中波廣播發(fā)射系統(tǒng)DRM改造理論淺析

【摘要】DRM是對30M赫茲以下調幅廣播波段的數字化標準，由世界數字廣播聯盟指定。在歐洲DRM廣播已經逐漸走進了大眾生活，在我們國內，也經過了多次播出實驗，取得了良好效果。DRM基帶信號的產生需要經過信源編碼，信道編碼和正交頻分復用調制（OFDM），以及選取合適的編碼/調制參數。本文結合目前我國中波廣播的實際情況，探討通過改造傳統(tǒng)模擬中波廣播發(fā)射系統(tǒng)將編碼/調制器生成的DRM基帶信號變換到射頻域并發(fā)射到空中。

【關鍵詞】技術難點；傳統(tǒng)發(fā)射機改造分析；天線系統(tǒng)

一、技術難點

DRM基帶信號的功率密度函數在整個信號帶寬內均勻分布，不像模擬AM信號（能量絕大部分在中心載波及其附近集中），是多載波信號。由于信號輸入通道的帶寬限制，導致了各子載波之間幅度具有差異，接收的可靠性收到一定的影響。足夠的時延帶寬是DRM廣播的另外一個要求，信道群時延特性的好壞，嚴重影響著各子載波之間的相位關系，群時延特性差一樣會導致接收困難。

關于模擬發(fā)射機進行DRM數字化改造，有以下三個關鍵技術難點需要解決：

1.音頻支路信號與相位支路信號的時延控制問題

傳統(tǒng)模擬調幅發(fā)射機的數字化改造，需要將信道編碼調制器輸出的數字基帶信號分別輸入到發(fā)射機音頻支路和相位支路，即一路輸入包絡信息，一路輸入相位信息。由于兩路信號所經過的信號處理路徑和步驟不同，因此到達發(fā)射機混頻管進行信號合成時會存在延時誤差，這個延時誤差會嚴重影響DRM廣播信號的傳輸發(fā)射。

2.數字射頻激勵調制器

在傳統(tǒng)模擬調幅發(fā)射機上實現數字DRM信號的發(fā)射，需要將信道編碼調制器輸出的數字基帶信號調制到發(fā)射機實際工作的射頻頻率上，要實現該功能就必須采用DRM數字射頻激勵調制器替代載波發(fā)生器。

3.音頻支路數字信號處理問題

傳統(tǒng)的模擬調幅發(fā)射機大多是依靠模擬技術來進行音頻支路信號的處理，目前雖然部分電路采用了DSP（數字信號處理）技術，但是不進行特殊的，有針對性的數字化的改造，傳輸信號還是不能滿足DRM標準所要求的技術指標。

通過開發(fā)了發(fā)射機音頻支路與相位支路延時調整適配器、數字射頻激勵調制器、音頻支路數字信號處理器可以解決了以上三個技術難點。

二、傳統(tǒng)發(fā)射機改造分析

DRM基帶信號為數字信號，發(fā)射時采用的調制方式為幅/相調制（I/Q），采用模擬方式完全通過天線發(fā)射出去之前，首先要進行上變頻，將DRM基帶信號變換到射頻域。I/Q信號變換為幅度/相位信號，對模擬載波信號進行相位/幅度調制。由于發(fā)射機的類型不同，導致了DRM基帶信號變換到射頻域信號的過程也不同。

傳統(tǒng)的模擬發(fā)射機，像數字調幅（DAM，包括DX、3DX），脈寬調制固態(tài)（PDM）和脈沖階梯調制（PSM）等非線性發(fā)射機，在進行DRM數字化改造的過程中需要在基于原發(fā)射機的平臺上增加數字頻率合成器，及DRM編碼/調制器。乙類屏調發(fā)射機受自身條件的限制是最不適合進行DRM改造的機型。

對模擬發(fā)射機進行DRM改造首先要獲得足夠的音頻帶寬。對于數字調幅DAM或DX、3DX發(fā)射機的數字化改造，為了拓寬音頻信號的輸入帶寬，需要將音頻通道中的低通濾波器進行旁路。脈沖階梯調制PSM發(fā)射機通過拓寬PSM調制器之后的低通濾波器的帶寬來實現。固態(tài)PDM發(fā)射機需要拓寬用于PDM解調的低通濾波器的音頻帶寬來實現。

對于M2W中波廣播發(fā)射機，雖然從結構上看仍然是非線性發(fā)射機，但是它的整體實現的功能接近于線性發(fā)射機。發(fā)射機本身具有對幅度/相位信號進行相位和包絡分量提取的功能，同時發(fā)射機本身采用了優(yōu)異的數字信號合成技術和先進的全數字域信號處理方法，所以最容易實現DRM廣播機型是M2W中波廣播發(fā)射機。由于M2W發(fā)射機采用數字化方式進行信號的處理和變換，所以信號的變換精度相對較高，也省去了幅度調制的模擬環(huán)節(jié)，只需要接入由DRM編碼/調制器產生的AES/EBU格式的I/Q分量信號，即可實現DRM廣播。同時由于M2W中波廣播發(fā)射機的信號處理為全數字域的，每一個載波周期結束后，包絡調制參數和相位調制參數計算完成并存入寄存器，在下一個載波周期來臨時對應于相應的射頻放大模塊的輸出端，在發(fā)射機的末級槽路轉換為射頻信號，而調制通道的幅度與相位不存在時延差，所以對M2W中波廣播發(fā)射機進行DRM改造時不需要考慮延時控制問題。

COFDM是DRM基帶信號采用的調制方式，峰值系數（峰值功率與平均功率之比）較高是COFDM信號的缺點，統(tǒng)計顯示，DRM信號的峰值系數通常為9dB，這就對發(fā)射機是否有較高的峰值功率輸出能力提出了要求。

設一模擬調幅發(fā)射機載波額定功率為Pc，正峰最大調制度Mmax。則發(fā)射機的瞬時峰值功率為：

Pmax=（1+Mmax）2Pc

當此發(fā)射機輸出DRM信號時，能輸出的最大平均功率應當是在Pmax基礎上下降為0.125倍（即9dB）。

PDRM=0.125Pmax=0.125（1+Mmax）2Pc

設載波額定功率為10kW，最大正峰調制度140%，那么此發(fā)射機所能輸出的最大DRM平均功率為：

PDRM=0.125（1+Mmax）2Pc=0.125×（1+1.4）2×10=7.2kW（數字功率）

以上計算值是理論上的，也是發(fā)射機實際所能達到的最大值。發(fā)射機自身的非線性決定了發(fā)射機實際發(fā)射能力遠低于該值。衡量DRM發(fā)射機性能指標的一個重要因素是DRM最大平均功率，額定載波功率為10kW的模擬M2W發(fā)射機，處于DRM模式下工作時，在確保調制誤差率不超過-35dB的條件下，可傳輸6.8-7kW的DRM平均功率，在現有發(fā)射機中是很高的。

發(fā)射機的非線性決定了各子載波之間的互調分量必然產生，進而導致了接收時的解碼麻煩。此外，衡量一臺發(fā)射機是否適合DRM數字化廣播的另一個重要條件是發(fā)射機的幅度和相位調制通道間的時延差，它必須被控制在一定的范圍內，這種時延差的控制方式主要有兩種：手動調制控制和自適應控制。

三、天線系統(tǒng)

天線系統(tǒng)的帶寬限制直接影響了DRM信號各載波之間的相位改變，以及各載波不同程度的幅度衰減，還可能與鄰近發(fā)射機產生作用，導致帶外發(fā)射功率，天線帶寬的平坦響應度能降低部分帶外發(fā)射功率，當DRM信號帶寬與天線帶寬相當時，可能發(fā)射機接天線和接測試負載測得的射頻頻譜不等，所以當設置預校正參數時，要考率到天線特性產生的影響。

目前中波天線是多種多樣的，但覆蓋區(qū)域和傳播模式（純地波傳播模式、地波/天波混合傳播模式）決定了天線的配置。中波天線在工作頻率上被調整為純電阻，在工作頻率兩側，增加了虛部，對發(fā)射機呈現為復數阻抗，對于DRM來說，由于在中心頻率兩側阻抗的虛部改變符號，同時在中心頻率兩側的變化率（下降或上升）相等，即在中心頻率以下為電容性，那么在中心頻率以上為電感性，反之亦然，即天線的阻抗特性是對稱的。

天線輻射效率直接決定了覆蓋半徑，與模擬調幅發(fā)射類型。駐波比特性可以表征天線帶寬，通過開路實驗，選擇9kHz帶寬的DRM模式，中心頻率附近正負10kHz帶寬內駐波比要求小于1.2；正負15KHz帶寬內要求小于1.4。而對于選擇18KHz或20KHz為帶寬的DRM模式（數模同播模式，純DRM模式），要得到滿意覆蓋的效果則對天線特性要求更高。

四、結束語

結合數字調幅廣播DRM的發(fā)展趨勢和我國目前中波廣播的現實狀況，對于我國目前正在使用的中波廣播發(fā)射機進行DRM數字化改造，推進廣播的數字化是完全必要地。在現有設備的基礎上，通過有限改動，在增加數字編碼調制器的基礎上進行DRM廣播，天線系統(tǒng)不需要做大的工程性改變，數字化過渡門檻低、代價小。