OFDM技术在数字音频广播中的应用

数字音频广播技术

摘要:本文主要介绍数字音频广播DAB技术以及OFDM技术在数字音频广播中的应用。对DAB 系统进行了介绍，也给出了基于OFDM形成的DAB信号的格式，DAB的传输方法，发射机和接收机的原理以及DAB的数据广播业务。

关键词：DAB技术，OFDM技术

1 DAB系统的介绍

1.1 DAB系统的特点

数字音频广播，简称DAB(Digital Audio Broadcasting)，是继调幅和调频广播之后的第三代广播，是数字广播系统。这种新的传输系统抗干扰性能好，可以消除传输过程中的噪声和失真的积累，传输中出现的差错可以被修正；数字的传输系统需要的发射功率小，有利于节约能源和降低电磁污染、改善环境保护；数字的传输系统允许同步网运行，提高了频谱利用率易于实现一个频道多套节目和多种业务的广播。这种新的系统是一种多媒体广播系统，它既可以用来传送声音广播节目，又可以传送数据业务、静止和活动图像等；这种系统既可以固定和便携接收，也可以移动接收。总之，DAB是广播技术发展中的一个新的里程碑。DAB 技术已经引起世界各国科技界、广播界、电子工业界的广泛关注和极大兴趣。1.2 DAB系统使用OFDM技术的原因

选择OFDM技术作为数字音频广播的主要原因在于：OFDM技术可以有效地解决多径时延扩展问题。在频谱方面0FDM技术是支持单频网络的，在DAB单频网络中，用户从不同的接收机同时接收相同的信号。由于不同的发射机(R1和R2之间存在传播差异，因此不同的信号之间会存在时延。如下图所示：

图1 接收两个DAB发射机的用户

时延是由距离d1和d2产生的，两个信号以此时延先后到达，对于用户来说，相当于两径的衰落信道，因此只要两个信号之间的传播差异小于OFDM符号的保护间隔，就不会出现ISI和ICI。两个时间移位信号的叠加，使得合成信号处于深度衰落的概率要远远小于一个信号处于深度衰落的概率，因此相当于获得了分集的好处。

1.3 DAB系统的模式

DAB标准包含了4种传输模式(见表1)，每种模式使用了不同组的OFDM参数，其中模式1适用于地面单频网络(SFN)，模式2适用于常规地面本地广播，模式3适用于卫星通信。总的来说，模式1—3适用于特定频段，模式4则可以提供更好的覆盖范围，但较前三者更容易受多普勒频移的影响。

2 DAB的信号格式

2.1 DAB的信号形成

图2为DAB的信号形成框图，其形成过程是：1)音频编码器接收两路音频输入立体声数字采样值，采样频率为48 kHz，且每个采样值包括16 bit，因此每个信道的总速率为768kbit/s。2)音频编码器的输出与伪随机序列进行模2加，实现加扰，其中伪随机序列可以来自9 bit的反馈移位寄存器。加扰的目的是需要考虑采用额外的加密算法。3)卷积编码。首先经过编码速率为1/4、约束长度为7的卷积码进行编码，以增强对抗衰落的能力，然后可以通过打孔，把编码效率提高到8/n，其中n可以为9～32之间的任何整数。4)对编码数据在频域内进行交织，避免深度衰落对一组子载波造成不利影响。5)将多个音频信道复用，并将包含其他数据的信号组合起来。

图2 DAB信号形成框图

2.2 DAB的帧结构

信号以帧为单位进行组织，帧结构如图3所示。帧内可以包含2个同步信号、3

个数字额外消耗信号，然后跟随72个符号的音频复用信号，这样一帧的长度大约为77*1.246us=96ms。第一个同步信号可以是空信号，长度略大于OFDM的信号，可以实现初步的帧对齐。第二个同步信号为固定值，用于提供精确同步，并为信号的差分解调提供参考相位。额外消耗比特携带对信息进行译码所必需的参数。剩余部分为语音或数据的原始信息。

图3 DAB帧结构

未经处理的原始的比特速率为：(72个信号×1536个子载波/信号×2 bit/子载波)/0.096 s=2.3Mbit/s。为了可以获得满意的传输效果，OFDM的信号速率需要大于最大多普勒频移，即OFDM信号周期要小于信道的相干时间。

3 DAB的传输方法——COFDM

3.1 DAB的信道编码调制技术

OFDM 良好地解决了多径环境中的信道选择性衰落, 但对于信道平坦性衰落尚未得到较好的克服, 即各载波的幅度服从瑞利分布的衰落。DAB系统中使用了信道编码的OFDM,称为COFDM。DAB采用了删除型卷积编码的信道编码, 还配合使用时间交织和频率交织技术。DAB系统可同时传输六套高质量的音频信号和一般数据以及控制信息。图4为DAB的COFDM原理框图。

图4 DAB的信道编码和调制框图

DAB 中对输入的数据流进行能量扩展是为了防止后面在OFDM 信号形成时由于信号中( 0, 1) 分布的不均匀而产生太大的过冲。实际上是输入数据流与一伪随机码发生器进行模2加法。该伪随机码发生器的扩展多项式为：

。

3.2 DAB的传输帧结构

DAB 的传输信号以传输帧为基础安排, 在一个传输帧中, 由同步信道、快速

信息信道和主业务信道组成。其帧结构如图5所示。

图5 DAB的传输帧结构

同步信道: 用于传输帧同步时间、相位参考、自动频率控制、信道状态判断和发射机识别。

快速信息信道( FIC):用于接收机快速信息选取,特别用作传递多路复用信息可选择的业务信息及数据业务。FIC是非时间交织, 采用固定误码保护。FIC 由快速信息块FIB构成, 每一个FIB有256bit。

主业务信道( MSC):用来传送音频和数据业务成份,由公共交织帧CIF组成，采用不等误码保护。

4 DAB发射机和接受机原理

4.1 DAB发射机数字基带部分的实现

DAB发射机数字基带部分包括信道编码部分及COFDM调制两部分。其中，信道编码部分包括能量扩散、卷积编码、编码删除和时间交织等环节；COFDM 调制部分包括块划分及COFDM符号形成、DQPSK符号映射、频率交织、差分调制及COFOM调制等环节。发射机基带基带部分结构图如图6所示。

图6 DAB发射机基带部分原理图

4.2 DAB接收机

图7表示的是DAB接收机结构。包括射频输入、A/D转换、OFDM解码、Viterbi 解码和MUSICAM解码器几个模块组成。接收机将首先调谐从天线进入的高频信号并进行A/D变换后，得到数字信号。数字信号经过I/Q变换后得到两路正交的信号，该信号通过信道同步和信道均衡后，送入OFDM基带解调器进行基带解调，然后通