В рубрику "Оборудование и технологии" | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций
Технической основой создаваемой информационной среды России должны стать современные мультимедийные системы, обеспечивающие цифровую передачу динамических изображений, речи, звука и иных данных по каналам с различной пропускной способностью.
Сотрудниками НИИР разработана принципиально новая информационная система с использованием узкополосного канала связи в ОВЧ-ЧМ диапазоне для мобильных корпоративных и индивидуальных абонентов. Предполагается разработка проекта стандартов по применению подобных интерактивных систем для нужд народного хозяйства и в иных сферах
Новая система, разработанная и запатентованная сотрудниками НИИР, позволяет осуществлять информационное видеовещание и звуковое стереовещание при расположении приемника в движущемся транспорте в городских условиях с плотной застройкой, многолучевостью и отсутствием прямой видимости антенны передатчика, а также в районах со сложным рельефом, в горной местности и в густых лесных массивах, где в указанных условиях с использованием известных на сегодня систем невозможно обеспечить удовлетворительное качество приема.
С внедрением мультимедийных систем различного назначения при минимальных капитальных и эксплуатационных затратах становится возможным решение следующих проблем:
Необходимость замены морально и физически устаревших технических средств вещания требует внедрения новых прогрессивных комплексов и систем.
Именно этим обусловлена необходимость разработки и внедрения новых прогрессивных аудиовизуальных информационных комплексов и систем для мобильных корпоративных и индивидуальных абонентов.
Исследования разработанных в НИИР программных кодеков MPEG-4 (H.264 - AVC) показали высокую эффективность этих устройств: качество воспроизведения изображений соответствует качеству изображений домашнего видеомагнитофона (VHS) при цифровом потоке 384-512 кбит/с.
При цифровом потоке порядка 128 кбит/с стандарт кодирования звуковой информации АСЗ обеспечивает передачу стереозвукового сигнала с DVD-качеством воспроизведения (режим стерео для речевых диалогов) или с качеством FM-трансляции при потоке около 96 кбит/с. Использование стандарта ААС обеспечит высокое качество воспроизведения стереозвуковой информации при дополнительном снижении цифрового потока.
В цифровом потоке порядка 512 кбит/с осуществляется передача видеоинформационной программы со стереозвуковым сопровождением либо 3-4 программ стереовещания высокого качества.
Отличительная особенность новой системы заключается в том, что закодированный сигнал динамического изображения и стереозвука может быть передан в узкополосном канале с полосой около 250 кГц и принят при быстрой смене фазовой структуры поля в месте приема при движении по городу.
Основные технические требования к системе приведены в табл. 1, а ключевые параметры реализованной модели системы - в табл. 2.
Для целей мобильного мультимедийного информационного вещания предлагается использовать диапазон частот 66-74 МГц, в котором сегодня реализуется устаревшая система ОВЧ-ЧМ вещания России.
Заметим, что в данном диапазоне расчетный интегральный масштаб частотной корреляции, согласующийся с экспериментальными данными, для многих городских районов современной застройки составляет Дгк = 0,86 МГц. В связи с этим следует полагать, что условия приема сигналов при использовании радиоканала с полосой 0,25 МГц в условиях современной городской застройки оказываются комфортными, чего нельзя сказать об условиях мобильного приема сигналов телевизионного DVB-T и DVB-H-вещания с шириной спектра 8 МГц.
Структура передающей части системы
На рис. 1 приведена функциональная схема передающего устройства, содержащего систему канального кодирования и OFDM-модуляции.
Система канального кодирования и OFDM-модуляции определяется как функциональный блок, выполняющий адаптацию видеосигналов от выхода транспортного мультиплексора MPEG-4 к наземным характеристикам канала. При этом цифровой поток проходит следующие этапы обработки:
Система имеет различные режимы модуляции QAM (QPSK, 16-QAM, 64-QAM) и различные скорости внутреннего кодирования, обеспечивающие достижение оптимального соотношения между скоростью цифрового потока и надежностью (помехозащищенностью). Кроме того, реализована возможность регулирования длины защитного интервала.
В табл. 3 приведены потенциально возможные варианты скоростей битового потока в зависимости от используемого созвездия, скорости сверточного кода и величины защитного интервала.
На рис. 2 изображена форма спектра радиосигнала на промежуточной частоте.
Во временной области сигнал формируется в виде последовательности OFDM-символов (в дальнейшем - просто символов), каждый из которых состоит из полезной части (длительностью TU) и защитного интервала (длительностью TG), служащего для защиты от эхо-сигналов. Защитный интервал является циклическим продолжением полезной части символа и вводится перед ней. Заметим, что в точке окончания защитного интервала и начала полезной части символа фазы всех несущих остаются непрерывными, так как у каждой несущей на интервале полезной части символа укладывается целое число периодов. Добавим также, что каждый символ несет в себе информацию о передаваемых данных и вспомогательную информацию, необходимую для оценки характеристик канала передачи (пилотные несущие).
Существует логическая иерархия организации символов: 136 символов составляют кадр (длительностью TF), а 4 кадра - суперкадр (длительностью TSF). Длительности символа, кадра и суперкадра в зависимости от длины защитного интервала приведены в табл. 4.
В табл. 5 представлены некоторые частотные параметры передаваемого сигнала.
Для нормирования выходного уровня сигнала предусмотрены коэффициенты нормализации для каждого из возможных для данной системы типов модуляции несущих частот. Значения этих коэффициентов приведены в табл. 6.
В состав несущих сигнала вводятся так называемые пилотные составляющие, с помощью которых передается дополнительная опорная информация, не зависящая от полезных данных. Эта опорная информация используется для оценки характеристик канала и соответствующеи коррекции амплитудных, фазовых и частотных искажений. Пилотные несущие передаются на повышенном уровне мощности, при этом каждая из них может иметь тип постоянной или рассеянной. Положение постоянных пилотных несущих не зависит от номера символа, в то время как положение рассеянных, наоборот, определяется номером символа в кадре. При этом допускается, чтобы одна и та же пилотная несущая являлась постоянной и рассеянной одновременно. Диаграмма ввода пилотных ячеек и номера постоянных пилотных ячеек показаны на рис. 3 и в табл. 7.
Структура приемной части системы
На рис. 4 приведена функциональная схема приемного устройства.
На рис. 5 изображен индикатор ICOM-приемника (видна форма спектра сигнала на несущей 70,393 МГц), а на рис. 6 - диаграмма, характеризующая 16-QАМ-радиосигнал.
Декодирование радиосигнала на приемной стороне начинается с переноса его спектра с частоты (например, fc=70,393 МГц) на промежуточную частоту (10,7 МГц). На вход демодулятора системы подается сигнал промежуточной частоты, дискретизируемый высокоскоростным АЦП с частотой дискретизации 30 МГц и разрядностью 14 бит. Полученный после аналогово-цифрового преобразования сигнал поступает на DDC-преобразователь (Digital Down Converter). DDC-преобразователь прореживает входной цифровой поток в 32 раза и переносит центр спектра сигнала с частоты 10,7 МГц на нулевую частоту, при этом сигнал представляется в виде I-Q-компонент и имеет "свернутый" спектр. Частота следования отсчетов на выходе DDC составляет 937 500 Гц.
IQ-конвертер сдвигает спектр, полученный на предыдущем этапе, вправо на величину, равную половине ширины полосы сигнала (то есть приблизительно на 125 кГц). В результате этого преобразования на выходе IQ-конвертера получается низкочастотный сигнал с центральной частотой спектра fc = 125 кГц. Этот сигнал представляет собой последовательность OFDM-символов, поступающих на OFDM-демодулятор.
OFDM-демодулятор преобразует временную последовательность OFDM-символов в последовательность QAM-символов, которая затем поступает на декодер канала.
Такие преобразования позволяют осуществлять дальнейшее канальное декодирование сигнала персональным компьютером в реальном масштабе времени, поскольку скорость цифрового потока на выходе демодулятора составляет 1 875 000 байт/с.
Важнейшей проблемой здесь является обеспечение эффективной синхронизации по потоку OFDM-символов, для чего был разработан специальный алгоритм оптимизации этого процесса. Рис. 7 поясняет принцип процесса временной синхронизации по потоку OFDM-символов.
В основе алгоритма временной синхронизации лежит использование известной на приемной стороне информации о пилотных несущих, передаваемых в составе сигнала системы. Поиск начала символа осуществляется в зоне из М отсчетов (значение М целесообразно выбрать равным длине символа). Далее для каждого n-ого отсчета из зоны поиска вычисляется БПФ, первым отсчетом входного сигнала которого является n-ый отсчет. После этого по Фурье-спектру вычисляется так называемая функция "фазового соответствия", зависящая от текущего сдвига п. Далее, минимизируя эту функцию по переменной n, можно определить наиболее вероятное начало символа. Добавим, что упомянутая функция строится по заданным на стороне передачи и известным на стороне приема значениям фаз пилотных несущих.
На рис. 8 приведена упрощенная схема помехоустойчивого декодера, используемого в системе, а в табл. 8 приведены параметры, характеристики и типы кодеков, изображенных на этом рисунке.
Если вероятность битовой ошибки на входе помехоустойчивого декодера составляет не более 2*102, то данная схема позволяет получить на его выходе поток с вероятностью битовой ошибки не более 2*10"". В качестве сверточного декодера могут использоваться как декодер Витерби, так и многопороговый декодер (МПД), применение которого ввиду большей вычислительной простоты более предпочтительно.
Результаты моделирования и предварительные испытания системы
В табл. 9 приведены некоторые результаты исследований модели системы при использовании 16-QАМ-кодека - для различных моделей канала: Гаусса, Раиса и Релея.
На рис. 9 приведены формы созвездий при наличии помех, указанных в табл. 9.
Указанные результаты подтверждают возможность широкого применения новой системы в области мультимедийного вещания на мобильного корпоративного и индивидуального абонента.
На рис. 10, 11 и 12 приведены кадры видеопоследовательностей, воспроизводимых на экране приемного устройства, для следующих режимов работы системы:
В июне-июле 2005 г. были проведены предварительные испытания модели разработанной системы с использованием радиоканала ОВЧ-ЧМ радиостанции "Русское радио-2" со средней частотой 69,26 МГц. Передатчик располагается в здании НИИР (г. Москва, ул. Казакова, д. 16). Для оценки эффективности системы испытания проводились на двух уровнях мощности передатчика: менее 10 Вт и около 150 Вт.
Приемник системы был установлен в легковой автомашине. Прием осуществлялся с помощью штыревой антенны длиной 43 см, установленной на крыше автомобиля. Трек движения автомобиля (по Садовому кольцу и Кутузовскому проспекту) фиксировался с помощью установленной в машине системы глобального позиционирования (GPS).
Скорость движения автомобиля варьировалась от нулевого значения (полная остановка) до 100 км/ч. При этом в случае малой мощности передатчика устойчивый прием сигнала на Садовом кольце наблюдался в зоне до 3 км от здания НИИР, а также при полной остановке автомобиля и прямой видимости антенны передатчика. При увеличенной мощности передатчика прием сигналов осуществлялся практически на всем Садовом кольце, за исключением проездов по тоннелям и в областях практического отсутствия принимаемых сигналов.
В целом предварительные испытания прошли успешно, однако они выявили некоторые проблемы, связанные с реализованными программными алгоритмами быстрого восстановления синхронизации приемника при пропадании и последующем восстановлении уровня принимаемого сигнала. Эти проблемы могут быть успешно решены при аппаратной реализации приемного устройства.
Еще одна проблема связана с невозможностью эффективного использования старых передатчиков ОВЧ-ЧМ диапазона, поскольку формируемый модулятором сигнал обладает почти гауссовским распределением и в связи с этим имеет значительно больший пик-фактор, чем частотно модулированный радиосигнал.
В заключение следует отметить, что в диапазоне ОВЧ-ЧМ вещания 66-74 МГц может быть размещено до 32 каналов таких аудиовизуальных систем и могут быть использованы имеющиеся в эксплуатации передающие средства после их соответствующей модернизации.
Во внедрении подобных систем могут быть заинтересованы организации, использующие частотные диапазоны для вещания стерео программ, силовые ведомства, банковские структуры, организации городского и междугородного транспорта и др.
НИИР
Виктор Дворкович
Александр Дворкович
Владимир Иртюга
Виктория Тензина
Опубликовано: Журнал "Broadcasting. Телевидение и радиовещание" #5, 2005
Посещений: 15051
Статьи по теме
Автор
| |||
Автор
| |||
Автор
| |||
Автор
| |||
В рубрику "Оборудование и технологии" | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций
