中國(guó)數(shù)字音頻廣播系統(tǒng) 結(jié)構(gòu)及信號(hào)編碼技術(shù)探析

趙紅丁

摘 要 由于傳統(tǒng)的廣播技術(shù)已不能滿(mǎn)足人們獲取信息的多樣性，而我國(guó)在此方面的技術(shù)發(fā)展滯后于發(fā)達(dá)國(guó)家，習(xí)近平總書(shū)記指出“核心技術(shù)受制于人是最大的隱患”。只有掌握核心技術(shù)，具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，才能促進(jìn)我國(guó)廣播事業(yè)安全發(fā)展。因此中國(guó)數(shù)字音頻廣播（China Digital Radio）以下簡(jiǎn)稱(chēng)（CDR）應(yīng)運(yùn)而生。文章簡(jiǎn)要介紹CDR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其特點(diǎn)和DRA+信源編碼、信道編碼（LDPC）。重點(diǎn)分析CDR核心部分正交頻分復(fù)用技術(shù)（OFDM）。

關(guān)鍵詞 結(jié)構(gòu)；特點(diǎn)；編碼；復(fù)用

中圖分類(lèi)號(hào) G2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-0360（2018）09-0035-02

1 CDR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其特點(diǎn)

CDR系統(tǒng)采用具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的GD/J058-2014《調(diào)頻頻段數(shù)字音頻廣播音頻信源編碼技術(shù)規(guī)范》（簡(jiǎn)稱(chēng)DRA+）、GY/T 268.1—2013《調(diào)頻頻段數(shù)字音頻廣播 第1 部分：數(shù)字廣播信道幀結(jié)構(gòu)、信道編碼和調(diào)制》、GY/T 268.2—2013《調(diào)頻頻段數(shù)字音頻廣播 第2部分：復(fù)用》標(biāo)準(zhǔn)。圖1為CDR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

CDR系統(tǒng)由音頻和數(shù)據(jù)輸入系統(tǒng)、DRA+信源編碼系統(tǒng)、復(fù)用系統(tǒng)、信道編碼調(diào)制系統(tǒng)、發(fā)射系統(tǒng)組成。輸入信號(hào)先進(jìn)行DRA+編碼，形成的數(shù)據(jù)流經(jīng)過(guò)復(fù)用后進(jìn)行信道編碼，再提供給發(fā)射系統(tǒng)。由于CDR使用了高效的DRA+信源壓縮編碼、多子波復(fù)用、分層調(diào)制、多頻道頻率分集和高效編碼率可以實(shí)現(xiàn)多重?cái)?shù)據(jù)錯(cuò)誤的識(shí)別和更正的信道編程并處于技術(shù)的尖端領(lǐng)域，可在低碼率下達(dá)到較好的音質(zhì)，高速移動(dòng)狀態(tài)下接收不受影響，在相同的覆蓋范圍下，所需的發(fā)射功率大為降低。CDR還具有靈活的頻譜模式，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)模同播，滿(mǎn)足高數(shù)據(jù)率業(yè)務(wù)的傳輸需要，可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用在發(fā)射機(jī)激勵(lì)器側(cè)進(jìn)行純數(shù)字播出或者數(shù)模同播、單一模擬播出、立體聲播出、單聲道播出、多聲道播出等配置。第三是能高效利用頻譜資源，有很好的兼容性，能把最新技術(shù)應(yīng)用到系統(tǒng)中。

2 CDR系統(tǒng)信號(hào)編碼

信號(hào)編碼分為信源編碼和信道編碼。信源編碼要求在低碼率下保證聲音質(zhì)量，為信道編碼中的分層調(diào)制和LDPC糾錯(cuò)編碼提供粗分層的編碼碼流。因此對(duì)音頻信源編碼的壓縮效率要求很高，編碼碼率越大，音頻質(zhì)量越高，可支持多聲道，但占用帶寬增加，可傳輸節(jié)目套數(shù)減少。DRA+信源編碼是一種高效的音頻壓縮編碼，通過(guò)在附加數(shù)據(jù)部分采用頻帶復(fù)制、參數(shù)立體聲和分層模塊等編碼技術(shù)，使信源編碼可支持的比特率范圍向更低比特率延伸，其輸出碼率范圍為16kb/s到384kb/s，由于是分層編碼，在保證聲音質(zhì)量的前提下提高了覆蓋范圍，實(shí)現(xiàn)了低碼率音頻源編碼，在碼率充足時(shí)還能提供更高的立體聲音質(zhì)和多聲道環(huán)繞聲。

信道編碼采用LDPC編碼，約束長(zhǎng)度7，碼字長(zhǎng)度為9216比特，準(zhǔn)循環(huán)結(jié)構(gòu)256×256，支持多頻點(diǎn)工作，改善了信道傳輸性能。CDR有三種傳輸模式，分別是大面積組網(wǎng)覆蓋、高速移動(dòng)接收和高數(shù)據(jù)傳輸。根據(jù)不同的傳輸模式選用QPSK、16QAM、64QAM調(diào)制，信道編碼碼率可選擇1/4、1/3、1/2、3/4。編碼碼率越大系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)率大，音質(zhì)也好，但傳輸可靠性降低。LDPC編碼可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)復(fù)雜度較低的糾錯(cuò)編碼，使發(fā)射機(jī)功率比其他采用卷積碼的數(shù)字編碼技術(shù)降低一半，并支持?jǐn)?shù)字音頻和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)

形式。

3 CDR系統(tǒng)信號(hào)復(fù)用

CDR系統(tǒng)信號(hào)復(fù)用采用正交頻分復(fù)用技術(shù)（OFDM）。復(fù)用的功能是將音頻、數(shù)據(jù)、控制信息進(jìn)行編碼、調(diào)制，使其能在信道上傳送。OFDM屬于多載波調(diào)制，它將調(diào)制信號(hào)經(jīng)過(guò)串/并轉(zhuǎn)換后分成多個(gè)子載波，再對(duì)多個(gè)在頻率上等間隔分布且相互正交的子載波進(jìn)行相應(yīng)載波數(shù)次的離散傅里葉變換（IFFT），所得的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)并/串變換和D/A轉(zhuǎn)換得到OFDM信號(hào)，實(shí)現(xiàn)頻分復(fù)用。接收端解調(diào)時(shí)同樣可以利用（FFT）進(jìn)行解調(diào)。圖2為OFDM原理圖。

影響無(wú)線電波傳輸?shù)囊蛩赜幸韵聝煞N，分別是：城市中的建筑物和自然地理?xiàng)l件的限制。通過(guò)其傳播原理可知，信號(hào)源通過(guò)接收的信直射波傳播能達(dá)到最好的效果，但是，由于現(xiàn)實(shí)條件的現(xiàn)實(shí)，在傳播過(guò)程中也有反射波出現(xiàn)。因?yàn)樯鲜鲆蛩?，?huì)影響其傳播效果從而延時(shí)或其信號(hào)受損，最終導(dǎo)致一些錯(cuò)誤的出現(xiàn)。OFDM能夠通過(guò)將數(shù)據(jù)分成更多的小組進(jìn)行傳輸，那么久不會(huì)占用太多的頻率，從而保證了傳播的效果。但是，如果出現(xiàn)其周期遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出預(yù)期控制的數(shù)值，那么將會(huì)減少反射波對(duì)符號(hào)間的干擾。噪聲干擾是影響數(shù)字傳播的最大因素，碼間干擾也是因素之一，雖然他們的原理不同，但是都會(huì)形成一種對(duì)傳播碼的干擾，而影響傳播效果。OFDM的出現(xiàn)對(duì)此問(wèn)題的解決帶來(lái)了一定的便利，通過(guò)提高抗干擾能力來(lái)保證傳播效果。

OFDM的實(shí)現(xiàn)原理是：通過(guò)IFFT變換，而對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，從而保證了子載波互相正交，實(shí)現(xiàn)了每個(gè)子載波上都有信號(hào)頻譜進(jìn)行疊加。這個(gè)方法是通過(guò)隨機(jī)選取兩個(gè)載波，都能保證其相乘為0，即上文中所提到的正交，來(lái)實(shí)現(xiàn)接收端可以在相互疊加的信號(hào)頻譜正確的識(shí)別出每個(gè)信號(hào)的分量。正交得以成立，是不同的載波之間間隔的最低數(shù)值，正好是此符號(hào)周期倒數(shù)的倍數(shù)（倍數(shù)為整數(shù)）。為了確保此效果的實(shí)現(xiàn)，在實(shí)際操作中，通過(guò)選擇最低的載波間隔，并使其成為符號(hào)周期的倒數(shù)。如圖3所示。

即使在不同的載波上，出現(xiàn)頻譜的位置是重疊的，但是不同的子載波都是在其他元素的0點(diǎn)的方位，彼此之間很少能產(chǎn)生影響。每個(gè)信號(hào)都有其子載波組幀，可實(shí)現(xiàn)CDR系統(tǒng)頻譜靈活選擇。表1為各種模式下的頻率塊位置。

如表1所示，DA為A類(lèi)，其子帶標(biāo)稱(chēng)的頻率可以達(dá)到如下數(shù)值：（100i+50）kHz，i=0，1。

DB表示B類(lèi)，子帶標(biāo)稱(chēng)頻率可以達(dá)到如下數(shù)值：（100i）kHz，i=0，1，2。

表中出現(xiàn)零，則可以理解為這個(gè)頻率塊位于頻帶沒(méi)有被使用。頻率塊-1與1之間指的是其中一個(gè)廣播節(jié)目核心頻率，其中的頻率塊帶寬一般數(shù)值是50 kHz，U可以表示一一對(duì)應(yīng)到信號(hào)中某個(gè)子帶的上半子帶，下半子帶用（L）表示。標(biāo)有“模擬”和“數(shù)字”的表示模擬廣播使用和數(shù)字廣播使用。從表可視，其中有六類(lèi)不同的頻譜模式，分別為l，2，9，10，22，23。剩下的模式則均為保留模式。其中頻譜模式中的數(shù)值1、2代表的是純數(shù)字的狀態(tài)，而9、10則代表的是可以實(shí)現(xiàn)立體聲同播，22與23支持?jǐn)?shù)模單聲道同播。

4 結(jié)束語(yǔ)

CDR是我國(guó)廣播數(shù)字化的發(fā)展方向。數(shù)字壓縮和編碼調(diào)制技術(shù)的應(yīng)用使頻譜資源得到最大利用，為提供更多的服務(wù)創(chuàng)造條件。采用數(shù)模同播，可以直接實(shí)現(xiàn)數(shù)字調(diào)頻廣播的升級(jí)覆蓋，其對(duì)其它播出的頻道沒(méi)有任何干擾。因此，CDR是適合目前我國(guó)國(guó)情的技術(shù)。