（电路与系统专业论文）调频多工数据广播接收技术的研究.pdf

中文摘要 摘要：在信息技术飞速发展的今天，传统的、只能传送声音信号的调频广播已经 不能满足人们的需求。调频多工数据广播不仅能够传送声音信号，而且还可以传 输数据信号。它不占用新的频率资源和发射网络设备，利用了现有已高度普及的 调频广播网的附加信道频点，被认为是一种最为经济的无线数据传输手段。广播 数据系统( r d s ) 适用于v 】1 f f m 广播，是利用广播调频波段( 8 7 o m h z 1 0 8 0 m h z ) ，将数据加载到每个电台波段的5 7 k h z 副载波上，随同音频一起进行 广播发射的一种调频多工系统。其使用的副载波频点较低，占用的带宽较窄，所 以只需要在调频广播接收装置上做相对较少的修改就可以实现，而且抗干扰能力 较强，具有极大的价格优势。带i m s 功能的数字广播接收机，不但能够接收f m 调频立体声广播，还能显示节目业务名称，实现自动调谐等功能。 论文首先阐述了调频多工数据广播技术的研究背景，综述了国内外广播数据 系统( r d s ) 技术的发展历史和现状。其次，介绍了r d s 的技术规范，从物理层， 数据链路层以及会话和表示层分别研究了i m s 基带信号的传输波形、差错校验和 同步、编解码、r d s 信息的数据帧类型以及业务应用等内容。接下来；从硬件设 计和软件编程的角度分别论述了i m s 接收系统的设计方案及制作过程，分析器件 选型，提出了一套切实可行的接收方案。最后，对基于单片机的循环冗余校验 ( c r c ) 的计算方法进行了研究，分析了各种c r c 校验字计算方法的性能优劣， 提出了针对单片机的切实可行的实施方案。 最后对论文工作进行了总结，并就今后课题的研究方向做了进一步展望。 关键词：调频多工数据广播；r d s ；c r c 校验 a bs t r a c t a b s t r a c t w i t l lm ed “e l o 呻e n to fr rt e c h n o l o g xm eo r d i n a 巧f mb r o a d c a s t w l l i c hc 锄o n l y 仃a n 舳j ts o u n ds i 印a lh 觞n o ts a t i s f i c dt l l ep e o p l e sr e q u i r c i i l e i l t s 1 1 1 e f mr a d i od a t as y s t 锄c 柚n o to n l y 仃锄s i i l i tt h ev o i c es i 盟a l ，b u ta l s o i tm ed a t a i i l 内彻a t i o n i td o n o tt a k em e 玳? wf e q u e n c yr 鹤o u r c 镐a n dn e t w o r ke ( 1 u i p m e n t s ， w i l i c hi sc 0 1 1 s i i i 硎t 0b eo r 圮o ft l l em o s te c o l l o m i c a lm e a no fw i r e l 啜sd a t a 蛔n s m i s s i o n r d si sa p p l i c a b l e 蠡mv h f f mb m a d c a s ti nm em g cf 如m8 7 5m h zt 0 10 8 0m h z nl o a d sd a t ai n t oe a c hr a d i ow i l i n5 7k h zb 锄d ，a l o n gw i m m eb r o a d c a s t 棚d i os i 印a 1 t h e 丘e q u e n c yo fr d si sl o w ，a n dm eb a r l d w i d mi sn 姗w nr e q u i r c st h e 锄a l lc h 觚g e si nf mr a d i or e c e i v 柚dh a st l l e 黟e a ta d v 锄t a g ci np r i c e t l l ed i 百t a l b r o a d c 鹤tr e c e i v 饼c o n t a i l l i n gr d s 龟n c t i o i l ，1 1 0 to i l l yr e c e i v e sf ms t e r e or a d i o ，b u ta l s o s h o w s l eb u s i n 髓sn 锄e0 ft l l ep r o 舯m 锄da u t o m a t i c a l l yt u 】粥t l l e6 嘲u e i l c y f 戤，b a c k 印岫d so f r e s e a r c ho f m ef m r a d i oda ：t as y s t 锄b o mi n 锄do u to f t h e c o u n 仃ya r ep r e s e n t e d t l l e i l ，i nt h i sp 印m ea u t h o rd i s c u s s e s t l l er e f e r e n c em o d e lo f r d sc o n s i s t i n go ft h ep h y s i c a l l a y t h ed a t a - l i i l l 【l a y t l l es e s s i o nl a y e ra n dt l l e p r e s e n t a t i o nl a y 既t h e 锄p h a s e so fr 鹤e a r c ha r e 也e 协e o r i 豁锄dt e c l l i l o l o g yo fr d s s u c h 嬲l ec o d i n g 锄dd e c o d i n go fr d sb a s e b a i l ds i 萨a l ，m ee 册rc h e c k o u t 柚dt h e s y i l c h r o n i z a t i o no fr d s ( 1 a t a 劬m e ，t l l et y p eo fr d sd a t a 伽吼e t h e b u s i n e s s a p p l i c a t i o n so fr d s 锄ds oo n n e x t ，舶mt l l ev i e wo f h 砌w a r ed e s i 印锄ds o 脚a r e p r o g r a m m i n go fm er d sr e c e i v e r ，t h e 卸t h o rs t a t e sm ed e s i g n 锄ds e l e c t i o no fd e v i c e ， 锄dp r o p o s e sas e to fp r a c t i c a ls o l u t i o n f i n a l l y t h ea u t h o f 锄a 1 ) ，z e sc y c l i cr e d u n d a l l c y c h e c k ( c r c ) b a s e do ns i n g l e c h i pc o m p u t e rc a l c u l a t i o nm e t h o d s ，w i t ha d v a n t a g e s 锄d d i s a d v a l l t a g 郎o np e r f o n i l a i l c e ，a n db r i n 笋o u ta s u c c e s s 如lr e s o l u t i o n f i n a l l y ，ac o n c l u s i o no ft h em e s i si sp r e s e n t e d ，a n ds o m e 如n h e rp r o s p e c t so ft h e “洛e a r c ha 1 em a d e 1 ( e y w o r d s ：r a d i od a t as y s t e n l ；r d s ；c r c 致谢 本论文的工作是在我的导师路勇副教授的悉心指导和严格要求下完成的。路 勇老师严谨的治学态度，科学的工作方法，渊博的知识，对学生认真负责的态度， 以及在百忙之中不忘对我的关心和指导，给了我极大的帮助和影响，以及很大的 启发，同时更是我学习的榜样。在我的研究生求学生涯中，路老师的悉心培养使 我受益匪浅，不仅使我的理论和实践水平获得了较大的提高，而且在思想和组织 方面的综合素质都获得了较大的进步。在本论文的写作过程中，她对我严格要求， 悉心指导，并指出论文中的不足，使得我的论文得以顺利完成。在此，衷心感谢 两年多以来路勇老师对我的关心和指导。 在实验室工作及撰写论文期间，胡华增、邱振兴等同学对我给予了热情和无 私的帮助，在此向他们表达我的感激之情，并祝他们在今后的学习和工作中更上 一层楼。 在论文完成之际，我还要感谢我的父母，他们的鼓励和支持是我完成学业的 巨大动力，使我能够在学校专心完成我的学业。 最后，对在我读研期间所有关心、支持我的老师、同学、朋友们致以衷心的 感谢和深深的祝福。 l 绪论 1 1i s 数据广播技术的研究背景 在信息技术飞速发展，各种新型视听产品层出不穷的今天，收音机作为了解 新闻、获取信息、休闲娱乐和外语学习最方便且最经济的工具，仍然有着无可比 拟的优越性和不可替代性。这其中，无线调频广播( f m ) 一直在人们的生活娱乐 中占有非常重要的地位，广大从事消费类电子产品设计的厂商都在诸如m p 3 、智 能手机、p d a 等产品中嵌入f m 部分。但是，随着科技社会的高速进步，只能接 收声音信号的传统的调频广播早已无法满足人们的需求。现如今，各种更加先进 的新型调频广播方式层出不穷，使调频广播除了具备传送声音信号的能力外，还 可以传递数据信号，这就是通常意义上的数据广播。 数据广播是近年来在国际上发展非常迅速的一项广播业务，是继声音广播与 电视广播后的新一代广播类型。调频多工数据广播不占用新的频率资源和发射网 络设备，利用了现有已高度普及的调频广播网的附加信道频点，被认为是一种最 为经济的无线数据传输手段。同时该技术对调频立体声广播不产生任何影响，也 不影响其他听众收听正常的调频立体声广播，充分实现调频多工技术的应用m 1 。 这其中，广播数据系统( 1 m s ) 适用于v h f f m 广播，既可以携带立体声( 导 频音系统) 又可以携带单声道节目。它是利用广播调频波段( 8 7 o m h z 1 0 8 0 m h z ) ，将数据加载到每个电台波段的5 7 l z 副载波上，随同音频一起进 行广播发射的一种调频多工系统口3 。与其他的第三代数字广播，如数字音频广播 ( d i 西t a la u d i ob r o a d c a s t i n g ，d a b ) ，调频副信道广播业务( s u b s i d i a 珂 c o m m u n i c a t i o n a u t h o n z a t i 伽s ，s c a ) 等相比，其使用的副载波频点较低，占用的 带宽较窄，所以只需要在调频广播发射与接收装置上做相对较少的修改就可以实 现，而且抗干扰能力较强，具有极大的价格优势。r d s 广播的出现，改变了传统 调频广播的使用方式，提高了f m 收音机的功能，使其在播放电台节目的音频信 号的同时，还能进行节目类型识别、节目业务名称的显示，尤其是实现便携式和 车载收音机的自动调谐功能，收听即时交通路况等。 1 2r d s 的产生和发展历史及现状 欧洲最先提出了r d s 广播数据系统的构想。在1 9 7 4 年，首先是一个无线电 工程师小组，打算在当前有限的无线电频谱资源中，挖掘出一部分空闲频带，去 传送一些数字讯息。随后，在1 9 8 0 年瑞士的伯尔尼，这个小组进行了系统的第一 次实用性试验。1 9 8 2 年和1 9 8 3 年，他们又接着各进行了一次系统的试验。直至 1 9 8 4 年，欧洲广播联盟( & 聃p e a i lb r o a d c 嬲tu l l i o n ，简称e b u ) 制定了无线数据 广播系统( r d s ) 的欧洲规范e b u3 2 4 4 ，至此r d s 的雏形基本形成。同年，美国 的福特公司也开始研发车载的i s 接收机。 1 9 8 5 年9 月e b u 向国际无线电咨询委员会( c c m ) 提交了以r d s 作为f m 广播中传送识别广播电台节目附加信息的标准方式建议书h 1 。同年，大规模的试运 作试验在德国进行，并且与之同时进行的是，e b u 确定了世界上首台r d s 接收 机面世的时间为两年后。终于，在1 9 8 7 年的柏林玎队( i n t e m a t i o r l a lf u i l k a l l s s t e l l u i l g a s s o c i a t i o n ，国际消费电子商品展) 展览会上，r d s 接收机的样品首次与人们见面。 紧接着，来自瑞典的沃尔沃公司推出了车载的全球首款i m s 接收机。1 9 8 8 年， 飞利浦与根德公司也开始了车载r d s 接收机的量产工作。 1 9 9 0 年，欧洲电工技术标准委员会( c e n e l e c ) 对e b u3 2 4 4 进行了大幅度 修改，从而推出了新的标准e n 5 0 0 6 7 。两年后，正式的r d s 欧洲标准e n 5 0 0 6 7 ：1 9 9 2 由该委员会出版发行。至此，r d s 得以在欧洲迅速普及。 1 9 9 3 年1 月，美国通过了r b d s( r a d i ob r o a d c a s td a t as y s t e m ，无线广播数 据系统) 标准，该标准是与r d s 标准相兼容的，此外还考虑了使中波电台和调频 台的l m s 功能与全球定位系统( g p s ) 的结合。这样，随着欧洲和美国的r d s 标 准的推出，广播数据系统i m s 成为了世界上第一个形成了国际标准的数据广播系 统。此外，印度与日本也分别根据本国的特点，开发了符合本国国情的r d s 系统， 力求做到技术与成本的完美平衡。 1 9 9 8 年4 月，c e n e l e c 组织又重新修订了r d s 的欧洲标准c e n e l e ce n 5 0 0 6 7 ，出版发行了c e n e l e ce n5 0 0 6 7 ：1 9 9 8 版。 一 2 0 0 1 年1 2 月，c e n e l e c 宣布，废弃e n5 0 0 6 7 ：1 9 9 8 标准，而采用了新制订 的e n6 2 1 0 6 ：2 0 0 l ( 即i e c6 2 1 0 6 ：2 0 0 0 ) 标准，作为广播数据系统技术规范。2 0 0 9 年2 月，推出了该标准的第二版( i e c6 2 1 0 6e d i t i o n2 ) 瞄3 。 在我国r d s 技术起步比较晚，目前还处在探索和试验阶段。国内最早试验 r d s 的是广东人民广播电台肺引，其主要的成果是实现了一种低廉的寻呼手段， 也就是广播寻呼( r p ) 业务。之后，石家庄和湖北电台成功地测试了带i s 功能 的车载收音机，用于城市交通功能的疏导。扬州交通信息台则充分结合了i m s 和 s c a 技术，来开展城市交通信息功能服务【1 0 1 。此外，目前在北京、天津等一些大 城市也有r d s 广播的试验。 2 1 3r d s 的发展趋势及本文研究的意义 目前，出于商业的目的，在r d s 的使用中，采用了较多的数据位来表示节目 的类型。这样，就能够非常方便地帮助听众收听某一类型的节目如新闻、直播互 动等。欧洲的交通非常发达，各个国家的广播节目也已按照高速公路网连成一个 节目网，而通过l m s 技术，就可以在旅途中不间断地收听同一套( 不同频率) 节 目。作为一种数字广播技术，数据广播系统( 1 m s ) 已经在欧美等国得到了广泛 应用。 由于r d s 的兼容性好，可以节省有限的频率资源，并且设备投资成本较低， 所以非常适合于我国的国情。但是由于知识产权保护等方面的原因，欧洲与美国 在有关于i m s 的技术规范中也仅仅是给出了系统的一些定义和指标，对于一些关 键性的技术细节则采取了一带而过或者回避的方式呻1 。此外，由于我国的信息化建 设等原因，目前国内带有r d s 的电台还不是很普及，r d s 还没有得到应用的推广， 特别是一些技术问题和业务应用开发，相关人员并没有很好的掌握。目前l s 的 普及工作尚在进行之中，虽然相关的研究工作也有开展，但还是显得比较零散， 在国内关于广播技术以及通信技术的相关资料上几乎找不到深入系统研究r d s 的 文献，于是导致了我国i m s 的开发和应用远远落后于发达国家。根据我国的广播 技术政策，我国调频广播将由中央、省( 自治区、直辖市) 、市和县开办的调频广 播节目组成四级混合覆盖网。在技术规划中应保证全国9 5 以上人口能听好广播， 在城市和农村应能同时有仁5 个调频广播节目供选择收听。可以说，我国的调频 广播网覆盖范围广，其潜在的应用价值非常大。因此，研究数据广播的技术和业 务开发应用，有着积极的意义。 本文的目的就是在于结合作者自己的研究和设计体会，使广大工程技术人员 对r d s 有一个比较全面和深入的了解，对于有关r d s 以及数据广播的研究工作也 具有一定的参考价值。我国信息化建设正在不断的发展，信息化网络正在不断完 善，在今后，融入多媒体信息技术，发挥商业性、娱乐性、方便性、经济性优势， 是无线数据广播的目标和趋势。数据广播产业在我国的发展是必然的，数据广播 必将成为被广泛应用的信息服务方式。 1 4 论文的主要工作 第一章绪论部分对调频多工数据广播技术的研究背景、 一统( r d s ) 的发展历史和应用现状以及趋势进行了阐述。 第二章主要介绍了广播数据系统( r d s ) 的技术规范， 3 意义以及广播数据系 从物理层，数据链路 层以及会话和表示层分别研究了r d s 基带信号的传输波形、差错校验和同步、编 解码、r d s 信息的数据帧类型以及业务应用等内容。 第三章对r d s 接收机的硬件设计做了简单的介绍，包括器件选型及资料，硬 件设计实施方案等。 第四章是r d s 接收机的软件实现部分，从收音模块和c l 坨校验、同步及解 码的角度分别论述了r d s 接收系统的程序设计过程，提出了一套切实可行的接收 方案。 第五章对基于单片机的循环冗余校验( c i 地) 的计算方法进行了研究，分析 了各种c r c 校验字计算方法的性能优劣，提出了针对单片机的切实可行的实施方 案。 第六章是文章的结论和对以后工作的展望。 4 2 广播数据系统( i s ) 技术规范 2 1 调频广播及数据广播的基本知识 2 1 1 调频立体声广播的基本原理 单声道音频广播在1 9 6 1 年以前是调幅、调频和电视的标准。在普通单声道的 调频广播中，调制信号的最高频率为1 5 k h 之，最大频偏为7 5 k h z 。根据卡森公式西1 ： 胁= 2 ( 似+ 1 ) = 2 ( 矽+ )( 2 - 1 ) 可以算出调频信号的带宽为1 8 0 k h z 。由此规定各电台之间的频道间隔为2 0 0 k h z 。 也就是说，话音和音乐频谱都在5 0 h z 1 5 k h z 的单声道内。这个单声道对高频载 波进行调频，再通过带宽为2 0 0 k h z 的信道进行传输。 而在f m 立体声广播中，声音在空间上被分成两路信号，一个左声道信号l ， 一个右声道信号r ，频率都在5 0 h z 1 5 k h z 。我国的调频广播，主要采用导频制 双声道调频立体声广播制式。在调频广播中，o 1 5 l ( h z 的频率为主信道，用作传 递单声道广播信号或导频制双声道调频立体声左、右声道音频信号l 与r 的和信 号m ；2 3 5 3 k h z 为副信道，是立体声左、右声道音频信号l 与r 的差信号s 对 副载波3 8 k h z 进行幅度调制并抑制载波后( d s b s c ) 的双边带信号；1 9 k h z 是为 了在接收机中恢复3 8 k h z 副载波而加入的幅度适量的导频信号；利用5 7 l ( h z 的副 载波对数据信号进行抑制载波调幅，最后得到的就是频谱为5 7 k h z 士2 3 7 5 k h z 的 r d s 信号。于是，和信号( l + r ) 、差信号( l - r ) 、导频信号以及r d s 数据信号 组合成复合信号进行频分复用( f d m ) 后，作为f m 立体声广播的基带信号对主 载波( 8 7 m h z 1 0 7 m h z ) 进行调频，然后由发射机发射出去。 - o ； o 也 o1 51 92 33 85 3 5 7 f i i e q u e n c y ( k h z ) 图2 1 调频多： j “播的调制信号的频谱 f i g 2 - ls p e c 仃u mo f m o d u l a t i o ns i 朗a lo ff mr a d i os ) ，s t a n 5 如图2 1 所示，利用调频广播基带信号中的空闲频带，可以在不影响原来声音 广播的基础上传送数据信号，从而发掘调频广播的潜力，节约频率资源。 一个典型的导频式调频立体声接收机的工作原理如图2 - 2 所示。 扬声器 图2 2 导频式调频立体声接收机的工作原理框图 f i g 2 - 2p r i n c i p l eo ff ms t e 啪嗽e i v 盯 调频( f m ) 收音机由输入、高放、本振、混频、中放和鉴频回路与音频功率 放大器组成。信号与本地振荡器产生的本振信号进行f m 混频，混频后输出。f m 混频信号由f m 中频回路进行选择，提取以中频1 0 7 m h z 为载波的调频波。该中 频选择回路由1 0 7 m h z 滤波器构成。中频调制波经中放电路进行中频放大，然后 进行鉴频得到音频信号，经功率放大输出，耦合到扬声器，还原为声音。 2 1 2 关于广播数据系统( r d s ) 技术规范 1 9 9 5 年1 2 月，国家技术监督局参照欧洲电工技术标准化委员会( c e n e l e c ) 出版的广播数据系统规范( e n 5 0 0 6 7 ：1 9 9 2 ) 和e b u3 2 4 4 文件以及美国r b d s 标准( 1 9 9 3 ) ，发布了中华人民共和国国家标准g b 厂r1 5 7 7 0 1 9 9 5 ，即我国的广播 数据系统( r d s ) 技术规范。该标准参照o s l 分层的方法规定了广播数据系统( r d s ) 的调制特性、基带编码、消息格式、寻址和编码及有关协议n 们。 2 2 r d s 数据信道的调制特性( 物理层) 2 2 1r d s 数据信号的发射与接收 如2 1 1 节中所述，r d s 数据信号是调制在副载波上传送的，它与立体声复合 信号( 或单声信号) 混合后，送到f m 发射机的调制信号输入端。 r d s 发送端设备和典型的接收机解码器的框图分别示于图2 3 和图2 4 。 6 。 图2 3 典璎的l m s 发射装置i ：作原理框图 f i g 2 3b l o c kd i a g 姗o f r _ a d i o - d a t ae q u i p m a l ta tt h eh a n s m i t t e r 7 t或 0 亏 与 r 套i l 垂专獬莲 i il _ 毛乡r j 、q ；妻扣 1 西o k t f _ 。i l 一 暑 f 卷蚤 一 鼍 量耋 塞耄 镰妻 量善 & 毒卜 薹喜 伊 t 嚣 镬 l 毒 羹 薹li 萋 t ，鸳 l? jl ： i 耋睾 l l 霉 一妻 j 蘸 i 置i 。互 了 l 态一 t 童耄y 责薹 骖 h l “ 1 毫专 ij x 至i i 也 耋叁j 之 一幽 主篆 鲞 图2 _ 4 典型的i m s 接收装置i ：作原理框图 f i g 2 4b l o c kd i a g r a mo fat ) ，p i c a lm d i o 也t ai i e c e i v 盯 8 h ! 差： 象岂 五i爹o，i _ v 1 u i要1i壕 摹u 2 2 2r d s 信道基本技术参数 ( 1 ) 副载波频率 副载波频率为5 7 k h z ，容差为士6 h z 。在立体声广播时，副载波频率锁定于1 9 l ( h z 导频的第三次谐波上。 ( 2 ) 副载波相位 在立体声广播时，副载波频率锁定在1 9 k h z 导频的三次谐波的同相位上。其 相位角的容差在f m 发射机调制信号输入端为士1 0 0 。 ( 3 ) 副载波电平 未调制的副载波对f m 主载波的标称频偏为士1 o k h 础7 5 虹i z ，推荐值为 士2 0 i ( h z 。建议在解码器和解调器里应留有余量，容许满频偏士7 5 k h z 。 ( 4 ) 数据率和时钟频率 r d s 的基本数据率是1 1 8 7 5 b i t s 士o 1 2 5 b i 低。时钟频率1 1 8 7 5 h z ，从5 7 k h z 副 载频经4 8 次分频得到。 ( 5 ) 调制方法 数据源经双相编码和成形后对副载波进行抑制载波调幅。它可以看作为相位 偏移为士9 0 0 的双相相移键控( p s k ) 的一种变形。 2 2 3r d s 数据信号的调制与解调 r d s 采用了相移键控来进行数据信号的调制与解调。 相移键控( p h a s es h i rk e y i n 吕p s k ) 是利用载波的相位变化来传递数字信息， 而振幅和频率保持不变。在二进制调相系统( 2 p s k ) 中，通常用初始相位0 和兀 分别表示二进制“l ”和“o ”。因此，2 p s k 信号的时域表达式为 e 2 胱( f ) = 彳c o s ( 魄f + 伽)( 2 - 2 ) 其中，伽表示第n 个符号的绝对相位，发送“0 ，时，伽= 0 ；发送“l ”时，伽= 兀。 这种以载波的不同相位直接去表示相应的二进制数字信号的调制方式，称为二进 制绝对相移方式。 9 o s ( t ) o 图2 5 二相绝对相移调制 f i g 2 5t w 0 - p h 弱ea b s o l u t ep h 勰em o d i l l a t i o n 但是，由于在2 p s k 信号的载波恢复过程中存在着1 8 0 0 的相位模糊( p h a u s e 锄b i 鲥t ) ，) 问题，即恢复的本地载波与所需的相干载波可能同相，也可能反相， 因此导致解调出的数字基带信号与发送的数字基带信号可能j 下好相反，即“l ”变为 “o ”，“o ”变为“l ”，这种现象成为2 p s k 方式的“倒兀 现象。 于是，为了解决上述问题，引入了差分相移键控( d p s k ) 体制，也称作相对 调相。所谓“相对调相 ，就是利用了载波的相位相对值来表示信息。与绝对调相 不同的是，它不是利用载波的不同相位直接去表示数字信息，而是以相邻的前一 码元的载波相位为基准来确定其相位取值。例如，当某一码元耿“l ”时，其载波的 相位与前一码元的相位相反( 相移为兀) ，而另一码元取“o ”时，它的载波相位与前 一码元的载波相位相同( 相移为o ) 。由此，可以得出“相对调相 利用了前后码 元载波相位的相对变化值束传递信息的结论n 。 若令a 为绝对码，b 为相对码，则二者间的转换公式为： 抚= 口一。夙一i ( 2 3 ) 相对码的编码波形如图2 6 所示： lol 1l001 绝对码 r 厂 一厂 相对码c 扔始括位为厂 厂 一厂 相对码( 扔始相位为o ) illil 一_ _ _ _ _ _ j i - _ _ _ - - - _ _ _ - 一 相对引柳始提位为d 一。厂1 一n 相对码f 韧始提位为1 ) liili - - 一- 一 图2 6 相对码的编码波形 f i g 2 _ 6c o d i n gw a v e f o r mo fr e l o c a t a b l ec o d e l o m m n 淞 n 、n酣删薯 n ! n 暑 八扒、 v wvv v w 。一 图2 7 二进制相对相移调制 f i g 2 - 7b i n a d rr e l a t i v ep h 雒em o d u l a t i o n 此外，在随机信号码元序列中，信号波形有可能出现长时间连续的j 下弦波形， 致使在接收端无法辨认信号码元的起始时刻。于是，i t u _ t 建议采取图2 8 中所示 的b 方式解决定时问题，即绝对码为o ，载波相位相对前一码元改变耽；绝对码 为l ，载波相位相对前一码元改变利2 。这样出现长连0 的码元时也有相位变化。 图2 82 d p s k 信号的欠量图 f i g 2 8s i 印a lv e c t o ro f2 d p s k _ - - _ m i o 2 2 4 基带信号的差分编码 如前所述，为了克服接收端解调时载波相位模糊的问题，要对l m s 信号进行 差分编码，即利用相邻前后码元电平的相对变化来传送信息，原始信号按照表2 1 中的原则进行差分编码： 表2 i 差分编码表 前面输入( 在k l 时)新的输入( 在t i 时)新的输出( 在t i 时) 0o0 01l l0l l 1 o 当输入数据电平为0 时，输出保持前面的位状态不变，当输入为l 时，新的 输出位便是前面位的补码。在接收机里用相反的过程进行解码。见表2 2 ： 表2 - 2 差分解码表 前面输入( 在t o l 时) 新的输入( 在t i 时)新的输出( 在t i 时) 00o 0ll l0 l llo 2 2 5 基带信号的双相编码 根据数字通信的基本原理，并不是所有编码形式的电波形都能在实际的基带 信号传输信道中传输。某些常见的基带信号，例如含有丰富直流和低频成分的部 分就不适合在信道中传输。这些部分很容易使信号发生严重畸变，例如，单极性 基带信号波形就是这方面的典型。此外，基带传输系统一般都需要从接收到的基 带信号中提取出定时信号，这个信号依赖于代码的波形，如果代码出现长时间的 连“0 ”符号，则基带信号就会出现一段较长时问的0 电位，这样在接收一方的定时 系统将很难从接收信号中提取出定时信号。 基于以上考虑，r d s 基带信号采用了曼彻斯特编码。这样可以保证在每一个 码元的正中间出现一次电平的转换，这对接收端的提取位同步信号是非常有利的， 同时也可以获得较好的抗干扰性能o 因此，在副载波频率5 7 k h z 及其附近的数据 1 2 信号的能量被减至最小，从而避免数据信号在锁相环立体声解码器里引起串话。 曼彻斯特编码后的o 、l 信息需要进行双相编码，从而在每一个数据位产生一个单 脉冲对e ( t ) 。即： 逻辑“l ”的产生： p ( f ) = 万( f ) 一万o 一妇2 )( 2 d 逻辑“o ”的产生： p ( f ) = 一万( f ) + 万o 一匀2 )( 2 - 5 ) 这里t d - l 1 1 8 7 5 秒，是r d s 基带信号的码元周期。 2 2 6i s 数据信道频谱成形 由2 p s k 定义可知，信号l 、o 所表现的时域波形如图2 9 所示： l ： l ： i o ： - 阉：t 图2 9 2 p s k 信号波形 f i g 2 9s i g n a lw a v e f b n no f2 p s k 由上图可见，时域信号在符号边界存在突变，而根据数字信号处理的基本知 识可知，在时域发生突变处的信号，其频域是无限宽的。而一般的通信信道的带 宽是有限的，因此，信号必须经过滤波器整形，这样才能具有要求的有限带宽频 谱。整形滤波器的幅频特征h “f ) 为： 日t ( ，) 昌f 嘲警 o ，执 ( 2 - 6 ) o ， 2 a 此外，为了更有效利用频谱和抑制噪声，上述滤波器可于发送端与接收端分 别实现，即在理想情况下接收机的数据滤波应与发射机的相同，称作余弦滚降滤 1 3 iiii 波器。其频域频谱特性如图2 1 0 所示： o o 9 ，9 2 02 椭h z 图2 1 0 发射机或接收机余弦滚降滤波器的频响特性 f i g 2 - l oa m p l i t u d e 掣o f t l l es p e c i f i e d 妇潞m i t t e ro rr e c e i v e rd a t a - s h a p i n gf i l t e r 1 0 o j 0 6 o 鼻 o 0蠢809 1 9 2 02 o o h z 图2 1l 发射机和接收机数据成形滤波器的合成频响特性 f i g 2 - l la m p l i t u d er e s p o n s eo f t h ec o m b i n e dt m n s m i t t e ra n dr e c e i v e rd a t a s h a p i n ge l t e 培 1 4 ” 龟-r誉誊e奄j童 龟-工芝暑童詈备逮霉乏 发送的双相码广播数据信号的频谱示于图2 1 2 ，广播数据源编码器输出端的 5 7 k h z 广播数据信号波形示于图2 1 3 ： 八| | _ 八 一 2 t 。o j o o2 t o0釉07 0 02 0 0h j 耐_ 轴f 一r 忡甘0 e 彝cy 蚓2 1 2 。播数据信号舣相码的频谱 f i g 2 一l2s p e c t n j mo f b i p h a s ec o d e dr a d i o d a t as i g n a l s + 2 0 k 一： ：- 葛露 苎一 o e do 室= 曙k 益6 2 0 髓h ? o 疗e 刍，p a 善口y 嚼6 0 ， 6 矗t4 3 t ab | tp c h 4 d l 。 1 8 j j 善孽c 口一一 图2 1 3j 。播数据信号波形 f i g 2 一l35 7k h zr a d i o 司a t as i g n a l s 2 3 r d s 的基带编码( 数据链路层) 2 3 1 编码基本结构 如图2 1 4 所示，l 国s 基带编码的结构中，最大的单元称为“组 ，每组包含4 个各为2 6 位的块，每个块包含1 6 为信息字和1 0 位校验字。整个组共有1 0 4 位。 图2 1 4r d s 的基带编码结构 f i g 2 1 4s n i l c t l l 】f eo f m eb 勰e b 锄dc o d i n g 所有的信息字、校验字、二进制数或二进制地址值都是高位先传送，数据传 送是完全同步的各数据组与数据块之间不留空隙。 图2 1 5 是r d s 的基本消息格式，其中有一些固定的消息位，如： 组型码( g r o u pt ) ，p ec o d e ) = 4 位； 版型码b o = l 位； p i 码= 1 6 位： t p 码= 1 位： p t y 码= 5 位。 校验字+ 偏置字= l o 位，为消息提供误码校验和块组同步。 每一组里首先传送块1 ，最后传送块4 。 1 6 图2 1 5 r d s 消息格式 f i g 2 - 1 5m e s s a g ef 0 m l a t 锄da d d r 髓s i n g 2 3 2i s 基带信号的误码校验 r d s 数据格式使用了一种缩短循环的块编码，它是由原始码长为3 4 l 位的循 环码缩短3 1 5 位而得到的( 2 6 ，1 6 ) 分组纠错码n 甜。所用编码是一种最佳的纠正 突发误码的缩短循环码，其生成多项式为： g ( z ) = x l o + ，+ x 7 + + x 4 + ，+ 1( 2 7 ) 为了使接收机的解码器能检出并纠正传送中的误码，每发送一个2 6 位块就含 有1 0 位校验字，因而每一个块由1 6 个信息位和1 0 个校验位组成。 校验字可按通常的方法形成，即1 6 位信息字乘以x 溅( n k 为校验位数，这里 为1 0 ) ，也就是左移1 0 位扩充为2 6 位，空出来的低1 0 位补o 。用这个信息字多 项式( 模2 ) 除以生成多项式g ( x ) ，得到的余数就是初始的校验字c 9 c o 。 因此，若多项式m ( x ) 代表1 6 位的信息向量，则基本码向量“x ) 为： “石) ：m ( z ) 石- o + 型譬；l m o dg ( 力( 2 8 ) g l 叫 根据差错控制编码理论n 引，该循环校验码有以下能力： a 1 能检出一个块里所有l 位和2 位的错误。 b ) 能检出长度为l o 位或1 0 位以下的任何单个突发错误。 c ) 长度为ll 位的突发错误能检出约9 9 8 ，更长的突发错误能检出约9 9 9 这个码是一个最佳的纠正突发错误的码，能纠正长度为5 位或小于5 位的任 何单个突发错误。 2 3 3r d s 基带信号的组块同步 1 7 l m s 系统为了接收端的块同步，为同一组中的不同块设置了不同的偏置字： 表2 3 用于组和块同步的偏置字 t h b l e 2 3o f & tw o r dc o d 懿 二进制值 偏置字 d 9d 8d 7d 6d 5d 4d 3d 2d ld o a 0o lilll lo0 b0ll0ollo00 co1 0l1 0loo0 c llolol000o dolloll0lo0 偏置字按模2 加到校验字c 9 c o 上，生成修j 下的校验位c 9 c o ( 见图2 1 4 ) 。 设l o 位偏置字为d ( x ) ，将其( 模2 ) 加到基本码向量v ( x ) 上，就形成了传送码向 量c ( x ) ： c ( 功= j ( j ) + v ( x ) 叫功州咖m + 等i m o d g ( 功 ( 2 _ 9 ) 2 3 4 修正的校验位的编解码过程 按照上述理论，校验位的编解码过程其实就是模2 的长除法与加法运算。需 要注意的是这里的模2 运算实际上就是不带进借位的异或运算，具体运算法则可 见图2 1 6 ，这里不再赘述。 图2 1 6 模2 除法取余例 f i g 2 一l6m o d u l o2d i v i s i o n 锄dd i s j l l l l c t i v ec 彻叩l 锄朗t 这个编码过程通常是用它的生成短阵g 来考虑的，g 可由生成多项式导出来。 1 6 个信息位可表示为一个1 6 1 的列矩阵，它乘以生成矩阵而得出信息位和校验 位，再加上偏置字d ( x ) 就得到完全的传送码向量。因此生成矩阵形式如下： 1 8 一一一一一一一一一 阿1 l oiol g ： 图2 1 7 用二进制表示的基本缩短循环码生成的矩阵 f i g 2 - 1 7g e n e m t i ”m a t r i xo fm e b 蠲i cs h o n 即e dc y d i cc o d ei nb i n a d ，n o t a t i 将1 6 位的信息字看作列向量m ，则m g 即可得到2 6 位的块信息。由于g 矩 阵的前1 6 1 6 子矩阵为单位阵，所以矩阵相乘结果的2 6 位中的前1 6 位仍然为原 信息字。后l o 位为初始校验字。以上的矩阵相乘运算都是按照二进制模2 运算进 行。得到初始校验字后，在不同的块中加入该块的偏置字，这样，就得到了带有 。 同步信息的校验字。 同样，在接收端可以根据发送端2 6 位块信息字的构成方法构造一个校验矩阵 h ： h lo i 9 0 0 0 o 1 0 0 0 0 0 0 0 0 o o l o o o a 0 f ) t 0 0 o d 0 0 l 0 9 0 0 0 0 0 0 l 凸0 0 a 0o i 艄1 0 0 0 o o ) o 0 l o a 0 0 0 0 0 0 0 0l a 0 0 0 0 9 0 0 l l o l l o l l l l ) a o l o l l o l ll a 0 0 l o l l o l l i l o i o 引il l l l l o o 】l l l l l l ( ) 0 0 1 9 0 l i l1 0 l o l 9 1 0 l l l o l l l o l l o 0 l l o l l l j d ll l 。i 的o 0 0 0 0 l l i l t o 】l l o o 0 l l l l o l l l a o i ) 1 1 1 1 0 1 1 1 i o l 0 1 0 0 ll l l l i o o o i l l l l l o o o ll o l l 图2 18 基本缩短循环码的奇偶校验矩阵 f i g 2 一l8p 撕t y - c h e c km a t r i xo ft h eb a s i cs h o n e dc y c l i cc o d e 1 9 l i l i l 0 0 0 o i l - - l l o t l i l l 0 o 0 o l l i l l o i o i l l o o 0 0 l l l l l 0 i o o o o l i 1 0 l l l o o l o l o l l o o o l i i l o l o 一- 0 i l l l l l o o l l o l 1 o l o