DRM短波数字广播技术及监测

刘天康，韩仿仿

（国家无线电监测中心乌鲁木齐监测站，乌鲁木齐 830000）

0 引言

各国广播机构对声音广播广域覆盖的要求，导致HF频谱严重不足。目前，HF短波声音广播频段的拥挤产生了很大的干扰并限制了短波信道的数目。同时，全球对高质量声音节目的需求在不断增长。因此，国际电信联盟（ITU）对世界数字广播系统（the Digital Radio Mondiale System，DRM System）进行了业务描述和技术定义，以在世界范围内实现30 MHz以下地面广播的业务和技术统一[1]-[4]。目前已有11个国家或广播机构、58条广播频率登记在DRM官网了，范围覆盖了欧洲、美洲、大洋洲和亚洲。其中，中国登记了5个发射地的14条广播。国内对DRM也进行了长期大量的研究[5]-[7]，本文仅介绍HF短波数字广播DRM的调制技术及监测。

1 DRM调制方式

短波广播以天波或地波传播，在短波无线信道上，多径时延较大，传输码元时，码间串扰严重。为了抑制多径衰落，减少码间串扰，采用多个载波将信道分为多个子信道是有效技术之一。正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）是一种多载波并行调制的体制，利用各子载波之间的正交性，将串行码元转换为低符号速率传输的并行码元，以消除多径时延造成的码间串扰问题。在OFDM各子载波的调制上，采用正交振幅调制（Quatrature Amplitude Modulation，QAM）。QAM是一种振幅和相位联合键控的多进制键控体制，信号的振幅和相位作为两个独立的参量受到调制。DRM子载波的调制方式为64QAM或16QAM。

1.1 OFDM

实际上，DRM使用的编码/调制方式是编码正交频分复用（COFDM）的一种变体，综合了OFDM基于卷码集的多级码（Multilevel Coding，MLC）。OFDM是一种物理层上的复用标准，其在DRM上传输的信号为一连串的符号，每个符号串包括一个保护间隔，这个保护间隔是一种预防时延扩展的强健性周期性前缀。

OFDM与其他数字调制相比的主要优势在于：一是频率利用率高和传输速率大；二是各路已调信号严格正交，在接收端可以完全分离子信号；三是抗频率选择性衰落；四是将频率选择性信道分成平行的平坦信道，简化了信道估计方法，信道估计精度较高。

OFDM的缺点有：一是OFDM矩形脉冲的带外频谱泄露大，带外干扰大；二是对时间和频率的同步要求高，同步开销大；三是需要连续载波；四是带外滚降间较慢保护带较宽。

OFDM的码元周期是调制前码元周期T的N倍，即Ts=N*T，远大于信道的延迟扩展，这一特性增强了信号的抗频率选择性衰落的能力。

图1 多载波调制原理

图2 多路子载波频谱的模

设M进制的OFDM系统中有N个子信道，每个子信道采用的子载波为

式中，Bk为第k路子载波振幅；fk为第k路子载波频率；φk为第k路子载波初始相位。

因此，N路子载波之和为

码元持续时间Ts内任意两个子载波都正交的条件为

通过数学计算，可得子载波频率应满足

最小子载波频率间隔应满足

频带利用率为

从图2子载波合成后的频谱密度曲线中可以观察到，各子载波频谱重叠，实际上，各子载波在一个码元周期内是正交的。采用这样密集的子载波频率，且在子信道间不设置频带保护，是为了能够充分利用频率。故OFDM的频带利用率较高，是串行单载波体制的2倍。在全数字DRM中，紧次于主载波位置的子载波为“核心”载波并可以传送20kb/s的数字信息。距离主载波最远的任意一边的外围载波构成了“增强”系统。当处于增强模式时，可传送36kb/s的数字信息。

1.2 QAM

QAM拥有足以传输“FM类”立体声音频质量并在可用带宽内提供足够覆盖区域的带宽效率，特别适用于频谱资源有限的无线电业务。

QAM信号的一个码元可表示为

Xk和Yk可以取多个离散值变量，因此，QAM信号可以看作是两个正交的振幅键控信号之和。

QAM信号的矢量图看起来像星座，如图3所示，因此QAM调制称为星座调制，其星座图并不是正方形最好，而是越接近圆形越好。若平均功率相等，16QAM比16PSK信号的噪声容限大4.12dB，使得误码率下降，DRM系统中码元的误码率要求为1*10-4。测试显示，带有增强误差保护和纠错的更多强健性16QAM信号性能好于更低信噪比和更困难传播条件下的64QAM信号。

图3 16QAM星座图

2 短波DRM的频谱特征及监测

在无线电监测的工作中，监测人员较为关注信号的频谱特征，常常以频谱特征来初步判断信号的调制方式。DRM短波数字广播信号频谱与AM短波模拟广播信号频谱相比，DRM频谱是一个电平较为平坦的类矩形频谱，能量几乎在9或10kHz指配信道中平均分布（短波发射带宽基本为10kHz，ITU规定带宽一般为9/10/18/20kHz）；在指配的9kHz或10kHz信道中，频谱曲线肩部陡峭并在功率谱密度电平以下快速下降至40dB左右，且功率谱密度电平在指配信道中心频率振幅±4.5或5kHz以外继续下降至更低的水平。目前，已监测到中国、印度、罗马尼亚等国家的DRM短波数字广播，监测带宽均为10kHz。且存在双频道DRM声音广播，即在10kHz的带宽内提供两种语音广播服务。对DRM短波数字广播的解调，须使用具有DRM解调能力的接收机，目前市场上有些短波接收机已获得DRM联盟授权，通过安装密钥对DRM广播进行解调。在实际监测中，DRM短波广播的声音质量和抗噪声性能远远高于AM短波广播。DRM信号的理论和监测频谱如图4和图5所示。

图4 DRM的理论频谱模型

图5 DRM信号频谱监测及其解调

3 结束语

模拟广播向数字广播过渡是短波广播的发展趋势，DRM短波数字广播系统采用的调制方式及其差错保护和纠错编码可以在短波信道上抑制频率选择性衰落和多路时延，改善天波传播导致的多普勒漂移现象。我国是短波广播大国，短波广播覆盖范围广，台站众多，听众庞大而广，数字广播的发展将有力地提升我国广播大国的地位。数字广播业务在声音、数据等多媒体传输领域前景广阔，科学有效地分配广播资源，对发展我国自主知识产权的数字广播文化传播事业具有重要意义。