HD Radio系统交织模块Matlab仿真
摘要：现今模拟广播技术向数字广播技术转换，是科技发展的必然趋势。FM HD Radio技术可实现模拟与数字节目同播，使模拟FM广播平滑过渡到数字广播。本文介绍了HD Radio系统物理层的加扰、信道编码、交织、OFDM调制等模块的原理，并对其混合模式的交织模块进行了MATLAB仿真。
关键词：HD Radio，MATLAB，Interleaver
一、背景
随着数字技术的迅猛发展，模拟广播技术向数字广播技术转换已成为必然趋势。HD Radio技术是用在AM和FM中的IBOC（带内同频道）技术的发展与完善，尤其是应用在FM波段的FM HD Radio技术系统，可实现模拟与数字节目同播，可使模拟FM广播平滑过渡到数字广播，设备改造投资少。
与传统的模拟AM 和FM 广播以及卫星数字声音广播相比，HD Radio 主要有以下几个优点：
（1）在FM 频段广播可以达到接近CD 音质，在中波频段广播的音质可以达到或接近现有模拟FM 立体声音质；
（2）采用的数字传输技术，可以有效地消除多径、多普勒频移以及突发噪声等其他干扰对接收质量的影响；
（3）为更高级的数据和音频业务的产生提供了可能，如环绕立体声节目、音频节目点播、音频节目的存储／重放等；
（4）在保持基础设施和频率划分不变、尽量不干扰现有模拟广播的情况下，利用现有模拟广播频道之间的空闲频率资源进行数字音频广播，广播提供商和用户都可以平滑地过渡到数字广播。
对于我国来说，HD Radio系统非常适合我国的国情需要，在我国有着广阔的应用前景。主要可从以下几个方面作一个简单的分析：
我国幅员广阔，城市距离较远，而在FM波段，电波直线传播，接收范围有限，每个FM电台基本仅能覆盖本地范围，距离靠近的电台彼此之间的频点距离相对较远，因而给HD Radio系统的可靠应用提供了很好的条件，而且大量的空置的频点给实验测试提供了便利的条件。
我国的频谱资源紧张，管理部门很难批准一个单独的频段给一个新兴的、市
场尚不成熟的无线应用业务，这将给数字音频广播技术的实验、推广和普及带来很大阻力，而HD Radio系统不用占有新的频谱资源，在政策层面上为数字音频广播的推广扫清了障碍。
我国属于发展中国家，国民的消费能力有限，而HD Radio系统相对低廉的接收机和对相对较小的电台改造成本为其发展注入了活力。
HD Radio系统的可实现模拟广播到数字广播的平滑过渡的特点给电台、给听众、给市场包括给该技术本身以时间和机会去发展壮大成熟，使得该技术有着很顽强的生命力。
二．HD Radio系统介绍
HD Radio的工作频率和当前分配给FM电台的频率是一样的。利用正交频分复用(OFDM)数字技术，HD Radio将新的数字信号放置于现有FM边带中的任一个之上。本文主要是对混合模式下系统的物理层的几个功能模块的研究，如图1。对其他几个协议层暂不作具体研究和讨论。以下是对物理层各个模块功能、原理的详细介绍：
系统控制信息系统控制模块OFDMOFDM随机二进制序列
P1加扰模块PIDS信道编码模PIDSs块P1sP1gPMIP交织模PIDSg块图1.HD Radio系统混合模式物理层各模块流程图
1. 加扰模块
加扰也称为能量扩散处理(scramble or energy dispersion)，目的是将各逻辑信道数据进行随机化处理，使信号频谱弥散。HD Radio系统加扰器如图2中所示，传输帧数据向量的各个输入比特与相应的随机序列进行模2加运算后，所得到的即是加扰传输帧（scrambled transfer frame）。模块中共有十一个完全相同的并行加扰器，分别对应十一个逻辑信道，系统根据不同的业务模式对逻
PM子载波映射模块X信号生成模块y(t)辑信道的配置情况，相应地选择其中几个加扰器。基本过程是基于加扰器的11个状态位和layer2的传输帧进行的两次异或运算，同时进行加扰器本身状态位的移位操作。这11个并行加扰器的初值分别赋为“01111111111”，各个逻辑信道的数在经过加扰之后，依然保持原来的形式，矩阵的行列数都没有发生改变，输出是和输入形式相同的矩阵。
Layer2传输帧 加扰传输帧（去信道编码） 2.信道编码模块
因为存在信道损失，采用信道编码来增加数字信号的冗余度，从而提高可靠性。编码的纠错性能与编码率成反比。编码器的具体参数由业务模式决定。其中，主要的码率有四种，分别为1/3、2/5、1/2、2/7，每种码率都有对应的删除矩阵，经过加扰的码流进入信道编码模块，经过Tailbiting卷积编码后再经过删除矩阵，实现对于不同码率的要求。 3.交织模块
输入的数据：交织模块的输入数据就是之前信道编码模块输出的各个逻辑信道的矩阵。经过交织计算出映射位置后，在把输入值一一赋给对应位置的输出值。
输出的数据：交织模块的输出是比较特殊的，具体说来，针对主业务模式，它有三种输出：PM、PX1、PX2。这三种输出矩阵的行列计算方式也有所差异，根据如下公式进行初始化：
若是经过交织器I、II、III，则输出PM：
PM = zeros(B*32，J*C)---交织器I、II、III （1） 若是经过交织器IV，则输出PX1或者PX2：
PX1/PX2 = zeros(B*32*b/N，J*C)---交织器IV （2） 在MP1业务模式下，PM IP的输出矩阵中就包含1个P1和16个PIDS逻辑信道的数据。这就意味着在本次交织的程序中，需要将PIDS逻辑信道的数据完成16倍的扩展后进行输出。
4.系统控制处理模块
在上层的引导下，系统的控制处理模块聚集处理并进行差分编码使字符串（系统控制数据序列）去往不同的参考子载波。系统控制处理通过系统控制信道（SCCH）从配置管理接收输入。利用系统的控制输入,系统控制数据序列进行系
图2. HD Radio系统物理层加扰模块原理图
统控制汇编送去61个参考副载波。这个32行、61列的矩阵r是系统的控制数据序列。然后差分编码器对每个比特序列及时地完成差分编码。
5.OFDM模块
正交频分复用(OFDM)是一种多载波调制方法，即传送的信号不是对单一的载波进行调制，而是对频谱彼此相毗邻且成正交关系的一系列载波进行调制。其基本原理就是将高速数据流通过串/并变换，变换为传输速率相对较低的并行数据，然后将这些并行数据分配到大量彼此正交的子载波上进行传输。这样，每个子载波上的数据持续时间相对增加，因此可以减轻由于无线信道的多径时延扩展所产生的时间弥散性对系统的影响。
三．Matlab 仿真
本章将对HD Radio系统混合模式加扰模块、信道编码模块、交织模块进行Matlab仿真。
仿真的输入数据是以标准为基础给出的随机二进制序列，在matlab中就是一个一行N列的矩阵。MP1模式下P1信道输入数据是1行146176列的矩阵，PIDS信道是1行80列的矩阵。
经过前面对于整个FM HD Radio系统的原理分析和仿真，我们得出了MP1 模式下FM HD Radio系统的频谱图：
图3.不加成型滤波和循环前缀的频谱图
图4. 加成型滤波和循环前缀的频谱图
把最后输出的频谱图和标准中的频谱图做比较，在不加成型滤波和循环前缀的情况下，输出的频谱图和标准中的一致，数字边带的实现理想。在加上成型滤波和循环前缀之后，得到的是接近实际情况的频谱图。
五．结论
本文对HD Radio系统进行了介绍，针对其物理层的各个模块进行了分析研究。最后完成了其交织模块的Matlab仿真，并得到了与实际情况相近的频谱图。
我国是世界上FM调频广播应用最广泛，拥有最多听众的国家，如此巨大的听众资源，有必要制定具有中国特色的数字广播标准，掌握核心技术，打破技术垄断。真诚期待我国能有拥有自主产权的数字音频广播系统标准出台，使人们能早日享受数字化广播带来的高品质服务。
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