高(gāo)鵬 盛國芳 吳智勇 邸娜
摘要 2013年8月(yuè)國家廣電總局頒布了(le)調頻(pín)頻(pín)段數字音(yīn)頻(pín)廣播标準，給出了(le)我國調頻(pín)頻(pín)段廣播數字化(huà)的(de)方案，此方案以我數和(hé)信道編碼方式的(de)設計、選擇，具有自主知識産權。本文介紹了(le)此标準定義的(de)調頻(pín)頻(pín)段數字音(yīn)頻(pín)廣播系統及其系統性能。
關鍵詞 調頻(pín)頻(pín)段數字音(yīn)頻(pín)廣播，CDR HD Radio，DRM，載噪比門限
1 引言
數字音(yīn)頻(pín)廣播技術是廣播數字化(huà)的(de)技術基礎，通(tōng)過引入先進的(de)數字編碼、調制、傳輸技術，能夠有效地消除多(duō)徑、多(duō)普勒頻(pín)移以及突發噪聲等其他(tā)幹擾對(duì)接收音(yīn)頻(pín)質量的(de)影(yǐng)響；能夠提高(gāo)頻(pín)譜的(de)利用(yòng)率，在相同的(de)射頻(pín)帶寬内，傳輸更多(duō)的(de)節目内容，爲更高(gāo)級的(de)數據和(hé)音(yīn)頻(pín)業務的(de)産生提供了(le)可(kě)能；能夠用(yòng)更低的(de)發射功率達到與模拟廣播同樣的(de)覆蓋範圍。
從上世紀八十年代其，在國家廣播電影(yǐng)電視總局的(de)統一部署和(hé)指導下(xià)，廣播科學研究院在數字音(yīn)頻(pín)廣播領域積極跟蹤世界數字廣播的(de)發展，對(duì)DAB[1]、DRM[2]和(hé)HD Radio[3]等國際标準和(hé)技術方案開展了(le)大(dà)量的(de)跟蹤研究以及實驗室和(hé)外場(chǎng)測試工作，并在此基礎上開展具有我國自主知識産權的(de)調頻(pín)頻(pín)段數字音(yīn)頻(pín)廣播系統的(de)研究嘗試。從2011年起，廣播科學研究院作爲牽頭單位逐步完成調頻(pín)頻(pín)段數字音(yīn)頻(pín)廣播關鍵技術的(de)研究、樣機的(de)開發以及實驗室、場(chǎng)地測試。2013年8月(yuè)14日國家新聞出版廣電總局正式将其發布爲行業标準 [4]，本文主要介紹了(le)此标準討(tǎo)論的(de)調頻(pín)頻(pín)段數字音(yīn)頻(pín)廣播系統特點和(hé)系統性能。
2 調頻(pín)頻(pín)段數字音(yīn)頻(pín)廣播系統介紹
調頻(pín)頻(pín)段數字音(yīn)頻(pín)廣播系統采用(yòng)正交頻(pín)分(fēn)複用(yòng)技術，以100kHz帶寬的(de)子帶作爲基本單位，其系統結構如圖1所示。由圖可(kě)見，調頻(pín)頻(pín)段數字音(yīn)頻(pín)廣播發射系統主要由三個(gè)子系統構成：音(yīn)頻(pín)和(hé)數據輸入子系統、複用(yòng)子系統及信道編碼與調制子系統。
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圖1 調頻(pín)頻(pín)段數字音(yīn)頻(pín)廣播發射系統結構圖
2.1 音(yīn)頻(pín)和(hé)數據輸入子系統調頻(pín)頻(pín)段數字音(yīn)頻(pín)廣播的(de)主音(yīn)頻(pín)業務的(de)音(yīn)頻(pín)編碼方式采用(yòng)DRA [5]低碼率擴展版本（DRA+），其輸出的(de)碼率範圍爲24kbps到128kbps。在輸出碼率爲24kbps時(shí)，解碼的(de)音(yīn)頻(pín)質量略低于目前模拟調頻(pín)立體聲廣播的(de)質量，在輸出碼率爲48kbps時(shí)，解碼的(de)音(yīn)頻(pín)質量高(gāo)于目前模拟調頻(pín)立體聲廣播的(de)質量，在輸出碼率爲128kbps時(shí)，可(kě)以提供環繞立體聲服務。
除了(le)優質的(de)音(yīn)頻(pín)業務外，調頻(pín)頻(pín)段數字音(yīn)頻(pín)廣播系統還(hái)可(kě)以支持各種各樣的(de)數據增值業務。節目運營商可(kě)以依據信道的(de)傳輸能力，根據實際需要調整音(yīn)頻(pín)節目與業務數據在傳輸流中所占的(de)比例。
2.2 複用(yòng)子系統
在複用(yòng)子系統中除了(le)将編碼後的(de)音(yīn)頻(pín)業務、數據業務等主業務數據按照(zhào)一定的(de)複用(yòng)協議(yì)封裝成複用(yòng)幀之外，還(hái)需要在複用(yòng)子系統中完成系統信息和(hé)業務描述信息的(de)配置、生成與封裝。系統信息主要包含了(le)系統的(de)頻(pín)譜模式、業務描述信息調制方式、主業務數據調制編碼方式和(hé)分(fēn)層調制指示等系統控制信息，在接收端也(yě)是首先解調出系統信息後，再對(duì)業務描述信息和(hé)主業務數據按照(zhào)系統信息的(de)參數進行解調解碼。業務描述信息主要包含了(le)系統的(de)網絡信息表、各路節目的(de)業務标識等信息。音(yīn)頻(pín)編碼器與複用(yòng)子系統之間以及複用(yòng)子系統與信道編碼與調制子系統之間均采用(yòng)IP接口進行複用(yòng)數據的(de)傳輸。
2.3信道編碼與調制子系統
調頻(pín)頻(pín)段數字音(yīn)頻(pín)廣播系統定義了(le)三種傳輸模式用(yòng)于大(dà)面積組網覆蓋、高(gāo)速移動接收以及高(gāo)數據傳輸等不同的(de)應用(yòng)場(chǎng)景，運營商可(kě)根據實際的(de)運營需要進行選擇配置。表1給出了(le)各傳輸模式的(de)系統參數，在三種傳輸模式下(xià)子幀的(de)長(cháng)度均爲160ms，一個(gè)邏輯幀由四個(gè)邏輯子幀構成，即一個(gè)邏輯幀的(de)長(cháng)度爲640ms，一個(gè)邏輯幀承載一個(gè)複用(yòng)幀的(de)數據。在接收端，接收機利用(yòng)三種傳輸模式不同符号長(cháng)度的(de)循環前綴，以及幀頭的(de)信标以判别3種不同傳輸模式。
表1 三種傳輸模式的(de)傳輸參數（T=1/816000s）
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圖2 頻(pín)段數字音(yīn)頻(pín)廣播純數字頻(pín)譜模式圖
純數字模式頻(pín)譜示意圖如圖2所示，此時(shí)數字信号的(de)帶寬連續，分(fēn)别爲100kHz和(hé)200kHz。可(kě)以在模拟廣播全部數字化(huà)以後或者頻(pín)譜資源不緊張的(de)地區(qū)采用(yòng)。而在頻(pín)率資源比較緊張的(de)地區(qū)，可(kě)以采用(yòng)數模同播的(de)頻(pín)譜模式進行平滑過渡，如圖3所示。  |
圖3所示。圖3 調頻(pín)頻(pín)段數字音(yīn)頻(pín)廣播數模同播方式頻(pín)譜模式圖
圖3左側爲頻(pín)譜模式9，數字音(yīn)頻(pín)廣播信号的(de)總帶寬爲100kHz，由兩個(gè)帶寬各爲50kHz的(de)數字信号組成，根據調頻(pín)廣播技術規範，調頻(pín)立體聲廣播在75KHz頻(pín)偏、100%調制度時(shí)，調頻(pín)信号99%的(de)功率集中在中心頻(pín)率±128KHz以内[5]，故數字廣播信号和(hé)模拟立體聲調頻(pín)信号總帶寬爲400KHz（±200KHz），而且相互互不影(yǐng)響，與HD Radio相比（數字信号單邊帶寬約爲69kHz），數字信号帶寬更窄，與帶内調頻(pín)的(de)間隔更寬，産生相互影(yǐng)響可(kě)能性更小。在條件允許的(de)情況下(xià)，可(kě)進一步增加數字廣播信号的(de)帶寬到200KHz，即圖3右側的(de)頻(pín)譜模式10。在帶内調頻(pín)廣播爲單聲道時(shí)，同播方式與此類似，隻是爲調頻(pín)廣播預留的(de)頻(pín)率範圍變成了(le)±100KHz，數字廣播信号占據±（100-150）KHz的(de)頻(pín)率範圍。在實際建網過程中，可(kě)根據台站和(hé)周邊台站的(de)情況以及覆蓋效果，調整模拟信号功率和(hé)數字信号功率的(de)比值，減少對(duì)鄰頻(pín)道模拟調頻(pín)廣播的(de)影(yǐng)響。綜上，調頻(pín)頻(pín)段數字音(yīn)頻(pín)廣播提供了(le)靈活的(de)頻(pín)譜模式，現有的(de)廣播運營商可(kě)以根據當地頻(pín)率規劃和(hé)台站具體情況選擇适合自己的(de)頻(pín)譜模式，而無論是同播模式還(hái)是同播模式，數字音(yīn)頻(pín)廣播接收機均可(kě)以50KHz爲步進的(de)方式搜索數字廣播信号，即使用(yòng)同一調諧規則覆蓋兩種播出方式。
物(wù)理(lǐ)層的(de)編碼和(hé)調制功能子系統爲來(lái)自複用(yòng)子系統的(de)系統信息、業務描述信息和(hé)主業務數據提供三個(gè)獨立通(tōng)道：系統信息通(tōng)道、業務描述信息通(tōng)道和(hé)主業務數據通(tōng)道。三個(gè)通(tōng)道獨立進行編碼、交織和(hé)星座映射，其中主業務數據通(tōng)道可(kě)采用(yòng)1/4、1/3、1/2和(hé)3/4等四種碼率、碼長(cháng)爲9216比特的(de)LDPC編碼和(hé)QPSK、16QAM和(hé)64QAM三種星座映射方式，業務描述信息通(tōng)道采用(yòng)1/4卷積編碼和(hé)QPSK、16QAM和(hé)64QAM三種星座映射方式，系統信息通(tōng)道采用(yòng)1/4卷積編碼和(hé)QPSK星座映射方式，經過信道編碼與映射後的(de)三路數據與離散導頻(pín)複接在一起進行OFDM調制，調制後的(de)信号插入信标後構成邏輯幀，邏輯幀經過子幀分(fēn)配後形成物(wù)理(lǐ)層信号幀，再經過基帶至射頻(pín)變換後發射。以傳輸模式1爲例，一個(gè)邏輯幀包含四個(gè)邏輯子幀，每個(gè)邏輯子幀包含56個(gè)OFDM符号，每個(gè)OFDM符号包括242個(gè)有效子載波，系統信息放置在每一個(gè)OFDM符号的(de)連續子載波上，在一個(gè)子幀中系統信息重複放置三次，業務描述信息放置在第1、2個(gè)OFDM符号中的(de)數據子載波上，業務數據放置在第3~56個(gè)OFDM符号中的(de)數據子載波上。
接收機則利用(yòng)信标的(de)2個(gè)重複訓練符号通(tōng)過自相關處理(lǐ)進行子幀同步，在子幀同步後，接收機首先進行系統信息的(de)解調以獲取頻(pín)譜模式索引、當前子帶标稱頻(pín)率、業務描述信息通(tōng)道及業務數據通(tōng)道的(de)編碼調制方式等信息，并通(tōng)過物(wù)理(lǐ)層信号幀的(de)位置和(hé)當前子幀位置信息進行超幀同步，可(kě)以通(tōng)過系統信息在連續導頻(pín)上重複放置三次的(de)特性，進一步提高(gāo)系統信息譯碼性能。在超幀同步後，根據頻(pín)譜模闆信息，分(fēn)别提取出離散導頻(pín)和(hé)數據子載波，利用(yòng)離散導頻(pín)進行信道估計後，對(duì)數據子載波進行均衡，再分(fēn)别對(duì)業務描述信息和(hé)業務數據進行解調和(hé)解碼。
3 調頻(pín)頻(pín)段數字音(yīn)頻(pín)廣播的(de)系統性能
調頻(pín)頻(pín)段數字音(yīn)頻(pín)廣播的(de)主業務數據通(tōng)道采用(yòng)與CMMB标準[6]相同碼長(cháng)的(de)LDPC碼，圖4給出了(le)标準所設計選用(yòng)的(de)四種碼率的(de)性能（圖中以CDR表示調頻(pín)頻(pín)段數字音(yīn)頻(pín)廣播）的(de)仿真曲線，作爲對(duì)比，給出了(le)CMMB中1/2和(hé)3/4碼率的(de)性能曲線，可(kě)以看出調頻(pín)頻(pín)段數字音(yīn)頻(pín)廣播系統所采用(yòng)的(de)LDPC碼的(de)性能優于CMMB系統中所采用(yòng)的(de)LDPC碼。
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圖4 調頻(pín)頻(pín)段數字音(yīn)頻(pín)廣播系統LDPC碼的(de)性能
表2分(fēn)别給出了(le)通(tōng)過計算(suàn)機理(lǐ)論仿真得(de)到高(gāo)斯白噪聲信道、誤碼率爲1E-4條件下(xià)，調頻(pín)頻(pín)段數字音(yīn)頻(pín)廣播系統與類似的(de)DRM+系統的(de)載噪比門限，其中：Eb/N0=-10*log10(fb/B),fb表示系統傳輸的(de)碼率，B表示信道帶寬。
調頻(pín)頻(pín)段數字音(yīn)頻(pín)廣播工作方式爲傳輸模式1和(hé)頻(pín)譜模式1，兩者的(de)信号帶寬均爲100kHz，在QPSK,1/3時(shí)調頻(pín)頻(pín)段數字音(yīn)頻(pín)廣播的(de)傳輸碼率爲48kbps，DRM的(de)傳輸碼率爲49.7kbps，在16QAM,1/2時(shí)調頻(pín)頻(pín)段數字音(yīn)頻(pín)廣播的(de)傳輸碼率爲144kbps，DRM的(de)傳輸碼率爲149.1kbps。可(kě)以看出調頻(pín)頻(pín)段數字音(yīn)頻(pín)廣播系統的(de)性能優于DRM系統的(de)E模式。
表2 調頻(pín)頻(pín)段數字音(yīn)頻(pín)廣播與DRM的(de)性能比較
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表3 調頻(pín)頻(pín)段數字音(yīn)頻(pín)廣播系統高(gāo)斯信道下(xià)載噪比門限
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表4 100kHz帶寬内系統的(de)淨荷數據率
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調頻(pín)頻(pín)段數字音(yīn)頻(pín)廣播是在借鑒了(le)相關國際标準的(de)基礎上，揚長(cháng)避短，以我國頻(pín)率規劃的(de)現狀爲基礎，充分(fēn)發揮新技術的(de)後發優勢，對(duì)系統參數和(hé)信道編碼算(suàn)法進行優化(huà)設計和(hé)選擇，使得(de)調頻(pín)頻(pín)段數字音(yīn)頻(pín)廣播系統具有比同類國外系統更好的(de)傳輸性能。同時(shí)系統提供了(le)靈活的(de)頻(pín)譜模式，既充分(fēn)考慮了(le)模拟廣播平穩過渡到全數字廣播的(de)過渡過程，也(yě)考慮了(le)全數字化(huà)後的(de)場(chǎng)景應用(yòng)。
在國家新聞出版廣電總局的(de)統一部署和(hé)指導下(xià)，廣播科學研究院等單位已經完成了(le)調頻(pín)頻(pín)段數字音(yīn)頻(pín)廣播系統的(de)關鍵技術的(de)标準化(huà)，完成了(le)編碼器、複用(yòng)器、發射機以及接收機樣機的(de)研制，正在全國範圍内逐步開展試驗網和(hé)示範網建設，開展各種業務以及覆蓋試驗，以期加快(kuài)推動系統的(de)完善和(hé)産業化(huà)的(de)進程。
參考文獻
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