В рубрику "Оборудование и технологии" | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций

Отвечает ли отечественная система РАВИС потребностям локального радиовещания
Часть 1

В журнале “Broadcasting. Телевидение и радиовещание” № 7/2010 была опубликована статья "Формат DRM+ отвечает потребностям локального радиовещания", авторы которой предприняли попытку аргументировать выбор формата DRM+, разработанного консорциумом DRM, в качестве системы наземного радиовещания, параметры которой в отличие от стандартизованной отечественной системы РАВИС не вполне соответствуют частотным распределениям РФ в ОВЧ-диапазоне. Результаты опытной эксплуатации системы РАВИС в Москве и в Сочи одобрены ГКРЧ. В настоящее время проводятся опытно-конструкторские работы по созданию систем и сетей мобильного мультимедийного радиовещания. Настоящая статья посвящена изложению основных принципов построения системы РАВИС, приведенных также в отчетах международных организаций ITU и СЕРТ

Виктор Дворкович

Замдиректора ФГУП “ГРЧЦ", д.т.н., профессор

Александр Дворкович

Начальник управления ФГУП “ГРЧЦ", д.т.н., профессор

В основу реализации отечественной системы цифрового наземного мультимедийного и звукового вещания РАВИС (Аудиовизуальная информационная система реального времени; международное название - RAVIS, Real-time Audiovisual Information System) были положены следующие важные технические требования:

создание цифровой аудиовизуальной системы вещания в I — II полосах ОВЧ-диапазона частот, в частности для обеспечения радиовещания на мобильные устройства на территории России в диапазонах частот 65,8-74,0 и 87,5-108,0 МГц при сохранении частотных распределений;
использование при разработке общедоступных стандартов под эгидой таких организаций, как Международный союз электросвязи (ITU) и Европейский институт по стандартизации связи (ETSI);
более высокая спектральная эффективность по сравнению с аналоговым ЧМ-вещанием;
повышенная надежность сервиса по сравнению с аналоговым вещанием, особенно в условиях мобильного приема;
повышение качества звукового вещания по сравнению с аналоговым ЧМ-вещанием;
протокол транспорта данных, допускающий введение новых мультимедийных сервисов, в том числе видео;
использование современных передовых методов компрессии видео и звука для обеспечения высокого качества воспроизведения при приеме информации в движущемся транспорте;
возможность выпуска массовых недорогих приемников;
возможность организации одночас-тотных сетей вещания;
удовлетворение постоянно возрастающего спроса на частотные присвоения для систем связи без пересмотра частотных распределений;
возможность эффективного использования разнесенного приема и/или разнесенной передачи.

Базовой основой системы РАВИС служит патент РФ № 2219676 с приоритетом от 08.11.2000 [1]. Результаты первых испытаний системы были опубликованы в 2005 году [2] (следует отметить, что до 2009 года система называлась АВИС).

РАВИС - полностью отечественная разработка, использующая передовые достижения в области компрессии звуковых и видеоданных, канального кодирования и модуляции

Преимущества системы РАВИС заключаются в следующем:

существенное, более чем в 10 раз, повышение эффективности использования ОВЧ-диапазона, поскольку в одном стандартном радиоканале ЧМ-вещания можно передать более десяти стереофонических звуковых программ CD-качества или несколько многоканальных (например, 5.1) звуковых программ;
трансляция видеопрограмм для мобильного потребителя, возможность реализации телевизионного вещания в малонаселенных пунктах при резком удешевлении системы вещания;
обеспечение устойчивого мобильного приема сигнала в условиях многолучевого распространения в среде с городской застройкой, в горной и лесистой местности, в водных акваториях;
возможность локализовать вещание, то есть на одной и той же частоте в разных городах передавать различные программы;
создание одночастотных сетей вещания вдоль шоссейных и железнодорожных путей сообщения (например, на магистрали Москва - Санкт-Петербург);
радиус покрытия в десятки раз больше, а затраты на создание инфраструктуры мобильного телевещания в десятки раз ниже (к примеру, покрытие мобильным телевещанием всей территории Москвы может быть обеспечено одним - максимум тремя передатчиками, работающими в одночастотном режиме);
простые процедуры получения радиочастотных разрешений благодаря использованию стандартной полосы радиоканала в ОВЧ-диапазоне, возможность использования существующей на всей территории России радиопередающей инфраструктуры в ОВЧ-диапазоне;
существенное (в десятки раз) снижение энергопотребления радиопередающих средств в пересчете на одну программу вещания;
реализация эфирных систем оповещения населения и организаций в условиях чрезвычайных ситуаций;
организация систем связи для использования различными спецслужбами и в армии;
интегрирование России в общемировую систему телекоммуникаций на базе нового российского стандарта;
организация отечественного производства аппаратуры и сетей мобильного вещания РАВИС, создание рабочих мест;
внедрение системы РАВИС не только в России, но также в странах СНГ и других странах.

Следует подчеркнуть, что РАВИС - полностью отечественная разработка, использующая передовые достижения в области компрессии звуковых и видеоданных, канального кодирования и модуляции. Она была создана на основе обширных теоретических исследований и экспериментальных работ. В частности:

Было разработано математическое обеспечение системы РАВИС и созданы оригинальные эффективные алгоритмы обработки и кодирования видео-и аудиоинформации. Для видеокомпрессии используется оригинальная реализация кодера H.264/AVC [3], основанная на российских патентах и “ноу-хау". В системе реализован высокоэффективный кодер звука НЕ-ААС [4], использующий технологии SBR, PS, а также кодирование многоканального звука MPEG Surround [5].
В систему введены новые алгоритмы канального кодирования с применением двоичного блокового кода коррекции ошибок Боуза-Чоудхури-Хоквингема (БЧХ) и кодов с малой плотностью проверок на четность (LDPC), частотного и временного пе-ремежения вместо традиционного каскадирования кодов Рида - Соломона и сверточных кодов, что обеспечило повышение помехоустойчивости на 2-3 дБ.
Реализована система подавления пиков OFDM-сигнала, что позволило почти в два раза увеличить мощность излучаемого сигнала при сохранении потребляемой мощности радиопередатчика.
Разработан радиотракт приемного устройства, обеспечивающий точность настройки принимаемого сигнала до 1 Гц и повышение исходного отношения сигнал/шум до 40 дБ.
Разработаны методы и аппаратура метрологического обеспечения системы РАВИС. Удобство использования системы

РАВИС для различных пользователей можно классифицировать следующим образом:

1. Для слушателей:

высококачественное звуковое вещание (стереофоническое и многоканальное);
новые мультимедийные сервисы -видео, текст, дополнительные данные, электронная программа передач и т.д.;
простая настройка на станции по названию, жанру и пр.

2. Для производителей:

массовая замена аналоговых приемников;
модернизация передающих средств при сохранении инфраструктуры;
общий рост рыночного потенциала передающих и приемных средств.

3. Для вещателей:

адаптация к потребностям как малых, так и больших вещателей;
снижение потребляемой мощности, расширение зоны покрытия;
увеличение количества и качества программ, спектра передаваемых сервисов.

4. Для регуляторных органов:

повышение эффективности использования спектра;
возможность сохранения частотных распределений;
координация в рамках международно признанной системы.

РАВИС является очень гибкой системой, которую можно подстроить под различные потребности

Система РАВИС предоставляет как традиционные сервисы радиовещания с повышенным уровнем качества, так и новые цифровые сервисы:

высококачественный стереофонический и многоканальный звук;
видео со стереозвуковым сопровождением на нескольких языках;
текстовые сообщения, как связанные, так и не связанные со звуковыми или видеопрограммами;
электронная программа передач;
статические изображения;
слайд-шоу;
дорожная информация;
передача данных (широковещательная, групповая, индивидуальная);
передача данных с повышенной надежностью;
организация систем оповещения;
служба service following, совместимая с другими системами вещания (аналоговыми и цифровыми).

АВИС является очень гибкой системой, которую можно подстроить под различные потребности. Она предоставляет:

широкий выбор сервисов: звук от монофонического до многоканального, видео различного разрешения, текстовая информация, статические изображения и т.д.;
динамическую реконфигурацию сервисов;
различные виды модуляции и скорости канального кодирования в канале основного сервиса, возможность использования дополнительных высоконадежных каналов данных;
возможность выбора между скоростью передачи данных и мощностью передатчика (или зоной покрытия);
возможность адаптации к потребностям вещателя - вещание нескольких программ в одном канале (мультиплексе) или одной программы в одном канале (без мультиплекса, например в узкополосном канале 100 кГц).

По результатам исследований были разработаны семь вкладов России в Международный союз электросвязи [6-12].

Система РАВИС признана на международном уровне, ее описание внесено в отчет ITU-R ВТ.2049-3 и в отчеты 117 и 141 Комитета по электронным средствам связи (ЕСС) Европейской конференции администраций почт и электросвязи (СЕРТ) [13-15].

В октябре 2010 года на собрании рабочей группы (РГ) 6А, а затем на 6-й исследовательской комиссии (ИК) 1TU-R был принят проект новой рекомендации ITU-R BS.[MULT-FM] “Требования к расширенным мультимедийным сервисам для наземного цифрового радиовещания в полосах I и II ОВЧ-диапазона" [16], созданный на базе вклада РФ [11]. На собрании РГ 6В был представлен вклад РФ “Предложения по проекту пересмотра отчета МСЭ-Р ВТ.2049-3 - Вещание приложений мультимедиа и данных для мобильного приема" с последней информацией о системе РАВИС [12]. Проект пересмотра отчета одобрен на 6-й ИК [17]. Подчеркнуто, что система РАВИС готова к стандартизации как единая международная система или, если это потребуется, к взаимному сопряжению параметров с другими претендующими на это системами.

С августа 2009 по апрель 2010 года в соответствии с решением ГКРЧ № 09-04-03 [18] были проведены дополнительные доработки и полевые испытания модели системы РАВИС в г. Москве с использованием радиопередатчика ООО “ОКТОД” и в г. Сочи на Краснодарском радиопередающем телевизионном центре.

С августа 2009 по апрель 2010 года в соответствии с решением ГКРЧ № 09-04-03 были проведены дополнительные доработки и полевые испытания модели системы РАВИС

На базе проведенных исследований и экспериментальных работ был разработан национальный стандарт ГОСТ Р 54309-2011 [19], предусматривающий три варианта использования системы, обеспечивая возможность передачи цифрового информационного потока в каналах с полосой пропускания 250, 200 и 100 кГц. Стандарт утвержден приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии Минпромторга РФ № 22-ст от 24 февраля 2011 года с датой введения в действие 1 сентября 2011 года. В начале 2011 года будет осуществлена подача соответствующих документов в Европейский институт по стандартизации связи ETSI для его признания в качестве международного стандарта.

Технические подробности системы РАВИС

На рис. 1 приведена блок-схема передающей части системы,

а в табл. 1 представлены основные параметры системы.

На рис. 2 приведена блок-схема приемника при использовании разнесенного приема.

Система РАВИС обеспечивает передачу трех независимых логических каналов данных: канала основного сервиса (КОС), низкоскоростного канала (НСК) и надежного канала данных (НКД). Параметры логических каналов приведены в табл. 2.

Каналы НСК и НКД могут быть независимо включены или выключены. Если эти каналы выключены, то их несущие используются для канала КОС.
При выбранных параметрах передачи системы РАВИС в пределах доступной пропускной способности возможны различные конфигурации передаваемых сервисов (видео, звук, дополнительные данные).

В табл. 3 представлены скорости передачи цифровых потоков КОС при различных параметрах канального кодирования, модуляции и ширины полосы радиоканала.

Система РАВИС обеспечивает передачу трех независимых логических каналов данных: канала основного сервиса (кос), низкоскоростного канала (НКС) и надежного канала данных (НКД).

Ниже приведены примеры конфигурации сервисов при различных параметрах передачи РАВИС.

1. Полоса радиоканала 250 кГц, модуляция 64-QAM, скорость канального кодирования 3/4 - высокая скорость передачи данных (900 кбит/с):

видеопрограмма с двумя каналами стереофонического сопровождения (русск., англ.) - 700 кбит/с;
музыкальная программа (звук 5.1) - 84 кбит/с;
три стереофонические звуковые программы - 32*3 = 96 кбит/с;
канал данных - 20 кбит/с.

2. Полоса радиоканала 200 кГц, модуляция 16-QAM, скорость канального кодирования 2/3 - средняя скорость передачи данных, большая зона покрытия (410 кбит/с):

видеопрограмма со стереофоническим сопровождением - 360 кбит/с;
стереофоническая звуковая программа - 32 кбит/с;
канал данных - 18 кбит/с.

3. Полоса радиоканала 100 кГц, модуляция QPSK, скорость канального кодирования 1/2 - низкая скорость передачи данных, очень большая зона покрытия (80 кбит/с):

две стереофонические звуковые программы - 32*2 = 64 кбит/с;
канал данных - 16 кбит/с.

В подтверждение того факта, что систему РАВИС можно использовать при вещании без изменения частотных распределений, на рис. 3 приведены спектральные маски передачи РАВИС, а также спектральная маска передачи аналогового ЧМ-вещания в соответствии с европейским стандартом ETSI 302 018-2 [20].

Литература

Дворкович А.В., Дворкович В.П., Зубарев Ю.Б, Соколов А.Ю., Чернов Ю.А. Способ трансляции информационного телевидения // Патент РФ № 2219676, 08.11.2000.
Дворкович В.П., Дворкович А.В., Иртюга В.А., Тензина В.В. Новая аудиовизуальная информационная
система // Broadcasting. Телевидение и радиовещание. - 2005. - № 5. -С. 52-56.
ITU-T Recommendation H.264. Advanced Video Coding for Generic Audiovisual Services (ISO/IEC 14496-10. Information Technology - Coding of Audio-Visual Objects - Part 10: Advanced Video Coding). - ITU-T, 03/2009. -666 p.
ISO/IEC 14496-3 - Information Technology - Coding of Audio-Visual Objects - Part 3: Audio. - ISO, 2009. -1416 p.
ISO/IEC 23003-1 - Information Technology - MPEG Audio Technologies - Part 1: MPEG Surround. - ISO, 2007. - 56 p.
ITU-R Document 6E/336-E, 6M/133-E. Russian Federation. Increase of the Band 8 (VHF) utilization efficiency. 3 March 2006. - 9 p.
ITU-R Document 6M/150-E. Russian Federation. Technical Report. Digital Mobile Narrowband Multimedia Broadcasting System AVIS. 14 August 2006. - 12 p.
ITU-R Document 6A/86-E, 6B/47-E. Russian Federation. Proposal of preliminary draft new Recommendation ITU-R BS.fXXXX] on service requirements for digital terrestrial sound and multimedia broadcasting in VHF band. Service requirements for digital terrestrial sound and multimedia broadcasting for mobile reception in VHF bands I and II. 8 October 2008. - 4 p.
ITU-R Document 6A/193-E. Russian Federation. Proposal on draft revision of Recommendation ITU-R BS.774-2. Service requirements for digital terrestrial sound and multimedia broadcasting to vehicular, portable and fixed receivers in the VHF/UHF bands. 21 April 2009. - 5 p.
ITU-R Document 6A/226-E. Russian Federation. Proposal for a preliminary draft new Recommendation ITU-R BS.[MULT-FM]. Enhanced multimedia services for digital terrestrial broadcasting in VHF Bands I and II. 22 October 2009. - 3 p.
ITU-R Document 6A/345-E. Russian Federation. Proposal toward a draft new Recommendation ITU-R BS.[MULT-FM]. Enhanced multimedia services for digital terrestrial broadcasting in VHF Bands I and II. 14 April 2010. - 3 p.
ITU-R Document 6B/230-E. Russian Federation. Proposal toward a draft revision of Report ITU-R ВТ.2049-3. Broadcasting of multimedia and data applications for mobile reception. 14 October 2010. - 21 p.
ITU-R Report ВТ.2049-3. Broadcasting of multimedia and data applications for mobile reception. - ITU-T, 05/2009. - 78 p.
ECC Report 117. Managing the transition to digital sound broadcasting in the frequency bands below 80 MHz. -ECC, 2010. - 50 p.
ECC Report 141. Future possibilities for the digitalization of Band II (87.5-108 MHz). - ECC, 2010. - 28 p.
ITU-R Document 6/282-E. Working Party 6A. Draft new Recommendation ITU-R BS.[MULT-FM]. Requirements for enhanced multimedia services for digital terrestrial broadcasting in VHF Bands I and II. 26 October 2010. -2 p.
ITU-R Document 6/311-Е. Working Party 6B. Draft revision of Report ITU-R ВТ.2049-3. Broadcasting of multimedia and data applications for mobile reception. 27 October 2010. - 50 p.
18. Государственная комиссия по радиочастотам. Решение № 09-04-03 от 19.08.2009. Об организации опытных зон системы мобильного мультимедийного вещания в диапазоне 65,8-66,2 МГц. - 2 с.
ГОСТ Р 54309-2011. Аудиовизуальная информационная система реального времени (РАВИС). Процессы формирования кадровой структуры, канального кодирования и модуляции для системы цифрового наземного узкополосного радиовещания в ОВЧ-диапазоне. Технические условия.
ETSI EN 302 018-2 V.1.2.1 (2006-03) Electromagnetic compatibility and Radio spectrum Matters (ERM); Transmitting equipment for the Frequency Modulated (FM) sound broadcasting service; Part 2: Harmonized EN under article 3.2 of the R&TTE Directive. -ETSI, 2006. - 28 p.