空中到處是密集的無(wú)線電波。地方性AM和FM電臺(tái)依然是各年齡階層人群的主要選擇，早上堵車時(shí)你會(huì)打開廣播，傍晚散步時(shí)你也會(huì)帶上耳機(jī)收聽。Sirius和XM衛(wèi)星廣播業(yè)務(wù)也在不斷高漲，現(xiàn)在其用戶總數(shù)剛好超過1，000萬(wàn)。盡管用的人很少，互聯(lián)網(wǎng)廣播還是在拼命地打廣告。另外，播客也算是另一種形式的廣播吧？
現(xiàn)在，又有一種廣播技術(shù)加入到這個(gè)群體了。這就是HD Radio，雖然免不了有一些困難，這個(gè)出現(xiàn)在美國(guó)的數(shù)字地面廣播服務(wù)已經(jīng)發(fā)展了好幾年了。隨著現(xiàn)在全美國(guó)已經(jīng)有數(shù)百個(gè)HD Radio無(wú)線電臺(tái)開始提供音頻服務(wù)，以往那些雞跟蛋的問題再也不會(huì)出現(xiàn)了。
你一定認(rèn)為具有免費(fèi)高清晰度節(jié)目的HD Radio會(huì)深受用戶青睞。但是這種廣播最終獲得認(rèn)可卻花了很長(zhǎng)時(shí)間。即便是現(xiàn)在，也只有少數(shù)用戶知道它的存在。就像衛(wèi)星廣播那樣，HD Radio也需要一定的時(shí)間來(lái)獲得大家的認(rèn)可和采用。
HD Radio到底是什么？
HD Radio是一種數(shù)字廣播技術(shù)，但是又和衛(wèi)星廣播有所不同。衛(wèi)星廣播是直接從工作在2.3GHz頻率范圍的衛(wèi)星上接收信號(hào)，而HD Radio的工作頻率則和當(dāng)前分配給AM和FM電臺(tái)的頻率是一樣的。
利用正交頻分復(fù)用(OFDM)數(shù)字技術(shù)，HD Radio將新的數(shù)字信號(hào)放置于現(xiàn)有AM和FM邊帶中的任一個(gè)之上。在AM波段上(頻率為530到1705kHz)，常用的模式是同時(shí)聯(lián)播，即將同一個(gè)節(jié)目以模擬和數(shù)字兩種格式進(jìn)行發(fā)射。以前的廣播將忽略數(shù)字內(nèi)容，而數(shù)字廣播則會(huì)接收數(shù)字信號(hào)。
同時(shí)聯(lián)播也是FM波段(頻率為88到108 MHz)的初始工作模式。一臺(tái)HD接收裝置將接收常規(guī)的模擬信號(hào)和獨(dú)立的數(shù)字信號(hào)。FM HD Radio電臺(tái)還具有多播能力。可以分割其數(shù)字OFDM載波，并能產(chǎn)生多達(dá)8個(gè)的附加廣播信道。從本質(zhì)上講，HD Radio讓你以最小的成本獲取多個(gè)額外的電臺(tái)。此外，HD Radio也可以像衛(wèi)星廣播那樣提供多種節(jié)目。但令人驚訝的是，它卻不需要新的頻譜。這將有可能成為一個(gè)電臺(tái)的新的廣告收入來(lái)源，盡管其最初的多播服務(wù)是免費(fèi)的。附加的內(nèi)容將以更清晰的音樂和談話節(jié)目吸引新的聽眾。
HD Radio將數(shù)字技術(shù)的優(yōu)勢(shì)帶入了無(wú)線電廣播。命名為高音質(zhì)意味著其音頻響應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于一般AM廣播的5kHz帶寬和FM廣播的15kHz帶寬。現(xiàn)在，頻率響應(yīng)得到改進(jìn)的AM HD Radio聽起來(lái)更像是FM廣播，而FM廣播就差不多有CD音質(zhì)了。
數(shù)字技術(shù)極大地降低了噪音，并且減輕了由多通道引起的信號(hào)衰退以及車載廣播中經(jīng)常會(huì)有的其它影響。其總體質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于現(xiàn)在的電臺(tái)提供的廣播質(zhì)量。而更重要的是這一切都是免費(fèi)的，你只需要購(gòu)買一臺(tái)接收裝置就夠了。
它是如何工作的？
HD Radio真正的創(chuàng)新之處在于它能夠使用目前分配給模擬信號(hào)的同一頻譜來(lái)發(fā)射額外的數(shù)字信號(hào)。這和在歐洲、加拿大、亞洲和大多數(shù)世界其它地方已經(jīng)開通了好幾年的數(shù)字廣播是不同的。
這一被稱為數(shù)字音頻廣播(DAB)的系統(tǒng)在174到240MHz VHF和1450到1490MHz這兩個(gè)不同的范圍內(nèi)采用彼此獨(dú)立的頻譜。這種頻譜在美國(guó)還未提供，但是有一個(gè)叫做iBiquity Digital的公司開發(fā)了HD Radio來(lái)解決美國(guó)境內(nèi)的頻譜問題。
iBiquity的這個(gè)系統(tǒng)最初被稱為“帶內(nèi)同頻”(IBOC)系統(tǒng)，開發(fā)于1991年，在2002年獲得了美國(guó)聯(lián)邦通信通信委員會(huì)的官方認(rèn)可。該公司聯(lián)合一些廣播設(shè)備生產(chǎn)商，花了好幾年的時(shí)間，終于研制成功了發(fā)射器并推進(jìn)了接收器的發(fā)展。
現(xiàn)在我們進(jìn)入了關(guān)鍵性的階段。在美國(guó)有600多家電臺(tái)采用HD格式廣播。Kenwood、松下、夏普以及其它一些公司已經(jīng)開始提供為汽車提供車用接收裝置配件，而家用的桌上接收裝置也將出現(xiàn)。HD Radio還有了高端的立體聲接收器。為了不被勝過，以BMW為首的汽車制造商正開始將HD接收裝置加入其標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品中。
圖1闡明了HD Radio的概念。它有兩種基本的工作模式：混合模式和全數(shù)字模式。混合模式運(yùn)作就是模擬和數(shù)字信息同時(shí)發(fā)射。大多數(shù)廣播(至少在開始的時(shí)候)都會(huì)采用同時(shí)聯(lián)播的方式，相同的內(nèi)容通過信號(hào)中的模擬和數(shù)字部分同時(shí)發(fā)射出去。這種模式確保了舊式的模擬廣播和較新的HD模式廣播可以全面兼容。最終，HD Radio將會(huì)發(fā)展成為全數(shù)字模式。
數(shù)字內(nèi)容主要有音樂或談話節(jié)目，但是HD系統(tǒng)還可以發(fā)射其它的數(shù)字信息，例如電臺(tái)識(shí)別、播放中的歌曲和藝術(shù)家以及節(jié)目的名稱。
大多數(shù)電臺(tái)都將會(huì)提供一個(gè)數(shù)字節(jié)目向?qū)АＡ硗猓總�(gè)電臺(tái)還能發(fā)射其它可能對(duì)當(dāng)?shù)厝罕娪袔椭臄?shù)字信息，例如天氣或交通信息，這些信息有可能是照片或者視頻。信息會(huì)在接收器的LCD顯示器上自動(dòng)滾動(dòng)顯示。
這個(gè)系統(tǒng)如何運(yùn)行呢？首先，音頻內(nèi)容由iBiquity的編解碼器進(jìn)行數(shù)字化并壓縮，以降低總的比特律和所需傳輸帶寬。然后，該信號(hào)與其它待發(fā)射數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)一起被多路傳輸。
復(fù)合信號(hào)完成了整個(gè)附加編碼過程，包括加擾、前向糾錯(cuò)(FEC)編碼和交錯(cuò)。加擾過程將打亂或者說(shuō)“漂白”數(shù)據(jù)，以防止產(chǎn)生0或1的長(zhǎng)字符串。FEC編碼，即Viterbi收縮卷積編碼(Viterbi punctured convolutional encoding)，增加了在噪音和衰退情況下信號(hào)的可靠性。交錯(cuò)則提供了時(shí)間和頻率的多樣性，從而有助于改善在信號(hào)損失情況下對(duì)信號(hào)的接收。
該步驟之后，成型的復(fù)合數(shù)字信息包被送往進(jìn)行OFDM映射和生成。最后，該信號(hào)和標(biāo)準(zhǔn)模擬信號(hào)一起被發(fā)射出去。出現(xiàn)在頻譜上的數(shù)字信息位于常規(guī)模擬邊帶值上下。
圖2顯示了用于AM和FM的混合格式。留意FCC頻譜模板。在AM信號(hào)中，正常模擬信號(hào)顯示的邊帶與載波頻率偏差為±5kHz。一共有兩套數(shù)字通道。主通道頻率范圍為10到15kHz，圍繞載波頻率值上下浮動(dòng)。副通道頻率范圍為5到10kHz，圍繞載波頻率值上下浮動(dòng)。
同樣，第三邊帶的范圍在模擬載波以下±5kHz，或者與之相差四分之一個(gè)周期。總共有81個(gè)OFDM載波，間隔為181.7Hz。主載波采用6?QAM(正交振幅復(fù)用)方式，而副載波則采用16QAM。第三邊帶載波則采用正交相移鍵控(QPSK)。當(dāng)最終音頻帶寬為大約8 kHz時(shí)，數(shù)字音頻的位數(shù)據(jù)流為36kHz。
FM頻譜則更復(fù)雜一點(diǎn)。如圖2所示，帶多個(gè)FM邊帶的模擬信號(hào)的頻率約為130 kHz，該值圍繞載波頻率值上下浮動(dòng)。包含在OFDM載波中的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的工作頻率為130到200kHz，圍繞模擬邊帶的頻率值上下浮動(dòng)。上下兩個(gè)數(shù)字頻譜各包含了10個(gè)分區(qū)，每個(gè)分區(qū)有18個(gè)副載波。對(duì)這些載波的利用取決于所提供服務(wù)的類型。也有用于全數(shù)字AM和FM模式的頻譜圖，它們與此處所描述的混合模式頻譜圖有所不同。這些未來(lái)可能出現(xiàn)的格式可以在iBiquity和NRSC的文獻(xiàn)資料中看到。
目前大部分廣播(約80%)都屬于FM廣播，而HD Radio將對(duì)這個(gè)領(lǐng)域產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。在頻率更高時(shí)，可用帶寬就更大，也就可以實(shí)現(xiàn)更高的數(shù)字速率。而AM廣播在長(zhǎng)傳輸距離情況下有一個(gè)鄰近信道干擾問題。
FM傳輸通常限制在大約100英里的視線范圍內(nèi)，這一點(diǎn)極大地減小了干擾問題。它還允許頻率以足夠的間隔在全國(guó)范圍內(nèi)被重新利用。AM在白天是通過短距離地面波來(lái)傳播，因此干擾是最小的。但是在晚上，電離層的改變使得天波折射信號(hào)普遍用于長(zhǎng)距離傳播。晚上禁止AM HD Radio則可以解決這個(gè)問題。
如何設(shè)計(jì)HD Radio？
如果要設(shè)計(jì)一個(gè)HD Radio，你必須首先和iBiquity公司取得聯(lián)系以獲得許可信息。
IBiquity公司擁有該技術(shù)的專利，并授權(quán)給發(fā)射器和接收器的生產(chǎn)商。它還有完整的測(cè)試和認(rèn)證程序，用來(lái)確保符合NRSC-5A標(biāo)準(zhǔn)。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)由國(guó)家無(wú)線電系統(tǒng)委員會(huì)提供，該委員會(huì)是由美國(guó)全國(guó)廣播工作者協(xié)會(huì)(NAB)和消費(fèi)電子協(xié)會(huì)(CEA)共同組成的。
雖然HD Radio技術(shù)十分復(fù)雜，但是有了現(xiàn)在的IC技術(shù)，制作一個(gè)HD Radio也相對(duì)容易了(圖3)。你需要一個(gè)前端或者調(diào)諧器將AM和FM信號(hào)轉(zhuǎn)換成中頻(IF)，一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)將IF數(shù)字化，以及一個(gè)DSP芯片來(lái)處理所有剩下的廣播功能。然后，數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)會(huì)驅(qū)動(dòng)立體聲功率放大器。另外還需要一個(gè)內(nèi)置的嵌入式控制器來(lái)運(yùn)行各項(xiàng)功能，包括調(diào)諧功能和LCD顯示。
現(xiàn)在有多種前端調(diào)諧器可供選擇。例如，Atmel的T4260 biCMOS芯片就被iBiquity認(rèn)證為可以用于AM/FM車用或家用桌上廣播。它擁有兩個(gè)RF路徑，一個(gè)用于AM，另一個(gè)用于FM。從天線獲得的信號(hào)會(huì)輸?shù)交祛l器中，這個(gè)混頻器將AM波段向上轉(zhuǎn)化成一個(gè)范圍在10到25MHz的IF。一般情況下，它最終會(huì)設(shè)置為流行的10.7MHz，這樣就有很多陶瓷IF濾波器可供選擇。在FM路徑下，信號(hào)被向下轉(zhuǎn)化到10.7MHz。
一個(gè)鎖相環(huán)(PLL)合成器為兩個(gè)混頻器提供局部振蕩器信號(hào)。AM的增量調(diào)諧為1kHz，而FM的增量調(diào)諧則為12.5/25/50kHz。也提供用于AM和FM的獨(dú)立快速自動(dòng)增益控制(AGC)塊。增益可以通過內(nèi)部DAC來(lái)改變，RF電路的增量為1dB，而IF電路則是2dB。另外還包括了一個(gè)用于調(diào)諧和控制的三線串行總線。
Philips半導(dǎo)體的TEF6721HL和Atmel的芯片相似，但是它也包括了31m、41m和49m的短波波段和VHF FM天氣波段。一個(gè)I2C串行接口用于調(diào)諧和控制。這兩種IC都要求必需的天線、阻抗匹配和其它的前端組件。
Alps Electric的TDGA2全集成屏蔽調(diào)諧器是針對(duì)AM和FM波段中的IBOC信號(hào)而設(shè)計(jì)的。輸出為10.7MHz。提供一個(gè)I2C總線用來(lái)進(jìn)行調(diào)諧和增益控制及其它控制。來(lái)自調(diào)諧器的IF信號(hào)接著必須在ADC中被數(shù)字化。Texas Instruments的AFEDRI8201是廣受好評(píng)的電路之一。它將10.7MHz IF信號(hào)傳送給一個(gè)可編程增益放大器，然后傳送給ADC。這個(gè)12 位的轉(zhuǎn)換器以80 Msamples/s的速率對(duì)IF信號(hào)采樣，并給外部DSP芯片提供接口。8201還包括了一個(gè)控制調(diào)諧器中AGC的DAC。
DSP執(zhí)行所有的解壓縮、解交錯(cuò)、解碼和解調(diào)功能。作為用于HD收音機(jī)的DSP芯片的主要供應(yīng)商，TI在其TMS320DRI300/350基帶芯片上編入了所有iBiquity授權(quán)HD Radio軟件。它們可以執(zhí)行所有AM和FM的功能，并能夠進(jìn)行音頻后處理，同時(shí)還支持MP3和Windows Media Audio（WMA）。它們還有用于外部嵌入式控制器、啟動(dòng)EEPROM或閃存以及解交錯(cuò)DRAM的接口。輸出是針對(duì)可兼容DAC而設(shè)計(jì)的。 盡管TI是目前用于HD的DSP的主要供應(yīng)商，Philips也在芯片上占有一定的份額。SAF3550 HD Radio數(shù)字基帶處理芯片利用了一個(gè)帶有片上高速緩存的強(qiáng)大的ARM946處理核。還包括了可編程基帶輸入及音頻輸出采樣率轉(zhuǎn)換器，能夠和之前提到的TEF6721HL調(diào)諧器兼容。
Philips的SAF7730是一款靈活的帶有音頻DSP的雙IF接收裝置。它為汽車收音機(jī)應(yīng)用而設(shè)計(jì)，在一塊芯片上集成了大部分接收裝置。它的可編程性使得設(shè)計(jì)者們可以產(chǎn)生不同設(shè)計(jì)。來(lái)自DSP的數(shù)字輸出通常會(huì)傳入由多個(gè)來(lái)源提供的外部DAC中。DAC會(huì)驅(qū)動(dòng)立體聲功率放大器，這些功率放大器一般是用于汽車應(yīng)用的AB類線性放大器或者D類開關(guān)放大器。而這個(gè)產(chǎn)品的最后一個(gè)組成部分則是一個(gè)用于交流操作單元的電源或者一個(gè)用于汽車電池工作的電源管理芯片。
HD Radio進(jìn)行測(cè)試時(shí)需要一個(gè)激勵(lì)器，這個(gè)激勵(lì)器可以從發(fā)射器生產(chǎn)商Broadcast Electronics或Harris公司處獲得。iBiquity也會(huì)提供有關(guān)于其測(cè)試和認(rèn)證程序的信息。
這些接收裝置面臨的一個(gè)主要問題是由DSP和嵌入式處理器引起的電磁干擾(EMI)問題。為了減少敏感的RF接受器電路受到的干擾，以及滿足FCC的B類輻射測(cè)試，大多生產(chǎn)商不得不花費(fèi)時(shí)間來(lái)設(shè)計(jì)能將EMI干擾最小化的電路板布局。雖然過濾可消除大部分干擾，但是在有些情況下還是需要屏蔽保護(hù)。
迄今為止，iBiquity已經(jīng)認(rèn)可了Radiosophy公司的MultiStream HD桌上廣播接收器。這一產(chǎn)品采用了Alps的調(diào)諧器和TI的芯片。FM的信噪比是78dB，而AM的信噪比則為50dB。MultiStream的多播能力讓使用者可以從FM信號(hào)中選擇多個(gè)數(shù)據(jù)流。AM和FM天線是內(nèi)置式的，也可以和外部天線進(jìn)行連接。聲音來(lái)自于帶有4V揚(yáng)聲器的雙通道8W放大器。128*6?像素帶背光LCD顯示器可以顯示HD標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的時(shí)間、頻率和滾動(dòng)信息。
它的其它有趣特點(diǎn)包括一個(gè)立體聲耳機(jī)迷你插口和一個(gè)USB端口，可以通過互聯(lián)網(wǎng)和計(jì)算機(jī)將軟件升級(jí)上載到DSP中。它還集成了RCA拾音插座輸出，這個(gè)輸出采用的是Sony/Philips數(shù)字接口(S/PDIF)數(shù)字格式。一個(gè)S/PDIF Toslink光學(xué)輸出插口將數(shù)字音頻直接發(fā)送到一個(gè)帶有更大揚(yáng)聲器的外部立體聲放大器中。
HD Radio的未來(lái)
HD Radio已經(jīng)問世了。遺憾的是只有很少的一批人擁有這種接收裝置，而更多的人甚至還從未聽說(shuō)過它，盡管現(xiàn)在大部分地方的電臺(tái)里都已經(jīng)有了這種設(shè)備。
正是認(rèn)識(shí)到了這一現(xiàn)象，一些主要的廣播公司已經(jīng)聯(lián)合起來(lái)組成了HD數(shù)字廣播聯(lián)盟。這個(gè)組織致力于宣傳HD Radio，并竭力勸說(shuō)汽車制造商在其標(biāo)準(zhǔn)汽車無(wú)線電接收裝置上增加HD服務(wù)。而隨著更多的家用接收裝置正在普及中，使用者將很快可以嘗試多種新的節(jié)目和服務(wù)了。
HD Radio從誕生之日起，就以改善廣播音頻質(zhì)量和接收可靠性為目的，而現(xiàn)在這個(gè)目的已經(jīng)達(dá)到了。但是隨著新的多播能力(我們稱為HD2)出現(xiàn)，電臺(tái)也增加了許多新的表演和節(jié)目，比如專門的音樂頻道和脫口秀。
一旦這幾方面都到位了，HD Radio將會(huì)和衛(wèi)星廣播進(jìn)行盈利競(jìng)爭(zhēng)。HD不會(huì)取代衛(wèi)星廣播，因?yàn)樾l(wèi)星廣播畢竟有數(shù)百個(gè)節(jié)目頻道。但是它將提供更多的本地節(jié)目選擇，卻只需負(fù)擔(dān)一部新接收裝置的價(jià)錢。我們相信一旦高音質(zhì)這個(gè)詞被眾人所了解，而且接收裝置的價(jià)格也可以為大眾所負(fù)擔(dān)得起，那么HD Radio的前景將一片光明。 |
