行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告
數位廣播之電腦軟體接收機(第 2 年) 研究成果報告(完整版)
計 畫 類 別 ： 個別型
計 畫 編 號 ： NSC 95-2221-E-216-037-MY2
執 行 期 間 ： 96 年 08 月 01 日至 97 年 07 月 31 日 執 行 單 位 ： 中華大學通訊工程學系
計 畫 主 持 人 ： 陳棟洲 共 同 主 持 人 ： 宋朝宗
計畫參與人員： 碩士班研究生-兼任助理人員：蔡協倫 碩士班研究生-兼任助理人員：康鼎暉 碩士班研究生-兼任助理人員：韓適堯
處 理 方 式 ： 本計畫涉及專利或其他智慧財產權，2 年後可公開查詢
中 華 民 國 97 年 10 月 30 日
行政院國家科學委員會補助專題研究計畫成果報告
數位廣播之電腦軟體接收機
計畫類別：■ 個別型計畫 □ 整合型計畫 計畫編號：NSC 95－2221－E－216－037－MY2 執行期間：95 年 8 月 1 日至 97 年 7 月 31 日
計畫主持人：陳棟洲 共同主持人：宋朝宗
計畫參與人員：韓適堯、蔡協倫、康鼎暉
成果報告類型(依經費核定清單規定繳交)：□精簡報告 ■完整報告
本成果報告包括以下應繳交之附件：
□赴國外出差或研習心得報告一份
□赴大陸地區出差或研習心得報告一份
□出席國際學術會議心得報告及發表之論文各一份
□國際合作研究計畫國外研究報告書一份
處理方式：除產學合作研究計畫、提升產業技術及人才培育研究計畫、
列管計畫及下列情形者外，得立即公開查詢
■涉及專利或其他智慧財產權，□一年■二年後可公開查詢
執行單位：中華大學通訊工程學系
中 華 民 國 97 年 10 月 28 日
行政院國家科學委員會補助專題研究計畫成果報告
數位廣播之電腦軟體接收機
計畫編號： NSC 95-2221-E-216-037-MY2 執行期間： 95年08月01日至97年07月31日 計畫主持人： 陳棟洲 中華大學通訊工程學系
摘要
基於軟體無線電技術的蓬勃發展，以及其特有之彈性、適應性、升級性、共通性，因 此備受學術界與產業界所矚目。目前大家所探討之軟體無線電所利用之可程式化硬體幾乎 都是指數位信號處理器、微處理器、或是可程式邏輯陣列晶片，而大家卻忽略了一個目前 大家最常使用、最容易使用、也最普及的可程式化硬體−電腦。我們可以善加利用大家身 邊的個人電腦，以個人電腦來開發適合應用之軟體無線電產品，而數位廣播便是一個非常 適合發展的應用。數位廣播在世界各地都即將取代傳統類比廣播而成為未來音訊廣播與電 視廣播之主流，目前台灣也都在積極實驗試播與開播中，在不久的將來，將可預見數位廣 播產業的蓬勃發展。目前市面上已有相關之數位廣播接收機產品，這些產品皆屬硬體定義 無線電接收機，價格也較昂貴。另一方面，目前也有很多人是使用電腦透過網路來收聽廣 播節目，但受限於網路的速度，所接收之音訊品質都很不理想。既然已有很多人透過網路 使用電腦來收聽廣播節目，可見將電腦來做為數位廣播接收機是非常可行且實用的。因此 本計畫將以軟體無線電系統架構的觀念，只要外加些許的硬體電路，包括接收天線、濾波 器、低雜訊放大器、A/D 轉換器，將無線電類比信號轉換成數位信號，再透過 USB 介面將 數位信號傳至電腦，之後便利用電腦超強之數位信號處理與計算能力，以電腦軟體程式設 計方式來處理後端之所有基頻信號，包括信號同步、OFDM 解調、子載波調變解對映、解 交錯、通道解碼、語音解壓縮等等，最後透過電腦之喇叭將音訊輸出，實現一個不一樣的
「軟體」無線電數位廣播接收系統。
關鍵詞：數位廣播、軟體無線電、電腦
目錄
摘要 I 目錄 II 圖目錄 III 表目錄 V 1. 前言 1 2. 數位音訊廣播技術 3
3. 數位音訊廣播系統架構 6
3.1 音訊編碼 6 3.2 能量分散 8 3.3 間空摺積編碼 9 3.4 時間交錯 16 3.5 區塊分割 17 3.6 QPSK 符元對應 19 3.7 頻率交錯 19 3.8 差別運算 21 3.9 正交多工訊號產生器 21
4. 數位音訊廣播之傳送框架架構 22
4.1 同步通道 23 4.2 快速資訊通道(FIC) 25
4.3 主要服務資訊通道(MSC) 33 5. 數位音訊廣播電腦軟體接收機之實現 35
5.1 數位音訊廣播基頻接收系統之數位信號處理平台 37
5.2 快速資訊通道解碼 41 5.3 主要服務通道解碼 52
6. 結論 55 參考文獻 56
圖目錄
圖2.1、DAB Frame 5
圖2.2、Block diagram of DAB transmitter 5
圖3.1、數位音訊廣播傳送系統架構 7
圖3.2、音訊訊框架構 8
圖3.3、二元亂數序列的電路圖 8
圖3.4、(4, 1, 6)摺積編碼架構圖 9
圖3.5、時間交錯示意圖 16
圖3.6、傳送信號產生方塊圖 18
圖3.7、快速資訊通道的區塊分割 18
圖3.8、主要服務通道的區塊分割 18
圖3.9、QPSK 符元對映的示意圖 19
圖3.10、星狀圖 19
圖3.11、補零成 2048 的示意 21
圖3.12、Guard interval 的示意圖 21
圖4.1、DAB Frame 22
圖4.2、快速資訊區塊架構圖 25
圖4.3、快速資訊群組型態 0 之架構 27
圖4.4、快速資訊群組型態 0 擴充 0 的架構 28
圖4.5、快速資訊群組型態 0 擴充 1 的架構 29
圖4.6、快速資訊群組型態 0 擴充 2 的架構圖 32
圖4.7、快速資訊群組型態 1 的架構圖 33
圖4.8、網路層封包模式的架構圖 34
圖5.1、Block diagram of DAB receiver 36
圖5.2、數位廣播電腦軟體接收機之系統架構 36
圖5.3、數位音訊廣播的解碼系統 37
圖5.4、數位音訊廣播傳送訊框 38
圖5.5、無用符元及相位參考符元 38
圖5.6、經過低通濾波器的頻譜 39
圖5.7、未經過頻率同步的星狀圖 40
圖5.8、經過頻率同步的星狀圖 40
圖5.9、經過差別運算後的星狀圖 41
圖5.10、音訊訊框的訊框頭欄位的架構 54
圖5.11、 DAB 節目頻寬速率與容量單元關係 54
表目錄
表2.1、數位廣播傳輸模式之 OFDM 參數 4
表3.1 廣播音訊框架資料串流率 6
表3.2、間空索引規則 11
表3.3、參數 I、L 與音訊編碼速率的關係 12
表 3.4 音訊服務元件保護對應表 13
表3.5、參數 I、L 與資料速率的關係(Set A) 15
表3.6、參數 I、L 與資料速率的關係(Set B) 15
表3.7、資料速度為 8n Kbit/s 的保護階層和副通道大小(Set A) 16 表3.8、資料速度為 32n Kbit/s 的保護階層和副通道大小(set B) 16
表3.9、時間交錯編碼規則 17
表3.10、頻率交錯的相關係數對應表 20
表4.1、四種傳輸模式之參數定義 23
表4.2、傳輸模式一中 Phase Reference Symbol 之 indices 間之關係 24
表4.3、快速資訊群組型態表 26
表4.4、使用短格式的副通道保護索引 30
表5.1、 FIG0/0 的實際解碼表 42
表5.1、 FIG0/0 的實際解碼表 44
表5.3、子通道大小 46
表5.4、FIG0/2 的實際解碼表 47
表5.5、 FIG1/1 的實際解碼表 48
表5.6、MSC 的實際解碼表 53
表5.7、位元率指引 54
1. 前言
在音訊廣播的技術發展中，1918 年超外差式接收機被發明，大幅改善了無線電廣播的 接收品質。1933 年，調頻 FM 理論的提出，使語音傳播的傳真度更邁前了一大步。自 1920 年第一個商業廣播電台KDKA 成立於匹茲堡以來，音訊廣播市場即被調幅(AM)和調頻(FM) 所佔有。但由於傳統類比音訊廣播有諸多無法滿足收聽者的需求，正如同其他通訊系統，
音訊廣播系統也將正式進入數位化時代。最初的數位音訊廣播所採用的系統為 NICAM (Near Instantaneously Companded Audio Multiplex)、DSR (Digital Satellite Radio) 或 ADR (Astra Digital Radio)，但並沒有辦法完全取代現有的傳統廣播系統，尤其是在行動接收能 力方面。至 1980 年德國廣播技術研究所著手研究數位音訊廣播(DAB)技術，並於 1985 年 於德國慕尼黑進行數位廣播實驗。於1986，歐洲國家之政府研究機構、廣播機構與民間企 業團體共同組成Eureka 聯盟，並開始制定 Eureka-147 數位音訊廣播規範，並於 1995 年 2 月，歐洲電信標準組織 (European Telecommunications Standard Institute，ETSI) 完成制訂「數 位音訊廣播系統標準」。除了歐洲各國之外，美國、日本、中國與韓國等也相繼跟進發展 數位音訊廣播系統，全球正式開啟了數位音訊廣播的潮流。數位化音訊廣播為單頻共享多 頻道之廣播系統，其不僅能傳送語音、音樂， 並可做圖片、影像及數據傳送服務。其播 送之音樂具有 CD 般的優美音質，利用單頻網路，在行動接收時，可一路聽到底，不需轉 換接收頻率，有無雜訊、無干擾以及數位化多媒體廣播之功能，將帶給人類在獲取資訊上 有莫大的方便，也將提昇人類生活之品質。
我國也於民國八十四年由經濟部委託工研院電通所執行「數位廣播系統技術」計畫，
八十七年由交通部電信總局擬定數位廣播推動草案，並且在八十八年由行政院新聞局召開
「草擬廣電法數位廣播電視相關條文」將數位廣播納入條文草案中。民國八十九年一月十 四日，交通部正式公告進行Eureka-147 數位音訊廣播試播實驗，我國正式進入數位廣播時 代。民國九十四年，交通部正式發出六張數位廣播 DAB 籌備執照，並在同年九月，IC 之 音與台灣大哥大、倚天資訊、台北之音攜手合作的台倚數位廣播（北區 10B 211.648MHz），
將成為全台灣第一家正式全天候試播的數位廣播電台，透過數位廣播收音機，北台灣的聽 眾已經可以收聽 CD 品質的 IC 之音與台北之音的各項節目。數位廣播在 1.536MHz 頻寬 內可輕易、靈活變換音訊節目數目，除了音訊服務，數位廣播也同時可提供數據服務。
基於軟體無線電技術的蓬勃發展，以及其特有之彈性、適應性、升級性、共通性，因 此備受學術界與產業界所矚目。目前大家所謂之軟體無線電系統是利用寬頻A/D 轉換器使
高頻類比信號如中頻（Intermediate Frequency；IF）或射頻（Radio Frequency；RF）變成 數位信號，後續的數位信號處理便可一般用途的數位信號處理器（DSP）、微處理器、或可 程式邏輯陣列晶片(FPGA)，藉執行軟體程式的方式來處理轉換後的數位信號[1-6]。軟體無 線電系統雖利用軟體可程式化之特性而具有較大之產品彈性(flexibility)，但這類產品還是 得藉助硬體(數位信號處理器、微處理器、或可程式邏輯陣列晶片)來實現。以目前之技術，
這些硬體之價格還是不便宜，且以消費者喜新厭舊之特性，雖然產品功能可升級而無損其 性能，但往往會因產品之外表造型而重新購買新產品，如此便損害了軟體無線電之基本利 基，也是造成軟體無線電商業化之一項阻礙。正因如此，我們有一個新想法，即目前大家 所探討之軟體無線電所利用之可程式化硬體幾乎都是指數位信號處理器（DSP）、微處理 器、或是可程式邏輯陣列晶片(FPGA)，而大家卻忽略了一個目前大家最常使用、最容易使 用、也最普及的可程式化硬體−電腦。我們可以善加利用大家身邊的個人電腦，以個人電 腦來開發適合應用之軟體無線電產品，而數位廣播便是一個非常適合發展的應用。數位廣 播在世界各地都即將取代傳統類比廣播而成為未來廣播之主流，在不久的將來，將可預見 數位廣播產業的蓬勃發展。目前市面上也有相關之數位廣播接收機產品，這些產品皆屬硬 體定義無線電，價格也較昂貴。另一方面，目前也有很多人是使用電腦透過網路來收聽音 訊廣播節目，但受限於網路的速度，所接收之音訊品質都很不理想。既然已有很多人透過 網路使用電腦來收聽音訊廣播節目，可見將電腦來作為數位廣播接收機是非常可行且實用 的。因此本計畫便以軟體無線電系統架構的觀念，只要外加些許的硬體電路，包括接收天 線、低雜訊放大器、A/D 轉換器，將無線電類比信號轉換成數位信號，再透過 USB 介面將 數位信號傳至電腦，之後便利用電腦超強之數位信號處理與計算能力，以電腦軟體程式設 計方式來處理後端之所有基頻信號，包括信號同步、OFDM 解調、子載波調變解對映、解 交錯、通道解碼、語音解壓縮等等，最後透過電腦之喇叭將音訊輸出，將節目呈現出來，
實現一個不一樣的「軟體」無線電數位廣播接收系統。如此將可大幅降低數位廣播接收機 之硬體價格，也可改善透過網路來收聽音訊廣播節目與收看電視節目的低品質，得到一高 品質、低價格之電腦應用。
2. 數位音訊廣播技術
數位音訊廣播系統是使用正交分頻多工(Orthogonal Frequency Division Multiplex;
OFDM)技術、成音壓縮技術及通道編碼技術來處理數位信號，以甚低的資料傳送速率傳輸 類似 CD 品質之成音信號。正交分頻多工技術是將相當數量之窄頻信號以正交排列分式組 成寬頻信號，各子載波(sub-carrier)窄頻信號彼此間不會相互干擾，可更有效率地使用頻 寬，且可對抗衰落通道以及避免符碼間干擾(Inter-Symbol Interference; ISI)的影響。成音信 號壓縮則使用MPEG (Moving Pictures Expert Group) 技術，以最少位元傳輸高品質成音信 號。通道編碼技術則是將成音信號及數據資料透過迴旋編碼與交錯技術，可將衰落通道所 造成之整束錯誤 (burst error)轉為隨機錯誤(random error)，再經由解碼器做錯誤更正，以提 高解碼器之解碼效能，克服接收機在行動中之接收不良現象，提供高品質之傳輸。
數位廣播運作基本需求是在移動接收時依然可獲得高品質之傳輸，但移動接收時常會 產生多路徑傳播，這是因電磁波會經由建築物、汽機車、樹木、高山等障礙物產生散射、
繞射及反射現象，使電波以不同路徑傳送到接收天線。由於多路徑傳送信號而產生一長串 回響 (echoes)，使接收機所接收之相鄰符碼產生符碼間干擾(ISI)，數位廣播(DAB)使用正 交分頻多工之多載波調變技術解決此項干擾。多載波調變簡單的理念是將高速率資料串劃 分成 K 個並聯之低速率資料串並且調變這些分開的副載波，這將增加符碼時間 Ts，可避免 符碼間干擾(ISI)的影響。另一方面較長的回響需較長的保護期間及較長的符碼時間 Ts，為 了保持系統靈活度，數位音訊廣播有四種傳送模式(TM)被定義，其參數如表 2.1 所示。傳 輸模式一(TM I)有較長的保護期間(約 250μs)，是為設計在較大涵蓋區域使用，因有較長的 回響，它適合在長回響下之單頻網路使用，典型兩台發射機距離60 公里，相對於 200μs，
傳送模式一可抗拒快速相位脈動，將使用在 VHF 區域內，我國之數位音訊廣播系統便使 用此傳輸模式。傳輸模式二(TM II)大部分處理固定地形位置，如山區等，這模式適合傳送 在L 頻道 1.5GHz 上。傳輸模式三(TM III)為衛星傳輸而設計，這個模組也可傳送在回響不 是太長之陸地上。傳輸模組四是介於模式一(TM I)與模式二(TM II)之間，使用在加拿大特 殊廣播位置情況。
表2.1、數位廣播傳輸模式之 OFDM 參數
參數 TM I TM II TM III TM IV
頻率上限(MHz) 375 1500 3000 750
載波數量 1536 384 192 768
載波頻率(kHz) 1 4 8 2
框架期間(ms) 96 24 24 48
框架符碼 76 76 153 76
無效符碼期間(μs) 1297 324 168 648
保護期間(μs) 246 62 31 123
全部符碼期間(μs) 1246 312 156 623 數位音訊廣播系統由三個介面所組成：服務傳送介面(Service Transport Interface;
STI)、整合性傳送介面(Ensemble Transport Interface; ETI)與數位廣播介面(Digital Audio Broadcasting; DAB)。服務傳送介面(STI)可視為服務提供者(service provider)，此介面提供 語音、文字、圖片甚至動畫等資訊相關信號。服務傳送介面(STI)於歐洲標準是 ETS 300 797 [7]，在 24ms 框架內之傳輸率為 2048Kb/s。整合性傳送介面(ETI)則視為整合信號提供者 (ensemble provider)，此介面將服務傳送介面(STI)的各項信號整合成 G703 或 G704 架構信 號，再由光纖、微波或衛星傳送給數位廣播發射站台。整合性傳送介面(ETI)於歐洲標準是 ETS 300 799 [8]，同樣在 24ms 框架內之傳輸率為 2048Kb/s 。當數位廣播發射站台接收到 ETI 信號，由數位廣播發射機經旋積編碼(convolutional encoding)、交錯(interleaving)、差 分正交相位移鍵(DQPSK)與正交分頻多工(OFDM)調變成數位廣播框架(DAB Frame)信 號，再做升頻與信號放大，最後經天線將節目信號輻射到數位廣播接收機上。數位廣播 (DAB)的歐洲標準則是 ETS 300 401 [9]。
數位廣播框架(DAB Frame)如圖 2.1 所示，其基本架構是由同步頻道(Synchronization Channel; SC)、快速資料頻道(Fast Information Channel; FIC)及主要服務頻道(Main Service Channel; MSC)等三部份所組成。同步頻道(SC)分空白符碼(Null Symbol)和參考符碼(TFPR) 兩部份。空白符碼主要作用是提供接收機辨認每個傳輸框的時間起點，參考符碼主要作用 是估計傳輸頻道的狀態和提供自動頻率控制及用來當差分解調器的參考起點。快速資料頻 道(FIC)主要作用是攜帶傳輸框的控制訊息，接收機端必須解讀出此頻道內資料，才能進一 步知道如何解出主要服務頻道內的語音資料及數據資料。主要服務頻道則是放置所有廣播 節目與服務之資料。主要服務頻道可分成數個副頻道(sub-channel)，每個副頻道有自己各
別的錯誤防護與時間交錯，所有副頻道構成共同交錯框架(Common Interleaved Frames;
CIF)。每一共通交錯框架(CIF)傳送時間為 24 ms，共含有 55296 位元。所有數位廣播節目 之位元傳輸率則為2304Kb/s。對於傳送之語音資料及數據資料，利用不同的錯誤更正碼之 碼率來提供不同等級之錯誤防護。主要服務頻道將所有副頻道構成共同交錯框架(CIF)之 後，加入快速資料頻道(Fast Information Channel; FIC)。輸出之位元串再做 DQPSK mapping 與頻域交錯(frequency interleaving)後，再加上 Null symbol 與 TFPR symbol 後並做 OFDM 調變以完成DAB 訊框，最後經由 RF 電路將訊號送出。傳送端之架構如圖 2.2 所示。
圖2.1、DAB Frame [9]
圖2.2、Block diagram of DAB transmitter
3. 數位音訊廣播系統架構
數位音訊廣播傳送系統架構如圖 3.1 所示[9]。傳送的音訊或資料會經過能量分散 (Energy dispersal)、間空摺積碼(Punctured convolution coding)、時間交錯(Time interleaving)、
QPSK 符元對應(QPSK symbol mapping)、頻率交錯(Frequency interleaving)和差別運算 (Differential modulation)等步驟後，再進入正交多工訊號產生器(OFDM Signal generator )，
就變成是數位音訊廣播的傳送訊框。
3.1 音訊編碼
數位音訊廣播的音訊節目資料是以 MPEG-1/2 Layer ІІ 的技術為基礎編碼而成。
MPEG-1/2 Layer ІІ 的編碼技術，主要運用人類聽覺心理學，將聲音頻譜平均畫分成 32 個 子頻帶，聽覺較敏感的子頻帶使用較多位元的量化，聽覺較不敏感的子頻帶使用較少位元 的量化，壓縮的失真，人耳幾乎無法察覺。MPEG-1/2 Layer ІІ 以 48KHz (MPEG-1)或 24KHz (MPEG-2)的取樣頻率，依聲音品質的需求將取樣之聲音訊號編碼為資料速率為 8 ~ 384 Kbps 之 MPEG 邏輯訊框(logic frame)。一般來說，高品質的立體聲訊號會選舉使用高於 128 Kbps 之編碼位元率，一般說話聲音則使用低於 96 Kbps 之編碼位元率。音訊編碼是將 32 samples 轉換至 32 子頻帶，以 384 samples 為一組，再將 3 組封裝成一個訊框，然後把 1152 個PCM 訊號 (3 組 384 samples)的 audio frame 編成一個 MPEG-1 或兩個 MPEG-2 的 24ms 的邏輯訊框(logic frame)。數位廣播音訊框架資料串流率，如表 3.1 所示。
表3.1 廣播音訊框架資料串流率
Sampling frequency 48 KHz 24 KHz 位元率指引 Audio bit rate (Kbit/s) Audio bit rate (Kbit/s)
0001 32 8
0010 48 16
0011 56 24
0100 64 32
0101 80 40
0110 96 48
0111 112 56
1000 128 64
1001 160 80
1010 192 96
1011 224 112
1100 256 128
1101 320 144
1110 384 160
圖3.1、數位音訊廣播傳送系統架構 [9]
音訊編碼後之音訊訊框架構如圖3.2，最前面是 32 個位元的訊框頭欄位，會記載後面 是否有 16 個位元的錯誤偵測碼欄位，再來的位元分配欄位中每一個副頻帶用 4 個位元表 示，然而如果位元分配欄位為零，則表示後面的縮放倍率和副頻帶取樣點就不存在，而剩 下的資料就會被算在附屬資料欄位中。
圖3.2、音訊訊框架構
3.2 能量分散(Energy dispersal)
能量分散是為了避免資料的能量太過集中，如果沒有執行能量分散，資料在經過快速 傅利葉運算後，會造成部分時間的數值很大，其他時間的數值很小。這樣對發射和接收端 都不好，所以會使用能量分散，使得資料接近亂數，讓能量平均分佈。能量分散的執行方 法就是把輸入的資料與二元亂數序列(Pseudo-random binary sequence，PRBS)作互斥或 (XOR)，讓輸出資料接近隨機亂數。以模式一來說，快速資訊通道(FIC)的資料每 768 位元 會執行一次能量分散，而主要服務通道(MSC)則是每一個邏輯訊框(Logic frame)的資料執行 一次。
解碼的時候就是把接收到的資料，再跟二元亂數序列再作一次互斥或，就會得到原來 的資料。二元亂數序列的生成多項式為
9 5
( ) 1
P x =x +x +
二元亂數序列的電路架構如圖3.3 所示，其暫存器的初始值為 1。
圖3.3、二元亂數序列的電路圖
3.3 間空摺積編碼 (Punctured convolutional coding)
數位音訊廣播的通道編碼提供了對等保護(EEP)和不對等保護(UEP)兩種保護方法，快 速資訊通道和資料主要是使用對等保護，而音訊節目則使用不對等保護。數位音訊廣播的 通道編碼是採用間空摺積碼，以碼率為1/4、constraint length 為 7 的(4, 1, 6)摺積碼為母碼 (mother code)，其產生多項式如下：
0, 2 3 5 6
1, 1 2 3 6
2, 1 4 6
3, 2 3 5 6
;
;
;
;
i i i i i i
i i i i i i
i i i i i
i i i i i i
x a a a a a
x a a a a a
x a a a a
x a a a a a
− − − −
− − − −
− − −
− − − −
= ⊕ ⊕ ⊕ ⊕
= ⊕ ⊕ ⊕ ⊕
= ⊕ ⊕ ⊕
= ⊕ ⊕ ⊕ ⊕
其編碼架構如圖3.4。其中的暫存器初始值為零，當進入摺積編碼之前，每一段未編碼資 料的最後要額外加六個位元的0，因為每一段資料連續傳送進來，暫存器就會被前一段資 料所改變，然而最後的六個0，就可以使得暫存器歸零。
圖3.4、(4, 1, 6)摺積編碼架構圖
數位音訊廣播採用間空摺積碼，因此經母碼編碼後之資料會再按照多工組態的定義刪 除部分資料，此程序即為間空(puncture)。不同的 puncturing pattern 將產生不同碼率的編碼，
提供資料不同的保護等級。數位音訊廣播系統提供 24 種不同的保護等級，其 puncturing vector 如表 3.2 所示。每一個保護階層以 32 個數值為單位，數值 1 表示保留，數值 0 則反 之，得到之碼率為 8/(8 + PI)，所以 PI 越高則保護層級越高。經母碼編碼後之資料以 128 個位元為一區塊(block)，每一區塊再以 32 個位元為一子區塊(sub-block)，每一子區塊再依 表3.2 之 puncturing vector 進行間空。每一個區塊完成間空程序後將產生 4(8 + PI)個位元資 料。每一段經母碼編碼後之資料的最後 24 個位元(每一段未編碼資料的最後所額外加入的 六個位元0 經母碼編碼後所產生之最後 24 個位元)則固定使用 puncturing vector VT = (1100 1100 1100 1100 1100 1100)進行間空得到最後 12 個位元(稱之為 tail bits)。所有完成間空程
序之區塊再加上 12 個位元的 tail bits 便形成一 punctured codeword。有些時候還會在 punctured codeword 的 tail bits 之後再加入 padding bits “0”，以確保編碼完成後之資料位元 數為64 的倍數(1 CU = 64 bits)。
在模式一中，快速資訊通道有固定的間空規則，快速資訊通道是以三個快速資訊區塊 (FIBs)為一個編碼單位(共 768 位元)，768 位元的快速資訊通道資料最後加上六個 0，經過 摺積編碼後變成 3096 位元。然後在把資料分為 3072 位元和 24 位元兩個部分，第一部分 以128 位元為單位(稱區塊 block)，每 128 個位元再分成 4 個子區塊(sub-block)，每個子區 塊有32 位元，最前面 21 個子區塊是用 PI=16 進行間空，剩下 3 個子區塊則使用 PI=15 進 行間空。第二部分的24 位元 tail bits 則使用 puncturing vector VT = (1100 1100 1100 1100 1100 1100)來進行間空。三個快速資訊區塊經過穿刺摺積編碼後有 2304 位元。在模式一中，
快速資訊通道包含12 個快速資訊區塊(9216 位元)，快速資訊通道經過穿刺摺積編碼後形成 三個正交多工符元(OFDM symbol)的資料。
主要服務通道使用兩種保護方式，不對等保護(UEP)和對等保護(EEP)。UEP 對音訊資 訊特別有用，在一個 24ms 之框架內分成 4 個群組：群組 1 構成框架頭端、同步資訊、位 元分配及選擇尺度因素，在這部份若有一個位元錯誤將導致全框架失真，所以必須使用較 穩定之低碼率編碼；群組2 包含一個六位元尺度因素，尺度因素高位元部份如發生錯誤將 導致數位廣播信號突然衰落或放大，這些錯誤會產生惱人的聲音，但能隱藏到某些成音位 準內；群組三包含編碼位元，這些資料位元代表 32 個副頻道之取樣大小，群組三位元錯 誤最不敏感；群組四包含節目相關資料及循環重複檢查碼(Cyclic Redundancy Check，
CRC)，此群組與群組二有較相近的保護。每一段的迴旋碼可分為數個連續的 128bits 區塊，
每個區塊又可分成4 個 32bits 的子區塊，間空程序(puncturing procedure)就是以每一段子區 塊來完成。每個等份經由間空向量表進行間空程序。經過音訊編碼以及 energy dispersal scrambler 後的每一個 24ms 邏輯訊框共含有 I 個位元。再經由(4, 1, 6)摺積編碼後產生 4I 個 位元的資料，每 128 個位元為一個區塊，共分為 L 個區塊來進行間空程序。I 與 L 會因不 同的音訊編碼速率而不同，如表3.3。以 24ms 邏輯訊框時間共 L 個區塊再依不同的音訊編 碼速率區分成四個群組，各有 L1、L2、L3、L4個區塊，分別使用 PI1、PI2、PI3、PI4保護 等級進行 puncture。最後再加入 12 個 tail bits 形成 codeword。有些 codeword 還需要加入 padding bits 以確保最後的資料位元數是 64 的倍數，以完成完整的編碼程序。整個音訊服 務元件的protection profiles 如表 3.4。
表3.2、間空索引規則
VPI = (vPI,0, vPI,1, …, vPI,31) PI=1 :
code rate : 8/9 1100 1000 1000 1000 1000 1000 1000 1000 PI=2 :
code rate : 8/10 1100 1000 1000 1000 1100 1000 1000 1000 PI=3 :
code rate : 8/11 1100 1000 1100 1000 1100 1000 1000 1000 PI=4 :
code rate : 8/12 1100 1000 1100 1000 1100 1000 1100 1000 PI=5 :
code rate : 8/13 1100 1100 1100 1000 1100 1000 1100 1000 PI=6 :
code rate : 8/14 1100 1100 1100 1000 1100 1100 1100 1000 PI=7 :
code rate : 8/15 1100 1000 1000 1000 1100 1000 1000 1000 PI=8 :
code rate : 8/16 1100 1100 1100 1100 1100 1100 1100 1100 PI=9 :
code rate : 8/17 1110 1100 1100 1100 1100 1100 1100 1100 PI=10 :
code rate : 8/18 1110 1100 1100 1100 1110 1100 1100 1100 PI=11 :
code rate : 8/19 1110 1100 1110 1100 1110 1100 1100 1100 PI=12 :
code rate : 8/20 1110 1100 1110 1100 1110 1100 1110 1100 PI=13 :
code rate : 8/21 1110 1110 1110 1100 1110 1100 1110 1100 PI=14 :
code rate : 8/22 1110 1110 1110 1100 1110 1110 1110 1100 PI=15:
code rate : 823 1110 1110 1110 1110 1110 1110 1110 1100 PI=16 :
code rate : 8/24 1110 1110 1110 1110 1110 1110 1110 1110 PI=17 :
code rate : 8/25 1111 1110 1110 1110 1110 1110 1110 1110 I=18 :
code rate : 8/26 1111 1110 1110 1110 1111 1110 1110 1110 PI=19 :
code rate : 8/27 1111 1110 1111 1110 1111 1110 1110 1110 PI=20 :
code rate : 8/28 1111 1110 1111 1110 1111 1110 1111 1110 PI=21 :
code rate : 8/29 1111 1111 1111 1110 1111 1110 1111 1110 PI=22 :
code rate : 8/30 1111 1111 1111 1110 1111 1111 1111 1110 PI=23 :
code rate : 8/31 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1110 PI=24:
rate : 8/32 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111
表3.3、參數 I、L 與音訊編碼速率的關係
表 3.4 音訊服務元件保護對應表
Audio bit rate
(Kbit/s) p L1 L2 L3 L4 PI1 PI2 PI3 PI4 number of padding bits 32 5 3 4 17 0 5 3 2 - 0 32 4 3 3 18 0 11 6 5 - 0 32 3 3 4 14 3 15 9 6 8 0 32 2 3 4 14 3 22 13 8 13 0 32 1 3 5 13 3 24 17 12 17 4 48 5 4 3 26 3 5 4 2 3 0 48 4 3 4 26 3 9 6 4 6 0 48 3 3 4 26 3 15 10 6 9 4 48 2 3 4 26 3 24 14 8 15 0 48 1 3 5 25 3 24 18 13 18 0 56 5 6 10 23 3 5 4 2 3 0 56 4 6 10 23 3 9 6 4 5 0 56 3 6 12 21 3 16 7 6 9 0 56 2 6 10 23 3 23 13 8 13 8 64 5 6 9 31 2 5 3 2 3 0 64 4 6 9 33 0 11 6 5 - 0 64 3 6 12 27 3 16 8 6 9 0 64 2 6 10 29 3 23 13 8 13 8 64 1 6 11 28 3 24 18 12 18 4 80 5 6 10 41 3 6 3 2 3 0 80 4 6 10 41 3 11 6 5 6 0 80 3 6 11 40 3 16 8 6 7 0 80 2 6 10 41 3 23 13 8 13 8 80 1 6 10 41 3 24 17 12 18 4 96 5 7 9 53 3 5 4 2 4 0 96 4 7 10 52 3 9 6 4 6 0 96 3 6 12 51 3 16 9 6 10 4 96 2 6 10 53 3 22 12 9 12 0 96 1 6 13 50 3 24 18 13 19 0 112 5 14 17 50 3 5 4 2 5 0 112 4 11 21 49 3 9 6 4 8 0 112 3 11 23 47 3 16 8 6 9 0 112 2 11 21 49 3 23 12 9 14 4
表 3.4 音訊服務元件保護對應表(續)
Audio bit rate
(kbit/s) p L1 L2 L3 L4 PI1 PI2 PI3 PI4 number of padding bits 128 5 12 19 62 3 5 3 2 4 0 128 4 11 21 61 3 11 6 5 7 0 128 3 11 22 60 3 16 9 6 10 4 128 2 11 21 61 3 22 12 9 14 0 128 1 11 20 62 3 24 17 16 19 8 160 5 11 19 87 3 5 4 2 4 0 160 4 11 23 83 3 11 6 5 9 0 160 3 11 24 82 3 16 8 6 11 0 160 2 11 21 85 3 22 11 9 13 0 160 1 11 22 84 3 24 18 12 19 0 192 5 11 20 110 3 5 4 2 5 0 192 4 11 22 108 3 10 6 4 9 0 192 3 11 24 106 3 16 10 6 11 0 192 2 11 20 110 3 22 11 9 13 8 192 1 11 21 109 3 24 20 13 24 0 224 5 12 22 131 3 8 6 2 6 4 224 4 12 26 127 3 12 8 4 11 0 224 3 11 20 134 3 16 10 7 9 0 224 2 11 22 132 3 24 16 10 15 0 224 1 11 24 130 3 24 20 12 20 4 256 5 11 24 154 3 6 5 2 5 0 256 4 11 24 154 3 12 9 5 10 4 256 3 11 27 151 3 16 10 7 10 0 256 2 11 22 156 3 24 14 10 13 8 256 1 11 26 152 3 24 19 14 18 4 320 5 11 26 200 3 8 5 2 6 4 320 4 11 25 201 3 13 9 8 10 8 320 2 11 26 200 3 24 17 9 17 0 384 5 11 27 247 3 8 6 2 7 0 384 3 11 24 250 3 16 9 7 10 4 384 1 12 28 245 3 24 20 14 23 8
若以音訊編碼速率為192 Kbit/s、保護等級是 3 為例子，一個 24ms 邏輯訊框時間共有
I = 192Kbps × 24ms = 4608 bis。再經由(4, 1, 6)摺積編碼後產生 4I = 18432 個位元的資料，
每128 個位元為一個區塊，共分為 L = 144 個區塊，再將其分成 L1
= 11、L
2=24、L
3= 106、
L
4= 3 四個群組，分別依 PI
1= 16、PI
2= 10、PI
3= 6、PI
4= 11 的保護等級進行 puncture。
四個群組各別編碼後得到 L1 × 4(8 + PI1) = 1056、L2 × 4(8 + PI2) = 1728、L3 × 4(8 + PI3) = 5936、L4 × 4(8 + PI4) = 228。最後再加入 12 個位元的 tail bits，形成共 8960 個位元的 codeword。由於 8960 個位元等於 140 CUs，因此便不需要在加入 padding bits 便完成整個 編碼程序。
對等保護(EEP)主要用於數據資料之中，依據資料速率可以分為 8n Kbps (Set A)和 32n Kbps (Set B)這兩種。一樣是以一個 24ms 邏輯訊框為單位共含有 I 個位元。再經由(4, 1, 6) 摺積編碼後產生4I 個位元的資料，每 128 個位元為一個區塊，共有 L 個區塊，再區分成兩 個群組，各有 L1、L2個區塊，分別使用 PI1、PI2保護等級進行 puncture。最後再加入 12 個tail bits 形成 codeword。Set A 與 Set B 在不同資料速率下參數 I 與 L 分別如表 3.5 與表 3.6 所示，protection profiles 則分別如表 3.7 與表 3.8 所示。
表3.5、參數 I、L 與資料速率的關係(Set A)
表3.6、參數 I、L 與資料速率的關係(Set B)
表3.7、資料速度為 8n Kbit/s 的保護階層和副通道大小(Set A)
Data bit rate (kbit/s)
保護切換
欄位 p L1 L2 PI1 PI2 Convolution Coding rate
Sub-channel size(CUs)
8n 11 4-A 4n-3
2n+3 3 2 3/4 4n 8n 10 3-A 6n-3
3 8 7 1/2 6n 8n (n>1) 8 01 2-A
5 2n-3 1 4n+3
13 12
14 13 3/8 8n 8n 00 1-A 6n-3
3 24 23 1/4 12n
表3.8、資料速度為 32n Kbit/s 的保護階層和副通道大小(set B)
Data bit rate (kbit/s)
保護切換
欄位 p L1 L2 PI1 PI2 Convolution Coding rate
Sub-channel size(CUs)
32n 11 4-B 24n-3
3 2 1 4/5 15n 32n 10 3-B 24n-3
3 4 3 4/6 18n 32n 01 2-B 24n-3
3 6 5 4/7 21n 32n 00 1-B 24n-3
3 10 9 4/9 27n
3.4 時間交錯 (Time interleaving)
當訊號強度在一段時間內快速衰弱，這一段訊號的解碼就會幾乎完全錯誤，時間交錯 的原意就是希望時間上的連續錯誤能分攤到不同的音訊訊框，作法是將1 個音訊訊框平分 到 16 個連續的時間交錯訊框，如圖 3.5 所示。所以解碼端要連續收到 16 個時間交錯訊框 才能解出一個音訊訊框。
圖3.5、時間交錯示意圖
接下來我們解說時間交錯的作法，假設經過間空摺積編碼後的訊框為
,0 ,1 , , 1
( , ,..., ,.... )
r r
r r r r i r M
B = b b b b −
,r
br i 為訊框中的一個位元，r 代表訊框的時間，經過時間交錯後的訊框為
,0 ,1 , , 1
( , ,..., ,.... )
r r
r r r r i r M
C = c c c c −
,r
Cr i 為經過時間交錯後的訊框裡面一個位元，依下式可得到 ,
r ir
C ，其中的參數如表3.9 所示。
⎩⎨
⎧ ≤ −
= 0 if not 1
,' if
,
r r i r i r
M i
C b
rr
表3.9、時間交錯編碼規則 R(ir/16)
r’(r,i
r)0
r
1
r – 8
2
r – 4
3
r – 12
4
r – 2
5
r – 10
6
r – 6
7
r – 14
8
r – 1
9
r – 9
10
r – 5
11
r – 13
12
r – 3
13
r – 11
14
r – 7
15
r – 15
3.5 區塊分割 (Block partitoner)
在執行完能量分散、穿刺摺積編碼、時間交錯後，把資訊快速通道和共同交錯訊框整 合在一起，就是一個新階段的開始。再經過區塊分割、QPSK 符元對應、頻率交錯、差別 運算後，把資料加上相位參考符元(phase reference symbol)和無用符元(null symbol)結合成 一個數位音訊廣播的傳送訊框，如圖3.6。
圖3.6、傳送信號產生方塊圖
區塊分割就是把資訊快速通道和共同交錯訊框整合在一起的資料，區塊分割成正交分 頻多工符元的大小(3072 位元)。快速資訊通道是將 4 段 2304 位元的資料，切割成 3 個正交 多工符元，並且給予編號，如圖3.7 所示。再將 4 段共同交錯訊框(55296 位元) ，切割成 72 個正交多工符元，並且給予編號，如圖 3.8。
圖3.7、快速資訊通道的區塊分割
圖3.8、主要服務通道的區塊分割
3.6 QPSK 符元對應 (QPSK symbol mapping)
區塊分割後資料大小為每一OFDM symbol 含有 3072 個位元，區塊分割後之資料位元 記為 pl n, ，其中l表示正交多工符元的編號、n為資料位元編號。每一OFDM symbol 中 3072 個位元被mapping 成 1536 個 QPSK symbol:
, , ,
1 [(1 2 ) (1 2 )] 0,1, 2,...., 1.
l n 2 l n l n K
q = − p + j − p + for n= K−
其中，K = 1536。QPSK mapping 的示意圖與星狀圖分別如圖 3.9 與圖 3.10 所示。
圖3.9、QPSK 符元對映的示意圖
圖3.10、星狀圖
3.7 頻率交錯 (Frequency interleaving)
頻率交錯是把將相鄰的QPSK symbol，用頻譜不相鄰的子載波來傳送，使得錯誤可以 分散開來。頻率交錯在方法上跟時間交錯並不相同，差別在於頻率交錯的作用，是在單一 的訊框ql n, 上交錯。當 pl,n (3072 個位元)經過 QPSK 符元對應後變成 ql,n (1536 個符元)，再 經過頻率交錯的重新排列得到 yl,k，其中-K/2 ≦ k < 0 and 0 < k ≦ K/2。
令一排列為
2047 ,..., 2 , 1 for 0 (0) and 2048) (mod 511 ) 1 ( 13 )
( = Π − + Π = =
Π
i i i
產生集合 A：
{ (0), (1), (2),..., (2047)}
A= ∏ ∏ ∏ ∏
將集合 A 中數值小於 256 以及大於 1792 和 0 移除，使得剩下來數值的個數等於ql n, 的個數 (1536 個位元)，然後產生新的集合 D：
0 1 2 1535
{ , , ,..., } D= d d d d
為了把集合 D 的數值限定在-768~768，然後算出數值k就是頻率交錯的次序：
{ 768, 767, 767,...,768}\{0}
k ∈ − − −
n 1024 k=d −
頻率交錯之前後次序排列關係如表3.10。
表3.10、頻率交錯的相關係數對應表
i Π ( ) i
dn (QPSK 符元次序)n (頻率交錯次序)k 0 01 511 511 0 -513
2 1010 1010 1 -14
3 1353 1353 2 329
4 1716 1716 3 692
5 291 291 4 -733
6 198
7 1037 1037 5 13
8 1704 1704 6 680
9 135 10 218
11 1297 1297 7 273
12 988 988 8 -36
13 1067 1067 9 43
14 46
15 1109 1109 10 85
13 592 592 11 -432
17 15
18 706 706 12 -318
. . .
. . .
. . .
. . .
. . .
2044 1676 1676 1533 652 2045 1819
2046 1630 1630 1534 606 2047 1221 1221 1535 197
3.8 差別運算(Differential modulation)
作過QPSK 符元對應後的資料，經過頻率交錯後，再來就是差別運算，至於作差別運 算的原因是為了減低接收端的複雜度。一般來說QPSK 符元要做相位同步，但經過差別運 算後符元跟符元的位置是相對而不是絕對，所以就可以不必作相位同步的部分，差別運算 的方法如下:
2 2
and ,..., 4 , 3 , 2 for
,
, 1 ,
k K L K
l y
z
z
lk = i− k⋅ lk = − ≤ ≤其中，l是正交多工符元的編號，k子載波的索引，yl k, 是頻率交錯後的符元，zl k, 是經過差 別運算後的符元，z1,k是相位參考符元，所以第一次運算就是l=1相位參考符元跟l=2的正 交多工符元作差別運算。
3.9 正交多工訊號產生器 (OFDM Signal generator )
QPSK 的訊號有用符元只有 1536 位元，再進入 IFFT 之前要先補零成 2048 位元，如圖 3.11。然後再把最後的 504 位元複製到最前面當作保護區(Guard interval) ，來抵抗符元間 的干擾(Inter Symbol Interference，ISI )，如圖 3.12。
圖3.11、補零成 2048 的示意
圖3.12、Guard interval 的示意圖
4. 數位音訊廣播之傳送框架架構
數位廣播框架(DAB Frame)如圖 4.1 所示，其基本架構是由同步頻道(Synchronization Channel; SC)、快速資料頻道(Fast Information Channel; FIC)及主要服務頻道(Main Service Channel; MSC)等三部份所組成。同步頻道(SC)分空白符碼(Null Symbol)和參考符碼(TFPR) 兩部份。空白符碼主要作用是提供接收機辨認每個傳輸框的時間起點，參考符碼主要作用 是估計傳輸頻道的狀態和提供自動頻率控制及用來當差分解調器的參考起點。快速資料頻 道(FIC)主要作用是攜帶傳輸框的控制訊息，接收機端必須解讀出此頻道內資料，才能進一 步知道如何解出主要服務頻道內的語音資料及數據資料。主要服務頻道則是放置所有廣播 節目與服務之資料。主要服務頻道可分成數個副頻道(sub-channel)，每個副頻道有自己各 別的錯誤防護與時間交錯，所有副頻道構成共同交錯框架(Common Interleaved Frames;
CIF)。每一共通交錯框架(CIF)傳送時間為 24 ms，共含有 55296 位元。所有數位廣播節目 之位元傳輸率則為2304Kb/s。對於傳送之語音資料及數據資料，利用不同的錯誤更正碼之 碼率來提供不同等級之錯誤防護。主要服務頻道將所有副頻道構成共同交錯框架(CIF)之 後，加入快速資料頻道(Fast Information Channel; FIC)。輸出之位元串再做 DQPSK mapping 與頻域交錯(frequency interleaving)後，再加上 Null symbol 與 TFPR symbol 後並做 OFDM 調變以完成DAB 訊框。每一個傳輸訊框包含連續的 OFDM 符元，OFDM 符元的個數則因 不同的傳輸模式而有所不同，相關參數則如表4.1 所示。
圖4.1、DAB Frame [9]
表4.1、四種傳輸模式之參數定義[9]
4.1 同步通道 (Synchronization Channel)
同步通道是由無用符元和相位參考符元所構成，主要就是利用這兩個符元的特性在做 接收訊號的同步。
傳輸訊框的第一個OFDM 符元是 null symbol。Null symbol 在模式一中，包含 2656 個 位元，比一般的正交多工符元(OFDM)長度來的大，基本上 null symbol 不傳送資料，最多 只會攜帶電台識別資訊(TII)，所以能量接近零。在做同步的時候是將利用能量低和符元長 度較大的特性來確定傳送訊框的起始點。
傳輸訊框的第一個OFDM 符元相位參考符元。相位參考符元的大小為一個標準的正交 多工符元，做為下一個OFDM 符元做 differential modulation 的相位參考。相位參考符元被 定義為
其中 k 為正交多工的副載波的編號，i、 k’、和 n 的數值，可由表 4.2 得到。
表4.2、傳輸模式一中 Phase Reference Symbol 之 indices 間之關係
k 的範圍
min max
k’ i
n -768 -737 -768 0 1 -736 -705 -736 1 2 -704 -673 -704 2 0 -672 -641 -672 3 1 -640 -609 -640 0 3 -608 -577 -608 1 2 -576 -545 -576 2 2 -544 -513 -544 3 3 -512 -481 -512 0 2 -480 -449 -480 1 1 -448 -417 -448 2 2 -416 -385 -416 3 3 -384 -353 -384 0 1 -352 -321 -352 1 2 -320 -289 -320 2 3 -288 -257 -288 3 3 -256 -225 -256 0 2 -224 -193 -224 1 2 -192 -161 -192 2 2 -160 -129 -160 3 1 -128 -97 -128 0 1-96 -65 -96 1 3 -64 -33 -64 2 1 -32 -1 -32 3 2
1 32 1 0 3 33 64 33 3 1 65 96 65 2 1 97 128 97 1 1 129 160 129 0 2 161 192 161 3 2 193 224 193 2 1 225 256 225 1 0 257 288 257 0 2 289 320 289 3 2 321 352 321 2 3 353 384 353 1 3 385 416 385 0 0 417 448 417 3 2 449 480 449 2 1 481 512 481 1 3 513 544 513 0 3 545 576 545 3 3 577 608 577 2 3 609 640 609 1 0 641 672 641 0 3 673 704 673 3 0 705 736 705 2 1 737 768 737 1 1
4.2 快速資訊通道(FIC)
快速資訊通道是由快速資訊區塊(FIBs)所構成，每一個快速資訊區塊(FIBs)包含數個不 等的快速資訊群組(FIG)，而快速資訊區塊的大小固定是 256 個位元，如 4.2 圖所示。快速 資訊區塊的最前面 240 個位元屬於資料的部分，最後 16 個位元是循環冗餘檢查碼(Cyclic Redundancy Check，CRC) ，會根據前面 240 個位元的資料計算得到循環冗餘檢查碼 (CRC)，其產生多項式為:
G(x)=x
16 + x12 + x5 + 1快速資訊區塊的資料欄位，由有用的資料欄位(Useful data field)、結束標記(End marker)和 補丁(Padding) 所組成。有用的資料欄位(Useful data field)是由一個或多個快速資訊群組 (FIG)資組成，最多有 30 個位元組(byte)的資料。結束標記(End marker)是由八個位元的 1 所組成，當有用的資料欄位包含 30 個位元組，則結束標記就不會存在，如果有用的資料 欄位小於等於29 個位元組，則結束標記就會出現。補丁(Padding)是當有用的資料欄位和結 束標記相加不足 30 個位元組，補丁就會以位元組的整數倍數，把快速資訊區塊的資料欄 位補到30 個位元組。
圖4.2、快速資訊區塊架構圖
4.2.1 快速資訊群組(FIG)
快速資訊區塊中包含數個快速資訊群組(FIG)，快速資訊群組攜帶多工組態資訊 (MCI)、服務資訊、文字標籤、快速資訊資料通道(FIDC)以及條件存取(Conditional Access) 等資訊。如表 4.3 的定義，不同的快速資訊群組型態分別定義攜帶不同的資訊。如圖 4.2 所示，一個快速資訊群組(FIG)以快速資訊群組型態、資料長度和快速資訊群組資料欄位三 個區塊所組成。最前面3 個位元是表示快速資訊群組型態，最多可以表示八種型態，再來 資料長度的5 個位元則是記錄快速資訊群組資料欄位有多少資料量，最後的資訊群組資料 欄位的大小就是根據資料長度的定義。
表4.3、快速資訊群組型態表
FIG type number FIG type FIG application 0 000 MCI and part of SI 1 001 Labels, etc (part of the SI) 2 010 Labels, etc (part of the SI)
3 011 Reserved
4 100 Reserved
5 101 FIC Data Channel (FIDC)
6 110 Conditional Access (CA) 7 111 Reserved (except for Length 31 )
4.2.2 多工組態(MCI)
多工組態定義電波頻道中共同交錯框架的副頻道的位置、大小及錯誤保護，還有電波 頻道裡面的有哪些服務項目，並且建立服務元件之間的連結，或是服務元件和副頻道及快 速資訊資料之間的連結。當電波頻道的狀態需要重新調整，也可以使用多工重組態，來改 變目前的多工組態。
多工組態(MCI)包含在快速資訊群組型態 0 (FIG type 0)的裡面，而快速資訊群組型態 0 的架構如圖4.3 所示。最前面 3 個位元由表 4.3 可知是快速資訊群組型態 0，接著 5 個位元 是記錄快速資訊群組資料欄位有多少資料量。後面快速資料群組的資料欄位內容，最前面 的 8 個位元是快速資訊群組型態 0 的固定欄位。其中，目前/ 下次多工組態欄位 (Current/Next，C/N)表示多工組態是否改變，0 表示沒有，1 則反之。然後目前/其他電波頻 道欄位(Other Ensemble，OE)表示是否使用目前的電波頻道，0 表示沒有，1 則反之。再來
節目/資料欄位(Program/Data，P/D)表示資料代表服務識別碼是用 16 位元的音訊節目或是 32 位元的數據資料，0 表示 16 位元，1 則反之。再來擴充型態欄位(Extension)代表是哪一 種擴充型態，由於快速資訊群組型態只有8 種型態，並不足夠使用，所以增加擴充型態欄 位，5 個位元最多可提供 32 種類型，但這麼多種類並不會全部介紹，我們只會探討我們後 面解碼所會使用到的擴充型態。
圖4.3、快速資訊群組型態 0 之架構
快速資訊群組型態0 擴充攜帶的是電波頻道資訊，在一般情況下，快速資訊群組型態 0 擴充 0 (FIG0/0)是在第一個快速資訊區塊(FIB)內傳送。在模式一中，主要服務通道(MSC) 有四個共同交錯訊框(CIFs)，所以 FIG0/0 會出現四次來對應四個共同交錯訊框(CIFs)。如 圖4.4，快速資訊群組型態 0 擴充 0 (FIG0/0)的前面三個欄位為目前/下次多工組態、目前/
其他電波頻道和節目/資料。擴充欄位 00000 表示擴充 0，再來就是 16 個位元的電波頻道 識別碼(Ensemble Identifier，EId)，其中前面 4 個位元國家代碼(Country Identification)，代 表台灣的是1101。接著是 2 個位元的改變旗標(Change flag)，主要是告訴我們副通道或是 服務架構是否有改變，其中 00 表示沒有改變，所以最後的事件改變欄位就不存在、01 表 示副通道有改變、10 表示服務架構有改變以及 11 表示兩者都有改變。警報旗標(Alarm flag，AL flag)表示是否有警報系統，1 表示有，0 則反之。然後共同交錯訊框計數編碼(CIF count)，為 0000 到 4999 之數值，每出現一個共同交錯訊框就加 1，當超過 4999 記數就會 歸零重頭開始，計數的數值計算方式，把第一部分5 個位元乘上 250 再加上第二部分 8 個 位元的總合。假設收到的資料是00110 10100000 則計算結果就是 6 × 250 + 156 = 1656。
最後是事件改變欄位(Occurrence change)，這個欄位當改變旗標不是 00 時才存在，這 8 個 位元式指示副通道或服務架構改變的時間點，當此欄位的數值等於共同交錯訊框計數編碼 後面8 個位元，此時就是改變的時間點。
圖4.4、快速資訊群組型態 0 擴充 0 的架構
快 速 資 訊 群 組 型 態 0 擴 充 1 (FIG0/1) 主 要 記 載 副 通 道 資 訊 ， 包 括 副 通 道 大 小 (Sub-channel size)、開始位置和使用的保護類型。快速資訊群組型態 0 擴充 1 的內容，如圖 4.5，擴充欄位 00001 表示擴充 1，然而擴充 1 會攜帶數個副通道，每一個副通道中包括副 通道識別碼(Sub-channel Identifier，SubChId)、起始位置(Start Address)、短/長格式(Short/Long from)和長度及保護。最前面 6 個位元為副通道識別碼，有多少個副通道識別碼，就表示電 台提供多少個節目，在台灣一般提供6 個節目，範圍是 000000 到 000110。再來 10 個位元 的起始位置，代表副通道的第一個容量單位(CU)的位址，而副通道的大小是以容量單位(64 個位元)為基本單位，至於每一個副通道包含多少容量單位，則是記錄在長度及保護欄位，
但是模式一中的共同交錯訊框容量最多只有864 個容量單位。接著的短/長欄位就是表示後 續的格式是長格式或是短格式，0 表示短格式，1 則反之。如果使用短格式則 1 個位元的 表格切換欄位(Table switch)和 6 個位元的表格索引(Table index)。表格切換欄位目前固定使 用0，最後的表格索引根據定義的數值，如表 4.4，可以知道副通道大小、位元率和錯誤保 護程度。如果使用長格式則提供兩種資料速率，選項000 資料速率為 8n Kbit/s，001 則為 32n Kbit/s，然後根據不同資料速率有不同的保護切換欄位，可以分別查詢表 3.7 和表 3.8，
最後是副通道長度欄位，是表示這個副通道包含幾個容量單位(CU)，最多可以包含 864 個 容量單位(CU)。
圖4.5、快速資訊群組型態 0 擴充 1 的架構
表4.4、使用短格式的副通道保護索引
Index Sub-channel Size(CU)
Protection level
Bit rate (kbit/s)
Index Sub-channel Size(CU)
Protection Level
Bit rate (kbit/s)
0 16 5 32 33 64 5 128
1 21 4 32 34 84 4 128
2 24 3 32 35 96 3 128
3 29 2 32 36 116 2 128 4 35 1 32 37 140 1 128
5 24 5 48 38 80 5 160
6 29 4 48 39 104 4 160 7 35 3 48 40 116 3 160 8 42 2 48 41 140 2 160 9 52 1 48 42 168 1 160 10 29 5 56 43 96 5 192 11 35 4 56 44 116 4 192 12 42 3 56 45 140 3 192 13 52 2 56 46 168 2 192
× 47 192 1 192
14 32 5 64 48 116 5 224 15 42 4 64 49 140 4 224 16 48 3 64 50 168 3 224 17 58 2 64 51 208 2 224 18 70 1 64 52 232 1 224 19 40 5 80 53 128 5 256 20 52 4 80 54 168 4 256 21 58 3 80 55 192 3 256 22 70 2 80 56 232 2 256 23 84 1 80 57 280 1 256 24 48 5 96 58 160 5 320 25 58 4 96 59 208 4 320 26 70 3 96 ×
27 84 2 96 60 280 2 320 28 104 1 96 ×
29 58 5 112 61 192 5 384 30 70 4 112 ×
31 84 3 112 62 280 3 384 32 104 2 112 ×
× 63 416 1 384
快速資訊群組型態 0 擴充 2 主要記載服務架構，從這裡可以知道副通道與服務之間的 關係，而其欄位如圖 4.6 所示。節目/資料欄位是 1 或 0，將會影響到服務元件中服務識別 碼欄位(Service Identifier)的長度，節目/資料欄位是 0 則服務識別碼欄位為 16 個位元，反之 則為32 個位元。擴充欄位 00010 表示為擴充 2，後續的資料會攜帶數個服務元件(Number of service component)。服務元件的內容中，最前面的服務識別碼欄位就如前面所提到的，有 16 個位元或 32 個位元兩種分別，接著區域旗標欄位(Local flag)表示服務會涵蓋的範圍，0 表示全區域，1 則反之。條件存取識別碼欄位(Conditional Access Identifier，CAId)屬於加密 功能，台灣目前並沒有使用，所以固定是 000。接下來的服務元件數目，這告訴我們有多
少個服務元件，當然有幾個服務元件就有幾個服務元件描述欄位。最後的服務元件描述，
依照傳輸機制代碼欄位(Transport Mechanism Identifier，TMId)分為 4 種類型:
z 傳輸機制代碼=00:表示此服務元件為主要服務通道的串流音訊，其後的音訊服務型態 (Audio Service Component Type，ASCTy)中，000000 為前景音樂(Foreground sound)、
000001 代表背景音樂(Back ground sound)和 000010 表示為多聲道擴充音樂
(Multi-channel audio)。接下來的副通道識別碼欄位，用來識別服務元件屬於哪一個副通 道，然後主要或次要服務欄位(Primary / Secondary)裡面，1 是主要，0 則反之。最後的 條件存取欄位是指示該服務使用的存取控制系統，0 為沒有條件存取，1 則反之。後面 的欄位多有重複，所以我們只講解其中不一樣的欄位。
z 傳輸機制代碼=01:表示此服務元件為主要服務通道的串流資料。
z 傳輸機制代碼=10:表示此服務元件以做速資訊資料通道的方式傳送，所以後面有快速資 訊資料通道識別碼欄位來表示對應到位置。
z 傳輸機制代碼=11:表示此服務元件為數據資料(data)，並以封包的方式傳送，所以後面 有數據資料服務元件識別碼，而不需要副通道識別碼。
圖4.6、快速資訊群組型態 0 擴充 2 的架構圖
快速資訊群組型態1 (FIG 1)主要記載文字標籤，然而不同的擴充型態，就表示不同服 務的文字標籤，下面我們只會介紹電波頻道文字標籤和節目服務文字標籤。如圖4.7、FIG 1 的擴充型態欄位有三個位元，表示有 8 種類型，但是有一些並不使用，而是給以保留。
擴充型態欄位000，表示擴充 0，為快速資訊群組型態 1 擴充 0 (FIG1/0)，主要是記載電波 頻道文字標籤。其內容最前面的16 個位元中，前面 4 個位元是國家代碼，後面 12 個位元 表示電台頻道代碼，再來就是文字標籤欄位，其內容是以8 個位元為一個單位，使用 ASCII 編碼。最後16 個位元，表示文字標籤是否要顯示顯示成縮小標籤，0 不要，1 則反之。再 來介紹擴充型態欄位001，表示擴充 1，為快速資訊群組型態 1 擴充 1 (FIG1/1)，主要是記 載節目服務文字標籤。最前面 16 個位元，前面依然是國家代碼，後面就變成服務代碼，
根據服務代碼我們就知道這個服務的節目名稱為何。
圖4.7、快速資訊群組型態 1 的架構圖
4.3 主要服務資訊通道 (MSC)
前面我們已經提到在模式一中，主要服務通道的資料在編碼前以 24ms 為單位先分段 成邏輯框架(Logic frame)，每一段都對應一個共同交錯框架，再為共同框架編號，稱為共 同框架計數，這部分的資料定義在多工組態(MCI)裡面。在主要服務資訊通道的服務元件 有串流模式(Stream mode)和封包模式(Packet mode)兩種。串流模式中每一個服務元件都有 固定的傳輸速度，每秒傳送固定的位元，數據和音訊節目都是使用副通道傳送，其中的差 別，只是音訊節目主要使用不對等保護(Unequal Error Protection，UEP)，數據資料一般使
用對等保護(Equal Error Protection，EEP)，但也可以使用不對等保護。串流模式雖然很好 用，但是它有最小使用容量，如果不足就會使用補丁，所以如果傳送低速資料的時候，就 會有不必要的浪費。跟串流模式不同，封包模式是把不同型態的資料，放在封包訊框架構 中在傳送，如此就算傳送低速資料也不會浪費，傳送的方法分為網路層(Network level)和資 料(data group level)群組成兩種，在網路層中每一個封包都包含封包頭(Packet header)、封包 資料(Packet data)和錯誤偵測碼(CRC)這三部分，整體的封包格式，如圖 4.8 所示：
封包長度:以二位元代表封包總長，其中00 表示長度 24 位元組，01 表示長度 48 位元組，
10 表示長度 72 位元組，11 表示長度 86 位元組。
封包連續索引：以二位元重複00、01、10 和 11，所以如果封包有遺漏就可以清楚發現。
第一/最後指引：以二位元表示式資料的開始、中間或結束，00 表示中間，01 表示結束，
10 表示開始，而 11 則是代表資料只有一個封包。
封包地址：以10 位元表示服務元件的代號。
封包命令旗標：這一個位元是告訴我們，後面資料是一般數據資料還是特定命令，0 表示 一般數據資料，1 表示特定命令。
有用資料長度：表示有用資料裡面有多少位元組，範圍從0 至 91。
封包CRC：把前面收到的資料帶入公式，就可以得到 CRC 檢查碼，暫存器狀態設定為 1。
16 12 5
( ) 1
G x =x +x +x +
如果資料長度很長，就可以使用封包模式中的資料群組，先把資料加上額外資訊後包裝 好，再分割成多個網路層的封包資料來傳送。
圖4.8、網路層封包模式的架構圖
5. 數位音訊廣播電腦軟體接收機之實現
接收數位廣播信號之接收機其操作原理與數位廣播發射系統所進行順序剛好相反，如 圖 5.1 所示。從接收天線接收到數位廣播信號後在調諧器內部將高頻信號轉換為中頻或基 頻帶信號，並過濾掉其他廣播電台的數位廣播信號。數位廣播調諧器需有高的接收靈敏度 及調諧準確度，由於移動接收及本地振盪器頻率偏移造成都卜樂效應影響，可使用自動頻 率控制(Automatic Frequency Control; AFC)修正偏移的頻率。信號框架的時序同步可使用振 幅檢測器(Envelope Detector)以偵測傳送框架的空白符碼信號，做為計算信號符碼的起點，
接著將1.536MHz 頻寬之數位廣播信號透過 COFDM 調變器使 COFDM 信號分成同相分量 (I)的及正交分量(Q)，再分別經過類比數位轉換器(A/D)轉變成數位信號，由快速富立葉轉 換架構(FFT)將數位信號整合到解多工器上。如圖所示經差分解調後在解多工器內分為同步 頻道(SC)、快速資訊頻道(FIC)及主要服務頻道(MSC)。主要服務頻道內之數據是依據快速 資訊頻道(FIC)中所傳送的多工架構資訊(MCI)，分成數個副頻道邏輯架構。相對於發射系 統中，在接收系統上解頻率交錯是緊接在解多工器後，但發射系統僅在主要服務頻道使用 時間交錯，所以僅於接收系統的主要服務頻道做解時間交錯，以使位元序列恢復原來的順 序。在發射系統通道編碼中加入額外位元之迴旋碼編碼技術用以避免傳送過程信號衰落影 響傳送品質，在接收系統通道解碼時由迴旋碼中一定數量之保護位元識別出某些程度傳送 錯誤碼並加以更正。最後，成音解碼器是將資訊壓縮之MPEG 信號重新恢復原有資訊傳輸 速率之脈波碼調變(PCM)節目信號，以轉換為較適合於播出或儲存的位元，經數位類比轉 換(D/A)後提供原來成音節目信號。另外，還會有與節目相關的數據(PAD)及與廣播節目無 關之串流模組形式或封包模組之非PAD (N-PAD)被輸出。
確立數位音訊廣播之傳輸原理後，接著便規劃數位廣播電腦軟體接收機(PC-based Software Defined Receiver for DAB)之架構。我們所規劃之數位廣播電腦軟體接收機的架構 如圖 5.2 所示，包括有前端 RF 接收電路、USB 界面、以及基頻數位信號處理之電腦程式 三大部份。在前端RF 電路有接收天線、濾波器(filter)、低雜訊放大器(LNA)與振盪器，將 無線電波接收後降至中頻(IF)，便由 ADC 轉換為數位信號，並透過 USB 界面將數位信號 傳至電腦，後續之數位信號處理便由具強勢計算功能之電腦來完成。
圖5.1、Block diagram of DAB receiver
圖5.2、數位廣播電腦軟體接收機之系統架構
5.1 數位音訊廣播基頻接收系統之數位信號處理平台
我們使用Simulink 軟體建構 DAB 基頻接收系統之數位信號處理平台，如圖 5.3 所示。
Simulink 平台包括有訊號源、頻率同步、正交多工符元的解調、等化器、解差別運算、頻 率解交錯和解 QPSK，再來分為兩部分，快速資訊通道不經過時間反交錯，主要服務通道 經過時間反交錯、威特比解碼和能量反分散。其中，訊號源是採用參考文獻[]所提供之 DAB 實際接收之訊號源。
圖5.3、數位音訊廣播的解碼系統
當接收到已降至中頻38.912 MHz 而且經過 8.192 MHz 取樣後的訊號後，再將訊號進 入我們做的數位音訊廣播的解碼系統之前，我先將進行框架位元的同步，然後再乘上 cos 和sin，把 I/Q-channel 分離，然而我們使用數位的方法去處理，將 I-channel 乘以{1, 0, -1, 0}；Q-channel 乘以{0, -1, 0, 1}，處理過後的訊號如 5.4 圖所示。把其中的無用符元和相位 參考符元放大來看，如圖 5.5 所示，可以明顯看到訊號有一段能量特小的部分便是無用符 元，後續接著一段有規律性的訊號就是相位參考符元。當訊號執行完分離 I/Q-channel 後，
就可以把訊號輸入Simulink 的解碼系統中，先將訊號經過低通濾波器，再把訊號降 4 倍頻，
這因為我們對中頻訊號的取樣率是8.192 MHz，但是基頻訊號的取樣率為 2.048 MHz，所 以必須降4 倍頻，執行完後訊號的頻譜，如圖 5.6 所示。
圖5.4、數位音訊廣播傳送訊框
圖5.5、無用符元及相位參考符元
圖5.6、經過低通濾波器的頻譜
接著進行估測頻率偏移的數值，再進行正交多工符元的解調之前，把估測到的頻率偏 移量補償回去，完成頻率同步。然後經過正交多工符元的解調，其中先移除前面504 個位 元的保護區，然後經過快速傅利葉轉換並且移除不要的位元。接下來利用我們已知的相位 參考符元來進行估測通道效應，然後移除訊號之中的通道效應，以達到等化器的效果。我 們在此把訊號接出來，觀察其星狀圖分布，圖5.7 是未經過頻率同步的星狀圖，然而圖 5.8 則是有經過頻率同步的星狀圖，而圖中的位元則是分散在八個相位，這是差別運算所造成 的結果。
經過等化器後的訊號，再進行解差別運算，使得位元對應回π/4、3π/4、5π/4 和 7π/4 這 4 個相位，如圖 5.9 所示。然後訊號經過頻率解交錯，把它還原到原本的頻譜，最後經 過解 QPSK，回到位元的形式。接著把資料分個為快速資訊通道和主要服務通道，然後把 快速資訊通的位元，經過威特比解碼和能量反分散並且解釋解碼完的 FIC。根據 FIC 的資 料來決定，我們要解碼 MSC 中的哪一個副通道，然後把抓出來的資料經過時間反交錯、
威特比解碼和能量反分散，就可以解出服務元件。
圖5.7、未經過頻率同步的星狀圖
圖5.8、經過頻率同步的星狀圖
