（通信与信息系统专业论文）基于fpga的drm信道译码研究与实现.pdf

摘要 d r m ( d i g i t a lr a d i om o n d i a l e ) ，是为现有长、中、短波广播实现数字化而制 定的数字声音广播标准。它采用a a c ( 先进音频编码) 技术，和s b r ( 频带恢复) 技术，并在信道编码部分采用m l c ( m u l t i l e v e lc o d e s ) 技术，交织技术和差错保护 技术，调制方式采用o f d m ( 正交频分复用) 技术，从而有效地提高了传输质量， 接收也更加稳定、可靠，具有广阔的市场前景与潜力。 本论文概述了d r m 总体框架，并对其关键技术在信源编解码和信道编解码 上的应用进行了简要介绍，同时也对d r m 的基本结构，传输带宽，以及传输模 式进行了介绍。重点研究了d r m 的信道编解码的原理。首先，通过对d r m 标 准的分析，将m l c 和m s d ( m u l t i s t a g ed e c o d i n g ) 技术应用于编码和解码的过程 中，并介绍了删余矩阵以及相等和不等差错保护在纠错编码中的应用，通过编码 和调制的最佳结合而达到最好的传输性能。其次，对m l c 中所采用的分量母码 ( 4 ，1 ，7 ) 卷积码的基本原理及其译码算法进行了介绍，针对不同码率的卷积码的 性能进行了讨论，并对硬判决译码和软判决译码方法进行了比较。最后，对f p g a 和数字系统的设计方法进行了简要介绍，并结合m o d e l s i m 平台上相应模块的生 成符号和波形图对d r m 编码器和译码器设计进行了分析说明。 在本项目中，兼顾综合译码的复杂度和纠错能力，采用v e r i l o g 语言对程序 进行编写，基于m o d e l s i m 平台进行相关的仿真验证，仿真结果正确，并在f p g a 开发板上实现了下载试验。 关键词：多级编码；删余卷积码；多级译码；f p g a a b s t r a c t d i g i t a lr a d i om o n d i a l e ( d r m ) i st h ed i g i t a lb r o a d c a s t i n gs y s t e mf o rt h e b r o a d c a s t i n gb a n d sb e l o w3 0 m h z ( 1 0 n g ，m e d i u ma n ds h o r tw a v e ) d r mh a sb e e no n e o ft h ew o r l dd i g i t a lb r o a d c a s t i n gs t a n d a r d sw i t ht h ea p p l i c a t i o no fs e v e r a lk e y t e c n n o l o g i e s ，s u c ha sa a c ，s b r ，o f d m ，a n ds oo n a l s oi th a sn e a r - f ms o u n dq u a l i t y p l u st h ee a s e - o f - u s et h a tc o m e sf r o md i g i t a lt r a n s m i s s i o n s ，c o m b i n e dw i t hl o n gr a n g e a n d l o wp o w e rc o n s u m p t i o n t h i sp a p e ro u t l i n e st h eo v e r a l lf r a m e w o r ko fd r ma n di t sk e yt e c h n o l o g i e si n t h es o u r c e c o d i n g a n dc h a n n e l c o d i n g ，o f d mt r a n s m i s s i o n ，a n d m o d u l a t i o n a p p l i c a t i o n s a l s ot h eb a s i cs t m c t u r eo ft h ed r m ，t r a n s m i s s i o nb a n d w i d t h ，a sw e l la s t h et r a n s m i s s i o nm o d e sa 1 1h a v eb e e ni n t r o d u c e d w ef o c u so nt h ec h a n n e ld e c o d e rf o r d r m i tu s e sm l c ( m u l t i l e v e lc o d e s ) t e c h n o l o g y ，t h r o u g ht h ee x p a n s i o ni nt h e c o n s t e l l a t i o nd i a g r a mt og e tt h en e e d e dr e d u n d a n c ef o re r r o r - c o r r e c t i n gc o d ew h i c h t h e nw i l lb ea p p l i e dt oi n c r e a s et h es m a l l e s te u c l i d e a nd i s t a n c eb e t w e e ne n c o d i n g s e q u e n c e so ft h em o d u l a t i o ns i g n a l s i tu s e s ( 4 ，1 ，7 ) c o n v o l u t i o n a lc o d ea sak e y c o m p o n e n tm o t h e r , w h i c hc a nc u tt h r o u g hd i f f e r e n tm a t r i xt oo b t a i nv a r i a b l e - r a t e c o n v o l u t i o n a lc o d e s i nt h ec h a n n e l d e c o d e r ，m s d ( m u l t i s t a g ed e c o d i n g ) i s c o r r e s p o n d i n gt ot h e m l ct e c h n o l o g y i t sc e n t r a li d e ai st o g ot h r o u g hm a n y i t e r a t i o n st oo b t a i ni n f o r m a t i o nb e t w e e nl a y e r so nm l c ，w h i c hc a ne f f e c t i v e l yr e d u c e t h es y s t e mb i te r r o rr a t e i nt h i sp a p e r , w eu s ev e r i l o gl a n g u a g et o p r o g r a m et h ep r o c e d u r e ，a n dt h e r e l e v a n ts i m u l a t i o nr e s u l t sb a s e do nm o d e l s i mp l a t f o r mi sc o r r e c t t h e n ，w ec h o o s e c h i pp r o d u c e db yx i n l i n xc o r p o r t i o nt oa c c o m p l i s h d r mc h a n n e ld e c o d e r k e yw o r d s ：m u l t i l e v e lc o d e s ；m u l t i s t a g ed e c o d i n g ；f p g a ；p u n c t u r e d c o n v o l u t i o nc o d e 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，也不包含为获得苤鲞盘鲎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。 一躲乙竹襄一呲咿7 年日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫壅盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫鲞盘鲎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： 荔扛于获 签字开期：的7 年c 6 月i 开 导师躲移字 签字同期：2 9 ( 尹年占月z 同 第一章绪论 第一章绪论 随着信息社会的快速发展，信息的传播与制作日益数字化、网络化，作为传 统媒体代表的广播业也卷入到数字化广播的大潮中。数字化极大地改变广播的工 作方式和生产流程，提高广播业的生产效率，扩展广播领域的发展空间，推动广 播业从传统媒体向现代媒体迈进。 d r m ( d i g i t a lr a d i om o n d i a l e ) 是一种被全球广泛采用的3 0 m h z 以下的数字a m 广播标准，和d a b ( d i g i t a lr a d i ob r o a d c a s t i n g ) 、h dr a d i o ( h i g h d e f m i f i o nr a d i o ) 一起并列为世界三大数字音频广播标准，具体如表1 - 1 所示。 表卜l 全球三大地面数字音频广播技术 名称 d a b d r m h dr a d i o 解码技术 m p e g 一1 l a y e r ii m p e g - 4 a c c +h d c ( 采用s b r ) h v x c c e l p 典型音频速率 1 2 8 、19 2 k b p s 2 4 、4 8 k b p s3 2 9 6 k b p s 音频质量接近c d接近f m接近c d 带宽f mh y b r i d a mh y b r i d f mh y b ri d1 4 2 k h z 1 5 3 6 删z4 5 、2 0 k h za mh y b r i d2 8 k h z 频率范围 f mb a n da mb a n df mb a n d a mb a n d 传输距离发射机问最大7 5 k i n从几l m 到数千k m和模拟a m f m 覆盖面 积相同 单频网络是 是 否 传播方法视距传播( l o s ) s k yw a v e l o s s k yw a v e 最大数据率 1 2 m b p s7 2 k b p s约9 9 k b p s ( f mh y b r i d ) 基础设施升级新的基础设施可升级现有a m 发射可升级现有a m f m 发 机射机 标准化现状全球性标准，但美国 全球性标准私有技术 和日本没有采用 传统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 第一章绪论 听众的欣赏水平不断提高和娱乐信息来源日益丰富，并且枷广播的音质不如p m 广播，更不及其他数字化的娱乐节目，人们开始慢慢放弃柚广播了。在这种情况 下，o p , m 广播的出现给a m 广播带来了新的希望。d r m 保留传统a l l 广播的优点，克服 传统枷广播的缺点，为无线电广播特别是调幅广播带来的新的发展契机。 1 1d r m 摄述 d i g i t a l r a d i o m o n d i a l e ( d r m ，世界数字广播，m o n d i a l e 是法文，意为世界) 是为现有长渡、中波a m ( 调幅广播) 以及短波段进行数字基站广播而制定的新 标准”】。 d r m 广播系统是被国际电信同盟( i n t c r n a t i o n a l t e l e c o m m u n i c a t i o n s u n i o n ， r r u ) ，国际电子技术委员会( 1 a t e m a t i o n a t e l e c t m t e c h n l c a l c o m m i u o e ，i e c ) ， 欧洲无线电通讯标准学会( e t a m p e a n t e l e c o m m u n i c a t i o n ss t a n d a r d s i n s t i t u t e ， e t s l ) 共同标准化完成的的。 d r m 广播系统是在a m 波段下数字广播的唯一的公开标准。d r m 组织是为 3 0 m h z 以下的短波、中渡、长渡建立一个全世界的数字性的体系。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，同时d r m 是一种开放、非专利、发展的世界 标准，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 m 谅解备忘录”，正式成立世界性数字舢广播组织d p - 2 “，在这期间，d r i v i 也成为 i t 【j 广播分部的成员。d r m 图标如图1 1 所示。 12 d r m 发展与现状 d r m 国际发展状况【2 】 圈1 1d r m 创始目标 mird 第一章绪论 1 9 9 9 年4 月，d r m 在美国n a b 上首次设置了展台。 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。 2 0 0 1 年9 月，e t s l ( 欧洲电信标准协会) 公布了d r m 系统技术规范。 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 r m 数字声音广播系统成为世界标准。它是唯一的、经过测试的、非专利的、 受到市场的驱动和消费者的导向的世界标准，。 2 0 0 3 年6 月1 6 日，r r 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。 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，法国国际广播电台 和瑞典广播电台。 2 0 0 9 年4 月2 1 日，d r a m 系列产品在美国广播电视协会( n a b ) 展会上展出最 新的r m 接收机d i w a v e l 0 0 ，如图卜2 所示。同时，也推出了首个针对d r m + 的 实时商用设备，井组织“d r m 就在这里，大范围，低耗费，数字音质”的主题 讨论。d r m 标准再次成为广播界关注的焦点之一。 圉】2 最新d r m 接收v l d i w a v e1 0 0 d r m 在我国发展状况 2 0 0 2 年4 月广电总局无线电台管理局与d i l m 组织成员之一的结 司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 第一章绪论 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 r m 激励器 和数字接收机进行试验。 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 i v l 广播实验。 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。 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。 2 0 0 8 年1 1 月2 1 日，全国首届数字广播发展高峰论坛在北京召开。 目前许多省级电台的台内广播的数字化率非常高，达到了9 0 以上，广播已 经从传统广播发展出网络广播、多媒体广播、h d r a d i o 高清广播等多种形式。今 后，我国的数字化广播还有望实现全国统一建设、统一经营、统一管理的局面， 同时将专业化、本地化、服务化的广播定位进一步明确。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 r m 广播在我国的应用和普及打下了坚实的基础。 d r m 与d r m + d r m 是为3 0 m h z 以下长波，中波，短波提供数字广播体系的国际标准。d r m 有具有近于f m 的音质，并且由于数字传输，使用简单，远距离，低功耗。d r m + 使用与d r m 标准对于3 0 m h z 以下的长波，中波，短波相同的语音编码，数据服务， 复用和信号传输方式，但是在更高的频率，3 0 删z 到1 7 4 m h z 来运行。d r m 联盟已 经完成了d r m + 的开发，这一对d r m 系统规范的增强技术目前正在e t s i 标准化 进程中。 1 3d r m 与香农三大定理 美国科学家香农( c e s h a n n o n ) 关于“无失真信源编码定理”、“抗干扰信道 编码定理”和“限失真信源编码定理”的三大定理被誉为信息理论的三大理论支 柱【5 1 。 香农第一定理：即无失真信源编码定理，它是一个极限定理，指出了单义可 译的非延长码的平均码长可无限接近极限值，无噪声信道的信息传输率可无限接 近信道容量。这是一个美好的前景，但定理本身并没有给出如何构造这种有效码 的具体方法。 4 第- 一章绪论 香农第二定理：即抗干扰信道编码定理，它告诉我们，总可以找到一种抗干 扰信道编码，只要其码长足够长，它的最小平均错误译码概率可任意小，信道信 息传输率可无限接近信道容量。 香农第三定理：即限失真信源编码定理，它在允许失真度确定后，总存在一 种编码方法，使编码后的信源输出信息率大于信源信息率失真雨数r ( d ) ，但可以 任意接近于r ( d ) ，而平均失真度小于或无限接近于允许失真度。 香农三大定理说明构成一个既有效又可靠的理想通信系统的光明前景是存 在的。限失真信源编码可以从长的信源符号序列中除掉剩余度，保留由保真度准 则确定的最必要的信息，提高通信的有效性。而抗干扰信道编码可重新加入特殊 形式的必要的剩余度，增强信道的抗干扰能力，提高通信的可靠性。 d r m 系统通过合理地综合使用信源编码和信道编码，使用m p e g - - 4a a c ( 先 进音频编码) 方法、频带恢复( s b r ) 技术，以及变速率删余卷积多层次编码， 并针对不同数据采用高低保护，使通信系统既有效又可靠，实现通信系统的最优 化。 1 4d r m 接收机的研究意义 d r m 作为世界数字广播三大标准之一，其研究具有重要意义，关于本课题 的研究意义，将从d r m 的技术优势和广播的市场现状两个方面来进行说明。 1 4 1d r m 的技术优势 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 m 的信道编码和调制采用m l c ( 多层次编码) 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i o j 。 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： ( 1 ) 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f p g a 技术，可达到f m 质量，如果带宽加倍， 可达到c d 质量。 ( 2 ) 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，同时提高了发射的效率；而保持同等功率等级，信号 第一章绪论 的覆盖范围将得到极大的扩展。 ( 3 ) 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。 ( 4 ) 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 波段信号传送和接收的可靠性。 ( 5 ) 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。 ( 6 ) 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 4 2d r m 的市场机遇 传统广播市场已经呈现平稳状态，庞大的无法预计的移动市场形成了新的广 播市场。根据广播行业2 0 0 8 年提供的调查数据可以发现，有超过3 0 的听众更 喜欢使用便携式的收听设备，比如手机、m p 3 、p d a 、笔记本电脑等，终端的多 样化和移动性使得广播在移动状态下的收听率从2 0 0 7 年的1 5 7 上升至2 0 0 8 年 的1 6 2 。 而广播户外、移动收听率的飙升还有赖于另一因素，那就是我国汽车保有量 的不断提升以及广播在户外交通工具上的广泛覆盖。备受有车一族狂热追捧的车 载广播在2 0 0 8 年的收听比率已经达到4 1 ，比2 0 0 7 年的3 5 增加了6 个百分点。 庞大的移动人群构建了庞大的广播移动市场，未来的发展空间无法估量【j n 。 根据广播行业统计数据，我们看到2 0 0 8 年我国广播的接触率为6 0 2 ，现 实听众规模已达到了6 5 3 亿人，比2 0 0 7 年增加了约7 0 0 万人，其中城市听众为 3 9 4 亿人，农村地区的听众规模为2 5 7 亿人。在传媒行业的激烈竞争中，广播 媒体用行动向大家证明了自己的实力，而且随着d a b 和d r m 等新技术的日趋 风靡，越来越多的高学历、高收入的白领一族也成为广播的忠实听众，广播受众 人群日益年轻化的现象将会更加明显。 不过，和如火如荼的广播市场相比，d r m 接收机目前仍未突破瓶颈。从2 0 0 6 年底开始，m o r p h yr i c h a r d s 、r o b e r t s 和h i m a l a y a 等少数几家厂商陆续推出几款 商用的d r m 接收机。它们大多支持d r m 、d a b 、a m 和f m 四模，缺点是体 积大( 传统k i t c h e nr a d i o 的外形) 、功耗大( 需要外接电源) 、价格贵( 2 0 0 欧元左 右) 和功能单一( 收音机功能) 。到目前为止，这些d r m 接收机的出货量合计不 6 第一章绪论 过几千台，市场还远远达不到起步的阶段。 任何一个新的市场都是高开低走，刚刚出来时价格都比较贵，成本降低有一 个过程。预计d r m 接收机价格为1 0 0 欧元左右，市场才能够真正起来。d r m 市场目前还处于一种姿态性的阶段，大家推出产品，只是表明这个东西已经有了， 市场已经准备好了。而本课题研究的意义正在于开发低成本d r m 接收机方案， 真正推动这个市场。 1 5 论文组织结构 本论文包括六章，第一章简述了d r m 的系统流程，发展与现状，并结合了 d r a m 的技术优势和市场机遇，阐述了本课题研究意义。第二章概括介绍了d r a m 的结构框图和关键技术。课题工作主要集中在第三、四、五章。第三章详细讲解 了d r m 的信道编码研究。第四章对d r m 的信道译码相关问题进行了阐述。第 五章给出了d r m 接收机信道译码的硬件语言设计方法，并结合具体实验数据进 行相关分析。第六章为工作总结和展望。 7 第_ 二章d r m 总体框架与关键技术 第二章d r m 总体框架与关键技术 2 1d i 触v i 基本结构 d r m 系统主要包括信源模块、复用模块、信道模块和o f d m 模块四个部 分。在d i u v l 系统中，存在着三个信道，它们分别是：主业务信道( m s c ) ，业务 描述信道( s d c ) ，快速访问信道( f a c ) 。 m s c ( m a i ns e r v i c ec h a n n e l ) ：即主业务信道，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l 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。 f a c ( f a s ta c e s sc h a n n e l ) ：即快速访问信道，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) 。 s d c ( s e r v i c ed e s c r i p t i o nc h a n n e l ) ：即业务描述信道( 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。 d r m 传输系统结构框图，如图2 1 所示，主要由以下几个部分构成【8 】： ( 1 ) 信源模块：包括信源编码器和预编码器。该模块可以保证将输入数据 流适应成合适的数字传输格式。信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。 ( 2 ) 能量扩散：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制序列来实现。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 ) 。 ( 3 ) 信道编码器：是通过增加信息冗余来保证传输的可靠性，并通过码率 为1 4 的母码，产生系统所需要的各种高速率码流，并将数字编码信息映射到 q a m 单元中。 ( 4 ) 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。 ( 5 ) 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。 ( 6 ) o f d m 单元映射器：将不同等级的单元集中起来并置于时频栅格中。 ( 7 ) 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信号，插 入保护间隔对信号的一部分重复，得到连续的o f d m 符号。框图如图2 - 1 所示。 8 第二章d r m 总体框架与关键技术 常规 保护 高保护 常规 预编码f 堡堂 i i 高保j 复 用 器 能量扩散h 信道编码卜叫单元交织 预未码l j 能量扩散l _ j 信道编码 预编码 能量扩散 _ 叫信道编码 m s c 图2 1d r a m 传输系统结构框图 o f d m 符号 生成 调制 器 接收机是发射机的“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，采用了相应的多级译码方法。 2 2d r a m 传输带宽 为实现从现有模拟a m 广播至u d r m 数字广播的平滑过渡，d r m 标准不需要对 现有的频谱资源重新进行规划，而是充分利用了现有中、短波频谱资源。这样做 也可以与模拟信号传送兼容，实现同播，即在所规定的带宽内，同时传送模拟和 数字两种信号，两信道之间无相互干扰【9 】。 d r a m 目前信道带宽为9 k h z 或1 0 k i - i z ，d r m 频率占用方式如表2 - 1 所示。 表2 1d r m 频率占用方式 频率占用方式 占用方式 ol 23 4 5 信道带宽( k h z ) 4 5591 01 82 0 各个频率占用方式的作用为： 占用方式2 和3 ：是为了在此频率范围内完全替代原来的a m 广播。 9 第_ 章d r m 总体框架与关键技术 占用方式0 和1 ：是为了同模拟a m 信号共同广播，各工作在原来频带的 一半。 占用方式4 和5 ：是在频率规划允许的条件下分配原来频带的两倍以提供更 大的传输容量，在此占用方式下音质可达到c d 水平。 2 3d r m 传输模式 d r m 系统为了满足不同的运行条件，不同频道和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。 协议规定了4 种不同的传输模式( 也叫做鲁棒模式) a 、b 、c 、d 。 每一种模式用于不同的传播衰减条件，以保证信号有不同的键壮性。对应 关系如表2 2 所示【1 0 1 。 表2 - 2各种传输模式对应的传输条件 传输模式典型传输条件 a 高斯信道有小的衰落 b 时间、频率选择件信道有较大的时延 c 和b 模式相同但有较大的d o p p l e r 频移 d 和b 模式相同但有严重的d o p p l e r 频移和时延 而健壮性的不同是因为对于每种传输模式来说，所规定的信源和信道编码、 数据符号结构、o f d m 子载波的调制方式等都有进一步的差别。见表2 - 3 。 表2 3 各种传输模式的典型应用 传输模式abcd 预期调制6 4 q a m6 4 1 6 q a m1 6 0 a m6 4 1 6 0 a m 典犁应用地波( m w l w ) 天波( m w s w )强天波( s w )垂直耦台( s w ) 交织短长长 最大 码牢高 中 低低 音质高中中低 低 健壮性中等 音 高很高很高间 对于所有的模式都有6 种带宽可供选择：4 5 k h z 、5 k h z 、9 k n z 、1 0 k h z 、1 8 k h z 和2 0 k h z 。 1 0 第二章d r m 总体框架与关键技术 2 4d r m 关键技术 d r m 的关键技术主要有以下几个方面】： ( 1 ) 信源编码： 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a a c ( 先进音频编码) 、c e l p ( 码本激励线性预测) 、 h v x c ( 谐波矢量激励编码) ，还应用了频带恢复( s b r s p e c t r a lb a n dr e p l i c a t i o n ) 技术，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。 ( 2 ) 信道编码： d r m 系统由3 个不同的信道组成：主业务信道m s c 、业务描述信道s d c 和快速访问信道f a c ，分别对应于不同的编码和映射方案。 信道编码模块主要采用多层次编码的方式，它把差错保护和q a m 映射结 合起来考虑，对q a m 映射中易于受信道噪声干扰的比特采用较高的保护，而对 于不易受干扰的比特采用较低的保护，从而平衡了它们总体的差错概率，达到理 想的低误码高传输均衡。根据业务的要求，既可以对一个业务的不同部分提供不 同的保护级别，也可以对复用的多个不同的业务提供不同的保护级别，该性能特 点依靠在复用帧中提供高低保护两部分来实现。 差错保护分为两种：不等差错保护( u e p ) 即采用两种不同的编码率分别对应 码流的高低保护部分；相等差错保护( e e p ) 即采用单一编码率对信道的所有数据 进行编码。这两种差错保护模式可以在信道编码中结合使用。f a c 和s d c 信道 已指定为使用e e p 模式，u e p 模式只能应用于m s c 信道。 当使用分级调制时，可以应用3 种映射方式：标准映射( s m ) 、对称分级映 射( h m s y m ) 和混和分级映射( h m m i x ) 。混和分级映射是前两种的混和，即其星 座图的实部采用分级映射方式，星座图的虚部采用标准映射方式。分级映射将待 编码的数据流分为两个部分：一个是超强保护部分( v s p p ) ，一个是标准保护部分 ( s p p ) 。标准映射模式只包括s p p 。在任何情况下，对于m s c 信道的s p p 部分， 能够使用最多不超过两种对应于不同的差错保护的码率。对于f a c 和s d c ，只 允许使用标准映射模式。 ( 3 ) o f d m 传输方式： c c e t t 关于d r m 调制方法o f d m 的建议，在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： 第二章d r m 总体框架与关键技术 一副载波数； 一每个调制副载波的带宽； 一符号周期； 一保护间距周期： 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。 ( 4 ) 调制方式： 为了同时兼顾可传输的数据率和抗干扰能力，在d r m 系统中，每一个载 波应用的调制方法是a s k 和p s k 的结合：正交幅度调带i j ( q a m ) 。在正交调幅中， 不仅进行相位切换，同时也进行幅度切换。例如，将正弦信号和余弦信号各以4 种幅度等级来调制，接着将二者相加，就可以得到1 6 q a m 。 在d r m 系统中，对每一个载波进行调制使用的方法主要是6 4 q a m ，为使 抗干扰能力强一些，也可以使用1 6 q a m ( 特别重要的信息用4 q a m = q p s k ) ， 但传输的音质要稍差一些( 数据率低) 。发射台可根据传播条件、希望达到的音 频质量来选择，而接收机可以自动识别发射机所使用的调制方式，进行相应的解 调。d r m 使用的调制方式与编码率的详细信息见表2 - 4 。 表2 - 4d r m 使用的调制方式与编码率 信道调制方式 信道编码率 f a c 4 q a m o 6 s d c 4 1 6 0 a m0 5 1 6 q a m 0 5 0 6 2 m s c 6 4 q l a m 0 5 0 6i 0 7i 0 7 8 1 2 第二章d r m 总体框架与关键技术 2 5 本章小结 本章首先介绍了d r m 基本结构，简要分析其发射系统和接收系统的各个组 成模块及其功能。其次，对d r m 的传输带宽，频率占用方式，以及不同条件下 相应的传输模式进行了介绍，最后介绍的是d r m 系统中几个关键技术，它们分 别是信源编码、信道编码、o f d m 传输方式和调制技术。 1 3 第三章d r m 信道编码研究 3 1 信道编码 第三章d r m 信道编码研究 所谓信道编码，是按照一定的规则，在信源编码后的数据流中，人为加进冗 余，即补充差错保护，使信源编码的信号尽可能无干扰地通过传输信道送到接收 机，也就是说，通过信道编码，当出现传输差错时，在接收机中可以进行识别和 修正。信道编码器的输入码率与输出码率之比称为信道编码率，信道编码率越低， 保护程度越高，纠错能力越强。在数字通信中，只需较低的信噪比就可以保证信 息的可靠传输，主要归功于信道编码。然而，由于信道编码时加进了差错保护， 会使信道上传输的总数据率变大，这就是为确保传输可靠性所付出的代价。 信道编码一般有下列要求【1 2 】： ( 1 ) 增加尽可能少的数据率而可获得较强的检错和纠错能力，即编码效率 高，抗干扰能力强； ( 2 ) 对数字信号有良好的透明性，也即传输通道对于传输的数字信号内容没 有任何限制： ( 3 ) 传输信号的频谱特性与传输信道的通频带有最佳的匹配性； ( 4 ) 编码信号内包含有正确的数据定时信息和帧同步信息，以便接收端准确 地解码； ( 5 ) 编码的数字信号具有适当的电平范围； ( 6 ) 发生误码时，误码的扩散蔓延小。 其中，最主要的可概括为两点。 其一，附加一些数据信息以实现最大的检错纠错能力，这就涉及到差错控制 编码原理和特性。 其二，数据流的频谱特性适应传输通道的通频带特性，以求信号能量经由通 道传输时损失最小，因此有利于载波噪声比( 载噪比，c n ) 高，发生误码的可能 性小。 3 2 多级编码调制结构 在d r m 系统中，采用了多层次编码调制( m u l t i l e v e lc o d m gm o d u l a t i o n ) 。编 码调审f j ( c m c o d e dm o d u l a t i o n ) 是为提高数字传输系统的抗干扰性能而使编码与 1 4 第三章d r m 信道编码研究 调制联合最佳的一种方案，它分别于1 9 7 6 年由u n g e r b o e c k ( t c m t r e l l i sc o d e d m o d u l a t i o n ) 1 3 1 和1 9 7 7 年由i m a i 和h i r a k a w a ( m l c m u l t i l e v e lc o d i n 9 1 【1 4 】提出。近 年来c m 方案更多地应用于移动数字通信信道中。这是因为移动信道既频带受限， 又功率受限，信道快衰落造成的长突发误码对传统的c m 方案提出了挑战。 u n g e r b o e c k 提出的最大最小欧氏距离的设计规则是a w g n 信道中的最佳度 量，但却不适应于衰落信道。m l c 与t c m 相比具有明显的好处：码率的可调整 性，固有的不等保护度( u e p u n e q u a le r r o rp r o t e c t i o n ) 特性及设计最佳c m 方 案时便于应用信道容量规则等。 在m l c 方案( 共有i 级) 的第i 个编码级选取其编码率r i 等于第i 级等 价信道的信道容量c i ，即有： r i = c i ，i ：0 ，1 ，i 一1 ( 3 1 ) 此即“信道容量规则”。按照香农的信道编码定理，在信息传输率小于等于信道 容量时，系统具有最佳的可靠性性能。只要使各级的码率工作在m l c 方案的信 道容量限上，容量规则可给各级提供最大的传输率，并且具有任意小的误码率。 因此要设计具有最佳功率有效性和频率有效性的m l c 方案，就必须依赖于信道 容量规则。m l c 方案由三部分组成：输入信源串并转换、多层次编码器、映 射器。 d r m 广播传输系统的信道编码过程基于多层次编码方法( m l c ) ，采用可变 码率删余卷积码作为各级的分量码，它允许相等和不等差错保护，与比特差错敏 感性相适应，对q a m 映射中易于发生错误的比特位置采用高保护的编码方式。 多层次编码就是通过编码和调制的最佳结合而达到最好的传输性能【1 5 1 。 由于不同的信号星座图和映射的应用，d r m 共有5 种不同的编码调制方式 可用。一级的编码调制可被看做是多层次编码的特例，在d r m 系统中只有f a c 信道和s d c 信道可采用一级编码调制，即采用4 q a m 映射，如图3 - 1 所示。同 样s d c 信道和m s c 信道均可采用二级编码调制，即1 6 q a m 映射，如图3 - 2 所示。不同的映射方法只适用于6 4 q h m 星座图，对于标准映射( s m ) ，和对称 分级映射( h m s y m ) ，信号星座图的实部和虚部采用相同的映射规则，如图3 - 3 所 示。而对于混合分级映射( h m m i x ) 信号星座图的实部和虚部要独立的进行映射， 如图3 - 4 所示。 比 x0卜叫撇笛ol v o o ：v o 4 映射 特 ，4 0 a m 分 配 图3 1s m 映射下1 级编码框图 第三章d r m 信道编码研究 比 叫一t 陶一。p 特 t 6 q a m 分 映射 配 竺刊陋叫姗尸鲨 图3 - 2s m 映射下2 级编码框图 比 一1 ；i 懒p 刊娴鹃p 蹦i 6 4 0 a m u o , u l ， 特x t ，o , x l ，1 ，iiv 1 o ，v l ，l ，i y