本文轉載自經濟部高畫質視訊工業發展視訊推動小組<數位視訊多媒體月刊>
作者:洪清標 工研院電通所
DAB數位廣播系統技術介紹（下）工研院電通所 洪清標三、接收機技術觀點: DAB數位廣播系統所傳送的信號大致上可分為音訊信號、數據資料和FIC(Fast Information Channel)控制信號，為求高品質的音質並減低音訊信號的傳輸量可利用壓縮編碼技術以最少的位元且在無可見的失真情況下來表示原來的音訊信號，壓縮編碼技術分為用頻域來做信號處理的transform coding和在時域處理的sub-band coding，歐洲電信標準DAB系統的音訊編碼器--MUSICAM則是屬於sub-band coding的編碼技術；為保護經過音訊編碼器的音訊信號和數據資料並抵抗衰退通道的干擾，通道編碼和交錯技術是一種可靠及有效的方式，正交分頻多工器(OFDM)則是利用快速傅利葉轉換把數個低速音訊信號和數據資料多工在一起，然後再經過載波把信號傳送出去。因此，數位廣播系統發射機基本上可分為音訊編碼器(MUSICAM)和編碼正交分頻多工器(COFDM)兩部份。 由於數位技術的進步使得寬頻信號可以由相當數量的窄頻信號(或稱次載波信號)正交排列而成，且彼此間不會有干擾，達到此正交的條件是次載波信號的頻率距離是符元信號時間的倒數，之後再利用數位傅利葉轉換(DFT)將所有次載波信號多工即可達成多載波信號多工的目的，而快速傅利葉轉換(FFT)是一種比數位傅利葉轉換更有效率的計算方式，FFT的的觀念即很自然的被引進，基於信號傳輸是以時域傳輸的理由，因此，於傳輸端的分頻多工器以反向傅利葉轉換(IFFT)表示，而於接收端的分頻解多工器則以FFT表之。數位音訊廣播系統所採用的信號調變技術是編碼正交分頻多工(通道編碼與正交分頻多工的合稱)。編碼正交頻率多工的輸入端基本上可以視成數個經過MUSICAM的音訊信號和數個數據資料分別經過通道編碼，多工成主要服務通道(Main Service Channel)之後再與快速服務通道(Fast Information Channel; FIC)合成傳輸框(Transmission Frame)，傳輸框內的位元分別再經過π/4 -DQPSK信號對映器(DQPSK mapper)轉換成兩位元的符元(symbol)信號，最後用反向快速傅立葉轉換將K個符元信號並置之後再一起傳送，其中K為次載波的傳輸數目。舉例來說，ETS中規定次載波的傳輸數目(K)對模式一、模式二、模式三和模式四分別為1536、384、192和768，相對應的反向快速傅立葉轉換的點數則為2408、512、256和1024，並置後的數位信號經過D/A和載波之後即可廣播傳送到遠處的接收端。 通道編碼的概念與音訊信號壓縮器的概念是相反的，後者是要在限定的失真程度下用最少的位元數來表示原來的信號，而前者則是根據某種法則加入額外的位元使得信號在傳輸過程中不至於受到「通道不良性」(channel impairment)的影響。編碼正交分頻多工有三項主要技術：迴旋碼(convolutional code)編碼技術、時域/頻域交錯技術和正交分頻多工調變技術。交錯器(interleaver)對通道編碼而言常常是必需的，尤其是在具有記憶性(memory)的衰退通道上，因為交錯器主要的目的是將衰退通道上所造成的連續錯誤轉換成隨機錯誤，以滿足衛特比解碼法與時間無關的要求；正交分頻多工調變技術的主要觀念是把寬頻信號用多數個正交的窄頻信號來表示，由於每個窄頻信號的頻寬相對於通道的頻率響應是非常的小，因此，頻率選擇性衰退通道(frequency selective fading channel)對每個窄頻信號而言都可視之為頻率非選擇性衰退通道(frequency non-selective fading channel)，就通道等化器而言將變得很簡單，至於符元與符元間的干擾(ISI)則可插入間隔區間(guard interval)來克服。此間隔區間在分頻多工系統中扮演著非常重要的角色，間隔區間的形成是將分頻多工信號的後四分之一部份信號插置在分頻多工信號前面，如此所得的信號可視之為原信號的循環信號，縱然浪費1/4的傳輸能量(表1)，在接收機的時序同步方面卻變得比較簡單，且在多重路徑衰退通道上又可避免因多重路徑反射造成的符元間干擾以及破壞次載波正交性的內部載波干擾(interchannel interference)。 數位音訊廣播系統係採用具有抗信號衰退的能力的分頻多工技術，此技術能力是建立在以下的假設之上:(1)此系統必須含有間隔區間且通道的延遲擴散(delay spread)必須小於間隔區間的長度; (2)頻率偏差必須能夠準確的補償。間隔區間的功用不僅要必免符元間的干擾，另外一個重要的目的是避免內部通道干擾，分頻多工技術是利用次載波間的正交性以達到多載波信號多工的目的，然而上述兩者因素都會破壞次載波間的正交性，以致於任一次載波的信號都會受到鄰近次載波信號的影響，造成系統性能嚴重的損失，此內部通道干擾以頻率偏移尤其顯著，由此可見頻率同步在數位廣播接收機系統的重要性。 數位廣播系統接收機的接收信號因接收機的移動以及接收機本地振盪器的頻率不準度造成頻率的偏差，前者的偏移量相對於次載波波距是屬於微量，但大多數情況也足以構成內部通道干擾;至於後者有可能為數個次載波波距的偏差範圍，因此，頻率同步必須能夠補償或修正兩者的總和偏差。以模式一為例，其次載波波距為1kHz，接收機本地振盪器的頻率不準度為10ppm，接收機的移動速率為90km/hr，若載波頻率為VHF頻帶-200MHz，則都卜勒頻率約為17Hz，相對於次載波波距為1.7%，頻率最大偏差為2KHz，是次載波波距的兩倍;若以L頻帶(1.5GHz)為例，都卜勒頻率約13%，頻率最大偏差為8kHz，因此小於次載波波距的頻率偏差量可利用自動頻率控制(automatic frequency control; AFC)電路修正本地振盪器的頻率，次載波波距整數倍的部份在基頻電路中修正即可。至於信號框的時序同步則可利用振幅檢測器(envelope detector)偵測傳輸框的空白符元信號，然後再推算信號符元的信號起始點即可，此信號時序的起始點只要落於間隔區間內，則經過分頻解多工後的信號再利用差分解調所獲得的信號便不受此時序偏差的影響。 頻率/時域同步完成之後，經過I/Q解調器的數位信號序列首先必須去除間隔區間的部份，其餘 (I,Q)序列再進入分頻解多工器解調，因為數位廣播系統係採用差分調變，因此必須再經過差分解調才是真正的解調後的信號，即
其中 於發射端中的QPSK映置器是將0/1的數位信號轉換成1/-1，至於接收端的QPSK解映置器要將 1. 硬式決策的QPSK解映置器:
2. 軟式決策的QPSK解映置器:
經過QPSK解映置器的信號序列屬於FIC的部份則直接進入迴旋解碼器解碼;至於音訊或數據資料則須再利用時域解交錯器重新排列還原回原有信號序列，之後再用衛特比解碼演繹法更正因傳輸通道的不良性所造成的錯誤。數據資料即可直接輸出;若是音訊信號須再經過解壓縮的程序才能真正回復到原來的數位音訊信號。數據或音訊信號選擇的控制是接收機系統中的微控制器(micro-controller)依照使用者的服務選取(service selection)，然後抓取FIC訊息中的服務選取所對應的資料區間內的資料進入迴旋解碼器中解碼，並控制其輸出位置。其中通道編碼器之硬式與軟式決策器之選擇乃是記憶體容量與接收性能之取捨，以Philips SAA3500設計為例，當硬式決策器被決定時，對最高傳輸率之接收機解調所需之記憶體容量為0.5Mbyte，若對4位元之硬式決策器而言，雖然可提升2 dB之性能，然而其記憶體容量則需要2 Mbyte，這是設計者需自行取捨之問題。 四、結論與討論 電通所自1995年從事DAB數位廣播接收機之開發，完成如圖四所示之接收機架構及利用Philips
SAA3500單晶片之接收機開發工作，前者屬科專之開發成果，後者則為廠商委託案之開發成果，即 產業之成功需仰仗業界先進之合作，電通所積極參與數位廣播產業推動委員會之技術研發組，願奉獻研發成果於台灣之產業，也盼台灣之產業能於國際舞台扮演舉足輕重之角色。
圖四 DAB接收機方塊圖 3.5 QPSK 映置器(QPSK mapper)
區間分割器所區隔的區間對應於具有K個次載波數正交頻率多工器的符元，對應的方式是
,且前K個位元表示QPSK信號的實部，後面K個位元表示QPSK信號的虛部，若
其中的 4. 接收機系統描述 圖4.1是飛利普DAB接收機的系統方塊圖，其中FADIC IC是分頻解多工器和差分解調器，SIVIC IC內含時域/頻率解交錯函數、4位元軟式決策QPSK解映置器、以及軟式衛特比解碼演繹法，經過交錯函數的資料儲存於DRAM中，MUSICAM IC則是音訊解壓縮器，微控制器則是負責人機介面並讀取FIC的控制訊息以控制所需資料的解碼與輸出，至於系統時框的同步、符元時序同步、以及頻率偏移的修正控制均由DSP來掌握。
圖4.1 DAB接收機方塊圖 5. 結論 Eureka-147歐規數位音訊廣播系統自1986年成立Eureka聯盟以來經過加拿大、澳洲、以及歐洲各國的實地試播及驗正，並紛紛明訂Eureka-147系統為其下一代數位音訊廣播的標準及開播日期。如1990年加拿大於渥太華及多倫多市使用L頻帶完成Eureka-147/DAB試播，同年年底更於多倫多與Barrie間完成單頻網路的試播，1995年對全國實行DAB單頻網路測試，訂定1996年為其開播年;瑞典於1992年使用VHF(230-240MHz)為試播頻帶，1995年兩部發射機正式服務於斯得哥摩爾，1996年則增加至十部發射機;法國於1994年以頻帶I(47-68MHz)於巴黎試播，訂定L-頻帶為全國DAB服務頻率並於1996年開始服務;英國表現最為積極，於1995年以五部發射機服務於倫敦，預計1988年將增設22部DAB發射機，使英國60%人口皆可收聽到DAB的節目;中國郵電部於1993年派員赴歐洲考察Eureka-147系統，並於1996年在廣東省建立DAB試播網路。歐規數位音訊廣播系統已經過世界各國測試，無論是居家或移動車上收聽效果均獲得好評，且接收機的製造技術即將成熟，我們深信此系統終將成為下一代音訊廣播系統的主流。 END |
及
表示第l及l-1個分頻解多工符元所解得的第k個次載波的信號，*代表共軛虛數，
為第k個次載波在第l個分頻多工符元經過頻率交錯器的解調信號，為獲得原有次序的信號序列，
，再經過頻率解交錯器即可，此解交錯器是頻率交錯器的反函數，亦即頻率交錯器的反向操作。由分頻解多工器解得的是N組符元信號，而次載波數K小於N，因此執行頻率解交錯的動作時，凡是不符合解交錯函數的符元信號則予以丟棄，最後依然保持K組符元信號的輸出。
且 
且
是將QPSK符元能量設定為1的正規化因數。舉例來說，模式一的次載波數是1536，而區間分割器將3072個位元劃分為一個區間，區間中的前1536個位元對應於QPSK信號的實部，後1536個位元對應於QPSK信號的虛部，由實部和虛部即可組成二維的正交分頻多工器的符元。