基于AV1443矢量信號發(fā)生器的DAB發(fā)射系統(tǒng)設(shè)計

高偉 喬赫元 彭虎

摘 要： 提出一種基于AV1443矢量信號發(fā)生器上的數(shù)字音頻廣播（DAB）的軟件無線電系統(tǒng)。該系統(tǒng)是將輸入的音源數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字編碼（MPEG?2），同時將相關(guān)的業(yè)務(wù)信息進(jìn)行編碼，之后通過OFDM生成標(biāo)準(zhǔn)的I/Q基帶數(shù)據(jù)。最后將生成的I/Q數(shù)據(jù)加載到AV1443矢量信號發(fā)生器中，通過任意波的方式發(fā)射出去，實現(xiàn)了整個系統(tǒng)的DAB數(shù)字廣播發(fā)射功能。

關(guān)鍵詞： AV1443矢量信號發(fā)生器； 數(shù)字音頻廣播； OFDM； 任意波； 音源數(shù)據(jù)； 無線電系統(tǒng)

中圖分類號： TN934?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）18?0041?04

Design of DAB transmitting system based on vector signal generator AV1443

GAO Wei1， QIAO Heyuan2， PENG Hu2

（1. Intelligent Manufacturing Institute， Hefei University of Technology， Hefei 230009， China；

2. School of Instrument Science and Photoelectric Engineering， Hefei University of Technology， Hefei 230009， China）

Abstract： A software radio system based on the vector signal generator AV1443 is proposed for digital audio broadcasting （DAB）. In the system， digital encoding （MPEG?2） is conducted for the input audio source data， related service information is encoded， and standard I/Q baseband data is generated by means of OFDM. The generated I/Q data is loaded into the vector signal generator AV1443， and transmitted in the mode of arbitrary waveforms. The digital broadcasting transmission function for DAB of the whole system is achieved.

Keywords： AV1443 vector signal generator； DAB； OFDM； arbitrary waveform； audio source data； radio system

0 引 言

目前世界上廣泛使用的廣播有多種標(biāo)準(zhǔn)，常見的有DAB，DRM，AM和FM等，其中DAB和DRM為數(shù)字廣播。國家廣播電影電視總局在2006年6月推出相應(yīng)的《30～3 000 MHz地面數(shù)字音頻廣播技術(shù)規(guī)范》[1]，為國內(nèi)數(shù)字音頻廣播（Digital Audio Broadcasting，DAB）的發(fā)展指明了相對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。DAB可以提供高品質(zhì)音質(zhì)，尤其是在低碼率的情況下表現(xiàn)更為出色。DAB使用頻段Ⅲ和頻段L兩個頻段。頻段Ⅲ范圍為174～240 MHz，頻段L范圍從1 452～1 492 MHz。DAB借助于編碼技術(shù)和正交頻分復(fù)用技術(shù)，可以一次發(fā)射攜帶多套子節(jié)目，而且不會相互干擾，因此頻譜利用率更高。

與模擬廣播相比，數(shù)字音頻廣播音頻數(shù)據(jù)在信源編碼部分將原始數(shù)據(jù)壓縮成MP2（MPEG Audio Layer Ⅱ）[2]，有效地提高了傳輸效率，同時其他業(yè)務(wù)信息也進(jìn)行編碼，因此可以攜帶更多的輔助信息，借助于OFDM技術(shù)在一個頻道內(nèi)攜帶多個節(jié)目，也使得珍貴的頻譜資源得到更有效的利用[3]。在表1中列出了兩者之間的區(qū)別[4?6]。

可以進(jìn)行DAB數(shù)字音頻廣播的實驗平臺主要有通用軟件無線電外設(shè)USRP，HackRF，安捷倫矢量信號發(fā)生器N5182A和矢量信號發(fā)生器AV1443等。AV1443矢量信號發(fā)生器由中國電子科技集團(tuán)公司第四十一所研發(fā)。AV1443相較于另外幾種硬件平臺，射頻頻率范圍從250 kHz～44 GHz；功率調(diào)節(jié)方便，只需在功率選擇模式下輸入所需功率；支持的發(fā)射制式多，如DAB，DAB Plus和FM等，同時內(nèi)部存儲空間大，可以存放大量數(shù)據(jù)。有利于后續(xù)擴(kuò)展功能，因此本文選擇AV1443作為硬件發(fā)射平臺。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

所提出的DAB發(fā)射系統(tǒng)主要分為軟件部分和AV1443兩個部分。圖1為DAB發(fā)射系統(tǒng)框架圖。

DAB發(fā)射系統(tǒng)主體為軟件部分，主要分為：MUSICAM信源編碼、傳輸幀合成和OFDM調(diào)制。其中MUSICAM信源編碼部分的主要功能是將輸入音頻節(jié)目源（24 kHz或48 kHz的PCM音頻）進(jìn)行MUSICAM編碼，利用掩蔽效應(yīng)，對掩蔽界限以上的聲音信號進(jìn)行壓縮傳輸，避免對人耳可以識別出來的聲音信號進(jìn)行壓縮，從而可以使音頻源得到極大的壓縮率（同CD音質(zhì)，只有其1/7的位元）。傳輸幀合成包含信道編碼、時間交織、業(yè)務(wù)信息編碼、合成傳輸幀等，在信道編碼中將信源編碼后的數(shù)據(jù)加入糾錯碼，在接收端通過糾錯碼校正可能出現(xiàn)的錯誤，保證傳輸?shù)目煽啃耘c有效性。信道編碼后經(jīng)過時間交織在時域出現(xiàn)的連續(xù)塊差錯分開，進(jìn)一步提高接收端解碼的可靠性。在和業(yè)務(wù)經(jīng)復(fù)核后產(chǎn)生被OFDM使用的ETI幀。最后經(jīng)過OFDM調(diào)制數(shù)據(jù)基帶數(shù)據(jù)。

在硬件發(fā)射平臺AV1443上對基帶數(shù)據(jù)處理相對簡單，在任意波工作模式下，對經(jīng)過OFDM調(diào)制輸出的I/Q數(shù)據(jù)調(diào)制到相對應(yīng)的頻率點，設(shè)置發(fā)射功率和設(shè)置時鐘頻率2.048 MHz，打開射頻開關(guān)發(fā)射，完成發(fā)射。

2 軟件結(jié)構(gòu)

2.1 信源編碼

DAB在信源編碼部分采用MUSICAM壓縮方法，即MPEG音頻第二層。圖2給出信源編碼流程框圖。

圖2中將輸入的PCM音頻采樣經(jīng)過子帶濾波器和比例因子計算處理獲得子帶采樣值，經(jīng)過FFT分析計算掩蔽門限獲得心理聲學(xué)模型，根據(jù)掩蔽門限產(chǎn)生量化控制數(shù)據(jù)。在量化控制數(shù)據(jù)下將子帶采樣數(shù)據(jù)通過量化與編碼模塊產(chǎn)生編碼符號集合。音頻幀將前面模塊輸出的音頻比特流和相關(guān)信息合成。相關(guān)信息主要包含幀頭信息、CRC校驗字和其他節(jié)目相關(guān)信息（PAD）。在輸入PCM音頻采樣，采樣值有兩種：24 kHz和48 kHz。對于48 kHz的采樣頻率，音頻幀對應(yīng)的音頻持續(xù)時間24 ms，并符合GB/T 17191.3層Ⅱ格式。24 kHz的采樣頻率，音頻幀對應(yīng)音頻持續(xù)時間48 ms，須符合GB/T 17975.3層Ⅱ LSF格式[3，7]。根據(jù)圖2DAB信源編碼軟件結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

2.2 信道編碼

DAB系統(tǒng)信道編碼主要是為了提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，因為?jīng)過信源編碼的數(shù)據(jù)會出現(xiàn)連續(xù)的0或者1，不利于數(shù)據(jù)傳輸。為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，因此需要在傳輸過程中添加矯正碼元，這些矯正碼元與信息碼元之間通過規(guī)則建立聯(lián)系，在接收端根據(jù)這些關(guān)系來發(fā)現(xiàn)并矯正可能出現(xiàn)的誤碼。DAB使用基于刪除卷積編碼的信道處理，分為均勻與非均勻誤碼保護(hù)（EEP和UEP）。EEP既能用于音頻也能用于數(shù)據(jù)[8?9]。UEP主要用于音頻，數(shù)據(jù)部分使用較少，根據(jù)信道編碼原理，信道軟件結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

2.3 OFDM調(diào)制

OFDM是目前頻譜利用率最高的一種通信調(diào)制技術(shù)，其原理是：將信道分成N個（N為子載波數(shù)）正交子信道，將高速數(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)換成并行的低速子數(shù)據(jù)流，再將低速數(shù)據(jù)調(diào)制到子信道上傳輸。其原理如圖5所示。

根據(jù)OFDM的帶寬傳輸和抗多徑干擾的優(yōu)點，DAB選擇OFDM調(diào)制方式為經(jīng)過傳輸幀數(shù)據(jù)提供良好的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制。OFDM的調(diào)制解調(diào)通過離散傅里葉逆變換（IDFT）和離散傅里葉變換（DFT）實現(xiàn)[10]。DAB以傳輸幀完成數(shù)據(jù)傳輸。傳輸幀由OFDM符號組成，而每個OFDM符號都由間隔相等的一系列子載波組成，因此由多載波復(fù)用后的OFDM信號生成成為關(guān)鍵[11]。主信號生成的數(shù)學(xué)表達(dá)式[1]為：

式中：L為每個傳輸幀OFDM的符號數(shù)；K為發(fā)射的載波；TF為傳輸幀周期；TNULL零符號持續(xù)時間；TS為索引l=1，2，…，L的OFDM符號持續(xù)時間；載波間隔的倒數(shù)為TU；Δ為保護(hù)間隔的持續(xù)時間；[Zm，l，k]為在傳輸m中，第1個OFDM符號的第K個載波關(guān)聯(lián)的D?QPSK符號；[fc]為信號的中心頻率。

DAB有四種傳輸模式，相關(guān)參數(shù)如表2所示。

DAB的OFDM調(diào)制結(jié)構(gòu)如圖6所示。

3 DAB硬件發(fā)射

3.1 AV1443矢量信號發(fā)生器

AV1443為中國電科四十一所推出的高性能系列矢量信號發(fā)生器，在250 kHz～44 GHz的頻率范圍內(nèi)具備優(yōu)異的矢量調(diào)制性能?；鶐盘柊l(fā)生器具有設(shè)置簡單、性能靈活、調(diào)制格式多等特點，適用范圍廣，例如通信、導(dǎo)航設(shè)備、航空航天等。AV1443結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7中應(yīng)用程序主要為圖形化交互程序，如圖形交互AV1443發(fā)射應(yīng)用程序；USB接口為接入U盤鍵盤鼠標(biāo)等接口；RF模塊，發(fā)射模式下AV1443生成的基帶經(jīng)過RF模塊高速D/A轉(zhuǎn)換通過射頻天線發(fā)射出去；接收模式下射頻天線接收信號通過高速A/D轉(zhuǎn)換為基帶數(shù)據(jù)送給AV1443處理；I/O接口具有按鍵功能選擇輸入、RS 232通信等功能。

3.2 DAB發(fā)射

數(shù)字音頻廣播發(fā)射步驟如下：軟件部分，將音頻數(shù)據(jù)源進(jìn)行壓縮編碼，在傳輸幀復(fù)用器中生成發(fā)射矢量信號，經(jīng)OFDM調(diào)制輸出基帶I/Q數(shù)據(jù)；AV1443部分，打開AV1443矢量信號發(fā)生器軟件，在圖形界面數(shù)字調(diào)制菜單中的任意波模式，在任意波工作模式下加載軟件部分生成的I/Q數(shù)據(jù)；設(shè)置中心頻率，216.928 MHz（頻段Ⅲ作為數(shù)字音頻廣播的專用頻段，被分為多個信道，每個信道帶寬7 MHz或者8 MHz，216.928 MHz對應(yīng)11信道的A頻率點），時鐘頻率為2.048 MHz和發(fā)射功率為0 dB，打開射頻開關(guān)通過天線發(fā)射出去。DAB發(fā)射系統(tǒng)實物如圖8所示。

在圖8中，收音機(jī)對矢量信號發(fā)生器發(fā)射的DAB進(jìn)行解調(diào)并在LCD顯示屏上顯示相關(guān)業(yè)務(wù)信息，通過收音機(jī)INFO按鍵改變在LCD顯示屏的顯示信息。如圖8b）所示，顯示的DAB的業(yè)務(wù)信息包括節(jié)目名稱信息HFUT DAB、基帶I/Q生成時間、比特率為96 kbit/s和文本信息HFU DAB。

DAB收音機(jī)在收到音頻重現(xiàn)方面表現(xiàn)出色。在降低發(fā)射功率人為制造干擾的情況下，出現(xiàn)接收信號不穩(wěn)定，對掉幀的數(shù)據(jù)不做處理，因此只是出現(xiàn)靜音，沒有出現(xiàn)接收FM廣播時的噪聲。DAB的接收端在抗干擾方面表現(xiàn)出優(yōu)越性能。

4 結(jié) 論

本文利用AV1443硬件平臺設(shè)計實現(xiàn)數(shù)字音頻廣播的發(fā)射系統(tǒng)。以AV1443為平臺的DAB發(fā)射系統(tǒng)有著很大的擴(kuò)展性，不僅可以發(fā)射DAB而且可以發(fā)射DAB的下一代DAB Plus。主要借助于DAB Plus系統(tǒng)在整體的框架上與DAB系統(tǒng)區(qū)別不大，作為兼容上一代的DAB Plus只是在信源編碼部分使用了壓縮率更高的HE?AAC V2的標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)在低碼率時音頻表現(xiàn)的更為出色。與安捷倫信號發(fā)生器（N5182A）相比，AV1443在音頻廣播發(fā)射有很大優(yōu)勢，可以發(fā)射DAB/DAB+兩種模式，而N5182A只能發(fā)射DAB一種模式；應(yīng)用操作方面也比AV1443相對麻煩。以AV1443為平臺的DAB發(fā)射系統(tǒng)表現(xiàn)出良好的擴(kuò)展能力，表明了國產(chǎn)高端無線矢量信號發(fā)生器的研發(fā)有了很大進(jìn)展，其性能已和國際主流產(chǎn)品相當(dāng)，可以替代進(jìn)口產(chǎn)品，廣泛應(yīng)用于軍事和民用領(lǐng)域，具有很高的社會及經(jīng)濟(jì)價值。

注：本文通訊作者為彭虎。

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