成功实现高性能数字无线电

作者：T.V.B. Subrahmanyam 和Mohammed Chalil

数字无线电的演化过程

调幅(AM)是20世纪前80年无线电广播的主要形式，但通道衰落、失真和噪声导致接收质量不佳。随着调频(FM)的引入，这些问题在一定程度上得到了缓解。FM还能提供立体声传输和CD音质的音频，但模拟无线电仍然无法完全消除通道缺陷效应和覆盖区域有限等问题。2003年间，两家新创商业公司XM和Sirius（后合并为SiriusXM), 在美国推出了基于订阅的大范围数字卫星无线电服务，其盈利模式与付费电视频道类似。大约与此同时，WorldSpace Radio开始为亚洲和非洲提供卫星广播。

借助“卫星数字音频无线电服务”(SDARS)，汽车收音机听众可以在卫星覆盖范围内的任何地方收听同一无线电台，只有当卫星信号被建筑物、树叶和隧道等遮挡时才会临时中断。XM卫星无线电带头通过安装地面中继器来克服遮挡问题，中继器在稠密市区发射相同的卫星音频信号，构成一个卫星与地面广播结合的架构。

几乎同时，传统 地面广播公司也绘制了数字广播蓝图，原因有二。第一，他们认识到，他们在模拟道路上很快就要走到尽头，因为全世界都在向更高质量的数字跑道迁移.第二，频谱资源越来越稀少，要在相同带宽内传输更多内容，只有通过数字化和压缩新旧内容，打包后进行广播。因此，全世界都已开始从模拟无线电转向数字无线电。这些无线电广播技术具有接收更清晰、覆盖区域更广的优势，能够在可用模拟无线电通道的现有带宽内传输更多内容和信息，而且用户可以更灵活地控制要获取和收听的节目素材（图1）。


图1. 汇聚处理器上的数字无线电

数字无线电发展示例：印度

地面广播有两种开放标准——数字多媒体广播(DMB)和通用数字无线电 (DRM)，以及一种专有标准HD Radio（由iBiquity开发，是唯一经过FCC批准用于美国AM/FM音频广播的标准）,DMB指定了数字音频广播的多种格式，包括DAB、DAB+和T-DMB，采用VHF频段III和L频段。DRM采用DRM30，工作频率范围是150 kHz到30 MHz；DRM+则采用VHF频段I、II和III。

VHF频段的有用传播基本上局限于很小地理区域内的视线范围。而短波传播则可在电离层中多次反射，从而到达世界上几乎任何地方。对于人口密集且地理范围较小的国家/地区，采用VHF频段III和L频段传输DMB非常有效。对于面积广袤的国家/地区，中短波传输能够实现有效的覆盖。因此，在试用DAB和DRM几年之后，印度政府决定采用DRM。

2007年间，印度国家广播电台(AIR)、亚太广播联盟(ABU)和DRM联合体在新德里进行了DRM的第一次现场试验。试验为期三天，当时采用了三个发射器，并测量了各种参数。除了新德里的这些试验以外，AIR还进行了长距离测量。结果表明，DRM凭借有限数量的发射器就能服务更多人口，优势明显。此外，日益提高的节能要求将功耗考虑提高到极其重要的地位。DRM的电源效率高出50%，对于支持生态平衡和让地球更环保而言至关重要。

数字无线电接收机和DSP

物理世界是模拟的, 但科学家和工程师们发现，在数字域中更容易进行大量计算和符号操作。采样理论、信号处理技术和各种数据 转换器的出现, 使工程师们得以轻松顺利地利用模数转换器(ADC)和带可编程内核的数字信号处理器来设计、实现和测试复杂的数字信号处理(DSP)系统。

强大高效DSP的发展以及信息和通信理论的进步，促成了媒体技术与通信的融合。数字无线电的出现归功于这些技术进步。

数字无线电接收机最初是作为实验室原型而设计的，然后投入试生产。像大多数技术一样，第一代产品一般是利用分立器件组装而成。随着市场规模和竞争水平的提高，制造商发现，通过降低成品价格可以进一步扩大市场。更高出货量的前景吸引半导体制造商投入资金，努力集成更多分立器件以降低成本。随着时间推移，不断缩小的芯片尺寸导致成本进一步降低，同时产品功能愈加完善。许多产品都有过这样的持续演进过程，包括FM收音机和手机。

数字无线电中的信号处理

典型的数字通信系统（图2）先将模拟信号转换为数字信号，再进行压缩，并添加纠错码，然后将多个信号打包以最大限度地利用通道容量。要传输RF信号（它存在于“实际”的模拟能量世界），须将数字信号转换为模拟信号并调制到载波频率上。接收机端发生的过程刚好相反，首先是解调载波频率。然后，将信号转换为数字信号，检查有无错误并解压缩。基带音频信号转换为模拟信号，最终产生声音。


图2. 数字无线电的软件架构

数字无线电接收机中的信号处理算法可以分为以下几类：

    通道解码
    信源解码
    音频后处理
    中间件
    用户接口(MMI)

在数字无线电中， 通源编码 和 通道编码 分别可以映射到高效音频编解码器 和 错误控制系统组件。实际上，如果编解码器采用容错设计，则可以更好地执行错误控制。

理想的通道编码器应能从传输错误中恢复。理想的通源编码器应能将消息压缩到最高信息含量（香农熵），但如果输入流包含错误，高度压缩的消息将导致非常高的音频失真。因此，高效的源编码还应确保解码器能够检测流中的错误并隐藏其影响，使得整体音质不降低。

DRM采用了通源编码和通道编码的相关技术创新，从而提供更好的音频体验。所选的DRM音频通源编码算法可确保：

    高效的音频编码——以更低的比特率实现更高的音质
    更好的容错性—在存在传输错误时降低音频质量以保证传输