第5章数字声音广播系统 广播电视技术概论教学课件

第5章数字声音广播系统 2 学习指导 本章重点 5 1数字音频广播系统5 2数字调幅广播系统选学内容 5 3其它的数字声音广播系统 3 声音广播的数字化 声音广播的数字化正朝着DAB 数字音频广播 DRM 全球数字AM广播组织 DMB 数字多媒体广播 以及网上广播的多元化方向发展 技术特征从模拟向数字转变 从单机制作到数字音频制播网络转变 从较单调的声音广播向综合形态 包含数据广播 多媒体广播 交互式服务等 的过渡 4 5 1数字音频广播 DAB 系统 P124 DAB DigitalAudioBroadcasting 继AM广播 FM广播之后的第三代广播方式 DAB技术要点 以数字技术为基础 采用先进的音频数字编码 数据压缩 纠错编码及数字调制技术 在接收端可获得与原始发送信息相同质量的节目内容 5 5 1 1DAB系统的工作频段和主要优点 P125 工作频段 30MHz 3GHz 主要优点 1 提供CD等级的接收质量 2 抗干扰能力强 没有杂音或干扰 3 可降低发射功率 从而减少电磁污染 4 频谱效率高 可容纳多路立体声节目 还可传送其它附加信息 5 数字广播具备加扰 加密功能 6 接收机操作方便 简单 可实现可变的动态控制 7 以同步网运行 非常经济地利用有限的频谱 频谱利用率高 6 5 1 2三种DAB系统 P125 1 欧洲的尤里卡147 DAB系统2 美国的IBOC InBandOnChannel 系统3 日本的单路节目的DAB系统 7 DAB发送端构成框图 P126 8 DAB系统的发送端 P126 1 音频编码器 利用MUSICAM算法进行音频信源编码 压缩音频数据的数码率 2 复用器 压缩后信号与数据业务一起复用 3 编码正交频分复用 COFDM 信道编码调制 提高传输的可靠性 对多径传播不敏感 还将通过复合器加入快速信息信道FIC FastInformationChannel 符号 同步信号等 4 I Q正交调制器 对I Q基带信号D A变换后调制成已调中频信号 5 发射机 进行载波调制和功率放大 6 天线 将电磁波发射出去 9 DAB接收端构成框图 P126 10 DAB系统的接收端 P127 1 接收机的高频部分 又称调谐器 选择出所需要的传送声音节目和数据业务的频率块 2 I Q变换 进行频率变换 得到两路正交信号 将高频信号变成中频信号和基带信号 3 COFDM基带解调 完成对OFDM信号各个载波的解调 恢复出分配在各个载波上的数据流 4 解复用器 把每个传输帧的比特流细分为同步信道 SC 快速信息信道 FIC 和主业务信道 MSC 5 解时间交织 重新恢复原始序列 6 信道解码 纠错解码 实现误码的纠错和检错 7 解扰 将能量扩散重新恢复 8 MUSICAM信源解码 对音频数据进行去压缩 获得原始的音频数据 11 DAB系统结构 12 音频信号处理过程 数字音频码流 信源编码 压缩数字音频 信道编码 可删除卷积编码 时间交织 只用于主业务信道 MSC 的信息 多路复用 与各通道数字音频和辅助数据复用 频率交织 将相邻的比特在尽可能远的不同载波上传送 OFDM 分配到许多彼此正交副载波上进行四相相移键控 DQPSK 数字调制 巳调副载波叠加 形成COFDM基带信号 频谱搬迁 形成射频带宽 DAB频率块 发射 空间电磁波 13 DAB五项关键技术 信源编码 掩蔽型自适应通用子频带综合编码与复用 MUSICAM 信道编码 1 卷积编码 2 循环冗余校验码CRC 3 交织技术传输方法 编码正交频分复用 COFDM 插入保护间隔 使彼此相继的符号即使在有反射时也相互独立 同步网技术 通过同步网实现覆盖 14 一 信源编码MUSICAM P127 掩蔽型自适应通用子频带综合编码与复用 基本含义利用人耳听觉的心理声学现象和音频信号统计的内在联系 将宽带的声音信号频谱分割为32个子频带 每个子频带根据人耳的听觉特性来确定清除语言和音乐信号中的冗余和不相关信息 以实现有效的数据压缩 实际效果一套立体声节目的数据率降低到2 96kb s 1 7 达到CD质量水平 15 MUSICAM编码的理论基础 充分利用了人类听觉的心理声学现象和声音信号统计的内在联系 减少冗余 尽量降低声音信号中冗余 丢弃不相关 尽量降低声音信号中不相关 人耳不能感觉到的部分 只对人耳能感觉到的信号进行编码和传输 16 掩蔽效应 掩蔽效应指一种弱信号被另一个强信号所遮盖或淹没而造成听不见或看不见的现象 两种掩蔽效应1 频域掩蔽效应2 时域掩蔽效应静听域 人耳在安静环境的听觉阈值 最小声压级 同听域 当同时发出声音时强音出现后 原有静听域被抬高而形成的新的听域 17 频域掩蔽效应 18 时域掩蔽效应前掩蔽 同时掩蔽 后掩蔽 特点 在前掩蔽期间 具有典型的听阈上升的趋势 且持续时间较短 在后掩蔽期间 具有同听阈下降的趋势 且持续时间较长 19 掩蔽效应的意义 频域掩蔽效应的意义凡是处在总同听域以下的声音不必传送 处在总同听域以上的声音 可按照量化噪声保持在同听域以下的原则进行量化和编码传送 时域掩蔽效应的意义 大掩蔽小 在时间掩蔽区域内 谱包络幅度大的信号会掩蔽下一时刻谱包络小的信号 传大弃小 可以将时间上彼此相继的信号抽样值归并成 块 传送幅度较大的值 以降低码率 相比而言 频域掩蔽比时域更加重要 时域掩蔽效应是弱掩蔽效应 20 MUSICAM技术特征 把声音信号的频谱分割为32个子频段 每子频带24kHz 32 750Hz 丢弃子频带内同听阈以下的频谱成分子频带内同听阈以上的频谱成分采用不同的量化比特数 只要量化噪声低于最小同听阈 21 MUSICAM编 解码器原理 22 二 DAB信道编码 卷积编码 码率兼容删除型卷积码RCPC RateCompatiblePuncteredConvolutional 1 提高卷积码的编码率 根据不同的信道质量和传输环境 采取截短删余措施 增加传输中的有用比特 2 降低解码器的复杂度 实现不等 不均匀 的差错保护 循环冗余校验码CRC 对声音辅助信息和比例因子 SCF 加入检测比特错误的校验 交织技术 时间交织 相邻码元在时间上分开传送 频率交织 相邻码元在频率上分开传送 23 交织Interwave 交织Interwave 为了得到一个均匀的差错分布 相邻的信息单元在时域和频域中应尽可能远地相互分开来传送的措施 24 交织原理图解 25 时间交织和去交织 交织 串行比特流an 串 并转换 并行数据流 不同的时刻延时传送去交织 并行数据流 不同的时延补偿 并 串转换 原始时间顺序的串行数据流an 26 时间交织示意图 27 频率交织 目的 使频率选择性衰落造成的某频段上的连续误码 在接收端频率解交织后变成随机性误码 原理 将相邻的比特在尽可能远的不同载波上传送 通过简单的数字排列组合来实现 特点 部位 位于复用器和正交频分复用 OFDM 之间 28 频率交织 6套节目 示意图 29 三 DAB传输方法 编码正交频分复用COFDM CodedOrthogonalFrequencyDivisionMultilex 一种与无线电信道的传输特性相适应的 能使多径传输无线电信号的失真得到补偿的 包括编码和调制的多载波宽带传输系统 30 COFDM具体内容 编码 C 信道编码采用编码率可变的可删除卷积编码 正交频分 OFD 数据流分配到有相等间隔的 频谱关系彼此正交的大量副载波上传送 调制采用四相差分相移键控DQPSK 4DPSK 复用 M 多套节目数据相互交织地分布在大量副载波上 形成DAB块复合在一起传送 31 COFDM P128 一种对多径传播不敏感的多载波宽带传输方法 经信道编码的信息被分配到频谱成正交关系的许多副载波上传送 副载波采用的是四相差分相移键控 4 DSPSK 的调制方法 所有这些已调副载波叠加在一起 就形成包含数字信息的COFDM基带信号或称为 DAB块 中心频率通常为2 048MHz DAB块 的带宽为1 536MHz 根据需要采取频谱搬移的办法 将其变换到射频范围 经功率放大后通过天线发射出去 32 COFDM相关措施 P128 采取时间交织和频率交织双重技术的预防措施使本来相邻的信息单元在时域和频域都尽可能远地分开来传送 接收端经过去交织恢复信息原有顺序 同时就把可能出现的 块差错 拆开为相距较远的单个比特差错 容易予以修正 人为地将符号持续期增加一个被称为 保护间隔 的时间长度 防止具有较大时延差的多径传播信号在接收机中叠加时产生符号间干扰 只要到达接收机天线的多径信号之间的时延差不超过保护间隔 那么所有的多径信号 包括直达的 绕射的或由同步网中其它发射台来的 都会增强接收信号 对总的接收信号做出有益的贡献 33 四 保护间隔Tg OFDM符号总持续期Ts Tu Tg 模式1为1246 s 有效符号持续期Tu 1 载波间隔 模式1为1000 s 保护间隔Tg 1 4 Tu 模式1为246 s 保护间隔Tg位置 插在Tu之前 34 多径接收时保护间隔的作用 在信号间隔Tg期间传输信道发生的瞬态过程 当全部瞬态过程变缓之后 和信号处于稳定状态 并在整个符号有效期Tu内保持这种稳定状态 在时间Tu FFT窗口时间 内恢复出传送的信息 和信号的幅度总是相应于信道传递函数变化 它的相位滞后于主信号 35 保护间隔Tg的作用 阻止前一相邻符号对当前符号的交叉符号 持续期防止反射波干扰 Ts Tu Tg 保护间隔Tg加入后 OFDM符号总持续期从Tu延长为Ts 只要反射波与直射波之间的时延差不超过保护间隔 所有反射信号都会增加接收功率 对有用信号加强 36 DAB系统的四种覆盖方式 P129 1 单频同步网 只需一个DAB频率块 以单频网 SFN 同步运行 实现多套节目的大面积覆盖 网内多台发射机使用中心频率相同 带宽为1 536MHz的DAB频率块 播出节目相同 调制信号在时间上精确同步 2 本地电台 使用一个DAB发射机覆盖一座城市 3 卫星 利用卫星传送DAB信号覆盖全国 进行全国的覆盖可能是最经济的方案 可以节约可观的无数个地面同步网建设 节目和数据馈送以及维护 运行的费用 4 有线网络 空中接收DAB信号直接变换为有线网络中工作频率传送用户 37 五 单频网SFN特点 P129 SingleFrequencyNetwork 同步网中的所有发射机都工作于中心频率相同的DAB频率块 调制信号也必须精确同步 实现多套节目的大面积覆盖 只需一个DAB频率块 在每个发射台覆盖区边缘 各个发射台的信号就可以相互补充 提高了传输可靠性 DAB同步网中发射台的发射功率不需要很大 通常约lkW或几百瓦 5 2数字调幅广播 AM 系统 39 数字AM的由来 P131 DigitalAmplitudeModulation 模拟AM广播的缺点 1 工作在中 短波波段 因此很容易受到干扰 2 频率选择性衰落也会严重影响广播质量 尤其是短波广播 3 功率大 耗能高 投资大 运行成本高 4 使用9kHz 或10kHz 的带宽 不可能有高的质量 5 同频道 邻频道干扰严重 收听条件日趋恶化 数字AM技术的特点 克服模拟AM广播的缺点 充分利用中 短波波段实现对全球极为有效而经济的覆盖 40 数字调幅广播的工作频段的优点 P131 工作频段 30MHz以下 优点 1 低功率2 高音质3 抗干扰4 可兼容5 同频谱6 可改造7 广覆盖8 多业务 41 数字AM系统5种建议 法国Thomcast天波2000系统 多载波 法国CCETT TDF FranceTelecom 法国电信 系统 多载波 美国中波IBOCDSB 数字声音广播DigitalSoundBroadcasting 系统 多载波 带内同频 德国电信公司数字音乐之波DMW 或T2M DTAG 系统 单载波 美国之音 喷气推进实验室 VOA JPL VoiceOfAmerica JetPropulsionLaboratory 数字短波系统 单载波 42 数字AM中的关键技术 两种传输系统 多载波并行传输系统利用多载波宽带系统同时传送数据单载波串行传输系统使用单个载波 进行多状态的调制 43 1 多载波并行传输系统 P132 要点 采用编码正交频分复用 COFDM 调制技术 利用多载波宽带系统同时传送数据 每个载波采用低速率的QPSK 16QAM或64QAM 在使用QPSK调制时 每个载波的每个相位状态代表2bit 当使用184个载波时 在9kHz的射频带宽内 可传送24kb s的有用 净 数据率 音频编码采用MPEG 4AAC 先进音频编码 方法 音频带宽可以大于9kHz 优点 抗干扰能力强 接收机简单 缺点 发射机的峰值系数较高 对发射机的非线性校正要求较高 44 2 单载波串行传输系统 P132 要点 使用单个载波 进行多状态数字调相 MPSK 或多个状态调幅调相 32 64 APSK 的调制方法 9或10kHz带宽 在与模拟调幅广播同播时 各自占用相邻的独立频道 有用 净 数据率可达10 24kb s 音频编码采用MPEG 4AAC 先进音频编码 方法 优点 数字AM发射时 仍然可以保持模拟发射时的高效率 缺点 接收机较复杂 45 5 2 3DRM组织及其标准 P132 自学 DRM DigitalRadioMondiale 数字AM广播世界性组织 1996年成立 DRM的任务 统一全世界数字AM 长 中 短波 广播的规范 DRM的公开目标 通过协调保留一个世界有效的并自由提供使用的30MHz以下数字声音广播发射和接收标准 DRM的三种模式 半个频道 一个频道 两个频道 DRM应用范围 30MHz以下 46 3 2 4数字调幅广播系统 P134 基本原理 音频信号与附加数据进行数字编码处理 加至发射机进行高电平放大和再调制 将数字信号变为模拟形式的信号 功率放大后通过天线发射出去 显著优点 只需要相对较低的花费 就可以将现有的模拟调幅发射机 PDM或PSM 改装成数字调幅发射系统 这些发射机在短期内可以在模拟和数字两种标准间切换 47 数字调幅系统组成框图 P134 5 3其它的数字声音广播系统 卫星数字音频广播数字多媒体广播DMB网络广播 49 卫星数字音频广播的优势 P135 1 音质纯净 2 覆盖面积大 3 投资和运营费用低 4 可从最经济的角度任意选择播出带宽 5 可以移动接收 50 5 3 2数字多媒体广播 P135 DMB DigitalMultimediaBroadcasting 1 任何可数字化的信息都能通过DMB传送 2 DMB个人接收同GPS卫星定位结合起来3 具有移动接收电视信号的功能4 提供互联网下载式的单向传输服务5 提供的广播新闻将是集