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        關(guān)于數(shù)字廣播DRM系統(tǒng)的論述

        2014-10-21 12:55:13王洪國
        電子世界 2014年23期
        關(guān)鍵詞:廣播編碼

        王洪國

        【摘要】本文針對現(xiàn)在數(shù)字廣播的DRM技術(shù)進行了詳細的分析,根據(jù)DRM系統(tǒng)產(chǎn)生的背景,特點以及關(guān)鍵的技術(shù)做出了重要的闡述。

        【關(guān)鍵詞】DRM;廣播;編碼

        1.DRM系統(tǒng)產(chǎn)生的背景

        1.1 模擬AM廣播需要數(shù)字化

        多年來短波廣播就變得沒有什么吸引力了。原因主要在于差的聲音質(zhì)量以及麻煩的操作與電臺尋找。AM廣播自身的缺點和加之其它數(shù)字媒體的競爭,其結(jié)果是調(diào)幅廣播的不景氣,聽眾數(shù)量下降。AM廣播的數(shù)字化,可以使聲音質(zhì)量得到明顯的改善,通過好的質(zhì)量再來吸引聽眾。此外,數(shù)字化后,可以通過傳輸附加數(shù)據(jù),例如電臺名稱和替換頻率,可使接收機的操作變得簡單容易。

        從能量的利用來看,AM發(fā)射功率中的很大一部分是用于載波(例如,當(dāng)平均m=0.3時,載波功率占發(fā)射總功率的95.7 %),對信號本身甚至完全沒有好處?,F(xiàn)今中短波廣播發(fā)射機功率都很大,與此相聯(lián)系的是有相當(dāng)高的運行費用。

        從頻率資源的利用來看,30MHz以下的廣播波段有其特有的性能,它能實現(xiàn)遠距離和大范圍的覆蓋,是實現(xiàn)地區(qū)性、全國性及國際性廣播覆蓋的最好手段之一,而且它的良好的快速移動接收特性是其它數(shù)字傳播媒體所不能相比的。因此,其它眾多媒體的數(shù)字化并不能代替AM廣播的數(shù)字化。

        1.2 全世界需要統(tǒng)一的數(shù)字化系統(tǒng)

        無論是數(shù)字AM系統(tǒng)建議的提出者,還是廣播機構(gòu)、發(fā)射機和接收機制造廠商乃至聽眾,都希望全世界有一個統(tǒng)一的數(shù)字AM制式和標(biāo)準(zhǔn)。世界統(tǒng)一的制式與標(biāo)準(zhǔn),也是接收機廉價的前提條件。

        為了選擇合適的統(tǒng)一的數(shù)字AM系統(tǒng),1998年3月在中國廣州成立了數(shù)字AM廣播的國際組織DRM(Digital Radio Mondiale)聯(lián)盟。DRM聯(lián)盟的目標(biāo)是開發(fā)數(shù)字長、中、短波廣播的世界范圍的標(biāo)準(zhǔn),并提供一個系統(tǒng)建議,供ITU進行標(biāo)準(zhǔn)化。經(jīng)過緊張工作,DRM提出了系統(tǒng)建議,并于2001年4月在ITU作為正式的建議書而獲得通過。

        DRM系統(tǒng)在2001年10月被ETSI標(biāo)準(zhǔn)化,并在2002年3月經(jīng)IEC通過,DRM系統(tǒng)規(guī)范正式生效,為AM波段廣播的數(shù)字化鋪平了道路。國際上不少廣播機構(gòu)的部分發(fā)射臺,已經(jīng)從2003年6月16日(日內(nèi)瓦召開ITU無線電行政大會)開始,以DRM方式正式投入廣播運行,這標(biāo)志著30MHz以下的廣播新時代的開始。

        DRM系統(tǒng)是經(jīng)過嚴厲的開路試驗、技術(shù)成熟的系統(tǒng)。DRM系統(tǒng)是世界上唯一的非專利的數(shù)字系統(tǒng),用于短波、中波/AM和長波,它可以使用已有的頻率和帶寬。是對模擬AM廣播的重大改善。DRM系統(tǒng)充分考慮到了與ITU現(xiàn)有的邊界條件相一致以及與現(xiàn)有的模擬業(yè)務(wù)的兼容,并保證了由模擬廣播向數(shù)字廣播的平滑過渡。

        2.DRM系統(tǒng)的優(yōu)點

        DRM系統(tǒng)具有以下幾個優(yōu)點:

        (1)可以傳輸數(shù)據(jù)、圖像、文件等,不但能聽而且能看;

        (2)發(fā)射功率小,節(jié)約能源,減少污染;

        (3)可以進行遠程控制,節(jié)約人力資源;

        (4)采用數(shù)字壓縮技術(shù),提高了頻譜利用率;

        (5)抗干擾性能好,可以消除傳輸過程中的噪聲和失真的積累;

        (6)數(shù)字信號便于存儲、交換、處理和計算機連接;

        (7)采用糾錯編碼措施,可以修改傳輸過程中出現(xiàn)的差錯.

        3.DRM廣播傳輸技術(shù)分析

        3.1 信息復(fù)用

        在廣播系統(tǒng)里,信息主要是指音頻節(jié)目源,為了增加節(jié)目的娛樂性,提高商業(yè)價值,可以加入圖片和文字等信息。信息數(shù)字化后就可以將各種獨立的信息進行合成、打包,合成信息的數(shù)量與傳輸帶寬、編碼方式等有密切的關(guān)系,如果采用高壓縮比的編碼方式,傳輸?shù)男畔⒘烤涂梢韵鄳?yīng)的增加。

        對于數(shù)字廣播來說,就意味著可以將多套節(jié)目先進行量化、編碼數(shù)字化處理,然后與各種文字、圖片信息復(fù)用打包,形成一個內(nèi)容豐富多樣、包含多種信息的復(fù)合節(jié)目。復(fù)合節(jié)目再與遠程控制有關(guān)的MDI (Multiplex Distribution Interface)、MCI (Modulator Control Interface)信息合成,采用TCP/IP協(xié)議通過網(wǎng)絡(luò)適配卡送到網(wǎng)絡(luò)進行長距離的傳輸。信息復(fù)用器中的源編碼方式、MCI、MDI的配置都可以由用戶按照需要進行選擇,原理框圖如圖1所示。

        圖1 信息復(fù)用原理框圖

        整個系統(tǒng)由編碼器、MCI發(fā)生器、MDI發(fā)生器、輸出卡和用戶操作系統(tǒng)組成。為了增加信道傳輸?shù)男畔⒘浚档蛿?shù)字音頻信號的數(shù)據(jù)率,需要對音頻等信號進行數(shù)據(jù)壓縮或碼率壓縮,去掉音頻信號中的不影響質(zhì)量的冗余成分,稱為信號源編碼,數(shù)字廣播采用的編碼方式是MPEG4。

        編碼器可以接收模擬單聲道、多聲道和數(shù)字音頻信號,目前最多可以對4路音頻信號進行編碼處理。根據(jù)每一路音頻的實際情況選擇采用合適的技術(shù)(AAC、CELP、HVXC)進行編碼,根據(jù)四路音頻信號重要性的不同,可以選擇不同的保護級,保護級越高的信息抗干擾的能力越高。網(wǎng)頁、文本信息以及各種圖片可以通過文件的方式輸入,然后進行編碼。各種形式的輸入信號一起編碼完成后就形成了SDI (Service Distribution Interface)信號,SDI信號是所有的輸入信號按照已定的編碼方式編碼完成后的合成碼流。MDI信號是與DRM調(diào)制器有關(guān)的信息,包括FAC、SDC、MSC、調(diào)制模式、保護率等信息,用戶可以直接在系統(tǒng)里根據(jù)傳輸情況進行調(diào)整,以達到最好的配置。

        MCI是遠程控制關(guān)鍵組件,主要是對調(diào)制器的參數(shù)進行設(shè)置,包括發(fā)射機號、調(diào)制器功率、頻率、頻率漂移以及延時信息等。MCI最多能夠控制10個調(diào)制器。DCI信號與MDI信號一起形成符合DI協(xié)議的DRM信號,然后根據(jù)設(shè)置的連接類型、網(wǎng)絡(luò)地址和端口號傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)上為下一級使用。

        3.2 信源編碼

        信源編碼的任務(wù)主要是解決數(shù)據(jù)存儲、交換、傳輸?shù)挠行詥栴}。即通過對信源數(shù)據(jù)率的壓縮,力求用最少的數(shù)碼傳遞最大的信息量。在DRM系統(tǒng)中,信源編碼的任務(wù)主要是解決傳輸?shù)挠行栴}。在DRM系統(tǒng)中,最關(guān)鍵的技術(shù)之一是信源編碼方法。

        為在給定的比特率下提供更好的質(zhì)量,系統(tǒng)使用了屬于MPEG 4的不同的信源編碼方案,以適應(yīng)在數(shù)字AM廣播中不同節(jié)目(音樂/語言)和不同帶寬的需要。

        (1)MPEG 4子集AAC(先進音頻編碼),包括抗差錯強壯性處理,用于普通單聲道和立體聲廣播。

        (2)MPEG 4子集CELP(碼本激勵線性預(yù)測)語音編碼,用于單聲道語音廣播 ,對很低比特率是有效的,或者適合于在要求較高的抗差錯強壯性的情況下應(yīng)用。

        (3)MPEG 4子集HVXC(諧波矢量激勵編碼)語音編碼,用于很低比特率和抗差錯強壯性單聲道語音廣播,特別適合于基于語音數(shù)據(jù)的應(yīng)用。

        除了上述的編碼方法外,在DRM系統(tǒng)中還應(yīng)用了頻帶恢復(fù)(SBR—Spectral Band Replication)技術(shù),它是一種在低比特率情況下獲得完全音頻帶寬的音頻編碼增強方法(工具),它可以與AAC、CELP和HVXC聯(lián)合應(yīng)用,構(gòu)成目前能力最強的壓縮方法。僅AAC本身效率已經(jīng)比的MP3方法高出30%,然而由于窄的有限的帶寬,僅使用AAC是不夠的。借助附加應(yīng)用的SBR,可以在保持同樣高的音頻質(zhì)量的情況下,數(shù)據(jù)率還可以再減低40%。這樣就有可能傳輸數(shù)據(jù)率僅為25kb/s左右的高級的音頻信號,遠不到ISDN線路的1/3。當(dāng)節(jié)目是純粹的語言內(nèi)容時,例如新聞節(jié)目,在DRM系統(tǒng)中比特率甚至可以減低到10kb/s—2kb/s。

        信源編碼傳送的比特流傳輸格式要變化為適合于DRM系統(tǒng)的要求。采用不等錯誤保護(UEP),以便在有錯誤傾向的傳輸信道中改善系統(tǒng)的性能。

        3.3 信道編碼

        在實際的無線電信道中傳輸數(shù)字信號時,由于信道的不理想或噪聲和干擾的影響,使接收的信號產(chǎn)生差錯。要使差錯限制在一定的允許范圍內(nèi),數(shù)字基帶信號在進行調(diào)制前,必須進行信道編碼,又稱差錯控制編碼。

        所謂信道編碼,是按照一定的規(guī)則,在信源編碼后的數(shù)據(jù)流中,人為加進冗余,即補充差錯保護,使信源編碼的信號盡可能無干擾地通過傳輸信道送到接收機,也就是說,通過信道編碼,當(dāng)出現(xiàn)傳輸差錯時,在接收機中可以進行識別和修正。

        信道編碼器的輸入碼率與輸出碼率之比稱為信道編碼率,信道編碼率越低,保護程度越高,糾錯能力越強。在數(shù)字通信中,只需較低的信噪比就可以保證信息的可靠傳輸,主要歸功于信道編碼。然而,由于信道編碼時加進了差錯保護,會使在信道上傳輸?shù)目倲?shù)據(jù)率變大,這就是為確保傳輸可靠性所付出的代價。

        選擇信道編碼方法時,首先是在給定的剩余比特差錯率(在應(yīng)用了信道編碼和相應(yīng)的解碼后剩余的差錯)和平均編碼率以及傳輸帶寬下,選擇允許最低的載噪比C/N的一種方法。好的信道編碼方法,使剩余比特差錯率曲線向小的C/N方向移動。對于廣播傳輸來說,卷積碼相對于代數(shù)學(xué)的塊碼是有好處的。因此,DAB和DVB-T傳輸系統(tǒng)都選擇了卷積碼。

        在同時考慮到能力和復(fù)雜性的情況下,DAB信道編碼系統(tǒng),是基于存儲深度為6、相應(yīng)的約束長度為7和26=64狀態(tài)的卷積碼來實現(xiàn)的??紤]到實際應(yīng)用的有效性和模塊的通用與廉價性,DRM系統(tǒng)使用了與DAB完全相同的信道編碼器。

        3.4 電臺發(fā)送

        電臺發(fā)送是各臺在整個系統(tǒng)中主要的任務(wù),他接收接傳機房送來的復(fù)合信息然后進行廣播發(fā)射,也可以作為一個獨立的節(jié)目制作、發(fā)送系統(tǒng)。在信號送入發(fā)射機之前需對信號進行一系列處理,處理系統(tǒng)我們可以稱為DRM發(fā)生源。它的主要功能包括編碼、數(shù)字調(diào)制、延時信號調(diào)整、音頻信號副相分離、射頻信號相位調(diào)制等。

        4.結(jié)論

        將來的中短波廣播是數(shù)字廣播,DRM系統(tǒng)有廣泛的市場,對此不應(yīng)有任何懷疑。然而技術(shù)優(yōu)越并不是有成效的市場的保證,必須充分認識數(shù)字廣播對廣播機構(gòu)和聽眾帶來的經(jīng)濟效益和社會效益。同時,要制定出明確的發(fā)展與實施戰(zhàn)略。同樣很重要的是,要像開發(fā)數(shù)字電視那樣,對數(shù)字廣播的啟動也應(yīng)有相應(yīng)的組織保證和大的資金投入。

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