一种新型DAB信号分析仪设计

liyf

1 引言　　DAB是数字音频广播（digital audio broadcasting）的简称，是继调幅（AM）、调频（FM）广播之后的第三代广播，是由欧盟Eureka 147项目开发。1995年，ETSI (欧洲电信标准协会)采用DAB作为欧洲的标准[1]。DAB具有数字式音频质量，音质好、可实现多媒体及高速移动接收、可加密、发射功率小、覆盖面积大、抗干扰能力强等优点。目前DAB接收器的设计方案有很多，基于DSP和FPGA的DAB接收机设计[2-3]、基于单片机的接收机设计[4-5]。另外一种方法是利用软件设计接收器，只执行下行转换和信道解码[6]，控制和解码都是在计算机上执行的，绝大多数的数据包包括信道解码均在一台基于PC的实时接收器上用软件处理的[7]。　　本文描述了一个基于PC的DAB信号分析器，系统包括一个无线模块和一台计算机[7]。它提供了信号更加详细的资料，使用者可以一步步的观察基带信号的处理过程。它可以被用作测试发射系统或者研究DAB系统，相对于已有的专业分析器，它更容易使用，成本更低。　　DAB使用OFDM（正交频分复用）增加频谱利用率和抵抗多径效应。然而所有基于OFDM的技术对于频率偏置都很敏感，已经研究出了很多方法来寻找和矫正频率偏置[8-9]。本文评估了这些算法并且在下文中提出了自己的方法。2 系统构架?　　DAB分析器可以分为两个部分：无线模块和植入在计算机中的射频和基带处理模块。图1显示了系统框图。用长方形标记的部分在PC机上用Matlab实现，无线模块包括天线、调谐器和模数转换器。天线将电磁波转换为电子信号。调谐器调整天线的谐振频率；模数转换器把模拟信号转换为数字信号，供计算机处理。在发射端，DAB信号要经过：π/4-DQPSk, IFFT 和I-Q调制。因此接收端需要有相应的解调模块如FFT。DAB信号由帧和字符生成，接收到的信号需一帧帧，一个字符一个字符的处理。因此定位每个DAB帧的位置很重要。这部分工作需同步模块完成。每一个DAB帧有三个信道：同步信道（Null & PRS, 2 个字符）FIC(快速消息信道，3个字符)和MSC(主服务信道，72个字符)。FIC由FIB（快速消息块）组成的，FIB由FIG（快速消息组）组成的。主服务信道包含很多子信道。这些子信道可能有不同的大小和不同的信道编码方式。消息由FIG承载。例如FIG 0/1定义了基本的子信道组织，FIG 0/2定义了基本的服务组织。更详细的介绍，请参见[1]。

图1 DAB系统分析仪系统框图3 同步　　同步模块被用来定位每一个DAB帧，因此解调能够一帧帧、一个字符一个字符地执行。它有两个子模块：零探测器和帧探测器。　　零探测器搜索DAB帧的粗糙位置。如图2所示，每一个DAB帧开始于一个零字符。零探测器即找到零字符的位置来决定帧的起始点。

图2 DAB帧结构　　像标准[1]中定义的，零字符仅仅包含零。用DAB TM1作为例子，一个零字符中一共有2656个零值抽样点。在真实的信号中，这些值不可能完全都是零，但是和数据字符相比非常的小，就像在传输中的能量衰减，容易发现那些低值的采样点。可以用公式1找到零字符               

                   (1)　　其中Energy[a,b]是在区间a和b中的所有能量的采样点；Ts是DAB数据字符的长度；i是采样点的索引；R_start是零探测器搜索到粗糙的帧的起始点。公式1能够在接收数据中定位能量的衰减。然而信号在接收中经常存在误差，可能使零字符包含非正常的大值采样点。因此零探测器可能会不正确，还需要另一个模块，帧探测器。　　帧探测器用来定位每一个DAB帧的确切位置。标准中定义了相位基准字符（PRS），它有固定的模式和样本。如果能找到PRS的位置，相应的帧的位置就能被定位。定义公式2：               

             (2)
                          
                       
                          
                                　　其中Sbb[n]是接收到的基带信号；PRS[n]是时域PRS；R_start是零探测器搜索到粗糙的帧的起始点；m是搜索区域中的采样点索引。如果起始点在m=mx 也就是RS[n]=Sbb[n+mx+R_start]，那么由公式2得到公式3，在|R(m)|中有一个高的峰值，就可以找到帧的起始点。        

                    (3)4 偏置矫正　　OFDM已经成为无线通信系统中很有前景的技术，然而OFDM对载波频率偏置太敏感。它只能容忍在系统性能没有大的退化情况下的一小部分副载波间隔偏置。然而频率偏置常常比子载波间隔要大，因此，必须要进行偏置估计。离散信号频率偏置的数学模型如公式4：           

             (4)　　其中s(n)是被传输的信号，r(n)是被接收的信号，fs是采样频率，foff是单位为HZ的频率偏置。将偏置分为整数偏置和小数偏置即将foff替换成I??f +α??f :        

          (5)　　其中?f是OFDM系统的子载波间隔，当DAB TM I ?f=1KHz时，将I称为粗糙偏置因子，α称为精确偏置因子。|α|<0.5是OFDM ?f=fs/N 在子载波上面保持正交性的条件，公式5可以替换成公式6。偏置估计就是分别得到I和α的值。         

          (6)　　假定α=0，即没有小数频率偏置，定义

. 则可以得到公式7：         

       (7)　　其中R(k), S(k)和X(k)是r(n), s(n)和x(n)各自的二维傅立叶变换。公式7表示频域范围内的粗糙频率偏置，被移位的采样值即粗糙偏置因子I。DAB帧的相位基准字符是固定的，因此，可以将接收到的信号的相位基准字符复原，然后和[1]中定义的相位基准字符相对比，就能够找到移位量。　　一个相位基准字符（1536采样点）包括48个块，每个块有32个采样点。块的第一和第二组16个采样点完全相同，即第9到第24个采样点可代表整体块，这16个采样点形成了一个内核。我们找到I的方法就是从原始的相位基准字符中找出内核，在被复原的相位基准字符中找到它，计算采样点偏置的数量，定义相关函数如公式8      

             (8)　　其中K(n) 是长度为16的一个内核，Z(n)是接收信号复原的相位基准字符，n0表示K(n)在相位基准字符中的位置，假设K(n)=Z(n+I+n0), 当m=I时，P(m)到达它的峰值，可以得到I值。

图3 DAB字符结构　　如图3所示，一个OFDM字符原始长度是TU ，生成一个DAB字符的方法是复制最后的?个采样点，并把它们加到字符的前面。总长度为Ts=TU+?。以DAB TM I 为例，TU=2048, ?=504, Ts=2552。图3中被标为A和B的两个区域完全一样。但是在接收信号中由于频率偏置它们往往是不同的。我们可以通过对比A和B来找到精确频率偏置。定义自相关函数如公式9：
                          
                       
                          
                                        

     (9)　　其中PRS_r是接收的相位基准字符（时域），与公式6得到公式10：     

     (10)　　其中PRS_t是被传送的相位基准字符。如果u索引的采用点位于CP区间中，它应该和u+TU采样点一致，即PRS_t(u)=PRS_t(u+TU)。由公式10得到公式11、12：   

     (11)      

          (12)　　其中∠Q(u)是Q(u)的角度，∠Q(u)∈[-π,π]。容易计算∠Q(u)和找到α，而且能够推论出粗糙频率偏置不妨碍精确频率偏置估计的处理。5 系统实现和性能　　DAB信号分析器基于上述算法实现，当foff∈[-8.5KHz, 8.5KHz]，偏置估计模块工作良好。

图4 真实DAB信号的频率偏置估计　　图4显示了用真实DAB信号的系统测试结果，其中I=6，α=-0.3893；粗糙偏置估计建立在相位基准字符上，因此I可以被每一个帧估计一次，精确偏置估计能够在非零字符的任意一个DAB字符上执行。因此α可以被每一个帧估计76次，如图4所示，一个帧的每个字符上执行精确偏置估计，结果为α(i) (i=1,2…76)，α的平均值为 。如果精确偏置估计用 作为偏置因子，最大的误差如公式13：     

         (13)　　因此每帧仅做一次精确偏置估计是合理的。系统中粗糙偏置和精确偏置均以相位基准字符为基础的。得到了偏置估计值，偏置矫正是公式6的反转程序，如公式14所示：     

            (14)　　另一重要模块是I-Q解调，它把信号从IF转换到基带上。天线输出中心频率190.64MHZ的射频信号，调谐器将其下变换为第一中频 38.912 MHZ。模数转换器用8.192MHZ的采样频率对信号采样，它将第一中频下变换为第二中频2.048 MHZ。因此I-Q解调器有两个功能：使信号从第二中频变换到基带和使其下采样到2.048MHZ。6 结论　　本文阐述了基于PC的DAB信号分析器，它有别于常规的DAB接收机。软件定义无线技术使得系统在适应新的算法和添加新的功能上很灵活，同时也降低了对硬件的要求。　　分析器能够被用来测试DAB发射器或者研究DAB技术，因为用户可以一步步深入到系统，观察同步，偏置矫正，解调和解码程序。和专业的分析器相比，本系统的成本很低。本系统的测试信号是新加坡Mediacorp的 SmartRadio DAB 7B，图5显示了这个信号的子载波结构和服务结构，它们都是从FICs中复原的。

图5 FIGs信息