53数字声音广播 9 DRM技术系统

1DRM技术系统中国传媒大学信息工程学院2DRM和DRM+的频谱位置31、DRM系统产生的背景1、1、模拟AM广播需要数字化30MHz以下的长、中、短波广播波段，迄今为止使用的幅度调制虽然技术很简单，但是抗干扰能力很差，尤其是在短波经常出现干扰。4多年来短波广播就变得没有什么吸引力了。原因主要在于差的声音质量以及麻烦的操作与电台寻找。AM广播自身的缺点和加之其它数字媒体的竞争，其结果是调幅广播的不景气，听众数量下降。5AM广播的数字化，可以使声音质量得到明显的改善，通过好的质量再来吸引听众。此外，数字化后，可以通过传输附加数据，例如电台名称和替换频率，可使接收机的操作变得简单容易。6从能量的利用来看，AM发射功率中的很大一部分是用于载波（例如，当平均m=0.3时，载波功率占发射总功率的95.7%）,对信号本身甚至完全没有好处。现今中短波广播发射机功率都很大，与此相联系的是有相当高的运行费用。7从频率资源的利用来看，30MHz以下的广播波段有其特有的性能，它能实现远距离和大范围的覆盖，是实现地区性、全国性及国际性广播覆盖的最好手段之一，而且它的良好的快速移动接收特性是其它数字传播媒体所不能相比的。因此，其它众多媒体的数字化并不能代替AM广播的数字化。8模拟AM广播数字化对听众、广播机构和发射与接收设备制造商都会带来好处：首先，对于听众来说，除了得到良好的声音质量和接收机操作、使用简单方便外，还可以得到如文本等数据业务的服务。9对于广播机构来说，在振兴调幅波段的广播的同时，数字广播可以有增值业务，具有节约发射功率（在保持相同的覆盖范围的情况下，发射功率起码可低6dB）和节约频谱的能力（有同步网运行能力），可以说是既有显著的社会效益又有显著的经济效益；10对于设备制造商而言，通过数字化可以带来新的市场机遇，新市场的开辟会有良好的投资回报。111.2、全世界需要统一的数字化系统调幅广播是世界性的广播，尤其是短波广播，必须使用统一的标准，并进行世界统一的短波频率规划和分配。这样做既保障有良好的“空中”秩序，又拥有广大的听众。12当模拟调幅广播准备向数字AM广播过渡的时候，在1998年以前，世界范围内曾经有五种不同的数字系统进行试验。13为了选择合适的统一的数字AM系统，1998年3月在中国广州成立了数字AM广播的国际组织DRM（DigitalRadioMondiale）联盟。14DRM联盟的目标是开发数字长、中、短波广播的世界范围的标准，并提供一个系统建议，供ITU进行标准化。经过紧张工作，DRM提出了系统建议，并于2001年4月在ITU作为正式的建议书而获得通过。15DRM系统在2001年10月被ETSI标准化，并在2002年3月经IEC通过，DRM系统规范正式生效，为AM波段广播的数字化铺平了道路。国际上不少广播机构的部分发射台，已经从2003年6月16日（日内瓦召开ITU无线电行政大会）开始，以DRM方式正式投入广播运行，这标志着30MHz以下的广播新时代的开始。16DRM系统充分考虑到了与ITU现有的边界条件相一致以及与现有的模拟业务的兼容，并保证了由模拟广播向数字广播的平滑过渡。172、系统总体特征182、1、系统结构1920*主业务信道（MSC）主业务信道包括了DRM多路复用中包含的所有业务的数据。多路复用可以包含一到四种业务，每一种业务既可以是音频，也可以是数据。MSC的总比特率是由DRM信道的带宽和传输模式决定的。21*快速访问信道（FAC）快速访问信道为接收机提供进行快速搜索的业务选择信息。它包括接收机能够有效地开始解复用的有关信道参数信息（如频带占有和交织深度）。它也包括关于在多路复用中的业务允许接收机解复用或变化频率和重新搜索的信息。22*业务描述信道（SDC）业务描述信道给出怎样对MSC解码、怎样找到发射相同节目的替换频率的信息，并给出在多路复用中的业务的归属。23*信源源编码器和预编码器信源编码器和预编码器可以保证将输入数据流适应成合适的数字传输格式。在音频源编码的情况下，功能包括音频压缩技术。源编码器和数据流预编码器的输出可以包含两个部分，它们在后继信道编码器中需要两种不同等级的保护。所有业务都必须利用这两种保护或其中的一个。24*多路复用器将保护等级与所有数据和音频业务结合起来。25*能量扩散能量扩散的目的是为了避免出现某些特定信号形式的可能性，能量扩散可以通过给定的伪随机二进序列来实现。能量扩散用于主业务信道（MSC），快速访问信道（FAC）和业务描述信道（SDC）。26*信道编码器信道编码器是通过增加信息冗余来保证传输的准确无误差，并将数字编码信息映射到QAM单元中。27*单元交织器单元交织器将连续的QAM单元展开为在时域和频域都分开的准随机的单元序列，以便提供在时间－频率弥散信道中的可靠的传输。28*导频发生器导频发生器为接收机提供信道状态信息，估计信号的相关解调。29*OFDM单元映射器OFDM单元映射器将不同等级的单元集中起来并把它们放在时频栅格中。30*OFDM信号发生器OFDM信号发生器以相同的时间序将每个单元组转换成时域来表示的信号，通过插入保护间隔对信号的一部分进行重复，就可以从这些信号的时域体现得到连续的OFDM符号。31*调制器在传输中，调制器将OFDM符号的数字形式转换为模拟形式。这项处理包括D/A转换和与频谱要求相一致的滤波。322、2、传输模式33DRM系统工作于30MHz以下的长、中、短波段。为了满足不同的运行条件，提供了不同的传输模式供选用。每一种传输模式用信号带宽相关参数和传输效率相关参数定义。342、2、1、信号带宽相关参数AM广播目前信道宽度为9kHz和10kHz，DRM系统设计用于:·为满足当前的频道配置，工作于这些规定的带宽。·为与模拟AM信号共同广播，工作于这些带宽的一半（4.5kHz或5kHz）。·当频率规划的限制允许时，工作于这些带宽的两倍（18kHz或20kHz），以提供更大的传输容量。352、2、2、传输效率相关参数对于任意信号带宽参数，为了能够在传输容量（有用比特）和抗噪声性能，多径和多普勒效应之间进行均衡，都定义了有两种类型的传输效率相关的参数：36·编码率和星座图参数，定义传输数据时使用哪种编码率和星座图。·OFDM符号参数，作为传播环境（条件）的函数，定义OFDM符号结构。37（1）、编码率和星座图为对每种业务或者一种业务的某些部分进行期望的保护，系统提供了一系列选项，以便在某一时间提供一种或两种级别的保护。根据业务的需要，这些保护的级别由信道编码的编码率(如0.6……)、星座图（如4－QAM,16－QAM,64－QAM）或分级调制来决定。38（2）、OFDM参数组OFDM参数组中的每一套参数用于不同的传播衰减条件，以保证信号有不同的强壮性。对于给定的带宽，不同的强壮模式用于不同的数据率，有四种典型的强壮模式。39强壮模式典型传播条件A有弱衰落的高斯信道B有长时延弥散的时间选择性与频率选择性信道C与强壮模式B相同，但有大的多谱勒弥散D与强壮模式B相同，但有严重的时延和多谱勒弥散40为了在解调处理中作为参考使用，每个OFDM符号某些固定数量的单元采用预定的幅度和相位传输，它们被称为“参考导频”。41导频分布42信号带宽相关参数定义了频率带宽的总量和一种传输模式所用的结构;传输效率相关参数允许在容量（可用比特率）与抗噪声、多径干扰和多普勒效应之间进行折衷。434445462、3DRM传输帧结构47482、4DRM的节目与动态重组49505152533、信源编码543、2数字AM广播对信源编码的特殊要求数字音频信号的质量是由其数据率决定的，音频数据率越高，在信道上传输的数据率也越高，所需的射频带宽也就越宽。55DRM系统规定使用与模拟AM广播相同的频道宽度（9KHz或10KHz），在条件允许的情况下，最多可以使用到加倍的带宽（18KHz或20KHz）。56在这样窄的带宽限制下，为了得到好的声音信号质量，除了选择相应的信道编码和调制方法外，十分重要的一点是选择相应的信源编码方法，要求信源编码的比特率处于8kb/s（半信道）到大约20kb/s（标准信道）、最高到大约72kb/s（双信道）的范围。57国际上MPEG组织迄今为止已经发布了MPEG1、MPEG2和MPEG4等不同的信源编码标准。不同的信源编码方法有不同的数据压缩效率和不同的声音信号质量，适用于不同的场合。DRM系统必须选择压缩效率最高，同时又有好的声音质量的信源编码方法。583、3DRM系统使用的信源编码方法在DRM系统中，最关键的技术之一是信源编码方法。为在给定的比特率下提供更好的质量，系统使用了属于MPEG4的不同的信源编码方案，以适应在数字AM广播中不同节目（音乐/语言）和不同带宽的需要。59（1）MPEG4子集AAC(先进音频编码)，包括抗差错强壮性处理，用于普通单声道和立体声广播。60（2）MPEG4子集CELP（码本激励线性预测）语音编码.，用于单声道语音广播，对很低比特率是有效的，或者适合于在要求较高的抗差错强壮性的情况下应用。61（3）MPEG4子集HVXC（谐波矢量激励编码）语音编码，用于很低比特率和抗差错强壮性单声道语音广播，特别适合于基于语音数据的应用。62除了上述的编码方法外，在DRM系统中还应用了频带恢复（SBR—SpectralBandReplication）技术，它是一种在低比特率情况下获得完全音频带宽的音频编码增强方法（工具），它可以与AAC、CELP和HVXC联合应用，构成目前能力最强的压缩方法。63仅AAC本身效率已经比的MP3方法高出30%，然而由于窄的有限的带宽，仅使用AAC是不够的。借助附加应用的SBR，可以在保持同样高的音频质量的情况下，数据率还可以再减低40%。这样就有可能传输数据率仅为25kb/s左右的高级的音频信号，远不到ISDN线路的1/3。64当节目是纯粹的语言内容时，例如新闻节目，在DRM系统中比特率甚至可以减低到10kb/s—2kb/s。65信源编码传送的比特流传输格式要变化为适合于DRM系统的要求。采用不等错误保护（UEP），以便在有错误倾向的传输信道中改善系统的性能。66673、4、如果实施DRM以后又发现了新的音频编码方法，接收机升级问题68技术总是不断进步的，以后肯定会出现更好的音频编码方法，尤里卡147-DAB就属于这种情况。当时在制定DAB标准时，兼顾编码效率、质量和复杂性，认为MUSICAM（即MPEG1LAYER2）是合适的，但现在看来它还不够完善。69日本在发展DAB（NipponDAB）时，采用了MPEG4–AAC。这样，在保证同样好的声音质量（CD质量）的情况下，数据率可以减半，在同样的射频带宽下，可传输的节目套数加倍。此外，NipponDAB的接收机也考虑了能够对尤里卡147-DAB进行解码的问题。70然而尤里卡147-DAB已经得到一定程度的发展，不可能再更换新的音频压缩方法，否则，已有的接收机就无法解码了。71此外，后出现的好的音频编码方法一般来说是不向下兼容的，例如现在的MPEG4AAC和老的MPEG2（Layer1、2、3）之间就不兼容。72为了能够解决这样的现实性问题，就必须开发能够进行完整的软件升级的接收机。然而这样做，一方面会妨碍接收机制造商在低电流消耗条件下的最佳芯片设计和开发，另一方面人们必须知道，每一个将来可能的音频编码所所需要的处理器的功率和存储容量。73出于这些原因，DRM实施后，不会再考虑使用未来的更新的音频编码方法。744、信道编码75考虑到实际应用的有效性和模块的通用与廉价性，DRM系统使用了与DAB完全相同的信道编码器。76775、OFDM传输方法78在DRM系统中保护间隔构成是不同的，根据传播是通过地波还是天波而定。保护间隔持续期的选择应当谨慎，必须根据预期的时延差来配置。79如果选择的太短，在强壮性方面就会丧失一部利益。反之，如果太长，就会丧失很多有用的数据率，会影响声音质量。80在DRM系统中，地波模式由于直达波与反射波之间的时延差较小，取保护间隔为符号有效期的