一 AM广播的数字化与DRM系统的产生
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。除了已经是短波广播爱好者这一少部分听众外,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广播自身的缺点加之其它数字媒体的竞争,其结果是长、中、短波广播的不景气,听众数量下降。
AM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。
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。
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。
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五彩缤纷的数据业务的服务;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;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。
2.全世界需要统一的数字化系统
AM广播是世界性的广播,尤其是短波广播,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。当模拟AM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。
但是,无论是数字AM系统建议的提出者,还是广播机构、发射机和接收机制造厂商乃至听众,都希望全世界有一个统一的数字AM制式和标准。大家共同认识到,研究和实施不同的、互不兼容的发射系统,例如像在30MHz以上频段上地面发射或者通过卫星发射的数字声音广播方式(DSR、ADR、DAB等)那样,各有各自的互不兼容的制式的局面,在调幅波段广播中不应再发生。此外,世界统一的制式与标准,也是廉价接收机这类大众消费电子产品的前提条件。
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(Digital Radio Mondiale)联盟。
DRM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。DRM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以下广播新时代的开始。
DRM系统是经过严格的开路试验、技术成熟的系统。DRM系统是世界上唯一的非专利的数字系统,用于短波、中波/AM和长波,它可以使用已有的频率和带宽,是对模拟AM广播的重大改善。DRM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。
二 DRM系统的信源编码
信源编码的任务主要是解决数据存储、交换、传输的有效性问题。即通过对信源数据率的压缩,力求用最少的数码传递最大的信息量。在进行信源编码时,既希望最大限度地降低码率,又希望尽可能不要对节目造成损伤,以便听不出数据压缩的节目与原版节目的差别。二者是相矛盾的,只能根据不同节目的特点和不同的需要折衷选择合适的压缩程度。
众所周知,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。DRM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)。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为从8kb/s(半信道)到20kb/s(标准信道)左右,最高约72kb/s(双信道)。
国际上MPEG组织迄今已经发布了MPEG-1、MPEG-2和 MPEG-4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高,同时又有好的声音质量的信源编码方法。
在DRM系统中,信源编码方法是最关键的技术之一。为在给定的比特率下提供更好的质量,DRM系统使用了属于MPEG-4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)的不同带宽的需要:(1)MPEG-4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。(2)MPEG-4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。(3)MPEG-4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。
除了上述的编码方法外,在DRM系统中还应用了频带恢复(SBR—Spectral Band Replication)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和CELP联合应用,构成目前能力最强的压缩方法。仅AAC本身效率已经比众所周知的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。让我们比较一下:CD的数据率是1411kb/s,是25kb/s的50多倍。而MP3本身在可以接受的质量下,也需要大约100kb/s的数据率。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。
所谓SBR,简而言之是,不需传输6