中波廣播發(fā)射系統(tǒng)DRM改造理論探討

宋世琦

摘 要：DRM是世界數(shù)字廣播聯(lián)盟指定的數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)，可以對(duì)30 MHz以下的廣播波段進(jìn)行調(diào)幅，近年來DRM廣播進(jìn)行了多次實(shí)驗(yàn)，取得了一定的成就。DRM基帶產(chǎn)生的信號(hào)需要經(jīng)過信源編碼、信道編碼和OFDM（正交頻分復(fù)用），在這個(gè)過程中需要選用合適的編碼和調(diào)制參數(shù)。該文結(jié)合數(shù)字中波發(fā)射系統(tǒng)概況，提出技術(shù)應(yīng)用的難點(diǎn)，對(duì)傳統(tǒng)發(fā)射機(jī)改造進(jìn)行了理論分析。

關(guān)鍵詞：中波 廣播發(fā)射系統(tǒng) 技術(shù)改造

中圖分類號(hào)：TN838 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2016）12（b）-0095-02

近年來，越來越多的聽眾逐漸遠(yuǎn)離中波發(fā)射節(jié)目，主要是由于調(diào)頻廣播可以為用戶提供更優(yōu)質(zhì)的音質(zhì)，干擾問題得到解決。人為的電磁干擾對(duì)中波發(fā)射系統(tǒng)構(gòu)成了較大威脅，中波收音機(jī)制造廠商為了避免干擾的影響，加快了對(duì)窄波段接收機(jī)的研究應(yīng)用，降低了音頻質(zhì)量。與調(diào)頻廣播相比，調(diào)幅廣播的發(fā)展面臨萎縮，為了給中波臺(tái)站提供出路，需要對(duì)發(fā)射系統(tǒng)進(jìn)行改造。

1 數(shù)字中波發(fā)射系統(tǒng)概況

20世紀(jì)90年代，歐洲國(guó)家開展了尤里卡147計(jì)劃，美國(guó)開展研究高清廣播系統(tǒng)，多家企業(yè)聯(lián)合開展Acorn項(xiàng)目，頻段技術(shù)不斷革新，數(shù)字廣播技術(shù)不斷發(fā)展。從1989年開始，DRM技術(shù)作為多載波系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用，主要目的是為了提高30 MHz以下中波的發(fā)射質(zhì)量，在技術(shù)應(yīng)用的初始階段，實(shí)現(xiàn)短波的數(shù)字化轉(zhuǎn)變，在不斷的研究過程中，DRM標(biāo)準(zhǔn)被廣泛應(yīng)用于中波和長(zhǎng)波發(fā)射[1]。近年來，隨著頻段研究技術(shù)的發(fā)展，DRM技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)獲得國(guó)際電聯(lián)認(rèn)可，逐漸將其擴(kuò)展到VHF的1～3頻段，DRM技術(shù)在全球范圍內(nèi)推廣應(yīng)用，在印度和俄羅斯等國(guó)家被確定為中波行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，隨后廣播運(yùn)營(yíng)商、設(shè)備生產(chǎn)廠家等加入到技術(shù)應(yīng)用的行列中。

DRM應(yīng)用OFDM系統(tǒng)，結(jié)合多載波攜帶信息，保證數(shù)字信息在同一系列的載波上發(fā)射出去。數(shù)字中波系統(tǒng)具有很多優(yōu)點(diǎn)，例如具有較強(qiáng)的抗干擾性和抗噪能力，傳輸質(zhì)量較高，不會(huì)出現(xiàn)噪聲累積和失真問題，數(shù)字信號(hào)可靠處理后與計(jì)算機(jī)連接，可以對(duì)發(fā)射機(jī)的功率進(jìn)行調(diào)整，數(shù)字信息也可以通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)共享。

2 技術(shù)難點(diǎn)

針對(duì)DRM基帶信號(hào)而言，其功率密度函數(shù)均勻分布在信號(hào)帶寬范圍內(nèi)，與模擬AM信號(hào)不同的是，能量不會(huì)集中在中心載波范圍，而是一種多載波信號(hào)。應(yīng)用過程中，通道的帶寬會(huì)一定程度上限制輸入信號(hào)，導(dǎo)致不同的子載波出現(xiàn)不同的幅度變化，信號(hào)接收的可靠性受到制約。應(yīng)用DRM廣播，必須有足夠的時(shí)延帶寬，信道群時(shí)延特性也會(huì)關(guān)系到不同子載波的相位，如果群時(shí)延特性不符合標(biāo)準(zhǔn)，將導(dǎo)致信號(hào)接收困難。

為了實(shí)現(xiàn)模擬發(fā)射機(jī)的DRM數(shù)字化改造，必須重點(diǎn)解決以下3個(gè)問題。

第一，合理控制音頻支路和相位支路的信號(hào)時(shí)延。對(duì)傳統(tǒng)模擬調(diào)幅發(fā)射機(jī)進(jìn)行技術(shù)改造，必須保證發(fā)射機(jī)音頻支路和相位支路可靠接收到數(shù)字基帶信號(hào)，而數(shù)字基帶信號(hào)主要由信道編碼調(diào)制器發(fā)出，音頻支路和相位支路輸出包絡(luò)信息和相位信息。不同的信息處理中需要應(yīng)用不同的方法和步驟，不同的信息到達(dá)發(fā)射機(jī)混頻管時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的延時(shí)誤差，DRM廣播信號(hào)的傳輸和發(fā)射將會(huì)受到延時(shí)誤差的影響。

第二，優(yōu)化數(shù)字射頻激勵(lì)調(diào)制器的應(yīng)用。以傳統(tǒng)模擬調(diào)幅發(fā)射機(jī)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)DRM信號(hào)發(fā)射系統(tǒng)的數(shù)字化改進(jìn)，必須將發(fā)射器的實(shí)際工作頻率與信號(hào)編碼調(diào)制器進(jìn)行聯(lián)系，也就是說需要應(yīng)用DRM數(shù)字射頻激勵(lì)調(diào)制器替換傳統(tǒng)技術(shù)中的載波發(fā)生器。

第三，正確處理音頻支路的數(shù)字信號(hào)。傳統(tǒng)的模擬調(diào)幅信號(hào)發(fā)射機(jī)在處理音頻信號(hào)的過程中主要應(yīng)用電子模擬技術(shù)。現(xiàn)今DSP數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)在不斷發(fā)展的過程中，數(shù)字化改造難題依然有待解決，傳輸信號(hào)無(wú)法滿足DRM標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)指標(biāo)[2]。

3 傳統(tǒng)發(fā)射機(jī)改造分析

數(shù)字信號(hào)為DRM基帶信號(hào)的主要組成部分，信號(hào)發(fā)生過程中應(yīng)用幅相調(diào)制方法，將信號(hào)通過天線發(fā)射出去，在應(yīng)用的過程中必須要實(shí)現(xiàn)變頻，實(shí)現(xiàn)模擬載波信號(hào)的幅相調(diào)制。由于發(fā)射器本體的差異，DRM基帶信號(hào)向射頻域型號(hào)的轉(zhuǎn)變過程也會(huì)存在較大差異。

DAM（數(shù)字調(diào)幅）、PSM（脈沖階梯調(diào)制）和PDM（脈寬調(diào)制）等傳統(tǒng)的模擬發(fā)射機(jī)屬于非線性發(fā)射機(jī)，為了實(shí)現(xiàn)DRM數(shù)字化改造，必須在原有發(fā)射機(jī)平臺(tái)的基礎(chǔ)上加裝數(shù)字頻率合成器和編碼調(diào)制器。傳統(tǒng)模擬發(fā)射機(jī)在DRM數(shù)字化改造的過程中，必須要有足夠的音頻帶寬，進(jìn)一步拓寬音頻信號(hào)的輸入帶寬，重點(diǎn)對(duì)音頻通道中的濾波器進(jìn)行改造。PSM發(fā)射機(jī)和固態(tài)PDM發(fā)射機(jī)在改造的過程中，需要不斷擴(kuò)寬低通濾波器帶寬。

針對(duì)M2W中波發(fā)射機(jī)而言，其結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為非線性，但是在應(yīng)用的過程中可以實(shí)現(xiàn)線性發(fā)射機(jī)的功能。發(fā)射機(jī)本身可以提取包絡(luò)分量，同時(shí)也可以實(shí)現(xiàn)幅相調(diào)制。另外，發(fā)射機(jī)可以應(yīng)用較高的數(shù)字信號(hào)合成和處理方法，最終實(shí)現(xiàn)數(shù)字化改造。由于M2W發(fā)射機(jī)在信號(hào)處理和變換的過程中主要應(yīng)用數(shù)字方式，很大程度上提高了信號(hào)的變換精度，也不需要在變換過程中進(jìn)行調(diào)幅，只需要將信號(hào)接入到DRM信號(hào)編碼器和調(diào)制器上即可，最終實(shí)現(xiàn)DRM廣播。由于M2W中波發(fā)射機(jī)在本身的數(shù)字域內(nèi)對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，不同的載波周期結(jié)束后，對(duì)調(diào)制參數(shù)進(jìn)行精確計(jì)算，將計(jì)算結(jié)果存儲(chǔ)在寄存器中，在下一個(gè)載波周期來臨時(shí)對(duì)應(yīng)一個(gè)輸出端，將發(fā)射機(jī)信號(hào)轉(zhuǎn)換為射頻信號(hào)，調(diào)制通道中的幅相也不會(huì)出現(xiàn)明顯的時(shí)延誤差，也就是說M2W中波發(fā)射機(jī)進(jìn)行數(shù)字化改造的過程中不需要控制時(shí)延誤差。

技術(shù)應(yīng)用過程中，DRM基帶信號(hào)一般選取COFDM作為調(diào)制方式，將峰值功率與平均功率的比值作為峰值系數(shù)，該系數(shù)一般取為9 dB，因此對(duì)發(fā)射機(jī)的輸出能力提出了較高的要求。

針對(duì)一臺(tái)模擬調(diào)幅發(fā)射機(jī)而言，將機(jī)器的額定載波功率設(shè)為Pc，將正峰最大調(diào)制度設(shè)為Mmax，將發(fā)射機(jī)的瞬時(shí)峰值設(shè)為Pmax，則Pmax=（1+Mmax）2Pc。

如果此時(shí)發(fā)射機(jī)輸出可靠的DRM信號(hào)，必須結(jié)合實(shí)際將輸出的最大平均功率降低為9 dB，也即Pmax的12.5%。

此時(shí)輸出功率PDRM=0.125Pmax=0.125（1+Mmax）2Pc。

如果設(shè)備的額定載波功率為10 kW，最大正峰調(diào)制度為原有基礎(chǔ)的140%，此時(shí)發(fā)射機(jī)能夠輸出的最大平均功率為：

PDRM=0.125（1+Mmax）2Pc-0.125×（1+1.4）2×10=7.2 kW

結(jié)合以上理論分析，可以得出發(fā)射機(jī)最大理論輸出，由于發(fā)射機(jī)自身具有明顯非線性特征，所以設(shè)備實(shí)際發(fā)射能力比理論值低。在實(shí)際研究中，一般應(yīng)用DRM最大平均功率對(duì)DRM發(fā)射機(jī)性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，如果設(shè)備的額定載波功率為10 kW，設(shè)備進(jìn)入到DRM模式后，為了保證調(diào)制誤差率在-35 dB以下，平均輸出功率在6.5～7 kW，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

值得注意的是，發(fā)射機(jī)本身的非線性特征導(dǎo)致不同的子載波之間出現(xiàn)互調(diào)分量，解碼接收時(shí)也會(huì)面臨困難。發(fā)射機(jī)幅相調(diào)制通道內(nèi)的時(shí)延誤差直接決定著發(fā)射機(jī)是否滿足數(shù)字化改造的條件，必須使時(shí)延誤差控制在一定范圍內(nèi)，目前主要應(yīng)用手動(dòng)控制方法和自適應(yīng)控制方法[3]。

4 天線系統(tǒng)改造

DRM信號(hào)不同載波之間的相位變化直接受到天線系統(tǒng)帶寬的影響，不同子載波在衰減的過程中可能與相鄰的發(fā)射機(jī)設(shè)備之間產(chǎn)生聯(lián)系，隨即出現(xiàn)帶外功率的問題，為了降低帶外發(fā)射功率，一般提高天線帶寬的平坦響應(yīng)度，如果天線的帶寬和DRM信號(hào)的帶寬相同，發(fā)射機(jī)在測(cè)試天線和測(cè)試負(fù)載中得出的射頻頻譜存在較大的差異，因此在設(shè)置校正參數(shù)的過程中，必須重點(diǎn)考慮天線固有特性的影響。

中波天線的形式較多，天線的配置與覆蓋區(qū)域和傳播方法有著密切的關(guān)系。中波天線可以在工作頻率上進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)向純電阻的轉(zhuǎn)換，在工作頻率不同的位置，增加虛部后發(fā)射機(jī)表現(xiàn)出復(fù)數(shù)阻抗。在DRM技術(shù)中，中心頻率的不同位置阻抗虛部發(fā)生正負(fù)改變，中心頻率兩側(cè)的變化率一致，在中心頻率的上下分別表現(xiàn)為電感性和電容性，也就是說天線的阻抗特性表現(xiàn)出明顯的對(duì)稱特性。

在應(yīng)用過程中，天線的覆蓋半徑與天線的敷設(shè)效率有著直接的關(guān)系，駐波比特點(diǎn)對(duì)天線的帶寬進(jìn)行描述，在開路試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，如果選用9 kHz的帶寬，中心頻率附近±10 kHz的駐波比在1.2以下，±15 kHz的駐波比在1.4以下；如果選擇20 kHz帶寬的DRM模式，為了取得良好的覆蓋效果，對(duì)天線本身的特性要求較高。

5 結(jié)語(yǔ)

分析了數(shù)字中波發(fā)射系統(tǒng)概況，提出了技術(shù)應(yīng)用的難點(diǎn)，為了實(shí)現(xiàn)中波廣播發(fā)射機(jī)的數(shù)字化改造，需要在現(xiàn)有設(shè)備的基礎(chǔ)上增加相應(yīng)的編碼調(diào)制器，天線系統(tǒng)也需要進(jìn)行相應(yīng)的改造。

參考文獻(xiàn)

[1] 崔天夕.中波廣播發(fā)射系統(tǒng)DRM改造理論淺析[J].電子世界，2014（2）：10.

[2] 李立瑛.DRM數(shù)字中波廣播的試驗(yàn)[D].中山大學(xué)，2007.

[3] 欒立峰.中波發(fā)射機(jī)DRM改造的延時(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].中國(guó)新技術(shù)新產(chǎn)品，2015，26（12）：131.