基于軟件無線電技術(shù)的DRM網(wǎng)絡(luò)化收測系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)

張軒

(國家廣播電視總局無線電臺管理局，北京100045)

1 引言

DRM(Digital Radio Mondiale)數(shù)字廣播較模擬廣播方式在聲音節(jié)目質(zhì)量、頻譜利用率、內(nèi)容多樣性以及接收穩(wěn)定性等方面都有顯著提升，是傳統(tǒng)廣播提質(zhì)增效的有效手段。近年來，我國廣電相關(guān)部門聯(lián)合科研院所開展了大量的DRM調(diào)幅數(shù)字廣播的研究和試驗測試工作，推動我國調(diào)幅廣播數(shù)字化工作取得了較好較快的發(fā)展。特別是在短波數(shù)字廣播方面，全國范圍內(nèi)已經(jīng)部署了多部大功率短波DRM數(shù)字廣播發(fā)射機，開始了面向國內(nèi)較大范圍的多個頻率的試驗播出。為了科學(xué)評估播出效果，測試人員針對短波廣播傳輸距離遠、覆蓋范圍大的技術(shù)特點，開發(fā)了本文介紹的基于軟件無線電技術(shù)的專用于DRM數(shù)字廣播的網(wǎng)絡(luò)化收測系統(tǒng)。

2 收測系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計和主要功能

該DRM數(shù)字廣播收測系統(tǒng)為了實現(xiàn)較大范圍內(nèi)播出信號的實時收測，采用了分布式信號收測，數(shù)據(jù)實時回傳集中處理的設(shè)計思路。將收測終端部署于收測區(qū)域的多個監(jiān)測點，對信號的各項技術(shù)指標進行測量和記錄，并實時回傳到收測系統(tǒng)服務(wù)器，在服務(wù)器端可以直觀地觀察到各播出頻率在收測區(qū)域內(nèi)的覆蓋質(zhì)量以及大致的場形分布，為不斷優(yōu)化覆蓋效果提供準確直觀的科學(xué)依據(jù)。該系統(tǒng)主要由收測終端和系統(tǒng)服務(wù)器組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 收測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

收測系統(tǒng)主要實現(xiàn)以下功能：

(1)收測終端可以作為收測設(shè)備單機使用，也可以接入網(wǎng)絡(luò)作為整個系統(tǒng)的分布式測試點使用。實現(xiàn)了DRM數(shù)字廣播信號的指標參數(shù)的實時測量，包括信號強度、播出參數(shù)、信噪比、調(diào)制誤碼率、多普勒頻移、同步和解碼狀態(tài)等20多個參數(shù)，并可實時顯示信號頻譜和星座圖，所有測量數(shù)據(jù)定時在本地進行存儲，歷史數(shù)據(jù)可以進行自定義查詢，并能夠以曲線圖的形式實現(xiàn)對一段時間內(nèi)的數(shù)據(jù)的圖形化展示。

(2)收測系統(tǒng)服務(wù)器可以通過網(wǎng)絡(luò)連接若干部收測終端，按照收測計劃遠程操作各終端進行工作，并同時接收各終端回傳的測量數(shù)據(jù)，按照收測點的實際地理坐標，網(wǎng)頁程序在地圖中的相應(yīng)位置展示該點的實時接收狀態(tài)，各點、各頻率、各時間點的收測數(shù)據(jù)存于服務(wù)器數(shù)據(jù)庫，可以用于查詢比對，以分析收測區(qū)域的綜合覆蓋情況。

3 收測終端的設(shè)計和實現(xiàn)

收測終端是保證系統(tǒng)整體技術(shù)性能的關(guān)鍵，經(jīng)過調(diào)研選型，本系統(tǒng)采用WinRadio公司的WR-G33DDC軟件接收機作為信號接收和處理的核心設(shè)備，并在開源軟件Dream的基礎(chǔ)上進行開發(fā)實現(xiàn)DRM信號的解碼、參數(shù)測量、數(shù)據(jù)記錄和回傳等功能。收測終端軟件運行于Linux操作系統(tǒng)Ubuntu下，進一步保證了設(shè)備長時間運行的穩(wěn)定性。

3.1 WR-G33DDC軟件接收機和Dream軟件介紹

WR-G33DDC軟件接收機是WinRadio公司的一款高性能軟件接收機，工作頻率為 9 kHz至 49.995 MHz，通過直接采樣、數(shù)字下變頻以及組件化設(shè)計等方面的優(yōu)化和升級，使得這款接收機在動態(tài)范圍、靈敏度、頻率穩(wěn)定性和調(diào)諧精確度等方面都有非常突出的表現(xiàn)，另外它還可以實現(xiàn)50Mhz帶寬的實時頻譜分析儀以及4Mhz范圍內(nèi)3個頻率的同時接收和解調(diào)，具有較強的射頻信號測量能力，滿足本系統(tǒng)收測功能的技術(shù)需求。圖2為WR-G33DDC軟件接收機。

圖2 WR-G33DDC軟件接收機

Dream[1]是一款基于GNU通用公共許可證的開放源代碼工程，按照DRM信號編解碼規(guī)范，通過軟件算法完成對數(shù)字中頻信號的信號同步、OFDM解碼、信道估計、QAM解調(diào)以及業(yè)務(wù)解碼等主要功能，可以利用各種常見計算機平臺實現(xiàn)DRM數(shù)字廣播信號的實時解調(diào)解碼。

3.2 收測終端硬件實現(xiàn)

收測終端硬件主要由WR-G33DDC接收機和加固型移動工作站組成，WR-G33DDC接收機集成與工作站機箱內(nèi)，通過USB接口連接，為了滿足長時間不間斷的收測需求，在射頻轉(zhuǎn)接、音頻和電源接口以及內(nèi)置電池等方面進行重新設(shè)計，工作站安裝Ubuntu操作系統(tǒng)。圖3為收測終端實物圖。

圖3 收測終端實物圖

3.3 收測終端軟件實現(xiàn)

收測終端軟件使用Python語言開發(fā)，主要實現(xiàn)了WR-G33DDC接收機控制、Dream信號輸入、Dream測量數(shù)據(jù)的輸出和展示以及數(shù)據(jù)的存儲和回傳等功能。

WR-G33DDC接收機提供了專用的Linux驅(qū)動和庫文件，可以輕松實現(xiàn)接收機的各項配置和功能調(diào)用。Dream測量數(shù)據(jù)的輸出和展示以及數(shù)據(jù)的存儲和回傳通過Python+MySQL的方式實現(xiàn)?；贒ream開發(fā)收測終端軟件，最關(guān)鍵的是需要梳理Dream軟件的程序結(jié)構(gòu)并明確數(shù)據(jù)流的傳遞路徑[2]。

Dream的信號輸入形式包括兩種，利用聲卡輸入和利用文件輸入。輸入信號格式為立體聲聲音，可以是中頻信號，也可以是復(fù)基帶信號。為了將Winradio接收前端與Dream配合起來完成DRM接收功能，可以利用虛擬聲卡，將Winradio的輸出轉(zhuǎn)為Dream軟件的輸入。但是，這樣實現(xiàn)的接收系統(tǒng)涉及多個軟件，無論是設(shè)計遠程控制接口還是在本地實現(xiàn)人機交互都非常復(fù)雜。因此，通過修改Dream工程，將winradio接收設(shè)備作為Dream的一種新的輸入形式，則可以大大簡化接收軟件，提高接收系統(tǒng)的可靠性。

(1)Dream軟件結(jié)構(gòu)及信息輸入方法

Dream工程是基于C++開發(fā)的，圖形界面利用QT實現(xiàn)。核心信號處理功能實現(xiàn)了DRM信號解調(diào)及解碼的全部功能?；咎幚砹鞒倘鐖D4所示。

圖4 Dream核心解調(diào)運算流程圖

輸入的中頻信號或者基帶信號統(tǒng)一為24kHz頻帶內(nèi)的中頻信號，經(jīng)過載波頻率鎖定，轉(zhuǎn)換為基帶信號后，進入OFDM調(diào)制信號解調(diào)的基本過程。解調(diào)過程中各單元之間通過各內(nèi)存緩沖區(qū)傳遞數(shù)據(jù)，隨著前一單元的緩沖區(qū)緩存足夠多的數(shù)據(jù)來啟動下一個處理單元。

每個處理單元對應(yīng)一個解調(diào)單元類，所有處理單元類派生于同一個基類CModule。Dream中與接收功能相關(guān)的類及他們之間的派生關(guān)系如圖5所示。

圖5 Dream接收過程涉及的類及其派生關(guān)系

圖5中所示各處理單元對應(yīng)的類都是CReceiverModul類的子類。他們之間通過一個或多個環(huán)形緩沖區(qū)連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳遞。其中，作為接收過程的第一級處理單元，輸入信號部分，采用類CReceiveData實現(xiàn)。

CReceiverModul類作為一個模板，通過函數(shù)重載，支持了不同數(shù)量和不同數(shù)據(jù)類型的輸入輸出緩沖區(qū)作為接口，從而適應(yīng)接收過程中不同功能的處理單元實現(xiàn)。CReceiveData類對應(yīng)的輸入輸出緩沖區(qū)為雙精度類型，數(shù)量各為一個。但是其輸入緩沖區(qū)在內(nèi)部初始化，不與外部其他單元發(fā)生關(guān)系。CReceiveData類輸出緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)來自于成員變量pSound，CSoundInterface對象指針。CSoundInterface實現(xiàn)了不同聲音(DRM信號)接口。

(2)提取Dream軟件核心接收功能

Dream工程除了基本的接收功能外，還通過QT實現(xiàn)了一個窗口展示。這部分功能對于遠程收側(cè)來講，是不必要的。所以，我們將核心的接收功能提取出來，單獨組成一個核心接收機工程。

這個工程包括了CDRMReceiver類的全部實現(xiàn)，另外還包括有接收機配置及狀態(tài)記錄的CParameter類。CDRMReceiver的成員函數(shù)start()實現(xiàn)了接收機的一般工作過程，因此，簡單的測試可以通過實例化CDRMReceiver類，并調(diào)用其start()函數(shù)即可進入持續(xù)解調(diào)DRM信號過程。

(3)增加內(nèi)存數(shù)據(jù)輸入形式

為了方便核心接收機靈活地連接各種接收前端，我們在CReceiveData類中增加了一個聲音輸入類型接口，這個接口可以不斷獲取內(nèi)存中的某個指定的緩沖區(qū)，作為CReceiveData類的輸出數(shù)據(jù)。

為此我們從CSoundInterface類派生出一個CBufIn子類。與其他輸入聲音接口子類不同，該子類需要將輸出緩沖區(qū)提供出來，以方便外部設(shè)備將數(shù)據(jù)寫入。為了保證接收前端和DRM核心接收機之間數(shù)據(jù)傳輸不會出現(xiàn)錯誤，我們將CBufIn子類設(shè)置成阻塞式，即外部設(shè)備在寫入該緩沖區(qū)時，如果遇到緩沖區(qū)上溢，則立刻返回錯誤信息。

(4)人機交互接口的考慮

核心接收機隨著輸入信號質(zhì)量的變化而處于不同的接收狀態(tài)，Dream通過圖形界面提供了接收信號的同步情況，各種測量值的變化情況，并可以根據(jù)用戶的選擇對復(fù)用的不同業(yè)務(wù)進行選擇接收。所有的這些信息在CParameter類中都有對應(yīng)的信息存儲。因此，在取消QT圖形界面后，核心接收機的設(shè)置和接收情況信息獲取并不會產(chǎn)生問題。但是CParamter類對象在核心接收機中是CDRMReceiver類的一個成員，因此，需要將讀取狀態(tài)和設(shè)置接收機在CDRMReceiver類中通過增加成員函數(shù)實現(xiàn)。圖6為最終的收測終端軟件界面。

圖6 收測終端軟件界面

4 系統(tǒng)服務(wù)器端的設(shè)計和實現(xiàn)

系統(tǒng)服務(wù)器主要實現(xiàn)對收測終端的指令下達以及終端回傳數(shù)據(jù)的收集、處理和展示等功能。服務(wù)端功能由Java語言和Spring框架開發(fā)完成，主要由收測終端服務(wù)接口和實時監(jiān)測兩部分組成。

收測終端服務(wù)接口是一組HTTP服務(wù)接口，用于接收收測終端報送的數(shù)據(jù)。服務(wù)器和收測終端的通訊都是由收測終端主動發(fā)起，收測終端定時通過HTTP協(xié)議調(diào)用服務(wù)接口進行報活和上報各項收測指標數(shù)據(jù)，同時服務(wù)器在應(yīng)答中下達收測頻率、接收模式、計劃任務(wù)等基本控制指令。收測終端報送的所有數(shù)據(jù)都存儲在MYSQL數(shù)據(jù)庫中，以便進一步進行數(shù)據(jù)的分析、處理和展示。實時監(jiān)測是一個管理和監(jiān)測控制臺，該控制臺能實時顯示所有是收測終端的報活狀態(tài)和報送的最新數(shù)據(jù)，并能給指定的收測終端下達控制指令。實時監(jiān)測控制臺是一個網(wǎng)頁程序，用HTML、JS和CSS開發(fā)完成，使用Websocket技術(shù)與服務(wù)器實時通訊。圖7為系統(tǒng)服務(wù)器端的程序界面。

圖7 系統(tǒng)服務(wù)器界面

5 結(jié)束語

數(shù)字廣播信號的特性和指標與模擬信號有著較大差別，為了達到理想的覆蓋效果，需要積累大量的實際收測數(shù)據(jù)，為發(fā)射系統(tǒng)改進、頻率方案優(yōu)化以及覆蓋網(wǎng)絡(luò)設(shè)計等工作提供全面科學(xué)的依據(jù)。本系統(tǒng)就是為了滿足收測工作的實際需要而集成開發(fā)的，基于軟件無線電技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)化的設(shè)計，使系統(tǒng)具有極強的靈活性、兼容性和可擴展性，能夠根據(jù)需要不斷增加收測終端以擴大收測范圍，通過定制開發(fā)還可兼容其他各類數(shù)字接收設(shè)備，可以逐步應(yīng)用于DRM短波數(shù)字廣播的大范圍收測工作中，為短波數(shù)字化工作的快速發(fā)展提供有力的技術(shù)支撐。