主流数字广播技术比较

主流数字广播技术比较

陈小忠

摘 要：广播由模拟向数字发展已经成为一种趋势，广播系统的数字化改造正在全世界范围内进行，广播数字化的技术也层出不穷 本文介绍了数字广播 DABDRM 和 HD RADIO 系统，并依次就其国内外发展动态 系统工作原理以及与传统广播相比各自改进的优点等方面进行比较分析。

关键词 DAB DRM HD Radio 同时联播

引言

传统模拟广播作为信息传播的一种手段，以方便快捷的特性为大众服务 随着 Internet 的不断发展，网络流媒体的出现给传统广播的生存提出了巨大挑战人们对广播服务也有了更高的期望，传统广播的服务内容和音质开始满足不了人们的需求 因此，模拟技术向数字技术转型 实施数字广播是广播技术发展的必然趋势，它为广播服务注入了活力。 将传统模拟广播的单一声音业务拓展为能同时传递各种诸如图像、文字数据、图片及活动影像等数字业务，为传统广播业务的发展开辟了崭新的应用空间。

全球地面无线电广播正在向数字技术转型，不同地区的转型方式各不相同，比如加拿大、部分欧洲国家(其中包括英国和德国) 亚洲部分地区 澳大利亚和非洲采用的是数字音频广播(DAB)；韩国采用的是数字媒体广播(DMB)；美国正在采用 HD Radio 技术(高清无线电广播) 另外，还有一种数字无线电广播(DRM)技术。对于不同的广播体制，人们可以进行不同的途径探索，宗旨是如何才能更好地利用现有资源，如频段资源等，来为人们进行最好的广播服务，提供更多资讯平台。

1 DAB （Digital Audio Broadcasting）

DAB 系统的出现标志着广播系统正由模拟向数字过渡，它以数字技术为基础，采用先进的音频数字编码、数据压缩、纠错编码及数字调制技术，在接收端可获得与原始发送信息相同质量的节目内容。

该项技术是欧洲开发的，其发展起源于 1980 年德国广播技术研究所，以 Eureka- 147 系统针对地面音讯广播技术进行研究，并制定 Eureka- 147 DAB 标准，在欧洲地区得到了很好的发展。在中国，数字广播终于进入了实施阶段。据悉，北京、上海、广东、天津、河南等地的电台、电视台正在筹划建立“中国数字音频 / 多媒体产业联盟” ，目的是使全国的电台、电视台相互沟通，完善产业链各个环节。

1.1 DAB 系统的工作原理

在 DAB 系统发射端，输入信号先经过若干个 MU-SICAM 音频编码器进行信源编码，按照 MPEG 标准将数据率降低，然后通过复合器将经过数据率压缩的各路信号复合起来，才能送往 COFDM 编码器和调制器，进行信道编码和调制，产生出中心频率为 2 . 048MHz 带宽为 1 . 536 MHz 的 COFDM 基带信号 DAB发射机再将低电平 COFDM 基带信号变为高电平射频信号，对 COFDM 基带信号进行频率变换和功率放大，将其通过天线发射出去。

DAB 数据的接收须使用专用的接收设备，在接收端对信号按照与发射端形成的发射信号相反的顺序进行解调处理，最后提供音频广播节目和数据业务。其接收机的高频部分首先是从分配给 DAB 使用的频段中，选择出所需要的传送声音节目和数据业务的频率块(1 . 536MHz 宽)，然后进行频率变换，将高频信号变为中频信号和基带信号；基带信号接着送入 COFDM解调器，以获得相应于发射端通过复合器而形成的传输复合信号；然后经过接收机的同步 解复合器 时间解交织和频率解交织 解码 解扰 源解码器等后，再经 D/A 转换，送出模拟的声音信号供使用， DAB 接收机原理框图如图 1 所示。

1.2 DAB 系统相比于传统 FM 广播的优点

(1 ) 可工作在 30M Hz 3GHz 的频率范围内，抗多径传播引起的衰落能力比较强；

(2 ) 可利用地面、电缆和卫星进行覆盖，声音质量可达到 CD 水平，很适合于固定便携和移动接收；

(3 ) DAB 工作于不同的频段 (VHF， UEF， L 波段)，单频网同步运行节约了频谱资源，而且同步网中不需大功率发射机；

(4 ) 由 DAB 技术衍生的 DMB 是一种多媒体广播，能同时传送多套声音节目和数据业务，也可用来传送活动图像节目。

2、 DRM(Digital Radio Mondiale )

在覆盖范围更为广泛和有效的模拟调幅广播领域，其原有缺点的存在影响着其推广和使用。所以，应对这些领域进行技术改进和更新，使用数字技术等手段更好地利用原有的资源， DRM 系统便应运而生。

DRM 是一个非官方的国际组织的名称，由其开发的 30 MHz 以下的长、 中、 短波数字声音广播系统称为DRM 系统。世界范围内共提出了 5 种不同的数字调幅系统建议，分别是: 法国天波 2000 系统、法国CCETT/TDF 系统、 美国中波 IBOC DSB 系统、 德国数字音乐之波 DM W 系统和美国 VOA/JPL 数字短波系统。其中，前 3 种系统属于 OFDM 多载波并行传输方式，而后 2 种是属于单载波串行传输方式。

2 . 1 DRM 系统的工作原理

图 2 为 DRM 系统的结构概况，源编码器和预编码器可将各种输入音频数据流编码压缩成合适的数字传输格式；多路复用将保护等级与所有数据和音频业务结合起来；信道编码器增加一些冗余信息，实现准确无误差传输；映射单元定义了数字化编码信息到 QAM单元的映射；交织单元将连续的 QAM 单元展开为在时域和频域都分开的准随机的单元序列，以便提供在时间 - 频率弥散信道中的可靠的传输；导频发生器提供一种在接收机中得到信道状态的方法，估计信号的相关解调； OFDM 单元映射器将不同等级的单元集中起来并把它们放在时频栅格中；OFDM 信号发生器使用相同的时间标记体现时域的信号，来传送每一组信元。至此，发射端的信号完成编码映射功能 传输时调制器将 OFDM 符号转换为模拟形式，最后通过发射机发射出去。

接收端的处理过程与发射端相反，信道出来的信号先经过主载频解调，低通滤波 A/D 转换及串并变换后，再进行 FFT 得到一个符号的数据 对所得数据进行均衡，以校正信道失真 然后进行译码判决和并串变换，即可得到原始音频数据输出。

2. 2 DRM 系统相比于模拟 AM 广播的优点

(1 ) DRM 系统工作于 30 MHz 以下的频段，可以充分利用现有中短波频谱资源，穿透能力和绕射能力很强，覆盖范围大，适合于移动接收和便携式接收；

(2 ) 在保持相同覆盖的情况下，数字调幅发射机比模拟调幅发射机的功率低，提高了发射机效率和经济效益；

(3 ) 在保持现有带宽 9 kHz 或 10 kHz 的情况下，利用音频数据压缩技术和数字信号处理技术，提高调幅波段信号传送的可靠性，增强抗干扰能力，消除短波的衰落，显著提高调幅波段信号传送的音质；

(4 ) 在所规定的带宽内，可以同时传送一路模拟信号和一路数字信号，便于逐步向全数字广播过渡；

(5 ) 它也能够提供附加业务和数据传输。

3 HD RADIO(High- Definition Radio )

美国的数字声音广播技术最早是在 1992 年的国际会议上，以 IBOC （In Band on Channel- 带内同频道）的名称公诸于世的 IBOC 技术系统分为在调频波段使用的 FM- IBOC 和在中波波段使用的 AM- IBOCFM- IBOC 的竞争对象是 DAB 由于在开始的很多年里，技术尚未成熟，在较长的一段时间中几乎 销声匿迹。 经过改进的 AM- IBOC 系统建议于 2000 年底提交给 ITU， 2001 年 4 月， DRM 系统建议与 AM- IBOC 系统建议均被 ITU 通过而向全世界公布 AM- IBOC 成了DRM 的竞争者 在 2002 年以前， FM- IBOC 和 AM- IBOC 统称 HQ DSB （高质量数字声音广播） 鉴于在数字电视广播中有 HDFM- IBOC 和 AM- IBOCTV（高清晰度电视），为与其相对应， FM- IBOC 和 AM- IBOC 分别更名为 FM HD Radio 和 AM HD Radio，统称 HD Radio（高清晰度广播）。

3 . 1 HD Radio 系统的工作原理

HD Radio 的工作频率则和当前分配给 AM 和 FM电台的频率是一样的 利用正交频分复用(OFDM)数字技术， HD Radio 将新的数字信号放置于现有 AM 和 FM边带中的任一个之上 在 AM 波段上 (频率为 530 到1705kHz )，常用的模式是同时联播，即将同一个节目以模拟和数字两种格式进行发射 以前的广播将忽略数字内容，而数字广播则会接收数字信号。

同时联播也是 FM 波段(频率为 88 到 108 MHz )的初始工作模式 FM HD Radio 电台还具有多播能力 可以分割其数字 OFDM 载波，并能产生多达 8 个的附加广播信道 从本质上讲， HD Radio 可以以最小的成本获取多个额外的电台 此外， HD Radio 也可以像卫星广播那样提供多种节目 但令人惊讶的是，它却不需要新的频谱 这将有可能成为一个电台的新的广告收入来源，尽管其最初的多播服务是免费的 附加的内容将以更清晰的音乐和谈话节目吸引新的听众。

HD Radio 将数字技术的优势带入了无线电广播命名为高音质意味着其音频响应远远大于一般 AM 广播的 5kHz 带宽和 FM 广播的 15kHz 带宽 现在，频率响应得到改进的 AM HD Radio 听起来更像是 FM 广播，而 FM 广播就差不多有 CD 音质了。

HD Radio 真正的创新之处在于它能够使用目前分配给模拟信号的同一频谱来发射额外的数字信号这和在欧洲 加拿大 亚洲和大多数世界其它地方已经开通了好几年的数字广播是不同的 这一被称为数字音频广播(DAB)的系统在 174 到 240MHz VHF 和 1450到 1490MHz 这两个不同的范围内采用彼此独立的频谱 这种频谱在美国还未提供，但是 iBiquity Digital 的公 司 开 发 了 HD Radio 来解决美国境内的 频谱问题。

HD Radio 有两种基本的工作模式：混合模式和全数字模式。混合模式运作就是模拟和数字信息同时发射。大多数广播(至少在开始的时候)都会采用同时联播的方式，相同的内容通过信号中的模拟和数字部分同时发射出去。这种模式确保了旧式的模拟广播和较新的 HD 模式广播可以全面兼容。最终， HD Radio 将会发展成为全数字模式。

图 4 显示了用于 AM 和 FM 的混合格式。 在 AM 信号中，正常模拟信号显示的边带与载波频率偏差为±5kHz。一共有两套数字通道。主通道频率范围为 10 到15kHz，围绕载波频率值上下浮动。副通道频率范围为5 到 10kHz，围绕载波频率值上下浮动。

同样，第三边带的范围在模拟载波以下 5kHz，或者与之相差四分之一个周期 总共有 81 个 OFDM载波，间隔为 181 . 7Hz 主载波采用 64QAM(正交振幅复用)方式，而副载波则采用 16QAM 第三边带载波则采用正交相移键控 (QPSK) 当最终音频带宽为大约8kHz 时，数字音频的位数据流为 36kHz。

FM 频谱则更复杂一点 如图 4 (b )所示，带多个FM 边带的模拟信号的频率约为 130 kHz，该值围绕载波频率值上下浮动 包含在 OFDM 载波中的数字数据的工作频率为 130 到 200kHz，围绕模拟边带的频率值上下浮动 上下两个数字频谱各包含了 10 个分区，每个分区有 18 个副载波 对这些载波的利用取决于所提供服务的类型 也有用于全数字 AM 和 FM 模式的频谱图，它们与此处所描述的混合模式频谱图有所不同。

HD Radio 发射机和接收机的工作原理如下：

首先，音频内容由 iBiquity 的编解码器进行数字化并压缩，以降低总的比特率和所需传输带宽 然后，该信号与其它待发射数字数据一起被多路传输。

复合信号完成了整个附加编码过程，包括加扰、前向纠错(FEC )编码和交错 加扰过程将打乱或者说“漂白”数据，以防止产生 0 或 1 的长字符串 FEC 编码，即 Viterbi 收缩卷积编码(Viterbi punctured convolution-al encoding )，增加了在噪音和衰退情况下信号的可靠性。 交错则提供了时间和频率的多样性，从而有助于改善在信号损失情况下对信号的接收。

该步骤之后，成型的复合数字信息包被送往进行OFDM 映射和生成 最后，该信号和标准模拟信号一起被发射出去 出现在频谱上的数字信息位于常规模拟边带值上下。

虽然 HD Radio 技术十分复杂，但是有了现在的IC 技术，制作 HD Radio 也相对容易了(图 5 ) 前端或者调谐器将 AM 和 FM 信号转换成中频( IF)，一个模数转换器(ADC )将 IF 数字化，以及一个 DSP 芯片来处理所有剩下的广播功能 然后，数模转换器(DAC )会驱动立体声功率放大器 另外还需要一个内置的嵌入式控制器来运行各项功能，包括调谐功能和 LCD 显示。

3. 2 HD Radio 的主要优点：

可利用现有频率，不需要额外分配新的频率段；可实现模拟/数字同播运行，可以实现模拟广播向数字广播的顺利过渡；投资低，具有可扩展性(附加业务与节目)，由于工作频率较低，容易在室内接收。

4 结论

DAB 属于高速 宽带 多路传输系统，系统工作在L 和 S 波段，需要占用新的频段，采用新的发射设备和特殊接收机，而且目前其接收机的价格距离平民化还有一定的距离，影响了在国内的迅速推广。

新的 DRM 广播系统考虑到从模拟广播到数字广播的过渡阶段，直接利用现有的中短波发射机和信道，不仅可以达到很好的音质，还能够实现与原有模拟调幅广播节目的同播，不占用新的频段，节省了频谱资源，接收机可采用现有的中短波收音机或新的数字收音机，价格低廉，易于推广。

与 DAB 相比， FM HD Radio 最大的优点是投资较低，不需要新的频率指配，可实现模拟 数字同播运行，实现由模拟到数字的平滑过渡 而频谱利用率、传输质量与 DAB 基本相同，移动接收的能力从理论上讲能满足要求，但要比 DAB 稍 差 (DAB 可 满 足 最 大250km/h )。

数字广播技术多样化的出现，与各个国家和地区的实际情况相关，不能单从技术的角度来作出哪一种广播技术好的定论。比如，实现模拟 FM 广播的数字化有不同的可能性。它们的区别表现在对现有 FM 广播系统的干扰、复杂性及接收机的价格等方面。 DAB 由于宽的带宽，不能逐一实现 FM 电台的数字化，只能整体关闭 FM，然后用 DAB 代替；此外， DAB 要求很多节目复合在一起，对于本地电台或地区性电台来说，使用不方便，会造成容量的浪费。FM HD Radio 在 FM 波段中会导致现有 FM 接收不能容忍的干扰，在欧洲与中国应用会受到较大的限制。

广播的数字化进程正在加速，也是必然。

参考文献

[1 ] 李栋. 数字音频广播(DAB)技术[M] . 北京:北京广播学院出版社， 1998 .

[2 ] 李栋. DRM 系统的技术特性[M] . 北京:人民邮电出版社， 2002 .

[3 ] www. hdradio . com