中波廣播發(fā)射系統(tǒng)DRM改造理論淺析

【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。