中波數(shù)字AM廣播實(shí)現(xiàn)方案

1、中波數(shù)字AM廣播實(shí)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(duì)現(xiàn)有廣播發(fā)射機(jī)進(jìn)行改動(dòng)或更換，接收機(jī)可沿用當(dāng)前中波收音機(jī)的包絡(luò)檢波或采用相干解調(diào)，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度低，便于形成規(guī)模生產(chǎn)。討論了該方案實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)，并給出了發(fā)展和應(yīng)用前景。關(guān)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?yàn)槟MAM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(jìng)爭(zhēng)中，己越來越處于劣勢(shì)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(cái)富，應(yīng)該得到有效利用和保護(hù)。因?yàn)樵谶@個(gè)頻段內(nèi)，利用地波和天波能夠非常簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)而又高效地實(shí)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(zhǎng)期以來，世界各國(guó)為發(fā)展廣播事業(yè)己投入了巨額資金，大量的廣播電臺(tái)和設(shè)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(gè)具有挑戰(zhàn)性的課題：使傳統(tǒng)的AM廣播通過技術(shù)改造獲得新生。進(jìn)行數(shù)字化改造是克服模擬AM廣播的致命弱點(diǎn)唯一的出路。但如何實(shí)現(xiàn)數(shù)字化，世界各國(guó)的想法和做法并不一致，當(dāng)前比較成熟并己進(jìn)入商業(yè)化運(yùn)作體系的主要有2個(gè)：以歐洲各國(guó)為主體的世界數(shù)字無線電組織的DRM系統(tǒng)和美國(guó)iBiquit

3、y公司推出的IBOC系統(tǒng)。這2個(gè)系統(tǒng)都得到了國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU）的認(rèn)可，經(jīng)演播室和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試取得了預(yù)期的良好效果，有望在歐美及其周邊國(guó)家推廣應(yīng)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(shè)備和接收機(jī)的開發(fā)和生產(chǎn)，一旦形成氣候其產(chǎn)品就會(huì)迅速占領(lǐng)世界市場(chǎng)。這2種數(shù)字AV廣播體制的共同特點(diǎn)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(shè)計(jì)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(diǎn)，即功率消耗大、頻帶利用率低。但也帶來了一個(gè)十分現(xiàn)實(shí)的問題：必須對(duì)現(xiàn)有的模擬AM發(fā)射機(jī)進(jìn)行不同程度的改造和更換，并且開發(fā)設(shè)計(jì)全新的數(shù)字廣播接收機(jī)。因?yàn)檫@

4、2個(gè)系統(tǒng)是歐美發(fā)達(dá)國(guó)家根據(jù)自身經(jīng)濟(jì)和文化發(fā)展需要硏究和設(shè)計(jì)的，目的是占領(lǐng)世界數(shù)字廣播技術(shù)的制高點(diǎn)，這樣的開發(fā)思路是和他們的經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)相適合的。DRM作為世界上統(tǒng)一的短波段數(shù)字廣播標(biāo)準(zhǔn)，己經(jīng)基本上達(dá)成共識(shí)，但對(duì)于一般用于國(guó)內(nèi)或區(qū)域性廣播的中波段，各國(guó)的情況和思路不盡相同，ITU未能達(dá)成統(tǒng)一意見。美國(guó)根據(jù)本國(guó)情況堅(jiān)持推廣IB0C方案。對(duì)于中國(guó)這樣地域遼闊、擁有大量地方中波AM廣播電臺(tái)的發(fā)展中國(guó)家來說，如果直接釆用歐美方案實(shí)現(xiàn)AV廣播數(shù)字化，將面臨需要巨大的改造資金和技術(shù)投入的困難。如果新型數(shù)字廣播收音機(jī)因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)復(fù)雜，生產(chǎn)成本過高，短期內(nèi)難以形成市場(chǎng)的話，將不能激發(fā)生產(chǎn)廠商的投資熱情，反過來也會(huì)使數(shù)字

5、化改造更加步履艱難。所以，中國(guó)的中波數(shù)字AM廣播究竟應(yīng)該采用何種體制，仍是一個(gè)需要認(rèn)真硏究和慎重考慮的問題。作者研制的種適合中國(guó)發(fā)展的數(shù)字AV廣播體系方案，旨在解決歐美方案在實(shí)施中需要改動(dòng)或更換模擬AM發(fā)射機(jī)的困難。如果采用此方案，將能夠在短期內(nèi)為國(guó)內(nèi)大量地方中、小廣播電臺(tái)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(wù)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(jìng)爭(zhēng)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(diǎn)。因?yàn)檩d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?yàn)閭鹘y(tǒng)AM調(diào)制方式的這些缺點(diǎn)，換來了收音機(jī)能夠釆用簡(jiǎn)單的包絡(luò)檢波方式進(jìn)行信息解調(diào)的優(yōu)點(diǎn)。收音機(jī)成本的低廉是AM廣播在全球普及的一個(gè)重要原因，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全世界有20億臺(tái)中短波收音機(jī)在使用，僅美國(guó)就達(dá)到平均每戶5.6臺(tái)收音機(jī)的擁有量。在中國(guó)，大約有500多個(gè)地方中波廣播電臺(tái)，擁有大量的模擬AM發(fā)射機(jī)，幾十年來為了保證信息覆蓋、提高播音質(zhì)量，國(guó)家投入了大量資金，不斷進(jìn)行技術(shù)改造，近10年還更新了大批發(fā)射機(jī)，這些設(shè)備當(dāng)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(hào)分解成幅度部分（包絡(luò)信號(hào)）和相位部分，包絡(luò)信號(hào)送到脈沖調(diào)寬（PDM）發(fā)射機(jī)或脈沖階梯

7、調(diào)制（PSM）發(fā)射機(jī)的幅度調(diào)制器，作為高頻末級(jí)功放電子管的屏極電壓，相位信號(hào)則加到發(fā)射機(jī)的射頻通道，在分解成I、Q2個(gè)正交分量后分別對(duì)數(shù)字頻率合成器進(jìn)行控制，產(chǎn)生相位調(diào)制的射頻載波，加到高放末級(jí)電子管柵極。這2路信號(hào)在高放末級(jí)必須嚴(yán)格按照一定的時(shí)間同步進(jìn)行信號(hào)組合，才能產(chǎn)生一個(gè)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(hào)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(jī)需要做以下改動(dòng)：去掉現(xiàn)有的音頻處理器，增加1臺(tái)數(shù)字調(diào)制器；更換1臺(tái)數(shù)字頻率合成器；對(duì)發(fā)射機(jī)調(diào)制器的低通濾波器截止頻率進(jìn)行高端擴(kuò)展，重新調(diào)整發(fā)射機(jī)中和電路等。對(duì)一些舊設(shè)備未經(jīng)過改造的

8、屏調(diào)、乙類屏調(diào)或自動(dòng)屏調(diào)式發(fā)射機(jī),因?yàn)樗鼈兊囊纛l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(shè)計(jì)的，無法通過改造來實(shí)現(xiàn)上述過程，所以只能更換發(fā)射機(jī)。為避免發(fā)射機(jī)大規(guī)模的改造和更換，作者的思路是：對(duì)音頻信號(hào)進(jìn)行數(shù)字編碼，與其它附加數(shù)據(jù)混合后實(shí)現(xiàn)基帶信息數(shù)字化.數(shù)字基帶信號(hào)通過D/A變換直接送入發(fā)射機(jī)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(hào)傳輸框圖。圖2不改動(dòng)發(fā)射機(jī)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(jī)都能夠不做改動(dòng)就用來傳輸數(shù)字音頻。而且，在接收機(jī)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(luò)檢波的方式取出數(shù)字基帶信號(hào)，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(jī)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(jī)的解調(diào)方法。相干解調(diào)方案是從現(xiàn)有收音機(jī)的中頻輸出取信號(hào)，因?yàn)槭请p邊帶信號(hào)上下邊帶的數(shù)字信息相同，可分別對(duì)上下邊帶進(jìn)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(jī)的復(fù)雜度增加，可作為高檔收音機(jī)的解調(diào)方法。因?yàn)檫@個(gè)方案完全在原有的AM廣播管理體制內(nèi)實(shí)現(xiàn)，數(shù)字廣播信號(hào)所占的頻率和功率i普都不會(huì)超出原來模擬廣播電臺(tái)的工作范圍，廣播電臺(tái)只需選擇合適的空余頻道，而無須申請(qǐng)

10、新的頻率資源，最大限度簡(jiǎn)化了從模擬向數(shù)字轉(zhuǎn)化的手續(xù)?？偠灾@個(gè)方案的最大好處就是保護(hù)了原有的大功率發(fā)射設(shè)備投資，減輕了廣播電臺(tái)技術(shù)改造的負(fù)擔(dān)，并為開發(fā)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、能兼容接收模擬和數(shù)字廣播的普及型收音機(jī)提供了可能,使廣大廣播收聽者只需增加少量費(fèi)用就能夠享受數(shù)碼廣播帶來的一系列優(yōu)越性。這樣，國(guó)家、廣播電臺(tái)，聽眾和收音機(jī)生產(chǎn)商的利益和需求都將得到滿足，形成一個(gè)良性的生產(chǎn)和消費(fèi)鏈,可大大加快模擬AM廣播數(shù)字化在中國(guó)的進(jìn)程。3關(guān)鍵技術(shù)問題這個(gè)方案的技術(shù)難度，在于如何解決在4.5kHz或5kHz這樣窄的音頻帶寬內(nèi)，實(shí)現(xiàn)質(zhì)量?jī)?yōu)良的數(shù)字廣播所必須達(dá)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(rèn)為能夠采用

11、以下技術(shù)來提高系統(tǒng)性能，使其成為符合要求的實(shí)用系統(tǒng)。3.1OFDM多載波傳輸技術(shù)OFDM是一種頻帶利用率很高的多載波數(shù)字通信技術(shù)。其最大優(yōu)點(diǎn)是抗多徑，對(duì)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(shù)。因?yàn)樽髡叩姆桨钢挥?.5kHz可用帶寬（受中國(guó)的中波AM標(biāo)準(zhǔn)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(jì)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(zhǎng)度、參考導(dǎo)頻的插入密度和插入位置等，是設(shè)計(jì)成功的關(guān)鍵。通過計(jì)算機(jī)模擬，己經(jīng)取得一系列數(shù)據(jù)，有望滿足實(shí)際系統(tǒng)的要求。3.2先進(jìn)音

12、頻壓縮編碼算法當(dāng)前，DRM系統(tǒng)釆用了3種不同的MPEG-4壓縮技術(shù)來對(duì)音頻進(jìn)行壓縮編碼：先進(jìn)音頻編碼（ACC）、線性預(yù)測(cè)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(duì)自然語言進(jìn)行低速率和超低速率編碼的方法。IBOC系統(tǒng)則采用了美國(guó)自有的專利技術(shù)PAC編碼方式。壓縮編碼的目的是在保證聲音質(zhì)量的基礎(chǔ)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(shí)現(xiàn)在播音的同時(shí)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(qiáng)系統(tǒng)的魯棒性。作者己對(duì)AAC編碼方式進(jìn)行了深入研究，通過局部改進(jìn)其編碼方式和算法

13、，在16Kb/、時(shí)仍能保持較好的音質(zhì)，如能進(jìn)一步提升碼率，就能夠取得與DRM系統(tǒng)相當(dāng)?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(shí)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?jī)?nèi)容自動(dòng)調(diào)整數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)。比如，在播放語言類節(jié)目時(shí)能夠同時(shí)傳輸信息量大的附加數(shù)據(jù)，而在播放音樂類節(jié)目時(shí)則傳輸少量附加數(shù)據(jù)，甚至關(guān)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(guān)鍵是設(shè)計(jì)一個(gè)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(hào)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(xiàng)技術(shù)都己相當(dāng)成熟，但

14、是針對(duì)中波廣播信道設(shè)計(jì)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(jí)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(diǎn)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(jìn)一步提高信道編碼的糾錯(cuò)性能和帶寬效率，可釆用糾錯(cuò)能力更強(qiáng)的Turbo碼結(jié)合MLC進(jìn)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(fù)雜性，但與C0FDM+QAM方式相比，不需要在接收端進(jìn)行信道均衡，可大大降低接收機(jī)的復(fù)雜度，這對(duì)于今后生產(chǎn)低成本收音機(jī)，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(dāng)前，作者還在繼續(xù)嘗試將另種具有優(yōu)良糾錯(cuò)特性的低密度奇偶校驗(yàn)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(yīng)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(guó)國(guó)情出發(fā)，從當(dāng)前國(guó)內(nèi)廣播電臺(tái)的實(shí)際情況出發(fā)，參考與研究了國(guó)際上同類先進(jìn)技術(shù)，具有向上和向下雙向兼容的特點(diǎn)。所謂向下兼容，就是它的實(shí)現(xiàn)無須對(duì)現(xiàn)有廣播電臺(tái)的廣播發(fā)射機(jī)進(jìn)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(jī)就可實(shí)現(xiàn)，成本很低?，F(xiàn)有的收音機(jī)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(chǎng)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(dāng)中國(guó)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(jī)全部退出歷史舞臺(tái)時(shí)，因?yàn)榉桨冈跀?shù)字基帶信號(hào)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(dòng)，就可和新的發(fā)射機(jī)接口，作者在設(shè)計(jì)時(shí)己經(jīng)考慮，基本上是軟件方面的工作，能順理成章地與國(guó)際接軌。近期，釆用這個(gè)方案能較快地啟動(dòng)市場(chǎng)，給國(guó)民經(jīng)濟(jì)和人民生活帶來實(shí)惠和好處，至少有以下幾個(gè)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(tái)發(fā)射功率，節(jié)約能源；為廣播電臺(tái)開辟新的數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)提供可能，比如可進(jìn)行實(shí)時(shí)交通、旅

17、游、天氣、股票、短新聞等的文字信息傳送；推動(dòng)新一輪的數(shù)碼收音機(jī)的開發(fā)和制造產(chǎn)業(yè)，為汽車用戶提供新型收音機(jī)，將進(jìn)一步推動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)和消費(fèi)；為國(guó)家和國(guó)防需要提供新的數(shù)據(jù)備用通道。比如，在戰(zhàn)爭(zhēng)期間，其它信息媒體癱瘓時(shí)用來發(fā)布重要通告；在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)遭受病毒嚴(yán)重侵犯時(shí)，通過數(shù)字廣播通道快速發(fā)布?xì)⒉《拒浖??？偠灾?，根?jù)國(guó)情確立中國(guó)數(shù)字AM廣播新體制，并推動(dòng)其產(chǎn)業(yè)化，是提高中國(guó)信息科學(xué)硏究和技術(shù)進(jìn)步水平的一項(xiàng)重要任務(wù)。參考文獻(xiàn)那正義，范瑜，吳樂南.數(shù)字調(diào)幅廣播的DRM和IBOC技術(shù)J.電聲技術(shù)，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(guó)華.傳統(tǒng)調(diào)幅廣播的技術(shù)革命