調幅廣播發(fā)射機的數字化改造

劉洋

摘要：該文介紹了中、短波廣播的數字化改造，也即DRM廣播的原理，改造中要用到的DRM編碼調制器這一重要部件的工作原理，DRM改造遇到的問題及解決的辦法，并簡介了美國大陸公司對100KW PSM調制短波廣播發(fā)射機的改造。

關鍵詞：數字化改造；DRM編碼調制器；COFDM；數字頻率合成器

中圖分類號：TP37 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）03-0204-03

1 數字廣播發(fā)展

在科學技術高速發(fā)展的當代社會，數字技術越來越深入到我們的日常生活當中。最常見的是數字電視正全面在全國推廣、普及，并逐漸被普通百姓接受和認可?，F行的中、短波調幅廣播，以其能進行遠距離、大面積覆蓋的特殊優(yōu)點，是數字電視、數據廣播等其他信息傳播方式所不能替代的，并成為各個國家機構必有的宣傳工具。中、短波廣播要在各種信息傳播方式激烈的競爭中取得一席之地，就必須跟上時代的發(fā)展，進行數字化改造。

數字廣播中比較突出的是DAB和DRM兩種方式。數字音頻廣播DAB（Digital Audio Broadcasting）在本地范圍接收效果較好，所以，現有的覆蓋本地范圍的調頻廣播的發(fā)展趨勢就是向DAB廣播轉換。而DRM廣播是現有的調幅中、短波廣播的發(fā)展趨勢。DRM（Digital Radio Mondiale）直譯為世界范圍的數字廣播， Mondiale在意大利語和法語中是世界范圍的意思，也可意譯為數字調幅廣播。DRM廣播是適用于30MHZ載頻以下的數字廣播?，F在又發(fā)展了一種DRM+的數字廣播，是針對30-300MHZ的VHF（甚高頻）頻段廣播設計的。目前，全世界范圍以DRM方式運行的廣播電臺的數目已增加到70多個。在我國，廣電總局無線局于2002年4月在海南進行了首次DRM 廣播實驗，2003 年又進行了兩次DRM 廣播實驗， 從海南向北京發(fā)送的節(jié)目效果比模擬廣播有明顯的改善。一些地方臺也進行了DRM廣播的實驗研究，并在積極引進DRM廣播發(fā)射機。

2004年，通過聯(lián)合攻關，中國傳媒大學、國家廣播電影電視總局廣科院和無線局基于DRM（ETSI ES 201 980）標準首次在國內自主研制成功了數字調幅廣播（DRM）系統(tǒng)，建立了我國自己的數字調幅廣播（DRM）系統(tǒng)傳輸覆蓋、外場測試實驗平臺和試驗環(huán)境，解決了模擬調幅廣播發(fā)射機數字化改造中的一系列關鍵技術問題。

中、短波調幅廣播的發(fā)展趨勢就是向DRM廣播轉化，現有的中、短波廣播發(fā)射機在進行了DRM改造后，仍可繼續(xù)使用，并且仍可使用原有的天饋線系統(tǒng)，這樣就避免了浪費，節(jié)約了改造成本。DRM廣播發(fā)射還可以傳輸其他的有用數據，如視頻、文字等，實現資源共享，它除了具有數字廣播的一般優(yōu)勢，如抗干擾能力強，傳輸可靠性高，聲音質量好，節(jié)約頻譜等優(yōu)點外，就是移動接收效果也很好，而當今的社會，在車中收聽廣播也是很普遍的現象。所以實現中短波廣播數字化后，收聽人群比以前也會有一定的擴大。

作為一個廣播發(fā)射工作人員，我深感廣播發(fā)射和接收的數字化工作是擺在我們眼面前的問題，是我們工作的具體目標。雖然我國廣播發(fā)射機的數字化改造尚未全面進行，但通過查閱國內外的一些相關資料，對廣播發(fā)射機的數字化改造有一定了解是必要的。

2 現有中、短波調幅廣播發(fā)射機進行數字化改造的基本原理

首先，音頻信號經過音頻處理器進行動態(tài)壓縮，送入新增加的設備—DRM編碼調制器中，DRM編碼調制器的主要作用簡單地說，就是把音頻信號處理成滿足DRM發(fā)射要求的COFDM基帶信號，并且對這些信號進行預先調整，以改善發(fā)射機的非線性造成的不利影響，使發(fā)射信號符合國際電聯(lián)（ITU）準則。

COFDM基帶信號中的相位分量I（t）和正交分量Q（t）分為兩路，一路轉換為包絡分量A（t），A（t）送入需改造發(fā)射機的調制通道，如同原來的音頻信號一樣，被放大后輸入被調級，另一路在數字頻率合成器中通過相位計算，提取出相位分量，對數字頻率合成器產生的射頻載波分量進行相位調制，變?yōu)橄辔徽{制的射頻等幅振蕩信號Φ（t），作為激勵信號送入需改造發(fā)射機的激勵通道，經各級射頻放大，A（t）和Φ（t）通過延時處理后同時到達被調級，經調制放大后輸出幅度和相位同時被調制的射頻信號，這一信號使用原來的輸出回路及天、饋線系統(tǒng)發(fā)射到服務區(qū)。 上述過程如圖1所示：

在改造中，新增加了DRM編碼調制器，并把原來的頻率合成器改成數字頻率合成器，它們都是DRM廣播中的重要部件。現分別簡介其原理如下：

2.1 DRM編碼調制器

DRM編碼調制器的原理簡圖如圖2所示：

編碼調制器主要完成三種業(yè)務通道（主業(yè)務通道 MSC，快速接入通道FAC，業(yè)務描述通道SDC）的信道編碼和星座圖映射（也即進行QAM調制），導頻信號的插入，及COFDM 基帶信號的形成。

音頻信號通過信源編碼器進行信號的壓縮，變成合適的數字傳輸格式，與要傳送的數據在復用器里合成，然后通過信道編碼器加擾，這樣可以使輸入比特流的頻譜變得更加分散，減小連“0”、連“1”出現的概率，進而可以降低COFDM信號的峰值-平均功率比（PAPR），以減少信號的干擾，信道編碼器將比特流進行卷積編碼，然后再做QAM調制，然后送入單元交織器，單元交織把QAM調制后的符號在時間頻率坐標上隨機的分開， 降低信號傳輸中由于衰落造成大面積誤碼的影響。交織器的主要作用是將原始數據序列打亂， 使得交織前后數據序列的相關性減弱，單元交織將QAM映射后的碼元重新排序，以便獲得一定的時間分集，進一步提高抗干擾性能，導頻發(fā)生器為接收機提供信道狀態(tài)信息，用于信號的解調。需傳輸的數據信號，如FAC（快速訪問信道）、SDC（業(yè)務描述信道）等，經過預編碼器將輸入的信息轉換成合適的比特流格式，也經過QAM調制，和從單元交織器出來的主信道數據MSC、導頻信號、在COFDM單元映射器中被集中起來，COFDM單元映射器將三種業(yè)務的碼元和導頻符號在頻率和時間軸上重新排序，使之對應于特定的COFDM子載波。放入時頻柵格中，送入COFDM發(fā)生器，COFDM發(fā)生器以相同的時間序將每個單元組轉換成時域來表示的信號，這一信號經D/A轉換，再經濾波，輸出COFDM數字基帶信號，也即DRM基帶信號。

在上述過程中，使用的是編碼正交頻分復用方法，即COFDM（Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing），音頻信號及各種數據在DRM編碼調制器中按一定規(guī)則進行分離，被分配到不同的載波上進行傳送。在這些載波上的調制使用正交幅度調制（Quadrature Amplitude Modulation），即QAM調制，QAM 調制的主要功能是對復用后的數字音頻信號和需傳輸的數字信號進行調制，使其具有較高的抗干擾能力。

QAM調制是幅移鍵控ASK（Amplitude shift keying）和相移鍵控（Phase shift keying）的結合，即把數字調幅和數字調相結合起來。QAM調制使用兩個相同頻率的正弦載波，每個載波可以使用一個糾錯碼，但是相位相差90度，互成正交關系。Q A M同時利用了載波的幅度和相位來傳遞信息比特，不同的幅度和相位代表不同的編碼符號。兩種被調制的載波在發(fā)射時已被混和，到達目的地后，載波被分離，數據被分別提取然后和原始調制信息相混和。

DRM廣播中使用的主要是八進制QAM ，即64QAM。64QAM是一種在6MHZ 基帶帶寬內正交調幅的X進制（X=2，4，8，16）的二維矢量數字調制技術，通過2-6電平變換器（26=64）將二進制信號每6個分為一組，進行串并轉換，形成a1a2a3和b1b2b3，3個位共可表征8種狀態(tài)，所以兩路正交的六電平幅度調制信號疊加共計8 × 8=64 種。

2.2 數字頻率合成器

現在一般使用直接數字頻率合成器DDFS（Direct Digital Frequency Synthesizer）或簡稱DDS。DDS中使用現場可編程門陣列邏輯控制器FPGA（ Field Programmable Gate Array）控制各種調幅、調相等波形輸出。

在DRM發(fā)射機中使用的激勵信號Φ（t）與傳統(tǒng)的激勵信號不同，傳統(tǒng)的由頻率合成器產生的激勵信號是等幅同相的RF信號，而從數字頻率合成器中輸出的RF信號，雖然也是等幅的RF信號，但卻經過了調相處理，即載波的初始相位隨著基帶數字信號而變化。

這樣經過調相后，音頻信號的信息就由RF信號的相位變化體現了出來，并作為激勵信號通過原發(fā)射機的射頻放大通路進行放大。

3 DRM廣播發(fā)射機改造

3.1 DRM廣播發(fā)射機改造的要求

DRM改造時，要求發(fā)射機滿足下列四個條件。

1） 要求需改造的機器具有良好的線性。這是為了減少產生的附加頻率成分，減少帶外發(fā)射，減少波形失真，滿足中、短波廣播標準對頻帶的要求，而且發(fā)射機的線性不好會導致頻帶范圍的縮小。

2） 幅度失真和相位失真盡量地小，這樣才能使數字信號精確地還原為初始信號

3） 音頻幅度、音頻帶寬、射頻帶寬都有一定的要求。這是因為在編碼調制器中信號經過了QAM調制，其輸出的COFDM基帶信號是多載波的，這些載波的動態(tài)特性可能會使輸入載波的調幅負峰瞬間變?yōu)?，引起相位調制信號的寬帶噪音和瞬間反相，引起互調產物和帶外發(fā)射。以我國所處的地理位置，國際電信聯(lián)盟（ITU）推薦的發(fā)射帶寬，中波是9KHZ或18KHZ，短波是10KHZ。進行DRM數字廣播時，為滿足立體聲和同時發(fā)射其他數據的要求，中、短波都需要擴展帶寬，美國大陸公司推薦在我國的地理位置，進行DRM廣播時，中、短波的射頻（Φ（t）信號）帶寬為40KHZ，幅度調制（A（t））帶寬為30KHZ—40KHZ?，F代的CPU—密集型壓縮技術可以使獲得的帶寬得到更有效的使用。

4） A（t）在被調制過程中的調幅負峰也要盡量達到100%，以消除過調引起的互調失真。

3.2 PSM調制短波廣播發(fā)射機的DRM改造

從DRM編碼調制器出來的數字COFDM基帶信號可以經過兩種放大器：線性放大器和非線性放大器，線性放大器結構簡單，信號變換精確度高，但效率低，不適用于現實生活 。通常使用非線性放大器，效率高，適用于大功率發(fā)射機，但對發(fā)射機的要求也更高，要求較寬的音頻輸入帶寬；較寬的射頻輸出帶寬；并且要求發(fā)射機的線性良好，峰值功率輸出能力較高。

美國大陸公司（Continental Electronics Corp.）對大功率PSM調制短波廣播發(fā)射機的DRM改造已經有了較成熟的計劃，大概的改造情況如下：

1） 增加功率模塊開關頻率。在大功率PSM發(fā)射機中，調制器后接的低通濾波器設置不好，會產生相位和頻率的非線性失真，為減少非線性失真，需增加功率模塊的開關頻率，結果會導致音頻帶寬的增加。在DRM改造時，把開關頻率提高到120KHZ到150KHZ，盡量使音頻發(fā)射帶寬在4.5到10KHZ之內。

2） 拓寬PSM調制器之后的低通濾波器的帶寬。在把COFDM基帶信號變?yōu)榘jA（t）和射頻調相分量Φ（t）的過程中，在理論上信號的帶寬就會變?yōu)闊o窮大，在實際中則要求A（t）和Φ（t）的帶寬是I（t）或Q（t）的三到四倍。為此，大陸公司調整了低通濾波器中所有電容和電感的數值，以適應寬帶工作的要求。如圖3所示：

3） 改造了調制器控制器的單邊帶發(fā)生器A1、單邊帶均衡器A2、音頻通路板A4，在這些板中去除了音頻輸入濾波器，提供直流耦合，并添加了自動/手動切換到DRM廣播的裝置。

4） 使用數字頻率合成器替代原來的頻率合成器。美國大陸公司認為，一臺輸出100KW載波功率（峰值功率400KW）的發(fā)射機，可以產生25KW的DRM調制平均功率，其調幅正峰可在12dB之內變化，但如果這臺發(fā)射機的數字平均功率即使只增加了2dB，發(fā)射機都會對幅度信號產生切削，引起帶內和帶外互調產物產生，對相鄰頻道產生干擾，所以需正確處理發(fā)射機的切削問題。在數字頻率合成器的前端把I（t）和Q（t）信號先作切削，然后通過數字低通濾波器濾去由切削而產生的帶外頻率。進行2到4dB的低電平切削并不會使數字信號強度顯著降低，卻能改善整機的功率輸出。

3.3 模擬信號和數字信號同播的問題

經過改造后，原有的模擬廣播發(fā)射機可以播出數字信號。經改造后的大功率機有模擬雙邊帶廣播（DSB）和DRM廣播兩種切換方式，可方便地進行切換。而要實現模擬和數字同播，以適應模擬到數字廣播的過渡時期，模擬DSB（雙邊帶）信號和DRM信號不能在同一發(fā)射機的同一頻道發(fā)射?？梢允鼓M信號占用原來的頻率位置和帶寬（9KHZ或10KHZ），而DRM信號占用相鄰的頻道，經同一部發(fā)射機發(fā)射。不過，這樣就對發(fā)射機輸出網絡與天線調配網絡的有效帶寬有較高要求，需要達到30kHz以上，并在帶內盡可能平坦。

以上只是對于PSM調制發(fā)射機DRM改造的基本認識，而在實際改造中，涉及的如何改善發(fā)射機的線性，使?jié)M足帶寬要求，如何提高峰值平均功率比，如何在同一部機器中實現模擬和數字同播等問題，則需要在實踐中不斷探索，以使改造后的DRM發(fā)射機走向成熟與完善。

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