数字音频广播应用

2016-08-05 广东省广播电视技术中心郑莉丽传播与制作

一，引言

　　数字音频广播从字面上理解就是用数字化方式传输音频广播信号。数字音频广播是继第一代调幅广播，第二代调频广播之后，随着数字信息技术和互联网技术的广泛应用发展而来的第三代音频广播。

　　数字音频广播较前两代音频广播有着非常明显的优势，由于其全程采用数字技术来处理广播中的信号，并通过纠错技术使原始信号在经过制作、传输、发射等环节后，仍能够最大限度地重现原音，不会像传统的前两代音频广播那样因受到各种干扰而出现大面积的失真或衰落。

　　此外，数字音频广播的优势还体现在如下几项：

　　(1) 音质好，可以在较低码率下达到CD唱片的音质。数字音频广播抗干扰的能力非常强，不受电波传输过程中信号衰落的影响，在接收门限以上的信号失真度几乎为零。

　　(2) 抗多径干扰能力强。快速移动状态接收不受影响，而且可以做到“单频同网”，车载广播不需要更换频率就可以收听本区域内的节目。

　　(3) 发射功率低，发射效率高，覆盖面积大。一般情况下，数字信号发射功率在模拟功率-13dB时就能达到模拟功率的覆盖范围。

　　（4）频谱使用效率高。在100KHz频率带宽上，可以传送3-4套数字节目。同时，还可以通过规划单频网，进一步提高频率使用效率和范围。

　　(5) 在传送音频广播节目的同时，还能传送多媒体数字业务，如交通信息、天气预报、股市行情等。

二，数字音频广播世界格局

　　随着数字音频广播的发展，世界各个强国也都在积极的参与到数字音频广播技术的研究和系统标准的制定。目前在世界范围内，主要的数字广播系统标准有5个，分别是：欧洲Eureka联盟所制订的Eureka-147、美国的IBOC（In-Band On-Channel）、法国的DRM（Digital Radio Mondiale）、日本的ISDB-T（Terrestrial Integrated Service Digital Broadcasting）以及我国CDR（China digital radio）。

　　由于欧洲Eureka联盟所制订的Eureka-147是最先提出的，而其他几种标准要么成熟过晚、要么还在科研制订，因此其他系统标准的推广均远不及Eureka-147。下表为全球采用数字音频广播标准情况表：

标准	地区
Eureka-147	英国、澳大利亚、奥地利、比利时、文莱、加拿大、捷克、丹麦、爱沙尼亚、芬兰、德国、匈牙利、印度、以色列、意大利、马来西亚、荷兰、挪威、波兰、南非、韩国、西班牙、瑞典、瑞士等等
IBOC	美国
DRM	法国
ISDB-T	日本
CDR	中国

　　在这5种标准中，欧洲Eureka所制订的Eureka-147标准和美国所制订的IBOC标准是目前世界上最流行的两种。

　　Eureka-147系统标准的突出优点:（1）频带外(out-of-band)的广播系统。由于Eureka-147系统为频带外(out-of-band)广播系统,与现行的FM、AM广播并不兼容,故须重新规划专属频道来使用。（2）行动接收能力强。利用保护频带(Guard band)及交错码(Interleave)方式，可避免多重路径干扰与多普勒效应所引起的选择性衰落，使得单一频道便可达成全区域广播,即所谓的单频网络(Single Frequency Network;SFN)。

　　美规IBOC系统的优点:（1）在现有AM和FM发射设备的基础上，增加少量设备和少量投资，就可实现数字音频信号与原有的模拟广播信号用同一频道发射。这样一方面保留了原有的模拟系统，另一方面不需要为DAB业务准备新的频率规划，达到了频率复用的目的，节省了频率资源。（2）利于行动接收。IBOC系统采用OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)的多任务技术,有利于行动接收，接收机设计制作简单，价格低。

三，我国数字音频广播的发展

　　欧洲的Eureka-147和美国的IBOC标准是目前比较成熟的技术标准，我国也很早就开始对这两种标准进行研究和测试。从近二十年我国数字音频广播的发展情况来看，国内尝试了国外多种体系标准，但由于其各自的弱点和瓶颈，一直没有在全国范围内发展壮大。

　　随着我国各种广播影视科技发展规划的出台，明确提出要推进我国音频广播的数字化，建立适合我国国情、具有自主知识产权的数字音频广播体系。这预示着我国声音广播即将迎来数字化发展的春天，并为建立我国自主知识产权的数字音频广播标准——CDR（China digital radio）指明了方向。

　　为此，在2007年，由总局广科院牵头，展开了中国数字音频广播系统CDR的研发和实验，并率先在调频频段取得成果。2013年后，国家新闻出版广电总局先后颁布了信道、复用、信源等一系列CDR标准，北京、广东等地相继启动了CDR 数字音频广播示范网建设和运行。

四，CDR主要技术特点

　　1，集成自主知识产权的DRA+信源编码算法

　　CDR系统信源编码采用DRA+，在很大程度上保证了CDR 全套体系的自主知识产权的完整性。

　　广播业务由于受传输信道资源的限制，对音频信源标准的压缩效率有苛刻的要求，而DRA 技术的最大特点是低解码复杂度、高压缩效率，因此非常适合在数字广播电视领域的应用。DRA+音频标准同时支持立体声和多声道环绕声的数字音频编解码。根据ITU-R BS.1534-1建议书，国家广播电视产品质量监督检验中心数字电视产品质量检测实验室对DRA+音频进行了主观评价测试，结果表明：评价对象（DRA+）在48kbps码率下的评价结果均为优，与3GPP EAAC PLUS质量相当。

　　DRA+的在不同码率下主观音质体验见下表：

　　DRA+编码算法码率说明表

码率	声道数	质量说明
24kbps（DRA+）	立体声	略低于FM质量
32kbps（DRA+）	立体声	与FM相当
48kbps（DRA+）	立体声	高于FM质量
64kbps（DRA+）	立体声	近似CD
128kbps（DRA+）	环绕声	优于伪环绕声
256kbps（DRA+）	环绕声	接近典型环绕声

　　2，采用更高效的LDPC信道编码算法

　　在CDR 的调频频段中，采用了更高效的信源编码算法LDPC，算法中保持了与CMMB 系统相同的码长和准循环结构，使用了新的设计算法使编码增益进一步提高，提供1/4、1/3、1/2、3/4 四种码率。

　　采用这种高效的信源编码算法，可使得发射机功率比其他采用卷积码的数字编码技术降低一半。

　　3，针对调频和中波调幅优化的系统传输方案

　　CDR 针对调频和中波调幅优化的系统传输方案，有几种传输模式。

　　针对不同的运营场景，设定三种传输模式：一是大面积单频网覆盖，一个发射机可以覆盖几十公里的范围；二是高速移动接收，例如在高铁上每小时300 公里以上的速度进行接收；三是高数据率传输，在频点上能够传输更高的数据量。

　　可根据情况选用QPSK、16QAM、64QAM 调制，信道编码码率可选择1/4、1/3、1/2 或3/4。CDR 在调频频段支持多频点协同工作，能够改善衰落信道环境下的传输性能

　　4，灵活的频谱配置结构

　　在IBOC标准的系统中，信号带宽固定为400kHz。但在CDR标准中，信号带宽可进行非常灵活的配置，以100kHz 基础，最大可扩展至800kHz，中心频率以50kHz 步进，可以实现多子带捆绑和数模同播。

　　5，支持逐步演进的系统架构

　　CDR 支持逐步演进的系统架构，支持目前比较新的分层调制技术、多频道频率分集技术。采用比较灵活的架构，能够把正在研究的技术逐步应用到CDR的系统中，不断完善系统。

五，CDR在我国的探索与实践

　　广东省一直是我国在音频广播数字化领域的排头兵。自2012年起，广东就启动了在广州和深圳两个发射点进行CDR的全面试验和测试。

　　广州CDR试验点的目标是利用一个100K的模拟广播频道，用1台发射机以模数同播的方式播出一套模拟调频广播节目和两套数字广播节目。

　　下图为广州CDR试验网系统前端设备及信号传输框图：

数字音频广播应用

　　广州CDR试验网的节目源为中国国际电台和广东电台的调频广播信号。数字音频节目由音频编码器编码压缩，采用DRA+信源编码标准，编码码率为48kbps。两台编码器输出的数据流通过交换机送入数字音频发射机。模拟音频通过波分复用光端机后直接送入数字音频发射机。数字音频发射机将接收到的数字音频和模拟音频共同进行自适应校正，再进行放大发射。

　　通过对发射机进行不断的校正，可以达到非常理想的传输、发射效果。通过广州CDR试验系统的实践，能够肯定CDR标准是非常适合中国实际国情，并且完全满足模数同播的数字音频广播技术标准。

　　目前，我国在北京中央电视塔、广州越秀山、深圳梧桐山、海口广播发射台、上海东方明珠电视塔、济南广播电视台、四川广播发射台、湖南广播发射台进行了CDR广播试验发射。

　　此外，国家新闻出版广电总局在“中央广播电视节目无线数字化覆盖工程”中也将在全国部署近600个CDR发射点，用模数同播的方式发射中央人民广播电台3套数字节目和1套模拟广播节目。在中央人民广播电台前端系统中，完成3套音频广播节目的编码复用，生成1路传送码流，通过中星6B和亚太6号卫星实现主备分发传输。发射台站经模拟和数字卫星信号接收处理后通过发射系统实现地面无线覆盖。无线数字音频广播总体架构如下图所示。

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