技術DAB數位廣播系統介紹（上）

洪清標 工研院電通所

前言

DAB數位廣播系統概念於雖於本月刊之一月份及二月份已有詳盡之介紹，筆者於1994年即參與工研院電通所"DAB數位廣播接收機系統"之研發工作，至今依然著力此系統之研發與產品推廣之工作，於此期間深感網路之建構之不易以及技術之深根需大眾之同心協力，因此秉持著台灣產業推廣與技術推廣之角色為數位廣播系統再進一步之說明，藉由經驗分享之過程，盼能更進一步結合諸先進之力量，共同為台灣數位廣播建立技術水平，以利產業之發展。DAB Eureka-147(數位廣播系統) 于1995年訂定國際規範，不僅考慮高音質之音樂服務，更考量移動接受之高速數據服務。由於技術的演進、需求的提昇、行動通訊之普及以及為了在擁擠通訊頻帶中提供更高的服務品質，高速率無線傳輸技術以及高頻譜效益之通訊技術將是未來通訊技術的重要考量，數位廣播系統中所採用之正交分頻多工技術(Orthogonal Frequency Division Multiplex)不僅符合以上之特性，對移動接收時自然環境對無線通道所造成之多重路徑影響亦能有效地克服。從GSM行動通訊之應用層面來考慮，數據服務是下一波之主流，為提供更快速之服務，GPRS及EDGE為繼GSM系統之網路架構，其最高之傳輸率分別為171.2 kbps及384 kbps，至下一代之行動通訊系統將為何?眾說紛紜，無論其系統標準為何，筆者深信快速、便捷、價廉之應用層面是使用者最終之選擇，數位廣播網路必能滿足快速、便捷、價廉之要求，當然其回傳系統(return channel)必須與現有之網路結合(如GSM、DECT、Internet)，總而言之，多媒體應用服務是未來之主要服務。台灣於2001年1月10日成立數位廣播產業推動委員會，參加成員包含製造產業、電台發射業者、資訊業者、學術單位及研發單位，共同為建構數位廣播網路努力，因此本文將從網路建構觀點、接收機設計觀點、及晶片設計觀點來探討相關之技術問題，為求文章之完整性，首先介紹規範中所定義之信號模式。

一、DAB數位廣播信號模式

數位廣播系統不僅可以傳送音訊信號，也可以同時傳送數據資料及多媒體資訊，發射機的傳輸框(transmission frame)由下列三部份所組成：

•MSC(Main Service Channel):MSC是用來攜帶音訊信號以及數據資料，由數個次通道(sub-channel)所組成，每個次通道分別經過時序交錯器分散多重路徑衰退通道造成的叢束錯誤以及使用迴旋碼做為接收端的錯誤更正保護。就數據資料而言，任何一筆數據資料的重要性幾乎是一樣的，因此用「等碼率保護」(equal error protection)保護;至於對音訊信號而言，則有語音及音樂的分別，對於後者必須給予較好的保護，所以「不等碼率保護」(unequal error protection)音訊信號是必須的。

圖一 數位廣播與回傳系統

•FIC(Fast Information Channel):FIC是攜帶傳輸框型態的即時訊息，即控制訊息，就接收機而言FIC的訊息必需先解讀才能了解MSC內部資料的意義及相關訊息之位址，因此FIC資料不經過時序交錯器，通道編碼是使用「等碼率保護」的迴旋碼。

• 同步通道(Synchronization Channel):每個傳輸框的前兩個符元是留給同步通道做傳輸框同步及輔助接收機的解調，內容包含自動頻率控制(AFC)和通道狀態的估計。第一個符元是空白信號，輔助接收機判斷傳輸框信號的起始點，發射電台之相關訊息亦放在此符元;第二個符元則是參考符元信號(reference symbol)，接收機可依此信號偵測接收信號因接收機的移動造成接收信號頻率的微量偏移或因接收機的本地振盪器的頻率不準度所造成的頻率偏差，至於符元信號的起始位置及信號傳輸框之起始位置也可以由此信號準確的估計。

傳輸框由多個OFDM符元組成，而OFDM符元數則與傳輸模式有關，表1定義四種傳輸模式的參數，各參數意義說明如下:

•L:每一個傳輸框OFDM符元數目(不包含空白符元)
•K:次載波數目
•TF :空白符元時間
•TNULL :OFDM符元時間
•Ts :次載波距離的倒數
•Δ :間隔區間(guard interval)

圖 二 信號傳輸框

表 1 DAB傳輸模式參數

二、數位廣播網路建構觀點：

間隔區間是數位廣播系統中不可或缺之角色，此信號與原信號符元構成連續且據循環性之信號，雖然浪費1 dB左右之傳輸功率，減輕數位廣播系統接收機設計之要求，且增加數位廣播系統抗拒多重路徑之干擾，如台灣目前試播所用之模式1之間隔區間信號長達246微秒，通常郊區多重路逕延遲為幾個微秒至數十個微秒，顯示數位廣播系統已考慮移動接收時環境變化之影響。數位廣播與其他系統較不同的是單頻網路，即接收機可同時接收兩個以上節目內容完全相同之發射機信號，這些發射信號抵達接收機之時間延遲只要小於間隔區間之長度不僅不會造成干擾，對接收機而言尚有空間多樣化(space diversity)之補償效果，這是數位廣播系統可以構成單頻網路之理由。考慮電波之涵蓋情況，因建築物之遮蔽或地型等因素，難免會構成電波涵蓋區之死角，可使用Gap-filler(俗稱repeater)強化信號強度，接收機可能同時接收到電台之發射信號及Gap-filler之信號，如上所述，不僅能弭補電台信號無法抵達之區域，且對電台信號可涵蓋之區域亦不會構成干擾，此Gap-filler之設計及提供不僅對台灣產業是一項新契機，同時也對台灣發展DAB數位廣播系統之推廣與普及係一項不可或缺之產品，圖三為降頻型式之Gap filler之示意圖，此架構之優點在於對任一之頻道之需求僅需利用微控制器之設定即可，且接收路徑之架構與DAB接收機雷同，然其雜音指數應以2 dB為上限，以免增加額外之背景雜訊，至於發射端之發射功率約為2瓦特左右(考慮小區域之含蓋區)，惟設計時需注意其線性度之要求。

圖三 降頻型式之Gap filler