作者：TVB Subrahmanyam and Mohammed Chalil

調幅（AM）是20世紀前80年無線電廣播的主要形式，但信道衰落、失真和噪聲導致接收質量差。隨著調頻（FM）的引入，這些問題在一定程度上得到了緩解，調頻也可以提供立體聲傳輸和CD質量的音頻，但模擬收音機仍然沒有信道缺陷效應和有限的覆蓋區域。在2003年，兩家商業初創公司XM和Sirius（合并成為SiriusXM?），介紹了基于訂閱的數字衛星廣播在美國的巨大足跡，其收入模式與付費電視頻道相似。大約在同一時間，世界空間廣播電臺開始為亞洲和非洲進行衛星廣播。

衛星數字音頻無線電服務（SDARS）使移動汽車音頻聽眾能夠在衛星覆蓋圖內的任何位置收聽同一廣播電臺，僅受建筑物，樹葉和隧道造成的衛星信號間歇性阻塞的限制。XM衛星廣播率先通過安裝地面中繼器來規避阻塞問題，這些中繼器在密集的城市地區傳輸相同的衛星音頻，并創建衛星和地面廣播的混合架構。

大約在同一時間，傳統的地面廣播公司也制定了數字路線——原因有兩個。首先，他們認為他們在模擬大廳的壽命必須很短，因為世界正在遷移到更高質量的數字跑道。其次，頻譜越來越稀缺，因此只有通過數字化和壓縮新舊內容，打包然后廣播，才能在相同帶寬內提供額外的內容。因此，世界開始從模擬無線電向數字無線電遷移。這些無線電廣播技術具有以下優點：接收更清晰、覆蓋面積更大，能夠在可用模擬無線電信道的現有帶寬內打包更多內容和信息，并為用戶提供更大的控制靈活性，以訪問和收聽節目材料（圖 1）。

圖1.融合處理器上的數字無線電。

數字無線電發展實例：印度

在地面廣播中，有兩種開放標準 - 數字多媒體廣播（DMB）和數字廣播世界?（DRM） 和高清廣播?，iBiquity（美國聯邦通信委員會批準的唯一AM/FM音頻廣播標準）的專有標準。DMB 指定了幾種數字音頻廣播格式，包括 DAB、DAB+ 和 T-DMB，它們使用 VHF 頻段 III 和 L 頻段。DRM 使用 DRM30，其工作頻率范圍為 150 kHz 至 30 MHz，DRM+ 為 VHF 頻段 I、II 和 III。

VHF波段的有用傳播基本上僅限于小地理區域的視線。另一方面，由于電離層中的多次反射，短波傳播幾乎可以到達世界任何地方。對于人口稠密且地理區域較小的國家，在VHF波段III和L波段的DMB傳輸功能非常有效。對于地理面積大的國家，中短波傳輸可提供有效覆蓋。出于這個原因，經過幾年的DAB和DRM試驗，印度決定采用DRM。

2007年，全印度廣播電臺（AIR）、亞太廣播聯盟（ABU）和DRM聯盟在新德里進行了第一次DRM現場試驗。實驗試驗用三個變送器進行了三天，測量了各種參數。除了在新德里進行的這些測試外，AIR還遠距離進行了這些測量。很明顯，DRM的優勢在于使用有限數量的發射器為更多的人口提供服務。此外，對節能的需求日益增加，將節能考慮提高到頭等大事。DRM的電源效率提高了50%，在支持生態和“更綠色”的地球方面起著至關重要的作用。

數字無線電接收器和DSP

物理世界是模擬的，但科學家和工程師發現在數字域中進行大量計算和符號操作更容易。得益于采樣理論、信號處理和可用的數據轉換器，工程師們為使用模數轉換器（ADC）和具有可編程內核的數字信號處理器設計、實現和測試復雜的數字信號處理（DSP）系統鋪平了道路。

隨著信息和通信理論的進步，強大而高效的DSP的發展使媒體技術和通信的融合成為可能。數字廣播的存在歸功于這些技術進步。

數字無線電接收器最初設計為實驗室原型，然后進入試生產階段。與大多數技術一樣，第一代產品通常使用分立元件組裝。隨著市場規模和競爭的增加，制造商發現可以通過降低成品價格來進一步擴大市場。更高產量的前景吸引了半導體制造商投資集成更多這些分立元件以降低成本。隨著時間的推移，硅幾何形狀的縮小導致成本進一步降低和產品能力的提高。這是許多產品的不斷發展，包括FM收音機和移動電話。

數字無線電中的信號處理

典型的數字通信系統（圖2）將模擬信號轉換為數字信號，對其進行壓縮，添加糾錯碼，并打包多個信號以充分利用通道容量。為了傳輸RF信號（存在于模擬能量的“真實”世界中），數字信號被轉換為模擬信號并在載波頻率上進行調制以進行傳輸。在接收器處，發生相反的過程，從解調載波頻率開始。然后將信號轉換為數字信號，檢查錯誤并解壓縮。基帶音頻信號被轉換為模擬信號，最終產生聲學。

圖2.數字無線電的軟件架構。

數字無線電接收機中的信號處理算法可分為以下幾類：

通道解碼

源解碼

音頻后期處理

中間件

用戶界面 （MMI）

在數字無線電中，源編碼和信道編碼可以分別映射到高效的音頻編解碼器（coder-decoder）和錯誤控制系統組件。實際上，如果編解碼器設計為錯誤恢復能力，則可以更好地執行錯誤控制。

理想的信道編碼器應該能夠抵御傳輸錯誤。理想的源代碼編碼器應該將消息壓縮到最高的信息內容（香農熵），但如果輸入流包含錯誤，高度壓縮的消息將導致非常高的音頻失真。因此，有效的源編碼還應確保解碼器可以檢測到流中的錯誤并隱藏其影響，以便整體音頻質量不會降低。

DRM在源編碼和通道編碼中應用了相關的技術創新，以提供更好的音頻體驗。所選的 DRM 音頻源編碼算法可確保：

高效的音頻編碼 — 以更低的比特率獲得更高的音頻質量。

更好的錯誤恢復能力 - 傳輸錯誤下的美觀性能下降。

高效的音頻源編碼

電影專家組（MPEG）技術可以被視為學術，行業和技術論壇有效協作的渠道和框架。MPEG Layer II、MP3和AAC（高級音頻編碼）分別用于廣播和存儲/分發等協作音頻特定工作的成功，鼓勵了該行業參與進一步的研究計劃。MP3仍然是最流行的網絡分發和存儲的“非官方”格式，但更簡單的許可規范 - 以及Apple決定采用AAC作為iPod的媒體形式 - 幫助AAC獲得比MP3更多的行業關注。

讓我們考慮一下 MPEG 社區的 AAC，以了解源代碼編碼中涉及的一些重要技術。心理聲學模型（圖3）和時域混疊消除（TDAC）可以被認為是寬帶音頻源編碼的兩項初步突破性創新。

圖3.了解心理聲學音調掩蔽。

來自工業界和學術界的頻譜帶復制（SBR，圖4）和空間音頻編碼或雙耳提示編碼技術可以被認為是接下來的兩項改變游戲規則的創新。這兩項關鍵的突破性創新進一步增強了 AAC 技術，以提供可擴展的編碼性能，從而實現了 HE-AAC v2 和 MPEG 環繞聲的標準化，得到了業界的熱烈反響。行業驅動的標準，如杜比、AC3 和 WMA，也采取了類似的步驟，利用類似的技術創新進行最新的媒體編碼。??

光譜波段替換 （SBR） 工具使解碼采樣率相對于 AAC-LC 采樣率加倍。參數立體聲 （PS） 工具從單聲道 LC 流解碼立體聲。

圖4.音頻解碼中的 AAC-LR、SBR 和 PS。

與任何其他改進計劃一樣，測量技術也在音頻質量改進計劃中發揮了作用。音頻質量評估工具和標準，如音頻質量的感知評估（PEAQ）和帶有隱藏參考和錨點的多刺激（MUSHRA），有助于更快地評估技術實驗。

優雅的降級/錯誤恢復能力

通常，較高的壓縮率將導致給定級別的流錯誤產生更多的音頻音損。例如，MPEG Layer II 流比 AAC 流更能防止流錯誤。Layer II頻譜數據部分中的單位錯誤不會產生任何煩人的偽影，因為頻譜值最大值由位分配值決定。但是，在AAC的情況下，相同的單位錯誤會導致霍夫曼解碼器失敗并應用幀錯誤隱藏;重復的幀錯誤將使音頻靜音，直到錯誤率降至最低。這種長時間的靜默會阻止系統保證正常降級。

容錯 （ER） AAC 編碼借助以下附加工具，可確保從比特流錯誤中正常降級：

HCR（霍夫曼碼字重新排序）：通過將光譜數據劃分為固定大小的段來防止光譜數據中的錯誤傳播。HCR 將最重要的數據放在每個段的開頭。

VCB11（密碼本 11 的虛擬碼本）：借助特殊的碼字映射檢測頻譜數據中的嚴重錯誤。

RVLC（可逆可變長度編碼）：避免比例因子數據中的錯誤傳播。

ER-AAC 功能與 UEP 一起將為 DRM 提供足夠的容錯特性。

數字版權管理規范

數字無線電世界 （DRM） 是歐洲電信標準協會 （ETSI） 的開放標準，用于中短波廣播的數字窄帶音頻。盡管 DRM 在四種傳輸和接收模式下支持 4.5 kHz、5 kHz、9 kHz、10 kHz、18 kHz 和 20 kHz 的帶寬，但如果需要與現有 AM 標準兼容，帶寬和比特率必須分別限制為 10 kHz 和 24 kbps。

表 1.DRM 比特率帶寬。

這一要求要求使用高效的音頻編碼：Meltzer-Moser MPEG-4 HE-AAC v2（國際標準化組織/國際電工委員會 - ISO/IEC）是一個不錯的選擇，但對通道衰落的魯棒性使HE-AAC v2（Martin Wolters，2003）的容錯版本成為最佳選擇。

表 2.DRM 支持的不同編解碼器。

除 AAC 外，DRM 標準還定義了用于傳輸語音的諧波矢量激勵編碼 （HVXC） 和代碼激勵線性預測 （CELP） 編解碼器。DRM 標準也允許流式傳輸圖像幻燈片、HTML 頁面等的原始數據。

數字版權管理架構

DRM系統包括三個主要的傳輸路徑：主業務通道（MSC），服務描述通道（SDC）和快速訪問通道（FAC）。FAC 具有正交頻分復用 （OFDM） 信號屬性和 SDC/MSC 配置，限制為 72 位/幀。SDC 包含 MSC 解碼所需的信息，例如多路復用幀結構和其他信息。

圖5.DRM 中的多路復用和通道編碼。

MSC 對多路復用器生成的幀進行編碼。可以在標準映射、對稱分層或混合分層映射之間進行選擇。MSC 使用不等差錯保護（UEP，圖 6），其中多路復用幀分為兩部分，具有不同的保護級別：保護程度較高的數據部分和保護程度較低的數據部分。

圖6.DRM 中的錯誤保護不平等。

帶黑鰭金槍魚的數字收音機

Blackfin處理器（圖7）非常適合需要數字信號處理和微控制器功能的操作。ADSP-BF5xx系列特別適合這些應用，還提供多種外設。硬件和軟件開發工具的可用性、來自第三方的多個軟件組件以及參考設計使其成為多功能產品的理想平臺。多代產品、來自可靠來源的成熟軟件IP的可用性、ADI的可靠支持以及大量可用的高性能模擬集成電路產品組合，為設計人員的最終產品質量提供支持。?

圖7.基于黑鰭處理器的數字無線電。

基于Blackfin處理器的數字無線電、互聯網無線電和多功能產品可以使用ADI為這些產品創建的現有生態系統來創建。

除了創建所需的生態系統和采購各種軟件模塊外，ADI還創建了自己的數字無線電解碼器庫。其中一個關鍵組件是HE-AAC v2解碼器，它優化了大量所需MIPS的性能。

HE-AAC V2解碼器的架構

HE-AAC v2解碼器組件（圖8）組合在一起形成DRM源解碼器。MPEG-4 HE-AAC v2解碼器（可支持ETSI DAB和DRM標準）結合了高級音頻編碼（AAC），頻譜帶復制（SBR）和參數立體聲（PS）。解碼器向后兼容AAC-LC。

圖8.MPEG-4 HE-AAC v2 解碼器。

主要功能包括：

MPEG-4 ER-AAC 可擴展解碼器，每幀可處理 960 個樣本

AAC-LC/HE-AAC v1/v2/DRM/DAB 支持

錯誤隱藏支持

剛果民主共和國支持

針對內存和 MIPS 進行了高度優化

針對一整套 ISO/DAB/DMB 和 ETSI 載體進行驗證

表 3.MPEG-4 HE-AAC v2 解碼器性能。

解碼器實現了標準指定的所有必需的音頻編碼工具，包括：

由于采用MDCT/TDAC，頻率分辨率和編碼效率更高

自適應模塊切換可減少預回波

非線性量化

霍夫曼編碼

使用凱撒-貝塞爾派生的窗口功能來消除光譜泄漏。

可變幀大小改進了位分配

IS/MS 立體聲/TNS 和 PNS 工具

光譜波段復制 （SBR）

參數立體聲 （PS）

數字無線電測試結果

一組典型的測試結果如表4所示。

表 4.數字無線電測試結果。

結論

ADI公司（ADI）是實現數字無線電和對參考設計進行現場試驗的早期參與者。基于Blackfin處理器的DRM無線電是首批滿足DRM標準規定的所有最低接收器要求（MRR）的設計之一。這一成功可歸功于出色的團隊合作，ADI公司管理并與英國的BBC、美國的杜比（以前的編碼技術公司）以及德國之聲和AFG工程公司合作。然后，設備制造商采用該技術和參考設計來設計和制造產品。

現在，更多的公司正在印度和其他國家使用這種設計制造數字收音機。ADI Blackfin處理器將DSP和微控制器功能完美結合，構成了極具成本效益的DRM無線電接收器的核心。軟件工具的可用性、經驗豐富的應用團隊的支持以及來自第三方的所需軟件模塊和參考設計使該實施成為印度和其他地方制造商采用該設計和大規模生產使用它的DRM無線電的不錯選擇。

審核編輯：郭婷