DAB-S卫星数字音频广播

DAB-S的特点

卫星数字音频广播DAB-S不同于数字电视广播，音频广播每套节目的使用带宽远小于电视节目，为实现用户的手持终端（收音机）或车载终端（汽车收音机）的直接接收，卫星数字音频广播多采用L波段，为了达到地面的强场强覆盖，星上需采用直径较大的天线和较大的功率放大器。与地面数字音频广播相比，DAB-S有着显著的优点：

1、具有大的覆盖范围；

2、广播基础设施和运行费用比地面数字音频广播低得多。前者为后者的一百分之一至几百分之一；

3、每套节目可以有独立的上行线路，不需要多套节目复合；

4、接收机价格便宜。日本产接收机已降到100美元，泰国和韩国生产的接收机已分别达到每台73美元和50美元，而且其价格还在进一步下降；

5、TDM可提供频谱和功率的有效性；

6、是进行高质量全球广播覆盖的理想方案；

7、可得到高质量声音信号和大量数据业务服务。

DAB-S适用于幅员辽阔，地形复杂的国家和地区，严格地来说欧洲还没涉足，而美国已经走到世界的前列。卫星数字音频广播目前主要有三种形式，即欧洲尤里卡-147-DAB、美国世广集团（WorldSpace）的卫星数字音频无线电服务（SDARS）系统和美国Sirius公司与XM公司的卫星数字音频无线电服务系统。

尤里卡-147DAB系统

欧洲尤里卡-147DAB，它与地面DAB都采用编码正交频分复用COFOM（Coding Orthogonal Frequency Division Multiplexing），它是一种搞回波传输的信道编码技术。其工作原理是利用正交频分复用技术OFDM将要传输的音频编码信号的数据分割成大量的已举行的世界无线电大会（WARC-92）分配了1452~1492MHz（L频段）作为卫星和地面数字音频广播使用。但是的数字音频广播直播卫星还没有发射。

Sirius 系统和XM系统

1、系统比较

在美国由于L波段已分配作它用，所以将S波段2310~2360MHz中的2310~2320MHz和2345~2360MHz两个频段拍卖给地面无线通信服务WCS（Wireless Terrestrial Communications Services）,2320~2345MHz卖给Sirius公司和XM公司SDARS用。Sirius公司已向美国全国提供60个商业性免费音乐广播和40个新闻/体育/娱乐广播，其用户已达10万户。该公司近年还将和福特等厂商联合开通汽车频道节目，服务对象为汽车用户、家庭用户和移动用户。XM系统可提供70个音乐频道和30个新闻、访谈、体育和其他娱乐节目。到2002年1月初，大约有3万多个消费者用户，每户每月付费9.95美金。目前购买XM卫星广播收音机的数量仍在继续攀升。

两公司中的每个公司得到的频带宽度为12.5MHz，并且又分成宽度基本相同的三个子波段：中间子波段（Sirius宽4.0MHz，XM宽5.1MHz）用于OFDM地面中继站信号，另外2个波段（Sirius每个宽4.2MHz，XM每个宽3.7MHz）分配给卫星信号。

XM公司于2001年先后发射了摇滚-2和摇滚-1两颗对地静止的数字音频广播卫星，平均仰角45°左右。由于仰角低及高大建筑物和地形的阻挡作用，服务区内有些地方收不到质量好的信号，所以必须使用较多的地面中继站加以克服。XM公司通过分布在全美各地的1500多个地面中林业局站实现覆盖全美的SDARS。Sirius公司的系统用3颗在北美上空椭园轨道的卫星提供服务，其同步卫星轨道在赤道北南走8字形轨迹，每颗卫星在赤道北边上空16小时，所以在北美上空，任何时候都有2颗卫星在工作。在北美的大多数地点，最小仰角约为60°。由于仰角较大，卫星所需要的在南中继站只有105个，比XM系统少得多。

2、关键技术

（1）冗余技术。两公司的SDARS主要针对美国国内庞大的汽车用户。在高速运动的汽车中收听现有的卫星无线广播会面临多种干扰和多种衰减效应等问题。为此两公司都采用了空间分集、频率分集和时间分集冗余技术。

①空间分集。Sirius公司和XM公司的SDARS系统都同时有两颗卫星在美国上空、而且在空间相隔很远，这使得从两颗卫星来的信号同时被障碍物阻挡的可能性很小，这就是空间分集的原理。至于卫星信号在隧道和大城市高大建筑和“峡谷”中的接收难题，则通过地面中继站等手段来解决。

②频率分集。在高速运动车辆中的收音机，调频（FM）广播音质明显变坏的主要原因是环境噪声和多径衰减效应，因为这种效应对频率有选择性。在两个公司的SDARS系统中下链频段留下的频率冗余，用来实现频率分集。即系统的两颗卫星发射相同的信号，但频段不同。例如XM原两颗卫星信号，一个在2332.5~2336.5MHz频段，另一个在2341~2345MHz频段。而Sirius的卫星信号，一个在2320~2324MHz频段，另一个在2328.5~2332.5MHz频段。

③时间分集。在两颗卫星发射的信号间及卫星和中继站信号间引进时间延迟，就实现了时间分集。时间分集技术有助于克服信号的短时间阻挡效应。

（2）调制技术。除了以上三种不同的冗余技术外，两个系统的卫星调制都采用时分多路复用-90°相移键控TDM-QPSK（Time-Division Mutiplexing-Quadrature phase shift Keying）方式。这种调制技术频率利用率高，可实现多个信息依时间先后在同一信道上的传输，而且卫星功率放大器可被驱动到饱和状态，功率利用率高。地面中继站调制都采用OFDM。对多径干扰引起的频率选择性衰落有很好的适应能力，而且这也是在数字视频广播和数字音频广播的地面传输中所使用的传输技术，已有很丰富的经验。

（3）信源编码技术和信道编码技术。Sirius系统净传输率为4.4Mb/s，XM系统的净传输率为4Mb/s，故必须使用恰当的信源压缩技术。为适应各种广播节目的质量水平，如立体声音乐节目达到CD水平，新闻谈话节目达到单声调频水平，要求不同的信源数据率：立体声音乐节目，带宽约15kHz，数字率在48~64kb/s；新闻和谈话节目，带宽低至6kHz，数据率在24~32kb/s之间。XM公司对每个节目按块分配数据率，块率为8kb/s或16kb/s。这要求信源编码器以固定数据率工作，而以可变数据率工作又是基本速率信道PRC（prime Rata channel）的固有特性，这就要引入缓冲器以使数据率变为固定。只要缓冲器足够大，它的引入对信号质量就不会有坏影响。Sirius公司的系统变化，各停产的平均数据率由信耕牛决定。为做到这一点，把节目按组安排，并对各节目的信道进行联合解码。两系统都对信源信号加以保护，防止停产的伤害，其方法是用RS（Reed Solomon）码和卷积码组合，构成串联信道编码方式。Sirius系统采用RS码，将数额信号分成（225、233、8）的码块，然后再进行块码交织，最后进行编码率2/3的卷积编码。交织与RS纠错码的结合能极大地提高误码校正能力。

世广卫星集团（Worldspace）

公司的SDARS系统

1、系统组成

美国世广公司的SDARS系统由3颗对地静止卫星分别向发展中国家和地区提供SDARS：其中非洲之星（AfriStar）位于东经21°，覆盖非洲、近东和中东地区；亚洲之星（AsiaStar）位于东经105°，覆盖中国、印度和日本；美洲之星（AmeriStar）位于西经75°，覆盖中美洲和南美洲地区。每颗卫星有3个波束，每个波束有两个时分复用（TDM）信号流，每个信号流包含96个基本速率信道（PRC），每个波束可覆盖约1400km2。卫星的最大等交全向辐射功率（EIRP）为53dBW。卫星工作在L波段（1467~1492MHz），广播机构的上行线路使用X波段（7025~7075MHz）。每颗卫星可提供288个广播频道，该系统不要求接受天线精确对准卫星。世广SDARS系统可提供多媒体服务，包括音频，图像，移动图像和数据，并且能为每个收费用户加密。目前，世广卫星的广播系统是为固定接受机（包括便携式）的听众服务，若每套节目由卫星的两个音频广播信道ABC（Audio Broadcasting Channel）传送，再引进时间分集，补充适当的地面中继站，也能为高速移动用户提供高质量的音频服务。

2、关键技术

（1）信源编码。世广卫星音频使用的标准是MP3压缩算法，最高的压缩比可达到1：12，通常一分钟末经压缩的节目需要占用10MB空间，而经MP3压缩后只占用1MB，并且保持了CD的音质水平。

世广卫星采用了动态广播信道管理方式，每个音乐信道分配128kb/s带宽，而以评议为主的新闻广播节目则分配64kb/s的带宽。所谓动态管理，就是同一个电台，在播送语言和音乐节目时，不同的节目采用相对应的64kb/s带宽和128kb/s的带宽，在两种类型节目切换时，其带宽也相应改变。一个波束可以提供50个以上甚至多达100个频道。

（2）信道编码。WorldSpace系统的每一个基本速率信道（PRC）的数据率为16kb/s，而每个TDM下行载波可包括96个PRC，3个波束共288个PRC。根据传输信息的形式和质量的不同，组成了一个音频广播信道ABC，PRC为1~8个，对于高质量的立体声信号，要用8个PRC，数据率为8×16kb/s=128kb/s。用这个数据率，卫星的每簇波束可提供2×12=24个高质量立体声ABC。音频广播信道（ABC）的数据帧长为0.432。

在WorldSpace系统中，广播机构传送的信号（经壶数据率压缩），首先要经过前向纠错（FEC）信道编码，采用RS码，将数字信号分成（255，223）的码块，然后再进行声码码交织，最后进行编码率为1/2的卷积编码。经信道编码后的数据率为原来的2×255/233倍。最后形成的每个基本信道编码的数据率为38kb/s。

经FEC编码后的并行基本信道，再形成卫星下行的比特流。

（3）透明广播方式与处理广播方式。在WorldSpace系统中设计了透明广播方式和处理广播方式。

在透明广播方式时，上行信号通过地面透明上行站，以TDM/MCPC方式，用X波段的频率送往卫星通过卫星的透明转发器处理后，变为工作在L波段的TDM/MCPC方式的下行信号，不做逻辑上的任何变换与处理。透明上行站的任务是对多个广播电台的节目进行汇总，形成广播信道帧格式，进行传输纠错编码，形成TDM数据流，进行QPSK调制及功率放大。对每颗卫星而言，最多可设置三个透明上行站，各形成一个上行TDM载波。卫星上的透明转发器，按收到通过TDM-QPSK信号，不进行解调，仅做频率变换（变为中频，再变为L波段频率）和高频功率放大，最后形成下行传送的载波。

在处理广播方式时，上行信号通过地面的卫星处理上行站，以FDMA（频分多址）/SCPC方式，用X波段频率传送调制在不同载波频率上的多个基本信息信号。通过卫星上的处理转发器，进行解调和基本信道信号处理。然后，根据广播覆盖的要求，配置一个或两个或三个下行的TDM数据流中，切换到指定的下行波束。处理上行站的任务是形成广播信道（BC）帧格式，进行传输纠错编码，对每个基本码率（16kb/s）进行QPSK调制和高频功率放大。对每颗卫星而言，最多可设置288个处理上行站，各负担一个基本码率信道（PRC）QPSK载波的形成与传送。卫星上的处理转器接收处理上行站送来的信号，经变频解调后，得到基本信号，再经上变频和功率放大，变L波段的下行TDM载波。

每颗卫星有3个下行波束，每个波束各有一个透明下行TDM载波和一个处理下行TDM载波，二者的极化方式相反（左旋圆极化和右旋圆极化）。

我国卫星数字音频

广播的发展及前景

1、我国急待发展卫星数字音频广播

（1）扩大广播覆盖。我国地域，海岛、山区和少数民族地区占国土面积的70%，许多边远山区还收不到广播。根据广电总局的统计，用传统方法提高覆盖率，广播每增长一个百分点要投入20多亿元人民币。而采用DAB-S，其所需投资只有传统方法的百分之一至几百分之一。因此，DAB-S对于我国来说，应是最终解决广播覆盖最经济，最有效的手段。

（2）提供大容量高质量的节目。随着人民生活水平提高和观念的改变，受众对各种信息的需求更趋多样化及个性化，单纯依靠地面传输介质无法承载这么海量和高质量的信息需求。而DAB-S可以同时传送多达数百套CD音质的节目以及数据信息，利用宽带高速的优势为大众提供有效的服务。

（3）便于移动接收。据报道，2001年德要人日均听广播169分钟，看电视153分钟，上网30分钟，其中听广播排第一。原因是大部分德国人自己开车，花在途中的时间很多，私家车的发展得高了广播的收听率。在我国也存在着类似的趋势，人们希望在高速移动中也能听好广播。而DAB-S恰好能满足人们这方面的需求。

（4）占领空间资源。由于空间资源--卫星频道和轨道位置的稀缺性，特别是这种资源背后所蕴含的巨大商业利益，各国对有限的直播卫星和通信卫星轨道，频道资源的需求急剧增加，一些发达国家还千方百计地抢占更多的卫星资源。

因此，当前尽快在我国开展DAB-S有着强烈的需求，在国际方面也面临着紧迫的压力，发展DAB-S对我国有格外重要的意义。

2、我国开展卫星数字音频广播的实践

我国在2001年通过“世广”卫星的“亚洲之星”所作的DAB-S试验，显示了卫星直播的优势，其主要结论如下：

（1）“世广”卫星的东北波束覆盖了我国90%的地区，西部地区从乌鲁木齐往西卫星信号逐渐减弱，在和静地区以西收不到信号，其余地区接收效果良好。

（2）不同速率的音质效果、节目动态加密、境处节目抑制、广播分量重组和多媒体广播的演示效果很好。播放音乐节目用64kb/s，播放语言节目用32kb/s的速率，可获得良好的音质效果。

（3）信号收听效果不受移动速度影响。在行驶的汽车、火车、江轮上，只要无阻挡，均可收到良好的广播信号。

（4）信号接收效果，不受雨雪、温度和海拔等因素的影响。

（5）在钢筋混泥土建筑物内或高大树木、隧道、高楼阻挡情况下，信号减弱或出现中断。

以上试验结果表明，DAB-S适合于解决广播覆盖问题，可提供便捷的移动接收，也提供了清除对外广播服务空白区的机会。

另外，在接收机方面，中国上海广电教学音像电子有限公司和美国世广公司合作，已成功地开发了能接受世广公司“亚洲之星”数字音频广播的接收机DAR-1。

3、我国卫星数字音频广播的发展前景

美国卫星数字音频广播（DAB-S）技术遥遥领先，欧洲在此方面也做子大量工作。我国的DAB-S将如何发展呢？

（1）紧密关注DAB的最新动态，研究确定我国DAB制式和标准。目前世界DAB主要有两种方式，即欧洲的尤里卡-147DAB和美国的带内同频（IBOC），其中尤里卡-147DAB系统在设计上允许在地面广播和卫星广播中使用，但是DAB的直播卫星还没有发射。若欧洲的卫星DAB能在近几年内投入使用，我们可用该系统进行应用测试。由于我国地面DAB已在珠江三角洲地区测试并取得成功，如果卫星音频广播也采用DAB，两者可兼容和协调发展。

（2）目前可直接服务于我国的DAB-S只有世广卫星直播系统，这是当前世界上惟一的L波段数字音频和多媒体卫星直播系统。世广卫星的地面接收机是便推携式L波段数字接收机，使用CD盘大小的在线就可直接接收来自卫星的音频节目和高速传输的图像、文字、数据、软件等多媒体节目。我国可通过租用“亚洲之星”或其他途径，来推进DAB-S的直播应用。

（3）DAB-S是一个需要各部门相互支持和协调发展的系统工程，有了卫星系统，还要有丰富的节目频道内容供用户选择，有用户市场才能取得最佳的效益。在某种程度上，与技术相比，内容的重要性更大。

（4）我国应尽快实施具有自主知识产权的广播电视直播卫星系统。采用国产直播卫星，建立卫星数字音频广播体系，是解决日益突显的信息安全问题的有效途径，也是抵御西方渗透的基础设施和重要手段。同时，由于广播通信卫星的制造技术是一项复杂的系统工程，这一举措还有利于带动相关技术的进步，巩固我国航天大国地位，培育新的经济增长点。另外，音频直播卫星在我国还是空白，巨大的市场需求正与日俱增。所有这些都促使我们在这一领域要加大投入，尽快搞出我们自己的音频直播广播卫星。