高清数字调频广播系统物理层的仿真研究

论文核心提示:

  摘要:数字音频广播(Digital Audio Broadcasting,简称DAB)是一种全数字方式多载波无线传输系统。FM IBOC(in-band on-channel,带内同频)DAB系统是一种数字音频广播解决方案。IBOC DAB系统的三个底部协议层:传输层、数据链路层、物理层各层之间数据音频的传输过程。音频和数据信号从数据链路层通过服务接入点接口进人物理层,依次经过加扰、信道编码、交织后经OFDM子载波映射后,最终将生成的OFDM信号通过发射子系统传输出去。本文将对物理层上的各个部分进行分析,得出一种基于FM IBOC行业标准的数字仿真方法。本方法采用的实验平台为MATLAB.

  关键字:IBOC FM 高清数字广播 物理层 加扰 信道编码 交织 OFDM子载波映射
  中图分类号:TN911.6
  
  一、简介
  数字音频广播(Digital Audio Broadcasting,简称DAB)是一种全数字方式多载波无线传输系统。比起模拟制式广播,其优势是显而易见的:具有很强的抗多径干扰能力,纠错能力强,可保证高速移动状态下的接收质量;能提供类CD音质;发射功率小、覆盖范围广,大大提高了频谱利用率;还可附加传送音频业务以外的各种数据业务,例如广播电文、静止画面等,甚至可以对移动的TV接收机传送电视节目。
  目前,国际上已经形成标准的地面数字音频广播(DAB-T,30MHz以上频段),主要有欧洲的Eureka-l47 DAB和美国的IBOC DAB两种。IBOC DAB是由美国研究的“带内同频(IBOC,In-Band On-Channel)”数字声音广播系统,他与目前所实行的模拟广播电台使用相同的载波频率,并利用频率分隔和调制方式的不同,实现数字节目和模拟节目的同时播出。因此,他兼容原有的模拟广播频率,无需再重新规划和分配新的频段,发射塔和天线等都可以得到重新利用,很容易实现模拟到数字的转变。
  二、IBOC系统的物理层
  FM IBOC DAB系统物理层各传输处理模块,音频和数据信号从数据链路层通过SAP (service access point)接口进人Layer 1,依次经过加扰、信道编码、交织、OFDM子载波映射后,最终将生成的OFDM信号通过发射子系统传输出去。物理层结构如图2-1:
   1、加扰也称为能量扩散处理(scramble or energy dispersion),目的是将各逻辑信道数据进行随机化处理,使信号频谱弥散。FM IBOC DAB系统加扰器如图2-2中所示,传输帧数据向量的各个输入比特与相应的随机序列进行模2加运算后,所得到的即是加扰传输帧(scrambled transfer frame)。模块中共有十个完全相同的并行加扰器,分别对应十个逻辑信道,系统根据不同的业务模式对逻辑信道的配置情况,相应地选择其中几个交扰器。
  2、FM IBOC DAB系统对各数据帧采用Tailbiting卷积编码。与零结尾卷积码不同,Tailbiting卷积编码是将每个数据帧的最后M个比特(M为卷积编码器的移位寄存器个数)初始化移位寄存器,因此,在结束对该数据帧编码时,编码器的状态又会回到原来的初始状态如图2-3所示。而零结尾卷积编码是将编码寄存器初始化为零,同时在信息序列的结尾添加M个0尾比特,使得编码结束时寄存器的状态重新回到状态0 。
  3、下图是PM IP 在业务模式MP1下输出的交织矩阵PM该交织矩阵由 个交织块组成(其他类型的交织矩阵结构类似),每个交织块是一个32*36的子矩阵,并且在每个IP所输出的交织矩阵中,逻辑信道将失去其确定性,即每个输出矩阵中可能由一个或多个逻辑信道组成。像在MP1业务模式下,PM IP的输出矩阵中就包含1个P1和16个PIDS逻辑信道的数据。这两个逻辑信道的传输帧经过信道编码,P1逻辑信道的传输帧长度由146176bits/frame增加为365440bits/frame(2/5的双边带编码率),PIDS逻辑信道的传输帧的长度由80bits/frame增加为200bits/frame(2/5的双边带编码率),帧速率不变。将P1逻辑信道的一个传输帧向量表示为i={0,1……N-1},根据交织器I代数公式(见附录),每一个帧向量元素输出到特定分区交织块中的某一行 某一列 ,并将剩余的空缺比特位置留给PIDS逻辑信道帧, PIDS逻辑信道传输帧根据交织器Ⅱ代数公式,也将每一个帧向量比特对应输出到PM矩阵中,经过一个PIDS传输帧之后,PM中第一行交织块被填满,这时就可以将这行交织块中的比特数据逐行读出,用于OFDM子载波映射,等到处理完16个连续的PIDS传输帧后,整个PM矩阵被全部填满,当下一个传输帧到来时,整个交织过程又会重新开始。由此可得,P1逻辑信道交织器的交织深度刚好为一个P1传输帧周期Tf,PIDS逻辑信道交织器的交织深度为一个PIDS传输帧周期Tb。
  交织矩阵的每一列交织块称为一个分区(partition),(如图4-8影阴部分所示),是一个B*32行36列的子矩阵。每个分区映射一个频谱子块,由于采用QPSK调制,分区中每两列世纪论文网代发中心(www.21cnlunwen.com)给您提供优质的服务对应一个数据副载波(一个频谱子块有18个数据副载波),交织后的比特数据就能被调制在上下边带的各个数据副载波上,实现频率交织。如图2-4
  Ⅲ、基于物理层的仿真
  1、加扰器的设计
  根据本原多项式为 ,传输帧数据向量的各个输入比特与相应的随机序列进行模2加运算后,所得到的即是加扰传输帧(scrambled transfer frame)。故将随机产生 的数据按照多项式进行模二加,只需要一个加法器就能实现。
  2、卷积编码的仿真
  对于这两种卷积编码方式,从编码效率上考虑, 零结尾卷积码会带来编码效率的损失,添加在数据帧末尾的M个比特会占用额外的带宽,比如对于移位寄存器的个数为M,编码率为R=k/n的卷积编码器,信息序列长度为N*k,,经过零结尾卷积编码,由于在信息序列后要添加M个0比特,因此编码后码字长度为(M+N)*n, 实际有效编码率为:
  如果数据帧长度相对于编码寄存器个数较短的时候,编码率的损失是不可忽略的;而对于tailbiting 卷积码来说,就不存在编码率的损失的问题,因为他不需要添加任何的尾比特。以FM IBOC DAB系统中,PIDS信道上的卷积码为例,PIDS信道加扰传输帧的长度为80bit,如果采用(3,1,7)零结尾卷积码,它的实际有效编码率为
  ,编码效率损失为7%。
  从两者的纠错能力上考虑,可以比较在相同高斯信道下两者的误块率特性和误码率特性。假设码字集合为C,发送码字为a,接收到的码字为b,那么其平均误块率可以表示为:  

[本论文关键字]:

推荐链接