带内同频数字声音广播系统FM IBOC

带内同频数字声音广播系统FMIBOC慧聪网2005年5月11日10时35分信息来源：慧聪网广电行业频道网友评论0条进入论坛中国传媒大学信息工程学院张云珠接上篇：带内同频数字声音广播系统FMFMFMFMIBOC(IBOC(IBOC(IBOC(一))))((((二))))FMFMFMFMIBOCIBOCIBOCIBOC数字声音广播系统介绍下面对现有的美国FMIBOC系统作以简要的介绍：IBOCIBOCIBOCIBOC数字声音广播系统的分层模型IBOC系统采用基于开放系统互联参考模型ISOOSI（InternationalStandardsOrganizationOpenSystemsInterconnection）标准的分层模式，IBOC系统的协议层实际上共分为5层，分别为：物理层、数据链路层、传输层、编码层和应用层，它与开放系统互联参考模型ISOOSI标准的对应关系如表2所示：表2IBOCIBOCIBOCIBOC系统的数字节目业务类型FMIBOC支持几种不同的数字节目业务，其中包括主节目业务MPS（MainProgramService）、电台信息业务（StationInformationService）、高级应用业务（AdvancedApplicationService）。其中，MPS提供的是模拟以及数字声音广播内容以及与该节目相关的文本信息，SIS提供所需的控制和鉴别信息使得观众能够搜寻和选择IBOC数字无线电台和他们支持的业务，AAS可以提供诸如音频点播、阅读消息以及交通信息播报等业务，事实上，AAS允许了不限定数量的定制在未来的任意时刻加入。同时还可能包含个人数据业务PDS，提供听众所需的个性化有价值的数据业务。IBOCIBOCIBOCIBOC频谱及波形在FMIBOC系统中，共有三种基本的数字广播方式，它们是混合方式Hybrid、增强型混合方式ExtendedHybrid、全数字方式AllDigital。这三种广播方式中的数字信号均采用正交频分复用OFDM（OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing）调制方式，因此可以实现灵活的频谱划分。每一种方式的频谱结构均有频谱边带组成，每个边带代表不同的子载波群。下面先介绍一下FMIBOC系统的基带频谱划分。IBOC基带频谱以0Hz为中心，左起从-198.402KHz至右198.402KHz，整个频带共分为1093个子载波，由左至右子载波一次编号为-546至546，子载波间隔。每19个子载波组成一个频谱子块，其中18个为数据子载波，用来传输数字节目信息，另一个为参考子载波，用来传输系统控制信息。频谱字块根据参考载波的位置不同可以分为A、B两种方式，如图3A和3B所示：图3A频率子块的载波分配方式A图3B频率子块的载波分配方式B整个基带频谱以参考子载波#0为中心，分为上、下两个边带，对称分布。每个边带中远离中心子载波的14个频谱子块组成主边带，靠近中心子载波的频带组成次边带，次边带中同样包含14个频谱子块，所以整个IBOC基带频谱共有56个频谱块：除了每个频谱子块中有一个参考子载波外，整个频谱中还有5个附加的子载波：-546、-279、0、279、546。此外，上、下边带的次边带中靠近主边带处各有12个子载波（与279参考子载波顺序排列），不能形成一个频谱子块，所以实际上这24个子载波并没有用到。FMIBOC基带频谱上、下边带的子载波分配入图4A和图4B所示：图4AFMIBOC基带频谱上边带子载波分配图4BFMIBOC基带频谱下边带子载波分配按照频谱划分的不同，FMIBOC系统的三种基本广播方式，分别对应于Layer1的三种发送波形，以便于灵活地从模拟广播系统过渡到数字广播系统，IBOC的三种广播方式都有具体的频谱发送模型，在测试中，每种方式的发射试验都表现出良好的效果，得到FCC的认可。HybridHybridHybridHybrid（混合方式）：Hybrid广播方式是在与模拟信号的兼容性上要求相对较低的一种方式。数字信号在模拟FM信号两边的主边带上传输，如图5所示，仅使用了每个主边带中距离中心子载波最远端的10个频谱子块（FP），称为PM频带，所占用的频谱范围为-198.402～-129.361KHz以及129.361～198.402KHz。每个PM频带的发送功率都比模拟FM信号总发射功率低23dB左右。频谱中-129.361～129.361KHz的范围是保留给模拟信号的，可以是单音信号或立体声信号，也可能包含辅助通信认证（SCA）信道。图5混合方式Hybrid的频谱ExtendedExtendedExtendedExtendedHybridHybridHybridHybrid（增强型混合方式）：ExtendedHybrid广播方式的数字信号频带是在Hybrid波形的基础上向模拟FM信号的频带扩展1、2或4个频谱子块，扩展的频谱子块的个数可以根据广播电台业务容量的需要来选择，从而增加了数字信号信道容量。扩增的频谱子块，分布在每个主边带的内侧，称为主扩展频带（PX频带）。图6即为ExtendedHybrid的频谱结构：图6增强型混合波形ExtendedHybrid的频谱AllAllAllAllDigitalDigitalDigitalDigital（全数字方式）：IBOC方案最终的目标是实现全数字系统，全数字系统中没有模拟信号部分，所有的频带都用来传送数字信号。如图7所示，这种全数字波形中原有的模拟FM信号被数字信号所取代，并允许这部分数字信号在该次边带中以较低的功率发送，从而实现了全数字系统。次边带与主边带具有类似的频带划分，如图7所示，次边带靠近中心子载波的10个频谱子块成为SM频带，靠近主边带的4个频谱子块成为SX频带。图7全数字波形AllDigital的频谱三种广播方式是从模拟数字共存逐渐过渡到数字的一个过程。其中，在Hybrid和ExtendedHybrid广播方式中，模数信号共存，它们的频谱中都有一部分用来传送现有的模拟广播信号，而AllDigital广播方式则不再传送模拟广播信号，是一种全数字的广播方式。每物理层（Layer1Layer1Layer1Layer1）功能模块在这一部门，我们简要介绍一夏FMIBOC系统物理层（Layer1）的功能实现以及相关的信号流向。图8为Layer1信号处理的功能框图。音频以及数据通过业务接入点ServiceAccesspoints由OSI的高层输入物理层。图8物理层（Layer1）功能模块框图下面介绍一下信号数据的流程：业务接入点SAP：L1的业务接入点SAP定义了系统协议中Layer2与Layer1之间的接口。每个逻辑和控制信道都有它们自己的SAP。各个信道均夷离散传输帧的形式进入Layer1，它们的大小以及速率都是由业务模式唯一确定的。这些Layer2的传输帧通常被称为L2的业务数据单元（SDU，ServiceDataUnit）和业务控制单元（SCU，ServiceControlUnit）。加扰模块：在由传统的模拟FM解调器解调信号的情况下，需要对每个逻辑信道的数字数据进行随机处理以使信号更“白”并减小周期性。信道编码：因为存在信道损失，我们使用卷积码来增加每个逻辑信道数字信号的冗余度，以提高其可靠性。编码的保护度与编码率成反比。编码的具体技术参数由业务模式决定。选中的逻辑信道上带有多径延时。在信道编码器的输出端，逻辑信道矢量保持其独立特性。交织：时域以及频域的交织用来减小突发错误的影响。交织技术针对VHF的衰落环境，由业务模式来配置。在这个处理过程中，逻辑信道失去其独立特性。交织器以矩阵的形式输出，每个矩阵均有一个或多个逻辑信道组成，并结合一特定的发送频谱。系统控制处理：这部分负责生成一系统控制数据序列的矩阵，包括控制和状态（例如业务模式），以便于在参考子载波上广播。OFDM子载波映射：这部分负责将交织器的输出矩阵以及系统控制矩阵分配至OFDM符号的子载波上。在一个OFDM符号周期Ts时间内，活动交织器矩阵的每一行产生一输出矢量，其便是信号的频域表示。映射遵循非均衡干扰环境，并成为业务模式的功能组成。OFDM符号产生模块：这部分负责生成FMIBOC的时域波形。输入矢量转换为成型后的时域基带脉冲信号，便产生了OFDM符号。发送子系统：这部分负责形成VHF频道传输的基带波形。主要的功能包括符号串联以及上变频。此外，当发送混合型Hybrid波形时，将同时完成模拟信号调制并与数字信号结合以形成复合的Hybrid信号，以便传输。FMFMFMFMIBOCIBOCIBOCIBOC系统结构iBiquity的FMIBOC在传输Hybrid和ExtendedHybrid波形时，采用了模拟信号和数字信号分离处理的结构，处理后的数字信号以及FM立体声信号在激励器或者天线上进行耦合，然后一起发射到调频频道上传输。其发射系统功能框图如图9所示：图9Hybrid/ExtendedHybrid下发送子系统的功能框图此系统分为模拟和数字两路处理过程，左边的方框内是对模拟信号的处理过程，其输入是调频复合基带信号，也可以包含辅助通信业务SCA，右边是对数字信号的处理过程，其输入是OFDM调制以后的基带OFDM时域符号，这里要将这些时域独立的OFDM符号串联起来，形成一个从的脉冲连续信号，并进行上变频变换。在将FM模拟信号波形与DAB数字波形混合之前，要对基带模拟信号进行一定的延时，并完成对基带模拟信号的FM调制，其中，群延时控制信息来自于IBOC的系统控制信道。在发射台可以共用激励器或天线，如图10所示：图10FMIBOC发射台结构通过测试，iBiquity的FMIBOC系统在以下两个方面都有很好的性能：1）数字信号本身的工作性能；2）数字部分对原来模拟信号的影响情况。（全文完）