DRM短波數字廣播技術及監測

劉天康，韓仿仿

（國家無線電監測中心烏魯木齊監測站，烏魯木齊 830000）

0 引言

各國廣播機構對聲音廣播廣域覆蓋的要求，導致HF頻譜嚴重不足。目前，HF短波聲音廣播頻段的擁擠產生了很大的干擾并限制了短波信道的數目。同時，全球對高質量聲音節目的需求在不斷增長。因此，國際電信聯盟（ITU）對世界數字廣播系統（the Digital Radio Mondiale System，DRM System）進行了業務描述和技術定義，以在世界范圍內實現30 MHz以下地面廣播的業務和技術統一[1]-[4]。目前已有11個國家或廣播機構、58條廣播頻率登記在DRM官網了，范圍覆蓋了歐洲、美洲、大洋洲和亞洲。其中，中國登記了5個發射地的14條廣播。國內對DRM也進行了長期大量的研究[5]-[7]，本文僅介紹HF短波數字廣播DRM的調制技術及監測。

1 DRM調制方式

短波廣播以天波或地波傳播，在短波無線信道上，多徑時延較大，傳輸碼元時，碼間串擾嚴重。為了抑制多徑衰落，減少碼間串擾，采用多個載波將信道分為多個子信道是有效技術之一。正交頻分復用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）是一種多載波并行調制的體制，利用各子載波之間的正交性，將串行碼元轉換為低符號速率傳輸的并行碼元，以消除多徑時延造成的碼間串擾問題。在OFDM各子載波的調制上，采用正交振幅調制（Quatrature Amplitude Modulation，QAM）。QAM是一種振幅和相位聯合鍵控的多進制鍵控體制，信號的振幅和相位作為兩個獨立的參量受到調制。DRM子載波的調制方式為64QAM或16QAM。

1.1 OFDM

實際上，DRM使用的編碼/調制方式是編碼正交頻分復用（COFDM）的一種變體，綜合了OFDM基于卷碼集的多級碼（Multilevel Coding，MLC）。OFDM是一種物理層上的復用標準，其在DRM上傳輸的信號為一連串的符號，每個符號串包括一個保護間隔，這個保護間隔是一種預防時延擴展的強健性周期性前綴。

OFDM與其他數字調制相比的主要優勢在于：一是頻率利用率高和傳輸速率大；二是各路已調信號嚴格正交，在接收端可以完全分離子信號；三是抗頻率選擇性衰落；四是將頻率選擇性信道分成平行的平坦信道，簡化了信道估計方法，信道估計精度較高。

OFDM的缺點有：一是OFDM矩形脈沖的帶外頻譜泄露大，帶外干擾大；二是對時間和頻率的同步要求高，同步開銷大；三是需要連續載波；四是帶外滾降間較慢保護帶較寬。

OFDM的碼元周期是調制前碼元周期T的N倍，即Ts=N*T，遠大于信道的延遲擴展，這一特性增強了信號的抗頻率選擇性衰落的能力。

圖1 多載波調制原理

圖2 多路子載波頻譜的模

設M進制的OFDM系統中有N個子信道，每個子信道采用的子載波為

式中，Bk為第k路子載波振幅；fk為第k路子載波頻率；φk為第k路子載波初始相位。

因此，N路子載波之和為

碼元持續時間Ts內任意兩個子載波都正交的條件為

通過數學計算，可得子載波頻率應滿足

最小子載波頻率間隔應滿足

頻帶利用率為

從圖2子載波合成后的頻譜密度曲線中可以觀察到，各子載波頻譜重疊，實際上，各子載波在一個碼元周期內是正交的。采用這樣密集的子載波頻率，且在子信道間不設置頻帶保護，是為了能夠充分利用頻率。故OFDM的頻帶利用率較高，是串行單載波體制的2倍。在全數字DRM中，緊次于主載波位置的子載波為“核心”載波并可以傳送20kb/s的數字信息。距離主載波最遠的任意一邊的外圍載波構成了“增強”系統。當處于增強模式時，可傳送36kb/s的數字信息。

1.2 QAM

QAM擁有足以傳輸“FM類”立體聲音頻質量并在可用帶寬內提供足夠覆蓋區域的帶寬效率，特別適用于頻譜資源有限的無線電業務。

QAM信號的一個碼元可表示為

Xk和Yk可以取多個離散值變量，因此，QAM信號可以看作是兩個正交的振幅鍵控信號之和。

QAM信號的矢量圖看起來像星座，如圖3所示，因此QAM調制稱為星座調制，其星座圖并不是正方形最好，而是越接近圓形越好。若平均功率相等，16QAM比16PSK信號的噪聲容限大4.12dB，使得誤碼率下降，DRM系統中碼元的誤碼率要求為1*10-4。測試顯示，帶有增強誤差保護和糾錯的更多強健性16QAM信號性能好于更低信噪比和更困難傳播條件下的64QAM信號。

圖3 16QAM星座圖

2 短波DRM的頻譜特征及監測

在無線電監測的工作中，監測人員較為關注信號的頻譜特征，常常以頻譜特征來初步判斷信號的調制方式。DRM短波數字廣播信號頻譜與AM短波模擬廣播信號頻譜相比，DRM頻譜是一個電平較為平坦的類矩形頻譜，能量幾乎在9或10kHz指配信道中平均分布（短波發射帶寬基本為10kHz，ITU規定帶寬一般為9/10/18/20kHz）；在指配的9kHz或10kHz信道中，頻譜曲線肩部陡峭并在功率譜密度電平以下快速下降至40dB左右，且功率譜密度電平在指配信道中心頻率振幅±4.5或5kHz以外繼續下降至更低的水平。目前，已監測到中國、印度、羅馬尼亞等國家的DRM短波數字廣播，監測帶寬均為10kHz。且存在雙頻道DRM聲音廣播，即在10kHz的帶寬內提供兩種語音廣播服務。對DRM短波數字廣播的解調，須使用具有DRM解調能力的接收機，目前市場上有些短波接收機已獲得DRM聯盟授權，通過安裝密鑰對DRM廣播進行解調。在實際監測中，DRM短波廣播的聲音質量和抗噪聲性能遠遠高于AM短波廣播。DRM信號的理論和監測頻譜如圖4和圖5所示。

圖4 DRM的理論頻譜模型

圖5 DRM信號頻譜監測及其解調

3 結束語

模擬廣播向數字廣播過渡是短波廣播的發展趨勢，DRM短波數字廣播系統采用的調制方式及其差錯保護和糾錯編碼可以在短波信道上抑制頻率選擇性衰落和多路時延，改善天波傳播導致的多普勒漂移現象。我國是短波廣播大國，短波廣播覆蓋范圍廣，臺站眾多，聽眾龐大而廣，數字廣播的發展將有力地提升我國廣播大國的地位。數字廣播業務在聲音、數據等多媒體傳輸領域前景廣闊，科學有效地分配廣播資源，對發展我國自主知識產權的數字廣播文化傳播事業具有重要意義。