5 技术报告.docx

1、5 技术报告基于中波广播的惠农信息服务平台技术研究技术报告一、技术背景声音广播是面向大众传播的一种已有近百年历史的传统信息媒体，在互联网蓬勃发展的今天，它虽然已失去了主流媒体的地位，但技术更新仍在进行之中，发挥广播廉价、稳定等特有的优势，作为互联网时代主流信息传输渠道的辅助手段，甚至在极端环境下作为不可或缺的备用方式，数字广播依然在国民经济发展和社会稳定中起着重要作用。发达国家，如欧洲和美国已经形成标准化的数字广播体系，而我国由于国土辽阔，地域之间经济发展的差异，还未在传统广播的数字化及其应用上有统一的思路和体系。本项目就是基于我国特定的国情，经过长期的基础理论研究后提出的一个实用的数字广播方

2、案在农村信息传播中的成功应用。传统的模拟调幅(AM)广播，又称30 MHz以下的广播方式。我国以中波(MW)和短波(SW)波段为主，采用保留载波的双边带调幅体制，只占用9 kHz带宽，可实现广泛地域的覆盖，由于收音机简单廉价，至今，我国仍有数亿人口坚持收听广播，因此仍是重要的大众信息传播渠道。2008年我国汶川大地震使灾区光缆中断、手机不通、电视不亮，通信陷入极大的困难。这时，民政部、解放军四总部分别紧急采购10万台和17万台收音机，调往灾区和救灾部队，解决了灾区在紧急状态下的通信问题。由此可见，传统的MW/SW广播在紧急情况下，仍能起到重要的补充作用。但由于受电离层变化和多径传播的影响严重，

3、传统的模拟中短波广播干扰大，音质差，已不适应当代社会人们对广播服务的要求。要使AM广播与互联网融合，必须实现AM广播的数字化，这里包括声音信源的数字化和信道传输的数字化。1.1国际上研究进展关于AM广播数字传输的标准化，国际上主要有两种思路：一是欧洲国家为主体的世界数字广播(DRM：Digital Radio Mondiale)组织制订的规范，在整个LW/MW/SW频段和现行模拟AM广播带宽内“一步到位”实现全数字化声音广播和多媒体信息传输；二是美国iBiquity Digital公司采用的带内同频道(IBOC：In Band On Channel)专有技术开发的HD Radio系统，可在现有

4、模拟AM/FM频段内通过现有播出频道并使用与模拟广播电台相同的载波频率，依靠频率分隔和调制方式的不同，同播模拟和数字两种节目，实现两套系统的混合兼容。由于SW波段的大功率信号借助大地与电离层之间的反射可实现全球收听，为了统一，世界各国都原则同意采用DRM规范；但对于MW波段，欧洲采用DRM规范，美国却坚持IBOC体制。二者虽然同为国际电信联盟无线电通信部(ITU-R)于2000年4月在BS.1514建议中推荐的国际标准，但这两个标准互不兼容，不满足其此前在BS.1348-1中建议全世界采用统一的数字声音广播系统标准的要求。虽然DRM和IBOC都能实现AM频段的数字化，但与原有的AM体制都不完全

5、兼容，故都不能直接沿用现有的MW波段收音机来进行接收，而且，在广播发射端，要么必须添加全新的IBOC数字发射机，要么必须按DRM信号要求改造或更新现有的AM发射机。这对于象我国这样地域辽阔，还存在大量AM广播设备的国家来讲，是一个两难的选择。1.2 国内研究动向跨入新世纪以来，东南大学多媒体技术研究所在国家自然科学基金“中国数字AM广播实验系统及其关键技术研究”(2001.1-2003.12)和江苏省“333工程”人才基金“数字调幅广播关键技术”(2002.1-2004.12)的立项支持下，分析了DRM和IBOC体制，确定了以编码的正交频分复用(COFDM：Coded Orthogonal F

6、requency Division Multiplexing)为基础的系统模型。对该系统的各个环节，如信源编码（MPEG-4 AAC、ITU-T G.723和G.729等标准）、信道编码（码率兼容删除卷积码(RCPC)、Turbo码及其交织方式、先进的低密度奇偶校验(LDPC)码等）和OFDM实现（确定子载波数、降低峰均比、时间与频率同步、信道估计、多电平QAM与多电平DAPSK调制方式的对比等），进行了系统深入的研究和技术开发，提出了向下兼容现有模拟AM广播和MW/SW波段收音机，无需改动现有广播发射机的数字AM广播制式。由于DSB-AM信号由一个不含任何信息的正弦载波和上下两个含有相同调制

7、信息的模拟边带组成，因而这种向下兼容方式实际上就是将现有DSB-AM体制的模拟边带通过音频调制解调替换为“数字边带”的方案。东南大学多媒体技术研究所还在国家自然科学基金“超窄带高速通信的理论与关键技术”(2005.1-2007.12)的资助下，又进一步研究了利用载波本身传输信息的产生了“数字载波”的思想，这就形成了AM广播数字化传输的第三种思路，即复合调制兼容方式，其传输系统框图见图1，这是对AM广播数字化的一种创新，特色鲜明，优势突出。图1 基于COFDM数字边带和EBPSK数字载波的DSB-AM复合调制传输系统框图利用DSB-AM边带传输数字信息的思想很简单：将复用的压缩音频和数据经COF

8、DM基带处理后直接送入AM发射机音频口对发射载波进行DSB-AM调制发送，相当于为模拟发射机提供了一个基带的音频调制解调器；而从现有MW/SW收音机包络检波端或音频输出口取出该基带信号再解调解码就可得到音频和附加数据；而高档收音机还可取现有收音机的中频信号，分别对AM上、下边带相干解调后相加以提高信噪比。这一方案“向下”兼容了现有的AM广播体系，最大程度地简化了从模拟向数字的转化，收音机复杂度也最低。而只要改动调制参数，也不难“向上”兼容新的DRM/IBOC数字发射机。由于DSB-AM信号上、下边带关于载频对称，浪费了一半带宽，故“数字边带”系统的速率只有同等调制手段如DRM的1/2（尽管可显

9、著减小OFDM信号的功率峰均比，更适合电子报纸、应急广播等数据信息的广域廉价服务。二、研发的技术路线根据以上论证，本项目采用“数字边带”思想和COFDM技术，直接利用现行模拟AM体制、现有大功率模拟AM广播发送设备和民用收音机的数字传输方式，不对广播网络和广播发射机做任何改动。具体实现方法就是将数字调制后的声音、文字和图片等媒体信号直接从现有模拟调幅广播发射机的音频口接入，像普通声音信号一样，对发射载波的幅度进行调制后经天线发送（如图2）；而数字接收机可直接从普通中波收音机的音频输出口取得数字调制信号，解调后即为传送的数字信息（如图3）。图2 发射系统原理图图3 接收系统原理图对于作为DRM/

10、IBOC标准系统物理层基本框架的COFDM，我们进行了较为系统深入的分析对比和计算机模拟15-24，实现了更为优化的系统方案2。我们与东奇公司合作进行了技术改进和软件开发，利用软件无线电和虚拟无线电技术，对模拟短波单边带电台进行数字化改造。主要依据DRM框架（图4和图5）进行优化和简化：将其中的删除卷积码代之以性能更好的LDPC码，对帧结构进行必要的简化，对带宽按照单边带电台的300-3000Hz进行限制，改进软件结构并优化了全部代码，终于超过了现役电台的传输效果。2011年1月10日，“模拟电台通信业务数字化改造”顺利通过南京军区装备部的验收鉴定，并于同年10月获总装备部颁发的军队科技进步三

11、等奖。图4 DRM发射系统原理框图图5 DRM软件无线电原理框图三、本项目实施中解决的关键技术直接沿用以上所论述的基本系统框架和底层软件模块，本项目根据“惠农信息服务”与“突发事件应急广播”的两大需求所提出的具体技术要求，通过“软硬兼施”的方式，开发实现了完整的“惠农信息服务与突发事件应急广播系统”。整个系统分为设在广播电台内的发射系统，基于收音机和工控机的接收系统，以及通过工控机接口和响应的适配硬件驱动外设的广播播放系统三部分。软件部分由嵌入式发送软件、嵌入式接收软件、自动朗读播放软件组成，硬件部分由普通收音机和专用工控机配套组成。3.1 应急广播发射系统应急广播发射系统架构如图6所示，利用

12、现有的广播发送系统，只需在编辑广播节目的操作端上安装本产品的嵌入式发送软件即可，图7为嵌入式发送软件的软件界面。图6 应急广播发射系统组成图7 嵌入式发送软件的界面应急广播发射系统是将语音和数据信息通过信源编码变为数字信号，然后通过信道编码有选择地加入冗余保护，再通过OFDM基带处理和DSB-AM调制，得到相应MW频段的调幅广播信号，经电台的发射机功率放大后，经天线发射。由于在串行数据系统中，如果需要非常高的数据传输率，通常会增加信道带宽，从而更容易产生码间串扰，增加误码率，在多径传播过程中甚至会造成突发性误码，使得数据系统的传输质量大大下降。若将高速串行数据系统转换为由若干个低速数据流组成的

13、并行数据系统，总信号带宽被划分为N个子信道，在N 个子信道上进行正交频分复用，则这种新型的调制方式称为正交频分复用。本系统采用正交频分复用技术，将一系列在频率上等间隔的子载波（MSC、FAC、SDC）单独调制，组合在一起形成AM广播信号，以提高频谱利用率。发射系统在保持现有双边带调幅体制完全不变，并且不改变模拟调幅广播发射机的前提下，可将文字、图片、声音等多种媒体的数字基带信号直接从现有模拟调幅广播发射机的音频接口输入，对发射载波的幅度进行调制后经过天线发送。启动应急广播发射系统，将会向其信号覆盖范围发送数字广播信号，数字信号中携带了数据文件信息、业务类型标识、接受区域地址码、播放次数等信息。

14、具体工作流程是：首先，广播发射系统对输入的音频数据流和数据流进行信源编码。然后将多个信号加到一个复用器进行复合与处理，获得一路主业务信道（MSC）。同时，快速访问通道（FAC）和业务描述通道（SDC）两路信号不经复用而直接加至信道编码器进行信道编码。最后，采用OFDM技术将一系列在频率上等间隔的子载波（MSC、FAC、SDC）单独调制后组合在一起，形成AM广播信号，以提高率频谱利用率。应急广播发射系统所处理的信号主要分为两类：输入信号（音频数据流和数据流）和专用信号（FAC和SDC）。第一类信号所要传送的是节目信号，具体内容包含在输入的数据流中。将多个信号加到复用器复合与处理后，获得的一路信号

15、称为主业务通道（MSC：Main Service Channel）。信源编码器和数据流预编码器的输出，包括需要不同保护等级的两部分，可在信道编码中采用不同的保护强度，来提高系统在易错信道中的性能。所有信道都使用这两种统一的保护等级。本系统实现了用于纠错的冗余编码的长度设置。界面可以选择0、2、4、6、8、10、12和14字节，纠错能力分别对应0、1、2、3、4、5、6和7字节。第二类信号专门用于给应急广播接收系统提供相应的信息数据。由于应急广播接收系统采用自适应接收方式，需要将广播发射系统所选择的系统参数实时地通知接收系统做应变处理。它由快速访问通道（FAC：Fast Access Chann

16、el）和业务描述通道（SDC：Service Description Channel）两个独立通道组成。两路信号不经复用而直接加至信道编码器。快速访问通道（FAC）用来把发射端的复用器复合了哪种业务以及有关信道编码参数等信息提供给接收端，据此，应急广播接收系统自动调整其解复用参数，以便解调出各种传输业务，或者按照发射端的提示，改变接收频率和重新搜索信号。SDC用来向应急广播接收系统提供复用器中各种业务的特征。例如，同一个节目的下一个替换频率、频率时间表及其音频元的数据信息等。根据目前射频带宽的要求，FAC的帧周期是400ms。本系统的业务类型标识设置和接收区域码设置信息就在此通道。设置数字信号

17、业务类型，能够区别普通广播和紧急广播。紧急业务类型标记用于在突发事件时，控制接收端自动打开应急广播播放软件，并播放应急信息。接收区域码采用24位地址码，控制应急广播接收系统是否播放应急信息。该功能可分为模糊发射和精准发射，以“城市码 县区码 乡镇码 村编码”4级划分，可以准确指定到某个村庄播放应急广播信息（相同村内如果有多台接收终端，可以使用相同地址码接收）；也可以模糊指定某个镇（镇及镇下的所有村庄）、县或者市播放惠农广播信息。SDC是单一的数据通道，只用于给应急广播接收系统提供如何解码、如何跟踪发射端的变化进行节目和数据的有效接收等指导性信息。SDC的帧周期是1200ms。3.2 应急广播接

18、收系统应急广播接收系统直接利用普通的MW波段收音机将接收信号下变频为中频信号，放大并检波后通过收音机的耳机插孔输出频率低于5kHz的COFDM基带信号，直接连接到普通PC或专用工控机的声卡的话筒输入端，利用声卡内置的音频模数转换器(ADC)转换为数字信号，再利用电脑的CPU进行同步、信道估计、信道解码和信源解码，得到原来的语音和数据信息。这是与发射系统电脑软件所进行处理的逆过程，是典型的软件无线电技术，但由于完全基于通用电脑的CPU而无需其它硬件数字信号处理器(DSP)即可实现，故又称之为虚拟无线电。基于虚拟无线电技术实现的应急广播接收系统的原理框图如图8所示，系统架构如图9所示，所需硬件如图

19、10 所示。图8 应急广播接收系统的原理框图图9 应急广播接收系统组成(a) 普通收音机 (b) 专用工控机图10 接收端所需硬件应急广播接收系统的具体处理过程如下：1）对模拟信号采样数据利用频率参考符号来进行频率捕获，接着对采样率进行纠正。2）进行时间粗同步，利用引导符号与有用符号进行相关实现时间捕获，提取出有用符号部分，再进行频率纠正和OFDM解调。3）进行频率细同步（频率跟踪）后利用每个传输帧中第一个符号中的时间参考单元进行相关，实现帧同步。4）进行信道估计，利用增益参考符号估计出信道对信号的影响，接着进行时间跟踪。5）进行OFDM星座图解映射、信道解码、信源解码等过程。6）获取FAC通

20、道信息，根据区域码信息判断是否接收应急广播的信息，并根据业务类型判读是否启动应急广播播放软件。因为发射系统在FAC中已经设置了应急广播的业务类型标识和接收区域码信息。7）接收区域码判读可分为模糊判断和精准判读，对应应急广播发射系统的模糊发射和精准发射。如果本机输入的“城市码 县区码 乡镇码 村编码”4级区域码与FAC中的区域码一致，则表示此次接收为准确判读，可以接收应急广播信息；如果本机输入的“城市码 县区码 乡镇码 村编码”4级区域码前几位与FAC中的区域码一致，而FAC中数据的后几位为0，则表示此次接收为模糊判读，也可以接收应急广播的信息。接收系统实现了设置应急广播播放系统播放次数、继电器

21、参数和LED显示墙参数的功能，保存在配置文件中，方便应急广播播放系统的调用，使之能控制播放次数，适应不同PC串口和不同LED参数的场景，适宜于整合农村的现有设备。3.3 应急广播播放系统应急广播播放系统能自动打开农村现有广播系统，通过232串口朗读应急信息；能通过232串口自动在农村的LED墙上显示应急信息。系统通过单路交流继电器接入到农村有线广播站工作台。它将单片机、继电器和音频信号选择开关整合为功放控制系统。当没有应急信号时，村广播站工作台播放调频接收机的广播信息；当有应急信号时，工控机利用单片机控制继电器和音频选择开关，使得村广播站工作台停止播放调频广播信息，优先播放调幅广播的应急信息，

22、等应急信息播放完毕后，继续播放调频接收机的广播信息。继电器工作原理图如图11所示。图11 继电器工作原理图四、本系统实现的主要功能特色和创新点实现本系统的关键技术是将目前的模拟中短波广播数字化，使其在原有的带宽范围内能够传输数字信息。为了降低系统成本和实现快速部署，必须兼容现有AM广播电台的DSB-AM信号传输体制。我们采用的“数字边带”方式可保证这种向下兼容性，在AM发射机和中波波段收音机不变的前提下，目前能提供最高约16kbps的信息传输能力。在应用和数据平台管理上的主要特色和创新如下：（1）新媒体服务与广播增值业务本系统可充分利用闲置资源，为传统的调幅广播在保持现有体系/架构不变的基础上

23、，提高频谱利用率，开展多媒体增值业务，实现文字、图片、声音等多媒体信息的传输，为广播电台带来新的经济效益和利润增长点（例如经过政府有关部门检测的合法厂商合格产品的广告费收入），并可通过“电子报纸”的形式整合广播和报业的力量。（2）安全可靠与备用应急广播广播系统的数据传输安全可靠，计算机网络上的病毒、木马等非法程序的无法侵入广播系统。通过广播方式传输的数据采用加密算法加密，经广电部门播出后在接收端解密。非法组织和个人难以介入数据传输通道，更难以解密通道数据。在自然灾害发生时，本系统作为备用应急广播系统，可有效组织减灾、自救。日本许多家庭中的抗震抗灾应急包中，收音机和手电筒是必备的，在2011年发

24、生的福岛大地震中老百姓可以随时了解政府的信息公告就是得益于数据广播；而我国2008年的汶川大地震，由于传统的手机基站、有线网络、无线路由器等通讯基础设施被摧毁，使灾民处于与外界隔绝的危险境地。此时若能及时通过广播发布最新的灾害地点和灾害程度报告，组织灾民向安全地带转移，并广播救灾物资投放时间、施救方式等重要信息，就能最大程度降低人员伤亡，减少财产损失，因此，本项目的实施具有重大的社会价值和经济价值。(3）科技下乡，拉动内需通过数据广播，可以建立各类科学技术传播频道，传播新农村建设知识和农业新技术新方法，普及科学文化知识，树立新风，破除迷信，引导村委会带领村民走科技兴农道路，提高农民的科学文化素

25、质，有助于拉动计算机、收音机、打印机、投影仪等电子信息产品在农村的销售市场，促进信息服务业的发展，增加在信息采编、制作、服务、软件开发以及维修等方面的就业岗位。五、项目已取得的主要技术成果1 完成了全套数据广播播放软件的开发。2 完成了全套数据广播设施和装置的软硬件设计和节目源数据库管理软件的开发。3 完成了中波数据广播接收与解码的客户端软件设计。4 完成农村用户端广播接收与应用数据库管理软件一套5 在省级以上刊物公开发表相关技术论文1篇，取得实用新型专利1项，完成省级技术鉴定一项。获批软件知识产权二项。六、存在的不足及努力方向本项目的数字调幅广播是在原模拟调幅广播的信道内开发形成的，这样做的

26、主要目的是希望不占用其它宝贵的频率资源，不更换原有的广播发射设备，最大程度地降低费用和成本，已取得推广普及的良好效果。但是由于带宽的限制，成为数据码速率进一步提高的瓶颈，因此，这是本项目方案的最大不足之处，借鉴美国、欧洲等国的经验，我们下一步的努力方向，将继续开发调频段的数字广播技术，因为调频段工作在超短波，而且国内调频广播普及较好，在调频波段推广我们的数字广播技术，会有较大的优势，在超短波段可以大幅度提高数据码速率。本项目为广大农民建立了一个正规的惠农信息服务平台，使得广大农民可以通过它获取政府发布的官方消息，不至于被虚假信息诱惑而上当受骗。在项目实施过程中，我们进一步发掘出它的优势，我们可

27、以用这个平台，建立一个价廉物美的应急广播系统，用于突发事件或发生重大灾害时可用于发布应急警报信息的补充渠道。由于中波广播网络已覆盖全国国土，只要广播电台存在，就可以利用它传递信息，即使互联网和移动通信基站被摧毁，广播也不会中断，因此，下一步，我们将在此基础上进一步完善应急广播系统的软硬件设施，特别是软件系统的开发，使之更好地适应全国应急广播系统的需要。2014年，国务院办公厅发布了关于加快发展应急产业的意见（国办发2014【63】文），明确了发展应急产业的必要性和重要性，提出到2020年，形成应急产业体系，自主创新能力进一步增强，一批关键技术和装备的研发制造能力达到国际先进水平。利用无线广播的现有资源研发更有效的应急信息传播通道，是我们下一步的工作目标。