数字广播(DAB/DMB)接收系统

2002-8-15 /中国广播电视技术网
成都天际无线数码有限公司总经理 宋 瑜

摘要：本文介绍一种由国内自主开发的数字音频/多媒体广播(DAB/DMB)接收系统，该系统完全符合ETS300401标准，由接收机解码模块、控制软件、数据业务解码器和接口板构成，可以实现DAB音频接收播放和多媒体数据业务的解码输出至接口供计算机处理，基于该接收系统，可扩展出适用于多种用途的DAB/DMB接收机。
关键词：DAB/DMB，数字广播接收、数据业务解码器

1 引言
数字多媒体广播(DMB)是从数字音频广播(DAB)发展起来的。是继调幅、调频广播之后的第三代广播，是广播领域中的一场革命，是当代多种高科技的结晶，是信息高速公路的一个重要组成部分，必将对全球的广播事业和电子产业产生巨大的影响。及时研究开发DAB/DMB，不仅能大大提高我国广播及信息传播的能力和质量、促进DAB/DMB产业的形成，而且能带动我国集成电路、元器件、家电制造等一大批相关电子信息产业的发展，因此发展DAB/DMB势在必行。
与现行广播相比，DAB/DMB具有音质好(CD质量)、可实现多媒体接收、可高速移动接收、可加密、发射功率小、覆盖面积大、频谱利用率高、有很强的抗干扰和在恶劣环境下接收的能力,并可利用卫星大幅度提高广播的覆盖率等优点,是广播事业发展中一个新的里程碑。
随着我国广东地区和北京地区已建成的数字广播网的相继开播及DAB/DMB的大规模推广应用，市场迫切需要大量的面向各种应用的具有较好性价比的DAB/DMB接收机。我们在经过市场调研、技术方案论证比较后，设计开发出了一种数字广播(DAB/DMB)接收系统，特别是开发出了在国内处于领先水平的数据业务解码器。

2 DAB/DMB系统
2.1 DAB/DMB系统简介
DAB/DMB系统由发射系统和接收机两部分组成。发射系统由信源编码器、信道编码器、多路复用器、OFDM调制器、以及模拟射频等部分组成；而接收机则由调谐器、DAB解码模块、数据业务解码器、接口及系统总控等部分组成。
音频信源编码采用MUSICAM算法，得到的音频压缩数据经信道可删除型卷积编码，送入多路复用器与数据业务一起复用，复用信号以包的形式进行OFDM基带调制，在其中还加入FIC、同步信号等，OFDM基带调制后得到I/Q两路信号送入射频部分进行载波调制并发射。
而系统接收部分则是发射部分的逆过程。
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，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，然后通过解复用器将音频信号送入信道解码器解码，接着进行信源解码，音频综合，最后经D/A还原成模拟音频。而从解复用器出来的数据业务，则送入数据业务电路处理，完成数据业务的解码与显示部分。

2.2 DAB/DMB系统特性
DAB/DMB采用了现代先进的数字化技术，因而具有良好的性能，其中最关键的技术包括：
① MUSICAM信源编码
即掩蔽型自适应通用子带综合编码与复用，该编码的特性是按照人耳听觉特性把信号中对声音的音色和发音位置确定没有作用的部分去掉，使传输的数据量显著降低，并在主观质量、数据率、处理过程所需的时间延迟以及复杂性等方面，提供了最佳的折中。这样数据率有效压缩且仍具较高的声音质量。
② COFDM的信道编码和调制
即编码的正交频分复用，其中编码(C)是指信道编码采用编码率可变的卷积编码方式(可删除型卷积编码)，以适应不同重要性的数据的保护要求；正交频分(OFD)是指使用大量的载波(又称副载波)以代替通常用的传送一套节目和单个载波。这些副载波有相等的频率间隔，所有的副载波的频率都是一个基本振荡频率的整数倍，在频谱关系上是彼此正交的。要传送的信息(数据流)，按一定的规则被分割后，分配在这些副载波上，每一个副载波均采用四相差分相移键控调制(4-DPSK=4DQPSK)；复用(M)是指许多套节目相互交织地分布在上述的大量副波上，形成一个频率块(1.536MHz宽)，例如6套高质量的立体声节目的数据流复合在一起(称为信号组)在一个频率块上传送。
通过COFDM使本来相邻的信元在时域和频域上尽可能远地分开来传送，这样接收端经过去交织恢复信元原来的顺序后，就把可能出现的“块差错”拆开为相距较远的单个比特差错，从而容易予以修正。每个COFDM符号人为地延长一段时间，即在每个信元后人为地插入保护间隔。通过保护间隔，可以确保各种反射波不会干扰当前接收到的直达信号的码元，从而改善收听效果。使用大量的载波的方式，干扰只会影响个别或少量的载频，而大部分仍不会有噪音干扰。所以DAB/DMB有很强的高速移动接收和抗干扰能力。
③单频同步网：为了实现地面大范围的覆盖，DAB/DMB可以由几个工作于相同的频率，时间同步地发射相同节目的发射台构成一个同频发射网。在同频网中，相近发射台的功率信号可实现无缝交叉覆盖，可很好地改善接收效果，使覆盖的范围增加了，频谱利用率高了，每个台的发射功率却可以大大降低。

2.3 DAB/DMB系统技术参数
DAB欧洲标准(ETS300401)规定有四种传输模式分别应用于不同的工作频率，其主要参数见下表：
表1 DAB的传输模式和工作频段
模式Ⅰ 模式Ⅱ 模式Ⅲ 模式Ⅳ
带宽 1.536MHz 1.536MHz 1.536MHz 1.536MHz
载波总数 1536 384 192 768
总调制符号持续期 1246μs 312μs 156μs 623μs
保护间隔 246μs 62μs 31μs 123μs
发射台间最大距离(SFN) 约75Km 约20Km 约10Km 约40Km
频率范围(移动接收) ≤375MHz ≤1.5GHz ≤3GHz ≤750MHz
应用 仅地面 卫星和地面 卫星，有可能地面 仅地面

3 DAB/DMB接收系统开发说明
3.1 设计思想
根据DAB/DMB的特点，我们认为在国内市场上，其接收系统的应用市场定位应该是：除音频业务外，应该提供多媒体数据业务的能力，可把DAB/DMB接收系统视为一个数据通道，利用DAB/DMB优越的信道能力传送宽带数据。本系统的开发重点就是通过该系统可以将信源输入的数据在接收端原封不动的还原出来，供各种计算机平台利用。
在设计上，采用以接收机解码模块、数据业务解码器和核心控制软件的开发为主线和基础，辅以开发出各类接口的模块化方法，从而可以灵活地开发出针对不同市场和产品定位的DAB/DMB接收机产品。
3.2 系统模式选择
根据我国实际情况，本系统主要采用传输模式I，即工作频率在VHF频段，该模式的主要技术参数如下：
1.带宽：1.536MHz(1536个副载波，每个相距1KHz)；
2.载波频率： 174MHz－240MHz；
3.误码率： ≤10-4
4.天线方向： 全向；
5.极化方式： 垂直极化；
6.总数据率： 2.432Mbit/s
7.主业务信道有效数据率 2.304M bit/s
8.帧持续期： 96ms
9.符号持续期：1246μs(其中保护间隔246μs，有效符号持续期1000μs)
10.零符号持续期：1297μs
11.每个OFDM符号总数： 76
12.每个OFDM符号的比特数：3072
13.最大传输路程差：90Km

3.3 系统组成
本系统由接收机解码模块、嵌入式控制软件、数据业务解码器和USB等各类接口板等部分构成，其关系如图2所示。
图2 DAB/DMB接收系统组成

3.4 接收机原理简述
① 射频调谐
在DAB传输模式I的情况下，VHF波段的DAB/DMB信号经天线进入调谐器，经调谐控制电路控制将174MHz-240MHz范围内的射频信号经选择后，变为中频信号(中心频率为38.912MHz，带宽为1.536MHz的频率块)。通过中频选择滤波器(例如声表面波滤波器)滤波，滤掉无用的频谱部分，以确保即使在强的邻频干扰情况下也能良好接收。接着中频信号再经频率变换和滤波，变为中心频率为2.048MHz，带宽仍为1.536MHz的基带信号送入COFDM解调器继续处理。

② COFDM解调及信道解码
COFDM解调器首先通过正交解调从COFDM基带信号中产生出同相分量(I)和正交分量(Q)信号，经AD变换后变为数字形式的信号，再经快速傅里叶变换(FFT)，完成各个载波的4-DPSK解调，恢复出分配在各个载波上的差分编码复数比特(或双比特、比特对)数据流。信道解码的详细处理过程有：接收机同步(找出零符号)；解复用(包括同步信道SC、快速信息信道FIC、主业务信道MSC数据)；时间解交织和频率解交织；维特比解码(解卷积编码)；解扰(解能量扩散)等。

③ 信源音频解码
从上述解复用中，FIC解码完成后可进行DAB/DMB的业务选择，其中选择音频业务后，则该业务和PAD(节目伴随数据)送入音频解码器进行音频解码(MUSICAM信源解码)，产生数字和模拟音频输出及PAD数据。

④ 数据解码
而从前述信道解码后的所有业务(包括音频业务和数据业务) 数据可通过RDI(接收机数据接口)格式的串行数字信号送入数据解码器进行解码(包模式的数据业务数据过滤和处理)，最后产生出所需数据的并行(8位)数字信号输出。

⑤ 系统总控
上述所有过程均由微控制器通过总线进行控制，微控制器上运行的嵌入式软件主要功能是控制调谐器、信道解码器和音频解码器的工作及人机接口，实现DAB/DMB的解码控制和业务播放。

3.5 接收机解码模块
本系统的接收机解码模块，采用国际通用符合DAB标准的DAB信道解码和音频解码芯片，该模块可以提供DAB/DMB解码功能，产生模拟和数字音频输出和RDI输出。该模块由微控制器上运行的嵌入式控制软件控制(见下节)，并且通过微控制器上的RS232接口，还可实现对该模块的命令级控制。

3.6 嵌入式控制软件
嵌入式控制软件主要有以下功能：
◆ 设定频率并操作调谐同步控制过程，到达DAB信号稳定接收；
◆ FIB解码，生成节目列表(包括音频和数据业务)，显示节目标记；
◆ 选择节目播放或从RDI接口输出；
◆ 音频解码器音量控制；
◆ 为RS232接口提供API命令集功能调用；
◆ 控制信道解码器的工作，如静音等。
为便于移植到各类微控制器平台，本嵌入式控制软件采用C语言编写，可在DOS环境下仿真调试。

3.7 数据业务解码器
数据业务解码器可以将信道解码后码流中所需要的数据业务部分解码过滤出来，送入计算机处理。该解码器与接收机解码模块结合，可以实现多媒体数据业务的接收。该解码器可实现实时处理，效率高，成本低，稳定性好。
该解码器通过接收前述接收机解码模块的RDI输出信号，首先将RDI输出变换成I2S信号，根据RDI标准(EN20255)，找到RDI帧中的FIB(快速信息块)中有关包模式(packet mode)数据业务和其对应子信道(SubChannnel)的参数，再将找出的子信道在MSC(主业务信道)中的有用数据输出，其余无效数据过滤掉。针对不同的应用，该解码器还对MSC中的包进行进一步处理，可以实现三种级别的输出：即DAB数据包(packet) 直接输出，组合成DAB数据组(data group)输出，IP包直接输出。解码输出的有用数据经USB等各类计算机接口，可送入PC机进行各类应用处理。

3.8 USB等各类计算机接口板
USB等各类接口板主要实现数据业务解码器的数据接收，并打包成USB包或其它接口格式的数据送至计算机处理。在USB-WDM驱动程序控制下，可以控制数据业务解码器输出数据的接收，并可保存作进一步处理。考虑到USB接口的广泛采用，如果将该接口板和前述解码模块和数据解码器结合，在USB控制器（多数均内嵌微控制器）上引出一个RS232接口，便可方便地开发出直接从USB接口控制整个DAB/DMB接收机系统的产品。

3.9 应用范围
DAB是一个透明的数据传输通道，其无线、宽带、移动、大范围接收多媒体数据的特性目前还没有其它系统可以替代，用DAB信道传输数据业务，特别是基于IP包传送的数据业务大有可为。基于本系统的DAB/DMB接收机模块化解决方案，对生产商而言，不但可以节约大量的研发费用等人力物力成本，而且可极大的缩短开发周期，尽速开发市场，用户可以很快开发出自己的商业应用系统或终端产品，例如：
◆ 车载DAB/DMB接收机
◆ 家用机顶盒式DAB/DMB式接收机
◆ PCI插卡式DAB/DMB接收机
◆ PCMCIA插卡式DAB/DMB接收机
◆ USB接口外置式DAB/DMB接收机

4. 应用前景
本数字多媒体广播(DAB/DMB)接收系统的开发，为我国企业今后大规模生产各型DAB/DMB接收机打下了坚实的基础，特别是接收机模块化的完整解决方案有稳定性高、通用性好、成本低、利于大规模生产等优点。目前国外公司及该类产品不但对我国实行技术封锁，而且价格昂贵。本文介绍的数字多媒体广播(DAB/DMB)接收系统，对于推动我国数字广播事业的发展，打破国外产品的垄断，制定我国的数字广播标准，调整产业结构，发展具有我国自主知识产权的数字广播民族产业，有很高的社会和经济价值。
目前国外特别是欧洲通过降低零部件的成本与增加广播电视台数量，已经建立了DAB/DMB的普及机制，英国和德国的播放区域按人口覆盖率计算已经超过了80％，加拿大、南非、巴西、新加坡及台湾等欧洲之外的国家和地区也开始采用DAB标准的数字广播。这些市场的接收机也在向模块化、小型化和低成本化方向发展，市场日趋成熟。在我国广东和北京两个数字广播先导网的推动下，随着国家数字广播标准的即将出台，市场将急需大量廉价的、多功能的国产化数字广播接收机，本接收系统将会有广阔的市场前景，将为我国消费类电子产品产业形成一个新的利润增长点。

参考资料：
[1]. DAB标准：ETS 300 401，1997年5月
[2]. RDI标准：EN 50255，1997年10月
[4]. DAB发展趋势和技术分析，邹峰
[3]. 数字音频广播(DAB)技术，李栋，北京广播学院出版社