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廣播數字化的探索與思考

發表時間:2014-12-11

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高鵬   鄒峰
(廣播科學研究院)

[摘要]廣播數字化是廣播電視數字化的一個重要組成部分,代表了未來廣播的發展方向,數字音頻廣播技術則是廣播數字化的技術基礎。然而迄今為止,在世界范圍內各種數字音頻廣播制式、標準都不能稱得上特別成功。本文回顧了多年來國內外對廣播數字化的研究和探索歷程,對我國廣播數字化的發展提出了自己的思考和建議。
[關鍵字]廣播數字化 數字音頻廣播 DAB  DRM  HD Radio  CDR 

    1.廣播數字化的需求與動力
    自上世紀開始,人類已經進入了技術突飛猛進的信息時代,技術的進步也深刻地改變了人們的生活方式。而相比已進入4G階段的移動通信、進入3D/4K甚至8K時代的數字電視,廣播仍停留在幾十年不變的模擬調頻/調幅廣播階段,這已經遠遠落后于同類技術的發展演變進程。
    與此同時,廣大聽眾獲得信息的渠道也越來越多樣化,傳統廣播方式也逐漸難以滿足聽眾日益增長的需求。這主要體現在形式、數量和質量等幾方面。現有調頻廣播只能在發射機有限的覆蓋內提供立體聲廣播節目,調幅廣播只能提供單聲道廣播節目,同時由于受到頻率資源的限制,每個城市能提供的廣播節目數量都是有限的,加上當前大中城市無線傳輸環境越來越惡劣,調頻調幅廣播所受的干擾越來越嚴重,部分地區的聲音質量難以保證。與現在迅猛發展的互聯網/移動互聯網廣播、下載音樂相比,聲音質量、便利性等方面都有較大的差距。傳統的廣播形式如果不進行突破,則很有可能在未來的十幾年內逐漸被邊緣化甚至消亡,而廣播數字化是廣播行業實現突破的必由之路。
    廣播數字化的技術基礎是數字音頻廣播技術。數字音頻廣播是以數字技術為基礎,采用先進的音頻編碼、壓縮、信道編碼以及數字調制、傳輸技術,對廣播節目的采集、制作、傳輸過程進行全面數字化處理的廣播系統。從傳輸方式上來看,符合此定義的數字音頻廣播技術可以分為衛星廣播、地面廣播和其他方式。衛星廣播是指以“地球站上傳—衛星下行廣播”的傳輸鏈路給用戶提供數字聲音廣播節目的方式;地面廣播則指通過地面發射臺站發射進行覆蓋的方式;其他方式則指的是通過其他系統伴隨傳輸的方式,如數字電視伴音、移動互聯網廣播等等。
    自上世紀80年代開始,國際上陸續出現了數字衛星廣播、Eureka-147 DAB[1]、DRM [2](數字調幅廣播)、HD
Radio[3]等多種標準或技術方案,這些技術方案采用的具體技術均不盡相同,但其共同點是都采用了數字編碼、調制傳輸技術,將音頻業務作為一種特殊的數據業務進行傳輸,可以支持多種多樣的增值數據業務,并可以有效的提高頻譜利用效率,可以通過單頻組網技術實現大面積的有效覆蓋,這使廣播運營商實現業務形式上的突破成為了可能。
    2.國內外對廣播數字化技術的探索歷程
    衛星數字音頻廣播主要有歐洲的DSR(Digit Satellite Radio)系統、ADR(ASTRA Digital Radio)系統、世廣(WorldSpace)衛星廣播系統[4]和美國的XM Sirius Satellite Radio[5]等。這些系統都是采用人造衛星進行大面積覆蓋,為其有效覆蓋區域提供數字音頻廣播節目,其優勢是能夠通過衛星可以實現大面積有效覆蓋,提供的數字廣播節目數量多,質量好。但其缺點是發射衛星成本較高,在大城市等建筑物密集地區覆蓋效果較差,需通過地面補點等方式進行補充覆蓋。前面提到的四個系統中目前只有世廣衛星和XM Sirius Satellite Radio仍在運營,但世廣衛星公司的兩顆在軌衛星“亞洲之星”和“非洲之星”壽命均已到期或即將到期,XM Sirius Satellite Radio在美國的運營情況也不甚理想。
    國際上應用較多的地面數字音頻廣播系統主要有Eureka-147 DAB、DRM和HD Radio三種。
    Eureka-147 DAB(以下簡稱DAB)得名于1986年的歐共體Eureka-147計劃,上世紀80年代末開始在歐洲的德國、英國等地開展試驗并推廣。DAB系統在廣播電視系統中最先引入了正交頻分復用(OFDM)技術,與傳統模擬調幅和調頻廣播系統相比,它在頻譜利用效率、移動接收覆蓋、大面積單頻組網等方面有了極大的突破,結合其使用的MUSICAM信源編碼和卷積編碼信道保護技術,典型應用場景下它可以在1.712MHz帶寬中傳輸1.152Mbps的系統凈荷,傳輸6套以上高質量(192-256Kbps/每套)數字音頻廣播節目。
    DAB系統實際上給廣播運營商提供了一個穩定可靠的數據傳輸通道,除了聲音業務之外,還可以提供包括文字、圖片甚至實時視頻業務在內的數據業務,如本世紀初產生的基于該系統的T-DMB手機電視系統等。在引入了更高效的信源編碼算法HE AAC以后,DAB+在一個頻點可支持的業務數量增加到30多套以上[6]。
    相比之下,DAB系統應該是推廣最成功的數字音頻廣播系統,經過近20年的市場開拓,目前該系統已在歐洲、亞洲、大洋洲等30多個國家和地區得到了較廣泛地應用,其中英國、德國、瑞士、挪威等國的信號率均已達到了98%以上。接收機價格也穩步下降,市場占有率逐步提高,挪威已正式宣布將于2017年關閉模擬調頻廣播,全面轉向DAB系統。
    我國從上世紀80年代就開始對DAB進行跟蹤研究,相繼在廣東、北京、上海等地分別建設了先導網,并在開始數字音頻廣播業務的試運營。2006年,國家廣播電影電視總局將其發布為我國行業標準[7],北京人民廣播電臺在其試驗網基礎上還開始了推送廣播業務試驗。
    然而,DAB系統的一個先天的劣勢是需要使用III波段(我國為167MHz到223MHz)和L波段(1452MHz到1492MHz)。在我國III波段均被規劃為模擬電視使用,很難協調出一個全國范圍內的覆蓋網絡,無法形成全國性的市場,接收機價格也尚未達到我國普通消費者能接受的水平,故該系統在我國應用前景仍不樂觀。
    數字調幅廣播(DRM)系統是繼DAB系統之后的又一個數字音頻廣播系統,它采用了與DAB相近的卷積編碼和OFDM調制技術,只是在信源編碼算法和調制方式上有所變化。DRM系統最先是為30MHz以下的中短波調幅廣播數字化提出的解決方案,后來又擴展到調頻頻段和III波段的下半段(DRM+)。在30MHz以下,其帶寬設置沿用現有調幅廣播頻道設置,以9/10KHz為基本單位,支持半帶寬(4.5/5KHz)和雙帶寬(18/20KHz),系統傳輸容量最大可達72Kbps;DRM+的系統帶寬則擴展到了100KHz,系統傳輸容量最高可達180Kbps以上。
    數字化的DRM系統可以傳輸多套接近調頻立體聲節目質量的數字廣播節目(DRM+系統可以接近CD音質)。同時由于頻段傳輸特性的優勢,具有覆蓋范圍廣、傳輸距離遠等優點。
    目前,全球(主要是歐洲廣播運營商)多個廣播電臺全時段或定期播出DRM廣播節目,但由于缺乏有效的商業運營模式和低成本接收機解決方案,尚未形成規模化市場,接收機價格也居高不下,因此尚未進入大規模商用階段。
    HD Radio系統是由美國iBiquity數字公司主導的,針對調頻廣播和中波調幅廣播數字化改造的解決方案,其最突出的特點是“帶內同頻”(In Band On Channel)技術,即在現有調頻廣播頻道之間的保護間隔內,如距調頻頻道中心頻率(130-200)KHz,共140KHz的頻率范圍內,增加低功率(占同頻調頻功率1%-10%)的數字廣播信號,傳輸2到3套新增的數字廣播節目,而不影響現有的調頻/調幅廣播[8]。
    HD Radio系統可以在不改變現有頻率規劃和頻道設置的條件下,利用頻道之間的保護間隔開展新型數字廣播業務,待數字接收機市場培育到一定程度之后再轉向全面數字化。這是其與DAB、DRM/DRM+等純數字廣播系統相比最大的優勢所在。
    2002年10月,美國FCC(聯邦通訊委員會)將HD Radio確定為美國地面數字廣播標準。目前已在美國境內的多個城市進行試播,試播臺站超過2200多個。國內研究機構從上世紀末開始對其跟蹤研究,2007-2009年間在國內進行了系統地實驗室測試和多次外場測試。
    HD Radio系統另一突出特點是其獨特的專利授權方式。系統所有核心專利均由iBiquity公司持有,并有部分技術屬其私有技術,根據其專利政策,使用該技術的廣播運營商、發射機制造商、接收機芯片及接收機生產廠家均需得到iBiquity公司的授權并向其繳納專利費用。這也成為HD Radio系統在國內推廣的最大障礙。
    以廣播科學研究院為代表的國內科研機構對這些標準開展了近三十年的研究和試驗,積累了豐富的理論和實踐經驗,在對其進行充分的跟蹤研究、試驗測試之后,可以發現這些國外標準均有各自的優缺點,與我國的實際應用場景都有一定的差距,更重要的是,這些標準均建立在大量的專利技術,甚至是私有技術基礎之上,背后可能存在巨大的政治和經濟風險,不利于我國相關產業發展。
    因此在國家廣播電影電視總局的統一指導下,廣播科學研究院牽頭承擔了我國自有知識產權的數字音頻廣播技術(CDR)體系研究,研究工作還受到了國家科技部支撐計劃專項支持,目前調頻頻段數字音頻廣播信道和復用標準已經發布[9-10],在北京、廣州和深圳等地已經開始了先導網建設和充分的試驗測試。
    CDR系統借鑒了HD Radio、DRM等標準的優點,設計了更為靈活的頻譜配置結構,以100KHz(一個子帶)為基本單位,支持數模同播模式和兩個子帶以上的多子帶捆綁模式,可以滿足從數模同播到純數字播出過渡過程中各種實際播出場景的需要,并能保證接收機在整個過渡過程中使用統一的調諧規則。針對不同的應用場景,系統設計了三種傳輸模式,通過采用更先進的LDPC編碼算法,系統的頻譜利用效率最高可達3.5bit/s/Hz。CDR系統的另一個主要特點是集成了我國自主知識產權的音頻信源編碼算法(DRA),構成了從信源到信道完整自主知識產權的技術體系,有利于促進我國民族產業的發展。
    3.關于我國廣播數字化道路的思考
    在解決了技術基礎問題之后,如何借鑒國外數字音頻廣播產業的經驗和教訓,避免其他系統推廣時走過的彎路,促進我國數字音頻廣播產業的快速健康發展,則成為當前的主要問題。
    結合前述國外標準的推廣過程,我國廣播數字化應注意以下幾方面問題:
    一. 解決好接收機的價格瓶頸問題
    作為一項新興技術,數字音頻廣播接收機的價格勢必會經歷一個從高到低的過程,考慮到前期的研發成本和較小的市場規模,初期的接收機價格與當前成熟的調頻接收機相比勢必高出不少,在沒有價格優勢的情況下,僅靠廣播運營商和終端廠家的努力,一般很難在短期內快速打開市場;而如果沒有大的市場規模和預期,終端廠家也不會貿然投入大規模的技術研發和生產成本,接收機價格又很難較快下降。這就很容易陷入一個“先有雞還是先有蛋”的怪圈,這是困擾所有數字音頻廣播技術發展的共性問題。
    要解決這個問題,作者認為只能采用“政府主導,企業配合”的方式,政府主管部門制定明確的產業政策和市場推廣規劃,從頻率資源、產業政策方面支持各地廣播運營商使用數模同播的方式先行建網,出臺統一的示范網和接收機技術要求,構建全國范圍內的規模化市場,給接收終端企業以充分的信心的同時,適當調整對市場推廣前期接收機價格的心理預期,通過資源整合的方式消化數字化轉換的成本,才可能在短期內突破這一瓶頸。
    二. 采用“數進模退,頻率置換”的方式,逐步完成調頻頻段頻率資源整合
    當前我國調頻頻段頻率資源已經相當緊張,在市場潛在越大的地區尋找新的空閑頻率的難度也越大。如在人口、汽車保有量較多的北京、上海、廣州等地,在保持現有頻率規劃完全不變的情況下,很難在調頻頻段內找出一個空閑的頻道進行純數字模式播出。這種情況下,如果只采取“數模同播、逐步過渡”的方式,則只能依據現有調頻廣播頻率規劃情況,在調頻廣播信號的兩邊增加數字頻譜。這雖然是一種暫時解決頻率資源緊張問題的方法,但這種過渡方式由于有模擬信號的存在,仍不易組建大范圍的單頻網,不利于廣播運營商實現跨區域單頻覆蓋。
    針對這種情況,作者建議可以考慮通過主管部門協調、運營商頻率置換的方式,在一個城市或地區先設法協調出一個純數字播出頻道(200-400KHz),建設一個純數字模式播出的區域性單頻示范網,這個使用數字技術的覆蓋網絡可以同時傳輸多套數字廣播節目,在運營一段時間,具有一定用戶規模之后,逐步將與其相同節目內容的模擬調頻關閉,這樣可以騰出多個調頻廣播頻點。如果持續采用這種方法進行頻率置換,則可以逐步完成調頻頻段頻率資源的整合,有效地推動廣播數字化進程。
    三. 利用數字廣播平臺開拓新業務形式
    如前所述,數字化技術只解決了技術基礎,而另一個關鍵突破則是運營模式。從手機電視、其他國外數字廣播標準的市場推廣過程來看,數字化之后如果仍是原有單一廣播模式,則很難建立起維持良性發展的運營模式,難以持久。因為僅靠節目聲音質量的提高很難吸引用戶花費較高的價格購買數字廣播接收機,所以必須充分利用數字廣播平臺的優勢,積極開拓數字廣播新業務形式,才有可能與日益強大的移動互聯網音視頻業務形成有效競爭。
    相比之下,廣播本身具有不限用戶數量、低成本大面積覆蓋、用戶免費接收等特點,數字化之后更成為一個快速的數字信息發布渠道,在系統容量范圍內可以支持任何新型數據業務,如文本、圖像、視頻等等,因此廣播數字化能否成功的另一個關鍵則是能否充分利用廣播技術的先天優勢,在此全新的技術平臺上構建能夠吸引用戶的新型廣播業務。這需要廣播運營商和接收機生產廠家充分發揮自己各自的優勢,借鑒智能手機和移動互聯網發展的成功經驗,采用“技術、終端、業務、應用相互促進”的發展模式,解放思想,才能實現較大的突破。
    四. 積極嘗試與移動互聯網融合的雙向廣播業務
    如前所述,廣播系統面臨互聯網/移動互聯網廣播的嚴峻挑戰,但未嘗不可以實現合作與共贏,因為兩者相比,互有優劣。數字化之后,數字廣播系統實際上已成為一個快速、低成本的數字信息發布渠道,用戶可以免費接收,而互聯網廣播的個性化傳輸勢必帶來較高的流量費用和網內冗余信息的增長,無論接入速度有多快,對用戶而言,必須為下載的每一個比特支付費用,對于移動互聯網運營商而言,在現有模式下,必須持續投入,不斷進行網絡擴容以保證用戶的良好接收體驗,而實際效果則是其收益和投入很難實現相應的增長。
    因此廣播運營商可以考慮與互聯網運營商合作,實現優勢互補。如合作開發具備上網功能的數字廣播智能終端,動態統計互聯網中用戶需求量較大的共性內容,開辟一個專門的頻道或一定的信道帶寬,針對智能終端用戶進行推送,即將絕大部分用戶每天所需的內容直接免費推送到用戶端,只有個性化比較強才通過移動互聯網進行下載。這樣用戶可以降低自己的流量費用,廣播運營商則增加了回傳通道,互聯網運營商則降低了流量壓力,形成多方共贏的業務模式。
    4.小結
    本文簡要回顧了國內外在廣播數字化方面的探索歷程,介紹了我國自主知識產權的調頻頻段數字音頻廣播系統的主要特點,并對我國廣播數字化提出了自己的思考和建議。如前所述,當前廣播產業面臨著其他傳播途徑越來越嚴峻的挑戰,因此廣播運營商應沉著應對,充分利用數字化帶來的優勢求新求變,爭取主動。
    近年來國內外廣播數字化的發展表明,盡管存在各種各樣的困難,但數字化的潮流已經不可逆轉,經過多年的努力,歐洲部分國家已經逐漸突破接收機價格瓶頸,明確提出了關閉模擬調頻廣播,全面轉向數字廣播的時間表。我國也應借鑒其經驗教訓,抓住機遇,政府、運營商、企業協同努力,爭取在較短時間內取得我國廣播數字化進程的較大突破。

[參考文獻]
1.Radio Broadcasting Systems;Digital Audio Broadcasting (DAB) to mobile,portable and fixed receivers。ETSI EN 301 401 V1.3.3 (2001-05)
2.Digital Radio Mondiale (DRM); System Specification. ETSI ES 201 980 V3.1.1 (2009-08)
3.NRSC-5-B In-band/on-channel Digital Radio Broadcasting Standard. April, 2008
4.http://www.worldspace.com
5.http://www.siriusxm.com/
6.Digital Audio Broadcasting (DAB); Transport of Advanced Audio Coding (AAC) audio. ETSI TS 102 563 V1.1.1 (2007-02)
7.GY/T 214-2006 30MHz~3000MHz地面數字音頻廣播系統技術規范
8.http://www.ibiquity.com/
9.GY/T 268.1-2013調頻頻段數字音頻廣播 第1部分:數字廣播信道幀結構、信道編碼和調制 GY/T268.1-2013調頻頻段數字音頻廣播 第2部分:復用
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