成功實(shí)現(xiàn)高性能數(shù)字無線電

數(shù)字無線電的演化過程

調(diào)幅(AM)是20世紀(jì)前80年無線電廣播的主要形式，但通道衰落、失真和噪聲導(dǎo)致接收質(zhì)量不佳。隨著調(diào)頻(FM)的引入，這些問題在一定程度上得到了緩解。FM還能提供立體聲傳輸和CD音質(zhì)的音頻，但模擬無線電仍然無法完全消除通道缺陷效應(yīng)和覆蓋區(qū)域有限等問題。2003年間，兩家新創(chuàng)商業(yè)公司XM和Sirius(后合并為SiriusXM™), 在美國推出了基于訂閱的大范圍數(shù)字衛(wèi)星無線電服務(wù)，其盈利模式與付費(fèi)電視頻道類似。大約與此同時(shí)，WorldSpace Radio開始為亞洲和非洲提供衛(wèi)星廣播。

借助“衛(wèi)星數(shù)字音頻無線電服務(wù)”(SDARS)，汽車收音機(jī)聽眾可以在衛(wèi)星覆蓋范圍內(nèi)的任何地方收聽同一無線電臺，只有當(dāng)衛(wèi)星信號被建筑物、樹葉和隧道等遮擋時(shí)才會臨時(shí)中斷。XM衛(wèi)星無線電帶頭通過安裝地面中繼器來克服遮擋問題，中繼器在稠密市區(qū)發(fā)射相同的衛(wèi)星音頻信號，構(gòu)成一個衛(wèi)星與地面廣播結(jié)合的架構(gòu)。

幾乎同時(shí)，傳統(tǒng) 地面廣播公司也繪制了數(shù)字廣播藍(lán)圖，原因有二。第一，他們認(rèn)識到，他們在模擬道路上很快就要走到盡頭，因?yàn)槿澜缍荚谙蚋哔|(zhì)量的數(shù)字跑道遷移.第二，頻譜資源越來越稀少，要在相同帶寬內(nèi)傳輸更多內(nèi)容，只有通過數(shù)字化和壓縮新舊內(nèi)容，打包后進(jìn)行廣播。因此，全世界都已開始從模擬無線電轉(zhuǎn)向數(shù)字無線電。這些無線電廣播技術(shù)具有接收更清晰、覆蓋區(qū)域更廣的優(yōu)勢，能夠在可用模擬無線電通道的現(xiàn)有帶寬內(nèi)傳輸更多內(nèi)容和信息，而且用戶可以更靈活地控制要獲取和收聽的節(jié)目素材(圖1)。

圖1. 匯聚處理器上的數(shù)字無線電

數(shù)字無線電發(fā)展示例：印度

地面廣播有兩種開放標(biāo)準(zhǔn)——數(shù)字多媒體廣播(DMB)和通用數(shù)字無線電™ (DRM)，以及一種專有標(biāo)準(zhǔn)HD Radio™(由iBiquity開發(fā)，是唯一經(jīng)過FCC批準(zhǔn)用于美國AM/FM音頻廣播的標(biāo)準(zhǔn)),DMB指定了數(shù)字音頻廣播的多種格式，包括DAB、DAB+和T-DMB，采用VHF頻段III和L頻段。DRM采用DRM30，工作頻率范圍是150 kHz到30 MHz;DRM+則采用VHF頻段I、II和III。

VHF頻段的有用傳播基本上局限于很小地理區(qū)域內(nèi)的視線范圍。而短波傳播則可在電離層中多次反射，從而到達(dá)世界上幾乎任何地方。對于人口密集且地理范圍較小的國家/地區(qū)，采用VHF頻段III和L頻段傳輸DMB非常有效。對于面積廣袤的國家/地區(qū)，中短波傳輸能夠實(shí)現(xiàn)有效的覆蓋。因此，在試用DAB和DRM幾年之后，印度政府決定采用DRM。

2007年間，印度國家廣播電臺(AIR)、亞太廣播聯(lián)盟(ABU)和DRM聯(lián)合體在新德里進(jìn)行了DRM的第一次現(xiàn)場試驗(yàn)。試驗(yàn)為期三天，當(dāng)時(shí)采用了三個發(fā)射器，并測量了各種參數(shù)。除了新德里的這些試驗(yàn)以外，AIR還進(jìn)行了長距離測量。結(jié)果表明，DRM憑借有限數(shù)量的發(fā)射器就能服務(wù)更多人口，優(yōu)勢明顯。此外，日益提高的節(jié)能要求將功耗考慮提高到極其重要的地位。DRM的電源效率高出50%，對于支持生態(tài)平衡和讓地球更環(huán)保而言至關(guān)重要。

數(shù)字無線電接收機(jī)和DSP

物理世界是模擬的, 但科學(xué)家和工程師們發(fā)現(xiàn)，在數(shù)字域中更容易進(jìn)行大量計(jì)算和符號操作。采樣理論、信號處理技術(shù)和各種數(shù)據(jù) 轉(zhuǎn)換器的出現(xiàn), 使工程師們得以輕松順利地利用模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)和帶可編程內(nèi)核的數(shù)字信號處理器來設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)和測試復(fù)雜的數(shù)字信號處理(DSP)系統(tǒng)。

強(qiáng)大高效DSP的發(fā)展以及信息和通信理論的進(jìn)步，促成了媒體技術(shù)與通信的融合。數(shù)字無線電的出現(xiàn)歸功于這些技術(shù)進(jìn)步。

數(shù)字無線電接收機(jī)最初是作為實(shí)驗(yàn)室原型而設(shè)計(jì)的，然后投入試生產(chǎn)。像大多數(shù)技術(shù)一樣，第一代產(chǎn)品一般是利用分立器件組裝而成。隨著市場規(guī)模和競爭水平的提高，制造商發(fā)現(xiàn)，通過降低成品價(jià)格可以進(jìn)一步擴(kuò)大市場。更高出貨量的前景吸引半導(dǎo)體制造商投入資金，努力集成更多分立器件以降低成本。隨著時(shí)間推移，不斷縮小的芯片尺寸導(dǎo)致成本進(jìn)一步降低，同時(shí)產(chǎn)品功能愈加完善。許多產(chǎn)品都有過這樣的持續(xù)演進(jìn)過程，包括FM收音機(jī)和手機(jī)。

數(shù)字無線電中的信號處理

典型的數(shù)字通信系統(tǒng)(圖2)先將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，再進(jìn)行壓縮，并添加糾錯碼，然后將多個信號打包以最大限度地利用通道容量。要傳輸RF信號(它存在于“實(shí)際”的模擬能量世界)，須將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號并調(diào)制到載波頻率上。接收機(jī)端發(fā)生的過程剛好相反，首先是解調(diào)載波頻率。然后，將信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，檢查有無錯誤并解壓縮?；鶐б纛l信號轉(zhuǎn)換為模擬信號，最終產(chǎn)生聲音。

圖2. 數(shù)字無線電的軟件架構(gòu)

數(shù)字無線電接收機(jī)中的信號處理算法可以分為以下幾類：

通道解碼

信源解碼

音頻后處理

中間件

用戶接口(MMI)

在數(shù)字無線電中， 通源編碼 和 通道編碼 分別可以映射到高效音頻編解碼器 和 錯誤控制系統(tǒng)組件。實(shí)際上，如果編解碼器采用容錯設(shè)計(jì)，則可以更好地執(zhí)行錯誤控制。

理想的通道編碼器應(yīng)能從傳輸錯誤中恢復(fù)。理想的通源編碼器應(yīng)能將消息壓縮到最高信息含量(香農(nóng)熵)，但如果輸入流包含錯誤，高度壓縮的消息將導(dǎo)致非常高的音頻失真。因此，高效的源編碼還應(yīng)確保解碼器能夠檢測流中的錯誤并隱藏其影響，使得整體音質(zhì)不降低。

DRM采用了通源編碼和通道編碼的相關(guān)技術(shù)創(chuàng)新，從而提供更好的音頻體驗(yàn)。所選的DRM音頻通源編碼算法可確保：

高效的音頻編碼——以更低的比特率實(shí)現(xiàn)更高的音質(zhì)

更好的容錯性—在存在傳輸錯誤時(shí)降低音頻質(zhì)量以保證傳輸

高效音頻源編碼

活動圖像專家組(MPEG)技術(shù)可以說是學(xué)術(shù)界、工業(yè)界和技術(shù)論壇有效合作的渠道與框架。在音頻領(lǐng)域，這種合作結(jié)出了碩果，例如分別用于廣播和存儲/分發(fā)的MPEG Layer II、MP3和AAC(高級音頻編碼)等，鼓勵著工業(yè)界實(shí)施進(jìn)一步的研發(fā)計(jì)劃。雖然MP3仍是網(wǎng)絡(luò)分發(fā)和存儲應(yīng)用最受歡迎的“非官方”格式，但AAC的授權(quán)規(guī)范更簡單，外加蘋果公司決定采用AAC作為iPod的媒體格式，使得AAC更受業(yè)界關(guān)注。