18.2. Перспективы спутникового цифрового радиовещания и звукосопровождения тв программ

С недавнего времени ЗС различных программ спутникового теле­видения и радиовещания передаются и цифровым методом. При этом основными способами передачи ЗС пока являются D2–MAC, NICAM и цифровое спутниковое радиовещание DSR. Планируется также передача ЗС на Европу с помощью спутника "Astra-1E" и позже "Astra-1F' (19,2° восточной долготы) в соответствии со стандартом MPEG-1 ISO/IEC 11172-3 в формате " Layer" (рис. 18.3), где для сжатия цифрового потока используется описанный ранее метод MUSICAM. При этом полоса частот радиоканала для цифровых носителей звука составляет как и сегодня 130 кГц и имеет место в каналах дополнительных поднесущих формата "Wegener/Panda-1" . В конечном итоге (см. рис. 18.3,г) предусмотрена передача ЗС в цифровой форме в 12-ти каналах на поднесущих частотах формата "Wegener" 6,12...6,84 и 7,38...8,46 МГц и двух аналоговых каналов (7,02 и 7,2 МГц) с компандером "Panda-1".

Eutelsat (13° восточной долготы) первые пробные передачи осуще­ствляются с 1996 г. со скоростью 128 кбит/с в формате "Layer-2". С конца 1994 г. для Северной Америки введена в эксплуатацию система " DirecTV/DBS 2". В завершающей стадии разработки находится систе­ма DAB (Digital Audio Broadcasting) – цифровое радиовещание, которая сменит МВ-ЧМ-радиовещание. В соответствии с Решением Междуна­родной Администрации Радиовещания, начиная с 1992 г. для радио­служб, включая службы радиовещания через спутники, высвобождает­ся частотный диапазон 1452...1492 МГц. Этот процесс должен быть завершен к 2007 г.

В странах СНГ планируется 95 % территории обеспечивать 16-ю высококачественными стереопрограммами с помощью спутников.

Р ис. 18.3. План постепенного перехода от аналогового к цифровому методу передачи ЗС в европейской спутниковой системе телевидения и ра­диовещания "Astra": а – современное состояние – все каналы передачи звука являются аналоговыми; б – первое промежуточное состояние – существующие до­полнительные поднесущие А1, А2, А3, А4, А5, А6 (передача по-прежнему оста­ется аналоговой) дополняются пятью новыми поднесущими D1, D2. D3., D4. D5 с модуляцией по методу QPSK цифровым сигналом формата "Layer-3"; в – вто­рое промежуточное состояние – число аналоговых носителей уменьшается до че­тырех, а число цифровых возрастает до девяти; г – конечное состояние – лишь на двух дополнительных поднесущих 7,02 и 7,2 МГц осуществляется передача сте­реофонического звукосопровождения ТВ программы в аналоговом виде, но с новой, более эффективной, системой шумоподавления "Panda-1"

18.3. Передача звуковых сигналов в форматах с-мас и d2-mac

Телевизионные стандарты семейства систем " MAC/packet" включа­ют две их разновидности – С-МАС и D2-MAC, которые удовлетворяют требованиям, предъявляемым к службам спутникового телевидения в диапазоне 12 ГГц. Система С-МАС принята для служб спутникового ТВ и радиовещания в Финляндии, Исландии, Норвегии, Швеции, а так­же, по-видимому, будет принята и Великобританией. Система D2-MAC – в Германии и во Франции (спутники TV-SAT и TDF1).

Системы семейства "MAC/packet" имеют следующие общие при­знаки:

уплотнение аналоговых и цифровых компонент с разделением по времени, что обеспечивает наибольшую пропускную способность при заданной ширине полосы частот радиоканала;

кодирование сигнала изображения по типу MAC, где сигнал ярко­сти и один из двух цветоразностных сигналов активной строки раздель­но сжимаются во времени и после этого размещаются последователь­но в пределах строки для образования сигнала с временным уплотне­нием аналоговых компонентов; два сжатых во времени цветоразност­ных сигнала передаются в чередующихся строках таким образом, чтобы свести к минимуму необходимые коэффициенты сжатия и тем самым снизить уровень шумов;

пакетное уплотнение для ЗС и сигналов данных с передачей их в цифровой форме;

возможность применения систем идентификации спутниковой службы, ограниченного доступа, скремблирования видеосигнала и за­секречивания аудиосигнала;

возможность разработки приемников, способных функционировать в обоих стандартах.

Системы "MAC/packet" используют стандарт с разложением на 625 строк в кадре и 25 кадров, передаваемых в секунду.

Система С-МАС применяет стандартный спутниковый канал с поло­сой частот 27 МГц. Канал с такой полосой частот нельзя использовать в кабельном телевидении. Поэтому была разработана модификация этой системы, получившая название D-MAC и имеющая полосу частот радио­канала 10,125 МГц, что также неприемлемо для большинства кабельных сетей телевидения. Дальнейшая модификация состояла в уменьшении пропускной способности цифрового канала в 2 раза за счет передачи цифрового сигнала только в одном полукадре. Этот новый вид моди­фикации был назван D2-MAC. Он использует уже радиоканал шириной 7...8 МГц, пригодный для всех сетей телевидения: наземных, кабель­ных и спутниковых, что является его существенным достоинством.

Важной отличительной особенностью системы D2-MAC является то, что в ней, как обычно в цифровой технике, применяется не бинарное (рис. 18.4,а), а дуобинарное (рис. 18.4,б) представление ЗС и данных с использованием не двух, а трех значений постоянных напряжений (трех­уровневое представление цифрового сигнала: +1, 0, –1).

Разработчики системы D2-MAC стремились создать промежуточное техническое решение перед введением в эксплуатацию системы телевиде­ния высокой четкости (HDTV – High Definition Tele Vision) для Европы, которое позволит постепенно переоснащать потребителей. Поэтому они сохранили в этой системе частотную модуляцию несущей при передаче по радиоканалу сигналов изображения и звука. В течение по крайней мере десяти лет предполагалось с помощью этого промежуточного шага перейти от существующего сегодня формата изображения 4:3 к формату 16:9 (HDTV) и улучшить одновременно разрешение изображения.

Р ис. 18.4. Бинарная (а) и дуобинарная (б) импульсные последова­тельности при передаче сигнала

Основная конфигурация кадра и строки в системах уплотнения с разделением по времени (С-МАС и D2-MAC) показана на рис. 18.5. В обеих системах при передаче полного сигнала применяется умерен­ное предыскажение вида:

K(f) = {А[1 + i( f / f1 )]} / {1 + i( f l f2 )},

где K(f) - коэффициент передачи предыскажающего контура; А = 0,7071; f1 = 0,84 МГц; f2 = 1,5 МГц. Форма кривой предыскаже­ния приведена на рис. 18.6. Здесь по оси абсцисс отложено изменение коэффициента передачи

К' = 20 lg[K(f)/K(f = 1,37 МГц)] предыс­кажающего контура, вычисленное по отношению к значению K(f) на частоте f = 1,37 МГц.

В обеих системах (С-МАС и D2-MAC) принята пакетная структура цифрового сигнала. Каждый пакет содержит 751 бит. Пакеты с инфор­мационными символами ЗС и данных передаются в строках 1-623; стро­ки 624 и 625 использованы для других целей. Один субкадр содержит 82 пакета, что означает передачу 4100 пак./с в стандарте С-МАС, где для передачи цифровых сигналов используются оба полукадра. В стан­дарте D2-MAC для передачи цифровых сигналов используется только один субкадр изображения и скорость передачи составляет 2050 пак/с. В итоге полная пропускная способность цифрового канала составляет 3,079 Мбит/с в стандарте С-МАС и соответственно 1,54 Мбит/с в стан­дарте D2-MAC.

	Интервал кадрового гашения
	Сжатые цветоразностные компоненты	Сжатая компонента яркости
Данные	Интервал кадрового гашения
	Сжатые цветоразностные компоненты	Сжатая компонента яркости
а)

Рис. 18.5. Основная конфигурация уплотнения с разделением по вре­мени в системах С-МАС и D2-MAC: а– форма кадра изображения; б– струк­тура сигнала строки (без скремблирования) в системах С-МАС (1) и D2-MAC (2)

Рис. 18.6. Зависимость коэффициента передачи предыскажающего контура от частоты

Например, в системе D2-MAC достаточно места для размещения двух стерео- или четырех моноканалов с полосой частот 40. . . 15000 Гц каждый, или для восьми комментаторских каналов с по­лосой частот 7 кГц.

Структура пакета изображена на рис. 18.7,а. Он состоит из пре­амбулы, занимающей 23 бита, и 728 информационных бит. Преамбу­ла содержит три части: адрес (10 бит), позволяющий идентифициро­вать (распознать) 1024 разные службы; указатель длительности (2 би­та), обеспечивающий связь между очередными пакетами той же служ­бы и позволяющий обнаруживать утраты пакета, вследствие ошибоч­ного опознавания адреса; контрольные биты помехоустойчивого коди­рования (11 бит) для защиты преамбулы. Последняя защищена ци­клическим кодом Голея (23,12), генерированного полиномом :

Р(х) = = х¹¹ + х¹⁰ +х⁶ + х⁵ + х⁴ + х² + 1.

Код Голея позволяет обнаружить и скорректировать до трех ошибок в 23-битовой преамбуле (заголовке). После преамбулы идет байт типа пакета (8 бит), информирующий де­кодер приемника о типе передаваемой в пакете информации: является ли эта информация звуковой (аудиоданные) или управляющей. Если это аудиоданные, то следующие после него 90 байт (720 бит) называют­ся звуковым блоком (ВС). Если же это управляющая информация, то они называются интерпретационным блоком (В1). При передаче дан­ных байт типа не нужен и все 728 информационных битов (91 байт) можно использовать для их передачи.

Аудиоданные могут быть кодированы двумя различными метода­ми: с применением почти мгновенного компандирования или без него, а также с двумя разными уровнями защиты от ошибок:

1-й уровень (простая защита) – с помощью лишь проверки на чет­ность для обнаружения ошибки в кодовом слове отсчета;

2-й уровень (сильная защита) – с применением дополнительного помехоустойчивого кодирования для каждого отсчета с использовани­ем кода Хэмминга.

Простая защита от ошибок (1-й уровень):

при почти мгновенном компандировании с преобразованием 14/10 бит/отсчет в полученном 10-разрядном кодовом слове отсчета к ше­сти важнейшим битам последнего добавляется бит четности так, что­бы сумма по модулю 2 шести важнейших битов и бита четности бы­ла бы равна нулю;

при линейном кодировании с разрешением 14 бит/отсчет к 11-ти важнейшим по значимости битам кодового слова отсчета добавляет­ся бит четности.

Высокая защита от ошибок (2-й уровень):

при линейном 14-битовом разрешении применяется расширенный код Хемминга (16,11) для защиты от ошибок 11 важнейших значимых битов каждого отсчета, что позволяет корректировать одиночную ошиб­ку и обнаружить двойную ошибку в защищенной части кодового слова;

в 10-битовых кодовых словах, полученных после почти мгновенного компандирования 14-битовых слов, для защиты от ошибок используется модифицированный код Хэмминга (11,6), полученный путем устранения из контрольной матрицы исходного кода (16,11) пяти столбцов.

Рис. 18.7. Пакетная передача ЗС и данных в форматах С-МАС и D2-MAC: а – структура пакета стандарта MAC; б – типы звуковых блоков при разных способах кодирования

Для защиты от многократных ошибок (пакетов ошибок) использует­ся перемежение битов внутри пакета.

Перемежение не используется для специальных сигналов, передаваемых в строке 625, и сигналов данных в строке 624. Если исправление ошиб­ки невозможно, то применяется метод маскирования, когда неправиль­но воспринятый отсчет заменяется средним арифметическим значением предыдущего и последующего отсчетов.

Отсчеты ЗС и данные в пакетах передаются блоками. В зависимости от способа кодирования (линейное с 14-битовым разрешением или почти мгновенным компандированием и преобразованием 14/10 бит/отсчет) и степени защиты от ошибок (простая с добавлением бита четности или высокая с использованием кода Хэмминга и его модификации) приме­няется четыре разных типа звуковых блоков (ВС) (рис. 18.7,б)

Рис. 18.7-в. Передача блоков ЗС и данных разной длины

1. L2 – линейное кодирование отсчетов ЗС с 14-битовым разреше­нием и высокой степенью защиты. Он содержит кодовые слова 36-ти от­счетов, каждое кодовое слово 19-битовое. Если сигнал монофонический, то блок содержит следующие друг за другом 36 отсчетов этого сигнала, при стереопередаче он содержит по 18 выборок отсчетов сигналов левого и правого каналов. Перед символами отсчетов расположена преамбула блока (36 бит), включающая 8 свободных бит для будущих нужд, 10 бит контрольной информации, 18 бит для информации о масштабных коэф­фициентах. Общая длительность блока L2 равна 720 битам (90 байтам),

скорость цифрового потока 669,808 2/9 кбит/с при передаче монофони­ческого сигнала с высоким качеством или 1337,364 1/9 кбит/с при высо­кокачественной стереопередаче. При передаче монофонического сигна­ла среднего качества скорость цифрового потока равна 336,030 кбит/с.

2. L1 – линейное кодирование отсчетов ЗС с 14-битовым разреше­нием и слабая защита от ошибок. Блок содержит 15-битовые кодовые слова выборки из 64 отсчетов аудиосигнала (при стереопередаче соответ­ственно 32 отсчета сигнала Л левого канала и 32 отсчета сигнала П пра­вого канала). Общая длительность блока с учетом преамбулы составля­ет здесь 960 бит (120 байт). Скорость цифрового потока 502,919 кбит/с при монопередаче и соответственно 1003,568 кбит/с при передаче стерео­фонического сигнала с высоким качеством; при монопередаче со сред­ним качеством скорость цифрового потока равна 252,586 кбит/с.

3. I2 – почти мгновенное компандирование с преобразованием 14/10 бит/отсчет и высокий уровень защиты от ошибок. Блок содержит 15-битовые кодовые слова выборки из 48 отсчетов аудиосигнала (при стереопередаче соответственно 24 отсчета левого и 24 отсчета правого сигналов). Общая длительность блока 720 бит (90 байт). Скорость ци­фрового потока 502,919 кбит/с при монопередаче с высоким качеством и 1003,586 кбит/с при стереопередаче; при монофонической передаче со средним качеством скорость цифрового потока равна 252,586 кбит/с.

4. I1 – почти мгновенное компандирование с преобразованием 14/10 бит/отсчет и слабый уровень защиты от ошибок. Блок содержит кодовые 11-битовые слова 64 отсчетов (при стереопередаче 32 отсчета левого и 32 отсчета правого каналов). В начале блока расположено свободное поле из 16 бит для будущего использования. Общая дли­тельность блока 720 бит (90 байт). Скорость передачи цифрового пото­ка 377,753 кбит/с при высококачественной монофонической передаче и 753,253 кбит/с при высококачественной стереопередаче; при монопере­даче среднего качества скорость цифрового потока равна 190,003 кбит/с.

Заметим, что 90-байтный блок при передаче полностью размещает­ся в одном пакете, а три блока по 120 байт каждый передаются в четы­рех последовательных пакетах. Иначе говоря, для 120-байтных блоках его части находятся в двух смежных пакетах (рис. 18.8). Кроме того, при передаче с высоким качеством частота дискретизации ЗС составля­ет 32 кГц при полосе частот 40.. .15 000 Гц; при передаче со средним качеством fд = 16 кГц и полоса частот ЗС составляет 7 кГц. Перед кодированием ЗС подвергаются предыскажению в соответствии с Ре­комендацией J.17 МККТТ.

В каждой строке перед сигналом изображения передаются: сло­во синхронизации строки (6 бит) и информационные данные (напри­мер, ЗС), занимающие в общей сложности 99 бит. При этом данные и ЗС передаются в строках 1 – 623, а 624 и 625 строки используют­ся для других целей.

Одна видеострока (длительностью 64 мкс) разделяется с помощью опорной тактовой частоты 20,25 МГц на 1296 тактовых периодов (ТП) или 1296 временных интервалов. Из 1296 ТП отведено: 209 – для передачи 105 бит данных и синхронизации; 4 – фиксации конца пере­дачи потока данных; 15 – фиксации 0,5 В (середина сигнала); 10 – перехода к разностному сигналу цветности; 349 – передачи разностно­го сигнала цветности; 5 – перехода от разностного сигнала цветности к сигналу яркости; 697 – передачи сигнала яркости; 7 – перехода от сигнала яркости к цифровым данным.

В каждой строке 105 бит цифровых символов передаются в интер­вале 10,32 мкс. В качестве строчного 6-битового слова синхронизации применяются попеременно преамбулы бифазного кода W1 и W2, кото­рые меняются от строки к строке, а также от одного полного изобра­жения к другому.

Внутри полного кадра изображения с 625 строками (1/25 с) в си­стеме D2-MAC передаются 82 пакета данных с 751 битами в каждом. В строке 623 не использованы 95 бит, строки 624 и 625 содержат осо­бую информацию. В течение одного кадра передается в общей слож­ности 61582 бита.

Рис. 18.8. Передача 120-байтных блоков данных в четырех после­довательных пакетах

Строка 624 содержит данные, начиная лишь с такта 144. Первые 32 бита отведены слову-маркеру EAF392F, которое устанавливает поло­жение для фиксации. Затем следуют опорные сигналы, например, для автоматической регулировки уровня, которые могут отличаться для чет­ных и нечетных изображений: от такта 210 до 372 – уровень серого, от 372 до 534 – уровень белого, от 534 до 696 – уровень черного.

Строка 625 содержит только цифровые служебные данные с силь­ной защитой от ошибок сокращенными кодами БЧХ (71,57) и (94,80), получаемыми соответственно из кода БЧХ (127,113). В ней представле­ны кодовые слова синхронизации изображения, идентификации спут­никового канала, часовое время, дата и информация к конфигурации приемника. Здесь же передается информация о способе передачи звука, примененном для этого случая способе скремблирования, а также дан­ные VPS (видеопрограммная система) и указание, если передается теле­текст, информация для строчной и кадровой синхронизации разнообраз­ная информация в виде обычного текста для отображения ее, например, на экране ТВ приемника и другая необходимая служебная информация.

Во время передачи звуковых блоков (BC1 и ВС2) передаются также блоки интерпретации В1, различаемые с помощью байта типа, предваря­ющим каждый из этих блоков. Блоки В1 содержат следующую инфор­мацию: о полосе частот и частоте дискретизации ЗС, признаке моно- или стереопередачи, виде квантования – линейное или с применени­ем почти мгновенного компандирования, способе защиты от ошибок– простая или сильная, о сигналах тревоги, а также новейшую инфор­мацию последних минут и др.

Все передаваемые служебные данные, данные управления и допол­нительная информация постоянно повторяются. Время доступа к ин­формации зависит от относительной ошибки в канале и частоты повто­рения. При вероятности ошибки 10~³ время доступа к информации, передаваемой в 625-й строке, составляет около 0,1 с, а среднее время доступа к важнейшей информации не превышает 1 с.

18.4. DSR – цифровое спутниковое радиовещание

На международной радиовыставке в 1989 г. в Берлине впервые бы­ло показано цифровое спутниковое радиовещание DSR (Digitale Satelliten Radio). При DSR в общем цифровом потоке со скоростью 20,48 Мбит/с передаются 16 стереофонических или 32 монофонических сигнала ра­диовещания. В настоящее время программы DSR передаются через TV-SAT 2 (19° западной долготы) на частоте 11,977 ГГц с левой по­ляризацией, DFS-3 Kopernikus (23,5° восточной долготы) на частоте 12,625 ГГц с горизонтальной поляризацией, в немецкой кабельной се­ти на частоте 118 МГц и швейцарской системе направленной радио­связи GAZ (Gemeinschafts Antennen Zubringernetz). Суммарная ширина полосы частот радиоканала в системе DSR составляет 14 МГц. Так как спутниковые каналы имеют обычно ширину полосы частот 27 или даже 36 МГц, то передача через спутниковые каналы в той части, которая ка­сается требуемой полосы пропускания, не имеет проблем. При выборе меньшей полосы частот радиоканала ориентировались прежде всего на пропускную способность каналов кабельных сетей.

Рассмотрим основные особенности структуры кода цифрового сиг­нала (рис. 18.9) системы DSR.

Исходный ЗС в аппаратной РД дискретизируется с частотой 48 кГц и кодируется с равномерным 16-битовым разрешением. Далее он преобразуется в ЗС с полосой частот 40... 15000 Гц с разрешением 14 бит/отсчет при частоте дискретизации 32 кГц. При этом для преобра­зования 16-разрядных кодовых слов в 14-разрядные, предназначенные для передачи, используется уже изложенный ранее метод с плавающей запятой.

Напомним лишь, что масштаб­ный коэффициент, на передачу которого отводится 3 бита, добавляется к выборке из 64 отсчетов ЗС и определяет, сколько битов, следующих вслед за первым знаковым битом Yi во всех кодовых словах выборки имеет то же самое значение, что и знаковый бит. Нет необходимости передавать такие избыточные сигналы. Эти биты можно определить с помощью масштабного коэффициента, сдвинув после этого все зна­чащие биты в сторону знакового. Это позволяет передать при малых уровнях 15-й и 16-й биты кодовых слов. На приемном конце с помощью масштабного коэффициента биты в кодовых словах выборки сдвигаются в их первоначальное положение, восстанавливая исходные 16-битовые кодовые слова отсчетов ЗС.

В системе DSR вся информация, предназначенная для передачи к приемнику, объединяется в два основных кадра А и В, каждый из них содержит цифровые сигналы 16-ти звуковых каналов и всю информа­цию, необходимую для их выделения, управления и защиты от ошибок. При этом стереофонические сигналы программ 1-8 (римские цифры) содержатся в основном кадре А, а стереофонические сигналы программ 9–16 (римские цифры) в основном кадре В.

Каждый основной кадр (рис. 18.9,а) содержит 320 битов, что при частоте повторения кадров 32 кГц приводит к скорости передачи дан­ных 10,24 Мбит/с. Кадр начинается с 11-битового слова синхронизации (Sync А или Sync В), за которым следует 1 бит (S) специальной сервис­ной службы и затем четыре звуковых блока по 77 битов каждый. При этом первая и вторая пары этих 77-битовых блоков передаются с перемежением битов, что устраняет эффект дублирования ошибок в приемнике в случае, когда используется дифференциальная модуляция. Перемежение битов в последовательно следующих парах 77-битовых блоков рас­пределяет ошибки при приеме по разным программам, что уменьшает частоту их появления в каждом канале и возможность их слуховой заметности. В каждом таком 77-битовом блоке содержатся данные двух стереопрограмм (или четырех монофонических программ). Номера про­грамм обозначены римскими цифрами над блоками. Один основной кадр передается за 31,25 мкс.

Рис. 18.9. Структура основного кадра (А и В) в системе DSR: о– основной кадр А и В; б – звуковой 77-ми битовый блок; в – информацион­ный кадр 21; д – специальный сервисный кадр SA; г – специальный сервисный суперкадр SAU

Основной кадр А начинается с 11-битового слова синхронизации – последовательности кода Баркера вида 11100010010; основной кадр В начинается с инверсной последовательности кода Баркера 00011101101. Применение синхрослов с кодом Баркера в основных кадрах А и В по­зволяет осуществлять в приемнике корреляционный анализ, обеспечивая точное восстановление в приемнике фазы тактовой частоты, определять ошибки, связанные с потерей синхронизма (пропуск кадра и проскальзывание бита), а также четкое разделение при демодуляции двух потоков в основные кадры А и В, даже в случае дифференциальной демодуляции.

Для обнаружения и исправления ошибок внутри 77-битовых блоков (рис. 18.9,6) в начале следуют друг за другом 11 самых старших раз­рядов (MSB) 14-битовых кодовых слов сигналов левого – Л1, правого П1, левого Л2, правого П2 каналов соответственно первой и второй стерео­программ (всего 11х4 = 44 бита), после которых идут 19 проверочных битов (ВСН) кода БЧХ (63,44). Другими словами, 44 информацион­ных бита и 19 проверочных битов (ВСН) образуют 63-битовое слово в коде БЧХ (63,44). Далее в блоке из 77 битов следуют два дополнитель­ных информационных бита ZI(I) и ZI(II), передающие информацию о значении масштабных коэффициентов ЗС первой (1) и второй (2) сте­реопрограмм и информацию, относящуюся к программе (PI). Последни­ми в блоке следуют по 3 младших значащих бита (LSB), передаваемых в нем кодовых слов четырех сигналов –П1, Л1, П2, Л2. Отметим, что бит ZI(I) всегда относится к первому, а бит ZI(II) – ко второму сте­реофоническому каналу (программе).

Код БЧХ (63,44) позволяет в защищенной части (первые 44 би­та) 63-разрядных кодовых слов кода БЧХ (63,44) опознать и испра­вить две ошибки и дополнительно, по крайней мере, три ошибки опо­знать и замаскировать, интерполируя между последующим и предыду­щим значениями отсчетов. При наличии большой емкости памяти в приемнике можно полностью исправить даже три ошибки. Кодовые слова кода БЧХ полностью описываются его генераторным полиномом

G

8

(x) = X¹⁹ + X¹⁵ + X¹⁰ + X⁹ + X + X⁶ + X⁴ + 1.

Напомним, что проверочное (контрольное) 19-битовое кодовое сло­во образуется делением по модулю 2 44-битового слова аудиоданных на генераторный полином G(x). Три низкозначимых младших бита 14-разрядных кодовых слов сигналов Л₁, П₁, Л₂, П₂ передаются в 77-битовых блоках незащищенными, так как ошибки в их приеме прак­тически не слышимы.

Дополнительные информационные биты ZI(N), где N – номер программы, при передаче 64 основных кадров образуют дополнитель­ный информационный кадр ZI (рис. 18.9,б), содержащий 64 бита, пе­редаваемые в течение 2 мс. В кадре ZI трижды попарно передаются масштабные коэффициенты (SKF) соответственно для отсчетов сигна­ла левого Л1 и правого П1 канала первой стереопрограммы. Значение каждого масштабного коэффициента кодируется 3 битами. Он форми­руется из выборки, состоящей из 64 отсчетов ЗС в каждом канале. Пара масштабных коэффициентов отсчетов левого Ai и правого Hi сигна­лов каждой программы защищена от ошибок кодом БЧХ (14,6), обра­зуемым из сокращенного кода БЧХ (15,7), генерируемого полиномом

G(x) = X⁸ + х⁷ + х⁶ + х⁴ + 1.

Для защиты в этом случае требуется восемь проверочных битов (ВСН). Кодом БЧХ (14,6) защищаются одновременно значения мас­штабных коэффициентов сигналов -Tli и Hi, содержащие в сумме 6 би­тов. Каждая пара защищенных масштабных коэффициентов передает­ся последовательно 3 раза. Последние 22 бита кадра дополнительной информации зарезервированы для будущих передач информации, от­носящейся к программе PI.

Биты S сервисной (или особой) службы после прохождения 64 основных кедров (в каждом основном кадре А и В передается один бит этой службы) образуют специальный сервисный кадр SA (рис. 18.9,3), состоящий из 64 битов. Восемь таких кадров SA образуют суперкадр специальной сервисной службы SAU (рис. 18.9,г). Он содержит 512 бит, передается со скоростью 32 кбит/с, время передачи кадра SA составляет 2 мс и кадра SAU 16 мс. В кадре SAU передается дополнительная сервис­ная информация: опознавание программы (моно/стерео; речь/музыка);

номер стереофонической программы (канала); жанр программы (изве­стия, религиозная, спорт, учебная программа и т.д. всего до 15 разно­видностей) для всех звуковых каналов.

Часть емкости D1 и D2 (рис. 18.9,д) в каждом кадре SA пока не опре­делена: она зарезервирована для будущих применений. Каждые 16 мс сервисная информация повторяется.

Рис. 18.10. Четырехпозиционная фазовая модуляция несущей: а– значения фазы несущей на выходе модулятора 4-ФМ в зависимости от сочетания символов во входных цифровых сигналах А и В; б – структура модулятора 4-ФМ сигнала; в, г – изменение формы и фазы сигнала на выходе модулятора

Для однозначной корреляции пе­редаваемых в суперкадре SAU сообщений каждый 64-битовый кадр SA специальной сервисной службы начинается с 16-битового синхронизи­рующего слова, а вся дополнительная информация содержится в шести кодовых группах по 8 битов каждая. В первом кадре сервисной (или осо­бой) службы используется синхрослово Sync 1 вида 0000010111001111, а в остальных семи кадрах - синхрослово Sync 2 вида 0000010111111111. Кроме того, в суперкадрах SAU через каждые 256 мс передается дру­гая сервисная информация, например имя передатчика. В случае сте­реофонического радиовещания вся сервисная информация передается в левом канале РА-Л стереопары.

Сформированные цифровые потоки А и В должны быть с возможно большей эффективностью переданы по радиоканалу к приемнику.

С целью эффективного использования полосы частот спутниково­го радиоканала, высокой помехоустойчивости радиоприема и получения достаточно малой стоимости приемного устройства в системе DSR для модуляции выбран способ 4-ФМ (4 PSK – 4 fach Phase Shift Keying) с четырьмя возможными состояниями фазы несущей 45, 135, 225 и 315° (рис. 18.10,а). Показанные здесь состояния фазы несущей соответству­ют четырем возможным сочетаниям символов в двухразрядном числе АВ: 00, 01, 11, 10. Таким образом, можно одновременно передавать два бита А и В. До модуляции цифровые потоки А и В скремблируются (СК), а после этого подвергаются дифференциальному кодированию (ДК).

Р ис. 18.11. Скремблирование в основных кадрах А и В

Скремблирование применяется для более равномерного распреде­ления энергии в полосе частот радиоканала. Оно позволяет также эф­фективно восстанавливать режим синхронизации в паузе модуляции и необходимо для устранения возможности случайного появления цифро­вых последовательностей, соответствующих словам синхронизации, при передаче постоянно изменяющихся во времени цифровых сигналов. В основных кадрах А и В слова синхронизации Sync A, Sync В и биты S сервисной службы (всего 12 бит в начале каждого основного кадра) не перемежаются и не скремблируются. Операции скремблирования под­вергаются 308 бит четырех звуковых блоков каждого из основных кадров (рис. 18.11). Скремблирование выполняется объединением цифровых потоков основных кадров А и В с псевдослучайной последовательно­стью, генерируемой с помощью 9-разрядного регистра сдвига с обратной связью (скремблирующий генератор на рис. 18.11). Генераторный по­лином имеет вид

Р(х) = х⁹ + х⁴ + 1.

Генератор создает двоичную последовательность длиной 2⁹ - 1 = = 511 битов, из которых 308, имеющих наименьшую вероятность имита­ции синхронизирующего слова основного кадра с кодом Баркера, исполь­зуются для кодирования. Последовательность в 308 битов определяется начальным словом инициализации вида r8, r7, r6,..., r0 = 010111101. Биты каждого основного кадра А и В, начиная с 13-го, суммируются по модулю 2 с псевдослучайной последовательностью в следующем поряд­ке: биты основного кадра А суммируются с содержимым ячейки r0, биты основного кадра В суммируются с содержимым ячеек г3 и r0 (рис. 18.11). После окончания скремблирования одной пары кадров происходит по­вторный старт генератора псевдослучайной последовательности от ука­занного выше слова инициализации и затем начинается скремблирование новой пары основных кадров А и В, также начиная с 13-го бита.

Далее скремблированный поток данных А' и В' подвергается диф­ференциальному кодированию ДК (рис. 18.10,6^, чтобы при радиопри­еме можно было использовать не только синхронную демодуляцию, но

и более простую разностную демодуляцию. Для этой цели два скремблированных потока А', В' в ДК объединяются, образуя две новые по­следовательности А" и В" на следующей основе:

где  – "исключающее ИЛИ"; Аn, Вn – логическое состояние в мо­мент n; An-1, Вn-1 – логическое состояние в момент n – 1, т.е. на бит раньше.

Два цифровых потока после дифференциального кодирования А" и В" каждый по 10,24 Мбит/с переключают фазы двух ортогональных несущих sint и cost, которые затем суммируются (см. рис. 18.10,6), образуя сигнал с модуляцией 4-ФМ (ФМ с четырьмя положениями фа­зы несущего колебания). Четырехпозиционная ФМ реализуется в дан­ном случае с помощью двух модуляторов M1 и М2, каждый из которых является двухпозиционным. Временная зависимость и векторная диа­грамма изменения фазы сигнала на выходе модулятора 2-ФМ (2PSK) (M1 или M2) представлены на рис. 18.10,в,г. В модуляторах M1 и М2 двум возможным символам 0 или 1 цифровых сигналов А" или В" на входе ставятся в соответствие два значения фазы несущей, сдвинутые друг относительно друга на 180°. После суммирования выходных сигна­лов m1 и М2, к которым подведены ортогональные несущие, получаем ФМ с четырьмя состояниями фазы (4-ФМ или 4PSK). Векторная диа­грамма состояний фаз в зависимости от сочетания значения пар симво­лов (0 и 1) двух цифровых сигналов А" и В" показана на рис. 18.10,а. Временная функция сигнала на выходе сумматора Е модулятора 4PSK описывается выражением

где Е – постоянная энергия сигнала Si(t); 0 = 2n/T – круговая часто­та; n > 0 – целое число; Т – длительность символа; i = 0, 1, 2,...,; М – 1 (М – число состояний фазы)

С пектр сигнала, излучаемого наземной станцией системы DSR, по­сле его формирования описывается выражениями

где τ = (2/20,48) • 10^–6 с – длительность двух битов (двойной бит); f – частота.

Рис. 18.12. Демодуляция сигнала 4-ФМ с устройством восстанов­ления несущей по методу Костаса

Проблема демодуляции такого сигнала при ФМ состоит прежде все­го в правильном определении фазы сигнала, искаженного при радио­приеме гауссовым шумом. Если в результате воздействия шума фазо­вый сдвиг принятого сигнала превысит значение ±π/М, то переданный сигнал будет принят с ошибкой.

Прием 4-ФМ сигнала можно осуществить как с помощью когерент­ного детектирования, заключающегося в определении на приемной сто­роне опорной фазы несущей посредством фазовой синхронизации при­емника и передатчика. Для создания опорной фазы в приемнике ис­пользуют схему, изображенную на рис. 18.12. С помощью управляемого напряжением опорного генератора УОГ получают два квадратурных ко­лебания (синусное и косинусное). В перемножителях сигналов ПС1 и ПС2 они перемножаются с входным сигналом, в результате чего на их выходах появляются сигналы I (синфазная компонента) и Q (квадра­турная компонента). Далее полученные сигналы еще раз перекрестно перемножаются в ПС3 и ПС4. Оба продукта перемножения поступают на сумматор S и затем проходят ФНЧ, на выходе которого имеем сиг­нал, пропорциональный разбалансу фаз несущей частоты передатчика и УОГ. Сигнал с выхода ФНЧ управляет частотой УОГ, обеспечивая режим фазовой синхронизации при демодуляции сигнала 4-ФМ. Диа­пазон захвата системы фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) огра­ничен значениями ±300 кГц.

Благодаря нестабильности генераторов частота сигнал DSR может изменяться на входе приемника (после его преобразования в конвертере) в пределах ±5 МГц, что требует дополнительной стабилизации частоты при ее преобразовании вниз. В результате синхронизации УОГ сигналы I н Q на выходах триггера Шмитта (TШ1 и ТШ2) с большим быстродействием выдают входные сигналы А и В для декодера DSR. В настоящее время большинство декодеров DSR выполнено на схеме SAA 7500 фирмы "Филипс".

Структурная схема тюнера для приема спутниковых программ ци­фрового радиовещания по системе DSR показана на рис. 18.13. Сигнал в полосе частот 950.. .2050 МГц, полученный после первого преобразо­вания частоты в наружном блоке (конвертере), с помощью кабеля под­водится к тюнеру, где усиливается и переносится преобразователем в область частоты 118 МГц при полосе ПФ, равной 14 МГц. Напомним, что такую полосу частот занимает сигнал системы DSR, в которой од­новременно передаются 16 стереопрограмм. Частота управляемого ге­теродина УГ управляется блоком автоподстройки частоты АПЧ. После преобразователя следует демодулятор 4-ФМ сигнала, на выходе которо­го выделяются два цифровых потока А и В, каждый со скоростью 10,24 Мбит/с. Далее идет устройство восстановления тактовой частоты УВТЧ. Правильная интерпретация цифровых потоков А и В и их правиль­ное декодирование возможно при синхронизации основных кадров. Для этого используется устройство синхронизации, которое выделяет слово синхронизации каждого основного кадра, как только оно появляется в потоке данных. При обнаружении слова синхронизации, генерируется импульс, который подтверждает синхронизацию и запускает местный (находящийся в тюнере) генератор частоты кадров.

В декодере выделенные последовательности кода БЧХ подвергают­ся декодированию с целью обнаружения и коррекции ошибок. В блоке демультиплексора, управления и выбора звуковых каналов цифровые потоки разделяются на составляющие в соответствии со структурой ко­да. После обработки из каждой составляющей выделяется информация, необходимая в конечном итоге для восстановления исходных 16-битовых кодовых слов каждого из сигналов Л и П, а также для получения инфор­мации сервисной службы. В декодере SAA 7500 аудиоданные выводятся как последовательно, так и параллельно.

При спутниковом радиоприеме обычно отношение несущей к шуму составляет С/Ш = 12... 16 дБ. Это приводит к частоте повторения оши­бок, изменяющейся в пределах 10^–4 ... 10^–7 . В системе DSR благодаря эффективной защите от ошибок еще допустимо значение 10^{– 2} (С/Ш < 10 дБ), если после коррекции ошибок их остаточная частота повто­рения не превышает 10^–5 , что соответствует в среднем одному щелчку в час. Неслышимы две интерполяции в секунду при частоте повторе­ния ошибки 10^–5 . Примененное 16/14-битовое цифровое кодирование с плавающей запятой имеет в этой связи то преимущество, что амплитуда помехи в тихих пассажах также мала.

18.5. DAB – цифровое звуковое вещание

Назначение системы DAB. В Европе планируется дополнить аналоговое стереорадиовещание с частотной модуляцией цифровой си­стемой радиовещания ЦРВ (DAB – Digital Audio Broadcasting). Система DAB предназначена для доставки высококачественных цифровых звуко­вых программ и данных, передаваемых наземными и спутниковыми пе­редатчиками в метровом (88... 114 МГц) и дециметровом (0,5.. .2 ГГц) диапазонах частот, а также распределяемых с помощью кабельных сетей и принимаемых автомобильными, переносными и стационарными при­емниками цифровых сигналов

Рис. 18.14. Изменение амплитуды напряженности электромагнит­ного поля в точке радиоприема от частоты

Она разработана с учетом реализации методов эффективного использования спектра и излучаемой мощности при частотном планировании наземной передающей сети, получившей название "одночастотная сеть" (ОЧС), а также с учетом применения маломощных ретрансляторов, работающих на единой частоте переда­чи и приема (gap filler) и обеспечивающих уверенный прием цифрового сигнала в "мертвых" зонах городов с разноэтажной застройкой. Эта система может быть реализована в виде спутниковой, а также в виде гибридной (смешанной) спутниково-наземной системы радиовещания с использованием простой практически ненаправленной приемкой антен­ны. Система DAB удовлетворяет необходимым требованиям совместной работы с другими службами радиосвязи.

Типичным для распространения сигналов MB является то, что эти сигналы попадают на приемник несколькими путями, т.е. не прямо, а обходными путями с запаздыванием по времени. Эти отражения от зда­ний, гор, разнообразных движущихся объектов и т.д. интерферируют с прямым сигналом и, конечно, же друг с другом. Следствием этого являются глубокие провалы амплитуды поля в точке приема для узких областей частот. Частоты провалов зависят от места приема (рис. 18.14). Провалы приводят к появлению помех, которые особенно заметны при мобильном приеме, например в автомобиле. Из-за малого количества предоставленных в распоряжение передатчиков радиовещания частот­ных диапазонов в международном масштабе договорились об их полосе и загрузке. Чтобы обеспечить прием на большой территории предла­гается вместо мощного центрального передатчика использовать мало­мощные пространственно рассредоточенные передатчики. Поэтому воз­никает проблема многолучевого приема. К настоящему времени уже накоплен большой опыт в области цифровой мобильной техники. Бла­годаря передаваемым контрольным сериям приемник может идентифи­цировать сигналы с различной задержкой и вновь сложить их после ее компенсации. Тем самым становится возможным не только устра­нение помех, вызванных многолучевостью, но и увеличение полезной мощности сигнала при радиоприеме.

Вместо большого числа обычных узкополосных каналов передачи в системе DAB используются широкополосные каналы с одновремен­ной передачей в них нескольких звуковых программ, сигналов данных, разнообразной сервисной информации.

Структура системы DAB. Упрощенные структурные схемы передающей (а) и приемной частей (б) системы DAB показаны на рис. 18.15. Входными сигналами системы DAB являются сигналы звуковых программ Audio1. Audio2,..., Audion, цифровые сигналы данных Daten1, Daten2,..., Datenn. Аналоговые звуковые сигналы поступают на АЦП, где преобразуются в цифровую форму с частотой дискретизации 48 кГц и разрешением 16 бит/отсчет. Далее каждый из них кодируется MPEG-кодером стандарта 11172-3 с целью компрессии цифровых аудиоданных. Далее все индивидуальные цифровые пото­ки мультиплексируются (Multiplexer) и затем объединенный цифровой поток, передаваемый со скоростью передачи 1,5 Мбит/с, поступает на COFDM-модулятор. Полученный на его выходе COFDM-сигнал перено­сится в требуемую полосу частот и полученный после этого DAB-сигнал излучается. На приемной стороне системы выполняются обратные пре­образования: принятый DAB-сигнал переносится смесителем СМ на про­межуточную частоту, далее он демодулируется в COFDM-демодуляторе, демультиплексируется, цифровые потоки, соответствующие звуковым программам декодируются в MPEG-дкодере, после чего подвергаются цифро-аналоговому преобразованию (ЦАП1 ЦАП2,..., ЦАПn). Выход­ными сигналами приемной части системы DAB являются сигналы зву­ковых программ Audio1, Audio2,..., Audion„ и сигналы данных Daten1, Daten2,..., Datenn.

Рис. 18.15. Упрощенные структурные схемы передающей (а) приемной (б) частей системы DAB

Цифровые потоки в системе DAB. Система ЦРВ предназна­чена для передачи множества звуковых сигналов вместе с сигналами данных потребителю (пользователю этой разнообразной информации). В передающей части системы DAB формируются три канала переда­чи цифровых потоков:

канал пользователя MSC (Маin Service Channel); используется для передачи звуковых сигналов программ радиовещания и цифровых данных, связанных с программами. Здесь общий цифровой поток разби­вается на множество субканалов, в каждом из которых производится индивидуальное помехоустойчивое кодирование (ПК) с помощью CRC-кода, скремблирование (СКР) и временное перемежение цифровых сим­волов (ВПС). В каждом субканале могут передаваться одна или несколь­ко компонент канала пользователя. Организация субканалов и каналь­ных компонент называется конфигурацией мультиплексирования (MSI). Канал пользователя образуется из фреймов CIF (Common Interleaved Frame) с перемежением, являющихся частью фрейма передачи;

канал быстрой информации FIC (Fast Information Channel); ис­пользуется для быстрого доступа к информации в радиоприемнике. Пре­жде всего по нему передается информация о конфигурации мультиплек­сирования (МСI – Multiplex Configuration Information), разнообразная сервисная информация SI и данные для быстрого доступа FIC, напри­мер сигналы гражданской обороны и т.п. В канале FIC не используется временное перемежение цифровых символов;

канал синхронизации (Synchronization Channel); используется вну­три передающей части системы для обеспечения функций демодуляции, а именно, синхронизация фрейма передачи, автоматическое управление частотой, оценка состояния субканалов и идентификация передатчика.

Цифровые потоки каналов FIC, MSC, общих данных поступают на мультиплексор фрейма передачи; после него на генератор символов ка­налов FIC и MSC, и затем после последнего мультиплексирования, где они объединяются с символами канала синхронизации – на COFDM-модулятор.

Кодирование звуковых сигналов в системе DAB. В кодере системы DAB стандарта MPEG-1 ISO/IEC 11172-3 (см. разд. 12.10) вход­ной ИКМ-сигнал со скоростью цифрового потока 768 кбит/с (с частотой дискретизации fд = 48 кГц и равномерным квантованием с разрешением 16 бит/отсчет) разделяется блоком цифровых полифазных цифровых фильтров (БПЦФ) на 32 полосные составляющие. Входной цифровой сигнал обрабатывается аудиофреймами. В Layer II один аудиофрейм образуют 1152 отсчета ЗС, что составляет 24 мс при fд = 48 кГц. Пре­имуществом полифазных фильтров является относительно малое время задержки сигнала при одновременной компенсации искажений, возни­кающих за счет интерференции сигналов в местах стыковки полос. К тому же их реализация не очень сложна. Все 32 полосы пропускания БПЦФ имеют постоянную ширину: ΔF=fд/(2n),

где fд – частота дискретизации звукового сигнала, n – число субполос. Если fд = 48 кГц, n = 32, то ΔF составляет 750 Гц. В каждой такой полосе имеется 16 спектральных компонент, если разрешение БПФ по частоте составляет 46,875 Гц (при fд = 48 кГц и длине выборки, равной1152 отсчетам ЗС, Layer II). После фильтрации следующие по времени друг за другом значения отсчетов ЗС в каждой отдельной полосе соби­раются в блоки. В Layer II блок каждой такой субполосы содержит 36 отсчетов ЗС. Блок делится на три части, называемые гранулами.

В каждой такой грануле, включающей 12 отсчетов ЗС, определяется максимальный отсчет, его значение является масштабным коэффициен­том SCF. Итак, для выборки, состоящей из 1152 отсчетов ЗС, в каждой субполосе имеем по три масштабных коэффициента, всего субполос 32, поэтому общее количество масштабных коэффициентов равно 3х32=96. Однако не все значения масштабных коэффициентов передаются. Зна­чения масштабных коэффициентов заданы таблицей. Поэтому макси­мальное значение отсчета в грануле сравнивается с набором табличных значений масштабных коэффициентов SCF. Из множества табличных значений выбирается из таблицы ближайшее большее значение. Оно и принимается как масштабный коэффициент гранулы субполосы n. Ко­дируются не сами значения масштабных коэффициентов. Каждому та­бличному значению масштабного коэффициента SCF соответствует свой индекс iscf, указанный в таблице. Последний представляет собой целое число, изменяющееся в пределах от 0 до 62. Значение индекса мас­штабного коэффициента iscf (0.. .62) кодируется 6-ю битами. При пере­даче индекса масштабного коэффициента первым передается бит MSb. Не все значения масштабных коэффициентов трех гранул могут переда­ваться. Предварительно вычисляются так называемые классы различий масштабных коэффициентов, определяемые как

где iscf1, iscf2 и iscf3– индексы значений масштабных коэффициентов для первой, второй и третьей гранул выборки субполосы n, dscf1 и dscf2 – классы различий первого и второго и соответственно второго и тре­тьего масштабных коэффициентов. Классы различий заданы таблицей. Определено 5 классов различий масштабных коэффициентов. Сочета­ния передаваемых масштабных коэффициентов заданы также таблично числами 0, 1, 2, 3, 4. Эти числа кодируются двумя битами, кодовое двухбитовое число, определяющее передаваемые масштабные коэффи­циенты, задано таблично. Могут передаваться либо один, либо два, либо три масштабных коэффициента. Цифра 4 говорит о том, что пере­дается только одно максимальное значение масштабного коэффициента гранул субполосы. Информация о количестве передаваемых масштаб­ных коэффициентов называется информацией по выбору масштабных коэффициентов SCFS, на ее передачу отведено два бита. Расчет зна­чений масштабных коэффициентов выполняется в БРМК. В Layer II в блоке из трех гранул (36 отсчетов) могут передаваться от одного до трех масштабных коэффициентов.

Информация о распределении бит по каждой из 32 субполос ко­дируется 4 битами Layer II. Она определяет число уровней квантования для каждой субполосы или, что тоже самое, число разрядов для коди­рования отсчетов ЗС в каждой субполосе. Для каждой субполосы (sb) число допустимых уровней квантования задается в стандарте таблицей. Оно зависит также от скорости передачи, для каждой скорости передачи (или группы скоростей) имеется своя таблица. Возможное число уров­ней квантования на каждую субполосу таким образом ограничено. С 27 по 31 субполосы биты не выделяются для скоростей передачи данных от 56 до 384 кбит/с. При скорости передачи 32 и 48 кбит/с биты не выделяются в субполосы от 8 до 31.

Кроме того, для каждой субполосы существует свое распределе­ние числа уровней квантования, например (скорости передачи 56,..., 384 кбит/с):

Подсчитаем количество бит, необходимое для передачи информа­ции о распределении бит по субполосам. Для каждой субполосы пе­редается только соответствующий числу уровней квантования индекс (указан в верхней части таблиц в стандарте ISO/IEC 11172-3), например для субполосы 26 значения индексов равны 1, 2 и 3 и число уровней квантования соответственно равно 3 (для индекса 1), 5 (для индекса 2) и 65535 (для индекса 3). Тогда кодовые слова для субполос будут иметь следующее количество бит:

для субполос (sb) 0, 1, 2	4 бита, всего 12 бит;
для субполос (sb) 3, 4,.... 10	4 бита, всего 4х8= 32 бита;
для субполос (sb) 11, 12,.... 22	3 бита, всего 3х12=36 бит;
для субполос (sb) 23, 24,.... 26	2 бита, всего 2х4=8 бит.

Таким образом, для кодирования информации о распределении бит по субполосам в аудиофрейме необходимо иметь в данном случае 12 + 32 + 36 + 8 = 88 бит Layer II.

В системе DAB информация о распределении бит по субполосам кодируется 4-мя битами, число различных ступеней квантования не пре­вышает 15 (15 разных вариантов для субполос 0, 1, 2 и 3, 4,..., 10; 7 вариантов для субполос с 11 no 22; 3 варианта для субполос от 23 до 26, в субполосы с 27 по 31 биты вообще не выделяются. Заме­тим, что в принципе возможны различные процедуры распределения бит по субполосам. Здесь использована стратегия минимизации отно­шения сигнал/маска SMR (см. разд. 12.10) в пределах звукового фрейма. Принцип, используемый при осуществлении процедуры распределения, состоит в минимизации общего отношения основного сигнала к маски­рующему сигналу в пределах звукового фрейма с учетом ограничения, которое состоит в том, что число используемых бит не должно превы­шать числа бит, доступного для этого фрейма.

При кодировании отсчетов ЗС (Layer II) в каждой субполосе исполь­зуется равномерное квантование отсчетов с шагом Δi, величина которого вычисляется из отношения SMR, найденного с помощью психоакустиче­ской модели, где SMR– допустимое значение уровня шумов квантова­ния в субполосе i, при котором шум еще маскируется полезным сигна­лом. Значение Δi, меняется от одной субполосы к другой. Для всех отсчетов внутри блока, состоящего из 36 отсчетов (Layer II) величина шага квантования Δi остается постоянной. Число ступеней квантования при кодировании отсчетов ЗС в субполосах составляет 2, где п может лежать в пределах от 2 до 15. Это значение для Layer II составляет 3, 5, 7, 9, 15, 31, 63,..., 65535. Заметим, что в Layer II одновременно об­рабатываются три блока по 12 отсчетов ЗС, то есть блок, состоящий из трех гранул. Итак, для Layer II в каждой субполосе аудиофрейма могут иметься 1-3

Рис. 18.16. Структура данных звукового фрейма системы DAB

з

n

начения масштабных коэффициентов.

Аудиофрейм системы DAB. Структура данных звукового фрей­ма системы DAB представлена на рис. 18.16. Он содержит дополнитель­ные части по сравнению с аудиофреймом стандарта ISO/IEC 11172-3 (см. разд. 12.13).

Аудиофрейм стандарта ISO/IEC 11172-3 представляет собой после­довательность цифровых данных, включающих:

служебную информацию (Header);

избыточные биты CRC-кода (CRC);

информацию о распределении общего числа бит по субполосам (подполосам) (Bit Allocation);

информацию о распределении масштабных коэффициентах (SCFSI);

значения масштабных коэффициентов (SCF – Scale Factor);

значения отсчетов полосовых сигналов; нормированных на МК (Subband Samples);

биты дополнительных (вспомогательных) данных (Ancillary data)

биты заполнения.

В системе DAB аудиофрейм дополнительно содержит байты для передачи данных PAD – информации, которая синхронна со звуковой программой и имеет непосредственное к ней отношение. Она состоит из двух частей: X-PAD и F-PAD. Данные F-PAD имеют постоянную длину, равную 2 байтам, здесь передается информация управления в реальном масштабе времени и данные с очень низкой скоростью передачи. Дан­ные X-PAD имеют переменную длину, они передают дополнительную ин­формацию, относящуюся к звуковой программе, например, поясняющий текст. Кроме того эта часть фрейма содержит также биты помехоустой­чивого кодирования значений масштабных коэффициентов (SCF-CRC).

Большую часть пропускной способности канала передачи занимает передача собственно отсчетов звукового сигнала. Около 10% от обще­го объема занимает информация о распределении бит и масштабных коэффициентов.

Заметность искажений, вызываемых компрессией данных, суще­ственно зависит от особенностей сигнала. При скорости 196 кбит/с на канал искажения практически незаметны при передаче любых сигналов. При скорости 64 кбит/с искажения уверенно замечаются на большин­стве сигналов. Скорость передачи 128 кбит/с на канал является ком­промиссом, в этом случае достигается приемлемое качество и стоимость трансляции, которая прямо пропорциональна скорости передачи.

Модуляция несущих частот в системе DAB. Структурная схема, поясняющая принцип формирования OFDM-сигнала, показана на рис. 18.17,а. Цифровая последовательность, поступающая с выхода мультиплексора 1 распаралеливается в блоке 2. После этого каждый из полученных цифровых потоков поступает на свой ФМ-модулятор (ФМ1, ФМ2,..., ФМn), на вторые входы которых поступают сигналы несущих (fн1, fн2... fнп). Переход от последовательной к параллельной пере­даче двоичных символов цифровой последовательности для n несущих частот условно изображен на рис. 18.17,б. Здесь ti – время, необходи­мое для передачи n двоичных символов (нулей и единиц); Ts – время передачи одного двоичного символа, очевидно, что Ts = (ti/n).

Итак, OFDM-сигнал состоит из n модулированных по фазе несущих. Интервал времени Ts, в течение которого осуществляется передача одного симво­ла с помощью каждой из n несущих, образует OFDM-символ. Для их уверенного разделения при радиоприеме между ними имеется так назы­ваемый "защитный интервал" длительностью ТG (рис. 18.18,а). Дли­тельность защитного интервала должна удовлетворять условию ТG≥d/c, где d – расстояние между передатчиками, с – скорость распростране­ния волны. При d = 60 км длительность защитного интервала должна быть не менее, чем 200 мкс.

Полученная совокупность ФМ-сигналов поступает на сумматор Е, на выходе которого и образуется OFDM-сигнал. Аббревиатура OFDM расшифровывается как " Orthogonal Frequency Division Multiplex".

Для передачи цифровых сигналов используется фазовая манипуляция с че­тырьмя состояниями фазы несущей (4-ФМ или QPSK-модуляция) так­же, например, как и в системах NICAM и DSR.

В системе DAB последовательность следования во времени симво­лов 1, 2, 3,..., n несущих fн1. fн2.---. fнn кодируется определенным образом. Можно говорить о кодированном перемежении во времени несущих частот fн1, fн2,…. fнп (рис, 18.19). В результате этого коди­рования образуется COFDM-сигнал и соответственно COFDM-символы, которые и передаются по радиоканалу системы DAB. Здесь аббревиатуpa COFDM расшифровывается как "Coded Orthogonal Frequency Division Multiplex".

П олоса частот радиоканалов для каждой из множества несущих fн1. fн2….,fнn показана на рис. 18.18,б. Жирной линией здесь изо­бражена полная полоса частот ∆fрк радиоканала системы DAB, со­ставляющая 1,54 МГц.

Рис. 18.17. К принципу формирования OFDM-сигнала: а–концеп­ция формирования OFDM-сигнала; б– преобразование последовательной цифро­вой последовательности символов в параллельную

Рис. 18.18. OFDM-сигнал с защитным интервалом (а) и его спектр {б)

Режимы работы и радиосигнал системы DAB. Для исполь­зования системы DAB в различных конфигурациях передающей сети и в широком диапазоне рабочих частот предназначены три режима пе­редачи. Передаваемый сигнал имеет фреймовую структуру длительно­стью 96 мс (mode I – режим передачи 1) и 24 мс (mode II и III – режимы передачи II и III).

Передаваемый фрейм сигнала DAB состоит из последовательности трех групп символов OFDM: символы канала синхронизации, символы канала быстрой информации FIC и символы канала MSC. Символы ка­нала синхронизации содержат нуль-символ и опорный фазовый символ.

Структура фрейма радиосигнала системы ЦРВ в укрупненном ви­де показана на рис. 18.20.

Рис. 18.20. Структура фрейма радиосигнала системы ЦРВ в укруп­ненном виде

Аудиоданные распределяются равномерно в общей сложности на 1536 различных несущих частот (рис. 18.21). К каждой стереопрограмме относятся таким образом несколько несущих частот, которые распре­делены по всей полосе частот DAB-сигнала и на которые биты аудиоданных распределяются пучками. Общая полоса пропускания радио­канала составляет 1,5 МГц. Если один или несколько узкополосных каналов несущих из-за помех выходят из строя, то это корректируется в приемнике вследствие избыточности при передаче. Для повышения помехозащищенности при передаче применены эффективные CRC-коды для защиты битов управления и высокозначимых битов информацион­ных символов. Каждая несущая модулируется цифровым сигналом со скоростью 2 кбит/с. Спектры продуктов модуляции отдельных несущих частично наложены Друг на друга, но вследствие ортогональности по­следних модулированные сигналы разделяются друг от друга без помех.

Рис. 18. 21. Принцип передачи сигналов по радиоканалу в системе DAB

Система DAB обеспечивает надежный прием звуковых программ в ситуациях, когда условия радиоприема и характеристики радиоканала непрерывно и достаточно быстро изменяются. Это позволяет говорить о высоких адаптивных свойствах системы цифрового радиовещания.

37