基于EBPSKMPPSK的模拟调幅广播数字化的研究

盛国芳 万戈 吴智勇

（国家广电总局广播科学研究院，北京，100045）

【摘要】 基于超窄带调制技术的模拟调幅广播数字化方案能够在不改变载波包络传输模拟音频的基础上利用载波相位实现数字信息的传输，具有不需进行频谱调整和新的频率规划实现模拟广播到数字广播平滑过渡的优点。本文介绍了基于EBPSK/MPPSK调制的模拟调幅广播数字化方案，并从应用的角度及结合仿真结果讨论了此方案在用于AM广播数字化时应考虑的问题。【关键词】 超窄带调制 EBPSK/MPPSK 模拟调幅广播 数字化

1 引言

目前我国已经在地面电视、卫星电视、有线电视的数字化技术研究和设备改造等方面进行了长期的工作并取得了突出的成绩，近阶段也启动了对调频频段模拟广播数字化和产业化的研究，但是在模拟调幅（AM）广播数字化方面还没有开展相关的研究工作。传统的模拟AM广播被各国作为主要信息传播手段已有近90年的历程，由于其覆盖范围广，接收工具简单、价格低廉，至今仍是世界上使用最普遍的广播媒体之一，但模拟AM广播存在着传输音质差、业务单一、易被干扰等缺点，因此其数字化意义重大。我国的AM广播该如何数字化呢？在2001年4月，ITU通过了BS.1514建议书错误！未找到引用源。，给出了AM广播数字化的两个推荐系统，即以欧洲为主体的DRM0和美国iBiquity公司的HD Radio[2][3]。其中DRM系统具有以下特点：（1）继承了欧洲DAB的COFDM体制；（2）数字频谱放置在模拟AM广播不占用的频道上，与模拟AM广播相对独立；（3） 数字频谱的带宽可以为4.5kHz～20kHz。HD Radio系统具有以下特点：（1）采用COFDM调制；（2）有多种模式，在混合模式时，数字信息主要放置于模拟频道两侧的数字频谱上，可以实现与模拟广播同播；（3）带宽约为30kHz。不论是DRM系统还是IBOC系统，数字频谱都是独立占用AM频段内的空白频谱或者模拟频道间的保护频谱，在实现AM数字化时都要进行相应的频谱调整和频率规划。与DRM和HD Radio不同，基于超窄带调制技术的模拟AM广播数字化，是一个从全新的角度尝试调幅AM广播数字化的途径，能够在保持传统模拟广播传输的同时，在载波上携带一定量的数字信息，且尽量压缩包含数字信息的边带的能量分布， 实现模拟和数字信息的同播。图1给出了基于超窄带调制技术的AM广播数字化的频谱示意图，即数字信号以很低的能量存在于传统模拟AM信号的频带下，在不对授权用户产生不可忍受的影响的前提条件下，通过与传统的模拟AM信号共享其已授权频带实现数字信息的传输。可以看出基于超窄带调制技术的模拟AM广播数字化技术可以在不改变原有的频率规划的基础上实现数字信息的传输，不需进行频谱调整和频率规划就能够完成模拟广播到数字广播的平滑过渡。

图1 基于超窄带调制技术的AM广播数字化的频谱示意图

超窄带技术由上世纪八十年代提出至今，最初由美国的H.R.Walker博士在上世纪80年代提出[4]至今，经历了多种波形调制方式的演绎和进化，其主要思想是在已有的频谱或频谱间隔中，通过频谱再利用或者频谱共享的方式，在频谱间隙或已分配频谱内，插入新的调制信号，传输附加数据，使得新的调制信号能够与优先（授权）用户同时使用已分配的频段，共享频谱，提高频谱的利用率。我国主要以高校为主体的研究团队对超窄带调制解调技术也做了深入细致的研究工作，东南大学提出了一种基于扩展的PSK(EBPSK：Extendary BPSK)调制[5]和结合多元位置相移键控（MPPSK：Multi-Position Phase Shift Keying）技术[6]的超窄带调制解调技术，可在提高信息传输速率的同时进一步紧缩旁瓣功率, 并初步研究了利用锁相环解调方法的基于EBPSK/MPPSK调制的AM广播数字化技术[7]。我国的AM广播以MW和SW波段为主，采用保留载波的双边的调制体制，占用9kHz带宽，其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信息的模拟边带构成。基于EBPSK/MPPSK的超窄带技术其调制波形是包络恒定、相位跳变的波形，数字信息隐藏于相位跳变中。基于 EBPSK/MPPSK技术的AM广播数字化，作为一种AM广播数字化的新思路，符合我国AM广播的现状，且具有现有发射机设备改造简单、无需进行频谱规划、模拟到数字过渡平滑等优点。本文讨论了采用相干解调方法的基于EBPSK/MPPSK调制AM广播数字化技术，从应用的角度分析了基于EBPSK/MPPSK调制AM广播数字化时应考虑的问题，并通过软件仿真给出了相应的仿真结果。

2 基于EBPSK/MPPSK的超窄带调制

基于EBPSK的超窄带调制信号的定义为：在一个信号周期时间T中，二进制码元“0”被调制为信号g0（t），码元“1”被调制为信号g1(t)，分别如下所示：

（1）

g0(t)由N个频率为fc的正弦波构成，g1(t)由两部分组成，前一部分是K个、频率为fc、初相为θ的正弦波，后一部分是N-K个频率为fc的正弦波，其中N=T*fc，K=ζ*fc。N、K和θ是EBPSK信号中控制带宽、码率和解调性能的关键参数，EBPSK能够传输的码率等于fc/N。若将EBPSK的相位跳变在时间上错开，即用脉冲位置的不同表示传递不同的符号信息，就可在一个符号周期内表示更多的信息。假设在一个符号周期内能够容纳M≥2个不同的相位跳变位置，就成为多元位置相移键控（MPPSK：M-ary Position Phase Shift Keying）调制，其一个符号周期内可以表达如下：

(2)

其中，k=1,2...M为实际发送的符号，有M种不同的取值。参数M、K、θ和N，构成了改变信号带宽、传输效率和解调性能的关键参数,MPPSK能够传输的码率等于。

3 基于EBPSK/MPPSK调制的模拟AM广播数字化方案

图2给出了基于EBPSK/MPPSK调制的模拟AM广播数字化方案，虚线框以外为传统的模拟AM广播系统，虚线框内表示基于EBPSK/MPPSK调制的模拟AM广播数字化的发送和接收模块。包含数字信息的EBPSK/MPPSK调制波形被送入模拟AM广播发射机，代替原有的正弦载波，对模拟音频进行调制，形成复合调制。我们将调制了模拟AM音频的EBPSK/MPPSK信号称为复合信号。复合信号经过信道送到接收端，分为两路解调,一路为传统模拟双边带解调，另一路为EBPSK/MPPSK解调。由于调制了AM音频的EBPSK/MPPSK信号的包络承载了模拟音频，EBPSK/MPPSK信号的恒包络特性被破坏，所以在接收端需要进行限幅成恒包络后，再完成数字信息的提取以及相应的位同步。设模拟音频与EBPSK的复合调制信号为

(3)

式中，k为调制系数，m(t)为模拟音频信号，丨k·m（t）丨＜D以确保不出现过调幅；为二进制数字信息，T为码元周期，g0(t)和g1(t)在式(1)中已定义。模拟音频与MPPSK的复合调制信号则是将（3）式中的EBPSK调制换成MPPSK调制即可。

图2 基于EBPSK/MPPSK的模拟AM广播数字化方案

4 基于EBPSK/MPPSK调制的模拟AM广播数字化时应考虑的问题

图3给出了基于EBPSK调制的复合信号的频谱图，其中模拟音频信号为1kHz的单音信号，可以看出由于载波的相位跳变，复合信号的频谱相对于传统模拟AM广播的频谱来说其频谱除了包含载波和模拟音频信号外，还有反映周期信号的线谱和相位跳变信息的连续频谱，即由于相位跳变信息的引入带来了复合信号的频谱扩展；相对于单纯的EBPSK/MPPSK信号的频谱来说复合信号的频谱中又包含了模拟音频的信号。因此对于复合信号来说应考虑：（1）数字信息的连续谱的存在是否对原有的模拟音频信号产生影响；（2）模拟音频信号的存在是否对数字信息的传输产生影响。我们将复合信号中的EBPSK/MPPSK信号称为数字信号，模拟音频信号称为模拟信号。与DRM或者HD Radio系统的模拟信号和数字信号的功率可以分开计算不同的是，由于复合信号中模拟信号调制在包含数字信息的载波中，因此反映模拟信号和数字信号的功率是相关的，在计算中仅能保证信号的整体功率不变。也就是说，随着复合信号中调制参数的变化，模拟AM信号和EBPSK/MPPSK信号的功率是相互制约的，模拟信号功率强，则EBPSK/MPPSK信号的功率弱,反之亦然。

图3 传统AM信号与基于EBPSK调制的复合信号的频谱

为了度量复合信号中模拟信号功率和数字信号功率，定义参数调制度Mod为：

（4）

可以算出，若保持k不变，D增加，则Mod增加；若保持D不变，k增加，则Mod减少。Mod增加，表示复合信号中的数字信号的功率增加，模拟信号功率降低；Mod减少，复合信号中的模拟信号的功率增加，数字信号功率降低。4.1 复合信号中数字信号对模拟音频信号的影响对于复合信号中模拟音频的解调采用传统的双边带模拟AM收音机的解调方式，即先通过带通滤波器后再采用包络检波的方法。传统模拟AM广播中载波仅是对调制信号简单的频谱搬移，而基于EBPSK/MPPSK调制的复合信号的带宽却比传统的调幅广播的带宽宽，因此当复合信号通过带通滤波器后，模拟声音有可能受到影响。除了复合信号中连续谱有可能对模拟音频信号产生影响外，带通滤波器也有可能对复合信号中模拟音频的影响。基于EBPSK调制的复合信号中模拟音频为1kHz的单音信号，EBPSK的调制参数为N=10，θ=π，K=2，fc=1MHz，EBPSK的传输码率为100kbps。图4给出了当Mod=0.2和Mod=0.64时的传统AM解调后的模拟音频信号的波形和复合信号解调后的模拟音频信号的波形。 可以看出随着调制度的增加，模拟音频信号的波形劣化的更厉害。

图4 不同调制度下EBPSK信号对模拟音频信号的影响

在Mod=0.2时，借助Matlab仿真环境中的sound命令将解调后的时域波形播放时，人耳能够听到较为明显的干扰。采用失真度作为客观衡量模拟声音损伤的度量，所谓失真度就是将解调出的音频信号的1kHz的基波去掉，然后用去掉基波的信号的总功率除以包含基波的信号的总功率。在Mod=0.2时，计算得到传统AM信号的失真度为8.97031e-7，复合信号的失真度为2.87865%。在Mod=0.64时，传统AM信号的失真度为8.14081e-6%，复合信号的失真度为22.9635%。基于MPPSK调制的复合信号中模拟音频为1kHz的单音信号，MPPSK的调制参数为N=16，θ=π，K=4，M=4，fc=1MHz，MPPSK的传输码率为125kbps。图5给出了当和时的传统AM解调后的模拟音频信号的波形和复合信号解调后的模拟音频信号的波形。在Mod=0.2时，计算得到传统AM信号的失真度为5.12448e-7%，复合信号的失真度为0.737677%。在Mod=0.64时，传统AM信号的失真度为4.64979e-6%，复合信号的失真度为7.0003%。随着调制度的增加，模拟音频信号的波形劣化的更厉害，MPPSK复合信号解调出的模拟音频波形失真小于EBPSK复合信号解调出的模拟音频波形。

图5 不同调制度下MPPSK信号对模拟音频信号的影响

4.2 复合信号中模拟信号对数字信号的影响基于EBPSK/MPPSK调制的复合信号的参数选择同上，保持发射信号的总功率不变，即当调制度Mod（Mod＜1）选定后，调整和的值，保证整个信号的功率保持不变。数字信号的解调采用相干解调法。图6分别给出了当调制度从1.0逐渐下降到0.4（步长为0.1）时EBPSK/MPPSK信号的误码率与信噪比关系的曲线。当调制度为1.0时，表示此时的EBPSK/MPPSK信号没有调制模拟音频信号，即纯数字信号的性能。可以看出，随着调制度的减小数字信号的性能有所降低，这是因为随着调制度的减小，数字信号的功率降低，所以性能也就随之降低。基于MPPSK调制的传输性能好于基于EBPSK调制的传输性能。

图6 不同调制度下EBPSK/MPPSK的误码率曲线与信噪比的关系

综上所述，随着调制度的减小，复合信号中模拟音频信号的功率增加，模拟音频信号受到数字信号的影响降低，数字信号的传输性能变差。在同一调制度下，基于MPPSK调制的复合信号中无论是模拟音频信号的失真还是数字信号的传输性能均要好于基于EBPSK调制的复合信号的性能。传统模拟广播的数字化方案首先要确保原有的宿主模拟广播不应受到不可忍受的影响，在此基础上再实现额外的数字信息的传输。从上述仿真可以看出，在这两组参数下即便是在调制度为0.2时，基于MPPSK调制的复合信号中模拟音频信号的失真还是较大的。4.3调制参数对复合信号性能的影响可以通过调整EBPK/MPPSK调制参数，如N、K和M，改变复合信号中数字信号的主瓣带宽、线谱距离以及连续谱和线谱在整个信号功率中所占有的比例。为了降低复合信号中数字信号对宿主模拟AM信号的影响，就需要尽量降低数字信号的功率，即有较小的K/N的值。若选择MPPSK调制参数为θ=π，fc=1MHz，N=64，K=2，M=32，调制度Mod=0.4，1KHz模拟音频信号条件下复合信号，图7给出了此组参数下MPPSK数字信号的传输性能和解调后的模拟音频的波形，此时模拟音频的失真度为0.438695%。在此组参数下，模拟音频的失真度在1%以内，且数字信号的传输码率为39.0625kbps，在误码率为1e-4时的信噪比大约为0.5dB，即在这组参数下，能够在保证模拟广播正常播出的同时，再传输一定的数字信息。

图7 基于MPPSK的复合系统的性能

5 结论

本文首先介绍了基于EBPSK/MPPSK超窄带调制的模拟调幅广播数字化的方案，说明了基于此方案的AM广播数字化的优点，并从应用的角度讨论了此方案在用于AM广播数字化时应考虑的问题，通过仿真结果可以看出，基于EBPSK/MPPSK超窄带调制的AM数字化方案在一定的参数组合下，能够在不对宿主模拟AM广播产生不可忍受的影响的前提条件下，实现数字信息的传输。但是我们也应该认识到，基于此方案的AM广播数字化技术还存在模拟信号传输质量与数字信号传输性能互相制约的问题，存在参数选择和组合的问题，存在与邻频道模拟广播之间互相干扰的问题，这些问题都需要在后续的工作中做进一步的研究和讨论。 参考文献

[1]Joint Technical Committee (JTC) Broadcast of the European Broadcasting Union (EBU), Comité Européen de Normalisation ELECtrotechnique (CENELEC) and the EuropeanTelecommunications Standards Institute.ETSI ES 201 980 v2.2.1. Digital Radio Mondiale (DRM) system specification [S]. France. European Telecommunications Standards Institute. 2005.

[2]iBiquity Digital Corporation.NRSC-5-B. In-band/on-channel Digital Radio Broadcating Standard [S]. Washington,DC.Consumer Electronics Association Technology & Standards Department. 2008.

[3] iBiquity Digital Corporation..NRSC-5-B attachment. HD Radio Air Interface Design Description-Layer 1 AM [S]. Washington,DC.Consumer Electronics Association Technology & Standards Department.Rev. E. 2005.

[4] Walker H R. High Speed Binary Data Communication System [P].US Patent 4742532，1988.

[5] 吴乐南，张士凯. 统一的二元相位调制和解调方法[P]. 2007.1.3，发明专利公开号: CN1889550A.

[6]吴乐南, 戚晨皓. 多元位置相移健控调制和解调方法[P]. 2010.1.27，发明专利号：ZL200710025202.1.

[7] 戚晨皓.基于AM广播信道的带内复合传输[D]: [博士学位论文].南京：东南大学信息科学与工程学院，2010.

编辑：中国新闻技术工作者联合会