作者:TVB Subrahmanyam and Mohammed Chalil
調(diào)幅(AM)是20世紀(jì)前80年無(wú)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(wèn)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(méi)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(guó)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(shí)間,世界空間廣播電臺(tái)開(kāi)始為亞洲和非洲進(jìn)行衛(wèi)星廣播。
衛(wèi)星數(shù)字音頻無(wú)線電服務(wù)(SDARS)使移動(dòng)汽車音頻聽(tīng)眾能夠在衛(wèi)星覆蓋圖內(nèi)的任何位置收聽(tīng)同一廣播電臺(tái),僅受建筑物,樹(shù)葉和隧道造成的衛(wèi)星信號(hào)間歇性阻塞的限制。XM衛(wèi)星廣播率先通過(guò)安裝地面中繼器來(lái)規(guī)避阻塞問(wèn)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(shí)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(gè)。首先,他們認(rèn)為他們?cè)谀M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(lái)越稀缺,因此只有通過(guò)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(kāi)始從模擬無(wú)線電向數(shù)字無(wú)線電遷移。這些無(wú)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(wú)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(wèn)和收聽(tīng)節(jié)目材料(圖 1)。
圖1.融合處理器上的數(shù)字無(wú)線電。
數(shù)字無(wú)線電發(fā)展實(shí)例:印度
在地面廣播中,有兩種開(kāi)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(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)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(duì)于人口稠密且地理區(qū)域較小的國(guó)家,在VHF波段III和L波段的DMB傳輸功能非常有效。對(duì)于地理面積大的國(guó)家,中短波傳輸可提供有效覆蓋。出于這個(gè)原因,經(jīng)過(guò)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(tái)(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(chǎng)試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)試驗(yàn)用三個(gè)變送器進(jìn)行了三天,測(cè)量了各種參數(shù)。除了在新德里進(jìn)行的這些測(cè)試外,AIR還遠(yuǎn)距離進(jìn)行了這些測(cè)量。很明顯,DRM的優(yōu)勢(shì)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(duì)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(wú)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(jì)算和符號(hào)操作更容易。得益于采樣理論、信號(hào)處理和可用的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器,工程師們?yōu)槭褂?a href="http://www.1cnz.cn/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(hào)處理器設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)和測(cè)試復(fù)雜的數(shù)字信號(hào)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(wú)線電接收器最初設(shè)計(jì)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(chǎng)規(guī)模和競(jìng)爭(zhēng)的增加,制造商發(fā)現(xiàn)可以通過(guò)降低成品價(jià)格來(lái)進(jìn)一步擴(kuò)大市場(chǎng)。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(shí)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(dòng)電話。
數(shù)字無(wú)線電中的信號(hào)處理
典型的數(shù)字通信系統(tǒng)(圖2)將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào),對(duì)其進(jìn)行壓縮,添加糾錯(cuò)碼,并打包多個(gè)信號(hào)以充分利用通道容量。為了傳輸RF信號(hào)(存在于模擬能量的“真實(shí)”世界中),數(shù)字信號(hào)被轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)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(guò)程,從解調(diào)載波頻率開(kāi)始。然后將信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào),檢查錯(cuò)誤并解壓縮。基帶音頻信號(hào)被轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào),最終產(chǎn)生聲學(xué)。
圖2.數(shù)字無(wú)線電的軟件架構(gòu)。
數(shù)字無(wú)線電接收機(jī)中的信號(hào)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(wú)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(cuò)誤控制系統(tǒng)組件。實(shí)際上,如果編解碼器設(shè)計(jì)為錯(cuò)誤恢復(fù)能力,則可以更好地執(zhí)行錯(cuò)誤控制。
理想的信道編碼器應(yīng)該能夠抵御傳輸錯(cuò)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(cuò)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(cè)到流中的錯(cuò)誤并隱藏其影響,以便整體音頻質(zhì)量不會(huì)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(cuò)誤恢復(fù)能力 - 傳輸錯(cuò)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(jí)音頻編碼)分別用于廣播和存儲(chǔ)/分發(fā)等協(xié)作音頻特定工作的成功,鼓勵(lì)了該行業(yè)參與進(jìn)一步的研究計(jì)劃。MP3仍然是最流行的網(wǎng)絡(luò)分發(fā)和存儲(chǔ)的“非官方”格式,但更簡(jiǎn)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(shí)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(lái)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(lái)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(dòng)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(duì)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(jì)劃一樣,測(cè)量技術(shù)也在音頻質(zhì)量改進(jìn)計(jì)劃中發(fā)揮了作用。音頻質(zhì)量評(píng)估工具和標(biāo)準(zhǔn),如音頻質(zhì)量的感知評(píng)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(píng)估技術(shù)實(shí)驗(yàn)。
優(yōu)雅的降級(jí)/錯(cuò)誤恢復(fù)能力
通常,較高的壓縮率將導(dǎo)致給定級(jí)別的流錯(cuò)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(cuò)誤。Layer II頻譜數(shù)據(jù)部分中的單位錯(cuò)誤不會(huì)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(cuò)誤會(huì)導(dǎo)致霍夫曼解碼器失敗并應(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)誤率降至最低。這種長(zhǎng)時(shí)間的靜默會(huì)阻止系統(tǒng)保證正常降級(jí)。
容錯(cuò) (ER) AAC 編碼借助以下附加工具,可確保從比特流錯(cuò)誤中正常降級(jí):
HCR(霍夫曼碼字重新排序):通過(guò)將光譜數(shù)據(jù)劃分為固定大小的段來(lái)防止光譜數(shù)據(jù)中的錯(cuò)誤傳播。HCR 將最重要的數(shù)據(jù)放在每個(gè)段的開(kāi)頭。
VCB11(密碼本 11 的虛擬碼本):借助特殊的碼字映射檢測(cè)頻譜數(shù)據(jù)中的嚴(yán)重錯(cuò)誤。
RVLC(可逆可變長(zhǎng)度編碼):避免比例因子數(shù)據(jù)中的錯(cuò)誤傳播。
ER-AAC 功能與 UEP 一起將為 DRM 提供足夠的容錯(cuò)特性。
數(shù)字版權(quán)管理規(guī)范
數(shù)字無(wú)線電世界 (DRM) 是歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì) (ETSI) 的開(kāi)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。
30 MHz 時(shí)的帶寬 |
帶寬(千赫) |
比特率(千字節(jié)) |
標(biāo)稱帶寬 |
9 到 10 |
8 到 20 |
半帶寬 |
4,5 到 5 |
2 或 4 |
雙帶寬 |
18 到 20 |
20 到 80 |
這一要求要求使用高效的音頻編碼:Meltzer-Moser MPEG-4 HE-AAC v2(國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織/國(guó)際電工委員會(huì) - ISO/IEC)是一個(gè)不錯(cuò)的選擇,但對(duì)通道衰落的魯棒性使HE-AAC v2(Martin Wolters,2003)的容錯(cuò)版本成為最佳選擇。
表 2.DRM 支持的不同編解碼器。
比特率(千字節(jié)) |
20 到 80 |
8 到 20 |
2 到 4 |
編 解碼 器 |
蒸壓加氣混凝土 |
賽爾普 |
8 到 20 |
音頻速率 |
12、24 或 48 |
8 到 16 |
2 或 4 |
丁苯橡膠 |
是的 |
是的 | 是的 |
附言 | 是的 |
— |
— |
雙帶寬 |
是的 | 是的 | 是的 |
除 AAC 外,DRM 標(biāo)準(zhǔn)還定義了用于傳輸語(yǔ)音的諧波矢量激勵(lì)編碼 (HVXC) 和代碼激勵(lì)線性預(yù)測(cè) (CELP) 編解碼器。DRM 標(biāo)準(zhǔn)也允許流式傳輸圖像幻燈片、HTML 頁(yè)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(gè)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(wèn)通道(FAC)。FAC 具有正交頻分復(fù)用 (OFDM) 信號(hào)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(duì)多路復(fù)用器生成的幀進(jìn)行編碼。可以在標(biāo)準(zhǔn)映射、對(duì)稱分層或混合分層映射之間進(jìn)行選擇。MSC 使用不等差錯(cuò)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(jí)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(cuò)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(hào)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(kāi)發(fā)工具的可用性、來(lái)自第三方的多個(gè)軟件組件以及參考設(shè)計(jì)使其成為多功能產(chǎn)品的理想平臺(tái)。多代產(chǎn)品、來(lái)自可靠來(lái)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(jì)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(wú)線電。
基于Blackfin處理器的數(shù)字無(wú)線電、互聯(lián)網(wǎng)無(wú)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(lái)創(chuàng)建。
除了創(chuàng)建所需的生態(tài)系統(tǒng)和采購(gòu)各種軟件模塊外,ADI還創(chuàng)建了自己的數(shù)字無(wú)線電解碼器庫(kù)。其中一個(gè)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(jí)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(gè)樣本
AAC-LC/HE-AAC v1/v2/DRM/DAB 支持
錯(cuò)誤隱藏支持
剛果民主共和國(guó)支持
針對(duì)內(nèi)存和 MIPS 進(jìn)行了高度優(yōu)化
針對(duì)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。
內(nèi)存(以 KB 為單位) |
法典 |
桌子 |
數(shù)據(jù) |
MIPS |
輕拍 |
115 |
61 |
182 |
8 到 20 |
數(shù)字版權(quán)管理 |
115 |
62 | 182 |
2 或 4 |
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(lái)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(wú)線電測(cè)試結(jié)果
一組典型的測(cè)試結(jié)果如表4所示。
表 4.數(shù)字無(wú)線電測(cè)試結(jié)果。
參數(shù) |
結(jié)果 |
敏感性 |
40分貝 |
半帶寬 |
比 MRR 好 5 dB |
互調(diào) |
>57分貝 |
動(dòng)態(tài)范圍 |
比 MRR 高 25 dB |
調(diào)整后 Ch. 抑制 |
MRR +5 dB 在 ±10 kHz |
接待頻率偏移 |
比 MRR 好 400 Hz |
工作電壓 |
6.5 V 至 12 V |
結(jié)論
ADI公司(ADI)是實(shí)現(xiàn)數(shù)字無(wú)線電和對(duì)參考設(shè)計(jì)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的早期參與者。基于Blackfin處理器的DRM無(wú)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(jì)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(guó)的BBC、美國(guó)的杜比(以前的編碼技術(shù)公司)以及德國(guó)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(jì)來(lái)設(shè)計(jì)和制造產(chǎn)品。
現(xiàn)在,更多的公司正在印度和其他國(guó)家使用這種設(shè)計(jì)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(wú)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(lái)自第三方的所需軟件模塊和參考設(shè)計(jì)使該實(shí)施成為印度和其他地方制造商采用該設(shè)計(jì)和大規(guī)模生產(chǎn)使用它的DRM無(wú)線電的不錯(cuò)選擇。
審核編輯:郭婷
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