數字無線電的演化過程

 

調幅(AM)是20世紀前80年無線電廣播的主要形式，但通道衰落
、失真和噪聲導致接收質量不佳。隨著調頻(FM)的引入，這些問題在一定程度上得到了緩解。FM還能提供立體聲傳輸和CD音質的音頻
，但模擬無線電仍然無法完全消除通道缺陷效應和覆蓋區域有限等問題。2003年間
，兩家新創商業公司XM和Sirius（後合並為SiriusXM™), 在美國推出了基於訂閱的大範圍數字衛星無線電服務，其盈利模式與付費電視頻道類似。大約與此同時
，WorldSpace Radio開始為亞洲和非洲提供衛星廣播。

 

借助“衛星數字音頻無線電服務”(SDARS)

，汽車收音機聽眾可以在衛星覆蓋範圍內的任何地方收聽同一無線電台，隻有當衛星信號被建築物、樹葉和隧道等遮擋時才會臨時中斷。XMweixingwuxiandiandaitoutongguoanzhuangdimianzhongjiqilaikefuzhedangwenti，zhongjiqizaichoumishiqufashexiangtongdeweixingyinpinxinhao，gouchengyigeweixingyudimianguangbojiehedejiagou。

 

jihutongshi，chuantongdimianguangbogongsiyehuizhileshuziguangbolantu
，yuanyinyouer。diyi，tamenrenshidao，tamenzaimonidaolushanghenkuaijiuyaozoudaojintou，yinweiquanshijiedouzaixianggenggaozhiliangdeshuzipaodaoqianyi.第di二er，頻pin譜pu資zi源yuan越yue來lai越yue稀xi少shao，要yao在zai相xiang同tong帶dai寬kuan內nei傳chuan輸shu更geng多duo內nei容rong
，隻zhi有you通tong過guo數shu字zi化hua和he壓ya縮suo新xin舊jiu內nei容rong，打da包bao後hou進jin行xing廣guang播bo。因yin此ci，全quan世shi界jie都dou已yi開kai始shi從cong模mo擬ni無wu線xian電dian轉zhuan向xiang數shu字zi無wu線xian電dian。這zhe些xie無wu線xian電dian廣guang播bo技ji術shu具ju有you接jie收shou更geng清qing晰xi、fugaiquyugengguangdeyoushi，nenggouzaikeyongmoniwuxiandiantongdaodexianyoudaikuanneichuanshugengduoneironghexinxi，erqieyonghukeyigenglinghuodikongzhiyaohuoquheshoutingdejiemusucai（圖1）。

 

圖1. 彙聚處理器上的數字無線電

 

數字無線電發展示例：印度

 

地麵廣播有兩種開放標準——數字多媒體廣播(DMB)和通用數字無線電™ (DRM)，以及一種專有標準HD Radio™（由iBiquity開發，是唯一經過FCC批準用於美國AM/FM音頻廣播的標準）,DMB指定了數字音頻廣播的多種格式

，包括DAB、DAB+和T-DMB，采用VHF頻段III和L頻段。DRM采用DRM30，工作頻率範圍是150 kHz到30 MHz；DRM+則采用VHF頻段I
、II和III。

 

VHF頻(pin)段(duan)的(de)有(you)用(yong)傳(chuan)播(bo)基(ji)本(ben)上(shang)局(ju)限(xian)於(yu)很(hen)小(xiao)地(di)理(li)區(qu)域(yu)內(nei)的(de)視(shi)線(xian)範(fan)圍(wei)。而(er)短(duan)波(bo)傳(chuan)播(bo)則(ze)可(ke)在(zai)電(dian)離(li)層(ceng)中(zhong)多(duo)次(ci)反(fan)射(she)，從(cong)而(er)到(dao)達(da)世(shi)界(jie)上(shang)幾(ji)乎(hu)任(ren)何(he)地(di)方(fang)。對(dui)於(yu)人(ren)口(kou)密(mi)集(ji)且(qie)地(di)理(li)範(fan)圍(wei)較(jiao)小(xiao)的(de)國(guo)家(jia)/地區，采用VHF頻段III和L頻段傳輸DMB非常有效。對於麵積廣袤的國家/地區，中短波傳輸能夠實現有效的覆蓋。因此，在試用DAB和DRM幾年之後，印度政府決定采用DRM。

 

2007年間
，印度國家廣播電台(AIR)、亞太廣播聯盟(ABU)和DRM聯合體在新德裏進行了DRM的第一次現場試驗。試驗為期三天，當時采用了三個發射器
，並測量了各種參數。除了新德裏的這些試驗以外，AIR還進行了長距離測量。結果表明，DRM憑借有限數量的發射器就能服務更多人口，優勢明顯。此外
，日益提高的節能要求將功耗考慮提高到極其重要的地位。DRM的電源效率高出50%，對於支持生態平衡和讓地球更環保而言至關重要。

 

數字無線電接收機和DSP

 

物理世界是模擬的, 但科學家和工程師們發現，在數字域中更容易進行大量計算和符號操作。采樣理論、信號處理技術和各種數據轉換器的出現, 使工程師們得以輕鬆順利地利用模數轉換器(ADC)和帶可編程內核的數字信號處理器來設計、實現和測試複雜的數字信號處理(DSP)係統。

 

強大高效DSP的發展以及信息和通信理論的進步，促成了媒體技術與通信的融合。數字無線電的出現歸功於這些技術進步。

 

數(shu)字(zi)無(wu)線(xian)電(dian)接(jie)收(shou)機(ji)最(zui)初(chu)是(shi)作(zuo)為(wei)實(shi)驗(yan)室(shi)原(yuan)型(xing)而(er)設(she)計(ji)的(de)

，然(ran)後(hou)投(tou)入(ru)試(shi)生(sheng)產(chan)。像(xiang)大(da)多(duo)數(shu)技(ji)術(shu)一(yi)樣(yang)，第(di)一(yi)代(dai)產(chan)品(pin)一(yi)般(ban)是(shi)利(li)用(yong)分(fen)立(li)器(qi)件(jian)組(zu)裝(zhuang)而(er)成(cheng)。隨(sui)著(zhe)市(shi)場(chang)規(gui)模(mo)和(he)競(jing)爭(zheng)水(shui)平(ping)的(de)提(ti)高(gao)
，製(zhi)造(zao)商(shang)發(fa)現(xian)
，通(tong)過(guo)降(jiang)低(di)成(cheng)品(pin)價(jia)格(ge)可(ke)以(yi)進(jin)一(yi)步(bu)擴(kuo)大(da)市(shi)場(chang)。更(geng)高(gao)出(chu)貨(huo)量(liang)的(de)前(qian)景(jing)吸(xi)引(yin)半(ban)導(dao)體(ti)製(zhi)造(zao)商(shang)投(tou)入(ru)資(zi)金(jin)，努(nu)力(li)集(ji)成(cheng)更(geng)多(duo)分(fen)立(li)器(qi)件(jian)以(yi)降(jiang)低(di)成(cheng)本(ben)。隨(sui)著(zhe)時(shi)間(jian)推(tui)移(yi)，不(bu)斷(duan)縮(suo)小(xiao)的(de)芯(xin)片(pian)尺(chi)寸(cun)導(dao)致(zhi)成(cheng)本(ben)進(jin)一(yi)步(bu)降(jiang)低(di)，同(tong)時(shi)產(chan)品(pin)功(gong)能(neng)愈(yu)加(jia)完(wan)善(shan)。許(xu)多(duo)產(chan)品(pin)都(dou)有(you)過(guo)這(zhe)樣(yang)的(de)持(chi)續(xu)演(yan)進(jin)過(guo)程(cheng)，包(bao)括(kuo)FM收音機和手機。

 

數字無線電中的信號處理

 

典型的數字通信係統（圖2）先將模擬信號轉換為數字信號，再進行壓縮，並添加糾錯碼

，然後將多個信號打包以最大限度地利用通道容量。要傳輸RF信號（它存在於“實際”的模擬能量世界），須(xu)將(jiang)數(shu)字(zi)信(xin)號(hao)轉(zhuan)換(huan)為(wei)模(mo)擬(ni)信(xin)號(hao)並(bing)調(tiao)製(zhi)到(dao)載(zai)波(bo)頻(pin)率(lv)上(shang)。接(jie)收(shou)機(ji)端(duan)發(fa)生(sheng)的(de)過(guo)程(cheng)剛(gang)好(hao)相(xiang)反(fan)
，首(shou)先(xian)是(shi)解(jie)調(tiao)載(zai)波(bo)頻(pin)率(lv)。然(ran)後(hou)，將(jiang)信(xin)號(hao)轉(zhuan)換(huan)為(wei)數(shu)字(zi)信(xin)號(hao)，檢(jian)查(zha)有(you)無(wu)錯(cuo)誤(wu)並(bing)解(jie)壓(ya)縮(suo)。基(ji)帶(dai)音(yin)頻(pin)信(xin)號(hao)轉(zhuan)換(huan)為(wei)模(mo)擬(ni)信(xin)號(hao)，最(zui)終(zhong)產(chan)生(sheng)聲(sheng)音(yin)。

 

圖2. 數字無線電的軟件架構

 

數字無線電接收機中的信號處理算法可以分為以下幾類：

 

●  通道解碼

●  信源解碼

●  音頻後處理

●  中間件

●  用戶接口(MMI)

 

在數字無線電中
，通源編碼和通道編碼分別可以映射到高效音頻編解碼器 和 錯誤控製係統組件。實際上
，如果編解碼器采用容錯設計

，則可以更好地執行錯誤控製。

 

理想的通道編碼器應能從傳輸錯誤中恢複。理想的通源編碼器應能將消息壓縮到最高信息含量（香農熵），但(dan)如(ru)果(guo)輸(shu)入(ru)流(liu)包(bao)含(han)錯(cuo)誤(wu)
，高(gao)度(du)壓(ya)縮(suo)的(de)消(xiao)息(xi)將(jiang)導(dao)致(zhi)非(fei)常(chang)高(gao)的(de)音(yin)頻(pin)失(shi)真(zhen)。因(yin)此(ci)
，高(gao)效(xiao)的(de)源(yuan)編(bian)碼(ma)還(hai)應(ying)確(que)保(bao)解(jie)碼(ma)器(qi)能(neng)夠(gou)檢(jian)測(ce)流(liu)中(zhong)的(de)錯(cuo)誤(wu)並(bing)隱(yin)藏(zang)其(qi)影(ying)響(xiang)，使(shi)得(de)整(zheng)體(ti)音(yin)質(zhi)不(bu)降(jiang)低(di)。

 

DRM采用了通源編碼和通道編碼的相關技術創新
，從而提供更好的音頻體驗。所選的DRM音頻通源編碼算法可確保：

 

●  高效的音頻編碼——以更低的比特率實現更高的音質

●  更好的容錯性—在存在傳輸錯誤時降低音頻質量以保證傳輸

 

高效音頻源編碼

 

活動圖像專家組(MPEG)技術可以說是學術界、工業界和技術論壇有效合作的渠道與框架。在音頻領域

，這種合作結出了碩果
，例如分別用於廣播和存儲/分發的MPEG Layer II、MP3和AAC（高級音頻編碼）等
，鼓勵著工業界實施進一步的研發計劃。雖然MP3仍是網絡分發和存儲應用最受歡迎的“非官方”格式，但AAC的授權規範更簡單，外加蘋果公司決定采用AAC作為iPod的媒體格式
，使得AAC更受業界關注。

 

下麵看看MPEG社區開發的AAC格式
，以便了解信源編碼涉及到的一些重要技術。“心理聲學模型”（圖3）和“時域混疊抵消”(TDAC)可以說是寬帶音頻源編碼領域最初的兩大突破性創新。

 

 

圖3. 了解心理聲學音調掩蔽

 

工業界和學術界開發的“頻帶複製”（SBR，圖4）以及 “空間音頻編碼” 或 “雙耳線索編碼”技術
，可以說是隨後的兩大突破性創新。這兩項突破性的關鍵創新進一步增強了AAC技術，使其具有可擴展編碼性能，從而讓HE-AAC v2和MPEG環繞聲環繞聲實現標準化，受到工業界的熱烈歡迎，like Dolby®

、 AC3和 WMA®
，等業界主要標準也采取了相似的步驟
，以便在最新媒體編碼中利用類似的技術創新。

 

“頻帶複製”(SBR)工具將解碼采樣速率變為AAC-LC采樣速率的2倍。參數立體聲(PS)工具將單聲道LC流解碼為立體聲。

 

圖4. 音頻解碼中的AAC-LR、SBR和PS

 

像所有其它改進計劃一樣，測量技術也在音質改進計劃中發揮了重要作用。音質評估工具和標準
，如“音質感知評估(PEAQ)”和“隱藏參考和基準的多刺激法”(MUSHRA)等，幫助提高了技術試驗的評估速度。

 

優雅降級/容錯性

 

一般而言

，對於給定的流錯誤水平，壓縮程度越高
，則音頻偽像越多。例如，MPEG Layer II流比AAC流更能容錯。Layer II頻譜數據部分中的單比特錯誤不會造成任何惱人的偽像，因為最大頻譜值由比特分配值決定。AAC則(ze)不(bu)然(ran)
，同(tong)樣(yang)的(de)單(dan)比(bi)特(te)錯(cuo)誤(wu)會(hui)導(dao)致(zhi)霍(huo)夫(fu)曼(man)解(jie)碼(ma)器(qi)發(fa)生(sheng)故(gu)障(zhang)並(bing)應(ying)用(yong)幀(zhen)錯(cuo)誤(wu)隱(yin)藏(zang)

，重(zhong)複(fu)的(de)幀(zhen)錯(cuo)誤(wu)將(jiang)使(shi)音(yin)頻(pin)靜(jing)音(yin)，直(zhi)到(dao)錯(cuo)誤(wu)率(lv)降(jiang)至(zhi)最(zui)小(xiao)值(zhi)為(wei)止(zhi)。長(chang)時(shi)間(jian)的(de)靜(jing)默(mo)會(hui)使(shi)係(xi)統(tong)無(wu)法(fa)保(bao)證(zheng)優(you)雅(ya)降(jiang)級(ji)。

 

在以下附加工具的幫助下，容錯(ER) AAC編碼可以保證係統在發生比特流錯誤時優雅降級：

 

●  HCR (霍夫曼碼字重排): 通過將頻譜數據劃分為固定大小的數段來防止錯誤在頻譜數據內傳播。HCR將最重要的數據放在各段的起始位置。

●  VCB11 (編碼本11的虛擬編碼本): 在特殊碼字映射的幫助下檢測頻譜數據內的嚴重錯誤。

●  RVLC (可逆可變長度編碼):避免比例因子數據中的錯誤傳播。

 

ER-AAC特性與UEP一起
，可以為DRM提供足夠的容錯性。

 

DRM規範

 

通用數字無線電(DRM)是歐洲電信標準協會(ETSI)製定的一種開放標準
，適用於數字窄帶音頻的中短波廣播。雖然DRM支持4.5 kHz、5 kHz、9 kHz
、10 kHz、18 kHz、20 kHz的帶寬及四種收發模式，但若要兼容現有AM標準，帶寬和比特率必須分別以10 kHz和24 kbps為限。

 

表1. DRM比特率和帶寬

 

為滿足這一要求，必須采用高效音頻編碼：Meltzer-Moser MPEG-4 HE-AAC v2（國際標準化組織/國際電工委員會—ISO/IEC）是一個不錯的選擇，但容錯版本的HE-AAC v2（Martin Wolters，2003）在防止通道衰落方麵性能更佳， 可謂最好選擇。

 

表2. DRM支持的不同編解碼器

 

除AAC外，DRM標準還定義了用於傳輸語音的諧波矢量激勵編碼(HVXC)和編碼激勵線性預測(CELP)編解碼器。DRM標準還支持流傳輸圖像
、幻燈片、HTML網頁之類的原始數據。

 

DRM架構

 

RM係統包括三條主要傳輸路徑：主服務通道(MSC)、服務描述通道(SDC)和快速存取通道(FAC)。FAC承載正交頻分複用(OFDM)信號屬性和SDC/MSC配置
，速率以72比特/幀為限。SDC包含MSC解碼所需的信息
，如複用幀結構等，以及其它信息。

 

圖5. DRM中的多路複用和通道編碼

 

MSC對多路複用器產生的幀進行編碼。選項有標準映射、對稱分層映射和混合分層映射。MSC采用不等錯誤保護（UEP，圖6），其中複用幀分為保護級別不同的兩個部分：高保護級別數據部分和低保護級別數據部分。

 

圖6. DRM中的不等錯誤保護

 

采用Blackfin的數字無線電

 

The Blackfin®處理器（圖7）非常適合同時需要數字信號處理和微控製器功能的操作。ADSP-BF5xx係列尤其適合此類應用
，而且還提供多種外設。硬件和軟件開發工具、多種第三方軟件組件以及參考設計一應俱全
，使它成為多功能產品的理想平台。多代產品、可靠來源提供的成熟軟件IP
、ADI公司的可靠支持以及大量高性能模擬集成電路
，有助於設計人員開發出高質量終端產品。

 

圖7. 基於Blackfin處理器的數字無線電

 

無論是基於Blackfin處理器的數字無線電
，還是互聯網收音機和多功能產品
，都可以利用ADI公司為這些產品創建的現有生態係統來進行開發。

 

除了創建所需的生態係統以及提供各種軟件模塊之外，ADI公司還為數字無線電創建了自有的解碼器庫。其中一個主要組件是HE-AAC v2解碼器，它能優化所需大量MIPS提供的性能。

 

HE-AAC V2解碼器的架構

 

HE-AAC v2解碼器組件（圖8）構成DRM源解碼器的一部分。MPEG-4 HE-AAC v2解碼器（支持ETSI DAB和DRM標準）集成了高級音頻編碼(AAC)、頻帶複製(SBR)和參數立體聲(PS)。該解碼器向後兼容AAC-LC。

 

圖8. MPEG-4 HE-AAC v2解碼器

 

主要特性包括：

 

●  MPEG-4 ER-AAC可擴展解碼器
，可以處理960樣本/幀

●  支持AAC-LC/HE-AAC v1/v2/DRM/DAB

●  支持錯誤隱藏

●  支持DRC

●  針對存儲器和MIPS進行高度優化

●  針對一整套ISO/DAB/DMB和ETSI矢量進行驗證

 

表3. MPEG-4 HE-AAC v2解碼器性能

 

該解碼器實施了標準要求的全部音頻編碼工具，包括：

 

●  MDCT/TDAC提高頻率分辨率和編碼效率

●  自適應模塊切換降低預回聲效應

●  非線性量化

●  霍夫曼編碼

●  利用Kaiser-Bessel導出的窗口函數消除頻譜泄漏

●  可變幀大小改善比特分配

●  IS/MS立體聲/TNS和PNS工具

●  頻帶複製(SBR)

●  參數立體聲(PS)

 

數字無線電測試結果

 

表4給出了一組典型的測試結果。

 

表4. 數字無線電測試結果.

 

結束語

 

ADI公司是實施數字無線電並對參考設計進行現場試驗的先行者。基於Blackfin處理器的DRM無線電是首先滿足DRM標準規定的所有“最低接收機要求”(MRR)的設計之一。這一成功歸功於ADI公司與英國BBC、美國Dolby (erstwhile Coding Technologies)、德國Deutsche Welle及AFG Engineering的出色合作。此後
，設備製造商采用了該技術及參考設計來開發和生產產品。

 

現在，印度和其它國家/地區的更多公司開始利用這一設計製造數字無線電。ADI Blackfin處理器是DSP和微控製器功能的完美結合，構成高性價比DRM無線電接收機的內核。現成的軟件工具
、經驗豐富的應用團隊的支持、第三方提供的必要軟件模塊和參考設計

，使得這種實施方案成為印度及其它地方製造商開發並大規模生產DRM無線電的不錯選擇。

 

 

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