可接收数字广播节目的CDMA移动终端的软件设计 论文

第一章 绪论

1.1 课题的目的和意义

数字音频广播(DAB)是继调幅、调频广播之后的第三代广播，是广播领域中的一场革命，是当代多种高科技的结晶，是信息高速公路的一个重要组成部分，必将对全球的广播事业和电子产业产生巨大的影响。及时研究开发DAB，不仅能大大提高我国广播及信息传播的能力和质量、促进DAB产业的形成，而且能带动我国集成电路、元器件、家电制造等一大批相关电子信息产业的发展，因此发展DAB势在必行。与现行广播相比，DAB音质好(CD质量)、可高速移动接收、可加密、发射功率小、覆盖面积大、频谱利用率高、有很强的抗干扰和在恶劣环境下接收的能力,是广播事业发展中一个新的里程碑。

我们对数字声音广播具有CD质量的立体声音质，抗衰落能力强，信号几乎零失真，适合于固定便携和移动接收的优势考虑通过CDMA网络传输数字声音广播节目。据预测，未来的几年CDMA将以超过100%的增长速度发展，远快于GSM40%的发展速度。CDMA（码分多址）是一种以扩频通信为基础的载波调制和多址连接技术。CDMA的频谱利用率高，容量大，覆盖范围大，话音品质好，保密性强，掉话率低，可提供高速率的数据业务。是未来3G移动通信系统的重要技术。CDMA手机将越来越受到人们的青睐。从上面的统计数字和人们对数字广播的追求分析，将数字音频广播与CDMA手机相结合将会受到广大消费者的认可^[1]。

1.2 我国DAB和CDMA的发展背景

我们先了解DAB发展的动因，促使DAB发展的因素很多，其中一个重要的原因是现存广播技术模式已慢慢不能适应现代条件下人们对广播服务的要求。另一个重要原因则是广播环境的改变，进入七十年代以来，由于数字技术的广泛应用，声音的拾取、记录、重放质量得到了极大的保证，尤其是八十年代后期CD唱片的应用和普及，CD机进入了广大听众的家庭，更提高了听众对播出质量的要求。同时由于广播事业的迅速发展，相同频段内分配的广播发射频率越来越多，各播出频率间所需的保护间隔越来越难以保证，引起了越来越多的邻频甚至同频干扰；另外，由于交通工具的日趋普及，人们生活的节奏变快，途中的移动群体越来越大，这些对移动接收自然提出了更高的要求。以上这些因素，加上DAB技术本身省电，节约频谱及很强的数据传输能力和优越的移动接收性能等一系列显著优点，同时更由于各相关技术的成熟，使得DAB得以迅速发展，亦在近几年里得到世界上越来越多国家的关注和接受^[4]。

而我国目前采用的CDMA标准主要是向美国标准靠拢，同时结合我国的实际情况。如空中接口在美国的标准中注重CDMA与AMPS双模兼容，而在我国则没有这种需求，因此其频率、基本频道的设置及IMSI等方面都需要进行修改；在A接口上，美国的标准兼容了多种制式，而在我国只需要其中的CDMA一种；同样网络接口IS-41系列标准也需要进行必要的修改。

    我国在1999年4月成立了中国无线通信标准研究组CWTS，其主要目的是加强我国的标准制订工作。CWTS下面分了五个工作组WG，其中WG1为IMT-2000工作组，WG2为GSM工作组，WG3为寻呼工作组，WG4为CDMA工作组，此外还有一个知识产权组。CDMA工作组的主要任务就是制订适合我国具体情况的CDMA标准、反映网络运营者的要求、鼓励生产厂商参与标准化工作，加强中国对国际标准制订的影响力。到目前为止，WG4已拥有26个成员单位，成功地组织了多次标准化会议。

    按照WG4的工作计划，我国CDMA标准的制订主要分为三个阶段。第一阶段主要是建立起我国标准体系的基本框架。这一阶段主要以引进国际标准为主，如IS-95、IS634、IOS2.X、IS41等系列标准，并根据我国网络的具体情况进行相应的修改。主要包括：接口标准，空中接口、A接口、移动应用部分即网络接口；设备标准，基站、移动台和交换机；其他，ISUP等。目前第一阶段的工作已基本完成。第二阶段的主要任务是在第一阶段工作成果的基础上，充分发挥已建立的基本框架功能，提供更多的功能和业务，可能包含的内容有：UIM、无线智能网、低速数据（14.4kb/s）、短消息及其他一些必要的业务。目前所处阶段即为第二阶段。第三阶段是从2000年年底到2001年，面向第三代移动通信，积极开展预研，参考国际上已有的标准，如IS-95B、IS-2000、IS-2000A等，加强对分组数据网、无线智能网标准的研究，并积极介入国际标准的制订工作。在吸收和引进国外各项标准的同时，我国也正在积极开发满足我国电信网络的CDMA标准，并且已经向国际电信联盟递交了第三代移动通信技术规范TD-CDMA标准，该标准在1999年11月结束的有关世界第三代移动通信标准制订会上被最终确定为第三代移动通信技术规范的系列标准之一。这是中国提出的电信技术标准第一次被国际电信联盟所采用，同时也证明了我国的通信技术水平已逐渐与世界同步，我们的民族产业也日益引起世界的瞩目^[14]。

    从1996年底，DAB试播成功后，运营商就于1997后开始策划产业化的推广。主要在三个方面进行：一是按商业化的要求（99%的地区概率与99%的时间概率）对单频网进行仔细收测摸底；二是组织开发适合我国消费者接受的接收机；三是对受众需求的服务内容进行调查。经过近两年的努力，推广工作却不尽人意。原因有：单频网工作频率不理想，85MHz附近干扰特别严重，而且该频率同国际标准不接轨，带来设备必须特殊定购等居多不便；受市场狭小的原因，接收机开发进展缓慢等等。

我们对数字声音广播具有CD质量的立体声音质，抗衰落能力强，信号几乎零失真，适合于固定便携和移动接收的优势考虑通过CDMA网络传输数字声音广播节目。CDMA（码分多址）是一种以扩频通信为基础的载波调制和多址连接技术。CDMA的频谱利用率高，容量大，覆盖范围大，话音品质好，保密性强，掉话率低，可提供高速率的数据业务。是未来3G的移动通信系统的重要技术。CDMA手机将越来越受到人们喜爱，将数字音频广播与CDMA手机相结合将会受到广大消费者的认可^[6]。

第二章 数字音频广播技术

2.1 数字音频广播系统

DAB数字声音广播，是以数字技术为基础，采用先进的音频数字编码、数据压缩、纠错编码以及数字调制技术，对广播信号进行系列数字化的广播。它创始于欧洲，当时欧洲人开发DAB的初衷是改变传统的广播技术，提高声音播出质量和提供高速移动接收性能。DAB是对数字化了的广播音频及各种数据图像信号进行编码、调制、传递等处理，它与现在的模拟广播（AM／FM）相比具有很多的优点, DAB具备优越的高速行动接收效能与信号品质，采用的单频网技术能让收听者在不同信号区块间使用同样的频率收听。这些特性结合广播一对多大范围播送的能力，让DAB有望继无线网络及行动通讯后，开创出不同于以往的行动商务局面。听众利用DAB接收机收到更接近原始发送信息质量的节目内容。目前国际上有三种DAB系统：

⑴欧洲的尤里卡147-DAB制式：1988年9月，欧共体在世界无线电行政大会上首次进行了尤里卡147—DAB的试验，质量可以与CD音质相同。尤里卡147—DAB制式已于1995年标准化，它是一种典型的DAB系统，除了欧洲外，在世界上其它一些国家和地区都得到一定的发展。如：在加拿大、新加坡、澳大利亚 等地区DAB都得到应用。 

⑵美国的带内同频（IBOC）DAB制式：其优点是，在现有AM和FM发射设备的基础上，增加少量设备和少量投资，就可实现数字音频信号与原有的模拟广播信号用同一频道发射。这样一方面保留了原有的模拟系统，另一方面，不需要为DAB业务准备新的频率规划，达到了频率复用的目的，节省了频率资源。美国的DAB系统接收机简单、价格便宜。

⑶日本的单套节目DAB方案：日本的DAB是在地面数字电视DTV的基础上发展起来的。该方案最大的意义在于，可根据广播信息的容量灵活确定系统带宽，占用频带较窄，节省频带资源^[2]。

2.2 数字音频压缩编码技术

地面数字音频广播系统(DAB Digital Audio Broadcasting)它是继AM广播、FM广播之后的第三代广播方式，它的出现标志着广播系统正由模拟向数字过渡。模拟信号数字化后占用的带宽很宽，给传输和记录带来不便。例如，CD、DAT等高保真数字音频信号，取样率为44.1KHz、16bit线性量化，两通道立体声时，数字信号的传输率为1.41Mb/s（数字信号传输率=取样频率×量化比特×通道数），在传输这个数字音频信号时，需要占用1.41MHz的带宽，这相当于模拟信号20KHz带宽（两通道占用40KHz）的35倍。为了避免带宽的限制，发展更高领域的数字音频技术,必须对模拟信号数字化后的数据进行压缩。

早在20世纪50年代人们就开始从事音频压缩编码的研究工作。压缩的目的是在网络带宽或存储空间一定的条件下提供最优质的声音。目前人们在音频压缩方面已经取得了很大的成果，并有成熟的应用技术和相应的国际标准。我们做的课题是可接收数字广播节目的CDMA移动终端的软件设计，音频编码采用了MPEG层II音频压缩编码方法，我们做的是接收部分采用了CL480音频/视频解码器，因此下面将对音频编码中的MPEG层II音频压缩编码方法的相关知识进行描述^[3]。

音频压缩技术指的是对原始数字音频信号流（PCM编码）运用适当的数字信号处理技术，在不损失有用信息量，或所引入损失可忽略的条件下，降低（压缩）其码率，也称为压缩编码。它必须具有相应的逆变换，称为解压缩或解码。　　

鉴于数字化音频技术的优点，各国、各大公司竞相开发数字音频信号的压缩编码技术。目前，音频压缩编码已成为标准的是MPEG-1（ISO/IEC11172-3）、MPEG-2（ISO/IEC13818-3）和美国大联盟的AC-3。下面对MPEG-1（ISO/IEC11172-3）声频标准简介

    MPEG-1声频标准：MPEG专家组在制定音频压缩标准时，征求了14种方案，先保留了4种，再进一步工作后确定了2种：MUSICAM（Masking Pattern Adapted Universal Subband Integrated Coding And Multiplexing）-掩蔽型通用子频带集成编码与频分复用、ASPEC（Adaptive Spectral Perceptual Entroy Coding）-自适应频谱感知熵编码。以上两种算法确定了三种层次。层次1为简化的MUSICAM，层次2等同MUSICAM ，层次3是ASPEC算法结合MUSICAM算法，并对层次1、层次2向下兼容的一类算法。层次1最适合于消费者应用。层次2通过在比例系数消除冗余度和不相干性而带来了进一步的压缩。等级2（除了帧头外）与MUSICAM 方案完全相同。在消费和专业音频中有着无数的应用。例如地面的数字音频广播（DAB）、Video-CD等。层次3采用了均匀量化、自适应分段、量化值的熵编码等技术，编码效率高，但编码器和解码器都比较复杂。

MPEG-1音频压缩的3个层基本模型相同，层号越高,性能越好,也越复杂。高层次的解码器能对所有低层比特流数据进行解码。在保持CD立体声音质的前提下，3个层次的编码效率（压缩倍数）和输出码率:

编码器层号     压缩方法     压缩倍数      输出码率

层1(Layer 1)   MUSICAM      1: 4          384 kbps

层2(Layer 2)   MUSICAM      1: 6-8        256-192 kbps

层3(Layer 3)   ASPEC        1: 10-12      128-112 kbps

    ⑴MPEG-1音频压缩(层 1 )

    多相滤波器组把输入信号变换到32个子带中去, 子带是线性划分的;每帧包含384个样本，32个子带分别输出12个样本；心理声学模型仅使用频域掩蔽特性,以12个样本为一组，“量化和编码器”根据SMR确定每个子带的比特分配，然后按比特分配进行量化和编码,被高度掩蔽的子带不需要进行编码。

    ⑵MPEG-1音频压缩(层 2 )

    每帧有1152个样本, “量化和编码器”对一个子带中的三个样本组(3x12个样本)一起进行编码；除了使用频域掩蔽特性之外还利用了时间掩蔽特性；在低、中和高频段对比特分配作了限制(低频段子带:4位，中频段子带:3位，高频段子带:2位)，对比例因子和量化样本值的编码也更紧凑。

    使用比较好的临界频带滤波器，把声音频带分成非等带宽的子带，心理声学模型除了使用频域掩蔽特性和时间掩蔽特性之外，还考虑了立体声数据的冗余，使用了霍夫曼(Huffman)编码器.多相滤波器组把输入信号变换到32个频域子带中去。子带的划分是非线性的，因为人耳的听觉特性是以“临界频带”来划分的，在一个临界频带之内，很多心理声学特性都是一样的。

⑶ MPEG-1 声音(层3)编码原理使用ASPEC(Adaptive Spectral Perceptual Entropy Encoding)和OCF(Optimal Coding In The Frequency domain)导出的算法，使用了改进离散余弦变换MDCT(modified discrete cosine transform)，对层1和层2的滤波器组的不足作了一些补偿。MDCT把子带的输出在频域里进一步细分, 以达到更高的频域分辨率。

⑷MPEG-1音频的Frame结构帧的作用：帧是音频数据的组织单位，用于同步、纠错，也有利于存取、编辑。格式： Header + 音频数据 +（纠错码）. Header的内容:同步字 ；算法标志；layer标志；纠错标志；速率标志 ；取样标志；缓冲标志 ；模式标志；加重标志 ；版权标志^[8]。

2.3 数字音频广播系统的优点

DAB与现行的广播相比，具有音质好、接收质量高、抗干扰性强、发射功率小、覆盖面积大、频谱利用率高等特点。其优点归纳如下：

⑴不论固定、便携或移动接收，DAB都能提供CD级的接收质量。

⑵接收机操作方便、简单。只需在接收机输入一个“节目号数”即可，抛弃了现今采用繁琐的频率寻找。

⑶DAB接收机还可实现可变的动态控制，无论在汽车、住室还是在室外，接收机可自动调整到最佳聆听的信号动态。

⑷抗干扰能力强。使用便携式收音机和使用汽车收音机时，没有杂音、没有干扰。

⑸频谱利用率高。信道可容几十路立体声，在传送声音广播节目的同时，DAB的数据信道还有能力传送其它附加信息，例如音乐、语言、发射的识别以及节目类型等信息的传送。

⑹数字广播具备加扰、加密功能，使有偿节目服务成为可能。

⑺ DAB降低了发射功率，减少了电磁污染^[7]。