DRM短波數(shù)字廣播技術(shù)及監(jiān)測分析

李慎斌

（國家廣播電視總局7055 乙臺，湖北 荊門 448000）

0 引言

全球化發(fā)展背景下，HF 頻段的短波聲音廣播的頻譜資源表現(xiàn)出匱乏趨勢，降低了短波聲音廣播的質(zhì)量。為滿足全球用戶對短波廣播節(jié)目的高質(zhì)量需求，國際電信聯(lián)盟制定了DRM 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，為DRM 短波數(shù)字廣播技術(shù)的研發(fā)與推廣應(yīng)用提供了支持。因此，對DRM 短波數(shù)字廣播技術(shù)及監(jiān)測進(jìn)行研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 DRM 短波數(shù)字廣播技術(shù)及其運(yùn)行模式

傳統(tǒng)短波數(shù)字廣播采用天波或地波方式傳播，因此傳播信道存在多徑時(shí)延的問題，且進(jìn)行碼元傳輸時(shí)極易出現(xiàn)串?dāng)_現(xiàn)象。針對以上問題，在DRM 短波數(shù)字廣播技術(shù)研發(fā)中，技術(shù)人員利用正交頻分復(fù)用調(diào)制（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）技術(shù)與正交振幅調(diào)制（Quadrature Amplitude Modulation，QAM）技術(shù)，調(diào)制傳播信道的多載波運(yùn)行狀態(tài)，以消除時(shí)延問題和串?dāng)_現(xiàn)象，提高DRM 短波數(shù)字廣播的穩(wěn)定性可靠性。

1.1 OFDM 技術(shù)

在數(shù)字廣播領(lǐng)域，OFDM 技術(shù)通過多載波并行調(diào)制，確保傳播信道中不同載波保持正交性，并以此調(diào)整碼元傳輸中的串行碼元，使其轉(zhuǎn)變?yōu)椴⑿写a元，同時(shí)采用低符號速率方式進(jìn)行碼元傳輸，有效避免多徑時(shí)延問題和串?dāng)_現(xiàn)象的出現(xiàn)［1］。在DRM短波數(shù)字廣播技術(shù)中，利用OFDM 技術(shù)的多級編碼實(shí)現(xiàn)調(diào)制目標(biāo)。本質(zhì)上，OFDM 技術(shù)可作為物理層復(fù)用標(biāo)準(zhǔn)。在DRM 短波數(shù)字廣播中，并非傳播電信號或光信號，而是一連串符號，且相鄰符號串間配置保護(hù)間隔作為符號串的前綴，可有效避免時(shí)延［2］?；谠撛?，在DRM 短波數(shù)字廣播技術(shù)中，OFDM 技術(shù)具有諸多優(yōu)勢。第一，傳輸速率與頻率利用率較高。第二，傳輸時(shí)信號具備抗頻率選擇性衰落特征。在OFDM 技術(shù)的碼元周期中，它的數(shù)值為調(diào)制前碼元周期的N倍，存在碼元持續(xù)時(shí)間Ts=NT（碼元周期）的關(guān)系，且該數(shù)值遠(yuǎn)高于短波數(shù)字廣播傳播信道的延遲拓展，使得傳播信號具備更強(qiáng)的抗頻率選擇性衰落性能。第三，確保DRM 短波數(shù)字廣播中各個傳播信道已經(jīng)調(diào)制的信號呈嚴(yán)格正交模式，從而保證信號傳輸至接收端后，接收端能夠完全分離出傳播信道的各個子信號。第四，對于DRM 短波數(shù)字廣播的各個傳播信道，OFDM技術(shù)可優(yōu)化處理頻率選擇性信道，將其轉(zhuǎn)變?yōu)槠教剐诺狼蚁嗷テ叫?，使短波?shù)字廣播中的信道估計(jì)更便捷，信道估計(jì)結(jié)果更精準(zhǔn)，以提高信號傳輸質(zhì)量。此外，在OFDM 技術(shù)應(yīng)用中，多路子載波頻譜的密度曲線如圖1 所示，其中fk為第k路子載波的頻率，Δf為子載波頻率間隔，Ts為碼元持續(xù)時(shí)間。

由圖1 可知，在DRM 短波數(shù)字廣播技術(shù)中，OFDM 技術(shù)的應(yīng)用使多路子載波的頻譜密度增加，甚至表現(xiàn)出重疊現(xiàn)象。通常，在同個碼元周期內(nèi)，OFDM 技術(shù)的多路子載波均表現(xiàn)出正交特征，且在密集的子載波頻率支持下，可簡化DRM 短波數(shù)字廣播傳播信道，而無需在相鄰子信道中實(shí)施頻帶保護(hù)，從而提升傳播信道的頻率利用率?？梢?，在DRM 短波數(shù)字廣播中，OFDM 技術(shù)可顯著提升頻帶使用率。實(shí)踐應(yīng)用結(jié)果顯示，在DRM 短波數(shù)字廣播技術(shù)應(yīng)用中，利用OFDM 技術(shù)可將最貼近主載波的子載波作為信號傳輸?shù)摹昂诵摹陛d波，其數(shù)字信息的傳輸頻率可達(dá)20 kb/s，且和主載波相距最遠(yuǎn)的某一側(cè)外圍載波可共同構(gòu)建“增強(qiáng)系統(tǒng)”，強(qiáng)化數(shù)字信息的傳輸頻率。此外，在“增強(qiáng)”傳輸工況下，數(shù)字信息的傳輸頻率可達(dá)36 kb/s。

1.2 QAM 技術(shù)

QAM 是OFDM 技術(shù)多路子載波調(diào)制中的一種多進(jìn)制鍵控體制，采用振幅和相位同時(shí)鍵控方案，即獨(dú)立調(diào)整廣播信號的振幅和相位。在短波數(shù)字廣播中，常用的QAM 技術(shù)為16QAM 技術(shù)或64QAM 技術(shù)。QAM 技術(shù)的應(yīng)用可顯著提升短波聲音廣播質(zhì)量，使其具備與FM 類廣播同樣質(zhì)量的立體聲音。此外，QAM 技術(shù)還可在短波數(shù)字廣播現(xiàn)有的帶寬條件下，為短波數(shù)字廣播提供滿足廣播信號區(qū)域范圍內(nèi)覆蓋要求的帶寬效率。尤其在頻譜資源相對有限的無線電領(lǐng)域，帶寬效率提升的效果顯著。在實(shí)際應(yīng)用中，QAM 技術(shù)的碼元sk(t)可表示為［3］：

式中，Xk和Yk為振幅，均屬于離散值變量，取值范圍較廣；w0為角頻率；t為時(shí)間。

因此，在DRM 短波數(shù)字廣播技術(shù)中，可將QAM 技術(shù)的碼元看作是存在正交關(guān)系的兩個振幅鍵控信號的總和。

在實(shí)際應(yīng)用中，QAM 技術(shù)在DRM 短波數(shù)字廣播技術(shù)中的信號傳播矢量圖和星座類似，如圖2所示。在平均功率一致的情況下，與16PSK 信號相比，16QAM 信號的噪聲容限更大。兩者差值約為41.2 dB，可有效降低DRM 短波數(shù)字廣播傳播中的誤碼率，滿足DRM 短波數(shù)字廣播碼元傳播中誤碼率低于1×10-4的要求。為探究QAM 技術(shù)在DRM短波數(shù)字廣播技術(shù)中的最優(yōu)化應(yīng)用，研究學(xué)者分別將16QAM 技術(shù)和64QAM 技術(shù)用于DRM 短波數(shù)字廣播技術(shù)，并對比二者信號的傳輸性能。對比結(jié)果顯示，與64QAM 技術(shù)相比，16QAM 技術(shù)的誤差保護(hù)效果更好，信號傳輸時(shí)糾錯更多，適用于困難信號傳播工況和低信噪比狀況。因此，在DRM 短波數(shù)字廣播技術(shù)中，16QAM 技術(shù)的應(yīng)用更為廣泛。

1.3 DRM 短波數(shù)字廣播技術(shù)運(yùn)行模式

基于上述兩項(xiàng)技術(shù)支持，DRM 短波數(shù)字廣播技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用。DRM 短波數(shù)字廣播技術(shù)的運(yùn)行模式包括以下4 種［4］。

第一種：OFDM 載波間距為41.66 Hz；在9 Hz、10 Hz、18 Hz 和20 Hz 條件下，對應(yīng)的載波數(shù)分別為204、228、412 和460；傳輸信號的符號長度為26.66 ms；符號串間的保護(hù)間隔長度為2.66 ms；每幀符號數(shù)為15。該運(yùn)行模式具備多徑傳播特征，能夠產(chǎn)生多普勒效應(yīng)，通常用于本地?cái)?shù)字廣播或區(qū)域數(shù)字廣播。

第二種：OFDM 載波間距為46.88 Hz；在9 Hz、10 Hz、18 Hz 和20 Hz 條件下，對應(yīng)的載波數(shù)分別為182、206、366 和410；傳輸信號的符號長度為26.66 ms；符號串間的保護(hù)間隔長度為5.33 ms；每幀符號數(shù)為15。該運(yùn)行模式具備多徑傳播特征，適用于中等距離信號傳輸，目前在DRM 短波數(shù)字廣播中應(yīng)用最廣泛。

第三種：OFDM 載波間距為68.18 Hz；在10 Hz和20 Hz 條件下，對應(yīng)的載波數(shù)分別為138 和280；傳輸信號的符號長度為20.00 ms；符號串間的保護(hù)間隔長度為5.33 ms；每幀符號數(shù)為20。該運(yùn)行模式與第二種類似，但因載波間隔較大，信號傳輸時(shí)具備更強(qiáng)的抗多普勒頻移能力，可用于長距離信號傳輸。

第四種：OFDM 載波間距為107.14 Hz；在10 Hz 和20 Hz 條件下，對應(yīng)的載波數(shù)分別為88 和178；傳輸信號的符號長度為16.66 ms；符號串間的保護(hù)間隔長度為7.33 ms；每幀符號數(shù)為24。該運(yùn)行模式與第二種類似，適用于長時(shí)延信號傳輸，通常用于超長距離的短波數(shù)字廣播。

2 DRM 短波信號的監(jiān)測

在無線電監(jiān)測實(shí)踐中，監(jiān)測人員通常更注重傳輸信號的頻譜特征，主要根據(jù)獲取的頻譜特征分析傳播信號的調(diào)制方式。與AM 短波數(shù)字廣播技術(shù)相比，DRM 短波數(shù)字廣播技術(shù)的頻譜表現(xiàn)出平坦的特征。它的頻譜結(jié)構(gòu)類似于矩形，且頻譜中的能量分布集中于9 kHz 和10 kHz 指配信道，在二者中呈均勻分布狀態(tài)。這是因?yàn)槎滩òl(fā)射帶寬大都設(shè)置為10 kHz，且國際電信聯(lián)盟也規(guī)定了短波發(fā)射帶寬僅可為9 kHz、10 kHz、18 kHz 或20 kHz。在DRM 短波信號的監(jiān)測中，9 kHz 和10 kHz 指配信道內(nèi)頻譜參數(shù)特征如下：第一，頻譜線的肩部呈陡峭結(jié)構(gòu)，在低于功率譜密度電平的條件下，頻譜線表現(xiàn)出快速下降的趨勢，最低可達(dá)40 dB；第二，在指配信道中心頻率除±4.5 kHz 或5 kHz 的情況下，頻譜線在功率譜密度電平中仍保持下降趨勢，甚至低于40 dB。結(jié)合上述DRM 短波信號的頻譜特征，可有效區(qū)分其與AM 調(diào)制下的短波信號。

在DRM 短波信號監(jiān)測中，監(jiān)測人員可選擇合適的解調(diào)設(shè)備，分析DRM 短波信號的頻譜特征，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確監(jiān)測。具體而言，監(jiān)測人員可選擇WiNRADiO 企業(yè)生產(chǎn)的G39DDC 接收機(jī)用于接收DRM 短波數(shù)字廣播，可將接收機(jī)調(diào)諧至所監(jiān)測廣播臺的頻率，并選擇DRM 模式，自動進(jìn)行DRM 短波信號解碼。解碼過程中，可從設(shè)備屏幕的右側(cè)觀察到DRM 短波信號的捕獲進(jìn)展情況，在捕獲完成后可顯示信噪比，用于評估DRM短波信號的接收質(zhì)量。如果想要獲得可靠穩(wěn)定的音頻輸出，應(yīng)確保信噪比大于15 dB，并確保輸出的音頻不帶有揚(yáng)聲器的噪聲，以凸顯DRM 短波數(shù)字廣播的質(zhì)量［5］。此外，在不具備接收機(jī)的條件下，可錄制DRM 短波數(shù)字廣播的完整音頻傳輸至解碼軟件進(jìn)行監(jiān)測。常用的監(jiān)測軟件為Wavecom 企業(yè)生產(chǎn)的WPCI 軟件，可綜合評估DRM 短波信號使用的調(diào)制方式和載波間隔等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)全面深入的信號監(jiān)測，從而為DRM 短波信號的廣泛應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

3 結(jié)語

在DRM 短波數(shù)字廣播技術(shù)中，通過應(yīng)用OFDM 技術(shù)和QAM 技術(shù)來改進(jìn)傳統(tǒng)短波數(shù)字廣播中存在的不足，提高廣播的覆蓋范圍和廣播質(zhì)量，從而滿足新時(shí)期用戶對短波廣播的需求。為保障DRM 短波數(shù)字廣播技術(shù)的有效應(yīng)用，技術(shù)人員應(yīng)做好DRM 短波信號監(jiān)測工作，準(zhǔn)確解調(diào)DRM 短波信號，使DRM 技術(shù)在數(shù)字廣播領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。