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DF100A型100kW短波发射机DRM系统介绍

2020-12-12 206 上传者：管理员

摘要：本文分析了DF100A型100kW短波发射机DRM系统，并介绍了该系统的配置、改造原理、接收方式等，具有实际应用价值和现实意义。

关键词：
100kW短波发射机
DRM接收
DRM改造
DRM系统
指标测试
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1、概述

DRM是一种专门设计出的高质量数字解决方案，可用来取代当前的模拟广播，用于AM和FM/VHF频段。DRM标准包含多种工作模式，从整体上可分为两类，即DRM30模式和DRM+模式。其中DRM30模式，专门用于30MHz以下的AM广播波段。

以DF100A型100kW短波发射机改造DRM系统为例，在保持相同覆盖的情况下，可节约能源消耗，减少电磁污染。在保持模拟调幅广播相同的带宽下，数字调幅广播通过高质量的数字压缩技术和调制方式，可以达到调频广播的声音质量，如果带宽加倍，声音质量还可继续提高。DRM凭借着音质好、抗干扰强、易改造等方面的明显优势，具有更深的推广范围。

2、DRM系统分析

DRM30模式使用已存在的AM广播频段，并且被设计为符合已存在的AM信号带宽的要求，即9kHz或10kHz。DRM系统支持每个频率上最高可承载4套服务，每套服务均可是音频和数据的组合。

DRM系统使用COFDM(CodedOrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing）技术，这就说明所有数据都是数字化的，并且通过正交多载波进行传输；为了减轻衰弱的影响，采用了时间交织技术；通过改变OFDM的多种参数，可使DRM在不同的信道环境中顺利的传输；经过信道编码后，在接收端接收到的信号，即使由于频率选择性衰落或多普勒频移产生了误码，也可以在很大程度上，通过信道编码的特性进行纠错。

目前，我台DF100A型100kW短波发射机已改造完成两部关于DRM系统的数字化升级，每部发射机传输一套节目，带宽选择10kHz,MSC分别采用16QAM和64QAM调制方式，16QAM相比64QAM信息速率低，但抗干扰能力强。

3、DRM配置

3.1Spark简介

我台的B06机和C04机全都使用Spark软件，以实现信源编码器、复用器、能量扩散、信道编码器、单元交织、OFDM调制等各个功能。Spark作为一种实现DRM系统核心功能的软件，它将DRM系统中编码和调制功能结合在一个SDR(SoftwareDefinedRadio，软件化无线电）的应用程序中，并且Spark支持多路分发接口，该接口允许通过以太网广播多路传输内容。由于软件是全英文界面，国内关于在使用方法上的相关资料甚少，故本文结合软件的实际使用，从“发送配置”和“内容管理配置”两个模块，对重要配置进行说明。

3.2发送配置

DRM配置项是作为DRM发送中最基本的参数。其中，Robustnessmode（运行模式）：对应于DRM的传输模式，根据不同的选项，参数的选项也会随之不同。根据实际调幅短波频段和传播特性以及官方的标准要求，我台DRM发射机的传输模式设置为模式B。OFDMbandwidth(OFDM带宽）：根据传输模式的选择，带宽也会有不同选项，以我台实际应用为例，如果传输一套节目，带宽设置为10kHz；如果传输两套节目，带宽设置为20kHz。MSCmapping(MSC映射）：如果模式是B时，MSC映射可以选择16QAM或者64QAM。目前，我台的B06机使用的是16QAM，而C04机使用的是64QAM。MSCcellinterleaving(MSC单元交织）：可对交织深度进行设置，选项为400ms（短交织）或2s（长交织）。目前，我台使用的均是2s。在实际使用接收机收听时，会发现相同的节目，模拟发射机比DRM发射机更早收听到，这里交织深度的设置，是出现这种现象的重要原因。SDCmapping(SDC映射）：可选择4QAM或者16QAM。我台两部DRM把SDCmapping均设置为4QAM。

图1DRM改造后100kW发射机整机系统框图

Outputdevices主要用于配置软件外部输出设备的参数。Selectedoutputdevice（选择输出设置）：输出设备的选项有线路输出、文件输出、网络UDP输出、NI-DAQmx（外部专业设备）。我台使用声卡的方式作为OFDM信号的输出，所以选择Lineout。SampleFormat（采样格式）：需要选择Complex(I/Q），表示I和Q分量混合输出，在频谱上不分离输出。Outputaudioline（输出音频线）：因为接在声卡的AESOUT1线上，所以选择AES(1+2)(RMEHDSPAES）。“AES”代表数字音频标准帧结构；“1+2”是因为AES帧包含双声道，所以每个AESOUT使用两路输出，也就是说AESOUT1对应着AES(1+2），而AESOUT2对应着AES(3+4）。

3.3内容管理配置

3.3.1输入流

输入流分为两种，一种是AudioStream（音频流），另一种是DataStream。AudioStream：当前可以用的有4种音频编码器，分别是单声道AAC、HE-AAC、xHE-AAC、预编码器，目前我台使用的是HE-AAC。

3.3.2音频输入流HE-AAC编码器

音频输入流HE-AAC编码器一共有3部分设置，分别是：AudioInputDevice、AACEncoder、TextMessages。AudioInputDevice（音频输入设备）：用于配置音频输入流的相关参数，AACEncoder(AAC编码器）：主要用于设置信源编码器参数，TextMessages（文本信息）：用于设置可发送的文本信息。

Audiosource（音频源）包括线路输入（声卡）、WAVE文件、MP3列表等。我台使用的是声卡输入的形式，所以选择线路输入（声卡）。

Lineindevice（线路设备）：从节传来的数字音频，被接到由声卡引出辫子线的AESIN1卡侬头上，因此选择AES(1+2)(HDSPAES）。其他设置使用默认选项即可。音频编码器的设置以及文本信息都会封装在SDC中进行传输。

3.3.3业务设置

ServiceParameters（业务参数），需要用户根据实际要求填写。ServiceID（业务标识号）：标识号由最多24位二进制数字组成，用来识别不同的业务。目前，我局DRM播出使用的ServiceID并没有统一的规范。Language（语言）：用来标识节目语言，此信息会在收音机显示屏上进行显示。ServiceLabel（业务标签）：用于描述业务名称。由于Spark对中文的支持问题，所以显示为“□”。乱码问题只出现在这个文本框中，接收机上如果支持中文会正常显示。ProgrammeType（节目类型）：用来描述节目类型。以上信息，ServiceID、Language、Programmetype都会封装在FAC中进行传输；而Servicelabel封装在SDC中进行传输。

4、DRM改造

4.1整体方案

图1是DRM改造后的100kW发射机整机系统框图，去除了音频处理器、音频衰减器、模拟调制器等部分，更换和增加了编码调制器、数字激励器、数字调制器等部分，相应的物理连线也有了变换，而在主要的射频通路上没有变化。

4.1.1编码调制器

编码调制器，由服务器和需在服务器安装的Spark软件构成，它是DRM系统的核心组成部分。如图2所示，从节传来的音频信号经AESIN1输入到编码调制器的服务器中，服务器中Spark对输入来的音频信号，进行信源编码、复用、能量扩散、信道编码、单元交织、OFDM调制等处理后输出，输出的OFDM基带信号，经过AESOUT1、阻抗转换器、75Ω同轴电缆，最后送往数字激励器。

4.1.2数字激励器

数字激励器，用于将OFDM基带信号进行幅相分离，并将幅度信息传至数字调制器以及根据相位信息生成调相载波送至发射机射频通路。激励器的前面板，UART（串口）：用于与上位机软件通信，可通过此接口，控制激励器的参数，包括延时、幅度补偿、相位补偿等；I1～I10、Q1～Q10用于显示激励器输入信号中的I分量和Q分量。图3是激励器的后面板图。AES＿IN＿1:BNC插头，与编码调制器的输出相连；AES＿OUT:3芯航空插头，用于将OFDM信号的幅度(包络)信息传入数字调制器(九单元)；RF＿OUT＿A:BNC插头，将激励器输出的调相载波，接入到1A9的输入端。数字激励器也可用于测试使用，将从调制编码器输出的基带信号，上变频到载波频率，用于仿真发射机最终的输出信号。

4.2DRM发射机原理

4.2.1DRM改造原理和实现

按照DRM的官方标准，其发射系统的框图如图4所示。信道编码和数字调制是数字通信的典型特点，图4中的信道编码包括能量扩散、信道编码器、单元交织器，这3者都是为了增强数据传输的抗干扰能力，其中，能量扩散和单元交织器不会改变数据本身的大小，信道编码器会在原有数据的基础上增加用于纠错的监督码元。OFDM调制包括OFDM单元映射器、OFDM信号发生器以及发射单元。OFDM调制，通过正交性多载波调制技术，利用不同等级的QAM调制方式对不同数据进行星座映射形成OFDM信号，然后通过激励器、数字调制器、射频系统，将OFDM信号在原有发射系统上进行匹配，完成上变频，功率放大，最终将已调波通过天线传播出去。

图2编码调制器

图3激励器后面板

图4DRM发射系统

对于DRM发射机来说，不能使用非线性放大器，而目前用于PSM发射机的电子管属于非线性放大器，正是由于非线性的原因，AM信号同样也不能采用电子管直接放大的方式。这是因为DRM和AM信号中，存在多个频率的成分，由于放大器的非线性作用，会出现互调和交调，从而产生干扰信号。

然而，A-RFP技术，即幅相分离，它可以利用低电平，并由I/Q信号派生出的基带信号，来驱动非线性放大器完成调制工作，这样，不同部分的信号会在最终放大器被调极（高末屏极）上结合，产生原始信号的高电平形式。

从编码调制器来的OFDM信号，其时域表达为公式（1）。提取OFDM信号的I和Q分量，计算出信号的幅度信号AOFDM和相位信息ψOFDM，可得公式（2）和公式（3），再通过变换，得到公式（4）。在载波生成器中，产生载波频率ωc，然后与相位信息ψ结合，生成调相载波公式（5）。将幅度信号AOFDM送至九单元，将调相载波SREP(t)送至原射频通路中，最后在被调极将会得到所需的信号，信号的频谱与OFDM相同，但中心频率已经搬移到载波频率，并且信号也经过了高功放放大，得到公式（6）。上述公式如图5所示，过程如图6所示。

图5

图6DRM改造的实现

4.2.2指标与测试

首先，利用频谱仪，通过对数字激励器参数的调整，来达到最优的带肩比及正确的频谱图。其中，带肩比是指中心频点与带外某点功率的比值，带肩比也称作头肩比。如图7所示，M1点为信号的中心频点，即带肩比的“带”，D2点和D3点位于频带为10kHz的DRM信号两端，即带肩比的“肩”。DRM信号的带肩比就是看M1点与D2点、M1点与D3点的功率比值。调整带肩比可避免带外干扰，同时从图7中可以看到，带肩比越大，得到的载噪比（指载波功率与噪声功率的比值）也越大，这使DRM系统具有更大的系统余量，即提升了抗干扰能力。激励器可以调整的参数有：延时、幅度补偿、相位补偿。其中，延时是为了保证调相载波和包络信号同时到达高末屏极，否则将严重影响载噪比指标，DRM官方标准要求误差不超过1μs。幅度补偿和相位补偿是为了补偿系统产生的失真，以达到更好的载噪比。

其次，接入信号后，接收机将自动检测出信号的中心频率是13825kHz，带宽是10kHz。如图8所示，上面那根有波动的线，是接入信号的实际频谱；下面那根较平滑的线，是接收机计算出来的对应接入信号的指标线。从图8中可以明显看出，接入信号在10kHz工作带宽外起始时，带肩比指标比较理想，但存在带外衰减慢的问题。

第三，图9是实际播音时的测试图。DRM播出OFDM信号的频域和时域是等同的，存在相互等价转换的关系，也是对幅相分离技术更为直观的体现。

4.2.3注意事项

(1）发射机性质。DRM发射机属于数字广播发射机，所以不能与其他模拟广播发射机互相代播。

(2）音频通路。DRM发射机的音频通路，是将从节传机房送来的音周，直接送到调制编码器中，不经过D/A转换器、音频处理器，所以DRM发射机的音周，不能再通过音频切换箱、音频处理器操作或跳线以及进行代播或被代播。DRM发射机中，原输入监听无法使用时，可在调制编码器中查看输入音周状态，而音频衰减器已不再起作用。

(3）九单元。DRM发射机的九单元采用数字调制器，九单元的D5板专为DRM发射机使用，所以DRM数字调制器的D5板卡不能与其他模拟广播发射机的数字调制器D5板互换；DRM发射机的功率模块与原模拟九单元对应的功率模块，也不能互相通用。

(4）频率设置。DRM发射机改造中，已经拆除频综部分，所以频率预制板已经没有作用，修改频率时，需要在上位机电脑的软件上进行或通过激励器的串口进行。

(5）调幅度仪。当前的调幅度仪，不具备DRM广播的监测能力，原输出监听无法使用。

5、DRM接收

我台目前共有两部发射机具有DRM功能，乙机房的B06机播出频率是13825kHz，丙机房的C04机播出频率是6030kHz，我台3个机房采用3种不同的接收监测方式。

中控机房采用兼容DRM收音机的方式进行接收，在正常设定接收频率和收听节目的同时，还可以查看信号的传输状态。

乙机房接收的方式采用闭路的方式，将发射机系统中平转送来的测试信号，传入到专门用于测试DRM信号指标的接收机中，并可以从接收机中查看信号指标（只要接收机与客户端浏览器的所在网络互通，就可以通过浏览器远程查看）。在此基础上，还可以将各地区接收机采集到的信号集中起来，建立起服务端与客户端的软件模型，通过权限的不同分配，能在一台电脑浏览器上查看全国DRM发射机的播出质量，此方案具有良好的扩展性。

图7载噪比测试

图8监测接收机接入信号后的状态

图9DRM播出信号的频域和时域

丙机房采用开路接收的方式，通过软件接收，对信号指标进行查看。软件接收机的连线方式很简单，通过外置小天线采集信号，将信号传输到SDR上，然后SDR与电脑上的USB接口相连，再通过电脑软件进行通信。在电脑上安装Dream软件，一是可对信号进行波形显示和多种指标的测量，既能查看收听节目的信息，也能查看信号的频谱以及信号的参数和指标；二是可设定SDR的振荡频率，以达到下变频到声卡所需的12kHz；三是可查看DRM信号的星座图，以观察信号的质量。Dream软件凭借着简易的安装步骤和丰富的信号测量功能，被广大DRM收听爱好者所喜爱。

6、结束语

数字调幅广播在信道编码上，采用了卷积码、时间交织、保护间隔等先进技术，使数字广播信号的抗干扰能力得到了大幅度提升。DF100A型100kW短波发射机在改造方案上，可兼容原有功率放大器和数字调制器，只需在射频通路前级加入软件化的编码调制器，再使用数字激励器替换原有频率合成器，然后通过采用“幅相分离”的技术，完成DRM的核心改造。此外，由于DRM接收机的复杂性，使它的成本偏高，因此，可优先在商用上推广（比如在车载配置、高铁及公交上推广等），也可在专用频道、其他大型设施上应用。

孙晨.基于DRM系统DF100A型100kW短波发射机的数字化实现[J].广播电视信息,2020,27(12):73-77.