数字声音广播（Digital Audio Broadcasting, DAB）是一种新兴的数字化音频广播系统，它将数字移动通信技术应用于广播领域，将广播真正带入了数字化时代。DAB有FM广播所无法比拟的优点：

广播音质达到CD质量；

适用范围广，不仅适合于固定和便携接收，而且在高速移动条件下也能保证很高的质量；

业务内容多样，能够提供声音以外的多种数据服务；

组网方式灵活，可以采用地面、卫星或混合广播，能够用单频网(SFN)覆盖整个服务区域。

---- DAB技术是欧洲开发的尤里卡高科技项目之一。目前，DAB已是一项成熟的技术，并经标准化后于1995年秋在英国和瑞典正式投入使用。欧洲其它一些国家也正在做实施准备。

　

图 1: DAB发射系统原理



---- DAB发射系统的原理框图如图1所示。DAB系统中，音频编码采用了MPEG层II音频压缩编码方法，支持从32Kb/s到384Kb/s的压缩后音频码流速率；信道编码器采用约束长度7的删除卷积编码。多路声音和数据业务信号编码后经时间交织和复接形成DAB帧信号。对DAB帧信号的调制过程是经频率交织后进行正交频分复用(OFDM)调制。DAB标准规定了4种传输模式以适应在多个频段上进行广播。这4种模式的参数见表 1。从表中可见，DAB信号的带宽是相当宽的。为简化起见，图 1中仅示出了一路音频信号和一路数据的编码过程，实际上DAB帧信号中一般可容纳至少6路的高保真压缩音频码流和更多路的数据流。

---- 根据发射端信号的形成过程，一个典型的DAB接收机结构应如图 2所示。DAB接收机是一个复杂的系统，包括了多种典型的通信系统常用信号解调算法和数字信号处理算法，主要有：FFT、数字滤波、解交织、差分译码、VITERBI译码、解扰、MPEG音频解码等。以纯硬件方式实现的DAB接收机中必须包括所有这些功能单元，结构十分复杂，而DAB接收机作为一种消费类电子产品，必须保证价格低廉、可靠性高，所以，唯一的出路就是集成化。欧洲的DAB接收机从实验样机开始，经历多年的发展，集成度才逐渐提高，在九十年代末期达到了单片集成化。然而，由于DAB接收机的复杂性，专用芯片的设计和生产成本居高不下，造成当今DAB接收机的昂贵价格，阻碍了它的迅速普及。

　 参数
模式I
模式II
模式III
模式IV

子载波数
1536
384
192
768

子载波间隔
1 KHz
4 KHz
8 KHz
2 KHz

帧周期
96ms
24ms
24ms
48ms

码元周期
1ms
250μs
125μs
500μs

保护间隔
246μs
62μs
31μs
123μs

码元容量
3072 bit
768 bit
384 bit
1536 bit

总数据率
2.432 Mb/s
2.432 Mb/s
2.448 Mb/s
2.432 Mb/s

信号带宽
1.536 MHz
1.536 MHz
1.536 MHz
1.536 MHz

最高射频频率
375 MHz
1.5 GHz
3.0 GHz
750 MHz

适用范围
地面广播
卫星和地面
卫星广播
地面广播

表 1: DAB模式和参数表



　

图 2: DAB接收机结构图



---- 另一方面，在90年代，美军为了解决军用通信系统中存在的电台功能单一、系统体制繁杂互不兼容等弊端，实施SPEAKeasy计划，使用运行在模块化的开放、通用的高速计算平台上的软件实现的无线电收发信机，实现了多频段、多工作方式的无线电台。这种由软件定义的无线电具有通用性、灵活性、易升级，能快速跟踪需求变化等优点。但因其对硬件平台的要求高，因而成本也高，不适用于消费类产品。然而，随着TI公司的TMS320C6x新一代高速DSP的面世，以软件无线电概念实现商用DAB接收机已成为可能。TMS320C6x系列处理器中最先问世的是TMS320C6201，它在软件无线电应用中最大优势可体现为三个方面：

高速。TMS320C6201在200MHz主时钟下具有高达1600MIPS的峰值处理能力。这是由于其内部具有8个并行的执行单元，在单时钟周期内可以并发执行8条RISC指令。另外，C6处理器指令支持位操作以及每个指令都可以成为条件指令，加强了它在通信系统应用中的表现。

无缝的外存储器接口。C6系列处理器不需要附加任何外部逻辑就可以直接连接几乎所有类型的存储器。特别是它与当今新型的廉价高速存储器SDRAM和SBSRAM的无缝连接使得系统可以在拥有大容量高速外部存储器的同时获得低造价、低功耗的优势。这一方面满足了在大数据量的DAB接收机应用中对存储空间的需求，另一方面降低了接收机的成本。

丰富的外设支持。C6系列处理器内部有多个DMA控制器、多通道串口McBSP和通用计时/计数器。DMA控制器可以与DSP的处理核心并行工作，独立完成大量数据的传送，提高了系统的吞吐能力，这一点也对数据量很大的DAB信号解调过程非常重要。

---- 我们已完成的以单片TMS320C6201为核心的DAB接收机结构如图 3所示。数字中频信号由FPGA实现的数字下变频器解调成为I/Q两路正交的基带信号，TMS320C6201则主要用于处理该基带信号。按照软件无线电模块化、开放式的设计思想，DAB接收机基带处理器的软件必须包括： OFDM解调、差分译码、解时间和频率交织、VITERBI译码、MPEG音频解码、同步提取和同步纠正等模块。这些模块中对运算速度需求最大的是OFDM解调模块和VITERBI译码模块。

　

图 3: TMS320C6201实现的软件无线电DAB接收机



　

OFDM解调模块：

-

--- OFDM解调过程实际上就是对信号进行离散傅里叶变换(DFT)，常用算法是采用DFT的快速算法FFT。对DAB模式I信号，这是一个2048点的复数FFT。以典型基2的FFT算法为例，2048点复数FFT运算量可大致估算为实数乘法次数和加法各需要45056次。系统中的OFDM码元周期1ms，因此FFT变换器每秒约需要完成1K次变换，对运算速度的要求是45×106次乘和相同次数的加，故而运算速度总需求约90MIPS。接收机中采用了TI公司的基2-DIF FFT例程，该例程是高度人工优化的，可以在45654个时钟周期内完成2048点复数FFT。在133MHz DSP主时钟条件下耗时约0.35ms。

　

VITERBI译码模块：

　

---- DAB中采用约束长度K=7的卷积码作为信道编码，生成多项式分别为133、171、145、133（8进制表示），每1-bit输入数据经编码后最多可得到4-bit结果。VITERBI译码法是最有效的，也是应用最广泛的卷积码解码方法之一，理论上可以达到最优译码。VITERBI译码过程是根据解码器的输入数据流，在编码器所有可能历经的状态中搜索一条最接近输入数据流的编码路径。约束长度K=7相当于编码器有2K-1=64个状态。实现这种约束长度较长、状态数较多的VITERBI译码器，在处理速度上对DSP要求很高。

---- VITERBI译码的最基本单元是称为"加－比－选"(Add-Compare-Select, ACS)的蝶形运算单元。一个典型的蝶形单元如图 4所示。

　

图 4: VITERBI译码蝶形单元



---- 图4中的Ci,Cj为路径比较的出发点编号，Ni,Nj为路径比较的终结点编号，ma,mb为汉明距。一个蝶形单元的操作可完成一次搜索过程中的由两个编码状态出发的路径比较。每次蝶形操作需要完成的步骤可归纳为：

if ( L[Ci]+ma < L[Cj]+mb ) {        /* Ni分支 */
L[Ni] = L[Ci]+ma;
F[Ni] = 0;
}
else {
L[Ni] = L[Cj]+mb;
F[Ni] = 1;
}
if ( L[Ci]+mb < L[Cj]+ma ) {        /* Nj分支 */
L[Nj] = L[Ci]+mb;
F[Nj] = 0;
}
else {
L[Nj] = L[Cj]+ma;
F[Nj] = 1;
}

---- L代表取或存路径长度存储器；F代表写路径选择标记存储器。显然，一次蝶形运算包括的操作很多，至少需要四次加法、两次比较、两次转移、四次存储器读、两次存储器写和相当数量的寻址操作（下标运算）。约束长度K=7的VITERBI译码器共有64个状态，所以一次完整的路径搜索要作32次蝶形操作才能译出1-bit输出结果。因此实现一个DAB用VITERBI译码器对DSP处理能力的要求相当高。若要以软件方式完成VITERBI译码器就必须充分发挥TMS320C6201的并行处理能力。经过仔细的人工优化后用于DAB接收机的VITERBI译码器模块，译码1位平均消耗140个DSP时钟周期。按一路音频码率256Kb/s估计，VITERBI译码器消耗时钟速度为140(256K=35.84MHz。以133MHz TMS320C6201 DSP主时钟频率估算，VITERBI译码器的前向搜索部分DSP处理能力消耗35.84/133≈27%。

---- 与OFDM解调模块和VITERBI译码模块相比，软件无线电DAB接收机中其它软件模块对DSP处理速度的需求要小得多。已经实现的如图 3所示结构的符合欧洲DAB标准的接收机基带处理器，完成DAB模式I下全部快速信息通道码流和单路256Kb/s码率立体声音频数据的解码，约消耗工作于133MHz时钟频率下的TMS320C6201 DSP总运算能力的75%。

---- 从音频广播数字化技术的发展来看，除欧洲DAB系统外，美、日等国还提出了多种音频广播数字化方法。另外，如何使现有AM广播数字化也是令人们感兴趣的问题。目前，世界上现存的几种主要音频广播数字化体制的比较见表 2。

　  
信源编码
信道保护
交织
调制方式
射频带宽

宽带
DAB (欧)
MPEG层II
卷积码
有
OFDM
2000K

IBOC (美)
MPEG层II
卷积码
－
OFDM
100K

BST-OFDM (日)
MPEG层II
卷积码/RS码
有
OFDM
300-500K

窄带
DMW (德)
MPEG层III
－
－
APSK
9K

天波2000 (法)
MPEG层III
－
－
OFDM
3-9K

系统B (美)
MPEG层III
卷积码/RS码
有
APSK
10K

表 2: 几种主要数字音频广播体制的调制制度比较



---- 由表2可见，尽管各国在音频广播数字化上采用的标准不同，但是技术手段大体相似。而其中又以欧洲DAB系统的带宽最宽，解调的处理能力需求最高。这启发我们，以软件无线电实现的欧洲体制的DAB接收机基带处理器有能力兼容其它体制的数字化音频广播信号的解调。实现兼容的过程仅仅需要开发一些新的软件模块，而硬件平台可基本维持不变。

---- 另一角度，从DSP处理器的技术进展来看，TI公司在TMS320C6201之后又推出了多种基于C6x核心的新型高速处理器。其中最适用于低价消费类产品的是TMS320C6211。它与TMS320C6201的结构相比，最大的差异有两点：第一，DSP的核心由C6200升级为C6200B；第二，改变了DSP内部的存储结构。

---- C6200B的核心对C6200核心的改进的另一方面是拓宽了存储访问总线。C6200的核心仅支持两路并发存储空间访问，而C6200B的核心可支持四路。这将提高核心的数据吞吐率，对大量复杂的存储访问非常有益，这恰恰是软件DAB接收机解调算法中常出现的。

---- TMS320C6211在内部存储器空间上对TMS320C6201作了简化。TMS320C6201内包含两组存储空间，一组是64K字节数据存储空间，另一组是64K字节程序存储空间。TMS320C6211则将数据和程序存储空间联合起来成为统一的64K字节第二缓存，另外加入各4K字节的程序和数据第一缓存。这种结构与TMS320C6201相比一方面减小了将近一半的存储区面积，降低了成本；另一方面增加了存储区使用的灵活程度。TMS320C6211支持用户配置第二缓存的用途。DSP内部的64K缓存是由4路16K字节的存储块组成的，程序可以把任意数目的存储块配置成为缓存或数据存储区。也就是说，64K字节的空间可以完全当作内部数据存储器，此时TMS320C6211具有与TMS320C6201相同的数据存储区大小。当然，这种情况下程序段只有4K字节的一级缓冲，运行较大程序时速度有可能下降。实用中，需要根据数据量和代码的大小综合考虑外挂存储器、缓存和内部数据存储器的分配才能达到最快运行速度。

---- 总之以TMS320C6211替代TMS320C6201实现DAB接收机核心，接收机成本就具有了与使用专用芯片的接收机相抗衡的能力。

---- 综上所述，软件无线电DAB接收机是DAB接收机实现方法的新思路，可以很好地解决DAB接收机开发成本高、周期长、风险大等问题，又具备很强的灵活性，能够兼容多种DAB体制。以新一代高性能DSP TMS320C6211作为软件无线电接收机的核心，可以单片实现DAB接收机，成本低，完全可以商用化