王洪國(guó)

【摘要】本文針對(duì)現(xiàn)在數(shù)字廣播的DRM技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的分析，根據(jù)DRM系統(tǒng)產(chǎn)生的背景，特點(diǎn)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(lái)短波廣播就變得沒(méi)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(tái)尋找。AM廣播自身的缺點(diǎn)和加之其它數(shù)字媒體的競(jìng)爭(zhēng)，其結(jié)果是調(diào)幅廣播的不景氣，聽(tīng)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(guò)好的質(zhì)量再來(lái)吸引聽(tīng)眾。此外，數(shù)字化后，可以通過(guò)傳輸附加數(shù)據(jù)，例如電臺(tái)名稱和替換頻率，可使接收機(jī)的操作變得簡(jiǎn)單容易。

從能量的利用來(lái)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(shí)，載波功率占發(fā)射總功率的95.7 %），對(duì)信號(hào)本身甚至完全沒(méi)有好處?，F(xiàn)今中短波廣播發(fā)射機(jī)功率都很大，與此相聯(lián)系的是有相當(dāng)高的運(yùn)行費(fèi)用。

從頻率資源的利用來(lái)看，30MHz以下的廣播波段有其特有的性能，它能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離和大范圍的覆蓋，是實(shí)現(xiàn)地區(qū)性、全國(guó)性及國(guó)際性廣播覆蓋的最好手段之一，而且它的良好的快速移動(dòng)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(wú)論是數(shù)字AM系統(tǒng)建議的提出者，還是廣播機(jī)構(gòu)、發(fā)射機(jī)和接收機(jī)制造廠商乃至聽(tīng)眾，都希望全世界有一個(gè)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(jī)廉價(jià)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(guó)廣州成立了數(shù)字AM廣播的國(guó)際組織DRM（Digital Radio Mondiale）聯(lián)盟。DRM聯(lián)盟的目標(biāo)是開(kāi)發(fā)數(shù)字長(zhǎng)、中、短波廣播的世界范圍的標(biāo)準(zhǔn)，并提供一個(gè)系統(tǒng)建議，供ITU進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。經(jīng)過(guò)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(guò)。

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(guò)，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(guó)際上不少?gòu)V播機(jī)構(gòu)的部分發(fā)射臺(tái)，已經(jīng)從2003年6月16日（日內(nèi)瓦召開(kāi)ITU無(wú)線電行政大會(huì)）開(kāi)始，以DRM方式正式投入廣播運(yùn)行，這標(biāo)志著30MHz以下的廣播新時(shí)代的開(kāi)始。

DRM系統(tǒng)是經(jīng)過(guò)嚴(yán)厲的開(kāi)路試驗(yàn)、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(zhǎng)波，它可以使用已有的頻率和帶寬。是對(duì)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(guò)渡。

2.DRM系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

DRM系統(tǒng)具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

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

（2）發(fā)射功率小，節(jié)約能源，減少污染;

（3）可以進(jìn)行遠(yuǎn)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(guò)程中的噪聲和失真的積累;

（6）數(shù)字信號(hào)便于存儲(chǔ)、交換、處理和計(jì)算機(jī)連接;

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

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(lè)性，提高商業(yè)價(jià)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(dú)立的信息進(jìn)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(duì)于數(shù)字廣播來(lái)說(shuō)，就意味著可以將多套節(jié)目先進(jìn)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(gè)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(yuǎn)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(guò)網(wǎng)絡(luò)適配卡送到網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行長(zhǎng)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(jìn)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(gè)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?，降低?shù)字音頻信號(hào)的數(shù)據(jù)率，需要對(duì)音頻等信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮或碼率壓縮，去掉音頻信號(hào)中的不影響質(zhì)量的冗余成分，稱為信號(hào)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(hào)，目前最多可以對(duì)4路音頻信號(hào)進(jìn)行編碼處理。根據(jù)每一路音頻的實(shí)際情況選擇采用合適的技術(shù)（AAC、CELP、HVXC）進(jìn)行編碼，根據(jù)四路音頻信號(hào)重要性的不同，可以選擇不同的保護(hù)級(jí)，保護(hù)級(jí)越高的信息抗干擾的能力越高。網(wǎng)頁(yè)、文本信息以及各種圖片可以通過(guò)文件的方式輸入，然后進(jìn)行編碼。各種形式的輸入信號(hào)一起編碼完成后就形成了SDI （Service Distribution Interface）信號(hào)，SDI信號(hào)是所有的輸入信號(hào)按照已定的編碼方式編碼完成后的合成碼流。MDI信號(hào)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(hù)率等信息，用戶可以直接在系統(tǒng)里根據(jù)傳輸情況進(jìn)行調(diào)整，以達(dá)到最好的配置。

MCI是遠(yuǎn)程控制關(guān)鍵組件，主要是對(duì)調(diào)制器的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，包括發(fā)射機(jī)號(hào)、調(diào)制器功率、頻率、頻率漂移以及延時(shí)信息等。MCI最多能夠控制10個(gè)調(diào)制器。DCI信號(hào)與MDI信號(hào)一起形成符合DI協(xié)議的DRM信號(hào)，然后根據(jù)設(shè)置的連接類型、網(wǎng)絡(luò)地址和端口號(hào)傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)上為下一級(jí)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(chǔ)、交換、傳輸?shù)挠行詥?wèn)題。即通過(guò)對(duì)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?wèn)題。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(lè)/語(yǔ)言）和不同帶寬的需要。

（1）MPEG 4子集AAC（先進(jìn)音頻編碼），包括抗差錯(cuò)強(qiáng)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(lì)線性預(yù)測(cè)）語(yǔ)音編碼，用于單聲道語(yǔ)音廣播 ，對(duì)很低比特率是有效的，或者適合于在要求較高的抗差錯(cuò)強(qiáng)壯性的情況下應(yīng)用。

（3）MPEG 4子集HVXC（諧波矢量激勵(lì)編碼）語(yǔ)音編碼，用于很低比特率和抗差錯(cuò)強(qiáng)壯性單聲道語(yǔ)音廣播，特別適合于基于語(yǔ)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(qiáng)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(qiáng)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(jí)的音頻信號(hào)，遠(yuǎn)不到ISDN線路的1/3。當(dāng)節(jié)目是純粹的語(yǔ)言內(nèi)容時(shí)，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(cuò)誤保護(hù)（UEP），以便在有錯(cuò)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(shí)際的無(wú)線電信道中傳輸數(shù)字信號(hào)時(shí)，由于信道的不理想或噪聲和干擾的影響，使接收的信號(hào)產(chǎn)生差錯(cuò)。要使差錯(cuò)限制在一定的允許范圍內(nèi)，數(shù)字基帶信號(hào)在進(jìn)行調(diào)制前，必須進(jìn)行信道編碼，又稱差錯(cuò)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(jìn)冗余，即補(bǔ)充差錯(cuò)保護(hù)，使信源編碼的信號(hào)盡可能無(wú)干擾地通過(guò)傳輸信道送到接收機(jī)，也就是說(shuō)，通過(guò)信道編碼，當(dāng)出現(xiàn)傳輸差錯(cuò)時(shí)，在接收機(jī)中可以進(jìn)行識(shí)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(hù)程度越高，糾錯(cuò)能力越強(qiáng)。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?dú)w功于信道編碼。然而，由于信道編碼時(shí)加進(jìn)了差錯(cuò)保護(hù)，會(huì)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(jià)。

選擇信道編碼方法時(shí)，首先是在給定的剩余比特差錯(cuò)率（在應(yīng)用了信道編碼和相應(yīng)的解碼后剩余的差錯(cuò)）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(cuò)率曲線向小的C/N方向移動(dòng)。對(duì)于廣播傳輸來(lái)說(shuō)，卷積碼相對(duì)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(shí)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(chǔ)深度為6、相應(yīng)的約束長(zhǎng)度為7和26=64狀態(tài)的卷積碼來(lái)實(shí)現(xiàn)的?？紤]到實(shí)際應(yīng)用的有效性和模塊的通用與廉價(jià)性，DRM系統(tǒng)使用了與DAB完全相同的信道編碼器。

3.4 電臺(tái)發(fā)送

電臺(tái)發(fā)送是各臺(tái)在整個(gè)系統(tǒng)中主要的任務(wù)，他接收接傳機(jī)房送來(lái)的復(fù)合信息然后進(jìn)行廣播發(fā)射，也可以作為一個(gè)獨(dú)立的節(jié)目制作、發(fā)送系統(tǒng)。在信號(hào)送入發(fā)射機(jī)之前需對(duì)信號(hào)進(jìn)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(shí)信號(hào)調(diào)整、音頻信號(hào)副相分離、射頻信號(hào)相位調(diào)制等。

4.結(jié)論

將來(lái)的中短波廣播是數(shù)字廣播，DRM系統(tǒng)有廣泛的市場(chǎng)，對(duì)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(chǎng)的保證，必須充分認(rèn)識(shí)數(shù)字廣播對(duì)廣播機(jī)構(gòu)和聽(tīng)眾帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。同時(shí)，要制定出明確的發(fā)展與實(shí)施戰(zhàn)略。同樣很重要的是，要像開(kāi)發(fā)數(shù)字電視那樣，對(duì)數(shù)字廣播的啟動(dòng)也應(yīng)有相應(yīng)的組織保證和大的資金投入。