數字軟件無線電技術分析論文

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摘要：數字廣播是繼調幅廣播、調頻廣播之后的第三代廣播方式，它的出現標志著廣播系統正由模擬向數字體制過渡。目前比較成熟的數字調幅廣播（DAB）技術被認為是近期發展的重點，本文介紹了一種基于軟件無線電技術的DRM系統，該系統就可以實現從當前的模擬廣播到數字廣播的平滑過渡。

關鍵詞：數字廣播軟件無線電世界數字廣播（DRM）DAB

1數字調幅廣播技術的發展

1.1廣播技術的發展

從20世紀二十年代開始，商業廣播先后在美、蘇、英、德、法、中等國開播，在此后的近百年時間，廣播作為重要的傳媒工具，受到各國的重視。廣播無后經歷了中波調幅、短波調幅、調頻、調頻立體聲幾個階段，表1羅列了部分國家的廣播發展情況。

表1世界主要國家的廣播發展情況

中波短波調頻調頻立體聲

美國192019421941/

蘇聯1922192919461960

英國192319381955/

法國1923193619501954

德國1923192919491958

中國1923193419741979

日本1925193519571969

1．2調幅廣播的優勢

盡管調幅廣播的帶寬只有9kHz或10kHz，音質無法與調頻立體聲相比，但是由于調幅廣播發展時間最久，全球標準統一，在任何地方購買的收音機在全球各地都能使用，接收工具簡單，而且可以方便地進行室內、外的便攜接收與車、船中的移動接收。因此至今它仍然是世界上使用最廣泛的廣播媒體。

短波國際廣播則由于在國際交往中的極端重要性與最適合對象為財力處于中下層的聽眾，所以各國仍繼續大量投資支持短波業務。

今天，世界上有160多家國際廣播電臺在進行著無形的“星球大戰”。美國之音（VOA）的一項研究甚至認為：未來40年沒有其它媒體能以相同的優點替代。據統計，全世界現在已有3333座短波發射臺，12590府中波發射臺，25億臺調幅收音機，其中7億臺可收短波廣播。

1.3DRM的產生

由于調制廣播的競爭，音、視頻數字化的發展，傳媒手段的多樣化和九十年代開始的全球數字化浪潮，使許多廣播機構認識到，調幅廣播必須數字化才能適應競爭日益激烈的傳媒環境，紛紛開始了數字調幅廣播的試驗。

德國電信（DT）從1994年11月開始進行數字中被廣播的試驗。法國湯姆喀斯特（Thomcast）公司則從1995年起斥巨資進行數字調幅廣播系統的開發，并從1996年6月起演示了它的天波（SKYWANE）2000系統，到1998年4月，研制中的數字調幅廣播系統已至少有6個。

1994年，電聯曾要求各成員國提出數字系統的建議，并建議建立一個世界性的集團以評估不同的方案，最終提出單一的建議由電聯推薦各國使用，由此誕生了DRM。DRM的全稱是DigitalRadioMondiale，其中Mondiale為法文，即“世界數字廣播”集團（Consortium）。DRM于1998年3月在中國廣州宣告成立。到2002年2月，DRM已有來自27個國家的正式會員（Fullmembers）47個，和非正式會員（Associatemembers）25個。

1.4國內外數字調幅廣播技術發展情況

目前，歐洲和北美的一些國家均研制了DRM接收設備，這些接收設備更接近于專業接收設備，主要采用計算機插板方式，絕大多數的解調、解碼工作均由基于DSP和計算機CPU的軟件完成，它們具有便于軟件更新，可以方便適應不同標準和新業務，便于在線測試，可以方便地使用各種分析工具等優點。同時具有體積大（一般需計算機，也有較小的），功耗大（普通干電池無法滿足工作），不兼容原有設備等缺點。客觀地講，這些設備只能算作實驗性質的設備，不具備投放市場的能力。

我國在數字廣播領域與國際完全同步（DRM集團在我國成立足以說明），國內已經有了類似的產品，水平與國外產品沒有明顯珠差距。

圖2

1.5DRM技術發展的機遇與挑戰

DRM系統已基本成熟，即將進入實施階段。但是，一項新技術能否在全球推廣，技術本身的先進性與可行性雖是前提，卻遠非決定因素，市場條件和消費者的接受程度十分關鍵。歷史上已經有不少成功的經驗與失敗的教訓，DRM也把實施問題看作為嚴重挑戰，還把影響國家或地區一級啟動新技術的因素歸納為以下幾點：①技術變更的步伐；②進口或出口控制；③市場成熟性；④財富或個人可支配的收入（PDI）；⑤法規；⑥消費者是否是新技術的早期采用者。

為使DRM取得成功，需要處理好三個關鍵性因素，即廣播機構/網絡運行者、接收機制造商與聽眾之間的關系。可以列出以下的實話依賴關系表（見表2）。

表2實施依賴關系表

參與者依賴性關鍵推動者

廣播機構/網絡運行者接收機可用性聽眾市場頻譜可用性

法規協議

發射機可用性

接收機制制造商內容可用性聽眾市場低知識產權費用

市場規模

廣播機構簽約承擔義務

芯片組可用性

聽眾接收機可用性內容可用性信息的需要

接收機的費用

明確的獨特銷售點

1．6DRAM在我國發展的前景

我國是AM廣播的大國，新世紀開始實話的西部創新工程還將進一步擴大AM廣播的規模，提高廣播覆蓋率與改變邊遠地區空中秩序。

1998年的廣州會議已注意到了中國這樣的大國不容易由調頻（FM）廣播覆蓋（注：中國的陸地面積與歐洲大致相當，比美國本土大200萬平方公里，中國最小的浙江省相當于比、荷、丹三國的總和，新疆則相當于三個歐洲大國德、法、西的總和），因而數字調幅廣播具有很大的市場。由于許多重要的國際廣播機構一直積極參與DRM的活動，今后這些機構很可能較早地開始數字化的短波國際廣播，從而使他們的國際廣播效果大大改善與具有良好的抗干擾性。

我國雖然從1997年起就一直關注與跟蹤數字AM廣播的發展，北京廣播學院還進行了計算機模擬試驗。但鑒于DRM很快進入實話階段，美國開發與評價IBOCDAB技術有較大進展，日本也參加了DRM，因此應該更加積極地創造條件，早日在我國開展相應的實驗室與現場測試，積累自己的數據（中國地形復雜，橫跨寒、溫、熱三帶，電離層條件也不同），并爭取有自己的知識產權，還要利用作為國際電聯與亞廣聯成員的條件和參加各種國際會議與相關活動的機會，積極了解國際新進展，調整與確定發展我國數字聲音廣播的方針政策與計劃日程，積極維護中國在二十一世紀數字調幅廣播領域的權益。

2軟件無線電技術的發展

軟件無線電技術是近年來新興的一種技術，它最早由MITRE公司的約瑟夫·米托拉（Joseph.Mitola）在1992年5月“美國遠程系統會議（NationalTelesystemsConference）”上提出。該項技術一經提出就在世界上產生了重大影響，受到了各方的高度重視。

軟件無線電技術的核心思想是軟件無線電技術將寬帶的A/D變換器盡可能的靠近射頻天線，即盡可能早的將接收到的模擬信號轉化為數字信號，最大程度上通過DSP軟件來實現通信系統的各種功能。圖1為理想軟件無線電系統組成框圖。

作為軟件無線電技術載體的軟件無線電電臺是“用軟件定義波段、調制方式、信號波形的電臺。信號波形由數字信號采樣產生，用寬帶的數模轉換器轉換成模擬信號，可能還要由中頻上變頻到射頻。類似地，接收機使用寬帶的模數轉換器獲得該軟件無線電電臺節點所有波段的信號。接收機用通用處理器上的軟件完成信號的提取，下變頻和解調。”（約瑟夫·米托拉給軟件無線電電臺做的定義。）

理想的軟件無線電電臺應該擁有在全頻帶工作的能力，具有極大的靈活性，任何功能的改變或增加都可以通過軟件升級來完成。由于實際條件的限制，比如寬帶前端射頻模塊的性能不夠理想、寬帶A/D/A的工作帶寬和采樣速率有限、DSP的處理能力不足、總線數據受限等，導致在目前的技術條件下無線實現上述理想軟件無線電系統。為了使得軟件無線電技術可以應用于實踐，就在理想軟件無線電系統的基礎上增加了若干限制條件，使得軟件無線電犧牲了一些靈活性，換來了可實現性。

考慮到DRM目前的犧牲性，為了減小研發的風險，可以考慮采用軟件無線電技術研制發射接收設備，在目前模擬數字混合暑期可以兼容原有的模擬設備，隨著社會的發展，當DRM技術成為主流技術時通過軟件升級就可以將用于兼容的資源專用作數字廣播質量的提升，從而最大限度的保護用戶的利益。

3基于軟件無線電技術的DRM系統

3.1DRM的主要標準介紹

2001年4月4日ITU已通過DRM的標準建議書為ITU-RBS.1514,2001年9月通過歐洲標準為ETSITS101980V1.1.1。單個調幅頻道碼率可達24kbps，雙頻道可達72kbps。在ETSITS101980V1.1.1標準中，主要規定了了頻道使用模式、信源泉編碼方式、復用情況、信道編碼與數字調制方式等內容。

具體來說DRM信號有三種頻道使用模式：半個頻道、一個頻道和四個頻道。半個頻道的模式可以用作模擬和數字同播，作為模擬和數字廣播的平滑過渡的方法。信源編碼推薦了四種方式：MPEG-4AAC（高級音頻編碼），MPEGCELP（刺激線性預測編碼），MPEGHVXC（諧波矢量刺激編碼），SBR（頻帶復制編碼）。復用情況比較復雜，包括信道復用、幀復用、業務復用、數字復用等。信道編碼與數字調制方式包括擾碼生成多項式（x9+x5+1）、TCM編碼方式采用刪除卷級碼與QAM調制結合的方式，交織深度分為短交織（交織長度為0.4s）和長交織（交織長度為2s），數字調制方式采用OFDM和QAM調制。

3.2國外同類產品（SKYWAVE2000）的性能

SKYWAVE2000采用的基本技術情況如表3所示。

表3SKYWAVE2000采用的基本技術情況

頻譜適用波段LF、MF、HF

帶寬選擇復用

與現有范圍的兼容YES

帶外發射與發射機Tx有關

單頻網絡支持YES

頻譜掩蔽在選定的帶寬內為矩形

系統特性調制/信道編碼TCM+RSOFDM/QAM（8、16、64、256）

混合/同播方式YES（DSB/VSB）

音頻編碼MPEG-2Layer3,在電路實施中等待MPEG-4

靈活性YES

交織深度長交織6.6s

短交織0.3s

比特率Min6kbps

Max36kbps

靈活性YES

發射機峰值/平均值功率比4-8dB(與工作模式有關)

SKYWAVE2000的數字編碼與調制原理框圖見圖2。

3.3基于軟件無線電技術的DRM系統接收機

鑒于廣播的特點：帶寬窄，一般為9kHz～10kHz；信號動態范圍大，短波波段的動態范圍高達120dB以上。在軟件無線電電臺選用實現方案方面必須予以考慮。根據文獻[2]的論述，選擇了基于中頻采樣技術的體系結構：在A/D/A與天線之間增加一個寬帶變頻模塊，將全頻帶的信號變頻為一個固定的中頻，通過對該中頻處理實現預定的功能。圖3所示為中頻采樣軟件無線電系統的組成框圖。

3.4基于軟件無線電技術的DRM系統發射機

由于廣播自身的特點，相比于接收機，發射機的研制更為復雜。基于軟件無線電技術的DRM系統發射機由三個較為獨立的子系統：數字編碼與調制子系統、模擬處理子系統和發射子系統組成，其組成框圖及相互關系見圖4。

數字編碼與調制子系統主要負責數字信號處理和幅度、相位的計算；模擬處理子系統負責將I、O的基帶復信號變換到無線發射頻率的調相信號或幅相信號；發射子系統實現功率放大及信號發射。

圖5

3.5基于軟件無線電技術的DRM系統工作原理

基于軟件無線電技術的DRM系統工作原理如圖5所示：

圖5中，信源編碼、復用、能量分集、信道編碼、交織、數字基帶的OFDM映射部分的功能將在數字編碼與調制子系統中利用計算機的處理器、DSP處理器以及專用芯片等通過軟件編程來實現。而無線射頻信號的生成、穩定載波的產生等模擬處理功能將在模擬處理子系統中通過DDS、I、Q調制器等技術或專用器件實現。

數字廣播領域市場廣闊，具有很好的發展空間，目前世界各個主要發達國家都在此領域投入了相當的人力、物力、財力。我國在這一領域的研究水平與國際同步，更不能放棄這一優勢。

軟件無線電技術一經提出就被認為是無線電領域的一場革命，近年來“軟件無線電”的思想已經滲透進入了儀器儀表、自動控制、信號處理等諸多領域。我國在這一領域的研究也得取了顯著的成果。

將軟件無線電技術與數字廣播技術結合在一起，對于數字廣播技術發展和數字廣播設備的推廣具有巨大的推動作用。