調(diào)幅廣播發(fā)射機的數(shù)字化改造

劉洋

摘要：該文介紹了中、短波廣播的數(shù)字化改造，也即DRM廣播的原理，改造中要用到的DRM編碼調(diào)制器這一重要部件的工作原理，DRM改造遇到的問題及解決的辦法，并簡介了美國大陸公司對100KW PSM調(diào)制短波廣播發(fā)射機的改造。

關(guān)鍵詞：數(shù)字化改造；DRM編碼調(diào)制器；COFDM；數(shù)字頻率合成器

中圖分類號：TP37 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）03-0204-03

1 數(shù)字廣播發(fā)展

在科學(xué)技術(shù)高速發(fā)展的當(dāng)代社會，數(shù)字技術(shù)越來越深入到我們的日常生活當(dāng)中。最常見的是數(shù)字電視正全面在全國推廣、普及，并逐漸被普通百姓接受和認(rèn)可。現(xiàn)行的中、短波調(diào)幅廣播，以其能進行遠(yuǎn)距離、大面積覆蓋的特殊優(yōu)點，是數(shù)字電視、數(shù)據(jù)廣播等其他信息傳播方式所不能替代的，并成為各個國家機構(gòu)必有的宣傳工具。中、短波廣播要在各種信息傳播方式激烈的競爭中取得一席之地，就必須跟上時代的發(fā)展，進行數(shù)字化改造。

數(shù)字廣播中比較突出的是DAB和DRM兩種方式。數(shù)字音頻廣播DAB（Digital Audio Broadcasting）在本地范圍接收效果較好，所以，現(xiàn)有的覆蓋本地范圍的調(diào)頻廣播的發(fā)展趨勢就是向DAB廣播轉(zhuǎn)換。而DRM廣播是現(xiàn)有的調(diào)幅中、短波廣播的發(fā)展趨勢。DRM（Digital Radio Mondiale）直譯為世界范圍的數(shù)字廣播， Mondiale在意大利語和法語中是世界范圍的意思，也可意譯為數(shù)字調(diào)幅廣播。DRM廣播是適用于30MHZ載頻以下的數(shù)字廣播。現(xiàn)在又發(fā)展了一種DRM+的數(shù)字廣播，是針對30-300MHZ的VHF（甚高頻）頻段廣播設(shè)計的。目前，全世界范圍以DRM方式運行的廣播電臺的數(shù)目已增加到70多個。在我國，廣電總局無線局于2002年4月在海南進行了首次DRM 廣播實驗，2003 年又進行了兩次DRM 廣播實驗， 從海南向北京發(fā)送的節(jié)目效果比模擬廣播有明顯的改善。一些地方臺也進行了DRM廣播的實驗研究，并在積極引進DRM廣播發(fā)射機。

2004年，通過聯(lián)合攻關(guān)，中國傳媒大學(xué)、國家廣播電影電視總局廣科院和無線局基于DRM（ETSI ES 201 980）標(biāo)準(zhǔn)首次在國內(nèi)自主研制成功了數(shù)字調(diào)幅廣播（DRM）系統(tǒng)，建立了我國自己的數(shù)字調(diào)幅廣播（DRM）系統(tǒng)傳輸覆蓋、外場測試實驗平臺和試驗環(huán)境，解決了模擬調(diào)幅廣播發(fā)射機數(shù)字化改造中的一系列關(guān)鍵技術(shù)問題。

中、短波調(diào)幅廣播的發(fā)展趨勢就是向DRM廣播轉(zhuǎn)化，現(xiàn)有的中、短波廣播發(fā)射機在進行了DRM改造后，仍可繼續(xù)使用，并且仍可使用原有的天饋線系統(tǒng)，這樣就避免了浪費，節(jié)約了改造成本。DRM廣播發(fā)射還可以傳輸其他的有用數(shù)據(jù)，如視頻、文字等，實現(xiàn)資源共享，它除了具有數(shù)字廣播的一般優(yōu)勢，如抗干擾能力強，傳輸可靠性高，聲音質(zhì)量好，節(jié)約頻譜等優(yōu)點外，就是移動接收效果也很好，而當(dāng)今的社會，在車中收聽廣播也是很普遍的現(xiàn)象。所以實現(xiàn)中短波廣播數(shù)字化后，收聽人群比以前也會有一定的擴大。

作為一個廣播發(fā)射工作人員，我深感廣播發(fā)射和接收的數(shù)字化工作是擺在我們眼面前的問題，是我們工作的具體目標(biāo)。雖然我國廣播發(fā)射機的數(shù)字化改造尚未全面進行，但通過查閱國內(nèi)外的一些相關(guān)資料，對廣播發(fā)射機的數(shù)字化改造有一定了解是必要的。

2 現(xiàn)有中、短波調(diào)幅廣播發(fā)射機進行數(shù)字化改造的基本原理

首先，音頻信號經(jīng)過音頻處理器進行動態(tài)壓縮，送入新增加的設(shè)備—DRM編碼調(diào)制器中，DRM編碼調(diào)制器的主要作用簡單地說，就是把音頻信號處理成滿足DRM發(fā)射要求的COFDM基帶信號，并且對這些信號進行預(yù)先調(diào)整，以改善發(fā)射機的非線性造成的不利影響，使發(fā)射信號符合國際電聯(lián)（ITU）準(zhǔn)則。

COFDM基帶信號中的相位分量I（t）和正交分量Q（t）分為兩路，一路轉(zhuǎn)換為包絡(luò)分量A（t），A（t）送入需改造發(fā)射機的調(diào)制通道，如同原來的音頻信號一樣，被放大后輸入被調(diào)級，另一路在數(shù)字頻率合成器中通過相位計算，提取出相位分量，對數(shù)字頻率合成器產(chǎn)生的射頻載波分量進行相位調(diào)制，變?yōu)橄辔徽{(diào)制的射頻等幅振蕩信號Φ（t），作為激勵信號送入需改造發(fā)射機的激勵通道，經(jīng)各級射頻放大，A（t）和Φ（t）通過延時處理后同時到達(dá)被調(diào)級，經(jīng)調(diào)制放大后輸出幅度和相位同時被調(diào)制的射頻信號，這一信號使用原來的輸出回路及天、饋線系統(tǒng)發(fā)射到服務(wù)區(qū)。 上述過程如圖1所示：

在改造中，新增加了DRM編碼調(diào)制器，并把原來的頻率合成器改成數(shù)字頻率合成器，它們都是DRM廣播中的重要部件。現(xiàn)分別簡介其原理如下：

2.1 DRM編碼調(diào)制器

DRM編碼調(diào)制器的原理簡圖如圖2所示：

編碼調(diào)制器主要完成三種業(yè)務(wù)通道（主業(yè)務(wù)通道 MSC，快速接入通道FAC，業(yè)務(wù)描述通道SDC）的信道編碼和星座圖映射（也即進行QAM調(diào)制），導(dǎo)頻信號的插入，及COFDM 基帶信號的形成。

音頻信號通過信源編碼器進行信號的壓縮，變成合適的數(shù)字傳輸格式，與要傳送的數(shù)據(jù)在復(fù)用器里合成，然后通過信道編碼器加擾，這樣可以使輸入比特流的頻譜變得更加分散，減小連“0”、連“1”出現(xiàn)的概率，進而可以降低COFDM信號的峰值-平均功率比（PAPR），以減少信號的干擾，信道編碼器將比特流進行卷積編碼，然后再做QAM調(diào)制，然后送入單元交織器，單元交織把QAM調(diào)制后的符號在時間頻率坐標(biāo)上隨機的分開， 降低信號傳輸中由于衰落造成大面積誤碼的影響。交織器的主要作用是將原始數(shù)據(jù)序列打亂， 使得交織前后數(shù)據(jù)序列的相關(guān)性減弱，單元交織將QAM映射后的碼元重新排序，以便獲得一定的時間分集，進一步提高抗干擾性能，導(dǎo)頻發(fā)生器為接收機提供信道狀態(tài)信息，用于信號的解調(diào)。需傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信號，如FAC（快速訪問信道）、SDC（業(yè)務(wù)描述信道）等，經(jīng)過預(yù)編碼器將輸入的信息轉(zhuǎn)換成合適的比特流格式，也經(jīng)過QAM調(diào)制，和從單元交織器出來的主信道數(shù)據(jù)MSC、導(dǎo)頻信號、在COFDM單元映射器中被集中起來，COFDM單元映射器將三種業(yè)務(wù)的碼元和導(dǎo)頻符號在頻率和時間軸上重新排序，使之對應(yīng)于特定的COFDM子載波。放入時頻柵格中，送入COFDM發(fā)生器，COFDM發(fā)生器以相同的時間序?qū)⒚總€單元組轉(zhuǎn)換成時域來表示的信號，這一信號經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換，再經(jīng)濾波，輸出COFDM數(shù)字基帶信號，也即DRM基帶信號。

在上述過程中，使用的是編碼正交頻分復(fù)用方法，即COFDM（Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing），音頻信號及各種數(shù)據(jù)在DRM編碼調(diào)制器中按一定規(guī)則進行分離，被分配到不同的載波上進行傳送。在這些載波上的調(diào)制使用正交幅度調(diào)制（Quadrature Amplitude Modulation），即QAM調(diào)制，QAM 調(diào)制的主要功能是對復(fù)用后的數(shù)字音頻信號和需傳輸?shù)臄?shù)字信號進行調(diào)制，使其具有較高的抗干擾能力。

QAM調(diào)制是幅移鍵控ASK（Amplitude shift keying）和相移鍵控（Phase shift keying）的結(jié)合，即把數(shù)字調(diào)幅和數(shù)字調(diào)相結(jié)合起來。QAM調(diào)制使用兩個相同頻率的正弦載波，每個載波可以使用一個糾錯碼，但是相位相差90度，互成正交關(guān)系。Q A M同時利用了載波的幅度和相位來傳遞信息比特，不同的幅度和相位代表不同的編碼符號。兩種被調(diào)制的載波在發(fā)射時已被混和，到達(dá)目的地后，載波被分離，數(shù)據(jù)被分別提取然后和原始調(diào)制信息相混和。

DRM廣播中使用的主要是八進制QAM ，即64QAM。64QAM是一種在6MHZ 基帶帶寬內(nèi)正交調(diào)幅的X進制（X=2，4，8，16）的二維矢量數(shù)字調(diào)制技術(shù)，通過2-6電平變換器（26=64）將二進制信號每6個分為一組，進行串并轉(zhuǎn)換，形成a1a2a3和b1b2b3，3個位共可表征8種狀態(tài)，所以兩路正交的六電平幅度調(diào)制信號疊加共計8 × 8=64 種。

2.2 數(shù)字頻率合成器

現(xiàn)在一般使用直接數(shù)字頻率合成器DDFS（Direct Digital Frequency Synthesizer）或簡稱DDS。DDS中使用現(xiàn)場可編程門陣列邏輯控制器FPGA（ Field Programmable Gate Array）控制各種調(diào)幅、調(diào)相等波形輸出。

在DRM發(fā)射機中使用的激勵信號Φ（t）與傳統(tǒng)的激勵信號不同，傳統(tǒng)的由頻率合成器產(chǎn)生的激勵信號是等幅同相的RF信號，而從數(shù)字頻率合成器中輸出的RF信號，雖然也是等幅的RF信號，但卻經(jīng)過了調(diào)相處理，即載波的初始相位隨著基帶數(shù)字信號而變化。

這樣經(jīng)過調(diào)相后，音頻信號的信息就由RF信號的相位變化體現(xiàn)了出來，并作為激勵信號通過原發(fā)射機的射頻放大通路進行放大。

3 DRM廣播發(fā)射機改造

3.1 DRM廣播發(fā)射機改造的要求

DRM改造時，要求發(fā)射機滿足下列四個條件。

1） 要求需改造的機器具有良好的線性。這是為了減少產(chǎn)生的附加頻率成分，減少帶外發(fā)射，減少波形失真，滿足中、短波廣播標(biāo)準(zhǔn)對頻帶的要求，而且發(fā)射機的線性不好會導(dǎo)致頻帶范圍的縮小。

2） 幅度失真和相位失真盡量地小，這樣才能使數(shù)字信號精確地還原為初始信號

3） 音頻幅度、音頻帶寬、射頻帶寬都有一定的要求。這是因為在編碼調(diào)制器中信號經(jīng)過了QAM調(diào)制，其輸出的COFDM基帶信號是多載波的，這些載波的動態(tài)特性可能會使輸入載波的調(diào)幅負(fù)峰瞬間變?yōu)?，引起相位調(diào)制信號的寬帶噪音和瞬間反相，引起互調(diào)產(chǎn)物和帶外發(fā)射。以我國所處的地理位置，國際電信聯(lián)盟（ITU）推薦的發(fā)射帶寬，中波是9KHZ或18KHZ，短波是10KHZ。進行DRM數(shù)字廣播時，為滿足立體聲和同時發(fā)射其他數(shù)據(jù)的要求，中、短波都需要擴展帶寬，美國大陸公司推薦在我國的地理位置，進行DRM廣播時，中、短波的射頻（Φ（t）信號）帶寬為40KHZ，幅度調(diào)制（A（t））帶寬為30KHZ—40KHZ。現(xiàn)代的CPU—密集型壓縮技術(shù)可以使獲得的帶寬得到更有效的使用。

4） A（t）在被調(diào)制過程中的調(diào)幅負(fù)峰也要盡量達(dá)到100%，以消除過調(diào)引起的互調(diào)失真。

3.2 PSM調(diào)制短波廣播發(fā)射機的DRM改造

從DRM編碼調(diào)制器出來的數(shù)字COFDM基帶信號可以經(jīng)過兩種放大器：線性放大器和非線性放大器，線性放大器結(jié)構(gòu)簡單，信號變換精確度高，但效率低，不適用于現(xiàn)實生活 。通常使用非線性放大器，效率高，適用于大功率發(fā)射機，但對發(fā)射機的要求也更高，要求較寬的音頻輸入帶寬；較寬的射頻輸出帶寬；并且要求發(fā)射機的線性良好，峰值功率輸出能力較高。

美國大陸公司（Continental Electronics Corp.）對大功率PSM調(diào)制短波廣播發(fā)射機的DRM改造已經(jīng)有了較成熟的計劃，大概的改造情況如下：

1） 增加功率模塊開關(guān)頻率。在大功率PSM發(fā)射機中，調(diào)制器后接的低通濾波器設(shè)置不好，會產(chǎn)生相位和頻率的非線性失真，為減少非線性失真，需增加功率模塊的開關(guān)頻率，結(jié)果會導(dǎo)致音頻帶寬的增加。在DRM改造時，把開關(guān)頻率提高到120KHZ到150KHZ，盡量使音頻發(fā)射帶寬在4.5到10KHZ之內(nèi)。

2） 拓寬PSM調(diào)制器之后的低通濾波器的帶寬。在把COFDM基帶信號變?yōu)榘j(luò)A（t）和射頻調(diào)相分量Φ（t）的過程中，在理論上信號的帶寬就會變?yōu)闊o窮大，在實際中則要求A（t）和Φ（t）的帶寬是I（t）或Q（t）的三到四倍。為此，大陸公司調(diào)整了低通濾波器中所有電容和電感的數(shù)值，以適應(yīng)寬帶工作的要求。如圖3所示：

3） 改造了調(diào)制器控制器的單邊帶發(fā)生器A1、單邊帶均衡器A2、音頻通路板A4，在這些板中去除了音頻輸入濾波器，提供直流耦合，并添加了自動/手動切換到DRM廣播的裝置。

4） 使用數(shù)字頻率合成器替代原來的頻率合成器。美國大陸公司認(rèn)為，一臺輸出100KW載波功率（峰值功率400KW）的發(fā)射機，可以產(chǎn)生25KW的DRM調(diào)制平均功率，其調(diào)幅正峰可在12dB之內(nèi)變化，但如果這臺發(fā)射機的數(shù)字平均功率即使只增加了2dB，發(fā)射機都會對幅度信號產(chǎn)生切削，引起帶內(nèi)和帶外互調(diào)產(chǎn)物產(chǎn)生，對相鄰頻道產(chǎn)生干擾，所以需正確處理發(fā)射機的切削問題。在數(shù)字頻率合成器的前端把I（t）和Q（t）信號先作切削，然后通過數(shù)字低通濾波器濾去由切削而產(chǎn)生的帶外頻率。進行2到4dB的低電平切削并不會使數(shù)字信號強度顯著降低，卻能改善整機的功率輸出。

3.3 模擬信號和數(shù)字信號同播的問題

經(jīng)過改造后，原有的模擬廣播發(fā)射機可以播出數(shù)字信號。經(jīng)改造后的大功率機有模擬雙邊帶廣播（DSB）和DRM廣播兩種切換方式，可方便地進行切換。而要實現(xiàn)模擬和數(shù)字同播，以適應(yīng)模擬到數(shù)字廣播的過渡時期，模擬DSB（雙邊帶）信號和DRM信號不能在同一發(fā)射機的同一頻道發(fā)射。可以使模擬信號占用原來的頻率位置和帶寬（9KHZ或10KHZ），而DRM信號占用相鄰的頻道，經(jīng)同一部發(fā)射機發(fā)射。不過，這樣就對發(fā)射機輸出網(wǎng)絡(luò)與天線調(diào)配網(wǎng)絡(luò)的有效帶寬有較高要求，需要達(dá)到30kHz以上，并在帶內(nèi)盡可能平坦。

以上只是對于PSM調(diào)制發(fā)射機DRM改造的基本認(rèn)識，而在實際改造中，涉及的如何改善發(fā)射機的線性，使?jié)M足帶寬要求，如何提高峰值平均功率比，如何在同一部機器中實現(xiàn)模擬和數(shù)字同播等問題，則需要在實踐中不斷探索，以使改造后的DRM發(fā)射機走向成熟與完善。

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