高清數字調頻廣播系統物理層的仿真研究

摘要:數字音頻廣播（Digital Audio Broadcasting，簡稱DAB）是一種全數字方式多載波無線傳輸系統。FM IBOC（in-band on-channel，帶內同頻）DAB系統是一種數字音頻廣播解決方案。IBOC DAB系統的三個底部協議層：傳輸層、數據鏈路層、物理層各層之間數據音頻的傳輸過程。音頻和數據信號從數據鏈路層通過服務接入點接口進人物理層，依次經過加擾、信道編碼、交織后經OFDM子載波映射后，最終將生成的OFDM信號通過發射子系統傳輸出去。本文將對物理層上的各個部分進行分析，得出一種基于FM IBOC行業標準的數字仿真方法。本方法采用的實驗平臺為MATLAB.

關鍵字：IBOC FM 高清數字廣播 物理層 加擾 信道編碼 交織 OFDM子載波映射

中圖分類號：TN911.6

一、簡介

數字音頻廣播（Digital Audio Broadcasting，簡稱DAB）是一種全數字方式多載波無線傳輸系統。比起模擬制式廣播，其優勢是顯而易見的：具有很強的抗多徑干擾能力，糾錯能力強，可保證高速移動狀態下的接收質量；能提供類CD音質；發射功率小、覆蓋范圍廣，大大提高了頻譜利用率；還可附加傳送音頻業務以外的各種數據業務，例如廣播電文、靜止畫面等，甚至可以對移動的TV接收機傳送電視節目。

目前，國際上已經形成標準的地面數字音頻廣播(DAB-T，30MHz以上頻段)，主要有歐洲的Eureka-l47 DAB和美國的IBOC DAB兩種。IBOC DAB是由美國研究的“帶內同頻(IBOC，In-Band On-Channel)”數字聲音廣播系統，他與目前所實行的模擬廣播電臺使用相同的載波頻率，并利用頻率分隔和調制方式的不同，實現數字節目和模擬節目的同時播出。因此，他兼容原有的模擬廣播頻率，無需再重新規劃和分配新的頻段，發射塔和天線等都可以得到重新利用，很容易實現模擬到數字的轉變。

二、IBOC系統的物理層

FM IBOC DAB系統物理層各傳輸處理模塊，音頻和數據信號從數據鏈路層通過SAP (service access point)接口進人Layer 1，依次經過加擾、信道編碼、交織、OFDM子載波映射后，最終將生成的OFDM信號通過發射子系統傳輸出去。物理層結構如圖2-1：

1、加擾也稱為能量擴散處理(scramble or energy dispersion)，目的是將各邏輯信道數據進行隨機化處理，使信號頻譜彌散。FM IBOC DAB系統加擾器如圖2-2中所示，傳輸幀數據向量的各個輸入比特與相應的隨機序列進行模2加運算后，所得到的即是加擾傳輸幀（scrambled transfer frame）。模塊中共有十個完全相同的并行加擾器，分別對應十個邏輯信道，系統根據不同的業務模式對邏輯信道的配置情況，相應地選擇其中幾個交擾器。

2、FM IBOC DAB系統對各數據幀采用Tailbiting卷積編碼。與零結尾卷積碼不同，Tailbiting卷積編碼是將每個數據幀的最后M個比特（M為卷積編碼器的移位寄存器個數）初始化移位寄存器，因此，在結束對該數據幀編碼時，編碼器的狀態又會回到原來的初始狀態如圖2-3所示。而零結尾卷積編碼是將編碼寄存器初始化為零，同時在信息序列的結尾添加M個0尾比特，使得編碼結束時寄存器的狀態重新回到狀態0 。

3、下圖是PM IP 在業務模式MP1下輸出的交織矩陣PM該交織矩陣由 個交織塊組成（其他類型的交織矩陣結構類似），每個交織塊是一個32*36的子矩陣，并且在每個IP所輸出的交織矩陣中，邏輯信道將失去其確定性，即每個輸出矩陣中可能由一個或多個邏輯信道組成。像在MP1業務模式下，PM IP的輸出矩陣中就包含1個P1和16個PIDS邏輯信道的數據。這兩個邏輯信道的傳輸幀經過信道編碼，P1邏輯信道的傳輸幀長度由146176bits/frame增加為365440bits/frame（2/5的雙邊帶編碼率），PIDS邏輯信道的傳輸幀的長度由80bits/frame增加為200bits/frame（2/5的雙邊帶編碼率），幀速率不變。將P1邏輯信道的一個傳輸幀向量表示為i={0，1……N-1}，根據交織器I代數公式（見附錄），每一個幀向量元素輸出到特定分區交織塊中的某一行 某一列 ，并將剩余的空缺比特位置留給PIDS邏輯信道幀， PIDS邏輯信道傳輸幀根據交織器Ⅱ代數公式，也將每一個幀向量比特對應輸出到PM矩陣中，經過一個PIDS傳輸幀之后，PM中第一行交織塊被填滿，這時就可以將這行交織塊中的比特數據逐行讀出，用于OFDM子載波映射，等到處理完16個連續的PIDS傳輸幀后，整個PM矩陣被全部填滿，當下一個傳輸幀到來時，整個交織過程又會重新開始。由此可得，P1邏輯信道交織器的交織深度剛好為一個P1傳輸幀周期Tf，PIDS邏輯信道交織器的交織深度為一個PIDS傳輸幀周期Tb。

交織矩陣的每一列交織塊稱為一個分區（partition），（如圖4-8影陰部分所示），是一個B*32行36列的子矩陣。每個分區映射一個頻譜子塊，由于采用QPSK調制，分區中每兩列對應一個數據副載波（一個頻譜子塊有18個數據副載波），交織后的比特數據就能被調制在上下邊帶的各個數據副載波上，實現頻率交織。如圖2-4

Ⅲ、基于物理層的仿真

1、加擾器的設計

根據本原多項式為 ，傳輸幀數據向量的各個輸入比特與相應的隨機序列進行模2加運算后，所得到的即是加擾傳輸幀（scrambled transfer frame）。故將隨機產生 的數據按照多項式進行模二加，只需要一個加法器就能實現。

2、卷積編碼的仿真

對于這兩種卷積編碼方式，從編碼效率上考慮， 零結尾卷積碼會帶來編碼效率的損失，添加在數據幀末尾的M個比特會占用額外的帶寬，比如對于移位寄存器的個數為M，編碼率為R=k/n的卷積編碼器，信息序列長度為N*k，，經過零結尾卷積編碼，由于在信息序列后要添加M個0比特，因此編碼后碼字長度為（M+N）*n， 實際有效編碼率為：

如果數據幀長度相對于編碼寄存器個數較短的時候，編碼率的損失是不可忽略的；而對于tailbiting 卷積碼來說，就不存在編碼率的損失的問題，因為他不需要添加任何的尾比特。以FM IBOC DAB系統中，PIDS信道上的卷積碼為例，PIDS信道加擾傳輸幀的長度為80bit，如果采用（3，1，7）零結尾卷積碼，它的實際有效編碼率為

，編碼效率損失為7%。

從兩者的糾錯能力上考慮，可以比較在相同高斯信道下兩者的誤塊率特性和誤碼率特性。假設碼字集合為C，發送碼字為a，接收到的碼字為b，那么其平均誤塊率可以表示為：

上式中，為發送碼字a的概率；為接收碼字為b的錯誤條件概率。

而卷積碼的重量分布和距離特性，可以由卷積碼的生成函數T（D，L，N）得到。

根據文獻[5]，使用matlab仿真計算，可以得到兩種卷積碼的重量分布，從而得到他們的誤塊率上界。

可以發現，兩種卷積碼的誤塊率特性十分相近，而且隨著信息序列長度的增加，他們的糾錯性能會越來越接近。

因此，Tailbiting卷積碼與零結尾卷積碼相比，在糾錯性能幾乎沒有下降的情況下，可以不用添加零結尾冗余比特，節約帶寬，對于IBOC DAB系統來說，還保證了各邏輯信道間傳輸幀的對齊和同步，不用占用額外的OFDM數據副載波。

所以我們在仿真過程當中使用Tailbiting卷積碼進行仿真設計。

3、交織器仿真過程

交織過程由四種不同類型的交織器來完成，分別記為Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型、Ⅳ型交織器。這幾種交織器都屬于代數交織，即通過某種代數變換算法產生一個關于下標的置換向量，然后根據置換向量對輸入信號進行交織的過程。在NRSC-5標準中，已經給出了四種交織器類型的代數公式，用于對信道編碼比特向量的重新排序。它將邏輯信道的傳輸幀表示成向量的形式，i={0，1……N-1}N為傳輸幀長度的倍數，根據所使用交織器的代數公式（見附錄）計算向量元素i在交織矩陣中的具體映射位置，最后達到交織的目的。

如圖3-3所示，在MP1業務模式下，采用PM IP，具體由Ⅰ型和Ⅱ型交織器來實現交織，輸出交織矩陣PM。

交織器代數公式

符號說明：

J為每個交織矩陣包含的交織分區數

B為每個交織分區包含的交織塊數

C為每個交織塊包含的列數

M為計算交織分區號 的因子

為由交織分區號所組成的向量，用于控制交織矩陣中交織分區的相關順序

b為每個傳輸幀的比特數（交織器Ⅲ、Ⅳ）

I0為計算Ki時用到的下標索引偏移（交織器Ⅱ）

N為交織器輸入序列包含的比特數，可以有多個傳輸幀組成。以I 型交織器為例說明公式計算i所處的交織分區的編號：

總結

本論文的研究工作主要建立在美國NRSC新發布的IBOC FM標準的基礎之上，在對行業標準進行了仔細研究之后，對每個部分有自己的理解和解決方法，故仿真各個部分以用來對實現環節進行比對。是進行高清廣播實現的必備環節。其中本文重點討論了物理層各部分的仿真方法和采用的具體編碼過程。對IBOC FM系統物理層進行了深入的探討和研究。

參考文獻：

[1]Doc. No. SY_IDD_1011s rev. E， “HD Radio#8482; Air Interface Design Description - Layer 1 FM”，iBiquity Digital Corporation， 3/22/05

[2]Doc. No. SY_IDD_1014s rev. F， “HD Radio#8482; Air Interface Design Description – Layer 2 Channel Multiplex Protocol”， iBiquity Digital Corporation， 2/7/05

[3]Doc. No. SY_IDD_1017s rev. E， “HD Radio#8482; Air Interface Design Description – Audio Transport”，iBiquity Digital Corporation，3/31/05

[4]Doc. No. SY_IDD_1020s rev. E， “HD Radio#8482; Air Interface Design Description – Station Information Service Protocol”， iBiquity Digital Corporation， 2/18/05

[5]Doc. No. SY_SSS_1026s rev. D，” HD Radio#8482; FM Transmission System Specifications”， iBiquity Digital Corporation， 2/18/05

[6]王新梅 肖國鎮 著，糾錯碼——原理與方法，西安電子科技大學出版社，1991

[7]Bernard Sklar 著，徐平平 宋鐵成 等譯，數字通信——基礎與應用（第二版），

[8]李棟 著，數字聲音廣播，北京廣播學院出版社，2001.7

[9]車晴 著，電子系統仿真與MATLAB，北京廣播學院出版社，2000.8

[10]William H.Tranter ，K.Sam.Shanmugan著，肖明波 楊光松 等譯，通信系統仿真原理與無線應用，機械工業出版社，2005.6

[11]于云華，帶內同頻道FM數字音頻廣播接收機系統結構設計研究，中國科學院半導體研究所博士學位論文，2004.6

[12]張紹輝，FM IBOC-BBU復用器與信道編碼器的研究、設計與實現，北京廣播學院碩士學位論文，2004.6

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文