一種新型DAB信號(hào)分析儀設(shè)計(jì)

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(xiàng)目開發(fā)。1995年，ETSI (歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì))采用DAB作為歐洲的標(biāo)準(zhǔn)[1]。DAB具有數(shù)字式音頻質(zhì)量，音質(zhì)好、可實(shí)現(xiàn)多媒體及高速移動(dòng)接收、可加密、發(fā)射功率小、覆蓋面積大、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。目前DAB接收器的設(shè)計(jì)方案有很多，基于DSP和FPGA的DAB接收機(jī)設(shè)計(jì)[2-3]、基于單片機(jī)的接收機(jī)設(shè)計(jì)[4-5]。另外一種方法是利用軟件設(shè)計(jì)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(jì)算機(jī)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(tái)基于PC的實(shí)時(shí)接收器上用軟件處理的[7]。

　　本文描述了一個(gè)基于PC的DAB信號(hào)分析器，系統(tǒng)包括一個(gè)無線模塊和一臺(tái)計(jì)算機(jī)[7]。它提供了信號(hào)更加詳細(xì)的資料，使用者可以一步步的觀察基帶信號(hào)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(duì)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(duì)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(píng)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(gè)部分：無線模塊和植入在計(jì)算機(jī)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(biāo)記的部分在PC機(jī)上用Matlab實(shí)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(hào)。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(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，供計(jì)算機(jī)處理。在發(fā)射端，DAB信號(hào)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(hào)由幀和字符生成，接收到的信號(hào)需一幀幀，一個(gè)字符一個(gè)字符的處理。因此定位每個(gè)DAB幀的位置很重要。這部分工作需同步模塊完成。每一個(gè)DAB幀有三個(gè)信道：同步信道（Null & PRS, 2 個(gè)字符）FIC(快速消息信道，3個(gè)字符)和MSC(主服務(wù)信道，72個(gè)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(xì)的介紹，請(qǐng)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(gè)DAB幀，因此解調(diào)能夠一幀幀、一個(gè)字符一個(gè)字符地執(zhí)行。它有兩個(gè)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(gè)DAB幀開始于一個(gè)零字符。零探測器即找到零字符的位置來決定幀的起始點(diǎn)。

圖2 DAB幀結(jié)構(gòu)

　　像標(biāo)準(zhǔn)[1]中定義的，零字符僅僅包含零。用DAB TM1作為例子，一個(gè)零字符中一共有2656個(gè)零值抽樣點(diǎn)。在真實(shí)的信號(hào)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(diǎn)?？梢杂霉?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(diǎn)；Ts是DAB數(shù)據(jù)字符的長度；i是采樣點(diǎn)的索引；R_start是零探測器搜索到粗糙的幀的起始點(diǎn)。公式1能夠在接收數(shù)據(jù)中定位能量的衰減。然而信號(hào)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(diǎn)。因此零探測器可能會(huì)不正確，還需要另一個(gè)模塊，幀探測器。

　　幀探測器用來定位每一個(gè)DAB幀的確切位置。標(biāo)準(zhǔn)中定義了相位基準(zhǔn)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)[!--empirenews.page--]

　　其中Sbb[n]是接收到的基帶信號(hào)；PRS[n]是時(shí)域PRS；R_start是零探測器搜索到粗糙的幀的起始點(diǎn)；m是搜索區(qū)域中的采樣點(diǎn)索引。如果起始點(diǎn)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(gè)高的峰值，就可以找到幀的起始點(diǎn)。

                            (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(duì)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(jìn)行偏置估計(jì)。離散信號(hào)頻率偏置的數(shù)學(xué)模型如公式4：

                        (4)

　　其中s(n)是被傳輸?shù)男盘?hào)，r(n)是被接收的信號(hào)，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(dāng)DAB TM I ∆f=1KHz時(shí)，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(jì)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(zhǔn)字符是固定的，因此，可以將接收到的信號(hào)的相位基準(zhǔn)字符復(fù)原，然后和[1]中定義的相位基準(zhǔn)字符相對(duì)比，就能夠找到移位量。

　　一個(gè)相位基準(zhǔn)字符（1536采樣點(diǎn)）包括48個(gè)塊，每個(gè)塊有32個(gè)采樣點(diǎn)。塊的第一和第二組16個(gè)采樣點(diǎn)完全相同，即第9到第24個(gè)采樣點(diǎn)可代表整體塊，這16個(gè)采樣點(diǎn)形成了一個(gè)內(nèi)核。我們找到I的方法就是從原始的相位基準(zhǔn)字符中找出內(nèi)核，在被復(fù)原的相位基準(zhǔn)字符中找到它，計(jì)算采樣點(diǎn)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(gè)內(nèi)核，Z(n)是接收信號(hào)復(fù)原的相位基準(zhǔn)字符，n0表示K(n)在相位基準(zhǔn)字符中的位置，假設(shè)K(n)=Z(n+I+n0), 當(dāng)m=I時(shí)，P(m)到達(dá)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(gè)OFDM字符原始長度是TU ，生成一個(gè)DAB字符的方法是復(fù)制最后的∆個(gè)采樣點(diǎn)，并把它們加到字符的前面?？傞L度為Ts=TU+∆。以DAB TM I 為例，TU=2048, ∆=504, Ts=2552。圖3中被標(biāo)為A和B的兩個(gè)區(qū)域完全一樣。但是在接收信號(hào)中由于頻率偏置它們往往是不同的。我們可以通過對(duì)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：[!--empirenews.page--]

              (9)

　　其中PRS_r是接收的相位基準(zhǔn)字符（時(shí)域），與公式6得到公式10：

          (10)

　　其中PRS_t是被傳送的相位基準(zhǔn)字符。如果u索引的采用點(diǎn)位于CP區(qū)間中，它應(yīng)該和u+TU采樣點(diǎn)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(jì)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(jì)的處理。

5 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)和性能

　　DAB信號(hào)分析器基于上述算法實(shí)現(xiàn)，當(dāng)foff∈[-8.5KHz, 8.5KHz]，偏置估計(jì)模塊工作良好。

圖4 真實(shí)DAB信號(hào)的頻率偏置估計(jì)

　　圖4顯示了用真實(shí)DAB信號(hào)的系統(tǒng)測試結(jié)果，其中I=6，α=-0.3893；粗糙偏置估計(jì)建立在相位基準(zhǔn)字符上，因此I可以被每一個(gè)幀估計(jì)一次，精確偏置估計(jì)能夠在非零字符的任意一個(gè)DAB字符上執(zhí)行。因此α可以被每一個(gè)幀估計(jì)76次，如圖4所示，一個(gè)幀的每個(gè)字符上執(zhí)行精確偏置估計(jì)，結(jié)果為α(i) (i=1,2…76)，α的平均值為 。如果精確偏置估計(jì)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(jì)是合理的。系統(tǒng)中粗糙偏置和精確偏置均以相位基準(zhǔn)字符為基礎(chǔ)的。得到了偏置估計(jì)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(hào)從IF轉(zhuǎn)換到基帶上。天線輸出中心頻率190.64MHZ的射頻信號(hào)，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(duì)信號(hào)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(gè)功能：使信號(hào)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(hào)分析器，它有別于常規(guī)的DAB接收機(jī)。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(shí)也降低了對(duì)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?yàn)橛脩艨梢砸徊讲缴钊氲较到y(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(hào)是新加坡Mediacorp的 SmartRadio DAB 7B，圖5顯示了這個(gè)信號(hào)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