劉天康，韓仿仿

（國(guó)家無(wú)線電監(jiān)測(cè)中心烏魯木齊監(jiān)測(cè)站，烏魯木齊 830000）

0 引言

各國(guó)廣播機(jī)構(gòu)對(duì)聲音廣播廣域覆蓋的要求，導(dǎo)致HF頻譜嚴(yán)重不足。目前，HF短波聲音廣播頻段的擁擠產(chǎn)生了很大的干擾并限制了短波信道的數(shù)目。同時(shí)，全球?qū)Ω哔|(zhì)量聲音節(jié)目的需求在不斷增長(zhǎng)。因此，國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU）對(duì)世界數(shù)字廣播系統(tǒng)（the Digital Radio Mondiale System，DRM System）進(jìn)行了業(yè)務(wù)描述和技術(shù)定義，以在世界范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)30 MHz以下地面廣播的業(yè)務(wù)和技術(shù)統(tǒng)一[1]-[4]。目前已有11個(gè)國(guó)家或廣播機(jī)構(gòu)、58條廣播頻率登記在DRM官網(wǎng)了，范圍覆蓋了歐洲、美洲、大洋洲和亞洲。其中，中國(guó)登記了5個(gè)發(fā)射地的14條廣播。國(guó)內(nèi)對(duì)DRM也進(jìn)行了長(zhǎng)期大量的研究[5]-[7]，本文僅介紹HF短波數(shù)字廣播DRM的調(diào)制技術(shù)及監(jiān)測(cè)。

1 DRM調(diào)制方式

短波廣播以天波或地波傳播，在短波無(wú)線信道上，多徑時(shí)延較大，傳輸碼元時(shí)，碼間串?dāng)_嚴(yán)重。為了抑制多徑衰落，減少碼間串?dāng)_，采用多個(gè)載波將信道分為多個(gè)子信道是有效技術(shù)之一。正交頻分復(fù)用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）是一種多載波并行調(diào)制的體制，利用各子載波之間的正交性，將串行碼元轉(zhuǎn)換為低符號(hào)速率傳輸?shù)牟⑿写a元，以消除多徑時(shí)延造成的碼間串?dāng)_問(wèn)題。在OFDM各子載波的調(diào)制上，采用正交振幅調(diào)制（Quatrature Amplitude Modulation，QAM）。QAM是一種振幅和相位聯(lián)合鍵控的多進(jìn)制鍵控體制，信號(hào)的振幅和相位作為兩個(gè)獨(dú)立的參量受到調(diào)制。DRM子載波的調(diào)制方式為64QAM或16QAM。

1.1 OFDM

實(shí)際上，DRM使用的編碼/調(diào)制方式是編碼正交頻分復(fù)用（COFDM）的一種變體，綜合了OFDM基于卷碼集的多級(jí)碼（Multilevel Coding，MLC）。OFDM是一種物理層上的復(fù)用標(biāo)準(zhǔn)，其在DRM上傳輸?shù)男盘?hào)為一連串的符號(hào)，每個(gè)符號(hào)串包括一個(gè)保護(hù)間隔，這個(gè)保護(hù)間隔是一種預(yù)防時(shí)延擴(kuò)展的強(qiáng)健性周期性前綴。

OFDM與其他數(shù)字調(diào)制相比的主要優(yōu)勢(shì)在于：一是頻率利用率高和傳輸速率大；二是各路已調(diào)信號(hào)嚴(yán)格正交，在接收端可以完全分離子信號(hào)；三是抗頻率選擇性衰落；四是將頻率選擇性信道分成平行的平坦信道，簡(jiǎn)化了信道估計(jì)方法，信道估計(jì)精度較高。

OFDM的缺點(diǎn)有：一是OFDM矩形脈沖的帶外頻譜泄露大，帶外干擾大；二是對(duì)時(shí)間和頻率的同步要求高，同步開銷大；三是需要連續(xù)載波；四是帶外滾降間較慢保護(hù)帶較寬。

OFDM的碼元周期是調(diào)制前碼元周期T的N倍，即Ts=N*T，遠(yuǎn)大于信道的延遲擴(kuò)展，這一特性增強(qiáng)了信號(hào)的抗頻率選擇性衰落的能力。

圖1 多載波調(diào)制原理

圖2 多路子載波頻譜的模

設(shè)M進(jìn)制的OFDM系統(tǒng)中有N個(gè)子信道，每個(gè)子信道采用的子載波為

式中，Bk為第k路子載波振幅；fk為第k路子載波頻率；φk為第k路子載波初始相位。

因此，N路子載波之和為

碼元持續(xù)時(shí)間Ts內(nèi)任意兩個(gè)子載波都正交的條件為

通過(guò)數(shù)學(xué)計(jì)算，可得子載波頻率應(yīng)滿足

最小子載波頻率間隔應(yīng)滿足

頻帶利用率為

從圖2子載波合成后的頻譜密度曲線中可以觀察到，各子載波頻譜重疊，實(shí)際上，各子載波在一個(gè)碼元周期內(nèi)是正交的。采用這樣密集的子載波頻率，且在子信道間不設(shè)置頻帶保護(hù)，是為了能夠充分利用頻率。故OFDM的頻帶利用率較高，是串行單載波體制的2倍。在全數(shù)字DRM中，緊次于主載波位置的子載波為“核心”載波并可以傳送20kb/s的數(shù)字信息。距離主載波最遠(yuǎn)的任意一邊的外圍載波構(gòu)成了“增強(qiáng)”系統(tǒng)。當(dāng)處于增強(qiáng)模式時(shí)，可傳送36kb/s的數(shù)字信息。

1.2 QAM

QAM擁有足以傳輸“FM類”立體聲音頻質(zhì)量并在可用帶寬內(nèi)提供足夠覆蓋區(qū)域的帶寬效率，特別適用于頻譜資源有限的無(wú)線電業(yè)務(wù)。

QAM信號(hào)的一個(gè)碼元可表示為

Xk和Yk可以取多個(gè)離散值變量，因此，QAM信號(hào)可以看作是兩個(gè)正交的振幅鍵控信號(hào)之和。

QAM信號(hào)的矢量圖看起來(lái)像星座，如圖3所示，因此QAM調(diào)制稱為星座調(diào)制，其星座圖并不是正方形最好，而是越接近圓形越好。若平均功率相等，16QAM比16PSK信號(hào)的噪聲容限大4.12dB，使得誤碼率下降，DRM系統(tǒng)中碼元的誤碼率要求為1*10-4。測(cè)試顯示，帶有增強(qiáng)誤差保護(hù)和糾錯(cuò)的更多強(qiáng)健性16QAM信號(hào)性能好于更低信噪比和更困難傳播條件下的64QAM信號(hào)。

圖3 16QAM星座圖

2 短波DRM的頻譜特征及監(jiān)測(cè)

在無(wú)線電監(jiān)測(cè)的工作中，監(jiān)測(cè)人員較為關(guān)注信號(hào)的頻譜特征，常常以頻譜特征來(lái)初步判斷信號(hào)的調(diào)制方式。DRM短波數(shù)字廣播信號(hào)頻譜與AM短波模擬廣播信號(hào)頻譜相比，DRM頻譜是一個(gè)電平較為平坦的類矩形頻譜，能量幾乎在9或10kHz指配信道中平均分布（短波發(fā)射帶寬基本為10kHz，ITU規(guī)定帶寬一般為9/10/18/20kHz）；在指配的9kHz或10kHz信道中，頻譜曲線肩部陡峭并在功率譜密度電平以下快速下降至40dB左右，且功率譜密度電平在指配信道中心頻率振幅±4.5或5kHz以外繼續(xù)下降至更低的水平。目前，已監(jiān)測(cè)到中國(guó)、印度、羅馬尼亞等國(guó)家的DRM短波數(shù)字廣播，監(jiān)測(cè)帶寬均為10kHz。且存在雙頻道DRM聲音廣播，即在10kHz的帶寬內(nèi)提供兩種語(yǔ)音廣播服務(wù)。對(duì)DRM短波數(shù)字廣播的解調(diào)，須使用具有DRM解調(diào)能力的接收機(jī)，目前市場(chǎng)上有些短波接收機(jī)已獲得DRM聯(lián)盟授權(quán)，通過(guò)安裝密鑰對(duì)DRM廣播進(jìn)行解調(diào)。在實(shí)際監(jiān)測(cè)中，DRM短波廣播的聲音質(zhì)量和抗噪聲性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于AM短波廣播。DRM信號(hào)的理論和監(jiān)測(cè)頻譜如圖4和圖5所示。

圖4 DRM的理論頻譜模型

圖5 DRM信號(hào)頻譜監(jiān)測(cè)及其解調(diào)

3 結(jié)束語(yǔ)

模擬廣播向數(shù)字廣播過(guò)渡是短波廣播的發(fā)展趨勢(shì)，DRM短波數(shù)字廣播系統(tǒng)采用的調(diào)制方式及其差錯(cuò)保護(hù)和糾錯(cuò)編碼可以在短波信道上抑制頻率選擇性衰落和多路時(shí)延，改善天波傳播導(dǎo)致的多普勒漂移現(xiàn)象。我國(guó)是短波廣播大國(guó)，短波廣播覆蓋范圍廣，臺(tái)站眾多，聽眾龐大而廣，數(shù)字廣播的發(fā)展將有力地提升我國(guó)廣播大國(guó)的地位。數(shù)字廣播業(yè)務(wù)在聲音、數(shù)據(jù)等多媒體傳輸領(lǐng)域前景廣闊，科學(xué)有效地分配廣播資源，對(duì)發(fā)展我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的數(shù)字廣播文化傳播事業(yè)具有重要意義。