基于軟件無線電的高清音頻傳輸系統(tǒng)設計

摘 "要： 在5G時代背景下，隨著高清音頻傳輸需求的不斷增長，對于傳輸速率、延遲、穩(wěn)定性等方面提出了更高的要求。為了應對更高的傳輸需求，文中基于軟件無線電技術，使用eLabRadio軟件和eNodeX 10F?DS硬件設備設計實現(xiàn)了一個高清音頻傳輸系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用CVSD編碼、卷積和差分組合信道編碼、BPSK調制等關鍵技術，構建了無硬件仿真、自發(fā)自收和一發(fā)一收三種不同工作模式的音頻傳輸系統(tǒng)。經(jīng)過測試驗證可知：當發(fā)射衰減為10 dB、接收增益為50 dB時，該系統(tǒng)能夠在0～6 m距離內實現(xiàn)高質量、低延遲的音頻文件傳輸，抗干擾能力強；同時固定發(fā)送設備與接收設備之間的距離為2 m、發(fā)送衰減為10 dB，當接收增益為30 dB和在50～60 dB范圍內時，音頻的傳輸效果較好。

關鍵詞： 5G； 高清音頻傳輸； 軟件無線電技術； eLabRadio軟件； eNodeX 10F?DS硬件設備； 抗干擾能力

中圖分類號： TN911?34 " " " " " " " " " " " " " 文獻標識碼： A " " " " " " " " " " " "文章編號： 1004?373X（2024）21?0013?08

Software radio based HD audio transmission system design

PENG Jiansen1， MA Ying1， 2， LIU Zhongcheng3

（1. School of Physics and Electronic Information Engineering， Qinghai Minzu University， Xining 810007， China;

2. National Experimental Teaching Demonstration Center for Communication Engineering， Qinghai Minzu University， Xining 810007， China;

3. Wuhan Easystart Technology Co.， Ltd.， Wuhan 430205， China）

Abstract： With the growing demand for HD audio transmission， higher requirements are put forward for transmission rate， latency and stability in the era of 5G. In this paper， an HD audio transmission system based on software radio technology is designed with software eLabRadio and hardware device eNodeX 10F?DS， so as to meet with higher transmission requirements. In this system， the key technologies such as CVSD （continuously variable slope delta） modulation coding， convolutional and differential combined channel coding， BPSK （binary phase?shift keying） modulation are adopted. In addition， an audio transmission system with three different working modes， including hardware?free emulation， self?transmission and self?reception， and one?transmission and one?reception， are constructed. It can be seen after testing and verification that the designed system can realize high?quality and low?latency audio file transmission within the distance of 0～6 meters when the transmit attenuation is 10 dB and the receiving gain is 50 dB， and has strong anti?interference ability. Meanwhile， when the distance between fixed transmitter and receiving equipment is 2 meters， the transmit attenuation is 10 dB， and the receiving gain is 30 dB or is within the range of 50～60 dB， the transmission effect of audio is better.

Keywords： 5G; high?definition audio transmission; software radio technology; software eLabRadio; hardware device eNodeX 10F?DS; anti?interference ability

0 "引 "言

在當今的5G時代，隨著物聯(lián)網(wǎng)、智能家居、高清音視頻和虛擬現(xiàn)實等技術的迅速發(fā)展，對于高清音頻傳輸?shù)男枨笕找嬖鲩L，同時對于傳輸速率、延遲和穩(wěn)定性等方面提出了更高的要求；傳統(tǒng)的音頻傳輸方式在信號質量、傳輸距離和抗干擾能力等方面存在一定的局限性。

文獻[1]提出了一種利用以太網(wǎng)通信的嵌入式遠程音頻傳輸方案，盡管該方案在傳輸速率和帶寬使用效率方面表現(xiàn)良好，但對于系統(tǒng)的抗干擾性未進行深入測試和探討；在現(xiàn)實應用場景中，信號干擾和網(wǎng)絡條件可能會對系統(tǒng)性能造成影響。文獻[2]展示了利用LED可見光建立無線通信鏈路以實現(xiàn)音頻信號的傳輸，這一方法因其環(huán)保性、低能耗和卓越的抗干擾能力而備受贊譽；然而，該方法在傳輸距離和速度方面存在一定的局限性。

軟件無線電（Software Defined Radio， SDR）技術作為一種新興的無線通信技術，為高清音頻傳輸提供了一種新的解決方案。SDR技術通過軟件模擬硬件功能，從而讓通信設備不受硬件進化的限制，其核心理念是將A/D轉換盡可能地放置在天線附近，并用數(shù)字信號處理軟件替代傳統(tǒng)的模擬處理過程[3]。通過這種方式，空中的模擬信號被無線電收發(fā)器快速轉換為數(shù)字數(shù)據(jù)，然后通過處理器中的軟件進行深入處理，并最終發(fā)送到后端設備。本文將介紹一種基于軟件無線電的高清音頻傳輸系統(tǒng)設計方法，旨在實現(xiàn)高質量、高速率和抗干擾的音頻傳輸。

1 "系統(tǒng)總體方案設計

本系統(tǒng)采用由武漢凌特電子技術有限公司自主研發(fā)的軟件無線電平臺進行設計，如圖1所示。該平臺由軟件無線電創(chuàng)新開發(fā)平臺eNodeX 10F?DS硬件設備（簡稱10F?DS設備）和eLabRadio通信系統(tǒng)設計軟件（簡稱eLabRadio軟件）兩部分構成，硬件平臺和軟件系統(tǒng)均采用標準接口，可以便捷對接其他通用軟件和SDR硬件平臺。

1.1 "eNodeX 10F?DS硬件設備

10F?DS設備采用鋁合金便攜式設計外觀，內部搭載AD9363射頻前端和Xilinx ZYNQ?7010基帶處理單元，功能框圖如圖2所示。

整個硬件設備分為如下部分。

1） RF射頻前端[4]：集成了12位分辨率的數(shù)字模擬轉換器（DAC）和模擬數(shù)字轉換器（ADC），并配備了1個發(fā)射通道和1個接收通道，其射頻工作頻率區(qū)間為70 MHz～3 GHz，且能夠調整的最大通道帶寬達20 MHz。

2） A/D和D/A高速轉換。

3） 信號處理單元。

4） FPGA基帶處理單元：采用Xilinx的可編程片上系統(tǒng)架構（AP SoC）融合了雙核Cortex?A9 ARM處理器與Xilinx ZYNQ?7010FPGA[5]，同時，基帶處理單元配備了多樣的外設接口，支持全面的系統(tǒng)設計，包括集成內存、音頻輸入/輸出、雙向USB、以太網(wǎng)接口以及SD卡槽等功能。

5） 電源適配器：用于連接220 V交流電并轉換為直流為設備供電。

6） LTE膠棒天線：用于LTE頻段的無線接收、SMA接口、公頭。

7） 拉桿天線：用于FM頻段的收發(fā)天線、SMA接口、公頭。

8） USB 2.0?typeC數(shù)據(jù)線：用于eLabRadio軟件與 10F?DS設備（USB接口）間的數(shù)據(jù)傳輸。

1.2 "eLabRadio通信系統(tǒng)軟件設計

eLabRadio軟件采用圖形化交互界面，系統(tǒng)界面如圖3所示，包含100多個算法知識顆粒，支持軟硬件協(xié)同搭建多種有線、無線通信系統(tǒng)。

eLabRadio通信系統(tǒng)主要的功能模塊如下。

1） 硬件接口模塊：可選擇多種類型的接口模塊，本文系統(tǒng)使用的是基于Pluto驅動的射頻發(fā)送和接收模塊，模塊采用IQ方式進行上下變頻[6]，支持基于USB接口。采用Pluto驅動的軟件無線電設備：eNodeX10F系列硬件設備、ADI公司的ADALM?PLUTO設備[7]。

2） 虛擬儀器儀表：含有示波器、誤碼分析儀和頻譜分析儀三種儀器，可在仿真設計過程中對波形和頻譜等進行觀測。

3） 信源編譯碼：包含PCM和CVSD兩種類型。

4） 信道編譯碼：含有漢明編譯碼、差分編譯碼和卷積編譯碼等模塊。

5） 調制解調：包含模擬調制解調、二進制調制解調和多進制調制解調三類。

6） 濾波器：可選擇多種類型的濾波器，例如低通濾波、帶通濾波、高通濾波、抽取濾波和插值濾波等。

7） 設計開發(fā)模塊：可自行編寫代碼二次開發(fā)功能模塊，可以對已有功能模塊編程替換，如果已有模塊不能滿足設計需求，也可以通過編程實現(xiàn)軟件中未提供的功能，并且支持Matlab、C++、Python三種環(huán)境的開發(fā)。

除了上述主要的功能模塊之外，eLabRadio軟件還有信源信宿、基帶傳輸編譯碼、同步、類型轉換、信道模擬和DSP模塊。通過對各種模塊的靈活使用和搭配，可以很方便地搭建并實現(xiàn)本文的仿真設計方案。

1.3 "系統(tǒng)原理概述

1.3.1 "CVSD編碼

連續(xù)可變斜率增強調制[8]（Continuously Variable Slope Delta， CVSD）編碼方式是一種適用于不同信道傳輸特性的語音編碼。CVSD采用Delta調制原理，依據(jù)模擬信號的變化率決定量化間隔大小，從而實現(xiàn)采樣和編碼。具體的編碼過程為：首先將模擬信號分成一系列等長時間窗口，對每一個窗口進行采樣，比較不同采樣點之間的變化率；然后根據(jù)變化率選定適當?shù)牧炕介L，將變化量量化為二進制的1或0；最后按照1和0的情況，用+1和-1的斜率進行編碼，得到二進制碼流[9]。

1.3.2 "卷積編碼

卷積碼[10]是由P.Elias提出的一種糾錯編碼，廣泛用于碼分多址（CDMA）、數(shù)字音頻廣播（DAB）和數(shù)字視頻廣播（DVB）等數(shù)字通信中。卷積碼的參數(shù)指標可以用（[n，k，N]）表示，[n]為碼長，[k]為信息位，[N]為約束長度，如圖4所示為（2，1，3）卷積方式的編碼框圖。

卷積碼具有前向糾錯能力強、編譯碼速度快、時延較小等特點[11]。約束長度越長，編碼時前后碼元的相關性越大，糾錯能力也越強，但同時在編碼和譯碼時的計算量也越大，對計算機的性能要求也越高。

1.3.3 "差分編碼

差分編碼[12]是用相鄰碼元的跳變和不跳變來表示消息代碼，與碼元本身的電位或極性無關。差分編碼用于克服傳輸信號隨機反相，例如BPSK調制解調系統(tǒng)會出現(xiàn)相位模糊的問題，造成譯碼結果與原始數(shù)據(jù)反相的問題，可以用差分編碼解決該問題。此外，差分編碼對信號的幅度變化不敏感，更適用于抗噪聲和干擾的傳輸環(huán)境。

1.3.4 "BPSK調制

二進制相移鍵控[13]（Binary Phase?Shift Keying， BPSK）是一種通過改變載波信號的相位來傳輸數(shù)字信息的調制技術。在BPSK中，只有兩種不同的相位被用來表示二進制數(shù)據(jù)，通常這兩種相位相差180°，二進制相移鍵控使用載波的0°相位代表數(shù)字0，載波的180°相位代表數(shù)字1。

2 "系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

2.1 "無硬件仿真方案設計

無硬件仿真系統(tǒng)框圖如圖5所示，在eLabRadio軟件中選擇數(shù)據(jù)讀取模塊作為信源，可以加載指定的本地音頻文件進行傳輸；選擇CVSD編碼作為信源編碼方式，同時采用卷積編碼和差分編碼的組合信道編碼策略；在調制端使用BPSK對信號進行調制，此外，還插入了調制方式為QPSK的導頻序列，使得接收機根據(jù)導頻符號進行頻偏估計與補償、相位估計與補償以及幀同步等處理。

由于在發(fā)送端插入了QPSK導頻，信號經(jīng)信道傳輸后，在發(fā)射端先用QPSK載波恢復模塊消除頻差和相差；消除頻差和相差后，對信號進行BPSK解調，然后相應地分別進行信道譯碼和信源譯碼；最后，在eLabRadio軟件中選擇音頻播放模塊作為信宿。通過上述步驟，從發(fā)送端發(fā)出的音頻文件在接收端就可以通過音頻播放模塊播放出來。

本次選用的音頻文件由信標信號加音樂文件組成，詳細的文件參數(shù)如表1所示。

圖6為無硬件仿真方案的拓撲圖，通過在eLabRadio軟件中拖動對應的模塊并連線搭建好系統(tǒng)。由于音頻文件數(shù)據(jù)類型為short型，在進行數(shù)據(jù)讀取時，需要添加類型轉換模塊將short型轉換為float型，這樣才能在接收端正常播放出音樂。此外，在仿真方案設計時，使用IQ上變頻和IQ下變頻兩個模塊來分別代替發(fā)送模塊和接收模塊。

在eLabRadio軟件中，系統(tǒng)鏈路搭建好之后，首先對整個鏈路進行速率匹配。這個步驟可以通過在發(fā)射端添加插值濾波器和調整模塊參數(shù)設置來實現(xiàn)，添加CIC插值濾波器，對調制映射和插入導頻信號后的I、Q兩路信號同時進行插值處理，可做到對調制映射后的結果進行速率匹配；通過調整各模塊的詳細參數(shù)，對整個仿真鏈路綜合進行考慮，實現(xiàn)各模塊前后的速率匹配。

在進行速率匹配過程中需手動設置的參數(shù)如表2所示，其余參數(shù)均為默認值。

2.2 "自發(fā)自收系統(tǒng)設計

自發(fā)自收系統(tǒng)是在無硬件仿真方案上進行部分模塊的修改，同時使用了1臺10F?DS硬件設備來實現(xiàn)單機的發(fā)送與接收，系統(tǒng)拓撲圖如圖7所示。

自發(fā)自收系統(tǒng)具體的模塊修改如下：

1） 將IQ上變頻模塊替換為實數(shù)轉復數(shù)和eNodeX10F無線發(fā)送兩個模塊。

2） 將IQ下變頻模塊替換為eNodeX 10F無線接收和復數(shù)轉實數(shù)兩個模塊。

模塊修改后，需要重新對整個系統(tǒng)進行速率匹配和參數(shù)調整。具體來說，插值濾波模塊前的所有模塊參數(shù)均不用修改，其余修改的模塊參數(shù)如表3所示。

各項參數(shù)調整好之后，10F?DS設備的收發(fā)天線接口RX2、TX2分別接上膠棒天線并通上電源，然后將硬件設備與電腦通過USB?typeC數(shù)據(jù)傳輸線連接，連接圖如圖8所示。在此步驟之前電腦已經(jīng)安裝好軟件無線電硬件設備驅動程序，以確保硬件設備與eLabRadio軟件的正常對接。

2.3 "一發(fā)一收系統(tǒng)設計

一發(fā)一收系統(tǒng)采用的方案與自發(fā)自收系統(tǒng)完全一致，除了發(fā)送設備的發(fā)送頻率和接收設備的接收頻率要根據(jù)具體情況微調之外，所有模塊和參數(shù)設置均不用重新更改。主要的不同之處在于將發(fā)送端和接收端的功能在兩臺不同的電腦上實現(xiàn)，同時使用兩臺10F?DS設備分別來發(fā)送和接收，系統(tǒng)框圖如圖9所示。

圖10為一發(fā)一收系統(tǒng)的連接圖，將一根膠棒天線連接到發(fā)送設備的TX2，另一根膠棒天線連接到接收設備的RX2；同時兩臺10F?DS設備通過USB線分別與電腦1、電腦2相連。接通電源后，在電腦1上選擇的音頻文件經(jīng)系統(tǒng)傳輸后就能夠在電腦2上實時播放出來。

3 "測試與分析

對系統(tǒng)的測試主要有：無硬件仿真方案測試、自發(fā)自收系統(tǒng)測試、一發(fā)一收系統(tǒng)測試。

3.1 "無硬件仿真方案測試

使用示波器分別觀察發(fā)送端和接收端波形，如圖11所示。發(fā)送端信號波形為正弦波，接收端恢復出來的波形也是正弦波。

圖12為使用示波器分別觀察到的BPSK調制前和解調后的信號波形。調制前的信號是一個矩形脈沖序列，解調后的波形仍為矩形脈沖序列。使用示波器觀察調制后的星座圖，如圖13所示。

圖14為使用頻譜分析儀分別觀察發(fā)送端和接收端的頻譜，發(fā)送的音頻文件頻譜能量集中于5 kHz，接收到的信號頻譜能量也集中于5 kHz。

3.2 "自發(fā)自收系統(tǒng)測試

用示波器分別觀察發(fā)送端和接收端的信號波形，如圖15所示。與無硬件仿真方案結果類似，和發(fā)送端波形進行對比，接收端能夠正?；謴统稣也ㄐ?。

圖16為用示波器分別觀察調制前和解調后的信號波形，與無硬件仿真方案結果相同，調制前為矩形脈沖序列，解調后仍為矩形脈沖序列。同樣，使用示波器觀察調制后的星座圖，結果也與無硬件仿真方案一致，如圖17所示。

3.3 "一發(fā)一收系統(tǒng)測試

固定發(fā)送設備的發(fā)射衰減為10 dB，接收設備的接收增益為50 dB，發(fā)送設備的位置不變，移動接收設備的位置，測試在不同距離時的音頻傳輸效果，測試結果如表4所示。隨著發(fā)送設備與接收設備之間的距離變遠，音頻的傳輸效果逐漸變差。當距離在0～6 m的范圍內，音頻的傳輸效果最好，距離繼續(xù)增加時，出現(xiàn)了較小的噪聲，傳輸效果變差。

將發(fā)送設備和接收設備之間的距離固定為2 m，發(fā)射衰減設置為10 dB，測試不同接收增益時的傳輸效果，測試結果如表5所示。

當接收增益在50～60 dB的范圍內，傳輸時沒有噪聲出現(xiàn)，傳輸?shù)男Ч詈茫S著接收增益的減小，逐漸出現(xiàn)了噪聲。特別地，在接收增益為30 dB時，沒有出現(xiàn)噪聲，傳輸效果也很好。

如表6所示，為了評估系統(tǒng)延時，對音頻傳輸?shù)膶崟r性進行測量，測量整個文件的傳輸時間。首先對無硬件仿真方案進行測試，該方案只是對整個無線通信系統(tǒng)進行仿真設計，沒有涉及到硬件設備，因此整個方案并不存在延時；然后測試一發(fā)一收系統(tǒng)的文件傳輸時間。與無硬件仿真方案相比，系統(tǒng)存在4.8 s的延時。

4 "結 "語

本文基于軟件無線電思想，采用CVSD編碼、卷積和差分組合信道編碼方式，實現(xiàn)了高質量的音頻傳輸；同時采用BPSK調制方式實現(xiàn)了高速率音頻傳輸；系統(tǒng)具備一定的抗干擾能力，能夠在一定范圍距離內穩(wěn)定傳輸；與現(xiàn)有音頻傳輸相比，增強了系統(tǒng)的抗干擾能力，信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性、有效性和可靠性高，并且具有可擴展能力。

注：本文通訊作者為馬英。

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作者簡介：彭建森（2000—），男，四川宜賓人，碩士研究生，研究方向為軟件無線電。

馬 "英（1978—），女，回族，青海西寧人，碩士研究生，教授，研究方向為信號處理。

劉忠成（1978—），男，湖北宜昌人，碩士研究生，高級工程師，研究方向為軟件無線電、通信信號處理。