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        基于短波通信的應(yīng)急廣播模式

        2021-07-15 08:24:08黃紅偉
        電視技術(shù) 2021年5期
        關(guān)鍵詞:頻分適配器短波

        黃紅偉

        (廣西廣播電視監(jiān)測中心,廣西 南寧 530000)

        1 應(yīng)急廣播無線傳輸現(xiàn)狀

        目前,在應(yīng)急廣播系統(tǒng)中,應(yīng)急消息的無線發(fā)布主要基于調(diào)頻廣播(FM/RDS)、移通通信(4G)、地面數(shù)字電視(DTMB)、衛(wèi)星通信以及中短波廣播。除衛(wèi)星通信和中短波廣播外,其他通信方式均需要一定數(shù)量、分布廣的中繼基站,因此建設(shè)和維護(hù)成本高,且中間環(huán)節(jié)多,可靠性難以保證。短波通信通過電離層反射進(jìn)行通信,相比于其他方式,短波通信具有收發(fā)設(shè)備簡便、建設(shè)運(yùn)營成本低廉以及使用方便等優(yōu)點(diǎn),其充分利用了電波在電離層的反射傳輸?shù)奶攸c(diǎn),具有傳輸距離遠(yuǎn)和不易被摧毀 的優(yōu)勢[1]。

        短波通信的信號傳輸質(zhì)量和數(shù)據(jù)傳輸速率隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、集成電路微處理器技術(shù)及數(shù)字信號處理(DSP)技術(shù)的發(fā)展不斷提高。新技術(shù)的應(yīng)用不斷推動(dòng)著短波通信技術(shù)的發(fā)展,使得在短波信道上進(jìn)行數(shù)字圖文傳輸、音頻信號傳輸、視頻信號傳輸、高速數(shù)據(jù)傳輸以及應(yīng)急廣播信息傳輸?shù)葮I(yè)務(wù)變得更加易于實(shí)現(xiàn)。

        短波通信具有頻帶窄的特點(diǎn),其通信頻帶僅為3~30 MHz,同時(shí),短波通過電離層反射進(jìn)行傳輸,存在通信信號穩(wěn)定性差、碼間串?dāng)_以及時(shí)色散時(shí)變性大等缺點(diǎn)。目前普遍使用的信源和信道編碼技術(shù)已不能適應(yīng)高質(zhì)量數(shù)字通信的要求[2]。高質(zhì)量的短波數(shù)字通信需要更新的技術(shù)來實(shí)現(xiàn),如在短波信號傳輸?shù)男旁淳幋a過程中對信號進(jìn)行壓縮處理,在信道編碼過程中采用短波正交頻分復(fù)用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)技術(shù)等新技術(shù)。

        2 基于短波正交頻分復(fù)用技術(shù)的原理

        基于短波正交頻分復(fù)用技術(shù)的主要原理是在頻域內(nèi)將所給短波頻段的信道分成多個(gè)子信道,同時(shí)保證任意兩個(gè)子信道均具有正交性,將高速率的待傳輸信號轉(zhuǎn)換成并行的低速率信號,并在每個(gè)子信道上使用相應(yīng)的子載波對其進(jìn)行調(diào)制,經(jīng)傅里葉逆變換(Inverse Fast Fourier Transform,IFFT)將各子信道合并,進(jìn)一步處理后經(jīng)天線發(fā)射。接收端處理的方法相反。OFDM傳輸原理如圖1所示。在頻域內(nèi)將所給信道分成多個(gè)子信道,每個(gè)子信道所占帶寬相對較小,為窄帶傳輸,這樣即可保證每個(gè)子信道頻率響應(yīng)相對平坦,信號帶寬小于信道的相關(guān)帶寬,從而消除符號間干擾[3]。

        圖1 OFDM傳輸原理

        設(shè)OFDM系統(tǒng)有N個(gè)子信道,各子信道的子載波為:

        式中:Bk為第k路子載波的振幅;fk為第k路子載波的頻率;φk為第k路子載波的初始相位,則N路子信號之和為:

        式(2)還可以寫成復(fù)數(shù)形式:

        式(3)中,Bk是一個(gè)復(fù)數(shù),為第k路子信道的復(fù)輸入數(shù)據(jù)。

        正交頻分復(fù)用(OFDM)相對于單載波和非正交頻分復(fù)用方式具有如下優(yōu)勢。

        (1)抗頻率選擇性衰落能力強(qiáng)。電波在傳輸?shù)倪^程中,接收端會收到經(jīng)過折射、反射及散射等途徑到達(dá)的信號。不同路徑的信號會有不同的時(shí)延,從而相互疊加,產(chǎn)生干擾,造成頻率選擇性衰落。OFDM系統(tǒng)經(jīng)FFT變換,在頻域上將信道劃分成多個(gè)子信道,由于每個(gè)子信道占用的頻帶較窄,在該子信道內(nèi)頻率響應(yīng)的衰落是平坦的,與頻率無關(guān),因此OFDM系統(tǒng)具有較強(qiáng)的抗頻率選擇性衰落能力。

        (2)具有較高的頻譜利用率。由于OFDM系統(tǒng)各個(gè)子載波之間是正交調(diào)制,OFDM的子載波正交復(fù)用技術(shù)大大提高了頻帶利用率。

        (3)實(shí)現(xiàn)簡單。隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)與數(shù)字信號處理(DSP)技術(shù)的發(fā)展,在電路上實(shí)現(xiàn)OFDM變得越來越便捷。

        (4)滿足高速率數(shù)據(jù)傳輸要求。在利用現(xiàn)有頻率帶寬及不改變發(fā)射功率的前提下,應(yīng)用MIMO多天線技術(shù)實(shí)現(xiàn)多發(fā)多收,即可大幅度提高信道容量,滿足高速率數(shù)據(jù)傳輸要求。

        3 短波應(yīng)急廣播適配器

        在應(yīng)急廣播系統(tǒng)中,應(yīng)急廣播適配器是核心設(shè)備。它接收來自上級的指令并解釋,經(jīng)處理后放大輸出到大喇叭。因此它具備自動(dòng)接收、適配及播發(fā)上級平臺應(yīng)急廣播消息的功能;支持短波/FM/DTMB/DVB-C/IP/4G多模接收,支持文轉(zhuǎn)語功能,整機(jī)模塊化設(shè)計(jì)[4]。應(yīng)急廣播適配器接口如圖2所示。

        圖2 應(yīng)急廣播適配器接口

        應(yīng)急廣播系統(tǒng)中,適配器作為具有適配轉(zhuǎn)發(fā)上下鏈路功能的中間連接設(shè)備,實(shí)現(xiàn)應(yīng)急信息指令和應(yīng)急音頻不同方式的解析、封裝及按需輸出。應(yīng)急廣播適配器的功能如圖3所示。

        圖3 應(yīng)急廣播適配器功能

        3.1 安全認(rèn)證防范功能

        應(yīng)急廣播適配器具備完善的抗干擾、防插播及防盜播等安全播出技術(shù)措施,確保系統(tǒng)安全播出,采取數(shù)字簽名驗(yàn)證等技術(shù)手段防止干擾、非法插播及盜播等的發(fā)生。

        3.2 TS信道解析功能

        應(yīng)急廣播適配器解析TS流,對流內(nèi)的應(yīng)急指令及應(yīng)急節(jié)目進(jìn)行篩選分析,進(jìn)行下一步的解碼及邏輯運(yùn)算。

        3.3 尋址控制功能

        應(yīng)急廣播適配器是一個(gè)TS流終端設(shè)備,每個(gè)適配器有一個(gè)統(tǒng)一編碼的地址碼。適配器根據(jù)應(yīng)急控制指令的地址碼信息來判定是否響應(yīng)的相應(yīng)操作,如切換信源和開關(guān)等。應(yīng)急廣播管理平臺可以根據(jù)應(yīng)急預(yù)警信息的發(fā)布目標(biāo)區(qū)域和事件類型等發(fā)布要求,對適配器進(jìn)行尋址操作,實(shí)現(xiàn)應(yīng)急預(yù)警信息的分區(qū)、分片精確響應(yīng),實(shí)現(xiàn)區(qū)域廣播覆蓋或組合廣播覆蓋。

        3.4 按需切換控制功能

        應(yīng)急廣播適配器能夠根據(jù)業(yè)務(wù)實(shí)際需要,在原有廣播音源和應(yīng)急廣播節(jié)目之間進(jìn)行人工或自動(dòng)控制切換,也設(shè)置了斷電音源直通通道,既保證了既有系統(tǒng)的功能完整性和獨(dú)立性,也能夠滿足新系統(tǒng)的業(yè)務(wù)需求。

        3.5 狀態(tài)采集和回傳功能

        應(yīng)急廣播適配器能夠采集到適配器現(xiàn)有的狀態(tài)數(shù)據(jù),以及適配器自身的各種狀態(tài)和參數(shù)信息,通過臺站監(jiān)控網(wǎng),按需向應(yīng)急廣播系統(tǒng)管理平臺加以回傳反饋,從而使得系統(tǒng)管理平臺能夠隨時(shí)獲知切換器的狀態(tài)和適配器的工作狀態(tài),進(jìn)而進(jìn)行相應(yīng)的控制操作和設(shè)備檢修維護(hù)安排。

        3.6 遠(yuǎn)程維護(hù)功能

        應(yīng)急廣播適配器由于斷電或其他原因?qū)е鹿ぷ鳟惓#⑽丛斐捎布p壞時(shí),可以通過遠(yuǎn)程維護(hù)功能進(jìn)行重啟復(fù)位,修復(fù)部分軟件錯(cuò)誤。在需要進(jìn)行升級時(shí),設(shè)備可以通過遠(yuǎn)程維護(hù)功能進(jìn)行在線升級。

        3.7 短波接收模塊

        短波接收模塊的功能是接收短波信號,并解調(diào)、解釋指令,將上級來的指令和信息轉(zhuǎn)換成TS流給應(yīng)急廣播適配器。短波接收模塊的通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)符合《應(yīng)急廣播TS流傳輸技術(shù)規(guī)范》要求。短波接收模塊在收到短波信號并解碼后,將接收到的短報(bào)文轉(zhuǎn)成語音信號,并產(chǎn)生相應(yīng)的音頻流,以TS流方式送給適配器。

        在短波模塊和適配器主電路的通信設(shè)計(jì)中,為應(yīng)急廣播傳輸流每套節(jié)目的信號都設(shè)置一個(gè)識別符PID(PackedIdentifier),使用特定的PID傳輸應(yīng)急廣播消息和指令,包含應(yīng)急廣播消息的內(nèi)容和相關(guān)參數(shù),該P(yáng)ID對應(yīng)的節(jié)目內(nèi)容和信息直接進(jìn)行透傳。當(dāng)應(yīng)急廣播適配器監(jiān)聽到該短波特定PID的內(nèi)容時(shí),依據(jù)應(yīng)急廣播消息封裝協(xié)議進(jìn)行解析,通過擴(kuò)音喇叭播出相應(yīng)的應(yīng)急廣播消息內(nèi)容。

        4 結(jié) 語

        基于短波通信的應(yīng)急廣播,具有通信距離遠(yuǎn)和實(shí)現(xiàn)成本低等特點(diǎn)。短波正交頻分復(fù)用技術(shù)在應(yīng)急廣播上的應(yīng)用,使得應(yīng)急廣播無線通信具有較高的頻譜利用率,可滿足高速率數(shù)據(jù)傳輸要求。在應(yīng)急廣播適配器中設(shè)置短波接收模塊,增加了應(yīng)急廣播對于無線通信方式的接收能力,對山區(qū)和海面等移動(dòng)信號無法進(jìn)行通信的區(qū)域的應(yīng)急廣播覆蓋具有重要意義。

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