Signalverarbeitung mit einem DSP am Beispiel DRM Dekodierung

Signalverarbeitung mit einem DSP am Beispiel
DRM Dekodierung
Franziska Kolbe, Alexander Pospiech
9. August 2010
1 Gliederung
Inhaltsverzeichnis
1 Gliederung
1
2 Glossar
1
3 DRM und die Signalverarbeitungskette
2
4 Überblick
4.1 Eingangssignal . . . . . . . . . . .
4.2 Demodulierung . . . . . . . . . . .
4.3 OFDM . . . . . . . . . . . . . . . .
4.4 Equalization - Entzerrung . . . . .
4.5 Channel Decoding . . . . . . . . .
4.6 OFDM-Empfang . . . . . . . . . .
4.7 Audio Super Frame . . . . . . . . .
4.8 Source Decoding . . . . . . . . . .
4.9 MPEG4 AAC v2 (1) . . . . . . . .
4.10 SBR (1) . . . . . . . . . . . . . . .
4.11 MPEG PS - Parametric Stereo (1)
4.12 Ausgabe . . . . . . . . . . . . . . .
4.13 Fazit & Ausblick . . . . . . . . . .
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2 Glossar
• AAC - Advanced Audio Codec
• CELP - Code Excited Linear Protection
• DRM - Digital Radio Mondiale
• EEP - Equal Error Protection
• FAC - Fast Access Channel
• HVCX - Harmonic Vector eXcitation Codec
• MDC - Main Service Channel
• OFDM - Orthogonal Frequency Division Multiplex
1
• PS - Parametric Stereo
• QAM - Quadrature Amplitude Modulation
• SBR - Spectral Band Replication
• SDC - Service Description Channel
• UEP - Unequal Error Protection
3 DRM und die Signalverarbeitungskette
4 Überblick
• Eingangssignal erhalten
• Demodulierung auf Basisband (5-15 kHz)
• Equalization, zur Fehlerentfernung
– Zeit-/Frequenzsynchronisation
– mit Hilfe von Pilots
• OFDM Demodulierung in einzelne Kanäle (FAC, SDC, MSC)
• Demodulierung einzelner Audio Super Frames
• MPEG Dekodierung
• Ausgabe
4.1 Eingangssignal
Für die reale Implementierung eines DRM-Dekoders wird ein geeigneter DRM-Empfänger gebraucht, der ein
analoges Signal liefert, das dann digitalisiert werden kann. DRM sieht eine Abtastfrequenz von 48 kHz vor.
Ein geeigneter Audiocodec liefert das zu verarbeitende digitalisierte Signal. In den Testumgebungen konnte
auch ohne einen funktionierenden DRM-Empfänger gearbeitet werden, da fertige Audiodateien mit bereits
digitalisierten Signalen bereitstanden.
4.2 Demodulierung
Das DRM-Nutzsignal liegt nach Spezifikation in einem Basisband zwischen 5 und 15 kHz. Es muss also eine
Bandpassfilterung vorgenommen werden. Hier müssen geeignete Filter entworfen werden, die einerseits nicht
zu hohe Anforderungen an die Hardware stellen, andererseits keine zu große Durchlässigkeit aufweisen. Im
Matlabprojekt wurde hierzu mit Hilfe von Polyphasenfiltern gearbeitet, die den Filter parallelisierbar machen
und so den Aufwand senken können.
4.3 OFDM
Um die Übertragungsqualität des DRM-Nutzsignals zu erhöhen wird der eigentliche Datenstrom vor der Aussendung
mit Hilfe von OFDM moduliert und muss entsprechend demoduliert werden beim Empfang. Grundlage des
OFDM-Verfahrens ist die Aufteilung des Datenstroms in Teildatenströme, die jeweils gleichzeitig auf orthogonalen Frequenzen ausgestrahlt werden. Die Orthogonalität reduziert dabei das Übersprechen benachbarter
Signale. So können bei geeigneter Aufteilung der Daten genügend Informationen störungsfrei übertragen werden. Auch wenn ein Teildatenstrom gestört ist, kann das Originalsignal wiederhergestellt werden oder die von
der Störung betroffenen Trägersignale ignoriert werden. Ein weiterer Vorteil ist, das für die Teildatenströme
eine niedrigere Datenrate benutzt wird. Für den Einsatz auf einem DSP ist es besonders einfach das Signal
zu demodulieren, da ein FFT-Prozessor vorhanden ist, die die inverse FFT des Senders rückgängig macht. Die
einzelnen Teilsignale sind dann zu addieren.
1
1 Quelle:
GFDL
Wikipedia, Deutsch: OFDM-Signal im Frequenzbereich Stefan Henze - GNU Free Documentation License: Vorlage:Bild-
4.4 Equalization - Entzerrung
Bei der Übertragung in der Athmosphäre treten je nach Frequenzbereich verschiedene Probleme und Störungen
auf. Es kann zum Auftreten des Dopplereffekt kommen oder Überlagerungen mit anderen Signalen, z.B. analoges Radio, DVB-T oder andere DRM-Quellen. Es muss also eine Angleichung des Signals und insbesondere
der Teilsignale des OFDM-Stroms vorgenommen werden. In der DRM-Spezifikation sind verschiedene Sicherheitsmerkmale vorgesehen. Zum Beispiel ein Sicherheitsintervall zwischen OFDM-Blöcken um Überlagerungen
zu verhinden oder Referenzsymbole für Synchronisation. Eine Eigenschaft die verschiedene Sicherheitsmerkmale für eine Übertragung zusammenfasst sind die Schutzklassen 0-3. Es müssen die OFDM-Symbole auf den
Zeitachsen synchronisiert werden um Verschiebungen aufzuheben und Frequenzen synchronisiert um Streckungen/Stauchungen zu beheben. Für die Synchronisationen auch zum Beispiel ganzer Frames, kann mit Hilfe der
Pilotsymbole Autokorrelation angewendet werden. Anschliessend muss die Phasenreferenz für die Quadraturamplitudenmodulation extrahiert werden.
4.5 Channel Decoding
Mit Hilfe von Informationen die auch während der Entzerrung gewonnen werden, können nun die einzelnen
Kanäle eines OFDM-Symbols entschlüsselt werden. Es gibt drei Kanäle den Fast Access Channel (FAC), den
Service Description Channel (SDC) und den Main Service Channel (MSC). Der FAC enthält folgende Informationen: Kanalbandbreite, Sub- und Pilotträgerabstand, QAM-Auflösung und Informationen zu den ServiceKanälen. Der SDC beinhaltet Informationen zum Aufbau des Multiplexstromes und andere Zusatzinformationen. Der MDC enthält die eigentlichen Nutzdaten als Multiplexframe aus bis zu vier Einzeldatenströmen.
4.6 OFDM-Empfang
1
4.7 Audio Super Frame
Jeder Einzeldatenstrom in einem OFDM-Symbol ist ein Audio Super Frame. Diese bestehen aus mehreren
MPEG AAC Frams und sind speziell auf Kodiereffizienz ausgelegt. Um weniger aufwendige Kodierung verwenden zu müssen, können in den verschiedenen Schutzmodi haben nun für verschiedene geschützte Bereiche
unterschiedliche Fehlererholungen benutzt werden. Bei Unequal Error Protection (UEP) werden hochsensitive
und schwachsensitive Bereiche definiert im Gegensatz zu EEP, wo alle Bereiche als gleich wichtig angesehen
werden. Wichtig hierbei ist, das für UEP gleichlange Unterframes und für EEP unterschiedlich komprimierte
benutzt werden können.
1 Quelle:
Wikipedia, Datei:OFDM receiver ideal.png
Abbildung 1: Frequenzmaskierung
1
4.8 Source Decoding
Nachdem die einzelnen Datenströme getrennt sind, können nun die Nutzinformationen je nach Art verarbeitet
werden. Dies sind einerseits Audioströme oder Datenströme. Als Audioformate stehen MPEG 4 HE AAC, HVCX
und CELP zur Verfügung. Diese müssen je nach ihrer Spezifikation dekomprimiert werden.
4.9 MPEG4 AAC v2 (1)
• MPEG4-AAC plus SBR plus PS
• bei niedrigen Bit-Raten bessere Klangqualität als normales AAC
• Datenkompression durch Psychoakustikmodell
• Vorverarbeitung mit Kosinustransformation (MDCT)
• Frequenzbänder verringern
1 Quelle:
ETSI ES 201 980 V3.1.1 (2009-08)
Abbildung 2: Audio Decoder
Abbildung 3: Bandbreitenbegrenzung bei starker Kompression
• Daten für psychoakustisches Modell mit FFT erzeugt
• Eingangsparameter der Kodierung: Frequenzbänder, Maskierungskurven, Bitrate
• Signal to Mask Ratio stellt notwendige Bit-Menge zur Verfügung
• Frequenzbänder nichtlinear quantisiert und komprimiert
4.10 SBR (1)
• Spectral Band Replication
• verbessert wahrgenommene Audioqualität durch Rekonstruktion hoher Frequenzen
Abbildung 4: PS Decoder
• menschliches Gehör hin zu höheren Frequenzen weniger anspruchsvoll
• Großteil des Frequenzgangs (20-8000 Hz) im mp3 codiert (Hochton fällt weg)
• SBR: Hochtonanteil vor Encodieren mit Filter höherer Ordnung gefiltert und mit Dynamik-Kompression
versehen
• grobes Muster hinterlegt, welches dem Decoder hilft den Hochtonanteil zu rekonstruieren
• Spektrum vieler Geräusche hat char. Hüllkurven
• zwischen Hüllkurve im tief- und hochfrequenten Bereich besteht deutliche Korrelation
• Hochtöne werden periodisch fortgesetzt
4.11 MPEG PS - Parametric Stereo (1)
• Kompression von Stereo-Signalen
• PS-Encoder erstellt aus Stereo-Eingangssignal Monosignal
• speichert für jeden Zeitpunkt die wichtigsten Stereo-Parameter der zwei Eingangssignale
• Parameter werden mit Bitrate von 2-3 kBit/s als parametrische Repräsentation der Stereoinformation in
Datenstrom eingebettet
• Decoder versucht damit Stereo- aus Monosignal zu rekonstruieren
• Illusion eines echten Stereosignals
• bei sehr niedrigen Bitraten (16-40 kBit/s) akzeptable Stereo-Qualität
4.12 Ausgabe
in Software
• in den Speicher der Soundkarte schreiben
• in Datei schreiben
mit dem DSP
• schreiben der Daten in den Audio Codec
4.13 Fazit und Ausblick
Fazit
Ausblick
5 Quellen
Literatur
[1] Thomas Riegler DRM, Digital Radio Mondiale, Theorie und Empfangspraxis. Siebel Verlag, 2006
[2] Burkhard Kainka, Ulf Schneider DRM, Empfangspraxis. Franzis Verlag, 2004
[3] Digital Radio Mondiale (DRM); System Specification. ETSI ES 201 980 V3.1.1 (2009-08) European Telecommunications Standards Institute, 2009
[4] Information technology — Generic coding of moving pictures and associated audio information — Part 7:
Advanced Audio Coding (AAC) ISO/IEC 13818-7:2006(E) International Organization for Standardization,
2006
[5] Information technology – Coding of audio-visual objects – Part 3: Audio. ISO/IEC 14496-3:/Amd.1:1999(E)
International Organization for Standardization, 1999
[6] Dream DRM Receiver. URL: http://sourceforge.net/projects/drm/. [Stand: 12.06.2010].
[7] Dipl.-Ing. Alexander Kurpiers, Dipl.-Ing. Volker Fischer DREAM, Open-Source Implementation of a Digital Radio Mondiale (DRM) Receiver. Darmstadt University of Technology, Institute of Communication
Technology, 2003
[8] Diorama - DRM Empfang mit Matlab. URL: http://nt.eit.uni-kl.de/forschung/diorama/. [Stand: 1.05.2010].