專利名稱：在數字音頻廣播中發送和接收具有優先等級消息的壓縮音頻幀的方法與裝置的制作方法
背景技術：
本發明涉及用于發送和接收數字數據的方法與裝置，更具體地說，涉及用于數字音頻廣播系統的這樣的方法與裝置。
數字音頻廣播(DAB)是一種能提供優于現有的模擬廣播格式的數字品質音頻的媒介。可以以下列兩種格式發送調幅和調頻DAB信號，第1種情況是數字調制信號跟當前廣播的模擬調幅或調頻信號并存的混合格式，第2種情況是沒有模擬信號的全數字格式。由于每一組DAB信號都是在現有調幅或調頻信道分配的相同頻譜覆蓋的范圍內被同時發送的，所以在帶內信道(IBOC)上的DAB系統不需要新的頻譜分配。IBOC DAB使得各廣播機構在向它們現有的聽眾群提供數字品質音頻的同時，也推動了頻譜的經濟利用。已經提出了幾種IBOC DAB方案。一種這樣的方案，公開于美國專利第5,588,022號，提出了在標準的調幅廣播信道中，同時廣播模擬與數字信號的方法。使用這個方案，具有第1頻譜的調幅射頻信號被廣播。該調幅射頻信號包括被一個模擬節目信號所調制的第1載波。與此同時，在包含第1頻譜的帶寬以內，多個數字調制的載波信號被廣播。每一個數字調制的載波信號都被數字節目信號的一部分所調制。第1組數字調制的載波信號處于第1頻譜的范圍內，并且與第1載波信號正交被調制。第2和第3組數字調制的載波信號處于第1頻譜的范圍以外，并且與第1載波信號同相和正交被調制。借助于正交頻分多路復用(OFDM)，使用多個載波來承載通信信息。
調頻IBOC DAB廣播系統已經成為幾項美國專利的主題，其中包括專利號第5,465,396號，第5,315,583號，第5,278,844號，第5,278,826號。一個混合調頻IBOC DAB信號將一個模擬調制載波跟多個正交頻分多路復用(OFDM)副載波組合在一起，上述各副載波處于模擬調制主調頻載波所占用的頻譜上下兩側從調頻中心頻率起算的從大約129 kHz到大約199 kHz的區域內。一種全數字IBOC DAB系統消除了模擬的已調制主信號，同時保留上述的各副載波，并且將附加的各副載波加到從調頻中心頻率起算的從大約100 kHz到大約129 kHz的區域內。這些附加的副載波能發送一組后備信號，在丟失主要的或核心的信號的情況下，該后備信號可以被用來在接收機處產生輸出信號。
數字傳輸系統的一個特征就是同時發送數字化音頻和數據的固有能力。數字音頻信息通常被壓縮，以便在一條帶寬受限制的信道上進行傳輸。例如，可以將大約1.5 Mbps的立體聲光盤(CD)的數字源信息規格壓縮到96 kbps，同時保持調頻IBOC DAB的實質上的CD音質。進一步地壓縮到48 kbps以下仍能提供良好的立體聲音質，這對于調幅DAB系統或者用于調頻DAB系統的短延遲的后備與調諧信道是有用的。有效的壓縮方案使用可變速率的信源編碼，其中，固定的各音頻時間段被編碼為可變長度的各數字分組，即，“復雜性”可變的各音頻段被轉換為長度可變的各音頻幀。
由典型的音頻編碼器產生的各音頻幀為不能有效地作為IBOC DAB信號傳輸的各種格式。因此，需要有一種用于發送和接收數字音頻廣播中的壓縮音頻幀的有效方法。
本發明還包含由該方法產生的調制解調幀格式以及用以實現該方法的發射機。調制解調幀格式包括多個后備核心音頻字段，一個強化的音頻/數據字段，以及一個報頭字段。每一個后備核心音頻字段都包括核心音頻幀，循環冗余校驗比特，冗余報頭字段，以及填充比特。
各優選實施例的說明參看附圖，

圖1是根據本發明的DAB發射機10的方框圖，它能廣播數字音頻廣播的各種信號。信號源12提供要發送的信號。該源信號可以采取多種形式，例如，可以代表語音或音樂的模擬節目信號和/或可以代表諸如交通信息之類的消息數據的數字信息信號。一個基于數字信號處理器(DSP)的調制器14按照各種已知的信號處理技術(例如信源編碼，交織和前向糾錯)來處理源信號，以便在線16和18上產生復合基帶信號的同相與正交分量。在上變頻器(up-converter)方框20中，各信號分量在頻率上被上移、濾波，以及被內插到一個較高采樣速率的信號中去。這就按照采樣速率fs來產生數字樣本，并在線22上產生中頻信號fif。數模轉換器24在線26上將該信號轉換為模擬信號。中頻濾波器28抑制各種混疊頻率，以便在線30上產生中頻信號fif。本機振蕩器32在線34上產生信號flo，由混頻器36將它跟在線30上的中頻信號進行混頻，以便在線38上產生和與差信號。和信號以及其他不需要的互調分量和噪聲被鏡像抑制濾波器40所抑制，以便在線42上產生已調制的載波信號fc。然后，大功率放大器44將此信號送往天線46。
本發明的方法涉及壓縮數字音頻連同不同優先等級或者在時間上具有不同的緊急程度要求的數據消息的有效的和穩健的多路復用。DAB信號的一個基本傳輸單元就是調制解調幀(modem frame)，它在寬度上處于秒的數量級。要求這個寬度能保證足夠長的交織時間，以便緩解衰落和短時停機或噪聲突發的影響，如同在數字音頻廣播系統中所期望的那樣。主數字交織音頻信道的延遲可以不小于調制解調幀的寬度。然而，由于采用本發明的IBOC DAB系統已經使用了一種不同的延遲技術，該技術有意地使數字信號相對于模擬信號來說延遲了幾秒鐘，所以這種延遲不是重要的缺點。在1997年10月8日申請的共同擁有的美國專利申請系列號第08/947,902號中，描述了一個含有時間分集(time diversity)的DAB系統。為該信號的快速調諧獲取而提供模擬或數字的時間分集信號。因此，以調制解調幀為單位來處理主數字音頻信號，并且任何音頻處理、誤碼率降低以及編碼策略都應當能夠在不付出附加的代價的前提下來使用這個相對長的調制解調幀時間。
在本發明中，使用一個格式轉換器以這樣一種方式來對壓縮音頻幀進行重新分組，使得在無線電信道上能夠對IBOC信號進行更有效和穩健的發送與接收。標準的市售音頻編碼器能夠初始地產生壓縮音頻幀。輸入格式轉換器從音頻編碼器所產生的各音頻幀中去除不必要的信息。不必要的信息包括幀同步信息以及任何其他信息，可以在不損害音頻信息的前提下為DAB音頻傳輸而去除或修改這些信息。IBOC DAB調制解調幀組合器以這樣一種方式重新插入同步信息，使得對DAB傳輸來說，變得更加有效和穩健。在接收機處的格式轉換器對準備由標準音頻編碼器進行編碼的已恢復的各音頻幀進行重新分組。
調幅和調頻的IBOC DAB系統均以調制解調幀為單位來安排數字音頻和數據。通過將固定數目的音頻幀分配到每一個調制解調幀，就能使上述系統得以簡化和強化。一個調度器確定被分配到每一個調制解調幀之中的各音頻幀的總的比特數。然后，音頻編碼器使用針對該音頻幀的比特分配對各音頻幀進行編碼。在調制解調幀中的其余各比特被多路復用數據以及開銷所占用。
圖2是功能方框圖，表示一個調制解調幀的組裝過程。可以在圖1的方框14中執行圖2所示的功能。在本發明的這個實施例中，在線50和52上提供左和右音頻DAB節目信號。具有不同的優先等級的數據消息(也被稱為輔助數據)在線54、56和58上被提供，并且被存儲在緩沖存儲器60、62和64之中。在動態調度算法或調度器與音頻編碼器68之間，對調制解調幀的組裝加以協調。可以被發送的輔助數據的數量取決于多種因素。在本優選實施例中，音頻編碼器首先對在音頻幀緩沖存儲器70中的音頻信息的音頻內容進行掃描，上述音頻幀緩沖存儲器70保存著準備在下一個調制解調幀中進行發送的音頻信息。進行掃描是為了評估該調制解調幀的音頻信息的復雜性或“熵”，如方框72所示。熵估計可以被用來求出為提供所期望的音質所需的目標比特數。使用在線74上的熵估計，連同在緩沖存儲器60、62和64之中的消息數據的數量和優先等級分配，動態調度算法在數據和音頻之間的調制解調幀中分配各比特。
在已經為下一個調制解調幀分配一定數量的比特之后，音頻編碼器為下一個調制解調幀的所有音頻幀(例如，64個音頻幀)進行編碼，并將其結果送往音頻幀格式轉換器76。音頻幀所占用的實際位數被送往在線78上的調度器，使得它能夠為尚未使用的比特(如果有的話)分配派上最好的用場。音頻幀格式轉換器去除任何報頭信息以及不必要的開銷，并將所得到的“被剝離”音頻幀送往調制解調幀格式與組裝功能塊80。
動態調度算法，或調度器，通常按照如下所述的方式進行工作。首先，若沒有待處理的數據消息，則調度器將下一個調制解調幀的容量分配給壓縮音頻。這通常會導致比為獲得所期望的音質所需的目標比特數更多的比特數，其次，若只有低優先等級的消息待處理，則超出用于音頻的目標比特數的調制解調幀的容量被分配給消息(數據)。這應當不會導致在音質上比所期望的情況有所降低。第三，若高優先等級的消息有待處理，則調度器必須在音質與高優先等級的消息的及時傳送之間作出折衷。可以采用被分配給消息延遲目標對音質的可能降低的代價函數來評估這種折衷。可以通過將如線82所表示的信號發送到一個數據分組多路復用器84，來選擇待發送的消息。
從廣播機構的角度來看，由于音質可能越來越大地受到影響，所以高優先等級的消息伴隨著成本上的越來越大的增加。從數據或消息的用戶的角度來看，也可以基于代價函數來劃分消息的優先等級，以補償廣播機構在音質方面的降低。代價函數可以是實際的成本。例如，在優先等級上每提升一級，分組傳送的實際用戶成本可以翻一番。若該消息被認為是緊急的，則這可能是從希望比名義價格支付更多的用戶那里增加收益的有效方法。可供選擇地，也可以根據由廣播機構所產生的消息的類型來完成優先等級的劃分。由于涉及某些遞增的成本，所以不論在哪一種情況下，優先等級的劃分都是自我調節的，并且向用戶和廣播機構分配較高優先等級的消息時要謹慎從事。當然，廣播機構在向他的用戶和聽眾提供具有潛在價值的服務時，為了他的純利潤也將選定規則以及相關的代價函數。
調制解調幀格式和組裝功能將音頻幀信息以及各數據分組安排到一個調制解調幀之中。已經在音頻幀格式轉換器中被去除的報頭信息，包括各音頻幀的大小和位置，以一種冗余的但是有效的方式被重新插入到調制解調幀之中。這種重新格式化過程在可靠性較差的無線電信道上改進了IBOC DAB信號的穩健性。對于全數字IBOC DAB模式的傳輸來說，基于在線86上提供的數據的各后備幀也同時被產生。各后備幀能提供時間分集的冗余信號，以便在主信號失效時能降低停機的概率。在正常工作中，各后備幀跟主信道之間實行代碼組合，以便在出現衰落時能產生更穩健的信息傳送。在混合IBOC系統中，用模擬信號(調幅或調頻)來取代各后備幀。
接收機執行所描述的發射機的某些功能的相反功能。圖3是能夠根據本發明對信號進行處理的無線電接收機的方框圖。在天線90上接收DAB信號。帶通預選濾波器92讓所選頻段得以通過，其中包括頻率fc的有用信號，但抑制fc-2fif的鏡像信號(針對一個低旁瓣注入的本機振蕩器而言)。低噪聲放大器94對該信號進行放大。已放大的信號在混頻器96中跟本機振蕩器信號flo進行混頻，后者是由一個可調諧的本機振蕩器100在線98上提供的。這就在線102上產生和(fc+flo)與差(fc-flo)信號。中頻濾波器104讓中頻信號fif通過，并且使處于所選的已調制信號的帶寬以外的頻率受到衰減。模數轉換器106使用時鐘信號fs進行工作，以便按照采樣速率fs在線108上產生數字樣本。數字下變頻器110對該信號進行頻率移動、濾波以及少量提取，以便在線112和114上產生較低采樣速率的同相和正交信號。隨后，基于數字信號處理器的解調器116提供附加的信號處理，以便在線118上為輸出設備120產生輸出信號。
圖4是方框圖，表示圖3的接收機所進行的調制解調幀中的音頻和數據解調。幀分解器122接收在線124上的待處理的信號，并且執行去交織、代碼組合、FEC解碼、以及在每一個調制解調幀中對音頻和數據信息作出誤碼標志這些必要的操作。在線126上的一條獨立的通路上對數據(如果有的話)進行處理，而音頻則在線128上進行處理。然后，如方框130所示，該數據被傳送到適當的數據業務。數據的優先等級排隊是發射機(不是接收機)的一項功能。由格式轉換器132對來自每一個調制解調幀的音頻信息進行處理，格式轉換器132將音頻信息安排到一種音頻幀格式之中，該格式兼容于目標音頻解碼器134，后者產生左和右音頻輸出136和138。
在一種類型的混合調頻DAB系統中，一個已調制的模擬載波跟多個正交頻分多路復用(OFDM)副載波組合在一起，上述各副載波位于已調制的模擬主調頻載波所占用的頻譜的上下兩側離開調頻中心頻率大約從129 kHz到199 kHz的區域之中。在全數字方式中，已調制的模擬主信號被去除，同時保留上述的各副載波，并且將附加的各副載波加到位于調頻中心頻率上下兩側的大約從100 kHz到129 kHz的區域之中。附加的各副載波能發送后備信號，在丟失主要的或核心的信號時，該后備信號可以被用來在接收機處產生輸出信號。
已經精心地構建了各種幀格式，以便提供一個有效的和穩健的IBOCDAB通信系統。而且，這種幀格式為這種設計提供了重要的特征，包括時間分集、快速信道調諧、主信道和后備信道之間的多層FEC代碼組合、冗余報頭信息(不均等誤碼保護的一種形式)，以及在各音頻幀和各數據消息之間分配吞吐量時的靈活性。幀格式的許多特征是為全數字調頻IBOC DAB系統而設計的。調頻混合幀格式被設計成跟調頻全數字格式相兼容。
如圖5所示，主信道調制解調幀140包括一組8個后備核心音頻(BCAx)字段142，一個可選的強化音頻/數據(EAD)字段144以及一個冗余報頭(RH)字段146。主信道調制解調幀傳送64個音頻幀的音頻信息，連同一個動態數據容量。在本優選實施例中，經過Reed-Solomon編碼之后的調制解調幀的大小為18,432字節。RS(144，140)，RS(144，136)以及RS(144，132)的輸入字節數目的編碼可選項分別為17,920字節，17,408字節以及16,896字節。
這個調制解調幀被送往Reed-Solomon編碼器以及隨后的前向糾錯(FEC)和交織功能。Reed-Solomon編碼器的速率精確地確定在FEC編碼之前由多少個字節來組成調制解調幀。應當指出，在本優選實施例中，各Reed-Solomon碼字被系統地編碼，使得各奇偶碼元位于各信息碼元之前。這就保證了填充字節(全0)仍作為送往內部卷積編碼器的最后字節。冗余報頭字段被定位于調制解調幀的末尾，以保證它是用一個獨立的Reed-Solomon碼字來進行編碼的。
全數字IBOC DAB系統的后備音頻/補充幀148的格式示于圖6。每一個后備音頻/補充幀包括一個后備音頻字段150，一個補充數據字段152，一個循環冗余校驗字節154，以及一個填充字節156。這兩種工作模式包括24 kbps核心音頻后備模式以及48 kbps核心音頻后備模式。雖然每一個BCAx幀都含有8個不同長度的音頻字段，但是組合后的BCAx字段的總長度是恒定的。
主信道調制解調幀的8個后備核心音頻字段BCA0到BCA7跟后備/音頻補充幀(BAS)148中的相同字段是冗余的。然而，全數字IBOC DAB系統的各后備幀是在發送相應的調制解調幀幾秒鐘之后才發送的。為了引入時間分集特征，各后備幀被有意地延遲。這種差異延遲量是整數個調制解調幀(的長度)。與此相對比，為了實現快速調諧，接收機盡可能快地處理各后備幀。接收機通過對調制解調幀中的音頻信息施加適當的延遲，來將調制解調幀中的各BCAx字段跟后備幀中的冗余BCAx字段在時間上對準。
在調制解調幀中的各BCAx字段跟后備幀中的冗余BCAx字段對準之后，經過時間對準的各BCA字段在接收機的卷積解碼器中進行代碼組合。在使用本發明的信號處理的發射機的一個實施例中，在進行交織和隨后的發送之前，向數字信號施加一種外部的Reed-Solomon前向糾錯，跟隨于其后的是內部卷積前向糾錯。重要的是，按照精確地相同于內部和外部的FEC代碼的序列對各BCA字段進行編碼，以提供時間分集的代碼組合。即使當調制解調幀以及后備音頻/補充幀部分被破壞時，這仍然能為調諧與后備信道提供穩健的性能。在本優選實施例中，各BCA字段按照24kbps或48kbps來傳送核心后備音頻信號，這可以由廣播機構加以選擇。
在調制解調幀的持續時間內，在后備信道各副載波上的每一對交織塊中發送后備音頻/補充幀BASx。僅在24 kbps核心音頻后備模式中發送具有循環冗余校驗和填充字節的補充數據字段。在48 kbps核心音頻后備模式中，用附加的音頻信息來取代補充數據字段。在本優選實施例中，該BASx幀包括處于8個Reed-Solomon碼字之中的1152字節(經過Reed-Solomon編碼之后)。對24 kbps模式來說，每一個BCAx字段包括處于4個Reed-Solomon碼字之中的576個字節(經過Reed-Solomon編碼之后)，或者對48 kbps模式來說，每一個BCAx字段包括處于8個Reed-Solomon碼字之中的1152個字節(經過Reed-Solomon編碼之后)。對24 kbps模式來說，補充數據字段包括處于4個Reed-Solomon碼字之中的576個字節(經過Reed-Solomon編碼之后)。而在48 kbps模式中，不出現補充數據字段。循環冗余校驗和填充字節被用于24 kbps模式之中，但不用于48 kbps模式之中。24 kbps后備音頻模式使得能夠按照大約24 kbps的吞吐量來插入補充數據字段。這個字段旨在用來作為獨立的廣播消息或數據分組傳送業務。在這個層次上的分幀只是為補充數據提供信道容量，在補充數據字段內，補充數據具有其本身的格式/協議。
后備核心音頻字段(BCAx)142的格式示于圖7。這個字段的長度取決于兩種后備模式之間的選擇。24 kbps后備模式旨在提供具有大約6kHz帶寬的單聲后備音頻信號，而48 kbps后備模式的音頻信號則為具有大約10 kHz帶寬的立體聲或單聲后備音頻信號。BCAx字段含有8個可變長度的音頻幀158，一個報頭字段(HCA)160，一個填充字節162，以及可能還有一個備份字段164。該備份字段包括在音頻幀分配之后剩余的任何字節。每一個音頻幀都包括一個核心音頻幀(CAx)166以及一個循環冗余校驗字節168。然而，BCAx字段142的總長度是恒定的。因此，音頻編碼器被分配固定數目的字節，以便對每一組8個核心音頻幀(CAx)進行編碼。
在調制解調幀的每一個交織塊(0到7)中的后備信道各副載波上冗余地發送后備核心音頻字段BCAx(x＝0到x＝7)其中之一。這8個BCAx幀也作為調制解調幀的一部分而被發送。在本優選實施例中，對24 kbps模式來說，每一個BCAx字段包括處于4個Reed-Solomon碼字之中的576個字節(經過Reed-Solomon編碼之后)，以及對48 kbps模式來說，每一個BCAx字段包括處于8個Reed-Solomon碼字之中的1152個字節(經過Reed-Solomon編碼之后)。核心音頻幀CAx在各CAx字段中含有可變長度音頻幀的字節數目(在Reed-Solomon編碼之前)，該CAx字段在報頭CAx字段中被表示，它被安排用于改進了的誤碼隱藏。還包括一個單字節(在Reed-Solomon編碼之前)的循環冗余校驗字節，以及一個單字節(在Reed-Solomon編碼之前)填充字段，用以填充維特比解碼器。HCA報頭為8個字節(在Reed-Solomon編碼之前)，并且指示8個CAx字段中每一個的大小。
強化的音頻/數據(EAD)字段的格式170示于圖8。EAD在調制解調幀內被發送，并且含有64個音頻幀的音頻強化信息。EAD包括一個報頭字段172，多個強化的音頻字段174。其中的每一個都包括一個強化了的音頻部分(EAx)176以及一個循環冗余校驗字節178，一個數據字段180，另一個循環冗余校驗字節182以及一個填充字節184。EAD的本優選實施例在24 kbps B/U模式下含有13,680字節(在Reed-Solomon編碼之后)，具有95個RS碼字，以及在48kbps B/U模式下含有9,072字節(在Reed-Solomon編碼之后)，具有63個RS碼字。一個64字節(在Reed-Solomon編碼之前)報頭166指示64個EAx字段168中每一個的大小。EAx字段含有音頻強化信息以提升核心品質/速率。在每一個EAx字段中的字節數目(在Reed-Solomon編碼之前)在報頭中被指示，對于k＝0到63來說，x＝0，7，14，…(7*k mod 64)，被安排用于誤碼隱藏。每一個強化的音頻字段都包括一個數據部分170，以及一個循環冗余校驗字節172。若調度器確定這些字節可用于數據，則該數據可以在數據字段174中連同一個循環冗余校驗字節178一起被傳送。一個單字節(在Reed-Solomon編碼之前)全0填充字段178被用來填充維特比解碼器。EAD字段這樣來傳送附加的音頻信息，使得當跟相應的調制解調幀的各核心音頻字段組合時，能提供實質上的光盤(CD)品質的聲音。
強化的音頻/數據字段包括一個報頭字段172，多個強化的音頻字段174，其中的每一個都包括一個音頻部分(EAx)176以及一個循環冗余校驗字節178，一個數據字段180，另一個循環冗余校驗字節182以及一個填充字節184。冗余的報頭(RH)字段格式146示于圖9。這個字段傳送涉及各音頻字段的大小(或位置)的冗余信息。它包括冗余報頭字段(HEA)172，核心音頻報頭(HCAx)186，循環冗余校驗字節188，以及填充字節190。冗余的報頭字段為調制解調幀內的64個音頻幀傳送報頭信息。在本優選實施例中，冗余的報頭字段包括處于一個碼字之中的144個字節(在Reed-Solomon編碼之后)。HEA包括64個字節(在Reed-Solomon編碼之前)，表示64個EAx字段中的每一個的大小，并且跟EAD幀中的HEA字段互為冗余。核心音頻報頭包括在8個報頭中的64個字節(在Reed-Solomon編碼之前)，它們是從各BCA復制過來的。在所有報頭中都包括一個單字節的循環冗余校驗字節。填充字段包括15-P個全0字節(在Reed-Solomon編碼之前)，這里P是奇偶字節的數目，用以填充維特比解碼器。這種冗余提供了對重要的報頭信息被破壞的附加保護。在調制解調幀內的兩個位置上(即，RH字段以及8個EAD字段)發送強化的音頻報頭(HEA)166。在3個位置上(即，除了全數字IBOC DAB系統的后備音頻補充(BAS)幀的8個HCA字段以外，還有調制解調幀內的RH以及8個HCA字段)發送核心音頻報頭182。HEA報頭信息包括表示64個EAx字段中每一個的大小的64個字節(在Reed-Solomon編碼之前)，上述64個EAx字段跟EAD幀中的HEA字段互為冗余。核心音頻報頭包括64個字節(在Reed-Solomon編碼之前)，其中具有從各BCA復制而來的8個報頭。在Reed-Solomon編碼之后，RH字段包括處于一個RS碼字之中的144個字節。RH字段還包括一個循環冗余校驗字節184以及一個填充字段186。填充字段的字節數目是在Reed-Solomon編碼中奇偶字節(P)的數目的一個函數。特別是，填充字節的數目等于15-P。
在一個特別適用于調幅DAB系統的本發明的實施例中，根據所需的覆蓋要求，數據被分解為核心數據或強化數據。示于圖10的調幅DAB調制解調幀192包括一組8個后備核心音頻字段194，一個強化音頻/數據字段196以及一個冗余報頭字段198，如圖10所示。每一個后備核心音頻字段都包括一組4個核心音頻幀，其中每一個BCA字段都被分配固定的最大大小。復合調制解調幀被送往CPTCM編碼器以及后繼的交織功能。
核心的調制解調幀的核心音頻塊194的格式示于圖11。每一個CAB都包括一個報頭200，4個核心音頻幀202，其中的每一個都帶有一個循環冗余校驗字節204，一個備份塊206，以及一個填充字段208。8個CABx幀作為核心的調制解調幀的一部分被發送。在本優選實施例中，在編碼之前，每一個CABx字段都是460個字節。HCA報頭為4個字節，表示4個CAx字段中每一個的大小。核心音頻幀CAx含有在CAx中的一個可變長度音頻幀的字節數目，它在報頭中被表示。CRC是一個單字節循環冗余校驗字節。方框206表示在音頻幀分配之后剩余的備份字節(如果有的話)。填充方框208是6個比特的0數據，用以填充維特比解碼器。
圖3的音頻編碼器被分配用于下一個調制解調幀(核心或強化)的若干比特。音頻編碼器為下一個調制解調幀對所有的音頻幀(例如32個音頻幀)進行編碼，并將其結果送往音頻幀格式轉換器。
調幅DAB核心調制解調幀格式為32個音頻幀傳送核心音頻信息，連同一個動態數據容量。核心調制解調幀由時間分集的主分量和后備分量組成。在本優選實施例中，在編碼之前，核心調制解調幀的大小為30,000比特(3750字節)。CABx(x＝0到x＝7)表示核心音頻塊CSB0到CSB7，各為460個字節。
調制解調幀的8個核心音頻字段CAB0到CAB7作為時間分集的主分量和后備分量被發送。在FEC編碼和交織過程中生成這些主分量和后備分量。在發送核心調制解調幀的對應的主分量幾秒鐘之后，全數字IBOC系統的后備分量被發送。為了引入時間分集特征，后備分量被有意地延遲。這種差異延遲量為整數(例如3)個核心調制解調幀。與此相對比，為了實現快速調諧，接收機盡可能快地處理后備分量。接收機對核心的調制解調幀的后備分量和主分量進行去交織，使得在得益于差異增益和量度評估之后，這些分量(當可用時)被代碼組合。
強化的調制解調幀(EMF)210的格式示于圖12。每一個EMF幀都包括一個報頭212，多個強化的音頻字段(EAx)，其中的每一個都具有一個循環冗余校驗字節216，一個備份塊218，以及一個填充字段220。該幀以這樣的方式來傳送附加的音頻信息，使得當它跟相應的核心調制解調幀的核心音頻相組合時，能提供比只有核心音頻時更高的音質。
該強化模式的幀含有針對32個音頻幀的音頻強化信息，并且加數據(如果有的話)。在本優選實施例中，強化的調制解調幀含有22,800位(3360字節)。報頭HEA 212含有32個字節，指示32個EAx字段中每一個的大小。各EAx字段都含有強化的音頻信息，用以提升核心音質，并且其大小是可變的。還提供1比特的循環冗余校驗比特。塊218含有在音頻幀分配之后所剩余的任何備份字節。還包括一個單字節的全0填充字段，用以填充維特比解碼器。
調度器基于某些預先定義的規則來安排到來的已劃分優先等級和已分組的消息。最簡單的算法按照時間順序對每一個優先等級將最高優先等級的消息分組放置在隊列的前面。這種算法能保證較高優先等級的消息比在隊列中等待的任何較低優先等級的消息先發送，并且時間順序能保證在每一個優先等級中的公平性。它還保證能以任何可以想象的調度算法的可能的最短的延遲來發送最高優先等級的消息。然而，特定的調度算法不能保證對每一個優先等級消息在保證的時間內被傳送。而且，隨著新的最高優先等級的消息不斷地被產生，有可能讓不是最高級的任何優先等級的消息無限期地呆在隊列里面。
已經精心地構建了各種幀格式，以便提供有效的和穩健的調幅IBOCDAB通信系統。而且，這種幀格式為這種設計提供了重要的特征，包括時間分集、快速信道調諧、主信道和后備信道之間的多層FEC代碼組合，以及在各音頻幀和各數據消息之間分配吞吐量的靈活性。幀格式的許多特征是為全數字調幅IBOC DAB系統而設計的。調幅混合幀格式被設計成跟調幅全數字格式相兼容。
圖13是在根據本發明構建的接收機中，高級的音頻編碼(AAC)IBOCDAB接口的方框圖。從線222上接收機空中接口提供到來的信號。一個調制解調幀分解器224從已編碼的幀邊界信息以及音頻信息中分離數據。在線226上的數據被送往數據路由器228，它將數據發送到位于線230上的不同的目的地。在線232和234上邊界和音頻信息被送往一個格式轉換器236，它將該信號轉換為在線238上的標準AAC比特流。然后，一個標準的AAC解碼器240對各音頻樣本進行解碼。
圖14是在根據本發明而構建的發射機中，AAC/IBOC DAB接口的方框圖。在線242上的調制解調幀音頻流被送往一個AAC編碼器244。AAC編碼器244最初在線246上為調制解調幀數據分配器248產生一個熵信號。數據調度器250將不同優先等級的數據送往位于線252上的調制解調幀數據分配器。然后，調制解調幀數據分配器248在線254上產生一個比特分配信號，然后AAC編碼器在線256上產生AAC音頻比特流。格式轉換器258將標準AAC比特流轉換為位于線260上的已編碼的幀邊界信息，以及在線262上的已編碼的幀音頻信息。在線264上還提供分配變化信號，它允許調制解調幀數據分配器根據分配變化信號來分配位于線266上的數據。調制解調幀組合器268接收已編碼的幀邊界信息，已編碼的幀音頻信息，以及根據分配變化信號而分配的數據，以產生調制解調幀，后者被輸出到位于線270上的空中接口。
調度器基于某些預先定義的規則來安排到來的已劃分優先等級和已分組的消息。最簡單的算法按照時間順序對每一個優先等級將最高優先等級的消息分組放置在隊列的前面。這種算法能保證較高優先等級的消息比在隊列中等待的任何較低優先等級的消息先發送，并且時間順序能保證在每一個優先等級中的公平性。它還保證能以任何可以想象的調度算法的可能的最短的延遲來發送最高優先等級的消息。然而，特定的調度算法不能保證為每一個優先等級消息在保證的時間內被傳送。而且，隨著新的最高優先等級的消息不斷被產生，有可能讓不是最高級的任何優先等級的消息無限期地呆在隊列里面。
可以使用更復雜的各種動態調度算法，它們能為每一個優先等級保證傳送時間。當一個優先等級隊列已滿時，流量控制機制還可以避免在優先等級隊列中接受信息。至少用戶能知道傳送時間是否有保證。若一個特定的優先等級已滿，則用戶可以將他的消息安排到具有不同價格的另一個優先等級中去。這種算法的一個優點就是這樣一種機制當較高優先等級的消息正在被一直產生時，能避免較低優先等級消息的掛起。此外，用戶僅為他所得到的服務付費。總而言之，在選擇一種調度算法連同相關的代價函數以便廣播機構優化其服務的過程中，存在相當可觀的靈活性。
本發明提供了在帶內信道上(IBOC)的數字音頻廣播(DAB)系統的一個調制解調幀中對壓縮數字音頻幀連同數字數據分組進行多路復用和發送的一種穩健的方法。該方法被設計成對數字音質具有最小的不利影響，同時使具有不同的優先等級分配的多種消息的數據吞吐量最大化。本發明提供了一種流量控制機制，其中一種折衷方案得以優化，給出各消息分組的所分配的優先等級對音質的關系。在組合調制解調幀的過程中，用于不同分組優先等級的調度算法對各數據分組連同已編碼的音頻分組進行多路復用。此外，音頻幀格式轉換器被用來以一種對音頻解碼器來說為透明的方式，在DAB調制解調幀中啟動被重新格式化的一般的壓縮音頻幀的傳輸。然而，在音頻編碼器中出現了某些限制。編碼器的限制涉及對音頻幀的不同的組的比特分配。新的幀格式化使得在一個全數字式系統中，音頻信息的時間分集傳輸以及時間分集的各音頻段的FEC代碼組合成為可能。在混合系統中也保持著這種時間分集特征及其兼容性，它使用模擬信號作為時間分集后備，如被轉讓給本發明的受讓人的、1997年10月9日申請的美國專利申請系列號第08/947,902號所示。
本發明允許在數字音頻廣播發射機中使用標準的高級音頻代碼(AAC)編碼器。在已示出的發射機的優選實施例中，在編碼器以外進行定制的調制解調幀格式化。類似地，在接收機的優選實施例中，在使用標準的AAC解碼器對各音頻樣本進行解碼之前，對調制解調幀進行分解。
在按照其優選實施例對本發明進行說明的同時，本領域的技術人員應當理解，在不脫離在權利要求書中所說明的本發明的范圍的前提下，對所公開的實施例可以作出各種修改。
權利要求
1.一種在數字音頻廣播系統中傳輸壓縮數據的方法，包括下列各步驟接收表示音頻信號的數字信息；評估在一個調制解調幀中待分配給所述數字信息的比特數；在所評估的比特數的范圍內，對所述數字信息進行編碼，以產生編碼數據；將對應于數字消息的各比特加到所述已編碼的信息中去，以形成一個復合調制解調幀；對所述復合調制解調幀的各比特進行格式化，以產生格式化的復合調制解調幀的各比特；以及發送格式化的復合調制解調幀的各比特。
2.根據權利要求1所述的方法，其中，評估待分配用于在調制解調幀中對所述數字信息進行編碼的比特數的步驟包括下列各步驟將所述數字信息存儲到一個緩沖存儲器之中；以及評估所述數字信息的熵。
3.根據權利要求1所述的方法，還包括以下步驟從所述編碼數據中去除所選定的各開銷比特。
4.根據權利要求1所述的方法，其中，將對應于各數字消息的各比特加到所述已編碼的信息中去，以形成一個復合調制解調幀的步驟包括下列各步驟劃分多個所述數字消息的優先等級；以及選擇具有最高優先等級的所述數字消息中的各比特，以便加到所述調制解調幀中的各有效比特中去。
5.根據權利要求1所述的方法，其中，對所述復合調制解調幀的各比特進行格式化，以產生格式化的復合調制解調幀的各比特的步驟包括以下步驟將冗余幀開銷數據插入到所述復合調制解調幀中去。
6.根據權利要求1所述的方法還包括以下步驟對所述各數字消息進行多路復用，并將多路復用的各數字消息插入到所述復合幀數據中去。
7.根據權利要求1所述的方法，其中，所述調制解調幀包括固定數目的音頻幀，所述各音頻幀具有可變的長度。
8.根據權利要求1所述的方法，其中，在已評估的比特數的范圍內，對所述數字信息進行編碼以產生編碼數據的步驟包括以下步驟將數字信息的各比特安排到多個后備幀和一個強化音頻幀中去。
9.根據權利要求8所述的方法，其中，在所述各后備幀和所述強化音頻幀中的數字信息的各比特被這樣安排，以便進行后繼的代碼組合。
10.一種用于數字音頻廣播系統的發射機，包括用于接收表示音頻信號的數字信息的裝置；用于評估在一個調制解調幀中待分配給所述數字信息的比特數的裝置；用于在已評估的比特數的范圍內，對所述數字信息進行編碼以產生編碼數據的裝置；用于將對應于各數字消息的各比特加到所述已編碼的信息中去，以形成一個復合調制解調幀的裝置；用于對所述復合調制解調幀的各比特進行格式化，以產生格式化的復合調制解調幀的各比特的裝置；以及用于發送格式化的復合調制解調幀的各比特的裝置。
11.根據權利要求10所述的發射機，其中，用于評估在調制解調幀中待分配用于對所述數字信息進行編碼的比特數的裝置包括用于將所述數字信息存儲到一個緩沖存儲器之中的裝置；以及用于評估所述數字信息的熵的裝置。
12.根據權利要求10所述的發射機還包括用于從所述編碼數據中去除所選各比特的裝置。
13.根據權利要求10所述的發射機，其中，用于將對應于各數字消息的各比特加到所述已編碼的信息中去，以形成一個復合調制解調幀的裝置包括用于劃分多個所述數字消息的優先等級的裝置；以及用于選擇具有最高優先等級的所述數字消息中的各比特，以便加到所述調制解調幀中的各有效比特中去的裝置。
14.根據權利要求10所述的發射機，其中，用于對所述復合調制解調幀的各比特進行格式化，以產生格式化的復合調制解調幀的各比特的裝置包括用于將冗余幀開銷數據插入到所述復合調制解調幀中去的裝置。
15.根據權利要求10所述的發射機，還包括用于對所述各數字消息進行多路復用，并將多路復用的各數字消息插入到所述復合幀數據中去的裝置。
16.根據權利要求10所述的發射機，其中，所述調制解調幀包括固定數目的音頻幀，所述各音頻幀具有可變的長度。
17.根據權利要求13所述的發射機，其中，用于在已評估的比特數的范圍內，對所述數字信息進行編碼以產生編碼數據的裝置包括用于對所述數字信息的各后備幀進行安排，以便在所述復合調制解調幀的范圍內進行傳輸的裝置。
18.根據權利要求17所述的發射機，其中，在所述各后備幀和所述強化音頻幀中的數字信息的各比特被這樣安排，以便進行后繼的代碼組合。
19.一種用于發送數字音頻廣播信息的固定長度調制解調幀格式，包括預定數目的音頻幀，所述各音頻幀具有可變長度；一個強化的音頻/數據字段；以及一個報頭字段。
20.根據權利要求19所述的調制解調幀格式，其中，所述各音頻幀中的每一個都包括一個核心音頻幀；一個循環冗余校驗比特；一個冗余報頭字段；以及各填充比特。
21.根據權利要求19所述的調制解調幀格式，其中，所述強化音頻/數據字段包括多個強化音頻幀；一個循環冗余校驗比特；一個冗余報頭字段；以及各填充比特。
全文摘要
一種在數字音頻廣播系統中傳輸壓縮數據的方法包括下列各步驟:產生表示音頻信號的數字信息;評估在一個調制解調幀中待分配給所述數字信息的比特數;在所評估的比特數的范圍內,對所述數字信息進行編碼,以產生編碼數據;從編碼數據中去除所選各比特;將對應于各數字消息的各比特加到已編碼的信息中去,以形成一個復合調制解調幀;對復合調制解調幀的各比特進行格式化,以產生格式化的復合調制解調幀的各比特;以及發送格式化的復合調制解調幀的各比特。本發明還包含用以實現該方法的發射機。
文檔編號H04B14/04GK1370357SQ00811930
公開日2002年9月18日 申請日期2000年8月23日 優先權日1999年8月24日
發明者布萊恩·威廉·克羅格, 斯蒂芬·道格拉斯·馬特森 申請人:艾比奎蒂數字公司