第46章 数字音频传播(3)

连续式ARQ效率高，但接收端的帧序有可能颠倒，它要求更大的缓存空间、更复杂的电路设备、时延也较大。ARQ的优点是编解码设备简单，在冗余度一样的情况下，检错码的检错能力比纠错码的纠错能力要高很多，因而广泛应用于数据通信网，如计算机局域网、分组交换网等，其缺点是需要一条反馈信道来传输回音，并要求收发端均装备有大容量存储器以及复杂的控制设备。随着光纤通信技术的广泛应用，传输误码率大为降低，反馈重发的必要性已经不很明显。

混合纠错是前向纠错与反馈重发二者的结合，发送端发送的码字兼具有检错及纠错两种能力，接收端解码器收到后首先校验错误情况，如果差错不超过误码纠错能力，则自动进行纠错，如果差错数量已超出误码纠错能力，则接收端通过反馈信道给发送端一个要求重发的信息。HEC性能及优缺点介于FEC与ARQ之间，误码率低、设备不太复杂、实时性与连贯性也比较好，它在卫星通信中得到了广泛应用。

总之，信道编码可分为检错码与纠错码两类，前者重在发现差错，后者要求能够自动纠正差错，它们在理论上并无本质区别，只是应用场合不同而侧重的性能参数有所不同。

（2）新媒体传播中常用的信道编码技术

RS码又称里德—所罗门码，它在188个字节后附加16字节的RS码，构成（204，188）RS码。它适用于检测和校正由解码器产生的突发性错误。

卷积码非常适用于纠正随机错误，但是，解码算法本身的特性却是：如果在解码过程中发生错误，解码器可能会导致突发性错误。为此实际应用时在卷积码的上部采用RS码，将卷积码和RS码结合在一起相互补偿。卷积码分为基本卷积码和收缩卷积码两种，基本卷积码编码效率较低，但纠错能力强。而收缩卷积码支持多种编码效率，但编码效率越高，一定带宽内可传输的有效比特率越大，纠错能力越弱。

级联编码采用两次附加纠错码方法。第一个附加的纠错码一般采用RS编码，又称外编码。第二个附加的纠错码一般采用卷积编码，又称为内编码。级联编码具有一定纠错能力，这种纠错码信息不需要储存，不需要反馈，实时性好。所以在广播系统（单向传输系统）常采用这种信道编码方式。

Turbo码是一种先进的信道编码技术，由于不需要两次编码，所以编码效率比RS＋卷积码高，编码/解码器运行速率达40Mb/s。而Turbo码的性能和传统的RS外码和卷积内码的级联一样好。

（3）交织

在实际信号传输过程中，持续时间较长的衰落谷点会影响到几个连续的比特，因此比特差错经常成串发生，而信道编码在检测和校正单个差错和不太长的差错串时最有效。为了纠正这些成串发生的比特差错及一些突发错误，可以运用交织技术来分散这些误差，使长串的比特差错变成短串差错。

交织技术对已编码的信号按一定规则重新排列，解交织后突发性错误在时间上被分散，类似独立发生的随机错误，从而前向纠错编码可以有效地进行纠错，前向纠错码加交织的作用可以理解为扩展了前向纠错的可抗长度字节。纠错能力强的编码对交织深度（交织前相邻的符号在交织后的最小距离称交织深度）要求相对较低。纠错能力弱的编码则对交织深度要求较高。

一般来说，对数据进行传输时，在发送端先对数据进行FEC编码，然后再进行交织处理。在接收端进行相反处理，先做去交织处理完成误差分散，再进行FEC解码实现数据纠错。另外，从图中可以看出，交织不会增加信道的数据码元。

2.扰码

数字信号直接传输的缺点是其频谱会因数据出现连续的“1”或“0”而包含大量低频成分，不适应信道的传输特性，也不利于从中提取出同步信息。解决办法之一是采用扰码技术，对信号进行随机处理，变成伪随机序列，又称为“数据随机化”和“能量扩散”处理。扰码不但能改善位定时的恢复质量，还可以使信号频谱平滑，使帧同步和自适应时域均衡等系统的性能得到改善。

加扰过程首先由发送端产生一个伪随机二进制序列（PRBS），也称为m序列，这一序列与要发送的数据码流逐个比特进行“模2加”运算后，数据流中的“1”和“0”的连续游程都很短，且出现的概率基本相同。

利用伪随机序列进行扰码也是实现数字信号高保密性传输的重要手段之一。一般将信源产生的二进制数字信息和一个周期很长的伪随机序列“模2相加”，就可将原信息变成不可理解的另一信号序列。这种信号在信道中传输自然具有高度保密性。

在接收端将接收信号与同样的伪随机序列进行相反运算，就恢复为原来的信息。

有线数字电视系统中的CA（条件接收）系统就是在发送数据中利用伪随机序列进行扰码，不过为了加强系统的保密性，其伪随机序列是不断变化的（如10秒变一次），这个伪随机序列又称为控制字（CW）。

需要说明的是，部分资料或教材将扰码甚至后面的基带/频带传输都划分到信道编码的范畴，认为信道编码的实质是寻找适合数字信号在相应传输信道中的安全传输模式，使经过信道编码后的数字码流能够匹配信道传输特性、减少误码与差错。各有不同的论述角度，并无对错之分。

3.基带传输与频带传输

在数据通信系统中，数据在信道中的传输分为基带传输和频带传输。计算机输出和输入的都是二进制数字信号，它是一种矩形脉冲信号。这种信号所占据的频带从直流和低频开始。因此人们把这种矩形电脉冲信号的固有频率称为“基带”。在一些短距离传输情况下，这种基带信号可以直接进行传输，称为“基带传输”。但是对远距离通信，基带传输就不适用了。因为电流在经过一段距离后一部分电能转化为热能，即信号损耗，信号逐渐减弱以至接收器无法检测到电流。

“一个连续振荡的信号能比其他信号传播到更远的地方”，这一规律成为绝大多数长距离通信系统的基础。与基带传输不同，长距离通信的发送器首先产生一个连续振荡的高频载波信号，然后将待发送的数据调制到载波上（也就是使高频振荡载波随所要传输的信号有规律地变化）发送出去，接收端再将信号从载波上取出来（解调），恢复为原来的信号波形。这种信号传输方法称为“频带传输”。

（1）基带传输

在基带传输系统中，信道编码器输出的代码也需要变换为适合传输的码型。基带传输码主要有：双极性不归零码、单极性不归零码、双极性归零码、单极性归零码、曼彻斯特码等，其编码规则所谓双极性指用正脉冲和负脉冲分别代表数字信号1和0；单极性指用正脉冲和零分别代表数字信号l和0；不归零是代表第一个码元的脉冲过后紧接着第二个码元的脉冲，两者之间没有时间间隔，即“不归零”；曼彻斯特码是在每个码元的正中间出现一次电平跳变，码元1的前半个符号为高电平而后半个符号为低电平，码元0相反。

数字基带信号都是矩形波，由于矩形波脉冲包含有丰富的谐波分量，所以在有限的信道带宽中，传输时会产生失真，从而引起较大的误码率。同时，每个码元所产生的谐波在时域上是相互交叠的，所以可能产生码间干扰，当然，码元波形是按一定间隔发出的，只要在特定时刻的波形幅值没有失真，即使其他部分失真很大对码元的再生判断也没有影响。

（2）频带传输

当数字信号要进行较长距离的传送时，就要采用频带传输的方式了。频带传输与基带传输的主要区别就是增加了调制与解调的环节。数字信号的调制方式称为键控。

根据调制载波的参数不同，调制方式有三种基本方式：幅度键控（ASK）、频移键控（FSK）、相移键控（PSK），分别用载波的幅度、频率和相位来传递数字基带信号。实际应用中如果直接使用简单的幅度键控、频移键控和相移键控，传输效率非常低，为了尽可能地提高单位频带内传输数据的比特速率以满足高速通信的要求，在三种基本调制方式的基础上出现了一系列抗干扰性能强、频谱利用率高的调制技术。目前已得到广泛应用的有：多进制相移键控（MPSK）、正交相移键控（QPSK）、正交频分复用调制（OFDM）、正交幅度调制（QAM）和最小频移键控（MSK）、高斯滤波最小频移键控（GMSK）以及它们的一些改进方式。在数字传输系统中，需要根据传输信道的特性选择不同的调制方式，如QPSK适合干扰严重的信道，但频谱利用率不高；多径效应严重的地面广播可以选择OFDM技术；而干扰较小的信道可以采用频谱利用率较高的QAM技术。

4.多路复用技术

多路复用是将来自不同信息源的各路信息按某种方式合并为一路，通过同一信道传送给接收端，接收端再按相应方式分离出各路信号送给不同的用户。“多路复用”可以提高系统传输能力、扩大信道容量、降低成本，因而无论是有线传输系统还是无线传输系统，都在积极研究开发多路复用技术。

常用的多路复用技术有频分多路复用技术和时分多路复用技术。频分多路复用是将各路信号分别调制到不同的频段进行传输，多用于模拟通信。时分复用是将各路信号利用同一信道的不同时隙进行通信，广泛应用于数字通信。

在时分复用系统中有两个主要器件：一是复接器，它的功能是将几路信号按时分复用的原理合成为一路数字信号。另一个是分接器，它与复接器功能相反，是把合成信号还原为几个支路的数字信号。复接器和分接器合称为数字复接设备。数字复接必须解决两个问题：一个是同步，一个是复接。同步由定时系统和码速调节单元组成，定时系统的内部时钟给复接器提供时间基准信号，码速调整单元是把码速不同的各支路调整成与复接器定时信号完全同步的数字信号，复接则是把各支路信号汇接成一路信号。

此外，还有一种波分复用技术。这是在光波频率范围内，把不同波长的光波，按一定间隔排列在一根光纤中传送。这种用于光纤通信的“波分复用”技术正在迅速发展之中。

六、数字音频传输技术

1.数字音频广播DAB系统

DAB系统由5部分组成：信源编码、复用单元、信道编码调制、发送单元和接收系统，系统图如6-5。

在信源编码部分，声音信号在尽可能保持其质量的前提下，压缩数码率。DAB使用的声音源编码方式是MUSICAM。

声音广播主要是通过电磁波在空间的传播将信号传送给接收机。空间信道的传播特性远不如电缆、光纤、卫星信道稳定，特别是在城市环境中和移动接收情况下，由于多径传播所形成的频率选择性衰落和延时扩展，以及建筑物遮挡所形成的阴影效应，使接收质量受到严重影响。目前多数DAB系统采用COFDM编码方法，主要完成能量扩散（扰码）、卷积编码和时间、频率的交织处理。然后通过正交调制产生RF信号送入发射天线。

接收端的数字广播接收设备经过相反过程恢复原声音和数据信号。

2.卫星数字音频广播原理

卫星数字音频广播系统由地球同步卫星、广播上行站、数字接收机及地面控制运营网络组成。广播流程如下：

电台的信号上行可以通过传统的“总站”方法来实现，即各电台将信号传给一个中心站进行处理，然后再从这里统一传输给卫星上的转发器。另一种方案是各电台分别采用更小、更方便的上行馈送站，通过星上处理转发器将这些不同的信号转换成单一的下行信号，再发送回地面。

卫星转发器向地面发送数字广播信号，实现覆盖。无论使用“总站”还是“分站”上行方式，传输到用户端的信号都是完全一样的。最后，地面广播接收机接收、播放节目。

就流程而言，卫星数字音频广播与卫星电视基本相同。不同的是：卫星数字音频广播接收机无需大型的抛物形天线，只用小型的便携式接收机就可以收听广播节目。

接收机带有直径10cm左右的天线。