张俊涛，郭　蔷

(陕西科技大学 电气与信息工程学院，陕西 西安　710021)



CDR数字广播业务描述信息的编码调制研究设计

张俊涛，郭蔷

(陕西科技大学 电气与信息工程学院，陕西 西安710021)

摘要：对广播电影电视行业标准(GY/T268.1-2013)中调频频段数字音频广播(FM-CDR)系统物理层中的信道编码与调制子系统内业务描述信息编码与调制方法进行了研究与设计.着重以新提出的算法编写MATLAB函数并设计了信道编码中交织模块，并应用MATLAB/Simulink对业务描述信息信道编码与调制在使用矩阵交织和CDR标准交织算法进行对比仿真.仿真结果证明：CDR标准业务描述信息编码中提出的交织模块算法误比特率小于使用矩阵交织时的误比特率.该交织模块的算法性能优越，可以应用在信息帧长度较长、译码精度要求较高的通信系统中，为以后的研究提供参考.

关键词：调频频段数字化广播；信道编码；交织器

0引言

随着数字技术的不断发展，数字化电视和数字化广播的建设已在我国相应的影视机构及电视台快速发展.2012年国家广电总局在中国国际广播电视信息网络展览会上已明确提出，在2015～2016年，我国地级以上城市都将实现数字音频广播的全方位覆盖[1-3].针对早期基于数字声音广播系统(DAB：DgitalAudioBroadcasting)标准中存在1.536MHz信道带宽受限于FM/AM的兼容问题[4-6]，2013年8月国家广电总局颁布了具有我国自主知识产权的调频频段数字音频广播标准(FM-CDR，frequencymodulation-Chinadigitalradio)，以下简称CDR.该标准给出了我国调频频段广播数字化的方案，并且根据频率规划的现状可提供灵活的频谱模式，进行系统参数和信道编码方式的设计，符合我国广播数字化的发展方向[7-9].

交织器的设计目的是尽量减小输出序列和输入序列之间的相关性.矩阵交织是最早应用于信道编码中的交织器，也是最为通用的交织方式.IEEE802.11[10,11]系列标准是无限局域网WLAN(WirelessLocalAreaNetwork)中应用最广的标准，其交织方式采用矩阵交织，系统性能优越.矩阵交织器具有计算量小、复杂性低以及交织速度快等优势，其硬件更易实现.本文主要研究了业务描述信息信道编码与调制，重点对编码中交织模块进行了研究和设计.通过使用MATLAB/Simulink完成业务描述信息的信道编码及调制设计，并且将矩阵交织器放入业务描述信息信道编码中与CDR标准中交织算法进行对比，分析交织模块性能.

1CDR系统结构

1.1数字音频广播发射系统

调频频段数字音频广播系统通过数字编码调制技术实现数字音频广播业务和数据业务的播出，其系统结构如图1所示.调频频段数字音频广播发射系统由音频和数据输入子系统、复用子系统及信道编码与调制子系统构成.

图1　调频频段数字音频广播系统结构图

调频频段广播系统可同时传输多路数字音频及业务数据至复用子系统.由复用子系统生成主业务数据、业务描述信息、包含编码调制和频谱模式等的控制信息，再通过物理层的信道编码与调制子系统，产生最终的射频发射信号.最后接收子系统完成对发射信号的接收和解调[12].

1.2系统的物理层结构

调频频段数字音频广播物理层的编码和调制子系统功能框图如图2所示.信道编码与调制子系统的物理层输入为上层数据流，输出为射频信号.信道编码与调制子系统将来自于上层的主业务数据、业务描述和系统信息进行相应的信道编码，包括扰码、LDPC编码、卷积编码和星座映射等.编码后插入离散导频形成OFDM符号，进行OFDM调制，实现数模频谱的灵活选择[9,12].

图2　物理层的编码和调制功能框图

2CDR系统业务描述信息的编码调制设计

2.1加扰模块设计

上层复用子系统产生的业务描述信息由一个二进制伪随机序列Ps(i)进行加扰.如图3所示，Ps(i)由线性反馈移位寄存器产生，其对应生成多项式为：x12+x11+x8+x6+1，移位寄存器的初始值为100000000000，在每个逻辑帧的起始位置重置线性反馈移位寄存器至初始值.

图3　产生扰码的线性反馈移位寄存器

2.2卷积编码模块设计

卷积编码采用约束长度为7的1/4卷积码，卷积码的编码器如图4所示，对应的八进制生成多项式为：[133，171，145，133]，移位寄存器初始值全为0.

图4　卷积码编码器

2.3比特交织模块设计

经过卷积编码的业务描述信息采用比特交织，交织以交织块为单位进行，其交织算法如下：设交织前的输入序列为U=(u0,u1,u2,…,uNMUX-1)，其中NMUX为交织块的长度，交织后的输出序列为：V=(v0,v1,v2,…,vNMUX-1)，则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

业务数据和业务描述信息经过比特交织后采用16QAM映射方式.各种符号映射加入功率归一化因子，使各种符号映射的平均功率趋同.调制方式支持非分层调制方式和分层调制方式[12].

2.5离散导频模块设计

OFDM符号包含虚子载波、连续子载波、离散子载波以及数据子载波，相应放置的信息就是零信号、系统信息、导频以及业务数据、业务描述信息[9,13].其中，业务数据、业务描述信息和系统信息已由前面编码获得相应子载波，离散导频根据图5所示产生器，产生随机信号，进行QPSK调制即可获得.传输模式为1和3时，p1=62NI，传输模式为2时，p1=32NI，两路信号为：

pI={pI1,pI2,…，pIpI}

pQ={pQ1,pQ2,…,pQi,pQpI}

形成比特流：pI1pQ1,pI2pQ2,…,pIpIpQpI.

图5　离散导频伪随机序列产生器

3业务描述信息编码不同交织模块对比分析

3.1矩阵交织器算法

矩阵交织算法中编码后的一组信息X=(x1,x2,…,x16) ，按列写入大小为M×N的阵列存储器，从存储器里按行输出，送入突发差错信道，信道输出再送入反交织器.完成交织器的相反变换，即按行写入按列读出.反交织器的输出，即阵列存储器中按列读出的信息，这样信道中的连续突发错误被解交织器以M个比特为周期进行分隔再送往解码器，如果这M个错误比特处于信道编码的纠错能力范围内，则达到了消除突发错误的目的[14,15].

3.2CDR标准交织算法

根据CDR标准[12]，业务描述信息交织模块的算法，编写MATLAB函数生成交织模块.在传输模式1下，交织块长度NMUX为3408.函数程序流程图如图6所示.

图6　交织算法程序流程图

CDR标准中交织过程描述代码如下：

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仿真结果分析

根据前面所述的设计原理，应用MATLAB/Simulink进行模块仿真.仿真参数如表1所示.

表1　仿真参数

对比两种交织性能仿真图如图7所示.Binaryerrorpatterngenerator模块用于模拟信道中的随机错误和突发错误.其参数Probabilities设为0.001*ones(1,8)，表示每个码字中发生1～8个比特的错误概率均为0.001.Goto1模块的Tag设为Err，Form1模块的GotoTag选为Err.Binaryerrorpatterngenerator模块的输出第一路通过Goto1模块与CDR标准提出的算法交织后的比特数据进行模二加法操作.第二路与矩阵交织后的比特数据进行模二加法操作.

图7　交织模块性能仿真图

在如图8所示的Tx子系统中，以CDR标准中业务描述信息的信道编码为例.采用BernoulliBinaryGenerator模拟生成业务描述信息序列Ps(i).选中Frame-basedoutputs，使其输出为帧格式.Convonlutionalencoder是卷积编码模块，参数设置满足约束长度为7的1/4卷积码，其八进制生成多项式为：[133，171，145，133].其多项式参数均设定为poly2trellis(7,[133 171 145 133]).卷积编码模块的输出分为两路，分别连接两种不同的交织算法.

图8　Tx子系统模型框图

在如图9所示的Rx子系统中，经过突发错误信道后的数据分别进行OFDM解调、解交织和Viterbi译码，并与原始信息比特进行比较，统计译码后的误比特率.Viterbi译码模块的参数与Tx子系统中卷积编码模块的参数设置相同.Buffer7和Buffer10模块用来完成3048Deinterleaver模块与ViterbiDecoder模块以及MatrixDeinterleaver模块与ViterbiDecoder1模块之间的速率匹配.由于交织后的数据产生时延，Buffer5、Buffer6、Buffer8和Buffer9模块是对原始消息比特进行时延，以便正确的与解交织后的译码比特相比较.

图9　Rx子系统模型框图

各模块参数设置完成后，把仿真时间设为10.仿真结果如图10所示，在信噪比较高时，CDR标准交织性能比矩阵交织性能好大约2dB.通过分析可知矩阵交织时，经过交织矩阵和反交织矩阵后，原来信道中的连错变成了个数较少的连错.但是当使用矩阵交织中出现矩形错误时交织会完全失效.这样的交织没有做到完全的无序.而CDR标准中提出的交织算法，是根据数字音频广播在不同的传输模式和调制方式下，选取不同的交织块长度，不同的交织块长度产生不同的参数，从而使交织输出的信息序列重新排列.不同的参数决定的输出序列不同.这样的交织使原来信道的突发差错变成了无记忆、随机性的独立差错，这样的交织器做到的无序性比矩阵交织更好.可见对于信息帧较短的通信系统，使用矩阵交织较好.对于信息帧长度较长，交织长度相应增长，译码精度要求较高的通信系统如数字音频广播系统应采用CDR提出的交织算法.

图10　交织算法仿真结果对比

4结论

本文对CDR标准中业务描述信息信道编码与调制系统进行研究与设计，并应用MATLAB/Simulink对业务描述信息数据的编码与调制进行了仿真.重点对CDR标准中提出的交织算法与矩阵交织算法做了对比研究.仿真结果可以看出突发错误信道中交织器的作用.信噪比较高时，CDR标准中交织模块算法误比特率小于矩阵交织误比特率.验证了本算法的可行性与优越性.该交织模块的算法可以应用在信息帧长度较长，译码精度要求

较高的通信系统中.

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【责任编辑：陈佳】

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

基金项目：陕西省科技厅科技计划项目(2011K02-11)；陕西省教育厅专项科研计划项目(2011JK1001)

作者简介:张俊涛(1966-)，男，陕西西安人，教授，研究方向：软件无线电

文章编号：1000-5811(2016)04-0166-05

中图分类号：TN92

文献标志码：A