播的数字化问题逐渐成为各国广播电视技术研究中的一个重要 课题。 1 9 9 6 年9 月，国际上些广播机构和设备制造商在巴黎举行会议，其中包括r f i 、t d f 、d w 、 v o a 及t h o m c a s t 等公司的代表。与会者产生了一个共识：3 0 m h z 以下的调幅广播传输要有比较好的 发展前途，必须做根本性的改进。同年1 1 月召开了一次包括广播机构、网络运营商、学院、研究中 心、发射机和接收机制造商及致力于数字调幅技术发展的组织在内的大型会议。会议决定成立专家 东南大学硕士学位论文 组，来定义一个称作d i 舀t a lr a d i om o n d i a l e ( d 褂哪的正式组织。此组织由广播机构、通信系统开发机 构和电子产品制造商组成，任务是： 1 ) 定义一个数字调幅系统，使之成为一种单一性、测试性、非私有性的世界标准： 2 ) 促进数字调幅( d a m ) 广播技术在全球范围的推广。 1 9 9 7 年在德国柏林召开的国际无线电展览会上，法国、德国和美国分别提出并展示了各自的 d a m 广播实验系统，即天波( s k y w a v e ) 2 0 0 0 、f m 和v o a j p l b 。 1 9 9 8 年3 月5 日，世界上二十多个国家的广播组织在广州正式成立了d r m 组织，并签署了“d r m 谅解备忘录”。在两天的研讨会中，法国、德国、美国分别介绍了各自的系统。最后达成共识，吸 收德国、法国和美国实验系统各环节的优点，进行合理搭配和组合制定出大家都能接受的最终标 准。1 t u 于1 9 9 8 年3 月2 4 臼发布新闻，表明d r m 和i t u 对制定3 0 m h 以下的单一数字广播标准 有着共同的兴趣，可结成战略联盟。 到1 9 9 8 年4 月为l e ，在研究的系统至少有6 个，其中4 个采用多载波调制方案：法国t h o m c a s t 的天波2 0 0 0 ；法国的c c e t t ) f 系统；美国的数字无线电( u s a d r ) ；美国的d r e 系统。另外两个 采用单载波调制方案：德国电信公司的系统( d t a g ) ；美国之音喷气推进实验室系统( v o a 胛l ) 。 1 9 9 9 年3 月，d r m 对法国天波2 0 0 0 和德国的t 2 m 两大系统进行了测试和评估，融合两种方案后在 1 9 9 9 年底向i t u 提交草案，采用了法国的o f 【) m + o a m 。2 0 们年2 月4 日，i t u 通过了i t u rb s l 3 4 8 1 建议即“3 0 m h z 以下数字声音广播的业务需求”“1 ，并于2 0 0 1 年4 月正式通过了d r m 的草案。同年 欧洲电信标准协会( e t s i ) 公布了d r m 系统规范。d r m 是当前唯一能够同时服务于长、中、短波频段 的数字广播系统。 2 0 0 3 年1 月3 0 日，国际电工委员会( i e c ) 表决通过了d r m 标准”1 ，随后d f t m 在2 0 0 3 年6 月1 6 日开 始正式广播。d r m 组织的研究认为：数字a m 广播( d r m ) 应保持在与模拟a m 广播相同的带宽。我国 广电总局无线局与法国n 王a l e s 公司利用基于d r m 标准的d a m 广播发射机和接收机在我国海南与 北京之间进行的系统实验演示已取得成功。国家广电总局已决定推进音频广播的数字化进程。研发 3 0 m h z 以下调幅波段的数字声音广播技术，掌握d a m 广播关键技术著进行系统的实际研究，将为我 国d a m 广播产业及其标准制定打下坚实的技术基础，将推动我国声音广播产业技术升级。 1 3 数字调幅广播系统的特点 目前，声音广播的全面数字化是全球大趋势，传统的模拟a m 广播占用带宽很窄，能远距离传送， 而相应的接收机结构简单，价格低廉，可以高效、经济地实现大范围覆盖。因而近年来，主要发达 国家纷纷对现有的a m 广播进行数字化改造，取得了较好的效果。 和模拟a m 广播相比，数字a m 广播具有很多独特的优点，主要有以下几个方面： 1 使用数字处理技术，可以显著提高a m 波段信号传送的音质，达到f m 或接近c d 水平。 2 可以与模拟信号传送兼容，在规定的带宽内，传送一个模拟信号，一个数字信号，实现同播， 2 第l 章绪论 逐步向全数字过渡。 3 由】二是数字信号传输，可避免电离层衰落和多径传播造成的干扰，确保接收的可靠性。 4 在传送广播节目的同时，还可携带附加的信息服务，扩展了服务内容。 5 数字信号抗干扰性强，发射功率可降低，若使用同等功率的设备，可扩展节目的覆盖范围。 1 4 数字调幅广播研究的重大意义 如上所述，数字a m 广播系统具有自己独特的优点。从我国的实际情况和国际广播实情来看，数 字a m 广播具有巨大的市场潜力。短波广播由于在国际交往中的极端重要性，各国仍继续大量投资支 持短波业务。今天，世界上有1 6 0 多家国际广播电台。美国的一项研究甚至认为：未米4 0 年，没有其 它媒体可有相同的优点替代短波( 某种程度上也适合于中波) 。据统计，全世界现在已有3 3 3 3 座短波发 射台，1 2 5 9 0 座中波发射台，2 5 亿台调幅收音机，其中7 亿台可接收短波广播。 我国是一个人口大国，地域广阔，具有大量的广播设备和听众。现在的对内对外广播广泛使用 a m 频段，短期内不会对现有设备完全淘汰，因此可以通过数字化改造实现数字信号和模拟信号的同 播。在从模拟a m 广播到数字a m 广播的过渡期内，通过数字化改造，可以改善传统广播的音质和传 播质量；另外，通过为现有的中、短波收音机加配数字a m 广播接收附件还可以引出相关的新兴产业； 可利用数字a m 广播频道传送各种附加数据及多媒体信息，开拓新的多工广播服务和业务。因此数字 广播市场前景十分广阔，具有重大的社会、经济效益。 1 5 论文的主要内容 本文首先提出数字广播的产生背景及其重大意义，结合d r m 标准并且根据我国的实际隋况，介绍适合 中国国情的数字从旷播系统的一些建议，然后用m a t l a b 平台对所采取的一系列方案进行仿真实验。各章 安排如下： 第一章为绪论。主要介绍数字调幅广播产生的背景，数字调幅广播的特点以及本研究的重大意义。 第二章介绍正交频分复用( o f d m ) 的基本原理，并捕述了数字a m 广播d r m 标准的系统组成、系统模 型及系统性能。 第三章根据我国现有的调幅广播系统和具体国情，分析论证了一种与模拟a m 广播向下兼容的、 基于c o f d m a m - d s b 传输体制的数字a m 广播系统。 第四章重点针对该数字a m 广播方案中的若干问题，提出解决办法，并通过m a l l a b 的仿真比较，得出了 结论。 第五章对全文进行了总结，并对数字a m 广播的未来发展做了一些展望。 东南大学硕士学位论文 第2 章正交频分复用与d 础系统 正交频分复用( o f d m ) 是一种特殊的多载波传输方案，它既可以看作一种调制技术，也可以当成 一种复用技术“1 。选择o f d m 的一个主要原因在于它能够很好地对抗频率选择性衰落或窄带干扰。 o f d m 最早起源于2 0 世纪5 0 年代中期，在6 0 年代就已经形成了使用并行数据传送和频分复用的概念。 现在这种技术广泛地应用于高频军事系统、无线通信系统和数字广播系统等领域。 2 1 正交频分复用简介 2 1 1o f d m 基本原理 o f d m 的基本原理就是把高速的数据流通过串并转换，分配到传输速率相对较低的若干个子信 道中进行传输。由于每个子信道中的符号周期相对增加，因此可以减轻由无线信道的多径时延扩展 所产生的时间弥散性对系统造成的影响，并且可以在o f d m 符号之间插入保护间隔，令保护间隔大 于无线信道的最大时延扩展，这样可以最大限度地消除由于多径而带来的符号间干扰( i s i ) 。一般采 用循环前缀作为保护间隔，从而可以避免由多径带来的信道间干扰( i c l l 。 o f d m 系统限定载波信号两两正交。若子频率分别为f o ，f n 。则各载波之间满足 五乏疋+ 七儡k = 0 ，1 ，n - l ( 2 1 ) 其中，正为发射载频，功码元持续时间。设o f d m 信号的发射周期为 o ，刀，在一个周期内传输的 个符号为( c m c g - 小q 为复数。用第个符号调制第t 个载波e 2 万，五氓+ t 弘4 ，为子载波 间的最小间隔，取d 产，厅。 当符号由矩形时间脉冲组成时，每个调制载波的频谱为s i m 詹形状，其峰值对应所有其它载波的 零点。图2 一l 为o f d m 信号的频谱。 图2 1o f d m 信号频谱 可见满足正交性准则。当所有载波组合在一起时，总的频谱非常近似于矩形频谱，频带利用率 理论上可达s h a n n o n 信息论极限。这一点同单载波系统相比具有明显的优越性。o f d m 信号为 4 第2 章正交频分复用与d r m 系统 x ( t ) 2 k 皆2 蚋) = r e 胁2 寸2 咖h 2 啪卜咿，( 2 2 ) s ( t ) ：窆如皿争，t 【o ，t 】 ( 2 3 )s ( t ) = 如“7 ，t 【o ，t 】( 2 3 假设以= 等为采样频率对s ( t ) 采样，则得离散信号 其中时间采样间隔厶= 去。 ( 2 4 ) 以，对s ( t ) 采样所得的_ 个样值 岛 正是 q ) 的离散反傅立叶变换( i d f t ) 。在发送端，对 o 弦 行i d f t ，再经过一低通滤波器得到o f d m 信号s ( t ) ；在接收端，则先对s ( t ) 采样得到 品) ，再对溉 进行离散傅立叶变换( d f t ) 得到o 。随着超大规模集成电路的发展，当取 k 2 ”( 为整数) 时，用i f f t 和f f t 实现很简单。o f d m 基带系统如图2 - 2 ，其中搬是要发送的符号，经过信道 ( f ，f ) 外加白高斯噪 声，肌是解调得到的符号。在发送端_ 个子载波的调制通过i d f t 完成；而接收端的解调则采用d f t 完成。 i i ，肼：i ) 玎 图2 2 基带o f d m 系统 2 1 2 多径衰落无线信道 无线通信系统的性能主要受到无线信道的制约”。发射机与接收机之间的传播路径非常复杂， 从简单的视距传播，到遭遇各种复杂地形如建筑物、山脉和树叶等。无线信道不像有线信道那样固 定并可预见，而是具有极度的随机性，特别难以分析。甚至移动台的速度都会影响信号电平的衰落。 电磁波传输的机理多种多样，不同频段的传播方式和特点也不同。对于f 和u h f 频段的通信 来说，电波传播的方式主要是空问波，即直射波、折射波、散射波以及它们的合成波。在陆地移动 系统中，移动台处于城市建筑群之中或地形复杂的区域，其天线将接收米自多条路径信号，再加上 移动台本身的运动，使得移动台和基站之间的无线信道多变且难以控制。例如，有许多高层建筑的 _ 州9 o _ 曩一 打 o b j d = 岛 东南大学硕士学位论文 大城市与平坦开阔的农村相比，其传播环境就有很大不同，两者的移动信道特性也大有差异。而传 播环境本身相当复杂，这就使得信道特性也十分复杂。复杂、恶劣的传播条件是无线信道的特征， 必须采用各种技术措施来抵消衰落的不利影响。多径衰落信道一般用一个线性时变系统来描述，信 道的冲激响应或频率响应随时问而变化导致传输信号在频率上的扩展，一般称为多普勒扩展；而信 道的多径特性导致传输信号在时间上的时延扩展。因此，多径衰落信道可以用多普勒扩展和时延扩 展来描述。多径时延扩展，导致发送的信号产生频率选择性衰落或频率非选择性衰落。而多普勒扩 展按发送信号相对于信道变化的快慢程度来比较，可以把信道分为快衰落信道和慢衰落信道。 在广义平稳不相关散射( w s s u s ) 模型( 多径信道之间相互独立) 下，信道可以用散射函数战t ，” 来描述。这可用来度量时延为t 、频偏为x 的信道的功率谱。 由此可得延迟功率谱曲( t ) 为 ，孓( f ) = is ( r ；五矽五( 2 5 ) 多普勒功率谱s 。( u 为 ( 丑) = is p ；五矽r ( 2 6 ) 定义延迟功率谱s 。( 口的非零部分为信道多径延迟，多普勒功率谱s 。( 柚的非零部分为信道的多 普勒扩展后。五越大，信道冲激响应随时问变化得越快。 1 信号的相干带宽埠是经受相同信道响应的信号带宽，b c * 。 ” 令z ( 力为传输信号的低通信号，砌是其频谱， ( f ，t ) 是时变多径无线信道的冲激响应，接收信号 的等价低通形式为 r o ) = 砸，咖p r ) 出= e 日圈矽2 删矿 ( 2 7 ) 如果砌的带宽矿比信道的相干带宽小得多，则姗的所有频率成分经历了相同的幅度衰落和相 位衰落，这样的信道叫做频率非选择性信道。反之，则称为频率选择性信道。 2 1 3o i m m 系统模型 我们研究o f d m 系统在慢时变信道下的系统模型。慢时变多径信道是指信道冲激响应变化率比 发送的基带信号变化低得多。信号通过慢时变多径信道时，由于信道加入了时变的多径时延和乘性 干扰，o f d m 系统发送符号有用部分加上循环前缀( c p ) “1 ，使循环前缀的时间长度疋大于信道冲激 响应的最大时延t 。时，如图2 - 3 。其中砟为o f d m 符号最后上个数据的时间长度。 由于多径时延可以破坏子信道间的正交特性，o f d m 利用在符号前面添加循环前缀，可以保证子信 道间的正交特性。图2 - 4 为增加了循环前缀c p 的o f d m 系统。瓦 是第n 个o h ) m 符号在第颤肛o ， - 1 ) 个载波上传输的值。 6 笙! 童垩至塑坌塞旦兰里! 竺墨竺 发送端信号瓯( m ) = z f y 7 ( 以。) 而接收端信号 图2 3o f d m 符号加循环前缀 图2 4 慢时变多径信道中的o f d m 系统 h ( 脚) = ( z ) 岛( m 一，) ，= 0 其中，m 2 0 ，_ 1 。 ( p 为第 个符号内子信道f 的冲激响应，长度m 。将加入循环前缀的o f d m 符 号表示为s ：( m ) 。经过信道收到的o f d m 符号： h ( 所) = 善训) s k ( 卅_ f ) = 善州) 舶( ( 卅- f ) m o d ) m = o ”拍l 。 ( 2 8 ) = 0 k 0 一一j 凰是发送第n 个符号时信道在第个载波上的传输函数。经过f f t 解调后的信号为： ，= 脚( ) ) = 盥，t 占( 七一f ) 胁( f ) = 工，屯陆( i )( 2 9 ) ，= 0 在慢时变信道中，由于c p 的添加，接收信号最 等于信道传输函数风( 与发送符号i 的乘积， o f d m 系统只要估计出信道传输函数，即可求出传送数据，消除了i s i 的影响。但是，c p 的引入 也带来了一定的性能损失。首先是系统损失了信号能量，其次，也降低了系统的有效频带利用率。 2 1 4o f d m 系统的特点m 与单载波系统相比，o f d m 结构简单，成本低，无需复杂的均衡器。o f d m 的抗干扰能力强， 通过多载波的并行将个单元码同时传输，来取代通常的串行脉冲序列传送，有效地防止了因频率选 择性衰落而造成的码间干扰。o f d m 带宽利用率高，合成信号的频谱非常接近于矩形，因此频谱利 用率可接近于1 0 0 。 7 东南大学硕士学位论文 o f d m 较好地解决了多径环境中的频率选择性衰落。然而它本身不能抑制衰落，各予信号在频 域的位置不同，相应地受到不同程度的衰落影响，各个子载波的幅度服从瑞利分布。同时，在信道 中还存在高斯白噪声，脉冲干扰等加性噪声，这就需要o f d m 系统以数字信号正交处理为基础，结 合信道编码，抑制较长的信道时延扩散。这就是编码的正交频分复用( c o f d m ：c o d e do f d m ) ，它 能够在较大的失真和突发性脉冲的环境下对传输的数字信号提供有效的保护。 要实现o f d m 也存在一些技术难点： 首先，它对同步的要求很高。因为子载波间隔较小，所以系统对由多普勒频移或收发端载波频 偏产生的频率偏差比单载波系统要敏感得多。o f d m 系统对定时的要求也很高。o f d m 是按帧传送 数据的，若帧定时发生偏差，落入c p 范围之外，系统的解调结果将完全错误。频偏会破坏子载波之 间的正交性，引起1 c i ，并且降低解调信号的信噪比。 其次，在o f d m 系统中可以采用差分检测技术来简化接收机”1 ，但约有3 d b 的噪声增强。若希 望提高系统性能，则需要在o f d m 中使用相干检测方式，这就需要进行精确的信道估计，获取绝对 参考相位、幅度的估计值，其难点是如何引入尽可能少的训练序列得到这些参考值。 第三，o f 【) m 系统多载波调制后的发送信号幅度变化很大，常会超出功率放大器的线性区域， 导致很高的带外辐射和i c i 。因此，也有必要降低多载波信号的功率峰均比( p e a kt oa v e m g er a t i o ) 。 2 2 d r m 系统简介 d r m 使用c o f d m ( c o d e do f d m ) 技术，亦即编码的o f d m ，它是调制与信道编码的组合。所有 的编码音频和相关数据，都均匀分配到多个相邻子载波上，而所有子载波都在分配的传输频道中。 当前3 0 m h z 以下无线电广播频道带宽为9 1 0 k h z 。d r m 系统可用于： 1 ) 标准带宽，以满足当前规划的情况； 2 ) 半带宽( 4 5 5 】( i z ) ，允许与模拟调幅信号联播； 3 ) 双倍带宽( 1 8 2 0 k h z ) ，在频率规划允许时可提供更大的传输容量。 2 2 1 信号类型 d r m 所能传输的各种信息在发送端的处理方框图如图2 5 。系统的输入可分为音频，数据信号和 信息数据两大类，各有其不同的用途，所以在信号处理上略有不同，应该根据信号和节目材料的类 型，选择适合的编码参数，才能达到数字d r m 系统的信号质量。 第一类信号，是指所要传送信号的内容即节目，不仅包含音频节目信号，还包含一些数据信息。 将多个信号加到一个复用器进行复合与处理后，获得的一路信号称为主业务信道( m s c ) 。主业务信 道最终要加到信道编码器中，其形成过程简述如下：输入的1 4 种业务通过复用器组合成一个信号 传输，扩展了传统a m 广播只能传送一套节目的单一性。其中每一种业务既可以是广播节日信号，也 可以是其它音频信号或数据。此外，还有一路数据信号经过一个单独的预编码器也直接加到复用器 8 第2 章正交频分复用与d r m 系统 中，与上述选用的业务信号复用在一起。它也根据信号的要求设有高、低两种差错保护等级。 第二类信号，专门用于给接收机提供相应的信息数据。由于d r m 接收系统采用自适应接收方式， 需要将发射端所选择的系统参数实时通知接收机做应变处理。它是由快速访问信道( f a c ) 和业务描述 i _ ? i 尊l 数僦流 篓医 矧。叫趾 l _ j 嚣悭 器刮鹳 耋摩峨 o f d m q 生成 图2 5d r m 传输信息的发送端处理方框图 信道( s d c ) 两个独立信道组成，两个信号不经复用而直接加至信道编码器。f a c 用来把发射端复用器 复合了哪种业务以及有关信道编码参数等信息提供给接收端，据此，接收机自动调整其解复用参数， 以便解调出各种传输业务，或者按照发射端的提示，改变接收频率和重新搜索信号。同样根据目前 射频带宽的要求，f a c 的帧周期也是4 0 0 m s 。s d c 用来向接收机提供复用器中的各种业务具有什么特 征。例如，同一个节目的下一个替换频率、频率时间表及其音频元的数据信息等。s d c 的帧周期为 1 2 0 0 m s ，是单一的数据信道，只用于给接收机提供如何解码、如何跟踪发射端的变化进行节目和数 据的有效接收等指导性信息。为了反映主业务信道的内容，总数据帧可能需要多次改变，另外f a c 还提供一个有效性函数，用于指出重复标记是否有效，因而有助于接收机确定应该何时自动切换频 率。s d c 的数据部分载有信息的数据实体。m s c 、f a c 和s d c 中的数据与导频信号一起加至多路复 用器，并进行信道编码。 2 2 2 编码与调制 信源编码器和预编码器将输入数据流变换成适当的数字传输格式。信源编码采用的是a a c 、 c e l p 、h v x c 等3 种可选方法。音频编码器具备音频压缩功能。在3 0 m h z 以下广播频段的无线电规 则和编码、调制方案应用参数的约束下，信渊编码的比特率可以是约8 k b ，s ( 半频道) ，约2 0 k b ，s ( 标准 频道) ，甚至达到约7 2 k b s ( 双频道) 。在音频压缩方面，d r m 使用m p e g 4a a c ( 先进音频编码) 方法， 并将其与c o d i n g t e c h n 0 1 0 9 i e s 公司开发的s b r ( s p e c t r a l b a n d r e p l i c a t i o n ) 技术相结合，构成当前世界上 能力最强的压缩方法。当节目是纯粹的语言内容如新闻时，d r m 系统码率甚至可以低到1 0 k b s 2 k b ，s 。播出语言节目时，使用c e l p ( 码本激励线性预测) 或h v x c ( 谐波矢量激励编码) 。s b r 电路的作 用是对慢速语言和低速音频信号进行预处理，即对编码器的高频损失进行加重，这项功能由发射机 值班人员操作。 9 ：蠢； 0 f d m 端凳睦刖嚣嚣 东南大学硕士学位论文 信源编码器和数据流预编码器的输出，包括需要不同保护等级的两部分，可在信道编码中采用 不同的误码保护，来提高系统在易错信道中的性能。所有业务都使用统一的这两种保护等级。复用 器用于合成所有保护等级的数据和音频，而能量扩散则用来降低传输信号中可能产生的有害规律性。 信道编码器添加冗余信息，并把数字编码信息映射到正交幅度调制( q a m l 符号中。d r m 系统对上述 携带不同信息的子载波进行正交调制，只使用1 6 0 a m 和6 4 一o a m 两种基本星座。通过可以同时改变 相位和幅度的正交幅度调制原理可知，对于多进制q a m 中的每个符号在调制中没有恒定的能量，而 且符号间的距离也不恒定，调制质量通常用一定接收误码率下的功率效率和带宽效率来衡量。带宽 效率高是指在有限带宽内可以容纳多个子载波，而功率效率高是指在有限功率下子载波信号可分配 的合理功率大，可见两者相矛盾。因此目前一般选1 6 一o a m 用于对质量要求高的语言节目，6 4 o a m 用于音乐节目。由于1 6 一q a m 的星座间隔比6 4 q a m 的大，抗干扰性能更好，当传输条件较恶劣时， 选择1 6 o a m 可显著提高接收音质。为了进一步加强信号传输质量，对于除m s c 外的其它信号，还 采用了四相相移键控( q p s k ) 调制，但音质稍差。在信道编码和调制这两个处理过程中，发送的数字 信号中还补充了交织块和导频块，以减轻传输路径带来的短时间衰落或平坦衰落。将编码和调制相 结台，可以提供非常好的传输特性。编码信号考虑纠错，并将其分配在多个被调制的子载波上发射， 可以使通常的干扰噪声和信号衰落( 称为信道衰落) 不再出现。符号交织把连续的q a m 符号分散成一 系列在时间和频率上随机分离的符号序列，以便在时间频率分散的信道中可靠传输。导频发生器为 接收机提供信道状态信息，保证连续解凋。o f d m 符号映射器集中不同类型的符号，将其定位于时 间一频率坐标中。o f d m 信号发生器采用统一时标，把每个符号组都转化成信号的时域样本。为了提 高o f d m 信号抗多径传输误码的能力，在传送码元中加有保护间隔，增加了传送的码元长度。解调 器中用来解调的窗口长度就是有效码元的长度。如果在传输路径中存在多个反射，则收发之间就不 只有一条路径，其长度不同，此时同一编号的码元到达接收机的时间就会稍有不同。如果迟到的码 元时间长度小于保护间隔| 吏度，那么它们在解调器窗口中的作用相同。在要求的频谱范围内，包括 数一模转换( d a ) 和滤波的功能，调制器把o f d m 信号的数字样本转化成在空中传播的模拟信号。 信道编码采用分级的删除卷积码，星座图映射时，m s c 采用1 6 q a m 映射或6 4 q a m ，s d c 采 用1 6 - q a m 或4 q a m 映射，f a c 采用4 q a m 映射。其o f d m 符号参数如表2 1 所示。 表2 1d r m 系统中o f d m 符号参数 鲁棒模式 参数列表 ab c d 丁( 蛐)8 3 1 7 3 8 3 1 7 3 8 3 1 ，38 3 1 7 3 瓦( 聊5 ) 2 4 ( 2 8 8 ，) 2 1 17 3 ( 2 5 6 ，1 1 4 2 胆( 1 7 6 丁)9 “3 ( 1 1 2 ，) 毛( 舢) 2 2 7 3 ( 3 2 丁)5 ”( 6 4 ，)5 ( 6 4 x ，)7 1 3 ( 8 8 7 1 ) 毛l 1 ，91 44 1 1l l 1 4 i = 瓦+ t ( 粥) 2 6 2 ，3 2 6 2 7 3 2 0 1 6 2 ，3 弓( 珊s ) 4 0 04 0 04 0 04 0 0 0 一 蔓! 主里茎塑坌墨旦兰里垦竺墨竺 表中，毛( 瓦= 丁，为o f d m 调制时的i f f 聊f t 点数) 为一个o f d m 符号中有用部分的长 度，为引导间隔，i = 瓦+ 毛为o f d m 符号的长度。 传输信号是以传输超帧来组织的，每个传输超帧由3 个传输帧组成，每传输帧时间为l ，包含 m 个o f d m 符号，即巧2 mi 。 我们以模式a 为例，每传输帧的长度为4 0 0 m s ，每符号长度为2 6 2 ”m s ，所以每帧的符号数为 1 5 ，每符号长度中，有用部分k 度为2 4 m s ，引导间隔长度为2 2 “m s 。 2 2 3 系统模型 d r m 系统采用c o f d m 方案，其发射机是将语音和数据信息通过信源编码变为数字信号，然后 通过信道编码有选择地加入冗余保护，再通过o m m 调制、上变频后发送到d r m 广播的m w s w 频 段。其原理如图2 6 所示。 避打如盎莪 盎怠 图2 - 6d r m 发射机原理图 d r m 接收机将接收信号下变频为中频信号，再进行同步、信道估计、信道解码、信源解码后得 到原来的语音和数据信息。其原理如图2 7 所示。 b 鳇圃圃嗡瓣 2 2 4 系统性能 图2 7d r m 接收机原理图 d r m 系统中谱的占用和信道带宽参数如表2 2 所示。 在调幅波段，由于各发射机所能使用的射频范围很窄，因此，提供给数字音频信号的带宽也很 窄。此外，电波远距离传播会产生很强的干扰和失真。因此，需要高效的数字音频压缩方法和抗干 东南大学硕士学位论文 扰性好的调制方法，以有效补偿传输差错和传输中断。 d r m 系统在远程短波传输的情况下，如果有足够的信噪比，且多普勒传播和延迟传播在所选用 的传输模式的限度内，会取得良好的接收效果。在两个d r m 信号占用同一频道的情况下，如果一个 信号比另一个强很多，则强信号可被解调；如果二者强度差不多，则都不能解调。但如果两个d r m 信号完全相同，而且到达接收机的时间在保护间隔之内，则它们将互相增强而可以接收这是单 频网( s f n ) 的一个例子。d r m 信号可利用台式接收机、便携式接收机、车载接收机、软件接收机以 及安装了接收软件的掌上电脑或手机接收，可以在行驶的汽车中获得非常满意的收听效果。除了必 须在接收机中获得足够的信噪比外，唯能影响移动接收的因素就是因接收机相对于发射机移动而 造成的多普勒频移。试验已经证明，在普通车速下( 小于2 0 0 公里，j 、时) 不会有任何影响。对于一个模 拟双边带广播系统，从一个固定的发射点向给定的目标区域传输，只有改变发射机功率这一个发射 参数来控制广播的覆盖区域。而d r m 信号不但能改变这一个参数，还可通过信号的调制和传输参数 来调整覆盖区域。可以利用发射机的实时控制来确保提供一定等级的覆盖和信号可靠度。通过在目 标区域安排一定数量的接收机来收集当地信号的播出质量，并将此信息反馈到发射机。在发射点， 可以实时调整功率等级、信号调制和数据保护参数，来确保目标区的接收信号可以持续地符合要求 的质量等级。为了完成此功能，发射机和目标区之间需要安排回传通道，以保证在传输通道的限制 范围内，d r m 信号能获得最强的接收。 从d r m 发射机发射出去的d r m 信号是数字信号。在实际变化的传输通道中，发射信号取决于对 传输通道的修正。例如地波信号的情况下，在白天通过中波传输的信号，取决于变化的人为噪声和 电子噪声的等级。可以根据使用的频率、地形、建筑物、隧道和桥梁的阻挡米调整信号等级，控制 接收到的信号的信噪比。国际广播间的短波频率干扰，很多是由于对不同的服务区广播发生的，如 果能把信号控制在标准的等级之内，则既能保持最佳播出质量，又能节约能源，同时也