调频同步广播(数字同步方案)

1、 调频同步广播 蔡超时 教授 中国传媒大学中国传媒大学 电子信息工程系电子信息工程系 中国传媒大学2 fm同步广播必须实现“三同一保” n同频：载波同频 n同相：音频传输时延差相同 19khz导频同相 n同调制度,包括予加重曲线一致 n保证最小可用场强 中国传媒大学3 同频： 采用gps锁相同频，相对频差达到 “三同”实现方法 -9 10 以下 同调制度： 采用数字调频激励器 各发射机采用同一调制器（同源） 满足同频同调制度，场强差便可改善 6db 为同频干扰区,即干扰范围下降 到约占17%，见图4 两发射机同频工作时,场强差 15db属同 频干扰范围，约占两台跨距的37 %。 中国传媒大学4

2、 “三同”实现方法（续） 同相 单声道要求10s , 6db 相干区占两 台跨距的17%。当t = 10s 时,相干区 跨度为3km ,因此，两台跨距为17.6km。 立体声要求5s ，则相干区跨 度为1.5km , 相邻两台跨距为 8.8km。 中国传媒大学5 调频同步广播的关键技术 n时间频率标准： 授时gps：频率稳定度10-11 1pps标准秒脉冲 40ns n其他 cctv 时标 19khz导频 （无法解决时间起点） 中国传媒大学6 共源调制同步调频广播方案 110m 调频激励器 数字延时器 变频 a/d 传输链路 有线电视传输系统 变频 d/a a/d 数字延时器d/a 变频 变频

3、 gps频标/ 10m comm. tower comm. tower 110m 88108m gps频标/ 10m 中国传媒大学7 共源同步方案（续） n特点： 保证同调制度； 锁定gps频标，保证同频； 优点： 设备简单？成本低？ 缺点： 长距离传输模拟射频信号，难以保证播出质量； 射频延时器制作调整复杂，延时范围难以做大， 以适应大范围的调频同步广播； 中国传媒大学8 数字同步调频广播方案 音频传输方式卫星中继 sfn(单频网)服务器 插入时标和下行管理信息 aes/ebu输出 d v b s 调 制 器 来自与音频工作站 的音频流 支持模拟、数字形式 rs232串口 以太网口 射频输出

4、 87110mhz gps 数字激励器 m p e g 2 编 码 器 aes 口 输 出 卫 星 接 收 机 1 sfn (单频网) 适配器 gps 中国传媒大学9 数字同步（续） n同频：锁定gps频标； n同调制度：从音频传输链路到fm数字调制 器保证16位运算精度，调制度精度优于 0.01%，由于数字系统一致性好，采用同 类fm数字调制器，调制度相对误差可近似 为零； 中国传媒大学10 数字化fm立体声编码调制器 n数字化fm立体声编码调制器是整个同步广 播系统中的关键设备。 n以dsp为核心，采用数字方法实现从数据 输入到射频输出的全过程。 n编码调制器工作稳定、产品一致性好，有 利

5、于实现同步广播所要求的“三同一保”。 n下面介绍数字化fm立体声编码调制器 中国传媒大学11 数字化fm立体声编码调制器 数字音频 模拟音 频 sca2 sca1 rds 编码调制器 控制面板 sca/rds 信号输入 音频 信号输入 数字信号处 理器（dsp） 锁相电路 外部 参考时钟 内部温补 fpga 直接数字 合成dds 滤波 增益调节 去功放 以太网 远程控制 以太网 接口 中国传媒大学12 数字化fm立体声编码调制器特点 n从音频抽样到射频输出87-108m(400m d/a),采 用16位精度计算，40位累加器尾数处理。对调 频广播来说，信号的处理趋于理想。 信噪比达90db,

6、矢真0.02%,频率响应0.02db在 国外形象地称为 cd级调频技术 n提供多种音频输入标准 a. 传统r、l模拟音频输入 b. aes/ebu数字音频输入 c. s/pdif数字音频输入 中国传媒大学13 数字化fm立体声编码调制器特（续） 频偏精确可调，误差 0.01% 片内存储器支持 2 300ms（步进1ms） 相对延时调整，无需额外延时调整设备。 设备自身所带来的最大延时误差仅10ns 支持多种频标源基准。10mhz基准、gps 射频带外抑制-80db 中国传媒大学14 数字化fm同步广播 音频传输方式光纤中继 光 发 射 机 e1 光 接 收 机 e1 gps sfn服务器 插入

7、时标和下行管理信息 4aes至e1输出 来自与音频工作站 的音频流 支持模拟、数字形式 数字激励器 aes/ebu音频输入 gps aes 适 配 器 rs232串口 以太网口 87110mhz 射频输出 sfn 中国传媒大学15 数字同步fm广播 音频传输方式有线电视网络中继 dv b-c 编码 器 asi 机 顶 盒 asiaes gps sfn服务器 插入时标和下行管理信息 aes至 a s i 输出 来自与音频工作站 的音频流 支持模拟、数字形式 sfn 适 配 器 数字激励器 aes/ebu音频输入 gps rs232串口 以太网口 87110mhz 射频输出 中国传媒大学16 同相

8、（同音频延时）是调频同步 广播的技术难点 n满足相同音频延时点只有一条线 n多种因素造成音频延时不确定 a、发射机功率变化,覆盖区地形的影响 b、音频传输系统延时变化（路由、时钟同步） c、数字音频取样点影响（48khz抽样、样点间 距 21 us） d、立体声导频延时 中国传媒大学17 音频随路信令解决同相难点 n信令插在音频信号流中,并与gps秒脉冲对 齐.标定出在传输过程中相对音频信号本身 时间基准. n信令由单频网sfn服务器产生,伴随数字音 频传送至各同步发射点,由sfn适配器解调 并与gps秒脉冲比较计算出时延,再校正到 固定的统一值.实现音频延时的自动补偿 n信令中包含下行控制信

9、息,以便于对同步网 中各发射机的工作实施远程控制. 中国传媒大学18 数字同步调频广播系统构成 n单频网单频网sfn服务器服务器 n单频网单频网sfn适配器适配器 n数字立体声调频激励器数字立体声调频激励器 ngps频标和时标模块频标和时标模块 n系统测试组件系统测试组件 中国传媒大学19 数字化fm同步广播 音频传输方式微波中继 gps sfn服务器 插入时标和下行管理信息 4aes至e1输出 微 波 发 射 数字激励器 aes/ebu音频输入 gps e1 微 波 接 收 e1aes 来自与音频工作站 的音频流 支持模拟、数字形式 sfn 适 配 器 rs232串口 以太网口 87110m

10、hz 射频输出 中国传媒大学20 cuc sfn / e1t 调频同步服务器调频同步服务器 n调频同步服务器调频同步服务器 1ch 1ch 1ch 1ch aes/ebu aes/ebu aes/ebu aes/ebu 音频压缩编码 音频压缩编码 音频压缩编码 音频压缩编码 复用 成帧 e1 gps接收机 10m1pps 随路信令系统延时设定rs232输入 中国传媒大学21 cuc sfn / e1r 调频同步适配器调频同步适配器 e1 解复用 音频解压缩 音频解压缩 音频解压缩 音频解压缩 aes/ebu aes/ebu aes/ebu aes/ebu 1ch 2ch 3ch 4ch gps

11、接收机 10m1pps 系统延时测量自动延时补偿 随路信令rs232输出 中国传媒大学22 调频同步广播调频同步广播sfn服务器框图服务器框图(aes接口接口) 中国传媒大学23 调频同步广播调频同步广播sfn服务器服务器 n音频接口包括：数字aes/ebu、spdif和模拟左右声道三种；以适应 各种系统的接口要求。 n随路音频信令隐含在音频信号流中，在发射端经数字激励器处理后， 对音频信号无任何干扰。 n左右路音频信号分别加入随路音频信令，以解决数字复用时，在左右 路音频信号的延差。 n数字音频测试信号源，具备cd质量的数字音频测试基准 n可编程测试信号发生器，配合同步广播测试系统，可对同步

12、广播发射 机信号场强、合成场强、0db交越区进行自动测试。 n可编程测试信号发生器，配合同步广播测试系统，可对同步广播发射 机交越区音频时延自动测试。 n随路音频信令对同步广播网中所有的发射机进行远程控制。 n该设备自带管理软件，通过rs232或以太网口实现交互 中国传媒大学24 中国传媒大学25 基于数字水印技术的音频随路信令基于数字水印技术的音频随路信令 nsfn服务器在用于dvb-s数字卫星链路时, 音频信号经由mp3压缩传输,无法用常规 的方式插入随路信令. n基于数字水印技术的音频随路信令具有 人耳难以察觉,抗mp3压缩解压缩攻击的 优越性能,鲁棒性很好.能实现dvb-s数字 卫星链

13、路音频随路信令. 中国传媒大学26 单频网单频网sfn适配器适配器 n随路信令解调模块随路信令解调模块 n.提取分别隐含在左右声道的随路信令传 送到管理模块,信令内容包括:工作频率, 输出功率,音频时延值等fm发射机工作参 数. n.提取分别隐含在左右声道的随路时标信 息。经降噪处理及相位估值检测误差优 于1us。 中国传媒大学27 单频网单频网sfn适配器适配器（续） n音频时标标准模块音频时标标准模块 ngps提供的1pps标准时标( 误差 50ns ) 与随路时标比较,计算出传输链路的时延。 考虑到数字音频链路传输时延的不确定 性(传输链路路由的改变或卫星接收复用 系统同步失锁造成的滑动

14、), 每100ms进 行一次校正，搜索范围100ms. 中国传媒大学28 数字立体声调频激励器数字立体声调频激励器 n立体声数字调频激励器的性能直接关系到载波和 调制度的稳定度，是实现高质量同步广播的关键。 系统所设计的激励器功能上可以实现从音频输入 （aes/ebu），立体声编码、数据处理直至射频 数字调制（dds方式）输出87108mfm信号的全 数字过程（350m，14位 d/a变换器）。此系统不 但具有因建在软件平台之上而带来的灵活性和兼 容性，同时具有因使用dsp技术而带来的高性能指 标。主要表现在以下几个方面： n激励器采用350mhz d/a变换器可以直接实现 87mhz108m

15、hz的射频输出。全数字的处理过程， 音频可达cd水平。 中国传媒大学29 数字立体声调频激励器数字立体声调频激励器（续） n输出频率分辨能力可达到48位（1uhz）。独立工作时 频率稳定度 10-6(内部温补晶振)。同步工作时频率 稳定度 10-11(锁定gps)。 n由于从音频抽样到射频输出全程（二进制）数值运算 都在16位精度dsp上进行且40位累加器尾数处理以上， 因此，对于调频广播来说，信号的处理基本趋于理想。 n同时具有数字音频信号（aes/ebu，s/pdif），左、 右声道模拟信号及rds、sca1，sca2输入。 n输出延迟数字可调, 最大可达300 ms，步进1us。（为 卫

16、星音频信号传输留出一跳的时间约240 ms） n频偏数字可调，精确度可达0.01%。实际上若采用同 一类型数字fm编解码调制器，调制度的相对误差可近 似为零。 中国传媒大学30 数字激励器模块框图数字激励器模块框图 中国传媒大学31 数字立体声调频激励器数字立体声调频激励器（续） n延时调整单元模块延时调整单元模块 n调整fm激励器音频延时用于 n校正传输链路时延 n调整时延使fm发射信号在交越干扰区时延相 等（时延数值由同步广播发射机音频时延自 动测试系统给出） n考虑到卫星上星与不上星时延差240ms,及留 有充裕余量,延时调整范围设计为 0 300ms. n为保证1us的延时准确度,在音

17、频样值内插器将 音频采样频率升高后,实现延时细调. 中国传媒大学32 数字立体声调频激励器数字立体声调频激励器（续） n导频相位校正模块导频相位校正模块 n如果同步广播采用立体声播出,还必须保 证立体声19khz导频信号在广播的相干区 相位相同。实际上导频的延时调整和音 频的时延调整必须同步进行. 中国传媒大学33 数字立体声调频激励器数字立体声调频激励器（续） n日志模快日志模快 n具有不间断工作的实时时钟。4兆位prom循环保存日 志数据( 二个月内 ). n定时记录 : a. 频率 f.功放温度 b.调制度 g.输入音频衰减器等调节量位置 c.时延状态 h.发生时间: 年 月 日 时 分

18、 d.输出功率 i.故障种类 e.反射功率 n随机记录 :每次调整，发生故障，开关机均将上列参数 保存日志。 n日志可由rs-232口读出,存档。 中国传媒大学34 中国传媒大学35 fm数字调频激励器特点数字调频激励器特点 n立体声编解码及fm调制采用低功耗高运算速度的dsp 芯片作为核心处理器。 n数字实现将使设备自身带来的延时固定，可控，运算 处理所带来的最大延迟误差仅有数ns（毫微秒级）。 n射频输出采用dds方式实现，输出频率精度高，频率 切换数控、快速完成 n系统兼容性好，编码器、解码器和激励器提供多种标 准输入、输出格式，兼容于目前电台或有线台使用的 同功能设备。不作同步广播时，

19、也是一台具备cd音质 的数字fm编解码调制器。 n数字实现使产品的研发费用和成本大大降低，工作稳 定性和产品一致性的优点，因而和国内外同功能设备 相比，具有更高的性价比 n自主研发和设计，拥有自主知识产权 中国传媒大学36 调频同步覆盖网系统测试方案调频同步覆盖网系统测试方案 n调频同步广播测试方案包括两个部分，一是测 量各个发射台的场强分布，绘制场强分布图， 找到等场强区域。二是在等场强区域内进行延 时测试，通过调频同步广播测试软件计算出不 同发射台到达等场强区域的延时，并通过同步 广播管理软件进行调整，反复进行测试和调整 达到最好的同步效果。 n网络的测试和调整需要一个完整的方案和相关 的

20、测试设备和测试软件。测试方案的合理性和 相关的测试设备和软件可以大大简化测试的复 杂程度。以下内容是相关的测试设备、软件和 具体测试方案。 中国传媒大学37 测试设备和软件及其功能测试设备和软件及其功能 中国传媒大学38 测试系统示意图 发射 台a 发射 台b cucex2000cuc-ex2000 ethnet 音频前端 各种中继各种中继 cuc-r20 fm接收 调试现场 无线上网 aesaes 中国传媒大学39 等场强区测试方案等场强区测试方案 n调频同步网的同频干扰主要出现在等场 强区域。测试中，调频同步广播服务器 产生的随路音频信令编排同频网内发射 台轮流工作，分别记录场强，通过分析

21、 最终确定等场强区域 。 中国传媒大学40 音频时延测试方案 n在同频广播网中，发射台a和发射台b到达接收地 点的信号会有延时差。延时的引入有两个主要原 因：一是同步广播节目源通过网络传送到不同发 射台引入的延时，二是由于不同发射台距接收地 点的距离不同而引入的射频延时。 n具体测试方案是，由调频同步广播服务器中的可 编程测试信号发生器生成测试序列，发射机分时 发射不同频率的正弦波信号。接收机在等场强区 域进行接收，采用图像拟合的算法得到不同频率 波形的相位差，代表了不同发射机的延时。 中国传媒大学41 音频时延测试方案（续） n通过测试得到总的延时差，并按此对同 步网进行调整。计算延时，通过对多周 期信号进行平均去噪等数字信号处理算 法提高计算精度。并通过同步广播测试 软件进行相位分析，得到同步网的延时 值。并把相应的延时值通过随路音频信 令发送到各个发射台进行调整。通过以 上的测试和调整，可以把不同发射台产 生的延时调整到us级的精度。 中国传媒大学42 测试软件界面 中国传媒大学43 银 川