1基于频谱动态分配系统的带宽增益
为了更清楚地显示不同帧的数字信号带宽的对比情况，图11显示流行乐节目第3、5帧频谱动态调整后的频谱结构。在以作为NMR参考值时，从图11可以看出不同帧的频谱占用情况，第3帧的单边带数字带宽为105kHz，则带宽增益为105-70=35kHz；同理第5帧和第90帧的带宽增益分别为-15kHz、0kHz。单从流行乐的这3帧来看，则平均的单边带带宽增益为（35-15+0）/3=6.667kHz，增益比为6.6667/70=9.52%。表2列出6类节目分别以各自的NMR_all作为参考时，240帧数据整体的单边带带宽增益情况。其中实验环境采用图8所示模型，每类节目的时长为10.24秒。从表2可以看出，按照频谱动态分配的方法，除了古典乐节目，其它各类节目可得到的带宽增益都在30%以上。则可得出如下结论：在保证人耳感知的音频质量不变的情况下，数字频谱动态分配的方法相比较HDRadio固定的方法能获得更多的可用带宽，可以增加数字信号的容量，为实现300kHz信道IBOC提供了依据。
2基于频谱动态分配的FM带内同频数字广播方案
2.1频谱动态分配同频数字广播方案
基于以上的分析，本文提出一种基于频谱动态分配的FM带内同频数字广播方案。该方案以300kHz作为频道间隔，通过实时分析模拟信号的特性，相应分配数字信号频谱接入的带宽，在300kHz的频道间隔内提供可行的、高保真带内同频广播方案。基于频谱动态分配的FM带内同频数字广播方案如图12所示。从图12可以看出，基于频谱动态分配的FM带内同频数字广播方案与原HDRadio系统方案相比，是在模拟音频信号与数字音频码流之间加入了带宽自适应分配模块，该模块包括FM信号生成、参数提取及调整频谱起始位置三个部分。其中“FM信号生成”部分根据输入的模拟音频信号生成实时的FM信号；“参数提取”部分提取所生成FM信号的有效参数，供给“调整数字信号带宽”部分使用“；调整数字信号带宽”依据心理声学模型在保证接收端每帧信号的收听质量相同的情况下，分配每帧数字信号的带宽，实现数字信号的频谱动态分配。本文的重要创新是在“动态数字信号调制器”模块。图13显示了HDRadio系统和本文提出的数模同播方案频谱结构对比。如图13所示，在原HDRadio系统中，每个频道占用400kHz，并且数字信号的上下边带±(130~200kHz)放置同样的数据,此时允许一侧信道间距300kHz；上下边带放置不同数据时，两侧信道间距需400kHz以上。在本文提出的频谱动态分配系统中，数字音频根据模拟音频的参数实现数字频谱的动态分配，一套数模同播节目两侧的频道间隔均减小为300kHz，而且数字信号的上下频带放置不同内容的数据。
2.2300kHz信道数模同播的可行性分析
现有的数字音频压缩技术支持一路立体声音频广播至少需要60kbps的码流，考虑到相应的辅助信息，码流应不少于70kbps。由于300kHz间隔已是FM模拟信道的极限，不必像HDRadio为防止数字信号的上边带或下边带被邻信道干扰，300kHz方案中FM模拟信号的两侧可放置不同内容的数字数据。仅此项优点即可使信道的利用率倍增。
2.3实测效果分析
对于频谱动态分配的仿真实验，音频节目类型选为流行乐、新闻、戏曲、古典乐、评书和摇滚六类节目。实验仿真中，每类音频的时长为10.24秒，采样频率为48kHz，信号的帧长为2048个采样点，数字信号频谱的末端为150kHz，即每个频道的占用带宽为300kHz。按照图12、图13所示的频谱动态分配方案，图14显示本文提出的频谱动态分配方案中六种节目的净信息速率分布情况，其中横坐标为数字信号的净信息速率，单位为kbps，纵轴为超过该信息速率的百分比。从图14可以看出，流行乐、新闻、戏曲、古典乐、评书、摇滚六类节目的瞬时速率超过70kbps的概率分别为98.33%，97.92%，100%，80%，100%和81.67%。而六类节目可达到的平均速率分别为：115.18kbps，111.59kbps，120.83kbps，82.91kbps，106.25kbps和94.92kbps。不采用频谱动态分配方案时，HDRadio系统占用频带±(120~150kHz)所能传送的数据速率仅为56.88kbps。事实上，图14中的数据速率并不是最优结果，相信通过进一步的研究还应有较大的提高空间。表3列出了各类节目的净信息速率增益，其中净信息速率是240帧信息速率的平均值，速率增益和增益比是相对于56.88kbps算得。
2.4300kHz射频保护率测试
由于数字信号对抗干扰的能力很强，本文测试的是FM信号对邻频的保护率。图15中FM-FM曲线代表ITU规定的FM频道干扰FM频道的保护率，FM-HDRadio曲线是德国测试的HDRadio干扰FM频道的保护率[13]，300kHzIBOC曲线是本文测试的占用300kHz频道的IBOC信号干扰FM频道的保护率。测试时，模拟信号采用500Hz的单音信号，立体声调制，最大频偏为75kHz。从图15中可以看出，本文提出的300kHz频道间隔的IBOC方案，其射频保护率在300kHz频道间隔时，其保护率明显优于德国测试的HDRadio干扰FM频道的保护率，而与ITU标准规定的保护率曲线在300kHz时几乎重合，对邻信道播出的模拟FM信号影响很小。HDRadio方案在频道间隔为300kHz时，不仅数字频道重叠无法接收，而且会造成模拟FM信道劣化。4.5300kHz信道实施存在的技术问题及解决方案数字信号的动态分配导致数字音频速率实时变化，为了使数据在接收时输出大于70kbps的信息速率，需要在数据接收模块后增加存储器。表4显示六类节目在加存储器缓冲的情况下，数字信号速率大于70kbps的帧数百分比。从表4可以看出，为使99%的帧数达到70kbps的数字信号传输速率，所需要的最小延时为2帧，即86毫秒。由此可算得，所需要的最小存储器为752.5Byte。因而只需在发送数据前增加大约1kByte的存储器，即可使得收发数据的速率大于70kbps的概率达到99%以上，消除了由于数字频谱动态分配带来的变速率影响。从新技术带来的复杂度方面分析，首先“数字频谱动态分配”模块仅加在发射端，没有增加接收机的复杂度，原HDRadio系统有交织带来的较大系统延时，因而增加的自适应模块完全可以在系统延时之内完成自适应算法；更为称道的是，随着频谱动态分配技术的不断提高，仅需对发射调制器进行升级，无需对接收机进行改动，即可享受数字信道速率增加而给整个系统带来的能力提升。
3结论
本文提出一种基于频谱动态分配的FM带内同频数字广播方案，该方案基于心理声学模型和频谱动态分配技术，并考虑了FM解调的非线性，在300kHz的频道间隔内，通过实时测试模拟FM信号的特征参数，动态调整数字信号的频谱位置，在使模拟信号不劣于HDRadio系统MP2模式的音频质量时，使数字音频净数据速率以99%以上的概率达到70kbps以上；并测试了300kHz信道间隔的IBOC系统的射频保护率曲线，分析研究了300kHz信道间隔进行带内同频的可行性，希望能在我国FM数字音频广播系统中贡献一种300kHz频道间隔的播出模式。同时，我们仿真测试得到的6种不同类型节目的基于频谱动态分配方案的音频测试文档,可以提供同行参考。
作者：方伟伟 蔡超时 杨刚 王菲 单位：中国传媒大学
