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1HDRadio技术中国传媒大学信息工程学院2一、HDRadio发展3HDRadio技术于2002年被美国FCC批准为美国AM与FM波段的数字广播标准。它在不影响现有模拟广播的前提下，使用现有模拟广播的频谱提供高清晰度的数字声音广播与数据业务。HDRadio基于IBOC（带内同频道）技术，是由iBiquityDigital公司开发的。4美国目前有3000家广播电台开始了数字化升级改造，其中有1500家已经开始了播出数字节目，人口覆盖率已达到85%。5使用HDRadio技术的电台数量6在世界其他一些国家和地区，HDRadio也得到一定的发展。巴西预计在今年底前全面将HDRadio作为国家标准。7墨西哥已经批准将HDRadio技术用于墨美边境所有电台的数字化转换，80%的电台年底前将部署HDRadio技术。菲律宾已采用HDRadio技术作为FM广播数字化转换的标准，并正在评估将HDRadio技术用于AM广播数字化转换的可行性。8加拿大广播电视管理机构CRTC和IC已经确认，任何电台都可以申请HDRadio信号的许可证。已经或正在测试、试验或开展先导网运营的国家和地区有：阿根廷、澳大利亚、波斯尼亚、智利、捷克、德国、中国香港地区、印度尼西亚、墨西哥、新西兰、菲律宾、波兰、瑞士、泰国、乌克兰和越南。9瑞士从去年6月开始了为期2年的开路试验，证实HDRadio在欧洲使用频率兼容性问题。如果没有问题的话，在欧洲可能从2009年开始，除了DAB和DRM外，可能将HDRadio作为第三种数字广播标准来实施。10发射机实施HDRadio技术需要的投资大约处于5.3-16万美圆。11接收机目前，有40多种HDRadio接收机投放市场，在许多大型商场都可以买到，价格视接收机功能和档次的不同，处于99-1459.99美圆。2008年便携接收机上市。到2008年一季度，将有9个汽车制造商的51款不同车型出厂时装备有HDRadio接收机。121314随着原材料成本的下降和模块制造商的增多，模块的价格不断下降，促使接收机价格逐年大幅度下降。第二代芯片明年问世，功耗为150mW。第三代芯片计划两年后问世，功耗为50-60mW。15模块的价格逐年下降16韩国LG伊诺特公司宣布，该公司已成功研发出迄今体积最小的HDRadio收音机模块，并已批量生产。这种HDRadio模块体积为60立方厘米，用途广泛，可用于生产家电产品、便携式电子产品和车载设备。利用这种HDRadio模块生产的收音机，接收信号灵敏度高，播放音质不逊于CD。176家总部设在中国的接收机厂家的加入，使得HDRadio技术在亚洲模块制造商中获得了庞大的市场。18日本索尼公司于5月28日在美国发布了两款HDRadio收音机，分别是面向家庭室内的XDR-S3HD和面向车载的XT-100HD。XDR-S3HD售价200美元，XT-100HD为100美元，已于7月上市。19XDR-S3HD定位类似家庭迷你立体声设备，提供AM/FM/HD频段支持，拥有20个AM和20个FM频道存储，并具有闹钟功能；XT-100HD则主攻汽车市场，不但可以接收HD广播，还可以在液晶显示器上显示广播台的名称和节目名字。索尼宣称，两款高清收音机都能提供“水晶般清澈”的收音感受。20预计到2011/2012年HDRadio接收音机将达到四千万台。到全数字模式时代，大约有5亿台FM接收机被替换。21HDRadio的主要优点是：*利用现有的频率；*可实现模拟/数字同播运行；*低的投资；*可扩展性（附加业务与节目）；*由于较低的工作频率，容易室内接收。*支持单频网运行22技术指标模拟AMAMHDRadio模拟FMFMHDRadio分离度单声道8kHz以上37dB8kHz以下90dB40dB90dB信噪比55dB90dB70dB90dB频率响应70Hz-1.5kHz(与接收机有关)0-15kHz50Hz-15kHz(与接收机有关)0-20kHz总谐波失真0.7%0.11%0.6%(单声)1%（立体声）0.04%模拟AM、FM与数字AMHDRadio、FMHDRadio技术指标比较23二、HDRadio技术系统原理24无论是AMHDRadio还是FMHDRadio系统，其发射系统方块图都可以用下图表示25HDRadio技术系统使用的信源编码方法是HEAAC-V2，即先进音频编码（AAC）与频带恢复（SBR）技术、参数立体声（PS）的联合。前向纠错编码采用可删除型卷积编码。同时，应用了时间交织与频率交织技术。26（一）、FMHDRadio271、模式FMHDRadio是一种OFDM（正交频分复用）系统，该系统在常规FM信号两边创建了一组数字边带。FM和HDRadio的混合信号符合传统FM广播的特定的频率掩模。28FMHDRadio系统为实现最终的全数字信号频谱分为三步：混合模式扩展混合模式全数字模式29FMHDRadio混合模式的频谱分配30混合模式提供100kbps的数据率，其中96kbps的音频数据和4kbps的辅助数据（歌曲与艺术家名）。这种数据分配是可调整的。该模式支持模拟立体声和辅助业务通讯（SCA）/广播数据系统（RDS）。数字副载波比模拟的低20dB。31FMHDRadio扩展混合模式的频谱分配32扩展混合模式提供151kbps的数据率，其中96kbps的音频数据和55kbps的辅助数据。这种数据分配是可调节的。该模式也支持模拟立体声和广播数据系统（RDS）。同时，数字副载波比模拟的低20dB。33FMHDRadio全数字模式的频谱分配34该模式没有模拟信号，提供300kbps数据率，并可在音频业务与数据业务间随意分配。352、模拟与数字信号的合成方式在FM电台实现HDRadio的方法有五种：低电平组合；中等电平或分离电平组合；高电平组合；双输入天线空间组合独立天线空间组合36选择哪种方法取决于现有模拟FM发射机的功率等级、使用年限和特点，也取决于天线和塔的具体情况。37*分别放大-高电平合成：模拟信号和数字信号独立地产生并送入各自的放大器。模拟信号大多数会利用现有的RF设备。数字信号进入线性放大器。然后，两种信号通过10dB的合成器合成后送入天线。3839优点：处理大功率装置的唯一实用的方法，允许使用者保持现有的模拟发射机，允许模拟和HDRadio在有故障的情况下分开运行。缺点：需要大功率的数字发射机，需要外部耦合器。40*共同放大-低电平合成：HDRadio信号产生后在低电平与模拟FM信号混合。混合信号通过线性放大器放大到要求的电平。41低电平合成42优点：需要低功率发射机，较少的浪费电能和热能，低的硬件成本，更简单的发射机装置。除此之外，一些固态发射机可以升级以作为模拟数字公用的发射机。缺点：这种方法不适合大功率应用(≥14kW)。43*使用相同的天线双输入天线合成：44*使用不同的天线或交错天线部件合成：数字信号与模拟信号在完全独立的两个系统中产生与放大，分别送到各自的天线发射，实现在空中的合成。453、要求的FM频道间隔FMHDRadio是基于在相同覆盖范围内，两个调频发射台的中心频率相差800kHz而设计的。降低间隔会限制系统的性能。46如果在相同覆盖范围内，两个FMHDRadio的中心频率间隔仅为400kHz，那么就要求欲接收信号的电平不能低于相邻的不希望接收的信号15dB，否则欲接收信号的覆盖范围就会受到限制。47484、单频网HDRadio是OFDM系统，因此全部支持单频网。单频网网运行时，工作于相同频率的发射机，有重叠的覆盖范围，却不会引入噪声和失真。在SFN的服务区中，在行驶的汽车中收听广播，不需要不断变化频率。49（二）AMHDRadio50AMHDRadio也是OFDM系统，该系统在正常AM信号两边引进了一系列的边带。单声道AM信号，限于5kHz，和IBOC信号的组合信号，符合+/-15kHz频谱掩模，同时满足美国联邦通信委员会（FCC）的要求。该系统可转换成全数字数据，以改善音频质量和提高辅助数据率。511、模式AMHDRadio也是一个不断进步的系统，与现有的模拟调幅接收机相兼容，同时，在不久的将来实现由混合模式全数字模式的转变。52AMHDRadio混合模式的频谱分配53该混合模式支持现在的AM单声道信号和IBOC信号，可提供40kbps的数据率，其中有36kbps的音频数据率和4kbps的歌曲和艺术家名称的附加数据率。为了全立体声而附加一个低速数据通道。54数字副载波总共有81个，间隔为181.7Hz。数字主信道、副信道和第三信道的各个载波分别采用64QAM、16QAM和QPSK调制。55AMHDRadio全数字模式的频谱分配56该模式提供的数据传输率为60kbps，数据率的增大，可以大大改善音频质量及增强附加数据。57当前，AMHDRadio的设计在美国是以美国联邦通信委员会FCC规范为基础的，包括调幅频带中使用10kHz频率间隔，而该应用在其它国家是非标准的。也可以设计使AMHDRadio适应9kHz的频率间隔。582、对天线带宽要求不管何种模式，必须注意确保AM天线系统带宽足够宽，从而不影响系统性能。典型要求是，在载波两边＋/-15kHz，对称边带电压驻波比（VSWR）不应超过1.4：1。593、AMHDRadio发射机在已有AM发射机的情况下，需要附加一个数字OFDM发射机，它必须包含一个线性功率放大器，它基本上只有很低的效率。6061为了改善发射机的效率，近来在IBOC中也使用EER技术（射频包络消除与恢复，EnvelopeEliminationandRestauration）。6263EER技术产生一个幅度信号（这里用表示）和一个相位调制的高频信号（这里用表示）。这样，传统的AM发射机就有可能作为功率放大器使用而具有高的效率。64（三）HDRadio接收机技术65虽然HDRadio技术十分复杂，但是有了IC技术，设计与制造接收机就相对容易了。接收机需要一个前端或者调谐器，将AM和FM射频（RF）信号转换成中频（IF）信号，一个A/D转换器将IF数字化，用一个DSP芯片继续进行处理，包括信号的解调和解码等，最后经D/A转换得到模拟的音频电信号，驱动音频功率放大器，通过扬声器放音。此外，还需要一个内置的嵌入式控制器来运行各项功能，包括自动调谐与LDC显示。66Atmel的T4260biCMOS芯片被iBiquity认证为可以用于AM/FM汽车和台式接收机中。这种芯片拥有两个高频通道，分别用于AM和FM。从天线得到的AMRF信号经混频器转化为10-25MHz范围的信号，最终变为流行的10.7MHz的IF信号，经陶瓷滤波器选择。在FM的情况下，RF信号被向下转化为10.7MHz的IF信号。Philips半导体的TEF6721HL与Atmel的芯片相似，但它还包括了31m、41m和49m的短波波段。一个12C串行接口用于接收机调谐与控制。以上两种IC都要求必要的天线、阻抗匹配和其他的前端组件。6710.7MHz的中频信号经采样后，被送到一个DSP芯片中进行进一步处理。DSP执行所有的解压缩、解交织、解码与解调功能。HDRadio的芯片供应商TI公司，在其TMS320--DRI300/350基带芯片上编入了所有iBiquity授权的HDRadio软件，它们可以执行所有AM与FM的功能，并能够进行音频后处理。同时，还支持MP3和WindowsMediaAudio(WMA)。还有用于外部嵌入式控制器、启动EEPROM或闪存以及解交织DRAM的接口。68Radiosophy公司的MultiStreamHD台式接收机采用Alps的调谐器和TI公司的芯片。FM信号的信噪比为78dB,AM为50dB。MultiStream的多播能力，可使听众从FM中选择多个数据流。AM和FM天线是内置的，也可以与外部天线连接。128x64像素带背光的LCD显示器可以显示HD标准中规定的时间、频率和滚动信息。69HDRadio接收机信号处理原理方块图70三、应用思考71（一）美国的国情在ITU规定