О совместной передаче цифровой и аналоговой информации при вещании в форматах DRM и DRM+

В рубрику "Регулирование и стандарты" | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций

О совместной передаче цифровой и аналоговой информации при вещании в форматах DRM и DRM+

Анатолий Иванчин
Генеральный директор ЗАО "ТРК "Эфир", доктор технических наук

Сергей Рихтер
Профессор Московского технического университета связи и информатики (МТУСИ), кандидат технических наук

Рашель Ставиская
Заместитель председателя (технический директор) РГРК "Голос России"

Ольга Лисицкая
Инженер ЗАО "ТРК "Эфир"

Как известно, хорошая альтернатива аналоговому радиовещанию - вещание в цифровых ж V форматах DRM и DRM+. Предполагается, что эти стандарты будут внедряться в рамках существующих частотных планов соответственно в диапазонах средних, высоких частот и ОВЧ. Важным достоинством систем DRM и DRM+ является возможность совмещения аналогового и цифрового каналов, т.е. реализация режимов DRM/simulcast (DRM+AM) и DRM+/simulcast (DRM+ЧМ). Использование режима simulcast особенно полезно во время переходного периода вплоть до полноценного внедрения цифрового радиовещания. Поэтому важно понять особенности взаимодействия аналогового и цифрового сигналов при их совместной передаче, что позволит уточнить требования к параметрам передатчика для обеспечения хорошего качества вещания

Проблема совмещенной передачи сигналов исследовалась достаточно давно. Первоначально она охватывала вопросы взаимного влияния аналоговых сигналов, передаваемых в общей полосе частот. В результате было введено радиочастотное защитное отношение (РЧЗО), представляющее собой выраженную в децибелах и измеренную в полосе полезного сигнала разность уровней мощности полезного и мешающего сигналов, при которой обеспечивается требуемое субъективное качество приема сигнала. В зависимости от сочетания различных параметров передатчика, определяющих номинальную полосу пропускания канала, учета особенностей канала и диапазона частот требуются различные по величине защитные отношения. Защитное отношение необходимо для корректного приема:

АМ-сигнала, на который воздействует цифровой DRM-сигнал;
цифрового DRM-сигнала, на который воздействует АМ-сигнал;
цифрового DRM-сигнала, на который воздействует цифровой DRM-сигнал.

Если известны РЧЗО для АМ-сигналов, на которые воздействует АМ-сигнал, а также для АМ-сигналов, на которые воздействует DRM-сигнал, то уровень, до которого нужно уменьшить мощность передатчика для выполнения условий корректного приема, будет определяться разностью их защитных отношений.

Основные требования к защитным отношениям, применяемым для вещания в формате DRM, представлены в Рекомендации МСЭ-Р (ITU-R) BS.1615 "Planning parameters for digital sound broadcasting at frequencies below 30 MHz" для различных вариантов размещения и формирования аналоговой AM- и цифровой DRM-частей сигнала. Здесь в качестве мешающего сигнала рассматривается соканальный сигнал от отдельного передатчика с AM. При этом спектры AM- и DRM-сигналов формируются в соответствии с масками, определенными нормативными документами МСЭ-Р, а для приема сигналов используются радиоприемники с типовыми характеристиками чувствительности и избирательности. Таким образом, данные, приведенные в этой рекомендации, получены без конкретизации вида нелинейности амплитудной характеристики (АХ) тракта передачи.

На основании лабораторных измерений и результатов натурных испытаний оптимальное значение РЧЗО, рекомендованное МСЭ, колеблется в пределах от 12 до 29 дБ в зависимости от условий распространения; например, для каналов без памяти с аддитивным белым гауссовским шумом величина РЧЗО не превосходит 18 дБ. По сравнению с АМ-вещанием, для целей планирования которого принято защитное отношение 30 дБ, в ряде случаев нет существенных различий, а для стабильных условий распространения радиоволн очевиден выигрыш. Так, во время натурных испытаний в Мексике (ITU-R Doc. 6E/403-E. DRM: MW Simulcast tests in Mexico D.F., 10 августа 2006 г.) при вещании в диапазоне СЧ в городских условиях получены оценки РЧЗО, близкие к минимально допустимому уровню, - около 16 дБ.

В соответствии со спецификацией формата DRM (ETSI ES 201980 v.2.21 (2005-10), Digital Radio Mondial (DRM) System Specification) при реализации режима simulcast предполагается использовать около 12 различных вариантов совмещения спектров аналоговых и цифровых сигналов. Что касается вещания в формате DRM+ в диапазоне ОВЧ, то официальных рекомендаций по параметрам совместной передачи сигналов DRM+ЧМ пока нет. Для настоящей публикации выбраны следующие варианты совмещенной передачи цифрового и аналогового сигналов: DRM+AM (рис. 1), DRM+AM ОБП (рис. 2) и DRM+ЧМ (рис. 3). Условием реализуемости этих режимов является выполнение требований к величине защитных отношений в полосе совместной передачи аналогового и цифрового сигналов. На рис. 1 и 2 выбрано значение верхней граничной частоты звукового сигнала, равное 5 кГц. Заметим, что если при амплитудной модуляции на рисунках фактически представлен спектр одно- или двухполосного AM радиовещательного сигнала,то в случае с DRM - это группа несущих, то есть сигнал COFDM.

Для корректной совместной передачи аналогового и цифрового сигналов необходимо оценить допустимый уровень искажений, при котором еще выполняются требования к РЧЗО. Принципиальное отличие поставленной здесь задачи от решаемой в рекомендациях заключается в том, что в режиме simulcast для усиления используется один (общий) усилитель мощности. Нелинейность амплитудной характеристики этого усилителя является источником комбинационных искажений, серьезно влияющих на требуемую величину защитных отношений. В рамках принятой полиномиальной аппроксимации АХ-тракта передачи отобраны те значения коэффициентов полинома, при которых на двухтоновом сигнале обеспечивается выполнение требований, предъявляемых стандартом ГОСТ 13420-79 к уровню нелинейных комбинационных искажений, - более -36 дБ. В этом случае требования ГОСТ Р 51742-2001 будут выполнены с некоторым запасом. Такие оценки сделаны в предположении квадратичной, кубичной, S-образной или N-образной нелинейности АХ-тракта передачи. Ниже использованы следующие обозначения нелинейностей: квадратичная - типа А, кубичная - типа В, S-об-разная - типа S, N-образная - типа N. Коэффициенты полиномиальной аппроксимации, удовлетворяющие указанным нормам, приведены в табл. 1. Именно эти значения коэффициентов полинома используются при моделировании совмещенного канала.

В качестве инструмента исследований использована компьютерная среда System View. При моделировании в качестве входного использован фрагмент реального DRM-сигнала с шириной полосы 10 кГц и режимом помехоустойчивости типа В. Результаты моделирования отображены в виде таблиц и графиков, часть которых в качестве примера приведена в данной публикации.

Так, на рис. 4 изображен спектр совмещенного сигнала для случая достаточно сильного влияния нелинейности, когда спектр DRM-сигнала не соответствует параметрам маски МСЭ-Р. В табл. 2 представлены результаты моделирования, выявляющие качественные зависимости влияния разного вида не-линейностей на величину защитного отношения для аналогового сигнала. Серым цветом выделены значения отстройки по частоте, где не выполняется требование Рек. МСЭ-Р BS.1615 на уровень РЧЗО для такого сигнала.

Для совмещенной передачи DRM- и AM ОБП-сигналов рассмотрены случаи различной степени подавления несущей АМ-сигнала. На рис. 5 изображен спектр совмещенного сигнала для случая достаточно сильного влияния нелинейности (несущая не подавлена).

В табл. 3 и 4 представлены наиболее значительные результаты моделирования, выявляющие качественные зависимости влияния разного вида нелинейностей на величину защитного отношения для аналогового сигнала в случае совмещенной передачи DRM- и AM ОБП-сигналов соответственно с неподавленной несущей и с несущей, подавленной на 20 дБ. Как и в предыдущем случае, серым цветом выделены значения отстройки по частоте, где не выполняется требование на уровень РЧЗО для аналогового сигнала.

При моделировании совместной передачи DRM- и ЧМ-сигналов использовались ранее принятые параметры входного DRM-сигнала и комплексный стереосигнал с девиацией частоты 75 кГц. Моделирование показало, что введение даже незначительной нелинейности в тракт передачи весьма существенно влияет на спектр ЧМ-сигнала. Так, даже квадратичная нелинейность с коэффициентом полинома а2 = 0.1 приводит к существенному расширению спектра ЧМ-сигнала, что в целом может привести к невозможности совместной передачи ЧМ- и DRM-сигналов. Следовательно, для этого режима нормы на допустимую нелинейность тракта передачи должны быть существенно жестче, нежели в случае совместной передачи AM- и DRM-сигналов.

В процессе моделирования получены спектры совмещенного сигнала и результаты, выявляющие качественные зависимости влияния разного вида не-линейностей на величину защитного отношения. На рис. 6 приведен спектр совмещенного сигнала для случая достаточно сильного влияния нелинейности, а в табл. 5 представлены наиболее значительные количественные результаты моделирования.

При уменьшении разноса частот Af между средней частотой DRM-сигнала и несущей ЧМ-сигнала (рис. 3) кубические, S- и N-образные нелинейности приводят к существенному влиянию цифрового сигнала на аналоговый за счет попадания в полосу ЧМ-сигнала составляющих, возникших из-за расширения спектра цифрового сигнала. Исследование влияния S- и N-образ-ных нелинейностей АХ-тракта передачи на уровень защитных отношений позволило получить зависимость этого параметра от расстройки между несущими аналогового и цифрового сигнала (рис. 7). Параметром полученных графиков является величина частотного разноса Дг (рис. 3). Из анализа совокупности этих графиков найдено минимально допустимое значение разноса Дг мин, составляющее величину, приблизительно равную 120 кГц. Это значит, что при разносе около 120 кГц цифровой сигнал должен практически перестать оказывать влияние на аналоговый.

Выводы

Моделирование в рамках полиномиальной аппроксимации АХ-тракта передатчика показало, что для реализации режимов совмещенной передачи цифрового и аналогового сигналов DRM/simulcast и DRM+/simulcast в ряде случае требования известных стандартов к уровню нелинейных комбинационных искажений должны быть ужесточены. В частности, к цифровому сигналу должны предъявляться более жесткие требования, чем к аналоговому. Так, при тех коэффициентах полинома, при которых испытание на двух-тоновом сигнале давало удовлетворительные результаты, в случае передачи DRM-сигнала цифровой сигнал не всегда удовлетворяет маске МСЭ-Р.

Для четырех видов полиномиальной аппроксимации АХ-передатчика установлены максимально допустимые по защитным отношениям значения коэффициентов полинома для варианта совместной передачи DRM+AM, DRM+AM ОБП и DRM+ЧМ. Отмечается, что не выполняются требования по защитным отношениям в режиме DRM+AM при отстройке на 5 кГц от несущей АМ-сигнала, а подавление несущей уменьшает защитные отношения для цифрового сигнала.

При совмещенной передаче ЧМ- и DRM-сигналов требования к линейности тракта передачи должны быть более высокими, чем при совмещенной передаче AM и DRM-сигналов. Разработаны предложения по выбору защитных отношений для совместной передачи DRM+ЧМ. Установлено, что при разносе не менее 120 кГц DRM-сигнал с полосой 10 кГц практически не должен оказывать влияние на ЧМ-стереосигнал.

Опубликовано: Журнал "Broadcasting. Телевидение и радиовещание" #7, 2007
Посещений: 15842

Автор