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成功實現(xiàn)高性能數(shù)字無線電

發(fā)布時間:2020-04-08 來源:TVB Subrahmanyam 和 Mohammed Chalil 責任編輯:wenwei

【導讀】調(diào)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(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(wèi)星廣播。
 
數(shù)字無線電的演化過程
 
調(diào)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(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(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,只有當衛(wèi)星信號被建筑物、樹葉和隧道等遮擋時才會臨時中斷。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)成一個衛(wèi)星與地面廣播結(jié)合的架構(gòu)。
 
幾乎同時,傳統(tǒng)地面廣播公司也繪制了數(shù)字廣播藍圖,原因有二。第一,他們認識到,他們在模擬道路上很快就要走到盡頭,因為全世界都在向更高質(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)。
 
成功實現(xiàn)高性能數(shù)字無線電
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準——數(shù)字多媒體廣播(DMB)和通用數(shù)字無線電™ (DRM),以及一種專有標準HD Radio™(由iBiquity開發(fā),是唯一經(jīng)過FCC批準用于美國AM/FM音頻廣播的標準),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)合體在新德里進行了DRM的第一次現(xiàn)場試驗。試驗為期三天,當時采用了三個發(fā)射器,并測量了各種參數(shù)。除了新德里的這些試驗以外,AIR還進行了長距離測量。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)字無線電接收機和DSP
 
物理世界是模擬的, 但科學家和工程師們發(fā)現(xiàn),在數(shù)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(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、實現(xiàn)和測試復雜的數(shù)字信號處理(DSP)系統(tǒng)。
 
強大高效DSP的發(fā)展以及信息和通信理論的進步,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)進步。
 
數(shù)字無線電接收機最初是作為實驗室原型而設(shè)計的,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),通過降低成品價格可以進一步擴大市場。更高出貨量的前景吸引半導體制造商投入資金,努力集成更多分立器件以降低成本。隨著時間推移,不斷縮小的芯片尺寸導致成本進一步降低,同時產(chǎn)品功能愈加完善。許多產(chǎn)品都有過這樣的持續(xù)演進過程,包括FM收音機和手機。
 
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,再進行壓縮,并添加糾錯碼,然后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(它存在于“實際”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,檢查有無錯誤并解壓縮?;鶐б纛l信號轉(zhuǎn)換為模擬信號,最終產(chǎn)生聲音。
 
成功實現(xiàn)高性能數(shù)字無線電
圖2. 數(shù)字無線電的軟件架構(gòu)
 
數(shù)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 錯誤控制系統(tǒng)組件。實際上,如果編解碼器采用容錯設(shè)計,則可以更好地執(zhí)行錯誤控制。
 
理想的通道編碼器應(yīng)能從傳輸錯誤中恢復。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誤,高度壓縮的消息將導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。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(xiàn)更高的音質(zhì)
●  更好的容錯性—在存在傳輸錯誤時降低音頻質(zhì)量以保證傳輸
 
高效音頻源編碼
 
活動圖像專家組(MPEG)技術(shù)可以說是學術(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,鼓勵著工業(yè)界實施進一步的研發(fā)計劃。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)。“心理聲學模型”(圖3)和“時域混疊抵消”(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。
 
 
成功實現(xiàn)高性能數(shù)字無線電
圖3. 了解心理聲學音調(diào)掩蔽
 
工業(yè)界和學術(shù)界開發(fā)的“頻帶復制”(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。這兩項突破性的關(guān)鍵創(chuàng)新進一步增強了AAC技術(shù),使其具有可擴展編碼性能,從而讓HE-AAC v2和MPEG環(huán)繞聲環(huán)繞聲實現(xiàn)標準化,受到工業(yè)界的熱烈歡迎,like Dolby®、 AC3和 WMA®,等業(yè)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(shù)創(chuàng)新。
 
“頻帶復制”(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。
 
成功實現(xiàn)高性能數(shù)字無線電
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(shù)也在音質(zhì)改進計劃中發(fā)揮了重要作用。音質(zhì)評估工具和標準,如“音質(zhì)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(shù)試驗的評估速度。
 
優(yōu)雅降級/容錯性
 
一般而言,對于給定的流錯誤水平,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(shù)據(jù)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則不然,同樣的單比特錯誤會導致霍夫曼解碼器發(fā)生故障并應(yīng)用幀錯誤隱藏,重復的幀錯誤將使音頻靜音,直到錯誤率降至最小值為止。長時間的靜默會使系統(tǒng)無法保證優(yōu)雅降級。
 
在以下附加工具的幫助下,容錯(ER) AAC編碼可以保證系統(tǒng)在發(fā)生比特流錯誤時優(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)的嚴重錯誤。
●  RVLC (可逆可變長度編碼):避免比例因子數(shù)據(jù)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(guī)范
 
通用數(shù)字無線電(DRM)是歐洲電信標準協(xié)會(ETSI)制定的一種開放標準,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
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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)在防止通道衰落方面性能更佳, 可謂最好選擇。
 
表2. DRM支持的不同編解碼器
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除AAC外,DRM標準還定義了用于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(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,如復用幀結(jié)構(gòu)等,以及其它信息。
 
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圖5. DRM中的多路復用和通道編碼
 
MSC對多路復用器產(chǎn)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),其中復用幀分為保護級別不同的兩個部分:高保護級別數(shù)據(jù)部分和低保護級別數(shù)據(jù)部分。
 
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圖6. DRM中的不等錯誤保護
 
采用Blackfin的數(shù)字無線電
 
The Blackfin®處理器(圖7)非常適合同時需要數(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)計人員開發(fā)出高質(zhì)量終端產(chǎn)品。
 
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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標準)集成了高級音頻編碼(AAC)、頻帶復制(SBR)和參數(shù)立體聲(PS)。該解碼器向后兼容AAC-LC。
 
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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(yōu)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
成功實現(xiàn)高性能數(shù)字無線電
 
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(yīng)模塊切換降低預回聲效應(yīng)
●  非線性量化
●  霍夫曼編碼
●  利用Kaiser-Bessel導出的窗口函數(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.
成功實現(xiàn)高性能數(shù)字無線電
 
結(jié)束語
 
ADI公司是實施數(shù)字無線電并對參考設(shè)計進行現(xiàn)場試驗的先行者?;贐lackfin處理器的DRM無線電是首先滿足DRM標準規(guī)定的所有“最低接收機要求”(MRR)的設(shè)計之一。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)成高性價比DRM無線電接收機的內(nèi)核。現(xiàn)成的軟件工具、經(jīng)驗豐富的應(yīng)用團隊的支持、第三方提供的必要軟件模塊和參考設(shè)計,使得這種實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無線電的不錯選擇。
 
 
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