調(diào)頻同步廣播在衛(wèi)星傳輸中的研究和應(yīng)用

葛穎 江蘇省廣播電視總臺(tái)

1. 調(diào)頻同步廣播概述

調(diào)頻同步廣播是多個(gè)發(fā)射臺(tái)站采用同一個(gè)頻率，在同一時(shí)間發(fā)送同一套節(jié)目，對(duì)地區(qū)實(shí)現(xiàn)單頻率廣播覆蓋的技術(shù)。采用調(diào)頻同步廣播系統(tǒng)，能有效解決廣播移動(dòng)收聽，減少信號(hào)交疊區(qū)干擾，提高廣播收聽質(zhì)量，可節(jié)約頻譜資源，在近年已成為調(diào)頻廣播主流的覆蓋手段。

廣播電影電視行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)GYT 154-2000《調(diào)頻同步廣播系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》的內(nèi)容可概括為“三同一?！?，即頻率同步、時(shí)間（相位）同步、調(diào)制度同步和保證最低接收?qǐng)鰪?qiáng)，并給出了相應(yīng)的指標(biāo)。國(guó)內(nèi)外也有多家科研機(jī)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室針對(duì)不同的頻率差、相位差和調(diào)制幅度差模擬兩路調(diào)頻廣播信號(hào)合成的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明當(dāng)相位差≥200μs時(shí)，會(huì)嚴(yán)重影響到調(diào)頻廣播的收聽質(zhì)量。

調(diào)頻同步廣播在實(shí)際實(shí)現(xiàn)過程中，由于不是所有的發(fā)射臺(tái)站都采用相同的節(jié)目信號(hào)源傳輸方式，即使采用相同的傳輸鏈路也存在時(shí)延抖動(dòng)、傳輸路由參數(shù)變化等問題，所以保持時(shí)間同步技術(shù)是調(diào)頻同步廣播的一個(gè)難點(diǎn)。在本文所采用的衛(wèi)星傳輸鏈路中，由于各個(gè)發(fā)射臺(tái)站衛(wèi)星下行距離的不同，帶來延時(shí)的不同，并且衛(wèi)星傳輸鏈路自身會(huì)帶來抖動(dòng)，所以如何保持時(shí)間（相位）同步是本文要討論的主要課題。

2. 衛(wèi)星傳輸廣播電視信號(hào)基本原理

衛(wèi)星在廣播電視信號(hào)傳輸中發(fā)揮著重要作用，衛(wèi)星傳輸信息逐步向數(shù)字化方向發(fā)展。我國(guó)在衛(wèi)星傳輸和有線傳輸方面均采用DVB-S標(biāo)準(zhǔn)，DVB-S主要規(guī)定衛(wèi)星系統(tǒng)中從MPEG-2復(fù)用碼流到衛(wèi)星通道的實(shí)現(xiàn)方法，即描述了信道編碼和調(diào)制的方法，完成從基帶信號(hào)到高頻信號(hào)之間的適配。

MPEG2系統(tǒng)任務(wù)包括：（1）規(guī)定以包傳輸數(shù)據(jù)的協(xié)議；（2）規(guī)定收發(fā)兩端數(shù)據(jù)流同步的協(xié)議；（3）提供多個(gè)數(shù)據(jù)流的復(fù)用和解復(fù)用協(xié)議；（4）提供數(shù)據(jù)流加密的協(xié)議。以包形式存儲(chǔ)和傳送數(shù)據(jù)流是MPEG2系統(tǒng)之要點(diǎn)。MPEG2這一數(shù)字視頻音頻編碼標(biāo)準(zhǔn)用于視音頻同步以及系統(tǒng)時(shí)鐘恢復(fù)的時(shí)間標(biāo)簽分別在ES、PES和TS這3個(gè)層次中。MPEG2系統(tǒng)編碼流程示意圖見圖1。

圖1 MPEG2系統(tǒng)編碼流程示意圖

2.1 ES流（Elementary Stream原始流）

ES流是音、視頻信號(hào)經(jīng)過編碼器之后或數(shù)據(jù)信號(hào)的基本碼流。ES只包含一種內(nèi)容的數(shù)據(jù)流，如只含視頻或只含音頻。

2.2 PES（Paketized Elementary Stream）

PES是ES經(jīng)過打包后的碼流，其長(zhǎng)度可變。視頻一般一幀一個(gè)包，音頻長(zhǎng)度一般不超過64KB。

在PES層里面，含有DTS和PTS時(shí)間信息。DTS為解碼時(shí)間標(biāo)簽，PTS為顯示時(shí)間標(biāo)簽。對(duì)于視頻數(shù)據(jù)來講， B幀的PTS和DTS相同，所以只有PTS；而對(duì)于音頻數(shù)據(jù)來講，由于音頻傳輸是嚴(yán)格按照順序傳輸?shù)?，所以音頻沒有DTS，只有PTS。但是DTS、PTS和PCR的相互作用原理是一樣的，都是為了在正確的時(shí)間對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼和顯示，從而達(dá)到音頻和視頻相對(duì)于系統(tǒng)時(shí)間的同步，也在客觀上實(shí)現(xiàn)了音頻和視頻之間的同步。

2.3 TS（Transport Stream）

“TS流”和“PS流”是經(jīng)過MPEG-2系統(tǒng)壓縮處理后的兩種復(fù)合信息流。

根據(jù)傳輸媒體的質(zhì)量不同，MPEG-2中定義了兩種復(fù)合信息流：傳送流（TS）和節(jié)目流（PS）。

TS流與PS流的區(qū)別在于，TS流是固定長(zhǎng)度的包結(jié)構(gòu)，而PS流是可變長(zhǎng)度的包結(jié)構(gòu)。PS包與TS包在結(jié)構(gòu)上的這種差異，導(dǎo)致了它們對(duì)傳輸誤碼具有不同的糾錯(cuò)能力，因此，在信道環(huán)境較為惡劣，傳輸誤碼較高時(shí)，一般采用TS碼流；而在信道環(huán)境較好，傳輸誤碼較低時(shí)，一般采用PS碼流。節(jié)目流（PS）主要用于誤碼相對(duì)較低的演播室和數(shù)字存儲(chǔ)(如DVD)中。由于TS碼流對(duì)傳輸誤碼具有較強(qiáng)的糾錯(cuò)能力，因此目前在傳輸媒體介進(jìn)行傳輸?shù)腗PEG-2碼流基本上都采用了TS碼流的包。

傳輸流（TS）主要應(yīng)用于實(shí)時(shí)傳送的節(jié)目，比如實(shí)時(shí)廣播的電視節(jié)目。它是分包發(fā)送的，每一個(gè)包長(zhǎng)為188字節(jié)（還有192和204個(gè)字節(jié)的包）。包的結(jié)構(gòu)：包頭為4個(gè)字節(jié)（第一個(gè)字節(jié)為0x47），負(fù)載為184個(gè)字節(jié)。在TS流里可以填入很多類型的數(shù)據(jù)，如視頻、音頻、自定義信息等。TS頭信息包含了節(jié)目時(shí)鐘參考PCR(Program Clock Reference), 用于恢復(fù)出與編碼端一致的系統(tǒng)時(shí)序時(shí)鐘STC(System Time Clock)。

2.4 廣播電視信號(hào)在衛(wèi)星傳輸中的相位同步技術(shù)

圖2 傳輸流TS的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

在編碼器中有一個(gè)單一的公用系統(tǒng)時(shí)鐘，該時(shí)鐘用于創(chuàng)建指出音頻和視頻的正確顯示和解碼時(shí)間的時(shí)間標(biāo)記，也用于創(chuàng)建指出在采樣間隔時(shí)系統(tǒng)時(shí)鐘瞬時(shí)值的時(shí)間標(biāo)記，在傳輸流中成為節(jié)目時(shí)鐘參考(PCR)。

TS頭信息里包含了RCR，共有48bi用于PCR值傳輸，包括33位的PCR_base、6位的預(yù)留位和9位的PCR_extension，用于恢復(fù)出與編碼端一致的系統(tǒng)時(shí)序時(shí)鐘（STC）

在一個(gè)TS流中，PCR以固定的頻率插入包頭，表示編碼端的時(shí)鐘，并反映了編碼輸出碼率。接收端根據(jù)PCR可以用來調(diào)整解碼端的系統(tǒng)時(shí)鐘，以保證對(duì)節(jié)目的正確編碼。由于標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字視音頻信號(hào)以27MHz時(shí)鐘為基準(zhǔn)，那么節(jié)目時(shí)鐘也就是27MHz。PCR的插入必須在PCR字段的最后離開復(fù)用器的那一時(shí)刻，同時(shí)把27MHz系統(tǒng)時(shí)鐘的采樣瞬時(shí)值作為PCR字段插入到相應(yīng)的PCR域，放在TS包頭的自適應(yīng)區(qū)中傳送。

27MHz的系統(tǒng)時(shí)鐘STC經(jīng)波形整理后分成兩路:PCR_ext (9bits ),由27MHz脈沖直接觸發(fā)計(jì)數(shù)器生成擴(kuò)展域。

PCR_base(33bits),經(jīng)300分頻器分頻成90kHz脈沖送入一個(gè)33位計(jì)數(shù)器生成90kHz基值用于和PTS/DTS比較，產(chǎn)生解碼和顯示所需要的同步信號(hào)。這兩部分被置入PCR域，共同組成42位的PCR。

PCR-base的作用:

（1）與PTS和DTS作比較, 當(dāng)二者相同時(shí), 相應(yīng)的單元被顯示或者解碼。

（2）在解碼器切換節(jié)目時(shí),提供對(duì)解碼器PCR計(jì)數(shù)器的初始值,以讓該P(yáng)CR值與PTS、DTS最大可能地達(dá)到相同的時(shí)間起點(diǎn)。

PCR-ext的作用:通過解碼器端的鎖相環(huán)路修正解碼器的系統(tǒng)時(shí)鐘, 使其達(dá)到和編碼器一致的27MHz。

在數(shù)字視音頻系統(tǒng)的前端編碼器中有一個(gè)27Mhz的時(shí)鐘，編碼過程中不斷讀取該時(shí)鐘信息，填入PES包的PTS、DTS字段和TS包的PCR字段，衛(wèi)星接收解碼終端中也有一個(gè)27Mhz的時(shí)鐘，衛(wèi)星接收解碼終端將接收到的PES包中的PTS和DTS和該時(shí)鐘進(jìn)行比較，來決定是解碼還是顯示的操作。如果前端編碼器的時(shí)鐘與后端解碼器中時(shí)鐘“絕對(duì)”同步，那么TS 中的PCR 就沒有任何意義了。

3.“第三代”調(diào)頻同步技術(shù)的實(shí)現(xiàn)原理

第一代調(diào)頻同步廣播基本以模擬系統(tǒng)為主，第二代調(diào)頻同步廣播采用手動(dòng)延時(shí)控制的數(shù)字廣播，而本文主要研究基于全數(shù)字化處理（DSP+DDS）的第三代調(diào)頻同步廣播技術(shù)。

3.1 相位同步

音頻信號(hào)到達(dá)相干區(qū)的總延時(shí)包括三部分：（1）音頻傳輸信道時(shí)延；（2）FM發(fā)射機(jī)本機(jī)時(shí)延；（3）FM波傳播時(shí)延。 為保證兩個(gè)已調(diào)波同時(shí)到達(dá)相干區(qū)中心時(shí)相位一致，必須保證音頻信號(hào)到達(dá)二部發(fā)射機(jī)的時(shí)延是固定的，而且該信號(hào)在發(fā)射機(jī)內(nèi)延時(shí)時(shí)間是可以調(diào)整的。

調(diào)頻發(fā)射系統(tǒng)同步激勵(lì)器宜采用同一類型號(hào)、全數(shù)字化處理的調(diào)頻廣播同步激勵(lì)器（內(nèi)置已調(diào)波延時(shí)器），這樣可以確保發(fā)射設(shè)備（功放的延時(shí)是納秒級(jí)可以忽略不計(jì)）具有相同的時(shí)延。已調(diào)波傳播時(shí)延因距離而產(chǎn)生，是穩(wěn)定的、可測(cè)量的。音頻傳輸信道時(shí)延因?yàn)椴捎眯l(wèi)星傳輸，其編碼、上行線路都是一樣的，對(duì)各基站而言不存在時(shí)延差；下行線路時(shí)延因?yàn)槊總€(gè)基站的地理位置是固定不變的，其時(shí)延也是相對(duì)固定而且可以計(jì)算和測(cè)量的（星移對(duì)相鄰基站產(chǎn)生的時(shí)延差不超過1微秒，可以不考慮）；衛(wèi)星信號(hào)接收設(shè)備是保證音頻傳輸通道穩(wěn)定接收的關(guān)鍵：本方案采用ZHC600S專用數(shù)字衛(wèi)星音頻同步接收機(jī)，可解決普通衛(wèi)星接收機(jī)音頻信號(hào)輸出時(shí)延不穩(wěn)定的問題。ZHC600S采用跟蹤基帶信號(hào)中PCR基準(zhǔn)時(shí)鐘的特定算法，不僅可以確保接收機(jī)時(shí)延穩(wěn)定，更可確保各接收機(jī)之間的時(shí)延差可控制在±1μs以內(nèi)。該機(jī)具有模擬音頻和數(shù)字音頻（AES/EBU）輸出接口；輸出的音頻幅度和頻響近乎一致，為同調(diào)制度的實(shí)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。

3.2 頻率同步

載波及導(dǎo)頻的長(zhǎng)期穩(wěn)定度由GPS來保證。GPS輸出的時(shí)鐘信號(hào)是經(jīng)過原子鐘修正的，沒有長(zhǎng)期的老化漂移，它的頻率準(zhǔn)確度可達(dá)到1×10-12。GPS接收機(jī)收到GPS衛(wèi)星發(fā)送來的導(dǎo)航數(shù)據(jù)電文以后，修正本地的時(shí)鐘輸出。導(dǎo)航數(shù)據(jù)電文中的時(shí)間信息是根據(jù)衛(wèi)星上的原子鐘產(chǎn)生的，可以保證其長(zhǎng)期穩(wěn)定性。但GPS接收機(jī)輸出的時(shí)鐘信號(hào)的短期穩(wěn)定性不好，其短期穩(wěn)定度是由GPS接收機(jī)的本地時(shí)鐘決定的。

載波及導(dǎo)頻的短期穩(wěn)定度靠本地的恒溫晶振（OCXO）來決定。GPS標(biāo)頻器是用GPS時(shí)標(biāo)修訂本地OCXO的長(zhǎng)期老化特性，而不是相位鎖定在GPS參考時(shí)鐘上。相位噪聲直接由本地的OCXO決定，可達(dá)很高的指標(biāo)。用GPS輸出的標(biāo)準(zhǔn)頻率作為同步激勵(lì)器的基準(zhǔn)頻率，可以使發(fā)射機(jī)的載頻和立體聲的導(dǎo)頻準(zhǔn)確度達(dá)到1×10-11。

3.3 調(diào)制度同步

同步系統(tǒng)中調(diào)制度的同步性能取決于調(diào)頻同步激勵(lì)器的音頻指標(biāo)一致性（瞬時(shí)幅度和頻率響應(yīng)）。本方案采用的調(diào)頻同步激勵(lì)器采用具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的全數(shù)字化處理（DSP+DDS）技術(shù)，內(nèi)部音頻濾波、音頻增益調(diào)節(jié)、預(yù)加重、導(dǎo)頻產(chǎn)生、立體聲編碼、調(diào)頻調(diào)制等全過程全部由軟件實(shí)現(xiàn)，從而可以確保任意兩臺(tái)同步激勵(lì)器之間的調(diào)制度差近乎于0（實(shí)測(cè)小于0.1%），可以實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)發(fā)射機(jī)調(diào)制度同步的要求。

3.4 實(shí)現(xiàn)“一?！?/h3>

“一保”的是要求系統(tǒng)內(nèi)所有發(fā)射服務(wù)區(qū)內(nèi)有足夠的覆蓋場(chǎng)強(qiáng)。實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)只要在規(guī)劃同步網(wǎng)時(shí)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)確定發(fā)射機(jī)的功率、天線的高度、方向和增益即可保證發(fā)射服務(wù)區(qū)內(nèi)有足夠的覆蓋場(chǎng)強(qiáng)。本方案根據(jù)各發(fā)射臺(tái)的發(fā)射條件，合理布置發(fā)射機(jī)的位置，以保證相干區(qū)綜合場(chǎng)強(qiáng)達(dá)到同步廣播系統(tǒng)要求的最低場(chǎng)強(qiáng)值。

4. “第三代”調(diào)頻同步技術(shù)在實(shí)際工程中的應(yīng)用

江蘇交通廣播FM101.1自2001年開播以來，深受全省廣大聽眾的喜愛，經(jīng)過多年來的不斷建設(shè)和優(yōu)化，現(xiàn)已成為江蘇省境內(nèi)影響力最大的廣播節(jié)目。與此同時(shí)，2015年江蘇交通廣播網(wǎng)被江蘇省政府確定為“江蘇應(yīng)急廣播”，真正成為省政府及相關(guān)職能部門的突發(fā)事件信息發(fā)布平臺(tái),在應(yīng)急處置中發(fā)揮重要作用。本次工程運(yùn)用第三代調(diào)頻同步廣播技術(shù)對(duì)江蘇交通廣播全省覆蓋站點(diǎn)進(jìn)行了技術(shù)系統(tǒng)的全面改造，縮短了不同站點(diǎn)之間的相干區(qū)，大幅提升了交通廣播FM101.1在江蘇境內(nèi)的收聽效果。

（1）站點(diǎn)時(shí)延規(guī)劃

站點(diǎn)時(shí)延規(guī)劃見表1。

圖3 調(diào)頻廣播發(fā)射技術(shù)系統(tǒng)

表1 站點(diǎn)時(shí)延規(guī)劃

（2）實(shí)測(cè)效果

圖4為同步改造后江蘇應(yīng)急廣播FM101.1MHz全省的場(chǎng)強(qiáng)測(cè)試軌跡圖。圖中淺綠色、深綠色、淺藍(lán)色、深藍(lán)色區(qū)域?yàn)榻K應(yīng)急廣播有效覆蓋區(qū)，黃色區(qū)域在收聽中會(huì)有背景噪聲影響。主要覆蓋盲區(qū)在邳州、睢寧、海門、如東地區(qū)。受干擾的區(qū)域主要集中在南京與句容、揚(yáng)州、宜興的交界處，淮安與寶應(yīng)的交界處，新沂與山東的交界處。

圖4 江蘇應(yīng)急廣播實(shí)測(cè)覆蓋效果圖

根據(jù)測(cè)試結(jié)果，得出江蘇應(yīng)急廣播FM101.1MHz信號(hào)覆蓋室外移動(dòng)接收良好級(jí)別的面積覆蓋率可達(dá)90%，全省90%的高速沿線收聽質(zhì)量良好。