高鹏 盛国芳 吴智勇 邸娜
摘要 2013年8月国家广电总局颁布了调频频段数字音频广播标准，给出了我国调频频段广播数字化的方案，此方案以我数和信道编码方式的设计、选择，具有自主知识产权。本文介绍了此标准定义的调频频段数字音频广播系统及其系统性能。
关键词 调频频段数字音频广播，CDR HD Radio，DRM，载噪比门限
1 引言
数字音频广播技术是广播数字化的技术基础，通过引入先进的数字编码、调制、传输技术，能够有效地消除多径、多普勒频移以及突发噪声等其他干扰对接收音频质量的影响；能够提高频谱的利用率，在相同的射频带宽内，传输更多的节目内容，为更高级的数据和音频业务的产生提供了可能；能够用更低的发射功率达到与模拟广播同样的覆盖范围。
从上世纪八十年代其，在国家广播电影电视总局的统一部署和指导下，广播科学研究院在数字音频广播领域积极跟踪世界数字广播的发展，对DAB[1]、DRM[2]和HD Radio[3]等国际标准和技术方案开展了大量的跟踪研究以及实验室和外场测试工作，并在此基础上开展具有我国自主知识产权的调频频段数字音频广播系统的研究尝试。从2011年起，广播科学研究院作为牵头单位逐步完成调频频段数字音频广播关键技术的研究、样机的开发以及实验室、场地测试。2013年8月14日国家新闻出版广电总局正式将其发布为行业标准 [4]，本文主要介绍了此标准讨论的调频频段数字音频广播系统特点和系统性能。
2 调频频段数字音频广播系统介绍
调频频段数字音频广播系统采用正交频分复用技术，以100kHz带宽的子带作为基本单位，其系统结构如图1所示。由图可见，调频频段数字音频广播发射系统主要由三个子系统构成：音频和数据输入子系统、复用子系统及信道编码与调制子系统。
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图1 调频频段数字音频广播发射系统结构图
2.1 音频和数据输入子系统调频频段数字音频广播的主音频业务的音频编码方式采用DRA [5]低码率扩展版本（DRA+），其输出的码率范围为24kbps到128kbps。在输出码率为24kbps时，解码的音频质量略低于目前模拟调频立体声广播的质量，在输出码率为48kbps时，解码的音频质量高于目前模拟调频立体声广播的质量，在输出码率为128kbps时，可以提供环绕立体声服务。
除了优质的音频业务外，调频频段数字音频广播系统还可以支持各种各样的数据增值业务。节目运营商可以依据信道的传输能力，根据实际需要调整音频节目与业务数据在传输流中所占的比例。
2.2 复用子系统
在复用子系统中除了将编码后的音频业务、数据业务等主业务数据按照一定的复用协议封装成复用帧之外，还需要在复用子系统中完成系统信息和业务描述信息的配置、生成与封装。系统信息主要包含了系统的频谱模式、业务描述信息调制方式、主业务数据调制编码方式和分层调制指示等系统控制信息，在接收端也是首先解调出系统信息后，再对业务描述信息和主业务数据按照系统信息的参数进行解调解码。业务描述信息主要包含了系统的网络信息表、各路节目的业务标识等信息。音频编码器与复用子系统之间以及复用子系统与信道编码与调制子系统之间均采用IP接口进行复用数据的传输。
2.3信道编码与调制子系统
调频频段数字音频广播系统定义了三种传输模式用于大面积组网覆盖、高速移动接收以及高数据传输等不同的应用场景，运营商可根据实际的运营需要进行选择配置。表1给出了各传输模式的系统参数，在三种传输模式下子帧的长度均为160ms，一个逻辑帧由四个逻辑子帧构成，即一个逻辑帧的长度为640ms，一个逻辑帧承载一个复用帧的数据。在接收端，接收机利用三种传输模式不同符号长度的循环前缀，以及帧头的信标以判别3种不同传输模式。
表1 三种传输模式的传输参数（T=1/816000s）
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图2 频段数字音频广播纯数字频谱模式图
纯数字模式频谱示意图如图2所示，此时数字信号的带宽连续，分别为100kHz和200kHz。可以在模拟广播全部数字化以后或者频谱资源不紧张的地区采用。而在频率资源比较紧张的地区，可以采用数模同播的频谱模式进行平滑过渡，如图3所示。  |
图3所示。图3 调频频段数字音频广播数模同播方式频谱模式图
图3左侧为频谱模式9，数字音频广播信号的总带宽为100kHz，由两个带宽各为50kHz的数字信号组成，根据调频广播技术规范，调频立体声广播在75KHz频偏、100%调制度时，调频信号99%的功率集中在中心频率±128KHz以内[5]，故数字广播信号和模拟立体声调频信号总带宽为400KHz（±200KHz），而且相互互不影响，与HD Radio相比（数字信号单边带宽约为69kHz），数字信号带宽更窄，与带内调频的间隔更宽，产生相互影响可能性更小。在条件允许的情况下，可进一步增加数字广播信号的带宽到200KHz，即图3右侧的频谱模式10。在带内调频广播为单声道时，同播方式与此类似，只是为调频广播预留的频率范围变成了±100KHz，数字广播信号占据±（100-150）KHz的频率范围。在实际建网过程中，可根据台站和周边台站的情况以及覆盖效果，调整模拟信号功率和数字信号功率的比值，减少对邻频道模拟调频广播的影响。综上，调频频段数字音频广播提供了灵活的频谱模式，现有的广播运营商可以根据当地频率规划和台站具体情况选择适合自己的频谱模式，而无论是同播模式还是同播模式，数字音频广播接收机均可以50KHz为步进的方式搜索数字广播信号，即使用同一调谐规则覆盖两种播出方式。
物理层的编码和调制功能子系统为来自复用子系统的系统信息、业务描述信息和主业务数据提供三个独立通道：系统信息通道、业务描述信息通道和主业务数据通道。三个通道独立进行编码、交织和星座映射，其中主业务数据通道可采用1/4、1/3、1/2和3/4等四种码率、码长为9216比特的LDPC编码和QPSK、16QAM和64QAM三种星座映射方式，业务描述信息通道采用1/4卷积编码和QPSK、16QAM和64QAM三种星座映射方式，系统信息通道采用1/4卷积编码和QPSK星座映射方式，经过信道编码与映射后的三路数据与离散导频复接在一起进行OFDM调制，调制后的信号插入信标后构成逻辑帧，逻辑帧经过子帧分配后形成物理层信号帧，再经过基带至射频变换后发射。以传输模式1为例，一个逻辑帧包含四个逻辑子帧，每个逻辑子帧包含56个OFDM符号，每个OFDM符号包括242个有效子载波，系统信息放置在每一个OFDM符号的连续子载波上，在一个子帧中系统信息重复放置三次，业务描述信息放置在第1、2个OFDM符号中的数据子载波上，业务数据放置在第3~56个OFDM符号中的数据子载波上。
接收机则利用信标的2个重复训练符号通过自相关处理进行子帧同步，在子帧同步后，接收机首先进行系统信息的解调以获取频谱模式索引、当前子带标称频率、业务描述信息通道及业务数据通道的编码调制方式等信息，并通过物理层信号帧的位置和当前子帧位置信息进行超帧同步，可以通过系统信息在连续导频上重复放置三次的特性，进一步提高系统信息译码性能。在超帧同步后，根据频谱模板信息，分别提取出离散导频和数据子载波，利用离散导频进行信道估计后，对数据子载波进行均衡，再分别对业务描述信息和业务数据进行解调和解码。
3 调频频段数字音频广播的系统性能
调频频段数字音频广播的主业务数据通道采用与CMMB标准[6]相同码长的LDPC码，图4给出了标准所设计选用的四种码率的性能（图中以CDR表示调频频段数字音频广播）的仿真曲线，作为对比，给出了CMMB中1/2和3/4码率的性能曲线，可以看出调频频段数字音频广播系统所采用的LDPC码的性能优于CMMB系统中所采用的LDPC码。
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图4 调频频段数字音频广播系统LDPC码的性能
表2分别给出了通过计算机理论仿真得到高斯白噪声信道、误码率为1E-4条件下，调频频段数字音频广播系统与类似的DRM+系统的载噪比门限，其中：Eb/N0=-10*log10(fb/B),fb表示系统传输的码率，B表示信道带宽。
调频频段数字音频广播工作方式为传输模式1和频谱模式1，两者的信号带宽均为100kHz，在QPSK,1/3时调频频段数字音频广播的传输码率为48kbps，DRM的传输码率为49.7kbps，在16QAM,1/2时调频频段数字音频广播的传输码率为144kbps，DRM的传输码率为149.1kbps。可以看出调频频段数字音频广播系统的性能优于DRM系统的E模式。
表2 调频频段数字音频广播与DRM的性能比较
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表3 调频频段数字音频广播系统高斯信道下载噪比门限
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表4 100kHz带宽内系统的净荷数据率
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调频频段数字音频广播是在借鉴了相关国际标准的基础上，扬长避短，以我国频率规划的现状为基础，充分发挥新技术的后发优势，对系统参数和信道编码算法进行优化设计和选择，使得调频频段数字音频广播系统具有比同类国外系统更好的传输性能。同时系统提供了灵活的频谱模式，既充分考虑了模拟广播平稳过渡到全数字广播的过渡过程，也考虑了全数字化后的场景应用。
在国家新闻出版广电总局的统一部署和指导下，广播科学研究院等单位已经完成了调频频段数字音频广播系统的关键技术的标准化，完成了编码器、复用器、发射机以及接收机样机的研制，正在全国范围内逐步开展试验网和示范网建设，开展各种业务以及覆盖试验，以期加快推动系统的完善和产业化的进程。
参考文献
[1] NRSC-5-B In-band/on-channel Digital Radio Broadcasting Standard，2008.4
[2] ETSI ES 201 980 V3.1.1 Digital Radio Mondiale System Specification, 2009.6
[3] GY/T 268.1-2013 调频频段数字音频广播 第1部分：数字广播信道帧结构、信道编码和调制，2013
[4] SJ/T11368-2006 多声道数字音频编解码技术规范，2006
[5] GB/T 4311-2000 米波调频广播技术规范，2000
[6] GY/T 220.1-2006移动多媒体广播 第1部分：广播信道帧结构、信道编码和调制，2006
