调频频段数字音频广播系统研究

调频频段数字音频广播系统研究六　文／广播科学研究院　高鹏盛国芳吴智勇邸娜　摘要：２０１３年８月国家广电总局颁布了调频频段数字音频广播标准，给出了我国调频频段广播数字化的方案，此方案以我　国频率规划的现状为基础，进行系统参数和信道编码方式的设计、选择，具有自主知识产权。本文介绍了此标准定义的调频频　段数字音频广播系统及其系统性能。　关键词：调频频段数字音频广播ＣＤＲ　ＨＤ　Ｒａｄｉ０　ＤＲＭ载噪比门限　ｌ引言　广播系统的研究尝试。从２０１１年起，　２调频频段数字音频　数字音频广播技术是广播数字化　广播科学研究院作为牵头单位逐步完　的技术基础，通过引入先进的数字编　成调频频段数字音频广播关键技术的　广播系统介绍　调频频段数字音频广播系统采用　码、调制、传输技术，能够有效地消　研究、样机的开发以及实验室、场地　正交频分复用技术，以ｌＯＯｋＨｚ带宽　除多径、多普勒频移以及突发噪声等　测试。２０１３年８月１４日，国家新闻　的子带作为基本单位，其系统结构如　其他千扰对接收音频质量的影响；能　出版广电总局正式将其发布为行业标　图１所示。由图１可见，调频频段数　够提高频谱的利用率，在相同的射频　准，本文主要介绍了此标准讨论的调　字音频广播发射系统主要由三个子系　带宽内，传输更多的节目内容，为更　频频段数字音频广播系统特点和系统　统构成：音频和数据输入子系统、复　高级的数据和音频业务的产生提供了　性能。　用子系统及信道编码与调制子系统。　可能；能够用更低的发射功率达到与　模拟广播同样的覆盖范围。　从上世纪八十年代起，在国家广　音频节目　—　音频编码器ｌ　Ｆ－　＋　音频节目２　—　音频编码器２卜＿＿　＋　主业务　数据　播电影电视总局的统一部署和指导　下，广播科学研究院在数字音频广　播领域积极跟踪世界数字广播的发　展，　对ＤＡＢ、ＤＲＭ和ＨＤ　Ｒａｄｉｏ　等国际标准和技术方案开展了大量　的跟踪研究以及实验室和外场测试　音频节目Ｎ　—　．１音频编码器Ｎ　ｋ－　＋　用　复　业务描述　信道编码　数据业务Ｉ　Ｉ　子　系　统　信息一　与　调制　子系统　电子业务Ｉ　指南　ｆ　编码调制　等控制信息　音频和数据输入子系统　系统信星　工作，并在此基础上开展具有我国　自主知识产权的调频频段数字音频　图ｌ调频频段数字膏糊广播发射系统结构图　主要研究内容由科技部２０１２－２０１４年支撑计划项目《新媒体与数字广播应用》（２０１２ＢＡＨ１５ＢＯＯ）支持　表１三种传输模式的传输参数（Ｔ＝ｉ／８１６０００ｓ）　参数　传输模式１　传输模式２　传输模式３　ＯＦＤＭ数据体长度（ｍＳ）　２．５１（２０４８Ｔ）　１．２５５（１０２４Ｔ）　２．５１（２０４８Ｔ）　数据体循环前缀长度（ｍｓ）　０．２９４１（２４０Ｔ）　Ｏ．１７１６（１４０Ｔ）　０．０６８６（５６Ｔ）　ＯＦＤＭ符号周期（ｍｓ）　２．８０４（２２８８Ｔ）　１．４２６（１１６４Ｔ）　２．５７８６（２１０４Ｔ）　ＯＦＤＭ符号子载波间隔（Ｈｚ）　３９８．４３７５　７９６．８７５０　３９８．４３７５　信标的循环前缀长度（ｍｓ）　０．４７０６（３８４Ｔ）　０．４０６９（３３２Ｔ）　０．２０５９（１６８Ｔ）　广播的质量，在输出码率为　１２８ｋｂｐｓ时，可以提供环　绕立体声服务。　除了优质的音频业务外，　调频频段数字音频广播系统　还可以支持各种各样的数据　增值业务。节目运营商可以　依据信道的传输能力，根据　实际需要调整音频节目与业　务数据在传输流中所占的比　例。　２．２复川　系统　在复用子系统中除了将　编码后的音频业务、数据业　务等主业务数据按照一定的　复用协议封装成复用帧之外，　还需要在复用子系统中完成　系统信息和业务描述信息的　配置、生成与封装。系统信　２．１　频和数榭输入　系统　息主要包含了系统的频谱模式、业务　调频频段数字音频广播的主音频　描述信息调制方式、主业务数据调制　业务的音频编码方式采用ＤＲＡ低码　编码方式和分层调制指示等系统控制　率扩展版本（ＤＲＡ＋），其输出的码率　信息，在接收端也是首先解调出系统　范围为２４ｋｂｐｓ到１２８ｋｂｐｓ。在输出　信息后，再对业务描述信息和主业务　码率为２４ｋｂｐｓ时，解码的音频质量　数据按照系统信息的参数进行解调解　略低于目前模拟调频立体声广播的质　码。业务描述信息主要包含了系统的　量，在输出码率为４８ｋｂｐｓ时，解码　网络信息表、各路节目的业务标识等　的音频质量高于目前模拟调频立体声　信息。音频编码器与复用子系统之间　２８广符电穰苷詹－ＷＷＷ．　ｃｎ　以及复用子系统与信道编码与调制子　系统之间均采用ＩＰ接口进行复用数据　的传输。　２．３俯道编码‘ｊ－调制　系统　调频频段数字音频广播系统定义　了三种传输模式用于大面积组网覆盖、　高速移动接收以及高数据传输等不同　的应用场景，运营商可根据实际的运　营需要进行选择配置。表１给出了各　传输模式的系统参数，在三种传输模　式下子帧的长度均为１６０ｍｓ，一个逻　辑帧由四个逻辑子帧构成，即一个逻　辑帧的长度为６４０ｍｓ，一个逻辑帧承　载一个复用帧的数据。在接收端，接　收机利用三种传输模式不同符号长度　的循环前缀，以及帧头的信标以判别　３种不同传输模式。　调频频段数字音频广播信号的信　道带宽以１００ｋＨｚ的子带作为基础。　数字信号可以积木式的灵活配置。　纯数字模式频谱示意图如图２所　示，此时数字信号的带宽连续，分别　为１００ｋＨｚ和２００ｋＨｚ。可以在模拟　广播全部数字化以后或者频谱资源不　紧张的地区采用。而在频率资源比较　紧张的地区，可以采用数模同播的频　谱模式进行平滑过渡，如图３所示。　图３上部分为频谱模式９，数字音　频广播信号的总带宽为１００ｋＨｚ，由　两个带宽各为５０ｋＨｚ的数字信号组成，　根据调频广播技术规范，调频立体声　广播在７５ｋＨｚ频偏、１００％调制度时，　调频信号９９％的功率集中在中心频率　±１２８ｋＨｚ以内，故数字广播信号和模　拟立体声调频信号总带宽为４００ｋＨｚ　（±２００ｋＨｚ），而且相互不影响，与　ＨＤ　Ｒａｄｉｏ相比（数字信号单边带宽　约为６９ｋＨｚ），数字信号带宽更窄，与　在子帧同步后，接收机首先进行系统　信息的解调以获取频谱模式索引、当　前子带标称频率、业务描述信息通道　及业务数据通道的编码调制方式等信　息，并通过物理层信号帧的位置和当　前子帧位置信息进行超帧同步，可以　通过系统信息在连续导频上重复放置　三次的特性，进一步提高系统信息译　码性能。在超帧同步后，根据频谱模　板信息，分别提取出离散导频和数据　子载波，利用离散导频进行信道估计　后，对数据子载波进行均衡，再分别　带内调频的间隔更宽。产生相互影响　独立进行编码、交织和星座映射，其　对业务描述信息和业务数据进行解调　可能性更小。在条件允许的情况下．　中主业务数据通道可采用１／４、１／３、　和解码。　可进一步增加数字广播信号的带宽到　１／２和３／４等四种码率、码长为９２１６　２０ＯｋＨｚ，即图３下部分的频谱模式　比特的ＬＤＰＣ编码和ＱＰＳＫ、１６ＱＡＭ　３调频频段数字音频　广播的系统性能　调频频段数字音频广播的主业务　１０。在带内调频广播为单声道时，同　和６４ＱＡＭ三种星座映射方式，业　播方式与此类似。只是把调频广播预　务描述信息通道采用１／４卷积编码和　留的频率范围变成了±１００ｋＨｚ，数　ＱＰＳＫ、１６ＱＡＭ和６４ＱＡＭ三种星　数据通道采用与ＣＭＭＢ标准相同码　字广播信号占据±（ｉ００～１５０）ｋＨｚ　座映射方式，系统信息通道采用１／４　长的ＬＤＰＣ码，图４给出了标准所　的频率范围。在实际建网过程中，可　卷积编码和ＱＰＳＫ星座映射方式，经　设计选用的四种码率的性能（图中以　根据台站和周边台站的情况以及覆盖　过信道编码与映射后的三路数据与离　ＣＤＲ表示调频频段数字音频广播）的　效果，调整模拟信号功率和数字信号　散导频复接在一起进行ＯＦＤＭ调制，　仿真曲线，作为对比，给出了ＣＭＭＢ　功率的比值，减少对邻频道模拟调频　调制后的信号插入信标后构成逻辑帧，　中１／２和３／４码率的性能曲线，可以　广播的影响。　逻辑帧经过子帧分配后形成物理层信　看出调频频段数字音频广播系统所采　　用的ＬＤＰＣ码的性能优于ＣＭＭＢ系　综上，调频频段数字音频广播提　号帧，再经过基带至射频变换后发射。供了灵活的频谱模式，现有的广播运　以传输模式１为例，一个逻辑帧包含　统中所采用的ＬＤＰＣ码。　营商可以根据当地频率规划和台站具　四个逻辑子帧，每个逻辑子帧包含５６　表２分别给出了通过计算机理论　体情况选择适合自己的频谱模式，而　个ＯＦＤＭ符号，每个ＯＦＤＭ符号包　仿真得到高斯白噪声信道、误码率为　无论是同播模式还是同播模式，数字　括２４２个有效子载波，系统信息放置　１Ｅ一４条件下，调频频段数字音频广播　音频广播接收机均可以５０ｋＨｚ为步进　在每一个ＯＦＤＭ符号的连续子载波　系统与类似的ＤＲＭ＋系统的载噪比门　的方式搜索数字广播信号，即使用同　上，在一个子帧中系统信息重复放置　限，其中：　一调谐规则覆盖两种播出方式。　三次，业务描述信息放置在第１、２个　Ｅｂ／Ｎ０＝一１０×ｌｏｇｌ０（ｆｂ／Ｂ），ｆｂ表　物理层的编码和调制功能子系统　ＯＦＤＭ符号中的数据子载波上，业务　示系统传输的码率，Ｂ表示信道带宽。　为来自复用子系统的系统信息、业务　数据放置在第３～５６个ＯＦＤＭ符号中　　描述信息和主业务数据提供三个独立　的数据子载波上。调频频段数字音频广播工作方式　为传输模式１和频谱模式１，两者的　通道：系统信息通道、业务描述信息　接收机则利用信标的２个重复训　信号带宽均为１００ｋＨｚ，在ＱＰＳＫ一　通道和主业务数据通道。三个通道　练符号通过自相关处理进行子帧同步，　１／３时调频频段数字音频广播的传　广蕾电柯嗜詹－　＾Ⅳｗ．　ｃｎ　２９　表２调频频段数字音频广播与ＤＲＭ的性能比较　载噪比一　ｄＢ）　Ｅｂ／Ｎ０（ｄＢ）　编码调制方式　调频频段数字　ＤＲＭ调频频段数字　ＤＲＭ＋　＋　音频广　播系统　音频，　播系统　ＱＰＳＫ－１／３　—０．５６８　ｄＢ　１．３ｄＢ　２．６１９６　４．３３６４　１６ＱＡＭ－１／２　６．９７　ｄＢ　７．９ｄＢ　５．３８６４　６．１６５２　表３调频频段数字音频广播系统高斯信道下载噪比门限　传输模式　频谱模式　调制方式　编码率　测试所得的载噪比门限（ｄＢ）　１　２　ＱＰＳＫ　１／４　一１．４　１　２　ＱＰＳＫ　１／３　Ｏ．３　１　２　ＱＰＳＫ　１／２　２．１　１　２　ＱＰＳＫ　３／４　４．８　１　２　ｌ６ＱＡＭ　１／４　３．２　ｌ　２　１６０ＡＭ　１／３　４．８　ｌ　２　１６ＱＡＭ　１／２　７．３　１　２　１６ＱＡＭ　３／４　１１．Ｏ　１　２　６４ＱＡＭ　１／４　６．８　１　２　６４ＱＡＭ　１／３　８．８　ｌ　２　６４ＱＡＭ　１／２　１１．９　ｌ　２　６４ＱＡＭ　３／４　１６．３　表４　１００ｋＨｚ带宽内系统的净荷数据率　信道配置　系统净荷（ｋｂｐｓ）　星座映射　ＬＤＰＣ编码　传输模式１和传输模式２　传输模式３　ＱＰＳＫ　１／４　３６　３９．６　ＱＰＳＫ　１／３　４８　５２．８　ＱＰＳＫ　１／２　７２　７９．２　ＱＰＳＫ　３／４　１０８　ｌ１８．８　１６ＱＡＭ　１／４　７２　７９．２　ｌ６ＱＡＭ　１／３　９６　１０５．６　ｌ６ＱＡＭ　１／２　１４４　１５８．４　ｌ６０ＡＭ　３／４　２ｌ６　２３７．６　６４ＱＡＭ　１／４　１０８　ｌｌ８．８　６４Ｑ＆￣Ｉ　１／３　１４４　ｌ５８．４　６４ＱＡＭ　１／２　２１６　２３７．６　６４ＱＡＭ　３／４　３２４　３５６．４　输码率为４８ｋｂｐｓ，ＤＲＭ的传输码　频段数字音频广播系统在高斯白噪声　率为４９．７ｋｂｐｓ，在１６ＱＡＭ一１／２时　信道下，误码率为１Ｅ一４时的载噪比　调频频段数字音频广播的传输码率　门限。　为１４４ｋｂｐｓ，ＤＲＭ的传输码率为　表４给出了在不同编码调制方式　１４９．１ｋｂｐｓ。可以看出调频频段数字　条件下，每ｌＯＯｋＨｚ带宽内主业务信　音频广播系统的性能优于ＤＲＭ系统　道能够传输的净荷数据率。　的Ｅ模式。　表３给出了实验室测试得到调频　４结束语　调频频段数字音频广播是在借鉴　了相关国际标准的基础上，扬长避短，　以我国频率规划的现状为基础，充分　发挥新技术的后发优势，对系统参数　和信道编码算法进行优化设计和选择，　使得调频频段数字音频广播系统具有　比同类国外系统更好的传输性能。同　时系统提供了灵活的频谱模式，既充　分考虑了模拟广播平稳过渡到全数字　广播的过渡过程，也考虑了全数字化　后的场景应用。　在国家新闻出版广电总局的统一　部署和指导下，广播科学研究院等单　位已经完成了调频频段数字音频广播　系统的关键技术的标准化，完成了编　码器、复用器、发射机以及接收机样　机的研制．正在全国范围内逐步开展　试验网和示范网建设，开展各种业务　以及覆盖试验，以期加快推动系统的　完善和产业化的进程。圃　参考文献：　［１】ＮＲＳＣ一５一Ｂ．Ｉｎ—ｂａｎｄ／ｏｎ—ｃｈａｎｎｅｌ　Ｄｉｇｉｔａｌ　Ｒａｄｉｏ　ＢｒＯａｄｃａｓｔｉｎｇ　Ｓｔａｎ—　ｄａｒｄ．２００８．４．　【２】ＥＴＳＩ　ＥＳ　２０１　９８０　Ｖ３．１．１　Ｄｉｇｉｔａｌ　Ｒａｄｉｏ　Ｍｏｎｄｉａｌｅ　Ｓｙｓｔｅｍ　Ｓｐｅｃｉｆｉｃａ——　ｔｉｏｎ．２００９．６．　【３】ＧＹ／Ｔ　２６８．１—２０１３调频频段数字　音频广播第１部分：数字广播信道帧　结构、信道编码和调制．２０１３．　【４】ＳＪ／Ｔ１１３６８—２００６多声道数字音频　编解码技术规范．２００６．　［５】ＧＳ／Ｔ　４３１　１－２０００米波调频广播技　术规范．２０００．　【６】ＧＹ／Ｔ　２２０．１—２００６移动多媒体广　播第１部分：广播信道帧结构、信道　编码和调制．２００６．