数字声音广播 9 DRM技术系统.pdf

1 DRM技术系统技术系统 中国传媒大学信息工程学院信息工程学院 2 DRM和DRM 的频谱位置 3 1 DRM系统产生的背景系统产生的背景 1 1 模拟 模拟AM广播需要数字化广播需要数字化 30MHz以下的长 中 短波广播 波段 迄今为止使用的幅度调制虽然 技术很简单 但是抗干扰能力很差 尤其是在短波经常出现干扰 4 多年来短波广播就变得没有什么 吸引力了 原因主要在于差的声音质 量以及麻烦的操作与电台寻找 AM 广播自身的缺点和加之其它数字媒体 的竞争 其结果是调幅广播的不景气 听众数量下降 5 AM广播的数字化 可以使声音质 量得到明显的改善 通过好的质量再 来吸引听众 此外 数字化后 可以 通过传输附加数据 例如电台名称和 替换频率 可使接收机的操作变得简 单容易 6 从能量的利用来看 AM发射功 率中的很大一部分是用于载波 例如 当平均m 0 3时 载波功率占发射总功 率的95 7 对信号本身甚至完全没 有好处 现今中短波广播发射机功率 都很大 与此相联系的是有相当高的 运行费用 7 从频率资源的利用来看 30MHz以 下的广播波段有其特有的性能 它能 实现远距离和大范围的覆盖 是实现 地区性 全国性及国际性广播覆盖的 最好手段之一 而且它的良好的快速 移动接收特性是其它数字传播媒体所 不能相比的 因此 其它众多媒体的 数字化并不能代替AM广播的数字化 8 模拟AM广播数字化对听众 广播 机构和发射与接收设备制造商都会带 来好处 首先 对于听众来说 除了 得到良好的声音质量和接收机操作 使用简单方便外 还可以得到如文本 等数据业务的服务 9 对于广播机构来说 在振兴调幅 波段的广播的同时 数字广播可以有 增值业务 具有节约发射功率 在保 持相同的覆盖范围的情况下 发射功 率起码可低6dB 和节约频谱的能力 有同步网运行能力 可以说是既 有显著的社会效益又有显著的经济效 益 10 对于设备制造商而言 通过数字 化可以带来新的市场机遇 新市场的 开辟会有良好的投资回报 11 1 2 全世界需要统一的数字化系统全世界需要统一的数字化系统 调幅广播是世界性的广播 尤其 是短波广播 必须使用统一的标准 并进行世界统一的短波频率规划和分 配 这样做既保障有良好的 空中 秩序 又拥有广大的听众 12 当模拟调幅广播准备向数字AM 广播过渡的时候 在1998年以前 世 界范围内曾经有五种不同的数字系统 进行试验 13 为了选择合适的统一的数字AM系 统 1998年3月在中国广州成立了数字 AM广播的国际组织DRM Digital Radio Mondiale 联盟 14 DRM联盟的目标是开发数字长 中 短波广播的世界范围的标准 并 提供一个系统建议 供ITU进行标准 化 经过紧张工作 DRM提出了系统 建议 并于2001年4月在ITU作为正式 的建议书而获得通过 15 DRM系统在2001年10月被ETSI标 准化 并在2002年3月经IEC通过 DRM系统规范正式生效 为AM波段 广播的数字化铺平了道路 国际上不 少广播机构的部分发射台 已经从 2003年6月16日 日内瓦召开ITU无线 电行政大会 开始 以DRM方式正式 投入广播运行 这标志着30MHz以下 的广播新时代的开始 16 DRM系统充分考虑到了与ITU现 有的边界条件相一致以及与现有的模 拟业务的兼容 并保证了由模拟广播 向数字广播的平滑过渡 17 2 系统总体特征 系统总体特征 18 2 1 系统结构 系统结构 19 20 主业务信道 主业务信道 MSC 主业务信道包括了DRM多路复用 中包含的所有业务的数据 多路复用 可以包含一到四种业务 每一种业务 既可以是音频 也可以是数据 MSC 的总比特率是由DRM信道的带宽和传 输模式决定的 21 快速访问信道 快速访问信道 FAC 快速访问信道为接收机提供进行 快速搜索的业务选择信息 它包括接 收机能够有效地开始解复用的有关信 道参数信息 如频带占有和交织深 度 它也包括关于在多路复用中的 业务允许接收机解复用或变化频率和 重新搜索的信息 22 业务描述信道 业务描述信道 SDC 业务描述信道给出怎样对MSC解 码 怎样找到发射相同节目的替换频 率的信息 并给出在多路复用中的业 务的归属 23 信源源编码器和预编码器信源源编码器和预编码器 信源编码器和预编码器可以保证 将输入数据流适应成合适的数字传输 格式 在音频源编码的情况下 功能 包括音频压缩技术 源编码器和数据 流预编码器的输出可以包含两个部分 它们在后继信道编码器中需要两种不 同等级的保护 所有业务都必须利用 这两种保护或其中的一个 24 多路复用器多路复用器 将保护等级与所有数据和音频业务结 合起来 25 能量扩散能量扩散 能量扩散的目的是为了避免出现 某些特定信号形式的可能性 能量扩 散可以通过给定的伪随机二进序列来 实现 能量扩散用于主业务信道 MSC 快速访问信道 FAC 和 业务描述信道 SDC 26 信道编码器信道编码器 信道编码器是通过增加信息冗余 来保证传输的准确无误差 并将数字 编码信息映射到QAM单元中 27 单元交织器单元交织器 单元交织器将连续的QAM单元展 开为在时域和频域都分开的准随机的 单元序列 以便提供在时间 频率弥 散信道中的可靠的传输 28 导频发生器导频发生器 导频发生器为接收机提供信道状 态信息 估计信号的相关解调 29 OFDM单元映射器单元映射器 OFDM单元映射器将不同等级的 单元集中起来并把它们放在时频栅格 中 30 OFDM信号发生器信号发生器 OFDM信号发生器以相同的时间 序将每个单元组转换成时域来表示的 信号 通过插入保护间隔对信号的一 部分进行重复 就可以从这些信号的 时域体现得到连续的OFDM符号 31 调制器调制器 在传输中 调制器将OFDM符号 的数字形式转换为模拟形式 这项处 理包括D A转换和与频谱要求相一致 的滤波 32 2 2 传输模式 传输模式 33 DRM系统工作于30MHz以下的长 中 短波段 为了满足不同的运行条 件 提供了不同的传输模式供选用 每一种传输模式用信号带宽相关参数 和传输效率相关参数定义 34 2 2 1 信号带宽相关参数 信号带宽相关参数 AM广播目前信道宽度为9kHz和10kHz DRM系统设计用于 为满足当前的频道配置 工作于这些 规定的带宽 为与模拟AM信号共同广播 工作于 这些带宽的一半 4 5kHz或5kHz 当频率规划的限制允许时 工作于这 些带宽的两倍 18 kHz或20 kHz 以提供更大的传输容量 35 2 2 2 传输效率相关参数 传输效率相关参数 对于任意信号带宽参数 为了能 够在传输容量 有用比特 和抗噪声 性能 多径和多普勒效应之间进行均 衡 都定义了有两种类型的传输效率 相关的参数 36 编码率和星座图参数 定义传输数据 时使用哪种编码率和星座图 OFDM符号参数 作为传播环境 条 件 的函数 定义OFDM符号结构 37 1 编码率和星座图 编码率和星座图 为对每种业务或者一种业务的某 些部分进行期望的保护 系统提供了 一系列选项 以便在某一时间提供一 种或两种级别的保护 根据业务的需 要 这些保护的级别由信道编码的编 码率 如0 6 星座图 如4 QAM 16 QAM 64 QAM 或分级调 制来决定 38 2 OFDM参数组参数组 OFDM参数组中的每一套参数用 于不同的传播衰减条件 以保证信号 有不同的强壮性 对于给定的带宽 不同的强壮模式用于不同的数据率 有四种典型的强壮模式 39 强壮模式典型传播条件 A有弱衰落的高斯信道 B有长时延弥散的时间选择性与频率 选择性信道 C与强壮模式B相同 但有大的多谱勒 弥散 D与强壮模式B相同 但有严重的时延 和多谱勒弥散 40 为了在解调处理中作为参考使用 每个OFDM符号某些固定数量的单元 采用预定的幅度和相位传输 它们被 称为 参考导频 41 导频分布 42 信号带宽相关参数定义了频率带宽 的总量和一种传输模式所用的结构 传输效率相关参数允许在容量 可 用比特率 与抗噪声 多径干扰和多 普勒效应之间进行折衷 43 44 45 46 2 3 DRM传输帧结构 47 48 2 4 DRM的节目与动态重组 49 50 51 52 53 3 信源编码信源编码 54 3 2 数字数字AM广播对信源编码的特殊广播对信源编码的特殊 要求要求 数字音频信号的质量是由其数据 率决定的 音频数据率越高 在信道 上传输的数据率也越高 所需的射频 带宽也就越宽 55 DRM系统规定使用与模拟AM广 播相同的频道宽度 9KHz或10KHz 在条件允许的情况下 最多可以使用 到加倍的带宽 18KHz或20KHz 56 在这样窄的带宽限制下 为了得 到好的声音信号质量 除了选择相应 的信道编码和调制方法外 十分重要 的一点是选择相应的信源编码方法 要求信源编码的比特率处于8kb s 半 信道 到大约20 kb s 标准信道 最高到大约72 kb s 双信道 的范围 57 国际上MPEG组织迄今为止已经 发布了MPEG1 MPEG2和 MPEG4等 不同的信源编码标准 不同的信源编 码方法有不同的数据压缩效率和不同 的声音信号质量 适用于不同的场合 DRM系统必须选择压缩效率最高 同 时又有好的声音质量的信源编码方法 58 3 3 DRM系统使用的信源编码方法系统使用的信源编码方法 在DRM系统中 最关键的技术之 一是信源编码方法 为在给定的比特率下提供更好的 质量 系统使用了属于MPEG 4的不同 的信源编码方案 以适应在数字AM 广播中不同节目 音乐 语言 和不同 带宽的需要 59 1 MPEG 4子集AAC 先进音频 编码 包括抗差错强壮性处理 用于 普通单声道和立体声广播 60 2 MPEG 4子集CELP 码本激 励线性预测 语音编码 用于单声道 语音广播 对很低比特率是有效的 或者适合于在要求较高的抗差错强壮 性的情况下应用 61 3 MPEG 4子集HVXC 谐波矢 量激励编码 语音编码 用于很低比 特率和抗差错强壮性单声道语音广播 特别适合于基于语音数据的应用 62 除了上述的编码方法外 在DRM 系统中还应用了频带恢复 SBR Spectral Band Replication 技术 它是 一种在低比特率情况下获得完全音频 带宽的音频编码增强方法 工具 它可以与AAC CELP和HVXC联合应 用 构成目前能力最强的压缩方法 63 仅AAC本身效率已经比的MP3方 法高出30 然而由于窄的有限的带 宽 仅使用AAC是不够的 借助附加 应用的SBR 可以在保持同样高的音 频质量的情况下 数据率还可以再减 低40 这样就有可能传输数据率仅 为25kb s左右的高级的音频信号 远 不到ISDN线路的1 3 64 当节目是纯粹的语言内容时 例 如新闻节目 在DRM系统中比特率甚 至可以减低到10kb s 2kb s 65 信源编码传送的比特流传输格式 要变化为适合于DRM系统的要求 采 用不等错误保护 UEP 以便在有 错误倾向的传输信道中改善系统的性 能 66 67 3 4 如果实施 如果实施DRM以后又发现以后又发现 了新的音频编码方法 接收机升了新的音频编码方法 接收机升 级问题级问题 68 技术总是不断进步的 以后肯定 会出现更好的音频编码方法 尤里卡 147 DAB就属于这种情况 当时在制 定DAB标准时 兼顾编码效率 质量 和复杂性 认为MUSICAM 即 MPEG1 LAYER2 是合适的 但现在 看来它还不够完善 69 日本在发展DAB Nippon DAB 时 采用了MPEG4 AAC 这样 在 保证同样好的声音质量 CD质量 的 情况下 数据率可以减半 在同样的 射频带宽下 可传输的节目套数加倍 此外 Nippon DAB的接收机也考虑了 能够对尤里卡147 DAB进行解码的问 题 70 然而尤里卡147 DAB已经得到一 定程度的发展 不可能再更换新的音 频压缩方。