（通信与信息系统专业论文）drm系统中音频解码算法的研究及音频解码器的设计.pdf

中文摘要 a m 接收机实现简单，a m 频段具有独特的覆盖面特性，能实现远距离和大 范围的覆盖，是实现地区性、全国性以及国际性广播覆盖的最佳手段之一。同时， a m 广播良好的快速移动接收特性也是其它数字化多媒体所不能比拟的。因此， a m 广播多年来已经深入人心，根据不完全统计全世界就有大约2 0 亿台a m 广 播接收机。然而随着近年来其他多媒体娱乐技术的不断出现以及a m 广播自身 抗干扰能力不强等弱点的存在，a m 广播听众数量骤然下降。对此业界做了许多 努力，寻求改进或替代技术。其中，d r m 系统克服了传统a m 广播的缺点，并 且继承了它的优点，它的出现为调幅广播带来了新的生机。 论文中分析了d r m 系统的特点以及优势，提出了d r m 系统发展的科研价 值和现实意义。文中还对d r m 系统的结构、工作流程和系统中所用到的一些先 进的关键技术进行了研究分析，这些关键技术包括信源编码技术、c o f d m 技术 以及q a m 调制技术等。d r m 系统中的音频编解码部分是系统的核心部分，文 中论述了d r m 系统中的音频编解码的原理和音频编解码中的核心算法m p e g 4 a a c 的算法流程，并且对m p e g - 4a a c 音频编解码中的几个重要模块工具进行 了详细地分析和研究。 最后，在对音频编解码算法研究的基础上，文章对d r m 系统中的音频解码 器进行了软件设计实现，并且将其作为d r m 软件接收机的一部分进行了实验的 论证。结果表明，所设计的音频解码器能够实时稳定地工作。 关键词：d r m 系统、感知音频编码、a a c 、音频解码器 a b s t r a c t a mr 喇v e ri sv e r ys i m p l e ，a n di th a ss u c hal a r g ec o v e r a g ea b ! l i t yt h a ti th a s b e c o m et h eb e s tt o o lt oa c h i e v en a t i o n a la n di n t e m a t i o n a lc o v e r a g eo fr a d i o o t h e r d i g i t a lm e s a c a l ln o tb ec o m p a r a b l ew i 也i ti nm o b i l i t y t h e r e f o r e ，a mr a d i oh a sb e e n a c c e p t e db yp e o p l ef o rm a n yy e a r s a c c o r d i n gt ot h ei n v e s t i g a t i o n ，t h e r ea r ea b o u t t w ob i l l i o na mr e c e i v e r sa l lo v e rt h ew o r l d h o w e v e r , w i t ht h ee m c e eo fm a n yn e w d i g i t a lm e s aa n ds o m ed i s a d v a n t a g eo fi t s e l f , a mr a d i ol o s tm a n yo fi t sa u d i e n c e p e o p l et r yt of i n dan e wt e c h n o l o g yw h i c hc a nr e p l a c et h ef t m e t i o no fi t d r ms y s t e m i n h e r i t st h eg r e a ta d v a n t a g eo fa mr a d i oa n dd i s c a r d st h ed i s a d v a n t a g eo fi t d r m s y s t e mg i v e sa m r a d i oas e c o n dc h a n c e i nt h i sp a p e r , t h ed i s a d v a n t a g eo fd r mi sd i s c u s s e d , a n dt h ev a l u eo fr e s e a r c h i n g i ti sa l s oi n c l u d e d n ep a p e ri n c l u d e ss o m eo t h e ri n f o r m a t i o n , t h ef l o wo fd r m s y s t e m ，t h ea r c h i t e c t u r eo fd r ms y s t e ma n ds o m ek e yt e c h n o l o g i e su s e di nd r m ， s u c ha ss o u r c ec o d i n g ，c o f d ma n dq a mm o d u l a t i n g t h ea u d i oc o d i n ga n d d e c o d i n gi so n eo ft h ec o r e si nd r ms y s t e m t h ct h e o r yo fa u d i oc o d i n ga n dt h ef l o w o fm p e g 一4a a ca r ed i s c u s s e di nt h i s p a p e r i ta l s oi n c l u d e st h et h e o r ya n d a p p l i c a t i o no fs o m et o o l si nm p e g - 4a a c a tt h ee n d , t h es o f t w a r ed e s i g no fa u d i od e c o d e ri si n t r o d u c e di nt h ep a p e r , w h i c hi sb a s e do nt h ef o r m e rd i s c u s s i o no fa u d i oc o d i n gt h e o r y n es o f t w a r ei s d e b u g g e da n d r u na so n ep a r to ft h ew h o l ed r ms o r w a r er e c e i v e r , t h er e s u l to ft h e e x p e r i m e n ts h o w s t h a ti tw o r k ss t a b l y k e y w o r d s ：d r ms y s t e m , p e r c e p t u a la u d i oc o d i n g ，a a c ，a u d i od e c o d e r 附录 缩略语 a m ( a m p l i t u d em o d u l a t i o n ) ：幅度调制 d r m ( d i g i t a lr a d i om o n d i a l e ) ：世界广播集团 i t u ( i n t e r n a t i o n a lt e l e e o m m u n i c a t i o n su n i o n ) ：国际电信联盟 p c ( p e r s o n a lc o m p u t e r ) ：个人计算机 m p e g ( m o v i n g p i c t u r e e x p e l sg r o u p ) ：运动图像专家组 f m ( f r e q u e n c ym o d u l a t i o n ) ：频率调制 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 i n g ) ：编码正交频分复 用 q a m ( q u a d r a t u r ea m p l i t u d em o d u l a t i o n ) ：j e 交幅度调制 o f d m ( 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 i n g ) ：正交频分复用 q p s k ( q u a t e r n a r yp h a s es h i f tk e y i n g ) ：四相移相键控 a a c ( a d v a n e e da u d i oc o d i n g ) ：高级音频编码 c e l p ( c o d ee x c i t e dl i n e a rp r e d i c t i o n ) ：码本激励线性预测编码 h v x c ( 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 ) ：谐波矢量激励编码 s b r ( s p e c t r a lb a n dr e p l i c a t i o n ) ：频带恢复技术 p c m ( p u l s ec o d em o d u l a t i o n ) ：脉冲编码调制 u e p ( u n e q u a le r r o rp r o t e c t i o n ) ：不等差错保护 m d c t ( m o d i f i e dd i s c r e t ec o s i n et r a n s f o r m ) ：改进离散余弦变换 i m d c t ( i n v e r s e dm o d i f i e dd i s c r e t ec o s i n et r a n s f o r m ) ：逆改进离散余弦变换 d w t ( d i s c r e t ew a v e l e tt r a n s f o r m ) ：离散小波变换 t n s ( t e m p o r a ln o i s es h a p i n g ) ：时域噪声整形 c r c ( c y c l i cr e d u n d a n c yc h e c k ) ：循环冗余码校验 d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) ：数字信号处理器 f f t ( f a s tf o u r i e rt r a n s f o r ma l g o r i t h m ) ：快速傅立叶变换 6 0 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，也不包含为获得鑫鲞蓉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：李钆 签字日期砷年乡月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤壅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：巷钆 签字日期：2 唧年舌月f7 日 导师始8 多 签字同期：2 。0 7 年占月7 日 第一章绪论 1 1 课题产生背景 1 1 1a m 广播历史和现状 第一章绪论 a m 调幅广播是世界性的产物。早在2 0 世纪2 0 年代，世界主要国家就开办 了采用长波与中波的国内广播。1 9 2 7 年至1 9 3 8 年间，荷兰、苏联、德国、日本、 法国以及英国先后开始用短波对国外进行广播。美国则在1 9 4 2 年开办了对外广 播，美国之音现在已经成为世界上规模最大的对外广播电台。我国于1 9 4 0 年底 在延安新华广播电台正式使用中波和短波播出调幅广播，发展至今调幅广播已成 为我国对内、外广播、宣传的主要手段之一。 3 0 m h z 以下的长、中、短波广播一直以来使用的幅度调制( 蝴) 技术虽然 简单，易于实现，但是它的抗干扰能力比较差，特别是在短波波段出现的干扰更 加严重。由于上述原因以及调台操作方面的操作性不强等因素，加上受其他多媒 体技术普及的影响，a m 广播的听众数量大大下降，世界调幅广播业务面临前所 未有的挑战。 1 1 2a m 广播数字化是必然趋势 a m 广播多年来已经深入人心，根据不完全统计全世界就有大约2 0 亿台a m 广播接收机。此外，a m 频段具有独特的覆盖面特性，能实现远距离和大范围的 覆盖，是实现地区性、全国性以及国际性广播覆盖的最佳手段之一。同时，a m 广播的良好的快速移动接收特性也是其它数字化多媒体所不能比拟的。 对a m 广播进行数字化，不仅可以改善声音质量，而且可以实现附加控制数 据的传输，使得接收机的操作性大大增强。a m 广播数字化所带来的好处是多方 面的。对于听众，除了可以收听到良好质量的广播，实现了方便的操作，并且可 以得到文本数据等之前没有的信息。对于广播机构来说，除了振兴了传统的a m 广播、节约了发射机功率和频谱的能力以外，还可以开展许多增值业务，实现业 务的多样性。对于设备制造商而言，这一技术带来的是新的市场机遇和广阔的消 费市场。 第一章绪论 1 2d r m 系统 1 2 1d r m 的产生 在1 9 9 8 年以前，世界范围内曾经提出过5 种不同的数字a m 系统，有德国 电信与德律风根公司共同开发的t e l e k o m t e l e f t m k e nm u l t i c a s t 系统，美国之音和 喷气推进实验室的短波数字广播系统，法国t h o m c a s t 公司的天波2 0 0 0 系统等。 由于考虑到调幅广播是世界性的，尤其是短波广播，必须采用统一的制式和标准， 并进行世界统一的短波频率规划和分配。只有像模拟a m 广播那样，在世界范 围采用原理相同的发射技术和接收技术，才能使得新技术的产生带来实际的社会 意义。1 9 9 4 年，删要求世界各国提出数字a m 广播系统的建议，再由i t u 最 后提出统一的建议，推荐各国使用，这样就产生了d r m 。 。d r m 是d i g i t a lr a d i om o n d i a l e 的缩写，即世界广播集团。1 9 9 8 年3 月在中国 广州成立d r m ，同年7 月，国际电联的无线电部门批准d r m 为部门成员。2 0 0 1 年4 月i t u 通过d r m 的标准建议书( i t u rb s 1 5 4 ) 。欧洲电信标准化协会又在 同年9 月公布了d r m 第一版欧洲标准。2 0 0 2 年3 月经国际电工委员会通过，d r m 系统正式生效【2 j 。 1 2 2d r m 的优点 基于d r m 标准的数字a m 广播具有以下的优点： 1 ) 在保持相同覆盖的情况下，数字a m 广播发射机比模拟的调幅发射机的 功率可降低6 到9 d b ，降低耗能，这样就提高了发射机的效率。 2 ) 在标准带宽9 k h z ( 或l o k h z ) 的情况下，利用音频数据压缩技术以及 d s p 技术，可以达到f m 质量，在双倍带宽条件下，甚至可以达到c d 的音质。 3 ) 增强了信号的抗干扰能力，大大提高了信号传送的可靠性，消除了短波 衰落。 4 ) 可以对模拟信号进行向下兼容。在所规定的带宽内，d r m 系统可以同时 传送一个模拟信号和一个数字信号，有利于从模拟广播向数字广播的过渡过程。 5 ) 可以充分利用现有的中、短波频谱资源。 6 ) 如果对现有的中、短波广播发射机进行d r m 技术改造，改造的费用比 较低。 7 ) d r m 广播频率在3 0 m h z 以下，其传输能力和绕射能力都比较强，覆盖 范围大，适合进行移动接收和便携接收。 8 ) d r m 在提供广播信号的传送之外，还可以提供数据传输和增值业务【2 6 】。 第一章绪论 1 2 3d r m 在国内外发展状况 目前，在全世界以d r m 方式运行的广播电台的数量已增加到近7 0 个。根 据d r m 组织公布的资料显示，全天2 4 小时连续播出d r m 数字节目的频率有 1 1 个，其中的5 个中波电台主要集中在德国。此外，除了全天播放的d r m 发射 机外，全世界还有3 4 部每天运行2 至1 4 小时的发射机，以每天0 5 至1 小时运 行的发射机也达到3 2 部。 中国是调幅广播大国，在对d r m 技术的开发与应用方面也走在世界前列， 多个中央直属发射台以及地方台( 北京、浙江、广东、福建、湖南等) 都做过 d r m 发射试验。 在d r m 接收机方面，要求能够支持数字和模拟这两种形式的广播信号， 因为目前的模拟调幅广播在一定的时期内还将存在，在这个模拟向数字过渡的阶 段需要能够实现对模拟广播信号的接收。d r m 接收机主要有软件接收机和硬件 接收机两种。 d r m 软件接收机中最具代表性的是德国弗朗霍夫集成电路研究所开发的 f h g 软件接收机和德国达姆施达特大学开发的d r e a m 软件接收机。这两种软件 接收机在全世界估计有数千台。软件接收机需要有一个前端，为p c 提供1 2 k h z 模拟形式的c o f d m 信号。因为多数广播接收机的中频为4 5 5 k h z ，因此还需要 一个电路板能够将这个频率转换为1 2 k h z 的中频。软件接收机主要由信道解码 器、音频解码器、多媒体播放器三大部分构成。软件接收机致命的一个弱点就是 它使用起来不够方便，它需要一个改装过的模拟接收机和一台p c ，另外这样的 设备组成也决定了它不具备有移动性和便携性。这些对于传统广播用户来说都是 无法接受的。 d r m 硬件接收机从产生以来一共经过了三代； 第一代d r m 硬件接收机是由c o d i n gt e c h n o l o g i e s 公司和b b c 以及德国制 造商a f g 合作开发的。但是使用的不是专用芯片，接收机仍然采用交流供电。 另外这种接收机的价格也比较昂贵( 1 0 0 0 欧元) 。这样还无法满足广大消费者便 携性和廉价性的要求。 第二代d r m 硬件接收机是由m a y a h ，c o d i n gt e c h n o l o g i e s ，h i m a l a y a 和 a f g 合作开发的d r m 2 0 1 0 。第二代硬件接收机应用了最新的技术，是d r m 发 展的一个新的里程碑。特有的d r m 功能在一个专门为此开发的d s p 模块中实 现。比起第一代接收机，它的体积更小，而且价格也比较便宜( 7 0 0 欧元) 。 继此之后，在2 0 0 4 年9 月阿姆斯特丹国际广播会议上展出了i 由c o d i n g t e c h n o l o g i e s 公司和合作伙伴共同开发的第三代d r m 硬件接收机数字世界旅 行者( d i g i t a lw o r l dt r a v e l l e r ) ，这是世界上第一个u s bd r m 接收机，售价为1 9 9 第一章绪论 欧元。它与笔记本电脑或者p c 的u s b 口连接，通过提供的d i g i m lw o r l dt r a v e l l e r 接收机软件来收听d r m 、a m 和f m 广播节f it 3 1 。 1 3 课题的研究意义 我国是调幅广播的大国，长久以来模拟调幅广播在人们心目中已经留下深深 的烙印，丰富了人们的业余生活，是信息交流的重要多媒体手段。新世纪的实施 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。可以说，数字调幅广播在我国的潜在市场是相当庞大的。 d r m 数字调幅广播的出现不仅解决了模拟调幅广播抗干扰能力差等缺点， 而且在原先的传统广播业务的基础上又增加了数据业务，这使得许多的增值业务 成为可能，这将大大丰富调幅广播的内容，必定会吸引广大听众，对目前国内的 多媒体市场产生强有力的冲击。 另一方面，国际上对d r m 技术的研究以及d r m 接收机的开发已经进行了 多年并已经成熟。这样的国际条件对我们也是有利的，因为已经有了先进的国际 经验可以借鉴。但是如果不赶紧跟上时代的步伐，必定会失去国内这一广阔的调 幅广播市场。目前，国际上最便宜的d r m 接收机的价格为1 9 9 欧元，这在国内 来说是非常昂贵，难以接受的。因此，为了实现我国调幅广播的数字化进程，开 发一款性能稳定、价格低廉的d r m 接收机就成为了关键。 1 4 论文内容安排 本文一共由五章组成。第一章作为全文的绪论，对数字调幅广播的产生背景、 历史和实行数字调幅广播的必要性和可行性做出了介绍，并在最后提出了本课题 研究的科研价值和社会价值。第二章对d r m 的系统结构以及系统原理做了分析， 并对d r m 系统中所采用的一些关键技术，如信源编码、c o f d m 技术和q a m 调制等进行了介绍。作为文章核心部分的第三章和第四章，第三章对d r m 系统 中音频编解码所采用的m p e g - - 4a a c 技术在算法的层次上做了深入的探索，对 m p e g - 4a a c 中所采用的工具模块做了详细地分析；第四章对d r m 软件接收 机的软件设计和音频解码器的软件开发做了阐述。第五章则对所做的科研工作进 行了回顾和总结，并且在目前的研究成果的基础上对进一步的系统改进工作和课 题发展方向都进行了展望。 4 第二章d r m 的系统结构及关键技术 第二章d r m 的系统结构及关键技术 2 1d r m 系统的结构 2 1 1d r m 系统介绍 d r m 是3 0 m h z 以下的数字调幅广播的标准，采取c o f d m 传输方式，数 字编码音频和相关信息都被均匀分配到大量的相邻载波中进行传输。为了在降低 比特率的情况下依然能够得到很好的声音质量，d r m 采用了高效率的信源编码 技术。在保持与模拟a m 广播相同的带宽下( 9 k h z 或者1 0 k h z ) ，可以达到调频 ( f m ) 单声道广播的质量。在频谱允许的条件下，将射频带宽扩展为两倍( 1 8 1 d - i z 或者2 0 k h z ) ，系统则可以达到调频( f m ) 立体声广播的质量，且可以传输多套 节目。在业务方面，d r m 系统除了传输传统的音频业务外，还可以传输附带的 文本信息以及多种数据。d r m 中有三种信道：主业务信道( m s c ) 传输的是声 音信号和数据；快速接入信道( f a c ) 实现了调谐时快速地扫描所需信息；业务 描述信道( s d c ) 传输如何解码m s c 的信息以及其它信道包括模拟信道的信息。 在d r m 系统中，原有的发射机( 如p d m 、p s m 、d x 系列等) 只需要做部分改 动，大大降低了升级的成本。系统主要有发射机部分和接收机部分构成。 2 1 2d r m 系统的结构 快速访罔信道 l e a c ) 信息 复 用 器 篙s i x ：) 剿猢l信息l 能量i _ 一信道 扩数ii 编码 一一 信道编码模块 箍h 嚣扩赦广1 编码 箍h 嚣扩散广1 编码 单元 生成 f a c i d 莹 一 兀 映 射 器 o f d m 符号 生成 广1 i c o f d m l j i 一j 图2 1d r m 发射机系统框图 第二章d r m 的系统结构及关键技术 从图2 1 中可以看出，d r m 发射机部分可以分为信源编码、复用器、信道 编码、交织、o f d m 映射器、o f d m 调制器等部分。 图2 - 2d r m 接收机系统框图 d r a m 系统的接收机部分主要由o f d m 解调器、解交织、信道解码器、解复 用、信源解码器和多媒体播放器等组成，分别对应的是发射机部分模块的逆过程 【4 】 o 2 2d r m 系统的关键技术 前面提到的d r m 系统的每一个模块都运用到至少一项关键技术，在接下去 的文章中将会对这些关键技术进行一一介绍。 2 2 1 信源编码技术 调幅广播系统要进行数字化，首先是要实现演播室的数字化，也就是节目的 记录、存储、交换等都需要以数字的形式进行。如果我们将演播室经过模数转 换的p c m 信号直接在信道里进行传输的话，将会占用极大的带宽，导致频谱利 用率不高。因此。我们需要有相应的技术来对数字音频信号进行压缩，这也就是 数字音频信号的信源编码。信源编码的任务就是要解决通信系统数据存储和传输 第二章d r m 的系统结构及关键技术 的有效性问题，通过对源数据的压缩，力求以最少的数码来传递最大的信息量。 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。然而，问题是在d r m 系统中，规定使用与模拟a m 广播同样的带宽( 9k h z 或1 0k h z ) ，在条件允许情 况下，最多可使用到加倍的带宽( 1 8k h z 或2 0k h z ) 。在这样苛刻的带宽条件下， 为了得到良好的音频信号质量，就必须要提高信源编码的编码效率，并且保证不 影响音频信号的传输质量，要求信源编码的比特率为从8k b p s ( 半信道) 到约2 0 k b p s ( 标准信道) ，最高为7 2k b p s ( 双信道) 跚。 d r m 系统中的信源编码技术共有三种形式，分别是a a c ( 高级音频编码) 、 c e l p ( 码本激励线性预测编码) 、h v x c ( 谐波矢量激励编码) ，此外还加入一个 频带扩展工具s b r ( 频带恢复技术) 。 图2 3d r m 信源编码器和解码器 图2 3 所示的就是d r m 信源编码器和解码器的结构。 一、m p e g 4a a c m p e g - 4a a c 是在继m p e g 2a a c 之后的高级音频编码，是相对比较高质 量的音频编码模式，有较强的抗差错能力。用于1 2 k h z 或2 4 k h z 采样频率、 2 0 _ _ 2 4 k b i 佻数码率的音乐节目。将m p e g 4a a c 与s b r 频带恢复技术相结合， 在保持同样的声音质量的情况下，压缩率可以提高4 0 ，成为目前世界上能力最 强的压缩技术。在数码率为4 8 k b i v 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。 第二章d r m 的系统结构及关键技术 d r m 系统中采用的m p e 叫a a c 具有这些特性： 比特率：a a c 可以在任何比特率情况下使用。4 0 0 m s 的音频超级帧字节组合 产生2 0 k b i t s 的a a c 比特率。 采样频率：1 2 k h z 或者2 4 k h z 。 变换长度：为了保证音频帧长为8 0 m s 或4 0 m s ，采用了9 6 0 的变换长度。这 样做是为了协调c e l p 和a a c 的帧长度，以实现整数个的音频帧组合成持 续时间为4 0 0 m s 的音频超级帧。 错误修复：在差错易发生信道采用的m p e g - 4 子集工具来保证改善a a c 比 特流的抗差错能力。 音频超级帧：5 个( 1 2 k h z 采样率) 或1 0 个( 2 4 k h z 采样率) 的音频帧构成 持续时间固定为4 0 0 m s 的音频超级帧。 二、m p e g - 4c e l p m p e g - 4c e l p 是用于8 k h z 采样率、8 1 0 k b i t s 数据率的高质量语音编码， 适合于单声道中抗差错能力很强的语音广播，对语音的重放性很好，但不适合于 音乐。与m p e g 4a a c 一样，它也可以与s b r 技术结合。这种编码方式适合用 于2 或3 种语言节目的同时发射。如在8 k b i t s 的数据率下完成可接收质量的语 音广播，这样在一个2 4 k b i t s 的单个频段内可以实现3 中语言的广播。 d r m 系统中采用的m p e g 4c e l p 具有以下的特性： 采样率为8 k h z 或1 6 k h z 。 比特率从4 k b i t s 到2 0 k b i t s 。 具有抗差错强壮性。 整数个的c e l p 音频帧可以按照一定规律组成一个音频超级帧。 三、m p e g 4h v x c m p e g - 4h v x c 语音编码工具集允许对语音信号以8 k h z 采样，主要实现数 据率为2 4 k b i t s 的编码。它将语音信号分割成长度为2 5 6 或1 6 0 个采样值的帧， 对每帧语音信号加窗后进行线性预测系数分析，用得到的线谱对l s p 参数进行 逆滤波来预测当前帧语音信号。两者的差就是线性预测误差信号。当线性预测误 差为浊音时，对其谱包络进行矢量量化编码；为清音时，采用矢量激励编码，每 帧用1 个比特来表示浊音或者清音信息。 m p e g - 4h v x c 的解码过程可以分为4 个步骤： 1 ) 参数的逆量化。 2 ) 对声音帧用正弦合成产生激励信号和加上噪声分量。 3 ) 对非声音帧通过查找码书产生激励信号。 4 ) l p c ( 线性预测编码) 合成。 第二章d r m 的系统结构及关键技术 d r m 系统中的的m p e g - 4h v x c 具有这样的一些特性： 8 k h z 的采样率。 在固定编码率时比特率为2 k b i t s 和4 k b i t s 。 任意数量的时间分级和强度调整。 支持抗差错强壮性的语法，在有错误倾向的信道中，c r c 工具可以改善 h v x c 比特流的纠错能力。 固定整数个的h v x c 音频帧( 2 0 个) 按照一定规律构成一个音频超级帧。 四、s b r ( 频带恢复技术) 对人类听觉系统的研究表明，人耳对于低频信号比较敏感，所能够容忍的量 化误差比较小，而对于高频信号的敏感度就相对较低。在音频压缩技术中，为了 避免信号频谱的混叠，在对模拟信号采样量化得到数字信号的过程中，只能保留 原信号中低于采样率一半的低频部分。此外，由于受到通信带宽的限制，必须根 据一定的压缩技术来减小音频信号的数据率，提高信号传输的有效性。根据人耳 的听觉系统特性，音频编码器会将比特分配给低频部分而忽略高频部分。因此， 目前的数字音频存储技术不可避免地存在高频信号丧失的现象，这样就引出了高 频重建的问题。重构出来的高频信号不一定要求保持技术上的连贯性，但是一定 要保持心理声学上的连贯性。s b r 就是一种根据音频信号的低频信号部分跟高 频信号部分之间具有很大的相关性来重建出高频部分的频带恢复技术。 s b r 的编码过程可以分为这几个步骤：首先用分析正交滤波器组对输入音 频信号进行分频j 接着进行能量包络的计算，能量包络由包络大小因子组成。然 后，对计算出的包络大小因子进行量化和编码。同时，s b r 相关模块产生高频 部分噪声能量等相关控制参数，这些参数都是为了在之后重构高频部分的时候使 高频部分信号尽可能的接近于原信号。 s b r 技术是以音频信号的高频部分与低频部分的很强的相关性为前提的。因 此，如果高频部分与低频部分之间没有相关性，s b r 就可能失效甚至破坏品质。 对于音频信号的低频部分，s b r 仍采用a a c 等编码器进行压缩编码。高频部分则 利用编码端输出的部分参数来构建，这个过程主要是通过复制低频部分的信号和 调整复制后的高频频谱来实现的陆1 。， 图2 _ 4 和图2 5 所示的就是用s b r 技术重构高频部分的过程。 s b r 技术与m p e g - 4a a c 、m p e g 4c e l p 等技术结合构成世界上目前压 缩能力最强的压缩技术。 第二章d r a m 的系统结构及关键技术 222 c o f d m 技术 鳖 k c o f d m 技术是抗多径干扰能力很强的技术它早已在d a b 和d v b t 中得到 应用，d r a m 系统也采用了这一技术。在短波，传播主要通过电离层对无线电渡 的反射正是这样短波才有可能跨越非常远的距离。如果发射的电波第一个路径 只实现了两次跳跃，而第二个路径直到在接收机与第一个相遇共实现了三次跳 跃，两个信号之间就形成大的时延差，如图2 - 6 所示。 季寒心 芝二默n 图2 - 6 短波在电离层的反射形成时延差 如果反射部分已经超过符号持续期才到达接收机，后面的符号就会干扰，人 们称这种干扰为符号间干扰( i s l ) 。为了消除这种干扰，d r a m 系统采用了c o f d m 第二章d r m 的系统结构及关键技术 传输技术，用多载波并行传输代替传统的单载波串行传输。这是因为在保持传输 同样的数据率和同样的射频带宽的情况下，单载波系统必须快速进行状态切换 ( 即符号期短) ，而有k 个载波的多载波系统，每个载波同时工作，可以慢地 切换，符号持续期可以加长为单载波的k 倍。在多载波系统中，为了使相邻符 号的干扰也能够消除，在每个符号的前面插入了“保护间隔 。如果在保护间隔 内出现符号间干扰，是完全无影响的，信号总是属于同一个符号，它们可以彼此 相叠加。 c o f d m 的含义是：( 1 ) 编码( c ) ：为了可以修正传输中可能出现的差错， 经信源编码的数据流，通常要人为地加进冗余进行差错保护，即进行信道编码。 在d r m 系统中应用了编码率可变的卷积编码方法( 可删除卷积编码) ，以适应 不同重要性的数据的保护要求。( 2 ) 正交频分( o f d ) ：使用大量的载波( 又 称副载波) 以代替通常的用于传送一套节目的单个载波。这些副载波有相等的频 率间隔，在频谱关系上是彼此正交的。这些副载波尽管靠得很近，且频谱有部分 重叠，但它们由于彼此间的正交性所携带的信息在接收端仍可以彼此相分离。要 传送的信息( 数据流) ，按照一定的规则被分割后，分配在这些副载波上传送。 ( 3 ) 复用( m ) ：c o f d m 这种传输方法，传输的信息不再是单一的节目，而 是多个节目或声音广播业务与数据广播业务的数据流相复合后，分布在相应的副 载波上。 一、信道编码 在通信系统中，有两个非常重要的指标，也就是通信系统的有效性和可靠性 问题。前面的信源编码解决的就是通信系统的有效性问题，力求以最少的比特数 来传输最大的信息量。而接下去要介绍的信道编码解决的正是通信系统的可靠性 问题，也就是保证所传输的信息不出错。 在d r m 系统中，信道主要分为三类：m s c ( 主业务信道) 、f a c ( 快速访 问信道) 、s d c ( 业务描述信道) 。 1 m s c 主业务信道 它包括d r m 多路复用中包含的所有业务的数据。m s c 的总比特率由d r m 信 道的带宽和传输模式决定。该信道的输入信号包含了音频输入信号和其他的一些 数据信号。这些信号又可以分为四种类型的业务，它们是一般保护和高保护的音 频或数据。这些信号经过复用器的复合和处理后，形成一个信号进行传输，再经 过能量分配电路，最终是进入信道编码器进行编码。 2 f a c 快速访问信道 f a c 将发射端的复用器复合了哪些业务以及有关信道编码的参数等信息提 供给接收端，接收端则根据这些信息自动调整解复用参数，以解调出各种传输的 第二章d r m 的系统结构及关键技术 业务，或者按照发射端的提示，改变接收频率重新搜索信号。f a c 帧周期为 4 0 0 m s ，每个f a c 帧里都包含有关信道的参数，在连续的f a c 帧里头又包含了 业务参数，但每帧只包含一个业务参数。f a c 信道包含的信道参数有低级紧急 标识、频谱占用情况、交织深度、业务数量等，这些参数共用了2 0 b i t ，f a c 业 务参数包括业务标识、语言、音频数据标记、业务描述、应用标识、节目类型 等，这些参数一共4 4 b i t 。 。 3 s d c 业务描述信道 s d c 是业务描述信道，s d c 是用来向接收机提供m s c 的解码信息和复用器 中各种业务的特征。s d c 的帧周期是1 2 0 0 m s ，它包括的内容有：复用器的描述、 标签、条件存取参数、频率信息、频率时间表信息、应用情况、覆盖目标区域、 时间日期信息、音频信息、f a c 信道参数、联接数据、语言和国家信息等。为 了传输这些数据，实际上是将这些s d c 数据周期性的插入到波形的外缘，以使 频率变换期间察觉不到。 d r m 系统中的信道编码是基于多级编码方法，采用可删除卷积编码的。所 谓的多级编码。对q a m 映射中的容易受信道噪声干扰的比特采用较高的保护， 对q a m 映射中的不容易受信道噪声干扰的比特采用较低的保护，从而就平衡了 它们总体的差错概率，达到低误码高传输的均衡。差错保护一共可分为两种：一 种是前面说的不等差错保护u e p ，采用两种不同的编码率分别对应码流的高低 保护部分；一种就是等差错保护e e p ，采用单一编码率对信道的所有数据进行编 码。这两种差错保护可以在d r m 信道编码中结合使用。f a c 信道和s d c 信道 被指定为使用e e p 模式，u e p 模式应用在m s c 信道中。 图2 7d r m 系统信道编码框图 从图2 7 可以看出d r m 系统信道编码总的来说包括能量扩散、码流分离、 第二章d r m 的系统结构及关键技术 删余卷积编码、比特交织和q a m 映射几个部分。 能量扩散的目的是通过随机化处理使信号频谱扩散，减少连0 连1 现象的出 现，避免在信号码流中出现我们不希望得到的规整性从而保证比特按时恢复。能 量扩散在m s c 、f a c 、s d c 三个信道内分别进行，复用器出来的三个信道的数据 分别与准二进制随机序列模二相加。因为信道编码过程是基于多级编码的，所以 要对能量扩散后的数据进行码流分离。在d r m 系统中的信道编码是基于存储深 度为6 ，约束长度为7 和“状态的卷积码来实现的，母码编码效率为1 4 。这里 所说的“删除 ，是说母码的码位不是所有都传送的，实际传送的码位是按照一 个删除矩阵来选择的，不同的编码率对应不同的删除矩阵。比特交织是为了降低 传输过程中发生突发性差错的概率，尽量使差错分布均匀，增强信道编码的差错 修正能力。接下去的q a m 映射部分完成数据比特至i j q a m 符号的变换。由于每层 编码器的编码效率不一样，也就是分配到每一层码流的受保护程度不一样，所以 必须通过q a m 映射对它们进行补偿。对编码率较高的码流，在q a m 映射的时候， 就要把它放在不易受干扰的位置。d r m 标准中定义，m s c 采用1 6 q a m 或 6 4 q a m ，s d c 采用4 q a m 或1 6 q a m ，f a c 则用4 q a m t 引。 二、o f d m 调制 将高速串行数据系统转换为由若干个低速率数据流组成的且同时传输的并 行数据系统，把总的信道带宽划分为n 个正交的频率不重叠的子信道，这种调制 方式称为o f d m 调制( 正交频分复用) 四3 。 o f d m 具有很强的抗衰落能力，同时也有很强的抗窄带干扰的能力，因为 这些干扰只能影响到很小一部分的子信道。另外，o f d m 系统的频带利用率高， 可以有效地抗信号波形间干扰，适用于多径环境和衰落信道中的高速数据传输。 0 一 a 匦圃 暮 篮 一 蹦。圆 冗 映 射 雠 圆 ， 嚣 图2 - 8d r m 系统中的o f d m 模块结构 图2 8 显示的就是在d r m 系统中用的o f d m 模块的结构。从图中可以看出， o f d m 模块由q a m 映射器、单元交织器、导频生成器、o f d m 单元映射器和o f d m 第二章d r m 的系统结构及关键技术 符号生成器构成。对o f d m 各部分的功能介绍如下【1 0 1 。 q a m 映射器完成数据比特到q a m 符号的变换。d r m 系统规范定义，m s c 信道可以采用4 q a m 、1 6 q a m 或6 4 q a m ，s d c 信道可以采用4 q a m 或1 6 q a m ， f a c 信道采用4 q a m 。在系统工作的时候，采用哪种q a m 映射，由传输系统控 制器根据信道情况而定。 在移动无线信道中的信号不仅会在某个频点发生衰落，而且还能出现一定频 率范围的干扰，而单元交织可以将相邻的q a m 信号安置在大于信道相关带宽的 不同载波上，这样就可以有效地由于时间和频率选择性引起的衰落。d r m 的单 元交织分为短交织和长交织。对于具有中等程度时间选择性衰落的传播信道，短 交织就可以提供足够的频率和时间分散。在d r m 系统中的短交织采用的是块交 织方案。对于时间和频率选择性衰落较为严重的信道，可以采用增加卷积交织来 增加交织深度的方法来改善。 导频发生器产生导频单元。导频单元用于接收机信道估计与同步，是幅度和 相位固定已知的q a m 单元。在d r m 系统中的导频单元有频率参考单元、时间 参考单元和增益参考单元三种。 o f d m 调制是以o f d m 传输超帧为单位的。在d r m 中规定了每一个传输 超级帧中的每一个传输帧中的每一个子载波的传输内容，o f d m 单元映射器按 照d r m 标准以传输超帧为单位将各类q a m 符号分配给o f d m 各个子载波。而 o f d m 符号生成器将需要传输的信息单元合成o f d m 符号。 通过对c o f d m 信号主要参数如载波间隔和循环前缀(