張俊濤，郭　薔

(陜西科技大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，陜西 西安　710021)

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CDR數(shù)字廣播業(yè)務(wù)描述信息的編碼調(diào)制研究設(shè)計(jì)

張俊濤，郭薔

(陜西科技大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，陜西 西安710021)

摘要：對(duì)廣播電影電視行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(GY/T268.1-2013)中調(diào)頻頻段數(shù)字音頻廣播(FM-CDR)系統(tǒng)物理層中的信道編碼與調(diào)制子系統(tǒng)內(nèi)業(yè)務(wù)描述信息編碼與調(diào)制方法進(jìn)行了研究與設(shè)計(jì).著重以新提出的算法編寫MATLAB函數(shù)并設(shè)計(jì)了信道編碼中交織模塊，并應(yīng)用MATLAB/Simulink對(duì)業(yè)務(wù)描述信息信道編碼與調(diào)制在使用矩陣交織和CDR標(biāo)準(zhǔn)交織算法進(jìn)行對(duì)比仿真.仿真結(jié)果證明：CDR標(biāo)準(zhǔn)業(yè)務(wù)描述信息編碼中提出的交織模塊算法誤比特率小于使用矩陣交織時(shí)的誤比特率.該交織模塊的算法性能優(yōu)越，可以應(yīng)用在信息幀長(zhǎng)度較長(zhǎng)、譯碼精度要求較高的通信系統(tǒng)中，為以后的研究提供參考.

關(guān)鍵詞：調(diào)頻頻段數(shù)字化廣播；信道編碼；交織器

0引言

隨著數(shù)字技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)字化電視和數(shù)字化廣播的建設(shè)已在我國(guó)相應(yīng)的影視機(jī)構(gòu)及電視臺(tái)快速發(fā)展.2012年國(guó)家廣電總局在中國(guó)國(guó)際廣播電視信息網(wǎng)絡(luò)展覽會(huì)上已明確提出，在2015～2016年，我國(guó)地級(jí)以上城市都將實(shí)現(xiàn)數(shù)字音頻廣播的全方位覆蓋[1-3].針對(duì)早期基于數(shù)字聲音廣播系統(tǒng)(DAB：DgitalAudioBroadcasting)標(biāo)準(zhǔn)中存在1.536MHz信道帶寬受限于FM/AM的兼容問(wèn)題[4-6]，2013年8月國(guó)家廣電總局頒布了具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的調(diào)頻頻段數(shù)字音頻廣播標(biāo)準(zhǔn)(FM-CDR，frequencymodulation-Chinadigitalradio)，以下簡(jiǎn)稱CDR.該標(biāo)準(zhǔn)給出了我國(guó)調(diào)頻頻段廣播數(shù)字化的方案，并且根據(jù)頻率規(guī)劃的現(xiàn)狀可提供靈活的頻譜模式，進(jìn)行系統(tǒng)參數(shù)和信道編碼方式的設(shè)計(jì)，符合我國(guó)廣播數(shù)字化的發(fā)展方向[7-9].

交織器的設(shè)計(jì)目的是盡量減小輸出序列和輸入序列之間的相關(guān)性.矩陣交織是最早應(yīng)用于信道編碼中的交織器，也是最為通用的交織方式.IEEE802.11[10,11]系列標(biāo)準(zhǔn)是無(wú)限局域網(wǎng)WLAN(WirelessLocalAreaNetwork)中應(yīng)用最廣的標(biāo)準(zhǔn)，其交織方式采用矩陣交織，系統(tǒng)性能優(yōu)越.矩陣交織器具有計(jì)算量小、復(fù)雜性低以及交織速度快等優(yōu)勢(shì)，其硬件更易實(shí)現(xiàn).本文主要研究了業(yè)務(wù)描述信息信道編碼與調(diào)制，重點(diǎn)對(duì)編碼中交織模塊進(jìn)行了研究和設(shè)計(jì).通過(guò)使用MATLAB/Simulink完成業(yè)務(wù)描述信息的信道編碼及調(diào)制設(shè)計(jì)，并且將矩陣交織器放入業(yè)務(wù)描述信息信道編碼中與CDR標(biāo)準(zhǔn)中交織算法進(jìn)行對(duì)比，分析交織模塊性能.

1CDR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1數(shù)字音頻廣播發(fā)射系統(tǒng)

調(diào)頻頻段數(shù)字音頻廣播系統(tǒng)通過(guò)數(shù)字編碼調(diào)制技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)字音頻廣播業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的播出，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示.調(diào)頻頻段數(shù)字音頻廣播發(fā)射系統(tǒng)由音頻和數(shù)據(jù)輸入子系統(tǒng)、復(fù)用子系統(tǒng)及信道編碼與調(diào)制子系統(tǒng)構(gòu)成.

圖1　調(diào)頻頻段數(shù)字音頻廣播系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

調(diào)頻頻段廣播系統(tǒng)可同時(shí)傳輸多路數(shù)字音頻及業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)至復(fù)用子系統(tǒng).由復(fù)用子系統(tǒng)生成主業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)描述信息、包含編碼調(diào)制和頻譜模式等的控制信息，再通過(guò)物理層的信道編碼與調(diào)制子系統(tǒng)，產(chǎn)生最終的射頻發(fā)射信號(hào).最后接收子系統(tǒng)完成對(duì)發(fā)射信號(hào)的接收和解調(diào)[12].

1.2系統(tǒng)的物理層結(jié)構(gòu)

調(diào)頻頻段數(shù)字音頻廣播物理層的編碼和調(diào)制子系統(tǒng)功能框圖如圖2所示.信道編碼與調(diào)制子系統(tǒng)的物理層輸入為上層數(shù)據(jù)流，輸出為射頻信號(hào).信道編碼與調(diào)制子系統(tǒng)將來(lái)自于上層的主業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)描述和系統(tǒng)信息進(jìn)行相應(yīng)的信道編碼，包括擾碼、LDPC編碼、卷積編碼和星座映射等.編碼后插入離散導(dǎo)頻形成OFDM符號(hào)，進(jìn)行OFDM調(diào)制，實(shí)現(xiàn)數(shù)模頻譜的靈活選擇[9,12].

圖2　物理層的編碼和調(diào)制功能框圖

2CDR系統(tǒng)業(yè)務(wù)描述信息的編碼調(diào)制設(shè)計(jì)

2.1加擾模塊設(shè)計(jì)

上層復(fù)用子系統(tǒng)產(chǎn)生的業(yè)務(wù)描述信息由一個(gè)二進(jìn)制偽隨機(jī)序列Ps(i)進(jìn)行加擾.如圖3所示，Ps(i)由線性反饋移位寄存器產(chǎn)生，其對(duì)應(yīng)生成多項(xiàng)式為：x12+x11+x8+x6+1，移位寄存器的初始值為100000000000，在每個(gè)邏輯幀的起始位置重置線性反饋移位寄存器至初始值.

圖3　產(chǎn)生擾碼的線性反饋移位寄存器

2.2卷積編碼模塊設(shè)計(jì)

卷積編碼采用約束長(zhǎng)度為7的1/4卷積碼，卷積碼的編碼器如圖4所示，對(duì)應(yīng)的八進(jìn)制生成多項(xiàng)式為：[133，171，145，133]，移位寄存器初始值全為0.

圖4　卷積碼編碼器

2.3比特交織模塊設(shè)計(jì)

經(jīng)過(guò)卷積編碼的業(yè)務(wù)描述信息采用比特交織，交織以交織塊為單位進(jìn)行，其交織算法如下：設(shè)交織前的輸入序列為U=(u0,u1,u2,…,uNMUX-1)，其中NMUX為交織塊的長(zhǎng)度，交織后的輸出序列為：V=(v0,v1,v2,…,vNMUX-1)，則Vn=UR(n)，其中R(n)可按照下列算法求得：

for(i=0,i

{

if (P(i)

{

R(n)=p(i)

}

}

其中，p(0)=0，p(i)=mod(5×p(i-1)+g),s),(i≠0)，s=2[log2NMUX]，g=(s/4)-1.

2.4星座映射

業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)描述信息經(jīng)過(guò)比特交織后采用16QAM映射方式.各種符號(hào)映射加入功率歸一化因子，使各種符號(hào)映射的平均功率趨同.調(diào)制方式支持非分層調(diào)制方式和分層調(diào)制方式[12].

2.5離散導(dǎo)頻模塊設(shè)計(jì)

OFDM符號(hào)包含虛子載波、連續(xù)子載波、離散子載波以及數(shù)據(jù)子載波，相應(yīng)放置的信息就是零信號(hào)、系統(tǒng)信息、導(dǎo)頻以及業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)描述信息[9,13].其中，業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)描述信息和系統(tǒng)信息已由前面編碼獲得相應(yīng)子載波，離散導(dǎo)頻根據(jù)圖5所示產(chǎn)生器，產(chǎn)生隨機(jī)信號(hào)，進(jìn)行QPSK調(diào)制即可獲得.傳輸模式為1和3時(shí)，p1=62NI，傳輸模式為2時(shí)，p1=32NI，兩路信號(hào)為：

pI={pI1,pI2,…，pIpI}

pQ={pQ1,pQ2,…,pQi,pQpI}

形成比特流：pI1pQ1,pI2pQ2,…,pIpIpQpI.

圖5　離散導(dǎo)頻偽隨機(jī)序列產(chǎn)生器

3業(yè)務(wù)描述信息編碼不同交織模塊對(duì)比分析

3.1矩陣交織器算法

矩陣交織算法中編碼后的一組信息X=(x1,x2,…,x16) ，按列寫入大小為M×N的陣列存儲(chǔ)器，從存儲(chǔ)器里按行輸出，送入突發(fā)差錯(cuò)信道，信道輸出再送入反交織器.完成交織器的相反變換，即按行寫入按列讀出.反交織器的輸出，即陣列存儲(chǔ)器中按列讀出的信息，這樣信道中的連續(xù)突發(fā)錯(cuò)誤被解交織器以M個(gè)比特為周期進(jìn)行分隔再送往解碼器，如果這M個(gè)錯(cuò)誤比特處于信道編碼的糾錯(cuò)能力范圍內(nèi)，則達(dá)到了消除突發(fā)錯(cuò)誤的目的[14,15].

3.2CDR標(biāo)準(zhǔn)交織算法

根據(jù)CDR標(biāo)準(zhǔn)[12]，業(yè)務(wù)描述信息交織模塊的算法，編寫MATLAB函數(shù)生成交織模塊.在傳輸模式1下，交織塊長(zhǎng)度NMUX為3408.函數(shù)程序流程圖如圖6所示.

圖6　交織算法程序流程圖

CDR標(biāo)準(zhǔn)中交織過(guò)程描述代碼如下：

functiony=fcn(u)

Nmux=3408;

s=2^(log2(Nmux));

g=(s/4)-1;

p=zeros(3408,1);

R=zeros(3408,1);

data=zeros(3408,1);

fori=1∶1∶3408

if(i<=1)

p(i)=0;

else

p(i)=mod((5*p(i-1)+g),s);

end

data(i) =u(p(i)+1);

end

3.3仿真結(jié)果分析

根據(jù)前面所述的設(shè)計(jì)原理，應(yīng)用MATLAB/Simulink進(jìn)行模塊仿真.仿真參數(shù)如表1所示.

表1　仿真參數(shù)

對(duì)比兩種交織性能仿真圖如圖7所示.Binaryerrorpatterngenerator模塊用于模擬信道中的隨機(jī)錯(cuò)誤和突發(fā)錯(cuò)誤.其參數(shù)Probabilities設(shè)為0.001*ones(1,8)，表示每個(gè)碼字中發(fā)生1～8個(gè)比特的錯(cuò)誤概率均為0.001.Goto1模塊的Tag設(shè)為Err，F(xiàn)orm1模塊的GotoTag選為Err.Binaryerrorpatterngenerator模塊的輸出第一路通過(guò)Goto1模塊與CDR標(biāo)準(zhǔn)提出的算法交織后的比特?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行模二加法操作.第二路與矩陣交織后的比特?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行模二加法操作.

圖7　交織模塊性能仿真圖

在如圖8所示的Tx子系統(tǒng)中，以CDR標(biāo)準(zhǔn)中業(yè)務(wù)描述信息的信道編碼為例.采用BernoulliBinaryGenerator模擬生成業(yè)務(wù)描述信息序列Ps(i).選中Frame-basedoutputs，使其輸出為幀格式.Convonlutionalencoder是卷積編碼模塊，參數(shù)設(shè)置滿足約束長(zhǎng)度為7的1/4卷積碼，其八進(jìn)制生成多項(xiàng)式為：[133，171，145，133].其多項(xiàng)式參數(shù)均設(shè)定為poly2trellis(7,[133 171 145 133]).卷積編碼模塊的輸出分為兩路，分別連接兩種不同的交織算法.

圖8　Tx子系統(tǒng)模型框圖

在如圖9所示的Rx子系統(tǒng)中，經(jīng)過(guò)突發(fā)錯(cuò)誤信道后的數(shù)據(jù)分別進(jìn)行OFDM解調(diào)、解交織和Viterbi譯碼，并與原始信息比特進(jìn)行比較，統(tǒng)計(jì)譯碼后的誤比特率.Viterbi譯碼模塊的參數(shù)與Tx子系統(tǒng)中卷積編碼模塊的參數(shù)設(shè)置相同.Buffer7和Buffer10模塊用來(lái)完成3048Deinterleaver模塊與ViterbiDecoder模塊以及MatrixDeinterleaver模塊與ViterbiDecoder1模塊之間的速率匹配.由于交織后的數(shù)據(jù)產(chǎn)生時(shí)延，Buffer5、Buffer6、Buffer8和Buffer9模塊是對(duì)原始消息比特進(jìn)行時(shí)延，以便正確的與解交織后的譯碼比特相比較.

圖9　Rx子系統(tǒng)模型框圖

各模塊參數(shù)設(shè)置完成后，把仿真時(shí)間設(shè)為10.仿真結(jié)果如圖10所示，在信噪比較高時(shí)，CDR標(biāo)準(zhǔn)交織性能比矩陣交織性能好大約2dB.通過(guò)分析可知矩陣交織時(shí)，經(jīng)過(guò)交織矩陣和反交織矩陣后，原來(lái)信道中的連錯(cuò)變成了個(gè)數(shù)較少的連錯(cuò).但是當(dāng)使用矩陣交織中出現(xiàn)矩形錯(cuò)誤時(shí)交織會(huì)完全失效.這樣的交織沒(méi)有做到完全的無(wú)序.而CDR標(biāo)準(zhǔn)中提出的交織算法，是根據(jù)數(shù)字音頻廣播在不同的傳輸模式和調(diào)制方式下，選取不同的交織塊長(zhǎng)度，不同的交織塊長(zhǎng)度產(chǎn)生不同的參數(shù)，從而使交織輸出的信息序列重新排列.不同的參數(shù)決定的輸出序列不同.這樣的交織使原來(lái)信道的突發(fā)差錯(cuò)變成了無(wú)記憶、隨機(jī)性的獨(dú)立差錯(cuò)，這樣的交織器做到的無(wú)序性比矩陣交織更好.可見對(duì)于信息幀較短的通信系統(tǒng)，使用矩陣交織較好.對(duì)于信息幀長(zhǎng)度較長(zhǎng)，交織長(zhǎng)度相應(yīng)增長(zhǎng)，譯碼精度要求較高的通信系統(tǒng)如數(shù)字音頻廣播系統(tǒng)應(yīng)采用CDR提出的交織算法.

圖10　交織算法仿真結(jié)果對(duì)比

4結(jié)論

本文對(duì)CDR標(biāo)準(zhǔn)中業(yè)務(wù)描述信息信道編碼與調(diào)制系統(tǒng)進(jìn)行研究與設(shè)計(jì)，并應(yīng)用MATLAB/Simulink對(duì)業(yè)務(wù)描述信息數(shù)據(jù)的編碼與調(diào)制進(jìn)行了仿真.重點(diǎn)對(duì)CDR標(biāo)準(zhǔn)中提出的交織算法與矩陣交織算法做了對(duì)比研究.仿真結(jié)果可以看出突發(fā)錯(cuò)誤信道中交織器的作用.信噪比較高時(shí)，CDR標(biāo)準(zhǔn)中交織模塊算法誤比特率小于矩陣交織誤比特率.驗(yàn)證了本算法的可行性與優(yōu)越性.該交織模塊的算法可以應(yīng)用在信息幀長(zhǎng)度較長(zhǎng)，譯碼精度要求

較高的通信系統(tǒng)中.

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【責(zé)任編輯：陳佳】

ResearchanddesignofcodingandmodulationofCDRdigitalbroadcastingservicedescriptioninformation

ZHANGJun-tao,GUOQiang

(CollegeofElectricalandInformationEngineering,ShaanxiUniversityofScience&Technology,Xi′an710021,China)

Abstract:In this article,according to the FM band digital audio broadcasting system of the radio, film and television industry standards (GY/T268.1-2013), the service description information coding and modulation subsystem of physical channel module is researched and designed.Mainly studied the algorithm of channel coding.Using MATLAB/Simulink complete service description information channel coding and modulation in the use of matrix interleaver and the interleave module proposed in CDR standard were compared. Simulation results show that the bit error rate of the interleave module proposed in CDR standard is less than bit error rate of the matrix interleaver.The interleave module put forward by the standard performance is superior,and it can be used in the frame length is longer,0 decoding communication system with high accuracy,provide reference for future research.

Key words:digital audio broadcasting in FM band；channel coding；interleaver

*收稿日期:2016-04-26

基金項(xiàng)目：陜西省科技廳科技計(jì)劃項(xiàng)目(2011K02-11)；陜西省教育廳專項(xiàng)科研計(jì)劃項(xiàng)目(2011JK1001)

作者簡(jiǎn)介:張俊濤(1966-)，男，陜西西安人，教授，研究方向：軟件無(wú)線電

文章編號(hào)：1000-5811(2016)04-0166-05

中圖分類號(hào)：TN92

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A