調頻頻段數字音頻廣播(CDR)在廣東省的探索和實踐

發表時間:2014-12-11

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朱康寧  周穎龍  吳國光
(廣東省廣播電視技術中心)

[摘要] 調頻頻段數字音頻廣播(CDR)是我國具有自主知識產權的數字音頻廣播標準,2012年,廣東省率先在深圳、廣州兩地開展了示范網的申報、建設和測試工作,為CDR標準的產業化積累了寶貴的經驗。本文介紹了廣東示范網建設和測試的各項工作情況,并對我國數字音頻廣播事業的發展提出了自己的建議。
[關鍵字] 調頻頻段數字音頻廣播  CDR 發射機改造 外場測試

    調頻頻段數字音頻廣播(CDR)是按照國家廣電總局戰略發展規劃自主創新的中國數字聲音廣播行業標準[1,2]。為推動我國數字音頻廣播標準的發展和相關產業的形成,在廣東省政府和廣東省廣電局的大力支持下,廣東省廣播電視技術中心爭取到我國數字音頻廣播首個示范網的建設任務,并于2012年底和2013年初完成了廣州、深圳兩個前期發射試驗點的建設。
一、廣東率先開展CDR試驗的優勢
    CDR系統首次產業應用試驗就放在廣東,是廣東省建設文化強省的重要舉措,是對廣東公共文化服務體系的延續和完善。廣東在廣播電視數字化技術改造升級方面有豐富的經驗和產業化基礎優勢:一是數字化改造試驗一直走在全國前列,包括DAB廣播試驗、DRM廣播試驗、歐標數字電視試驗、國標數字電視整轉等,積累了大量的經驗和人才隊伍。二是廣東省的經濟規模較大,2012年廣東省汽車保有量已超過1千萬輛,廣州還是我國汽車生產的主要產地。廣東省也是我國傳統模擬收音機產品最主要的生產基地,擁有一批著名收音機品牌。因此,通過本項目的實施,可以有效幫助和推動我省培育形成汽車音響接收、手持移動接收和家庭固定接收三種高端數字廣播電子產品產業群,繼續保持我省傳統優勢企業在數字廣播接收產品中的市場領先地位。三是廣州及周邊地區地形地貌種類多樣,具有高山、平原、丘陵、江河水網和出海口等地貌形態,代表性廣泛。同時,城市中高樓林立,公路、地鐵縱橫交錯,更能綜合、全面反映試驗的覆蓋效果。如果試驗成功,則意味著CDR技術具有較強的環境適應能力。
二、廣州CDR發射試驗點建設情況
    廣州CDR發射試驗的目標是利用模擬98MHz的模擬廣播頻道(400K帶寬),用一臺發射機以模數同播的方式播出一套模擬調頻廣播節目和兩套數字廣播節目,為CDR的全省覆蓋推廣積累經驗并逐步實現聲音廣播的數字化改造。試驗還將驗證在實際播出發射系統中,頻道內的模數信號之間相互干擾以及對臨頻廣播信號的相互干擾情況。
   (一) 機房改造等配套工程建設及發射前端系統搭建
    廣州CDR試驗用的節目源為中國國際電臺和廣東電臺的調頻廣播信號。中國國際電臺提供一路數字音頻信號,廣東電臺提供相同內容的一套模擬音頻信號和一套數字音頻信號。這兩路數字音頻信號和一路模擬音頻信號通過同一對光端機送到發射機房。光端機通過內置波分復用的功能將輸入輸出接口分為模擬、數字兩組接口。數字音頻節目由音頻編碼器編碼壓縮DRA+標準[3]的IP數據流,本次試驗中國際電臺節目編碼率為48Kbps,廣東電臺節目編碼率為32Kbps。兩臺編碼器輸出的音頻數據流通過RJ45網口與CDR復用器、發射機作星型連接,由CDR復用器完成相關DRA 數據復用工作,輸出給發射機的激勵器,由CDR發射機完成信號最終的調制和發射。
示范網前端系統設備及信號流程框圖如圖一所示:
 
圖一 示范網系統前端設備及信號傳輸框圖
    CDR數字發射機將收到的模擬音頻信號在發射機的激勵器中進行模數轉換,并與將CDR復用器輸出的數字信號共同進行自適應預校正,再通過數模轉換后推動功放模塊進行放大。廣州發射點數字信號采用的是傳輸模式1,頻譜模式9,模擬調頻廣播信號占用頻道中心頻率附近±130KHz之內,CDR數字信號占用±150-200KHz。信號頻譜示意圖如下所示:
 
圖二 CDR數模同播模式(頻譜模式9)頻譜示意圖
廣州越秀山發射點主要技術參數如下表所示:
表一 廣州越秀山發射點主要技術參數
 
    (二)發射機輸入電平的調整電路
    由于發射機是從原來的純模擬發射機改造而來,現以模數同播的方式進行播出,發現模擬調頻立體聲信號輸入電平過大引起信號失真和對數字信號產生干擾的現象。因此,在實際試驗中我們通過增加下圖所示的雙T型衰減電路來解決。
 

圖三 雙T型衰減電路圖
    其相應的計算公式為:
 
   計算衰減器損耗之K值因素表:

表二 雙T型衰減電路K值因素表
 
    我們利用雙T型電路設計了10dB立體聲衰減器,由于輸入輸出阻抗相同,即Z1=Z2=600Ω,將上表k值對應的是3.1623代入上圖R 值計算公式可得出R1 =312Ω,R2 =312Ω,R3 =422Ω。
   (三) 發射機非線性校正
    由于發射機功放模塊的物理特性,模數同播發射時的功放線性工作點與純模擬發射時有很大不同,因此在試驗過程中,需仔細校正整套系統的非線性特性,使發射機處在一個良好的發射狀態,得到最佳信噪比。頻譜儀顯示,通過校正,帶肩比多可獲得10dB的增益。
 
圖四 發射機非線性預校正效果比較(頻譜模式1)
    三、廣州發射點外場測試
    廣州發射點建設完成后,廣東省廣播電視技術中心和廣播科學研究院組成測試小組,共同制定了測試方案,對廣州市覆蓋情況進行了初步的外場測試,測試分為進行了車載移動和固定接收兩部分。車載移動接收使用的是普通的調頻段鞭狀接收天線,天線增益約為具有2.15dB。室外固定接收采用的4米高的單偶極子測試接收天線。
    本次CDR數字音頻的接收由工程接收樣機及計算機共同完成。CDR數字工程樣機的主要功能是將接收天線收到的復合數字調頻廣播信號解調及解復用出單路DRA+格式的音頻數據流,由計算機端專用的DRA+音頻解碼軟件來解碼,通過計算機聲卡可播放解調出來的廣播聲音。計算機與工程接收樣機以網線連接,網線同時作為數據傳輸線和控制線,使計算機能控制工程接收樣機的工作參數和狀態,如設置中心頻率、帶寬、傳輸模式、頻譜模式等主要參數,計算機的接收界面能顯示出射頻電平、載噪比、誤碼率、LDPC誤碼率等參數指標,并可切換兩路數字音頻節目。
圖五是信號接收受到較強干擾時的頻譜圖值和無干擾時的頻譜圖對比:
 
圖五 室外測試時CDR信號受干擾的頻譜圖
    上面頻譜圖顯示出中心模擬信號左邊帶的數字信號被干擾信號疊加,混入較強的干擾信號,大幅度地降低了數字信號的載噪比,嚴重影響了數字信號的接收。中心模擬信號與右邊帶數字信號中間有一個小的凸起,表示該頻率上也有一個穩定的干擾信號。
    移動收測路線選取廣州市繞城高速、內環路高架路段、環市路、廣園路等主要路段收測,效果圖如圖六所示,其中綠色和黃色部分表示CDR信號接收正常,紅色區域為CDR接收失敗:
 
圖六 廣州示范網移動接收測試覆蓋效果圖
    從上圖可以看到,廣州市的內環路、環市路、廣園路大部分覆蓋效果較好,環城高速有不少位置由于樓群密集,遮擋較嚴重,汽車在正常行駛過程中已不能解出數字信號。
    同時,測試小組在事先選取的定點測試點使用4米測試接收天線進行了固定接收測試,定點測試的部分代表性位置模擬、數字收聽比較匯總表如下:
表三 廣州示范網定點測試結果
 
    可以看出:在使用的是單面發射天線的情況下,CDR信號在天線正面方向,地面固定接收時的有效覆蓋距離超過26.7公里,天線背面固定接收的有效覆蓋距離大約為9公里。在模數功率比為10dB的情況下,數字調頻廣播的覆蓋效果,大部分地區優于模擬調頻廣播。
    四、項目小結和建議
    通過示范網建設和外場測試結果,未發現CDR數字信號對頻道內和頻道外的模擬調頻信號有明顯干擾,即在同頻道實現廣播節目模數同播的方法是可行的。如果進一步加大發射數字功率,加高天線安裝位置和采用全向天線(本次試驗采用單面天線主要就是為了避免對越秀山電視塔西面佛山市的廣播造成臨頻干擾,但也形成了覆蓋區域明顯是東寬西窄的局面),廣播覆蓋效果將會得到較大優化。
    建議1:為了能讓CDR得到更廣泛的推廣和發展,應廣泛聯合廣播節目內容提供商、應急廣播管理部門、廣告投放商、汽車生產商、芯片制造商、設備提供商共同參與,出謀劃策,共商商業發展模式,建立相關產業聯盟。同時進一步擴大CDR廣播系統的試驗規模,對CDR廣播系統進行深入全面測試,建立CDR廣播工程建設指南和評價標準, 開展多點發射協同覆蓋試驗,多頻網和單頻網組網試驗,開發小功率補點和直放站技術和產品等。
    建議2:原有調頻廣播標準頻率間隔是200KHz,而CDR的頻道帶寬為400KHz,頻率管理部門對頻譜規劃需更加合理和具有前瞻性,盡可能減少各廣播電臺間的相互干擾,為數字音頻廣播的推廣創造良好的電磁場環境。
    建議3:通過各地試驗網、示范網的建設帶動CDR發射機、編碼器、復用器等主要設備的生產和銷售,逐步降低銷售價格。推動CDR接收專用芯片的開發,以及基于硬件芯片的小型、廉價、可靠的CDR數字收音機(手持和車載)研發、生產和普及。
    五、結束語
    廣州、深圳兩個前期發射試驗點的建設是我國具有自主知識產權的數字音頻廣播體系在我國的首次應用,將為CDR標準進一步推廣和產業化積累了寶貴的經驗,隨著廣東CDR數字音頻廣播示范網的后續建設,測試和試驗的深入,CDR數字音頻廣播將迎來廣闊的發展空間。

    [參考文獻]
    1.  GY/T 268.1—2013調頻頻段數字音頻廣播  第1部分:數字廣播信道幀結構、信道編碼和調制
    2.  GY/T 268.2—2013調頻頻段數字音頻廣播  第2部分:復用
    3.  GB/T 22726-2008 多聲道數字音頻編解碼技術規范
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