FM广播数字化

这种方案的主要特点是在基带中作文章，不 影响FM广播的高频环境，不影响现有FM广播的保 护率关系。但同时也正因为此，原有FM广播电波 多径传播反射波带来的不良影响仍然存在。
此外，在不同阶段，接收端对基带信号的处 理总要跟着发端变化，在转换的过渡过程中，接 收机只能预先安排第一至第三阶段的处理能力。
模拟FM广播提供的业务单一。 随着社会的发展与科技进步，人们已 经习惯于聆听CD质量的音乐，最好质量的 模拟广播已经满足不了受众的要求。
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，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。
二、FM广播数字化应满足的要求
DRM+的信号带宽约为100kHz,完全与 FM频段规划的频率间隔相一致。通过使用 MPEG-4 HE AAC，也可以在一个频道中传 输多个的音频节目和数据业务。
DRM+开辟了新的可能性，例如多声 道环绕声的传输或节目相关数据等附加信 息的传输。DRM+不仅是数字声音广播传 输系统，也是一种多媒体系统。
2、 FMeXtra 系统
FMeXtra 系统与前面讨论的系统的主要区 别在于分级调制，低级的调制是在形成基带信号 中进行的，最高级的调制级是FM，是具有恒定 包络的调制。这样可以确保FMeXtra（相似于 FM CPM）在FM广播中不引起不能允许的干扰。 采用这种系统时，实现FM广播的数字化分 四个阶段进行（只对第一阶段进行了试验）。
在这个阶段，增加了数字传输的能力，但是， 原有的FM广播变成了单声道广播，是以牺牲立 体声能力为代价换取的。 如果某个FM电台本来就是单声道广播的话， 可以按照第三阶段的要求直接实施。
第四阶段：
经过一定的过渡时间，最后，在现今的 FM 广播的和信号的信道也由第三个数字信号代替，其 COFDM的子信道中可使用64QAM调制。
DRM+的频谱
有构成同步发射网的能力； DRM+可以避免对已有FM覆盖的影响， 灵活地对单个模拟FM发射机进行数字 化改造，或者在FM环境下开出一个数 字电台。
DRM+的关键技术与参数
调制 子载波调制 等价子载波数 有效子载波数 子载波频率间隔 有效信道带宽 定义信道带宽 OFDM符号持续期 OFDM符号有效期 保护间隔 净数据率 音频编码 信道业务数量 COFDM 4QAM，16QAM 225 213 444.444Hz 94.667kHz 100kHz 2.5ms 2.25ms, 0.25ms 37-186kb/s MPEG-4 AAC+ , 1-4
三、国际曾经研究而未成为标准 的技术方案简介
1、FM CPM系统
FM-CPM（连续相位调制）系统是汉 诺威（Hannover）大学开发的，并在汉诺 威发射台的一部现有的 FM发射机上进行了 试验。开发的目的是在FM波段传输数字声 音广播节目。
系统优点： *提供CD质量的声音节目； *在汽车中的干扰小； *附加业务，例如交通诱导广播； *需要的发射功率小； *可逐步实施FM波段的数字化，因为这种系统与现有的 FM发射机兼容。 *通过在信源编码、信道编码和调制方面的共同优化，可 以最佳利用提供使用的频谱。 这种系统使用的是连续相位调制（Continuous Phase Modulation）单载波方法。发射信号具有恒定包络，占 用窄的频谱，与模拟FM信号有相似的表现。
FM受FM干扰及FM受DRM+干扰需要的保护率
DRM+受FM干扰需要的保护率
模拟与数字DRM+混合模式时功率配置与保护率
DRM+的优点：
*带宽100kHz,不影响现有的频率规划； *使用灵活，特别适合地方台使用。 *在模拟到数字的转换过程中，数字接收机 的结构不发生变化（处理的频谱不变）。
DRM+的系统构成
模拟与数字节目的合成
不同合成方式FM发射机整机效率的变化
DRM+混合模式时频率偏置与功率关系建议
使用DRM+时FM的保护率
德国2009年做的试验室实验和开路 试验表明，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。
由于DAB有很大的传输能力，对 于地方电台尤其是本地电台来说，投 资相对过高，组织不了那么多节目， 容易造成容量的浪费。
2、DRM+
“DRM+”是工作在高频段直到174MHz 的频率范围的DRM技术系统标准，它是现有 ETSI标准DRM的扩展。 DRM+于2009年2月被ETSI标准化 （ES 201980 V3.1.1.2-2009.0216）,作为 DRM标准的模式E。
1、兼容性
如果要改变或者替代现有的广播系统， 有两种可能性： （1）、如果使用相同的频率范围，变动必 须与现有的系统兼容(新系统不允许干扰已 有接收机对模拟FM电台的接收)； （2）、一种不兼容的系统需要另外的（附 加的、新的）频段。
特别注意的是要考虑对现有FM广播的 兼容性，因为，FM广播广泛发展，有大量 的听众，FM广播是唯一的高质量的传输系 统。由在FM波段运行的新的数字系统造成 的对FM接收的干扰，必须无条件的避免。
第一阶段：
现有的FM广播的基带频谱不变（包括 RDS），增加62 kHz -99kHz的附加数字信 号（COFDM）。
优点： 原有的FM业务不受影响，而且在接收 机中直到鉴频器不需要变化，对数字信号 的处理只在以后进行，在接收机中的技术 花费比其他方法低。
缺点：
对于在MPX频谱中在高的频率范围中传输 的数据来说，遇到的干扰要比在和信号范围中传 输数据遇到的干扰强得多。此外，在MPX频谱 中的高的频率范围中传输的数据也会通过大的噪 声而受到损伤。由功率关系可以看出，在MPX 中的62kHz-99kHz的范围内，COFDM的子信道 只能使用低等级的调制（QPSK）。
使用新的信源编码方法MPEG4 HE AAC v2 的DAB称为DAB+。
DAB 可以工作在30MHz-3GHz的频 率范围，而最理想的是FM频段。 DAB不能实现由模拟到数字的平滑 过渡，只能等DAB发展到一定的时期， 全部关闭模拟FM广播后，DAB才能搬迁 到FM频段。
DAB每个频率块相当于15个连续的 FM频道（FM频道间隔按100kHz计）， 如果DAB工作在FM频段，须对该频段的 频率资源重新按DAB的要求进行分配。 在FM频段，只能安排11个DAB频率块 （考虑到各块之间需要的频率间隔）。
FM-CPM系统与FM广播的频道间隔 相兼容，与相应的模拟FM发射机产生的干 扰相比没有其他的干扰产生。因此，对于 FM广播来说，采用FM-CPM系统不需要 新的频率规划。
由于在CPM传输技术中涉及了FM — 一种非线性（指数）调制 ，接收机的复杂 度相应较高。与在广播中通常的处理不同， 在实际的所有数字系统中接收机要比发射 机复杂很多，涉及到数字信号处理，特别 是CPM，这是对应用CPM的主要异议
数字节目不是处于模拟节目的邻频道,而是 在离很远的FM波段的另一频道中。 发射的模拟节目信号与数字节目信号的合 成，可以在发射机中实现，通过同一馈线传输， 同一天线发射，也可以各自分别发射。
3、移动接收
在移动接收状态下，产生的多普勒频 移与工作频率和移动速度成正比。有多普 勒频移，就有相应的相移（取决于多普勒 频移与符号周期）。该附加相移如果超出 一定的范围，就会发生符号判决差错（与 调制方式有关）。
使用DAB只能实现“整体平移”， 而不能一个个FM电台逐一数字转换。
DAB移动接收的能力是很强的。 按照设计技术参数，在375MHz的频率 下，DAB能满足车速为250km/h时能 良好接收的要求。根据理论可以换算 出，在FM频段的最高频率108MHz时， 能良好接收的最高时速为：250km/h x (375/108)=868 km/h.。
以上四步只对第一步进行了试验，最终没有 成为标准。
四、 国际已标准化的数字广播系 统的技术特征及其应用局限性
国际上已有的可以工作在FM频段 的数字广播系统主要有：
*数字音频广播 (DAB/DAB+/DMB) *DRM+（DRM模式E） *FM HD Radio（FCC标准）
1、DAB
DAB的射频带宽为1.536MHz，信道可以 传输的主业务的数据率为2304kb/s，使用 原有的MPEG1-Layer II音频编码方法。每 套节目的数据率按192kb/s计，一部DAB发 射机可以同时传送6套可达CD质量的立体声 节目。
FM-CPM系统发射信号产生原理图
CPM是连续相位调制，或者一般表达 为一种数字调频。（调相与调频有亲缘关 系，所有的数字“调相”在技术上都可以 看成调频。
选择CPM系统替代FM广播的原因是， 在FM接收机中不会形成互调干扰。不产生 附加的干扰，就可以在现有的FM波段的频 率空隙处插入FM-CPM发射机发射的节目。
解调的MPX信号中的干扰功率密度（噪声，相对值）
第二阶段：
在23kHz-53kHz的范围，与传送模拟的差信 号的副信道正交，传输数字信号。这里只适合用 ASK调制。然而在该阶段，在补偿比较差的立体 声解码器中，数字信号可能以噪声的形式听出来。
第三阶段：
传送模拟差信号的副信道由另一个数字信号 代替，同时关闭立体声的导频信号。这里 COFDM的子信道可以使用高级的调制 （16QAM），可以以高的质量传输更多的节目。
DRM+的数据率起码可使一套节目达到 CD质量；有室内接收以及以300km/h的速 度移动接收的可能性；有使用现有的FM广 播发射网结构的可能性（地方性，地区性 ，全国性）。
DRM+应用COFDM技术，是一个多载 波系统，不同用处的数据分别使用4QAM (数据率37.4--74.5kb/s)或16QAM调制(数据 率99.4—186.3kb/s) ，不同的信道编码率与 不同的调制方法，有不同的传输效率与相 应的覆盖范围。
FM广播的数字化
李 栋
中国传媒大学信息工程学院
2014年3月17日 北京
一、模拟FM广播的缺点
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，由于物 理的原因，不能从根本上解决FM广播存在 的问题。
例如：若采用QPSK(4QAM)调制, 其判决范围 为±π /4,由多普勒频移产生的附加相移不应超 过±π /4 ,应满以下关系: Δ φ MAX=2π (V/C)fTS< π /4 V为车速,C为光速,f为工作频率, TS为符号周期。
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 无差错接收最高移动接收速度要求。
4、数据率、带宽与节目质量
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Fra Baidu bibliotek）。
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、 电磁环境和接收方式。 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。
要求传输越可靠，数据传输的有效性 就要差一些；在同样的音频编码方法下， 使用的数据率越高，音频质量越高，可传 输的节目套数越少。
2、模拟与数字节目同播
广播电台在没有指望得到新的频率， 又希望尽快实施数字广播服务的情况下， 利用邻频道频谱，实现模数同播，可以兼 顾已有模拟信号广播听众的利益，实现由 模拟到数字的“软”过渡。 同播时，在数字节目中既包含内容与 模拟相同的节目，还包含其他新的业务。
模拟与数字节目同播也可以理解为:
5、同步网（单频网-SFN）运行的能 力
同步网（单频网-SFN）运行可以节约 频谱，节约功率。凡是使用OFDM传输方法 的数字技术系统，天生俱来就有同步网运 行的能力。
6、技术复杂性（投资、推广难易）
不同的技术系统有不同的复杂性， 有不同的频谱资源的要求，发射端需 要的投资大不相同。
与发射系统相应的接收设备也有相对 简单与复杂之分，有不同的价格，对市场 渗透、新技术的推广应用关系重大。