高性能數(shù)字無線電的成功實(shí)施

作者：TVB Subrahmanyam and Mohammed Chalil

調(diào)幅（AM）是20世紀(jì)前80年無線電廣播的主要形式，但信道衰落、失真和噪聲導(dǎo)致接收質(zhì)量差。隨著調(diào)頻（FM）的引入，這些問題在一定程度上得到了緩解，調(diào)頻也可以提供立體聲傳輸和CD質(zhì)量的音頻，但模擬收音機(jī)仍然沒有信道缺陷效應(yīng)和有限的覆蓋區(qū)域。在2003年，兩家商業(yè)初創(chuàng)公司XM和Sirius（合并成為SiriusXM?），介紹了基于訂閱的數(shù)字衛(wèi)星廣播在美國的巨大足跡，其收入模式與付費(fèi)電視頻道相似。大約在同一時間，世界空間廣播電臺開始為亞洲和非洲進(jìn)行衛(wèi)星廣播。

衛(wèi)星數(shù)字音頻無線電服務(wù)（SDARS）使移動汽車音頻聽眾能夠在衛(wèi)星覆蓋圖內(nèi)的任何位置收聽同一廣播電臺，僅受建筑物，樹葉和隧道造成的衛(wèi)星信號間歇性阻塞的限制。XM衛(wèi)星廣播率先通過安裝地面中繼器來規(guī)避阻塞問題，這些中繼器在密集的城市地區(qū)傳輸相同的衛(wèi)星音頻，并創(chuàng)建衛(wèi)星和地面廣播的混合架構(gòu)。

大約在同一時間，傳統(tǒng)的地面廣播公司也制定了數(shù)字路線——原因有兩個。首先，他們認(rèn)為他們在模擬大廳的壽命必須很短，因?yàn)槭澜缯谶w移到更高質(zhì)量的數(shù)字跑道。其次，頻譜越來越稀缺，因此只有通過數(shù)字化和壓縮新舊內(nèi)容，打包然后廣播，才能在相同帶寬內(nèi)提供額外的內(nèi)容。因此，世界開始從模擬無線電向數(shù)字無線電遷移。這些無線電廣播技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：接收更清晰、覆蓋面積更大，能夠在可用模擬無線電信道的現(xiàn)有帶寬內(nèi)打包更多內(nèi)容和信息，并為用戶提供更大的控制靈活性，以訪問和收聽節(jié)目材料（圖 1）。

圖1.融合處理器上的數(shù)字無線電。

數(shù)字無線電發(fā)展實(shí)例：印度

在地面廣播中，有兩種開放標(biāo)準(zhǔn) - 數(shù)字多媒體廣播（DMB）和數(shù)字廣播世界?（DRM） 和高清廣播?，iBiquity（美國聯(lián)邦通信委員會批準(zhǔn)的唯一AM/FM音頻廣播標(biāo)準(zhǔn)）的專有標(biāo)準(zhǔn)。DMB 指定了幾種數(shù)字音頻廣播格式，包括 DAB、DAB+ 和 T-DMB，它們使用 VHF 頻段 III 和 L 頻段。DRM 使用 DRM30，其工作頻率范圍為 150 kHz 至 30 MHz，DRM+ 為 VHF 頻段 I、II 和 III。

VHF波段的有用傳播基本上僅限于小地理區(qū)域的視線。另一方面，由于電離層中的多次反射，短波傳播幾乎可以到達(dá)世界任何地方。對于人口稠密且地理區(qū)域較小的國家，在VHF波段III和L波段的DMB傳輸功能非常有效。對于地理面積大的國家，中短波傳輸可提供有效覆蓋。出于這個原因，經(jīng)過幾年的DAB和DRM試驗(yàn)，印度決定采用DRM。

2007年，全印度廣播電臺（AIR）、亞太廣播聯(lián)盟（ABU）和DRM聯(lián)盟在新德里進(jìn)行了第一次DRM現(xiàn)場試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)試驗(yàn)用三個變送器進(jìn)行了三天，測量了各種參數(shù)。除了在新德里進(jìn)行的這些測試外，AIR還遠(yuǎn)距離進(jìn)行了這些測量。很明顯，DRM的優(yōu)勢在于使用有限數(shù)量的發(fā)射器為更多的人口提供服務(wù)。此外，對節(jié)能的需求日益增加，將節(jié)能考慮提高到頭等大事。DRM的電源效率提高了50%，在支持生態(tài)和“更綠色”的地球方面起著至關(guān)重要的作用。

數(shù)字無線電接收器和DSP

物理世界是模擬的，但科學(xué)家和工程師發(fā)現(xiàn)在數(shù)字域中進(jìn)行大量計算和符號操作更容易。得益于采樣理論、信號處理和可用的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，工程師們?yōu)槭褂?a href="http://wenjunhu.com/tags/模數(shù)轉(zhuǎn)換器/" target="_blank">模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）和具有可編程內(nèi)核的數(shù)字信號處理器設(shè)計、實(shí)現(xiàn)和測試復(fù)雜的數(shù)字信號處理（DSP）系統(tǒng)鋪平了道路。

隨著信息和通信理論的進(jìn)步，強(qiáng)大而高效的DSP的發(fā)展使媒體技術(shù)和通信的融合成為可能。數(shù)字廣播的存在歸功于這些技術(shù)進(jìn)步。

數(shù)字無線電接收器最初設(shè)計為實(shí)驗(yàn)室原型，然后進(jìn)入試生產(chǎn)階段。與大多數(shù)技術(shù)一樣，第一代產(chǎn)品通常使用分立元件組裝。隨著市場規(guī)模和競爭的增加，制造商發(fā)現(xiàn)可以通過降低成品價格來進(jìn)一步擴(kuò)大市場。更高產(chǎn)量的前景吸引了半導(dǎo)體制造商投資集成更多這些分立元件以降低成本。隨著時間的推移，硅幾何形狀的縮小導(dǎo)致成本進(jìn)一步降低和產(chǎn)品能力的提高。這是許多產(chǎn)品的不斷發(fā)展，包括FM收音機(jī)和移動電話。

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）將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，對其進(jìn)行壓縮，添加糾錯碼，并打包多個信號以充分利用通道容量。為了傳輸RF信號（存在于模擬能量的“真實(shí)”世界中），數(shù)字信號被轉(zhuǎn)換為模擬信號并在載波頻率上進(jìn)行調(diào)制以進(jìn)行傳輸。在接收器處，發(fā)生相反的過程，從解調(diào)載波頻率開始。然后將信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，檢查錯誤并解壓縮?；鶐б纛l信號被轉(zhuǎn)換為模擬信號，最終產(chǎn)生聲學(xué)。

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分為以下幾類：

通道解碼

源解碼

音頻后期處理

中間件

用戶界面 （MMI）

在數(shù)字無線電中，源編碼和信道編碼可以分別映射到高效的音頻編解碼器（coder-decoder）和錯誤控制系統(tǒng)組件。實(shí)際上，如果編解碼器設(shè)計為錯誤恢復(fù)能力，則可以更好地執(zhí)行錯誤控制。

理想的信道編碼器應(yīng)該能夠抵御傳輸錯誤。理想的源代碼編碼器應(yīng)該將消息壓縮到最高的信息內(nèi)容（香農(nóng)熵），但如果輸入流包含錯誤，高度壓縮的消息將導(dǎo)致非常高的音頻失真。因此，有效的源編碼還應(yīng)確保解碼器可以檢測到流中的錯誤并隱藏其影響，以便整體音頻質(zhì)量不會降低。

DRM在源編碼和通道編碼中應(yīng)用了相關(guān)的技術(shù)創(chuàng)新，以提供更好的音頻體驗(yàn)。所選的 DRM 音頻源編碼算法可確保：

高效的音頻編碼 — 以更低的比特率獲得更高的音頻質(zhì)量。

更好的錯誤恢復(fù)能力 - 傳輸錯誤下的美觀性能下降。

高效的音頻源編碼

電影專家組（MPEG）技術(shù)可以被視為學(xué)術(shù)，行業(yè)和技術(shù)論壇有效協(xié)作的渠道和框架。MPEG Layer II、MP3和AAC（高級音頻編碼）分別用于廣播和存儲/分發(fā)等協(xié)作音頻特定工作的成功，鼓勵了該行業(yè)參與進(jìn)一步的研究計劃。MP3仍然是最流行的網(wǎng)絡(luò)分發(fā)和存儲的“非官方”格式，但更簡單的許可規(guī)范 - 以及Apple決定采用AAC作為iPod的媒體形式 - 幫助AAC獲得比MP3更多的行業(yè)關(guān)注。

讓我們考慮一下 MPEG 社區(qū)的 AAC，以了解源代碼編碼中涉及的一些重要技術(shù)。心理聲學(xué)模型（圖3）和時域混疊消除（TDAC）可以被認(rèn)為是寬帶音頻源編碼的兩項(xiàng)初步突破性創(chuàng)新。

圖3.了解心理聲學(xué)音調(diào)掩蔽。

來自工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的頻譜帶復(fù)制（SBR，圖4）和空間音頻編碼或雙耳提示編碼技術(shù)可以被認(rèn)為是接下來的兩項(xiàng)改變游戲規(guī)則的創(chuàng)新。這兩項(xiàng)關(guān)鍵的突破性創(chuàng)新進(jìn)一步增強(qiáng)了 AAC 技術(shù)，以提供可擴(kuò)展的編碼性能，從而實(shí)現(xiàn)了 HE-AAC v2 和 MPEG 環(huán)繞聲的標(biāo)準(zhǔn)化，得到了業(yè)界的熱烈反響。行業(yè)驅(qū)動的標(biāo)準(zhǔn)，如杜比、AC3 和 WMA，也采取了類似的步驟，利用類似的技術(shù)創(chuàng)新進(jìn)行最新的媒體編碼。??

光譜波段替換 （SBR） 工具使解碼采樣率相對于 AAC-LC 采樣率加倍。參數(shù)立體聲 （PS） 工具從單聲道 LC 流解碼立體聲。

圖4.音頻解碼中的 AAC-LR、SBR 和 PS。

與任何其他改進(jìn)計劃一樣，測量技術(shù)也在音頻質(zhì)量改進(jìn)計劃中發(fā)揮了作用。音頻質(zhì)量評估工具和標(biāo)準(zhǔn)，如音頻質(zhì)量的感知評估（PEAQ）和帶有隱藏參考和錨點(diǎn)的多刺激（MUSHRA），有助于更快地評估技術(shù)實(shí)驗(yàn)。

優(yōu)雅的降級/錯誤恢復(fù)能力

通常，較高的壓縮率將導(dǎo)致給定級別的流錯誤產(chǎn)生更多的音頻音損。例如，MPEG Layer II 流比 AAC 流更能防止流錯誤。Layer II頻譜數(shù)據(jù)部分中的單位錯誤不會產(chǎn)生任何煩人的偽影，因?yàn)轭l譜值最大值由位分配值決定。但是，在AAC的情況下，相同的單位錯誤會導(dǎo)致霍夫曼解碼器失敗并應(yīng)用幀錯誤隱藏;重復(fù)的幀錯誤將使音頻靜音，直到錯誤率降至最低。這種長時間的靜默會阻止系統(tǒng)保證正常降級。

容錯 （ER） AAC 編碼借助以下附加工具，可確保從比特流錯誤中正常降級：

HCR（霍夫曼碼字重新排序）：通過將光譜數(shù)據(jù)劃分為固定大小的段來防止光譜數(shù)據(jù)中的錯誤傳播。HCR 將最重要的數(shù)據(jù)放在每個段的開頭。

VCB11（密碼本 11 的虛擬碼本）：借助特殊的碼字映射檢測頻譜數(shù)據(jù)中的嚴(yán)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 功能與 UEP 一起將為 DRM 提供足夠的容錯特性。

數(shù)字版權(quán)管理規(guī)范

數(shù)字無線電世界 （DRM） 是歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會 （ETSI） 的開放標(biāo)準(zhǔn)，用于中短波廣播的數(shù)字窄帶音頻。盡管 DRM 在四種傳輸和接收模式下支持 4.5 kHz、5 kHz、9 kHz、10 kHz、18 kHz 和 20 kHz 的帶寬，但如果需要與現(xiàn)有 AM 標(biāo)準(zhǔn)兼容，帶寬和比特率必須分別限制為 10 kHz 和 24 kbps。

表 1.DRM 比特率帶寬。

這一要求要求使用高效的音頻編碼：Meltzer-Moser MPEG-4 HE-AAC v2（國際標(biāo)準(zhǔn)化組織/國際電工委員會 - ISO/IEC）是一個不錯的選擇，但對通道衰落的魯棒性使HE-AAC v2（Martin Wolters，2003）的容錯版本成為最佳選擇。

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編碼 （HVXC） 和代碼激勵線性預(yù)測 （CELP） 編解碼器。DRM 標(biāo)準(zhǔn)也允許流式傳輸圖像幻燈片、HTML 頁面等的原始數(shù)據(jù)。

數(shù)字版權(quán)管理架構(gòu)

DRM系統(tǒng)包括三個主要的傳輸路徑：主業(yè)務(wù)通道（MSC），服務(wù)描述通道（SDC）和快速訪問通道（FAC）。FAC 具有正交頻分復(fù)用 （OFDM） 信號屬性和 SDC/MSC 配置，限制為 72 位/幀。SDC 包含 MSC 解碼所需的信息，例如多路復(fù)用幀結(jié)構(gòu)和其他信息。

圖5.DRM 中的多路復(fù)用和通道編碼。

MSC 對多路復(fù)用器生成的幀進(jìn)行編碼?？梢栽跇?biāo)準(zhǔn)映射、對稱分層或混合分層映射之間進(jìn)行選擇。MSC 使用不等差錯保護(hù)（UEP，圖 6），其中多路復(fù)用幀分為兩部分，具有不同的保護(hù)級別：保護(hù)程度較高的數(shù)據(jù)部分和保護(hù)程度較低的數(shù)據(jù)部分。

圖6.DRM 中的錯誤保護(hù)不平等。

帶黑鰭金槍魚的數(shù)字收音機(jī)

Blackfin處理器（圖7）非常適合需要數(shù)字信號處理和微控制器功能的操作。ADSP-BF5xx系列特別適合這些應(yīng)用，還提供多種外設(shè)。硬件和軟件開發(fā)工具的可用性、來自第三方的多個軟件組件以及參考設(shè)計使其成為多功能產(chǎn)品的理想平臺。多代產(chǎn)品、來自可靠來源的成熟軟件IP的可用性、ADI的可靠支持以及大量可用的高性能模擬集成電路產(chǎn)品組合，為設(shè)計人員的最終產(chǎn)品質(zhì)量提供支持。?

圖7.基于黑鰭處理器的數(shù)字無線電。

基于Blackfin處理器的數(shù)字無線電、互聯(lián)網(wǎng)無線電和多功能產(chǎn)品可以使用ADI為這些產(chǎn)品創(chuàng)建的現(xiàn)有生態(tài)系統(tǒng)來創(chuàng)建。

除了創(chuàng)建所需的生態(tài)系統(tǒng)和采購各種軟件模塊外，ADI還創(chuàng)建了自己的數(shù)字無線電解碼器庫。其中一個關(guān)鍵組件是HE-AAC v2解碼器，它優(yōu)化了大量所需MIPS的性能。

HE-AAC V2解碼器的架構(gòu)

HE-AAC v2解碼器組件（圖8）組合在一起形成DRM源解碼器。MPEG-4 HE-AAC v2解碼器（可支持ETSI DAB和DRM標(biāo)準(zhǔn)）結(jié)合了高級音頻編碼（AAC），頻譜帶復(fù)制（SBR）和參數(shù)立體聲（PS）。解碼器向后兼容AAC-LC。

圖8.MPEG-4 HE-AAC v2 解碼器。

主要功能包括：

MPEG-4 ER-AAC 可擴(kuò)展解碼器，每幀可處理 960 個樣本

AAC-LC/HE-AAC v1/v2/DRM/DAB 支持

錯誤隱藏支持

剛果民主共和國支持

針對內(nèi)存和 MIPS 進(jìn)行了高度優(yōu)化

針對一整套 ISO/DAB/DMB 和 ETSI 載體進(jìn)行驗(yàn)證

表 3.MPEG-4 HE-AAC v2 解碼器性能。

解碼器實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)指定的所有必需的音頻編碼工具，包括：

由于采用MDCT/TDAC，頻率分辨率和編碼效率更高

自適應(yīng)模塊切換可減少預(yù)回波

非線性量化

霍夫曼編碼

使用凱撒-貝塞爾派生的窗口功能來消除光譜泄漏。

可變幀大小改進(jìn)了位分配

IS/MS 立體聲/TNS 和 PNS 工具

光譜波段復(fù)制 （SBR）

參數(shù)立體聲 （PS）

數(shù)字無線電測試結(jié)果

一組典型的測試結(jié)果如表4所示。

表 4.數(shù)字無線電測試結(jié)果。

結(jié)論

ADI公司（ADI）是實(shí)現(xiàn)數(shù)字無線電和對參考設(shè)計進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)的早期參與者?；贐lackfin處理器的DRM無線電是首批滿足DRM標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的所有最低接收器要求（MRR）的設(shè)計之一。這一成功可歸功于出色的團(tuán)隊(duì)合作，ADI公司管理并與英國的BBC、美國的杜比（以前的編碼技術(shù)公司）以及德國之聲和AFG工程公司合作。然后，設(shè)備制造商采用該技術(shù)和參考設(shè)計來設(shè)計和制造產(chǎn)品。

現(xiàn)在，更多的公司正在印度和其他國家使用這種設(shè)計制造數(shù)字收音機(jī)。ADI Blackfin處理器將DSP和微控制器功能完美結(jié)合，構(gòu)成了極具成本效益的DRM無線電接收器的核心。軟件工具的可用性、經(jīng)驗(yàn)豐富的應(yīng)用團(tuán)隊(duì)的支持以及來自第三方的所需軟件模塊和參考設(shè)計使該實(shí)施成為印度和其他地方制造商采用該設(shè)計和大規(guī)模生產(chǎn)使用它的DRM無線電的不錯選擇。

審核編輯：郭婷