調頻頻段數字音頻廣播系統研究

發表時間:2014-12-11

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高鵬 盛國芳 吳智勇 邸娜

摘要  2013年8月國家廣電總局頒布了調頻頻段數字音頻廣播标準,給出了我國調頻頻段廣播數字化的方案,此方案以我數和信道編碼方式的設計、選擇,具有自主知識産權。本文介紹了此标準定義的調頻頻段數字音頻廣播系統及其系統性能。
關鍵詞 調頻頻段數字音頻廣播,CDR HD Radio,DRM,載噪比門限 

    1 引言
    數字音頻廣播技術是廣播數字化的技術基礎,通過引入先進的數字編碼、調制、傳輸技術,能夠有效地消除多徑、多普勒頻移以及突發噪聲等其他幹擾對接收音頻質量的影響;能夠提高頻譜的利用率,在相同的射頻帶寬内,傳輸更多的節目内容,為更高級的數據和音頻業務的産生提供了可能;能夠用更低的發射功率達到與模拟廣播同樣的覆蓋範圍。
    從上世紀八十年代其,在國家廣播電影電視總局的統一部署和指導下,廣播科學研究院在數字音頻廣播領域積極跟蹤世界數字廣播的發展,對DAB[1]、DRM[2]和HD Radio[3]等國際标準和技術方案開展了大量的跟蹤研究以及實驗室和外場測試工作,并在此基礎上開展具有我國自主知識産權的調頻頻段數字音頻廣播系統的研究嘗試。從2011年起,廣播科學研究院作為牽頭單位逐步完成調頻頻段數字音頻廣播關鍵技術的研究、樣機的開發以及實驗室、場地測試。2013年8月14日國家新聞出版廣電總局正式将其發布為行業标準 [4],本文主要介紹了此标準讨論的調頻頻段數字音頻廣播系統特點和系統性能。
    2  調頻頻段數字音頻廣播系統介紹
    調頻頻段數字音頻廣播系統采用正交頻分複用技術,以100kHz帶寬的子帶作為基本單位,其系統結構如圖1所示。由圖可見,調頻頻段數字音頻廣播發射系統主要由三個子系統構成:音頻和數據輸入子系統、複用子系統及信道編碼與調制子系統。
 
圖1 調頻頻段數字音頻廣播發射系統結構圖  
    2.1 音頻和數據輸入子系統
    調頻頻段數字音頻廣播的主音頻業務的音頻編碼方式采用DRA [5]低碼率擴展版本(DRA+),其輸出的碼率範圍為24kbps到128kbps。在輸出碼率為24kbps時,解碼的音頻質量略低于目前模拟調頻立體聲廣播的質量,在輸出碼率為48kbps時,解碼的音頻質量高于目前模拟調頻立體聲廣播的質量,在輸出碼率為128kbps時,可以提供環繞立體聲服務。
    除了優質的音頻業務外,調頻頻段數字音頻廣播系統還可以支持各種各樣的數據增值業務。節目運營商可以依據信道的傳輸能力,根據實際需要調整音頻節目與業務數據在傳輸流中所占的比例。
    2.2 複用子系統
    在複用子系統中除了将編碼後的音頻業務、數據業務等主業務數據按照一定的複用協議封裝成複用幀之外,還需要在複用子系統中完成系統信息和業務描述信息的配置、生成與封裝。系統信息主要包含了系統的頻譜模式、業務描述信息調制方式、主業務數據調制編碼方式和分層調制指示等系統控制信息,在接收端也是首先解調出系統信息後,再對業務描述信息和主業務數據按照系統信息的參數進行解調解碼。業務描述信息主要包含了系統的網絡信息表、各路節目的業務标識等信息。音頻編碼器與複用子系統之間以及複用子系統與信道編碼與調制子系統之間均采用IP接口進行複用數據的傳輸。
    2.3信道編碼與調制子系統
    調頻頻段數字音頻廣播系統定義了三種傳輸模式用于大面積組網覆蓋、高速移動接收以及高數據傳輸等不同的應用場景,運營商可根據實際的運營需要進行選擇配置。表1給出了各傳輸模式的系統參數,在三種傳輸模式下子幀的長度均為160ms,一個邏輯幀由四個邏輯子幀構成,即一個邏輯幀的長度為640ms,一個邏輯幀承載一個複用幀的數據。在接收端,接收機利用三種傳輸模式不同符号長度的循環前綴,以及幀頭的信标以判别3種不同傳輸模式。
表1 三種傳輸模式的傳輸參數(T=1/816000s)
 
    如前所述,調頻頻段數字音頻廣播信号的信道帶寬以100kHz的子帶作為基礎,數字信号可以積木式的靈活配置。
 
圖2 頻段數字音頻廣播純數字頻譜模式圖
     純數字模式頻譜示意圖如圖2所示,此時數字信号的帶寬連續,分别為100kHz和200kHz。可以在模拟廣播全部數字化以後或者頻譜資源不緊張的地區采用。而在頻率資源比較緊張的地區,可以采用數模同播的頻譜模式進行平滑過渡,如圖3所示。
 
    3所示。圖3 調頻頻段數字音頻廣播數模同播方式頻譜模式圖
    圖3左側為頻譜模式9,數字音頻廣播信号的總帶寬為100kHz,由兩個帶寬各為50kHz的數字信号組成,根據調頻廣播技術規範,調頻立體聲廣播在75KHz頻偏、100%調制度時,調頻信号99%的功率集中在中心頻率±128KHz以内[5],故數字廣播信号和模拟立體聲調頻信号總帶寬為400KHz(±200KHz),而且相互互不影響,與HD Radio相比(數字信号單邊帶寬約為69kHz),數字信号帶寬更窄,與帶内調頻的間隔更寬,産生相互影響可能性更小。在條件允許的情況下,可進一步增加數字廣播信号的帶寬到200KHz,即圖3右側的頻譜模式10。在帶内調頻廣播為單聲道時,同播方式與此類似,隻是為調頻廣播預留的頻率範圍變成了±100KHz,數字廣播信号占據±(100-150)KHz的頻率範圍。在實際建網過程中,可根據台站和周邊台站的情況以及覆蓋效果,調整模拟信号功率和數字信号功率的比值,減少對鄰頻道模拟調頻廣播的影響。
    綜上,調頻頻段數字音頻廣播提供了靈活的頻譜模式,現有的廣播運營商可以根據當地頻率規劃和台站具體情況選擇适合自己的頻譜模式,而無論是同播模式還是同播模式,數字音頻廣播接收機均可以50KHz為步進的方式搜索數字廣播信号,即使用同一調諧規則覆蓋兩種播出方式。
    物理層的編碼和調制功能子系統為來自複用子系統的系統信息、業務描述信息和主業務數據提供三個獨立通道:系統信息通道、業務描述信息通道和主業務數據通道。三個通道獨立進行編碼、交織和星座映射,其中主業務數據通道可采用1/4、1/3、1/2和3/4等四種碼率、碼長為9216比特的LDPC編碼和QPSK、16QAM和64QAM三種星座映射方式,業務描述信息通道采用1/4卷積編碼和QPSK、16QAM和64QAM三種星座映射方式,系統信息通道采用1/4卷積編碼和QPSK星座映射方式,經過信道編碼與映射後的三路數據與離散導頻複接在一起進行OFDM調制,調制後的信号插入信标後構成邏輯幀,邏輯幀經過子幀分配後形成物理層信号幀,再經過基帶至射頻變換後發射。以傳輸模式1為例,一個邏輯幀包含四個邏輯子幀,每個邏輯子幀包含56個OFDM符号,每個OFDM符号包括242個有效子載波,系統信息放置在每一個OFDM符号的連續子載波上,在一個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OFDM符号中的數據子載波上,業務數據放置在第3~56個OFDM符号中的數據子載波上。
    接收機則利用信标的2個重複訓練符号通過自相關處理進行子幀同步,在子幀同步後,接收機首先進行系統信息的解調以獲取頻譜模式索引、當前子帶标稱頻率、業務描述信息通道及業務數據通道的編碼調制方式等信息,并通過物理層信号幀的位置和當前子幀位置信息進行超幀同步,可以通過系統信息在連續導頻上重複放置三次的特性,進一步提高系統信息譯碼性能。在超幀同步後,根據頻譜模闆信息,分别提取出離散導頻和數據子載波,利用離散導頻進行信道估計後,對數據子載波進行均衡,再分别對業務描述信息和業務數據進行解調和解碼。
    3 調頻頻段數字音頻廣播的系統性能
    調頻頻段數字音頻廣播的主業務數據通道采用與CMMB标準[6]相同碼長的LDPC碼,圖4給出了标準所設計選用的四種碼率的性能(圖中以CDR表示調頻頻段數字音頻廣播)的仿真曲線,作為對比,給出了CMMB中1/2和3/4碼率的性能曲線,可以看出調頻頻段數字音頻廣播系統所采用的LDPC碼的性能優于CMMB系統中所采用的LDPC碼。
 
圖4 調頻頻段數字音頻廣播系統LDPC碼的性能

    表2分别給出了通過計算機理論仿真得到高斯白噪聲信道、誤碼率為1E-4條件下,調頻頻段數字音頻廣播系統與類似的DRM+系統的載噪比門限,其中:Eb/N0=-10*log10(fb/B),fb表示系統傳輸的碼率,B表示信道帶寬。
    調頻頻段數字音頻廣播工作方式為傳輸模式1和頻譜模式1,兩者的信号帶寬均為100kHz,在QPSK,1/3時調頻頻段數字音頻廣播的傳輸碼率為48kbps,DRM的傳輸碼率為49.7kbps,在16QAM,1/2時調頻頻段數字音頻廣播的傳輸碼率為144kbps,DRM的傳輸碼率為149.1kbps。可以看出調頻頻段數字音頻廣播系統的性能優于DRM系統的E模式。
表2 調頻頻段數字音頻廣播與DRM的性能比較
 
    表3給出了實驗室測試得到調頻頻段數字音頻廣播系統在高斯白噪聲信道下在誤碼率為1E-4時的載噪比門限。
表3  調頻頻段數字音頻廣播系統高斯信道下載噪比門限
 
    表4給出了在不同編碼調制方式條件下,每100kHz帶寬内主業務信道能夠傳輸的淨荷數據率。
表4 100kHz帶寬内系統的淨荷數據率
 
    4 結束語
    調頻頻段數字音頻廣播是在借鑒了相關國際标準的基礎上,揚長避短,以我國頻率規劃的現狀為基礎,充分發揮新技術的後發優勢,對系統參數和信道編碼算法進行優化設計和選擇,使得調頻頻段數字音頻廣播系統具有比同類國外系統更好的傳輸性能。同時系統提供了靈活的頻譜模式,既充分考慮了模拟廣播平穩過渡到全數字廣播的過渡過程,也考慮了全數字化後的場景應用。
    在國家新聞出版廣電總局的統一部署和指導下,廣播科學研究院等單位已經完成了調頻頻段數字音頻廣播系統的關鍵技術的标準化,完成了編碼器、複用器、發射機以及接收機樣機的研制,正在全國範圍内逐步開展試驗網和示範網建設,開展各種業務以及覆蓋試驗,以期加快推動系統的完善和産業化的進程。

    參考文獻
    [1] NRSC-5-B  In-band/on-channel Digital Radio Broadcasting Standard,2008.4
    [2] ETSI ES 201 980 V3.1.1 Digital Radio Mondiale System Specification, 2009.6
    [3] GY/T 268.1-2013 調頻頻段數字音頻廣播 第1部分:數字廣播信道幀結構、信道編碼和調制,2013
    [4] SJ/T11368-2006 多聲道數字音頻編解碼技術規範,2006
    [5] GB/T 4311-2000  米波調頻廣播技術規範,2000
    [6] GY/T 220.1-2006移動多媒體廣播 第1部分:廣播信道幀結構、信道編碼和調制,2006
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