调频频段数字音频广播（FM-CDR）发射机的的原理分析
《卫星电视与宽带多媒体》罗正明
【摘要】调频频段数字音频广播系统（CDR）自主知识产权的标准体系，该系统实现了模拟调频广播、FM-CDR全数字广播、模拟调频和数字同播等三种工作模式。
【关键词】FM-CDR;发射机 ;激励器;功率放大器;线性;非线性
1. 前言
CDR（C hina D igital R adio）是中国自主研发的新一代数字广播技术，经过多年不断的努力，取各家之长，结合相关技术领域最新的成果，创造性的建立了具有我国调频频段数字音频广播系统（CDR）自主知识产权的标准体系，于2013年8月正式作为国家广电总局行业的标准。
2. 系统原理
地面覆盖网络使用一个调频广播频率，以模拟和数字同时播出的方式进行传输覆盖。该系统可以实现模拟调频广播、FM-CDR全数字广播、模拟调频和数字同播等三种工作模式。模数同播时，可通过调整模数功率比来设置模拟调频广播和数字广播的发射功率。因而，在今后相当长的一段时期内，CDR数字广播信号将会与模拟广播信号共存同播。
调频频段数字音频广播工作在现有的FM模拟发射的频率上，并在保护频带内进行工作，不影响现有的频率规划，支持与FM模拟同台、同频、同发射机播出，可通过子带捆绑实现传输容量扩展（最高可达3Mbps），可支持多媒体数据广播，调频频段数字音频广播系统由节目内容统一集成、卫星传输分发、地面模数同播发射等部分组成。
发射系统采用模数同播的方式，使用现有中国之声（中-1）模拟调频广播频率、安装一套调频频段数字音频广播发射系统，同时播出1套模拟调频广播节目和3套数字音频广播节目。
3. FM-CDR发射机
FM-CDR发射机主要由FM-CDR激励器和线性功率放大器等组成。
FM-CDR发射机使用现有中1模拟调频广播发射机的功率和频率，采用模数节目同播方式，同时播出1套模拟音频广播和3套数字音频广播节目。数字信号功率根据技术要求，功率比一般限制在-17 dB或-14 dB（数字/模拟信号功率比在-10dB至-20dB范围内可调节）。通过技术改造后的调频频段数字音频广播发射机与原有中1模拟广播发射机通过同轴开关进行切换，实现原有模拟发射机对新增发射机的备份。
FM-CDR发射机必须具有优异的相位噪声和高输出带肩及高MER等技术指标，满足内置GPS模块，支持100M IP输入等技术要求。
FM-CDR数字广播工作于传输模式1、频谱模式9、QPSK-3/4的模式，传送3路数字音频（32Kbps+48Kbps）广播。模拟调频广播信号占用频道中心频率附近±130KHz之内，CDR数字信号占用±150至200KHz。
3.1 FM-CDR激励器
FM-CDR发射机系统的激励器，除了能支持CDR和FM同时或者独立发射工作外，必须完全支持调频频段数字声音广播：GY/T 268.1-2013，《调频频段数字音频广播 第1部分：数字广播信道帧结构、信道编码和调制》（简称CDR），完全支持GD/J 061-2014调频频段数字音频广播激励器技术要求和测量方法以及支持反馈式自适应校正预失真功能和先进的自适应算法等。
圖三为 FM-CDR激励器方框图，主要由码流输入、FPGA单元、射频输出部份、控制部分、射频采集、电源部份、时钟处理等几个部份构成。
3.1.1 码流输入
两路ASI输入分别送入CY7B933接收芯片实现接口转换，1路IP经过100M的PHY芯片RTL8201CP，3路输入的MEIP包分别送入FPGA，通过多路选择一路供本机调制输出。
3.1.2 FPGA单元
FPGA用了美国XILINX公司的芯片XC7A200T，该芯片采用了28纳米工艺，芯片内核使用1.0v电压，降低整个系统的功耗。
根据系统功能设计FPGA内部逻辑框架，如图四所示：
3.1.3 复用器输入码率处理
IP格式或者ASI格式的MEIP包处理，包含串并格式转换，MEIP包中业务数据和业务信息提取，码率适配，传输协议解析等处理;
3.1.4 模拟音频（XLR）和数字音频（AES）输入处理模块：
对输入的AES/EBU、XLR音频的数字化采样;
3.1.5 信道编码调制模块
实现国标调频频段数字音频广播信道编码标准中业务数据和业务描述信息加扰、LDPC编码和卷积编码、比特交织、星座映射、子载波交织、组成帧体（系统信息插入）、帧体数据处理（1024或2048点IFFT实现）、逻辑帧成帧（帧头生成与插入）、子帧分配、基带后处理（成形滤波）;
3.1.6 频率调制模块
实现国标米波调频广播技术规范标准中的立体声广播调频输出，包含立体声预处理，预加重，导频生成，调频输出等;
3.1.7 合成模块
实现CDR和FM的独立或者混合传输;
3.1.8 数字预失真处理
采样后的数据与原始数据进行功率匹配，同步处理，功率过载检测，再提取发射机功放失真信息，采用先进高效的自适应算法，对发射机非线性进行校正。
3.1.9 CFR（波峰因子抑制）
在MER和ACPR都满足系统要求的条件下，把系统的峰均比（Peak-to-Average Ratio）降低。可提高发射机的功率，减少发射机功率回退，改善发射机的线性性，这样在相同发射机功率的条件下，降低PAR可大大提高预失真性能。我们采用峰值对消技术降低PAR。
3.1.10 功率过载检测
在发射机使用中，把发射机的功率推得过高，发射机的稳定性和指标变差，功耗增加，同时影响发射机的使用寿命，如果发射机推得过低，发射机的效率没有充分体现出来。为此，在调制器里增加发射机功率过载检测，能够充分了解当前发射机中功率放大模块的工作状态，减少因为使用而造成的不必要的损害。在满足系统性能指标的前提下提升发射机的稳定性和效率，使其达到完美的统一。
3.1.11 采样数据判决
接收数据的平均功率和统计结果，与发射信号的平均功率和统计结果进行比较、判定。以保证采样的数据能完全反映发射机失真信息的特征。
3.1.12 硬件加速
同步处理，自适应算法，需要实时性较高，需要大数据量的数学运算，因此我们利用硬件加速，计算速度快，校正时间短。在同行业中，我们的预失真取得了最快校正速度。
3.1.13 预失真参数估计
发射的数据与采样数据对齐后，提取功放的失真信息，通过自适应算法计算出一组系数，通过这组系数对发射机进行预校正。
3.1.14 预失真函数
功放模块的数学模型，一组可变系数的滤波器。
3.1.15 功率匹配
发射数据的功率和接收数据的功率保持一致。
3.1.16 同步处理
将发射的数据与采样回的数据对齐，包括幅度，相位，延迟。
特别针对多合体（Doherty）高效率功放特别优化，校正效果特别好。
3.1.17 GPS或者10M输入时钟处理模块
主要是复用器输入码率同步，时钟同步处理，射频信号输出同步处理，
3.1.18 控制部分（CPU）
实现各种模式下相关参数的设置。液晶和按键控制，遥控遥测通信，报警，监测等。
3.1.19 射频输出部分
FPGA输出的数字IQ信号送入高速16bit DA芯片AD9789进行D/A 变换、直接上变频后送入可变增益放大器ADL5330ACPZ进行功率控制，开机功率缓释放，最后进行模拟滤波，射频开关机抗冲击保护通过两级继电器来实现，开机时通过RC延时电路去控制射频输出的开启时间。关机时直接关断继电器的控制电源，射频断开。从而很好的保护发射机。
3.1.20 射频采集部分
发射机监测输出信号通过射频输入口输入，通过抗混叠滤波进行滤波，然后利用高精度自动增益控制电路，能自动动态适应宽输入的电平，最后经过高速高位宽A/D，对数据进行精准采集。
3.1.21 时钟处理
输入的10MHZ时钟或者GPS时钟或者内部10MHZ时钟，经过时钟分配芯片产生4路时钟。第1路进入FPGA内部，通过内部锁相环倍频作为FPGA 工作时钟;第2路经过ADI 公司高稳定高相位噪声本振芯片ADF4350，产生2.4G高稳定时钟供给AD9789使用;第3路产生射频输入采样时钟;第4路产生音频采样时钟。
3.1.22 电源部分
输入的交流220v，通过台湾明纬NET-50A开关电源产生直流+5v和+12v;+12v电源供射频放大使用，+5v经过DC-DC 变换成+1.0v 和+3.3v供数字电路使用。
3.2 功率放大器
数字信号要求功率放大器有较好的线性度， 使得FM-CDR功率放大器的工作状态必须由原来FM功率放大器的丙类回退至甲乙类，使功率放大器有较高的功率储备容量和载波调制信号有较高的峰值平均功率比。在发射机功率相同的前提下，數模同播发射机一般相当于模拟调频发射机功率的两倍，因而发射机效率有较大幅度的下降。由于模拟信号易于受到数字信号的干扰，相关标准中严格限定了FM-CDR发射信号的带外辐射限值，目前主要依靠带通滤波器实现。
线性功率放大器的复杂程度低，与非线性化技术（预失真技术）相结合的可实现性高。这里所说的线性功率放大器，是相对于非线性功率放大器而言，其实线性功率放大器内的功放管，它的功率输出曲线并非为线性，只是接近于线性曲线而已，因此，为了实现功率放大器有较好的线性度，FM-CDR激励器必须采用反馈式自适应校正预失真技术。
自适应校正预失真技术是解决非线性功率放大器为线性功率放大器的一项技术，结合先进的自适应算法技术，将功率放大器输出的预失真校正检测信号送入FM-CDR激励器，FM-CDR激励器通过分析功率检测信号，自适应算法自动算出功率放大器的线性度和校正量，由自适应校正预失真电路完成校正工作。
功率放大器的功率分为线性功率和非线性功率两部分，只用功率放大器的线性区，功率放大器的效率就很低。因此，采用预校正技术来提高功率放大器的使用效率，把功放管在线性区域之外的饱和区通过预失真技术变成线性放大，使功率放大器工作于接近饱和的非线性区。
数字发射机的性能指标，取决于功率放大器的线性。要确保较大的线性功率余量，功率放大器的功率回退就相应的增大，功放管的寿命就相对的增长，发射机长期的可靠性、稳定性就高;过度的通过加大预校正量来提高功率放大器的线性，使功放管工作在深度饱和区工作，把功放管的功率用足，会使其结温过高，在长期的工作中加速了它的老化，就会缩短功放管的使用寿命，发射机的可靠性、稳定性和性能指标都会明显降低。
在发射机同步顶功率一定时，调制误差比MER随着数字功率的增加而变差，误差功率增大，也就是说回退越小，信号质量越差，误码率越高。如图六所示。
对发射系统其它部分的影响，考虑到数字信号峰均比（7dB），在多工器、天馈系统功率容量设计上应留有一定余量，功率余量需根据播出设置测算。多工器的通道指标特性要满足相关技术要求，其输入端口带宽要求大于模拟调频接口带宽，至少应达到500kHz以上，频谱模式9的必要带宽为400kHz，频谱模式10为500kHz。
4. 结束语
通过技术改造，在模数比为17dB时的FM-CDR数字广播信号与模拟调频广播信号同播的覆盖范围基本相同，覆盖效果良好，数字音频广播使用100KHz频谱传输两套数字广播信号，数据率在32Kbps的数字音频广播收听音质好于占据150kHz带宽的模拟音频广播节目。另外，通过对FM-CDR数字广播信号的覆盖预测和实际测试，验证了FM-CDR调频频段数字音频广播系统的覆盖性能，为FM-CDR的进一步推广取得了规划参数方面的技术积累。
