В рубрику "Регулирование и стандарты" | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций
Юрий Бербиков
Генеральный директор МРЦ — филиала ФГУП "РТРС", заместитель генерального директора ФГУП "РТРС"
С появлением цифровой записывающей техники (DAT), мини-дисков (MD) и стандарта МРЗ требования слушателей к качеству звука резко возросли. Поэтому в конце прошлого века начались работы по созданию новых цифровых передающих систем, которые должны прийти на смену аналоговому радиовещанию.
Для осуществления цифрового радиовещания было предложено несколько систем. Сегодня все они успешно развиваются, что говорит о фактической многостандартности
Формата цифрового радиовещания
Чтобы получить представление о современном уровне цифрового радиовещания, рассмотрим достижения в развитии существующих систем: DAB, Digital System E, DRM.
Формат DAB (Digital Audio Broadcasting) приобрел популярность в Европе и активно поддерживается Европейским радиовещательным союзом. Он был разработан для использования в диапазоне ОВЧ. Проектом этого стандарта является система "Эврика-147", которая успешно развивается во многих странах Европы и мира.
Поскольку формат DAB ориентирован на прямолинейное распространение волн и требует полосы шириной 1,5 МГц, он непригоден для вещания в диапазонах ниже 30 МГц (к ним относятся диапазоны длинных (10-1 км), средних (1 км-100 м) и коротких волн (100-10 м), вещание в которых ведется с использованием амплитудной модуляции).
Digital System E — развиваемая в Японии спутниковая система, которая была предложена ассоциацией радиопромышленности и бизнеса Японии (ARIB). Данная система разрабатывалась для спутникового вещания и дополнительной ретрансляции качественных радиопрограмм и мультимедийных данных на подвижные, портативные и стационарные приемники в диапазоне 2630-2655 МГц. Вся система Digital E состоит из наземной станции, вещательного спутника, наземных узконаправленных ретрансляторов двух типов, стационарных и автомобильных приемников. С наземной станции сигнал передается на спутник в диапазоне 14 ГГц. На спутнике он конвертируется в диапазон 2,6 ГГц, усиливается и передается на землю через большую передающую антенну, отличительные особенности которой - кодирование с раздельным мультиплексированием CDM и полоса частот 2,6 ГГц.
Главная проблема системы Digital E связана с затенением прямолинейного спутникового излучения. Борьба с этим явлением ведется двумя методами. Первый из них основан на перемежении данных для защиты от затенений, вызываемых малыми объектами. Такой тип затенения характерен для автомобильного приема и проявляется в виде всплесков помех в принимаемом сигнале продолжительностью около 1 с. Второй метод борьбы с замираниями, вызываемыми затенением от больших объектов, основан на применении дополнительных узконаправленных ретрансляторов, которые способны покрывать затеняемые зоны.
В 1996 г. был создан международный консорциум Digital Radio Mondiale (DRM) для решения задач внедрения и разработки систем цифрового радиовещания в полосах, выделенных для АМ-вещания. К участию в этом консорциуме были привлечены как производители, так и научно-исследовательские структуры. В настоящее время членами DRM являются такие организации и компании, как Deutsche Telecom, Robert Bosh, BBC, RFI, РТРС, "Голос России", и целый ряд других крупных компаний и исследовательских центров из 26 стран мира.
Главная цель, которую преследуют разработчики идеологии DRM, — резко повысить качество вещания по сравнению с традиционным аналоговым радиовещанием в диапазонах средних и коротких волн, переведя в результате этого вещательный КВ-канал из информационного в разряд художественно-информационных.
Вещание в формате DRM является альтернативой аналоговому вещанию на частотах ниже 30 МГц на длинных, средних и коротких волнах. В его основе лежит цифровая система, позволяющая транслировать моносигнал в АМ-диапа-зоне с качеством ОВЧ-ЧМ-вещания. Аналоговый сигнал в ОВЧ-ЧМ-диапазоне по качеству лишь немного уступает цифровому: разница практически незаметна. Но для "дальнобойных" частот в АМ-диапазоне переход на "цифру" более перспективен, так как при этом:
Технические характеристики формата DRM
Система компрессии звука
В отличие от стандарта DAB, в котором используется аудиокомпрессия MUSICAM (MPEG ISO уровень II), в DRM применяется более современный вариант компрессии (кодирования) MPEG-4.
На рис. 1 показаны возможные форматы компрессии звука. Форматы MPEG-4-AAC являются разновидностью аудиокодирования MPEG-4, применяемого для формирования низкоскоростных потоков (до 48 кбит/с).
CELP-кодер (Code-exited Linear Prediction) предназначен для высококачественного кодирования голоса на очень низких скоростях.
SBR (Spectral Band Replicatoin) позволяет передавать высокочастотную часть звуковой полосы с низкой цифровой скоростью. При передаче на частотах ниже 30 МГц все форматы кроме верхнего предполагают использование полосы 9/10 МГц.
Состав цифрового потока
Помимо аудиосигналов в цифровом потоке могут передаваться данные. Мультиплексируясь, аудиосигналы и данные формируют основной сервисный канал Main Service Channel (MSC). В нем передается до 4 потоков, каждый из которых переносит или аудиосигнал, или данные. Информация канала MSC разбивается на логические кадры по 400 мс каждый. Дополнительно к MSC формируются еще два сервисных канала.
Основной и сервисные каналы определенным образом мультиплексируются, в результате чего образуются транспортные суперкадры длительностью 1200 мс.
Первый дополнительный канал FAC (Fast Access Channel, канал скоростного доступа) переносит данные о параметрах радиочастотного сигнала и информацию, позволяющую выделять отдельные услуги.
К параметрам сигнала относятся:
Эти параметры передаются в каждом FАС-кадре.
К параметрам, характеризующим услуги, относятся:
Они передаются последовательно: в одном кадре содержатся параметры, относящиеся к одному сервису.
Второй дополнительный канал SDC (Service Description Channel, канал описания услуг) содержит:
В приемники должна быть заложена функция автоматической проверки качества приема на альтернативных частотах и переключения на лучший вариант.
Сегодня существует практика передачи коротковолновых каналов на нескольких частотах одновременно. Это позволяет абоненту выбрать канал, принимаемый в данный момент наилучшим образом. В системах DRM настройка на лучший канал будет проводиться автоматически.
Система модуляции и помехоустойчивого кодирования
В DRM применяется частотное уплотнение ортогональных несущих с кодированием (COFDM).
Особенности системы COFDM (Coded Orthogonal Frequency Division Multiplex):
Эта система весьма эффективна для передачи сигналов по радиоканалу с многолучевым распространением радиоволн, что характерно для коротких волн. Также она хорошо работает в условиях селективного замирания сигнала, типичного для КВ-диапазона.
При выборе параметров COFDM учитывалось несколько противоречивых требований. С одной стороны, защитный интервал должен компенсировать задержки, возникающие при многолучевом распространении, а с другой - он не должен превышать 20% от общей длительности символа. В противном случае радиоканал с точки зрения пропускной способности используется неэффективно. Длительность символов может наращиваться за счет увеличения числа несущих. Однако необходимо учитывать, что количество несущих, размещаемых в полосе частот канала, ограничивается эффектом Доплера, возникающим в режиме мобильного приема. Указанный эффект заключается в смещении величины принимаемой несущей частоты, возникающем при перемещении приемника и передатчика относительно друг друга. Для малого влияния смещения частот на их ортогональность необходимо, чтобы разность между ними по крайней мере в 20 раз превышала Доплеровское смещение частоты. С учетом этих факторов было решено в полосе 9/10 кГц использовать около 200 несущих. Их точное количество, как и длительность символа и защитного интервала, зависит от характера распространения радиоволн (поверхностные или пространственные), предположительной дальности передачи и требуемой достоверности и демодуляции сигнала в процессе его приема.
В качестве основных типов модуляции приняты 64-QAM и 16-QAM. Если необходима особенно высокая помехоустойчивость, то может использоваться и QPSK. Правда, для передачи канала MSC этот тип модуляции не подходит, так как не позволяет достигнуть нужной скорости передачи аудио.
В качестве помехоустойчивого кодирования применяется перемежение данных, отличающихся значениями относительной скорости сверточного кода от С(1/2) до С(5/6). Перемежение данных в системах COFDM реализуется и по времени, и по частоте, что позволяет восстанавливать сигнал при высоком уровне селективного замирания в радиоканале. Кроме того, для борьбы с этим явлением в поток вводятся пилотные сигналы, позволяющие приемнику оценить степень затухания сигналов на каждой несущей частоте.
Каналы, входящие в MSC, подразделяются на 2 части, различающиеся по значимости информации для правильного декодирования. Они подвергаются помехоустойчивому раздельному кодированию, характеризующемуся разной степенью помехозащищенности. Перемежение осуществляется после многоуровневого кодирования канала, причем глубина перемежения (параметр D) варьируется согласно предсказанным условиям распространения радиоволн. В соответствии с этим перемежение может быть коротким, когда суммарная задержка сигнала составляет 800 мс, и длинным - в этом случае задержка достигает 2,4 с (указанные значения приблизительны).
Структурная схема тракта формирования сигнала формата DRM представлена на рис. 2.
Рассмотрим назначение элементов данной схемы:
Кодер источника обеспечивает адаптацию входящих данных к соответствующему формату передачи. Исходное кодирование звука в кодере предполагает компактное высокоэффективное сжатие звукового сигнала.
Мультиплексор объединяет цифровые потоки и комбинирует уровни помехоустойчивости данных и сигналов в канале передачи.
Скремблер обеспечивает псевдослучайную структуру последовательности.
Канальный кодер обеспечивает поме-хозащиту канала передачи и отображает цифровую закодированную информацию для последующей квадратурно-амплитудной модуляции.
Перемежение символов осуществляет псевдослучайное перемешивание символов определенным образом в кодовой последовательности, что способствует разбросу ошибок.
Пилот-генератор обеспечивает подачу в канал сигнала, с помощью которого в приемнике появляется информация о состоянии канала для его последующей демодуляции.
ODFM-сигнал-генератор преобразует каждое множество ODFM-символов в соответствующую временную область сигнала.
Модулятор переносит цифровой ODFM-сигнал на аналоговый.
Гибкость формата DRM позволяет адаптировать его к любому диапазону в полосе ниже 30 МГц и к различным условиям распространения сигнала. Возможно, именно это в сочетании с новыми эффективными системами компрессии позволило DRM победить в конкурентной борьбе с другими аналогичными системами.
Одной из таких систем была DMW, предложенная компанией Deutsche Telecom. Для сравнения приведем некоторые ее параметры. В качестве системы компрессии в DMW принят MPEG-2 Layer III, а в качестве системы модуляции — 32 APSK. На сигнал накладывается помехоустойчивое сверточное кодирование.
Четыре года назад эта система тестировалась в Москве. Вещание велось в диапазоне СВ передатчиком мощностью 5 кВт. Эта мощность обеспечивала устойчивый прием в радиусе 40 км. Тестирование системы DMW выявило ее большую помехоустойчивость по сравнению с аналоговой, однако принятый сигнал часто напоминал машинное звучание.
При ограничениях, свойственных радиовещательным каналам в диапазонах частот ниже 30 мГц, и с учетом параметров кодирования и модуляции, цифровая скорость передачи сигнала на выходе кодера источника должна находиться в пределах от 8 до 72 кбит/с. Чтобы обеспечить оптимальное качество при таких скоростях передачи данных, в системе предусмотрены различные алгоритмы кодирования источника (на основе стандарта MPEG-4):
Опубликовано: Журнал "Broadcasting. Телевидение и радиовещание" #8, 2003
Посещений: 14336
Статьи по теме
Автор
| |||
В рубрику "Регулирование и стандарты" | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций
