高性能数字无线电的成功实施

作者：TVB Subrahmanyam and Mohammed Chalil

调幅（AM）是20世纪前80年无线电广播的主要形式，但信道衰落、失真和噪声导致接收质量差。随着调频（FM）的引入，这些问题在一定程度上得到了缓解，调频也可以提供立体声传输和CD质量的音频，但模拟收音机仍然没有信道缺陷效应和有限的覆盖区域。在2003年，两家商业初创公司XM和Sirius（合并成为SiriusXM™），介绍了基于订阅的数字卫星广播在美国的巨大足迹，其收入模式与付费电视频道相似。大约在同一时间，世界空间广播电台开始为亚洲和非洲进行卫星广播。

卫星数字音频无线电服务（SDARS）使移动汽车音频听众能够在卫星覆盖图内的任何位置收听同一广播电台，仅受建筑物，树叶和隧道造成的卫星信号间歇性阻塞的限制。XM卫星广播率先通过安装地面中继器来规避阻塞问题，这些中继器在密集的城市地区传输相同的卫星音频，并创建卫星和地面广播的混合架构。

大约在同一时间，传统的地面广播公司也制定了数字路线——原因有两个。首先，他们认为他们在模拟大厅的寿命必须很短，因为世界正在迁移到更高质量的数字跑道。其次，频谱越来越稀缺，因此只有通过数字化和压缩新旧内容，打包然后广播，才能在相同带宽内提供额外的内容。因此，世界开始从模拟无线电向数字无线电迁移。这些无线电广播技术具有以下优点：接收更清晰、覆盖面积更大，能够在可用模拟无线电信道的现有带宽内打包更多内容和信息，并为用户提供更大的控制灵活性，以访问和收听节目材料（图 1）。

图1.融合处理器上的数字无线电。

数字无线电发展实例：印度

在地面广播中，有两种开放标准 - 数字多媒体广播（DMB）和数字广播世界™（DRM） 和高清广播™，iBiquity（美国联邦通信委员会批准的唯一AM/FM音频广播标准）的专有标准。DMB 指定了几种数字音频广播格式，包括 DAB、DAB+ 和 T-DMB，它们使用 VHF 频段 III 和 L 频段。DRM 使用 DRM30，其工作频率范围为 150 kHz 至 30 MHz，DRM+ 为 VHF 频段 I、II 和 III。

VHF波段的有用传播基本上仅限于小地理区域的视线。另一方面，由于电离层中的多次反射，短波传播几乎可以到达世界任何地方。对于人口稠密且地理区域较小的国家，在VHF波段III和L波段的DMB传输功能非常有效。对于地理面积大的国家，中短波传输可提供有效覆盖。出于这个原因，经过几年的DAB和DRM试验，印度决定采用DRM。

2007年，全印度广播电台（AIR）、亚太广播联盟（ABU）和DRM联盟在新德里进行了第一次DRM现场试验。实验试验用三个变送器进行了三天，测量了各种参数。除了在新德里进行的这些测试外，AIR还远距离进行了这些测量。很明显，DRM的优势在于使用有限数量的发射器为更多的人口提供服务。此外，对节能的需求日益增加，将节能考虑提高到头等大事。DRM的电源效率提高了50%，在支持生态和“更绿色”的地球方面起着至关重要的作用。

数字无线电接收器和DSP

物理世界是模拟的，但科学家和工程师发现在数字域中进行大量计算和符号操作更容易。得益于采样理论、信号处理和可用的数据转换器，工程师们为使用模数转换器（ADC）和具有可编程内核的数字信号处理器设计、实现和测试复杂的数字信号处理（DSP）系统铺平了道路。

随着信息和通信理论的进步，强大而高效的DSP的发展使媒体技术和通信的融合成为可能。数字广播的存在归功于这些技术进步。

数字无线电接收器最初设计为实验室原型，然后进入试生产阶段。与大多数技术一样，第一代产品通常使用分立元件组装。随着市场规模和竞争的增加，制造商发现可以通过降低成品价格来进一步扩大市场。更高产量的前景吸引了半导体制造商投资集成更多这些分立元件以降低成本。随着时间的推移，硅几何形状的缩小导致成本进一步降低和产品能力的提高。这是许多产品的不断发展，包括FM收音机和移动电话。

数字无线电中的信号处理

典型的数字通信系统（图2）将模拟信号转换为数字信号，对其进行压缩，添加纠错码，并打包多个信号以充分利用通道容量。为了传输RF信号（存在于模拟能量的“真实”世界中），数字信号被转换为模拟信号并在载波频率上进行调制以进行传输。在接收器处，发生相反的过程，从解调载波频率开始。然后将信号转换为数字信号，检查错误并解压缩。基带音频信号被转换为模拟信号，最终产生声学。

图2.数字无线电的软件架构。

数字无线电接收机中的信号处理算法可分为以下几类：

通道解码

源解码

音频后期处理

中间件

用户界面 （MMI）

在数字无线电中，源编码和信道编码可以分别映射到高效的音频编解码器（coder-decoder）和错误控制系统组件。实际上，如果编解码器设计为错误恢复能力，则可以更好地执行错误控制。

理想的信道编码器应该能够抵御传输错误。理想的源代码编码器应该将消息压缩到最高的信息内容（香农熵），但如果输入流包含错误，高度压缩的消息将导致非常高的音频失真。因此，有效的源编码还应确保解码器可以检测到流中的错误并隐藏其影响，以便整体音频质量不会降低。

DRM在源编码和通道编码中应用了相关的技术创新，以提供更好的音频体验。所选的 DRM 音频源编码算法可确保：

高效的音频编码 — 以更低的比特率获得更高的音频质量。

更好的错误恢复能力 - 传输错误下的美观性能下降。

高效的音频源编码

电影专家组（MPEG）技术可以被视为学术，行业和技术论坛有效协作的渠道和框架。MPEG Layer II、MP3和AAC（高级音频编码）分别用于广播和存储/分发等协作音频特定工作的成功，鼓励了该行业参与进一步的研究计划。MP3仍然是最流行的网络分发和存储的“非官方”格式，但更简单的许可规范 - 以及Apple决定采用AAC作为iPod的媒体形式 - 帮助AAC获得比MP3更多的行业关注。

让我们考虑一下 MPEG 社区的 AAC，以了解源代码编码中涉及的一些重要技术。心理声学模型（图3）和时域混叠消除（TDAC）可以被认为是宽带音频源编码的两项初步突破性创新。

图3.了解心理声学音调掩蔽。

来自工业界和学术界的频谱带复制（SBR，图4）和空间音频编码或双耳提示编码技术可以被认为是接下来的两项改变游戏规则的创新。这两项关键的突破性创新进一步增强了 AAC 技术，以提供可扩展的编码性能，从而实现了 HE-AAC v2 和 MPEG 环绕声的标准化，得到了业界的热烈反响。行业驱动的标准，如杜比、AC3 和 WMA，也采取了类似的步骤，利用类似的技术创新进行最新的媒体编码。®®

光谱波段替换 （SBR） 工具使解码采样率相对于 AAC-LC 采样率加倍。参数立体声 （PS） 工具从单声道 LC 流解码立体声。

图4.音频解码中的 AAC-LR、SBR 和 PS。

与任何其他改进计划一样，测量技术也在音频质量改进计划中发挥了作用。音频质量评估工具和标准，如音频质量的感知评估（PEAQ）和带有隐藏参考和锚点的多刺激（MUSHRA），有助于更快地评估技术实验。

优雅的降级/错误恢复能力

通常，较高的压缩率将导致给定级别的流错误产生更多的音频音损。例如，MPEG Layer II 流比 AAC 流更能防止流错误。Layer II频谱数据部分中的单位错误不会产生任何烦人的伪影，因为频谱值最大值由位分配值决定。但是，在AAC的情况下，相同的单位错误会导致霍夫曼解码器失败并应用帧错误隐藏;重复的帧错误将使音频静音，直到错误率降至最低。这种长时间的静默会阻止系统保证正常降级。

容错 （ER） AAC 编码借助以下附加工具，可确保从比特流错误中正常降级：

HCR（霍夫曼码字重新排序）：通过将光谱数据划分为固定大小的段来防止光谱数据中的错误传播。HCR 将最重要的数据放在每个段的开头。

VCB11（密码本 11 的虚拟码本）：借助特殊的码字映射检测频谱数据中的严重错误。

RVLC（可逆可变长度编码）：避免比例因子数据中的错误传播。

ER-AAC 功能与 UEP 一起将为 DRM 提供足够的容错特性。

数字版权管理规范

数字无线电世界 （DRM） 是欧洲电信标准协会 （ETSI） 的开放标准，用于中短波广播的数字窄带音频。尽管 DRM 在四种传输和接收模式下支持 4.5 kHz、5 kHz、9 kHz、10 kHz、18 kHz 和 20 kHz 的带宽，但如果需要与现有 AM 标准兼容，带宽和比特率必须分别限制为 10 kHz 和 24 kbps。

表 1.DRM 比特率带宽。

30 MHz 时的带宽	带宽（千赫）	比特率（千字节）
标称带宽	9 到 10	8 到 20
半带宽	4，5 到 5	2 或 4
双带宽	18 到 20	20 到 80

这一要求要求使用高效的音频编码：Meltzer-Moser MPEG-4 HE-AAC v2（国际标准化组织/国际电工委员会 - ISO/IEC）是一个不错的选择，但对通道衰落的鲁棒性使HE-AAC v2（Martin Wolters，2003）的容错版本成为最佳选择。

表 2.DRM 支持的不同编解码器。

比特率（千字节）	20 到 80	8 到 20	2 到 4
编 解码 器	蒸压加气混凝土	赛尔普	8 到 20
音频速率	12、24 或 48	8 到 16	2 或 4
丁苯橡胶	是的	是的	是的
附言	是的	—	—
双带宽	是的	是的	是的

除 AAC 外，DRM 标准还定义了用于传输语音的谐波矢量激励编码 （HVXC） 和代码激励线性预测 （CELP） 编解码器。DRM 标准也允许流式传输图像幻灯片、HTML 页面等的原始数据。

数字版权管理架构

DRM系统包括三个主要的传输路径：主业务通道（MSC），服务描述通道（SDC）和快速访问通道（FAC）。FAC 具有正交频分复用 （OFDM） 信号属性和 SDC/MSC 配置，限制为 72 位/帧。SDC 包含 MSC 解码所需的信息，例如多路复用帧结构和其他信息。

图5.DRM 中的多路复用和通道编码。

MSC 对多路复用器生成的帧进行编码。可以在标准映射、对称分层或混合分层映射之间进行选择。MSC 使用不等差错保护（UEP，图 6），其中多路复用帧分为两部分，具有不同的保护级别：保护程度较高的数据部分和保护程度较低的数据部分。

图6.DRM 中的错误保护不平等。

带黑鳍金枪鱼的数字收音机

Blackfin处理器（图7）非常适合需要数字信号处理和微控制器功能的操作。ADSP-BF5xx系列特别适合这些应用，还提供多种外设。硬件和软件开发工具的可用性、来自第三方的多个软件组件以及参考设计使其成为多功能产品的理想平台。多代产品、来自可靠来源的成熟软件IP的可用性、ADI的可靠支持以及大量可用的高性能模拟集成电路产品组合，为设计人员的最终产品质量提供支持。®

图7.基于黑鳍处理器的数字无线电。

基于Blackfin处理器的数字无线电、互联网无线电和多功能产品可以使用ADI为这些产品创建的现有生态系统来创建。

除了创建所需的生态系统和采购各种软件模块外，ADI还创建了自己的数字无线电解码器库。其中一个关键组件是HE-AAC v2解码器，它优化了大量所需MIPS的性能。

HE-AAC V2解码器的架构

HE-AAC v2解码器组件（图8）组合在一起形成DRM源解码器。MPEG-4 HE-AAC v2解码器（可支持ETSI DAB和DRM标准）结合了高级音频编码（AAC），频谱带复制（SBR）和参数立体声（PS）。解码器向后兼容AAC-LC。

图8.MPEG-4 HE-AAC v2 解码器。

主要功能包括：

MPEG-4 ER-AAC 可扩展解码器，每帧可处理 960 个样本

AAC-LC/HE-AAC v1/v2/DRM/DAB 支持

错误隐藏支持

刚果民主共和国支持

针对内存和 MIPS 进行了高度优化

针对一整套 ISO/DAB/DMB 和 ETSI 载体进行验证

表 3.MPEG-4 HE-AAC v2 解码器性能。

内存（以 KB 为单位）	法典	桌子	数据	MIPS
轻拍	115	61	182	8 到 20
数字版权管理	115	62	182	2 或 4

解码器实现了标准指定的所有必需的音频编码工具，包括：

由于采用MDCT/TDAC，频率分辨率和编码效率更高

自适应模块切换可减少预回波

非线性量化

霍夫曼编码

使用凯撒-贝塞尔派生的窗口功能来消除光谱泄漏。

可变帧大小改进了位分配

IS/MS 立体声/TNS 和 PNS 工具

光谱波段复制 （SBR）

参数立体声 （PS）

数字无线电测试结果

一组典型的测试结果如表4所示。

表 4.数字无线电测试结果。

参数	结果
敏感性	40分贝
半带宽	比 MRR 好 5 dB
互调	>57分贝
动态范围	比 MRR 高 25 dB
调整后 Ch. 抑制	MRR +5 dB 在 ±10 kHz
接待频率偏移	比 MRR 好 400 Hz
工作电压	6.5 V 至 12 V

结论

ADI公司（ADI）是实现数字无线电和对参考设计进行现场试验的早期参与者。基于Blackfin处理器的DRM无线电是首批满足DRM标准规定的所有最低接收器要求（MRR）的设计之一。这一成功可归功于出色的团队合作，ADI公司管理并与英国的BBC、美国的杜比（以前的编码技术公司）以及德国之声和AFG工程公司合作。然后，设备制造商采用该技术和参考设计来设计和制造产品。

现在，更多的公司正在印度和其他国家使用这种设计制造数字收音机。ADI Blackfin处理器将DSP和微控制器功能完美结合，构成了极具成本效益的DRM无线电接收器的核心。软件工具的可用性、经验丰富的应用团队的支持以及来自第三方的所需软件模块和参考设计使该实施成为印度和其他地方制造商采用该设计和大规模生产使用它的DRM无线电的不错选择。

审核编辑：郭婷