DRM信號和調(diào)幅廣播信號的干擾研究

孫象然，劉守訓(xùn)

(1.中國傳媒大學(xué)信息工程學(xué)院，北京 100024;2.中國傳媒大學(xué)研究生院，北京 100024)

DRM信號和調(diào)幅廣播信號的干擾研究

孫象然1，劉守訓(xùn)2

(1.中國傳媒大學(xué)信息工程學(xué)院，北京 100024;2.中國傳媒大學(xué)研究生院，北京 100024)

DRM(Digital Radio Mondiale)保留了傳統(tǒng)模擬調(diào)幅廣播的優(yōu)點(diǎn)，解決了其諸多的缺點(diǎn)，其為調(diào)幅廣播帶來了新的發(fā)展機(jī)會和空間。隨著世界各國對DRM的不斷重視，DRM系統(tǒng)將會逐漸普及。在調(diào)幅廣播到DRM系統(tǒng)的過渡階段，DRM信號可能會對調(diào)幅廣播信號造成干擾。本文在對DRM信號和模擬調(diào)幅廣播信號分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合模擬調(diào)幅廣播接收機(jī)的解調(diào)電路的基本特點(diǎn)和人耳聽閾的基本特征，描述了DRM對調(diào)幅廣播的影響。同時，提出了模數(shù)同頻保護(hù)率的定義及其計算方法。

DRM;干擾;模數(shù)同頻保護(hù)率

1 引言

為了選擇合適的統(tǒng)一數(shù)字AM系統(tǒng)，1998年3月在中國廣州成立了 DRM聯(lián)盟，由其開發(fā)的30MHz以下的長中短波數(shù)字聲音廣播系統(tǒng)稱為DRM系統(tǒng)。DRM技術(shù)系統(tǒng)，在保持現(xiàn)有的AM帶寬下，具有調(diào)幅廣播的覆蓋范圍與調(diào)頻廣播的質(zhì)量，同時它也是一種多媒體廣播系統(tǒng)，它既可以用來傳送聲音廣播節(jié)目，也可以傳送數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)、靜止或活動圖像。模擬調(diào)幅廣播必將被DRM所替代。當(dāng)前我國及世界各國都開展了的DRM廣播，逐步部署數(shù)字化轉(zhuǎn)換的工作。

由于調(diào)幅波段廣播，特別是其中的短波頻段業(yè)務(wù)，在天波傳輸過程中存在較強(qiáng)的隨機(jī)性，工作在相同頻率和相鄰頻率的模擬和數(shù)字廣播業(yè)務(wù)容易互相干擾。因此，在逐步向數(shù)字廣播演進(jìn)的過程中，必須充分考慮數(shù)字廣播業(yè)務(wù)與模擬廣播業(yè)務(wù)之間的干擾問題，為過渡階段的頻率規(guī)劃工作提供理論依據(jù)。

傳統(tǒng)調(diào)幅廣播的同頻保護(hù)率［1］適用于只有傳統(tǒng)模擬廣播工作的條件下，而處于同頻的模擬調(diào)幅廣播和數(shù)字DRM廣播信號在模擬廣播接收機(jī)解調(diào)后，會使傳統(tǒng)調(diào)幅廣播的同頻保護(hù)率提高，本文通過對同頻的模擬調(diào)幅廣播信號和DRM數(shù)字廣播信號的解調(diào)進(jìn)行分析和仿真，推導(dǎo)出模數(shù)同頻保護(hù)率的數(shù)值。

同時在DRM應(yīng)用過程中，選擇其作為對非法模擬調(diào)幅廣播的干擾信號，能夠完成對非法信號的良好的壓制作用。本文提出了模數(shù)同頻保護(hù)率也可以作為指導(dǎo)干擾對抗的功率參考標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)最佳干擾［2］。

2 模擬調(diào)幅廣播信號和DRM信號形式

傳統(tǒng)模擬調(diào)幅廣播發(fā)射機(jī)，采用全載波雙邊帶調(diào)幅進(jìn)行調(diào)制，其形式可表述如下:輸入的音頻信號為 UΩ·cosΩt，

則我們得到的射頻輸出調(diào)幅信號為:

其中Uc為射頻載波信號的幅度，ωc為射頻載波信號的頻率，m=UΩ/Uc為調(diào)幅度。由調(diào)幅波的表達(dá)式可以看出，在單音調(diào)制時，射頻已調(diào)波由三個頻率分量組成:載頻ωc，上邊頻(ωc+Ω)和下邊頻(ωc-Ω)。

DRM系統(tǒng)采用正交頻分復(fù)用(OFDM)的調(diào)制方式，OFDM信號的功率譜類似白噪聲，這一特點(diǎn)使其對同頻模擬調(diào)幅廣播具有較強(qiáng)的干擾，其射頻輸出的調(diào)制信號的基本數(shù)學(xué)形式［3］為:

其中，ωc為射頻中心頻率，K為子載波個數(shù)，k為第k個子載波，ck=ak+j·bk表示經(jīng)過16QAM映射［4］后，分配在第k個子載波上的符號(ak，bk∈［±3，±1］)，ωk為處在通帶范圍內(nèi)的第k個子載波的頻率，Us為子載波的單位幅度。

基于OFDM調(diào)制的DRM系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)調(diào)制的過程通常包括兩個步驟:首先是快速傅里葉逆變換(IFFT)運(yùn)算，得到OFDM基帶信號的IQ分量I(t)、Q(t);然后采用正交調(diào)制的方式進(jìn)行頻率變換，得到OFDM射頻信號。

為了便于后邊的討論和公式推導(dǎo)，我們用上述的處理步驟對OFDM射頻信號采用數(shù)學(xué)公式進(jìn)行表示:

圖1為單音頻調(diào)幅信號和DRM射頻信號的功率譜圖，其中DRM信號采用DRM系統(tǒng)中的模式B下的10kHz帶寬模式。

圖1 單音頻調(diào)幅信號和DRM射頻信號的功率譜圖

3 DRM信號對模擬調(diào)幅廣播接收機(jī)的影響

3.1 模擬接收機(jī)解調(diào)特性

在模擬調(diào)幅廣播接收機(jī)電路中，經(jīng)常采用相干解調(diào)的方式進(jìn)行處理，同時其工作原理簡單，通過對DRM信號和AM信號分別經(jīng)過相干解調(diào)電路后的輸出信號進(jìn)行分析，可以直觀地觀察到DRM輸出信號和AM輸出信號之間的不同，進(jìn)而可以推廣到其他的解調(diào)電路形式。

調(diào)幅信號相干解調(diào)的基本原理［5］如圖2所示，由本地產(chǎn)生一個同射頻載波同頻同相的振蕩信號，同接收到的調(diào)幅信號共同送入到乘法器進(jìn)行處理，然后后級接RC低通濾波器，再經(jīng)過隔直元件濾除直流成分，最后輸出解調(diào)的音頻信號。

圖2 調(diào)幅信號相干解調(diào)原理圖

為了簡化問題的討論，我們假設(shè)本地振蕩信號與接收的射頻調(diào)幅信號的載波同頻同相，這個假設(shè)并不會影響到結(jié)論的正確性，則AM調(diào)幅信號由公式(1)表示，其經(jīng)過乘法器后變?yōu)?

而DRM信號作為射頻輸入信號由公式(3)表示，其經(jīng)過乘法器處理后，得到:

兩種信號經(jīng)過乘法器電路后，信號的功率譜如圖3所示。

圖3 相干解調(diào)下單音頻調(diào)幅信號和DRM信號信號經(jīng)過乘法器電路后的功率譜圖

調(diào)幅接收機(jī)將接收信號經(jīng)過乘法器處理后，還需通過低通濾波器，以及隔直元件，濾除直流和高頻成分，從而還原為原始的音頻信號，公式(6)表示的模擬調(diào)幅信號經(jīng)過上述處理后，輸出的音頻信號為:

對uout(t)進(jìn)行傅立葉變換后得到F(uout(t))，再通過傅立葉變換結(jié)果求出輸出的音頻信號的功率譜:

由公式(1)計算AM廣播信號的平均功率為:

同樣，DRM信號完成乘法器處理后，公式(7)表示的信號的經(jīng)過低通濾波和隔直的相應(yīng)處理后，得到的輸出信號為

該DRM信號經(jīng)過相干解調(diào)的輸出信號的頻譜為

其中DRM信號子載波采用16QAM的調(diào)制模式，有|ck|2∈［2，10，18］。

由公式(12)可以看出，在接收機(jī)的音頻通道輸出端，DRM的輸出信號在頻域上表現(xiàn)為在低通濾波器帶寬范圍內(nèi)的類似于噪聲的頻譜形式。

由公式(3)得到DRM射頻信號的功率譜為:

DRM信號是由若干個子載波并行傳輸構(gòu)成的，各子載波的調(diào)制方式為16QAM，而對于每個子載波所對應(yīng)的調(diào)制星座點(diǎn)，在星座圖中具有平均分布的概率分布，由此得出DRM射頻信號的平均功率為:

其中K表示DRM系統(tǒng)中的副載波數(shù)。

3.2 DRM信號對模擬調(diào)幅廣播解調(diào)信號的影響

圖4為以不同聲壓級的白噪聲作為掩蔽聲時，實(shí)驗(yàn)測得的人耳聽閾曲線圖［6］。

圖4掩蔽聲為白噪聲的聽閾曲線圖

由上圖可以看出，聽閾曲線隨著噪聲強(qiáng)度的等比例增加而均勻提高;當(dāng)聽閾曲線在頻率為500Hz以下時，聽閾聲強(qiáng)基本比噪聲聲強(qiáng)高17dB左右，而在500Hz以上的水平逐漸提高，在1kHz-5kHz頻率范圍內(nèi)逐漸提升了約5dB，到5kHz處，聽閾聲強(qiáng)比噪聲聲強(qiáng)高22dB左右。

由公式(12)觀察得出，類似于噪聲頻譜形式的DRM信號對AM廣播收聽的影響，可以通過圖4所示的白噪聲的掩蔽效應(yīng)進(jìn)行說明。為了簡化討論，同時不失一般性，用單音信號代替節(jié)目的音頻信號。

對于采用相干解調(diào)方式的模擬調(diào)幅廣播接收機(jī)，對接收的射頻信號進(jìn)行解調(diào)，DRM信號解調(diào)輸出為OFDM基帶信號的部分信號，相當(dāng)于濾波器通帶內(nèi)的白噪聲，其對AM信號解調(diào)輸出的單音頻信號在聽閾上的影響，正如白噪聲的聲音掩蔽效果，而且信號的功率對應(yīng)于輸出信號的聲強(qiáng)。

3.3 模數(shù)同頻保護(hù)率分析

由上節(jié)的論述，可以得出模擬調(diào)幅廣播信號和DRM信號在同頻干擾的情況下，如果保證模擬調(diào)幅廣播接收機(jī)上仍然能夠收聽到節(jié)目的聲音，就要求AM廣播輸出的音頻信號的聲壓要高于DRM解調(diào)信號的對應(yīng)頻率產(chǎn)生的噪聲聲壓20dB以上，即對應(yīng)頻率的功率比應(yīng)在20dB以上。由此得出在接收機(jī)的接收位置上，傳統(tǒng)模擬調(diào)幅廣播信號的接收場強(qiáng)同數(shù)字DRM廣播信號的接收場強(qiáng)之比，就是模擬調(diào)幅廣播對數(shù)字DRM廣播的同頻保護(hù)率，即模數(shù)同頻保護(hù)率，該同頻保護(hù)率也可以由模擬調(diào)幅廣播信號同DRM信號的射頻信號的功率之比得到。

由公式(9)和(13)，以及白噪聲地聲音掩蔽效應(yīng)，得到AM信號和DRM信號對應(yīng)頻率點(diǎn)的輸出信號的功率比滿足下面等式:

其中|cN|2和|c-N|2為與AM解調(diào)出的單音頻信號頻率點(diǎn)相對應(yīng)的DRM信號的功率譜值。變換后得出

模擬調(diào)幅廣播信號的射頻功率對DRM信號的射頻功率比即為模數(shù)同頻保護(hù)率:

將公式(17)代入公式(18)得到

4 干擾仿真

假設(shè)DRM信號的平均功率等于模擬調(diào)幅廣播信號的平均功率，Matlab仿真結(jié)果如圖5所示，分別得到單音頻的模擬調(diào)幅廣播信號和DRM信號經(jīng)過相干解調(diào)后的功率譜。

圖5 單音頻調(diào)幅信號和DRM信號經(jīng)調(diào)幅廣播接收機(jī)解調(diào)輸出信號的功率譜

由圖5可以看出，當(dāng)調(diào)幅度為100%的單音頻信號解調(diào)后的輸出信號為-30dB，而DRM信號經(jīng)過相干解調(diào)后輸出的信號為-45dB左右，調(diào)制度為100%的單音頻信號只比DRM信號高出15dB左右，參考本文3.2的論述，音頻信號將無法被人耳聽到。當(dāng)調(diào)制信號為音頻節(jié)目時，其平均調(diào)幅度總是小于100%，則模擬調(diào)幅廣播的信號功率至少要高于DRM信號至少7dB以上，節(jié)目才能被人耳聽到。如果存在非法模擬調(diào)幅廣播節(jié)目，則只要保證DRM信號比非法AM廣播信號低7dB以內(nèi)，就能完全屏蔽掉模擬調(diào)幅廣播節(jié)目的輸出，實(shí)現(xiàn)最佳干擾。

5 結(jié)論

本文提出模數(shù)同頻保護(hù)率的計算方法即公式(19)，可以應(yīng)用在廣播業(yè)務(wù)數(shù)字化轉(zhuǎn)換的過渡階段，作為發(fā)射機(jī)輸出功率的重要參考標(biāo)準(zhǔn)。在發(fā)生模擬調(diào)幅廣播和DRM廣播同頻干擾的情況下，依靠提供的計算方法，相應(yīng)提高模擬調(diào)幅廣播的輸出功率，就可以保證聽眾的收聽。

［1］何大中.廣播電視技術(shù)手冊(第一分冊)［M］.北京:國防工業(yè)出版社，1990.

［2］王紅星，曹建平.通信偵察與干擾技術(shù)［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2005.

［3］李棟.數(shù)字聲音廣播［M］.北京:北京廣播學(xué)院出版社，2001.

［4］ETSI ES 201 980 V2.1.1，June 2004.

［5］樊昌信.通信原理(第4版)［M］.北京:國防工業(yè)出版社，1995.

［6］馬大猷.聲學(xué)手冊［M］.北京:科學(xué)出版社，1983.

Researches on the Interference of DRM Signal and AM Broadcasting Signal

SUN Xiang-ran1，LIU Shou-xun2

(1.Information Engineering School，Communication University of China，Beijing 100024;2.Graduate School，Communication University of China，Beijing 100024)

Keeping the strong point of conventional AM broadcasting and solving the drawbacks of it，the advent of DRM(Digital Radio Mondiale)is a new chance for the development of AM broadcasting.With the concerns of DRM all over the world，DRM system will become more and more popular.In the transition from AM system to DRM system，DRM signal will probably make the interference with AM signal.In this paper based on the analysis of DRM signal and AM signal，with the feature of demodulation circuit in conventional AM broadcasting receiver and the characteristic of the auditory threshold，the interference is described.Moreover the definition of AM and DRM Co-Channel Protection Ratio is presented，and the calculation method is provided.

DRM;Interference;AM and DRM Co-Channel Protection Ratio

TN914

1673-4793(2012)02-0043-06

2012-03-15

孫象然(1978-)，男(漢族)，遼寧沈陽人，中國傳媒大學(xué)講師，博士.E-mail:sunxr@cuc.edu.cn

(責(zé)任編輯

:宋金寶)