Introduktion til Digital Audio Broadcasting

Transkript

1 Introduktion til Digital Audio Broadcasting Grundlæggende beskrivelse af Digital Audio Broadcasting herunder MPEG. Konstruktion af et simpel lydkort med MPEG audio Layer II kreds. Afleveringsdato: Projekt: TVP 4606 Uddannelsessted: Vejleder: Morten Hansen Projektgruppe: Caspar P. Laugesen Steen Nielsen Thormar Thorkelsson Casper Wittorff 10327

2 TVP 4606 Digital Audio Broadcasting Side 1 af 40 Forord Denne rapport er skrevet i forbindelse med tværfagligt projekt (TVP 4606) på Ingeniørhøjskolen Odense Teknikum i efteråret Den er lavet af fire dataingeniørstuderende på 6. semester i tidsrummet 8/9-97 til 8/ Rapporten introducerer grundlæggende information omkring Digital Audio Broadcasting (DAB) og MPEG. Endvidere vil der blive konstrueret en simpel MPEG dekoder. Rapporten henvender sig specielt til personer med relevant viden indenfor området. Fordi DAB er et kompliceret system, vil der flere steder i rapporten blive henvist til anden litteratur. Den standard som DAB er bygget op omkring indeholder mange nye begreber og forkortelser. Det betyder, at det kan være svært at få et overblik af DAB ved at læse standarden. Hensigten med rapporten er derfor at give læseren et overblik, da der på nuværende tidspunkt ikke findes meget litteratur om emnet. Der vil mange steder i rapporten forekomme engelske ord og betegnelser, som ikke er oversat til dansk, idet mange af fagudtrykkene enten ikke findes på dansk, eller fordi en oversættelse vil mindske forståelsen.

3 TVP 4606 Digital Audio Broadcasting Side 2 af 40 Indholdsfortegnelse 1 INDLEDNING PROBLEMSTILLING FORMÅL RAPPORT STRUKTUR LØSNINGSMETODE PROBLEMAFGRÆNSNING DIGTAL AUDIO BROADCASTING GENERELT SAMMENLIGNING AF FM OG DAB SYSTEMERNE INTRODUKTION TIL DAB ENCODER OG DECODER MPEG PSYKOAKUSTISK MODEL FILTERBANK SCALE FACTOR BIT ALLOCATION KVANTISERING OG KODNING AF SUBBAND SAMPLES GENERERING AF MPEG AUDIO FRAME DAB ENCODER MAIN SERVICE CHANNEL (MSC) DAB audio frame Common Interleaved Frame (CIF) FAST INFORMATION CHANNEL (FIC) Fast Information Block (FIB) KANAL KODNING COFDM (CODED ORTHOGONAL FREQUENCY DIVISION MULTIPLEX) Wideband Multicarrier Modulation Inter Symbol Interferens Fejlbeskyttelse i form af fejlkorrigerende kode og frekvensinterleaving DAB TRANSMISSIONENS RAMME DAB DECODER OPBYGNING AF SIMPEL MPEG AUDIO DEKODER TESTOPSTILLING VALG AF KOMPONENTER SYSTEM BESKRIVELSE TESTSOFTWARE MÅLERESULTATER KONKLUSION LITTERATURLISTE APPENDIKS A:... TMS320AV120 SIGNAL TIMING 35 APPENDIKS B:...FILTERBANK ALGORITME 36 BILAG 1: FLOW DIAGRAM AF MPEG AUDIO LAYER II ENCODER BILAG 2: DIAGRAM AF MPEG DEKODER BILAG 3: KOMPONENTLISTE TIL MPEG DEKODER BILAG 4: C-PROGRAMMER TIL BRUG I TESTOPSTILLING NOMENKLATURLISTE... 41

4 TVP 4606 Digital Audio Broadcasting Side 3 af 40

5 TVP 4606 Digital Audio Broadcasting Side 4 af 40 1 Indledning I 1987 blev der dannet et forskningsprogram til udvikling af et digitalt radiosystem kaldet Digital Audio Broadcasting (DAB). Forskningsprogrammet, der også er kendt under navnet EUREKA 147, blev udarbejdet af en fælles europæisk projektgruppe, som bestod af personer fra anerkendte forskningsinstitutter, radioudbydere og underholdningsindustrier. I foråret 1994 var der således udviklet en fælles europæisk DAB-standard : ETS (European Telecommunication Standard, ETS). Danmarks Radio har siden 1995 udsendt et DAB prøvesignal indeholdende et enkelt program. Prøvesignalet er siden hen blevet udvidet til 4 programmer. På nuværende tidspunkt er der placeret en sender på Margretheholmen (København), en sender i Hove (vest for København) og endelig en sender ved Meirup (Holstebro). De tre sendere har en rækkevidde på henholdsvis 15 km, 20 km og 22 km. Danmarks Radio forventer, at der skal være ca. 25 sendere af 1000 watt, for at kunne være landsdækkende. Danmarks Radio laver pt. forsøg med Bang & Olufsen i Struer, som har lavet prototyper af DABradioer. Formålet med forsøget er at finde ud af, hvordan lytterne får mest muligt ud af DAB s muligheder og derigennem lave den mest brugervenlige modtager. Det forventes at forbrugerne vil gå fra de nuværende FM-modtagere til DAB-modtagere i løbet af perioden DAB kan også bruges til transmission af billeder, video og andre former for data. Rapporten omhandler kun transmission af audio.

6 TVP 4606 Digital Audio Broadcasting Side 5 af 40 2 Problemstilling 2.1 Formål Formålet med projektet er at give en introduktion til kodning og dekodning af et DAB-signal. Der vil under denne introduktion blive beskrevet, hvorledes et DAB signal bliver genereret udfra et PCM signal, og ligeledes hvordan DAB signalet bliver kodet tilbage til et PCM signal. Idet DAB kodning/dekodning er bygget op omkring MPEG standarder, sigtes der sluttelig efter at lave en simpel MPEG dekoder. 2.2 Rapport struktur For at give læseren et overblik er der i det følgende vist rapportens hovedpunkter. Sammenligning af DAB og FM Beskrivelse af MPEG DAB kodning DAB dekodning Opbygning af en simpel MPEG audio decoder I det første punkt sammenlignes DAB og FM, og der gives en introduktion til en DAB encoder og decoder. Punktet vil indeholde to simple blokdiagrammer, som de følgende kapitler beskriver og refererer til. Det er valgt at give MPEG et særskilt kapitel, da denne er en stor del af DAB. Rapporten afsluttes med en egentlig konstruktion af en MPEG audio decoder. 2.3 Løsningsmetode For at komme i gang med projekt har det været nødvendigt at lave en del research omkring DAB, da vi som udgangspunkt ikke havde nogen viden indenfor området. Der blev derefter udarbejdet en problemstilling og en tidsplan (Tabel 2.1). Idet gruppen bestod af fire personer, og eftersom DAB er et stort og komplekst system, har det været nødvendigt at uddelegere arbejdet, således at hver enkelt har studeret konkrete emner/ting indenfor DAB og MPEG. Det kan derfor forekomme, at enkelte personer i gruppen har større viden indenfor nogle områder, men målet har været, at hele gruppen skulle have samme viden. For at udnytte tiden effektivt er der løbende ført projektdagbog, hvor der er blevet uddelegeret delopgaver. Proces Problemstilling Indsamling af oplysninger Rapport skrivning Konstruktion af decoder. Uge F E R I E Afslutning af projekt Planlagt projektering Aktuel projektering Tabel 2.1: Tidsskema for projektarbejde Problemafgrænsning Rapporten er begrænset til kun at være en introduktion, blandt andet fordi der er opsat krav om rapportens størrelse, DAB s kompleksitet og idet projektet er udført sideløbende med anden undervisning. Der er derfor i stort omfang set bort fra matematiske beregninger, tabeller og lignende. Hardware opbygningen af MPEG dekoderen vil kun omfatte en testopstilling og ikke et færdigt brugbart produkt.

7 TVP 4606 Digital Audio Broadcasting Side 6 af 40 3 Digtal Audio Broadcasting generelt Grunden til indførelsen af Digital Audio Broadcasting (DAB) og dermed udskiftningen af FM (og AM) radio skal ses i lyset af de begrænsede muligheder, der p.t. er ved FM radio og de mange nye muligheder ved DAB. I det følgende afsnit vil DAB og FM blive sammenlignet for at få et indblik i de overvejelser, der har været inde i billedet, da DAB systemet i sin tid blev specificeret. Det sidste punkt i dette kapitel vil kort introducerer DAB systemet på henholdsvis sender siden (DAB encoder) og på modtagersiden (DAB decoder). 3.1 Sammenligning af FM og DAB systemerne DAB systemet blev i sin tid blandt andet specificeret ud fra krav om Sikker modtagelse i mobilradioer Bedre lydkvalitet Mulighed for overførelse af tillægstjenester Flere radioprogrammer indenfor samme frekvensbånd Kodningsmuligheder Fremtidssikring Ovenstående krav/ønsker taget i betragtning har valget på et digital system været nærliggende. Modtagelse af signal med mobilradio Ved modtagelse af radiosignaler med modtagere i bevægelse opstår en række problemer. Når f.eks. en bil kører i områder med tæt bebyggelse eller med bjerge, opstår der refleksioner af radiosignalet. Det betyder, at mobilradioen modtager signalet fra flere kilder med forskellig tidsinterval, såkaldte ekkoer. FM systemet tolererer kun meget lidt ekko, uden at signalet bliver forstyrret. Ud fra forsøg fandt EURUKA 147 gruppen ud af, at ved at bruge COFDM modulering af signalet kunne dette problem løses. Det betyder en næsten perfekt mobil modtagelse i DAB systemet. Lydkvalitet Med ønsket om en lydkvalitet som CD ens ville det umiddelbart kræve en stor transmissionshastighed. Audio data på en Compact Disc (CD) i stereo samplet med 44,1 khz, 16 bit, kræver en transmissionshastighed på ca. 1,4 Mbit/sek. Det vil umiddelbart kræve en båndbredde på ca. 1 MHz per radioprogram. Det er derfor klart, at der er brug for en form for komprimering af denne data, for at systemet er realiserbar med hensyn til at bruge det nuværende frekvensbånd på bedste vis. Til dette formål er der i DAB valgt at bruge MPEG til komprimering af lyden. For at kunne sammenligne Frekvens Moduleret (FM) radiosignaler med digitale radiosignaler bliver man nød til at lave en analogi mellem analoge lydsignaler og digitale lydsignaler. Ud fra denne betragtning er der lavet følgende analogi når der bruges MPEG til komprimering: CD kvalitet ~ 256 kbit/sek Radiofoni kvalitet ~ 192 kbit/sek AM kvalitet (mono) ~ 64 kbit/sek Med MPEG er det således muligt at sende radioprogrammer (musik/tale) i CD kvalitet!!. Det er dog ikke noget krav, at alle programmer skal sendes i samme kvalitet. I DAB kan f.eks. vælges at sende programmer med klassisk musik i CD kvalitet og andre programmer med tale i almindelig radio kvalitet osv.

8 TVP 4606 Digital Audio Broadcasting Side 7 af 40 Tillægstjenester I det nuværende FM system er der ikke rigtig mulighed for at sende nogen form for tillægstjenester. Det betyder, at udviklingen af forskellige services til modtageren er meget begrænsede. Med DAB systemet er der derimod gjort plads til at transmittere data sammen med radiosignalet. Hvad tillægstjenesterne skal indeholde, er endnu ikke fastlagt, men det kunne tænkes at indeholde data til visning af forskellige ting på et display som f.eks.: Tekst på forskellige sprog Dato/tid Trafikinformation Billeder og grafik Programtype, programnummer og sender ID Og en række andre ting som næsten kun begrænses af fantasien Udnyttelse af frekvensbåndet I Danmark benyttes frekvens bånd 2 til FM radio. Bånd 2 ligger i frekvensområdet fra 87,5 MHz til 108 MHz, dvs. en samlet båndbredde på 20,5 MHz. I denne båndbredde ligger der i dag ca. 45 FM programmer med hver en båndbredde på 340 khz. Det DAB prøvesignal Danmarks Radio for tiden udsender sendes på 227,36 MHz. FM : 4 radioprogrammer ~ båndbredde = ca. 1,6 MHz DAB : 6 radioprogrammer ~ båndbredde = ca. 1,5 MHz 90 90,4 90,8 91,2 f [MHz] P1 256 kbit/sek P3 192 kbit/sek Figur 3.1: Forskel på FM og DAB båndbredde. P4 192 kbit/sek 227,36 P2 192 kbit/sek P5 64 kbit/sek P6 64 kbit/sek Data 128 kbit/sek f [MHz] I DAB systemet er der valgt en båndbredde på 1,5 MHz, hvor der kan sendes med en kapacitet svarende til ca. 1,1 Mbit/sek. Et sådan signal kaldes en DAB blok. DAB blokken kan disponeres på forskellig vis, alt efter hvilken kvalitet der ønskes på de forskellige kanaler/progammer. Der kan sendes mellem 4 til 8 radio programmer i en DAB blok, hvilket svarer til, at der kan sendes mellem 54 og 109 radioprogrammer i det nuværende FM bånd. I figur 3.2 ses tre eksempler på, hvorledes en DAB blok kan disponeres. Eksempel 1 Eksempel 2 Eksempel 3 P1 256 kbit/sek P1 256 kbit/sek P1 256 kbit/sek P3 256 kbit/sek P4 256 kbit/sek P3 192 kbit/sek P4 192 kbit/sek P2 192 kbit/sek P3 192 kbit/sek P4 192 kbit/sek P2 192 kbit/sek DAB blok ca. 1,1 Mbit/sek P2 256 kbit/sek Data 64 kbit/sek P5 128 kbit/sek P6 64 kbit/sek Data 64 kbit/sek P5 64 kbit/sek P6 64 kbit/sek Data 128 kbit/sek Figur 3.2: Eksempler på disponering af DAB blok.

9 TVP 4606 Digital Audio Broadcasting Side 8 af 40 Kodningsmuligheder I DAB systemet er der mulighed for at kode programmerne, så modtageren/brugeren kun kan modtage de programmer, den pågældende har betalt for (Pay-per-programm). Dette giver radioudbyderne mulighed for at kontrollere, hvem der kan/må modtage hvilke programmer. Generelle forhold omkring digital transmission Når man modtager et almindeligt analogt radio signal, vil støj i signalet høres som en mere eller mindre susen. Grunden til dette er naturligvis, at Signal to Noise Ratio (SNR) i det analoge FM er for dårligt. SNR kan i mange tilfælde ikke forbedres på andre måder end ved at hæve signal effekten ved senderen. Ved digital transmission vil SNR være bedre, idet der her kun skelnes mellem nogle få faste værdier, eksempelvis to niveauer ved binær. Det betyder, at sendeeffekten kan sænkes i forhold til udsendelse af analoge signaler. Da det digitale lydsignal altid er fremkommet ved at kvantisere et analogt signal, introduceres der altid en kvantiseringsstøj [Litt. 2]. Denne støj er uundgåelig, men i mange tilfælde som ved CD en kan denne kvantiseringsstøj ikke høres. Støj i digitale signaler bevirker, at et logisk 1 ændres til et logisk 0 eller omvendt. Afhængig af hvilke bit der fejlrammes, vil fejlen være mere eller mindre hørbar. Det er derfor mere interessant at tale om fejlhyppighed i signalet end egentlig støj. Det er således nødvendigt at lave en fejlsikringsprocedure, der gør det muligt at rette fejlene på modtager siden. Denne sikring af data er en af årsagerne til, at DAB systemet er så komplekst som det er, men samtidig med til at sikre en høj driftsikkerhed. Ved at skifte fra det nuværende FM til DAB kan Danmarks Radio nedsætte sendeeffekten fra ca. 250 kw til ca. 25 kw. 3.2 Introduktion til DAB encoder og decoder I dette punkt vil der kort blive introduceret to blok diagrammer for henholdsvis en DAB encoder (sender) og en DAB decoder (modtager). Blokdiagrammerne er meget simplificerede, og er kun ment som et forståelses grundlag af DAB. Blokdiagrammet for DAB encoder en bruges i de følgende kapitler i rapporten til at beskrive funktionen af DAB senderen. DAB encoder DAB encoder ens formål kan i hovedtræk siges at være følgende: komprimere og sende audio data sende data med tillægstjenester sikre data så eventuelle fejl senere kan rettes sende system data, om hvorledes signalet er kodet og moduleret pakke alle data ned i standard pakker (frames) Modulere og sende signalet som et højfrekvent signal Som det ses i figur 3.3, benyttes en MPEG kreds til komprimering af audio data (PCM format) og Program relaterede data (PAD). Systemet er i hovedtræk delt op i en kanal indeholdende information om hvorledes DAB signalet er moduleret og pakket, og en kanal til audio og anden data. Alle data går igennem nogle blokke, der her er kaldet kanal koder, hvor signalerne bliver fejlsikret på forskelligvis. Disse to former for data multiplekses og moduleres, hvorefter signalet bliver sendt ud i æteren som et højfrekvent signal.

10 TVP 4606 Digital Audio Broadcasting Side 9 af 40 Multiplex control data Fast Information Block assembler Kanal koder FIB blok DAB transmission signal Service information Kanal koder 24 khz/48 khz PCM audio signal Programme Associated Data (PAD) MPEG audio encoder DAB Audio frame Kanal koder M U X CIF blok Frame MUX COFDM DAB transmission frame HF General Data services Kanal koder Stream Mode Packet Mode General Data services Kanal koder Figur 3.3: Princip diagram af en DAB encoder. DAB decoder DAB decoder en vil i denne rapport kun kort blive beskrevet, idet dens funktion kan siges at være den samme som encoder ens bare omvendt og mere simpel. Decoder ens formål kan i hovedtræk siges at være følgende: konvertere HF-signalet til et digitalt signal rette de fejl der måtte være kommet undervejs pakke tillægstjenester og audio data ud Figur 3.4 viser princippet i en DAB decoder. Når HF signalet er konverteret til et digitalt signal, skal de fejl, der er kommet under transmissionen, rettes. Når signalet er rettet for fejl, skal MPEG dekoderen pakke audio og andre data ud, således at tillægstjenesterne formidles ud til et evt. display, og audio signalet sendes til højtalere. DAB signal Data Display HF Kanal dekoder MPEG audio Decoder Audio signal Forstærker Figur 3.4: Simplificeret blokdigram af en DAB modtager.

11 TVP 4606 Digital Audio Broadcasting Side 10 af 40 4 MPEG Siden 1988 har Motion Picture Experts Group (MPEG) arbejdet på standardisering af kvalitets audio og video komprimering. På lyd siden er der færdiggjort to standarder. MPEG-1 i 1992 (ISO ) som definerer kodning af audiosignaler samplet ved 32, 44.1 og 48 khz, og MPEG-2 i 1994 (ISO ) som omhandler multichannel lydsignaler ved 16, og 24 khz sampling. MPEG har defineret tre uafhængige algoritmer kaldet Layer I, II og III, som har forskellig kompleksitet, pris og ydeevne (bitreduktion og lydkvalitet). DAB benytter MPEG-2 Layer II og beskrives derfor i det følgende. Ved brug af MPEG komprimering kan lyddata reduceres op til 6-7 gange. Nedenstående blokdiagram viser en typisk MPEG encoder. Et mere detaljeret flowdiagram vises i bilag 1. PCM Filter bank 32 sub-bands sub-band samples quantizer and coding frame packing MPEG Audio frame Psychoacoustic model Bit allocation MPEG Audio Layer II encoder PAD Figur 4.1: Blokdiagram af en MPEG encoder. 4.1 Psykoakustisk model Der findes flere måder at komprimere lyd på, men mange metoder giver et dårligt resultat. Den psykoakustiske model bygger på viden om det menneskelige øre, som bl.a. er opnået via test og forsøg. Lydopfattelse generelt Det hørbare område er typisk fra 20 Hz til 20 khz, hvoraf det mest følsomme område er fra 2-4 khz. Dynamikområdet, som er forskellen mellem det højeste og laveste niveau øret kan opfatte, er ca. 96 db. Følsomheden er forskellig fra person til person, men en gennemsnitlig tærskelkurve for ørets opfattelse af stilhed ses på figur 4.2. Det vil sige, at hvis alle signalniveauer ligger under kurven, vil øret opfatte lyden som værende stilhed. db Threshold in Quiet Frequency (khz) Figur 4.2: Kurve af ørets følsomhed.

12 TVP 4606 Digital Audio Broadcasting Side 11 af 40 Det ses tydeligt, som følge af den ulineære kurve, at øret ikke opfanger alle frekvenser lige godt. Det medfører at de lydniveauer, der ligger under kurven kan udelades uden dårligere lydkvalitet. Frekvens Masking En anden fejl ved det menneskelige øre kan bedst illustreres med et lille eksempel. Hvis der afspilles en 1 khz 60 db tone (også kaldet masking tone), og der samtidigt afspilles en test tone dervarieres i frekvens og amplitude, vil tærskelkurven se ud som figur 4.3. db Masking by 1 khz tone Frequency (khz) Figur 4.3: Maskingkurve for 1 khz, 60 db. Ud fra kurven ses det, at de omkringliggende frekvenser maskes, hvilket vil sige, at amplituden for disse frekvenser skal forøges, for at de kan høres. Gentages dette for forskellige masking toner, fremkommer kurverne i figur 4.4. db Masking Frequency (khz) Figur 4.4: Maskingkurver for forskellige frekvenser. Critical bands Bredden af en masking kurve er størrelsen på et critical band (kritisk bånd). Størrelsen på de kritiske bånd er ikke ens, og der indføres derfor af beregningsmæssige årsager en ny enhed for frekvens, bark (se figur 4.5). 1 bark = Bredden af et kritisk bånd Frekvenser < 500 Hz : 1 bark Frekvensen/1000 Frekvenser > 500 Hz : 1 bark log (Frekvensen/1000)

13 TVP 4606 Digital Audio Broadcasting Side 12 af Hz 500 Hz 1 khz 2 khz 4 khz 8 khz db Critical Band Rate (Bark) Figur 4.5: Maskingkurver udtrykt i bark. Midlertidig masking Hvis øret f.eks. udsættes for en 1 khz 60 db tone og der slukkes for denne, går der et lille stykke tid, før øret igen kan opfatte omkringliggende frekvenser med normal følsomhed. Dette fænomen kaldes midlertidig masking. Figur 4.6 viser en 3D graf, som illustrerer dette. Level (db) Masking tone time Freq Inaudible tones (under curve) Figur 4.6: 3D graf af midlertidig masking. MPEG s udnyttelse af den psykoakustiske model I MPEG encoder en har den psykoakoastiske model til opgave at udregne forholdet mellem signal og masking niveauet (SMR) i de forskellige critical bands. Disse oplysninger bruges senere til bit allocation (se kap. 4.4), som fordeler de bit, der er til rådighed. For eksempel vil bit allocation ikke uddele bit til et signal, der er under masking niveauet. Dette betyder at man ud fra informationerne om ørets karakteristika nu kan fjerne en stor del af informationer, som øret alligevel ikke kan opfatte. MPEG's tre Layers gør alle mere eller mindre brug af den psykoakustiske model. Layer I: gør brug af frekvens masking Layer II: udnytter frekvens masking og lidt af den midlertidige masking Layer III: som Layer II, men bedre udnyttelse af midlertidig masking Eksempel på en MPEG algoritme En simplificeret algoritme for en MPEG encoder vil typisk indeholde følgende trin: 1) Inddel signalet i subbands. Der inddeles normalt i 32 subbands. 2) Udregn hvor meget hver subband masker(undertrykker) de omkringliggende subband. 3) Hvis et subband ikke er hørbart som følge af masking fra et andet subband, undlad at sende det. 4) Ellers bestem antallet af bit der kan encode signalet. 5) Lav bitstrøm.

14 TVP 4606 Digital Audio Broadcasting Side 13 af 40 Eksempel: I et signal er niveauerne af de 16 første subbands beregnet til: Subband Niveau [db] Niveauet af subband 8 på 60 db giver efter komplicerede beregninger en masking af band 7 på 12 db og 15 db på subband 9. Subband 7: Niveau = 10 db (< 12 db) ignorer subband Subband 9: Niveau = 35 db (> 15 db) send subband Dette er en af de grundlæggende metoder i en MPEG encoder. Det er encoderen afhængigt af metoden (Layer), der bestemmer, hvor godt lyden pakkes, og hvor godt resultatet kan blive efter dekoderen. 4.2 Filterbank For at kunne gengive det menneskelige øres dynamikområde på ca. 96 db, er det nødvendigt at digitalisere det analoge signal med en 16 bit A/D konverter. Dette vil give et dynamikområde på: D = 20log 2 n = 20log 2 16 = 96,3 db PCM værdierne for det digitaliserede signal repræsenterer et bredbåndet signal. For at lette behandlingen af de enkelte samples splittes lydsignalet op i 32 lige store bånd. Det gøres ved hjælp af et analyse subband filter med sampling frekvens f s og en del samplingfrekvens f s /32. Ifølge teorien [Litt. 2, side 432] vil en samplingfrekvens på f.eks. 48 KHz give 32 delbånd hver med en båndbredde på: f s 48KHz B = = = 750Hz og delsamplingsfrekvens på 1500 Hz Filteret er et såkaldt polyphase filter, som er kritisk samplet, dvs. der er lige så mange output samples, som der er input samples. I princippet er et polyphasefilter et lavpasfilter, der er transformeret til et båndpasfilter. Dette kan opnås ved at multiplicere overføringsfunktionen med en cosinus, da dette vil svare til en tidsforskydning, så vi ved Fouriertransformation får: 1 1 h( t) cos(2π f0t) H ( f s f0 ) + H ( f s + f0) 2 2 H(f) H(f) B sub-band f 1 f 1 -f s f s Figur 4.8: Transformation af lavpasfilter til båndpasfilter. Filteret er i dette tilfælde et diskret digitalt filter, og kan realiseres ud fra en algoritme enten rent softwaremæssigt eller via en digital signal processor. I appendiks B vises princippet i en sådan algoritme.

15 TVP 4606 Digital Audio Broadcasting Side 14 af 40 PCM indgangssignalet føres både ind til filterbanken og til den psykoakustiske model. Den psykoakustiske model returnerer et SMR for hver enkelt kritisk bånd, der benyttes ved bitallokering og kvantisering. Som det ses af figur 4.4, har de kritiske bånd fra psykoakustiske model forskellige båndbredder. I filter banken er det valgt at opdele frekvensbåndet i 32 lige store subbands, idet realiseringen af 26 forskellige båndpas filtre er svært at konstruere. 0 Hz Sub-bands i filterbank 20,25 khz 24 khz f f Kritiske bånd fra psykoakustisk model Figur 4.7: Båndbredde for filterbank kontra kritiske bånd ved f s =48 khz. Ved en samplingfrekvens på 48 khz benytter den psykoakustiske model 27 kritiske bånd med en øvre frekvens på 20,25 khz. I dette tilfælde vil de sidste fem subbands ikke blive tildelt bit ved bit allokering. SMR for det kritiske bånd nummer 26 vil blive brugt til alle de tilsvarende subbands (se figur 4.7) under bit allokeringen. Omvendt vil der ved lave frekvenser være flere SMR til ét subband. I dette tilfælde bruges det største SMR (størst bit tildeling) fra de tilsvarende kritiske bånd. Det er derfor ikke muligt at opnå en optimal tildeling af kvantiseringsbit til det enkelte subband, da der bruges for mange bit til at repræsentere båndet. I praksis kunne der derfor opnås en bedre følsomhed ved at mindske båndbredden for et subband, men ud fra forsøg er det valgt at benytte 32 subbands med konstant båndbredde. 4.3 Scale Factor Scale faktoren er indført for at normalisere output fra filterbankene. Dette er gjort, for at både store og små signal niveauer skal overholder det teoretiske SNR. Eq. 4.1 angiver SNR, når der er tale om et binært signal med det normerede signalniveau, S=1 og ν=antallet af bit [Litt. 2, s. 435]. Støjen N kommer fra kvantiseringen, og kaldes kvantiseringsstøj. Det ses af Eq. 4.1, at hvis antallet af bit øges, øges SNR. [ db] SNR = 4, ν Eq. 4.1 Skaleringsfaktoren ScF beregnes for hver gruppe på 12 samples i det enkelte subband (1 subband = 3x12 sampels). Den absolutte maksimalværdi af de 12 samples bestemmes, og ud fra denne vælges der fra en tabel den tilhørende ScF og får indeks (iscf x ) imellem 0 og 62. Hvis tre ScF s i et subband ligger tæt på hinanden, er der mulighed for at spare bits f.eks. ved kun at sende én ScF. Ud fra forskellen mellem de tre ScF s, dannes to differensværdier (dscf 1, dscf 2 ), som igen opdeles i 5 klasser. class dscf dscf 1 = iscf 1 iscf 2 dscf 2 = iscf 2 iscf 3 1 dscf < dscf < 0 3 dscf =0 4 0 < dscf < 3 5 dscf 3

16 TVP 4606 Digital Audio Broadcasting Side 15 af 40 Ud fra kombinationen af de to tildelte klasser bestemmes, om der skal sendes en, to eller tre scale faktor s. Hver scale faktor repræsenteres af 6 bit, som referer til en tabelværdi. Desuden sendes også Scale Factor Select Information (ScFSI), som består af 2 bit. Det vil sige, at scale faktor information kan varierer fra 8 bit til 20 bit. 4.4 Bit Allocation Bit allocation proceduren bestemmer det antal bits, hvert af de 32 subbands skal have til rådighed for at tolke amplituden på hvert sample. Desto flere bits desto større bliver SNR. Da der kun er et bestemt antal bit til rådighed i hver audio frame, skal fordelingen af disse nøje beregnes på bedste vis. Antal bits til rådighed bestemmes først og fremmest af bithastigheden, men også af Scale faktorens forbrug af bit. Bit Allocation proceduren udregner Mask-to-Noise Ratio for hvert subband og tildeler derefter bit'ene på skift til de samples, der har den mindste Mask-to-Noise Ratio. Bit allocation proceduren kan beskrives på følgende måde: Start End Udregn antal bits til rådighed Find minimum MNR for hvert sub band loop Uddel bits til det sub band som har det laveste MNR tal Udregn nyt MNR tal for tilhørende sub band Opdater antal bits til rådighed Indtil ikke flere bits til rådighed. For at øge effektiviteten i kodningen, er det kun tilladt at uddele bits til de enkelte subbands i op til 15 steps efter bestemte regler. Mask to Noise Ratio udregnes på følgende måde: MNR db = SNR db - SMR db MNR db Mask-to-Noise Ratio i decibel SNR db Signal-to-Noise Ratio i decibel (Kvantiserings støj) SMR db Signal-to-Mask Ratio i decibel fra den psykoakustiske model Hver gang der uddeles bits til et subband, forbedres SNR, og er bit hastigheden tilpas høj, bliver støjen under mask level og er derved ikke hørbar. Ved lave bithastigheder er der risiko for, at der ikke er tilstrækkeligt med bits til rådighed til at skrue SNR op, og i det tilfælde vil lydkvaliteten blive ringere på grund af hørbart støj. For at illustrerer virkningen af antallet af tildelte bit er der i figur 4.9 vist et grafisk eksempel MNR= -20 db MNR = +20 db MNR= +10 db Signal level db Noise level Mask level 0 Støj høres Støj masked Støj masked Figur 4.9: Forenklet grafisk afbildning af forskellige SNR og SMR.

17 TVP 4606 Digital Audio Broadcasting Side 16 af 40 I søjlerne længst til venstre er SNR = 40 db (kvantiseringsstøj), hvilket svarer til 6 bits opløsning. Hvis bit allokeringen i stedet tildeler samme signal 13 bit, vil støjen blive masket, som det ses af søjlerne i midten. Søjlerne længst til højre viser et eksempel, hvor 6 bit er nok, idet mask level her er større end støjen. 4.5 Kvantisering og kodning af subband samples Hver sample fra filter banken normaliseres ud fra de beregnede scale facktor informationer. Herefter kvantiseres de enkelte samples ud fra de tildelte bit, som er beregnet i bit allocation. Proceduren er dog mere kompliceret end som så. For yderligere information se DAB standarden [Litt. 4+5]. 4.6 Generering af MPEG audio frame I figur 4.1 ses en blok kaldet frame packing. Denne blok laver en veldefineret bitstrøm, som kaldes en MPEG audio frame (se figur 4.10). MPEG audio layer II frame DAB audio frame header CRC Bit allocation SCFSI Scale factor sub-band samples ancillary data frame n-1 frame n frame n+1 Header error tjek Audio oplysninger ekstra oplysninger Figur 4.10: Opbygning af MPEG Audio Layer II frame. MPEG audio frame ens indhold kan i grundtræk deles op i en header, CRC, audio oplysninger og ekstra data. Header indeholder et syncword, som indikerer begyndelsen af rammen, oplysninger om bit rate, sampling frekvens, typen af audio, copyright o.s.v. Error tjek. CRC word udregnes i modtageren og sammenlignes med CRC word i audio rammen, således at en eventuel fejl opdages. Audio oplysninger indeholder data til regenerering af lyd signalet. Ekstra oplysninger er et dataområde, som frit kan benyttes efter behov. Området benyttes ikke i almindelig MPEG kodning. Størrelsen på en MPEG audio frame kan beregnes udfra følgende formel: Rammelænge[byte's] = 144 bithastighed [kbit/sek] samplingfrekvens[khz] Er et signal samplet med 44,1 khz og komprimeret med en bithastighed på 64 kbit/sek, bliver rammelængden på 209 byte s.

18 TVP 4606 Digital Audio Broadcasting Side 17 af 40 5 DAB encoder Ved kodning af et DAB signal benyttes to former for transport af data, Fast Information Channel (FIC) og Main Service Channel (MSC). Disse to kanaler leverer data i to forskellige formatter, som kaldes henholdsvis Fast Information Block s (FIB,s) og Common Interleaved Frame s (CIF s). Disse multiplekses og moduleres ved hjælp af COFDM, således at der opstår det, der kaldes en DAB transmission frame (se figur 5.1). Fast Information Channel (FIC) Multiplex control data Fast Information Block assembler Kanal koder FIB blok COFDM Service information Kanal koder Logical frame Synchr. symbol generator DAB transmission signal 24 khz/48 khz PCM audio signal Programme Associated Data (PAD) MPEG audio encoder DAB Audio frame Kanal koder Logical frame M U X CIF blok Frame MUX DQPSK M U X OFDM HF DAB transmission frame General Data services Kanal koder Logical frame Stream Mode Packet Mode General Data services Kanal koder Logical frame Main Service Channel (MSC) Sub-channels Figur 5.1: Blokdiagram af DAB encoder. Som det ses i figur 5.1 bliver alle signalerne i MSC og FIC kodet i nogle blokke, der her er kaldet kanal koder. Disse kanal koder blokke har fire kodningsfunktioner: Conditional Access scrambler, Energy dispersal scrambler, foldningskoder og time interleaving. I FIC bliver signalet dog IKKE time interleaved! 5.1 Main Service Channel (MSC) Main Service Channel bruges til transmission af audio data og Programm Associated Data (PAD), som komprimeres til en DAB audio frame ved hjælp af en MPEG encoder. Kanalen bruges endvidere til transmission af Service Information (SI), der indeholder information omkring audio format, frekvens, programtype m.m. MSC kan inddeles i op til 64 sub-channels (under kanaler), som hver især er kodet ved hjælp af kanal kodning. Hver sub-channel kan bære en eller flere service komponenter, som transporteres enten vha. Stream Mode eller Packet Mode. Disse to modes beskrives ikke nærmere i denne rapport. Organiseringen af sub-channels kaldes multiplex configuration Information (MCI) (figur 5.2).

19 TVP 4606 Digital Audio Broadcasting Side 18 af 40 Service Information (SI) Audio General Data Sub-ch. a Sub-ch. b Sub-ch. c Sub-ch. d Sub-ch. 64 Main Service Channel (MSC) Figur 5.2: Opdeling af MSC. Alle data i MSC kanalen sendes i standard rammer. Disse standard rammer kaldes Logical frames og har hver især har en længde på 24 ms. Antallet af bit i de enkelte logical frames kan variere alt efter den valgte bit hastighed. DAB audio frame en har ligeledes en længde på 24 ms (ved 48 khz), og den kan derfor direkte lægges i en logical frame. Alle logical frame s fra de forskellige subchannels multiplekses til en sekvens af Common Interleaved Frames (CIF) DAB audio frame Idet MPEG bruges i DAB, vil DAB audio frame en blive meget lig en almindelig MPEG audio frame. MPEG audio layer II frame DAB audio frame header CRC Bit allocation SCFSI Scale factor sub-band samples ancillary data frame n-1 frame n frame n+1 DAB audio frame DAB audio frame header CRC Bit allocation SCFSI Scale factor sub-band samples stuff X-PAD ScF- CRC F-PAD Header error tjek Audio oplysninger ekstra oplysninger (PAD) Figur 5.3: Opbygning af MPEG audio frame og DAB audio frame. I DAB er der tilføjet ekstra oplysninger i form af Program Associatet Data (PAD) og i MPEG audio frame ens ancillary data område (se figur 5.3). PAD kan indeholde informationer såsom musik/tale indikation, program relateret tekst, ScF CRC (scale factor fejlkorregering) m.m. PAD har en data kapacitet på 333 bit/frame ved 24 ms frame s og 667 bit/frame ved 48 ms frames.

20 TVP 4606 Digital Audio Broadcasting Side 19 af khz/48 khz PCM audio signal Programme Associated Data (PAD) MPEG encoder Kanal kodning Service information Kanal kodning CIF General Data services Kanal kodning Common Interleaved Frame (CIF) CIF rammerne generes ved at multiplekse alle de logical frames, der leveres i de forskellige subchannels. MSC- MUX STREAM MODE PACKET MODE : : : : General Data services Packet Multiplekser Kanal kodning sub-channels Common Interleaved Frame (CIF) sub-channel sub-channel Padding sub-channel CU adresser Figur 5.4: blokdiagram af CIF generering. CIF rammen består af bit, hvilket svarer til 864 Capacity Units (CU) på hver 64 bit, hvilket er den mindste enhed, der kan adresseres i MSC. CIF rammens inddeling afhænger af hvor mange sub-channels, der benyttes til at udfylde CIF en. Hvis sub-channels ikke indeholder information nok, udfyldes CIF rammen med padding bit s (dummy s). 5.2 Fast Information Channel (FIC) FIC kanalen består af Fast Information Blocks (FIB s), der indeholder data, som modtageren skal kunne rekvirere hurtigt. Det er primært oplysninger om, hvordan multiplexing systemet er konfigureret (MCI), men også service informationer (SI) som oplysninger om tid, dato, trafikmeddelelser o.s.v. For at kunne sikre at disse data kommer hurtigt frem i systemet, benyttes der ikke som i MSC time interleaving.

21 TVP 4606 Digital Audio Broadcasting Side 20 af Fast Information Block (FIB) FIB blokken består af 256 bit, der er delt op i to afdelinger, FIB data field og CRC. FIB blokkens struktur er illustreret i figur bits 30 bytes 16 bits FIB data field CRC Useful data field FIG v... FIG k... FIG t End Marker Padding FIG type Lenght of FIG data field FIG data field 3 bits 5 bits FIG header Fig. 5.5: FIB blok struktur. FIB blokken er opdelt i et data felt på 30 bytes og et CRC felt på 16 bit, hvor datafeltet igen er opdelt i nogle FIG blokke med tilhørende end marker og padding. End marker bruges til markering af, hvor de brugbare data ophører i tilfælde af, at datafeltet ikke udnyttes fuldt ud. Padding bruges til at udfylde det resterende af datafeltet med nuller, hvis datafeltet ikke udnyttes 100%. CRC bruges til fejlkorregering. FIG (Fast Information Group) Der findes syv forskellige typer af FIG blokke, der kan indeholde forskellige former for information. FIG typen indikeres i FIG header en ved hjælp af tre bit. De sidste fem bit i FIG header en bruges til indikering af længden/størrelsen af FIG data feltet. FIG type nr. FIG type FIG applikation MCI + en del af SI Label, m.m. (del af SI) Reserveret Reserveret Reserveret FIC data channel (FIDC) Conditional Acces (CA) In house Tabel 5.1 : Liste over FIG typer. 5.3 Kanal kodning Som det ses i blokdiagrammet over DAB encoder en (figur 5.1), er der indført en kanal koder i hver sub-channel og i FIC. Disse kanal kodnings blokke indeholder fire former for kodning: Conditional Access (CA) scrambler, Energy dispersal scrambler, Foldningskoder og time interleaving. Alle data, der tilføres og forlader disse kodere, er i logical frames format.

22 TVP 4606 Digital Audio Broadcasting Side 21 af 40 Conditional Access (CA) Brugen af CA i DAB systemet indeholder tre hovedfunktioner: Scrambling/descrambling, entitlement checking, entitlement managment. Scrambling funktionen bevirker at service komponenter bliver ugenkendelige for uautoriserede bruger. Det betyder at service komponenterne kun kan descrambles og benyttes af brugere med en passende descrambler og et hemmeligt Control Word (CW). Entitlement checking funktionen består i udsendelse af de betingelser, der er nødvendige for at få adgang til en service. Der udsendes endvidere en krypteret hemmelig kode til aktivering af descrambler en hos den autoriserede modtager. Entitlement managment distribuerer titler til modtageren. Disse titler/subscripter kan bruges i forbindelse med forskellige services som pay-per-programme, pre-booked pay-per-programme, subscript til services såsom tema, niveauer m.m. Alle disse informationer bliver sent i Entitlement Managment Messages (EMMs). Energy dispersal scrambler Formålet med Energy dispersal er at få en passende spredning af energien i signalet. Energy dispersal funktionen beskrives ikke yderligere, men der henvises til DAB standarden [Litt. 4, kpt. 10] for yderligere information. Foldningskodning Foldningen benyttes som et led i fejlbeskyttelses proceduren. Det specielle ved foldningskodning er, at beskyttelses bit ene ikke har en fast placering for hvert data-ord som f.eks. ved paritets bit. Beskyttelses bit ene og informations bit ene danner i stedet en samlet enhed, som giver en betydelig højere beskyttelsesgrad. I DAB benyttes et foldningssytem som det i figur 5.6. a i Figur 5.6: Foldningskoder i DAB. Informations bit ene føres ind i et skitfteregister med en lagringskapacitet på 6 bit. De 6 bit plus det bit på indgangen (i alt 7 bit) genererer fire kodningsbit. Kodningsbit ene defineres som følgende. x x x x 0,i 1,i 2,i 3,i x 0,i = a i a i-2 a i-3 a i-5 a i-6 x 1,i = a i a i-1 a i-2 a i-3 a i-6 x 2,i = a i a i-1 a i-4 a i-6 x 0,i = a i a i-2 a i-3 a i-5 a i-6 exclusive-or

23 TVP 4606 Digital Audio Broadcasting Side 22 af 40 Eftersom hvert informationsbit generer 4 kodningsbit, bliver bithastigheden på udgangen af foldningskoderen nødt til at være 4 gange så stor som bithastigheden på indgangen. Det vil sige, at code Input bit 1 rate bliver: R C = = [Litt. 2, side 492] Output bit 4 For at øge denne code rate bliver de kodebit (output bit), der kan undværes, punkteret ud. Det gøres ved, at kodebit ene bliver punkteret i strømme af 8 bit ud fra fastlagte matrixer. Bitstrøm = x x x x Et eksempel på hvordan en code rate forøges fra ¼ til 8 / 13 ved hjælp af en punkterings matrix, vises i det følgende. Som det ses af tabel 5.2, vil alle bit i x 1 bitstrømmen og bit 1, 2, 3, 5 og 7 i x 2 bitstrømmen blive sendt. Men x 3 og x 4 bitstrømmene vil ikke blive overført. Code rate en bestemmes efter følgende formel : 8 R C = 8 + PI Tabel 5.2: Eksempel på punterings matrix., hvor PI kan antage værdierne 1 < PI < 24 8 / 32 < R C < 8 / 9. PI bestemmes af sub-channel dataformatet. Der henvises til DAB standarden for en mere detaljeret beskrivelse [Litt. 4, kap. 11]. Time interleaving Grunden til at man time interleaver, og derved spreder de enkelte bit, er at hvis der skulle komme støjpulser under transmissionen, så vil fejlene blive spredt ud over flere informationer. Det vil sige, at når der de-interleaves ved DAB modtagning, vil fejlene være spredt over flere data symboler, hvorved fatale fejl lettere undgås. Ved time interleaving ændres rækkefølgen af de enkelte bit systematisk til en anden rækkefølge. Ingen delay Data fra foldningskoderen Seriel til Parallel konverter : : : : 1 x 24 ms delay 2 x 24 ms delay : : : : : : : : Parallel til Seriel konverter Data til Multiplekseren 15 x 24 ms delay Figur 5.7: Princippet i time interleaving. Den principielle opbygning af time interleaving i DAB ses i figur 5.7. Først konverteres det serielle bitmønster til et parallelt bitmønster, således at de enkelte bit time interleaves med en spredning på 24 ms. Man kan derfor sige, at hver time interleaver har en interleaving dybde på 16 logical frames, idet en logical frame har en længde på 24 ms.

24 TVP 4606 Digital Audio Broadcasting Side 23 af COFDM (Coded Orthogonal Frequency Division Multiplex) COFDM er baseret på multi-carrier modulation og er udviklet specielt med henblik på mobil transmission. Pga. den effektive transmissionsform er modulationstypen blevet valgt ved udsendelse af DAB signaler. COFDM er valgt pga. tre karakteristiske egenskaber: Anvendelsen af Wideband Multicarrier Modulation letter modulation/-demodulation. Mindre følsom overfor Inter Symbol Interferens (ISI). Fejlkorrigerende kodning i form af en foldningskodning samt tids- og frekvensinterleaving af signalet. INPUT DATA FOLDNINGS- KODER TIDS & FREKVENS INTERLEAVER DQPSK ENCODER OFDM MODULATOR DAB encoder DAB decoder TRANSMISSIONS KANAL REECEIVED DATA VITERBI DEKODER TIDS & FREKVENS DEINTERLEAVER DQPSK DECODER OFDM DEMODULATOR Figur 5.8: Strukturen i COFDM Wideband Multicarrier Modulation DAB signalets båndbredde er MHz, men hvor man ved f.eks FM lader den ønskede information fylde hele båndbredden, er en af grundideerne i OFDM at splitte den ønskede digitale information op i mindre blokke, for derpå at transmittere denne information på et tilsvarende antal bærebølger. På denne måde kan den enkelte kanal let moduleres/demoduleres ved henholdsvis IFFT og FFT. For DAB signalets vedkommende gælder der ved jordbaseret transmission: Båndbredde B = MHz Antal sub-carriers (bærebølger): N = 1536 Afstand mellem bærebølgerne: f ca = 1 khz f 1 f1 +1kHz f kHz f Figur 5.9: Frekvensspektrum for de enkelte bærebølger. Afstanden mellem de enkelte bærebølger kan beregnes, hvis vi antager, at vi har et firkantsignal af varigheden T U. Orthogonaliteten, d.v.s den afstand hvor de individuelle bærebølger lige netop ikke påvirker hinanden, vil så være lig med 1 fca = T u

25 TVP 4606 Digital Audio Broadcasting Side 24 af 40 Figur 5.10: Frekvenspektra for DAB signalet. De enkelte frekvensspektre fra de sideliggende bærebølger overlapper rent faktisk hinanden, men på en sådan måde at det ikke får betydning for det modulerede signal. Frekvensspektrene har form af en sinc funktion, som pga. orthogonaliteten har deres nul gennemgange ved maksimal amplitude for den enkelte bærebølge. Opsplitningen af det digitale signal foretages for hver 2K bit information, og hver blok kaldes et OFDM symbol. De individuelle bærebølger moduleres ved Differential Quadrature Phase Shift Keying (DQPSK), hvilket betyder, at hver sub-carrier bærer en information på 2 bit, da informationen kan antage fire niveauer bestemt af fasen med 90 spring i forhold til den sidst modtagne information. Princippet vises i figur 5.11, hvor DQPSK signalet demoduleres, og faseinformationen udskilles ved multiplicering af det indgående signal med en cosinus og sinus med samme frekvens. cos(ωt) DQPSK signal Q 1 Fasen detekteres afhængigt af fortegn på input. Θ n + Ae -jωt - Fasen på kompleks form e -jθ Ae -jωt+θ Θ n-1 Q 2. sin(ωt) Bit 1 Bit 0 θ n -θ n-1 Q 1 Q Figur 5.11: Princip i demodulering af DQPSK signal og eksempel på kodning af bitinformation Inter Symbol Interferens Interferensen vil opstå, når det udsendte symbol pga. refleksion tilbagelægger forskellige vejlængder inden det når frem til modtageren og benævnes Inter Symbol Interference (ISI). Hver sekvens af symboler vil blive transmitteret med en båndbredde svarende til afstanden mellem de enkelte bærebølger. Eftersom båndbredden er lille, vil den tidsmæssige varighed af et symbol være tilsvarende lang, og derfor opnår symbolet en grad af immunitet mod interferens.

26 TVP 4606 Digital Audio Broadcasting Side 25 af 40 For yderligere at mindske risikoen for interferens mellem de enkelte symboler udvides symbollængden ved at tilføje et såkaldt guard interval eller beskyttelsesinterval. Hvis guard intervallet er længere end tidsforsinkelsen pga. refleksionsvejen, undgås ISI. T u T S Figur 5.12: OFDM symbolets sammensætning, hvor T S er symbollængden, T u afstanden mellem de enkelte bærebølger og er guard intervallets længde. I praksis fungerer det på den måde, at modtageren simpelthen ignorerer signalet i et tidsrum svarende til guard intervallet. Længden af guard intervallet er kendt, så modtageren detektere nu de resterende x antal procent af signalet, som herefter udgør den brugbare del af symbolet Fejlbeskyttelse i form af fejlkorrigerende kode og frekvensinterleaving Der kan dog ikke helt ses bort fra interferens, som kan medføre en frekvens selektiv dæmpning eller fading af nogle af kanalerne. Denne interferens vil af modtageren blive opfattet som fejl bit, og for at mindske påvirkningen fra den frekvens selektive fading spredes "bit fejlene" ud på andre kanaler ved frekvens interleaving og foldningskodning af signalet. 5.5 DAB transmissionens ramme Den data struktur som i sidste ende COFDM moduleres hedder en DAB transmissions frame. DAB Transmission frame Synchr. Channel Fast Information Channel (FIC) Main Service Channel (MSC) FIB FIB CIF... CIF Fig. 5.13: Opbygning af DAB transmissions frame. Som det ses af figuren, består transmission rammen af en sekvens på tre grupper af OFDM symboler: synkroniserings symboler, FIB blokke og CIF rammer. CIF rammerne og FIB blokkene bliver i første omgang multiplekset sammen ved hjælp af en frame multiplekser (se figur 5.13) og derefter frekvens interleaved m.m. Herefter multiplekses signalet med synkroniseringssymboler og udvides til sidst med guard intervallet i OFDM symbol generatoren. Diskret frekvens z[n] IFFT Diskret tid Guard interval tilføjes D/A Til transmitter Figur 5.14: OFDM Symbolgenerator.

27 TVP 4606 Digital Audio Broadcasting Side 26 af 40 Synkroniseringssymbolerne består af et null symbol, som er det første OFDM symbol, der transmitteres i DAB rammen. Det betyder i praksis, at signalet s(t) i tidsrummet [0;T NULL ] er lig med 0. Det næste indeholder faseinformation om det kommende symbol og er dermed reference symbol i modtageren. De følgende symboler der transmitteres er de egentlige data i form af FIC og MSC. Der kan vælges imellem fire forskellige transmission modes, hvor rammens organisering og længde er afhængig af transmissions typen. Transmission mode Rammelængde Antal FIBs Antal CIFs Null Symbol T NULL Guard interval OFDM symbol T u 1 96 ms ,297ms 246µs 1ms 2 24 ms µs 62µs 250µs 3 28 ms µs 31µs 125µs 4 48 ms µs 123µs 500µs Tabel 5.3: Tabel over transmission modes. Figur 5.15 viser det teoretiske DAB signal i transmissions mode 1. Power spectrum density DB f C f C f C f C f C Figur 5.15: Spektrum for DAB signal i transmission mode 1. frequency khz

28 TVP 4606 Digital Audio Broadcasting Side 27 af 40 6 DAB decoder Nogle producenter har lavet prototyper af DAB modtagere både som selvstændige enheder og som udbygning til bilradioer. DAB dekoderen er opbygget af en HF del og en digital del. HF delen modtager det bredbåndede HF(DAB) signal, og digital delen bearbejder det digitale signal, som konverteres til lyd, tekst og billeder. Idet decoder ens funktion minder om encoder ens (bare omvendt), vil den kun blive beskrevet overfladisk. Figur 6.1 viser et blokdiagram af en DAB decoder fra Grundig. DAB signal HF-del Digital-del DAB Audio frame Display PAD Forst. Filter Filter A/D konverter I/Qdemod. FFT D-demod. Viterbidekoder MPEG Dekoder D/A konverter Audio signal VCO Digital Signal Processor Microprocessor RAM / EPROM Figur 6.1: Forenklet blok diagram af DAB dekoder. HF del Det modtagne signal, som består af 1536 fase modulerede bærebølger, kommer ind i modtageren, hvor det bliver forstærket, filtreret og konverteret. Det analoge signal konverteres herefter til et digital signal. HF delen sørger endvidere for synkronisering af DAB signalets NULL symbol. Der stilles store krav til selektivitet, da afstanden mellem de forskellige DAB signaler er mindre end ved FM. Da DAB signalet har en båndbredde på 1,5 MHz, stilles der store krav til indgangstrinnet mht. ens forstærkning af hele båndbredden. Digital del I I/Q demodulatoren udskilles faseinformationen ved at multiplicere det indgående signal med en cosinus og en sinus med samme frekvens (se kap ). Via delta demodulation og Fast Fourier Transformation genskabes bit strømmen ud fra de konfigurationsdata, signalet indeholder. Derefter deinterleaves, således at data enes rigtig rækkefølge genskabes, hvorefter de fejlkorrigeres i Viterbi dekoderen. Efter at eventuelle fejl er rettet, sendes DAB audio rammerne videre til MPEG decoder en, som er betydeligt mere simpel end MPEG encoder en (se figur 6.2). MPEG Audio frame frame unpacking reconstruction Inverse filter bank 32 sub-bands Afslutningsvis foretages en D/A konvertering, hvor det digitale audio signal igen bliver til lyd. Undervejs i MPEG decoder en udskilles relevante data med program oplysninger (PAD). PAD sub-band samples MPEG Audio Layer II decoder Figur 6.2: Blokdiagram af en MPEG dekoder. PCM

29 TVP 4606 Digital Audio Broadcasting Side 28 af 40 7 Opbygning af simpel MPEG audio dekoder MPEG standarden bruges i stadig flere applikationer, deriblandt DAB. For at demonstrere MPEG er dette punkt valgt som introduktion til brugen af MPEG audio dekodere. Der er valgt en MPEG dekoder frem for en MPEG encoder, idet encoder en er mere kompleks opbygget, da den gør brug af den psykoakustiske model. En MPEG dekoder kan realiseres enten med software- eller hardware. Den software baserede dekoder kan alene realiseres ud fra viden om MPEG signalets opbygning. Software dekoderen kræver dog en hel del processorkraft, hvis der skal dekodes lydfiler i CD kvalitet, og derfor kan hardware løsningen ofte være et bedre valg. Der er i dette projekt valgt at lave en hardware dekoder. Der sigtes ikke efter at lave et færdigt produkt eller en komplet prototype. Opbygningen af MPEG dekoderen skal derimod ses som en testopstilling, som demonstrerer, hvorledes et MPEG signal konverteres til et audio signal. 7.1 Testopstilling Som det ses i testopstillingen (figur 7.1), er der valgt en computer til generering af det MPEG signal, der skal sendes til MPEG audio Layer II decoderen. PC en er valgt, fordi den er let tilgængelig, samtidig med at det MPEG signal (fil) der skal bruges, direkte kan genereres på PC en. LPT1 0x318 MPEG file MPEG audio layer II decoder PCM data D A C Left Right PC Figur 7.1: Testopstilling. Selve MPEG dekoderen er en MPEG dekoder IC-kreds, som kan køre uden brug af ekstern styring, en såkaldt stand alone kreds. MPEG kredsen overfører PCM data til en Digital-to-Analog- Converter (DAC), som leverer et audio signal til to højtalere. I bilag 2 ses diagrammet af testopstillingen. 7.2 Valg af komponenter Da MPEG dekoder kredsen er en central del af konstruktionen, vælges MPEG kredsen derfor også først. MPEG kreds Der er mange fabrikanter af MPEG dekodere, dog med forskelle anvendelsesmuligheder. Vores valg faldt på en TMS320AV120AFN fra Texas Instruments, af følgende årsager: Montering i PLCC sokkel ( modsat mange andre typer som kun fås til overflademontering ) Kan køre stand alone, det vil sige uden µ-processer Gratis prøve fra Texas Instruments Kort leveringstid Det kan dog her nævnes, at Philips har udviklet en MPEG decoder kreds (SAA 2502) med indbygget DAC. Da der desværre var stor leveringstid på denne kreds, blev den ikke valgt. Der blev imidlertid bestilt en anden MPEG kreds fra Philips SAA Denne kreds blev ikke brugt, da kredsen, modsat den kreds fra Texas, var i et SOT307-2 hus til overflademontering.

30 TVP 4606 Digital Audio Broadcasting Side 29 af 40 Valg af Digital-to-Analog-Converter (DAC) Kravet til DAC en er, at den skal kunne konvertere det PCM format, MPEG decoder en leverer. TMS320AV120AFN kan sende PCM signalet i følgende fire modes: PCMSEL1-0 Precision PCM word length PCMCLK bits 16 bits 1 x SCLK LRCLK x bits 16 bits 8 x SCLK LRCLK x bits 24 bits 1 x SCLK LRCLK x bits 24 bits 8 x SCLK LRCLK x 384 Tabel 7.1: Uddrag af data omkring PCM out interface fra TMS320AV120 data blad. Valg af DAC kreds faldt på en TDA 1305T (Philips ), da denne var lagervare, og samtidigt opfyldte ovenstående krav. TDA 1305T har følgende clock and data input format: TEST1 CLKS1 CLKS2 Data input format System clock Data clock SYSCLK I 2 S up to 20 bits 256 f s > f s LSB fixed 16 bits 384 f s f s LSB fixed 18 bits 384 f s f s LSB fixed 20 bits 384 f s f s Reserved LSB fixed 16 bits 384 f s f s LSB fixed 18 bits 384 f s f s LSB fixed 20 bits 384 f s f s Tabel 7.2: Uddrag fra TDA 1305T datablad om system clock and data input format. Som det ses i tabel 7.1 og 7.2, kan TDA 1305T bruges sammen med TMS320AV120, hvis der vælges et PCM data format =18 bit og PCM word length = 24 bits (markeret med i tabel 7.1 og 7.2) Andre komponenter Dimensioneringen af modstande og kondensatorer omkring TDA 1305T er gjort udfra den valgte applikation i SAA 2500 databladet, og vil derfor ikke blive beskrevet yderligere. Komponenter omkring MPEG kredsen er valgt udfra TMS320AV120 databladet. Der kræves en reset puls på mindre end 0,8 V i minimum 200ns (under powerup). Der er valgt en kondensator på 100nF og en modstand på 5,1kΩ, hvilket giver en reset pulse på ca. 89µs under powerup. t τ VC = Vcc (1 e ) hvor τ = R C = 510µ s, Vcc = 5V og VC, MAX = 0,8V Udfra den valgte mode (PCM data = 18 bits, PCM word = 24 bits) skal MPEG kredsen have en clock på 2,1168 MHz på PCM_CLK indgangen, og DAC en en system clock (SYSCLK) på 16,9344 MHz. Der er valgt et krystal på 33,8688 MHz, som neddeles med en 4 bit tæller (74HC393) til to frekvenser på henholdsvis 2,1168 MHz og 16,9344 MHz. 7.3 System beskrivelse Det signal MPEG dekoderen skal have, er et standard MPEG audio Layer II signal, som skal sendes i standard MPEG audio frames. Med TMS320AV120 og TDA 1305T kørende i den valgte mode (se kap. 7.2), skal MPEG signalet som sendes til TMS320AV120, samples med en frekvens på 44,1 khz (se datablad for TMS320AV120). Programmet Coolledit 96 1) er benyttet til generering af en MPEG test fil indeholdende en 1kHz tone, samplet med 44,1 khz og en bithastighed på 64 kbit/sek. 1) Shareware program hentet fra internettet til generering af lydfiler i forskellig format deriblandt MPEG format. Filer komprimeret i MPEG format har "efternavnene" MP1, MP2 eller MP3. Tallene refererer til, hvilken MPEG layer encoderen har benyttet.

31 TVP 4606 Digital Audio Broadcasting Side 30 af 40 FFF ~ Sync. word Figur 7.2: Uddrag af MPEG-fil i hexadecimal format. Testfilens indhold (MPEG-filen) kan kontrolleres ved at hente den ind i en editor, som kan vise filen i hexadecimal format. I figur 7.2 ses et udsnit af en 1kHz test tone i MPEG format. FFF er et sync. word i MPEG audio frame header en, som MPEG kredsen bruger til synkronisering. Det er valgt at lave et program i C, som skal sende MPEG bitstrømmen serielt ud på parallelportens (LPT1) ben 2 (Databit 0) med en hastighed på 64 kbit/sek, samtidig med at der sendes en clock på 64 khz ud på parallelportens ben 3 (Databit 1). MPEG dekoder kredsen behandler herefter data ene og sender lyden i PCM format serielt til DAC en, sammen med en PCM clock på 2,1168 MHz og LEFT/RIGHT signal. Audio signalet sendes herefter ud til to højtalere. 33,8688 MHz Krystal 74HC393 16,9344 MHz 2,1168 MHz LPT1 0x378 MPEG data (64 kbit/sek) Clock (64 khz) TMS320AV120 PCM data Left/Right Clock (2,1168 MHz) TDA 1305T Audio LEFT Audio LEFT Figur 7.3: Principdiagram af testopstilling.

32 TVP 4606 Digital Audio Broadcasting Side 31 af 40 TMS320AV120 generelt: I MPEG kredsen sidder en data buffer på 512 byte til lagring af MPEG data. Buffer en bruges i tilfælde af, at den valgte bithastighed skulle variere. Bliver buffer en fyldt, går /SREQ signalet (ben 39) høj, som indikering på at MPEG kredsen ikke kan modtage data lige nu. MPEG kredsen har i forbindelse med bithastigheden for MPEG data, et signal kaldet PCM_ERR (ben 38), som bruges til at indikere, hvor meget bithastigheden afviger fra det valgte. /BOF signalet (ben 22) viser starten på en ny PCM frame/sekvens. Disse tre signaler er ikke brugt i den valgte testopstilling, men kan være nyttige at studere ved en eventuel fejlfinding. Signalerne er beskrevet i appendiks A. 7.4 Testsoftware Formålet, med det program som skal laves, er at udsende seriel MPEG data fra parallelporten med en konstant hastighed af 64 kbit/sek. En sådan konstant hastighed kan være svær at generere med en PC. Ud fra softwaren er man enten begrænset til at bruge PC ens interne clockfrekvenser, eller til at tilpasse program koden så den afvikles netop til at give den rigtige bithastighed. En anden mulighed kunne selvfølgelig være at købe eller konstruere et kort til PC en med netop den rigtige frekvens. For at begrænse projektet er den simple software løsning valgt. Vælges PC en interne clockfrekvens fra 8253-kredsen 2), begrænses frekvensvalget til at være en deling af dennes reference frekvens på 1,1925 MHz, hvilket betyder en bithastighed på 66,25 kbit/sek. som det bedst opnåelige ( f = 1,925 MHz/18 = 66,25 kbit/sek). En bithastighed på 66,25 kbit/sek vil med andre ord betyde, at der sendes 2,25 kbit for meget per sekund. Buffer en på 512 byte i MPEG kredsen vil derfor blive fyldt indenfor ca. 2 sekunder. Denne løsning er derfor ikke valgt. Det er derfor valgt at lave et program, hvor bithastigheden opnås ved at tilpasse program koden. Til test af bithastigheden er der lavet et program til generering af en testfil indeholdt 1 er og 0 ( ) (se bilag 4). Dette er gjort for at gøre måling af timing mellem data og clock signal lettere. START Der er herefter lavet et program, der indlæser en MPEG fil i et ram-lager. Disse data læses byte-vis og roteres, så data ene kan sendes bit-vis ud på parallelporten. Samtidig med dette genereres en clock, som ligeledes sendes ud på parallelporten (se programmet i bilag 4 og figur 7.4). Problemet med dette program er naturligvis, at bithastigheden vil varierer alt efter, om der skal læses en ny byte, inden der sendes et bit, eller der kun skal sendes et bit. Programmet er derfor lavet ud fra den forudsætning, at buffer en i MPEG dekoderen vil kunne udligne denne uregelmæssighed. SLUT Ja Delay Læg MPEG fil i RAM lager. Er alle byte læst? Ja Er alle 8 bit sendt? Nej Indlæs 1 byte fra RAM lager. Send bit. Nej Konstant bithastighed Figur 7.4: Flowdiagram af testsoftware. 2) PC en har 8253-kreds til styring af interrupt fra tastatur, printer, timer m.m, hvor en reference frekvens på ca. 18,2 Hz genereres (f = 1,1925 MHz / = 18,2 Hz). Denne sytsem-interrupt er mulig at overtage og derefter forøge frekvensen. [Litt. 3].

33 TVP 4606 Digital Audio Broadcasting Side 32 af Måleresultater Testopstilling er blevet testet med en MPEG fil indeholdende en 1kHz tone (sinus signal) samplet med 44,1 khz, 64 kbit/sek. af 10 sekunders varighed. 1 khz tonen lød ikke som en kontinuerlig tone, men som små brudstykker af en tone dvs. tonen kunne høres i ca. ½ sek.- pause i ca. ½ sek kunne høres i ½ sek. osv. Ved udgangen til højttalerne kunne 1 khz sinus signalet således også kun måles i små brudstykker. PCM data til DAC kom ligeledes i bursts (brudstykker). Ved måling af PCM_ERR kunne det observeres, at PCM_ERR signalets duty-cycle varierede lidt omkring de på 50%. Det antyder, at bithastigheden varierer omkring de 64 kbit/sek., som signalet er genereret ud fra. Den varierende duty-cycle, er en naturlig konsekvens af det i kap. 7.4 omtalte problem vedrørende programmet. TMS320AV120 har som tidligere nævnt en intern buffer på 512 byte. Fyldes denne buffer, aktiveres Signal Request (SREQ) (går høj) som indikering af, at kredsen ikke kan modtage flere data lige nu. Der er på nuværende tidspunkt ikke blevet målt på dette signal. En anden mulighed kan være, at MPEG kredsen ikke kan genkende de data, der sendes til den. TMS320AV120 kredsen har en ERR_IN indgang, som kan bruges til at fortælle kredsen, at de modtagne data er defekte. Audio data ene bliver herefter mute et (ved hjælp af scale factor), så højtalerne ikke tager skade. I denne opstilling benyttes dette signal ikke, så en eventuelt mute kan kun forekomme, hvis der opstår fejl i synkroniseringen, eller hvis der er fundet en fejl i header en under CRC tjek. En sådan fejl kan skyldes store afvigelser i bithastigheden, eller at der er generende støj på kommunikationsforbindelserne. I tilfælde af støjproblemer må støjen være periodisk, idet lyden høres som periodisk afbrydelser/mute s. Problemer med synkroniseringen må således også være periodiske, idet 1 khz tonen kan høres/genkendes, hvilket vil sige, at MPEG kredsen kan genkende en del af de sendte data. På grund af tidsmangel er der ikke målt yderligere på opstillingen, og fejlen er derfor ikke lokaliseret på nuværende tidspunkt. Til løsning af problemet er følgende fremgangsmetode valgt: systematisk kontrol af hardware måling af bl.a. SREQ og BOF støjmåling evt. hardware ændring Skyldes problemet, at buffer en bliver fyldt, kan problemet eventuelt løses ved at omskrive programmet og benytte SREQ signalet ved polling. Derved negligeres eventuelle fejl, fordi buffer en bliver overfyldt ved for høj bithastighed. Ved brug af denne metode kan data ene sendes i bursts (datapakker), så længe bithastigheden holdes under 448 kbit/sek. TMS320AV120 har en indgang kaldet BYPASS, som kan bruges hvis data på SIN indgangen, er almindelig PCM data. Med BYPASS sat til 1 føres SIN data direkte ud på PCMOUT, og digital til analog konverteren kan dermed testes.

34 TVP 4606 Digital Audio Broadcasting Side 33 af 40 8 Konklusion Rapporten har fra starten været ment som en introduktion til Digital Audio Broadcasting for at give læseren et overblik og en overordnet forståelse. Samtidig er det valgt at give MPEG et særskilt kapitel, da denne indgår som en central del af DAB. Idet et komplet DAB system er meget komplekst, er det valgt kun at konstruere en simpel MPEG Audio dekoder. Selv om DAB standarden var færdigudviklet i foråret 1994, er selve konceptet for DAB radioen ikke fuldt udviklet specielt ikke med hensyn til valg af tillægstjenester og brugerflade. Som følge heraf er udbudet af litteratur på området meget begrænset. Da DAB er meget komplekst og vores forudsætninger indenfor området samtidig har været begrænsede, har en god planlægning været nødvendig. Som en del af planlægningen er der lavet tidsplan og ført projektdagbog sideløbende. Omfanget af projektet taget i betragtning, er der m.h.t. arbejdsfordeling, udnyttet at gruppen bestod af fire personer. Der er således blevet uddelt opgaver til de enkelte personer indenfor konkrete områder. Vi mener at denne planlægning har gjort det muligt af dække et stort område, dog med den ulempe at videnfordelingen hos den enkelte kan være forskellig. DAB systemet som helhed er meget kompleks, men er i virkeligheden bygget op af allerede udviklede teknikker såsom COFDM, foldning, MPEG o.s.v. Det kan derfor være en fordel først at skabe sig et overblik af DAB, og derefter gå i dybden med de enkelte teknikker ud fra anden litteratur. Vi synes rapporten skaber et sådan overblik. Konstruktionen af MPEG dekoderen er ment som en testopstilling for at give et vist kendskab til MPEG dekoder kredse. Det har først været muligt at konstruere MPEG dekoderen sidst i projektet, hovedsagelig fordi det har været nødvendigt at tilegne sig den nødvendige viden først. Vi har tillige erfaret, at der kan være store leveringstider på visse MPEG kredse. Den valgte løsningsmetode er forholdsvis simpel, dels fordi den valgte MPEG kreds kan køre som stand alone, og fordi der er valgt en PC som MPEG signalgenerator. Hardwaren er konstrueret og afprøvet, men virkede ikke umiddelbart efter hensigten, da lyden kun kom i kortvarige intervaller. Vi er overbeviste om, at problemet er, at den valgte softwareløsning sammen med PC en ikke er i stand til at levere et signal med konstant hastighed. Men vi mener, at testopstillingen er brugbar dog med visse modifikationer. Vi synes, at rapporten som helhed har opfyldt de opsatte mål og forventninger. Den tilegnede viden omkring DAB og MPEG, er yderst relevant, da DAB efter vores mening vil være fremtidens radiosystem og MPEG allerede i dag benyttes i talrige applikationer. Caspar P. Laugesen Steen Nielsen Thormar Thorkelsson Casper Wittorff

35 TVP 4606 Digital Audio Broadcasting Side 34 af 40 9 Litteraturliste Litt. 1: Titel: Digital Audio Broadcasting. Grundlagen, Anwendungen und Einfürung von DAB. Forfatter: Thomas Lauterbach Udgave: 1 Forlag: Franzis-Verlag GmbH, Feldkirchen ISBN: Litt. 2: Titel: Communication systems. An introduktion to signals and noise in electrical communication. Forfatter: A. Bruce Carlson Udgave: Third Edition Forlag: McGrav-Hill Book Company. ISBN: Litt. 3: Titel: The Intel Microprocessors. 8086/8088, 80286, 80386, and 80486, Architecture, Programming, and Interfacing. Forfatter: Barry B. Brey Udgave: Third Edition Forlag: Prentice Hall International Editions. ISBN: Litt. 4: Litt. 5: DAB - standard: European Telecommunication Standard, ETS Radio broadcasting systems: Digital Audio Broadcasting (DAB) to mobile, portable and fixed receivers. MPEG standarder: ISO/IEC (marts 1993). Coding of Moving Pictures and associated audio for digital storage media at up to 1,5 Mbit/s Audio part. ISO/IEC (november 1995). Generic coding af moving pictures and associated audio Audio part

36 TVP 4606 Digital Audio Broadcasting Side 35 af 40 Appendiks A: TMS320AV120 signal timing BOF, SCLK, PCMOUT og LRCLK BOF indikerer starten på en ny sekvens af PCM data. Signalet køre synkront med SCLK, som er PCM clock til DAC. LRCLK viser, om PCM data på PCMOUT er til venstre (left) eller til højre (right) kanal. SCLK LRCLK PCMOUT t 1 Left Bit 15 Left Bit 14 Left Bit 0 Right Bit 15 Right Bit 14 t 1 t 1 : LRCLK after SCLK t 2 : BOF after SCLK t 3 : BOF to BOF (pulse) BOF t 2 t 3 ICLK, SREQ og SIN ICLK og SIN er henholdsvis clock og MPEG data fra PC ens parallelport. SREQ (Seriel Request) går high, når den interne buffer på 512 byte i TMS320AV120 er fyldt. ICLK SREQ t su1 t su1 : SREQ low before ICLK SIN Data Data PCM_ERR PCM_ERR viser synkroniseringen mellem ICLK og PCMCLK (clock til TMS320AV120). t d7 PCM_ERR PCMCLK and ICLK synchronized t d8 t d8 PCM_ERR PCMCLK slow t d7 : PCM_ERR period. t d8 t d8 t d8 : PCM_ERR pulse duration, high or low. PCM_ERR PCMCLK fast t d8 td8

37 TVP 4606 Digital Audio Broadcasting Side 36 af 40 Appendiks B: Filterbank algoritme Det digitale filter virker umiddelbart meget komplekst, så det er vigtigt at huske på, at det kun er et båndpasfilter, vi har med at gøre i det følgende. Af flowdiagrammet ses det, at der indlæses 32 nye samples af gangen i en 1024 bytes buffer (512 samples = 1024 byte). Vektor Z dannes nu, ved at bufferen overlejres af et vindue, hvis koefficienter kan findes i DAB standarden. Derpå foretages en delsummering, og endelig dannes S vektoren, som indeholder de 32 output samples fra filteret. S vektoren dannes ved at multiplicere med et antal matrikskoefficienter M ik, der i standarden er givet ved: (2i + 1)( k 16) π M ik = cos hvor 0 i 31, 0 k Multiplikationen med matrikskoefficienterne kan opfattes som en forskydning af de 32 samples, så de fordeles i de 32 filterbånd. Flowdiagrammets output kan beskrives ved: S [ i] t 7 = 63 k = 0 j= 0 M ik C [ k + 64 j] X[ k + 64 j] i hvor i er indeks for de 32 filterbånd S t [i] er en af de 32 outputsamples og t et heltalsmultiplum af af de 32 sample intervaller C[n] er vindueskoefficienterne givet i standarden X[n] er en af de 32 inputsamples fra bufferen Ovenstående kan opfattes som en diskret foldning givet ved: S [ i] = t 511 n= 0 X[ t n] H [ n] i hvor X[τ] er en lyd sample til tiden τ (2i + 1)( n 16) π H i [ n] = h[ n]cos 64 som er overføringsfunktionen for samplen med h[n] = -C[n], hvis heltalsværdien af (n/64) er ulige og ellers C[n] for n= 0 til 511. For MPEG-2 Layer II indeholder hver af de 32 filterbånd 3 x 12 = 36 samples, d.v.s i alt 32 x 36 = 1152 samples, som normeres med en skaleringsfaktor. BEGIN for i=511 down to 32 do X[i] = X[i-32] For i=31 down to 0 do X[i]=next_input_audio_sample Window by 512 Coefficients Produce vector Z For i=0 to 511 do Z i=c i*x i Partial Calculation 7 Z i j= 0 for i=0 to 63 do Y i = + 64 Calculate 32 Samples by Matrixing 63 for i=0 to 31 do S i = k = 0 M ik * Y k Output 32 sub-band samples END Figur A.2.1: Flow Chart over filterbank j 512 Sample FIFO buffer 32 PCM Samples k k+64 k+128 k+192 k+256 k+320 k+384 k+448 C[k] C[k+64] C[k+128] C[k+192] C[k+256] C[k+320] C[k+384] C[k+448] Σ k= Subband samples i = M[i]k] Figur A.2.2: Implementering af filterbanken

38 TVP 4606 Digital Audio Broadcasting Side 37 af 40 Bilag 1: Flow diagram af MPEG audio Layer II encoder Begin Analysis Subband filter Filterbank 32 subbands FFT analysis Psychoacoustic model Scale factor Calculation Calculation of masking threshold and Signal to Mask Ratio Determination of non-transmitted subbands Scale Factor calculation Scale factor select information Calculation of required bit allocation Bit allocation Coding of scale factors and SCFSI Adjustment to fixed bitrate Desired bit rate Quantization of subband samples Coding of subband samples Quantization and Coding Coding of bit-allocation Formating of MPEG audio frame Bit stream formatter End

39 TVP 4606 Digital Audio Broadcasting Side 38 af 40 Bilag 2: Diagram af MPEG dekoder

40 TVP 4606 Digital Audio Broadcasting Side 39 af 40 Bilag 3: Komponentliste til MPEG dekoder MODSTANDE: REF. VÆRDI TYPE TOL KLAS. BEMÆRKNING NR. W W R1 5.1K 1% 1/4 R2 10K 1% 1/4 R3 10K 1% 1/4 R4 10K 1% 1/4 R5 10K 1% 1/4 R6 1K 1% 1/4 R7 1K 1% 1/4 KONDENSATORER: REF. VÆRDI TYPE NR. F C1 30p Keramisk C2 30p Keramisk C3 100n Polyester C4 100n C5 100n C6 100n C7 100n C8 1n C9 1n C10 1m Elektrolyt C11 100m Elektrolyt C12 100m Elektrolyt INTEGREREDE KREDSE: REF. TYPE BESKRIVELSE NR. IC1 TMS320AV120 MPEG AUDIO DECODER IC2 TDA1305T DAC IC3 SN74393 BINÆR TÆLLER KRYSTALLER: REF. VÆRDI TYPE NR. Hz X1 24M X M SPOLER: REF. VÆRDI TYPE NR. H L1 4.7m DIVERSE: REF. VÆRDI TYPE NR. S1 1POL KONTAKT +diverse loddespyd, monteringstråd, printplade.

41 TVP 4606 Digital Audio Broadcasting Side 40 af 40 Bilag 4: C-programmer til brug i testopstilling C-program til generering af testfil til måling af bithastighed. //************************************************************************** //Testfil til generering af kontinuer bit strøm: % //Bruges til at måling af timing mellem clock og data //************************************************************************** #include<stdio.h> main() //Begynd program { unsigned long i; FILE *datfile; //Fil pointer datfile=fopen("test.dat", "w"); //åbn fil for(i=1; i<500000; i++) putc(0x55, datfile); //Fyld med % fclose(datfile); //Luk fil return 0; //End } C-program til transmission af MPEG fil til TMS320AV120 via parallelporten (0x378). //************************************************************************** //Åbner MPEG testfilen og sender bitstrømmen ud på parallelporten, samt CLOCK. //64 Kbit bit rate (MAX 60k byte) //************************************************************************** #include <stdio.h> #include <conio.h> #include <time.h> #include <dos.h> #define OUT_PORT 0x378 //LPT port defineret main() //Program begynder { FILE *input; //File pointer int i; unsigned long int COUNT1=0; unsigned char b,masked_b,file_array1[60000]; input = fopen("test.dat","rb"); printf("file opened...\n"); //Pointer til test file while (COUNT1 < 60000) { //Indlæs 60K byte fread(&b, sizeof(char), 1, input); //fra test fil file_array1[count1] = b; //Array fyldes COUNT1++; } fclose(input); printf("\nfile closed."); //Test fil lukkes for (COUNT1=0; COUNT1 < 60000; COUNT1++) { //Skriv data fra Array b = file_array1[count1]; //til variabel maske = 0x80; //maske defineres % for (i = 0; i < 8; i++) { //byte skrives ud løkke masked_b = b; masked_b &= maske; //alle andre bits maskes masked_b >>= (7-i); //skift til højre outp(out_port,masked_b); //bit sendt til MPEG dekoder masked_b = 0x02; //Clock maske High for(d=1; d<12;d++); //timing af bitrate (set up) outp(out_port,masked_b); //Clock High til MPEG dekoder masked_b &= 0x05; //Clock maske lav for(d=1; d<11; d++); //timing af bitrate outp(out_port,masked_b); //Clock Low til MPEG dekoder for(d=1; d<12; d++); //timing af bitrate maske >>= 1; //Næste bit } } exit(0); } //End program

42 TVP 4606 Digital Audio Broadcasting Side 41 af 40 Nomenklaturliste Forkortelse CA CIF COFDM CRC DAB DQPSK FFT FIB FIC FIG IFFT ISI MCI MNR MPEG MSC OFDM PAD PCM ScF ScFSI SMR SNR Syncword Beskrivelse Conditional Access Common Interleaved Frame Coded Orthogonal Freqency Division Multiplex Cyclic Redundancy Check Digital Audio Broadcast Differential Quadrature Phase Shift Keying Fast Fourier Transform Fast Information Block Fast Information Channel Fast Information Group Inverese Fast Fourier Transform Inter Symbol Interferens Multiplex Configuration Information Mask to Noise Ratio Motion Picture Experts Group Main Service Channel Orthogonal Freqency Division Multiplex Programme Associated Data Pulse Coded Modulation Scale Factor Scale Factor Select Information Signal to Mask Ratio Signal to Noise Ratio Synkroniserings ord = 0xFFF