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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(diǎn)，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(shí)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(shí)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(gè)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(shí)間最久，全球標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一，在任何地方購買的收音機(jī)在全球各地都能使用，接收工具簡單，而且可以方便地進(jìn)行室內(nèi)、外的便攜接收與車、船中的移動(dòng)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(cái)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(tái)在進(jìn)行著無形的“星球大戰(zhàn)”。美國之音（VOA）的一項(xiàng)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(diǎn)替代。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全世界現(xiàn)在已有3333座短波發(fā)射臺(tái)，12590府中波發(fā)射臺(tái)，25億臺(tái)調(diào)幅收音機(jī)，其中7億臺(tái)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(jī)構(gòu)認(rèn)識(shí)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(yàn)。
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德國電信（DT）從1994年11月開始進(jìn)行數(shù)字中被廣播的試驗(yàn)。法國湯姆喀斯特（Thomcast）公司則從1995年起斥巨資進(jìn)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(gè)。
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(gè)世界性的集團(tuán)以評(píng)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(tuán)（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(gè)國家的正式會(huì)員（Full members）47個(gè)，和非正式會(huì)員（Associate members）25個(gè)。
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(jì)算機(jī)插板方式，絕大多數(shù)的解調(diào)、解碼工作均由基于DSP和計(jì)算機(jī)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(diǎn)。同時(shí)具有體積大（一般需計(jì)算機(jī)，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(diǎn)�？陀^地講，這些設(shè)備只能算作實(shí)驗(yàn)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(tuán)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(jī)遇與挑戰(zhàn)
DRM系統(tǒng)已基本成熟，即將進(jìn)入實(shí)施階段。但是，一項(xiàng)新技術(shù)能否在全球推廣，技術(shù)本身的先進(jìn)性與可行性雖是前提，卻遠(yuǎn)非決定因素，市場條件和消費(fèi)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(yàn)與失敗的教訓(xùn)，DRM也把實(shí)施問題看作為嚴(yán)重挑戰(zhàn)，還把影響國家或地區(qū)一級(jí)啟動(dòng)新技術(shù)的因素歸納為以下幾點(diǎn)：①技術(shù)變更的步伐；②進(jìn)口或出口控制；③市場成熟性；④財(cái)富或個(gè)人可支配的收入（PDI）；⑤法規(guī)；⑥消費(fèi)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(gè)關(guān)鍵性因素，即廣播機(jī)構(gòu)/網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行者、接收機(jī)制造商與聽眾之間的關(guān)系�？梢粤谐鲆韵碌膶�(shí)話依賴關(guān)系表（見表2）。
表2 實(shí)施依賴關(guān)系表
法規(guī)協(xié)議
發(fā)射機(jī)可用性 接收機(jī)制制造商 內(nèi)容可用性聽眾市場 低知識(shí)產(chǎn)權(quán)費(fèi)用
市場規(guī)模
廣播機(jī)構(gòu)簽約承擔(dān)義務(wù)
芯片組可用性 聽眾 接收機(jī)可用性內(nèi)容可用性 信息的需要
接收機(jī)的費(fèi)用
明確的獨(dú)特銷售點(diǎn)
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(shí)話的西部創(chuàng)新工程還將進(jìn)一步擴(kuò)大AM廣播的規(guī)模，提高廣播覆蓋率與改變邊遠(yuǎn)地區(qū)空中秩序。
1998年的廣州會(huì)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(gè)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(jī)構(gòu)一直積極參與DRM的活動(dòng)，今后這些機(jī)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(jìn)行了計(jì)算機(jī)模擬試驗(yàn)。但鑒于DRM很快進(jìn)入實(shí)話階段，美國開發(fā)與評(píng)價(jià)IBOC DAB技術(shù)有較大進(jìn)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(shí)驗(yàn)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(shí)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(huì)議與相關(guān)活動(dòng)的機(jī)會(huì)，積極了解國際新進(jìn)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(jì)劃日程，積極維護(hù)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(yuǎn)程系統(tǒng)會(huì)議（National Telesystems Conference）”上提出。該項(xiàng)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(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，最大程度上通過DSP軟件來實(shí)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(tái)是“用軟件定義波段、調(diào)制方式、信號(hào)波形的電臺(tái)。信號(hào)波形由數(shù)字信號(hào)采樣產(chǎn)生，用寬帶的數(shù)模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，可能還要由中頻上變頻到射頻。類似地，接收機(jī)使用寬帶的模數(shù)轉(zhuǎn)換器獲得該軟件無線電電臺(tái)節(jié)點(diǎn)所有波段的信號(hào)。接收機(jī)用通用處理器上的軟件完成信號(hào)的提取，下變頻和解調(diào)。”（約瑟夫·米托拉給軟件無線電電臺(tái)做的定義。）
理想的軟件無線電電臺(tái)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(jí)來完成。由于實(shí)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(shí)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(shí)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(shí)現(xiàn)性。
考慮到DRM目前的犧牲性，為了減小研發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)，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(huì)的發(fā)展，當(dāng)DRM技術(shù)成為主流技術(shù)時(shí)通過軟件升級(jí)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(hù)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(gè)調(diào)幅頻道碼率可達(dá)24kbps，雙頻道可達(dá)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(hào)有三種頻道使用模式：半個(gè)頻道、一個(gè)頻道和四個(gè)頻道。半個(gè)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(jí)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(xiàng)式（x9+x5+1）、TCM編碼方式采用刪除卷級(jí)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(jī)
鑒于廣播的特點(diǎn)：帶寬窄，一般為9kHz～10kHz；信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍大，短波波段的動(dòng)態(tài)范圍高達(dá)120dB以上。在軟件無線電電臺(tái)選用實(shí)現(xiàn)方案方面必須予以考慮。根據(jù)文獻(xiàn)[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(gè)寬帶變頻模塊，將全頻帶的信號(hào)變頻為一個(gè)固定的中頻，通過對該中頻處理實(shí)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(jī)
由于廣播自身的特點(diǎn)，相比于接收機(jī)，發(fā)射機(jī)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(jī)由三個(gè)較為獨(dú)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(hào)處理和幅度、相位的計(jì)算；模擬處理子系統(tǒng)負(fù)責(zé)將I、O的基帶復(fù)信號(hào)變換到無線發(fā)射頻率的調(diào)相信號(hào)或幅相信號(hào)；發(fā)射子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功率放大及信號(hào)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(jì)算機(jī)的處理器、DSP處理器以及專用芯片等通過軟件編程來實(shí)現(xiàn)。而無線射頻信號(hào)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?shí)現(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(gè)主要發(fā)達(dá)國家都在此領(lǐng)域投入了相當(dāng)?shù)娜肆�、物力、�?cái)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(jìn)入了儀器儀表、自動(dòng)控制、信號(hào)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(dòng)作用。
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