關(guān)于數(shù)字廣播DRM系統(tǒng)的論述

王洪國

【摘要】本文針對現(xiàn)在數(shù)字廣播的DRM技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的分析，根據(jù)DRM系統(tǒng)產(chǎn)生的背景，特點(diǎn)以及關(guān)鍵的技術(shù)做出了重要的闡述。

【關(guān)鍵詞】DRM;廣播;編碼

1.DRM系統(tǒng)產(chǎn)生的背景

1.1 模擬AM廣播需要數(shù)字化

多年來短波廣播就變得沒有什么吸引力了。原因主要在于差的聲音質(zhì)量以及麻煩的操作與電臺尋找。AM廣播自身的缺點(diǎn)和加之其它數(shù)字媒體的競爭，其結(jié)果是調(diào)幅廣播的不景氣，聽眾數(shù)量下降。AM廣播的數(shù)字化，可以使聲音質(zhì)量得到明顯的改善，通過好的質(zhì)量再來吸引聽眾。此外，數(shù)字化后，可以通過傳輸附加數(shù)據(jù)，例如電臺名稱和替換頻率，可使接收機(jī)的操作變得簡單容易。

從能量的利用來看，AM發(fā)射功率中的很大一部分是用于載波（例如，當(dāng)平均m=0.3時(shí)，載波功率占發(fā)射總功率的95.7 %），對信號本身甚至完全沒有好處?，F(xiàn)今中短波廣播發(fā)射機(jī)功率都很大，與此相聯(lián)系的是有相當(dāng)高的運(yùn)行費(fèi)用。

從頻率資源的利用來看，30MHz以下的廣播波段有其特有的性能，它能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離和大范圍的覆蓋，是實(shí)現(xiàn)地區(qū)性、全國性及國際性廣播覆蓋的最好手段之一，而且它的良好的快速移動接收特性是其它數(shù)字傳播媒體所不能相比的。因此，其它眾多媒體的數(shù)字化并不能代替AM廣播的數(shù)字化。

1.2 全世界需要統(tǒng)一的數(shù)字化系統(tǒng)

無論是數(shù)字AM系統(tǒng)建議的提出者，還是廣播機(jī)構(gòu)、發(fā)射機(jī)和接收機(jī)制造廠商乃至聽眾，都希望全世界有一個(gè)統(tǒng)一的數(shù)字AM制式和標(biāo)準(zhǔn)。世界統(tǒng)一的制式與標(biāo)準(zhǔn)，也是接收機(jī)廉價(jià)的前提條件。

為了選擇合適的統(tǒng)一的數(shù)字AM系統(tǒng)，1998年3月在中國廣州成立了數(shù)字AM廣播的國際組織DRM（Digital Radio Mondiale）聯(lián)盟。DRM聯(lián)盟的目標(biāo)是開發(fā)數(shù)字長、中、短波廣播的世界范圍的標(biāo)準(zhǔn)，并提供一個(gè)系統(tǒng)建議，供ITU進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。經(jīng)過緊張工作，DRM提出了系統(tǒng)建議，并于2001年4月在ITU作為正式的建議書而獲得通過。

DRM系統(tǒng)在2001年10月被ETSI標(biāo)準(zhǔn)化，并在2002年3月經(jīng)IEC通過，DRM系統(tǒng)規(guī)范正式生效，為AM波段廣播的數(shù)字化鋪平了道路。國際上不少廣播機(jī)構(gòu)的部分發(fā)射臺，已經(jīng)從2003年6月16日（日內(nèi)瓦召開ITU無線電行政大會）開始，以DRM方式正式投入廣播運(yùn)行，這標(biāo)志著30MHz以下的廣播新時(shí)代的開始。

DRM系統(tǒng)是經(jīng)過嚴(yán)厲的開路試驗(yàn)、技術(shù)成熟的系統(tǒng)。DRM系統(tǒng)是世界上唯一的非專利的數(shù)字系統(tǒng)，用于短波、中波/AM和長波，它可以使用已有的頻率和帶寬。是對模擬AM廣播的重大改善。DRM系統(tǒng)充分考慮到了與ITU現(xiàn)有的邊界條件相一致以及與現(xiàn)有的模擬業(yè)務(wù)的兼容，并保證了由模擬廣播向數(shù)字廣播的平滑過渡。

2.DRM系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

DRM系統(tǒng)具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

（1）可以傳輸數(shù)據(jù)、圖像、文件等，不但能聽而且能看;

（2）發(fā)射功率小，節(jié)約能源，減少污染;

（3）可以進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，節(jié)約人力資源;

（4）采用數(shù)字壓縮技術(shù)，提高了頻譜利用率;

（5）抗干擾性能好，可以消除傳輸過程中的噪聲和失真的積累;

（6）數(shù)字信號便于存儲、交換、處理和計(jì)算機(jī)連接;

（7）采用糾錯編碼措施，可以修改傳輸過程中出現(xiàn)的差錯.

3.DRM廣播傳輸技術(shù)分析

3.1 信息復(fù)用

在廣播系統(tǒng)里，信息主要是指音頻節(jié)目源，為了增加節(jié)目的娛樂性，提高商業(yè)價(jià)值，可以加入圖片和文字等信息。信息數(shù)字化后就可以將各種獨(dú)立的信息進(jìn)行合成、打包，合成信息的數(shù)量與傳輸帶寬、編碼方式等有密切的關(guān)系，如果采用高壓縮比的編碼方式，傳輸?shù)男畔⒘烤涂梢韵鄳?yīng)的增加。

對于數(shù)字廣播來說，就意味著可以將多套節(jié)目先進(jìn)行量化、編碼數(shù)字化處理，然后與各種文字、圖片信息復(fù)用打包，形成一個(gè)內(nèi)容豐富多樣、包含多種信息的復(fù)合節(jié)目。復(fù)合節(jié)目再與遠(yuǎn)程控制有關(guān)的MDI （Multiplex Distribution Interface）、MCI （Modulator Control Interface）信息合成，采用TCP/IP協(xié)議通過網(wǎng)絡(luò)適配卡送到網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行長距離的傳輸。信息復(fù)用器中的源編碼方式、MCI、MDI的配置都可以由用戶按照需要進(jìn)行選擇，原理框圖如圖1所示。

圖1 信息復(fù)用原理框圖

整個(gè)系統(tǒng)由編碼器、MCI發(fā)生器、MDI發(fā)生器、輸出卡和用戶操作系統(tǒng)組成。為了增加信道傳輸?shù)男畔⒘浚档蛿?shù)字音頻信號的數(shù)據(jù)率，需要對音頻等信號進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮或碼率壓縮，去掉音頻信號中的不影響質(zhì)量的冗余成分，稱為信號源編碼，數(shù)字廣播采用的編碼方式是MPEG4。

編碼器可以接收模擬單聲道、多聲道和數(shù)字音頻信號，目前最多可以對4路音頻信號進(jìn)行編碼處理。根據(jù)每一路音頻的實(shí)際情況選擇采用合適的技術(shù)（AAC、CELP、HVXC）進(jìn)行編碼，根據(jù)四路音頻信號重要性的不同，可以選擇不同的保護(hù)級，保護(hù)級越高的信息抗干擾的能力越高。網(wǎng)頁、文本信息以及各種圖片可以通過文件的方式輸入，然后進(jìn)行編碼。各種形式的輸入信號一起編碼完成后就形成了SDI （Service Distribution Interface）信號，SDI信號是所有的輸入信號按照已定的編碼方式編碼完成后的合成碼流。MDI信號是與DRM調(diào)制器有關(guān)的信息，包括FAC、SDC、MSC、調(diào)制模式、保護(hù)率等信息，用戶可以直接在系統(tǒng)里根據(jù)傳輸情況進(jìn)行調(diào)整，以達(dá)到最好的配置。

MCI是遠(yuǎn)程控制關(guān)鍵組件，主要是對調(diào)制器的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，包括發(fā)射機(jī)號、調(diào)制器功率、頻率、頻率漂移以及延時(shí)信息等。MCI最多能夠控制10個(gè)調(diào)制器。DCI信號與MDI信號一起形成符合DI協(xié)議的DRM信號，然后根據(jù)設(shè)置的連接類型、網(wǎng)絡(luò)地址和端口號傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)上為下一級使用。

3.2 信源編碼

信源編碼的任務(wù)主要是解決數(shù)據(jù)存儲、交換、傳輸?shù)挠行詥栴}。即通過對信源數(shù)據(jù)率的壓縮，力求用最少的數(shù)碼傳遞最大的信息量。在DRM系統(tǒng)中，信源編碼的任務(wù)主要是解決傳輸?shù)挠行栴}。在DRM系統(tǒng)中，最關(guān)鍵的技術(shù)之一是信源編碼方法。

為在給定的比特率下提供更好的質(zhì)量，系統(tǒng)使用了屬于MPEG 4的不同的信源編碼方案，以適應(yīng)在數(shù)字AM廣播中不同節(jié)目（音樂/語言）和不同帶寬的需要。

（1）MPEG 4子集AAC（先進(jìn)音頻編碼），包括抗差錯強(qiáng)壯性處理，用于普通單聲道和立體聲廣播。

（2）MPEG 4子集CELP（碼本激勵線性預(yù)測）語音編碼，用于單聲道語音廣播 ，對很低比特率是有效的，或者適合于在要求較高的抗差錯強(qiáng)壯性的情況下應(yīng)用。

（3）MPEG 4子集HVXC（諧波矢量激勵編碼）語音編碼，用于很低比特率和抗差錯強(qiáng)壯性單聲道語音廣播，特別適合于基于語音數(shù)據(jù)的應(yīng)用。

除了上述的編碼方法外，在DRM系統(tǒng)中還應(yīng)用了頻帶恢復(fù)（SBR—Spectral Band Replication）技術(shù)，它是一種在低比特率情況下獲得完全音頻帶寬的音頻編碼增強(qiáng)方法（工具），它可以與AAC、CELP和HVXC聯(lián)合應(yīng)用，構(gòu)成目前能力最強(qiáng)的壓縮方法。僅AAC本身效率已經(jīng)比的MP3方法高出30%，然而由于窄的有限的帶寬，僅使用AAC是不夠的。借助附加應(yīng)用的SBR，可以在保持同樣高的音頻質(zhì)量的情況下，數(shù)據(jù)率還可以再減低40%。這樣就有可能傳輸數(shù)據(jù)率僅為25kb/s左右的高級的音頻信號，遠(yuǎn)不到ISDN線路的1/3。當(dāng)節(jié)目是純粹的語言內(nèi)容時(shí)，例如新聞節(jié)目，在DRM系統(tǒng)中比特率甚至可以減低到10kb/s—2kb/s。

信源編碼傳送的比特流傳輸格式要變化為適合于DRM系統(tǒng)的要求。采用不等錯誤保護(hù)（UEP），以便在有錯誤傾向的傳輸信道中改善系統(tǒng)的性能。

3.3 信道編碼

在實(shí)際的無線電信道中傳輸數(shù)字信號時(shí)，由于信道的不理想或噪聲和干擾的影響，使接收的信號產(chǎn)生差錯。要使差錯限制在一定的允許范圍內(nèi)，數(shù)字基帶信號在進(jìn)行調(diào)制前，必須進(jìn)行信道編碼，又稱差錯控制編碼。

所謂信道編碼，是按照一定的規(guī)則，在信源編碼后的數(shù)據(jù)流中，人為加進(jìn)冗余，即補(bǔ)充差錯保護(hù)，使信源編碼的信號盡可能無干擾地通過傳輸信道送到接收機(jī)，也就是說，通過信道編碼，當(dāng)出現(xiàn)傳輸差錯時(shí)，在接收機(jī)中可以進(jìn)行識別和修正。

信道編碼器的輸入碼率與輸出碼率之比稱為信道編碼率，信道編碼率越低，保護(hù)程度越高，糾錯能力越強(qiáng)。在數(shù)字通信中，只需較低的信噪比就可以保證信息的可靠傳輸，主要?dú)w功于信道編碼。然而，由于信道編碼時(shí)加進(jìn)了差錯保護(hù)，會使在信道上傳輸?shù)目倲?shù)據(jù)率變大，這就是為確保傳輸可靠性所付出的代價(jià)。

選擇信道編碼方法時(shí)，首先是在給定的剩余比特差錯率（在應(yīng)用了信道編碼和相應(yīng)的解碼后剩余的差錯）和平均編碼率以及傳輸帶寬下，選擇允許最低的載噪比C/N的一種方法。好的信道編碼方法，使剩余比特差錯率曲線向小的C/N方向移動。對于廣播傳輸來說，卷積碼相對于代數(shù)學(xué)的塊碼是有好處的。因此，DAB和DVB-T傳輸系統(tǒng)都選擇了卷積碼。

在同時(shí)考慮到能力和復(fù)雜性的情況下，DAB信道編碼系統(tǒng)，是基于存儲深度為6、相應(yīng)的約束長度為7和26=64狀態(tài)的卷積碼來實(shí)現(xiàn)的?？紤]到實(shí)際應(yīng)用的有效性和模塊的通用與廉價(jià)性，DRM系統(tǒng)使用了與DAB完全相同的信道編碼器。

3.4 電臺發(fā)送

電臺發(fā)送是各臺在整個(gè)系統(tǒng)中主要的任務(wù)，他接收接傳機(jī)房送來的復(fù)合信息然后進(jìn)行廣播發(fā)射，也可以作為一個(gè)獨(dú)立的節(jié)目制作、發(fā)送系統(tǒng)。在信號送入發(fā)射機(jī)之前需對信號進(jìn)行一系列處理，處理系統(tǒng)我們可以稱為DRM發(fā)生源。它的主要功能包括編碼、數(shù)字調(diào)制、延時(shí)信號調(diào)整、音頻信號副相分離、射頻信號相位調(diào)制等。

4.結(jié)論

將來的中短波廣播是數(shù)字廣播，DRM系統(tǒng)有廣泛的市場，對此不應(yīng)有任何懷疑。然而技術(shù)優(yōu)越并不是有成效的市場的保證，必須充分認(rèn)識數(shù)字廣播對廣播機(jī)構(gòu)和聽眾帶來的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。同時(shí)，要制定出明確的發(fā)展與實(shí)施戰(zhàn)略。同樣很重要的是，要像開發(fā)數(shù)字電視那樣，對數(shù)字廣播的啟動也應(yīng)有相應(yīng)的組織保證和大的資金投入。