空中到處是密集的無線電波。地方性AM和FM電臺依然是各年齡階層人群的主要選擇，早上堵車時你會打開廣播，傍晚散步時你也會帶上耳機收聽。Sirius和XM衛星廣播業務也在不斷高漲，現在其用戶總數剛好超過1，000萬。盡管用的人很少，互聯網廣播還是在拼命地打廣告。另外，播客也算是另一種形式的廣播吧？
現在，又有一種廣播技術加入到這個群體了。這就是HD Radio，雖然免不了有一些困難，這個出現在美國的數字地面廣播服務已經發展了好幾年了。隨著現在全美國已經有數百個HD Radio無線電臺開始提供音頻服務，以往那些雞跟蛋的問題再也不會出現了。
你一定認為具有免費高清晰度節目的HD Radio會深受用戶青睞。但是這種廣播最終獲得認可卻花了很長時間。即便是現在，也只有少數用戶知道它的存在。就像衛星廣播那樣，HD Radio也需要一定的時間來獲得大家的認可和采用。
HD Radio到底是什么？
HD Radio是一種數字廣播技術，但是又和衛星廣播有所不同。衛星廣播是直接從工作在2.3GHz頻率范圍的衛星上接收信號，而HD Radio的工作頻率則和當前分配給AM和FM電臺的頻率是一樣的。
利用正交頻分復用(OFDM)數字技術，HD Radio將新的數字信號放置于現有AM和FM邊帶中的任一個之上。在AM波段上(頻率為530到1705kHz)，常用的模式是同時聯播，即將同一個節目以模擬和數字兩種格式進行發射。以前的廣播將忽略數字內容，而數字廣播則會接收數字信號。
同時聯播也是FM波段(頻率為88到108 MHz)的初始工作模式。一臺HD接收裝置將接收常規的模擬信號和獨立的數字信號。FM HD Radio電臺還具有多播能力。可以分割其數字OFDM載波，并能產生多達8個的附加廣播信道。從本質上講，HD Radio讓你以最小的成本獲取多個額外的電臺。此外，HD Radio也可以像衛星廣播那樣提供多種節目。但令人驚訝的是，它卻不需要新的頻譜。這將有可能成為一個電臺的新的廣告收入來源，盡管其最初的多播服務是免費的。附加的內容將以更清晰的音樂和談話節目吸引新的聽眾。
HD Radio將數字技術的優勢帶入了無線電廣播。命名為高音質意味著其音頻響應遠遠大于一般AM廣播的5kHz帶寬和FM廣播的15kHz帶寬。現在，頻率響應得到改進的AM HD Radio聽起來更像是FM廣播，而FM廣播就差不多有CD音質了。
數字技術極大地降低了噪音，并且減輕了由多通道引起的信號衰退以及車載廣播中經常會有的其它影響。其總體質量遠遠好于現在的電臺提供的廣播質量。而更重要的是這一切都是免費的，你只需要購買一臺接收裝置就夠了。
它是如何工作的？
HD Radio真正的創新之處在于它能夠使用目前分配給模擬信號的同一頻譜來發射額外的數字信號。這和在歐洲、加拿大、亞洲和大多數世界其它地方已經開通了好幾年的數字廣播是不同的。
這一被稱為數字音頻廣播(DAB)的系統在174到240MHz VHF和1450到1490MHz這兩個不同的范圍內采用彼此獨立的頻譜。這種頻譜在美國還未提供，但是有一個叫做iBiquity Digital的公司開發了HD Radio來解決美國境內的頻譜問題。
iBiquity的這個系統最初被稱為“帶內同頻”(IBOC)系統，開發于1991年，在2002年獲得了美國聯邦通信通信委員會的官方認可。該公司聯合一些廣播設備生產商，花了好幾年的時間，終于研制成功了發射器并推進了接收器的發展。
現在我們進入了關鍵性的階段。在美國有600多家電臺采用HD格式廣播。Kenwood、松下、夏普以及其它一些公司已經開始提供為汽車提供車用接收裝置配件，而家用的桌上接收裝置也將出現。HD Radio還有了高端的立體聲接收器。為了不被勝過，以BMW為首的汽車制造商正開始將HD接收裝置加入其標準產品中。
圖1闡明了HD Radio的概念。它有兩種基本的工作模式：混合模式和全數字模式。混合模式運作就是模擬和數字信息同時發射。大多數廣播(至少在開始的時候)都會采用同時聯播的方式，相同的內容通過信號中的模擬和數字部分同時發射出去。這種模式確保了舊式的模擬廣播和較新的HD模式廣播可以全面兼容。最終，HD Radio將會發展成為全數字模式。
數字內容主要有音樂或談話節目，但是HD系統還可以發射其它的數字信息，例如電臺識別、播放中的歌曲和藝術家以及節目的名稱。
大多數電臺都將會提供一個數字節目向導。另外，每個電臺還能發射其它可能對當地群眾有幫助的數字信息，例如天氣或交通信息，這些信息有可能是照片或者視頻。信息會在接收器的LCD顯示器上自動滾動顯示。
這個系統如何運行呢？首先，音頻內容由iBiquity的編解碼器進行數字化并壓縮，以降低總的比特律和所需傳輸帶寬。然后，該信號與其它待發射數字數據一起被多路傳輸。
復合信號完成了整個附加編碼過程，包括加擾、前向糾錯(FEC)編碼和交錯。加擾過程將打亂或者說“漂白”數據，以防止產生0或1的長字符串。FEC編碼，即Viterbi收縮卷積編碼(Viterbi punctured convolutional encoding)，增加了在噪音和衰退情況下信號的可靠性。交錯則提供了時間和頻率的多樣性，從而有助于改善在信號損失情況下對信號的接收。
該步驟之后，成型的復合數字信息包被送往進行OFDM映射和生成。最后，該信號和標準模擬信號一起被發射出去。出現在頻譜上的數字信息位于常規模擬邊帶值上下。
圖2顯示了用于AM和FM的混合格式。留意FCC頻譜模板。在AM信號中，正常模擬信號顯示的邊帶與載波頻率偏差為±5kHz。一共有兩套數字通道。主通道頻率范圍為10到15kHz，圍繞載波頻率值上下浮動。副通道頻率范圍為5到10kHz，圍繞載波頻率值上下浮動。
同樣，第三邊帶的范圍在模擬載波以下±5kHz，或者與之相差四分之一個周期。總共有81個OFDM載波，間隔為181.7Hz。主載波采用6?QAM(正交振幅復用)方式，而副載波則采用16QAM。第三邊帶載波則采用正交相移鍵控(QPSK)。當最終音頻帶寬為大約8 kHz時，數字音頻的位數據流為36kHz。
FM頻譜則更復雜一點。如圖2所示，帶多個FM邊帶的模擬信號的頻率約為130 kHz，該值圍繞載波頻率值上下浮動。包含在OFDM載波中的數字數據的工作頻率為130到200kHz，圍繞模擬邊帶的頻率值上下浮動。上下兩個數字頻譜各包含了10個分區，每個分區有18個副載波。對這些載波的利用取決于所提供服務的類型。也有用于全數字AM和FM模式的頻譜圖，它們與此處所描述的混合模式頻譜圖有所不同。這些未來可能出現的格式可以在iBiquity和NRSC的文獻資料中看到。
目前大部分廣播(約80%)都屬于FM廣播，而HD Radio將對這個領域產生深遠的影響。在頻率更高時，可用帶寬就更大，也就可以實現更高的數字速率。而AM廣播在長傳輸距離情況下有一個鄰近信道干擾問題。
FM傳輸通常限制在大約100英里的視線范圍內，這一點極大地減小了干擾問題。它還允許頻率以足夠的間隔在全國范圍內被重新利用。AM在白天是通過短距離地面波來傳播，因此干擾是最小的。但是在晚上，電離層的改變使得天波折射信號普遍用于長距離傳播。晚上禁止AM HD Radio則可以解決這個問題。
如何設計HD Radio？
如果要設計一個HD Radio，你必須首先和iBiquity公司取得聯系以獲得許可信息。
IBiquity公司擁有該技術的專利，并授權給發射器和接收器的生產商。它還有完整的測試和認證程序，用來確保符合NRSC-5A標準。這個標準由國家無線電系統委員會提供，該委員會是由美國全國廣播工作者協會(NAB)和消費電子協會(CEA)共同組成的。
雖然HD Radio技術十分復雜，但是有了現在的IC技術，制作一個HD Radio也相對容易了(圖3)。你需要一個前端或者調諧器將AM和FM信號轉換成中頻(IF)，一個模數轉換器(ADC)將IF數字化，以及一個DSP芯片來處理所有剩下的廣播功能。然后，數模轉換器(DAC)會驅動立體聲功率放大器。另外還需要一個內置的嵌入式控制器來運行各項功能，包括調諧功能和LCD顯示。
現在有多種前端調諧器可供選擇。例如，Atmel的T4260 biCMOS芯片就被iBiquity認證為可以用于AM/FM車用或家用桌上廣播。它擁有兩個RF路徑，一個用于AM，另一個用于FM。從天線獲得的信號會輸到混頻器中，這個混頻器將AM波段向上轉化成一個范圍在10到25MHz的IF。一般情況下，它最終會設置為流行的10.7MHz，這樣就有很多陶瓷IF濾波器可供選擇。在FM路徑下，信號被向下轉化到10.7MHz。
一個鎖相環(PLL)合成器為兩個混頻器提供局部振蕩器信號。AM的增量調諧為1kHz，而FM的增量調諧則為12.5/25/50kHz。也提供用于AM和FM的獨立快速自動增益控制(AGC)塊。增益可以通過內部DAC來改變，RF電路的增量為1dB，而IF電路則是2dB。另外還包括了一個用于調諧和控制的三線串行總線。
Philips半導體的TEF6721HL和Atmel的芯片相似，但是它也包括了31m、41m和49m的短波波段和VHF FM天氣波段。一個I2C串行接口用于調諧和控制。這兩種IC都要求必需的天線、阻抗匹配和其它的前端組件。
Alps Electric的TDGA2全集成屏蔽調諧器是針對AM和FM波段中的IBOC信號而設計的。輸出為10.7MHz。提供一個I2C總線用來進行調諧和增益控制及其它控制。來自調諧器的IF信號接著必須在ADC中被數字化。Texas Instruments的AFEDRI8201是廣受好評的電路之一。它將10.7MHz IF信號傳送給一個可編程增益放大器，然后傳送給ADC。這個12 位的轉換器以80 Msamples/s的速率對IF信號采樣，并給外部DSP芯片提供接口。8201還包括了一個控制調諧器中AGC的DAC。
DSP執行所有的解壓縮、解交錯、解碼和解調功能。作為用于HD收音機的DSP芯片的主要供應商，TI在其TMS320DRI300/350基帶芯片上編入了所有iBiquity授權HD Radio軟件。它們可以執行所有AM和FM的功能，并能夠進行音頻后處理，同時還支持MP3和Windows Media Audio（WMA）。它們還有用于外部嵌入式控制器、啟動EEPROM或閃存以及解交錯DRAM的接口。輸出是針對可兼容DAC而設計的。 盡管TI是目前用于HD的DSP的主要供應商，Philips也在芯片上占有一定的份額。SAF3550 HD Radio數字基帶處理芯片利用了一個帶有片上高速緩存的強大的ARM946處理核。還包括了可編程基帶輸入及音頻輸出采樣率轉換器，能夠和之前提到的TEF6721HL調諧器兼容。
Philips的SAF7730是一款靈活的帶有音頻DSP的雙IF接收裝置。它為汽車收音機應用而設計，在一塊芯片上集成了大部分接收裝置。它的可編程性使得設計者們可以產生不同設計。來自DSP的數字輸出通常會傳入由多個來源提供的外部DAC中。DAC會驅動立體聲功率放大器，這些功率放大器一般是用于汽車應用的AB類線性放大器或者D類開關放大器。而這個產品的最后一個組成部分則是一個用于交流操作單元的電源或者一個用于汽車電池工作的電源管理芯片。
HD Radio進行測試時需要一個激勵器，這個激勵器可以從發射器生產商Broadcast Electronics或Harris公司處獲得。iBiquity也會提供有關于其測試和認證程序的信息。
這些接收裝置面臨的一個主要問題是由DSP和嵌入式處理器引起的電磁干擾(EMI)問題。為了減少敏感的RF接受器電路受到的干擾，以及滿足FCC的B類輻射測試，大多生產商不得不花費時間來設計能將EMI干擾最小化的電路板布局。雖然過濾可消除大部分干擾，但是在有些情況下還是需要屏蔽保護。
迄今為止，iBiquity已經認可了Radiosophy公司的MultiStream HD桌上廣播接收器。這一產品采用了Alps的調諧器和TI的芯片。FM的信噪比是78dB，而AM的信噪比則為50dB。MultiStream的多播能力讓使用者可以從FM信號中選擇多個數據流。AM和FM天線是內置式的，也可以和外部天線進行連接。聲音來自于帶有4V揚聲器的雙通道8W放大器。128*6?像素帶背光LCD顯示器可以顯示HD標準中規定的時間、頻率和滾動信息。
它的其它有趣特點包括一個立體聲耳機迷你插口和一個USB端口，可以通過互聯網和計算機將軟件升級上載到DSP中。它還集成了RCA拾音插座輸出，這個輸出采用的是Sony/Philips數字接口(S/PDIF)數字格式。一個S/PDIF Toslink光學輸出插口將數字音頻直接發送到一個帶有更大揚聲器的外部立體聲放大器中。
HD Radio的未來
HD Radio已經問世了。遺憾的是只有很少的一批人擁有這種接收裝置，而更多的人甚至還從未聽說過它，盡管現在大部分地方的電臺里都已經有了這種設備。
正是認識到了這一現象，一些主要的廣播公司已經聯合起來組成了HD數字廣播聯盟。這個組織致力于宣傳HD Radio，并竭力勸說汽車制造商在其標準汽車無線電接收裝置上增加HD服務。而隨著更多的家用接收裝置正在普及中，使用者將很快可以嘗試多種新的節目和服務了。
HD Radio從誕生之日起，就以改善廣播音頻質量和接收可靠性為目的，而現在這個目的已經達到了。但是隨著新的多播能力(我們稱為HD2)出現，電臺也增加了許多新的表演和節目，比如專門的音樂頻道和脫口秀。
一旦這幾方面都到位了，HD Radio將會和衛星廣播進行盈利競爭。HD不會取代衛星廣播，因為衛星廣播畢竟有數百個節目頻道。但是它將提供更多的本地節目選擇，卻只需負擔一部新接收裝置的價錢。我們相信一旦高音質這個詞被眾人所了解，而且接收裝置的價格也可以為大眾所負擔得起，那么HD Radio的前景將一片光明。 |
