调幅广播发射机的数字化改造

刘洋

摘要：该文介绍了中、短波广播的数字化改造，也即DRM广播的原理，改造中要用到的DRM编码调制器这一重要部件的工作原理，DRM改造遇到的问题及解决的办法，并简介了美国大陆公司对100KW PSM调制短波广播发射机的改造。

关键词：数字化改造；DRM编码调制器；COFDM；数字频率合成器

中图分类号：TP37 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）03-0204-03

1 数字广播发展

在科学技术高速发展的当代社会，数字技术越来越深入到我们的日常生活当中。最常见的是数字电视正全面在全国推广、普及，并逐渐被普通百姓接受和认可。现行的中、短波调幅广播，以其能进行远距离、大面积覆盖的特殊优点，是数字电视、数据广播等其他信息传播方式所不能替代的，并成为各个国家机构必有的宣传工具。中、短波广播要在各种信息传播方式激烈的竞争中取得一席之地，就必须跟上时代的发展，进行数字化改造。

数字广播中比较突出的是DAB和DRM两种方式。数字音频广播DAB（Digital Audio Broadcasting）在本地范围接收效果较好，所以，现有的覆盖本地范围的调频广播的发展趋势就是向DAB广播转换。而DRM广播是现有的调幅中、短波广播的发展趋势。DRM（Digital Radio Mondiale）直译为世界范围的数字广播， Mondiale在意大利语和法语中是世界范围的意思，也可意译为数字调幅广播。DRM广播是适用于30MHZ载频以下的数字广播。现在又发展了一种DRM+的数字广播，是针对30-300MHZ的VHF（甚高频）频段广播设计的。目前，全世界范围以DRM方式运行的广播电台的数目已增加到70多个。在我国，广电总局无线局于2002年4月在海南进行了首次DRM 广播实验，2003 年又进行了两次DRM 广播实验， 从海南向北京发送的节目效果比模拟广播有明显的改善。一些地方台也进行了DRM广播的实验研究，并在积极引进DRM广播发射机。

2004年，通过联合攻关，中国传媒大学、国家广播电影电视总局广科院和无线局基于DRM（ETSI ES 201 980）标准首次在国内自主研制成功了数字调幅广播（DRM）系统，建立了我国自己的数字调幅广播（DRM）系统传输覆盖、外场测试实验平台和试验环境，解决了模拟调幅广播发射机数字化改造中的一系列关键技术问题。

中、短波调幅广播的发展趋势就是向DRM广播转化，现有的中、短波广播发射机在进行了DRM改造后，仍可继续使用，并且仍可使用原有的天馈线系统，这样就避免了浪费，节约了改造成本。DRM广播发射还可以传输其他的有用数据，如视频、文字等，实现资源共享，它除了具有数字广播的一般优势，如抗干扰能力强，传输可靠性高，声音质量好，节约频谱等优点外，就是移动接收效果也很好，而当今的社会，在车中收听广播也是很普遍的现象。所以实现中短波广播数字化后，收听人群比以前也会有一定的扩大。

作为一个广播发射工作人员，我深感广播发射和接收的数字化工作是摆在我们眼面前的问题，是我们工作的具体目标。虽然我国广播发射机的数字化改造尚未全面进行，但通过查阅国内外的一些相关资料，对广播发射机的数字化改造有一定了解是必要的。

2 现有中、短波调幅广播发射机进行数字化改造的基本原理

首先，音频信号经过音频处理器进行动态压缩，送入新增加的设备—DRM编码调制器中，DRM编码调制器的主要作用简单地说，就是把音频信号处理成满足DRM发射要求的COFDM基带信号，并且对这些信号进行预先调整，以改善发射机的非线性造成的不利影响，使发射信号符合国际电联（ITU）准则。

COFDM基带信号中的相位分量I（t）和正交分量Q（t）分为两路，一路转换为包络分量A（t），A（t）送入需改造发射机的调制通道，如同原来的音频信号一样，被放大后输入被调级，另一路在数字频率合成器中通过相位计算，提取出相位分量，对数字频率合成器产生的射频载波分量进行相位调制，变为相位调制的射频等幅振荡信号Φ（t），作为激励信号送入需改造发射机的激励通道，经各级射频放大，A（t）和Φ（t）通过延时处理后同时到达被调级，经调制放大后输出幅度和相位同时被调制的射频信号，这一信号使用原来的输出回路及天、馈线系统发射到服务区。 上述过程如图1所示：

在改造中，新增加了DRM编码调制器，并把原来的频率合成器改成数字频率合成器，它们都是DRM广播中的重要部件。现分别简介其原理如下：

2.1 DRM编码调制器

DRM编码调制器的原理简图如图2所示：

编码调制器主要完成三种业务通道（主业务通道 MSC，快速接入通道FAC，业务描述通道SDC）的信道编码和星座图映射（也即进行QAM调制），导频信号的插入，及COFDM 基带信号的形成。

音频信号通过信源编码器进行信号的压缩，变成合适的数字传输格式，与要传送的数据在复用器里合成，然后通过信道编码器加扰，这样可以使输入比特流的频谱变得更加分散，减小连“0”、连“1”出现的概率，进而可以降低COFDM信号的峰值-平均功率比（PAPR），以减少信号的干扰，信道编码器将比特流进行卷积编码，然后再做QAM调制，然后送入单元交织器，单元交织把QAM调制后的符号在时间频率坐标上随机的分开， 降低信号传输中由于衰落造成大面积误码的影响。交织器的主要作用是将原始数据序列打乱， 使得交织前后数据序列的相关性减弱，单元交织将QAM映射后的码元重新排序，以便获得一定的时间分集，进一步提高抗干扰性能，导频发生器为接收机提供信道状态信息，用于信号的解调。需传输的数据信号，如FAC（快速访问信道）、SDC（业务描述信道）等，经过预编码器将输入的信息转换成合适的比特流格式，也经过QAM调制，和从单元交织器出来的主信道数据MSC、导频信号、在COFDM单元映射器中被集中起來，COFDM单元映射器将三种业务的码元和导频符号在频率和时间轴上重新排序，使之对应于特定的COFDM子载波。放入时频栅格中，送入COFDM发生器，COFDM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，这一信号经D/A转换，再经滤波，输出COFDM数字基带信号，也即DRM基带信号。

在上述过程中，使用的是编码正交频分复用方法，即COFDM（Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing），音频信号及各种数据在DRM编码调制器中按一定规则进行分离，被分配到不同的载波上进行传送。在这些载波上的调制使用正交幅度调制（Quadrature Amplitude Modulation），即QAM调制，QAM 调制的主要功能是对复用后的数字音频信号和需传输的数字信号进行调制，使其具有较高的抗干扰能力。

QAM调制是幅移键控ASK（Amplitude shift keying）和相移键控（Phase shift keying）的结合，即把数字调幅和数字调相结合起来。QAM调制使用两个相同频率的正弦载波，每个载波可以使用一个纠错码，但是相位相差90度，互成正交關系。Q A M同时利用了载波的幅度和相位来传递信息比特，不同的幅度和相位代表不同的编码符号。两种被调制的载波在发射时已被混和，到达目的地后，载波被分离，数据被分别提取然后和原始调制信息相混和。

DRM广播中使用的主要是八进制QAM ，即64QAM。64QAM是一种在6MHZ 基带带宽内正交调幅的X进制（X=2，4，8，16）的二维矢量数字调制技术，通过2-6电平变换器（26=64）将二进制信号每6个分为一组，进行串并转换，形成a1a2a3和b1b2b3，3个位共可表征8种状态，所以两路正交的六电平幅度调制信号叠加共计8 × 8=64 种。

2.2 数字频率合成器

现在一般使用直接数字频率合成器DDFS（Direct Digital Frequency Synthesizer）或简称DDS。DDS中使用现场可编程门阵列逻辑控制器FPGA（ Field Programmable Gate Array）控制各种调幅、调相等波形输出。

在DRM发射机中使用的激励信号Φ（t）与传统的激励信号不同，传统的由频率合成器产生的激励信号是等幅同相的RF信号，而从数字频率合成器中输出的RF信号，虽然也是等幅的RF信号，但却经过了调相处理，即载波的初始相位随着基带数字信号而变化。

这样经过调相后，音频信号的信息就由RF信号的相位变化体现了出来，并作为激励信号通过原发射机的射频放大通路进行放大。

3 DRM广播发射机改造

3.1 DRM广播发射机改造的要求

DRM改造时，要求发射机满足下列四个条件。

1） 要求需改造的机器具有良好的线性。这是为了减少产生的附加频率成分，减少带外发射，减少波形失真，满足中、短波广播标准对频带的要求，而且发射机的线性不好会导致频带范围的缩小。

2） 幅度失真和相位失真尽量地小，这样才能使数字信号精确地还原为初始信号

3） 音频幅度、音频带宽、射频带宽都有一定的要求。这是因为在编码调制器中信号经过了QAM调制，其输出的COFDM基带信号是多载波的，这些载波的动态特性可能会使输入载波的调幅负峰瞬间变为0，引起相位调制信号的宽带噪音和瞬间反相，引起互调产物和带外发射。以我国所处的地理位置，国际电信联盟（ITU）推荐的发射带宽，中波是9KHZ或18KHZ，短波是10KHZ。进行DRM数字广播时，为满足立体声和同时发射其他数据的要求，中、短波都需要扩展带宽，美国大陆公司推荐在我国的地理位置，进行DRM广播时，中、短波的射频（Φ（t）信号）带宽为40KHZ，幅度调制（A（t））带宽为30KHZ—40KHZ。现代的CPU—密集型压缩技术可以使获得的带宽得到更有效的使用。

4） A（t）在被调制过程中的调幅负峰也要尽量达到100%，以消除过调引起的互调失真。

3.2 PSM调制短波广播发射机的DRM改造

从DRM编码调制器出来的数字COFDM基带信号可以经过两种放大器：线性放大器和非线性放大器，线性放大器结构简单，信号变换精确度高，但效率低，不适用于现实生活 。通常使用非线性放大器，效率高，适用于大功率发射机，但对发射机的要求也更高，要求较宽的音频输入带宽；较宽的射频输出带宽；并且要求发射机的线性良好，峰值功率输出能力较高。

美国大陆公司（Continental Electronics Corp.）对大功率PSM调制短波广播发射机的DRM改造已经有了较成熟的计划，大概的改造情况如下：

1） 增加功率模块开关频率。在大功率PSM发射机中，调制器后接的低通滤波器设置不好，会产生相位和频率的非线性失真，为减少非线性失真，需增加功率模块的开关频率，结果会导致音频带宽的增加。在DRM改造时，把开关频率提高到120KHZ到150KHZ，尽量使音频发射带宽在4.5到10KHZ之内。

2） 拓宽PSM调制器之后的低通滤波器的带宽。在把COFDM基带信号变为包络A（t）和射频调相分量Φ（t）的过程中，在理论上信号的带宽就会变为无穷大，在实际中则要求A（t）和Φ（t）的带宽是I（t）或Q（t）的三到四倍。为此，大陆公司调整了低通滤波器中所有电容和电感的数值，以适应宽带工作的要求。如图3所示：

3） 改造了调制器控制器的单边带发生器A1、单边带均衡器A2、音频通路板A4，在这些板中去除了音频输入滤波器，提供直流耦合，并添加了自动/手动切换到DRM广播的装置。

4） 使用数字频率合成器替代原来的频率合成器。美国大陆公司认为，一台输出100KW载波功率（峰值功率400KW）的发射机，可以产生25KW的DRM调制平均功率，其调幅正峰可在12dB之内变化，但如果这台发射机的数字平均功率即使只增加了2dB，发射机都会对幅度信号产生切削，引起带内和带外互调产物产生，对相邻频道产生干扰，所以需正确处理发射机的切削问题。在数字频率合成器的前端把I（t）和Q（t）信号先作切削，然后通过数字低通滤波器滤去由切削而产生的带外频率。进行2到4dB的低电平切削并不会使数字信号强度显著降低，却能改善整机的功率输出。

3.3 模拟信号和数字信号同播的问题

经过改造后，原有的模拟广播发射机可以播出数字信号。经改造后的大功率机有模拟双边带广播（DSB）和DRM广播两种切换方式，可方便地进行切换。而要实现模拟和数字同播，以适应模拟到数字广播的过渡时期，模拟DSB（双边带）信号和DRM信号不能在同一发射机的同一频道发射。可以使模拟信号占用原来的频率位置和带宽（9KHZ或10KHZ），而DRM信号占用相邻的频道，经同一部发射机发射。不过，这样就对发射机输出网络与天线调配网络的有效带宽有较高要求，需要达到30kHz以上，并在带内尽可能平坦。

以上只是对于PSM调制发射机DRM改造的基本认识，而在实际改造中，涉及的如何改善发射机的线性，使满足带宽要求，如何提高峰值平均功率比，如何在同一部机器中实现模拟和数字同播等问题，则需要在实践中不断探索，以使改造后的DRM发射机走向成熟与完善。

参考文献：

[1] 李栋.DRM技术系统.中国传媒大学信息工程学院

[2] C. Donald Spragg.DRM Transmitter Requirements and Applying DRM Modulation to Existing Transmitters.http：//www.contelec.com/pdf%5CDRM_Requirements.pdf

[3] 刘亨璋.DRM 广播链路中的射频发射环节[J].广播与电视技术，2007（4）.

[4] 欧盛春.一种数字调幅广播编码调制器技术.http：//www.elecfans.com/soft/161/2009/2009122860532.html

[5] 陈永春.DRM广播系统及接收机技术.http：//www.epc.com.cn/magzine/20070801/9519.asp

[6] 李江，吕锐，杨占昕.数字调幅广播（DRM）技术与应用研究[J].中国传媒大学学报，2008，15（2）.