主流數(shù)字廣播技術(shù)比較

1、主流數(shù)字廣播技術(shù)比較陳小忠【摘要】廣播由模擬向數(shù)字發(fā)展已經(jīng)成為一種趨勢,廣播系統(tǒng)的數(shù)字化改造正在全世界范圍內(nèi)進(jìn)行,廣播數(shù)字化的技術(shù)也層出不窮。本文介紹了數(shù)字廣播DAB、DRM和HD RADIO系統(tǒng),并依次就其國內(nèi)外發(fā)展動態(tài)、系統(tǒng)工作原理以及與傳統(tǒng)廣播相比各自改進(jìn)的優(yōu)點(diǎn)等方面進(jìn)行比較分析。【關(guān)鍵詞】DAB DRM HD Radio同時(shí)聯(lián)播1、引言傳統(tǒng)模擬廣播作為信息傳播的一種手段,以方便快捷的特性為大眾服務(wù)。隨著Internet的不斷發(fā)展,網(wǎng)絡(luò)流媒體的出現(xiàn)給傳統(tǒng)廣播的生存提出了巨大挑戰(zhàn)。人們對廣播服務(wù)也有了更高的期望,傳統(tǒng)廣播的服務(wù)內(nèi)容和音質(zhì)開始滿足不了人們的需求。因此,模擬技術(shù)向數(shù)字技術(shù)轉(zhuǎn)型、

2、實(shí)施數(shù)字廣播是廣播技術(shù)發(fā)展的必然趨勢,它為廣播服務(wù)注入了活力。將傳統(tǒng)模擬廣播的單一聲音業(yè)務(wù)拓展為能同時(shí)傳遞各種諸如圖像、文字、數(shù)據(jù)、圖片及活動影像等數(shù)字業(yè)務(wù),為傳統(tǒng)廣播業(yè)務(wù)的發(fā)展開辟了嶄新的應(yīng)用空間。全球地面無線電廣播正在向數(shù)字技術(shù)轉(zhuǎn)型,不同地區(qū)的轉(zhuǎn)型方式各不相同,比如加拿大、部分歐洲國家(其中包括英國和德國、亞洲部分地區(qū)、澳大利亞和非洲采用的是數(shù)字音頻廣播(DAB;韓國采用的是數(shù)字媒體廣播(DMB;美國正在采用HD Radio技術(shù)(高清無線電廣播。另外,還有一種數(shù)字無線電廣播(DRM技術(shù)。對于不同的廣播體制,人們可以進(jìn)行不同的途徑探索,宗旨是如何才能更好地利用現(xiàn)有資源,如頻段資源等,來為人們

3、進(jìn)行最好的廣播服務(wù),提供更多資訊平臺。2、DAB(Digital Audio BroadcastingDAB系統(tǒng)的出現(xiàn)標(biāo)志著廣播系統(tǒng)正由模擬向數(shù)字過渡,它以數(shù)字技術(shù)為基礎(chǔ),采用先進(jìn)的音頻數(shù)字編碼、數(shù)據(jù)壓縮、糾錯(cuò)編碼及數(shù)字調(diào)制技術(shù),在接收端可獲得與原始發(fā)送信息相同質(zhì)量的節(jié)目內(nèi)容。該項(xiàng)技術(shù)是歐洲開發(fā)的,其發(fā)展起源于1980年德國廣播技術(shù)研究所,以Eureka-147系統(tǒng)針對地面音訊廣播技術(shù)進(jìn)行研究,并制定Eureka-147DAB標(biāo)準(zhǔn),在歐洲地區(qū)得到了很好的發(fā)展。在中國,數(shù)字廣播終于進(jìn)入了實(shí)施階段。據(jù)悉,北京、上海、廣東、天津、河南等地的電臺、電視臺正在籌劃建立“中國數(shù)字音頻/多媒體產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟”,目

4、的是使全國的電臺、電視臺相互溝通,完善產(chǎn)業(yè)鏈各個(gè)環(huán)節(jié)。2.1DAB系統(tǒng)的工作原理在DAB系統(tǒng)發(fā)射端,輸入信號先經(jīng)過若干個(gè)MU-SICAM音頻編碼器進(jìn)行信源編碼,按照MPEG標(biāo)準(zhǔn)將數(shù)據(jù)率降低,然后通過復(fù)合器將經(jīng)過數(shù)據(jù)率壓縮的各路信號復(fù)合起來,才能送往COFDM編碼器和調(diào)制器,進(jìn)行信道編碼和調(diào)制,產(chǎn)生出中心頻率為2.048 MHz、帶寬為1.536MHz的COFDM基帶信號。DAB 發(fā)射機(jī)再將低電平COFDM基帶信號變?yōu)楦唠娖缴漕l信號,對COFDM基帶信號進(jìn)行頻率變換和功率放大,將其通過天線發(fā)射出去。DAB數(shù)據(jù)的接收須使用專用的接收設(shè)備,在接收端對信號按照與發(fā)射端形成的發(fā)射信號相反的順序進(jìn)行解調(diào)處

5、理,最后提供音頻廣播節(jié)目和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。其接收機(jī)的高頻部分首先是從分配給DAB使用的頻段中,選擇出所需要的傳送聲音節(jié)目和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的頻率塊(1.536MHz寬,然后進(jìn)行頻率變換,將高頻信號變?yōu)橹蓄l信號和基帶信號;基帶信號接著送入COFDM 解調(diào)器,以獲得相應(yīng)于發(fā)射端通過復(fù)合器而形成的傳輸復(fù)合信號;然后經(jīng)過接收機(jī)的同步、解復(fù)合器、時(shí)間解交織和頻率解交織、解碼、解擾、源解碼器等后,再經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換,送出模擬的聲音信號供使用,DAB接收機(jī)原理框圖如圖1所示。2.2DAB系統(tǒng)相比于傳統(tǒng)FM廣播的優(yōu)點(diǎn)(1可工作在30M Hz3GHz的頻率范圍內(nèi),抗多徑傳播引起的衰落能力比較強(qiáng);(2可利用地面、電纜和衛(wèi)星進(jìn)行覆蓋

6、,聲音質(zhì)量可達(dá)到CD水平,很適合于固定便攜和移動接收;(3DAB工作于不同的頻段(VHF,UEF,L波段,單頻網(wǎng)同步運(yùn)行節(jié)約了頻譜資源,而且同步網(wǎng)中不需大功率發(fā)射機(jī);(4由DAB技術(shù)衍生的DMB是一種多媒體廣播,能同時(shí)傳送多套聲音節(jié)目和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù),也可用來傳送活動圖像節(jié)目。3、DRM(Digital Radio Mondiale在覆蓋范圍更為廣泛和有效的模擬調(diào)幅廣播領(lǐng)域,其原有缺點(diǎn)的存在影響著其推廣和使用。所以,應(yīng)對這些領(lǐng)域進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)和更新,使用數(shù)字技術(shù)等手段更好地利用原有的資源,DRM系統(tǒng)便應(yīng)運(yùn)而生。DRM是一個(gè)非官方的國際組織的名稱,由其開發(fā)的30MHz以下的長、中、短波數(shù)字聲音廣播系統(tǒng)稱

7、為DRM系統(tǒng)。世界范圍內(nèi)共提出了5種不同的數(shù)字調(diào)幅系統(tǒng)建議,分別是:法國天波2000系統(tǒng)、法國CCETT/TDF系統(tǒng)、美國中波IBOC DSB系統(tǒng)、德國數(shù)字音樂之波DM W系統(tǒng)和美國VOA/JPL數(shù)字短波系統(tǒng)。其中,前3種系統(tǒng)屬于OFDM多載波并行傳輸方式,而后2種是屬于單載波串行傳輸方式。3.1DRM系統(tǒng)的工作原理圖2為DRM系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)概況,源編碼器和預(yù)編碼器可將各種輸入音頻數(shù)據(jù)流編碼壓縮成合適的數(shù)字傳輸格式;多路復(fù)用將保護(hù)等級與所有數(shù)據(jù)和音頻業(yè)務(wù)結(jié)合起來;信道編碼器增加一些冗余信息,實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確無誤差傳輸;映射單元定義了數(shù)字化編碼信息到QAM 單元的映射;交織單元將連續(xù)的QAM單元展開為在時(shí)域

8、和頻域都分開的準(zhǔn)隨機(jī)的單元序列,以便提供在時(shí)間-頻率彌散信道中的可靠的傳輸;導(dǎo)頻發(fā)生器提供一種在接收機(jī)中得到信道狀態(tài)的方法,估計(jì)信號的相關(guān)解調(diào);OFDM單元映射器將不同等級的單元集中起來并把它們放在時(shí)頻柵格中;OFDM信號發(fā)生器使用相同的時(shí)間標(biāo)記體現(xiàn)時(shí)域的信號,來傳送每一組信元。至此,發(fā)射端的信號完成編碼映射功能。傳輸時(shí)調(diào)制器將OFDM符號轉(zhuǎn)換為模擬形式,最后通過發(fā)射機(jī)發(fā)射出去。接收端的處理過程與發(fā)射端相反,信道出來的信號先經(jīng)過主載頻解調(diào),低通濾波A/D轉(zhuǎn)換及串并變換后,再進(jìn)行FFT得到一個(gè)符號的數(shù)據(jù)。對所得數(shù)據(jù)進(jìn)行均衡,以校正信道失真。然后進(jìn)行譯碼判決和并串變換,即可得到原始音頻數(shù)據(jù)輸出。圖

9、1DAB接收機(jī)原理框圖3.2DRM系統(tǒng)相比于模擬AM廣播的優(yōu)點(diǎn)(1DRM系統(tǒng)工作于30MHz以下的頻段,可以充分利用現(xiàn)有中短波頻譜資源,穿透能力和繞射能力很強(qiáng),覆蓋范圍大,適合于移動接收和便攜式接收;(2在保持相同覆蓋的情況下,數(shù)字調(diào)幅發(fā)射機(jī)比模擬調(diào)幅發(fā)射機(jī)的功率低,提高了發(fā)射機(jī)效率和經(jīng)濟(jì)效益;(3在保持現(xiàn)有帶寬9kHz或10kHz的情況下,利用音頻數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)和數(shù)字信號處理技術(shù),提高調(diào)幅波段信號傳送的可靠性,增強(qiáng)抗干擾能力,消除短波的衰落,顯著提高調(diào)幅波段信號傳送的音質(zhì);(4在所規(guī)定的帶寬內(nèi),可以同時(shí)傳送一路模擬信號和一路數(shù)字信號,便于逐步向全數(shù)字廣播過渡;(5它也能夠提供附加業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)傳輸

10、。4、HD RADIO(High-Definition Radio美國的數(shù)字聲音廣播技術(shù)最早是在1992年的國際會議上,以IBOC(In Band on Channel-帶內(nèi)同頻道的名稱公諸于世的。IBOC技術(shù)系統(tǒng)分為在調(diào)頻波段使用的FM-IBOC和在中波波段使用的AM-IBOC。FM-IBOC的競爭對象是DAB。由于在開始的很多年里,技術(shù)尚未成熟,在較長的一段時(shí)間中幾乎“銷聲匿跡”。經(jīng)過改進(jìn)的AM-IBOC系統(tǒng)建議于2000年底提交給ITU,2001年4月,DRM系統(tǒng)建議與AM-IBOC系統(tǒng)建議均被ITU通過而向全世界公布AM-IBOC成了DRM的競爭者。在2002年以前,FM-IBOC和A

11、M-I-BOC統(tǒng)稱HQ DSB(高質(zhì)量數(shù)字聲音廣播。鑒于在數(shù)字電視廣播中有HDFM-IBOC和AM-IBOCTV(高清晰度電視,為與其相對應(yīng),FM-IBOC和AM-IBOC分別更名為FM HD Radio和AM HD Radio,統(tǒng)稱HD Radio (高清晰度廣播。4.1HD Radio系統(tǒng)的工作原理HD Radio的工作頻率則和當(dāng)前分配給AM和FM 電臺的頻率是一樣的。利用正交頻分復(fù)用(OFDM數(shù)字技術(shù),HD Radio將新的數(shù)字信號放置于現(xiàn)有AM和FM 邊帶中的任一個(gè)之上。在AM波段上(頻率為530到1705kHz,常用的模式是同時(shí)聯(lián)播,即將同一個(gè)節(jié)目以模擬和數(shù)字兩種格式進(jìn)行發(fā)射。以前的

12、廣播將忽略數(shù)字內(nèi)容,而數(shù)字廣播則會接收數(shù)字信號。同時(shí)聯(lián)播也是FM波段(頻率為88到108MHz的初始工作模式。FM HD Radio電臺還具有多播能力?？梢苑指钇鋽?shù)字OFDM載波,并能產(chǎn)生多達(dá)8個(gè)的附加廣播信道。從本質(zhì)上講,HD Radio可以以最小的成本獲取多個(gè)額外的電臺。此外,HD Radio也可以像衛(wèi)星廣播那樣提供多種節(jié)目。但令人驚訝的是,它卻不需要新的頻譜。這將有可能成為一個(gè)電臺的新的廣告收入來源,盡管其最初的多播服務(wù)是免費(fèi)的。附加的內(nèi)容將以更清晰的音樂和談話節(jié)目吸引新的聽眾。HD Radio將數(shù)字技術(shù)的優(yōu)勢帶入了無線電廣播。命名為高音質(zhì)意味著其音頻響應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于一般AM廣播的5kHz帶

13、寬和FM廣播的15kHz帶寬?，F(xiàn)在,頻率響應(yīng)得到改進(jìn)的AM HD Radio聽起來更像是FM廣播,而FM廣播就差不多有CD音質(zhì)了。HD Radio真正的創(chuàng)新之處在于它能夠使用目前分配給模擬信號的同一頻譜來發(fā)射額外的數(shù)字信號。這和在歐洲、加拿大、亞洲和大多數(shù)世界其它地方已經(jīng)開通了好幾年的數(shù)字廣播是不同的。這一被稱為數(shù)字音頻廣播(DAB的系統(tǒng)在174到240MHz VHF和1450到1490MHz這兩個(gè)不同的范圍內(nèi)采用彼此獨(dú)立的頻譜。這種頻譜在美國還未提供,但是iBiquity Digital的圖2DRM發(fā)射機(jī)原理框圖圖3DRM 接收機(jī)原理框圖公司開發(fā)了HD Radio來解決美國境內(nèi)的頻譜問題。H

14、D Radio有兩種基本的工作模式:混合模式和全數(shù)字模式?；旌夏Ｊ竭\(yùn)作就是模擬和數(shù)字信息同時(shí)發(fā)射。大多數(shù)廣播(至少在開始的時(shí)候都會采用同時(shí)聯(lián)播的方式,相同的內(nèi)容通過信號中的模擬和數(shù)字部分同時(shí)發(fā)射出去。這種模式確保了舊式的模擬廣播和較新的HD模式廣播可以全面兼容。最終,HD Radio將會發(fā)展成為全數(shù)字模式。圖4顯示了用于AM和FM的混合格式。在AM信號中,正常模擬信號顯示的邊帶與載波頻率偏差為±5kHz。一共有兩套數(shù)字通道。主通道頻率范圍為10到15kHz,圍繞載波頻率值上下浮動。副通道頻率范圍為5到10kHz,圍繞載波頻率值上下浮動。同樣,第三邊帶的范圍在模擬載波以下±5

15、kHz,或者與之相差四分之一個(gè)周期?？偣灿?1個(gè)OFDM 載波,間隔為181.7Hz。主載波采用64QAM(正交振幅復(fù)用方式,而副載波則采用16QAM。第三邊帶載波則采用正交相移鍵控(QPSK。當(dāng)最終音頻帶寬為大約8kHz時(shí),數(shù)字音頻的位數(shù)據(jù)流為36kHz。FM頻譜則更復(fù)雜一點(diǎn)。如圖4(b所示,帶多個(gè)FM邊帶的模擬信號的頻率約為130kHz,該值圍繞載波頻率值上下浮動。包含在OFDM載波中的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的工作頻率為130到200kHz,圍繞模擬邊帶的頻率值上下浮動。上下兩個(gè)數(shù)字頻譜各包含了10個(gè)分區(qū),每個(gè)分區(qū)有18個(gè)副載波。對這些載波的利用取決于所提供服務(wù)的類型。也有用于全數(shù)字AM和FM模式的頻譜

16、圖,它們與此處所描述的混合模式頻譜圖有所不同。HD Radio發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的工作原理如下:首先,音頻內(nèi)容由iBiquity的編解碼器進(jìn)行數(shù)字化并壓縮,以降低總的比特率和所需傳輸帶寬。然后,該信號與其它待發(fā)射數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)一起被多路傳輸。復(fù)合信號完成了整個(gè)附加編碼過程,包括加擾、前向糾錯(cuò)(FEC編碼和交錯(cuò)。加擾過程將打亂或者說“漂白”數(shù)據(jù),以防止產(chǎn)生0或1的長字符串。FEC編碼,即Viterbi收縮卷積編碼(Viterbi punctured convolution-al encoding,增加了在噪音和衰退情況下信號的可靠性。交錯(cuò)則提供了時(shí)間和頻率的多樣性,從而有助于改善在信號損失情況下對信號的接

17、收。該步驟之后,成型的復(fù)合數(shù)字信息包被送往進(jìn)行OFDM映射和生成。最后,該信號和標(biāo)準(zhǔn)模擬信號一起被發(fā)射出去。出現(xiàn)在頻譜上的數(shù)字信息位于常規(guī)模擬邊帶值上下。雖然HD Radio技術(shù)十分復(fù)雜,但是有了現(xiàn)在的IC技術(shù),制作HD Radio也相對容易了(圖5。前端或者調(diào)諧器將AM和FM信號轉(zhuǎn)換成中頻(IF,一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC將IF數(shù)字化,以及一個(gè)DSP芯片來處理所有剩下的廣播功能。然后,數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC會驅(qū)動立體聲功率放大器。另外還需要一個(gè)內(nèi)置的嵌入式控制器來運(yùn)行各項(xiàng)功能,包括調(diào)諧功能和LCD顯示。4.2HD Radio的主要優(yōu)點(diǎn):可利用現(xiàn)有頻率,不需要額外分配新的頻率段;可圖4HD Radio

18、混合模式圖5HD Radio接收機(jī)信號處理原理框圖實(shí)現(xiàn)模擬/數(shù)字同播運(yùn)行,可以實(shí)現(xiàn)模擬廣播向數(shù)字廣播的順利過渡;投資低,具有可擴(kuò)展性(附加業(yè)務(wù)與節(jié)目,由于工作頻率較低,容易在室內(nèi)接收。5、結(jié)論DAB屬于高速、寬帶、多路傳輸系統(tǒng),系統(tǒng)工作在L和S波段,需要占用新的頻段,采用新的發(fā)射設(shè)備和特殊接收機(jī),而且目前其接收機(jī)的價(jià)格距離平民化還有一定的距離,影響了在國內(nèi)的迅速推廣。新的DRM廣播系統(tǒng)考慮到從模擬廣播到數(shù)字廣播的過渡階段,直接利用現(xiàn)有的中短波發(fā)射機(jī)和信道,不僅可以達(dá)到很好的音質(zhì),還能夠?qū)崿F(xiàn)與原有模擬調(diào)幅廣播節(jié)目的同播,不占用新的頻段,節(jié)省了頻譜資源,接收機(jī)可采用現(xiàn)有的中短波收音機(jī)或新的數(shù)字收音機(jī),價(jià)格低廉,易于推廣。與DAB相比,FM HD Radio最大的優(yōu)點(diǎn)是投資較低,不需要新的頻率指配,可實(shí)現(xiàn)模擬/數(shù)字同播運(yùn)行,實(shí)現(xiàn)由模擬到數(shù)字的平滑過渡。而頻譜利用率、傳輸質(zhì)量與DAB基本相同,移動接收的能力從理論上講能滿足要求,但要比DAB稍差(DAB可滿足最大250km/h。數(shù)字廣播技術(shù)多樣化的出現(xiàn),與各個(gè)國家和地區(qū)的實(shí)際情況相關(guān),不能單從技術(shù)的角度來作出哪一種廣播技術(shù)好的定論。比如,實(shí)現(xiàn)模擬FM廣播