基于软件无线电的高清音频传输系统设计

摘 "要： 在5G时代背景下，随着高清音频传输需求的不断增长，对于传输速率、延迟、稳定性等方面提出了更高的要求。为了应对更高的传输需求，文中基于软件无线电技术，使用eLabRadio软件和eNodeX 10F⁃DS硬件设备设计实现了一个高清音频传输系统。该系统采用CVSD编码、卷积和差分组合信道编码、BPSK调制等关键技术，构建了无硬件仿真、自发自收和一发一收三种不同工作模式的音频传输系统。经过测试验证可知：当发射衰减为10 dB、接收增益为50 dB时，该系统能够在0～6 m距离内实现高质量、低延迟的音频文件传输，抗干扰能力强；同时固定发送设备与接收设备之间的距离为2 m、发送衰减为10 dB，当接收增益为30 dB和在50～60 dB范围内时，音频的传输效果较好。

关键词： 5G； 高清音频传输； 软件无线电技术； eLabRadio软件； eNodeX 10F⁃DS硬件设备； 抗干扰能力

中图分类号： TN911⁃34 " " " " " " " " " " " " " 文献标识码： A " " " " " " " " " " " "文章编号： 1004⁃373X（2024）21⁃0013⁃08

Software radio based HD audio transmission system design

PENG Jiansen1， MA Ying1， 2， LIU Zhongcheng3

（1. School of Physics and Electronic Information Engineering， Qinghai Minzu University， Xining 810007， China;

2. National Experimental Teaching Demonstration Center for Communication Engineering， Qinghai Minzu University， Xining 810007， China;

3. Wuhan Easystart Technology Co.， Ltd.， Wuhan 430205， China）

Abstract： With the growing demand for HD audio transmission， higher requirements are put forward for transmission rate， latency and stability in the era of 5G. In this paper， an HD audio transmission system based on software radio technology is designed with software eLabRadio and hardware device eNodeX 10F⁃DS， so as to meet with higher transmission requirements. In this system， the key technologies such as CVSD （continuously variable slope delta） modulation coding， convolutional and differential combined channel coding， BPSK （binary phase⁃shift keying） modulation are adopted. In addition， an audio transmission system with three different working modes， including hardware⁃free emulation， self⁃transmission and self⁃reception， and one⁃transmission and one⁃reception， are constructed. It can be seen after testing and verification that the designed system can realize high⁃quality and low⁃latency audio file transmission within the distance of 0～6 meters when the transmit attenuation is 10 dB and the receiving gain is 50 dB， and has strong anti⁃interference ability. Meanwhile， when the distance between fixed transmitter and receiving equipment is 2 meters， the transmit attenuation is 10 dB， and the receiving gain is 30 dB or is within the range of 50～60 dB， the transmission effect of audio is better.

Keywords： 5G; high⁃definition audio transmission; software radio technology; software eLabRadio; hardware device eNodeX 10F⁃DS; anti⁃interference ability

0 "引 "言

在当今的5G时代，随着物联网、智能家居、高清音视频和虚拟现实等技术的迅速发展，对于高清音频传输的需求日益增长，同时对于传输速率、延迟和稳定性等方面提出了更高的要求；传统的音频传输方式在信号质量、传输距离和抗干扰能力等方面存在一定的局限性。

文献[1]提出了一种利用以太网通信的嵌入式远程音频传输方案，尽管该方案在传输速率和带宽使用效率方面表现良好，但对于系统的抗干扰性未进行深入测试和探讨；在现实应用场景中，信号干扰和网络条件可能会对系统性能造成影响。文献[2]展示了利用LED可见光建立无线通信链路以实现音频信号的传输，这一方法因其环保性、低能耗和卓越的抗干扰能力而备受赞誉；然而，该方法在传输距离和速度方面存在一定的局限性。

软件无线电（Software Defined Radio， SDR）技术作为一种新兴的无线通信技术，为高清音频传输提供了一种新的解决方案。SDR技术通过软件模拟硬件功能，从而让通信设备不受硬件进化的限制，其核心理念是将A/D转换尽可能地放置在天线附近，并用数字信号处理软件替代传统的模拟处理过程[3]。通过这种方式，空中的模拟信号被无线电收发器快速转换为数字数据，然后通过处理器中的软件进行深入处理，并最终发送到后端设备。本文将介绍一种基于软件无线电的高清音频传输系统设计方法，旨在实现高质量、高速率和抗干扰的音频传输。

1 "系统总体方案设计

本系统采用由武汉凌特电子技术有限公司自主研发的软件无线电平台进行设计，如图1所示。该平台由软件无线电创新开发平台eNodeX 10F⁃DS硬件设备（简称10F⁃DS设备）和eLabRadio通信系统设计软件（简称eLabRadio软件）两部分构成，硬件平台和软件系统均采用标准接口，可以便捷对接其他通用软件和SDR硬件平台。

1.1 "eNodeX 10F⁃DS硬件设备

10F⁃DS设备采用铝合金便携式设计外观，内部搭载AD9363射频前端和Xilinx ZYNQ⁃7010基带处理单元，功能框图如图2所示。

整个硬件设备分为如下部分。

1） RF射频前端[4]：集成了12位分辨率的数字模拟转换器（DAC）和模拟数字转换器（ADC），并配备了1个发射通道和1个接收通道，其射频工作频率区间为70 MHz～3 GHz，且能够调整的最大通道带宽达20 MHz。

2） A/D和D/A高速转换。

3） 信号处理单元。

4） FPGA基带处理单元：采用Xilinx的可编程片上系统架构（AP SoC）融合了双核Cortex⁃A9 ARM处理器与Xilinx ZYNQ⁃7010FPGA[5]，同时，基带处理单元配备了多样的外设接口，支持全面的系统设计，包括集成内存、音频输入/输出、双向USB、以太网接口以及SD卡槽等功能。

5） 电源适配器：用于连接220 V交流电并转换为直流为设备供电。

6） LTE胶棒天线：用于LTE频段的无线接收、SMA接口、公头。

7） 拉杆天线：用于FM频段的收发天线、SMA接口、公头。

8） USB 2.0⁃typeC数据线：用于eLabRadio软件与 10F⁃DS设备（USB接口）间的数据传输。

1.2 "eLabRadio通信系统软件设计

eLabRadio软件采用图形化交互界面，系统界面如图3所示，包含100多个算法知识颗粒，支持软硬件协同搭建多种有线、无线通信系统。

eLabRadio通信系统主要的功能模块如下。

1） 硬件接口模块：可选择多种类型的接口模块，本文系统使用的是基于Pluto驱动的射频发送和接收模块，模块采用IQ方式进行上下变频[6]，支持基于USB接口。采用Pluto驱动的软件无线电设备：eNodeX10F系列硬件设备、ADI公司的ADALM⁃PLUTO设备[7]。

2） 虚拟仪器仪表：含有示波器、误码分析仪和频谱分析仪三种仪器，可在仿真设计过程中对波形和频谱等进行观测。

3） 信源编译码：包含PCM和CVSD两种类型。

4） 信道编译码：含有汉明编译码、差分编译码和卷积编译码等模块。

5） 调制解调：包含模拟调制解调、二进制调制解调和多进制调制解调三类。

6） 滤波器：可选择多种类型的滤波器，例如低通滤波、带通滤波、高通滤波、抽取滤波和插值滤波等。

7） 设计开发模块：可自行编写代码二次开发功能模块，可以对已有功能模块编程替换，如果已有模块不能满足设计需求，也可以通过编程实现软件中未提供的功能，并且支持Matlab、C++、Python三种环境的开发。

除了上述主要的功能模块之外，eLabRadio软件还有信源信宿、基带传输编译码、同步、类型转换、信道模拟和DSP模块。通过对各种模块的灵活使用和搭配，可以很方便地搭建并实现本文的仿真设计方案。

1.3 "系统原理概述

1.3.1 "CVSD编码

连续可变斜率增强调制[8]（Continuously Variable Slope Delta， CVSD）编码方式是一种适用于不同信道传输特性的语音编码。CVSD采用Delta调制原理，依据模拟信号的变化率决定量化间隔大小，从而实现采样和编码。具体的编码过程为：首先将模拟信号分成一系列等长时间窗口，对每一个窗口进行采样，比较不同采样点之间的变化率；然后根据变化率选定适当的量化步长，将变化量量化为二进制的1或0；最后按照1和0的情况，用+1和-1的斜率进行编码，得到二进制码流[9]。

1.3.2 "卷积编码

卷积码[10]是由P.Elias提出的一种纠错编码，广泛用于码分多址（CDMA）、数字音频广播（DAB）和数字视频广播（DVB）等数字通信中。卷积码的参数指标可以用（[n，k，N]）表示，[n]为码长，[k]为信息位，[N]为约束长度，如图4所示为（2，1，3）卷积方式的编码框图。

卷积码具有前向纠错能力强、编译码速度快、时延较小等特点[11]。约束长度越长，编码时前后码元的相关性越大，纠错能力也越强，但同时在编码和译码时的计算量也越大，对计算机的性能要求也越高。

1.3.3 "差分编码

差分编码[12]是用相邻码元的跳变和不跳变来表示消息代码，与码元本身的电位或极性无关。差分编码用于克服传输信号随机反相，例如BPSK调制解调系统会出现相位模糊的问题，造成译码结果与原始数据反相的问题，可以用差分编码解决该问题。此外，差分编码对信号的幅度变化不敏感，更适用于抗噪声和干扰的传输环境。

1.3.4 "BPSK调制

二进制相移键控[13]（Binary Phase⁃Shift Keying， BPSK）是一种通过改变载波信号的相位来传输数字信息的调制技术。在BPSK中，只有两种不同的相位被用来表示二进制数据，通常这两种相位相差180°，二进制相移键控使用载波的0°相位代表数字0，载波的180°相位代表数字1。

2 "系统设计与实现

2.1 "无硬件仿真方案设计

无硬件仿真系统框图如图5所示，在eLabRadio软件中选择数据读取模块作为信源，可以加载指定的本地音频文件进行传输；选择CVSD编码作为信源编码方式，同时采用卷积编码和差分编码的组合信道编码策略；在调制端使用BPSK对信号进行调制，此外，还插入了调制方式为QPSK的导频序列，使得接收机根据导频符号进行频偏估计与补偿、相位估计与补偿以及帧同步等处理。

由于在发送端插入了QPSK导频，信号经信道传输后，在发射端先用QPSK载波恢复模块消除频差和相差；消除频差和相差后，对信号进行BPSK解调，然后相应地分别进行信道译码和信源译码；最后，在eLabRadio软件中选择音频播放模块作为信宿。通过上述步骤，从发送端发出的音频文件在接收端就可以通过音频播放模块播放出来。

本次选用的音频文件由信标信号加音乐文件组成，详细的文件参数如表1所示。

图6为无硬件仿真方案的拓扑图，通过在eLabRadio软件中拖动对应的模块并连线搭建好系统。由于音频文件数据类型为short型，在进行数据读取时，需要添加类型转换模块将short型转换为float型，这样才能在接收端正常播放出音乐。此外，在仿真方案设计时，使用IQ上变频和IQ下变频两个模块来分别代替发送模块和接收模块。

在eLabRadio软件中，系统链路搭建好之后，首先对整个链路进行速率匹配。这个步骤可以通过在发射端添加插值滤波器和调整模块参数设置来实现，添加CIC插值滤波器，对调制映射和插入导频信号后的I、Q两路信号同时进行插值处理，可做到对调制映射后的结果进行速率匹配；通过调整各模块的详细参数，对整个仿真链路综合进行考虑，实现各模块前后的速率匹配。

在进行速率匹配过程中需手动设置的参数如表2所示，其余参数均为默认值。

2.2 "自发自收系统设计

自发自收系统是在无硬件仿真方案上进行部分模块的修改，同时使用了1台10F⁃DS硬件设备来实现单机的发送与接收，系统拓扑图如图7所示。

自发自收系统具体的模块修改如下：

1） 将IQ上变频模块替换为实数转复数和eNodeX10F无线发送两个模块。

2） 将IQ下变频模块替换为eNodeX 10F无线接收和复数转实数两个模块。

模块修改后，需要重新对整个系统进行速率匹配和参数调整。具体来说，插值滤波模块前的所有模块参数均不用修改，其余修改的模块参数如表3所示。

各项参数调整好之后，10F⁃DS设备的收发天线接口RX2、TX2分别接上胶棒天线并通上电源，然后将硬件设备与电脑通过USB⁃typeC数据传输线连接，连接图如图8所示。在此步骤之前电脑已经安装好软件无线电硬件设备驱动程序，以确保硬件设备与eLabRadio软件的正常对接。

2.3 "一发一收系统设计

一发一收系统采用的方案与自发自收系统完全一致，除了发送设备的发送频率和接收设备的接收频率要根据具体情况微调之外，所有模块和参数设置均不用重新更改。主要的不同之处在于将发送端和接收端的功能在两台不同的电脑上实现，同时使用两台10F⁃DS设备分别来发送和接收，系统框图如图9所示。

图10为一发一收系统的连接图，将一根胶棒天线连接到发送设备的TX2，另一根胶棒天线连接到接收设备的RX2；同时两台10F⁃DS设备通过USB线分别与电脑1、电脑2相连。接通电源后，在电脑1上选择的音频文件经系统传输后就能够在电脑2上实时播放出来。

3 "测试与分析

对系统的测试主要有：无硬件仿真方案测试、自发自收系统测试、一发一收系统测试。

3.1 "无硬件仿真方案测试

使用示波器分别观察发送端和接收端波形，如图11所示。发送端信号波形为正弦波，接收端恢复出来的波形也是正弦波。

图12为使用示波器分别观察到的BPSK调制前和解调后的信号波形。调制前的信号是一个矩形脉冲序列，解调后的波形仍为矩形脉冲序列。使用示波器观察调制后的星座图，如图13所示。

图14为使用频谱分析仪分别观察发送端和接收端的频谱，发送的音频文件频谱能量集中于5 kHz，接收到的信号频谱能量也集中于5 kHz。

3.2 "自发自收系统测试

用示波器分别观察发送端和接收端的信号波形，如图15所示。与无硬件仿真方案结果类似，和发送端波形进行对比，接收端能够正常恢复出正弦波形。

图16为用示波器分别观察调制前和解调后的信号波形，与无硬件仿真方案结果相同，调制前为矩形脉冲序列，解调后仍为矩形脉冲序列。同样，使用示波器观察调制后的星座图，结果也与无硬件仿真方案一致，如图17所示。

3.3 "一发一收系统测试

固定发送设备的发射衰减为10 dB，接收设备的接收增益为50 dB，发送设备的位置不变，移动接收设备的位置，测试在不同距离时的音频传输效果，测试结果如表4所示。随着发送设备与接收设备之间的距离变远，音频的传输效果逐渐变差。当距离在0～6 m的范围内，音频的传输效果最好，距离继续增加时，出现了较小的噪声，传输效果变差。

将发送设备和接收设备之间的距离固定为2 m，发射衰减设置为10 dB，测试不同接收增益时的传输效果，测试结果如表5所示。

当接收增益在50～60 dB的范围内，传输时没有噪声出现，传输的效果最好，随着接收增益的减小，逐渐出现了噪声。特别地，在接收增益为30 dB时，没有出现噪声，传输效果也很好。

如表6所示，为了评估系统延时，对音频传输的实时性进行测量，测量整个文件的传输时间。首先对无硬件仿真方案进行测试，该方案只是对整个无线通信系统进行仿真设计，没有涉及到硬件设备，因此整个方案并不存在延时；然后测试一发一收系统的文件传输时间。与无硬件仿真方案相比，系统存在4.8 s的延时。

4 "结 "语

本文基于软件无线电思想，采用CVSD编码、卷积和差分组合信道编码方式，实现了高质量的音频传输；同时采用BPSK调制方式实现了高速率音频传输；系统具备一定的抗干扰能力，能够在一定范围距离内稳定传输；与现有音频传输相比，增强了系统的抗干扰能力，信号传输的稳定性、有效性和可靠性高，并且具有可扩展能力。

注：本文通讯作者为马英。

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作者简介：彭建森（2000—），男，四川宜宾人，硕士研究生，研究方向为软件无线电。

马 "英（1978—），女，回族，青海西宁人，硕士研究生，教授，研究方向为信号处理。

刘忠成（1978—），男，湖北宜昌人，硕士研究生，高级工程师，研究方向为软件无线电、通信信号处理。