6.2. Стандарты систем црв
6.2.1.Наземные системы црв
Наземные системы цифрового радиовещания сегодня активно вводятся в эксплуатацию во многих развитых странах. Принятые международные стандарты по системам ЦРВ определяют основные принципы их построения. Главной особенностью вводимых систем ЦРВ является то, что они должны функционировать в пределах тех частотных диапазонов радиоволн, которые уже выделены в международном сообществе для аналогового радиовещания. В связи с этим наземные системы ЦРВ делятся по диапазону рабочих частот до 30МГц и свыше 30МГц.
А. Система цифрового радиовещания drm
DRM (Digital Radio Mondiale) - современный стандарт цифрового радиовещания, реализуемого на частотах ниже 30 МГц (реально в диапазонах СЧ и ВЧ) с использованием AM радиопередатчиков [3]. Созданный в марте 1998 г., консорциум DRM насчитывает (по состоянию на апрель 2002 г.) 72 члена, включая Россию; инициатором работ является фирма THALES (Broadcast & Multimedia) со штаб-квартирой во Франции.
Консорциум DRM - некоммерческая организация, созданная для развития и продвижения системы DRM во всем мире. В состав организации входят радиовещательные компании, операторы связи, производители радиоприемников и передатчиков, а также научно-исследовательские институты; Россию представляют ФГУП РТРС и ГРК "Голос России". Главная цель, которую преследуют разработчики идеологии DRM, - резко улучшить качество вещания по сравнению с традиционным аналоговым радиовещанием в диапазонах средних и особенно коротких волн.
Рассмотрим особенности структурной схемы. В формате DRM предполагается передача цифрового радиосигнала (включающего также некоторый объем цифровых данных не звукового характера от отдельного источника) в канале, совмещенном с каналом аналогового радиовещания. При этом существует до 12 вариантов комбинирования спектров аналогового (с полосой 4,5...5 кГц) и цифрового (с полосой от 4,5 до 10 кГц) сигналов (в том числе предусмотрена и однополосная передача цифрового сигнала с сохранением в смежной полосе аналогового).
В общем виде услуга передачи данных представляет собой синхронную или асинхронную передачу потока информации, файла или пакета (или серии пакетов) данных. Передача текста входит в состав основной DRM-услуги, ограничиваясь использованием потока объемом 80 бит/с. Вид и объем услуг, а также используемый диапазон частот, в значительной степени определяют особенности построения системы.
Структурная схема системы передачи DRM представлена на рис. 6.2.
Рис. 6.2. Структурная схема передающей части системы DRM.
Особенности схемы связаны, прежде всего, с тем, что в формате DRM используются три цифровых канала:
• MSC - главный служебный канал (пользовательской информации), содержащий групповой цифровой поток;
• FAC - канал быстрого доступа (к файлу передаваемой информации) - первый канал мультиплексного потока данных, содержащий информацию, которую необходимо расшифровать (демультиплексировать) в приемнике в первую очередь;
• SDC - канал описания обслуживания - второй канал мультиплексного потока данных, который несет информацию, позволяющую расшифровать услуги, заключенные в общем потоке данных канала MSC, а также дает возможность найти дополнительные источники этих данных. Он может содержать также элементы одновременной аналоговой и цифровой (simulcast) передачи.
Обращаясь к схеме на рис. 6.2, легко видеть, что здесь присутствуют все обязательные элементы передающей части системы ЦРВ: кодер источника и перекодирующие устройства, скремблеры и кодеры во всех каналах, перемежитель), пилот-генератор - обязательный элемент любой цифровой системы передачи, обеспечивающий, в частности, когерентную демодуляцию сигнала, и наконец, совокупность блоков, реализующих модем COFDM (подобно тому, как это сделано в формате DAB, рассматриваемом ниже).
Кодер источника и перекодирующие устройства (транскодеры) - обеспечивают адаптацию входных потоков (данных) к соответствующему формату цифровой передачи. Исходное кодирование звука в кодере источника DRM предполагает использование трех вариантов высокоэффективного компактного представления (сжатия) передаваемого звукового вещательного сигнала. Цифровые потоки с выхода кодера источника и перекодирующего устройства данных содержат две части, требующие двух различных уровней защиты в кодере канала - нормального и высокого. Эта функция неравной защиты от ошибок (UEP) применяется с целью повышения помехозащищенности системы в "плохих" каналах. Все услуги, реализуемые в системе, характеризуются такими же двумя уровнями помехоустойчивой защиты.
Мультиплексор - комбинирует уровни помехоустойчивой защиты данных и звуковых сигналов в канале передачи.
OFDM-формирователь объединяет все приходящие цифровые потоки и размещает их на сетке "время-частота", a OFDM сигнал-генератор преобразует каждое множество OFDM-символов в соответствующую временную область сигнала, вводя при этом защитные интервалы.
Модулятор преобразует последовательность OFDM-символов (т.е. OFDM-сигнал) в аналоговый сигнал, излучаемый в эфир. Это действие завершает цифро-аналоговое преобразование и полосовую фильтрацию, которые должны обеспечить требуемую форму спектра излучения.
В стандарте введено понятие ячейка (cell) как обозначение отрезка синусоидального колебания, передаваемого с определенной амплитудой и фазой в течение некоторого времени Ts.
Каждый OFDM-символ - это сумма К таких отрезков колебаний – несущих (поднесущих), имеющих заданные значения, в общем случае, фазы и амплитуды и равномерно распределенных по частоте в пределах полосы радиоканала; при этом заданные значения параметров несущих остаются неизменными в течение всего времени существования символа Ts. Поэтому часто OFDM-символ определяют как элемент сигнала передачи системы для той части времени, в течение которой у каждой из несущих параметры модуляции (амплитуда и фаза) остаются неизменными.
Технология DRM предполагает очень высокую частотную и энергетическую эффективность радиосистемы передачи звукового вещательного сигнала - необходимая спектральная эффективность сигналов (модуляции) должна составлять не менее 4...5 бит/с/Гц (заметим, что эффективность сигналов ОФМ-4, применяющихся в системе T-DAB, не превышает 1,5 бит/с/Гц). Это достигается путем использования сигналов типа 16-КАМ и 64-КАМ - для модуляции большого числа одновременно излучаемых несущих.
Передача всех типов данных в системе осуществляется в трех цифровых каналах. Рассмотрим их назначение и структуру более подробно.
Главный служебный канал (MSC) содержит данные всех услуг, заключенных в DRM-сигнале. Таких услуг может быть от одной до четырех, причем каждая из них - это или звуковая программа, или данные. Скорость цифрового группового потока в канале зависит от выбранной полосы и способа передачи. MSC содержит от одного до четырех цифровых потоков. Каждый поток поделен на логические фреймы длительностью по 400 мс.
Цифровые потоки аудиоданных включают компрессированные аудиоданные и как необязательный компонент - данные текстовой передачи. В составе потоков данных может быть до четырех субпотоков, составленных из пакетов данных одной услуги. Здесь возможны различные комбинации, например: услуга звукового вещания может содержать один поток аудиоданных и поток или субпоток данных; услуга данных может состоять из одного потока данных или одного субпотока данных.
Каждый логический фрейм, как правило, состоит из двух частей, причем каждая из них со своим уровнем помехозащиты. Длительности этих частей устанавливаются независимо. Неравная защита от ошибок всего потока обеспечивается разным уровнем защиты частей логического фрейма. Логические фреймы от всех потоков отображаются вместе, чтобы формировать мультиплексный логический фрейм 400-миллисекундной длительности. Многокомпонентный групповой цифровой поток MSC состоит из последовательности мультиплексных фреймов.
Данные по конфигурации мультиплексирования содержатся в канале описания обслуживания SDC. Мультиплексирование может быть реконфигурировано и передано в границах суперфрейма. Реконфигурация мультиплексирования происходит:
-
при изменении параметров в канале FAC;
-
в случае изменения (вида) услуги.
Информация о новой конфигурации мультиплексирования проходит с опережением по времени по каналу SDC, а время изменения конфигурации отражается специальным индексом реконфигурации в канале FAC.
Канал быстрого доступа (FAC) используется для обеспечения оперативного просмотра информации о предоставляемых системой услугах и начала эффективного декодирования цифрового потока. Данные о параметрах канала (например, ширина занимаемого спектра, глубина перемежения) и об услугах, заключенных в мультиплексном цифровом потоке, позволяют декодировать информацию об услугах в первую очередь.
Каждый передаваемый фрейм включает в себя FAC-блок, содержащий параметры, которые характеризуют канал и описывают одну услугу, а также включают параметры канального кодирования CRC. В частности, код языка потенциальных клиентов состоит из четырех бит (16 вариантов), тип звуковой программы описан пятью битами (32 варианта) и т.д. В случае если в мультиплексном потоке содержится больше одной услуги, то для их описания требуется большее число FAC-блоков.
Канал описания обслуживания (SDC) содержит информацию, позволяющую расшифровать услуги, заключенные в общем потоке данных канала MSC, дает возможность найти дополнительные (альтернативные) источники тех же самых данных, а также указывает признаки услуг, заключенных в мультиплексном потоке.
Объем данных канала SDC изменяется в соответствии с шириной занимаемого спектра суммарного (мультиплексного) потока, а также в зависимости от других параметров. Объем данных канала может быть увеличен при использовании функции перехода на альтернативную частоту AFS. Такой переход может осуществляться без потери обслуживания с сохранением всех данных, которые передаются в канале, если эти данные изменяются квазистатически. Выполнение этого условия требует тщательного контроля данных в SDC-фреймах. Данные в канале SDC, как правило, передаются с использованием модуляции 4-КАМ.
SDC рассматривается как отдельный канал данных. SDC-блок содержит объем данных, заключенный в одном суперфрейме передачи. Общий объем данных, необходимых для передачи, может превосходить возможности SDC-блока. Наличие функции AFS позволяет решить эту проблему путем информирования приемника о передаче очередного SDC-блока и о переходе на альтернативную частоту. Действенность этой функции обеспечивается FAC-каналом, который передает в приемник информацию, подтверждающую или отрицающую факт смены частоты.
Система DRM предназначена для использования на любой частоте ниже 30 МГц при учете канальных ограничений и условий распространения радиоволн, свойственных этим диапазонам. Чтобы удовлетворить этим требованиям, применяются различные режимы передачи, которые определяются параметрами двух типов:
• шириной полосы вещательного сигнала;
• параметрами, характеризующими эффективность передачи.
Первый тип параметров определяет общую (суммарную) ширину полосы частот и структуру ее использования для одной передачи. Параметры, определяющие эффективность передачи, определяются компромиссом между емкостью канала (полезной цифровой скоростью передачи) и устойчивостью к шуму, многолучевости при распространении радиосигнала и эффекту Доплера.
Каждый режим передачи характеризуется определенным уровнем (модой) помехозащищенности передачи сигнала в системе. В свою очередь, требуемый уровень помехозащищенности диктуется условиями распространения радиоволн и обеспечивается надлежащим выбором параметров OFDM - символов (и, следовательно, модема COFDM). Таким образом, параметры OFDM-символов обеспечивают различные уровни помехозащищенности системы, т.е. режимы передачи в системе.
Типовые радиовещательные каналы на частотах ниже 30 МГц характеризуются полосой 9 и 10 кГц. Система DRM предусматривает организацию каналов:
• в пределах этих номиналов полосы - чтобы удовлетворять существующим частотным планам;
• в пределах половины этих номиналов полосы (4,5 и 5 кГц) - чтобы обеспечивать вещание, совместимое с традиционным аналоговым;
• в пределах удвоенных номиналов полосы (18 и 20 кГц) - для реализации большой пропускной способности канала - в тех случаях, когда это допускает частотное планирование.
При любой ширине полосы частот сигнала эффективность передачи определяется компромиссом между пропускной способностью (полезной величиной цифровой скорости передачи) и реально обеспечиваемой устойчивостью к шумам, многолучевому распространению и эффекту Доплера. Здесь играют определяющую роль две совокупности параметров:
• кодовая скорость (R) корректирующего кода и кратность используемой модуляции;
• параметры OFDM-символа, определяющие структуру этих символов, которая, в свою очередь, является функцией условий распространения радиоволн.
Величины кодовой скорости и кратности используемой модуляции зависят от желательной степени кодозащиты цифрового потока данных (с учетом вида и уровня сервиса, режима и вида передачи) и обеспечивают один или два уровня защиты одновременно.
Как отмечалось ранее, цифровой сигнал в формате DRM предназначен для использования в полосе вещания AM сигнала. Одновременную (аналого-цифровую) передачу как услугу, использующую DRM и AM вещание, могут представлять расположенные рядом по частоте аналоговый AM сигнал (в виде DSB, VSB или SSB) и цифровой сигнал системы DRM.
Рисунки 6.3 и 6.4 иллюстрируют возможные решения по передаче AM и DRM сигналов посредством использования одного передатчика. Режим совместной передачи (simulcast) может быть реализован и при использовании двух отдельных передатчиков, излучающих соответственно аналоговый и цифровой сигналы.
Рис. 6.3. Вариант совместной аналого-цифровой передачи
Рисунок 6.3 иллюстрирует возможный вариант, когда на опорной частоте DRM сигнала fR организуется один или два радиовещательных канала (шириной 9 кГц или 10 кГц и 18 кГц или 20 кГц), а на несущей частоте fc передается одно- или двухполосный AM сигнал. Заметим, что если при амплитудной модуляции на рисунке фактически представлен спектр одно- или двухполосного AM радиовещательного сигнала, то в случае с DRM - это группа несущих, т.е. сигнал COFDM.
Рисунок 6.4 иллюстрирует возможный вариант, когда на опорной частоте DRM fR организуется номинально половина канала, а на несущей частоте fc передается одно- или двухполосный AM сигнал.
Рис. 6.4. Вариант совместной аналого-цифровой передачи
Стандарт в этом случае требует, чтобы номинал опорной частоты DRM был кратен 1 кГц, а опорная частота DRM и несущая AM - были разнесены на 4 или 5 кГц.
В системе DRM предполагается использовать универсальное звуковое кодирование (ААС) и кодирование речи (CELP и HVXC). Для ощутимого повышения качества звука может быть также использован специальный метод повышения эффективности (высокочастотной реконструкции) звукового кодирования (SBR). Однако в настоящее время польза от SBR определена только при использовании со звуковым кодированием ААС.
Для универсального кодирования звука используется алгоритм MPEG-4 ААС - лучший среди подобных, пригодных для применения в системе DRM.
ААС цифровой поток в DRM-системе - это цифровой поток аудиостандарта MPEG-4, версия 2 (эта версия предназначена для использования в каналах с высоким уровнем помех). Из числа возможных типов звуковых кодеров (объектов стандарта ISO/IEC) только вариант помехоустойчивого ААС-кодера низкой сложности (LC) принадлежит к числу высококачественных алгоритмов кодирования, поэтому именно он будет использоваться в системе DRM. Среди возможных способов организации цифрового потока MPEG-4 ААС (версия 2) выбран помехоустойчивый вариант HCR (Huffman Codeword Reordering), характеризующийся минимальными чувствительностью аудиоданных к ошибкам в канале передачи и цифровой скоростью потока.
Подробное рассмотрение перечисленных методов кодирования звука, а также способов помехоустойчивого кодирования и модуляции в стандарте DRM здесь не приводится, поскольку всё это было выполнено в пособии [27].
В заключение добавим, что по сообщению немецких специалистов института IRT появилась возможность цифровизации выделенного для аналогового радиовещания FM диапазона технологией DRM+. Данная технология предусматривает эффективное использование выделенного радиочастотного спектра и является полностью цифровой. В пособии эта технология не рассматривается, так как в России пока не проводятся исследования по её применению. Кроме этого, как будет показано в следующем разделе, существуют уже активно реализуемые на рынке услуг технологии цифровизации FM диапазона, конкуренция среди которых уже высока. Следовательно, перспективы внедрения технологии DRM+ пока весьма неопределенные.