數字音頻廣播應用

2016-08-05 廣東省廣播電視技術中心鄭莉麗傳播與制作

一，引言

　　數字音頻廣播從字面上理解就是用數字化方式傳輸音頻廣播信號。數字音頻廣播是繼第一代調幅廣播，第二代調頻廣播之后，隨著數字信息技術和互聯網技術的廣泛應用發展而來的第三代音頻廣播。

　　數字音頻廣播較前兩代音頻廣播有著非常明顯的優勢，由于其全程采用數字技術來處理廣播中的信號，并通過糾錯技術使原始信號在經過制作、傳輸、發射等環節后，仍能夠最大限度地重現原音，不會像傳統的前兩代音頻廣播那樣因受到各種干擾而出現大面積的失真或衰落。

　　此外，數字音頻廣播的優勢還體現在如下幾項：

　　(1) 音質好，可以在較低碼率下達到CD唱片的音質。數字音頻廣播抗干擾的能力非常強，不受電波傳輸過程中信號衰落的影響，在接收門限以上的信號失真度幾乎為零。

　　(2) 抗多徑干擾能力強。快速移動狀態接收不受影響，而且可以做到“單頻同網”，車載廣播不需要更換頻率就可以收聽本區域內的節目。

　　(3) 發射功率低，發射效率高，覆蓋面積大。一般情況下，數字信號發射功率在模擬功率-13dB時就能達到模擬功率的覆蓋范圍。

　　（4）頻譜使用效率高。在100KHz頻率帶寬上，可以傳送3-4套數字節目。同時，還可以通過規劃單頻網，進一步提高頻率使用效率和范圍。

　　(5) 在傳送音頻廣播節目的同時，還能傳送多媒體數字業務，如交通信息、天氣預報、股市行情等。

二，數字音頻廣播世界格局

　　隨著數字音頻廣播的發展，世界各個強國也都在積極的參與到數字音頻廣播技術的研究和系統標準的制定。目前在世界范圍內，主要的數字廣播系統標準有5個，分別是：歐洲Eureka聯盟所制訂的Eureka-147、美國的IBOC（In-Band On-Channel）、法國的DRM（Digital Radio Mondiale）、日本的ISDB-T（Terrestrial Integrated Service Digital Broadcasting）以及我國CDR（China digital radio）。

　　由于歐洲Eureka聯盟所制訂的Eureka-147是最先提出的，而其他幾種標準要么成熟過晚、要么還在科研制訂，因此其他系統標準的推廣均遠不及Eureka-147。下表為全球采用數字音頻廣播標準情況表：

標準	地區
Eureka-147	英國、澳大利亞、奧地利、比利時、文萊、加拿大、捷克、丹麥、愛沙尼亞、芬蘭、德國、匈牙利、印度、以色列、意大利、馬來西亞、荷蘭、挪威、波蘭、南非、韓國、西班牙、瑞典、瑞士等等
IBOC	美國
DRM	法國
ISDB-T	日本
CDR	中國

　　在這5種標準中，歐洲Eureka所制訂的Eureka-147標準和美國所制訂的IBOC標準是目前世界上最流行的兩種。

　　Eureka-147系統標準的突出優點:（1）頻帶外(out-of-band)的廣播系統。由于Eureka-147系統為頻帶外(out-of-band)廣播系統,與現行的FM、AM廣播并不兼容,故須重新規劃專屬頻道來使用。（2）行動接收能力強。利用保護頻帶(Guard band)及交錯碼(Interleave)方式，可避免多重路徑干擾與多普勒效應所引起的選擇性衰落，使得單一頻道便可達成全區域廣播,即所謂的單頻網絡(Single Frequency Network;SFN)。

　　美規IBOC系統的優點:（1）在現有AM和FM發射設備的基礎上，增加少量設備和少量投資，就可實現數字音頻信號與原有的模擬廣播信號用同一頻道發射。這樣一方面保留了原有的模擬系統，另一方面不需要為DAB業務準備新的頻率規劃，達到了頻率復用的目的，節省了頻率資源。（2）利于行動接收。IBOC系統采用OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)的多任務技術,有利于行動接收，接收機設計制作簡單，價格低。

三，我國數字音頻廣播的發展

　　歐洲的Eureka-147和美國的IBOC標準是目前比較成熟的技術標準，我國也很早就開始對這兩種標準進行研究和測試。從近二十年我國數字音頻廣播的發展情況來看，國內嘗試了國外多種體系標準，但由于其各自的弱點和瓶頸，一直沒有在全國范圍內發展壯大。

　　隨著我國各種廣播影視科技發展規劃的出臺，明確提出要推進我國音頻廣播的數字化，建立適合我國國情、具有自主知識產權的數字音頻廣播體系。這預示著我國聲音廣播即將迎來數字化發展的春天，并為建立我國自主知識產權的數字音頻廣播標準——CDR（China digital radio）指明了方向。

　　為此，在2007年，由總局廣科院牽頭，展開了中國數字音頻廣播系統CDR的研發和實驗，并率先在調頻頻段取得成果。2013年后，國家新聞出版廣電總局先后頒布了信道、復用、信源等一系列CDR標準，北京、廣東等地相繼啟動了CDR 數字音頻廣播示范網建設和運行。

四，CDR主要技術特點

　　1，集成自主知識產權的DRA+信源編碼算法

　　CDR系統信源編碼采用DRA+，在很大程度上保證了CDR 全套體系的自主知識產權的完整性。

　　廣播業務由于受傳輸信道資源的限制，對音頻信源標準的壓縮效率有苛刻的要求，而DRA 技術的最大特點是低解碼復雜度、高壓縮效率，因此非常適合在數字廣播電視領域的應用。DRA+音頻標準同時支持立體聲和多聲道環繞聲的數字音頻編解碼。根據ITU-R BS.1534-1建議書，國家廣播電視產品質量監督檢驗中心數字電視產品質量檢測實驗室對DRA+音頻進行了主觀評價測試，結果表明：評價對象（DRA+）在48kbps碼率下的評價結果均為優，與3GPP EAAC PLUS質量相當。

　　DRA+的在不同碼率下主觀音質體驗見下表：

　　DRA+編碼算法碼率說明表

碼率	聲道數	質量說明
24kbps（DRA+）	立體聲	略低于FM質量
32kbps（DRA+）	立體聲	與FM相當
48kbps（DRA+）	立體聲	高于FM質量
64kbps（DRA+）	立體聲	近似CD
128kbps（DRA+）	環繞聲	優于偽環繞聲
256kbps（DRA+）	環繞聲	接近典型環繞聲

　　2，采用更高效的LDPC信道編碼算法

　　在CDR 的調頻頻段中，采用了更高效的信源編碼算法LDPC，算法中保持了與CMMB 系統相同的碼長和準循環結構，使用了新的設計算法使編碼增益進一步提高，提供1/4、1/3、1/2、3/4 四種碼率。

　　采用這種高效的信源編碼算法，可使得發射機功率比其他采用卷積碼的數字編碼技術降低一半。

　　3，針對調頻和中波調幅優化的系統傳輸方案

　　CDR 針對調頻和中波調幅優化的系統傳輸方案，有幾種傳輸模式。

　　針對不同的運營場景，設定三種傳輸模式：一是大面積單頻網覆蓋，一個發射機可以覆蓋幾十公里的范圍；二是高速移動接收，例如在高鐵上每小時300 公里以上的速度進行接收；三是高數據率傳輸，在頻點上能夠傳輸更高的數據量。

　　可根據情況選用QPSK、16QAM、64QAM 調制，信道編碼碼率可選擇1/4、1/3、1/2 或3/4。CDR 在調頻頻段支持多頻點協同工作，能夠改善衰落信道環境下的傳輸性能

　　4，靈活的頻譜配置結構

　　在IBOC標準的系統中，信號帶寬固定為400kHz。但在CDR標準中，信號帶寬可進行非常靈活的配置，以100kHz 基礎，最大可擴展至800kHz，中心頻率以50kHz 步進，可以實現多子帶捆綁和數模同播。

　　5，支持逐步演進的系統架構

　　CDR 支持逐步演進的系統架構，支持目前比較新的分層調制技術、多頻道頻率分集技術。采用比較靈活的架構，能夠把正在研究的技術逐步應用到CDR的系統中，不斷完善系統。

五，CDR在我國的探索與實踐

　　廣東省一直是我國在音頻廣播數字化領域的排頭兵。自2012年起，廣東就啟動了在廣州和深圳兩個發射點進行CDR的全面試驗和測試。

　　廣州CDR試驗點的目標是利用一個100K的模擬廣播頻道，用1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。

　　下圖為廣州CDR試驗網系統前端設備及信號傳輸框圖：

數字音頻廣播應用

　　廣州CDR試驗網的節目源為中國國際電臺和廣東電臺的調頻廣播信號。數字音頻節目由音頻編碼器編碼壓縮，采用DRA+信源編碼標準，編碼碼率為48kbps。兩臺編碼器輸出的數據流通過交換機送入數字音頻發射機。模擬音頻通過波分復用光端機后直接送入數字音頻發射機。數字音頻發射機將接收到的數字音頻和模擬音頻共同進行自適應校正，再進行放大發射。

　　通過對發射機進行不斷的校正，可以達到非常理想的傳輸、發射效果。通過廣州CDR試驗系統的實踐，能夠肯定CDR標準是非常適合中國實際國情，并且完全滿足模數同播的數字音頻廣播技術標準。

　　目前，我國在北京中央電視塔、廣州越秀山、深圳梧桐山、海口廣播發射臺、上海東方明珠電視塔、濟南廣播電視臺、四川廣播發射臺、湖南廣播發射臺進行了CDR廣播試驗發射。

　　此外，國家新聞出版廣電總局在“中央廣播電視節目無線數字化覆蓋工程”中也將在全國部署近600個CDR發射點，用模數同播的方式發射中央人民廣播電臺3套數字節目和1套模擬廣播節目。在中央人民廣播電臺前端系統中，完成3套音頻廣播節目的編碼復用，生成1路傳送碼流，通過中星6B和亞太6號衛星實現主備分發傳輸。發射臺站經模擬和數字衛星信號接收處理后通過發射系統實現地面無線覆蓋。無線數字音頻廣播總體架構如下圖所示。

數字音頻廣播應用