數字無(wú)線(xiàn)電的演化過(guò)程

 

調幅(AM)是20世紀前80年無(wú)線(xiàn)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(zhù)調頻(FM)的引入，這些問(wèn)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(wú)線(xiàn)電仍然無(wú)法完全消除通道缺陷效應和覆蓋區域有限等問(wèn)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字衛星無(wú)線(xiàn)電服務(wù)，其盈利模式與付費電視頻道類(lèi)似。大約與此同時(shí)，WorldSpace Radio開(kāi)始為亞洲和非洲提供衛星廣播。

 

借助“衛星數字音頻無(wú)線(xiàn)電服務(wù)”(SDARS)，汽車(chē)收音機聽(tīng)眾可以在衛星覆蓋范圍內的任何地方收聽(tīng)同一無(wú)線(xiàn)電臺，只有當衛星信號被建筑物、樹(shù)葉和隧道等遮擋時(shí)才會(huì )臨時(shí)中斷。XM衛星無(wú)線(xiàn)電帶頭通過(guò)安裝地面中繼器來(lái)克服遮擋問(wèn)題，中繼器在稠密市區發(fā)射相同的衛星音頻信號，構成一個(gè)衛星與地面廣播結合的架構。

 

幾乎同時(shí)，傳統地面廣播公司也繪制了數字廣播藍圖，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)量的數字跑道遷移.第二，頻譜資源越來(lái)越稀少，要在相同帶寬內傳輸更多內容，只有通過(guò)數字化和壓縮新舊內容，打包后進(jìn)行廣播。因此，全世界都已開(kāi)始從模擬無(wú)線(xiàn)電轉向數字無(wú)線(xiàn)電。這些無(wú)線(xiàn)電廣播技術(shù)具有接收更清晰、覆蓋區域更廣的優(yōu)勢，能夠在可用模擬無(wú)線(xiàn)電通道的現有帶寬內傳輸更多內容和信息，而且用戶(hù)可以更靈活地控制要獲取和收聽(tīng)的節目素材（圖1）。

 

圖1. 匯聚處理器上的數字無(wú)線(xiàn)電

 

數字無(wú)線(xiàn)電發(fā)展示例：印度

 

地面廣播有兩種開(kāi)放標準——數字多媒體廣播(DMB)和通用數字無(wú)線(xiàn)電™ (DRM)，以及一種專(zhuān)有標準HD Radio™（由iBiquity開(kāi)發(fā)，是唯一經(jīng)過(guò)FCC批準用于美國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域內的視線(xiàn)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，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，中短波傳輸能夠實(shí)現有效的覆蓋。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的第一次現場(chǎng)試驗。試驗為期三天，當時(shí)采用了三個(gè)發(fā)射器，并測量了各種參數。除了新德里的這些試驗以外，AIR還進(jìn)行了長(cháng)距離測量。結果表明，DRM憑借有限數量的發(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。

 

數字無(wú)線(xiàn)電接收機和DSP

 

物理世界是模擬的, 但科學(xué)家和工程師們發(fā)現，在數字域中更容易進(jìn)行大量計算和符號操作。采樣理論、信號處理技術(shù)和各種數據轉換器的出現, 使工程師們得以輕松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(lái)設計、實(shí)現和測試復雜的數字信號處理(DSP)系統。

 

強大高效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。數字無(wú)線(xiàn)電的出現歸功于這些技術(shù)進(jìn)步。

 

數字無(wú)線(xiàn)電接收機最初是作為實(shí)驗室原型而設計的，然后投入試生產(chǎn)。像大多數技術(shù)一樣，第一代產(chǎn)品一般是利用分立器件組裝而成。隨著(zhù)市場(chǎng)規模和競爭水平的提高，制造商發(fā)現，通過(guò)降低成品價(jià)格可以進(jìn)一步擴大市場(chǎng)。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(zhù)時(shí)間推移，不斷縮小的芯片尺寸導致成本進(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(guò)這樣的持續演進(jìn)過(guò)程，包括FM收音機和手機。

 

數字無(wú)線(xiàn)電中的信號處理

 

典型的數字通信系統（圖2）先將模擬信號轉換為數字信號，再進(jìn)行壓縮，并添加糾錯碼，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），須將數字信號轉換為模擬信號并調制到載波頻率上。接收機端發(fā)生的過(guò)程剛好相反，首先是解調載波頻率。然后，將信號轉換為數字信號，檢查有無(wú)錯誤并解壓縮?；鶐б纛l信號轉換為模擬信號，最終產(chǎn)生聲音。

 

圖2. 數字無(wú)線(xiàn)電的軟件架構

 

數字無(wú)線(xiàn)電接收機中的信號處理算法可以分為以下幾類(lèi)：

 

●  通道解碼

●  信源解碼

●  音頻后處理

●  中間件

●  用戶(hù)接口(MMI)

 

在數字無(wú)線(xiàn)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 錯誤控制系統組件。實(shí)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制。

 

理想的通道編碼器應能從傳輸錯誤中恢復。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(shí)現更高的音質(zhì)

●  更好的容錯性—在存在傳輸錯誤時(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(zhuān)家組(MPEG)技術(shù)可以說(shuō)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(zhù)工業(yè)界實(shí)施進(jìn)一步的研發(fā)計劃。雖然MP3仍是網(wǎng)絡(luò )分發(fā)和存儲應用最受歡迎的“非官方”格式，但AAC的授權規范更簡(jiǎn)單，外加蘋(píng)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社區開(kāi)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(shuō)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)音調掩蔽

 

工業(yè)界和學(xué)術(shù)界開(kāi)發(fā)的“頻帶復制”（SBR，圖4）以及 “空間音頻編碼” 或 “雙耳線(xiàn)索編碼”技術(shù)，可以說(shuō)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(jìn)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(shí)現標準化，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(lèi)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)計劃一樣，測量技術(shù)也在音質(zhì)改進(jìn)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頻譜數據部分中的單比特錯誤不會(huì )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(huì )導致霍夫曼解碼器發(fā)生故障并應用幀錯誤隱藏，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(cháng)時(shí)間的靜默會(huì )使系統無(wú)法保證優(yōu)雅降級。

 

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

 

●  HCR (霍夫曼碼字重排): 通過(guò)將頻譜數據劃分為固定大小的數段來(lái)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(cháng)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規范

 

通用數字無(wú)線(xiàn)電(DRM)是歐洲電信標準協(xié)會(huì )(ETSI)制定的一種開(kāi)放標準，適用于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(fā)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(mǎn)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(huì )—ISO/IEC）是一個(gè)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

 

除AAC外，DRM標準還定義了用于傳輸語(yǔ)音的諧波矢量激勵編碼(HVXC)和編碼激勵線(xiàn)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(yè)之類(lèi)的原始數據。

 

DRM架構

 

RM系統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，如復用幀結構等，以及其它信息。

 

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(jìn)行編碼。選項有標準映射、對稱(chēng)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(gè)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(wú)線(xiàn)電

 

The Blackfin®處理器（圖7）非常適合同時(shí)需要數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(lèi)應用，而且還提供多種外設。硬件和軟件開(kāi)發(fā)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(chǎn)品的理想平臺。多代產(chǎn)品、可靠來(lái)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，有助于設計人員開(kāi)發(fā)出高質(zhì)量終端產(chǎn)品。

 

圖7. 基于Blackfin處理器的數字無(wú)線(xiàn)電

 

無(wú)論是基于Blackfin處理器的數字無(wú)線(xiàn)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 )建的現有生態(tài)系統來(lái)進(jìn)行開(kāi)發(fā)。

 

除了創(chuàng )建所需的生態(tài)系統以及提供各種軟件模塊之外，ADI公司還為數字無(wú)線(xiàn)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

 

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)、頻帶復制(SBR)和參數立體聲(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(jìn)行高度優(yōu)化

●  針對一整套ISO/DAB/DMB和ETSI矢量進(jìn)行驗證

 

表3. MPEG-4 HE-AAC v2解碼器性能

 

該解碼器實(shí)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(xiàn)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

●  頻帶復制(SBR)

●  參數立體聲(PS)

 

數字無(wú)線(xiàn)電測試結果

 

表4給出了一組典型的測試結果。

 

表4. 數字無(wú)線(xiàn)電測試結果.

 

結束語(yǔ)

 

ADI公司是實(shí)施數字無(wú)線(xiàn)電并對參考設計進(jìn)行現場(chǎng)試驗的先行者?；贐lackfin處理器的DRM無(wú)線(xiàn)電是首先滿(mǎn)足DRM標準規定的所有“最低接收機要求”(MRR)的設計之一。這一成功歸功于A(yíng)DI公司與英國B(niǎo)BC、美國Dolby (erstwhile Coding Technologies)、德國Deutsche Welle及AFG Engineering的出色合作。此后，設備制造商采用了該技術(shù)及參考設計來(lái)開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)產(chǎn)品。

 

現在，印度和其它國家/地區的更多公司開(kāi)始利用這一設計制造數字無(wú)線(xiàn)電。ADI Blackfin處理器是DSP和微控制器功能的完美結合，構成高性?xún)r(jià)比DRM無(wú)線(xiàn)電接收機的內核?，F成的軟件工具、經(jīng)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(shí)施方案成為印度及其它地方制造商開(kāi)發(fā)并大規模生產(chǎn)DRM無(wú)線(xiàn)電的不錯選擇。

 

 

推薦閱讀：