单位文秘网 2021-10-07 08:13:36 点击: 次
摘要:数字音频广播(Digital Audio Broadcasting,简称DAB)是一种全数字方式多载波无线传输系统。FM IBOC(in-band on-channel,带内同频)DAB系统是一种数字音频广播解决方案。IBOC DAB系统的三个底部协议层:传输层、数据链路层、物理层各层之间数据音频的传输过程。音频和数据信号从数据链路层通过服务接入点接口进人物理层,依次经过加扰、信道编码、交织后经OFDM子载波映射后,最终将生成的OFDM信号通过发射子系统传输出去。本文将对物理层上的各个部分进行分析,得出一种基于FM IBOC行业标准的数字仿真方法。本方法采用的实验平台为MATLAB.
关键字:IBOC FM 高清数字广播 物理层 加扰 信道编码 交织 OFDM子载波映射
中图分类号:TN911.6
一、简介
数字音频广播(Digital Audio Broadcasting,简称DAB)是一种全数字方式多载波无线传输系统。比起模拟制式广播,其优势是显而易见的:具有很强的抗多径干扰能力,纠错能力强,可保证高速移动状态下的接收质量;能提供类CD音质;发射功率小、覆盖范围广,大大提高了频谱利用率;还可附加传送音频业务以外的各种数据业务,例如广播电文、静止画面等,甚至可以对移动的TV接收机传送电视节目。
目前,国际上已经形成标准的地面数字音频广播(DAB-T,30MHz以上频段),主要有欧洲的Eureka-l47 DAB和美国的IBOC DAB两种。IBOC DAB是由美国研究的“带内同频(IBOC,In-Band On-Channel)”数字声音广播系统,他与目前所实行的模拟广播电台使用相同的载波频率,并利用频率分隔和调制方式的不同,实现数字节目和模拟节目的同时播出。因此,他兼容原有的模拟广播频率,无需再重新规划和分配新的频段,发射塔和天线等都可以得到重新利用,很容易实现模拟到数字的转变。
二、IBOC系统的物理层
FM IBOC DAB系统物理层各传输处理模块,音频和数据信号从数据链路层通过SAP (service access point)接口进人Layer 1,依次经过加扰、信道编码、交织、OFDM子载波映射后,最终将生成的OFDM信号通过发射子系统传输出去。物理层结构如图2-1:
1、加扰也称为能量扩散处理(scramble or energy dispersion),目的是将各逻辑信道数据进行随机化处理,使信号频谱弥散。FM IBOC DAB系统加扰器如图2-2中所示,传输帧数据向量的各个输入比特与相应的随机序列进行模2加运算后,所得到的即是加扰传输帧(scrambled transfer frame)。模块中共有十个完全相同的并行加扰器,分别对应十个逻辑信道,系统根据不同的业务模式对逻辑信道的配置情况,相应地选择其中几个交扰器。
2、FM IBOC DAB系统对各数据帧采用Tailbiting卷积编码。与零结尾卷积码不同,Tailbiting卷积编码是将每个数据帧的最后M个比特(M为卷积编码器的移位寄存器个数)初始化移位寄存器,因此,在结束对该数据帧编码时,编码器的状态又会回到原来的初始状态如图2-3所示。而零结尾卷积编码是将编码寄存器初始化为零,同时在信息序列的结尾添加M个0尾比特,使得编码结束时寄存器的状态重新回到状态0 。
3、下图是PM IP 在业务模式MP1下输出的交织矩阵PM该交织矩阵由 个交织块组成(其他类型的交织矩阵结构类似),每个交织块是一个32*36的子矩阵,并且在每个IP所输出的交织矩阵中,逻辑信道将失去其确定性,即每个输出矩阵中可能由一个或多个逻辑信道组成。像在MP1业务模式下,PM IP的输出矩阵中就包含1个P1和16个PIDS逻辑信道的数据。这两个逻辑信道的传输帧经过信道编码,P1逻辑信道的传输帧长度由146176bits/frame增加为365440bits/frame(2/5的双边带编码率),PIDS逻辑信道的传输帧的长度由80bits/frame增加为200bits/frame(2/5的双边带编码率),帧速率不变。将P1逻辑信道的一个传输帧向量表示为i={0,1……N-1},根据交织器I代数公式(见附录),每一个帧向量元素输出到特定分区交织块中的某一行 某一列 ,并将剩余的空缺比特位置留给PIDS逻辑信道帧, PIDS逻辑信道传输帧根据交织器Ⅱ代数公式,也将每一个帧向量比特对应输出到PM矩阵中,经过一个PIDS传输帧之后,PM中第一行交织块被填满,这时就可以将这行交织块中的比特数据逐行读出,用于OFDM子载波映射,等到处理完16个连续的PIDS传输帧后,整个PM矩阵被全部填满,当下一个传输帧到来时,整个交织过程又会重新开始。由此可得,P1逻辑信道交织器的交织深度刚好为一个P1传输帧周期Tf,PIDS逻辑信道交织器的交织深度为一个PIDS传输帧周期Tb。
交织矩阵的每一列交织块称为一个分区(partition),(如图4-8影阴部分所示),是一个B*32行36列的子矩阵。每个分区映射一个频谱子块,由于采用QPSK调制,分区中每两列对应一个数据副载波(一个频谱子块有18个数据副载波),交织后的比特数据就能被调制在上下边带的各个数据副载波上,实现频率交织。如图2-4
Ⅲ、基于物理层的仿真
1、加扰器的设计
根据本原多项式为 ,传输帧数据向量的各个输入比特与相应的随机序列进行模2加运算后,所得到的即是加扰传输帧(scrambled transfer frame)。故将随机产生 的数据按照多项式进行模二加,只需要一个加法器就能实现。
2、卷积编码的仿真
对于这两种卷积编码方式,从编码效率上考虑, 零结尾卷积码会带来编码效率的损失,添加在数据帧末尾的M个比特会占用额外的带宽,比如对于移位寄存器的个数为M,编码率为R=k/n的卷积编码器,信息序列长度为N*k,,经过零结尾卷积编码,由于在信息序列后要添加M个0比特,因此编码后码字长度为(M+N)*n, 实际有效编码率为:
如果数据帧长度相对于编码寄存器个数较短的时候,编码率的损失是不可忽略的;而对于tailbiting 卷积码来说,就不存在编码率的损失的问题,因为他不需要添加任何的尾比特。以FM IBOC DAB系统中,PIDS信道上的卷积码为例,PIDS信道加扰传输帧的长度为80bit,如果采用(3,1,7)零结尾卷积码,它的实际有效编码率为
,编码效率损失为7%。
从两者的纠错能力上考虑,可以比较在相同高斯信道下两者的误块率特性和误码率特性。假设码字集合为C,发送码字为a,接收到的码字为b,那么其平均误块率可以表示为:
上式中,为发送码字a的概率;为接收码字为b的错误条件概率。
而卷积码的重量分布和距离特性,可以由卷积码的生成函数T(D,L,N)得到。
根据文献[5],使用matlab仿真计算,可以得到两种卷积码的重量分布,从而得到他们的误块率上界。
可以发现,两种卷积码的误块率特性十分相近,而且随着信息序列长度的增加,他们的纠错性能会越来越接近。
因此,Tailbiting卷积码与零结尾卷积码相比,在纠错性能几乎没有下降的情况下,可以不用添加零结尾冗余比特,节约带宽,对于IBOC DAB系统来说,还保证了各逻辑信道间传输帧的对齐和同步,不用占用额外的OFDM数据副载波。
所以我们在仿真过程当中使用Tailbiting卷积码进行仿真设计。
3、交织器仿真过程
交织过程由四种不同类型的交织器来完成,分别记为Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型、Ⅳ型交织器。这几种交织器都属于代数交织,即通过某种代数变换算法产生一个关于下标的置换向量,然后根据置换向量对输入信号进行交织的过程。在NRSC-5标准中,已经给出了四种交织器类型的代数公式,用于对信道编码比特向量的重新排序。它将逻辑信道的传输帧表示成向量的形式,i={0,1……N-1}N为传输帧长度的倍数,根据所使用交织器的代数公式(见附录)计算向量元素i在交织矩阵中的具体映射位置,最后达到交织的目的。
如图3-3所示,在MP1业务模式下,采用PM IP,具体由Ⅰ型和Ⅱ型交织器来实现交织,输出交织矩阵PM。
交织器代数公式
符号说明:
J为每个交织矩阵包含的交织分区数
B为每个交织分区包含的交织块数
C为每个交织块包含的列数
M为计算交织分区号 的因子
为由交织分区号所组成的向量,用于控制交织矩阵中交织分区的相关顺序
b为每个传输帧的比特数(交织器Ⅲ、Ⅳ)
I0为计算Ki时用到的下标索引偏移(交织器Ⅱ)
N为交织器输入序列包含的比特数,可以有多个传输帧组成。以I 型交织器为例说明公式计算i所处的交织分区的编号:
总结
本论文的研究工作主要建立在美国NRSC新发布的IBOC FM标准的基础之上,在对行业标准进行了仔细研究之后,对每个部分有自己的理解和解决方法,故仿真各个部分以用来对实现环节进行比对。是进行高清广播实现的必备环节。其中本文重点讨论了物理层各部分的仿真方法和采用的具体编码过程。对IBOC FM系统物理层进行了深入的探讨和研究。
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注:本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文
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