高伟 乔赫元 彭虎
摘 要： 提出一种基于AV1443矢量信号发生器上的数字音频广播（DAB）的软件无线电系统。该系统是将输入的音源数据进行数字编码（MPEG?2），同时将相关的业务信息进行编码，之后通过OFDM生成标准的I/Q基带数据。最后将生成的I/Q数据加载到AV1443矢量信号发生器中，通过任意波的方式发射出去，实现了整个系统的DAB数字广播发射功能。
关键词： AV1443矢量信号发生器； 数字音频广播； OFDM； 任意波； 音源数据； 无线电系统
中图分类号： TN934?34 文献标识码： A 文章编号： 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
目前世界上广泛使用的广播有多种标准，常见的有DAB，DRM，AM和FM等，其中DAB和DRM为数字广播。国家广播电影电视总局在2006年6月推出相应的《30～3 000 MHz地面数字音频广播技术规范》[1]，为国内数字音频广播（Digital Audio Broadcasting，DAB）的发展指明了相对应的标准。DAB可以提供高品质音质，尤其是在低码率的情况下表现更为出色。DAB使用频段Ⅲ和频段L两个频段。频段Ⅲ范围为174～240 MHz，频段L范围从1 452～1 492 MHz。DAB借助于编码技术和正交频分复用技术，可以一次发射携带多套子节目，而且不会相互干扰，因此频谱利用率更高。
与模拟广播相比，数字音频广播音频数据在信源编码部分将原始数据压缩成MP2（MPEG Audio Layer Ⅱ）[2]，有效地提高了传输效率，同时其他业务信息也进行编码，因此可以携带更多的辅助信息，借助于OFDM技术在一个频道内携带多个节目，也使得珍贵的频谱资源得到更有效的利用[3]。在表1中列出了两者之间的区别[4?6]。
可以进行DAB数字音频广播的实验平台主要有通用软件无线电外设USRP，HackRF，安捷伦矢量信号发生器N5182A和矢量信号发生器AV1443等。AV1443矢量信号发生器由中国电子科技集团公司第四十一所研发。AV1443相较于另外几种硬件平台，射频频率范围从250 kHz～44 GHz；功率调节方便，只需在功率选择模式下输入所需功率；支持的发射制式多，如DAB，DAB Plus和FM等，同时内部存储空间大，可以存放大量数据。有利于后续扩展功能，因此本文选择AV1443作为硬件发射平台。
1 系统总体结构
所提出的DAB发射系统主要分为软件部分和AV1443两个部分。图1为DAB发射系统框架图。
DAB发射系统主体为软件部分，主要分为：MUSICAM信源编码、传输帧合成和OFDM调制。其中MUSICAM信源编码部分的主要功能是将输入音频节目源（24 kHz或48 kHz的PCM音频）进行MUSICAM编码，利用掩蔽效应，对掩蔽界限以上的声音信号进行压缩传输，避免对人耳可以识别出来的声音信号进行压缩，从而可以使音频源得到极大的压缩率（同CD音质，只有其1/7的位元）。传输帧合成包含信道编码、时间交织、业务信息编码、合成传输帧等，在信道编码中将信源编码后的数据加入纠错码，在接收端通过纠错码校正可能出现的错误，保证传输的可靠性与有效性。信道编码后经过时间交织在时域出现的连续块差错分开，进一步提高接收端解码的可靠性。在和业务经复核后产生被OFDM使用的ETI帧。最后经过OFDM调制数据基带数据。
在硬件发射平台AV1443上对基带数据处理相对简单，在任意波工作模式下，对经过OFDM调制输出的I/Q数据调制到相对应的频率点，设置发射功率和设置时钟频率2.048 MHz，打开射频开关发射，完成发射。
2 软件结构
2.1 信源编码
DAB在信源编码部分采用MUSICAM压缩方法，即MPEG音频第二层。图2给出信源编码流程框图。
图2中将输入的PCM音频采样经过子带滤波器和比例因子计算处理获得子带采样值，经过FFT分析计算掩蔽门限获得心理声学模型，根据掩蔽门限产生量化控制数据。在量化控制数据下将子带采样数据通过量化与编码模块产生编码符号集合。音频帧将前面模块输出的音频比特流和相关信息合成。相关信息主要包含帧头信息、CRC校验字和其他节目相关信息（PAD）。在输入PCM音频采样，采样值有两种：24 kHz和48 kHz。对于48 kHz的采样频率，音频帧对应的音频持续时间24 ms，并符合GB/T 17191.3层Ⅱ格式。24 kHz的采样频率，音频帧对应音频持续时间48 ms，须符合GB/T 17975.3层Ⅱ LSF格式[3，7]。根据图2DAB信源编码软件结构图如图3所示。
2.2 信道编码
DAB系统信道编码主要是为了提高数据传输的可靠性，因为经过信源编码的数据会出现连续的0或者1，不利于数据传输。为了保证数据传输的可靠性，因此需要在传输过程中添加矫正码元，这些矫正码元与信息码元之间通过规则建立联系，在接收端根据这些关系来发现并矫正可能出现的误码。DAB使用基于删除卷积编码的信道处理，分为均匀与非均匀误码保护（EEP和UEP）。EEP既能用于音频也能用于数据[8?9]。UEP主要用于音频，数据部分使用较少，根据信道编码原理，信道软件结构图如图4所示。
2.3 OFDM调制
OFDM是目前频谱利用率最高的一种通信调制技术，其原理是：将信道分成N个（N为子载波数）正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，再将低速数据调制到子信道上传输。其原理如图5所示。
根据OFDM的带宽传输和抗多径干扰的优点，DAB选择OFDM调制方式为经过传输帧数据提供良好的数据传输机制。OFDM的调制解调通过离散傅里叶逆变换（IDFT）和离散傅里叶变换（DFT）实现[10]。DAB以传输帧完成数据传输。传输帧由OFDM符号组成，而每个OFDM符号都由间隔相等的一系列子载波组成，因此由多载波复用后的OFDM信号生成成为关键[11]。主信号生成的数学表达式[1]为：
式中：L为每个传输帧OFDM的符号数；K为发射的载波；TF为传输帧周期；TNULL零符号持续时间；TS为索引l=1，2，…，L的OFDM符号持续时间；载波间隔的倒数为TU；Δ为保护间隔的持续时间；[Zm，l，k]为在传输m中，第1个OFDM符号的第K个载波关联的D?QPSK符号；[fc]为信号的中心频率。
DAB有四种传输模式，相关参数如表2所示。
DAB的OFDM调制结构如图6所示。
3 DAB硬件发射
3.1 AV1443矢量信号发生器
AV1443为中国电科四十一所推出的高性能系列矢量信号发生器，在250 kHz～44 GHz的频率范围内具备优异的矢量调制性能。基带信号发生器具有设置简单、性能灵活、调制格式多等特点，适用范围广，例如通信、导航设备、航空航天等。AV1443结构如图7所示。
图7中应用程序主要为图形化交互程序，如图形交互AV1443发射应用程序；USB接口为接入U盘键盘鼠标等接口；RF模块，发射模式下AV1443生成的基带经过RF模块高速D/A转换通过射频天线发射出去；接收模式下射频天线接收信号通过高速A/D转换为基带数据送给AV1443处理；I/O接口具有按键功能选择输入、RS 232通信等功能。
3.2 DAB发射
数字音频广播发射步骤如下：软件部分，将音频数据源进行压缩编码，在传输帧复用器中生成发射矢量信号，经OFDM调制输出基带I/Q数据；AV1443部分，打开AV1443矢量信号发生器软件，在图形界面数字调制菜单中的任意波模式，在任意波工作模式下加载软件部分生成的I/Q数据；设置中心频率，216.928 MHz（频段Ⅲ作为数字音频广播的专用频段，被分为多个信道，每个信道带宽7 MHz或者8 MHz，216.928 MHz对应11信道的A频率点），时钟频率为2.048 MHz和发射功率为0 dB，打开射频开关通过天线发射出去。DAB发射系统实物如图8所示。
在图8中，收音机对矢量信号发生器发射的DAB进行解调并在LCD显示屏上显示相关业务信息，通过收音机INFO按键改变在LCD显示屏的显示信息。如图8b）所示，显示的DAB的业务信息包括节目名称信息HFUT DAB、基带I/Q生成时间、比特率为96 kbit/s和文本信息HFU DAB。
DAB收音机在收到音频重现方面表现出色。在降低发射功率人为制造干扰的情况下，出现接收信号不稳定，对掉帧的数据不做处理，因此只是出现静音，没有出现接收FM广播时的噪声。DAB的接收端在抗干扰方面表现出优越性能。
4 结 论
本文利用AV1443硬件平台设计实现数字音频广播的发射系统。以AV1443为平台的DAB发射系统有着很大的扩展性，不仅可以发射DAB而且可以发射DAB的下一代DAB Plus。主要借助于DAB Plus系统在整体的框架上与DAB系统区别不大，作为兼容上一代的DAB Plus只是在信源编码部分使用了压缩率更高的HE?AAC V2的标准，该标准在低码率时音频表现的更为出色。与安捷伦信号发生器（N5182A）相比，AV1443在音频广播发射有很大优势，可以发射DAB/DAB+两种模式，而N5182A只能发射DAB一种模式；应用操作方面也比AV1443相对麻烦。以AV1443为平台的DAB发射系统表现出良好的扩展能力，表明了国产高端无线矢量信号发生器的研发有了很大进展，其性能已和国际主流产品相当，可以替代进口产品，广泛应用于军事和民用领域，具有很高的社会及经济价值。
注：本文通讯作者为彭虎。
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