DRM数字调幅广播技术及在DX发射机进行DRM试验的探讨

调幅广播是工作于150KHz-30KHz的频段,调幅广播的突出优点是覆盖范围广,传输距离远的,接收机简单价廉,通过采用包络检波器便能解调出调制信号,且固定、便携或移动接收机都有相同的质量。但由于调幅广播幅度调制方式和占用窄的频带,带来了明显的缺点:广播信号在传输过程中易受到干扰,传输质量不高;业务单纯,一部发射机使用一个载波频率,传送一套单声道声音广播节目,随着CD的问世,多媒体的发展,人们真正感受到高质量的节目。调幅广播受到了数字卫星广播、多媒体广播的挑战。面临众多媒体的挑战,调幅广播明显处于劣势。要固守和发展30MHz以下的调幅波段这个阵地,就要将模拟调幅广播进行数字化的改造,利用调幅波段进行数字音频广播,简称数字AM。

数字广播的优点

1 抗干扰和噪声的能力强;

2 传输可靠性高;

3 在保持与模拟广播相同覆盖范围情况下,发射功率可降低;

4 节约频谱;

5 数字信号便于处理、存贮、交换,便于和计算机联接;

6 便于实现多媒体广播;

7 数字化产品体积小、重量轻、功耗省、可靠性高、多功能、智能化。

实现数字AM广播一方面要考虑现有的发射设备对其稍加改装,增加少量的数字设备就能高效发射数字信号;另一方面,利用现有的调幅广播的带宽,就能很容易地实现由现有的模拟AM向数字AM的平稳过渡,不存在复杂的频率重新规划问题。

接收设备相对简单。

国际上对数字AM的实验证实了:

1)、窄带的数字AM方法,在复杂的传输通道中可以取得广播质量的明显改进。

2)、现在模拟AM设备可改装为数字AM设备继续使用。

3)、模拟AM信号和数字AM信号可共用同一部发射机和同一个频道。原持有的模拟AM接收机的听众,仍可收听原来频道的的模拟广播;而持有数字接收机的听众,可收听具有FM质量、无衰落的数字AM广播。

全世界统一的制式与标准既能保障有良好的“空中”秩序,又拥有广大的听众,调幅接收机带到那都能使用。

在1983年3月在中国广州成立了世界性的数字AM广播组织DRM(Digital Radio Mondiale),在这期间DRM成为ITU广播分会的成员。

2001年9月ETSI( 欧洲电信标准协会)公布了DRM系统规范。

2003年1月IEC(国际电工委员会)颁布了DRM数字声音广播系统世界标准。

2003年6月16日ITU世界无线电行政大会在日内瓦举行,DRM对全球第一次试播。

DRM数字AM技术原理

1、DRM数字AM系统

DRM发射系统原理方框图如图1:

图上描述了不同等级的信息(音频、数据等)的一般流程,并不区分不同的业务。这些业务有可能包括合成多个等级的信息。

DRM系统对不同的输入业务分别处理:

MSC(主业务信道)处理音频、数据流输入信号。传输数据比特率取决于信道带宽和传输模式,帧周长为400ms。

FAC(快速存取信道上)用来将发射端的复用器复合了的业务种类信号带宽及信道编码参数等信息提供接收端。帧周期为400ms。

SDC(业务描述信道)用作向接收端提供解码信息和复用器中各种业务的属性、特征。帧周期为1200ms。

源编码和预编码是用来使输入的流适合于数字传输的格式。对于音频源编码,其功能包括音频压缩技术。信源编码原理如图2:

模拟音频信号经A/D转换(取样、量化、编码)后变为PCM(脉冲编码调制)数字音频信号。单声道PCM信号的数据率就是768 Kb/S。经信道编码后,去除声音信号中的“冗余”部分和与听觉不相关部分,经压缩处理后单声道数据率仅100 Kb/S左右。

源编码和数据流预编码的输出可以包含两个部分。它们在后继信道编码器中需要一般保护和高保护两种不同等级的保护。所有业务都必须利用这两种或其中一种。

复用器将所有的数据和音频业务的保护级别联合起来。

能量扩散是为了减少系统模型导致传输信号以不期望的规律变化的可能性,而提供的判定选择性互补的比特。

信道编码是通过增加信息冗余来保证传输的准确无误差,并将数字编码信息映射到QAM(正交调幅)调制单元中。QAM属多进制数字调制,是ASK(幅移键控)调制方法的特殊形成,在QAM中使用两个互相正交的载波即一个是sin wt另一个是 cos wt,I矢量和Q矢量相加形成QAM信号矢量,每个载波视工作模式不同,可以是4QAM、16QAM、64QAM。其中,4QAM:抗干扰能力强,传输速率低。16QAM:用于质量要求高的语言节目传输。64QAM:抗干扰差,传输速率高,用于音乐节目传输。若采用16QAM时发射机共有4种不同的幅度状态和12种不同的相位状态。

单元交织将连续的QAM单元从时间和频率上分离为伪随机序列单元,以保证在时间-频率扩散信道中强传输。导频发生器通过与信号共同解调使接收机能获取信道状态信息。

OFDM(正交频分复用)映射单元收集不同等级单元并将其分配到时间-频率格中。

OFDM信号发生器在相同的时间序中将每个单元组转换到时域来表示信号,这样OFDM符号通过在时域插入周期重复的保护间隔来形成。

调制器将数字的OFDM信号转换为模拟信号传送,这一操作包括数-模转换以及按照要求过滤。

2、信源编码

数字音频信号的质量是其数据率决定的,音频数据率越高,在信道上传输的数据率也越高,所需的射频带宽也越宽。DRM使用9KHz或10KHz,在条件允许下,最多可使用到加倍的带宽18KHz或20KHz。

由于在低于30MHz广播信道中广播规律以及应用的编码和调制方案参数的限制,源编码的比特率为从8kbit/s(半信道)到20kbit/s(标准信道),最高约72kbit/s(双信道)。

为在给定的比特率条件下获得更好的质量,在数字AM广播中,选择使用MPEG-4中的不同的编码方法的编码器。系统提供以下不同的源编码方案如图3:

―MPEG 4子集的AAC(先进音频编码),包括对普通单声道和立体声广播有力地错误保护处理。

―MPEG 4子集的CELP(码本激励线性预测),对单声道语音广播中错误保护地处理。

―MPEG 4子集HVXC(谐波矢量激励编码)对很低地比特率和单声道语音广播中进行错误地保护处理。

―频带复制技术(SBR),是一种在低比特率获得完全音频带宽地音频编码增强方法,它可用于ACC和CELP。

SBR不需传输6KHz以上的音频数据,6KHz以上的音频数据通过产生6KHz以上的谐波或“和声” 来仿真,在解码端就可获得至15KHz带宽的音频信号,而仅需22-25Kb/S的数据率。

音频信号经信源编码系统后输出送到复合与信道编码器。

3、传输模式

1) 信号带宽相关参数

现有的低于30MHz无线电广播带宽为9KHz和10KHz。DRM系统被设计成:

―在这些标准的带宽内应用,以满足现行条件;

―在带宽为4.5K Hz(9KHz的一半)或5KHz(10KHz的一半)的倍数的信道内应用,以满足与模拟AM信号同播或当条件允许时提供更大的传输能力。

此外,它可以另外提供ITU中没有严格包括的带宽,在频率规划允许的情况下,可以提高系统容量。

2) 传输效率相关参数

对于信号带宽参数的任何值,都须确定效率相关参数,以便在容量和抗噪声、多径干扰和多普勒效应之间进行折衷。这些参数分为两种类型:

―编码率和星座图参数,定义了数据传送中使用的码率和星座图;

―OFDM符号参数,定义了OFDM符号的结构,是传播条件的函数,称为“地波模式”,“天波模式”和高强度模式1和2。

4、信道编码和调制

信道编码采用基于存贮深度为6相对约束长度为7和26=64状态的卷积编码来实现的。信源编码器的电路由6个移位寄存器构成。卷积编码器现实输出,不仅与现实输入有关,也与前几个时刻的输入有关,即与移位寄存器存贮的内容(0或1)有关。

应用了这种编码率可变的卷积编码方法(可删除型卷积编码)适应不同重要性的数据保护要求。

DRM的这种基于卷积编码的多级编码方法将编码和调制结合起来达到最好的传输性能。这意味着在QAM映射中容易出差错的比特位置要得到一个较高的保护。不同的保护级通过不同组成的码得到,不同组成的码通过来源于同一母码的可删除卷积码实现。

DRM系统使用了(编码正交频分复用)的传输方法,它是一种多载波宽带传输系统。COFDM包括信道编码和调制两个部分。

COFDM的含义是:

C(编码):就是信道编码,经信源编码的数据流再人为加进冗余进行差错保护。

OFD(正交频分):使用大量的载波代替单载波。这些大量的载波有相等的频率间隔,都是一个基本振荡频率的整数倍,频谱成正交关系。

M(复用):COFDM是宽带传输,传输的信息不再是单一的节目,而是多套节目的数据流相互交织地分布在上述大量的载波上,形成一个频率块。

为了防止传输差错,经过信源编码进行数据压缩的数据流,首先要进行信道编码,即人为加入冗余。然后,经信道编码的信息要被分配到频谱成正交关系的许多副载波上传送。这些副载波被数字信息调制,采用的是四相差分相移键控的调制方法。所有这些已调副载波叠加在一起,就形成包含数字信息的所谓COFDM基带信号,然后,再采取搬迁的办法,将其变换到射频范围,形成“频率块”,经功率放大后通过天线发射。在一个“频率块”上通常可由一部发射机同时传送多套节目和其他数据业务。

为了能修正传输进程中可能出现的突发性的比特差错,采用了“时间交织”和“频率交织”技术,双重预防措施,使本来相信的信息单元在时域和频域都尽可能远地分开传送,接收端经过去交织恢复原有的顺序。

在COFDM传输方法中,为防止具有较大时延差的多径传播的信号在接收机相遇时总务处符号间干扰,人为地在符号持续期增加一个被称为“保护间隔”的时间长度。

COFDM是多载波宽带系统,在特定条件和环境下可能出现个别载波衰落,但它们仅携带少量的信息,出现传输差错完全能修正。

OFDM发生器输出是多载波的基带信号,其幅度变化分量送到现有模拟AM发射机的调制通道;OFDM基带信号分解为同相分量(I)和正交分量(Q),通过RF频率合成器并变换为RF相位分量(Φ),送到现有AM机发射机激励通道。通过模拟发射机发射出数字信号。系统构成如图4。

DX系列中波

广播发射机进行数字化改造

1、DX发射机

有条件过渡为DRM发射机

对现有的发射机能否进行数字化改造,取决于许多单独的DRM载波,在分配的带宽内准确承载数字在码流的能力。要实现数字化,发射机必须满足带宽、群延时以及噪声指标的要求,以及必须提供宽带输出匹配网络。

1)DX发射机固有的宽带设计

DX发射机使用高效率的D类RF放大器。每级之间的带通滤波器把方波转换成下一级所要的正弦波。通过选用低Q网络,从外部射频输入到射频输出,DX机都设计成宽带模式。所以有足够的射频带宽。

DX机用12位模数转换器代替传统调制器。AD转换器在载频上将模拟音频输入转换为数字信号。再由多个低功率的ROM把数字信号进行解调,然后输出“开 关”信号射频放大器,射频放大器的输出部分在串行的合成器中合成,ROM和射频放大器形成一个高速的“数字到射频”的转换来生成调制的射频输出。

2)DX发射机群延时小

DX发射机有出色的线性指标。DRM信号包含有幅度调制和相位调制,为了在高效率的AM发射机上对DRM信号进行放大,DRM激励器把DRM信号分割成两部分,一个是幅度部分输出到发射机的音频输入;另一部分是相位调制过的射频信号输出到发射机的射频输入部分,代替原激励器。为了得到比较低的误码率及清晰的占用带宽,幅度和相位信号必须同时到达功放部分有,且在占用带宽内所有频率的幅度必须相同。对相位调制过的射频信号延迟调整是必要的。

3)DX发射机有出色的信噪比。低的信噪比会增加数字信号的误码率,影响正常的覆盖。

4)DX发射机具有出色的宽带输出匹配网络,可承受高的VSWR,最大限度地保证数字传输性能。

2将DX发射机改造成DRM发射机的方法

DX发射机可以快速、方便,使用小的投入来实现中波高质量DRM的过渡。

1) 取下发射机上的模拟输入板,将贝塞尔滤波器旁路。

模拟音频输入板上配有模拟信号输入滤波器,用作直流电平控制和平滑滤波。要进行数字广播,该滤波器必须旁路。由于激励器控制直流(载波功率电平)输入,发射机必须跳接至直流耦合输入。具体电路如图5:

2) 调整发射机用于DRM调制器的直流电平。

由于激励器提供直流输入用来控制载波功率,因此由模拟输入板提供的直流电压必须降低。逆时针调整R56使TP14处电压最低。如图6:

3) 去掉72KHz震荡器,提高频谱性能。

通常状态下,少量的72KHz平滑震荡三角波被加在音频调制信号上。为满足DRM频谱要求,要去掉这个信号。顺时针调整R26使平滑震荡信号最小化。如图7:

4) 提供DRM音频到发射机

两种方式:(1) 在发射机上安装DRM调制器,把发射机的振荡器板换成DRM调制器板用作发射机的射频源向发射机提供OFDM调制的DRM信号。

5)发高压机外接DRM调制器。

发射机震荡板通常用来生成载波信号,它被 DRM调制器取代,调制器连接到震荡板上的外部射频输入上。

把连接器P3从1-3移到1-2来选择外部射频输入。连接器P3可用来为DRM激励器输出提供50欧或高阻抗负载。如图8

做了以上步骤后,发射机就可以进行最后的设置和调试。

DRM实验简介

美国HARRIS公司在广东909台进行中波数字广播(DRM)播出效果实验,用于实验的机型选取HARRIS生产的DX-1010KW中波数字调幅发射机。

试验收测的仪器主要有:ANRITSU M-262E 场强测试仪,HIMALAYA DRM2010便携接收机和AOR7030+FhG DRM 专业接收机,HP 89441A频谱分析仪,GPS卫星定位仪,网络分析仪,示波器等,接收天线为自制中波框形天线。

整个实验系统连接如图9:

音频信号源送入信源编码器,进行数字编码,在实验中信源编码器由一台电脑上程序来实现。输出的已编码信号通过光电转换器变换为光信号,再送入DRM调制器,作为信道编码、COFDM调制。DRM调制器由振荡板和一台电脑组成。

DRM接收机为AR-7030DRM接收机,接收机的输出经RS232接口送装有解码分析软件的测试计算机,实现DRM接收机的接收、解码以及接收性能测试。

接收系统连接情况如图10示:

(4)收测的具体情况为:在广州市区距本台10KM各个方向上收听和收测正在试验的DRM广播的传输效果,并在距离八0八台10KM东南西北方向上各选取1个点,在距离八0八台23.5 公里的番禺沙湾选取1个点,共5 个点进行了场强的收测,与模拟AM广播时的数据作比较,以检验DRM的覆盖情况,同时记录下频谱、RF电平、SMR 信噪比等基础参数,并进行了相应的录音,从而得到了相应的实验数据,期间也作了相应的移动接收试验。

收测的结果反映在高密集程度的大城市中的DRM 广播接收还不是很理想,在高大建筑物和小山旁,内环高架路,收费站等有顶建筑底,隧道内等等较难接收。

在我们选取的五个收测点的收测情况如下表:

在东边的汇景新城口,场强收测值为70dB,但两部接收机均不能接收到任何信号。在番禺的丽水湾基本能连续和移动收听DRM 广播,场强值也较大。

通过实验,初步表明:

1) 当DRM发射机发射功率为2.8KW时,在15公里范围内能有效接收。

2) 收听音质大大优于AM发射效果,且无背景噪声。

3) 接收机的实收场强低于场强仪所测场强,接收机天线有待改进。

综合来说,DRM广播在大城市进行广播是可行的,但在高大建筑物和小山旁,内环高架路,收费站等有顶建筑底,隧道内等情况下接收较差,如何作改善还需作进一步的探索。

相信随着对DRM广播试验的深入开展,在不断的探索改进中,DRM技术将日臻完善和发展。