带内同频数字声音广播系统FM IBOC

带内同频数字声音广播系统FM IBOC

中国传媒大学 信息工程学院 1902年，美国人巴纳特·史特波斐德在肯塔基州穆雷市进行了第一次无线电广播试验，取得了成功。现在，广播已经广泛应用在军用、商用、民用等领域，成为人们生活不可或缺的一部分；其本身也实现了较好质量的立体声广播、自动搜索、液晶显示等更多功能。

而广播的数字化必将给我们带来更多的体验。首先，从内容上讲，数字声音广播将使我们摆脱单一的声音广播业务，进行多种数据业务传输，包括静止及活动图像等，最终实现多媒体广播。而就其声音广播本身而言，这种新的传输系统也具有良好的抗干扰性，可以消除传输过程中的噪声和失真的积累，弥补模拟广播该方面的缺陷。同时，数字传输系统需要的发射功率很小，有利于节约能源和减小电磁污染、改善环境保护。数字传输系统采用数据率压缩技术，可提供近似CD质量的音频输出，并大大提高了频谱利用率。此外，数字信号便于存储、交换、处理，使其具有同计算机相连后拥有更广阔的发展前景。

在广播数字化进程中，人们进行了多种尝试。本文将具体介绍其中的调频带内同频道（FM IBOC）系统，其中IBOC即是In Band On Channel的意思。该系统主要在现有节目的同频带内实现数字同播，这无疑成为模拟向数字过渡的优选方案。

数字声音广播概述

模拟广播现状

目前我们每天收听的调幅或者调频广播，传送的都是模拟信号，属于模拟广播。模拟广播主要分为：

1） 长波、中波和短波

这些都是调幅制，音频带宽〈4.5KHz，信噪比（AF）〈20dB，单声广播，可以固定和移动接收（短波由于有强衰落现象而极少作移动接收），可收好的节目少。与调频广播相比，调幅广播主要用来播送各种信息。

2） 调频广播

调频制，音频带宽15KHz，信噪比（AF）≈50dB，立体声广播，可固定接收和有限移动接收，可以保送各种信息和文娱节目。

上述两种模拟广播主要问题是传输过程中会产生噪声和失真的积累以及由电波多径传播引起衰落，严重影响传输质量。此外，上述广播方式大多只有声音广播业务，相对单调。

数字声音广播简介

数字声音广播，简称DAB（Digital Audio Broadcasting），与调幅广播和调频广播相比，DAB具有明显的优点：

1） 音质纯净，能达到CD音质水平。

2） 抗干扰能力强，能够抗多径干扰和频率选择性衰落，适合于固定、便携和移动接收等环境。

3） 发射功率小、覆盖范围大。

4） 频率利用率高，节省频谱资源。

5） 在声音广播的同时可以附加多种增值数据业务，甚至实现多媒体广播。

DAB发展现状

数字广播是继调幅、调频广播之后的新一代广播方式，欧洲已制定了数字音频广播（DAB）标准，很多国家已建立了DAB实验室和单频网。美国、日本也制定了各自的数字声音广播方案。利用数字卫星广播系统（DBS），可实现全世界优质数字声音覆盖。另外，采用数字调幅（数字AM）技术对传统的中、短波广播进行改造，可以使声音广播音质达到调频立体声质量。

下面我们主要介绍其中的四种方案：

1） Eureka-147

这是由欧洲共同体研究的宽带数字声音广播系统，属于尤里卡计划的一个项目（Eureka-147）。该系统所占带宽为1.5MHz，利用同一载波传送多套节目，音频编码采用MPEG-1 LayerⅡ，每路音频信号的码率可以有多种选择，目前在系统中采用的主要是19kbit/立体声，广播的声音质量可达到CD音质；信道编码采用可删除卷积编码以实现对重要性不同的数据使用不同的保护级别；采用OFDM调制和频率、时间交织、可保证在移动、便携和固定条件下的接收质量；其数据结构的设计使系统既可传送音频也可传送高速率数据；可利用同一载波频率组成广播网，即单频网，从而大大节省频率资源。

Eureka-147 DAB系统已经在多个国家进行了长时间的现场试验，除欧洲共同体外，

加拿大、澳大利亚等国家和亚洲的一些国家也在进行试验，而且，德国、法国、英国和加拿大已经进入试播阶段，我国也已在广东和北京建立实验网。

2） IBOC

这是由美国研究的“带内同频（In Band On Channel，IBOC）”数字声音广播系统，它利用目前使用的调幅或调频广播电台，将数字信号放在与模拟信号相同的频带内或相邻的频带内，实现中波AM和超短波FM的数字化，一个载波频率只传送一套节目。这种广播系统的最大特点是，不改变原来广播电台的工作频率和广播业务，不需要新的频谱分配，模拟和数字可以同时广播若干年，容易实现模拟到数字的转变。这对美国这样的非国营电台很多且每个电台仅覆盖本地的国家是非常重要的。由于采用数字化，这种数字声音广播系统的音质比目前使用的调幅、调频广播的声音质量有明显的改善，目前有三种方案在进行试验，两种方案的音频编码采用MPEG AAC，另外一种采用Lucent自行研究的EPAC；传输技术采用OFDM。

3） WorldSpace

它的目标是建立非洲、南美和亚洲的卫星广播系统，目前正在测试，不久将进入商业使用，该系统采用QPSK调制和卷积编码与块编码结合的连续信道编码，音频编码采用MPEG LayerⅢ。

4） DRM

它的目的是发展长、中、短波（30MHz以下）数字音频广播，为了满足不同的运行条件，可以选用不同的传输模式。每一种传输模式用信号带宽相关参数和传输效率相关参数

定义。

FM IBOC技术研究背景

IBOC方案的提出

1990年，美国数字广播集团（USARD）就提出了“带内同频（IBOC DAB）”的广播数字化方案，正如彩色电视兼容黑白电视一样，IBOC利用现有的AM/FM频率，能够在单独的AM/FM频段内同时混合模拟和数字信号，从而实现了频率复用，而不需要重新分配频谱，节省了频谱资源。在地上利用现有的AM/FM发射机进行覆盖，包括现有的发射塔、传输线、天线等设备都可利用；在天上则用DSB卫星广播方式进行覆盖，节目的接收彼此兼容。这大大降低了广播业从模拟向数字过渡过程中所受到的冲击。所以，在Eureka-147 DAB标准制定之初，美国联邦通信委员会（FCC）就以缺乏合适的频谱为由拒绝在美国采用Eureka-147 DAB标准。然而，在当时IBOC方案却还存在一些未能解决的问题，包括邻近频道串扰、抗多径衰落差等，所以没有被正式启用。一直到2000年4月，这些技术问题的解决有了进展之后，美国国家广播制式委员会（NRSC）才决定进行正式的IBOC标准的制定。

2000年8月，朗讯科技数字无线通信公司和美国数字广播集团公司合并并成立了iBiquity数字通信公司（iBiquity Digital）,其股东包括朗讯科技和美国国家排名前20中的15家广播公司等。iBiquity专门致力于美国广播数字化方案（IBOC DAB）的技术研究和实验测试工作。

经过全面的实验测试和现场测试，2002年iBiquity数字合作小组向美国国家广播制式委员会（NRSC）提交了详尽的测试报告，总结性的说明了iBiquity的IBOC系统可以

合成到现有的模拟AM/FM系统中而不带入噪声的影响，适应了广播业、消费电子业和广大听众的要求。IBOC代表了现有模拟广播信息服务的一个建设性的革新，自IBOC概念提出十多年之后，美国联邦通信委员会（FCC）宣布批准将“带内同频技术”（IBOC DAB）作为美国地面数字音频广播的传输标准。目前，与Eureka-147系统一样，IBOC系统的试验测试工作也仍在进行当中。

IBOC技术特点

FM IBOC系统具有很多显著的特点，主要如下：

1） FM IBOC系统无需新的频率分配，新数字系统将于现行模拟广播兼容，在现有的FM频段内施行，因而大大节省了宝贵的频率资源。

2） FM IBOC系统将提高声音保真度。它能提供接近CD质量的声音，满足了听众对音乐质量的要求。

3） FM IBOC采用OFDM调制技术，可以适应固定、便携和移动接收的环境，具有抗频率选择性衰落和时间选择性衰落的能力，鲁棒性好。

4） FM IBOC系统无需新的频率配置，也无需新的频率分配规则，对于广播电台来说数字化改造的耗资相对较少，因此在施行新数字声音广播服务时，这将明显减少管理机构的管理压力。

5） FM IBOC系统对现有的调频广播电台提供了一个逐步数字化的升级改造方案，提高了原有广播电台的业务容量并且使其具有一定的灵活性。在过渡期内，模拟广播和数字

广播同播，这不仅减小了广播数字化过程带来的冲击，并且使得听众可以很快从数字音频广播中获得益处。

6） FM IBOC系统将不会破坏现有FM电台经济完整性。每个现有广播电台均可在相同或更大的服务区域将现有频率波段升级到数字化。例如，工作于97.1MHz的模拟信号电台将以同一频率97.1MHz来传送它的数字信号，在转换到数字信号时不必更换工作于FM波段的电台。因此，也保留了广播台所拥有的听众市场。

7） FM IBOC系统采用数字电路实现，将可以采用低成本的数字接收机。用于模拟声音广播接收机的大多数组件，仍可用于数字声音广播接收机。数字接收机中最主要的成本因素是数字集成块，它应允许制造商以合适的成本大批量生产数字声音广播接收机。

IBOC方案可行性

良好的过渡方案

IBOC提出了一种从模拟到数字声音广播技术的过渡方案，并具体分为以下三个不同阶段：

阶段1：模拟数字广播

阶段2：模拟和数字声音广播同时广播

阶段3：全数字声音广播

现在，听众听到的大部分都还只是FM波段模拟音频广播，通过IBOC数字声音广播

方案，听众通过向前（全数字）和向后（全模拟）兼容DSB接收机既可接收模拟也可接收数字广播。因此，电台、接收机制造商和大众将有一个从模拟到数字的适应过渡期。最后，当市场上数字接收机饱和后，可关掉模拟信号，这样允许数字信号移至中心频率。

调频广播信道

我们现有的调频广播基带频谱除了可容纳一套立体声或单声道主节目广播信号外，尚有一部分可利用的频谱空间（见图1），可在传送主节目的同时传送其它的附加信息，如获得广泛应用的EBU RDS系统，占用57±2.4KHz的频谱。为了兼容RDS系统，FMHDS采用的副载波为70KHz，带宽为±9.1KHz。为了实现足够大的接收范围，且尽量小的对主信号的影响FMHDS副载波频偏应在±4—±7.5KHz。

图1 调频多工信号的基带频谱

根据FCC对FM发射系统的规定，要求任何调频电台所发射的FM信号功率在其信道范围以外，距离中心载波频率不同的范围内，相对于未调制的中心载波应该低于所规定的限度，具体参数见表1。

表1 FM信道相对功率谱密度分布

这样，只要满足在中心频率120KHz以外的信号相对功率谱密度在25dB以下，对原来的模拟FM信号造成的干扰就可以达到允许的范围，IBOC正式基于此而提出的。图2为FM IBOC Hybrid的FCC频谱的掩模图：

图2 IBOC Hybrid的FCC频谱掩模图

我国FM广播特点

就我国目前的FM广播的发展状况而言，IBOC方案具有非常适合于我们国情的特点，有着广阔的应用前景。

第一、我国幅员辽阔，城市距离较远，而在FM波段，电波直线传播，接收范围有限，因而造成在具体的一个地方的FM电台相对较少，电台的频点距离相对较远，因而给FM IBOC技术的可靠应用提供了很好的条件，而且大量的空置的频点给实验测试提供了便利的条件。

第二、我国的频谱资源紧张，管理部门很难批准一个单独的频段给一个新兴的、市场尚不成熟的无线应用业务，这将给数字音频广播技术的实验、推广和普及带来很大阻力，而IBOC技术不用占用新的频谱资源，在政策层面上为数字音频广播的推广扫清了障碍。

第三、我国属于发展中国家，国民的消费能力有限，对新技术推广带来的成本要求较严，相对旧有技术，若非在所能享受到的服务上有极大的提高，较高造价的产品的市场推广将步履维艰，困难重重，而FM IBOC系统相对低廉的接收机和相对较小的电台改造成本为其发展注入了活力。

第四、FM IBOC技术的可实现模拟广播到数字广播的平滑过渡的特点给电台、听众、市场甚至技术本身以相当的时间和机会去发展壮大成熟，使得该技术有着很顽强的生命力。

第五、在我国当前的数字音频广播的制式尚未最后确定，具体的数字声音广播业务也尚未开展的情况下，FM IBOC提供了一个相对较宽的信道可用来传送数据量较大的数据广播业务，有着广阔的应用前景。

技术方案实现

在IBOC方案技术实现的试验阶段，可采用软件无线电的设计思想：构造一个具有开放性，标准化，模块化的通用硬件平台，将各种功能，如工作频段、调制解调方式、数据格式、加密模式、通信协议等用软件来完成，并使宽带A/D和D/A转换器尽可能靠近天线，以研制出具有高灵活性，开放性的新一代无线通信系统。

在此思想指导下，可为FM IBOC高速广播系统提供一种具有开放性、通用性的数字化解决方案。在设计中，将试验平台分为硬件平台设计和软件开发设计两部分。使其具有

相对的独立性，以便于进行测试以及不断的改进。

同时，在商用阶段，随着微电子技术的不断发展，可以利用集成芯片，进行低风险的批量生产。而德州仪器（TI）就已与iBiquity Digital联合宣布，推出集成IBOC接收数字基带处理芯片TMS320DRI250系列，该芯片的原理图如图3所示：

图3 TMS320DRI250功能框图

其中，TMS320DRI250集成了HD Radio 以及AM/FM的基带处理，而DRI8201实现对中频（IF）信号的采样以及下变频。

FM IBOC数字声音广播系统介绍

下面对现有的美国FM IBOC系统作以简要的介绍：

IBOC数字声音广播系统的分层模型

IBOC系统采用基于开放系统互联参考模型ISO OSI（International Standards

Organization Open Systems Interconnection）标准的分层模式，IBOC系统的协议层实际上共分为5层，分别为：物理层、数据链路层、传输层、编码层和应用层，它与开放系统互联参考模型ISO OSI标准的对应关系如表2所示：

表2

IBOC系统的数字节目业务类型

FM IBOC支持几种不同的数字节目业务，其中包括主节目业务MPS（Main Program Service）、电台信息业务（Station Information Service）、高级应用业务（Advanced Application Service）。

其中，MPS提供的是模拟以及数字声音广播内容以及与该节目相关的文本信息，SIS提供所需的控制和鉴别信息使得观众能够搜寻和选择IBOC数字无线电台和他们支持的业务，AAS可以提供诸如音频点播、阅读消息以及交通信息播报等业务，事实上，AAS允许了不限定数量的定制在未来的任意时刻加入。同时还可能包含个人数据业务PDS，提供听众所需的个性化有价值的数据业务。

IBOC频谱及波形

在FM IBOC系统中，共有三种基本的数字广播方式，它们是混合方式Hybrid、增强型混合方式Extended Hybrid、全数字方式All Digital。这三种广播方式中的数字信号均采用正交频分复用OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）调制方式，因此可以实现灵活的频谱划分。每一种方式的频谱结构均有频谱边带组成，每个边带代表不同的子载波群。下面先介绍一下FM IBOC系统的基带频谱划分。

IBOC基带频谱以0Hz为中心，左起从-198.402KHz至右198.402KHz，整个频带共分为1093个子载波，由左至右子载波一次编号为-546至546，子载波间隔 。每19个子载波组成一个频谱子块，其中18个为数据子载波，用来传输数字节目信息，另一个为参考子载波，用来传输系统控制信息。频谱字块根据参考载波的位置不同可以分为A、B两种方式，如图3A和3B所示：

图3A 频率子块的载波分配方式A

图3B 频率子块的载波分配方式B

整个基带频谱以参考子载波#0为中心，分为上、下两个边带，对称分布。每个边带中远离中心子载波的14个频谱子块组成主边带，靠近中心子载波的频带组成次边带，次边带中同样包含14个频谱子块，所以整个IBOC基带频谱共有56个频谱块：除了每个频谱子块中有一个参考子载波外，整个频谱中还有5个附加的子载波：-546、-279、0、279、546。此外，上、下边带的次边带中靠近主边带处各有12个子载波（与 279参考子载波顺序排列），不能形成一个频谱子块，所以实际上这24个子载波并没有用到。

FM IBOC基带频谱上、下边带的子载波分配入图4A和图4B所示：

图4A FM IBOC基带频谱上边带子载波分配

图4B FM IBOC基带频谱下边带子载波分配

按照频谱划分的不同，FM IBOC系统的三种基本广播方式，分别对应于Layer 1的三种发送波形，以便于灵活地从模拟广播系统过渡到数字广播系统，IBOC的三种广播方式都有具体的频谱发送模型，在测试中，每种方式的发射试验都表现出良好的效果，得到FCC

的认可。

Hybrid（混合方式）：

Hybrid广播方式是在与模拟信号的兼容性上要求相对较低的一种方式。数字信号在模拟FM信号两边的主边带上传输，如图5所示，仅使用了每个主边带中距离中心子载波最远端的10个频谱子块（FP），称为PM频带，所占用的频谱范围为- 198.402～-129.361KHz以及129.361～198.402KHz。每个PM频带的发送功率都比模拟FM信号总发射功率低23dB左右。频谱中-129.361～129.361KHz的范围是保留给模拟信号的，可以是单音信号或立体声信号，也可能包含辅助通信认证（SCA）信道。

图5 混合方式Hybrid的频谱

Extended Hybrid（增强型混合方式）：

Extended Hybrid广播方式的数字信号频带是在Hybrid波形的基础上向模拟FM信号的频带扩展1、2或4个频谱子块，扩展的频谱子块的个数可以根据广播电台业务容量的需要来选择，从而增加了数字信号信道容量。扩增的频谱子块，分布在每个主边带的内侧，称为主扩展频带（PX频带）。图6即为Extended Hybrid的频谱结构：

图6 增强型混合波形Extended Hybrid的频谱

IBOC方案最终的目标是实现全数字系统，全数字系统中没有模拟信号部分，所有的频带都用来传送数字信号。如图7所示，这种全数字波形中原有的模拟FM信号被数字信号所取代，并允许这部分数字信号在该次边带中以较低的功率发送，从而实现了全数字系统。次边带与主边带具有类似的频带划分，如图7所示，次边带靠近中心子载波的10个频谱子块成为SM频带，靠近主边带的4个频谱子块成为SX频带。

三种广播方式是从模拟数字共存逐渐过渡到数字的一个过程。其中，在Hybrid和Extended Hybrid广播方式中，模数信号共存，它们的频谱中都有一部分用来传送现有的模拟广播信号，而All Digital广播方式则不再传送模拟广播信号，是一种全数字的广播方式。

每物理层（Layer1）功能模块

在这一部门，我们简要介绍一夏FM IBOC系统物理层（Layer1）的功能实现以及相关的信号流向。图8为Layer 1信号处理的功能框图。音频以及数据通过业务接入点Service Access points由OSI的高层输入物理层。

下面介绍一下信号数据的流程：

业务接入点SAP：

L1的业务接入点SAP定义了系统协议中Layer 2与Layer 1之间的接口。每个逻辑和控制信道都有它们自己的SAP。各个信道均夷离散传输帧的形式进入Layer 1，它们的大小以及速率都是由业务模式唯一确定的。这些Layer 2的传输帧通常被称为L2的业务数据单元（SDU，Service Data Unit）和业务控制单元（SCU，Service Control Unit）。

加扰模块：

在由传统的模拟FM解调器解调信号的情况下，需要对每个逻辑信道的数字数据进行随机处理以使信号更“白”并减小周期性。

信道编码：

因为存在信道损失，我们使用卷积码来增加每个逻辑信道数字信号的冗余度，以提高其可靠性。编码的保护度与编码率成反比。编码的具体技术参数由业务模式决定。选中的逻辑信道上带有多径延时。在信道编码器的输出端，逻辑信道矢量保持其独立特性。

交织：

时域以及频域的交织用来减小突发错误的影响。交织技术针对VHF的衰落环境，由业务模式来配置。在这个处理过程中，逻辑信道失去其独立特性。交织器以矩阵的形式输出，每个矩阵均有一个或多个逻辑信道组成，并结合一特定的发送频谱。

系统控制处理：

这部分负责生成一系统控制数据序列的矩阵，包括控制和状态（例如业务模式），以便于在参考子载波上广播。

OFDM子载波映射：

这部分负责将交织器的输出矩阵以及系统控制矩阵分配至OFDM符号的子载波上。在一个OFDM符号周期Ts时间内，活动交织器矩阵的每一行产生一输出矢量，其便是信号的频域表示。映射遵循非均衡干扰环境，并成为业务模式的功能组成。

OFDM符号产生模块：

这部分负责生成FM IBOC的时域波形。输入矢量转换为成型后的时域基带脉冲信号，便产生了OFDM符号。

发送子系统：

这部分负责形成VHF频道传输的基带波形。主要的功能包括符号串联以及上变频。此外，当发送混合型Hybrid波形时，将同时完成模拟信号调制并与数字信号结合以形成复合的Hybrid信号，以便传输。

FM IBOC系统结构

iBiquity的FM IBOC在传输Hybrid和Extended Hybrid波形时，采用了模拟信号和数字信号分离处理的结构，处理后的数字信号以及FM立体声信号在激励器或者天线上进行耦合，然后一起发射到调频频道上传输。

此系统分为模拟和数字两路处理过程，左边的方框内是对模拟信号的处理过程，其输入是调频复合基带信号，也可以包含辅助通信业务SCA，右边是对数字信号的处理过程，其输入是OFDM调制以后的基带OFDM时域符号，这里要将这些时域独立的OFDM符号串联起来，形成一个从 的脉冲连续信号，并进行上变频变换。在将FM模拟信号波形与DAB数字波形混合之前，要对基带模拟信号进行一定的延时，并完成对基带模拟信号的FM调制，其中，群延时控制信息来自于IBOC的系统控制信道。在发射台可以共用激励器或天线：

1） 数字信号本身的工作性能；

2） 数字部分对原来模拟信号的影响情况。（全文完）