空中到处是密集的无线电波。地方性AM和FM电台依然是各年龄阶层人群的主要选择，早上堵车时你会打开广播，傍晚散步时你也会带上耳机收听。Sirius和XM卫星广播业务也在不断高涨，现在其用户总数刚好超过1，000万。尽管用的人很少，互联网广播还是在拼命地打广告。另外，播客也算是另一种形式的广播吧？

现在，又有一种广播技术加入到这个群体了。这就是HD Radio，虽然免不了有一些困难，这个出现在美国的数字地面广播服务已经发展了好几年了。随着现在全美国已经有数百个HD Radio无线电台开始提供音频服务，以往那些鸡跟蛋的问题再也不会出现了。

你一定认为具有免费高清晰度节目的HD Radio会深受用户青睐。但是这种广播最终获得认可却花了很长时间。即便是现在，也只有少数用户知道它的存在。就像卫星广播那样，HD Radio也需要一定的时间来获得大家的认可和采用。

HD Radio到底是什么？

HD Radio是一种数字广播技术，但是又和卫星广播有所不同。卫星广播是直接从工作在2.3GHz频率范围的卫星上接收信号，而HD Radio的工作频率则和当前分配给AM和FM电台的频率是一样的。

利用正交频分复用(OFDM)数字技术，HD Radio将新的数字信号放置于现有AM和FM边带中的任一个之上。在AM波段上(频率为530到1705kHz)，常用的模式是同时联播，即将同一个节目以模拟和数字两种格式进行发射。以前的广播将忽略数字内容，而数字广播则会接收数字信号。

同时联播也是FM波段(频率为88到108 MHz)的初始工作模式。一台HD接收装置将接收常规的模拟信号和独立的数字信号。FM HD Radio电台还具有多播能力。可以分割其数字OFDM载波，并能产生多达8个的附加广播信道。从本质上讲，HD Radio让你以最小的成本获取多个额外的电台。此外，HD Radio也可以像卫星广播那样提供多种节目。但令人惊讶的是，它却不需要新的频谱。这将有可能成为一个电台的新的广告收入来源，尽管其最初的多播服务是免费的。附加的内容将以更清晰的音乐和谈话节目吸引新的听众。

HD Radio将数字技术的优势带入了无线电广播。命名为高音质意味着其音频响应远远大于一般AM广播的5kHz带宽和FM广播的15kHz带宽。现在，频率响应得到改进的AM HD Radio听起来更像是FM广播，而FM广播就差不多有CD音质了。

数字技术极大地降低了噪音，并且减轻了由多通道引起的信号衰退以及车载广播中经常会有的其它影响。其总体质量远远好于现在的电台提供的广播质量。而更重要的是这一切都是免费的，你只需要购买一台接收装置就够了。

它是如何工作的？

HD Radio真正的创新之处在于它能够使用目前分配给模拟信号的同一频谱来发射额外的数字信号。这和在欧洲、加拿大、亚洲和大多数世界其它地方已经开通了好几年的数字广播是不同的。

这一被称为数字音频广播(DAB)的系统在174到240MHz VHF和1450到1490MHz这两个不同的范围内采用彼此独立的频谱。这种频谱在美国还未提供，但是有一个叫做iBiquity Digital的公司开发了HD Radio来解决美国境内的频谱问题。

iBiquity的这个系统最初被称为“带内同频”(IBOC)系统，开发于1991年，在2002年获得了美国联邦通信通信委员会的官方认可。该公司联合一些广播设备生产商，花了好几年的时间，终于研制成功了发射器并推进了接收器的发展。

现在我们进入了关键性的阶段。在美国有600多家电台采用HD格式广播。Kenwood、松下、夏普以及其它一些公司已经开始提供为汽车提供车用接收装置配件，而家用的桌上接收装置也将出现。HD Radio还有了高端的立体声接收器。为了不被胜过，以BMW为首的汽车制造商正开始将HD接收装置加入其标准产品中。

图1阐明了HD Radio的概念。它有两种基本的工作模式：混合模式和全数字模式。混合模式运作就是模拟和数字信息同时发射。大多数广播(至少在开始的时候)都会采用同时联播的方式，相同的内容通过信号中的模拟和数字部分同时发射出去。这种模式确保了旧式的模拟广播和较新的HD模式广播可以全面兼容。最终，HD Radio将会发展成为全数字模式。

数字内容主要有音乐或谈话节目，但是HD系统还可以发射其它的数字信息，例如电台识别、播放中的歌曲和艺术家以及节目的名称。

大多数电台都将会提供一个数字节目向导。另外，每个电台还能发射其它可能对当地群众有帮助的数字信息，例如天气或交通信息，这些信息有可能是照片或者视频。信息会在接收器的LCD显示器上自动滚动显示。

这个系统如何运行呢？首先，音频内容由iBiquity的编解码器进行数字化并压缩，以降低总的比特律和所需传输带宽。然后，该信号与其它待发射数字数据一起被多路传输。

复合信号完成了整个附加编码过程，包括加扰、前向纠错(FEC)编码和交错。加扰过程将打乱或者说“漂白”数据，以防止产生0或1的长字符串。FEC编码，即Viterbi收缩卷积编码(Viterbi punctured convolutional encoding)，增加了在噪音和衰退情况下信号的可靠性。交错则提供了时间和频率的多样性，从而有助于改善在信号损失情况下对信号的接收。

该步骤之后，成型的复合数字信息包被送往进行OFDM映射和生成。最后，该信号和标准模拟信号一起被发射出去。出现在频谱上的数字信息位于常规模拟边带值上下。

图2显示了用于AM和FM的混合格式。留意FCC频谱模板。在AM信号中，正常模拟信号显示的边带与载波频率偏差为±5kHz。一共有两套数字通道。主通道频率范围为10到15kHz，围绕载波频率值上下浮动。副通道频率范围为5到10kHz，围绕载波频率值上下浮动。

同样，第三边带的范围在模拟载波以下±5kHz，或者与之相差四分之一个周期。总共有81个OFDM载波，间隔为181.7Hz。主载波采用6?QAM(正交振幅复用)方式，而副载波则采用16QAM。第三边带载波则采用正交相移键控(QPSK)。当最终音频带宽为大约8 kHz时，数字音频的位数据流为36kHz。

FM频谱则更复杂一点。如图2所示，带多个FM边带的模拟信号的频率约为130 kHz，该值围绕载波频率值上下浮动。包含在OFDM载波中的数字数据的工作频率为130到200kHz，围绕模拟边带的频率值上下浮动。上下两个数字频谱各包含了10个分区，每个分区有18个副载波。对这些载波的利用取决于所提供服务的类型。也有用于全数字AM和FM模式的频谱图，它们与此处所描述的混合模式频谱图有所不同。这些未来可能出现的格式可以在iBiquity和NRSC的文献资料中看到。

目前大部分广播(约80%)都属于FM广播，而HD Radio将对这个领域产生深远的影响。在频率更高时，可用带宽就更大，也就可以实现更高的数字速率。而AM广播在长传输距离情况下有一个邻近信道干扰问题。

FM传输通常限制在大约100英里的视线范围内，这一点极大地减小了干扰问题。它还允许频率以足够的间隔在全国范围内被重新利用。AM在白天是通过短距离地面波来传播，因此干扰是最小的。但是在晚上，电离层的改变使得天波折射信号普遍用于长距离传播。晚上禁止AM HD Radio则可以解决这个问题。

如何设计HD Radio？

如果要设计一个HD Radio，你必须首先和iBiquity公司取得联系以获得许可信息。

IBiquity公司拥有该技术的专利，并授权给发射器和接收器的生产商。它还有完整的测试和认证程序，用来确保符合NRSC-5A标准。这个标准由国家无线电系统委员会提供，该委员会是由美国全国广播工作者协会(NAB)和消费电子协会(CEA)共同组成的。

虽然HD Radio技术十分复杂，但是有了现在的IC技术，制作一个HD Radio也相对容易了(图3)。你需要一个前端或者调谐器将AM和FM信号转换成中频(IF)，一个模数转换器(ADC)将IF数字化，以及一个DSP芯片来处理所有剩下的广播功能。然后，数模转换器(DAC)会驱动立体声功率放大器。另外还需要一个内置的嵌入式控制器来运行各项功能，包括调谐功能和LCD显示。

现在有多种前端调谐器可供选择。例如，Atmel的T4260 biCMOS芯片就被iBiquity认证为可以用于AM/FM车用或家用桌上广播。它拥有两个RF路径，一个用于AM，另一个用于FM。从天线获得的信号会输到混频器中，这个混频器将AM波段向上转化成一个范围在10到25MHz的IF。一般情况下，它最终会设置为流行的10.7MHz，这样就有很多陶瓷IF滤波器可供选择。在FM路径下，信号被向下转化到10.7MHz。

一个锁相环(PLL)合成器为两个混频器提供局部振荡器信号。AM的增量调谐为1kHz，而FM的增量调谐则为12.5/25/50kHz。也提供用于AM和FM的独立快速自动增益控制(AGC)块。增益可以通过内部DAC来改变，RF电路的增量为1dB，而IF电路则是2dB。另外还包括了一个用于调谐和控制的三线串行总线。

Philips半导体的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天气波段。一个I2C串行接口用于调谐和控制。这两种IC都要求必需的天线、阻抗匹配和其它的前端组件。

Alps Electric的TDGA2全集成屏蔽调谐器是针对AM和FM波段中的IBOC信号而设计的。输出为10.7MHz。提供一个I2C总线用来进行调谐和增益控制及其它控制。来自调谐器的IF信号接着必须在ADC中被数字化。Texas Instruments的AFEDRI8201是广受好评的电路之一。它将10.7MHz IF信号传送给一个可编程增益放大器，然后传送给ADC。这个12 位的转换器以80 Msamples/s的速率对IF信号采样，并给外部DSP芯片提供接口。8201还包括了一个控制调谐器中AGC的DAC。

DSP执行所有的解压缩、解交错、解码和解调功能。作为用于HD收音机的DSP芯片的主要供应商，TI在其TMS320DRI300/350基带芯片上编入了所有iBiquity授权HD Radio软件。它们可以执行所有AM和FM的功能，并能够进行音频后处理，同时还支持MP3和Windows Media Audio（WMA）。它们还有用于外部嵌入式控制器、启动EEPROM或闪存以及解交错DRAM的接口。输出是针对可兼容DAC而设计的。 尽管TI是目前用于HD的DSP的主要供应商，Philips也在芯片上占有一定的份额。SAF3550 HD Radio数字基带处理芯片利用了一个带有片上高速缓存的强大的ARM946处理核。还包括了可编程基带输入及音频输出采样率转换器，能够和之前提到的TEF6721HL调谐器兼容。

Philips的SAF7730是一款灵活的带有音频DSP的双IF接收装置。它为汽车收音机应用而设计，在一块芯片上集成了大部分接收装置。它的可编程性使得设计者们可以产生不同设计。来自DSP的数字输出通常会传入由多个来源提供的外部DAC中。DAC会驱动立体声功率放大器，这些功率放大器一般是用于汽车应用的AB类线性放大器或者D类开关放大器。而这个产品的最后一个组成部分则是一个用于交流操作单元的电源或者一个用于汽车电池工作的电源管理芯片。

HD Radio进行测试时需要一个激励器，这个激励器可以从发射器生产商Broadcast Electronics或Harris公司处获得。iBiquity也会提供有关于其测试和认证程序的信息。

这些接收装置面临的一个主要问题是由DSP和嵌入式处理器引起的电磁干扰(EMI)问题。为了减少敏感的RF接受器电路受到的干扰，以及满足FCC的B类辐射测试，大多生产商不得不花费时间来设计能将EMI干扰最小化的电路板布局。虽然过滤可消除大部分干扰，但是在有些情况下还是需要屏蔽保护。

迄今为止，iBiquity已经认可了Radiosophy公司的MultiStream HD桌上广播接收器。这一产品采用了Alps的调谐器和TI的芯片。FM的信噪比是78dB，而AM的信噪比则为50dB。MultiStream的多播能力让使用者可以从FM信号中选择多个数据流。AM和FM天线是内置式的，也可以和外部天线进行连接。声音来自于带有4V扬声器的双通道8W放大器。128*6?像素带背光LCD显示器可以显示HD标准中规定的时间、频率和滚动信息。

它的其它有趣特点包括一个立体声耳机迷你插口和一个USB端口，可以通过互联网和计算机将软件升级上载到DSP中。它还集成了RCA拾音插座输出，这个输出采用的是Sony/Philips数字接口(S/PDIF)数字格式。一个S/PDIF Toslink光学输出插口将数字音频直接发送到一个带有更大扬声器的外部立体声放大器中。

HD Radio的未来

HD Radio已经问世了。遗憾的是只有很少的一批人拥有这种接收装置，而更多的人甚至还从未听说过它，尽管现在大部分地方的电台里都已经有了这种设备。

正是认识到了这一现象，一些主要的广播公司已经联合起来组成了HD数字广播联盟。这个组织致力于宣传HD Radio，并竭力劝说汽车制造商在其标准汽车无线电接收装置上增加HD服务。而随着更多的家用接收装置正在普及中，使用者将很快可以尝试多种新的节目和服务了。

HD Radio从诞生之日起，就以改善广播音频质量和接收可靠性为目的，而现在这个目的已经达到了。但是随着新的多播能力(我们称为HD2)出现，电台也增加了许多新的表演和节目，比如专门的音乐频道和脱口秀。

一旦这几方面都到位了，HD Radio将会和卫星广播进行盈利竞争。HD不会取代卫星广播，因为卫星广播毕竟有数百个节目频道。但是它将提供更多的本地节目选择，却只需负担一部新接收装置的价钱。我们相信一旦高音质这个词被众人所了解，而且接收装置的价格也可以为大众所负担得起，那么HD Radio的前景将一片光明。