调频同步广播在卫星传输中的研究和应用

2018-12-22葛颖江苏省广播电视总台

视听界(广播电视技术) 2018年6期

葛颖江苏省广播电视总台

1. 调频同步广播概述

调频同步广播是多个发射台站采用同一个频率，在同一时间发送同一套节目，对地区实现单频率广播覆盖的技术。采用调频同步广播系统，能有效解决广播移动收听，减少信号交叠区干扰，提高广播收听质量，可节约频谱资源，在近年已成为调频广播主流的覆盖手段。

广播电影电视行业标准GYT 154-2000《调频同步广播系统技术规范》的内容可概括为“三同一保”，即频率同步、时间（相位）同步、调制度同步和保证最低接收场强，并给出了相应的指标。国内外也有多家科研机构实验室针对不同的频率差、相位差和调制幅度差模拟两路调频广播信号合成的实验，实验结果表明当相位差≥200μs时，会严重影响到调频广播的收听质量。

调频同步广播在实际实现过程中，由于不是所有的发射台站都采用相同的节目信号源传输方式，即使采用相同的传输链路也存在时延抖动、传输路由参数变化等问题，所以保持时间同步技术是调频同步广播的一个难点。在本文所采用的卫星传输链路中，由于各个发射台站卫星下行距离的不同，带来延时的不同，并且卫星传输链路自身会带来抖动，所以如何保持时间（相位）同步是本文要讨论的主要课题。

2. 卫星传输广播电视信号基本原理

卫星在广播电视信号传输中发挥着重要作用，卫星传输信息逐步向数字化方向发展。我国在卫星传输和有线传输方面均采用DVB-S标准，DVB-S主要规定卫星系统中从MPEG-2复用码流到卫星通道的实现方法，即描述了信道编码和调制的方法，完成从基带信号到高频信号之间的适配。

MPEG2系统任务包括：（1）规定以包传输数据的协议；（2）规定收发两端数据流同步的协议；（3）提供多个数据流的复用和解复用协议；（4）提供数据流加密的协议。以包形式存储和传送数据流是MPEG2系统之要点。MPEG2这一数字视频音频编码标准用于视音频同步以及系统时钟恢复的时间标签分别在ES、PES和TS这3个层次中。MPEG2系统编码流程示意图见图1。

图1 MPEG2系统编码流程示意图

2.1 ES流（Elementary Stream原始流）

ES流是音、视频信号经过编码器之后或数据信号的基本码流。ES只包含一种内容的数据流，如只含视频或只含音频。

2.2 PES（Paketized Elementary Stream）

PES是ES经过打包后的码流，其长度可变。视频一般一帧一个包，音频长度一般不超过64KB。

在PES层里面，含有DTS和PTS时间信息。DTS为解码时间标签，PTS为显示时间标签。对于视频数据来讲， B帧的PTS和DTS相同，所以只有PTS；而对于音频数据来讲，由于音频传输是严格按照顺序传输的，所以音频没有DTS，只有PTS。但是DTS、PTS和PCR的相互作用原理是一样的，都是为了在正确的时间对数据进行解码和显示，从而达到音频和视频相对于系统时间的同步，也在客观上实现了音频和视频之间的同步。

2.3 TS（Transport Stream）

“TS流”和“PS流”是经过MPEG-2系统压缩处理后的两种复合信息流。

根据传输媒体的质量不同，MPEG-2中定义了两种复合信息流：传送流（TS）和节目流（PS）。

TS流与PS流的区别在于，TS流是固定长度的包结构，而PS流是可变长度的包结构。PS包与TS包在结构上的这种差异，导致了它们对传输误码具有不同的纠错能力，因此，在信道环境较为恶劣，传输误码较高时，一般采用TS码流；而在信道环境较好，传输误码较低时，一般采用PS码流。节目流（PS）主要用于误码相对较低的演播室和数字存储(如DVD)中。由于TS码流对传输误码具有较强的纠错能力，因此目前在传输媒体介进行传输的MPEG-2码流基本上都采用了TS码流的包。

传输流（TS）主要应用于实时传送的节目，比如实时广播的电视节目。它是分包发送的，每一个包长为188字节（还有192和204个字节的包）。包的结构：包头为4个字节（第一个字节为0x47），负载为184个字节。在TS流里可以填入很多类型的数据，如视频、音频、自定义信息等。TS头信息包含了节目时钟参考PCR(Program Clock Reference), 用于恢复出与编码端一致的系统时序时钟STC(System Time Clock)。

2.4 广播电视信号在卫星传输中的相位同步技术

图2 传输流TS的数据结构

在编码器中有一个单一的公用系统时钟，该时钟用于创建指出音频和视频的正确显示和解码时间的时间标记，也用于创建指出在采样间隔时系统时钟瞬时值的时间标记，在传输流中成为节目时钟参考(PCR)。

TS头信息里包含了RCR，共有48bi用于PCR值传输，包括33位的PCR_base、6位的预留位和9位的PCR_extension，用于恢复出与编码端一致的系统时序时钟（STC）

在一个TS流中，PCR以固定的频率插入包头，表示编码端的时钟，并反映了编码输出码率。接收端根据PCR可以用来调整解码端的系统时钟，以保证对节目的正确编码。由于标准数字视音频信号以27MHz时钟为基准，那么节目时钟也就是27MHz。PCR的插入必须在PCR字段的最后离开复用器的那一时刻，同时把27MHz系统时钟的采样瞬时值作为PCR字段插入到相应的PCR域，放在TS包头的自适应区中传送。

27MHz的系统时钟STC经波形整理后分成两路:PCR_ext (9bits ),由27MHz脉冲直接触发计数器生成扩展域。

PCR_base(33bits),经300分频器分频成90kHz脉冲送入一个33位计数器生成90kHz基值用于和PTS/DTS比较，产生解码和显示所需要的同步信号。这两部分被置入PCR域，共同组成42位的PCR。

PCR-base的作用:

（1）与PTS和DTS作比较, 当二者相同时, 相应的单元被显示或者解码。

（2）在解码器切换节目时,提供对解码器PCR计数器的初始值,以让该PCR值与PTS、DTS最大可能地达到相同的时间起点。

PCR-ext的作用:通过解码器端的锁相环路修正解码器的系统时钟, 使其达到和编码器一致的27MHz。

在数字视音频系统的前端编码器中有一个27Mhz的时钟，编码过程中不断读取该时钟信息，填入PES包的PTS、DTS字段和TS包的PCR字段，卫星接收解码终端中也有一个27Mhz的时钟，卫星接收解码终端将接收到的PES包中的PTS和DTS和该时钟进行比较，来决定是解码还是显示的操作。如果前端编码器的时钟与后端解码器中时钟“绝对”同步，那么TS 中的PCR 就没有任何意义了。

3.“第三代”调频同步技术的实现原理

第一代调频同步广播基本以模拟系统为主，第二代调频同步广播采用手动延时控制的数字广播，而本文主要研究基于全数字化处理（DSP+DDS）的第三代调频同步广播技术。

3.1 相位同步

音频信号到达相干区的总延时包括三部分：（1）音频传输信道时延；（2）FM发射机本机时延；（3）FM波传播时延。为保证两个已调波同时到达相干区中心时相位一致，必须保证音频信号到达二部发射机的时延是固定的，而且该信号在发射机内延时时间是可以调整的。

调频发射系统同步激励器宜采用同一类型号、全数字化处理的调频广播同步激励器（内置已调波延时器），这样可以确保发射设备（功放的延时是纳秒级可以忽略不计）具有相同的时延。已调波传播时延因距离而产生，是稳定的、可测量的。音频传输信道时延因为采用卫星传输，其编码、上行线路都是一样的，对各基站而言不存在时延差；下行线路时延因为每个基站的地理位置是固定不变的，其时延也是相对固定而且可以计算和测量的（星移对相邻基站产生的时延差不超过1微秒，可以不考虑）；卫星信号接收设备是保证音频传输通道稳定接收的关键：本方案采用ZHC600S专用数字卫星音频同步接收机，可解决普通卫星接收机音频信号输出时延不稳定的问题。ZHC600S采用跟踪基带信号中PCR基准时钟的特定算法，不仅可以确保接收机时延稳定，更可确保各接收机之间的时延差可控制在±1μs以内。该机具有模拟音频和数字音频（AES/EBU）输出接口；输出的音频幅度和频响近乎一致，为同调制度的实现奠定了基础。

3.2 频率同步

载波及导频的长期稳定度由GPS来保证。GPS输出的时钟信号是经过原子钟修正的，没有长期的老化漂移，它的频率准确度可达到1×10-12。GPS接收机收到GPS卫星发送来的导航数据电文以后，修正本地的时钟输出。导航数据电文中的时间信息是根据卫星上的原子钟产生的，可以保证其长期稳定性。但GPS接收机输出的时钟信号的短期稳定性不好，其短期稳定度是由GPS接收机的本地时钟决定的。

载波及导频的短期稳定度靠本地的恒温晶振（OCXO）来决定。GPS标频器是用GPS时标修订本地OCXO的长期老化特性，而不是相位锁定在GPS参考时钟上。相位噪声直接由本地的OCXO决定，可达很高的指标。用GPS输出的标准频率作为同步激励器的基准频率，可以使发射机的载频和立体声的导频准确度达到1×10-11。

3.3 调制度同步

同步系统中调制度的同步性能取决于调频同步激励器的音频指标一致性（瞬时幅度和频率响应）。本方案采用的调频同步激励器采用具有自主知识产权的全数字化处理（DSP+DDS）技术，内部音频滤波、音频增益调节、预加重、导频产生、立体声编码、调频调制等全过程全部由软件实现，从而可以确保任意两台同步激励器之间的调制度差近乎于0（实测小于0.1%），可以实现两台发射机调制度同步的要求。

3.4 实现“一保”

“一保”的是要求系统内所有发射服务区内有足够的覆盖场强。实现这一点只要在规划同步网时结合现场实测确定发射机的功率、天线的高度、方向和增益即可保证发射服务区内有足够的覆盖场强。本方案根据各发射台的发射条件，合理布置发射机的位置，以保证相干区综合场强达到同步广播系统要求的最低场强值。

4. “第三代”调频同步技术在实际工程中的应用

江苏交通广播FM101.1自2001年开播以来，深受全省广大听众的喜爱，经过多年来的不断建设和优化，现已成为江苏省境内影响力最大的广播节目。与此同时，2015年江苏交通广播网被江苏省政府确定为“江苏应急广播”，真正成为省政府及相关职能部门的突发事件信息发布平台,在应急处置中发挥重要作用。本次工程运用第三代调频同步广播技术对江苏交通广播全省覆盖站点进行了技术系统的全面改造，缩短了不同站点之间的相干区，大幅提升了交通广播FM101.1在江苏境内的收听效果。

（1）站点时延规划

站点时延规划见表1。

图3 调频广播发射技术系统

表1 站点时延规划

（2）实测效果

图4为同步改造后江苏应急广播FM101.1MHz全省的场强测试轨迹图。图中浅绿色、深绿色、浅蓝色、深蓝色区域为江苏应急广播有效覆盖区，黄色区域在收听中会有背景噪声影响。主要覆盖盲区在邳州、睢宁、海门、如东地区。受干扰的区域主要集中在南京与句容、扬州、宜兴的交界处，淮安与宝应的交界处，新沂与山东的交界处。