數(shù)字音頻廣播系統(tǒng)對(duì)比分析研究

余心樂(lè)，張禹，陸耀賓

(1.中國(guó)傳媒大學(xué)廣播電視數(shù)字化工程研究中心，北京 100024；2. 新華通訊社通信技術(shù)局，北京，100031；3. 南京電子技術(shù)研究所，南京，210013)

1 引言

模擬FM廣播技術(shù)向數(shù)字廣播技術(shù)轉(zhuǎn)換，已經(jīng)成為了不可逆轉(zhuǎn)的趨勢(shì)。盡管FM廣播是模擬廣播中質(zhì)量最好的廣播系統(tǒng)，但是出于多方面原因，需要進(jìn)行數(shù)字化轉(zhuǎn)換。首先，由于物理方面的原因，模擬FM廣播無(wú)法從根本上解決頻率選擇性和時(shí)間選擇性衰落的問(wèn)題，而數(shù)字傳輸技術(shù)可以從根本上解決這些問(wèn)題，從而大幅提高接收質(zhì)量；其次，模擬FM廣播只能提供單一的業(yè)務(wù)(盡管在模擬FM廣播中可以使用廣播數(shù)據(jù)系統(tǒng)(RDS)，但是可提供的數(shù)據(jù)率很低，凈數(shù)據(jù)率僅約731bps)，數(shù)字廣播可以提供音頻廣播以外的多種數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，充分滿(mǎn)足不同的商業(yè)需求；第三，隨著數(shù)字音視頻技術(shù)的發(fā)展和廣泛應(yīng)用，人們已經(jīng)習(xí)慣了聆聽(tīng)高品質(zhì)(CD質(zhì)量)的音樂(lè)，模擬FM廣播的質(zhì)量已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足人們的需求；最后，對(duì)于廣播機(jī)構(gòu)而言，數(shù)字廣播技術(shù)帶來(lái)的效益更大，在相同覆蓋范圍的前提下可以大幅降低發(fā)射機(jī)功率，節(jié)能環(huán)保；另一方面提供了更加高效的頻譜利用率。更重要的是，從模擬向數(shù)字的轉(zhuǎn)變，需要相應(yīng)的設(shè)備支撐，能夠帶動(dòng)新的產(chǎn)業(yè)，為低迷的產(chǎn)業(yè)界帶來(lái)了新的效益增長(zhǎng)點(diǎn)[1]。

2 國(guó)內(nèi)外數(shù)字音頻廣播系統(tǒng)簡(jiǎn)介

目前，全球主流的FM數(shù)字廣播系統(tǒng)有DRM+和HD-Radio以及我國(guó)的FM-CDR。

2.1 DRM+技術(shù)系統(tǒng)

DRM是工作于長(zhǎng)中短波(150kHz～30MHz)的數(shù)字傳輸系統(tǒng)，被ITU-R推薦，并被IEC和ETSI標(biāo)準(zhǔn)化。2005年3月，DRM組織決定將DRM標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展到120MHz的范圍，包括47～68MHz(波段I，東歐FM 波段)、65.8～74MHz(OIRT，世界廣播電視組織，F(xiàn)M 波段)、76～90MHz(FM波段，日本)和世界大多數(shù)國(guó)家調(diào)頻廣播使用的87.5～108MHz(波段II)。請(qǐng)注意，DRM+不是DRM的替代者，而是DRM 標(biāo)準(zhǔn)的擴(kuò)展。

為了與現(xiàn)有FM廣播頻道間隔保持一致性，DRM+的帶寬也為 100kHz。由于模擬FM廣播頻道劃分的保守性，DRM+可以充分利用現(xiàn)有模擬FM廣播的頻率空隙進(jìn)行數(shù)字廣播。DRM+在一個(gè)復(fù)用(對(duì)應(yīng)100kHz信號(hào))中可以傳輸1～4 套節(jié)目(音頻、視頻或者數(shù)據(jù))。如2套高等級(jí)的立體聲節(jié)目(每套64kb/s)，和2 套附加的語(yǔ)言或數(shù)據(jù)節(jié)目(每套24kb/s)，數(shù)據(jù)率總共最多可達(dá)186kb/s。DRM+的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)可以包括通過(guò)DRM、DAB 傳輸?shù)乃袛?shù)據(jù)業(yè)務(wù)。

關(guān)于DRM+的發(fā)射功率問(wèn)題，國(guó)外按照現(xiàn)今的觀點(diǎn)做了粗略的估計(jì)，在傳輸186kb/s 的全數(shù)據(jù)率與保持相同的作用距離情況下，與FM相比較，大約為FM的10%。DRM+的數(shù)據(jù)率起碼可使一套節(jié)目達(dá)到CD質(zhì)量；有室內(nèi)接收以及以300km/h的速度移動(dòng)接收的可能性；有使用現(xiàn)有的FM廣播發(fā)射網(wǎng)結(jié)構(gòu)的可能性(地方性，地區(qū)性，全國(guó)性)[2]。DRM+很容易與現(xiàn)有的FM/DRM/DAB發(fā)射網(wǎng)相結(jié)合，確保在接收機(jī)中的頻率切換。DRM+具備組建同頻網(wǎng)的能力；DRM+可以避免對(duì)已有FM覆蓋的影響，靈活地對(duì)單個(gè)模擬FM發(fā)射機(jī)進(jìn)行數(shù)字化改造，或者在FM環(huán)境下計(jì)劃將一個(gè)數(shù)字電臺(tái)投入運(yùn)行。將頻率相鄰的FM頻道與DRM+頻道結(jié)合在一起(圖1)，可以進(jìn)行模擬與數(shù)字節(jié)目的同播(圖2)，不會(huì)影響現(xiàn)有的FM 廣播，從而實(shí)現(xiàn)從模擬廣播到數(shù)字廣播的平滑過(guò)渡[2]。

圖1 FM與DRM+

圖2 FM與DRM+相結(jié)合實(shí)現(xiàn)同播

2.2 FM HD-Radio技術(shù)系統(tǒng)

FM HD-Radio技術(shù)于2002年被美國(guó)FCC批準(zhǔn)為美國(guó)FM波段的數(shù)字廣播標(biāo)準(zhǔn)。它在不影響現(xiàn)有模擬廣播的前提下，使用現(xiàn)有模擬廣播的頻道提供高清晰度的數(shù)字聲音廣播與數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。FM HD-Radio 的主要優(yōu)點(diǎn)是：利用現(xiàn)有的頻率；可實(shí)現(xiàn)模擬/ 數(shù)字同播運(yùn)行；低的投資，可擴(kuò)展性(附加業(yè)務(wù)與節(jié)目)，由于較低的工作頻率，容易室內(nèi)接收[3]。

FM HD-Radio混合模式提供100kb/s的數(shù)據(jù)率。該模式支持模擬立體聲和輔助業(yè)務(wù)通信(SCA)/廣播數(shù)據(jù)系統(tǒng)(RDS)。FM HD-Radio是基于在相同覆蓋范圍內(nèi)，兩個(gè)調(diào)頻發(fā)射臺(tái)的中心頻率相差800kHz而設(shè)計(jì)的，降低間隔會(huì)限制系統(tǒng)的性能。在FM頻段，美國(guó)FCC規(guī)定信道間隔為200kHz(歐洲與我國(guó)為100kHz)，F(xiàn)M頻譜是比較空閑，因此在現(xiàn)有頻譜的空隙可以用數(shù)字發(fā)射來(lái)填滿(mǎn)。對(duì)現(xiàn)有的電臺(tái)進(jìn)行改造(發(fā)射機(jī)、天線)，在現(xiàn)有的模擬發(fā)射信號(hào)安置數(shù)字信號(hào)，可使技術(shù)的花費(fèi)和投資最小。FM 頻譜掩模在美國(guó)(FCC FM掩模)與歐洲(ETSI FM掩模)有著明顯的不同，特別是在鄰頻道。如果在我國(guó)使用，由于HD-Radio技術(shù)附加的數(shù)字信號(hào)頻譜位于正常信道的兩側(cè)，可能會(huì)出現(xiàn)鄰頻道干擾。

2.3 FM-CDR技術(shù)系統(tǒng)

FM-CDR采用正交頻分復(fù)用(OFDM)技術(shù)，頻道間隔設(shè)計(jì)為100kHz。FM-CDR的信號(hào)帶寬為100kHz或200kHz。其頻譜分為兩大類(lèi)：數(shù)字信號(hào)的帶寬連續(xù)，信號(hào)帶寬可以是100kHz或200kHz；數(shù)字信號(hào)帶寬不連續(xù)，但數(shù)字音頻廣播信號(hào)的總帶寬為100kHz或200kHz，數(shù)字信號(hào)之間的頻譜間隔為300kHz或者200kHz，在兩個(gè)分離數(shù)字信號(hào)位于模擬立體聲調(diào)頻廣播或者模擬單聲道調(diào)頻廣播頻譜的兩側(cè)。

可以看出，F(xiàn)M-CDR系統(tǒng)提供了靈活的頻譜模式，現(xiàn)有的FM廣播電臺(tái)可以根據(jù)自己臺(tái)站及周邊臺(tái)站的實(shí)際情況選擇第2種頻譜模式和數(shù)字信號(hào)的帶寬，即可以在原有模擬廣播的兩側(cè)放置數(shù)字信號(hào)，進(jìn)行數(shù)模同播，這樣既可以不改變用戶(hù)的收聽(tīng)習(xí)慣，又可以使得使用模擬FM接收機(jī)仍可以聽(tīng)到模擬節(jié)目，而具有數(shù)字音頻廣播解調(diào)功能的接收機(jī)在檢測(cè)到數(shù)字信號(hào)時(shí)，可自動(dòng)播出該頻道的數(shù)字節(jié)目，運(yùn)營(yíng)商和用戶(hù)均可以實(shí)現(xiàn)模擬到數(shù)字的平滑過(guò)渡。模擬調(diào)頻廣播的內(nèi)容可以與數(shù)字音頻廣播的內(nèi)容一致，也可以不一致。第1種頻譜模式則可以在模擬廣播全部數(shù)字化以后或者頻譜資源不緊張的地區(qū)采用。

3 系統(tǒng)的參數(shù)和性能指標(biāo)

3.1 物理層結(jié)構(gòu)和對(duì)比

DRM+、FM HD-Radio和FM-CDR均采用OFDM技術(shù)的多載波調(diào)制方式。三大系統(tǒng)具有相同的基本功能單元：復(fù)用、擾碼、信道編碼、符號(hào)映射、交織、OFDM信號(hào)生成等。區(qū)別主要在于功能模塊具體實(shí)現(xiàn)的選擇和參數(shù)的設(shè)置[5]。

從占用帶寬來(lái)看，DRM+采用固定的100kHz帶寬，F(xiàn)M-CDR支持100kHz/200kHz兩種帶寬模式，100kHz及整數(shù)倍的帶寬模式與我國(guó)目前現(xiàn)有的模擬調(diào)頻廣播帶寬模式保持一致，數(shù)字化演進(jìn)不需要考慮重新劃分頻譜的問(wèn)題；FM HD-Radio考慮模數(shù)頻譜過(guò)渡帶問(wèn)題，除提供了200kHz/400kHz兩種標(biāo)準(zhǔn)帶寬外，還提供了140、154、168kHz三種過(guò)渡帶寬，降低對(duì)原有模擬FM廣播干擾[4]。

從信道的視角來(lái)講，相干帶寬與最大多徑延時(shí)成反比，相干時(shí)間與信道多普勒頻率擴(kuò)展成反比；這也說(shuō)明，相干帶寬是與頻域選擇性衰落有關(guān)，而相干時(shí)間與時(shí)間選擇性衰落有關(guān)。從系統(tǒng)設(shè)計(jì)的角度講，OFDM的符號(hào)長(zhǎng)度應(yīng)該小于相干時(shí)間，保護(hù)間隔的長(zhǎng)度應(yīng)該大于最大多徑延時(shí)。這也就意味著，OFDM符號(hào)長(zhǎng)度越小，能夠?qū)垢蟮亩嗥绽疹l率擴(kuò)展即信道的時(shí)間選擇性衰落，即對(duì)應(yīng)更快的發(fā)射臺(tái)和接收機(jī)之間的相對(duì)速度；保護(hù)間隔越長(zhǎng)，能夠?qū)垢南喔蓭挘葱诺赖念l域選擇性衰落。

因此，對(duì)比三者的OFDM符號(hào)長(zhǎng)度和保護(hù)間隔長(zhǎng)度我們可以定性的得到以下結(jié)論：

由表3中數(shù)據(jù)可知，當(dāng)激勵(lì)信號(hào)幅值越大時(shí)，柴油凝點(diǎn)的檢測(cè)值也越接近真實(shí)值。分析原因，是由于激勵(lì)信號(hào)的幅值越大，響應(yīng)信號(hào)的效果越明顯，所產(chǎn)生的噪聲干擾也越少，從而減少特征點(diǎn)的偏移，使凝點(diǎn)檢測(cè)結(jié)果更接近于實(shí)際值；因此，對(duì)于激勵(lì)信號(hào)幅值大小的選擇，幅值越大，檢測(cè)效果越好。

(1)對(duì)抗時(shí)域選擇性衰落能力，即支持最大移動(dòng)接收速度的能力：

FM-CDR > DRM+ > FM HD-Radio

(2)對(duì)抗頻域選擇性衰落的能力，即對(duì)抗信道多徑延時(shí)的能力：

FM-CDR > DRM+ > FM HD-Radio

DRM+、FM HD-Radio和FM-CDR都采用了COFDM技術(shù)，因此三個(gè)系統(tǒng)都具備單頻網(wǎng)組網(wǎng)能力。系統(tǒng)物理層保護(hù)間隔越長(zhǎng)，單頻網(wǎng)發(fā)射機(jī)之間的距離就可以越大，但是系統(tǒng)傳輸效率就越低。根據(jù)保護(hù)間隔的長(zhǎng)度，可以計(jì)算出DRM+、FM HD-Radio和FM-CDR單頻網(wǎng)發(fā)射機(jī)距離分別為75km、45km和90km。因此，進(jìn)行大范圍單頻網(wǎng)覆蓋時(shí)，用FM-CDR可以使用最少數(shù)量的發(fā)射機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。另一個(gè)差異較大的參數(shù)是傳輸幀的長(zhǎng)度。DRM+的幀長(zhǎng)為100ms，F(xiàn)M HD-Radio的傳輸幀長(zhǎng)為1490ms，而FM-CDR的幀長(zhǎng)為160ms。較長(zhǎng)的幀長(zhǎng)意味著幀延時(shí)較大。

3.2 信道編碼與調(diào)制

DRM+系統(tǒng)采用的是基于可刪余卷積碼的分層編碼調(diào)制技術(shù)，分層編碼調(diào)制技術(shù)將信道編碼和調(diào)制結(jié)合起來(lái)考慮，進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化，本質(zhì)上是一種比特交織編碼調(diào)制(BICM)技術(shù)，具有比傳統(tǒng)的卷積編碼和調(diào)制更好的性能。在接收端，需要進(jìn)行相應(yīng)的多級(jí)解調(diào)解碼(MSD)，解碼復(fù)雜度相對(duì)較高。DRM+的主業(yè)務(wù)信道(MSC)支持4/16QAM多種調(diào)制度，支持多種編碼率的選擇，這樣可以通過(guò)使用不同編碼率與不同的調(diào)制度，可以獲得不同的傳輸效率與相應(yīng)的覆蓋范圍。

FM HD-Radio的信道編碼也采用的是可刪余卷積碼，與DRM相同。其業(yè)務(wù)模式MP1只使用了4QAM的調(diào)制方式，支持1/3，2/5，1/2，2/7等四種編碼率。采用了互補(bǔ)卷積技術(shù)，使得接收端兩個(gè)數(shù)字邊帶可以獨(dú)立解碼，當(dāng)一個(gè)數(shù)字邊帶因干擾無(wú)法解碼時(shí)，通過(guò)另一個(gè)數(shù)字邊帶還能收聽(tīng)；當(dāng)兩個(gè)數(shù)字邊帶都能解碼時(shí)，則能獲得更高的編碼增益。

FM-CDR的主業(yè)務(wù)信道的信道編碼采用的是LDPC碼，相比FM HD-Radio有2～3dB的增益，F(xiàn)M-CDR也支持分層編碼調(diào)制；FM-CDR支持多種編碼率選擇(包括1/4，1/3，1/2和3/4等四種)和多種調(diào)制度(包括4/16/64QAM等三種)，因此，利用編碼率和調(diào)制度的組合，F(xiàn)M-CDR可獲得跨度更大的傳輸效率與覆蓋范圍選擇[5]。

得益于較高階的調(diào)制方式，F(xiàn)M-CDR具有最大的信道利用率，DRM+次之，F(xiàn)M HD-Radio最小。由于引入了高階調(diào)制16QAM或64QAM，因此一個(gè)子載波傳輸?shù)臄?shù)據(jù)可以達(dá)到2個(gè)或4個(gè)比特，因此DRM+和FM-CDR大大提升了信道利用率，刨去導(dǎo)頻子載波的開(kāi)銷(xiāo)和信道編碼引入的冗余開(kāi)銷(xiāo)，二者的信道利用率最高分別可達(dá)1.49bit/s/Hz和2.376bit/s/Hz。

3.3 帶外輻射干擾分析

模擬FM為有用信號(hào)，干擾分別使用FM、DRM+及FM HD-Radio信號(hào)，文獻(xiàn)[6]和[7]指出：

(1)模擬FM測(cè)試收音機(jī)對(duì)有用信號(hào)接收獲得50dB的信噪比輸出。

(2)在0kHz和100kHz的頻率間隔下，DRM+對(duì)FM的干擾都要超出ITU-R BS.412-9曲線5dB，其他頻率間隔下則低于該曲線。這說(shuō)明如果要用DRM+來(lái)替代現(xiàn)有的模擬FM廣播，為保護(hù)其他FM廣播，DRM+的有效功率需要在原FM廣播基礎(chǔ)上至少降低5dB。

(3)在100kHz 頻率間隔內(nèi)HD-Radio對(duì)FM的干擾與ITU-R BS.412-9曲線比較接近；而在頻率間隔為100kHz至250 kHz 時(shí)，HD Radio對(duì)FM的干擾明顯要超出ITU 規(guī)定，尤其在200kHz 頻率間隔時(shí)兩者保護(hù)率之差最大，要比ITU 規(guī)定高出約17dB。其原因是HD Radio將系統(tǒng)信號(hào)帶寬擴(kuò)展為400kHz，其數(shù)字邊帶信號(hào)與FM頻譜重疊，造成比較嚴(yán)重的干擾。

從理論上分析，同樣是OFDM信號(hào)，兩種數(shù)字信號(hào)對(duì)模擬FM造成的干擾應(yīng)該是具有基本一致的影響，但從曲線上看，在200kHz頻率間隔時(shí)，HD-Radio干擾FM所需的保護(hù)率值比DRM+干擾FM 時(shí)高出30dB。其主要原因有兩個(gè)：1)測(cè)量保護(hù)率時(shí)HD-Radio采用的是混合模式，且數(shù)字功率比混合的模擬FM功率低20dB，頻道總功率為宿主FM功率與HD-Radio功率之和；DRM+頻道總功率就是其數(shù)字頻譜本身的功率。2)由于HD-Radio采用混合模式，其數(shù)字邊帶的中心頻率與標(biāo)稱(chēng)頻率相差150kHz左右，整個(gè)HD-Radio系統(tǒng)頻譜帶寬為400kHz；DRM+的數(shù)字頻帶中心頻率與標(biāo)稱(chēng)頻率一致，整個(gè)DRM+系統(tǒng)頻譜帶寬僅為100kHz。

對(duì)于FM-CDR，如前所示，三種數(shù)字廣播都是采用OFDM調(diào)制信號(hào)，可通過(guò)類(lèi)比獲得如下結(jié)論：1)采用頻譜模式1可獲得與DRM相似的結(jié)論，2)采用頻譜模式9和23，在模數(shù)功率配比相同的條件下(數(shù)字功率比混合的模擬FM功率低20dB)，可獲得與上述HD-Radio相近的結(jié)論；3)其他頻譜模式可通過(guò)類(lèi)比獲得相應(yīng)結(jié)論。

4 結(jié)論

數(shù)字系統(tǒng)不同的頻譜結(jié)構(gòu)影響著頻率規(guī)劃參數(shù)，具體應(yīng)用時(shí)可以根據(jù)本國(guó)頻率規(guī)劃政策使用合適的頻譜結(jié)構(gòu)，或是根據(jù)頻譜結(jié)構(gòu)的特性調(diào)整相關(guān)的規(guī)劃參數(shù)，這樣才能使新的數(shù)字廣播更好的應(yīng)用于原FM廣播頻段。根據(jù)保護(hù)率曲線可以推斷，為了盡可能的保護(hù)先前規(guī)劃好的模擬FM電臺(tái)，混合模式的HD-Radio更適合應(yīng)用在相鄰頻道間隔在300kHz以上的情況，而新的DRM+頻譜更適合放置于距模擬FM間隔為150kHz及以上的位置。具體應(yīng)用數(shù)字廣播時(shí)，還要受到本國(guó)相關(guān)政策、頻譜模板的限制以及當(dāng)前頻道占用情況等多方面的影響。

由于FM-CDR采用更為靈活的頻譜模式，可以適應(yīng)現(xiàn)有不同的模擬FM廣播環(huán)境：

(1)頻譜模式1和2在具有相對(duì)獨(dú)立FM信道(鄰頻道相對(duì)干凈)情況下最理想；

(2)數(shù)模同播頻譜模式(9、10、22及23)更適合相鄰頻道間隔在300kHz以上的情況。具體頻譜模式的選擇需要根據(jù)同播模擬FM頻譜帶寬、相鄰頻道間隔、相鄰模擬FM頻譜帶寬以及數(shù)字廣播業(yè)務(wù)需求等相關(guān)環(huán)境參數(shù)綜合考慮。

不同的編碼率與調(diào)制度組合為數(shù)字信號(hào)接收提供了多種不同的載噪比門(mén)限要求，在滿(mǎn)足相同覆蓋的數(shù)模同播前提下，提供了多種數(shù)模邊帶功率配比。初期可以使用低載噪比門(mén)限配置，后期隨著模擬FM關(guān)閉，提高數(shù)字功率，選用更高的載噪比配置。由此我們可以推斷，F(xiàn)M-CDR對(duì)模擬FM的影響與HD-Radio、DRM+也具有基本一致的影響，與HD-Radio類(lèi)似，數(shù)模邊帶的功率比與頻譜模式將影響FM-CDR對(duì)模擬FM干擾曲線的具體數(shù)值。就對(duì)外部模擬調(diào)頻干擾而言，n×100kHz(n為1-5的整數(shù))的多種頻譜模式配置為頻譜規(guī)劃提供了靈活性。

致 謝

本研究獲得了國(guó)家科技支撐計(jì)劃2015BAK05 B01的支持。