第19卷,第2期 2012年6月 中国传媒大学学报自然科学版 Vo1.19.No.2 JOURNAL OF COMMUNICATION UNIVERSITY OF CHINA(SCIENCE AND TECHNOLOGY) June,2012 DRM信号和调幅广播信号的干扰研究 孙象然 ,刘守训 (1.中国传媒大学信息工程学院,北京100024;2.中国传媒大学研究生院,北京100024) 摘要:DRM(Digital Radio Mondiale)保留了传统模拟调幅广播的优点,解决了其诸多的缺点,其为调幅广播带来了新 的发展机会和空间。随着世界各国对DRM的不断重视,DRM系统将会逐渐普及。在调幅广播到DRM系统的过 渡阶段,DRM信号可能会对调幅广播信号造成干扰。本文在对DRM信号和模拟调幅广播信号分析的基础上,结 合模拟调幅广播接收机的解调电路的基本特点和人耳听阈的基本特征,描述了DRM对调幅广播的影响。同时,提 出了模数同频保护率的定义及其计算方法。 关键词:DRM;干扰;模数同频保护率 中图分类号:TN914文献标识码: 文章编号:1673—4793(2Ol2)02—0043—06 Researches on the Interference of D Signal and AM Broadcasting Signal SUN Xiang.ran ,LIU Shou.xun (1.Information Engineering School,Communication University of China,Beijing 100024; 2.Graduate School,Communication University of China,Beijing 1 00024) Abstract:Keeping the strong point of conventional AM broadcasting and solving the drawbacks of it,the advent of DRM(Digital Radio Mondiale)is a new chance for the development of AM broadcasting.With the concerns of DRM all over the world,DRM system will become more and more popular.In the transi— tion from AM system to DRM system,DRM signal will probably make the interference with AM signa1.In this paper based on the analysis of DRM signal and AM signal,with the feature of demodulation circuit in conventional AM broadcasting receiver and the characteristic of the auditory threshold.the interference iS described.Moreover the definition of AM and DRM Co—Channel Protection Ratio iS presented,and the calculation method is provided. Keywords:DRM;Interference;AM and DRM Co—Channel Protection Ratio 宽下,具有调幅广播的覆盖范围与调频广播的质量, 1 引言 为了选择合适的统一数字AM系统,1998年3 同时它也是一种多媒体广播系统,它既可以用来传 送声音广播节目,也可以传送数据业务、静止或活动 图像。模拟调幅广播必将被DRM所替代。当前我 国及世界各国都开展了的DRM广播,逐步部署数 字化转换的工作。 月在中国广州成立了DRM联盟,由其开发的 30MHz以下的长中短波数字声音广播系统称为 DRM系统。DRM技术系统,在保持现有的AM带 收稿日期:2012—03—15 由于调幅波段广播,特别是其中的短波频段业 作者简介:孙象然(1978一),男(汉族),辽宁沈阳人,中国传媒大学讲师,博士.E-mail:sunxr@CUC.edu.cn 中国传媒大学学报自然科学版 第19卷 务,在天波传输过程中存在较强的随机性,工作在相 同频率和相邻频率的模拟和数字广播业务容易互相 干扰。因此,在逐步向数字广播演进的过程中,必须 充分考虑数字广播业务与模拟广播业务之间的干扰 问题,为过渡阶段的频率规划工作提供理论依据。 传统调幅广播的同频保护率…适用于只有传 统模拟广播工作的条件下,而处于同频的模拟调幅 广播和数字DRM广播信号在模拟广播接收机解调 后,会使传统调幅广播的同频保护率提高,本文通过 对同频的模拟调幅广播信号和DRM数字广播信号 的解调进行分析和仿真,推导出模数同频保护率的 数值。 同时在DRM应用过程中,选择其作为对非法 模拟调幅广播的干扰信号,能够完成对非法信号的 良好的压制作用。本文提出了模数同频保护率也可 以作为指导干扰对抗的功率参考标准,实现最佳干 扰 。 2模拟调幅广播信号和DRM信号形式 传统模拟调幅广播发射机,采用全载波双边带 调幅进行调制,其形式可表述如下:输入的音频信号 为Un・cosf ̄t, 则我们得到的射频输出调幅信号为: U(t)=(U +Un・cos ̄t)・COS(t)。t =U。・(1+m・cosf ̄t)・COS(t) t 1 1 =U。・COS(t)。t+ J.1 ・mU。・cos(∞。+n)t+ JL ・ m・U ・cos(03 一n)t (1) 其中U 为射频载波信号的幅度,∞ 为射频载波信 号的频率,m=U /U。为调幅度。由调幅波的表达 式可以看出,在单音调制时,射频已调波由三个频率 分量组成:载频 ,上边频(60 +Q)和下边频(∞。一 n)。 DRM系统采用正交频分复用(OFDM)的调制 方式,OFDM信号的功率谱类似白噪声,这一特点使 其对同频模拟调幅广播具有较强的干扰,其射频输 出的调制信号的基本数学形式 为: 2 s(t)=Re[ ‘∑c ・U ・ 】 (2) 一孚 其中, 为射频中心频率,K为子载波个数,k为第 k个子载波,c =a +J・b 表示经过16QAM映射 后,分配在第k个子载波上的符号(a ,b ∈[±3,± 1]), 为处在通带范围内的第k个子载波的频率, U 为子载波的单位幅度。 基于OFDM调制的DRM系统,实现调制的过 程通常包括两个步骤:首先是快速傅里叶逆变换 (IFFT)运算,得到OFDM基带信号的IQ分量I(t)、 Q(t);然后采用正交调制的方式进行频率变换,得 到OFDM射频信号。 为了便于后边的讨论和公式推导,我们用上述 的处理步骤对OFDM射频信号采用数学公式进行 表示: S(t)=I(t)・COS(∞。t)一Q(t)・sin( t)(3) 其中 K 2 )=Re【∑c ・U ・ 】 一手 K 2 =∑U ・(0K ‘COSO) f—b ‘sinto f) —2 (4) 2 Q(t)=Im[∑Ck・U。・ 】 芋 2 =∑ ‘(Ⅱ 。sinw t+b ・COs∞ ) (5) 鲁 图1为单音频调幅信号和DRM射频信号的功 率谱图,其中DRM信号采用DRM系统中的模式B 下的10kHz带宽模式。 单音鞭调稻德号 l、 j f q ll l『I臻 鼬 鼬mItl4t| { 蘩ll}}}『 第2期 曹 越pj 出 番颦≈蓉 孙象然等:DRM信号和调幅广播信号的干扰研究 45 DRM储母 l 麟 ^ 燃l 瀚_ 图1 单音频调幅信号和DRM射频信号的功率谱图 3 DRM信号对模拟调幅广播接收机 的影响 3.1模拟接收机解调特性 在模拟调幅广播接收机电路中,经常采用相干 解调的方式进行处理,同时其工作原理简单,通过对 DRM信号和AM信号分别经过相干解调电路后的 输出信号进行分析,可以直观地观察到DRM输出 信号和AM输出信号之间的不同,进而可以推广到 其他的解调电路形式。 调幅信号相干解调的基本原理 如图2所示, 由本地产生一个同射频载波同频同相的振荡信号, 同接收到的调幅信号共同送入到乘法器进行处理, 然后后级接RC低通滤波器,再经过隔直元件滤除 直流成分,最后输出解调的音频信号。 Uout(t) coso)ct 图2调幅信号相干解调原理图 为了简化问题的讨论,我们假设本地振荡信号 与接收的射频调幅信号的载波同频同相,这个假设 并不会影响到结论的正确性,则AM调幅信号由公 式(1)表示,其经过乘法器后变为: u。(t)=u(t)・COS(.O t :U ・(1+m・COSnt)・COS(t) t・COSO.) t =÷・u。+÷・u ・m・c。snt+÷・u ・(1+in・cosl ̄t)・cos2w t (6) 而DRM信号作为射频输入信号由公式(3)表 示,其经过乘法器处理后,得到: S。(t)=S(t)・COSfM t =[I(t)COS(..O t—Q(t)・sin ̄o t].COS(,O t = ・I(t)+ 1・I(t)・c。s2∞1t一 -。Q (t)・sin2w t (7) 两种信号经过乘法器电路后,信号的功率谱如 图3所示。 单啻颧调嚆信蟹 l 肖差pj l l u8nb 蓬m 孬 ∞p) uenb i托 . … l l Fmquoncy(M}哟 DRM倍号 i 》 { ‘龋鲥择 巍 嘲 ‰鞫嘲脚 i ㈣ 图3相干解调下单音频调幅信号和DRM信号信 号经过乘法器电路后的功率谱图 调幅接收机将接收信号经过乘法器处理后,还 需通过低通滤波器,以及隔直元件,滤除直流和高频 成分,从而还原为原始的音频信号,公式(6)表示的 模拟调幅信号经过上述处理后,输出的音频信号为: 菱《 46 中国传媒大学学报自然科学版 第19卷 u (t)=÷・U。・m・cosl ̄t (8) = ・(・+丢 )・uo2 (10) 对U (t)进行傅立叶变换后得到F(u (t)), 同样,DRM信号完成乘法器处理后,公式(7)表 示的信号的经过低通滤波和隔直的相应处理后,得 到的输出信号为 再通过傅立叶变换结果求出输出的音频信号的功率 谱: (∞)= =lF(u (t))l 詈‘u2o‘m ・a(ot—n)+詈 U2o 6(to+Q) (9) u + 1・E(÷.I(t))…) 其中E(÷・I(t))为DRM信号经过相干解调 一s0u i t)= 1.I(t)・电路中乘法器处理后的输出信号的直流分量。 该DRM信号经过相干解调的输出信号的频谱 为 由公式(1)计算AM广播信号的平均功率为: PAMrf= 12・m・u K 2 FDRMout( )={}・∑U ・[ak・(a(ot一 )+8( +to ))一j・b ・(一a(ot—tok)+8(∞+tok))] 。 k_一导 K 2 =了,/-/-・U ∑[c ・6(∞一∞ )+c ・8(cIJ+tO )] k_一孚 其功率谱为 (I)DRMout( )= lFD K 2 (12) = -U, -8(ot-otk (ot+O)k I 詈‘ ∑ [ck I ‘[8(∞ )+8( + )】 .(13) ∞ )+8(∞+∞ +∞ )] (14) 其中DRM信号子载波采用16QAM的调制模 式,有I c l ∈[2,10,18]。由公式(12)可以看出,在接收机的音频通道输 DRM信号是由若干个子载波并行传输构成的, 各子载波的调制方式为16QAM,而对于每个子载波 出端,DRM的输出信号在频域上表现为在低通滤波 器带宽范围内的类似于噪声的频谱形式。 由公式(3)得到DRM射频信号的功率谱为: K 2 所对应的调制星座点,在星座图中具有平均分布的 概率分布,由此得出DRM射频信号的平均功率为: (I)nRMrf( )=詈・u ∑I c l ・[8( 一 一 一 k_一詈 墨 PDRM ̄f(∞)= 1.u:∑2 I C I k 。 k_一导 =丢 2~K(4 Ⅷ+4.18) (15) =5・K・U: 第2期 孙象然等:DRM信号和调幅广播信号的干扰研究 47 其中K表示DRM系统中的副载波数。 3.2 DRM信号对模拟调幅广播解调信号的影响 同时不失一般性,用单音信号代替节目的音频信号。 l 0 l 对于采用相干解调方式的模拟调幅广播接收 机,对接收的射频信号进行解调,DRM信号解调输 出为OFDM基带信号的部分信号,相当于滤波器通 g 图4为以不同声压级的白噪声作为掩蔽声时, 实验测得的人耳听阈曲线图 。 dB 80 带内的白噪声,其对AM信号解调输出的单音频信 号在听阈上的影响,正如白噪声的声音掩蔽效果,而 且信号的功率对应于输出信号的声强。 3.3模数同频保护率分析 60 塞4。 级20 0 由上节的论述,可以得出模拟调幅广播信号和 DRM信号在同频干扰的情况下,如果保证模拟调幅 广播接收机上仍然能够收听到节目的声音,就要求 0.2 0.5 l 2kHz 5 l0 20 0.02 0.05 0.1 AM广播输出的音频信号的声压要高于DRM解调 信号的对应频率产生的噪声声压20dB以上,即对 图4掩蔽声为白噪声的听阈曲线图 应频率的功率比应在20dB以上。由此得出在接收 由上图可以看出,听阈曲线随着噪声强度的等 比例增加而均匀提高;当听阈曲线在频率为500Hz 以下时,听阈声强基本比噪声声强高17dB左右,而 在500Hz以上的水平逐渐提高,在1kHz一5kHz频 率范围内逐渐提升了约5dB,到5kHz处,听阈声强 比噪声声强高22dB左右。 机的接收位置上,传统模拟调幅广播信号的接收场 强同数字DRM广播信号的接收场强之比,就是模 拟调幅广播对数字DRM广播的同频保护率,即模 数同频保护率,该同频保护率也可以由模拟调幅广 播信号同DRM信号的射频信号的功率之比得到。 由公式(9)和(13),以及白噪声地声音掩蔽效 由公式(12)观察得出,类似于噪声频谱形式的 应,得到AM信号和DRM信号对应频率点的输出信 号的功率比满足下面等式: DRM信号对AM广播收听的影响,可以通过图4所 示的白噪声的掩蔽效应进行说明。为了简化讨论, : 。・ gg ] T { 姚出 -=2。叫BdB ( 6) 姒 £一 1 : 10.…10 1: . 兰 ! 吕 =100 …g 洲 圳 fI ,5 ・ K Ⅷ。。 . 1TI ]J ,48 中国传媒大学学报自然科学版 寄H,∞p) 一蠹In 翌 9考 第19卷 4 干扰仿真 假设DRM信号的平均功率等于模拟调幅广播 信号的平均功率,Matlab仿真结果如图5所示,分别 得到单音频的模拟调幅广播信号和DRM信号经过 相干解调后的功率谱。 擎裔颗调瞩信号 … : / \ 一 f,v,V ̄vV 删I : ,Frequency㈣ DR 信号 /\ / — , 、 一/ \/、; 蝴 Frequently(kHz) 图5单音频调幅信号和DRM信号经调幅广播接 收机解调输出信号的功率谱 由图5可以看出,当调幅度为100%的单音频 信号解调后的输出信号为一30dB,而DRM信号经 过相干解调后输出的信号为一45dB左右,调制度 为100%的单音频信号只比DRM信号高出15dB 左右,参考本文3.2的论述,音频信号将无法被人 耳听到。当调制信号为音频节目时,其平均调幅 度总是小于100%,则模拟调幅广播的信号功率至 少要高于DRM信号至少7dB以上,节目才能被人 耳听到。如果存在非法模拟调幅广播节目,则只 要保证DRM信号比非法AM广播信号低7dB以 内,就能完全屏蔽掉模拟调幅广播节目的输出,实 现最佳干扰。 5 结论 本文提出模数同频保护率的计算方法即公式 (19),可以应用在广播业务数字化转换的过渡阶 rl rL rL rL rL 段,作为发射机输出功率的重要参考标准。在发生 1 2 3 4 5 ]J]J 1j 1J 1J 模拟调幅广播和DRM广播同频干扰的情况下,依 靠提供的计算方法,相应提高模拟调幅广播的输出 功率,就可以保证听众的收听。 参考文献: 何大中.广播电视技术手册(第一分册) [M].北京:国防工业出版社,1990. 王红星,曹建平.通信侦察与干扰技术[M]. 北京:国防工业出版社,2005. 李栋.数字声音广播[M].北京:北京广播学 院出版社,2001. 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