中波數(shù)字AM廣播實現(xiàn)方案

1、中波數(shù)字AM廣播實現(xiàn)方案摘要：提出一種上下兼容的中波數(shù)字廣播系統(tǒng)方案。該方案的數(shù)字基帶傳輸方式為COFDM,與DRM和IBOC相同，射頻調(diào)制仍釆用保留載波的雙邊帶調(diào)幅，不需要對現(xiàn)有廣播發(fā)射機進行改動或更換，接收機可沿用當前中波收音機的包絡檢波或采用相干解調(diào)，實現(xiàn)復雜度低，便于形成規(guī)模生產(chǎn)。討論了該方案實現(xiàn)的關鍵技術，并給出了發(fā)展和應用前景。關鍵詞：數(shù)字AM廣播；DRM；IBOC：COFDM；雙邊帶調(diào)幅1引言調(diào)幅（AM）廣播自問世以來己經(jīng)走過了80多年歷史。因為模擬AM廣播的固有缺陷（廣播質(zhì)量較差，易受干擾等），在與FM、電視、現(xiàn)代通信和因特網(wǎng)等新的信息傳播媒體的競爭中，己越來越處于劣勢地位。但

2、30MHz以下廣播頻段的寶貴頻率資源是人類的共同財富，應該得到有效利用和保護。因為在這個頻段內(nèi)，利用地波和天波能夠非常簡單、經(jīng)濟而又高效地實現(xiàn)全球性的廣播覆蓋，這是迄今為止其它通信方式都無法做到的。長期以來，世界各國為發(fā)展廣播事業(yè)己投入了巨額資金，大量的廣播電臺和設備希望能夠繼續(xù)為人類造福而不至于很快就遭淘汰。這就提出了一個具有挑戰(zhàn)性的課題：使傳統(tǒng)的AM廣播通過技術改造獲得新生。進行數(shù)字化改造是克服模擬AM廣播的致命弱點唯一的出路。但如何實現(xiàn)數(shù)字化，世界各國的想法和做法并不一致，當前比較成熟并己進入商業(yè)化運作體系的主要有2個：以歐洲各國為主體的世界數(shù)字無線電組織的DRM系統(tǒng)和美國iBiquit

3、y公司推出的IBOC系統(tǒng)。這2個系統(tǒng)都得到了國際電信聯(lián)盟（ITU）的認可，經(jīng)演播室和現(xiàn)場測試取得了預期的良好效果，有望在歐美及其周邊國家推廣應用，逐步取代現(xiàn)有的模擬AM廣播。很多廠商己經(jīng)開始投入這2種體制廣播設備和接收機的開發(fā)和生產(chǎn)，一旦形成氣候其產(chǎn)品就會迅速占領世界市場。這2種數(shù)字AV廣播體制的共同特點是都徹底摒棄了傳統(tǒng)AM廣播保留載波的雙邊帶調(diào)幅（DSB-AM）,重新設計了一套適合數(shù)字載波傳輸?shù)恼{(diào)制方法。這樣克服了傳統(tǒng)DSB-AM的固有缺點，即功率消耗大、頻帶利用率低。但也帶來了一個十分現(xiàn)實的問題：必須對現(xiàn)有的模擬AM發(fā)射機進行不同程度的改造和更換，并且開發(fā)設計全新的數(shù)字廣播接收機。因為這

4、2個系統(tǒng)是歐美發(fā)達國家根據(jù)自身經(jīng)濟和文化發(fā)展需要硏究和設計的，目的是占領世界數(shù)字廣播技術的制高點，這樣的開發(fā)思路是和他們的經(jīng)濟基礎相適合的。DRM作為世界上統(tǒng)一的短波段數(shù)字廣播標準，己經(jīng)基本上達成共識，但對于一般用于國內(nèi)或區(qū)域性廣播的中波段，各國的情況和思路不盡相同，ITU未能達成統(tǒng)一意見。美國根據(jù)本國情況堅持推廣IB0C方案。對于中國這樣地域遼闊、擁有大量地方中波AM廣播電臺的發(fā)展中國家來說，如果直接釆用歐美方案實現(xiàn)AV廣播數(shù)字化，將面臨需要巨大的改造資金和技術投入的困難。如果新型數(shù)字廣播收音機因為結(jié)構(gòu)復雜，生產(chǎn)成本過高，短期內(nèi)難以形成市場的話，將不能激發(fā)生產(chǎn)廠商的投資熱情，反過來也會使數(shù)字

5、化改造更加步履艱難。所以，中國的中波數(shù)字AM廣播究竟應該采用何種體制，仍是一個需要認真硏究和慎重考慮的問題。作者研制的種適合中國發(fā)展的數(shù)字AV廣播體系方案，旨在解決歐美方案在實施中需要改動或更換模擬AM發(fā)射機的困難。如果采用此方案，將能夠在短期內(nèi)為國內(nèi)大量地方中、小廣播電臺提供一條從模擬轉(zhuǎn)向數(shù)字的捷徑,在不需要大額投資的前提下得到改善廣播質(zhì)量、降低發(fā)射功率、增加數(shù)據(jù)業(yè)務和為聽眾提供更加友好方便和靈活的接收手段等多方面的好處,大幅度提升AV廣播的競爭力。2總體思路傳統(tǒng)保留載波的載波的DSB-AM方式有很多缺點。因為載波并不攜帶有用信息卻消耗了大量功率，造成通信效率低下，雙邊帶傳輸?shù)男畔⑷哂嘁彩诡l

6、帶利用率降低。但事物總是一分為二的，正是因為傳統(tǒng)AM調(diào)制方式的這些缺點，換來了收音機能夠釆用簡單的包絡檢波方式進行信息解調(diào)的優(yōu)點。收音機成本的低廉是AM廣播在全球普及的一個重要原因，據(jù)不完全統(tǒng)計，全世界有20億臺中短波收音機在使用，僅美國就達到平均每戶5.6臺收音機的擁有量。在中國，大約有500多個地方中波廣播電臺，擁有大量的模擬AM發(fā)射機，幾十年來為了保證信息覆蓋、提高播音質(zhì)量，國家投入了大量資金，不斷進行技術改造，近10年還更新了大批發(fā)射機，這些設備當前都完好可用。歐美方案在完成數(shù)字基帶調(diào)制以后，必須把信號分解成幅度部分（包絡信號）和相位部分，包絡信號送到脈沖調(diào)寬（PDM）發(fā)射機或脈沖階梯

7、調(diào)制（PSM）發(fā)射機的幅度調(diào)制器，作為高頻末級功放電子管的屏極電壓，相位信號則加到發(fā)射機的射頻通道，在分解成I、Q2個正交分量后分別對數(shù)字頻率合成器進行控制，產(chǎn)生相位調(diào)制的射頻載波，加到高放末級電子管柵極。這2路信號在高放末級必須嚴格按照一定的時間同步進行信號組合，才能產(chǎn)生一個單邊帶的高頻數(shù)字調(diào)制載波，通過天線發(fā)射岀去。圖1是該方案的發(fā)射系統(tǒng)信號傳輸框圖。圖1歐美方案數(shù)字調(diào)幅廣播發(fā)射系統(tǒng)框圖為此，現(xiàn)有的模擬AM發(fā)射機需要做以下改動：去掉現(xiàn)有的音頻處理器，增加1臺數(shù)字調(diào)制器；更換1臺數(shù)字頻率合成器；對發(fā)射機調(diào)制器的低通濾波器截止頻率進行高端擴展，重新調(diào)整發(fā)射機中和電路等。對一些舊設備未經(jīng)過改造的

8、屏調(diào)、乙類屏調(diào)或自動屏調(diào)式發(fā)射機,因為它們的音頻通路和射頻通路的相移不易調(diào)整，而且其音頻通路是窄帶設計的，無法通過改造來實現(xiàn)上述過程，所以只能更換發(fā)射機。為避免發(fā)射機大規(guī)模的改造和更換，作者的思路是：對音頻信號進行數(shù)字編碼，與其它附加數(shù)據(jù)混合后實現(xiàn)基帶信息數(shù)字化.數(shù)字基帶信號通過D/A變換直接送入發(fā)射機的音頻接門，射頻調(diào)制仍沿用傳統(tǒng)的DSB-AM方法。圖2是這方案的發(fā)射系統(tǒng)信號傳輸框圖。圖2不改動發(fā)射機的數(shù)字廣播發(fā)射系統(tǒng)框圖與歐美方案相比，這樣做雖然DSB-AM效率低的問題沒有解決，但現(xiàn)有任何形式的模擬發(fā)射機都能夠不做改動就用來傳輸數(shù)字音頻。而且，在接收機端，可以靈活地采用非相干解調(diào)或相干解調(diào)

9、2種方案。非相干解調(diào)就是仍采用包絡檢波的方式取出數(shù)字基帶信號，然后再解碼得到傳遞的音頻和附加數(shù)據(jù)，現(xiàn)有收音機只要在檢波輸出（或音頻輸出）加接一塊解碼集成電路就能夠用來收聽數(shù)字廣播，這能夠作為一種普及型收音機的解調(diào)方法。相干解調(diào)方案是從現(xiàn)有收音機的中頻輸出取信號，因為是雙邊帶信號上下邊帶的數(shù)字信息相同，可分別對上下邊帶進行相干解調(diào)后再疊加，理論上可得到3dB解調(diào)增益，取得更高的接收信噪比，但收音機的復雜度增加，可作為高檔收音機的解調(diào)方法。因為這個方案完全在原有的AM廣播管理體制內(nèi)實現(xiàn)，數(shù)字廣播信號所占的頻率和功率i普都不會超出原來模擬廣播電臺的工作范圍，廣播電臺只需選擇合適的空余頻道，而無須申請

10、新的頻率資源，最大限度簡化了從模擬向數(shù)字轉(zhuǎn)化的手續(xù)?？偠灾?，這個方案的最大好處就是保護了原有的大功率發(fā)射設備投資，減輕了廣播電臺技術改造的負擔，并為開發(fā)結(jié)構(gòu)簡單、能兼容接收模擬和數(shù)字廣播的普及型收音機提供了可能,使廣大廣播收聽者只需增加少量費用就能夠享受數(shù)碼廣播帶來的一系列優(yōu)越性。這樣，國家、廣播電臺，聽眾和收音機生產(chǎn)商的利益和需求都將得到滿足，形成一個良性的生產(chǎn)和消費鏈,可大大加快模擬AM廣播數(shù)字化在中國的進程。3關鍵技術問題這個方案的技術難度，在于如何解決在4.5kHz或5kHz這樣窄的音頻帶寬內(nèi)，實現(xiàn)質(zhì)量優(yōu)良的數(shù)字廣播所必須達到的數(shù)據(jù)傳輸率和允許的誤碼率。作者經(jīng)過數(shù)年研究，認為能夠采用

11、以下技術來提高系統(tǒng)性能，使其成為符合要求的實用系統(tǒng)。3.1OFDM多載波傳輸技術OFDM是一種頻帶利用率很高的多載波數(shù)字通信技術。其最大優(yōu)點是抗多徑，對頻率選擇性衰落能有效抑制。中短波無線電傳輸信道是典型的頻率選擇性信道，DRM和IBOC系統(tǒng)都釆用這種傳輸技術。因為作者的方案只有4.5kHz可用帶寬（受中國的中波AM標準所限定）,比DRM系統(tǒng)至少小一半，比IBOC系統(tǒng)（30kHz）更是小很多，所以，更加合理、經(jīng)濟地選擇0FDM參數(shù)，如子載波數(shù)目、子載波頻率間隔、周期頭長度、參考導頻的插入密度和插入位置等，是設計成功的關鍵。通過計算機模擬，己經(jīng)取得一系列數(shù)據(jù)，有望滿足實際系統(tǒng)的要求。3.2先進音

12、頻壓縮編碼算法當前，DRM系統(tǒng)釆用了3種不同的MPEG-4壓縮技術來對音頻進行壓縮編碼：先進音頻編碼（ACC）、線性預測編碼（CELP）和諧波向量編碼（HVXC）。其中，AAC是比特率能夠在很寬范圍內(nèi)調(diào)整的音頻編碼方法，其它2種則是對自然語言進行低速率和超低速率編碼的方法。IBOC系統(tǒng)則采用了美國自有的專利技術PAC編碼方式。壓縮編碼的目的是在保證聲音質(zhì)量的基礎上去除冗余信息，用盡可能低的碼率來傳輸高質(zhì)量的聲音，只有這樣才能實現(xiàn)在播音的同時傳輸其它數(shù)據(jù)信息。也只有通過信源編碼將數(shù)據(jù)率降下來，才有余地給信道編碼來增強系統(tǒng)的魯棒性。作者己對AAC編碼方式進行了深入研究，通過局部改進其編碼方式和算法

13、，在16Kb/、時仍能保持較好的音質(zhì)，如能進一步提升碼率，就能夠取得與DRM系統(tǒng)相當?shù)囊纛l質(zhì)量。廣播節(jié)目在播放音樂和單純語言類節(jié)目時所需碼率能夠有很大差別，釆用可變速率編碼方式能夠根據(jù)節(jié)目內(nèi)容自動調(diào)整數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)。比如，在播放語言類節(jié)目時能夠同時傳輸信息量大的附加數(shù)據(jù)，而在播放音樂類節(jié)目時則傳輸少量附加數(shù)據(jù)，甚至關閉數(shù)據(jù)通道，全部數(shù)據(jù)流用來傳輸高質(zhì)量音樂信息，這里的關鍵是設計一個靈活可變的多路數(shù)據(jù)傳輸幀格式和種可伸縮的（Scalable）的音頻編碼方法。3.3高效信道編碼與調(diào)制方法信道編碼和調(diào)制是保證數(shù)字信號在模擬信道上有效而可靠傳輸?shù)幕臼侄?。即使信道編碼和基帶調(diào)制作為單項技術都己相當成熟，但

14、是針對中波廣播信道設計一種合理的編碼和調(diào)制方式的優(yōu)化組合結(jié)構(gòu)仍在探索中。DRM采用MLC多級編碼方案，所用碼型是帶刪除的卷積碼，以正交幅度調(diào)制QAM為基本調(diào)制星座形式，星座點數(shù)根據(jù)需要可分別取64、16和4。根據(jù)作者的方案，需要進一步提高信道編碼的糾錯性能和帶寬效率，可釆用糾錯能力更強的Turbo碼結(jié)合MLC進行信道編碼。為尋找性能更好的編碼和調(diào)制方案，作者還硏究了COFDM+DAPSK的調(diào)制方式，這種方式雖然在某種程度上增加了調(diào)制發(fā)送端的復雜性，但與C0FDM+QAM方式相比，不需要在接收端進行信道均衡，可大大降低接收機的復雜度，這對于今后生產(chǎn)低成本收音機，加快數(shù)字AM廣播的發(fā)展具有十分重大

15、的意義低氣當前，作者還在繼續(xù)嘗試將另種具有優(yōu)良糾錯特性的低密度奇偶校驗碼（LDPC）用到數(shù)字AV廣播體系中來，有望取得更好的性能效果。4新的數(shù)字AM廣播體制應用展望數(shù)字廣播無疑最終將取代模擬調(diào)幅廣播。作者提出的這種數(shù)字AM廣播體制從中國國情出發(fā)，從當前國內(nèi)廣播電臺的實際情況出發(fā)，參考與研究了國際上同類先進技術，具有向上和向下雙向兼容的特點。所謂向下兼容，就是它的實現(xiàn)無須對現(xiàn)有廣播電臺的廣播發(fā)射機進行改造或更換，只須將節(jié)目源按信源編碼方案數(shù)字化，選擇合適的頻段就可馬上開播。節(jié)目源的數(shù)字化只要普通PC機就可實現(xiàn)，成本很低。現(xiàn)有的收音機仍可接收模擬AM廣播，加裝數(shù)字解調(diào)模塊后就可兼容接收數(shù)字/模擬A

16、M廣播，并且能夠根據(jù)市場需求開發(fā)普及和高檔(高質(zhì)量帶液晶顯示屏)等不同層次的產(chǎn)品。而所謂向上兼容，就是當中國的數(shù)字廣播最終全部替代模擬廣播，現(xiàn)有的模擬AV廣播發(fā)射機全部退出歷史舞臺時，因為方案在數(shù)字基帶信號傳輸方式上與DRM和IBOC樣，都采用COFDM傳輸體制，只要在調(diào)制參數(shù)上作些改動，就可和新的發(fā)射機接口，作者在設計時己經(jīng)考慮，基本上是軟件方面的工作，能順理成章地與國際接軌。近期，釆用這個方案能較快地啟動市場，給國民經(jīng)濟和人民生活帶來實惠和好處，至少有以下幾個方面：改善中波廣播的音質(zhì)和接收質(zhì)量，部分降低發(fā)射臺發(fā)射功率，節(jié)約能源；為廣播電臺開辟新的數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務提供可能，比如可進行實時交通、旅

17、游、天氣、股票、短新聞等的文字信息傳送；推動新一輪的數(shù)碼收音機的開發(fā)和制造產(chǎn)業(yè)，為汽車用戶提供新型收音機，將進一步推動汽車產(chǎn)業(yè)和消費；為國家和國防需要提供新的數(shù)據(jù)備用通道。比如，在戰(zhàn)爭期間，其它信息媒體癱瘓時用來發(fā)布重要通告；在計算機網(wǎng)絡遭受病毒嚴重侵犯時，通過數(shù)字廣播通道快速發(fā)布殺病毒軟件等?？偠灾?，根據(jù)國情確立中國數(shù)字AM廣播新體制，并推動其產(chǎn)業(yè)化，是提高中國信息科學硏究和技術進步水平的一項重要任務。參考文獻那正義，范瑜，吳樂南.數(shù)字調(diào)幅廣播的DRM和IBOC技術J.電聲技術，2004,(6)：58-62.FallerC.Biing-HwangJ.KroonP.Hui-LingL.RamprashadS.A.；SundbergC.E.W.TechnicalAd-vancesinDigitalAudioRadioBroadcastingJ.Proceed-ingsoftheIEEE,2002,90(8)：1303-1333.陶嘉慶，李國華.傳統(tǒng)調(diào)幅廣播的技術革命