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NXP: 汽車娛樂產品的演進~軟體收音機技術使得汽車收音機能夠同時支援多種數位廣播標準

 2011-09-28
作者:Sebastian Schreuder 汽車娛樂系統產品經理

集所有功能於一體,這並非虛言。現在,設計工程師可以只通過一個數位收音硬體平臺,就能靈活地滿足功能豐富的汽車資訊娛樂系統的各種需求。事實上,自Joseph Mitola於20世紀90年代中期提出軟體收音機 (SDR) 的概念以來,它就立刻成為人們關注和研究的焦點。軟體收音機為無線電應用設計者解決了諸多難題,尤其是為實現全球的通用性,收音機所必須支持的標準數量,以及支援多重標準所需的成本。那為什麼是現在呢?

儘管SDR概念已經在軍事應用中普及多年,但直到最近,對成本敏感的產品,如汽車收音機和手機的設計者們才開始設計基於SDR的解決方案。摩爾定律是一個重要的實現因素,也能使數百萬的電晶體支援高計算密度信號處理晶片。但是,僅憑預處理能力是不夠的。因為在現實世界,還應根據功耗、晶片尺寸和處理核心架構的靈活性等其他指標判斷收音性能,從而適應新的標準。

除此之外,在必須滿足不同地區的汽車資訊娛樂標準要求的同時,工程師也面臨著開發通用的解決方案的問題,因為對於為全球客戶提供服務的汽車OEM而言,單一的方案是不夠的。例如,在美國,HD Radio目前已成為主要汽車品牌的車載娛樂系統中的核心元件。同時,在歐洲,從英國開始,政府選擇了DAB/DAB+/T-DMB標準系列;而德國、法國和義大利等其他歐洲國家對DAB、DAB+和T-DMB也表現出更大的熱情。

為了解決標準不統一帶來的問題,恩智浦半導體的工程師們提出了一個非常靈活的SDR理念,即信號處理模組變成一種可在不同標準之間所共用的功能。該解決方案採用了由恩智浦及其合作夥伴共同開發的最先進的嵌入式數位信號處理內核,能夠支援現有汽車應用中的各種收音標準, 還能通過更新軟體來適應未來的新的標準。恩智浦的SAF356x是首款用於地面數位廣播的多標準基帶輔助處理器,除HD Radio,DAB等標準外,還可以通過軟體更新來支援包括DRM或DRM+在內的其他標準。

作為一個相容多種標準的處理器,SAF356x可以代替目前用於車載娛樂系統的多個晶片,通過靈活的軟體升級來適應未來的平臺拓展及升級。SAF356x有助於汽車製造商及其供應商降低數位接收系統的總體成本。

恩智浦及其合作夥伴積極參與了DAB、DAB+、T-DMB、DRM、DRM+以及HD Radio的標準制定等相關事務,對設計高效靈活的架構有著深入瞭解。此外,相關的技術和IP是由恩智浦及其合作夥伴開發並擁有的。

作為一個汽車級多標準數位廣播接收方案,SAF356x可以支援多種數位收音標準:數字調幅廣播 (DRM);DRM+;數位音訊廣播 (DAB);DAB+;地面數位多媒體廣播 (T-DMB) 和HD Radio。值得注意的是,針對所有這些標準SAF356x都支援單/雙調諧器系統,並可通過軟體對功能進行調整,例如DAB-FM轉換接收演演算法的改進。軟體收音技術為所有這些靈活性提供了支援。為了說明上述標準的異同,下面我們來具體研究一下這些標準。

數字調幅廣播 (DRM):
DRM是一種30MHz頻率以下的短、中、長波數位收音系統。它具有接近FM的音質以及數位傳輸的方便性,對於AM接收效果的提升是非常顯著的。

DRM系統採用編碼正交頻分複用 (COFDM) 技術。所有由數位編碼產生的音訊資料以及相關的資訊資料均通過大量緊密排列的載波進行傳輸。

所有載波均包含在傳輸通道中,時間和頻率交織的方法用以減輕多徑干擾所造成的衰減。OFDM和編碼的各種參數均可以更改,保證DRM可以在不同的傳播環境中正常運行。

DRM的最大位元速率為72 kbit/s。圖1為DRM通道編碼器的框圖。

圖1:DRM通道編碼器
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DRM系統利用MPEG 4高效高級音訊壓縮 (HE AAC+ v2) ,以低資料率提供高品質音訊。此外,碼激勵線性預測編碼 (CELP) 和諧波向量激勵編碼 (HVXC) 語音壓縮演演算法則以更低的資料率對單獨的語音信號進行編碼,如圖2所示。

圖2:DRM信源編碼器
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DRM+
DRM+是在DRM基礎上的進一步發展,它是在波段I和波段II (FM-波段) 上數位收音傳輸的標準。而且,OFDM可提供高效頻譜利用和無干擾移動接收。憑藉其95 kHz的頻寬,DRM+適合歐洲使用的100 kHz FM模式,可以在波段II的各個頻段中傳輸。

DRM+最大有效資料率高達186 kbit/s;採用MPEG 4 HE AAC+音訊壓縮技術最多可以將4種不同的音訊流(包括附加的資料服務,甚至是視頻流)集成到一個DRM+多工上。該系統的總體結構與DRM相同,DRM+可「平滑地」集成到DRM中,如圖2和圖3所示。

數位音訊廣播 (DAB)
在20世紀80年代末設計DAB系統時,最初有五個目標:(1) 提供CD品質的收音廣播;(2) 提供優於FM的車內接收品質;(3) 更有效地利用頻譜;(4) 允許通過電臺名稱而不僅是調頻來換台; (5) 允許傳輸資料。

該系統已經眾所周知,本文不再贅述。然而,均源於DAB的DAB+和T-DMB已經集成了MPEG-4 HE-AAC+ v2音訊壓縮技術和帶額外交叉的裡德-所羅門 (Reed-Solomon) 糾錯編碼技術。下面將簡要地探討DAB+和T-DMB。

DAB+
DAB和DAB+之間的主要差別在於,DAB數位收音廣播採用MPEG-2音訊II層音訊壓縮技術,而DAB+採用MPEG-4 HE-AAC+ v2音訊壓縮技術。

HE-AAC+ v2是AAC核心音訊壓縮的擴展集。此擴展集結構可根據位元速率的需求提供三種選擇:(1) 用於高位元速率的普通AAC;(2) 用於中位元速率的AAC和頻譜帶複製 (SBR),即HE-AAC; (3) 用於低位元速率的AAC、SBR和仿身歷聲 (PS),即HE-AAC+ v2。

每個音訊超幀通過五個連續邏輯DAB幀中傳送,以實現簡單的同步和重新配置的管理。

源於原始系統RS (255、245、t = 5) 的裡德-所羅門RS (120、110、t = 5) 截短碼應用於每個音訊超幀的110位元組部分,以生成一個容錯保護包。外部 (解) 交織器可被120列的區塊 (解) 交織器視為一行。圖3所示為DAB+系統的框圖。

圖3:DAB+框圖
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T-DMB
根據ETSI EN 300 401標準,T-DMB同樣基於傳統的DAB傳輸系統。這意味著通過向現有DAB系統增加一個T-DMB視訊轉碼器,DAB傳輸即可用於T-DMB傳輸。由於在同一個系統上提供T-DMB和DAB,因此T-DMB設備不僅可以接收T-DMB多媒體服務,還可接收DAB音訊服務。

T-DMB針對音訊服務使用比特分片算術編碼 (BSAC) 或HE-AAC+ v2音訊編碼,針對視頻服務則使用高級視頻編碼 (AVC) ,針對互動式資料相關服務使用二進位格式場景 (BIFS) 。圖5所示為T-DMB音訊系統的框圖。

圖4:T-DMB音訊框圖
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HD Radio
HD Radio是指在同一通道上發射數位廣播信號以及傳統AM或FM信號的一種方法。

由於HD Radio是非開放的智慧財產權系統,本文只作簡要描述。HD Radio同時還是一種在正常AM/FM信號的每一側創建一組數位邊帶的COFDM系統。

HD Radio適用於傳統AM/FM頻段,可以同傳統AM/FM相結合,通過三種不同的數位信號模式,向充分利用頻譜的方向發展:類比數位混合模式、擴展混合模式及全數位模式,如圖5所示。

圖5:類比數位混合、擴展混合及全數位模式
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