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基于軟件無線電技術(shù)的數(shù)字調(diào)幅廣播系統(tǒng)
摘要：數(shù)字廣播是繼調(diào)幅廣播、調(diào)頻廣播之后的第三代廣播方式，它的出現(xiàn)標(biāo)志著廣播系統(tǒng)正由模擬向數(shù)字體制過渡。目前比較成熟的數(shù)字調(diào)幅廣播（DAB）技術(shù)被認(rèn)為是近期發(fā)展的重點，本文介紹了一種基于軟件無線電技術(shù)的DRM系統(tǒng)，該系統(tǒng)就可以實現(xiàn)從當(dāng)前的模擬廣播到數(shù)字廣播的平滑過渡。關(guān)鍵詞：數(shù)字廣播 軟件無線電 世界數(shù)字廣播（DRM） DAB
1 數(shù)字調(diào)幅廣播技術(shù)的發(fā)展
1.1 廣播技術(shù)的發(fā)展
從20世紀(jì)二十年代開始，商業(yè)廣播先后在美、蘇、英、德、法、中等國開播，在此后的近百年時間，廣播作為重要的傳媒工具，受到各國的重視。廣播無后經(jīng)歷了中波調(diào)幅、短波調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)頻立體聲幾個階段，表1羅列了部分國家的廣播發(fā)展情況。
表1 世界主要國家的廣播發(fā)展情況
1．2 調(diào)幅廣播的優(yōu)勢
盡管調(diào)幅廣播的帶寬只有9kHz或10kHz，音質(zhì)無法與調(diào)頻立體聲相比，但是由于調(diào)幅廣播發(fā)展時間最久，全球標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一，在任何地方購買的收音機在全球各地都能使用，接收工具簡單，而且可以方便地進行室內(nèi)、外的便攜接收與車、船中的移動接收。因此至今它仍然是世界上使用最廣泛的廣播媒體。
短波國際廣播則由于在國際交往中的極端重要性與最適合對象為財力處于中下層的聽眾，所以各國仍繼續(xù)大量投資支持短波業(yè)務(wù)。
今天，世界上有160多家國際廣播電臺在進行著無形的“星球大戰(zhàn)”。美國之音（VOA）的一項研究甚至認(rèn)為：未來40年沒有其它媒體能以相同的優(yōu)點替代。據(jù)統(tǒng)計，全世界現(xiàn)在已有3333座短波發(fā)射臺，12590府中波發(fā)射臺，25億臺調(diào)幅收音機，其中7億臺可收短波廣播。
1.3 DRM的產(chǎn)生
由于調(diào)制廣播的競爭，音、視頻數(shù)字化的發(fā)展，傳媒手段的多樣化和九十年代開始的全球數(shù)字化浪潮，使許多廣播機構(gòu)認(rèn)識到，調(diào)幅廣播必須數(shù)字化才能適應(yīng)競爭日益激烈的傳媒環(huán)境，紛紛開始了數(shù)字調(diào)幅廣播的試驗。
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德國電信（DT）從1994年11月開始進行數(shù)字中被廣播的試驗。法國湯姆喀斯特（Thomcast）公司則從1995年起斥巨資進行數(shù)字調(diào)幅廣播系統(tǒng)的開發(fā)，并從1996年6月起演示了它的天波（SKYWANE）2000系統(tǒng)，到1998年4月，研制中的數(shù)字調(diào)幅廣播系統(tǒng)已至少有6個。
1994年，電聯(lián)曾要求各成員國提出數(shù)字系統(tǒng)的建議，并建議建立一個世界性的集團以評估不同的方案，最終提出單一的建議由電聯(lián)推薦各國使用，由此誕生了DRM。DRM的全稱是Digital Radio Mondiale，其中Mondiale為法文，即“世界數(shù)字廣播”集團（Consortium）。DRM于1998年3月在中國廣州宣告成立。到2002年2月，DRM已有來自27個國家的正式會員（Full members）47個，和非正式會員（Associate members）25個。
1.4 國內(nèi)外數(shù)字調(diào)幅廣播技術(shù)發(fā)展情況
目前，歐洲和北美的一些國家均研制了DRM接收設(shè)備，這些接收設(shè)備更接近于專業(yè)接收設(shè)備，主要采用計算機插板方式，絕大多數(shù)的解調(diào)、解碼工作均由基于DSP和計算機CPU的軟件完成，它們具有便于軟件更新，可以方便適應(yīng)不同標(biāo)準(zhǔn)和新業(yè)務(wù)，便于在線測試，可以方便地使用各種分析工具等優(yōu)點。同時具有體積大（一般需計算機，也有較小的），功耗大（普通干電池?zé)o法滿足工作），不兼容原有設(shè)備等缺點�？陀^地講，這些設(shè)備只能算作實驗性質(zhì)的設(shè)備，不具備投放市場的能力。
我國在數(shù)字廣播領(lǐng)域與國際完全同步（DRM集團在我國成立足以說明），國內(nèi)已經(jīng)有了類似的產(chǎn)品，水平與國外產(chǎn)品沒有明顯珠差距。
圖2
1.5 DRM技術(shù)發(fā)展的機遇與挑戰(zhàn)
DRM系統(tǒng)已基本成熟，即將進入實施階段。但是，一項新技術(shù)能否在全球推廣，技術(shù)本身的先進性與可行性雖是前提，卻遠非決定因素，市場條件和消費者的接受程度十分關(guān)鍵。歷史上已經(jīng)有不少成功的經(jīng)驗與失敗的教訓(xùn)，DRM也把實施問題看作為嚴(yán)重挑戰(zhàn)，還把影響國家或地區(qū)一級啟動新技術(shù)的因素歸納為以下幾點：①技術(shù)變更的步伐；②進口或出口控制；③市場成熟性；④財富或個人可支配的收入（PDI）；⑤法規(guī)；⑥消費者是否是新技術(shù)的早期采用者。
為使DRM取得成功，需要處理好三個關(guān)鍵性因素，即廣播機構(gòu)/網(wǎng)絡(luò)運行者、接收機制造商與聽眾之間的關(guān)系。可以列出以下的實話依賴關(guān)系表（見表2）。
表2 實施依賴關(guān)系表
法規(guī)協(xié)議
發(fā)射機可用性 接收機制制造商 內(nèi)容可用性聽眾市場 低知識產(chǎn)權(quán)費用
市場規(guī)模
廣播機構(gòu)簽約承擔(dān)義務(wù)
芯片組可用性 聽眾 接收機可用性內(nèi)容可用性 信息的需要
接收機的費用
明確的獨特銷售點
1．6 DRAM在我國發(fā)展的前景
我國是AM廣播的大國，新世紀(jì)開始實話的西部創(chuàng)新工程還將進一步擴大AM廣播的規(guī)模，提高廣播覆蓋率與改變邊遠地區(qū)空中秩序。
1998年的廣州會議已注意到了中國這樣的大國不容易由調(diào)頻（FM）廣播覆蓋（注：中國的陸地面積與歐洲大致相當(dāng)，比美國本土大200萬平方公里，中國最小的浙江省相當(dāng)于比、荷、丹三國的總和，新疆則相當(dāng)于三個歐洲大國德、法、西的總和），因而數(shù)字調(diào)幅廣播具有很大的市場。由于許多重要的國際廣播機構(gòu)一直積極參與DRM的活動，今后這些機構(gòu)很可能較早地開始數(shù)字化的短波國際廣播，從而使他們的國際廣播效果大大改善與具有良好的抗干擾性。
我國雖然從1997年起就一直關(guān)注與跟蹤數(shù)字AM廣播的發(fā)展，北京廣播學(xué)院還進行了計算機模擬試驗。但鑒于DRM很快進入實話階段，美國開發(fā)與評價IBOC DAB技術(shù)有較大進展，日本也參加了DRM，因此應(yīng)該更加積極地創(chuàng)造條件，早日 在我國開展相應(yīng)的實驗室與現(xiàn)場測試，積累自己的數(shù)據(jù)（中國地形復(fù)雜，橫跨寒、溫、熱三帶，電離層條件也不同），并爭取有自己的知識產(chǎn)權(quán)，還要利用作為國際電聯(lián)與亞廣聯(lián)成員的條件和參加各種國際會議與相關(guān)活動的機會，積極了解國際新進展，調(diào)整與確定發(fā)展我國數(shù)字聲音廣播的方針政策與計劃日程，積極維護中國在二十一世紀(jì)數(shù)字調(diào)幅廣播領(lǐng)域的權(quán)益。
2 軟件無線電技術(shù)的發(fā)展
軟件無線電技術(shù)是近年來新興的一種技術(shù)，它最早由MITRE公司的約瑟夫·米托拉（Joseph.Mitola）在1992年5月“美國遠程系統(tǒng)會議（National Telesystems Conference）”上提出。該項技術(shù)一經(jīng)提出就在世界上產(chǎn)生了重大影響，受到了各方的高度重視。
軟件無線電技術(shù)的核心思想是軟件無線電技術(shù)將寬帶的A/D變換器盡可能的靠近射頻天線，即盡可能早的將接收到的模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，最大程度上通過DSP軟件來實現(xiàn)通信系統(tǒng)的各種功能。圖1為理想軟件無線電系統(tǒng)組成框圖。
作為軟件無線電技術(shù)載體的軟件無線電電臺是“用軟件定義波段、調(diào)制方式、信號波形的電臺。信號波形由數(shù)字信號采樣產(chǎn)生，用寬帶的數(shù)模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬信號，可能還要由中頻上變頻到射頻。類似地，接收機使用寬帶的模數(shù)轉(zhuǎn)換器獲得該軟件無線電電臺節(jié)點所有波段的信號。接收機用通用處理器上的軟件完成信號的提取，下變頻和解調(diào)�！保s瑟夫·米托拉給軟件無線電電臺做的定義。）
理想的軟件無線電電臺應(yīng)該擁有在全頻帶工作的能力，具有極大的靈活性，任何功能的改變或增加都可以通過軟件升級來完成。由于實際條件的限制，比如寬帶前端射頻模塊的性能不夠理想、寬帶A/D/A的工作帶寬和采樣速率有限、DSP的處理能力不足、總線數(shù)據(jù)受限等，導(dǎo)致在目前的技術(shù)條件下無線實現(xiàn)上述理想軟件無線電系統(tǒng)。為了使得軟件無線電技術(shù)可以應(yīng)用于實踐，就在理想軟件無線電系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加了若干限制條件，使得軟件無線電犧牲了一些靈活性，換來了可實現(xiàn)性。
考慮到DRM目前的犧牲性，為了減小研發(fā)的風(fēng)險，可以考慮采用軟件無線電技術(shù)研制發(fā)射接收設(shè)備，在目前模擬數(shù)字混合暑期可以兼容原有的模擬設(shè)備，隨著社會的發(fā)展，當(dāng)DRM技術(shù)成為主流技術(shù)時通過軟件升級就可以將用于兼容的資源專用作數(shù)字廣播質(zhì)量的提升，從而最大限度的保護用戶的利益。
3 基于軟件無線電技術(shù)的DRM系統(tǒng)
3.1 DRM的主要標(biāo)準(zhǔn)介紹
2001年4月4日ITU已通過DRM的標(biāo)準(zhǔn)建議書為ITU-RBS.1514,2001年9月通過歐洲標(biāo)準(zhǔn)為ETSI TS 101 980 V1.1.1。單個調(diào)幅頻道碼率可達24kbps，雙頻道可達72kbps。在ETSI TS 101 980 V1.1.1標(biāo)準(zhǔn)中，主要規(guī)定了了頻道使用模式、信源泉編碼方式、復(fù)用情況、信道編碼與數(shù)字調(diào)制方式等內(nèi)容。
具體來說DRM信號有三種頻道使用模式：半個頻道、一個頻道和四個頻道。半個頻道的模式可以用作模擬和數(shù)字同播，作為模擬和數(shù)字廣播的平滑過渡的方法。信源編碼推薦了四種方式：MPEG-4 AAC（高級音頻編碼），MPEG CELP（刺激線性預(yù)測編碼），MPEG HVXC（諧波矢量刺激編碼），SBR（頻帶復(fù)制編碼）。復(fù)用情況比較復(fù)雜，包括信道復(fù)用、幀復(fù)用、業(yè)務(wù)復(fù)用、數(shù)字復(fù)用等。信道編碼與數(shù)字調(diào)制方式包括擾碼生成多項式（x9+x5+1）、TCM編碼方式采用刪除卷級碼與QAM調(diào)制結(jié)合的方式，交織深度分為短交織（交織長度為0.4s）和長交織（交織長度為2s），數(shù)字調(diào)制方式采用OFDM和QAM調(diào)制。
3.2 國外同類產(chǎn)品（SKYWAVE2000）的性能
SKYWAVE 2000采用的基本技術(shù)情況如表3所示。
表3 SKYWAVE 2000采用的基本技術(shù)情況
SKYWAVE 2000的數(shù)字編碼與調(diào)制原理框圖見圖2。
3.3 基于軟件無線電技術(shù)的DRM系統(tǒng)接收機
鑒于廣播的特點：帶寬窄，一般為9kHz～10kHz；信號動態(tài)范圍大，短波波段的動態(tài)范圍高達120dB以上。在軟件無線電電臺選用實現(xiàn)方案方面必須予以考慮。根據(jù)文獻[2]的論述，選擇了基于中頻采樣技術(shù)的體系結(jié)構(gòu)：在A/D/A與天線之間增加一個寬帶變頻模塊，將全頻帶的信號變頻為一個固定的中頻，通過對該中頻處理實現(xiàn)預(yù)定的功能。圖3所示為中頻采樣軟件無線電系統(tǒng)的組成框圖。
3.4 基于軟件無線電技術(shù)的DRM系統(tǒng)發(fā)射機
由于廣播自身的特點，相比于接收機，發(fā)射機的研制更為復(fù)雜�；谲浖䶮o線電技術(shù)的DRM系統(tǒng)發(fā)射機由三個較為獨立的子系統(tǒng)：數(shù)字編碼與調(diào)制子系統(tǒng)、模擬處理子系統(tǒng)和發(fā)射子系統(tǒng)組成，其組成框圖及相互關(guān)系見圖4。
數(shù)字編碼與調(diào)制子系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)數(shù)字信號處理和幅度、相位的計算；模擬處理子系統(tǒng)負(fù)責(zé)將I、O的基帶復(fù)信號變換到無線發(fā)射頻率的調(diào)相信號或幅相信號；發(fā)射子系統(tǒng)實現(xiàn)功率放大及信號發(fā)射。
圖5
3.5 基于軟件無線電技術(shù)的DRM系統(tǒng)工作原理
基于軟件無線電技術(shù)的DRM系統(tǒng)工作原理如圖5所示：
圖5中，信源編碼、復(fù)用、能量分集、信道編碼、交織、數(shù)字基帶的OFDM映射部分的功能將在數(shù)字編碼與調(diào)制子系統(tǒng)中利用計算機的處理器、DSP處理器以及專用芯片等通過軟件編程來實現(xiàn)。而無線射頻信號的生成、穩(wěn)定載波的產(chǎn)生等模擬處理功能將在模擬處理子系統(tǒng)中通過DDS、I、Q調(diào)制器等技術(shù)或?qū)Ｓ闷骷䦟崿F(xiàn)。
數(shù)字廣播領(lǐng)域市場廣闊，具有很好的發(fā)展空間，目前世界各個主要發(fā)達國家都在此領(lǐng)域投入了相當(dāng)?shù)娜肆�、物力、財力。我國在這一領(lǐng)域的研究水平與國際同步，更不能放棄這一優(yōu)勢。
軟件無線電技術(shù)一經(jīng)提出就被認(rèn)為是無線電領(lǐng)域的一場革命，近年來“軟件無線電”的思想已經(jīng)滲透進入了儀器儀表、自動控制、信號處理等諸多領(lǐng)域。我國在這一領(lǐng)域的研究也得取了顯著的成果。
將軟件無線電技術(shù)與數(shù)字廣播技術(shù)結(jié)合在一起，對于數(shù)字廣播技術(shù)發(fā)展和數(shù)字廣播設(shè)備的推廣具有巨大的推動作用。
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