我的朋友John Piliounis是「Planet Analog」的部落客,他的短波電台呼號是SV1OCS。他在2017年5月為《頻譜監測(Spectrum Monitor)》雜誌寫了一篇有趣文章,題目是《數位廣播(Digital Radio Mondiale,DRM):頻譜中的頻譜(Spectrum within a Spectrum)》。

我從來沒有操作過短波廣播(shortwave radio),也沒有任何許可證(年輕時做過的摩爾斯密碼測試一直讓我心生恐懼),更沒有電台呼號(除了「火箭人(Rocket Man)」以外,因為我到過NASA採訪)。我從來沒有聽說過數位廣播,因此我做了一些研究。

定義數位廣播

數位廣播實際上是一種數位廣播標準,由廣播相關業者所制定,發射與接收器製造商及法規制定機關在標準制定上扮演舉足輕重的角色。「存在的理由(raison dêtre)」是為了提供高品質數位廣播,作為傳統類比無線電廣播在AM和FM/VHF頻段的替代方案。

數位廣播使用的頻道和頻譜分配,與AM和FM/VHF相同(圖1)。

20170619TA01P1 圖1 數位廣播與其他服務共存的頻段示意圖。(圖片來源:數位廣播聯盟提供)

如圖1所示,數位廣播標準包括了DRM30和DRM+兩種操作模式。DRM30模式使用低於30MHz的AM頻段;DRM +模式則使用以現有FM頻段為中心的30M~300MHz頻段。

數位廣播為開放系統,也是唯一獲得國際電信聯盟(ITU)推薦的短波無線電標準,所有製造商可以免費獲得技術標準細節,且可自由、公平地設計與製造數位廣播設備。

發射器

以下來看看發射器的功能。

˙調變數位廣播訊號

圖2顯示數位廣播系統如何傳送訊號給數位廣播接收器。Piliounis談到,在廣播內容收集與進行廣播的技術方面,採用內容多工伺服器(content multiplexer-server),又稱為數位廣播內容伺服器(DRM Content Server)。伺服器上的組態介面單元(Configuration Interface Unit)利用可程式化或預定義的廣播樣板(templates)和圖式(schemata)、多工音訊(multiplexes audio)、資料和其他所需內容如GPS訊息,透過訊框(frames)的形式進行串流,並經由OFDM調變器(modulator)廣播出去。

20170619TA01P2 圖2 數位廣播訊號的調變示意圖。(圖片來源:數位廣播聯盟網站DRM.org)

現在正面臨類比系統轉換到完全數位廣播的時期,在此期間,廣播業者能夠透過(既有)相同的發射器和天線,同時轉播類比與數位廣播內容,即同步聯播(simulcasting)。

DRM使用編碼正交分頻多工(Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing,COFDM)的調變方法,以正交振幅調變(QAM)每個單獨的載波(最多四個)。

高品質數位廣播接收器

傳統上,在30MHz的短波波段中難以達到高品質和長距離的無線電訊號傳輸。以前使用的類比調變方式在大氣擾動下,難以透過短波無線電傳輸。

當數位廣播在2001年開始發展時,採用新的短波數位編碼技術、語音壓縮和資料保護功能。比起衛星廣播,其品質好且具備長距離傳輸能力,而且成本更低,成為非營利人道主義廣播機構在開發中國家的廣播方式。

Piliounis指出:「數位廣播比起AM、HF、FM和VHF頻段的廣播,能夠提供以前從未聽過、更卓越的聲音品質,其提供的語音內容品質也獲得好評。此外,也可透過任何支援數位廣播接收功能的可攜式或汽車無線電提供其他資訊服務,例如緊急天氣通報。」

來看一個高品質數位廣播接收器的例子,該設備可以調變單一數位廣播發射傳輸(頻道),與商用DRB-30接收器的相關比較,可參考《Implementation of Digital Radio Mondiale Receiver-Part I》和《Implementation of Digital Radio Mondiale Receiver-Part II》兩篇文章。圖3為此接收器的方塊圖。

20170619TA01P3 圖3 數位廣播接收器方塊圖設計。(圖片來源:《Implementation of Digital Radio Mondiale Receiver-Part I》)

˙預選機(Preselector)

這是天線後方的射頻帶通濾波器(RF bandpass filter),可改善接收器頻外過載(out-of-band overload)的品質。

**˙可變增益放大器(VGA)/類比數位轉換器(ADC) **

過濾後的訊號接著通過低雜訊指數的可變增益放大器,提高接收器的敏感度。可變增益放大器的45dB增益範圍與高三階交調截取點(third order intercept point,IP3)能增加接收器的動態範圍(請參見德州儀器(TI)的《Calculating noise figure and third-order intercept in ADCs》報告文件)。此訊號現在從類比轉換成數位訊號。

˙數位降頻器(DDC)/自動增益控制(AGC)

所產生數位訊號被發送到做為數位降頻器的FPGA,而後將訊號降頻到基頻頻率(baseband frequency)以提供相鄰頻道做選擇。由資料串流(data stream)取得QAM同相分量(I,又稱餘弦分量)和正交分量(Q,又稱正弦分量),自動增益控制(AGC)用於訊號相關的控制。

˙連接USB(微控制器)

Microchip PIC微控制器從FPGA接收I/Q封包,並透過USB 2.0介面將這些資料傳送到電腦,修改後的開放原始碼DReaM軟體程式透過FPGA、搭配自動增益控制功能在電腦上進行運作,並解調變數位廣播資料成為音訊。在Sourceforge可找到支援AM和DRM的收音機軟體。

在《Implementation of Digital Radio Mondiale Receiver-Part II》一文中,可以見到更多改進接收器效能的方式。

消費者接收端

數位廣播專利聯盟(patent pool)於2003年創建,為了提供製造商在授權上的便利,數位廣播資料與設備可在數位廣播聯盟的網站上查詢。Piliounis分享一個資訊:在網站上可購買RadioKit-2 IF解調變器,也可找到該設備的詳細建置資訊,該設備可以將455kHz IF訊號轉換成12MHz混音訊內容訊號(mixed-audio content signal)。Piliounis認為,在接收器的輸出端將會需要443kHz或467kHz石英晶體(crystal),協助455kHz IF的混合音輸出,如此將會產生12kHz訊號,但那些石英晶體並不存在。他建議使用較常見的4.433619MHz石英晶體與強生十進制計數器(Johnson decade counter),可以在443.3(4)kHz頻率下得到1/10的輸出,這樣應該足夠了。之後,使用兩個電容與一個陶瓷線圈(ceramic coil)當成貝塞爾低通濾波器(low-pass Bessel filter),將方波訊號(square wave signal)轉換成正弦波(sine wave)。(可參考《DRM—Digital Radio Mondiale: Spectrum within a Spectrum》一文)

近期的實地測試

以下介紹近期全球針對數位廣播的實地測試。

˙2016巴西測試

2016年在巴西進行效能評估,採用17.495MHz與21.495MHz兩個頻段進行實地測試,從圭亞那(French Guyana)傳送到巴西利亞(Brasilia)的接收器,固定接收(fixed reception)與行動接收(mobile reception)也是測試的一部分。測試結果非常良好,除了某些時候由於不良的電離層傳播(poor ionospheric propagation)所導致的訊號位準下降(signal level dropped)。在17,495MHz頻段測試時,兩種模式的接收狀況幾乎沒有問題。

在21.495MHz頻段測試時,由於電場強度低(low field intensity levels),發生一些接收不良的情況,原因是電離層傳播通道改變,所以傳播環境變差,而對語音傳播的表現造成不良影響,這是眾所周知的事實。

有時候在30dB響度會出現3~4秒鐘的訊號衰減,而且也會有訊號損失,也許是接收器或測量上的失誤所造成。在17.495MHz頻段進行行動接收測試,結果非常良好,1個小時的傳輸時間只有6秒的訊號衰減。

˙2017年俄羅斯聖彼得堡的測試情況

2017年在俄羅斯聖彼得堡進行數位廣播標準訊號的實地測試。數位廣播為開放標準,所有技術文件在歐洲電信標準協會(ETSI)的網站都可以看到,若要這些測量資料作為研究或研發用途,不需要高額費用與複雜的軟體。RCSI規範允許儲存超過50個訊號參數(parameters),資料處理的演算法簡單,且可用MATLAB處理。

聖彼得堡電視塔為廣播發射來源地,採用OIRT FM(67.46MHz)與第二(94.5MHz)頻段,發射高度分別是232與200公尺,測試點是城市內的建築物與移動的車輛,效能測試結果可參考《Results Processing of Quality Characteristics Measurements of DRM Signal》這篇文章。

誰是數位廣播使用者?

Piliounis說:「數位廣播大部分的核心功能已經完備,世界各地的廣播聽眾也已正在享受此項服務,數位廣播接收器在西方世界仍無法廣泛地被取得,而印度和許多遠東地區的國家卻已經採用數位廣播作為收聽無線廣播的方式之一。

數位廣播透過其內建的緊急警告功能(EWF),在發生災難的情況下,可以傳送訊息給廣泛的聽眾群,為其重要用途之一。當所有當地基礎設施受到影響而破壞時,可以做為最後、在緊急情況下,數位廣播接收器可切換成緊急模式,甚至能自動開啟,結合螢幕訊號、語音內容與數位廣播文字訊息,並且同時包含以文本為基礎的數位廣播資訊服務(Journaline),提供多國語言版本、詳細可查詢的資訊(look-up information)。

在21世紀的演進過程中,全球廣播發展正朝向數位化和軟體無線電(SDR)的發展方向前進。