Signalverarbeitung mit einem DSP am Beispiel DRM Dekodierung

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1 Signalverarbeitung mit einem DSP am Beispiel DRM Dekodierung Franziska Kolbe, Alexander Pospiech 9. August Gliederung Inhaltsverzeichnis 1 Gliederung 1 2 Glossar 1 3 DRM und die Signalverarbeitungskette 2 4 Überblick Eingangssignal Demodulierung OFDM Equalization - Entzerrung Channel Decoding OFDM-Empfang Audio Super Frame Source Decoding MPEG4 AAC v2 (1) SBR (1) MPEG PS - Parametric Stereo (1) Ausgabe Fazit & Ausblick Quellen 8 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

2 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

3 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: Wikipedia, Deutsch: OFDM-Signal im Frequenzbereich Stefan Henze - GNU Free Documentation License: Vorlage:Bild- GFDL

4 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 Service- Kanälen. 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 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

5 Abbildung 1: Frequenzmaskierung 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 V3.1.1 ( )

6 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

7 Abbildung 4: PS Decoder menschliches Gehör hin zu höheren Frequenzen weniger anspruchsvoll Großteil des Frequenzgangs ( 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

8 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 V3.1.1 ( ) 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 :2006(E) International Organization for Standardization, 2006 [5] Information technology Coding of audio-visual objects Part 3: Audio. ISO/IEC :/Amd.1:1999(E) International Organization for Standardization, 1999 [6] Dream DRM Receiver. URL: [Stand: ]. [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: [Stand: ].