【内容提要】 替代模拟FM广播的数字技术主要有DAB、FM HD Radio和DRM+，而只有FM HD Radio和DRM+能够实现平滑过渡。在过渡期，兼容性是极为重要的问题。本文在简要介绍DAB、FM HD Radio和DRM+的技术特征及其局限性的基础上，讨论它们与模拟FM广播的兼容性问题。
【关键词】 FM广播数字化 FM HD Radio DRM+ 兼容性
一. 引言
在所有的模拟广播中，调频广播有最好的质量。但是，由于多径传播和移动接收时的频率选择性与时间选择性，严重影响调频广播的质量。为了改善FM广播的质量，过去相当长一段时期中，人们在发射与接收技术方面虽然采取过一些技术，但是由于物理的原因，不能从根本上解决FM广播存在的问题。此外，模拟FM广播提供的业务单一。
要从根本上解决模拟FM广播的问题，唯一的出路是数字化。通过数字化，在改善传输质量与音频质量的同时，提供数据广播业务，使新的数字系统变为多媒体广播系统。
为了实现FM广播的数字化，首要的要求是兼容性，即：一方面要求新的数字系统不应对现有的模拟FM电台造成干扰；另一方面是要求新的数字系统要经过较长的时期逐渐取代模拟FM，即实现由模拟到数字的“软”过渡。
对数字化的另一个要求是满足移动接收的要求。不同的数字广播系统有不同的调制方式与符号周期等技术参数，相应就有满足无差错接收的最高移动接收速度限制。
不同的技术系统使用不同的射频带宽和不同的调制方法，有不同的传输能力（数据率）。接收端的节目质量由传输质量（接收质量）与音频质量决定。传输质量取决于信道编码、调制方法与电磁环境；而音频质量则取决于演播室使用的音频编码方法和使用的数据率。
此外，数字系统应有同步网（单频网-SFN）运行的能力，节约频谱，节约功率。
为了实现FM广播的数字化，国外提出了有很多系统建议，有的系统已经实施，有的还在试验和准备制订规范之中。主要的系统建议有：DAB、FM HD Radio和DRM+。
所有建议的目的是，最终要取代模拟FM广播。不论何种技术系统，特别注意的是要考虑对现有FM广播的兼容性。
二. 数字系统不同数字系统的技术特征和局限性
1.DAB
DAB是最早提出并于1995年正式实施的系统。它虽然有高的数据率（主业务净数据率大约1.5Mb/s-1.7Mb/s）,有很好的声音质量（达到CD）与高速移动接收能力（满足250km/h），但是，由于DAB的RF频带太宽（1.536MHz）,不能逐一取代现在的FM模拟发射，只能等DAB在其他波段（III波段，L波段）发展到一定的程度，将FM广播全部关闭后，才能整体进入FM波段。也就是说，利用DAB不能实现由模拟广播向数字广播的平滑过渡。
2.FM HD Radio系统
HD Radio是美国IBOC系统的新的名字，用于FM波段的FM HD Radio系统于2002年被美国FCC批准为美国FM波段的数字广播标准。它在不影响现有模拟广播的前提下，使用现有模拟广播的频道提供高清晰度的数字声音广播与数据业务。
FM HD Radio也是一种OFDM系统，是在常规FM信号频谱两边创建了一组数字边带。
图1 FM HD Radio混合模式的频谱
图1所示是FM HD Radio混合模式的频谱。混合模式提供100kb/s的数据率。该模式支持模拟立体声和辅助业务通信(SCA)/广播数据系统（RDS）。数字副载波比模拟的低20dB(数字边带的总功率相当于FM发射功率的1/100)。
每个数字边带有191个副载波（包括11个基准副载波）副间隔为363.4Hz，采用QPSK调制，峰值系数为8.5dB(测量值,带上FM复合信号，峰值系数下降至≤2dB)。数字边带准确的频率范围为±129301Hz—±198402Hz。
经过比较长时间的过渡，可将模拟信号的频谱宽度缩小为±100kHz，左右空出的30kHz也用来传送数字信号，成为扩展的混合模式。在这种模式下，传输的数据率可达150kb/s。
最终，关闭模拟FM信号，其频谱也用来传输数字信号，变为全数字模式，数据率可达300kb/s。
在FM频段，美国FCC规定信道间隔为200kHz，（欧洲与我国为100kHz）；FM频谱是比较空闲，尽管FM HD Radio的带宽有±200kHz,但仍能满足美国FCC的频谱掩模的要求（见图2）。因此，在现有频谱的空隙可以用数字发射来填满。对现有的电台进行改造（发射机、天线），在现有的模拟发射信号安置数字信号，可使技术的花费和投资最小。
FM HDRadio是基于在相同覆盖范围内，两个调频发射台的中心频率相差800kHz而设计的。降低间隔会限制系统的性能。
如果在相同覆盖范围内，两个FM HDRadio的中心频率间隔仅为400kHz，如图3所示，那么就要求欲接收信号的电平不能低于相邻的不希望接收的信号15dB，否则欲接收信号的覆盖范围就会受到限制。
由于HD Radio技术附加的数字信号频谱位于正常信道的两侧，因此，如果在我国使用，理论分析认为，可能会出现邻频道干扰。由图4可以看出，如果中心频率相距200kHz，那么FM会受到混合模式的HD Radio部分的干扰。
图3 两个FM HD Radio电台中心频率相距400kHz
3.DRM+系统
DRM+是将工作于30MHz以下AM波段的DRM系统，扩展到最高到174MHz的范围，包括现行的模拟TV波段I（47MHz-68MHz），OIRT(国际广播电视组织)FM波段65.8MHz-74MHz.),日本FM波段（76MHz-90MHz）和国际通用的FM波段II（87.576MHz-107.9MHz）。
图4 在频道间隔200kHz时FM受混合模式的HD Radio干扰
近几年，德国进行了大规模DRM+实验室测试与开路试验。DRM+使用COFDM方法，高频带宽小于100kHz（目前使用的带宽为96kHz）。副载波的调制方法考虑选择QPSK=4QAM、16QAM或64QAM。DRM+的数据率范围为37.3-186.6kb/s，系统有同步网运行的能力，通过同一个发射机可以发射多达四套节目。另一个优点是与波段II中的频率间隔兼容。由于DRM+的射频带宽限制在100kHz以内，它可以充分利用现有模拟FM广播的频率空隙进行数字广播，也可以与FM节目一起进行同播(图5)，同播时两3中心频率相距150kHz。[Page]
三. 兼容性
1.保护率
保护率是接收机的特征量，它避免了在频率规划中进行各个SNR的测量，而是用它们的频率间隔对干扰的影响关系来衡量。保护率是指，干扰发射机应该比有用信号发射机弱到事先规定程度，才能保证有用信号的接收不受影响。要求的保护间隔尽可能的低，就能提高频率效率。在同频道中的保护率会影响，相隔多远的距离才可以重新使用相同的频率。在两个发射台的位置确定的情况下，邻频道中的保护率会影响最大可能的发射功率。保护率本身只是涉及到两个发射机的关系。
在进行保护率测量时，干扰器的功率一直提升，直到测试接收机的音频信噪比降低6dB为止。对于一个以HiFi质量的接收来说，假定需要的低频SNR为50dB，在测量时这样调整有用信号，即使接收机的SNR达到56dB。在考虑干扰影响的情况下，使SNR将回到50dB，就可以得到容许的最大干扰。这种测量方法只有在高级接收机中才能使用。很多现在广泛使用的接收机不可能达到50dB的SNR。附加的是用SINAD（Signal to Noise and Distortion-信噪比和失真）代替SNR可以确定接收质量。工作时使用一个调制的正弦音和加权的这个音的失真和噪声。
为了探讨不同的数字技术与模拟FM广播的兼容性，近两年来德国进行了持续时间很长的实验室实验与开路试验。如果能够满足FM干扰FM时要求的保护率，就可以认为是兼容的。
2.FM HD Radio与FM的兼容性
图6所示是FM干扰FM时的保护率曲线与FM HD Radio干扰FM时保护曲线的对比。
德国的试验表明：现有FM发射机改为FM HD Radio的混合模式时，有下面的结果：
(1)为了与现有FM广播兼容，改为混合模式时，视发射机中心频率偏置的不同，发射机的功率需要降低的范围在0-18dB。当使用小的发射功率(<1kW)时，不能任意的降低发射功率；但在其他情况下，发射功率需要降低最多达18dB,现有FM覆盖才不会受到损失。
(2) 当使用中功率和大功率发射机时，由于在200kHz的邻频道高的干扰，将功率降低多达18dB,才对现有FM的覆盖才没有影响。
(3) 不能工作在107.5MHz以上，因为增加的干扰进入航空无线电定位业务。
3.DRM+与FM的兼容性
（1）DRM+干扰FM
一般来说，现有FM发射机可以变为DRM+发射机，在ERP比FM低5dB的情况下，可以保护现有的FM服务。即：(FM-5dB)=DRM+。图7所示是FM干扰FM时与DRM+干扰FM时，FM需要的保护率测量结果对比（按照ITU-R BS.412-9 和ITU-R BS.641-2要求）。
（2）FM干扰DRM+
图8所示是，DRM+受FM干扰时的保护率与FM受FM干扰时的保护率对比。可以看出，即使DRM+使用16QAM调制，DRM+受FM干扰，需要的保护率至少可比FM干扰FM时低19dB。若DRM+使用4QAM调制，保护率至少可比原有FM环境下低29dB。
四. 在保证与FM兼容下DRM+的覆盖
图9所示是发射机由FM变为DRM+时的覆盖例：
德国Kaiserslautern Donsenberg 台，96.9MHz。
覆盖区域：
黄色：FM，0.5kW,最小可用场强EminFM=54dBμv/m；
绿色+黄色：由FM变为DRM+，功率降低5dB，成为0.16kW，16QAM调制，最小可用场强EminFM+=25dBμv/m；
绿色+黄色+蓝色：由FM变为DRM+，功率降低5dB，成为0.16kW，4QAM调制，最小可用场强EminFM+=15dBμv/m。
覆盖条件根据ITU BS.412-9，（天线G=6dB,10m）,考虑了20个强的干扰。
可以看出，在功率降低5dB的情况下，DRM+的覆盖范围大于原来的FM的覆盖范围。
当DRM+使用4QAM调制，其覆盖面积远大于使用16QAM调制时的覆盖面积。
五. DRM+混合模式
DRM+混合模式是FM与DRM+在下面的条件下同播：
*两个信号用同一部发射机和同一天线同播；
*FM功率余量不变化，且服务面积余量相同；
*在相同的服务区内接收两个信号；
*继续使用原来的频率；
*使用一个VHF FM/DRM+相结合的收音机前端，具有模拟/数字自动切换的功能；
*特别是在FM数字化的开始阶段，主要是经济方面的考虑。
图10所示是DRM+信道相对于同播的模拟FM的位置和电平调整范围的建议。
工作在DRM+混合模式时参数的建议：
*FM发射机功率余量不变化；
* △f(FM-DRM+)灵活的频率偏置：±[200kHz—400kHz]；
*DRM+ 4QAM调制，灵活的发射机功率，同样高的与现有FM业务的兼容；
*DRM+混合信号发射机功率降低的极限是在比较低的瓦的范围（可与HD Radio混合信号的数字部分相比拟）；
*在有些情况下，可以通过高的DRM+信号功率来实现；
*对于小功率发射机来说，要求的功率降低，明显的不像大功率发射机那样。
德国的开路试验表明：
（1）如果DRM+的功率与FM相比大于-20dB(像FM HD Radio混合信号的功率差)，且DRM+使用4QAM调制，那么,DRM+的覆盖面积始终要比现有的FM覆盖范围大，如图11所示。图中红色和黄色为FM的覆盖面积，黄色、红色与绿色部分是功率比FM低20dB的DRM+使用4QAM时的覆盖面积，黄色、红色、绿色和蓝色部分是功率比FM低5dB的DRM+使用4QAM时的覆盖面积；
图10 DRM+信道相结于同播的模拟FM的位置和电平调整范围
（2）如果DRM+的功率比FM低40dB或更多，那么DRM+使用4QAM时的覆盖面积要小于FM的覆盖面积（图中红色为这种情况下的DRM+的覆盖面积）。
六. 结束语
实现模拟FM广播的数字化有不同的方法。它们的区别主要表现在对现有FM广播系统的干扰、复杂性及接收机的价格等方面。
DAB由于宽的带宽，不能逐一实现FM电台的数字化，只能整体关闭FM，然后用DAB代替，此外，DAB 要求很多节目复合在一起，对于本地电台或地区性电台来说，使用不方便，会造成容量的浪费。[Page]
美国的FM HD Radio系统是基于在相同覆盖范围内，两个调频发射台的中心频率相差800kHz而设计的。降低间隔会限制系统的性能，在欧洲与中国应用会受到较大的限制，可能导致现有FM接收不能容忍的干扰。
在一定的功率条件下，DRM+与现有FM有良好的兼容性。此外，使用有较大的灵活性。有足够的移动接收能力（按照满足300km/h良好接收设计）。
因此，为了在一定的时期内逐步取代模拟的FM广播，DRM+技术系统看起来是最合适的。ITU和ETSI正在制订的DRM+系统技术规范，可能于2009年出台。DRM+系统的技术解决办法是成熟的，不论是发射机还是接收机，都可以借鉴工作于30MHz以下AM波段的DRM系统的经验。B&P