中波数字AM广播实现方案

1、中波数字AM广播实现方案摘要：提出一种上下兼容的中波数字广播系统方案。该方案的数字基带传输方式为COFDM,与DRM和IBOC相同，射频调制仍釆用保留载波的双边带调幅，不需要对现有广播发射机进行改动或更换，接收机可沿用当前中波收音机的包络检波或采用相干解调，实现复杂度低，便于形成规模生产。讨论了该方案实现的关键技术，并给出了发展和应用前景。关键词：数字AM广播；DRM；IBOC：COFDM；双边带调幅1引言调幅（AM）广播自问世以来己经走过了80多年历史。因为模拟AM广播的固有缺陷（广播质量较差，易受干扰等），在与FM、电视、现代通信和因特网等新的信息传播媒体的竞争中，己越来越处于劣势地位。但

2、30MHz以下广播频段的宝贵频率资源是人类的共同财富，应该得到有效利用和保护。因为在这个频段内，利用地波和天波能够非常简单、经济而又高效地实现全球性的广播覆盖，这是迄今为止其它通信方式都无法做到的。长期以来，世界各国为发展广播事业己投入了巨额资金，大量的广播电台和设备希望能够继续为人类造福而不至于很快就遭淘汰。这就提出了一个具有挑战性的课题：使传统的AM广播通过技术改造获得新生。进行数字化改造是克服模拟AM广播的致命弱点唯一的出路。但如何实现数字化，世界各国的想法和做法并不一致，当前比较成熟并己进入商业化运作体系的主要有2个：以欧洲各国为主体的世界数字无线电组织的DRM系统和美国iBiquit

3、y公司推出的IBOC系统。这2个系统都得到了国际电信联盟（ITU）的认可，经演播室和现场测试取得了预期的良好效果，有望在欧美及其周边国家推广应用，逐步取代现有的模拟AM广播。很多厂商己经开始投入这2种体制广播设备和接收机的开发和生产，一旦形成气候其产品就会迅速占领世界市场。这2种数字AV广播体制的共同特点是都彻底摒弃了传统AM广播保留载波的双边带调幅（DSB-AM）,重新设计了一套适合数字载波传输的调制方法。这样克服了传统DSB-AM的固有缺点，即功率消耗大、频带利用率低。但也带来了一个十分现实的问题：必须对现有的模拟AM发射机进行不同程度的改造和更换，并且开发设计全新的数字广播接收机。因为这

4、2个系统是欧美发达国家根据自身经济和文化发展需要硏究和设计的，目的是占领世界数字广播技术的制高点，这样的开发思路是和他们的经济基础相适合的。DRM作为世界上统一的短波段数字广播标准，己经基本上达成共识，但对于一般用于国内或区域性广播的中波段，各国的情况和思路不尽相同，ITU未能达成统一意见。美国根据本国情况坚持推广IB0C方案。对于中国这样地域辽阔、拥有大量地方中波AM广播电台的发展中国家来说，如果直接釆用欧美方案实现AV广播数字化，将面临需要巨大的改造资金和技术投入的困难。如果新型数字广播收音机因为结构复杂，生产成本过高，短期内难以形成市场的话，将不能激发生产厂商的投资热情，反过来也会使数字

5、化改造更加步履艰难。所以，中国的中波数字AM广播究竟应该采用何种体制，仍是一个需要认真硏究和慎重考虑的问题。作者研制的种适合中国发展的数字AV广播体系方案，旨在解决欧美方案在实施中需要改动或更换模拟AM发射机的困难。如果采用此方案，将能够在短期内为国内大量地方中、小广播电台提供一条从模拟转向数字的捷径,在不需要大额投资的前提下得到改善广播质量、降低发射功率、增加数据业务和为听众提供更加友好方便和灵活的接收手段等多方面的好处,大幅度提升AV广播的竞争力。2总体思路传统保留载波的载波的DSB-AM方式有很多缺点。因为载波并不携带有用信息却消耗了大量功率，造成通信效率低下，双边带传输的信息冗余也使频

6、带利用率降低。但事物总是一分为二的，正是因为传统AM调制方式的这些缺点，换来了收音机能够釆用简单的包络检波方式进行信息解调的优点。收音机成本的低廉是AM广播在全球普及的一个重要原因，据不完全统计，全世界有20亿台中短波收音机在使用，仅美国就达到平均每户5.6台收音机的拥有量。在中国，大约有500多个地方中波广播电台，拥有大量的模拟AM发射机，几十年来为了保证信息覆盖、提高播音质量，国家投入了大量资金，不断进行技术改造，近10年还更新了大批发射机，这些设备当前都完好可用。欧美方案在完成数字基带调制以后，必须把信号分解成幅度部分（包络信号）和相位部分，包络信号送到脉冲调宽（PDM）发射机或脉冲阶梯

7、调制（PSM）发射机的幅度调制器，作为高频末级功放电子管的屏极电压，相位信号则加到发射机的射频通道，在分解成I、Q2个正交分量后分别对数字频率合成器进行控制，产生相位调制的射频载波，加到高放末级电子管栅极。这2路信号在高放末级必须严格按照一定的时间同步进行信号组合，才能产生一个单边带的高频数字调制载波，通过天线发射岀去。图1是该方案的发射系统信号传输框图。图1欧美方案数字调幅广播发射系统框图为此，现有的模拟AM发射机需要做以下改动：去掉现有的音频处理器，增加1台数字调制器；更换1台数字频率合成器；对发射机调制器的低通滤波器截止频率进行高端扩展，重新调整发射机中和电路等。对一些旧设备未经过改造的

8、屏调、乙类屏调或自动屏调式发射机,因为它们的音频通路和射频通路的相移不易调整，而且其音频通路是窄带设计的，无法通过改造来实现上述过程，所以只能更换发射机。为避免发射机大规模的改造和更换，作者的思路是：对音频信号进行数字编码，与其它附加数据混合后实现基带信息数字化.数字基带信号通过D/A变换直接送入发射机的音频接门，射频调制仍沿用传统的DSB-AM方法。图2是这方案的发射系统信号传输框图。图2不改动发射机的数字广播发射系统框图与欧美方案相比，这样做虽然DSB-AM效率低的问题没有解决，但现有任何形式的模拟发射机都能够不做改动就用来传输数字音频。而且，在接收机端，可以灵活地采用非相干解调或相干解调

9、2种方案。非相干解调就是仍采用包络检波的方式取出数字基带信号，然后再解码得到传递的音频和附加数据，现有收音机只要在检波输出（或音频输出）加接一块解码集成电路就能够用来收听数字广播，这能够作为一种普及型收音机的解调方法。相干解调方案是从现有收音机的中频输出取信号，因为是双边带信号上下边带的数字信息相同，可分别对上下边带进行相干解调后再叠加，理论上可得到3dB解调增益，取得更高的接收信噪比，但收音机的复杂度增加，可作为高档收音机的解调方法。因为这个方案完全在原有的AM广播管理体制内实现，数字广播信号所占的频率和功率i普都不会超出原来模拟广播电台的工作范围，广播电台只需选择合适的空余频道，而无须申请

10、新的频率资源，最大限度简化了从模拟向数字转化的手续。总而言之，这个方案的最大好处就是保护了原有的大功率发射设备投资，减轻了广播电台技术改造的负担，并为开发结构简单、能兼容接收模拟和数字广播的普及型收音机提供了可能,使广大广播收听者只需增加少量费用就能够享受数码广播带来的一系列优越性。这样，国家、广播电台，听众和收音机生产商的利益和需求都将得到满足，形成一个良性的生产和消费链,可大大加快模拟AM广播数字化在中国的进程。3关键技术问题这个方案的技术难度，在于如何解决在4.5kHz或5kHz这样窄的音频带宽内，实现质量优良的数字广播所必须达到的数据传输率和允许的误码率。作者经过数年研究，认为能够采用

11、以下技术来提高系统性能，使其成为符合要求的实用系统。3.1OFDM多载波传输技术OFDM是一种频带利用率很高的多载波数字通信技术。其最大优点是抗多径，对频率选择性衰落能有效抑制。中短波无线电传输信道是典型的频率选择性信道，DRM和IBOC系统都釆用这种传输技术。因为作者的方案只有4.5kHz可用带宽（受中国的中波AM标准所限定）,比DRM系统至少小一半，比IBOC系统（30kHz）更是小很多，所以，更加合理、经济地选择0FDM参数，如子载波数目、子载波频率间隔、周期头长度、参考导频的插入密度和插入位置等，是设计成功的关键。通过计算机模拟，己经取得一系列数据，有望满足实际系统的要求。3.2先进音

12、频压缩编码算法当前，DRM系统釆用了3种不同的MPEG-4压缩技术来对音频进行压缩编码：先进音频编码（ACC）、线性预测编码（CELP）和谐波向量编码（HVXC）。其中，AAC是比特率能够在很宽范围内调整的音频编码方法，其它2种则是对自然语言进行低速率和超低速率编码的方法。IBOC系统则采用了美国自有的专利技术PAC编码方式。压缩编码的目的是在保证声音质量的基础上去除冗余信息，用尽可能低的码率来传输高质量的声音，只有这样才能实现在播音的同时传输其它数据信息。也只有通过信源编码将数据率降下来，才有余地给信道编码来增强系统的鲁棒性。作者己对AAC编码方式进行了深入研究，通过局部改进其编码方式和算法

13、，在16Kb/、时仍能保持较好的音质，如能进一步提升码率，就能够取得与DRM系统相当的音频质量。广播节目在播放音乐和单纯语言类节目时所需码率能够有很大差别，釆用可变速率编码方式能够根据节目内容自动调整数据帧结构。比如，在播放语言类节目时能够同时传输信息量大的附加数据，而在播放音乐类节目时则传输少量附加数据，甚至关闭数据通道，全部数据流用来传输高质量音乐信息，这里的关键是设计一个灵活可变的多路数据传输帧格式和种可伸缩的（Scalable）的音频编码方法。3.3高效信道编码与调制方法信道编码和调制是保证数字信号在模拟信道上有效而可靠传输的基本手段。即使信道编码和基带调制作为单项技术都己相当成熟，但

14、是针对中波广播信道设计一种合理的编码和调制方式的优化组合结构仍在探索中。DRM采用MLC多级编码方案，所用码型是带删除的卷积码，以正交幅度调制QAM为基本调制星座形式，星座点数根据需要可分别取64、16和4。根据作者的方案，需要进一步提高信道编码的纠错性能和带宽效率，可釆用纠错能力更强的Turbo码结合MLC进行信道编码。为寻找性能更好的编码和调制方案，作者还硏究了COFDM+DAPSK的调制方式，这种方式虽然在某种程度上增加了调制发送端的复杂性，但与C0FDM+QAM方式相比，不需要在接收端进行信道均衡，可大大降低接收机的复杂度，这对于今后生产低成本收音机，加快数字AM广播的发展具有十分重大

15、的意义低气当前，作者还在继续尝试将另种具有优良纠错特性的低密度奇偶校验码（LDPC）用到数字AV广播体系中来，有望取得更好的性能效果。4新的数字AM广播体制应用展望数字广播无疑最终将取代模拟调幅广播。作者提出的这种数字AM广播体制从中国国情出发，从当前国内广播电台的实际情况出发，参考与研究了国际上同类先进技术，具有向上和向下双向兼容的特点。所谓向下兼容，就是它的实现无须对现有广播电台的广播发射机进行改造或更换，只须将节目源按信源编码方案数字化，选择合适的频段就可马上开播。节目源的数字化只要普通PC机就可实现，成本很低。现有的收音机仍可接收模拟AM广播，加装数字解调模块后就可兼容接收数字/模拟A

16、M广播，并且能够根据市场需求开发普及和高档(高质量带液晶显示屏)等不同层次的产品。而所谓向上兼容，就是当中国的数字广播最终全部替代模拟广播，现有的模拟AV广播发射机全部退出历史舞台时，因为方案在数字基带信号传输方式上与DRM和IBOC样，都采用COFDM传输体制，只要在调制参数上作些改动，就可和新的发射机接口，作者在设计时己经考虑，基本上是软件方面的工作，能顺理成章地与国际接轨。近期，釆用这个方案能较快地启动市场，给国民经济和人民生活带来实惠和好处，至少有以下几个方面：改善中波广播的音质和接收质量，部分降低发射台发射功率，节约能源；为广播电台开辟新的数据传输业务提供可能，比如可进行实时交通、旅

17、游、天气、股票、短新闻等的文字信息传送；推动新一轮的数码收音机的开发和制造产业，为汽车用户提供新型收音机，将进一步推动汽车产业和消费；为国家和国防需要提供新的数据备用通道。比如，在战争期间，其它信息媒体瘫痪时用来发布重要通告；在计算机网络遭受病毒严重侵犯时，通过数字广播通道快速发布杀病毒软件等。总而言之，根据国情确立中国数字AM广播新体制，并推动其产业化，是提高中国信息科学硏究和技术进步水平的一项重要任务。参考文献那正义，范瑜，吴乐南.数字调幅广播的DRM和IBOC技术J.电声技术，2004,(6)：58-62.FallerC.Biing-HwangJ.KroonP.Hui-LingL.RamprashadS.A.；SundbergC.E.W.TechnicalAd-vancesinDigitalAudioRadioBroadcastingJ.Proceed-ingsoftheIEEE,2002,90(8)：1303-1333.陶嘉庆，李国华.传统调幅广播的技术革命