徐淑正， 皇甫麗英， 孫憶南

(清華大學 電子工程系實驗教學中心， 北京 100084)

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數(shù)字廣播應用于實驗教學的探索和實踐

徐淑正， 皇甫麗英， 孫憶南

(清華大學 電子工程系實驗教學中心， 北京 100084)

將科研成果轉(zhuǎn)化為實驗教學內(nèi)容對于加強科研與教學的結(jié)合、改進實驗教學體系和內(nèi)容、培養(yǎng)學生的工程能力和創(chuàng)新能力具有重要意義。論文在介紹數(shù)字廣播DRM軟件接收機優(yōu)勢的基礎(chǔ)上，分析了DRM系統(tǒng)的設(shè)計思路和實現(xiàn)方法，介紹了基于PC的軟件接收機的工作原理及利用軟件構(gòu)建軟件接收機的實現(xiàn)方案，并詳細闡述了數(shù)字廣播(DRM)系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為實驗教學內(nèi)容的技術(shù)路線、實驗內(nèi)容、實驗特色等內(nèi)容，從而在系統(tǒng)實驗層面培養(yǎng)學生的綜合實踐和創(chuàng)新研究能力。實踐證明，通過科研成果向?qū)嶒瀮?nèi)容的轉(zhuǎn)化，可以讓學生了解學科前沿，培養(yǎng)學生綜合運用基礎(chǔ)知識分析問題和解決問題的能力，掌握從事本學科研究工作的基本方法和技能，增強創(chuàng)新意識，提高創(chuàng)新能力，從而有效地促進實驗教學水平的提高。

數(shù)字廣播； DRM； 實驗教學； 成果轉(zhuǎn)化

0 引 言

對于研究型大學來說，高水平的科研工作永遠是提高教學水平的助推器，將科研與教學緊密結(jié)合是提高教學水平的有效途徑之一。對于實驗教學來說，其內(nèi)容應該與科研結(jié)合得更緊才有利于學生創(chuàng)新意識和能力的培養(yǎng)。教師的作用是將自己的知識、經(jīng)驗以及治學和研究方法傳授給代表社會未來的學生，進而傳播知識以推動社會的發(fā)展[1]。教師的科研成果蘊含著創(chuàng)新的思想和內(nèi)容，將之轉(zhuǎn)化為實驗教學內(nèi)容，讓學生有機會了解學科的前沿和創(chuàng)新的過程，體會創(chuàng)新的思維，將會極大提高學生的創(chuàng)新能力，這是培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的必要手段。

清華大學電子工程系擁有全國領(lǐng)先的兩個一級學科，教師承擔著一大批與國計民生相關(guān)的重大題目，每年有很多的研究成果，科研水平正朝著世界頂尖的方向邁進。實驗室作為培養(yǎng)高質(zhì)量人才的平臺，是培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力的重要基地。讓本科生了解、接觸和參與教師的科研工作是培養(yǎng)學生創(chuàng)新意識和能力的重要環(huán)節(jié)，可以通過多種渠道解決這一問題，例如在理論課中引導、大學生SRT、學生畢業(yè)設(shè)計以及在實驗教學中融入轉(zhuǎn)化的科研成果，其中將科研成果轉(zhuǎn)化為實驗教學內(nèi)容并據(jù)此建立前沿專題實驗課，是培養(yǎng)學生實踐能力的最直接和最有效的手段，該方式可以讓學生集中時間在實驗室里完成自己感興趣的前沿研究，達到培養(yǎng)學生創(chuàng)新意識和能力的目的[2-3]。同時，提煉轉(zhuǎn)化成果還可以為構(gòu)建綜合性、漸進型、成體系的實驗平臺創(chuàng)造條件。

目前，DRM(Digital Radio Mondiale)標準已經(jīng)成為全世界范圍內(nèi)最為成熟的、開放性的、非專利性的數(shù)字廣播系統(tǒng)標準，獲得了全世界絕大部分設(shè)備供應商和服務(wù)提供商的支持[4-6]。DRM系統(tǒng)采用的很多技術(shù)都是當今廣播、通信領(lǐng)域的研究前沿，其中發(fā)射機中不均等保護、多級聯(lián)合編碼調(diào)制、導頻設(shè)計、多載波復用技術(shù)等，以及接收機中的模式識別、同步和均衡等都代表了當前信息傳輸技術(shù)的發(fā)展前沿[7-8]。我國目前已掌握了30MHz以下的數(shù)字聲音廣播的關(guān)鍵技術(shù)，為我國進行調(diào)幅廣播的數(shù)字化打下了堅實的基礎(chǔ)[9-11]，但從國際角度看，我國的數(shù)字廣播還處在剛起步的發(fā)展階段，利用好我國極其豐富的廣播資源，必定能推動我國的經(jīng)濟發(fā)展。在這大背景下，我們希望能為本科學生設(shè)計關(guān)于DRM系統(tǒng)的實驗，讓同學們跟上時代，了解最新的廣播技術(shù)，鍛煉學生的研究能力與動手能力。

因此，將DRM廣播系統(tǒng)引入課堂教學，能建立一套從模塊到系統(tǒng)漸進性、層次化、綜合性實驗平臺，不僅大大豐富學生的實驗內(nèi)容，激發(fā)學生的自主創(chuàng)新意識，而且有利于學生了解本學科的前沿技術(shù)發(fā)展，通過實際實驗，加深對專業(yè)基礎(chǔ)理論的理解。

1 DRM系統(tǒng)概述

DRM是一種全球通用的開放式數(shù)字廣播系統(tǒng)標準。DRM 標準適用于所有廣播頻段，包括長波、中波、短波、乃至甚高頻[12]。DRM 數(shù)字廣播系統(tǒng)抗干擾性能好、頻譜利用率高，且系統(tǒng)需要的發(fā)射功率很小，有利于節(jié)約能源、減小電磁污染和改善環(huán)境保護；數(shù)字廣播系統(tǒng)是一種多媒體廣播系統(tǒng)，它即可以用來傳送聲音廣播節(jié)目，也可以傳送數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和靜止或活動圖像。DRM廣播是繼調(diào)幅廣播、調(diào)頻廣播之后的第三代廣播方式，具有傳輸距離遠、接收機簡單、價格低廉等突出優(yōu)點(如表1所示)，尤其是在地域廣闊、人口密度低的地區(qū)覆蓋以及對外廣播等方面是首選的信息傳播手段，其優(yōu)勢十分明顯[13]。DRM系統(tǒng)也將徹底改變聽眾對傳統(tǒng)模擬調(diào)幅調(diào)頻(AM/FM)廣播的印象，給傳統(tǒng)的模擬廣播帶來前所未有的沖擊。DRM廣播所使用頻率波段的概況見圖1。

表1 DRM 數(shù)字廣播的優(yōu)點

圖1 DRM工作頻段

從圖1可以看出，DRM標準闡述了一系列不同形式的操作模式，它們可以被劃分為兩組： “DRM30”模式，被設(shè)計為利用30 MHz以下的AM廣播波段；“ DRM+”模式，被設(shè)計為使用30 MHz至VHF波段III的頻譜，主要是利用FM廣播波段II的頻率。

世界上，自從DRM組織1998年成立后，法國THALES公司和美國Harris公司較早開展DRM廣播設(shè)備的研制，其產(chǎn)品初步進入到實用化和商業(yè)化階段。低成本接收設(shè)備的研制也取得了重大的進展，德國集成電路研究所目前已經(jīng)完成了能支持DRM在內(nèi)的產(chǎn)業(yè)化多模式接收機ASIC芯片，美國T1公司已推出了廉價的單芯片DRM/DAB接收機解決方案。預計全球共有70多家廣播電臺開通了DRM節(jié)目廣播[14]。目前的研究重點是探索DRM擴展數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和增值服務(wù)模式以及在新體制下電臺運營模式。

我國在數(shù)字調(diào)幅廣播系統(tǒng)設(shè)備研制和試驗研究方面也取得了一定的進步[15]。2004年，我國自主成功研發(fā)了基于DRM(ETSIES 201 980)的DRM系統(tǒng)，建立了自己的數(shù)字調(diào)幅廣播(DRM)系統(tǒng)傳輸覆蓋、外場強測試實驗平臺和試驗環(huán)境，解決了模擬調(diào)幅廣播發(fā)射機數(shù)字化改造中一系列關(guān)鍵技術(shù)問題。

2 實施方案和技術(shù)路線

實驗平臺由DRM基帶及低中頻信號產(chǎn)生、DRM低中頻信號接收和射頻前端構(gòu)成。

2.1 DRM基帶及低中頻信號產(chǎn)生

DRM基帶及低中頻信號產(chǎn)生單元的組成框圖如圖2所示。由圖可見，其涵蓋了信道編碼、調(diào)制、交織、導頻、成幀及信號處理等通信系統(tǒng)的基本組成模塊。

圖2 DRM發(fā)射系統(tǒng)框圖

DRM系統(tǒng)主要分為三個通道：主業(yè)務(wù)通道(MSC，Main Service Channel)，快速訪問通道(FAC，F(xiàn)ast Access Channel)和業(yè)務(wù)描述通道(SDC，Service Description Channel)。MSC通道包含音頻和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，其中復接器對不同保護級別的數(shù)據(jù)和音頻業(yè)務(wù)進行復接；FAC提供信號帶寬、調(diào)制方式和交織長度等信息；SDC提供如何解調(diào)MSC、如何找到相同數(shù)據(jù)的

其他數(shù)據(jù)源和在復接器中為業(yè)務(wù)提供屬性等信息。MSC最多可包括四路業(yè)務(wù)，任何一路都可以是語音/音頻或數(shù)據(jù)。每個信道采用不同的能量擴散、信道編碼和調(diào)制進行不同級別的保護，與導頻形成OFDM信號復合成幀形成輸出信號，然后基帶信號經(jīng)過正交上變頻轉(zhuǎn)換為射頻信號輸出。并使用開源的GNU Radio和USRP平臺作為基礎(chǔ)，編寫相應的信號處理算法。

2.2 DRM基帶(低中頻)信號接收

DRM信號接收單元框圖如圖3所示。在接收端，模擬的OFDM信號經(jīng)過模擬前端和A/D變換后成為數(shù)字基帶的OFDM信號。為進行OFDM信號的正確解調(diào)，從包含有保護間隔的碼元中準確選擇出有用信號部分，保證接收機本地產(chǎn)生的載波頻率與發(fā)射載波頻率嚴格同步，保證A/D變換的采樣頻率與發(fā)射端保持同步，因此設(shè)計實現(xiàn)了圖中給出的有關(guān)碼元開窗位置、載波頻率和采樣時針頻率的同步誤差估計和調(diào)整模塊。同步誤差估計主要分為FFT前的和FFT后兩部分，F(xiàn)FT前同步包括碼元開窗位置的粗同步和頻率偏移細估計等，F(xiàn)FT后包括時間細同步，頻率粗、細同步和采樣時鐘同步等，碼元開窗、頻率和采樣時鐘的誤差都是在FFT前進行校正的。同步頻偏算法采用之前的科研成果。OFDM信號在經(jīng)過信道均衡之后，就可以進行信道解碼和音頻解碼。我們使用開源的Dream軟件接收機作為基礎(chǔ)和用戶界面，并應用相應模塊的科研成果。

圖3 DRM廣播接收系統(tǒng)信號流圖

2.3 收發(fā)射頻前端電路

除了可以使用現(xiàn)有USRP系統(tǒng)作為射頻前端外，為降低實驗成本，設(shè)計了簡化的射頻前端。本項目設(shè)計的DRM接收機由三部分組成：改造后的模擬前端、下變頻電路和計算機處理軟件。模擬前端接收的DRM信號，輸出中心頻率為455 kHz的中頻信號，下變頻電路將中頻輸出下變頻到12 kHz的中頻，并輸出給計算機聲卡，最后利用計算機上的軟件完成對信號的解調(diào)和解碼。圖4為原理框圖。

下變頻電路完成兩個功能，455 kHz的中頻濾波和將中心頻率為455 kHz的信號變換到中心頻率為12 kHz的低中頻信號。圖5為下變頻電路原理圖。

圖4 DRM接收機實現(xiàn)框圖

圖5 接收系統(tǒng)前端下變頻電路

其中變頻由混頻器和本地振蕩器完成，本地振蕩器頻率選擇為443 kHz，用振蕩頻率約為4.43 MHz的晶體振蕩器，經(jīng)十分頻后得到443 kHz本振信號，然后輸入到SA612A與中頻信號455 kHz進行混頻，混頻后經(jīng)過低通濾波器濾波后，輸出12 kHz中頻信號直接輸入PC進行處理。發(fā)射機的上變頻是該過程的逆過程，不再贅述。

如上所述，本實驗平臺基于DRM廣播系統(tǒng)，可以實現(xiàn)對上述各個部分獨立及整體傳輸流程設(shè)計演示，給學生提供完整的DRM系統(tǒng)實驗平臺，讓學生理解和掌握各個基本模塊在傳輸中的作用及參數(shù)設(shè)計，使得學生對上述分析中提到的DRM系統(tǒng)的特點在實驗的過程中深入了解。

3 基于實驗平臺的專題實驗內(nèi)容

由于DRM系統(tǒng)是一完整的廣播通信系統(tǒng)，并在實際中已經(jīng)得到了廣泛應用，所以基于DRM系統(tǒng)的實驗可以加深學生對專業(yè)基礎(chǔ)理論的理解，了解本學科的前沿技術(shù)發(fā)展。實驗基本上以從整體到部分，再回到整體的思路進行設(shè)計。下面對各實驗進行簡述。

3.1 DRM系統(tǒng)整體講解與演示

講述DRM系統(tǒng)的基本組成框架，分析其涵蓋的信道編碼、調(diào)制、交織、信號組幀等基本組成模塊在整個系統(tǒng)中的作用。在系統(tǒng)整體演示的過程中，給出信號經(jīng)過不同傳輸模塊的演變過程，分析實際信號在傳輸過程中的特點，如何在接收端利用信號檢測、統(tǒng)計等理論恢復信號，以便學生對整個國標系統(tǒng)的工作原理有基本了解。可供討論的基本模塊包括：

(1) 信源編碼：AAC、CELP、HVXC三種音頻和語音編碼器；

(2) 信道編碼：不刪除速率的卷積編碼；

(3) 調(diào)制方式：窄帶下OFDM的利用；

(4) 星座圖映射：QPSK、16QAM、64QAM等；

(5) 幀結(jié)構(gòu)：理解導頻、傳輸信令、超幀等的作用；

(6) 導頻設(shè)計：理解導頻設(shè)計的原則；

(7) 模式識別：不同算法對識別概率的影響；

(8) 同步算法：理解時域和頻域同步的不同，掌握粗同步、細同步的流程；

(9) 均衡算法：導頻對均衡算法的影響以及不同算法的效能比較。

3.2 DRM發(fā)射實驗系列

3.2.1 實驗目的

(1) 掌握DRM廣播發(fā)射系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和信號流程；

(2) 掌握系統(tǒng)中各關(guān)鍵模塊的算法和實現(xiàn)方法和性能測試方法；

(3) 理解DRM廣播系統(tǒng)的設(shè)計難點以及系統(tǒng)參數(shù)選擇原則。

3.2.2 實驗內(nèi)容

gr-drm基于GNURadio和USRP實現(xiàn)了一個DRM短波發(fā)射機。其主要流程包括：① DRM音頻編碼；② DRM Scrambler；③ DRM SDC業(yè)務(wù)描述信道生成；④ DRM FAC快速訪問信道生成；⑤ 交織；⑥ 加入OFDM 循環(huán)前綴；⑦ EEP 相等級別保護。各模塊是用C++和Python編寫，頂層使用GNU Radio的圖形化界面進行連接，信號流程清晰直觀，見圖6。

通過查看已有的或編寫相應信號處理模塊，對其性能進行測試，并將其應用在系統(tǒng)當中，進行檢驗。在實驗中具體了解：

(1) 信源編碼：AAC、CELP、HVXC三種音頻和語音編碼器；

(2) 信道編碼：不用刪除速率的卷積編碼；

(3) 調(diào)制方式：窄帶下OFDM的利用；

(4) 星座圖映射：QPSK、16QAM、64QAM等；

(5) 幀結(jié)構(gòu)：理解導頻、傳輸信令、超幀等的作用；

(6) 導頻設(shè)計：理解導頻設(shè)計的原則。

3.3 DRM接收實驗系列

3.3.1 實驗目的

(1) 掌握DRM廣播接收系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和信號流程；

圖6 整體設(shè)置和信號流程

(2) 掌握系統(tǒng)中各關(guān)鍵模塊的算法和實現(xiàn)方法和性能測試方法；

(3) 理解DRM廣播系統(tǒng)的設(shè)計難點以及系統(tǒng)參數(shù)選擇原則。

圖7 DRM軟件接收機界面截圖

3.3.2 實驗內(nèi)容

通過查看或編寫相應信號處理模塊，對其原有的算法性能和改進后的算法性能進行測試，或者提出新的算法。并在實驗中研究下面內(nèi)容：

(1) 模式識別：不同算法對識別概率的影響；

(2) 同步算法：理解時域和頻域同步的不同，掌握粗同步、細同步的流程；

(3) 均衡算法：導頻對均衡算法的影響以及不同算法的效能比較。(見圖7)

3.4 系統(tǒng)聯(lián)調(diào)和整體測試

3.4.1 實驗目的

(1) 進一步掌握DRM廣播收發(fā)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和信號流程；

(2) 理解DRM廣播系統(tǒng)的設(shè)計難點以及系統(tǒng)參數(shù)選擇原則；

(3) 掌握DRM廣播關(guān)鍵性能參數(shù)及測量方法。

3.4.2 實驗內(nèi)容

將上述DRM基帶發(fā)射單元、射頻發(fā)射前端、射頻接收前端和DRM接收單元組合，形成完整的DRM廣播通訊系統(tǒng)。(見圖8)

在實驗平臺上可完成下述測試：

(1) 發(fā)射端：頻譜模板，頻譜帶肩，帶內(nèi)平坦度，星座圖，工作模式等；

(2) 接收端：信號頻譜，信道特性曲線，同步狀態(tài)，信道估計性能，多種模式下信號星座圖動態(tài)顯示等。

圖8 系統(tǒng)聯(lián)調(diào)和整體測試

4 實驗平臺的特色

由于DRM系統(tǒng)是一完整的廣播通信系統(tǒng)，并在實際中已經(jīng)得到了廣泛應用，所以基于DRM系統(tǒng)的實驗可以加深學生對專業(yè)基礎(chǔ)理論的理解，了解本學科的前沿技術(shù)發(fā)展。DRM廣播系統(tǒng)用于實驗教學的主要好處還有：編碼處理復雜程度適中，信號流程清晰，學生憑目前理論課教學得來的知識儲備可以勝任實驗需求。系統(tǒng)帶寬較窄，信源速率不高，可以在PC機或其他嵌入式平臺上完成實驗，成本較低。系統(tǒng)公開且安全，可避免使用GSM等通訊系統(tǒng)作為實驗可能帶來的負面社會影響。

基于該實驗平臺，可以開展的實驗內(nèi)容有：① 了解數(shù)字廣播系統(tǒng)的最新發(fā)展前沿及DRM系統(tǒng)的特點；② 掌握DRM廣播收發(fā)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和信號流程；③ 掌握系統(tǒng)中各關(guān)鍵模塊的算法和實現(xiàn)方法；④ 理解DRM廣播系統(tǒng)的設(shè)計難點以及系統(tǒng)參數(shù)選擇原則；⑤ 掌握DRM廣播關(guān)鍵性能參數(shù)及測量方法。

實驗基本上以從整體到部分，再回到整體的思路設(shè)計，講述DRM系統(tǒng)的基本組成框架，分析其涵蓋的信道編碼、調(diào)制、交織、信號組幀等基本組成模塊在整個系統(tǒng)中的作用。在系統(tǒng)整體演示的過程中，給出信號經(jīng)過不同傳輸模塊的演變過程，分析實際信號在傳輸過程中的特點，如何在接收端利用信號檢測、統(tǒng)計等理論恢復信號，以便學生對整個系統(tǒng)的工作原理有基本了解，并對無線標準的制定和實現(xiàn)有所認識。

實驗內(nèi)容均包含發(fā)射、接收兩部分，軟件、硬件相結(jié)合，對這些內(nèi)容的學習均立足學科前沿，以動手實踐為主，教師講解為輔，培養(yǎng)學生綜合運用基礎(chǔ)知識提出問題、分析問題和解決問題的能力，通過這些課程使研究生盡快進入學科前沿并基本掌握從事本學科研究工作的基本方法和技能，增強創(chuàng)新意識，提高創(chuàng)新能力。

5 結(jié) 語

DRM作為國際數(shù)字廣播標準，必將成為未來廣泛使用的數(shù)字AM/FM廣播制式。開展關(guān)于DRM系統(tǒng)的相關(guān)研究和實驗對于提高學生的實踐能力和綜合創(chuàng)新意識的培養(yǎng)具有重要的意義[16]。我們在科研成果轉(zhuǎn)化為實驗平臺設(shè)計中，考慮到了軟、硬件相結(jié)合，設(shè)計了一套集成信號采集、編碼、調(diào)制、傳輸、接收信號檢測、模式識別、同步、均衡和解調(diào)等DRM廣播信號鏈上各個功能模塊的實驗教學平臺。這個實驗教學平臺利用了目前我系在DRM廣播的信道編碼、信源編碼等科研方面上的研究成果，基于現(xiàn)有的DRM廣播實驗平臺的建設(shè)，并針對教學實驗的特點和需求而設(shè)計，可供我系和其他相關(guān)院所開展相關(guān)的系統(tǒng)實驗，對培養(yǎng)學生的系統(tǒng)分析和設(shè)計能力提供了較好的實驗環(huán)境和條件。

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Exploration and Practice of Transforming DRM into Experimental Teaching

XUShu-zheng,HUANGFULi-ying,SUNYi-nan

(Department of Electronic Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China)

Transforming research achievements into experimental teaching can strengthen the combination of scientific research and teaching, improve the experiment teaching content, and cultivate students' engineering and innovation ability, hence, it is of great significance. This paper illustrates the design and implementation of DRM (Digital Radio Mondiale) system, and shows the advantages of the software defined receiver. The principle and implementation of the PC based software receiver are introduced in the paper. Further, this paper details the technical route, experiment content and characteristics of the experimental platform to cultivate the students' comprehensive practice and innovation ability at the system level. Teaching practice has proved that this transformation of scientific research to experimental contents helps students understand the academic frontiers and cultivates the students' comprehensive ability to analyze and solve problems. The basic method and skill in the related field, the consciousness of innovation and the innovation ability can also be strengthened, so as to promote the experimental teaching effectively.

digital radio; DRM; experimental teaching; research achievements transformation

2014-10-27

徐淑正(1976-)，男，山東巨野人，博士，副教授，電子工程系實驗教學中心副主任，從事實驗教學與研究管理工作。

Tel.:13911999996； E-mail：xusz@tsinghua.edu.cn

TN 710； G 642.423

A

1006-7167(2015)10-0210-06