标准文本里一个OFDM帧排得整整齐齐几百上千个子载波在频率上等间距铺开符号在时间上依次排列导频收发两端预先约定的已知参考点落在固定格点上星座点位于标称位置。照这张图解码近乎一道填空题。天线收到的采样不是这样。它没有帧头符号边界未知中心频率偏了几十赫兹甚至更多幅度持续起伏邻频强台压在旁边。接收机要做的第一件事是在尚不知道信号结构的前提下把它对回标准那张图对齐、跟踪再在对不齐、跟不上的地方把它恢复出来。DAB用差分调制每个符号与前一符号比相位可绕开一部分这类问题。DRM和CDR是相干体制子载波承载绝对的幅度和相位对齐无法省略。本号此前梳理过车规调谐器内部的信号链这条链上最难的几级到了真实信号上才暴露出全部问题。▲图接收机收到的采样没有边界、带有频偏左同步在信号结构未知的前提下把它对回标准定义的时频格点右。先把它锁住同步分粗、细两步。OFDM每个符号前面接了一段自身尾部的拷贝称为循环前缀。它本用于对抗多径同时也给同步提供了抓手将接收信号与延迟一个符号长度的自身做相关相关峰的位置给出符号边界峰的相位给出小数倍频偏。一次相关同时得到符号定时和细频偏且不依赖节目内容只用信号自身的结构。粗同步之后还剩整数倍频偏和帧起点由导频解决。DRM的参考导频分三类频率参考、时间参考、增益参考。频率参考单元固定落在相对中心载波750、2250、3000 Hz的位置稳健性模式A到D把它们的频谱位置与标准比对即可锁定整数倍频偏时间参考单元只出现在每帧第一个OFDM符号上循环前缀自相关给出的粗定时一个符号周期就重复一次、分不清哪个符号才是帧头这道模糊靠时间参考消解。至此接收机才在信号中完成定位。更难处理的是采样钟。本地晶振与发射端时钟存在残余频差FFT取窗位置会逐符号累积偏移子载波相位随之线性旋转符号越靠后整片星座转得越多。因此同步是一条持续运行的跟踪环路而非开头对一次就完事要在解调过程中不断把这一漂移校正回来。低信噪比下更困难。SNR只有几个dB时导频本身也淹没在噪声里用带噪参考估计偏差估值方差很大。车辆穿过隧道、高架、密集楼群时信号会突然中断环路失锁恢复后必须快速重捕获且切换不能产生可闻的中断。捕获算法的设计余量主要消耗在这类反复失锁、重锁的工况上而非稳定的强信号。跟住时变信道频率和时间同步之后还需信道估计相干解调必须知道信道对每个子载波幅度和相位的改变量否则星座旋转、缩放无法判决。依据仍是导频。DRM里专做这件事的是增益参考单元标准写明它用于相干解调散布在整张时频网格上CDR把导频分成连续导频和离散导频离散导频在相邻符号上位置错开正是用来插值跟踪信道的那批。取值收发两端已知接收值与已知值一比就得到这些格点上的信道响应。导频只占少数格点其余承载数据的格点上的信道需由这些已知点插值得到先沿频率方向再沿时间方向或二维联合。插值精度直接决定星座质量——插得准星座收敛清晰插得差星座弥散后续无法补救。▲图导频只占网格上少数已知点其余格点的信道由它们插值得到。插值精度直接决定星座是收敛还是弥散。家用接收机静止信道近似不变一次估计可长期使用。车载不同车速一旦上来信道持续变化当前符号的估计到下一符号即失效。信道近似不变的时间窗称为相干时间车速越高、载频越高相干时间越短短到时间方向上稀疏的导频不足以跟踪其变化。运动还引入多普勒各条多径因相对速度不同产生不同频移叠加成一片频率扩散破坏子载波间的正交性。城区是另一种问题。高楼反射形成的多径时延很长逼近甚至超过循环前缀的覆盖范围超出部分形成符号间干扰。DRM的稳健性模式A到D保护间隔与有效符号长度之比从1/9一路加到11/14最差的D模式按标准的说法是留给严重时延和多普勒扩散的信道。CDR是另一种切法传输模式2把子载波间隔加宽到约797 Hz、为模式1和3的两倍符号随之缩短换取对高多普勒的容忍模式1则保留长保护间隔对付大时延。两套标准都在同一组矛盾上取舍——保护间隔管时延扩散子载波间隔管多普勒。车载接收普遍比家用配置更多算力和通道相当一部分用于在时间方向上更密集地跟踪时变信道。这是车规与家用之间的实质差别。把置信度带进译码器信道均衡之后子载波上的星座点解映射为比特。这里有一个容易忽略、影响却很大的选择输出硬比特还是软比特。硬比特直接判为0或1。软比特在0/1之外附带一个置信度星座点离判决边界越远置信度越高越靠近边界置信度越低。将置信度保留并送入纠错译码器相比只送0/1硬判决可换来约2 dB的解调门限增益。软信息不能丢丢掉就是浪费前面挣来的信号质量。软比特先解交织。DRM的元胞交织把相邻QAM元胞在时间上准随机地打散发射端这么做是为抗突发衰落一次深衰落破坏的是一片连续格点映射回原始码流却是分散的少量错误落在纠错码的能力范围内。解交织把打散的比特恢复原序。恢复后的码流进入信道译码DRM用多级编码底层卷积码配维特比译码CDR用LDPC将带错的软信息恢复为基本无误码的传输流。能否纠正取决于前几级留下的信号质量同步残差、信道估计精度、星座弥散程度到这一步全部体现为误码率。最后一道救不回来的那一帧纠错能力再强也有纠不回来的帧。DRM给每个音频帧附了16比特的内容CRC覆盖整个USAC接入单元解码器先过CRC再跑一串合理性检查任一不过这帧就判作坏帧——信号短暂中断、整帧丢失也归到这里。此时三种处理方式都不可取让坏数据直接出声会产生爆音直接静音断续的静音比连续噪声更刺耳将上一帧原样重放重复音色会带来明显的金属感。标准给的推荐办法是在两个有效音频帧之间内插并写明这会增加解码延迟落到实现上是在频域按相邻帧对丢失的谱线插值能量沿一条曲线衰减而非突然截断连续丢帧时逐步淡出为信号恢复后的重新接入留出过渡。▲图当一帧CRC校验失败或丢失错误隐藏生成一个尽量不可闻的替代帧硬切产生爆音和卡顿渐隐才能平滑衔接。这一级已脱离信道处在最接近听感的位置。标准对错误隐藏只规定了性能下限要求实现至少达到所列隐藏方法的效果允许各家做得更好。相同的发射信号、相同的前端下错误隐藏的优劣直接决定接收机听感是平稳还是破碎。如何补一帧取决于该帧在编码中的结构这已落进音频解码本身的范畴。标准画了终点没画路标准定义的是终态子载波位置、导频位置、星座映射、比特排列。它没有规定的是如何从一段无边界、有频偏、幅度起伏的采样走到一段连续无中断的音频。中间这几级没有一处能靠查表完成同步要在信号结构未知时完成对齐并持续校正采样钟漂移信道估计要跟踪随车速变化的信道应对城区的多径和多普勒软判决要把每个比特的置信度完整传入译码器错误隐藏要为纠不回的帧给出尽量不可闻的替代。每一级都需要在真实信号上反复验证、调整覆盖到最差的工况。接收机的难点不在单个算法而在这一整条把现实条件逐级消化的链路。把某个算法实现出来距离一台能在车上稳定工作十年的接收机还隔着大量真实信号下的工程打磨。参考资料ETSI ES 201 980 v4.3.1DRM系统规范、GY/T 268.1调频频段数字音频广播信道帧结构、信道编码和调制标准文本本号历史内容《一颗车规调谐器里发生了什么从天线到PCM沿着接收信号链走一遍》、《读懂一台DRM接收机从射频到声音沿着物理链路看参数》
