【內容提要】 替代模擬FM廣播的數字技術主要有DAB、FM HD Radio和DRM+，而只有FM HD Radio和DRM+能夠實現平滑過渡。在過渡期，兼容性是極為重要的問題。本文在簡要介紹DAB、FM HD Radio和DRM+的技術特征及其局限性的基礎上，討論它們與模擬FM廣播的兼容性問題。
【關鍵詞】 FM廣播數字化 FM HD Radio DRM+ 兼容性
一. 引言
在所有的模擬廣播中，調頻廣播有最好的質量。但是，由于多徑傳播和移動接收時的頻率選擇性與時間選擇性，嚴重影響調頻廣播的質量。為了改善FM廣播的質量，過去相當長一段時期中，人們在發射與接收技術方面雖然采取過一些技術，但是由于物理的原因，不能從根本上解決FM廣播存在的問題。此外，模擬FM廣播提供的業務單一。
要從根本上解決模擬FM廣播的問題，唯一的出路是數字化。通過數字化，在改善傳輸質量與音頻質量的同時，提供數據廣播業務，使新的數字系統變為多媒體廣播系統。
為了實現FM廣播的數字化，首要的要求是兼容性，即：一方面要求新的數字系統不應對現有的模擬FM電臺造成干擾；另一方面是要求新的數字系統要經過較長的時期逐漸取代模擬FM，即實現由模擬到數字的“軟”過渡。
對數字化的另一個要求是滿足移動接收的要求。不同的數字廣播系統有不同的調制方式與符號周期等技術參數，相應就有滿足無差錯接收的最高移動接收速度限制。
不同的技術系統使用不同的射頻帶寬和不同的調制方法，有不同的傳輸能力（數據率）。接收端的節目質量由傳輸質量（接收質量）與音頻質量決定。傳輸質量取決于信道編碼、調制方法與電磁環境；而音頻質量則取決于演播室使用的音頻編碼方法和使用的數據率。
此外，數字系統應有同步網（單頻網-SFN）運行的能力，節約頻譜，節約功率。
為了實現FM廣播的數字化，國外提出了有很多系統建議，有的系統已經實施，有的還在試驗和準備制訂規范之中。主要的系統建議有：DAB、FM HD Radio和DRM+。
所有建議的目的是，最終要取代模擬FM廣播。不論何種技術系統，特別注意的是要考慮對現有FM廣播的兼容性。
二. 數字系統不同數字系統的技術特征和局限性
1.DAB
DAB是最早提出并于1995年正式實施的系統。它雖然有高的數據率（主業務凈數據率大約1.5Mb/s-1.7Mb/s）,有很好的聲音質量（達到CD）與高速移動接收能力（滿足250km/h），但是，由于DAB的RF頻帶太寬（1.536MHz）,不能逐一取代現在的FM模擬發射，只能等DAB在其他波段（III波段，L波段）發展到一定的程度，將FM廣播全部關閉后，才能整體進入FM波段。也就是說，利用DAB不能實現由模擬廣播向數字廣播的平滑過渡。
2.FM HD Radio系統
HD Radio是美國IBOC系統的新的名字，用于FM波段的FM HD Radio系統于2002年被美國FCC批準為美國FM波段的數字廣播標準。它在不影響現有模擬廣播的前提下，使用現有模擬廣播的頻道提供高清晰度的數字聲音廣播與數據業務。
FM HD Radio也是一種OFDM系統，是在常規FM信號頻譜兩邊創建了一組數字邊帶。
圖1 FM HD Radio混合模式的頻譜
圖1所示是FM HD Radio混合模式的頻譜。混合模式提供100kb/s的數據率。該模式支持模擬立體聲和輔助業務通信(SCA)/廣播數據系統（RDS）。數字副載波比模擬的低20dB(數字邊帶的總功率相當于FM發射功率的1/100)。
每個數字邊帶有191個副載波（包括11個基準副載波）副間隔為363.4Hz，采用QPSK調制，峰值系數為8.5dB(測量值,帶上FM復合信號，峰值系數下降至≤2dB)。數字邊帶準確的頻率范圍為±129301Hz—±198402Hz。
經過比較長時間的過渡，可將模擬信號的頻譜寬度縮小為±100kHz，左右空出的30kHz也用來傳送數字信號，成為擴展的混合模式。在這種模式下，傳輸的數據率可達150kb/s。
最終，關閉模擬FM信號，其頻譜也用來傳輸數字信號，變為全數字模式，數據率可達300kb/s。
在FM頻段，美國FCC規定信道間隔為200kHz，（歐洲與我國為100kHz）；FM頻譜是比較空閑，盡管FM HD Radio的帶寬有±200kHz,但仍能滿足美國FCC的頻譜掩模的要求（見圖2）。因此，在現有頻譜的空隙可以用數字發射來填滿。對現有的電臺進行改造（發射機、天線），在現有的模擬發射信號安置數字信號，可使技術的花費和投資最小。
FM HDRadio是基于在相同覆蓋范圍內，兩個調頻發射臺的中心頻率相差800kHz而設計的。降低間隔會限制系統的性能。
如果在相同覆蓋范圍內，兩個FM HDRadio的中心頻率間隔僅為400kHz，如圖3所示，那么就要求欲接收信號的電平不能低于相鄰的不希望接收的信號15dB，否則欲接收信號的覆蓋范圍就會受到限制。
由于HD Radio技術附加的數字信號頻譜位于正常信道的兩側，因此，如果在我國使用，理論分析認為，可能會出現鄰頻道干擾。由圖4可以看出，如果中心頻率相距200kHz，那么FM會受到混合模式的HD Radio部分的干擾。
圖3 兩個FM HD Radio電臺中心頻率相距400kHz
3.DRM+系統
DRM+是將工作于30MHz以下AM波段的DRM系統，擴展到最高到174MHz的范圍，包括現行的模擬TV波段I（47MHz-68MHz），OIRT(國際廣播電視組織)FM波段65.8MHz-74MHz.),日本FM波段（76MHz-90MHz）和國際通用的FM波段II（87.576MHz-107.9MHz）。
圖4 在頻道間隔200kHz時FM受混合模式的HD Radio干擾
近幾年，德國進行了大規模DRM+實驗室測試與開路試驗。DRM+使用COFDM方法，高頻帶寬小于100kHz（目前使用的帶寬為96kHz）。副載波的調制方法考慮選擇QPSK=4QAM、16QAM或64QAM。DRM+的數據率范圍為37.3-186.6kb/s，系統有同步網運行的能力，通過同一個發射機可以發射多達四套節目。另一個優點是與波段II中的頻率間隔兼容。由于DRM+的射頻帶寬限制在100kHz以內，它可以充分利用現有模擬FM廣播的頻率空隙進行數字廣播，也可以與FM節目一起進行同播(圖5)，同播時兩3中心頻率相距150kHz。[Page]
三. 兼容性
1.保護率
保護率是接收機的特征量，它避免了在頻率規劃中進行各個SNR的測量，而是用它們的頻率間隔對干擾的影響關系來衡量。保護率是指，干擾發射機應該比有用信號發射機弱到事先規定程度，才能保證有用信號的接收不受影響。要求的保護間隔盡可能的低，就能提高頻率效率。在同頻道中的保護率會影響，相隔多遠的距離才可以重新使用相同的頻率。在兩個發射臺的位置確定的情況下，鄰頻道中的保護率會影響最大可能的發射功率。保護率本身只是涉及到兩個發射機的關系。
在進行保護率測量時，干擾器的功率一直提升，直到測試接收機的音頻信噪比降低6dB為止。對于一個以HiFi質量的接收來說，假定需要的低頻SNR為50dB，在測量時這樣調整有用信號，即使接收機的SNR達到56dB。在考慮干擾影響的情況下，使SNR將回到50dB，就可以得到容許的最大干擾。這種測量方法只有在高級接收機中才能使用。很多現在廣泛使用的接收機不可能達到50dB的SNR。附加的是用SINAD（Signal to Noise and Distortion-信噪比和失真）代替SNR可以確定接收質量。工作時使用一個調制的正弦音和加權的這個音的失真和噪聲。
為了探討不同的數字技術與模擬FM廣播的兼容性，近兩年來德國進行了持續時間很長的實驗室實驗與開路試驗。如果能夠滿足FM干擾FM時要求的保護率，就可以認為是兼容的。
2.FM HD Radio與FM的兼容性
圖6所示是FM干擾FM時的保護率曲線與FM HD Radio干擾FM時保護曲線的對比。
德國的試驗表明：現有FM發射機改為FM HD Radio的混合模式時，有下面的結果：
(1)為了與現有FM廣播兼容，改為混合模式時，視發射機中心頻率偏置的不同，發射機的功率需要降低的范圍在0-18dB。當使用小的發射功率(<1kW)時，不能任意的降低發射功率；但在其他情況下，發射功率需要降低最多達18dB,現有FM覆蓋才不會受到損失。
(2) 當使用中功率和大功率發射機時，由于在200kHz的鄰頻道高的干擾，將功率降低多達18dB,才對現有FM的覆蓋才沒有影響。
(3) 不能工作在107.5MHz以上，因為增加的干擾進入航空無線電定位業務。
3.DRM+與FM的兼容性
（1）DRM+干擾FM
一般來說，現有FM發射機可以變為DRM+發射機，在ERP比FM低5dB的情況下，可以保護現有的FM服務。即：(FM-5dB)=DRM+。圖7所示是FM干擾FM時與DRM+干擾FM時，FM需要的保護率測量結果對比（按照ITU-R BS.412-9 和ITU-R BS.641-2要求）。
（2）FM干擾DRM+
圖8所示是，DRM+受FM干擾時的保護率與FM受FM干擾時的保護率對比。可以看出，即使DRM+使用16QAM調制，DRM+受FM干擾，需要的保護率至少可比FM干擾FM時低19dB。若DRM+使用4QAM調制，保護率至少可比原有FM環境下低29dB。
四. 在保證與FM兼容下DRM+的覆蓋
圖9所示是發射機由FM變為DRM+時的覆蓋例：
德國Kaiserslautern Donsenberg 臺，96.9MHz。
覆蓋區域：
黃色：FM，0.5kW,最小可用場強EminFM=54dBμv/m；
綠色+黃色：由FM變為DRM+，功率降低5dB，成為0.16kW，16QAM調制，最小可用場強EminFM+=25dBμv/m；
綠色+黃色+藍色：由FM變為DRM+，功率降低5dB，成為0.16kW，4QAM調制，最小可用場強EminFM+=15dBμv/m。
覆蓋條件根據ITU BS.412-9，（天線G=6dB,10m）,考慮了20個強的干擾。
可以看出，在功率降低5dB的情況下，DRM+的覆蓋范圍大于原來的FM的覆蓋范圍。
當DRM+使用4QAM調制，其覆蓋面積遠大于使用16QAM調制時的覆蓋面積。
五. DRM+混合模式
DRM+混合模式是FM與DRM+在下面的條件下同播：
*兩個信號用同一部發射機和同一天線同播；
*FM功率余量不變化，且服務面積余量相同；
*在相同的服務區內接收兩個信號；
*繼續使用原來的頻率；
*使用一個VHF FM/DRM+相結合的收音機前端，具有模擬/數字自動切換的功能；
*特別是在FM數字化的開始階段，主要是經濟方面的考慮。
圖10所示是DRM+信道相對于同播的模擬FM的位置和電平調整范圍的建議。
工作在DRM+混合模式時參數的建議：
*FM發射機功率余量不變化；
* △f(FM-DRM+)靈活的頻率偏置：±[200kHz—400kHz]；
*DRM+ 4QAM調制，靈活的發射機功率，同樣高的與現有FM業務的兼容；
*DRM+混合信號發射機功率降低的極限是在比較低的瓦的范圍（可與HD Radio混合信號的數字部分相比擬）；
*在有些情況下，可以通過高的DRM+信號功率來實現；
*對于小功率發射機來說，要求的功率降低，明顯的不像大功率發射機那樣。
德國的開路試驗表明：
（1）如果DRM+的功率與FM相比大于-20dB(像FM HD Radio混合信號的功率差)，且DRM+使用4QAM調制，那么,DRM+的覆蓋面積始終要比現有的FM覆蓋范圍大，如圖11所示。圖中紅色和黃色為FM的覆蓋面積，黃色、紅色與綠色部分是功率比FM低20dB的DRM+使用4QAM時的覆蓋面積，黃色、紅色、綠色和藍色部分是功率比FM低5dB的DRM+使用4QAM時的覆蓋面積；
圖10 DRM+信道相結于同播的模擬FM的位置和電平調整范圍
（2）如果DRM+的功率比FM低40dB或更多，那么DRM+使用4QAM時的覆蓋面積要小于FM的覆蓋面積（圖中紅色為這種情況下的DRM+的覆蓋面積）。
六. 結束語
實現模擬FM廣播的數字化有不同的方法。它們的區別主要表現在對現有FM廣播系統的干擾、復雜性及接收機的價格等方面。
DAB由于寬的帶寬，不能逐一實現FM電臺的數字化，只能整體關閉FM，然后用DAB代替，此外，DAB 要求很多節目復合在一起，對于本地電臺或地區性電臺來說，使用不方便，會造成容量的浪費。[Page]
美國的FM HD Radio系統是基于在相同覆蓋范圍內，兩個調頻發射臺的中心頻率相差800kHz而設計的。降低間隔會限制系統的性能，在歐洲與中國應用會受到較大的限制，可能導致現有FM接收不能容忍的干擾。
在一定的功率條件下，DRM+與現有FM有良好的兼容性。此外，使用有較大的靈活性。有足夠的移動接收能力（按照滿足300km/h良好接收設計）。
因此，為了在一定的時期內逐步取代模擬的FM廣播，DRM+技術系統看起來是最合適的。ITU和ETSI正在制訂的DRM+系統技術規范，可能于2009年出臺。DRM+系統的技術解決辦法是成熟的，不論是發射機還是接收機，都可以借鑒工作于30MHz以下AM波段的DRM系統的經驗。B&P