【摘要】DRM是對(duì)30M赫茲以下調(diào)幅廣播波段的數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn),由世界數(shù)字廣播聯(lián)盟指定。在歐洲D(zhuǎn)RM廣播已經(jīng)逐漸走進(jìn)了大眾生活,在我們國(guó)內(nèi),也經(jīng)過(guò)了多次播出實(shí)驗(yàn),取得了良好效果。DRM基帶信號(hào)的產(chǎn)生需要經(jīng)過(guò)信源編碼,信道編碼和正交頻分復(fù)用調(diào)制(OFDM),以及選取合適的編碼/調(diào)制參數(shù)。本文結(jié)合目前我國(guó)中波廣播的實(shí)際情況,探討通過(guò)改造傳統(tǒng)模擬中波廣播發(fā)射系統(tǒng)將編碼/調(diào)制器生成的DRM基帶信號(hào)變換到射頻域并發(fā)射到空中。
【關(guān)鍵詞】技術(shù)難點(diǎn);傳統(tǒng)發(fā)射機(jī)改造分析;天線系統(tǒng)
一、技術(shù)難點(diǎn)
DRM基帶信號(hào)的功率密度函數(shù)在整個(gè)信號(hào)帶寬內(nèi)均勻分布,不像模擬AM信號(hào)(能量絕大部分在中心載波及其附近集中),是多載波信號(hào)。由于信號(hào)輸入通道的帶寬限制,導(dǎo)致了各子載波之間幅度具有差異,接收的可靠性收到一定的影響。足夠的時(shí)延帶寬是DRM廣播的另外一個(gè)要求,信道群時(shí)延特性的好壞,嚴(yán)重影響著各子載波之間的相位關(guān)系,群時(shí)延特性差一樣會(huì)導(dǎo)致接收困難。
關(guān)于模擬發(fā)射機(jī)進(jìn)行DRM數(shù)字化改造,有以下三個(gè)關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)需要解決:
1.音頻支路信號(hào)與相位支路信號(hào)的時(shí)延控制問(wèn)題
傳統(tǒng)模擬調(diào)幅發(fā)射機(jī)的數(shù)字化改造,需要將信道編碼調(diào)制器輸出的數(shù)字基帶信號(hào)分別輸入到發(fā)射機(jī)音頻支路和相位支路,即一路輸入包絡(luò)信息,一路輸入相位信息。由于兩路信號(hào)所經(jīng)過(guò)的信號(hào)處理路徑和步驟不同,因此到達(dá)發(fā)射機(jī)混頻管進(jìn)行信號(hào)合成時(shí)會(huì)存在延時(shí)誤差,這個(gè)延時(shí)誤差會(huì)嚴(yán)重影響DRM廣播信號(hào)的傳輸發(fā)射。
2.數(shù)字射頻激勵(lì)調(diào)制器
在傳統(tǒng)模擬調(diào)幅發(fā)射機(jī)上實(shí)現(xiàn)數(shù)字DRM信號(hào)的發(fā)射,需要將信道編碼調(diào)制器輸出的數(shù)字基帶信號(hào)調(diào)制到發(fā)射機(jī)實(shí)際工作的射頻頻率上,要實(shí)現(xiàn)該功能就必須采用DRM數(shù)字射頻激勵(lì)調(diào)制器替代載波發(fā)生器。
3.音頻支路數(shù)字信號(hào)處理問(wèn)題
傳統(tǒng)的模擬調(diào)幅發(fā)射機(jī)大多是依靠模擬技術(shù)來(lái)進(jìn)行音頻支路信號(hào)的處理,目前雖然部分電路采用了DSP(數(shù)字信號(hào)處理)技術(shù),但是不進(jìn)行特殊的,有針對(duì)性的數(shù)字化的改造,傳輸信號(hào)還是不能滿足DRM標(biāo)準(zhǔn)所要求的技術(shù)指標(biāo)。
通過(guò)開(kāi)發(fā)了發(fā)射機(jī)音頻支路與相位支路延時(shí)調(diào)整適配器、數(shù)字射頻激勵(lì)調(diào)制器、音頻支路數(shù)字信號(hào)處理器可以解決了以上三個(gè)技術(shù)難點(diǎn)。
二、傳統(tǒng)發(fā)射機(jī)改造分析
DRM基帶信號(hào)為數(shù)字信號(hào),發(fā)射時(shí)采用的調(diào)制方式為幅/相調(diào)制(I/Q),采用模擬方式完全通過(guò)天線發(fā)射出去之前,首先要進(jìn)行上變頻,將DRM基帶信號(hào)變換到射頻域。I/Q信號(hào)變換為幅度/相位信號(hào),對(duì)模擬載波信號(hào)進(jìn)行相位/幅度調(diào)制。由于發(fā)射機(jī)的類型不同,導(dǎo)致了DRM基帶信號(hào)變換到射頻域信號(hào)的過(guò)程也不同。
傳統(tǒng)的模擬發(fā)射機(jī),像數(shù)字調(diào)幅(DAM,包括DX、3DX),脈寬調(diào)制固態(tài)(PDM)和脈沖階梯調(diào)制(PSM)等非線性發(fā)射機(jī),在進(jìn)行DRM數(shù)字化改造的過(guò)程中需要在基于原發(fā)射機(jī)的平臺(tái)上增加數(shù)字頻率合成器,及DRM編碼/調(diào)制器。乙類屏調(diào)發(fā)射機(jī)受自身?xiàng)l件的限制是最不適合進(jìn)行DRM改造的機(jī)型。
對(duì)模擬發(fā)射機(jī)進(jìn)行DRM改造首先要獲得足夠的音頻帶寬。對(duì)于數(shù)字調(diào)幅DAM或DX、3DX發(fā)射機(jī)的數(shù)字化改造,為了拓寬音頻信號(hào)的輸入帶寬,需要將音頻通道中的低通濾波器進(jìn)行旁路。脈沖階梯調(diào)制PSM發(fā)射機(jī)通過(guò)拓寬PSM調(diào)制器之后的低通濾波器的帶寬來(lái)實(shí)現(xiàn)。固態(tài)PDM發(fā)射機(jī)需要拓寬用于PDM解調(diào)的低通濾波器的音頻帶寬來(lái)實(shí)現(xiàn)。
對(duì)于M2W中波廣播發(fā)射機(jī),雖然從結(jié)構(gòu)上看仍然是非線性發(fā)射機(jī),但是它的整體實(shí)現(xiàn)的功能接近于線性發(fā)射機(jī)。發(fā)射機(jī)本身具有對(duì)幅度/相位信號(hào)進(jìn)行相位和包絡(luò)分量提取的功能,同時(shí)發(fā)射機(jī)本身采用了優(yōu)異的數(shù)字信號(hào)合成技術(shù)和先進(jìn)的全數(shù)字域信號(hào)處理方法,所以最容易實(shí)現(xiàn)DRM廣播機(jī)型是M2W中波廣播發(fā)射機(jī)。由于M2W發(fā)射機(jī)采用數(shù)字化方式進(jìn)行信號(hào)的處理和變換,所以信號(hào)的變換精度相對(duì)較高,也省去了幅度調(diào)制的模擬環(huán)節(jié),只需要接入由DRM編碼/調(diào)制器產(chǎn)生的AES/EBU格式的I/Q分量信號(hào),即可實(shí)現(xiàn)DRM廣播。同時(shí)由于M2W中波廣播發(fā)射機(jī)的信號(hào)處理為全數(shù)字域的,每一個(gè)載波周期結(jié)束后,包絡(luò)調(diào)制參數(shù)和相位調(diào)制參數(shù)計(jì)算完成并存入寄存器,在下一個(gè)載波周期來(lái)臨時(shí)對(duì)應(yīng)于相應(yīng)的射頻放大模塊的輸出端,在發(fā)射機(jī)的末級(jí)槽路轉(zhuǎn)換為射頻信號(hào),而調(diào)制通道的幅度與相位不存在時(shí)延差,所以對(duì)M2W中波廣播發(fā)射機(jī)進(jìn)行DRM改造時(shí)不需要考慮延時(shí)控制問(wèn)題。
COFDM是DRM基帶信號(hào)采用的調(diào)制方式,峰值系數(shù)(峰值功率與平均功率之比)較高是COFDM信號(hào)的缺點(diǎn),統(tǒng)計(jì)顯示,DRM信號(hào)的峰值系數(shù)通常為9dB,這就對(duì)發(fā)射機(jī)是否有較高的峰值功率輸出能力提出了要求。
設(shè)一模擬調(diào)幅發(fā)射機(jī)載波額定功率為Pc,正峰最大調(diào)制度Mmax。則發(fā)射機(jī)的瞬時(shí)峰值功率為:
Pmax=(1+Mmax)2Pc
當(dāng)此發(fā)射機(jī)輸出DRM信號(hào)時(shí),能輸出的最大平均功率應(yīng)當(dāng)是在Pmax基礎(chǔ)上下降為0.125倍(即9dB)。
PDRM=0.125Pmax=0.125(1+Mmax)2Pc
設(shè)載波額定功率為10kW,最大正峰調(diào)制度140%,那么此發(fā)射機(jī)所能輸出的最大DRM平均功率為:
PDRM=0.125(1+Mmax)2Pc=0.125×(1+1.4)2×10=7.2kW(數(shù)字功率)
以上計(jì)算值是理論上的,也是發(fā)射機(jī)實(shí)際所能達(dá)到的最大值。發(fā)射機(jī)自身的非線性決定了發(fā)射機(jī)實(shí)際發(fā)射能力遠(yuǎn)低于該值。衡量DRM發(fā)射機(jī)性能指標(biāo)的一個(gè)重要因素是DRM最大平均功率,額定載波功率為10kW的模擬M2W發(fā)射機(jī),處于DRM模式下工作時(shí),在確保調(diào)制誤差率不超過(guò)-35dB的條件下,可傳輸6.8-7kW的DRM平均功率,在現(xiàn)有發(fā)射機(jī)中是很高的。
發(fā)射機(jī)的非線性決定了各子載波之間的互調(diào)分量必然產(chǎn)生,進(jìn)而導(dǎo)致了接收時(shí)的解碼麻煩。此外,衡量一臺(tái)發(fā)射機(jī)是否適合DRM數(shù)字化廣播的另一個(gè)重要條件是發(fā)射機(jī)的幅度和相位調(diào)制通道間的時(shí)延差,它必須被控制在一定的范圍內(nèi),這種時(shí)延差的控制方式主要有兩種:手動(dòng)調(diào)制控制和自適應(yīng)控制。
三、天線系統(tǒng)
天線系統(tǒng)的帶寬限制直接影響了DRM信號(hào)各載波之間的相位改變,以及各載波不同程度的幅度衰減,還可能與鄰近發(fā)射機(jī)產(chǎn)生作用,導(dǎo)致帶外發(fā)射功率,天線帶寬的平坦響應(yīng)度能降低部分帶外發(fā)射功率,當(dāng)DRM信號(hào)帶寬與天線帶寬相當(dāng)時(shí),可能發(fā)射機(jī)接天線和接測(cè)試負(fù)載測(cè)得的射頻頻譜不等,所以當(dāng)設(shè)置預(yù)校正參數(shù)時(shí),要考率到天線特性產(chǎn)生的影響。
目前中波天線是多種多樣的,但覆蓋區(qū)域和傳播模式(純地波傳播模式、地波/天波混合傳播模式)決定了天線的配置。中波天線在工作頻率上被調(diào)整為純電阻,在工作頻率兩側(cè),增加了虛部,對(duì)發(fā)射機(jī)呈現(xiàn)為復(fù)數(shù)阻抗,對(duì)于DRM來(lái)說(shuō),由于在中心頻率兩側(cè)阻抗的虛部改變符號(hào),同時(shí)在中心頻率兩側(cè)的變化率(下降或上升)相等,即在中心頻率以下為電容性,那么在中心頻率以上為電感性,反之亦然,即天線的阻抗特性是對(duì)稱的。
天線輻射效率直接決定了覆蓋半徑,與模擬調(diào)幅發(fā)射類型。駐波比特性可以表征天線帶寬,通過(guò)開(kāi)路實(shí)驗(yàn),選擇9kHz帶寬的DRM模式,中心頻率附近正負(fù)10kHz帶寬內(nèi)駐波比要求小于1.2;正負(fù)15KHz帶寬內(nèi)要求小于1.4。而對(duì)于選擇18KHz或20KHz為帶寬的DRM模式(數(shù)模同播模式,純DRM模式),要得到滿意覆蓋的效果則對(duì)天線特性要求更高。
四、結(jié)束語(yǔ)
結(jié)合數(shù)字調(diào)幅廣播DRM的發(fā)展趨勢(shì)和我國(guó)目前中波廣播的現(xiàn)實(shí)狀況,對(duì)于我國(guó)目前正在使用的中波廣播發(fā)射機(jī)進(jìn)行DRM數(shù)字化改造,推進(jìn)廣播的數(shù)字化是完全必要地。在現(xiàn)有設(shè)備的基礎(chǔ)上,通過(guò)有限改動(dòng),在增加數(shù)字編碼調(diào)制器的基礎(chǔ)上進(jìn)行DRM廣播,天線系統(tǒng)不需要做大的工程性改變,數(shù)字化過(guò)渡門檻低、代價(jià)小。