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RDS/RBDS解码器设计及其性能仿真 I关于RDSRadio Data System的毕业论文目 录1 绪论11.1 RDS/RBDS 综述11.2无线广播数据系统起源11.3无线广播数据系统现状21.4 RDS/RBDS系统框图42 RDS decoder系统设计62.1 RDS decoder系统组成63 RDS/RBDS数据帧结构83.1 RDS/RBDS系统83.2编码过程93.3 解码过程124 组与块的同步164.1 RDS decoder系统状态切换164.2 组与块的同步原理164.3 同步搜索175 失锁机制256 程序流程图267 仿真结果及结论27参考文献29致 谢31RDS/RBDS解码器设计及其性能仿真 931 绪论1.1 RDS/RBDS 综述RDS最初是由英国广播公司播出的一种特殊的无线电广播被称为“无线电广播数据系统（无线数据系统，简称：RDS）。”它是在调频副载波广播传输信号，电台名称，节目类型，节目内容及其它信息以数字形式发送。 RDS调谐器可以识别这些数字信号，变成字符显示在显示屏上1。FM立体声广播发送附加信息根据CCIR协议，调制信号的基带，只能使用的频率范围为53KHz75KHZ。为了兼容与现有的广播系统中，以提供57kHz的副载波频率，可以为6KHz的偏差时，RDS信号抑制副载波调幅和要求的载波相位9010，其主要活动是，如下所示：（1） 立体声相关信息：电台名字、电台频率、正在播放歌名等。（2） 寻呼：寻呼服务等。（3） 交通信息：交通信息通告、交通时况等。（4） 差分全球定位系统：多维定位、连续定位等。（5） 紧急警报系统：随时播放紧急通报等。（6） 电子小型通讯录：旅游指南信息、地图等。 RDS使收音机自动化、高档化，并且在城市交通管理中发挥了显著作用，仍再扩大其应用领域。RDS在起源于欧洲，被广泛应用于欧洲和美国，是欧洲汽车电子收音机重要的功能之一2。不过迄今为止，中国国内电台不支持RDS，但到目前为止，中国的国内广播不支持RDS，但国内小部分电台在进行RDS功能实验，在深圳或珠海，可以收到香港的RDS电台，如88.1MHz（雷霆台）、90.1MHz（商台）、93.2MHz（香港一台）、97.3MHz（香港四台）31.2无线广播数据系统起源1984年欧洲广播联盟（EBU）制定了无线数据广播系统（RDS）的欧洲规范，并于1985年9月向国际无线电咨询委员会（CCIR）提交了以RDS作为FM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。1986年CCIR批准将RDS作为世界统一标准。自此欧洲各国纷纷开设发RDS的广播业务。1987年5月CCIR引入国际标准化组织（ISO）的开放系统互连（OSI）的概念，进而制定了RDS的参考模型4。与中波相比，RDS城市交通信息广播的主要特点是利用现有的调频广播资源，通过广播信号里插入数字码实现，只需少量的投资即可建成广播发射端。它与音频信号是分开的，丝毫不会干扰收音，也不会影响收音机音质。当收音机检测和解调这些数字码后，便能提供相应的功能5。因为广播原则上是单向的，采用OSI的结构有一定的困难。尽管如此，在广播领域内OSI参考模型仍旧被广泛接受了。同时因为电信正向宽带综合业务数字网（B-ISDN）发展，广播正向综合业务广播（ISDB）发展，其间的相互结合是肯定的。1.3无线广播数据系统现状继RDS欧洲标准出台之后，美国于1993年出台了美国的无线广播数据系统标准，称之为RBDS（Radio Broadcast Data System，缩写：RBDS）6。就数据调制解调过程而言，二者没有实质区别。皆可相嵌于调频立体声广播之中。二者的本质区别在于数据同步过程中所用校验包格式的差别。声音广播系统的接收设备，属声像电器。它把天线接收到的高频信号还原为音频信号，加到扬声器上重放出声音。1906年R.A.费森登在美国马萨诸塞州布兰特岩城的实验室里，作了有史以来的第一次无线电广播。1920年美国开始调幅广播。1941年开始调频广播，并在1961年确定了与单声道广播兼容的立体声广播制式。80年代，又在研究立体声调幅广播7。1916年美国已有矿石收音机出售。1921年，收音机生产成为美国发展最快的工业部门之一，1922年销售量达10万台8。随后收音机便以极快的速度在全世界普及。收音机的类别很多。按接收的广播制式分为调幅收音机、调频收音机、调频调幅收音机：按所用元器件分为电子管收音机、晶体管收音机、集成电路收音机：按接收的波段分为中波收音机、中短波收音机、中波超短波收音机、长中短波收音机、全波段收音机：按体积分为微型收音机、袖珍收音机、卡片式收音机、便携式收音机、台式收音机、落地式收音机：按使用的电源分为交流收音机、直流收音机、太阳能收音机、交直流两用收音机：按功能分为汽车收音机、立体声收音机、钟控收音机、电唱收音两用机、收录机和其他多用机等：按原理分为直放式收音机和超外差式收音机，前者在检波前不改变原来的接收频率，后者不论所选收的电台频率大小，先把它变成一个较固定的中间载频（中频），然后再对它进行放大、检波。常用的收音机是超外差式收音机，主要有调幅收音机、调频收音机和调频立体声收音机三类9。调频（Frequeney Modulation，缩写：FM）是一种以载波的瞬时频率变化来表示信息的调制方式。（与此相对应的调幅方式是透过载波幅度的变化来表示信息，而其频率却保持不变。）在模拟应用中，载波的频率跟随输入信号的幅度直接成等比例变化。在数字应用领域，载波的频率则根据数据序列的值作离散跳变，即所谓的频率键控。调频技术通常运用在甚高频段VHF无线电上的高保真无线电音乐和语音的传送。普通的（模拟）电视的音频信号也是透过调频方式传递。窄带形式的调频广播（N-FM）限于商业上的声音通讯和业余无线电领域，广播中使用的调频技术则一般称为宽带调频（W-FM）。宽带调频（W-FM）和调幅相比，在同样的调制信号作用下，宽带调频需要更宽的带宽。但是这也使信号具有更强的抗噪声和干扰能力。调频还具有较强的抗简单信号振幅衰减能力（simple signal amplitude fading phenomena）。因此，调频被选做高频、高保真无线电传输的调制标准10。RDS/RBDS系统可以在传送调频立体声广播节目的同时传送公众性的数据信息，不另外占用有限的频率资源，不增加调频发射机的发射功率，并且在普通调频立体声节目和RDS数据通道之间不发生干扰情况下，不减小普通调频立体声节目的覆盖范围11。更重要的是根据我国的广播政策，“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。在技术规范中应保证95%以上的人口能听好广播，在城市与农村同时有45个调频广播节目供选择收听。”因此，我国的调频广播网覆盖范围非常广，应该充分利用广播电台已经建成调频广播网这一优势，研究开发通过RDS/RBDS发布数据信息的网络，建成既经济又实用的数据信息发布网12。通常的调频立体声广播只占用调频基带的53 KHz以下的频带，而53 KHz以上的频带还可用于传输其它信息，如图1-1所示。57 KHz2.4 KHz用于数据广播RDS。按照欧洲广播联盟（EBU）规定的传输格式，在其上主要传送收音机辅助调谐用的数字信息，并可同时传送寻呼机、DGPS和交通诱导等信息，还可在透明通道传送其它信息。以67 KHz、76 KHz、92 KHz为中心的信道称辅助业务信道（SCA），其上的数据广播并没有统一的规定和格式，研制的广播数据系统可以工作在中心频率57 KHz96 KHz、速率1 187.5 bps（中心频率57 KHz）到2 kbps（中心频率96 KHz），可在一个调频广播信道上开展多套广播数据服务13。来自网上的文件服务器或通过调制解调器和电话线远程接人的信息源数据经播出控制计算机处理后送入RDS编码器，编码器对数据进行双相频移键控调制（DPSK），调制在RDS或SCA信道上，然后与立体声信号一起复合成调频基带信号（如图1-1频谱），再对VHF主载波调频，经发射塔发射出去。接收机具有自动调谐功能，可搜索信道并锁定在相应的调频台及副载波上，经解码按照控制端给出的授权，接收各自的信息，此信息可由串行RS-232C口输出14。本文仅分析作者开发的RDS编解码器的帧结构、编解码和同步的原理及实现方法。H(f)f0151938576776主信道导频副信道RDSSCASCA图1-1广播数据系统多工信号频谱图1.4 RDS/RBDS系统框图本广播数据系统应用于87.0108.0MHz立体声（导频制）或单声道导频声音广播。广播数据接收机不应受数据信道以外的信号干扰。数据信号调制在副载波上传送，它与立体声复合信号（或单声信号）混合后，送到FM发射机的调制信号输入端15。RDS发送端设备和典型的接收机解码器框图分别示于图1-2和图1-316。发送系统：计算机将信息送人RDS编码器，编码器对数据进行双相频移键控调制（DPSK），调制在RDS或SCA信道上，然后与立体声信号一起复合成调频基带信号，再对VHF主载波调频，经发射塔发射。接收系统：调频接收机接收发射塔送出的信号，并送入给解码处理系统，对RDS/RBDS信号的滤波和解调、符号解码等操作，最后通过主微处理器送出处理后的有效数据。图1-2 发送端编码器框图图1-3 典型的接收机解码器框图2 RDS decoder系统设计2.1 RDS decoder系统组成2.1.1 RDS decoder 系统结构模块RDS decoder系统结构模块如图2-1所示。它包括两个模块：解码和纠错电路模块（Decoding and Correction Circuits）、组与块的同步检查电路模块（Group-and-Block Synchronization Detection Circuits）。其中，组与块的同步检查电路模块（Group-and-Block Synchronization Detection Circuits）中包含PDC（Polynomial Division Circuits）模块和SCC（Syndrome Compare Circuits）模块。首先，26位数据进入，组与块的同步电路对数据进行同步，输出块标志。DCC利用正确的偏置字对26 Bits数据进行解码和纠错，并输出解码后的16 Bits。Data 16 BitsGroup and Block Sync. SignalDecoding and CorrectionCircuitsGroup-and-Block Synchronization Detection CircuitsData 26 Bits图2-1 RDS解码器模块图解2.1.2 RDS decoder 系统框图RDS decoder系框图如图2-2所示。主要包括三个模块：PDC（Polynomial Division Circuits）模块、SCC（Syndrome Compare Circuits）模块、DCC（Decoding and Correction Circuits）。BufferForShiftRegister26是一个26位的缓存，NextBlockTag0和NextBlockTag1用来存放同步搜索过程中的块标志，BlockTag5*8用来存放同步后5个块的块标志，Buffer5*26用来存放5个块的数据，Offset Word Table中存放了6种类型块的偏置字。当26位缓存满时，RDS decoder PDC模块会输出一个10 bit 的偏置字。SCC模块对PDC输出的10 bit偏置字进行比较，看所计算出的偏置字是否在表3-1中，并输出块标志。DCC利用正确的偏置字对来自Buffer的26bits 进行解码和纠错，并输出16bits。图2-2 RDS decoder系统框图3 RDS/RBDS数据帧结构3.1 RDS/RBDS系统3.1.1 RDS/RBDS信号编码图3-1是RDS/RBDS数据帧的结构，每一帧即为一个group（组）。结构中最大的单元称为“组”，含104位，每个组包含4个各为26位的块，每个块包含16位信息字和10位校验字。在欧洲标准RDS中，一组中的四个块分别为Block1，Block2，Block3，Block4，其对应的偏置字分别为A，B，C（C），D。Block3的偏置字是C还是C取决于具体的应用。一旦应用固定下来，每组就固定发C或C。在美国标准RBDS中，一组中四个块的偏置字除了分别为A，B，C（C），D外，还可以是4个E块。图3-1 RDS/RBDS数据帧结构3.1.2 位传送顺序所有的信息字、校验字、二进制数或二进制地址值都是高位先传送（见图3-2 ）。因此，最后传送的位权级为20。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3-2 消息格式和寻址其中：组型码=4位；版型码B0=1位；PI码=16位；TP 码=1位，PTY=5位。校验字+偏置字=10位，为消息提供误码校验和块、组同步。t1AXXX-AXXXA-可以确定第0块为A块，第1，2，3块修改为BCD -AXXXE-可以确定第0块为A块，第1，2，3块修改为BCD -AXXXX-不能确定第0块为A块，但第1，2，3位修改为BCD如果1，2，3中至少有一块是对的，且顺序是正确的，那么可以确定当前块是A块，确定完当前块标志后，如果1，2，3块中有错的，则把相应块的块标志置1；如果1，2，3中三块全错，则看第4块，如果第4块是A或者E，则可以确定当前块为A块，并把1，2，3块相应的块标志置1，如果第4块错了，则不能确定当前块为A块，虽然如此，还是把当前块看成是A块进行解码，1，2，3块相应的块标志置为1。2) 如果第0块是B块，1，2，3块应该分别是C（C），D，A或C（C），D，E。可以确定第0块是B块，第1，2块有错可以修改为C（C）D。如果第3块错了，则由第4块来决定，如果第4块为B或E，则第3块修改为A或E。如果第4块也错了，则第3块无法修改。如果1，2，3中三块全错，则看第4块，如果第4块为B或者E，则可以确定当前块为B，并把1，2，3块相应的块标志置1；如果第4块也错了，则不能确定当前块，虽然如此，还是把当前块看成是B块进行解码，1，2块相应的块标志置为1。如果第0块是C块，1，2，3块应该分别是DAB或DEE。可以确定第0块是C块，第1块有错修改为D。CA-第1块有错则修改为D，第3块有错则修改为B。CE-第1块有错则修改为D，第3块有错则修改为E。CX- CXB-第1块有错则修改为D，第2块修改为A。CXE-第1块有错则修改为D，第2块修改为E。CXX- CXX- CXXC-第2，3块修改为AB。 CXXE第2，3块修改为EE。 CXXX-第2，3块暂时无法修改。如果0，1，2，3块是CDAB，CXAB，CDXB，CDAX，CXXB，CDXX，CXAX，CDEE，CXEE，CDXE，CDEX这11种情形，则可以确定当前块为C块，确定完当前块标志后，如果第1块是错的，则把该块的块标志置1；如果第2块是错的，则由第3块来决定，如果第3块是B或E，则把第2块标志为A或E；如果第2，3块错了，则由第4块来决定，如果第4块为C或E，则第2块标志为A或E，第3块标志为B或E；如果2，3，4块全错，则第2，3块的块标志暂时无法确定。如果第0块是C块，确定情形跟C块是类似的。如果第0块是D块，1，2，3块应该分别是ABC或EEE。可以确定第0块是D块。DA-第2，3块有错则修改为BC。DE-第2，3块有错则修改为EE。DX-DXB-第1块修改为A，第3块有错则修改为C。 -DXE-第1块修改为E，第3块有错则修改为E。 -DXX- DXXC-第1，2块修改为AB。 DXXE-第1，2块修改为EE。 DXXX-DXXX-DXXXD-第1，2，3块修改为ABC。 -DXXXE-第1，2，3块修改为EEE。 -DXXXX第1，2，3块无法确定。如果0，1，2，3块是DABC，DXBC，DAXC，DABX，DXXC，DAXX，DXBX，DEEE，DXEE，DEXE，DEEX这11种情形，则可以确定当前块是D块，确定完当前块标志后，如果第1块是对的，则第2，3块很容易确定；如果第1块是错的，则由第2块来决定，如果第2块为B或者E，则第1块标志位A或E；如果第1，2块是错的，则由第3块来决定，如果第3块为C或E，则第1，2块标志位AB或EE；如果1，2，3块全错，则由第4块来决定，如果第4块为D或E，则第1，2，3块标志为ABC或EEE；如果1，2，3，4全错，则第1，2，3的块标志无法确定。如果第0块是E块，1，2，3块可能是ABC（C）或EAB或EEA或EEE。如果0，1，2，3块是EABC（C），EXBC（C），EAXC（C），EABX，EXXC（C），EAXX，EXBX；EEAB，EXAB，EEXB，EEAX，EXXB，EEXX，EXAX；EEEA，EXEA，EEXA，EEEX，EXXA，EXEX；EEEE，EXEE，EEXE，EXXE这24种情形，则可以确定当前块是E块，确定完当前块后，后续块标志的修改原则如下：EA-第2，3块有错则修改块标志；EE-EEA第3块有错则修改块标志； -EEE-EEEE -EEEA -EEEX-EEEX-EEEXB-第3块有错修改为A； -EEEXA-第3块有错修改为E； -EEEXX-第3块无法修改； -EEX-EEXB-第2块修改为A； -EEXA-第2块修改为E； -EEXE-第2块修改为E； -EEXX-EEXX-EEXXC-第2，3块有错修改为AB； -EEXXB-第2，3块有错修改为EA； -EEXXA-第2，3块有错修改为EE； -EEXXE-第2，3块有错修改为EE； -EEXXX-第2，3块无法修改；EX-EXB-第1块修改为A，第3块有错修改为C（C）； -EXA-第1块修改为E，第3块有错修改为B； -EXE-EXEA-第1块修改为E； -EXEE-第1块修改为E； -EXEX-EXEX-EXEXB-第1块修改为E，第3块修改为A； -EXEXA-第1，3块修改为E； -EXEXE-第1，3块修改为E； -EXEXX- 第1块修改为E，第3块无法确定； -EXX-EXXC-第1，2块修改为A，B； -EXXB-第1，2块修改为E，A； -EXXA-第1，2块修改为E，E； -EXXE-第1，2块修改为E，E； -EXXX-EXXX-EXXXD-第1，2，3块修改为A，B，C； -EXXXC-第1，2，3块修改为E，A，B； -EXXXB-第1，2，3块修改为E，E，A； -EXXXA-第1，2，3块修改为E，E，E； -EXXXE-第1，2，3块修改为E，E，E； -EXXXX-第1，2，3块无法确定； 如果第0块是X块。由于发生不可识别的块可能出现在D块后面错4块或者E块后面错4块，这里分四种情形：第一种，X块是E或D块之后错的第1块，则此种X块的块标志可由后面三块的块标志来确定，后面三块可能是BCD，也可能是EEE，只要后面三块中有两块是对的，即可确定第0块X的块标志；第二种，X块是E或D块之后错的第二块，则此种X块的块标志可由后面三块的块标志来确定，后面三块可能是CDA，CDE，EEA，EEE，只要后面三块中有两块是对的，即可确定第0块X的块标志；第三种，X块是E或D块之后错的第三块，则此种X块的块标志可由后面三块的块标志来确定，后面三块可能是DAB，DEE，EAB，EEE，要确定第0块的块标志，此时第一块一定要对，第2，3块中对一块即可确定第0块的块标志；第四种，X块是E或D块之后错的第4块，此块无法纠正。示意图如下：1) X块是E或D块之后错的第1块（红色标记），即DXXXX或EXXXXXBCD，XXCD，XBXD，XBCX-X确定为AXEEE，XXEE，XEXE，XEEX-X确定为E2) X块是E或D块之后错的第2块（红色标记），即DXXXX或EXXXXXCDA，XXDA，XCXA，XCDX- X确定为BXCDE，XXDE，XCXE，XCDX- X确定为BXEEA，XXEA，XEXA，XEEX- X确定为EXEEE，XXEE，XEXE，XEEX- X确定为E3) X块是E或D块之后错的第3块（红色标记），即DXXXX或EXXXXXDAB，XDAX，XDXB- X确定为C或CXDEE，XDEX，XDXE- X确定为C或CXEAB，XEAX，XEXB- X确定为EXEEE，XEEX，XEXE- X确定为E4) X块是E或D块之后错的第4块（红色标记），即DXXXX或EXXXX此种X块无法确定。如果第0块是伪对块。在D块、E块后出现连续的错4块，但是这4块的某些块的块标志block7未必为0，这种块称为伪对块。一旦发现伪对块，将把之认为是错块进行处理。5 失锁机制尽快检查出失步非常重要。有三种方案：由于PI码在任意组型中都会出现，且出现在每组的第一个块块A中。由于美国标准中，可能会出现连续的4个块E，这样利用PI码来设置失锁门限不够准确。由于偏置字计算电路计算出的偏置字的平均误块性能与译码前后的误码率呈线性关系，为此可以利用偏置字来设置某种BER下失锁门限所需要的误码块数23。利用DCC电路中或非门译码完后最终的输出（此输出记作为xor）来判断块是对的还是错的。当xor=1时，表示该块是对的，或者该块错误在可以纠正的范围之内；当xor=0时，表示该块出现了不可纠的错。由此，可设置某种BER下失锁门限所需要的误码块数。由于偏置字并不总是对的，在块错误可纠正的情况下，利用第3种方案来设置某种BER下的失锁门限更为合理。6 程序流程图信源编码产生随机偏移同步搜索暂存第二个同步字的数据于Buffer中块标志于BlockTag中读取一个块的数据比较当前块偏置字，获得当前块块标志暂存数据于Buffer中块标志于BlockTag中Source.txt 随机信源Sink.txt 编码后信源Sink_addnoise.txt 加噪后信源OffsetWordofSource.txt 偏置字文件Buffer中是否有5个块的数据开始是确定待解码的偏置字偏置字对否解码与纠错是否对否解码完毕？否是结束直接输出块数据的前16位译码前每X块误码数译码前每X块误码率译码前总误码数译码前平均误码率译码后每X块误码数译码后每X块误码率译码后总误码数译码后平均误码率否是否找到同步字性能比较图6-1 程序流程图7 仿真结果及结论本课题仿真利用偏置字和xor信号两种失锁机制下的每64块错误块的平均误块性能。本文给出了译码后希望达到的误码率所需的失锁门限BBL和临界失锁的帧数numFrame，见表7-1。译码时，利用偏置字或xor信号来每64块中错误块数，当错误块数大于失锁门限时，系统将失锁，重新进入同步搜索。本文还给出了两种方案下临界失锁帧数numFrame，通过临界失锁帧数numFrame可以获得信号质量不好时不会发生失锁的最短时间，该最短时间=numFrame*4*26/1187.5 S。临界失锁帧数numFrame是这样获得的：先发送1000帧Eb/N0=7.5dB的数据，再发Eb/N0=0dB的数据，最后发1000帧Eb/N0=7.5dB的数据。表7-1 失锁门限译码后误码率方案2失锁门限BBL方案2临界失锁numFrame方案3失锁门限BBL方案3临界失锁numFrame5e-2482041174e-2451733103e-240132872e-235102151e-2265122本文仿真了译码前、译码后的误码性能，两种失锁机制下的平均误块率性能。仿真结果见表格7-1和图7-1所示。Theoretical是指译码前的理论性能，即BPSK理论误码性能，simuOfBeforeDecode是指译码前的仿真结果，simuOfAfterDecode是指译码后的实际仿真结果，simuOfAfterDecodeUsingPerfectOffsetWord是指采用与发端相同偏置字的译码仿真结果，BlockErrorRateUsingOffsetWord是指采用偏置字作为失锁机制的平均误块率，BlockErrorRateUsingXor是指采用解码与纠错电路中xor输出作为失锁机制的平均误块率。表7-1 RDS误码性能和失锁性能数据Eb/N0(dB)TheoreticalsimuOfBeforeDecodesimuOfAfterDecodeBlockErrorRateUsingOffsetWordBlockErrorRateUsingXorsimuOfAfterDecodeUsingPerfectOffsetWord0.51.4752e-11.606287e-11.500420e-19.936441e-19.967297e-11.609474e-11.51.2002e-11.162710e-11.174817e-19.560185e-19.766906e-11.242867e-12.59.3709e-29.046699e-29.095273e-29.059495e-19.338542e-19.037468e-23.56.95