基于AV1443矢量信號發生器的DAB發射系統設計

高偉 喬赫元 彭虎

摘 要： 提出一種基于AV1443矢量信號發生器上的數字音頻廣播（DAB）的軟件無線電系統。該系統是將輸入的音源數據進行數字編碼（MPEG?2），同時將相關的業務信息進行編碼，之后通過OFDM生成標準的I/Q基帶數據。最后將生成的I/Q數據加載到AV1443矢量信號發生器中，通過任意波的方式發射出去，實現了整個系統的DAB數字廣播發射功能。

關鍵詞： AV1443矢量信號發生器； 數字音頻廣播； OFDM； 任意波； 音源數據； 無線電系統

中圖分類號： TN934?34 文獻標識碼： 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準，常見的有DAB，DRM，AM和FM等，其中DAB和DRM為數字廣播。國家廣播電影電視總局在2006年6月推出相應的《30～3 000 MHz地面數字音頻廣播技術規范》[1]，為國內數字音頻廣播（Digital Audio Broadcasting，DAB）的發展指明了相對應的標準。DAB可以提供高品質音質，尤其是在低碼率的情況下表現更為出色。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借助于編碼技術和正交頻分復用技術，可以一次發射攜帶多套子節目，而且不會相互干擾，因此頻譜利用率更高。

與模擬廣播相比，數字音頻廣播音頻數據在信源編碼部分將原始數據壓縮成MP2（MPEG Audio Layer Ⅱ）[2]，有效地提高了傳輸效率，同時其他業務信息也進行編碼，因此可以攜帶更多的輔助信息，借助于OFDM技術在一個頻道內攜帶多個節目，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別[4?6]。

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

1 系統總體結構

所提出的DAB發射系統主要分為軟件部分和AV1443兩個部分。圖1為DAB發射系統框架圖。

DAB發射系統主體為軟件部分，主要分為：MUSICAM信源編碼、傳輸幀合成和OFDM調制。其中MUSICAM信源編碼部分的主要功能是將輸入音頻節目源（24 kHz或48 kHz的PCM音頻）進行MUSICAM編碼，利用掩蔽效應，對掩蔽界限以上的聲音信號進行壓縮傳輸，避免對人耳可以識別出來的聲音信號進行壓縮，從而可以使音頻源得到極大的壓縮率（同CD音質，只有其1/7的位元）。傳輸幀合成包含信道編碼、時間交織、業務信息編碼、合成傳輸幀等，在信道編碼中將信源編碼后的數據加入糾錯碼，在接收端通過糾錯碼校正可能出現的錯誤，保證傳輸的可靠性與有效性。信道編碼后經過時間交織在時域出現的連續塊差錯分開，進一步提高接收端解碼的可靠性。在和業務經復核后產生被OFDM使用的ETI幀。最后經過OFDM調制數據基帶數據。

在硬件發射平臺AV1443上對基帶數據處理相對簡單，在任意波工作模式下，對經過OFDM調制輸出的I/Q數據調制到相對應的頻率點，設置發射功率和設置時鐘頻率2.048 MHz，打開射頻開關發射，完成發射。

2 軟件結構

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音頻采樣經過子帶濾波器和比例因子計算處理獲得子帶采樣值，經過FFT分析計算掩蔽門限獲得心理聲學模型，根據掩蔽門限產生量化控制數據。在量化控制數據下將子帶采樣數據通過量化與編碼模塊產生編碼符號集合。音頻幀將前面模塊輸出的音頻比特流和相關信息合成。相關信息主要包含幀頭信息、CRC校驗字和其他節目相關信息（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，音頻幀對應的音頻持續時間24 ms，并符合GB/T 17191.3層Ⅱ格式。24 kHz的采樣頻率，音頻幀對應音頻持續時間48 ms，須符合GB/T 17975.3層Ⅱ LSF格式[3，7]。根據圖2DAB信源編碼軟件結構圖如圖3所示。

2.2 信道編碼

DAB系統信道編碼主要是為了提高數據傳輸的可靠性，因為經過信源編碼的數據會出現連續的0或者1，不利于數據傳輸。為了保證數據傳輸的可靠性，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則建立聯系，在接收端根據這些關系來發現并矯正可能出現的誤碼。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（EEP和UEP）。EEP既能用于音頻也能用于數據[8?9]。UEP主要用于音頻，數據部分使用較少，根據信道編碼原理，信道軟件結構圖如圖4所示。

2.3 OFDM調制

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

根據OFDM的帶寬傳輸和抗多徑干擾的優點，DAB選擇OFDM調制方式為經過傳輸幀數據提供良好的數據傳輸機制。OFDM的調制解調通過離散傅里葉逆變換（IDFT）和離散傅里葉變換（DFT）實現[10]。DAB以傳輸幀完成數據傳輸。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，因此由多載波復用后的OFDM信號生成成為關鍵[11]。主信號生成的數學表達式[1]為：

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

DAB有四種傳輸模式，相關參數如表2所示。

DAB的OFDM調制結構如圖6所示。

3 DAB硬件發射

3.1 AV1443矢量信號發生器

AV1443為中國電科四十一所推出的高性能系列矢量信號發生器，在250 kHz～44 GHz的頻率范圍內具備優異的矢量調制性能。基帶信號發生器具有設置簡單、性能靈活、調制格式多等特點，適用范圍廣，例如通信、導航設備、航空航天等。AV1443結構如圖7所示。

圖7中應用程序主要為圖形化交互程序，如圖形交互AV1443發射應用程序；USB接口為接入U盤鍵盤鼠標等接口；RF模塊，發射模式下AV1443生成的基帶經過RF模塊高速D/A轉換通過射頻天線發射出去；接收模式下射頻天線接收信號通過高速A/D轉換為基帶數據送給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發射

數字音頻廣播發射步驟如下：軟件部分，將音頻數據源進行壓縮編碼，在傳輸幀復用器中生成發射矢量信號，經OFDM調制輸出基帶I/Q數據；AV1443部分，打開AV1443矢量信號發生器軟件，在圖形界面數字調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數據；設置中心頻率，216.928 MHz（頻段Ⅲ作為數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11信道的A頻率點），時鐘頻率為2.048 MHz和發射功率為0 dB，打開射頻開關通過天線發射出去。DAB發射系統實物如圖8所示。

在圖8中，收音機對矢量信號發生器發射的DAB進行解調并在LCD顯示屏上顯示相關業務信息，通過收音機INFO按鍵改變在LCD顯示屏的顯示信息。如圖8b）所示，顯示的DAB的業務信息包括節目名稱信息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收音機在收到音頻重現方面表現出色。在降低發射功率人為制造干擾的情況下，出現接收信號不穩定，對掉幀的數據不做處理，因此只是出現靜音，沒有出現接收FM廣播時的噪聲。DAB的接收端在抗干擾方面表現出優越性能。

4 結 論

本文利用AV1443硬件平臺設計實現數字音頻廣播的發射系統。以AV1443為平臺的DAB發射系統有著很大的擴展性，不僅可以發射DAB而且可以發射DAB的下一代DAB Plus。主要借助于DAB Plus系統在整體的框架上與DAB系統區別不大，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的標準，該標準在低碼率時音頻表現的更為出色。與安捷倫信號發生器（N5182A）相比，AV1443在音頻廣播發射有很大優勢，可以發射DAB/DAB+兩種模式，而N5182A只能發射DAB一種模式；應用操作方面也比AV1443相對麻煩。以AV1443為平臺的DAB發射系統表現出良好的擴展能力，表明了國產高端無線矢量信號發生器的研發有了很大進展，其性能已和國際主流產品相當，可以替代進口產品，廣泛應用于軍事和民用領域，具有很高的社會及經濟價值。

注：本文通訊作者為彭虎。

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