1 引言
DAB是數(shù)字音頻廣播（digital audio broadcasting）的簡稱，是繼調(diào)幅（AM）、調(diào)頻（FM）廣播之后的第三代廣播，是由歐盟Eureka 147項目開發(fā)。1995年，ETSI (歐洲電信標準協(xié)會)采用DAB作為歐洲的標準[1]。DAB具有數(shù)字式音頻質(zhì)量，音質(zhì)好、可實現(xiàn)多媒體及高速移動接收、可加密、發(fā)射功率小、覆蓋面積大、抗干擾能力強等優(yōu)點。目前DAB接收器的設(shè)計方案有很多，基于DSP和FPGA的DAB接收機設(shè)計[2-3]、基于單片機的接收機設(shè)計[4-5]。另外一種方法是利用軟件設(shè)計接收器，只執(zhí)行下行轉(zhuǎn)換和信道解碼[6]，控制和解碼都是在計算機上執(zhí)行的，絕大多數(shù)的數(shù)據(jù)包包括信道解碼均在一臺基于PC的實時接收器上用軟件處理的[7]。
本文描述了一個基于PC的DAB信號分析器，系統(tǒng)包括一個無線模塊和一臺計算機[7]。它提供了信號更加詳細的資料，使用者可以一步步的觀察基帶信號的處理過程。它可以被用作測試發(fā)射系統(tǒng)或者研究DAB系統(tǒng)，相對于已有的專業(yè)分析器，它更容易使用，成本更低。
DAB使用OFDM（正交頻分復(fù)用）增加頻譜利用率和抵抗多徑效應(yīng)。然而所有基于OFDM的技術(shù)對于頻率偏置都很敏感，已經(jīng)研究出了很多方法來尋找和矯正頻率偏置[8-9]。本文評估了這些算法并且在下文中提出了自己的方法。
2 系統(tǒng)構(gòu)架
DAB分析器可以分為兩個部分：無線模塊和植入在計算機中的射頻和基帶處理模塊。圖1顯示了系統(tǒng)框圖。用長方形標記的部分在PC機上用Matlab實現(xiàn)，無線模塊包括天線、調(diào)諧器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器。天線將電磁波轉(zhuǎn)換為電子信號。調(diào)諧器調(diào)整天線的諧振頻率；模數(shù)轉(zhuǎn)換器把模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，供計算機處理。在發(fā)射端，DAB信號要經(jīng)過：π/4-DQPSk, IFFT 和I-Q調(diào)制。因此接收端需要有相應(yīng)的解調(diào)模塊如FFT。DAB信號由幀和字符生成，接收到的信號需一幀幀，一個字符一個字符的處理。因此定位每個DAB幀的位置很重要。這部分工作需同步模塊完成。每一個DAB幀有三個信道：同步信道（Null & PRS, 2 個字符）FIC(快速消息信道，3個字符)和MSC(主服務(wù)信道，72個字符)。FIC由FIB（快速消息塊）組成的，F(xiàn)IB由FIG（快速消息組）組成的。主服務(wù)信道包含很多子信道。這些子信道可能有不同的大小和不同的信道編碼方式。消息由FIG承載。例如FIG 0/1定義了基本的子信道組織，F(xiàn)IG 0/2定義了基本的服務(wù)組織。更詳細的介紹，請參見[1]。
圖1 DAB系統(tǒng)分析儀系統(tǒng)框圖
3 同步
同步模塊被用來定位每一個DAB幀，因此解調(diào)能夠一幀幀、一個字符一個字符地執(zhí)行。它有兩個子模塊：零探測器和幀探測器。
零探測器搜索DAB幀的粗糙位置。如圖2所示，每一個DAB幀開始于一個零字符。零探測器即找到零字符的位置來決定幀的起始點。
圖2 DAB幀結(jié)構(gòu)
像標準[1]中定義的，零字符僅僅包含零。用DAB TM1作為例子，一個零字符中一共有2656個零值抽樣點。在真實的信號中，這些值不可能完全都是零，但是和數(shù)據(jù)字符相比非常的小，就像在傳輸中的能量衰減，容易發(fā)現(xiàn)那些低值的采樣點。可以用公式1找到零字符
(1)
其中Energy[a,b]是在區(qū)間a和b中的所有能量的采樣點；Ts是DAB數(shù)據(jù)字符的長度；i是采樣點的索引；R_start是零探測器搜索到粗糙的幀的起始點。公式1能夠在接收數(shù)據(jù)中定位能量的衰減。然而信號在接收中經(jīng)常存在誤差，可能使零字符包含非正常的大值采樣點。因此零探測器可能會不正確，還需要另一個模塊，幀探測器。
幀探測器用來定位每一個DAB幀的確切位置。標準中定義了相位基準字符（PRS），它有固定的模式和樣本。如果能找到PRS的位置，相應(yīng)的幀的位置就能被定位。定義公式2：
(2)
其中Sbb[n]是接收到的基帶信號；PRS[n]是時域PRS；R_start是零探測器搜索到粗糙的幀的起始點；m是搜索區(qū)域中的采樣點索引。如果起始點在m=mx 也就是RS[n]=Sbb[n+mx+R_start]，那么由公式2得到公式3，在|R(m)|中有一個高的峰值，就可以找到幀的起始點。
(3)
4 偏置矯正
OFDM已經(jīng)成為無線通信系統(tǒng)中很有前景的技術(shù)，然而OFDM對載波頻率偏置太敏感。它只能容忍在系統(tǒng)性能沒有大的退化情況下的一小部分副載波間隔偏置。然而頻率偏置常常比子載波間隔要大，因此，必須要進行偏置估計。離散信號頻率偏置的數(shù)學模型如公式4：
(4)
其中s(n)是被傳輸?shù)男盘?，r(n)是被接收的信號，fs是采樣頻率，foff是單位為HZ的頻率偏置。將偏置分為整數(shù)偏置和小數(shù)偏置即將foff替換成I•∆f +α•∆f :
(5)
其中∆f是OFDM系統(tǒng)的子載波間隔，當DAB TM I ∆f=1KHz時，將I稱為粗糙偏置因子，α稱為精確偏置因子。|α|<0.5是OFDM ∆f=fs/N 在子載波上面保持正交性的條件，公式5可以替換成公式6。偏置估計就是分別得到I和α的值。
(6)
假定α=0，即沒有小數(shù)頻率偏置，定義 . 則可以得到公式7：
(7)
其中R(k), S(k)和X(k)是r(n), s(n)和x(n)各自的二維傅立葉變換。公式7表示頻域范圍內(nèi)的粗糙頻率偏置，被移位的采樣值即粗糙偏置因子I。DAB幀的相位基準字符是固定的，因此，可以將接收到的信號的相位基準字符復(fù)原，然后和[1]中定義的相位基準字符相對比，就能夠找到移位量。
一個相位基準字符（1536采樣點）包括48個塊，每個塊有32個采樣點。塊的第一和第二組16個采樣點完全相同，即第9到第24個采樣點可代表整體塊，這16個采樣點形成了一個內(nèi)核。我們找到I的方法就是從原始的相位基準字符中找出內(nèi)核，在被復(fù)原的相位基準字符中找到它，計算采樣點偏置的數(shù)量，定義相關(guān)函數(shù)如公式8
(8)
其中K(n) 是長度為16的一個內(nèi)核，Z(n)是接收信號復(fù)原的相位基準字符，n0表示K(n)在相位基準字符中的位置，假設(shè)K(n)=Z(n+I+n0), 當m=I時，P(m)到達它的峰值，可以得到I值。
圖3 DAB字符結(jié)構(gòu)
如圖3所示，一個OFDM字符原始長度是TU ，生成一個DAB字符的方法是復(fù)制最后的∆個采樣點，并把它們加到字符的前面。總長度為Ts=TU+∆。以DAB TM I 為例，TU=2048, ∆=504, Ts=2552。圖3中被標為A和B的兩個區(qū)域完全一樣。但是在接收信號中由于頻率偏置它們往往是不同的。我們可以通過對比A和B來找到精確頻率偏置。定義自相關(guān)函數(shù)如公式9：
(9)
其中PRS_r是接收的相位基準字符（時域），與公式6得到公式10：
(10)
其中PRS_t是被傳送的相位基準字符。如果u索引的采用點位于CP區(qū)間中，它應(yīng)該和u+TU采樣點一致，即PRS_t(u)=PRS_t(u+TU)。由公式10得到公式11、12：
(11)
(12)
其中∠Q(u)是Q(u)的角度，∠Q(u)∈[-π,π]。容易計算∠Q(u)和找到α，而且能夠推論出粗糙頻率偏置不妨礙精確頻率偏置估計的處理。
5 系統(tǒng)實現(xiàn)和性能
DAB信號分析器基于上述算法實現(xiàn)，當foff∈[-8.5KHz, 8.5KHz]，偏置估計模塊工作良好。
圖4 真實DAB信號的頻率偏置估計
圖4顯示了用真實DAB信號的系統(tǒng)測試結(jié)果，其中I=6，α=-0.3893；粗糙偏置估計建立在相位基準字符上，因此I可以被每一個幀估計一次，精確偏置估計能夠在非零字符的任意一個DAB字符上執(zhí)行。因此α可以被每一個幀估計76次，如圖4所示，一個幀的每個字符上執(zhí)行精確偏置估計，結(jié)果為α(i) (i=1,2…76)，α的平均值為 。如果精確偏置估計用 作為偏置因子，最大的誤差如公式13：
(13)
因此每幀僅做一次精確偏置估計是合理的。系統(tǒng)中粗糙偏置和精確偏置均以相位基準字符為基礎(chǔ)的。得到了偏置估計值，偏置矯正是公式6的反轉(zhuǎn)程序，如公式14所示：
(14)
另一重要模塊是I-Q解調(diào)，它把信號從IF轉(zhuǎn)換到基帶上。天線輸出中心頻率190.64MHZ的射頻信號，調(diào)諧器將其下變換為第一中頻 38.912 MHZ。模數(shù)轉(zhuǎn)換器用8.192MHZ的采樣頻率對信號采樣，它將第一中頻下變換為第二中頻2.048 MHZ。因此I-Q解調(diào)器有兩個功能：使信號從第二中頻變換到基帶和使其下采樣到2.048MHZ。
6 結(jié)論
本文闡述了基于PC的DAB信號分析器，它有別于常規(guī)的DAB接收機。軟件定義無線技術(shù)使得系統(tǒng)在適應(yīng)新的算法和添加新的功能上很靈活，同時也降低了對硬件的要求。
分析器能夠被用來測試DAB發(fā)射器或者研究DAB技術(shù)，因為用戶可以一步步深入到系統(tǒng)，觀察同步，偏置矯正，解調(diào)和解碼程序。和專業(yè)的分析器相比，本系統(tǒng)的成本很低。本系統(tǒng)的測試信號是新加坡Mediacorp的 SmartRadio DAB 7B，圖5顯示了這個信號的子載波結(jié)構(gòu)和服務(wù)結(jié)構(gòu)，它們都是從FICs中復(fù)原的。
圖5 FIGs信息
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