CN1370357A - 在数字音频广播中发送和接收具有优先等级消息的压缩音频帧的方法与装置 - Google Patents

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Abstract

一种在数字音频广播系统中传输压缩数据的方法包括下列各步骤:产生表示音频信号的数字信息;评估在一个调制解调帧中待分配给所述数字信息的比特数;在所评估的比特数的范围内,对所述数字信息进行编码,以产生编码数据;从编码数据中去除所选各比特;将对应于各数字消息的各比特加到已编码的信息中去,以形成一个复合调制解调帧;对复合调制解调帧的各比特进行格式化,以产生格式化的复合调制解调帧的各比特;以及发送格式化的复合调制解调帧的各比特。本发明还包含用以实现该方法的发射机。

Description

在数字音频广播中发送和接收具有优先等级 消息的压缩音频帧的方法与装置
发明背景
本发明涉及用于发送和接收数字数据的方法与装置，更具体地说，涉及用于数字音频广播系统的这样的方法与装置。
数字音频广播(DAB)是一种能提供优于现有的模拟广播格式的数字品质音频的媒介。可以以下列两种格式发送调幅和调频DAB信号，第1种情况是数字调制信号跟当前广播的模拟调幅或调频信号并存的混合格式，第2种情况是没有模拟信号的全数字格式。由于每一组DAB信号都是在现有调幅或调频信道分配的相同频谱覆盖的范围内被同时发送的，所以在带内信道(IBOC)上的DAB系统不需要新的频谱分配。IBOC DAB使得各广播机构在向它们现有的听众群提供数字品质音频的同时，也推动了频谱的经济利用。已经提出了几种IBOC DAB方案。一种这样的方案，公开于美国专利第5,588,022号，提出了在标准的调幅广播信道中，同时广播模拟与数字信号的方法。使用这个方案，具有第1频谱的调幅射频信号被广播。该调幅射频信号包括被一个模拟节目信号所调制的第1载波。与此同时，在包含第1频谱的带宽以内，多个数字调制的载波信号被广播。每一个数字调制的载波信号都被数字节目信号的一部分所调制。第1组数字调制的载波信号处于第1频谱的范围内，并且与第1载波信号正交被调制。第2和第3组数字调制的载波信号处于第1频谱的范围以外，并且与第1载波信号同相和正交被调制。借助于正交频分多路复用(OFDM)，使用多个载波来承载通信信息。
调频IBOC DAB广播系统已经成为几项美国专利的主题，其中包括专利号第5,465,396号，第5,315,583号，第5,278,844号，第5,278,826号。一个混合调频IBOC DAB信号将一个模拟调制载波跟多个正交频分多路复用(OFDM)副载波组合在一起，上述各副载波处于模拟调制主调频载波所占用的频谱上下两侧从调频中心频率起算的从大约129 kHz到大约199 kHz的区域内。一种全数字IBOC DAB系统消除了模拟的已调制主信号，同时保留上述的各副载波，并且将附加的各副载波加到从调频中心频率起算的从大约100 kHz到大约129 kHz的区域内。这些附加的副载波能发送一组后备信号，在丢失主要的或核心的信号的情况下，该后备信号可以被用来在接收机处产生输出信号。
数字传输系统的一个特征就是同时发送数字化音频和数据的固有能力。数字音频信息通常被压缩，以便在一条带宽受限制的信道上进行传输。例如，可以将大约1.5 Mbps的立体声光盘(CD)的数字源信息规格压缩到96 kbps，同时保持调频IBOC DAB的实质上的CD音质。进一步地压缩到48 kbps以下仍能提供良好的立体声音质，这对于调幅DAB系统或者用于调频DAB系统的短延迟的后备与调谐信道是有用的。有效的压缩方案使用可变速率的信源编码，其中，固定的各音频时间段被编码为可变长度的各数字分组，即，“复杂性”可变的各音频段被转换为长度可变的各音频帧。
由典型的音频编码器产生的各音频帧为不能有效地作为IBOC DAB信号传输的各种格式。因此，需要有一种用于发送和接收数字音频广播中的压缩音频帧的有效方法。
发明内容
一种在数字音频广播系统中用于传输压缩数据的方法包括下列各步骤：接收表示音频信号的数字信息；评估在一个调制解调帧中待分配给所述数字信息的比特数；在已评估的比特数的范围内，对所述数字信息进行编码，以产生编码数据；将对应于各数字消息的各比特加到已编码的信息中去，以形成一个复合调制解调帧；对所述复合调制解调帧的各比特进行格式化，以产生格式化的复合调制解调帧的各比特；以及发送格式化的复合调制解调帧的各比特。
本发明还包含由该方法产生的调制解调帧格式以及用以实现该方法的发射机。调制解调帧格式包括多个后备核心音频字段，一个强化的音频/数据字段，以及一个报头字段。每一个后备核心音频字段都包括：核心音频帧，循环冗余校验比特，冗余报头字段，以及填充比特。
附图的简要说明
图1是用于数字音频广播系统的发射机的方框图，它能发送根据本发明的格式化的信号；
图2是功能方框图，表示根据本发明对音频信号和已划分优先等级的数据分组进行多路复用和编码的方法；
图3是能根据本发明对信号进行处理的接收机的方框图；
图4是方框图，表示图3的接收机所进行的信号处理的一部分；
图5是示意图，表示与本发明配合使用的调制解调帧格式的一个优选实施例；
图6是示意图，表示与本发明配合使用的后备音频/补充帧格式的一个优选实施例；
图7是示意图，表示与本发明配合使用的调制解调帧格式中的后备核心音频帧的一个优选实施例；
图8是示意图，表示与本发明配合使用的调制解调帧格式中的强化音频/数据字段的一个优选实施例；
图9是示意图，表示与本发明配合使用的调制解调帧格式中的冗余报头字段的一个优选实施例；
图10是示意图，表示用于调幅数字音频广播系统中的与本发明配合使用的核心调制解调帧格式的一个优选实施例；
图11是示意图，表示用于调幅数字音频广播系统中的与本发明配合使用的核心音频块帧格式的一个优选实施例；
图12是示意图，表示用于调幅数字音频广播系统中的与本发明配合使用的强化调制解调帧格式的一个优选实施例；
图13是数据信号接口的方框图，当在用于数字音频广播系统的接收机中应用本发明时，可以使用该接口；以及
图14是数据信号接口的方框图，当在用于数字音频广播系统的发射机中应用本发明时，可以使用该接口。
各优选实施例的说明
参看附图，图1是根据本发明的DAB发射机10的方框图，它能广播数字音频广播的各种信号。信号源12提供要发送的信号。该源信号可以采取多种形式，例如，可以代表语音或音乐的模拟节目信号和/或可以代表诸如交通信息之类的消息数据的数字信息信号。一个基于数字信号处理器(DSP)的调制器14按照各种已知的信号处理技术(例如信源编码，交织和前向纠错)来处理源信号，以便在线16和18上产生复合基带信号的同相与正交分量。在上变频器(up-converter)方框20中，各信号分量在频率上被上移、滤波，以及被内插到一个较高采样速率的信号中去。这就按照采样速率fs来产生数字样本，并在线22上产生中频信号fif。数模转换器24在线26上将该信号转换为模拟信号。中频滤波器28抑制各种混叠频率，以便在线30上产生中频信号fif。本机振荡器32在线34上产生信号flo，由混频器36将它跟在线30上的中频信号进行混频，以便在线38上产生和与差信号。和信号以及其他不需要的互调分量和噪声被镜像抑制滤波器40所抑制，以便在线42上产生已调制的载波信号fc。然后，大功率放大器44将此信号送往天线46。
本发明的方法涉及压缩数字音频连同不同优先等级或者在时间上具有不同的紧急程度要求的数据消息的有效的和稳健的多路复用。DAB信号的一个基本传输单元就是调制解调帧(modem frame)，它在宽度上处于秒的数量级。要求这个宽度能保证足够长的交织时间，以便缓解衰落和短时停机或噪声突发的影响，如同在数字音频广播系统中所期望的那样。主数字交织音频信道的延迟可以不小于调制解调帧的宽度。然而，由于采用本发明的IBOC DAB系统已经使用了一种不同的延迟技术，该技术有意地使数字信号相对于模拟信号来说延迟了几秒钟，所以这种延迟不是重要的缺点。在1997年10月8日申请的共同拥有的美国专利申请系列号第08/947,902号中，描述了一个含有时间分集(time diversity)的DAB系统。为该信号的快速调谐获取而提供模拟或数字的时间分集信号。因此，以调制解调帧为单位来处理主数字音频信号，并且任何音频处理、误码率降低以及编码策略都应当能够在不付出附加的代价的前提下来使用这个相对长的调制解调帧时间。
在本发明中，使用一个格式转换器以这样一种方式来对压缩音频帧进行重新分组，使得在无线电信道上能够对IBOC信号进行更有效和稳健的发送与接收。标准的市售音频编码器能够初始地产生压缩音频帧。输入格式转换器从音频编码器所产生的各音频帧中去除不必要的信息。不必要的信息包括帧同步信息以及任何其他信息，可以在不损害音频信息的前提下为DAB音频传输而去除或修改这些信息。IBOC DAB调制解调帧组合器以这样一种方式重新插入同步信息，使得对DAB传输来说，变得更加有效和稳健。在接收机处的格式转换器对准备由标准音频编码器进行编码的已恢复的各音频帧进行重新分组。
调幅和调频的IBOC DAB系统均以调制解调帧为单位来安排数字音频和数据。通过将固定数目的音频帧分配到每一个调制解调帧，就能使上述系统得以简化和强化。一个调度器确定被分配到每一个调制解调帧之中的各音频帧的总的比特数。然后，音频编码器使用针对该音频帧的比特分配对各音频帧进行编码。在调制解调帧中的其余各比特被多路复用数据以及开销所占用。
图2是功能方框图，表示一个调制解调帧的组装过程。可以在图1的方框14中执行图2所示的功能。在本发明的这个实施例中，在线50和52上提供左和右音频DAB节目信号。具有不同的优先等级的数据消息(也被称为辅助数据)在线54、56和58上被提供，并且被存储在缓冲存储器60、62和64之中。在动态调度算法或调度器与音频编码器68之间，对调制解调帧的组装加以协调。可以被发送的辅助数据的数量取决于多种因素。在本优选实施例中，音频编码器首先对在音频帧缓冲存储器70中的音频信息的音频内容进行扫描，上述音频帧缓冲存储器70保存着准备在下一个调制解调帧中进行发送的音频信息。进行扫描是为了评估该调制解调帧的音频信息的复杂性或“熵”，如方框72所示。熵估计可以被用来求出为提供所期望的音质所需的目标比特数。使用在线74上的熵估计，连同在缓冲存储器60、62和64之中的消息数据的数量和优先等级分配，动态调度算法在数据和音频之间的调制解调帧中分配各比特。
在已经为下一个调制解调帧分配一定数量的比特之后，音频编码器为下一个调制解调帧的所有音频帧(例如，64个音频帧)进行编码，并将其结果送往音频帧格式转换器76。音频帧所占用的实际位数被送往在线78上的调度器，使得它能够为尚未使用的比特(如果有的话)分配派上最好的用场。音频帧格式转换器去除任何报头信息以及不必要的开销，并将所得到的“被剥离”音频帧送往调制解调帧格式与组装功能块80。
动态调度算法，或调度器，通常按照如下所述的方式进行工作。首先，若没有待处理的数据消息，则调度器将下一个调制解调帧的容量分配给压缩音频。这通常会导致比为获得所期望的音质所需的目标比特数更多的比特数，其次，若只有低优先等级的消息待处理，则超出用于音频的目标比特数的调制解调帧的容量被分配给消息(数据)。这应当不会导致在音质上比所期望的情况有所降低。第三，若高优先等级的消息有待处理，则调度器必须在音质与高优先等级的消息的及时传送之间作出折衷。可以采用被分配给消息延迟目标对音质的可能降低的代价函数来评估这种折衷。可以通过将如线82所表示的信号发送到一个数据分组多路复用器84，来选择待发送的消息。
从广播机构的角度来看，由于音质可能越来越大地受到影响，所以高优先等级的消息伴随着成本上的越来越大的增加。从数据或消息的用户的角度来看，也可以基于代价函数来划分消息的优先等级，以补偿广播机构在音质方面的降低。代价函数可以是实际的成本。例如，在优先等级上每提升一级，分组传送的实际用户成本可以翻一番。若该消息被认为是紧急的，则这可能是从希望比名义价格支付更多的用户那里增加收益的有效方法。可供选择地，也可以根据由广播机构所产生的消息的类型来完成优先等级的划分。由于涉及某些递增的成本，所以不论在哪一种情况下，优先等级的划分都是自我调节的，并且向用户和广播机构分配较高优先等级的消息时要谨慎从事。当然，广播机构在向他的用户和听众提供具有潜在价值的服务时，为了他的纯利润也将选定规则以及相关的代价函数。
调制解调帧格式和组装功能将音频帧信息以及各数据分组安排到一个调制解调帧之中。已经在音频帧格式转换器中被去除的报头信息，包括各音频帧的大小和位置，以一种冗余的但是有效的方式被重新插入到调制解调帧之中。这种重新格式化过程在可靠性较差的无线电信道上改进了IBOC DAB信号的稳健性。对于全数字IBOC DAB模式的传输来说，基于在线86上提供的数据的各后备帧也同时被产生。各后备帧能提供时间分集的冗余信号，以便在主信号失效时能降低停机的概率。在正常工作中，各后备帧跟主信道之间实行代码组合，以便在出现衰落时能产生更稳健的信息传送。在混合IBOC系统中，用模拟信号(调幅或调频)来取代各后备帧。
接收机执行所描述的发射机的某些功能的相反功能。图3是能够根据本发明对信号进行处理的无线电接收机的方框图。在天线90上接收DAB信号。带通预选滤波器92让所选频段得以通过，其中包括频率fc的有用信号，但抑制fc-2fif的镜像信号(针对一个低旁瓣注入的本机振荡器而言)。低噪声放大器94对该信号进行放大。已放大的信号在混频器96中跟本机振荡器信号flo进行混频，后者是由一个可调谐的本机振荡器100在线98上提供的。这就在线102上产生和(fc+flo)与差(fc-flo)信号。中频滤波器104让中频信号fif通过，并且使处于所选的已调制信号的带宽以外的频率受到衰减。模数转换器106使用时钟信号fs进行工作，以便按照采样速率fs在线108上产生数字样本。数字下变频器110对该信号进行频率移动、滤波以及少量提取，以便在线112和114上产生较低采样速率的同相和正交信号。随后，基于数字信号处理器的解调器116提供附加的信号处理，以便在线118上为输出设备120产生输出信号。
图4是方框图，表示图3的接收机所进行的调制解调帧中的音频和数据解调。帧分解器122接收在线124上的待处理的信号，并且执行去交织、代码组合、FEC解码、以及在每一个调制解调帧中对音频和数据信息作出误码标志这些必要的操作。在线126上的一条独立的通路上对数据(如果有的话)进行处理，而音频则在线128上进行处理。然后，如方框130所示，该数据被传送到适当的数据业务。数据的优先等级排队是发射机(不是接收机)的一项功能。由格式转换器132对来自每一个调制解调帧的音频信息进行处理，格式转换器132将音频信息安排到一种音频帧格式之中，该格式兼容于目标音频解码器134，后者产生左和右音频输出136和138。
在一种类型的混合调频DAB系统中，一个已调制的模拟载波跟多个正交频分多路复用(OFDM)副载波组合在一起，上述各副载波位于已调制的模拟主调频载波所占用的频谱的上下两侧离开调频中心频率大约从129 kHz到199 kHz的区域之中。在全数字方式中，已调制的模拟主信号被去除，同时保留上述的各副载波，并且将附加的各副载波加到位于调频中心频率上下两侧的大约从100 kHz到129 kHz的区域之中。附加的各副载波能发送后备信号，在丢失主要的或核心的信号时，该后备信号可以被用来在接收机处产生输出信号。
已经精心地构建了各种帧格式，以便提供一个有效的和稳健的IBOCDAB通信系统。而且，这种帧格式为这种设计提供了重要的特征，包括时间分集、快速信道调谐、主信道和后备信道之间的多层FEC代码组合、冗余报头信息(不均等误码保护的一种形式)，以及在各音频帧和各数据消息之间分配吞吐量时的灵活性。帧格式的许多特征是为全数字调频IBOC DAB系统而设计的。调频混合帧格式被设计成跟调频全数字格式相兼容。
如图5所示，主信道调制解调帧140包括一组8个后备核心音频(BCAx)字段142，一个可选的强化音频/数据(EAD)字段144以及一个冗余报头(RH)字段146。主信道调制解调帧传送64个音频帧的音频信息，连同一个动态数据容量。在本优选实施例中，经过Reed-Solomon编码之后的调制解调帧的大小为18,432字节。RS(144，140)，RS(144，136)以及RS(144，132)的输入字节数目的编码可选项分别为17,920字节，17,408字节以及16,896字节。
这个调制解调帧被送往Reed-Solomon编码器以及随后的前向纠错(FEC)和交织功能。Reed-Solomon编码器的速率精确地确定在FEC编码之前由多少个字节来组成调制解调帧。应当指出，在本优选实施例中，各Reed-Solomon码字被系统地编码，使得各奇偶码元位于各信息码元之前。这就保证了填充字节(全0)仍作为送往内部卷积编码器的最后字节。冗余报头字段被定位于调制解调帧的末尾，以保证它是用一个独立的Reed-Solomon码字来进行编码的。
全数字IBOC DAB系统的后备音频/补充帧148的格式示于图6。每一个后备音频/补充帧包括一个后备音频字段150，一个补充数据字段152，一个循环冗余校验字节154，以及一个填充字节156。这两种工作模式包括24 kbps核心音频后备模式以及48 kbps核心音频后备模式。虽然每一个BCAx帧都含有8个不同长度的音频字段，但是组合后的BCAx字段的总长度是恒定的。
主信道调制解调帧的8个后备核心音频字段BCA0到BCA7跟后备/音频补充帧(BAS)148中的相同字段是冗余的。然而，全数字IBOC DAB系统的各后备帧是在发送相应的调制解调帧几秒钟之后才发送的。为了引入时间分集特征，各后备帧被有意地延迟。这种差异延迟量是整数个调制解调帧(的长度)。与此相对比，为了实现快速调谐，接收机尽可能快地处理各后备帧。接收机通过对调制解调帧中的音频信息施加适当的延迟，来将调制解调帧中的各BCAx字段跟后备帧中的冗余BCAx字段在时间上对准。
在调制解调帧中的各BCAx字段跟后备帧中的冗余BCAx字段对准之后，经过时间对准的各BCA字段在接收机的卷积解码器中进行代码组合。在使用本发明的信号处理的发射机的一个实施例中，在进行交织和随后的发送之前，向数字信号施加一种外部的Reed-Solomon前向纠错，跟随于其后的是内部卷积前向纠错。重要的是，按照精确地相同于内部和外部的FEC代码的序列对各BCA字段进行编码，以提供时间分集的代码组合。即使当调制解调帧以及后备音频/补充帧部分被破坏时，这仍然能为调谐与后备信道提供稳健的性能。在本优选实施例中，各BCA字段按照24kbps或48kbps来传送核心后备音频信号，这可以由广播机构加以选择。
在调制解调帧的持续时间内，在后备信道各副载波上的每一对交织块中发送后备音频/补充帧BASx。仅在24 kbps核心音频后备模式中发送具有循环冗余校验和填充字节的补充数据字段。在48 kbps核心音频后备模式中，用附加的音频信息来取代补充数据字段。在本优选实施例中，该BASx帧包括处于8个Reed-Solomon码字之中的1152字节(经过Reed-Solomon编码之后)。对24 kbps模式来说，每一个BCAx字段包括处于4个Reed-Solomon码字之中的576个字节(经过Reed-Solomon编码之后)，或者对48 kbps模式来说，每一个BCAx字段包括处于8个Reed-Solomon码字之中的1152个字节(经过Reed-Solomon编码之后)。对24 kbps模式来说，补充数据字段包括处于4个Reed-Solomon码字之中的576个字节(经过Reed-Solomon编码之后)。而在48 kbps模式中，不出现补充数据字段。循环冗余校验和填充字节被用于24 kbps模式之中，但不用于48 kbps模式之中。24 kbps后备音频模式使得能够按照大约24 kbps的吞吐量来插入补充数据字段。这个字段旨在用来作为独立的广播消息或数据分组传送业务。在这个层次上的分帧只是为补充数据提供信道容量，在补充数据字段内，补充数据具有其本身的格式/协议。
后备核心音频字段(BCAx)142的格式示于图7。这个字段的长度取决于两种后备模式之间的选择。24 kbps后备模式旨在提供具有大约6kHz带宽的单声后备音频信号，而48 kbps后备模式的音频信号则为具有大约10 kHz带宽的立体声或单声后备音频信号。BCAx字段含有8个可变长度的音频帧158，一个报头字段(HCA)160，一个填充字节162，以及可能还有一个备份字段164。该备份字段包括在音频帧分配之后剩余的任何字节。每一个音频帧都包括一个核心音频帧(CAx)166以及一个循环冗余校验字节168。然而，BCAx字段142的总长度是恒定的。因此，音频编码器被分配固定数目的字节，以便对每一组8个核心音频帧(CAx)进行编码。
在调制解调帧的每一个交织块(0到7)中的后备信道各副载波上冗余地发送后备核心音频字段BCAx(x＝0到x＝7)其中之一。这8个BCAx帧也作为调制解调帧的一部分而被发送。在本优选实施例中，对24 kbps模式来说，每一个BCAx字段包括处于4个Reed-Solomon码字之中的576个字节(经过Reed-Solomon编码之后)，以及对48 kbps模式来说，每一个BCAx字段包括处于8个Reed-Solomon码字之中的1152个字节(经过Reed-Solomon编码之后)。核心音频帧CAx在各CAx字段中含有可变长度音频帧的字节数目(在Reed-Solomon编码之前)，该CAx字段在报头CAx字段中被表示，它被安排用于改进了的误码隐藏。还包括一个单字节(在Reed-Solomon编码之前)的循环冗余校验字节，以及一个单字节(在Reed-Solomon编码之前)填充字段，用以填充维特比解码器。HCA报头为8个字节(在Reed-Solomon编码之前)，并且指示8个CAx字段中每一个的大小。
强化的音频/数据(EAD)字段的格式170示于图8。EAD在调制解调帧内被发送，并且含有64个音频帧的音频强化信息。EAD包括一个报头字段172，多个强化的音频字段174。其中的每一个都包括一个强化了的音频部分(EAx)176以及一个循环冗余校验字节178，一个数据字段180，另一个循环冗余校验字节182以及一个填充字节184。EAD的本优选实施例在24 kbps B/U模式下含有13,680字节(在Reed-Solomon编码之后)，具有95个RS码字，以及在48kbps B/U模式下含有9,072字节(在Reed-Solomon编码之后)，具有63个RS码字。一个64字节(在Reed-Solomon编码之前)报头166指示64个EAx字段168中每一个的大小。EAx字段含有音频强化信息以提升核心品质/速率。在每一个EAx字段中的字节数目(在Reed-Solomon编码之前)在报头中被指示，对于k＝0到63来说，x＝0，7，14，…(7*k mod 64)，被安排用于误码隐藏。每一个强化的音频字段都包括一个数据部分170，以及一个循环冗余校验字节172。若调度器确定这些字节可用于数据，则该数据可以在数据字段174中连同一个循环冗余校验字节178一起被传送。一个单字节(在Reed-Solomon编码之前)全0填充字段178被用来填充维特比解码器。EAD字段这样来传送附加的音频信息，使得当跟相应的调制解调帧的各核心音频字段组合时，能提供实质上的光盘(CD)品质的声音。
强化的音频/数据字段包括一个报头字段172，多个强化的音频字段174，其中的每一个都包括一个音频部分(EAx)176以及一个循环冗余校验字节178，一个数据字段180，另一个循环冗余校验字节182以及一个填充字节184。冗余的报头(RH)字段格式146示于图9。这个字段传送涉及各音频字段的大小(或位置)的冗余信息。它包括冗余报头字段(HEA)172，核心音频报头(HCAx)186，循环冗余校验字节188，以及填充字节190。冗余的报头字段为调制解调帧内的64个音频帧传送报头信息。在本优选实施例中，冗余的报头字段包括处于一个码字之中的144个字节(在Reed-Solomon编码之后)。HEA包括64个字节(在Reed-Solomon编码之前)，表示64个EAx字段中的每一个的大小，并且跟EAD帧中的HEA字段互为冗余。核心音频报头包括在8个报头中的64个字节(在Reed-Solomon编码之前)，它们是从各BCA复制过来的。在所有报头中都包括一个单字节的循环冗余校验字节。填充字段包括15-P个全0字节(在Reed-Solomon编码之前)，这里P是奇偶字节的数目，用以填充维特比解码器。这种冗余提供了对重要的报头信息被破坏的附加保护。在调制解调帧内的两个位置上(即，RH字段以及8个EAD字段)发送强化的音频报头(HEA)166。在3个位置上(即，除了全数字IBOC DAB系统的后备音频补充(BAS)帧的8个HCA字段以外，还有调制解调帧内的RH以及8个HCA字段)发送核心音频报头182。HEA报头信息包括表示64个EAx字段中每一个的大小的64个字节(在Reed-Solomon编码之前)，上述64个EAx字段跟EAD帧中的HEA字段互为冗余。核心音频报头包括64个字节(在Reed-Solomon编码之前)，其中具有从各BCA复制而来的8个报头。在Reed-Solomon编码之后，RH字段包括处于一个RS码字之中的144个字节。RH字段还包括一个循环冗余校验字节184以及一个填充字段186。填充字段的字节数目是在Reed-Solomon编码中奇偶字节(P)的数目的一个函数。特别是，填充字节的数目等于15-P。
在一个特别适用于调幅DAB系统的本发明的实施例中，根据所需的覆盖要求，数据被分解为核心数据或强化数据。示于图10的调幅DAB调制解调帧192包括一组8个后备核心音频字段194，一个强化音频/数据字段196以及一个冗余报头字段198，如图10所示。每一个后备核心音频字段都包括一组4个核心音频帧，其中每一个BCA字段都被分配固定的最大大小。复合调制解调帧被送往CPTCM编码器以及后继的交织功能。
核心的调制解调帧的核心音频块194的格式示于图11。每一个CAB都包括一个报头200，4个核心音频帧202，其中的每一个都带有一个循环冗余校验字节204，一个备份块206，以及一个填充字段208。8个CABx帧作为核心的调制解调帧的一部分被发送。在本优选实施例中，在编码之前，每一个CABx字段都是460个字节。HCA报头为4个字节，表示4个CAx字段中每一个的大小。核心音频帧CAx含有在CAx中的一个可变长度音频帧的字节数目，它在报头中被表示。CRC是一个单字节循环冗余校验字节。方框206表示在音频帧分配之后剩余的备份字节(如果有的话)。填充方框208是6个比特的0数据，用以填充维特比解码器。
图3的音频编码器被分配用于下一个调制解调帧(核心或强化)的若干比特。音频编码器为下一个调制解调帧对所有的音频帧(例如32个音频帧)进行编码，并将其结果送往音频帧格式转换器。
调幅DAB核心调制解调帧格式为32个音频帧传送核心音频信息，连同一个动态数据容量。核心调制解调帧由时间分集的主分量和后备分量组成。在本优选实施例中，在编码之前，核心调制解调帧的大小为30,000比特(3750字节)。CABx(x＝0到x＝7)表示核心音频块CSB0到CSB7，各为460个字节。
调制解调帧的8个核心音频字段CAB0到CAB7作为时间分集的主分量和后备分量被发送。在FEC编码和交织过程中生成这些主分量和后备分量。在发送核心调制解调帧的对应的主分量几秒钟之后，全数字IBOC系统的后备分量被发送。为了引入时间分集特征，后备分量被有意地延迟。这种差异延迟量为整数(例如3)个核心调制解调帧。与此相对比，为了实现快速调谐，接收机尽可能快地处理后备分量。接收机对核心的调制解调帧的后备分量和主分量进行去交织，使得在得益于差异增益和量度评估之后，这些分量(当可用时)被代码组合。
强化的调制解调帧(EMF)210的格式示于图12。每一个EMF帧都包括一个报头212，多个强化的音频字段(EAx)，其中的每一个都具有一个循环冗余校验字节216，一个备份块218，以及一个填充字段220。该帧以这样的方式来传送附加的音频信息，使得当它跟相应的核心调制解调帧的核心音频相组合时，能提供比只有核心音频时更高的音质。
该强化模式的帧含有针对32个音频帧的音频强化信息，并且加数据(如果有的话)。在本优选实施例中，强化的调制解调帧含有22,800位(3360字节)。报头HEA 212含有32个字节，指示32个EAx字段中每一个的大小。各EAx字段都含有强化的音频信息，用以提升核心音质，并且其大小是可变的。还提供1比特的循环冗余校验比特。块218含有在音频帧分配之后所剩余的任何备份字节。还包括一个单字节的全0填充字段，用以填充维特比解码器。
调度器基于某些预先定义的规则来安排到来的已划分优先等级和已分组的消息。最简单的算法按照时间顺序对每一个优先等级将最高优先等级的消息分组放置在队列的前面。这种算法能保证较高优先等级的消息比在队列中等待的任何较低优先等级的消息先发送，并且时间顺序能保证在每一个优先等级中的公平性。它还保证能以任何可以想象的调度算法的可能的最短的延迟来发送最高优先等级的消息。然而，特定的调度算法不能保证对每一个优先等级消息在保证的时间内被传送。而且，随着新的最高优先等级的消息不断地被产生，有可能让不是最高级的任何优先等级的消息无限期地呆在队列里面。
已经精心地构建了各种帧格式，以便提供有效的和稳健的调幅IBOCDAB通信系统。而且，这种帧格式为这种设计提供了重要的特征，包括时间分集、快速信道调谐、主信道和后备信道之间的多层FEC代码组合，以及在各音频帧和各数据消息之间分配吞吐量的灵活性。帧格式的许多特征是为全数字调幅IBOC DAB系统而设计的。调幅混合帧格式被设计成跟调幅全数字格式相兼容。
图13是在根据本发明构建的接收机中，高级的音频编码(AAC)IBOCDAB接口的方框图。从线222上接收机空中接口提供到来的信号。一个调制解调帧分解器224从已编码的帧边界信息以及音频信息中分离数据。在线226上的数据被送往数据路由器228，它将数据发送到位于线230上的不同的目的地。在线232和234上边界和音频信息被送往一个格式转换器236，它将该信号转换为在线238上的标准AAC比特流。然后，一个标准的AAC解码器240对各音频样本进行解码。
图14是在根据本发明而构建的发射机中，AAC/IBOC DAB接口的方框图。在线242上的调制解调帧音频流被送往一个AAC编码器244。AAC编码器244最初在线246上为调制解调帧数据分配器248产生一个熵信号。数据调度器250将不同优先等级的数据送往位于线252上的调制解调帧数据分配器。然后，调制解调帧数据分配器248在线254上产生一个比特分配信号，然后AAC编码器在线256上产生AAC音频比特流。格式转换器258将标准AAC比特流转换为位于线260上的已编码的帧边界信息，以及在线262上的已编码的帧音频信息。在线264上还提供分配变化信号，它允许调制解调帧数据分配器根据分配变化信号来分配位于线266上的数据。调制解调帧组合器268接收已编码的帧边界信息，已编码的帧音频信息，以及根据分配变化信号而分配的数据，以产生调制解调帧，后者被输出到位于线270上的空中接口。
调度器基于某些预先定义的规则来安排到来的已划分优先等级和已分组的消息。最简单的算法按照时间顺序对每一个优先等级将最高优先等级的消息分组放置在队列的前面。这种算法能保证较高优先等级的消息比在队列中等待的任何较低优先等级的消息先发送，并且时间顺序能保证在每一个优先等级中的公平性。它还保证能以任何可以想象的调度算法的可能的最短的延迟来发送最高优先等级的消息。然而，特定的调度算法不能保证为每一个优先等级消息在保证的时间内被传送。而且，随着新的最高优先等级的消息不断被产生，有可能让不是最高级的任何优先等级的消息无限期地呆在队列里面。
可以使用更复杂的各种动态调度算法，它们能为每一个优先等级保证传送时间。当一个优先等级队列已满时，流量控制机制还可以避免在优先等级队列中接受信息。至少用户能知道传送时间是否有保证。若一个特定的优先等级已满，则用户可以将他的消息安排到具有不同价格的另一个优先等级中去。这种算法的一个优点就是这样一种机制：当较高优先等级的消息正在被一直产生时，能避免较低优先等级消息的挂起。此外，用户仅为他所得到的服务付费。总而言之，在选择一种调度算法连同相关的代价函数以便广播机构优化其服务的过程中，存在相当可观的灵活性。
本发明提供了在带内信道上(IBOC)的数字音频广播(DAB)系统的一个调制解调帧中对压缩数字音频帧连同数字数据分组进行多路复用和发送的一种稳健的方法。该方法被设计成对数字音质具有最小的不利影响，同时使具有不同的优先等级分配的多种消息的数据吞吐量最大化。本发明提供了一种流量控制机制，其中一种折衷方案得以优化，给出各消息分组的所分配的优先等级对音质的关系。在组合调制解调帧的过程中，用于不同分组优先等级的调度算法对各数据分组连同已编码的音频分组进行多路复用。此外，音频帧格式转换器被用来以一种对音频解码器来说为透明的方式，在DAB调制解调帧中启动被重新格式化的一般的压缩音频帧的传输。然而，在音频编码器中出现了某些限制。编码器的限制涉及对音频帧的不同的组的比特分配。新的帧格式化使得在一个全数字式系统中，音频信息的时间分集传输以及时间分集的各音频段的FEC代码组合成为可能。在混合系统中也保持着这种时间分集特征及其兼容性，它使用模拟信号作为时间分集后备，如被转让给本发明的受让人的、1997年10月9日申请的美国专利申请系列号第08/947,902号所示。
本发明允许在数字音频广播发射机中使用标准的高级音频代码(AAC)编码器。在已示出的发射机的优选实施例中，在编码器以外进行定制的调制解调帧格式化。类似地，在接收机的优选实施例中，在使用标准的AAC解码器对各音频样本进行解码之前，对调制解调帧进行分解。
在按照其优选实施例对本发明进行说明的同时，本领域的技术人员应当理解，在不脱离在权利要求书中所说明的本发明的范围的前提下，对所公开的实施例可以作出各种修改。

Claims (21)

1.一种在数字音频广播系统中传输压缩数据的方法，包括下列各步骤：
接收表示音频信号的数字信息；
评估在一个调制解调帧中待分配给所述数字信息的比特数；
在所评估的比特数的范围内，对所述数字信息进行编码，以产生编码数据；
将对应于数字消息的各比特加到所述已编码的信息中去，以形成一个复合调制解调帧；
对所述复合调制解调帧的各比特进行格式化，以产生格式化的复合调制解调帧的各比特；以及
发送格式化的复合调制解调帧的各比特。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，评估待分配用于在调制解调帧中对所述数字信息进行编码的比特数的步骤包括下列各步骤：
将所述数字信息存储到一个缓冲存储器之中；以及
评估所述数字信息的熵。
3.根据权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：
从所述编码数据中去除所选定的各开销比特。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，将对应于各数字消息的各比特加到所述已编码的信息中去，以形成一个复合调制解调帧的步骤包括下列各步骤：
划分多个所述数字消息的优先等级；以及
选择具有最高优先等级的所述数字消息中的各比特，以便加到所述调制解调帧中的各有效比特中去。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，对所述复合调制解调帧的各比特进行格式化，以产生格式化的复合调制解调帧的各比特的步骤包括以下步骤：
将冗余帧开销数据插入到所述复合调制解调帧中去。
6.根据权利要求1所述的方法还包括以下步骤：
对所述各数字消息进行多路复用，并将多路复用的各数字消息插入到所述复合帧数据中去。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述调制解调帧包括固定数目的音频帧，所述各音频帧具有可变的长度。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，在已评估的比特数的范围内，对所述数字信息进行编码以产生编码数据的步骤包括以下步骤：
将数字信息的各比特安排到多个后备帧和一个强化音频帧中去。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，在所述各后备帧和所述强化音频帧中的数字信息的各比特被这样安排，以便进行后继的代码组合。
10.一种用于数字音频广播系统的发射机，包括：
用于接收表示音频信号的数字信息的装置；
用于评估在一个调制解调帧中待分配给所述数字信息的比特数的装置；
用于在已评估的比特数的范围内，对所述数字信息进行编码以产生编码数据的装置；
用于将对应于各数字消息的各比特加到所述已编码的信息中去，以形成一个复合调制解调帧的装置；
用于对所述复合调制解调帧的各比特进行格式化，以产生格式化的复合调制解调帧的各比特的装置；以及
用于发送格式化的复合调制解调帧的各比特的装置。
11.根据权利要求10所述的发射机，其中，用于评估在调制解调帧中待分配用于对所述数字信息进行编码的比特数的装置包括：
用于将所述数字信息存储到一个缓冲存储器之中的装置；以及
用于评估所述数字信息的熵的装置。
12.根据权利要求10所述的发射机还包括：
用于从所述编码数据中去除所选各比特的装置。
13.根据权利要求10所述的发射机，其中，用于将对应于各数字消息的各比特加到所述已编码的信息中去，以形成一个复合调制解调帧的装置包括：
用于划分多个所述数字消息的优先等级的装置；以及
用于选择具有最高优先等级的所述数字消息中的各比特，以便加到所述调制解调帧中的各有效比特中去的装置。
14.根据权利要求10所述的发射机，其中，用于对所述复合调制解调帧的各比特进行格式化，以产生格式化的复合调制解调帧的各比特的装置包括：
用于将冗余帧开销数据插入到所述复合调制解调帧中去的装置。
15.根据权利要求10所述的发射机，还包括：
用于对所述各数字消息进行多路复用，并将多路复用的各数字消息插入到所述复合帧数据中去的装置。
16.根据权利要求10所述的发射机，其中，所述调制解调帧包括固定数目的音频帧，所述各音频帧具有可变的长度。
17.根据权利要求13所述的发射机，其中，用于在已评估的比特数的范围内，对所述数字信息进行编码以产生编码数据的装置包括：
用于对所述数字信息的各后备帧进行安排，以便在所述复合调制解调帧的范围内进行传输的装置。
18.根据权利要求17所述的发射机，其中，在所述各后备帧和所述强化音频帧中的数字信息的各比特被这样安排，以便进行后继的代码组合。
19.一种用于发送数字音频广播信息的固定长度调制解调帧格式，包括：
预定数目的音频帧，所述各音频帧具有可变长度；
一个强化的音频/数据字段；以及
一个报头字段。
20.根据权利要求19所述的调制解调帧格式，其中，所述各音频帧中的每一个都包括：
一个核心音频帧；
一个循环冗余校验比特；
一个冗余报头字段；以及
各填充比特。
21.根据权利要求19所述的调制解调帧格式，其中，所述强化音频/数据字段包括：
多个强化音频帧；
一个循环冗余校验比特；
一个冗余报头字段；以及
各填充比特。
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