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DRM系统的信源编码和信道编码

关键词:DRM 信源编码 信道编码 SBR MPEG-4 AM

时间:2009-03-25 15:58:00      来源:

依据ETSI颁布的DRM系统标准,对DRM系统所采用的信源编码和信道编码方法进行了分析和研究,详细阐述了AAC、CELP和HVXC三种信源编码的工作原理和实现方法,详细阐述了卷积编码器的工作原理。另外,简要介绍了频带恢复技术在DRM中的应用。


1 引言

 

DRM(ETSI ES 201 980) 技术标准是世界数字 AM 广播组织 DRM(Digital Radio Mondiale) 确立的关于 30 MHz 以下的数字 AM 广播标准。 DRM 系统是经过严格的开路试验、技术成熟的系统,是世界上惟一的非专利的数字系统,主要应用于中、短波广播,它可以使用已有的频率和带宽,是对传统模拟 AM 广播的重大改善。

 

信源编码和信道编码是 DRM 技术系统的关键技术,它解决了数据的存储、交换、传输的有效性和可靠性问题,一个完整的 DRM 信源编码和信道编码方框图如图 1 所示。

 

DRM 系统选择了 3 种压缩效率高,同时又有好的声音质量的信源编码方法: AAC , CELP 和 HVXC ,同时根据不同的信源编码方式选用频带恢复技术 SBR 。在 DRM 系统中, SBR 技术可以与 AAC 和 CELP 联合工作。考虑到实际应用的有效性和模块的通用与廉价性, DRM 系统选择了卷积编码器为其作信道编码。

 

2 DRM 系统的信源编码

 

信源编码的任务主要是通过对信源数据率的压缩,力求用最少的数码传递最大的信息量。众所周知,数字音频信号的质量是由其数据率决定的,音频数据率越高,在信道上传输的数据率也越高,所需的射频带宽也就越宽。 DRM 系统规定使用与模拟 AM 广播相同的频道宽度 (9 kHz 或 10 kHz) ,在条件允许的情况下,最多可以使用到加倍的带宽 (18 kHz 或 20 kHz) 。在这样窄的带宽限制下,为了得到好的声音信号质量,除了选择相应的信道编码和调制方法外,十分重要的一点是选择相应的信源编码方法。

 

为在给定的比特率下提供更好的质量, DRM 系统使用了属于 MPEG-4 的不同的信源编码方案,以适应在数字 AM 广播中不同节目 ( 音乐/语言 ) 的不同带宽的需要:

 

(1)MPEG-4 子集 AAC(Advanced Audio Coding ,先进音频编码 ) ,包括抗差错强壮性 (robust) 处理,用于普通单声道和立体声广播。

 

(2)MPEG-4 子集 CELP(Code Excited LinearPrediction ,码本激励线性预测 ) 语音编码,用于单声道语音广播,对很低比特率是有效的,或者适合于在要求较高的抗差错强壮性的情况下应用。

 

(3)MPEG-4 子集 HVXC( 谐波矢量激励编码 ) 语音编码,用于很低比特率和抗差错强壮性单声道语音广播,特别适合于基于语音数据的应用。

 

2.1 MPEG-4 AAC

 

MPEG-4 AAC 是在 MPEG-2 投入应用以后,对编码技术的进一步发展。它的编码效率是 MPEG-2 以后最有效的编码方法,在 48 kp / s 的情况下,可以得到如同 FM 立体声一样的主观听觉质量,其框图见图 2 。

 

MPEG-4 AAC 编码器包括心理声学模型、增益控制、滤波器组、暂态噪声整形、强度立体声编码、预测编码、 M / S 立体声编码、缩放因子、量化和无噪声编码。它是一种对所有音频素材来说都可以一样好的编码方法。它对音频信号的能量成分进行分析,并利用人耳的掩蔽效应,以便从音频信号中找到听觉上可被其他声音掩盖的成分。

 

AAC 本身的效率已经比众所周知的 MP3 方法高出 30 %,然而,由于窄的有限的带宽,仅使用 AAC 是不够的。借助附加应用的 SBR ,可以在保持同样高的音频质量的情况下,数据率还可以再减低 40 %。

 

2.2 MPEG-4 CELP

 

MPEG-4 CELP 对语音重放非常有利,但不适于音乐。在 MPEG-4 中实施 CELP 语言编码器的原因是, AAC 在以低于 14 kb / s 的数据率进行语音传输时能力大大减弱。在明显低的数据率的情况下, CELP 的优点是可以提供明显好的音质,甚至数据率低至 6 kb / s 时仍然可以使用 ( 有很好的可懂性,尽管此时达不到 FM 单声道质量 ) ,故为 DRM 系统所采用。 MPEG-4CELP 的音频质量还可以通过应用 SBR 来提高。

 

CELP 建立在线形预测编码 (LPC) 的基础上,一个典型的 CELP 框图见图 3 。

 

可见,输入信号的线形预测系统 LP 首先被分析,然后被量化以用于受激励码本输出所驱动的 LP 合成滤波器中。编码过程分两步,第一步计算长时期预测系数;第二步,最小化 LP 合成滤波器输入信号和输出信号之间的知觉加权误差。这一最小化过程是通过为激励码本搜索一个合适的代码矢量完成的。量化系数,以及对激励码本代码矢量的索引和长时期预测系数,形成了位流。 LP 系数被矢量量化器所量化,其激励既可以是 MPE ,也可以是规则脉冲激励 RPE 。 MPE 和 RPE 都是用多脉冲作激励信号,但存在不同的脉冲位置的自由度。和 RPE 中固定的脉冲间距相比, MPE 对于脉冲间距允许更多自由。正是由于这种灵活的脉冲间距, MPE 取得的编码质量比 RPE 更好。但另一方面, RPE 以编码质量做折中,需要的计算量比 MPE 更少。

 

2.3 MPEG-4 HVXC

为了对典型的数据率低至 2 kb / s 的语言信号进行编码, DRM 系统应用了一种叫做谐波矢量激励编码方法的编码器,即 MPEG-4 HVXC 编码器。 MPEG-4HVXC 语音编码工具集包括对以 2.0 kb / s 和 4.0 kb / s 比特率自然语音的压缩和编码。 HVXC 用于对声音部分进行残余信号谐波编码和非声音部分的矢量激励编码,在解码时支持音调和速度变化,这一功能在进行语音数据库快速搜索或浏览时非常有用。 HVXC 还有一个体系可以用错误保护工具提供错误敏感度分类。另外,错误隐藏功能可以用在有错误倾向的信道中。 HVXC 编码器框图见图 4 。

 

HVXC 首先执行 LP 分析以找到 LP 系数。量化的 LP 系数被用于反向 LP 滤波器来寻找预测误差。预测误差被转换到频域,同时分析基音周期和谱包络。这个包络在浊音部分被加权矢量量化器所量化。在非浊音部分,会进行激励矢量的闭环搜索。

 

HVXC 工作的比特率为 DRM 提供了新的应用,例如:语音业务附加到音频业务中;多语言应用;对多种节目例如新闻固化存储;用于改变存储的节目快速回放/浏览时的时间分级;在有/无分级调制时提供高的抗差错强壮性传输。

 

2.4 SBR 技术简介

 

频带恢复 SBR(Spectral Band Replicated) 技术是德国 Coding Technology 公司的专利技术,应用在 AAC 和 CELP 编码器中,可以在低比特率的情况下获得整个语音带宽,在 DRM 系统中是一种可选的语音编码增强工具。

 

所谓 SBR ,简而言之是,不需传输 6 kHz 以上的频率范围的音频数据,而通过产生 6 kHz 以上的谐波或“和声”来仿真,在解码端就可以得到直到 15 kHz 的音频带宽的音频信号。 SBR 可以使已有的编码方法更有效,并在低的比特率情况下得到明显改善的声音质量。传统的音频压缩算法在低的比特率时剪切掉了高音频部分,信号听起来感觉沉闷。在音频数据压缩前利用 SBR 分析音频信号的高音频部分,并将一些少量附加信息 ( 引导信息 ) 附加到压缩的信号中。在接收机中,有 SBR 能力的解码器从带有少量附加信息的压缩的信号中重建高音频部分,并将其再附加到“沉闷”的音频信号中。结果是音频信号主观感觉很好,音频带宽可达 15 kHz ,而仅需要 22 ~ 25 kb / s 的数据率。

 

3 DRM 系统的信道编码

 

在实际的无线电信道中传输数字信号时,由于信道的不理想或各种干扰的影响,使接收的信号产生差错。要使差错限制在一定的允许范围内,数字基带信号在进行调制前,必须进行信道编码。

 

选择信道编码方法时,首先是在给定的剩余比特差错率和平均编码率以及传输带宽下,选择允许最低的载噪声比 C / N 的一种方法。好的信道编码方法使剩余比特差错率曲线向小的 C / N 方向移动。

 

对于广播传输来说,卷积码相对于代数学的块码是有好处的。因此, DRM 系统选择了可删除卷积码。卷积编码器采用原理图输入的方法,通过移位寄存器和其不同抽头的组合来实现的。如图 5 所示。

 

寄存器的初始化状态为全 0 ,每输入一个比特会产生 4 个比特的输出。当有效数据送完时,还要继续送入 6 个 0 以使全部寄存器清零。

 

其输出与输入、存储器的状态之间的关系可用下式表示:

从图 5 可以看出,编码器的信道编码率为 1 / 4 ,只有在特别恶劣的传输环境和对差错非常敏感的特别重要的数据才使用这样的编码率。对于要求较低的差错保护来说,可以使用高的编码率,可以通过对上述基本码 ( 母码 ) 的编码比特的删除来实现。所谓“删除”,指的是母码的码位不是所有的都传送,实际传送的码位按照一个确定的方案来选择。采用删除方法,可以得到 8 / 9 , 8 / 10 ,… 8 / 32 共 24 种不同的编码率,以实现对不同重要性的数据实施不同等级的差错保护。

 

4 结语

 

技术总是不断进步的,以后肯定会出现更好的信源编码和信道编码方法。为了能够解决这样的现实性问题,就必须开发能够进行完整的软件升级的接收机。但是,这会妨碍接收机制造商在低电流消耗条件下的最佳芯片设计和开发。同时,也要解决新的编码方式所需要的处理器的功率和存储容量问题。所以, DRM 系统不会考虑使用未来的更新的信源编码和信道编码。

 
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