數(shù)字無線電的演化過程

 

調(diào)幅(AM)是20世紀(jì)前80年無線電廣播的主要形式，但通道衰落、失真和噪聲導(dǎo)致接收質(zhì)量不佳。隨著調(diào)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(zhì)的音頻，但模擬無線電仍然無法完全消除通道缺陷效應(yīng)和覆蓋區(qū)域有限等問題。2003年間，兩家新創(chuàng)商業(yè)公司XM和Sirius（后合并為SiriusXM™), 在美國推出了基于訂閱的大范圍數(shù)字衛(wèi)星無線電服務(wù)，其盈利模式與付費(fèi)電視頻道類似。大約與此同時(shí)，WorldSpace Radio開始為亞洲和非洲提供衛(wèi)星廣播。

 

借助“衛(wèi)星數(shù)字音頻無線電服務(wù)”(SDARS)，汽車收音機(jī)聽眾可以在衛(wèi)星覆蓋范圍內(nèi)的任何地方收聽同一無線電臺，只有當(dāng)衛(wèi)星信號被建筑物、樹葉和隧道等遮擋時(shí)才會(huì)臨時(shí)中斷。XM衛(wèi)星無線電帶頭通過安裝地面中繼器來克服遮擋問題，中繼器在稠密市區(qū)發(fā)射相同的衛(wèi)星音頻信號，構(gòu)成一個(gè)衛(wèi)星與地面廣播結(jié)合的架構(gòu)。

 

幾乎同時(shí)，傳統(tǒng)地面廣播公司也繪制了數(shù)字廣播藍(lán)圖，原因有二。第一，他們認(rèn)識到，他們在模擬道路上很快就要走到盡頭，因?yàn)槿澜缍荚谙蚋哔|(zhì)量的數(shù)字跑道遷移.第二，頻譜資源越來越稀少，要在相同帶寬內(nèi)傳輸更多內(nèi)容，只有通過數(shù)字化和壓縮新舊內(nèi)容，打包后進(jìn)行廣播。因此，全世界都已開始從模擬無線電轉(zhuǎn)向數(shù)字無線電。這些無線電廣播技術(shù)具有接收更清晰、覆蓋區(qū)域更廣的優(yōu)勢，能夠在可用模擬無線電通道的現(xiàn)有帶寬內(nèi)傳輸更多內(nèi)容和信息，而且用戶可以更靈活地控制要獲取和收聽的節(jié)目素材（圖1）。

 

圖1. 匯聚處理器上的數(shù)字無線電

 

數(shù)字無線電發(fā)展示例：印度

 

地面廣播有兩種開放標(biāo)準(zhǔn)——數(shù)字多媒體廣播(DMB)和通用數(shù)字無線電™ (DRM)，以及一種專有標(biāo)準(zhǔn)HD Radio™（由iBiquity開發(fā)，是唯一經(jīng)過FCC批準(zhǔn)用于美國AM/FM音頻廣播的標(biāo)準(zhǔn)）,DMB指定了數(shù)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，工作頻率范圍是150 kHz到30 MHz；DRM+則采用VHF頻段I、II和III。

 

VHF頻段的有用傳播基本上局限于很小地理區(qū)域內(nèi)的視線范圍。而短波傳播則可在電離層中多次反射，從而到達(dá)世界上幾乎任何地方。對于人口密集且地理范圍較小的國家/地區(qū)，采用VHF頻段III和L頻段傳輸DMB非常有效。對于面積廣袤的國家/地區(qū)，中短波傳輸能夠?qū)崿F(xiàn)有效的覆蓋。因此，在試用DAB和DRM幾年之后，印度政府決定采用DRM。

 

2007年間，印度國家廣播電臺(AIR)、亞太廣播聯(lián)盟(ABU)和DRM聯(lián)合體在新德里進(jìn)行了DRM的第一次現(xiàn)場試驗(yàn)。試驗(yàn)為期三天，當(dāng)時(shí)采用了三個(gè)發(fā)射器，并測量了各種參數(shù)。除了新德里的這些試驗(yàn)以外，AIR還進(jìn)行了長距離測量。結(jié)果表明，DRM憑借有限數(shù)量的發(fā)射器就能服務(wù)更多人口，優(yōu)勢明顯。此外，日益提高的節(jié)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%，對于支持生態(tài)平衡和讓地球更環(huán)保而言至關(guān)重要。

 

數(shù)字無線電接收機(jī)和DSP

 

物理世界是模擬的, 但科學(xué)家和工程師們發(fā)現(xiàn)，在數(shù)字域中更容易進(jìn)行大量計(jì)算和符號操作。采樣理論、信號處理技術(shù)和各種數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的出現(xiàn), 使工程師們得以輕松順利地利用模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)和帶可編程內(nèi)核的數(shù)字信號處理器來設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)和測試復(fù)雜的數(shù)字信號處理(DSP)系統(tǒng)。

 

強(qiáng)大高效DSP的發(fā)展以及信息和通信理論的進(jìn)步，促成了媒體技術(shù)與通信的融合。數(shù)字無線電的出現(xiàn)歸功于這些技術(shù)進(jìn)步。

 

數(shù)字無線電接收機(jī)最初是作為實(shí)驗(yàn)室原型而設(shè)計(jì)的，然后投入試生產(chǎn)。像大多數(shù)技術(shù)一樣，第一代產(chǎn)品一般是利用分立器件組裝而成。隨著市場規(guī)模和競爭水平的提高，制造商發(fā)現(xiàn)，通過降低成品價(jià)格可以進(jìn)一步擴(kuò)大市場。更高出貨量的前景吸引半導(dǎo)體制造商投入資金，努力集成更多分立器件以降低成本。隨著時(shí)間推移，不斷縮小的芯片尺寸導(dǎo)致成本進(jìn)一步降低，同時(shí)產(chǎn)品功能愈加完善。許多產(chǎn)品都有過這樣的持續(xù)演進(jìn)過程，包括FM收音機(jī)和手機(jī)。

 

數(shù)字無線電中的信號處理

 

典型的數(shù)字通信系統(tǒng)（圖2）先將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，再進(jìn)行壓縮，并添加糾錯(cuò)碼，然后將多個(gè)信號打包以最大限度地利用通道容量。要傳輸RF信號（它存在于“實(shí)際”的模擬能量世界），須將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號并調(diào)制到載波頻率上。接收機(jī)端發(fā)生的過程剛好相反，首先是解調(diào)載波頻率。然后，將信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，檢查有無錯(cuò)誤并解壓縮。基帶音頻信號轉(zhuǎn)換為模擬信號，最終產(chǎn)生聲音。

 

圖2. 數(shù)字無線電的軟件架構(gòu)

 

數(shù)字無線電接收機(jī)中的信號處理算法可以分為以下幾類：

 

●  通道解碼

●  信源解碼

●  音頻后處理

●  中間件

●  用戶接口(MMI)

 

在數(shù)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(cuò)誤控制系統(tǒng)組件。實(shí)際上，如果編解碼器采用容錯(cuò)設(shè)計(jì)，則可以更好地執(zhí)行錯(cuò)誤控制。

 

理想的通道編碼器應(yīng)能從傳輸錯(cuò)誤中恢復(fù)。理想的通源編碼器應(yīng)能將消息壓縮到最高信息含量（香農(nóng)熵），但如果輸入流包含錯(cuò)誤，高度壓縮的消息將導(dǎo)致非常高的音頻失真。因此，高效的源編碼還應(yīng)確保解碼器能夠檢測流中的錯(cuò)誤并隱藏其影響，使得整體音質(zhì)不降低。

 

DRM采用了通源編碼和通道編碼的相關(guān)技術(shù)創(chuàng)新，從而提供更好的音頻體驗(yàn)。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(shí)現(xiàn)更高的音質(zhì)

●  更好的容錯(cuò)性—在存在傳輸錯(cuò)誤時(shí)降低音頻質(zhì)量以保證傳輸

 

高效音頻源編碼

 

活動(dòng)圖像專家組(MPEG)技術(shù)可以說是學(xué)術(shù)界、工業(yè)界和技術(shù)論壇有效合作的渠道與框架。在音頻領(lǐng)域，這種合作結(jié)出了碩果，例如分別用于廣播和存儲/分發(fā)的MPEG Layer II、MP3和AAC（高級音頻編碼）等，鼓勵(lì)著工業(yè)界實(shí)施進(jìn)一步的研發(fā)計(jì)劃。雖然MP3仍是網(wǎng)絡(luò)分發(fā)和存儲應(yīng)用最受歡迎的“非官方”格式，但AAC的授權(quán)規(guī)范更簡單，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(yè)界關(guān)注。

 

下面看看MPEG社區(qū)開發(fā)的AAC格式，以便了解信源編碼涉及到的一些重要技術(shù)。“心理聲學(xué)模型”（圖3）和“時(shí)域混疊抵消”(TDAC)可以說是寬帶音頻源編碼領(lǐng)域最初的兩大突破性創(chuàng)新。

 

 

圖3. 了解心理聲學(xué)音調(diào)掩蔽

 

工業(yè)界和學(xué)術(shù)界開發(fā)的“頻帶復(fù)制”（SBR，圖4）以及 “空間音頻編碼” 或 “雙耳線索編碼”技術(shù)，可以說是隨后的兩大突破性創(chuàng)新。這兩項(xiàng)突破性的關(guān)鍵創(chuàng)新進(jìn)一步增強(qiáng)了AAC技術(shù)，使其具有可擴(kuò)展編碼性能，從而讓HE-AAC v2和MPEG環(huán)繞聲環(huán)繞聲實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，受到工業(yè)界的熱烈歡迎，like Dolby®、 AC3和 WMA®，等業(yè)界主要標(biāo)準(zhǔn)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(shù)創(chuàng)新。

 

“頻帶復(fù)制”(SBR)工具將解碼采樣速率變?yōu)锳AC-LC采樣速率的2倍。參數(shù)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(jìn)計(jì)劃一樣，測量技術(shù)也在音質(zhì)改進(jìn)計(jì)劃中發(fā)揮了重要作用。音質(zhì)評估工具和標(biāo)準(zhǔn)，如“音質(zhì)感知評估(PEAQ)”和“隱藏參考和基準(zhǔn)的多刺激法”(MUSHRA)等，幫助提高了技術(shù)試驗(yàn)的評估速度。

 

優(yōu)雅降級/容錯(cuò)性

 

一般而言，對于給定的流錯(cuò)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(cuò)。Layer II頻譜數(shù)據(jù)部分中的單比特錯(cuò)誤不會(huì)造成任何惱人的偽像，因?yàn)樽畲箢l譜值由比特分配值決定。AAC則不然，同樣的單比特錯(cuò)誤會(huì)導(dǎo)致霍夫曼解碼器發(fā)生故障并應(yīng)用幀錯(cuò)誤隱藏，重復(fù)的幀錯(cuò)誤將使音頻靜音，直到錯(cuò)誤率降至最小值為止。長時(shí)間的靜默會(huì)使系統(tǒng)無法保證優(yōu)雅降級。

 

在以下附加工具的幫助下，容錯(cuò)(ER) AAC編碼可以保證系統(tǒng)在發(fā)生比特流錯(cuò)誤時(shí)優(yōu)雅降級：

 

●  HCR (霍夫曼碼字重排): 通過將頻譜數(shù)據(jù)劃分為固定大小的數(shù)段來防止錯(cuò)誤在頻譜數(shù)據(jù)內(nèi)傳播。HCR將最重要的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)內(nèi)的嚴(yán)重錯(cuò)誤。

●  RVLC (可逆可變長度編碼):避免比例因子數(shù)據(jù)中的錯(cuò)誤傳播。

 

ER-AAC特性與UEP一起，可以為DRM提供足夠的容錯(cuò)性。

 

DRM規(guī)范

 

通用數(shù)字無線電(DRM)是歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)(ETSI)制定的一種開放標(biāo)準(zhǔn)，適用于數(shù)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(fā)模式，但若要兼容現(xiàn)有AM標(biāo)準(zhǔn)，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(biāo)準(zhǔn)化組織/國際電工委員會(huì)—ISO/IEC）是一個(gè)不錯(cuò)的選擇，但容錯(cuò)版本的HE-AAC v2（Martin Wolters，2003）在防止通道衰落方面性能更佳， 可謂最好選擇。

 

表2. DRM支持的不同編解碼器

 

除AAC外，DRM標(biāo)準(zhǔn)還定義了用于傳輸語音的諧波矢量激勵(lì)編碼(HVXC)和編碼激勵(lì)線性預(yù)測(CELP)編解碼器。DRM標(biāo)準(zhǔn)還支持流傳輸圖像、幻燈片、HTML網(wǎng)頁之類的原始數(shù)據(jù)。

 

DRM架構(gòu)

 

RM系統(tǒng)包括三條主要傳輸路徑：主服務(wù)通道(MSC)、服務(wù)描述通道(SDC)和快速存取通道(FAC)。FAC承載正交頻分復(fù)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，如復(fù)用幀結(jié)構(gòu)等，以及其它信息。

 

圖5. DRM中的多路復(fù)用和通道編碼

 

MSC對多路復(fù)用器產(chǎn)生的幀進(jìn)行編碼。選項(xiàng)有標(biāo)準(zhǔn)映射、對稱分層映射和混合分層映射。MSC采用不等錯(cuò)誤保護(hù)（UEP，圖6），其中復(fù)用幀分為保護(hù)級別不同的兩個(gè)部分：高保護(hù)級別數(shù)據(jù)部分和低保護(hù)級別數(shù)據(jù)部分。

 

圖6. DRM中的不等錯(cuò)誤保護(hù)

 

采用Blackfin的數(shù)字無線電

 

The Blackfin®處理器（圖7）非常適合同時(shí)需要數(shù)字信號處理和微控制器功能的操作。ADSP-BF5xx系列尤其適合此類應(yīng)用，而且還提供多種外設(shè)。硬件和軟件開發(fā)工具、多種第三方軟件組件以及參考設(shè)計(jì)一應(yīng)俱全，使它成為多功能產(chǎn)品的理想平臺。多代產(chǎn)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，有助于設(shè)計(jì)人員開發(fā)出高質(zhì)量終端產(chǎn)品。

 

圖7. 基于Blackfin處理器的數(shù)字無線電

 

無論是基于Blackfin處理器的數(shù)字無線電，還是互聯(lián)網(wǎng)收音機(jī)和多功能產(chǎn)品，都可以利用ADI公司為這些產(chǎn)品創(chuàng)建的現(xiàn)有生態(tài)系統(tǒng)來進(jìn)行開發(fā)。

 

除了創(chuàng)建所需的生態(tài)系統(tǒng)以及提供各種軟件模塊之外，ADI公司還為數(shù)字無線電創(chuàng)建了自有的解碼器庫。其中一個(gè)主要組件是HE-AAC v2解碼器，它能優(yōu)化所需大量MIPS提供的性能。

 

HE-AAC V2解碼器的架構(gòu)

 

HE-AAC v2解碼器組件（圖8）構(gòu)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(biāo)準(zhǔn)）集成了高級音頻編碼(AAC)、頻帶復(fù)制(SBR)和參數(shù)立體聲(PS)。該解碼器向后兼容AAC-LC。

 

圖8. MPEG-4 HE-AAC v2解碼器

 

主要特性包括：

 

●  MPEG-4 ER-AAC可擴(kuò)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(cuò)誤隱藏

●  支持DRC

●  針對存儲器和MIPS進(jìn)行高度優(yōu)化

●  針對一整套ISO/DAB/DMB和ETSI矢量進(jìn)行驗(yàn)證

 

表3. MPEG-4 HE-AAC v2解碼器性能

 

該解碼器實(shí)施了標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)模塊切換降低預(yù)回聲效應(yīng)

●  非線性量化

●  霍夫曼編碼

●  利用Kaiser-Bessel導(dǎo)出的窗口函數(shù)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

●  頻帶復(fù)制(SBR)

●  參數(shù)立體聲(PS)

 

數(shù)字無線電測試結(jié)果

 

表4給出了一組典型的測試結(jié)果。

 

表4. 數(shù)字無線電測試結(jié)果.

 

結(jié)束語

 

ADI公司是實(shí)施數(shù)字無線電并對參考設(shè)計(jì)進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)的先行者。基于Blackfin處理器的DRM無線電是首先滿足DRM標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的所有“最低接收機(jī)要求”(MRR)的設(shè)計(jì)之一。這一成功歸功于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。此后，設(shè)備制造商采用了該技術(shù)及參考設(shè)計(jì)來開發(fā)和生產(chǎn)產(chǎn)品。

 

現(xiàn)在，印度和其它國家/地區(qū)的更多公司開始利用這一設(shè)計(jì)制造數(shù)字無線電。ADI Blackfin處理器是DSP和微控制器功能的完美結(jié)合，構(gòu)成高性價(jià)比DRM無線電接收機(jī)的內(nèi)核。現(xiàn)成的軟件工具、經(jīng)驗(yàn)豐富的應(yīng)用團(tuán)隊(duì)的支持、第三方提供的必要軟件模塊和參考設(shè)計(jì)，使得這種實(shí)施方案成為印度及其它地方制造商開發(fā)并大規(guī)模生產(chǎn)DRM無線電的不錯(cuò)選擇。

 

 

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