调频频段数字音频广播(CDR)在广东省的探索和实践

发表时间:2014-12-11

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朱康宁  周颖龙  吴国光
(广东省广播电视技术中心)

[摘要] 调频频段数字音频广播(CDR)是我国具有自主知识产权的数字音频广播标准,2012年,广东省率先在深圳、广州两地开展了示范网的申报、建设和测试工作,为CDR标准的产业化积累了宝贵的经验。本文介绍了广东示范网建设和测试的各项工作情况,并对我国数字音频广播事业的发展提出了自己的建议。
[关键字] 调频频段数字音频广播  CDR 发射机改造 外场测试

    调频频段数字音频广播(CDR)是按照国家广电总局战略发展规划自主创新的中国数字声音广播行业标准[1,2]。为推动我国数字音频广播标准的发展和相关产业的形成,在广东省政府和广东省广电局的大力支持下,广东省广播电视技术中心争取到我国数字音频广播首个示范网的建设任务,并于2012年底和2013年初完成了广州、深圳两个前期发射试验点的建设。
一、广东率先开展CDR试验的优势
    CDR系统首次产业应用试验就放在广东,是广东省建设文化强省的重要举措,是对广东公共文化服务体系的延续和完善。广东在广播电视数字化技术改造升级方面有丰富的经验和产业化基础优势:一是数字化改造试验一直走在全国前列,包括DAB广播试验、DRM广播试验、欧标数字电视试验、国标数字电视整转等,积累了大量的经验和人才队伍。二是广东省的经济规模较大,2012年广东省汽车保有量已超过1千万辆,广州还是我国汽车生产的主要产地。广东省也是我国传统模拟收音机产品最主要的生产基地,拥有一批著名收音机品牌。因此,通过本项目的实施,可以有效帮助和推动我省培育形成汽车音响接收、手持移动接收和家庭固定接收三种高端数字广播电子产品产业群,继续保持我省传统优势企业在数字广播接收产品中的市场领先地位。三是广州及周边地区地形地貌种类多样,具有高山、平原、丘陵、江河水网和出海口等地貌形态,代表性广泛。同时,城市中高楼林立,公路、地铁纵横交错,更能综合、全面反映试验的覆盖效果。如果试验成功,则意味着CDR技术具有较强的环境适应能力。
二、广州CDR发射试验点建设情况
    广州CDR发射试验的目标是利用模拟98MHz的模拟广播频道(400K带宽),用一台发射机以模数同播的方式播出一套模拟调频广播节目和两套数字广播节目,为CDR的全省覆盖推广积累经验并逐步实现声音广播的数字化改造。试验还将验证在实际播出发射系统中,频道内的模数信号之间相互干扰以及对临频广播信号的相互干扰情况。
   (一) 机房改造等配套工程建设及发射前端系统搭建
    广州CDR试验用的节目源为中国国际电台和广东电台的调频广播信号。中国国际电台提供一路数字音频信号,广东电台提供相同内容的一套模拟音频信号和一套数字音频信号。这两路数字音频信号和一路模拟音频信号通过同一对光端机送到发射机房。光端机通过内置波分复用的功能将输入输出接口分为模拟、数字两组接口。数字音频节目由音频编码器编码压缩DRA+标准[3]的IP数据流,本次试验中国际电台节目编码率为48Kbps,广东电台节目编码率为32Kbps。两台编码器输出的音频数据流通过RJ45网口与CDR复用器、发射机作星型连接,由CDR复用器完成相关DRA 数据复用工作,输出给发射机的激励器,由CDR发射机完成信号最终的调制和发射。
示范网前端系统设备及信号流程框图如图一所示:
 
图一 示范网系统前端设备及信号传输框图
    CDR数字发射机将收到的模拟音频信号在发射机的激励器中进行模数转换,并与将CDR复用器输出的数字信号共同进行自适应预校正,再通过数模转换后推动功放模块进行放大。广州发射点数字信号采用的是传输模式1,频谱模式9,模拟调频广播信号占用频道中心频率附近±130KHz之内,CDR数字信号占用±150-200KHz。信号频谱示意图如下所示:
 
图二 CDR数模同播模式(频谱模式9)频谱示意图
广州越秀山发射点主要技术参数如下表所示:
表一 广州越秀山发射点主要技术参数
 
    (二)发射机输入电平的调整电路
    由于发射机是从原来的纯模拟发射机改造而来,现以模数同播的方式进行播出,发现模拟调频立体声信号输入电平过大引起信号失真和对数字信号产生干扰的现象。因此,在实际试验中我们通过增加下图所示的双T型衰减电路来解决。
 

图三 双T型衰减电路图
    其相应的计算公式为:
 
   计算衰减器损耗之K值因素表:

表二 双T型衰减电路K值因素表
 
    我们利用双T型电路设计了10dB立体声衰减器,由于输入输出阻抗相同,即Z1=Z2=600Ω,将上表k值对应的是3.1623代入上图R 值计算公式可得出R1 =312Ω,R2 =312Ω,R3 =422Ω。
   (三) 发射机非线性校正
    由于发射机功放模块的物理特性,模数同播发射时的功放线性工作点与纯模拟发射时有很大不同,因此在试验过程中,需仔细校正整套系统的非线性特性,使发射机处在一个良好的发射状态,得到最佳信噪比。频谱仪显示,通过校正,带肩比多可获得10dB的增益。
 
图四 发射机非线性预校正效果比较(频谱模式1)
    三、广州发射点外场测试
    广州发射点建设完成后,广东省广播电视技术中心和广播科学研究院组成测试小组,共同制定了测试方案,对广州市覆盖情况进行了初步的外场测试,测试分为进行了车载移动和固定接收两部分。车载移动接收使用的是普通的调频段鞭状接收天线,天线增益约为具有2.15dB。室外固定接收采用的4米高的单偶极子测试接收天线。
    本次CDR数字音频的接收由工程接收样机及计算机共同完成。CDR数字工程样机的主要功能是将接收天线收到的复合数字调频广播信号解调及解复用出单路DRA+格式的音频数据流,由计算机端专用的DRA+音频解码软件来解码,通过计算机声卡可播放解调出来的广播声音。计算机与工程接收样机以网线连接,网线同时作为数据传输线和控制线,使计算机能控制工程接收样机的工作参数和状态,如设置中心频率、带宽、传输模式、频谱模式等主要参数,计算机的接收界面能显示出射频电平、载噪比、误码率、LDPC误码率等参数指标,并可切换两路数字音频节目。
图五是信号接收受到较强干扰时的频谱图值和无干扰时的频谱图对比:
 
图五 室外测试时CDR信号受干扰的频谱图
    上面频谱图显示出中心模拟信号左边带的数字信号被干扰信号叠加,混入较强的干扰信号,大幅度地降低了数字信号的载噪比,严重影响了数字信号的接收。中心模拟信号与右边带数字信号中间有一个小的凸起,表示该频率上也有一个稳定的干扰信号。
    移动收测路线选取广州市绕城高速、内环路高架路段、环市路、广园路等主要路段收测,效果图如图六所示,其中绿色和黄色部分表示CDR信号接收正常,红色区域为CDR接收失败:
 
图六 广州示范网移动接收测试覆盖效果图
    从上图可以看到,广州市的内环路、环市路、广园路大部分覆盖效果较好,环城高速有不少位置由于楼群密集,遮挡较严重,汽车在正常行驶过程中已不能解出数字信号。
    同时,测试小组在事先选取的定点测试点使用4米测试接收天线进行了固定接收测试,定点测试的部分代表性位置模拟、数字收听比较汇总表如下:
表三 广州示范网定点测试结果
 
    可以看出:在使用的是单面发射天线的情况下,CDR信号在天线正面方向,地面固定接收时的有效覆盖距离超过26.7公里,天线背面固定接收的有效覆盖距离大约为9公里。在模数功率比为10dB的情况下,数字调频广播的覆盖效果,大部分地区优于模拟调频广播。
    四、项目小结和建议
    通过示范网建设和外场测试结果,未发现CDR数字信号对频道内和频道外的模拟调频信号有明显干扰,即在同频道实现广播节目模数同播的方法是可行的。如果进一步加大发射数字功率,加高天线安装位置和采用全向天线(本次试验采用单面天线主要就是为了避免对越秀山电视塔西面佛山市的广播造成临频干扰,但也形成了覆盖区域明显是东宽西窄的局面),广播覆盖效果将会得到较大优化。
    建议1:为了能让CDR得到更广泛的推广和发展,应广泛联合广播节目内容提供商、应急广播管理部门、广告投放商、汽车生产商、芯片制造商、设备提供商共同参与,出谋划策,共商商业发展模式,建立相关产业联盟。同时进一步扩大CDR广播系统的试验规模,对CDR广播系统进行深入全面测试,建立CDR广播工程建设指南和评价标准, 开展多点发射协同覆盖试验,多频网和单频网组网试验,开发小功率补点和直放站技术和产品等。
    建议2:原有调频广播标准频率间隔是200KHz,而CDR的频道带宽为400KHz,频率管理部门对频谱规划需更加合理和具有前瞻性,尽可能减少各广播电台间的相互干扰,为数字音频广播的推广创造良好的电磁场环境。
    建议3:通过各地试验网、示范网的建设带动CDR发射机、编码器、复用器等主要设备的生产和销售,逐步降低销售价格。推动CDR接收专用芯片的开发,以及基于硬件芯片的小型、廉价、可靠的CDR数字收音机(手持和车载)研发、生产和普及。
    五、结束语
    广州、深圳两个前期发射试验点的建设是我国具有自主知识产权的数字音频广播体系在我国的首次应用,将为CDR标准进一步推广和产业化积累了宝贵的经验,随着广东CDR数字音频广播示范网的后续建设,测试和试验的深入,CDR数字音频广播将迎来广阔的发展空间。

    [参考文献]
    1.  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
    2.  GY/T 268.2—2013调频频段数字音频广播  第2部分:复用
    3.  GB/T 22726-2008 多声道数字音频编解码技术规范
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