張海亮 萬建 應毓海 陶加祥 韓大國 汪貴華

研究內容：

根據國家廣電總局頒布的GY/T 154-2000《調頻同步廣播技術系統(tǒng)規(guī)范》要求，調頻同步廣播覆蓋系統(tǒng)要滿足三同，即同頻、同相、同調制。分析在音頻數字化傳輸條件下利用數字技術實現調頻同步廣播系統(tǒng)的技術要點和指標參數，在此基礎上利用電子學技術、DDS技術、ARM技術、大規(guī)模FPGA、計算機智能技術和軟件等相關技術，以及本項目參與者的專利技術（專利號201120266901.7）進行開發(fā)項目系統(tǒng)所需的頻率同步技術、數字調頻同調制技術、數字音頻同步穩(wěn)定解碼技術；同時進行數字化系統(tǒng)設備樣機的開發(fā)；并進行現場數字化調頻同步廣播系統(tǒng)的開路試驗和相干區(qū)覆蓋效果的測量評價體系研究。

目的：

節(jié)約頻率資源，提高頻率資源的利用率；降低能源消耗，減少電磁污染；提高調頻廣播的覆蓋效率和擴大調頻廣播的覆蓋率；為移動和流動人群提供更為便捷和廉價的信息服務；方便收聽，有效對抗干擾，為我國應急廣播提供最佳的選擇。

一、立論依據

（一）研究背景

武漢廣播電視臺現在擁有五套調頻廣播節(jié)目，交通廣播還肩負武漢市應急廣播的任務。調頻廣播工作在超短波波段，傳輸方式為直線視距傳播，目前武漢臺調頻廣播覆蓋方式為單點、高塔、大功率。而武漢市地域廣、發(fā)射全覆蓋難度大，且市內高樓林立，極大阻礙了調頻廣播的有效傳播，同時由于社會經濟的快速發(fā)展，流動和移動人群急劇增加，以及多媒體的出現使得受眾選擇多樣化，對廣播覆蓋提出了高要求。調頻廣播以傳播速度快、成本低和接收方便等特點，擁有眾多的服務對象，如果調頻廣播不能很好地覆蓋和有效覆蓋，將使調頻廣播失去受眾，在激烈的媒體競爭中就不能為新聞宣傳、社會和經濟發(fā)展提供更好的服務。

（二）課題主要研究技術內容的國內外發(fā)展現狀與趨勢，國內現有技術基礎

1、研究現狀：

目前國內有比較成熟的模擬調頻同步廣播覆蓋技術，但數字化調頻同步廣播覆蓋技術很少有研究，大部分都是沿用模擬或部分數字條件下的技術。目前我國廣播信號已經全部實現了數字化傳輸，并且對信號的處理也都實現了數字化，因此現在的調頻同步廣播技術顯然是不能夠適應當今技術和服務的發(fā)展要求的。我國的調頻同步廣播覆蓋技術是上世紀90年代在借鑒國外調頻同步廣播技術的基礎上發(fā)展起來的，隨著數字化的發(fā)展，調頻同步廣播系統(tǒng)也在部分適應數字技術發(fā)展的要求，但就調頻同步廣播系統(tǒng)整體來說，目前國內外都沒有形成數字化調頻同步廣播系統(tǒng)的技術體系（包括產品體系和評價體系）。

2、發(fā)展趨勢分析：

調頻廣播覆蓋要滿足較大范圍的服務要求，必須進行同步廣播覆蓋，用多頻覆蓋可以說沒有意義。為了避免同頻干擾和頻帶保護，一個市域只能分配有十多個不能超過20個的頻點，因此調頻頻率資源極其緊缺。從能源的利用效率來看，要增加覆蓋范圍，一是增加功率，近場區(qū)場強很高，實際滿足需求即可，多余屬于能量浪費；二是增加發(fā)射點，采用不同頻率，在聽眾移動收聽意義不大。因此需要發(fā)展調頻同步廣播覆蓋技術。我國目前已經完成音頻信號的數字化及數字化傳輸，信號處理也完全實現了數字化，為了使調頻廣播更好地服務于社會和經濟生活，數字化調頻同步廣播是調頻廣播發(fā)展的趨勢就成為了必然。

3、國內現有的技術基礎：

我國從上世紀60年代開始，陸續(xù)進行了中波同步廣播、電視精密偏置（同步）、MMDS（多路微波同步組網），90年代后期開始模擬調頻同步廣播系統(tǒng)研發(fā)，都取得了成功，并且已經站在了世界的前沿。在調頻同步廣播系統(tǒng)開發(fā)成功后，近十多年來由于音頻信號的數字化，陸續(xù)進行了調頻同步廣播相關設備的數字化，隨著對數字音頻信號和信號數字化處理技術的深入研究，數字化調頻同步廣播系統(tǒng)還有很多懸而未決的問題出現，如頻率同步技術，數字化調頻對頻率的要求是以頻率的短期穩(wěn)定度為指標的技術要求，原來的中長期穩(wěn)定度不能滿足頻率同步要求。原來的音頻時延要求是立體聲5微秒，單聲道10微秒，這個指標在實驗室容易達到，但實際的音頻傳輸通道有一定的干擾和通道特性及解碼算法很難一致，使得實際音頻延時抖動較大，在應用之后調頻同步廣播系統(tǒng)運行不穩(wěn)定。以及調頻同步廣播覆蓋系統(tǒng)在相干區(qū)有較大的同頻保護率，實際應用效果也不能讓用戶滿意等。

圖一 帶溯源智能跟蹤和精度保持功能的基準源信號輸出裝置原理方框圖

圖二 DDS全數字調頻同步廣播激勵器

二、主要研究內容、擬解決的技術難點，以及預期達到的目標、主要技術指標和水平

（一）研究的主要內容：

1、概述

根據國家廣電總局頒布的GY/T 154-2000《調頻同步廣播技術系統(tǒng)規(guī)范》要求，調頻同步廣播覆蓋系統(tǒng)要滿足三同，即同頻、同相、同調制。為此本項目需要解決以下主要問題和關鍵技術：

（1）利用電子學技術、DDS技術、計算機智能技術和軟件等相關技術提高基準源的頻率穩(wěn)定度，并實現短期穩(wěn)定度達到10-10指標。

（2）把GPS長期穩(wěn)定度頻率指標變?yōu)槎唐陬l率穩(wěn)定度指標。

（3）利用DDS技術、ARM技術、大規(guī)模FPGA、計算機智能技術和軟件等相關技術研制數字調頻激勵器。

（4）利用計算機技術、大規(guī)模集成電路技術、存儲技術和軟件等相關技術，使相鄰發(fā)射臺的音頻傳輸延時穩(wěn)定，不產生超過毫秒級的抖動及延時差。

（5）調頻同步廣播系統(tǒng)相干區(qū)干擾程度的技術指標評價。

圖三 數字音頻信號同步解碼器系統(tǒng)示意圖

2、系統(tǒng)部件詳細技術方案：

根據調頻同步廣播覆蓋系統(tǒng)的三同技術要求本項目需要研制以下關鍵部件和設備。

（1）部件及設備框圖

①基準源（圖一）

同頻即相同頻率的含義，在同步廣播系統(tǒng)中要求兩個相鄰同步點（臺）的發(fā)射載頻頻率相同。眾所周知，任何兩個獨立振蕩器的振蕩頻率是不相同的，實際同步廣播系統(tǒng)是要求兩個載頻頻率小于一定的差值，規(guī)范中同頻率的要求是10-9穩(wěn)定度，頻差是0.1Hz。目前頻率的同步方式都是采用GPS系統(tǒng)，對采用GPS方式進行的頻率同步方式，基準源必須具備GPS溯源跟蹤可用性甄別和溯源中斷后的頻率精度保持功能，在調頻同步廣播中的基準源頻率穩(wěn)定度為短期頻率穩(wěn)定度，此項要求需要更進一步進行頻率穩(wěn)定度的技術開發(fā)。

②DDS全數字調頻激勵器（圖二）

根據調頻原理，調頻輸出頻率是由音頻信號幅度決定，傳輸的同步點的音頻信號必須是數字音頻信號，在調制過程中必須采用全數字處理方式，否則不能保證調制后的同步點頻率相同，也就是不能實現同調制。

③數字音頻同步解碼器（圖三）

音頻信號調制傳輸的過程一般分為兩大過程：信源編解碼和信道編解碼。信源編解碼需要對數字信號進行解壓縮，壓縮編碼有多種方式，不同的編解碼方式需要不同的時間。對于同步廣播來說，相干區(qū)的兩個音頻信號傳輸途徑完全相同，而且途徑中的所有設備都相同（包括其中的軟件和硬件），這時音頻信號時延相同。在實踐中有兩種可能使得音頻時延不相同，有時延差。一種是途徑相同傳輸條件有不同（比如一處受到干擾，一處沒有），誤碼率不一樣引起解碼時間不同產生時延差；另外情況是途徑相同設備不同，不同解碼設備，解碼算法不一樣，引起解碼時間不同產生時延差。數據在信道傳輸中，編解碼時要解決兩個問題：隨機誤碼和突發(fā)誤碼。為了正確解碼，消除隨機誤碼和突發(fā)誤碼的干擾，在信道編碼時加入了大量的糾錯碼和同步信息，如在MPEG-2的標準中，采用TS流格式，TS幀由幀頭、適配域和數據組成，包含起始碼、ES流標識符ID、PTS、DTS、PCR、PSI、SI等信息。起始碼用于收發(fā)兩端對PES包進行同步；ES標識符是對ES信號進行識別和復用；顯示時間標志PTS用于通知解碼器何時顯示一個已解碼的圖像幀，PTS差錯導致圖像和伴音對不齊；解碼時間標志DTS指示何時對收到的一幀圖像的碼流進行解碼，不能獨立出現與PTS一起可由PTS值得到；節(jié)目時鐘基準PCR是解碼器的時鐘基準，通常每隔100ms傳送一次，是解碼器的時鐘參考，視音頻解碼過程能否正確進行，取決于解碼器的PCR和編碼器的PCR一致；節(jié)目特定信息PSI包含節(jié)目映射表PAT、節(jié)目關聯表PAT、網絡信息表NIT和傳輸流描述表TSDT等信息，作用是自動設置和引導接收機解碼，對用戶使用起著指導作用，對解碼器的系統(tǒng)運行起著管理作用；業(yè)務信息SI主要起著節(jié)目選擇和CA控制等的作用。解碼器正確解碼就需要對這些信息進行存儲運算來正確解碼和消除誤碼，運算就有算法，不同的算法需要不同的時間，因此解碼器正確解碼消除誤碼所需時間就不一樣。也就是說不同版本的接收機解碼時間都有差別，有資料表明相同系統(tǒng)情況下，不同版本時延可以相差84ms，可以這樣認為這個時延差主要用于算法和誤碼的不同。值得注意的是這個時延值也是不穩(wěn)定的，有較大的抖動。

（2）數字化調頻同步廣播系統(tǒng)實驗框圖（圖四）

調頻同步廣播覆蓋系統(tǒng)主要是解決同步廣播相干區(qū)的干擾問題，減少干擾程度、降低干擾區(qū)或者是消除干擾。目前從模擬調頻系統(tǒng)來看。只能減少和降低干擾，不能消除干擾，如何對相干區(qū)的干擾程度（同步效果）進行主觀評價非常必要。按照規(guī)范要求，相干區(qū)同頻保護率定為6dB，占覆蓋區(qū)15%，這樣的覆蓋效果對廣播電臺的覆蓋來說是很難接受的。通過采取以上的技術開發(fā)，使得相干區(qū)的同頻保護率降到3dB，相干區(qū)不僅干擾程度降低，而且相干區(qū)占比也大為下降。

建立相干區(qū)收聽效果的合理評價體系，時間衰落、空間衰落、移動收聽效果、固定收聽效果、系統(tǒng)覆蓋網絡的設計原則、覆蓋服務區(qū)的場強要求、收聽效果的主觀評價等。

（二）擬解決的技術難點

本項目擬解決的技術難點有三：

一是解決頻率短期穩(wěn)定度指標的實現；為了保證基準源短期頻率穩(wěn)定度的指標，在基準源中要采取減少溫度和電源的變化、提高回路的品質因數、改進安裝工藝等特殊措施。

二是解決不同音頻傳輸通道和衛(wèi)星傳輸通道干擾的隨機化使得音頻同步節(jié)目得到的音頻時延的抖動，并使音頻延時指標擴展到17毫秒，從而使調頻同步廣播系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

三是對相干區(qū)的干擾進行科學有效評價，制定一套科學評價標準。

（三）預期達到的目標

設計開發(fā)數字化調頻同步廣播系統(tǒng)所需的同步設備，擬建武漢廣播電視臺交通廣播兩個同步廣播試驗點，進行實際的開路實驗，將同頻保護率從規(guī)范中要求的6dB減小為3dB，從而提高調頻同步廣播的覆蓋效率，滿足實用化要求，并制定相應的主觀技術評價體系。

（四）主要技術指標和水平

1、基準源頻率短期穩(wěn)定度為10-10，比技術規(guī)范提高一個數量級，并將長期穩(wěn)定度指標改為短期指標；

2、調頻載頻頻率差為0.01Hz，比技術規(guī)范提高一個數量級；

3、調制度誤差趨于0dB，比技術規(guī)范提高二個數量級，徹底解決同調制的問題；

4、音頻時延差小于17ms，比技術規(guī)范提高三個數量級；

5、將同步點的功率等級由80%的差額改為任意功率等級組合，極大方便系統(tǒng)組網。

圖四 調頻同步廣播系統(tǒng)試驗示意圖

三、課題擬采取的研究方法（或技術路線、實施方案）及其可行性和風險分析

（一）課題擬采取的研究方法（或技術路線、實施方案）

研究方法：在總體技術方案中將數字化調頻同步廣播覆蓋系統(tǒng)技術分解為4部分，頻率同步、音頻同步、調制度相同和相干區(qū)效果評價，對每一部分分別進行技術攻關。利用雙核技術、DDS技術、高速數字智能鎖相環(huán)、數字濾波和軟件技術，將GPS的長期、時間的技術指標轉化為頻率的短期穩(wěn)定度，解決頻率源的短期穩(wěn)定度指標，保證調頻同步廣播系統(tǒng)中所有的頻率得到同步。利用大規(guī)模集成電路技術、緩存技術、測量技術和軟件技術將數字音頻解碼器輸出的音頻信號從時間角度看穩(wěn)定輸出，不產生抖動。利用DDS技術、FPGA技術、ARM技術、數字濾波和軟件技術，解決調頻廣播的同調制度問題。對這些單個部件和設備進行樣機研制和指標測定，滿足要求后進行設備系統(tǒng)的總裝，再進行試驗系統(tǒng)的實際安裝調試，進行系統(tǒng)開路實驗并進行覆蓋相同系統(tǒng)的測試分析和質量評價。

（二）可行性和風險分析

從現有的理論基礎、研究方法和實際技術方案以及我們項目團隊的研究條件來看，這一方案是完全可行的。

1、從理論基礎來看，本項目是基于國家頒布的調頻同步廣播系統(tǒng)技術的規(guī)范提出的。有關調頻同步廣播系統(tǒng)的研究和實踐，已經取得了非常豐富的研究成果，而且也是目前調頻廣播領域熱門的研究課題，理論分析結果表明本項目總體方案是可行的。

2、研究方法和技術方案是在總結和發(fā)展已有研究成果的基礎上提出的，同時具備先進性和可操作性。在調頻廣播應用領域，同步廣播已有近四十年的研究應用積累，調頻同步廣播技術研究與應用也有近二十年，目前已經有豐富的實踐和理論積累。采用的相關技術，如電子學技術、DDS技術、ARM技術、FPGA技術、計算機智能技術、信息存儲技術和軟件等已經普遍應用，而且較為成熟，在本行業(yè)也多有應用。本系統(tǒng)技術方案的難點主要是結合本行業(yè)的技術特性對各項技術進行合理的整合，易于獲取具有創(chuàng)新性和實際應用價值的研究成果。

3、本項目組團隊都具有較好的專業(yè)及研究背景和應用基礎。項目組成員中有多人先后參與與主持了2000年國家廣電部重點科研項目“調頻同步廣播”（項目組鑒定意見為國際先進、國內領先）、“調頻精密同步廣播技術”（2003年安徽省科研成果 編號為03411）、安徽省教育廳重點科研項目“數字化中波同步廣播單頻覆蓋技術（編號：kj2014A03 3）”、“銀川市調頻同步廣播系統(tǒng)工程”（2014年11月）、“安徽省調頻同步廣播系統(tǒng)工程”（2004年）和“湖北廣播電臺中波同步廣播單頻覆蓋系統(tǒng)工程”（2014年、2011年）等相關應用項目及研究課題，積累了豐富的項目研究與應用經驗。 此外，課題組的成員都擁有專業(yè)和行業(yè)方面的豐富的理論和實際經驗，并在項目前期做了大量的初步探索和調研的準備工作，結果表明本項目是完全可行的。

四、主要創(chuàng)新點及預期

創(chuàng)新點1：

提出調頻同步廣播的同頻率含義是基準源的頻率穩(wěn)定度為短期頻率穩(wěn)定度，指標為1×10-10。調頻廣播是實時性的，中長期的頻率穩(wěn)定度不能滿足調頻同步廣播的需要。達到短期頻率穩(wěn)定度的1×10-10后，相干區(qū)的載波才能形成駐波，產生同步衰落，否則就是同頻干擾，無法實行調頻同步廣播。

創(chuàng)新點2：

提出相干區(qū)音頻時延差指標為17毫秒。在相干區(qū)相鄰發(fā)射臺的聲音，經解調器輸出，兩個內容相同有不同時間延遲的聲音相當于哈斯效應，也就是說不大于17毫秒的延遲，兩臺的聲音是同步的。大于17毫秒的延時，才能表現為聲音不同步。數字信號的傳輸和解碼，因為誤碼率和解碼算法的差異，使得不同解碼器音頻信號延時相差很大而且不穩(wěn)定，采用同步解碼技術使數字信號解調器輸出的音頻信號延時穩(wěn)定，而且不大于17毫秒可以保證調頻同步廣播的相干區(qū)收聽效果。

創(chuàng)新點3：

總結并提出相干區(qū)的收聽效果評價體系。從相干區(qū)的時間衰落、空間衰落的定量、移動收聽效果、固定收聽效果的主觀評價、系統(tǒng)覆蓋網絡的設計原則、覆蓋服務區(qū)的場強要求、收聽效果的主觀綜合等方面制定完善和可操作的評價體系。

五、預期研究成果應用轉化前景預測

（一）市場前景分析

本項目的開發(fā)研究符合我國調頻廣播產業(yè)的發(fā)展目標，具有廣闊的產業(yè)化前景。由于調頻覆蓋擴大，傳播效果好，必將給實施同頻發(fā)射改造的廣播電臺帶來強大的傳播力及影響力，同時帶來可觀的新增廣告創(chuàng)收效益。

（二）社會效益

調頻廣播是我國現階段信息傳輸的主要手段之一，是我國廣播電視宣傳的主要輿論陣地及傳播手段，也是我國應急廣播的重要運用方式。廣播信號的覆蓋必須是較大范圍的， 采用數字化調頻同步廣播單頻覆蓋技術可以大大節(jié)約頻率資源，提高調頻廣播頻率段的頻率資源利用率，方便聽眾收聽（尤其是流動和移動人群）；提高調頻廣播的覆蓋效率和調頻廣播的覆蓋率；也可以減少電磁污染和節(jié)約能源，對我國社會經濟發(fā)展具有非常積極的意義。

（三）成果轉化、措施及風險評估

實際需求迫切：本項目是由武漢廣播電視臺與國內知名高?？蒲袡C構共同發(fā)起，結合了高?？蒲袡C構強大的科研、先進技術的應用及開發(fā)能力和潛在用戶的實際應用需求，因而取得的成果會更具有實用性、指導性、先進性和可操作性。也具有很強的示范性，容易獲得潛在用戶的認可，滿足其實際需要。

政府支持：本項目的建設符合國家宣傳文化系統(tǒng)產業(yè)升級轉型的迫切需求，同時，政府也是該項目建設的指導者和主要推動者之一，其目的是為了建立更加廣泛的調頻廣播信息傳輸平臺。因此，本項目的建立必然會得到國家及地方政府大力扶持。

研發(fā)實力雄厚：本項目依托武漢廣播電視臺及合作方雄厚技術積累和研發(fā)實力，在設備和技術上風險很小。本項目所面向的客戶群體是國內的各級廣播電視臺，需求穩(wěn)定； 項目以技術為先導，以市場需求為目的的經營模式，為該項目的產業(yè)化提供了充沛的發(fā)展動力，降低了經營管理風險。

綜上所述，研究表明本項目的組織實施充分考慮了實施中可能的風險，可在較長的時間內保障穩(wěn)定運營。