大葉大學電機系 林漢年
前言:
近年來,隨著資訊的日新月異,大家接收資訊的來源越來越多元化,從以前的廣播到電視,才從電視到網路。也就是說從聲音到影像,從影像到即時。似乎現代人對資訊的追求已經從原本的單純的求知到聽覺、視覺的享受。這麼說來廣播是否已經是走到了末期了呢?從以前全部人口都以廣播為主要吸收資訊的工具,到現在廣播變成了次要的媒體,看來似乎有每下愈況的趨勢。不過靠著主持人的用心與製作單位的努力,廣播人口的流失量也漸漸變小了。
但是科技在進步,廣播也不能在原地踏步,也需要隨著科技的腳步向前推進。現在電腦的發達,使得數位化的產品如雨後春筍般紛紛出籠,例:數位影音設備、數位照相機、數位樂器、數位隨身聽、數位錄音……等,而現存的廣播是用類比傳輸廣播技術,以我們所熟知的AM、FM為例,國內的廣播技術遭遇以下缺點:
1. 聲音品質低落
2. 射頻易受幹擾
3. 快速移動時不利接收
4. 發射功率影響廣播品質
5.副載波無法配合廣播電台提供資訊服務
所以有數位廣播的產生,數位音訊廣播﹝簡稱DAB﹞是一項新的廣播傳輸技術,同時也是一項有別於傳統所熟知的AM、FM的廣播技術,它可以透過衛星或地面發射站,以發射數位訊號來達到其廣播之目的,以其具有CD音質之傳輸技術,建構了第三代廣播新紀元,同時又能以數據訊號傳輸各項資訊,無疑是未來台灣廣播之新利器。
數位音訊廣播起源於德國,1980年德國開始發展研究數位音訊廣播,並在1985年於慕尼黑近郊進行數位音訊廣播之研究與實驗,到了1987年以德國、英國、法國、荷蘭、丹麥•••等國所組成的EUREKA聯盟,共同制定了DAB的規格,稱為Eureka-147。
交通部電信總局繼續推動數位電視技術與產業後,於民國87年底積極規劃數位音訊廣播服務,計劃於民國88年7月完成數位音訊廣播技術的評估研究,並選定傳輸標準,今年初開始進行相關工程測試與工程技術規範的研擬。新穎且先進的數位音訊廣播服務正式實施後,預估將為國內廣播媒體業、資訊服務業、接收機系統、半導體、液晶顯示器及相關零組件製造廠商帶來可觀的商機,並正式引導我國的廣播產業邁入數位化紀元。
一、
廣播技術的演進與革新:
20世紀即將結束,在邁入21世紀的同時,全球正在進行一場數位革命,資訊、通訊、以及娛樂均以內容豐富活潑的數位化形式呈現;因此,廣播服務若要保住聽眾甚或持續發展,它便必須與目前生活上不可或缺的電腦網際網路、行動電話、以及數位電視等,一同在技術與功能應用上相互競爭。同時傳統的類比廣播(AM調幅及FM調頻)在今日已被視為老舊技術,終將為其他消費性技術所超越,因此,廣播技術必須革新與現代化,以達到和CD及
DVD等數位音訊一樣的品質水準。換句話說,廣播技術及服務需要進行大變革,廣播必須成為一種多媒體服務,同時保持移動性及隨處可獲取資訊的途徑。
此外,音訊廣播一直是人們成長與生活的個人伙伴,所以它未來的發展應該要維持與今日類似的特色,也就是維持價格不昂貴、普遍性、短小輕便、以及操作簡易等;然而廣播科技也必須同時發展及革新,以滿足全球億萬廣播聽眾希望持續收聽廣播的生活方式,而不只依賴電視和電腦的資訊及娛樂生活,而且提供一種年輕化、具吸引力、現代化、以及合乎未來趨勢的傳播媒體。
因此,我們確信廣播服務將在資訊提供、教育訓練、以及休閒娛樂等各方面,持續扮演著重要的角色。在目前發展的各種數位廣播技術中(ITU的Eureka
147 DAB系統,美國的IBOC DSB系統,日本的BST OFDM系統,德、法、美三國各自發展的AM數位系統等),Eureka
147的DAB
數位音訊廣播系統被一致認為是一項卓越的發明,也是唯一能夠符合上述廣播需求的技術。DAB系統提供消費者在靜止、行動、以及快速行駛汽車狀況下的無干擾接收效果,更佳的廣播涵蓋範圍,更簡便的廣播服務選項,更多樣化的節目內容、編碼加值型服務、以及相關的文字/圖像/多媒體應用。
Eureka 147 DAB系統規格與標準已制訂完全,同時也由各獨立研究及驗證機構完成測試與評估,成為歐洲電信標準協會(ETSI)的正式標準,而且由於其開放式的架構標準,因此也由國際電信聯盟(ITU)建議為全球衛星與地面數位廣播的共通標準。
1. 早期的廣播技術(AM與FM)
調幅AM或被稱為中波廣播的技術,發明於第一次世界大戰剛結束後,1920年代是AM廣播發展趨於成熟的時期,直到第二次世界大戰期間,歐戰的即時新聞報導進一步促進廣播的發展,也因此使得收聽廣播資訊成為人們生活中不可或缺的一部份。
隨著電視在1930年代的出現,有部份的評論家認為〝聲音廣播的末日已到〞,然而,當時的收聽廣播不僅已成為生活重要的一部分,更成為人們無法捨棄的習慣。因此,音訊廣播非但沒有消失,更由於其輕便及可攜帶性而更加蓬勃發展;廣播業者因觀察到使用於電視的UHF頻段提供了較AM廣播更佳的音質,進而持續改良廣播技術,此項技術發展為1940年代FM
調頻廣播的發明拉開序幕,而一直到1950年代末期,FM
廣播才普遍透過VHF頻段而進行傳播。
事實上,收音機可隨身攜帶的便利性一直是比早期電視機佔優勢的地方;然而,輕便短小化的最大轉捩點則是矽晶片(早期電晶體)的問世,電晶體收音機在廣播技術演進過程中所代表的重要里程碑,便是可利用電池供電而增加其可攜性。
2. 當前的廣播技術
1980年代中期,廣播節目已大部分由AM轉移到FM,同時立體音響廣播也逐漸變得平淡無奇,以致激發了高傳真、身歷聲的音響產業大放異彩;此外,1980年代所推出的CD與數位音響科技,
一開始並未受到人們的青睞與重視,甚至被譏嘲將成為曇花一現的音訊科技,現在十幾年過去了,CD非但已完全取代了傳統唱片,更促使人們進一步要求更佳的音質表現;然而,廣播業者卻仍然在傳送著已有70年老舊的廣播技術;在1990年代,不僅出現了在個人電腦上進行數位音效取樣處理的技術,同時也誕生了由網際網路所提供的嶄新娛樂形式,這證明人類會永遠不厭倦地追求更豐富的娛樂與更簡便的生活方式。
3. 未來的廣播技術
新一波的廣播科技革命即將展開,因為新一代的聽眾追求的是數位音質、多媒體資訊的易取性、以及與傳統收音機一樣的可攜性;為了提供優越的廣播音質,並克服訊號傳播過程中的多重路徑衰落與都卜勒頻移等嚴重問題,各先進國家早在1980年便開始研究數位廣播的技術,而DAB便是由歐盟以Eureka
147專案架構所共同研發的新一代數位廣播系統,其中EUREKA
是歐盟的一項技術發展專案計劃名稱,其成立的目的是為了促進現代電信科技的發展,在歐洲廣播聯盟(EBU)與歐洲電信標準協會(ETSI)的合力推動下,DAB新系統的規格標準已被確認及接受,並成為正式的ETS
300 401 標準,而1995年的試播活動則正式開啟了音訊廣播的數位紀元。數位廣播是一項新科技,它即將取代現有的FM、AM成為新一代的廣播系統,但為了滿足現代人對高科技的需求,數位廣播不但有強大的功能,如CD音質、寬頻的傳輸等,其接收機也要有呼應數位廣播系統的強大功能才行,他的功能可如同一台小型電腦般的強大,如內建微電腦控制晶片,大量記憶體,可供存取更多資料,及液晶顯示器,或者是內建辭庫,可隨時查字典,當成翻譯機來使用這都是未來日常生活都會運用到的。
DAB有時也被稱為〝數據與音訊〞廣播(Data
and Audio Broadcasting),它利用了創新的數位訊號處理技術,進行第三代廣播系統的頻道編碼與調變(COFDM:編碼正交頻率分工調變)以及音訊壓縮處理(ISO/MPEG
Layer II)。
預料在不久的將來,DAB將遠超過單純的廣播收音功能;只要一片輕
薄的個人電腦或筆記型電腦附加插卡,每個人都將因能不定點並輕易
地利用它來接收如股匯市指數、氣象報告、旅館預訂名單、航空班次、
環境資訊、新聞、路況、緊急訊息、網際網路資料等數據而獲益;此
外,應用軟體、電子地圖、電子報紙也可藉由DAB而進行下載。
二、 數位廣播的技術與發展
到目前為止,CD所展現的清亮聲音已是一般家用及汽車音響的音質標準,而一般的汽車收音機對於AM及FM等類比廣播常會發生雜訊、失真、甚或完全無法接收訊號等干擾現象,其造成的原因乃由於廣播訊號在傳播路徑中受到遮蔽與反射的衰減,以及移動的都卜勒頻移效應,所導致的音訊失真,這是因為安裝在汽車中的超短波接收器必須在場強度變化不定、多路徑接收、以及障礙物反射等最不利的條件下工作;此外,FM/AM副載波所能傳輸小量數據資訊的先天限制,以及其短暫地干擾或中斷欣賞音樂的樂趣,在在都是FM/AM類比廣播技術原理所無法突破的技術障礙,因此數位化的音訊廣播將會是未來汽車音響的新標準。
數位廣播採用的工作方式為同一電台以同樣的頻率發射數個經過數位化的節目訊號,DAB接收機會快速的分析接收到的訊號,消除掉部分受干擾的錯誤數據,再將經過修正後的數位訊號轉換並還原回類比的音響訊號,因此DAB數位音訊廣播為音質、接收方式、節目內容、以及邏輯式節目選單樹立了新一代的廣播標準。
1. EU-147 DAB
數位音訊廣播的沿革
* 1986年開始DAB 系統研發專案
* 第一階段:DAB
系統研究與發展四年計劃(1987-1991)
*
參與計劃開發的國家:德國、法國、荷蘭、英國
* 第二階段:(1992-1994)歐洲次微米矽晶元件聯合研發計劃JESSI
(Joint European Sub-micron Silicon Initiative)整合了DAB系統的積體電路科技、材料與設備、以及科技應用專案等研發領域,並完成DAB
獨立系統規格的發展,其相關專案計劃如下:
AE-14 專案:Eureka 147 DAB
系統的關鍵元件開發計劃
AE-89 專案:量產用消費性DAB
接收機的積體電路組件開發與附
加數據服務架構及加強發射台功能計劃
AC-5 專案:DAB 系統微電子元件的EMC電磁相容性設計發展計
劃
• 1992年完成Eureka-147 DAB
的所有系統參數之定義
• 1992年世界無線電管理會議(WARC-92)決定全球DAB的頻段分配
• 1993年完成ETSI標準化及DAB接收機架構與特性敘述
• 1995年歐洲DAB論壇(Euro DAB)組織成立
• 1995年英國BBC電台開始全球的DAB試播
• 1997年DAB接收機在柏林國際消費性電子展覽會首度正式公開
• 1997年歐洲DAB論壇(Euro DAB)更名為世界DAB論壇(World
DAB)並積極成立特別小組推動DAB數位音訊廣播的相關工作:
第一特別小組:服務業務與廣播收發設備
第二特別小組:廣播規範與監管
第三特別小組:廣播市場與地方區域的推廣
第四特別小組:DAB 衛星廣播系統
2. DAB開發定義與技術要求
• 高品質數位傳輸方法
(1) 高音質、窄頻寬的無誤碼訊號傳輸
(2) 簡單且可多重使用的廣播頻道
(3)
未來可升級至攜載多頻道環繞音響或隨選數據傳據傳輸的彈性
(4) 可持續滿足未來50年以上的廣播系統
•
無需特殊天線即可在各種動、靜態狀況下有效接收資訊
• 廣播傳送的容量與能力
(1) 適合部份區域與全區的各種服務需求
(2)
全國至少能提供六個立體聲節目,以及其他的地方性節目
• 具有足夠傳輸其他資訊的能力
(1) 高性能數據傳輸頻道
(2) 動態音域控制系統
3. DAB廣播的先進核心技術
DAB是一種多功能服務的廣播系統,可使用於地面廣播、衛星直播、衛星-地面混合廣播、以及有線廣播網路等,也是目前世界上唯一能夠完全符合國際電信聯盟(ITU)嚴格訂定的廣播規範(BS
1114及BO 1130)。到底是什麼樣的廣播技術,使DAB能掀起新一波的廣播革命,並使之成為第三代廣播技術呢?
相對於類比的AM與FM訊號只能以每個頻率載送單一廣播節目,DAB訊號卻可同時傳送多組服務,因為一組DAB傳送訊號通常定義為一組〝DAB綜效群(Ensemble)〞,而它可同時載送數個音訊及(或)多媒體服務的多工電訊(MULTIPLEX)。
DAB綜效群在1.536 MHz的頻寬上載送著多工後的數位式服務資訊,每個DAB綜效群的總傳輸位元率為每秒2.3百萬位元(2.3Mbit/s),但實際有用的位元率則會依誤碼保護要求的不同而改變(典型的位元率為1.2
Mbit /s),其中在多工電訊中的每項資訊服務分別獨立地以迴旋編碼(Convolutional
code)防止傳輸誤差。
一組DAB綜效群內可載送單聲通、立體聲道廣播訊號,同時也可以傳送數據資料;其中,廣播音質則取決於一組綜效群內的節目及資訊服務內容的數量,當額外增加一個音訊廣播節目時,原本在播放中的數個節目裡可能會有一個或多個節目必須依實際需要而調整其聲音品質,以便能容納新增的節目資訊,一組綜效群內所載送的節目數量與其容量甚至可以隨播放的時段而異,以便提供廣播業者及資訊服務業者可以彈性運用其分配的廣播資訊容量。
在DAB進行音訊廣播傳送之前,聲音訊號的各處理步驟如下:
(1)
各個獨立的音頻資訊節目輸入到訊源編碼器(Source
encoder),以 進行訊號數位化,並利用MPEG(Ⅰ,Ⅱ)的壓縮格式進行音訊壓縮。
(2)各訊源編碼器分階串接在一個WG1/WG2介面上,最多可連接16部
訊源編碼器,然後傳送資料到綜效群多工混乘器(Ensemble
ltiplexer)。
(3)綜效群多工器將產生出位元率為2048 Bit/s的時域多工(TDM-Time
Domain Multiplexed)串列位元流,由24、48或96毫秒(ms)的傳輸訊框
(Frame)所組成。
(4)即時控制通道(FIC-Fast Information channel)的資料附加到串列位元流中,以便讓DAB接收機能從綜效群訊號中譯解出所要欣賞的特定節目內容。
(5)
綜效群多工器的輸出,透過與傳輸網路系統無關(NI-Network
Independent)或相關(NA-Network Adapted)的綜效群傳送介面(ETI-Ensemble
Transport Interface),饋送到編碼正交分頻多工(COFDM)調變器。
(6) COFDM調變器在音訊中加入必要的誤碼補正,防誤保護區間(Guard
interval),以及發射台識別等資料。
(7) 將音訊進行快速傅利葉轉換(FFT-Fast Fourier
Transform),並產生 數位I/Q符元(symbol)編碼;編碼後的資料傳送到一個高速的數位
轉類比變換器(DAC),以產生類比的中頻(IF)調變訊號。
(8)
類比的中頻訊號再升頻到節目所分配的傳輸頻率,並經由訊號放大器提供到廣播所需的功率位準。
整個DAB傳輸訊號處理與編碼的程序如下圖所示:
圖一、DAB數位廣播系統的訊號產生流程
由上述的DAB訊號處理過程而言,其功能之所以凌駕於類比廣播的原因,即在於兩項數位核心技術:
• MPEG-1第二層(Layer II)編碼技術Masking
pattern adapted Universal Sub-band Integrated Coding And
Multiplexing
DAB系統採用MPEG-1 Layer II音訊壓縮演算法進行數位音訊傳輸編碼,MPEG-1
Layer II是一種根據人耳對不同頻率訊號的敏感度差異,以心理聲學(Psycho
acoustic)模型理論,來加強聽覺效果與傳送效率的低位元率次波段編碼系統;簡單說,此一編碼技巧是將部分被鄰近較高音量所遮蓋,且人耳因此無法聽辨出來的聲音資料捨棄掉,以便減少傳輸資料;利用MPEG-1
Layer II的編碼方式,1.4 Mbit/s的音訊位元串流(數位錄音室音質)可以降低到222
kbit/s的低位元率,但卻仍舊保有與CD相當的音質。
• COFDM編碼調變技術
AB系統所採用的數位調變技術為編碼正交分頻多工(COFDM)方式,COFDM訊號的產生方式是將輸入位元串流切割成為數極多的低位元率位元串流,其中的每個低位元率串流再用來調變各獨立的正交頻率載波。為了達到頻率正交性的目的,與載波頻率間隔成正比例的符元期間(Symbol
duration)必須隨時選定,然後DAB系統中的每一個載波再以差動四相位鍵移(Differential
QPSK)方式進行調變,其中在VHF/BandⅢ(波段Ⅲ)廣播傳輸中(225
MHz),一組DAB系統的COFDM符元共由1536組正交調變載波所組成。因為所選定的符元期間比一般傳輸通道的延遲展開時間還長,以及在連續的符元間插進一段時間保護間隔(符元期間總長度的五分之一),因此DAB系統中的COFDM訊號並不會受到多重路徑傳播的影響與干擾。COFDM技術使得廣播網路中的所有發射台在同一時間,能以相同的頻率同步地發送相同的資訊,因此使得共用同一個無線電頻率的單一頻率廣播網路(SFN-Single
Frequency Network)得以實現,其訊號傳輸的網路架構如﹙圖二﹚所示。
圖二、DAB訊號傳輸的網路架構
4. DAB廣播系統較現有類比廣播的優勢
(1) 聽眾方面所能獲得的好處:
•
能以普通的簡易天線,在汽車或行動音響中穩定地接收到如CD般優越的音質。
• 不會有訊號衰落(Fading) 現象
• 不會有多重路徑傳播所引起的干擾現象
• 更人性化的操作方式-無需利用頻率選台
• 更豐富的節目附加資訊
• 其餘的附加價值資訊(旅遊與交通資訊、緊急資訊、電子信箱、傳呼、電子報紙、商業廣告資訊、導航與車輛定位資訊……等)
(2)
廣播業者方面所能獲得的潛在利益
• 與CD等音訊儲存媒介同等的品質
• 全區單一頻道廣播網路的建構
• 更多的廣播節目容量
• 更多樣性的節目與資訊內容
• 低功率耗損
5. DAB廣播目前發展的狀況
為了發展21世紀的無線廣播新科技而設立的Eureka
147研發專案迄今剛過十餘年,然而第三代廣播科技-DAB已逐漸在全世界各國造成風潮。非官方組識的世界DAB論壇(World
DAB)承襲了歐洲DAB論壇(Euro DAB)的任務後,共納入了將近30個國家、超過100家廣播相關產業的代表,其目標是推廣Eureka
147 DAB數位廣播系統,調和廣播規範,以及協調各國數位廣播業務的施行,同時也將Eureka
147卓越的科技成就轉換為成功的商業市場,並延續廣播服務的經濟及社會貢獻。
在World DAB的積極推動之下,目前全球已有超過一億五千萬的聽眾,可以接收到超過280種不同的DAB數位廣播節目,同時消費性的商用DAB接收機也將陸續在去年(1999年)中以合理的價位問市。目前所有的歐洲國家與加拿大都已開播或正在試播DAB節目,而中國大陸、新加坡、印度、韓國、墨西哥等國也在進行試驗及各項規劃工作,至於澳洲政府也剛接受Eureka
147系統標準,並計劃於2001年1月開始播放數位廣播業務。
當前還有幾項Eureka 147系統的改善計劃建議案,已獲得Eureka
147協會的一致同意並正進行中:
(1) 新增的傳輸模式(傳輸模式Ⅳ),以便在L
頻段的單頻網路(SFN)廣播中,可以獲得DAB訊號的最理想傳播狀況;這種新傳輸模式可以更有效地增加較傳輸模式Ⅱ中單頻網路所容許發射台距離的限制,由於現存FM及TV網路基礎建設中的發射台,通常可再使用為DAB廣播發射台,因此可使得L頻段的廣播網路架構更加經濟。
(2)
音訊取樣率減半,甚至發展至很低的音訊位元率(8,16,24
kbit/s)。這種低位元率傳輸技術可以讓廣播業者利用極低的位元率進行系統訊號傳輸,因而增加多工混乘訊號中的音訊節目數量。
(3) Eureka 147系統介面的定義。DAB標準有兩個相關介面的定義對廣播業表者極為重要,一為綜效群傳輸介面(ETI),此一標準可以讓DAB多工電訊利用2
Mbit/s通道傳輸;另一則稱為節目傳輸介面(Service
Transport Interface);此外,稱為接收器數據介面(RDI-Receiver
Data Interface Transport Interface);此外,稱為接收機數據介面(RDI-Receiver
Interface)的接收機統一介面也已規格化,以便各種不同應用的解碼器、電腦、列印機、以及其他外接式存取終端設備進行控制與連接。
此外,為了調整某些重要的節目內容及服務功能,例如,條件式存取(Conditional
Access)功能、節目名稱識別功能、數據服務的內容型態、節目鏈結、時間與國家識別、節目型態與訊息公告方式等,ETSI的DAB相關標準及規範也持續的改進以因應未來數位廣播的應用要求。
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