1.4 Цифровое радиовещание

Основная тенденция развития радиовещания - повышение качества программ и увеличение их числа. С появлением ЧМ-вещания качество программ по сравнению с АМ-вещанием значительно выросло, однако в диапазоне частот 66-108 МГц может работать только относительно небольшое число радиостанций Внедрение цифровых методов обра­ботки сигналов в аппаратуру подготовки и формирования программ по­ставило задачу о создании цифрового радиовещания (ЦРВ), т.е. пере­вод на цифровые методы всех элементов от микрофона до радиопри­емника Технически реализовать цифровое радиовещание можно раз­личными способами Любой способ должен отвечать следующим основным требованиям.

- не создавать помех существующему аналоговому вещанию,

- обеспечивать качество звука на уровне компакт-диска;

- передавать в полосе 1,5 МГц до шести стереопрограмм с дополни­тельной информацией,

- обеспечивать вещанием большую территорию путем организации одночастотных сетей или непосредственного спутникового вещания;

- принимать программы наземного и непосредственно спутникового вещания радиоприемниками с ненаправленными штыревыми антеннами,

- быть устойчивым к воздействию помех, в частности помех многолу­чевого распространения;

- уверенный прием автомобильными приемниками в условиях города;

- наличие каналов передач информации ограниченного доступа,

-возможность использования универсального приемника для приема по различным каналам распространения.

Из многих предлагавшихся систем в полной мере отвечает всем пе­речисленным требованиям одна, называемая DAB (Digital Audio Broadeasting). Эта система разработана в рамках международного проекта Эврика-147» в 1994 году. Система «Эврика-147/DАВ» принята Европейским радиовещательным союзом и рекомендована для внедрения во всем мире.

Работает система «Эврика-147» следующим образом (рис.5) [7]

Цифровые сигналы с выхода студии (звуковые и дополнительные данные поступают на кодеры звуковых сигналов и данных). Для кодирова­ние звуковых сигналов применяется способ полосного кодирования МUSIСАМ с учетом эффектов маскировки, свойственных человеческо­му слуху. Благодаря этому удается снизить скорость цифрового потока

Рис.5- Функциональная схема одного канала передающей части систе­мы «Эцрика-147».

1 — вход звукового сигнала, 2 — вход канала данных, 3 — кодер, 4 — канальный кодер 5 — блок временного перемежения, 6 — кодер данных, 7 — канальный кодер, 8- блок временного перемежения, 9 - мультиплексор, 10 - синхрогенератор, 11- блок частотного перемежения и COFDM, 12 - FIC, 13 - кон­троллер мультиплексора, 14 - передатчик

стереоканала в восемь раз по сравнению с цифровым потоком студий­ного стандарта. Это значит, что если на входе кодера цифровой поток 16х48х2 10³ бит/с = 1536 кбит/с, то на выходе будет 192 кбит/с. При таком цифровом сжатии сохраняется качество звука на уровне компакт-диска. Система предусматривает работу с еще большим сжатием, но с ухудшением качества Установлены следующие значения скорости цифрового потока (на моноканал): 32, 48, 56, 64, 80, 96, 112, 128, 162 и 192 кбит/с. Это дает возможность организовать в одном цифровом ка­нале до 20-ти монофонических программ. Качество при этом будет не студийным, но приемлемым для многих применений.

Алгоритм кодирования MUSICAM предусматривает деление звуково­го сигнала с помощью фильтров на сигналы 32-х частотных полос Для улучшения учета эффекта маскирования параллельно с фильтрацией про­изводится быстрое преобразование Фурье цифрового звукового сигна­ла. В результате для каждого из 32 сигналов устанавливается минималь­ный порог маскирования, который определяет максимально допустимый уровень шума квантования. Если сигналы полос маскируются компонен­тами сигнала следующих полос, то информация о них не передается. Для правильной работы декодера к звуковому сигналу добавляется допол­нительная информация, и в результате формируется единый цифровой поток. Кроме этого, в общий цифровой поток вводятся данные о виде программы, другая служебная информация. После звукового кодера циф­ровой поток поступает в канальный кодер и в блок временного перемежения. В канальном кодере выполняется сверхточное кодирование с вве­дением избыточной информации для повышения помехоустойчивости при передаче по каналам связи. Временное перемежение отсчетов так­же повышает помехоустойчивость за счет устранения пакетов ошибок, возникающих в условиях быстро изменяющихся условий приема (в дви­жущемся автомобиле).

После кодирования и перемежения сигналы поступают в мультиплек­сор, в котором формируются группы отсчетов (циклы) определенной дли­тельности. На выходе мультиплексора скорость цифрового потока мо­жет доходить до 230 Мбит/с. Для управления работой мультиплексора предназначен контроллер мультиплексора, задающий режим мульти­плексирования и обеспечивающий сигнализацию мультиплексируемых программ. Для ускорения доступа к передаваемым сигналам при при­еме, информация о режиме мультиплексирования поступает по каналу быстрой информации FIC Поскольку эта информация не подвергается временному перемежению, то не возникает дополнительной задержки.

Цифровой приемник необходимо синхронизировать с передающей системой, поэтому передаваемый сигнал представляется в виде цик­лов с определенной последовательностью составных частей. В первой части находится информация для синхронизации, затем располагается информация, содержащаяся в программах, и служебная

Перед передачей сигнала в эфир он еще подвергается уплотнению с ортогональным частотным разделением COFDM (Coded Ortogonal Frequency Division Multiplex), и в него вводятся сигналы синхронизации от синхрогенератора. В процессе COFDM общий цифровой поток делит­ся на множество потоков с малой скоростью, которые затем модулируют фазу ряда несущих. За счет введения временного защитного интер­вала между следующими друг за другом символами многолучевое рас­пространение не приводит к искажениям информации.

Для того, чтобы при многолучевом распространении не было недопу­стимого ослабления дополнительных несущих, применяется еще частотное перемежение данных. Благодаря этому при ослаблении ряда несущих не будет искажений сигнала, поскольку сигнал будет восстановлен по оставшимся неповрежденным несущим.

Вешание по системе «Эврика-147» может вестись в диапазоне частот 30 МГц-ЗГГц в трех режимах 1, 2,3. Номинальный диапазон частот для этих режимов равен соответственно 30-375 МГц, 30-1500 МГц, 30-3000МГц. При работе в режиме 1. обеспечивается наибольшее разнесение передатчиков, что предпочтительно для организации сетей рас­пространения на большие площади. Режим 2 лучше использовать для местного вещания, 3 - для спутникового и кабельного вещания.

Схема упрощенного цифрового приемника системы «Эврика-147» приведена на рис.6.

Сигнал 1 с антенны поступает в тюнер для выделения нужного диапазона, усиления, частотного преобразования и фазовой демодуляции. После аналого-цифрового преобразования сигнал приходит на вход блока дискретного преобразования Фурье и дифференциальной демодуляции. В блоках частотного и временного деперемежения проводит­ся

Схема цифрового радиоприемника.

^ЩЮгчбр, 2—АЦП, 3 — демодулятор, 4 — блок деперемежения и коррекции ^muw6ic, S — декодер, 6 - интерфейс пользователя, 7 - системный контрол­лер, 8 - декодер данных

1.5 Состояние и перспективы развития...

деперемежение и коррекция ошибок С выхода этого блока сигнал направляется на вход декодеров звукового сигнала и данных. Звуковой декодер формирует стереофонические или монофонические сигналы Управление работой приемника, в соответствии с командами через ин­терфейс пользователя и информацией по каналу FIC, осуществляется системным контроллером.

1.5 Состояние и перспективы развития цифрового радиовещания

В истории развития цифрового радиовещания можно выделить два периода до 1994 года и после [8] В первый период велись интенсив­ные работы и были разработаны многие вещательные системы. Все они оказались нежизнеспособными Второй период ознаменовался разра­боткой в рамках международного проекта «Эврика -147» системы циф­рового радиовещания DAB «Эврика-147» полностью отвечает всем ос­новным требованиям ЦРВ передача, прием и распределение радио­программ по наземным, спутниковым и кабельным каналам, качество звука на уровне компакт-диска; охват вещанием больших территорий путем организации одночастотных сетей; передача в полосе 1 54 МГц шести стереопрограмм и дополнительной информации, возможность приема радиоприемником с ненаправленной штыревой антенной и в подвижных объектах; высокая устойчивость к воздействию помех и уве­ренный прием в условиях многолучевого распространения, возможность закрытия канала и др.

Система DAB позволяет оперативно изменять параметры уплотнения передаваемого сигнала, т.е. число и качество передаваемых стереопрог­рамм и объем дополнительной информации. Это значительно повышает экономичность системы и расширяет круг возможных потребителей Не­маловажно, что для охвата одной и той же территории необходима значи­тельно меньшая мощность передатчика по сравнению с ЧМ-вещанием. В систему заложена возможность создания универсального приемника для приема программ наземного, спутникового и кабельного вещания.

Реализация технологии «Эврика-147» осуществлялась во многих странах Европы, но общие темпы перехода от аналогового радиовещания к цифровому ниже, чем ожидалось. Охват территории Европы ЦРВ не сплошной, а в виде лоскутов.

Для иллюстрации положения с ЦРВ в Европе рассмотрим примеры действующих служб ЦРВ в трех странах Франции, Германии и Англии. Во Франции первые три цифровые радиостанции были лицензированы в 1996 году. К концу 1999 года охват цифровым радиовещанием достиг 25 млн. слушателей, которые могут принимать около 100 регулярных программ.

Правительство Германии в 1998 году приняло решение по переходу

От аналогового к цифровому радиовещанию Система «Эврика-147» принята в качестве официального стандарта В пятилетний срок предполагается довести охват до 90%, а за восемь лет - до 95%.

В Англии внедрение ЦРВ началось в 1995, и к концу 1998 года охват составил 60%.

Распространение ЦРВ хотя и медленно, но стабильно расширяется по мере развития передающей инфраструктуры. Ключевой момент здесь - недостаточная заинтересованность инвесторов. На ранней стадии развития ЦРВ был интерес и были инвестиции.

Экономическая ситуация с ЦРВ своеобразная. С одной стороны, в эту технологию уже вложены огромные деньги и их можно потерять, если прекратить работы. С другой стороны, сейчас не наблюдается инициатив коммерческого сектора радиовещания переходить к ЦРВ. Причин этому много. Известно, что переход на ЦРВ не позволит коммерческим станциям сразу расширить зону вещания Может иметь место даже сокращение охвата. Поэтому коммерческий сектор должен идти на рискованное вложение инвестиций. Сейчас нет и национальных вещателей с большими финансовыми ресурсами, готовых идти на риск вкладывания капитала в новую технологию, в производство радиоприемников. Существуют и другие причины осторожности коммерческого вещания по отношению ЦРВ.

СИСТЕМА «Эврика-147» отвечает всем требованиям ЦРВ. Однако с момента ее разработки появились другие альтернативные технологии, имеющие как преимущества, так и недостатки. Это обстоятельство вносит неуверенность потенциальных инвесторов, преодолеть которую можно только доведением до широкой общественности особенностей различных технологий, их функциональных и коммерческих возможностей. Недоверие к «Эврике-147» вызывает также и процесс ее постоянного совершенствования. Действительно, за последние 2-3 года «Эврика - 147» была доработана с целью интеграции ЦРВ с другими технологиями, такими как Интернет, мобильные телефонные системы GSM, UMTS (Universal Mobile Telecommunication System), навигационная GPS (Global Positioningy System). Ведутся работы по конвергенции ЦРВ и цифрового телевидения, по организации обратного канала для интерактивных применений. По мнению EBU, чтобы не сдерживать развитие ЦРВ, необходимою на несколько лет прекратить все улучшения, зафиксировать все характеристики спецификации технологии «Эврика-147» и воплотить в цифровых приемниках. Это позволит наиболее быстро вывести систему на широкий рынок. В течение этого времени необходимо проводить исследовательские работы, направления которых определяются состоянием ЦРВ и конкурирующих систем.

Среди конкурирующих с < Эврикои-147 систем наиболее совершенными можно считать DRM (Digital Radio Mondiale) DVB-T (DVB Terrestrial), Интернет, UMTS. Технология DRM разрабатывается в рамках организации DRM Consortium для дополнения и замены аналогового радиовещания в АМ-диапазоне на частотах ниже 30 МГц. Ожидается, что цифровая технология DRM значительно повысит качество звука и надежность вещания в диапазонах длинных, средних и коротких воли

Полная спецификация системы DRM еще не определена, однако уже достигнуто соглашение об использовании схемы со многими поднесущими OFDM (Ortogonal Frequency Division Multiplex) многоуровневого кодирования. Кодирование, скорее всего, будет основано на стандарте MPEG-4. Уже есть две опытные системы DRM представленные компаниями Thomcast и Deutche Telecom Поскольку система DRM имеет много общего с DAB можно будет разработать универсальный DAB/DRN приемник

После того как недавние исследования показали возможность при определенных условиях использовать систему наземного цифрового телевидения DVB-T не только для стационарного приема, но и для мобильного некоторые вещательные компании стали рассматривать DVB-T как возможную альтернативу DAB. Появилось также мнение о том что нет необходимости в разработке отдельной инфраструктуры для DAB Позиция же EBU состоит в том, что радиовещание это специфическая среда со своими собственными характеристиками и поэтому для ЦРВ необходима собственная цифровая платформа DAB и DVB-T две разные системы, предназначенные для разных целей и разных рынков. В то же время сближение различных технологий не только возможно но и необходимо. Мнение о том что DVB-T сможет заменить DAB и что в DAB нет необходимости ошибочно. Радиовещание это мобильная и портативная среда, а наилучшая технология для него «Эврика-147» Технически DVB-T может использоваться для мобильной радиовещательной службы. Но это нецелесообразно с точки зрения неэффективности использования радиочастотного спектра и экономически невыгодно. Однако в будущем обе системы могли бы использоваться для реализации мобильной интерактивной мультимедийной системы причем DAB в такой системе обеспечивала бы мобильность, а DVB-T большую информационную емкость Поэтому нужны исследования по сближению технологий DAB и DVB-T в части общности функций протоколов обмена данными и службой информации

В последние годы Интернет стал чрезвычайно популярным средством для передачи радиопрограмм в особенности музыки. Хотя Интернет радиовещание находится только на начальной стадии развития ecть признаки большого интереса к нему со стороны вещателей. Большинство европейских радиостанции имеют собственные сайты в Интернет. Пока главный недостаток Интернет радиовещания - дороговизна сетевых услуг. Тем не менее, крупные вещатели высоко оценивают возможности Интернет-вещания и не скупятся на инвестиции. Кроме значитель­ной стоимости, современное Интернет-радиовещание не отличается высоким и постоянным качеством звука. Одновременно слушать одну сможет ограниченное число слушателей обычно не более 1000-2000.

Развитие систем мобильной связи достигло такого уровня что они становятся конкурирующими для ЦРВ. На смену телефонной системы GSM идет универсальная мобильная телекоммуникационная служба UMTS. Эта служба предоставит такие новые услуги мобильным пользователям, как высокоскоростной доступ в Интернет мобильный видеотелефон, быстрая передача файлов с портативных компьютеров и персональных цифровых секретарей PDA (Personal Digital Assistant) Поэтому UMTS может сильно повлиять на радиовещание. Однако это еще не близкое будущее

Как известно, главным действующим лицом в радиовещании является слушатель. Следовательно, от обеспеченности слушателя цифровым приемником зависит судьба ЦРВ. В настоящее время производство цифровых приемников налажено, однако продажи их явно недостаточные. Причин этому несколько: недостаточная осведомленность потребителя, отвлекающий эффект других многочисленных изделии электроники, например, Мобильных телефонов DVB и др. недостаточная зона охвата ЦРВ, высокая цена цифровых радиоприемников. Сейчас уже есть основания для того, чтобы цифровые радиоприемники стали изделиями широкого рынка. Производители выпускают как автомобильные модели приемников, так и настольные и носимые. На середину 1999 года цена цифрового приемника составила 1300-3000 немецких марок. Можно ожидать, что цены на DAB-приемники, как на любые новые электронные изделия, будут быстро снижаться По различным прогнозам, рынок цифровых радиоприемников увеличится с 1 млн. в 1999 году до 5 20 млн. в 2005 году. Следует также не забывать и об очень популярных звуковых компьютерных платах для приема программ ЦРВ.

Цифровые радиоприемники это довольно сложные устройства и для развития производства и эксплуатации особенно важна их стандартизация. Организацией World DAB Forum сделаны значительные усилия по разработке и согласованию между производителями и вещателями обязательных и рекомендуемых характеристик приемников поколения. Предполагается, что не все функции и свойства должны поддерживаться в конкретном приемнике. Может быть широкий спектр моделей разного уровня выполнения по разной цене. К основным характеристикам и требованиям к цифровым радиоприемникам относятся работа при скоростях цифрового потока 24, 256 и 384 кбит/с и с уменьшенной в два раза частотой дискретизации, наличие корректора ошибок и памяти на 10 мин, идентификатора национальных признаков вещателя (язык, название страны, время и дата), дисплей должен иметь не менее двух строк по 16 символов и др. Рекомендовано включить DAB-приемник в стандартную автомобильную коммуникационную систему Предполагается, что приемники второго поколения будут отличаться от приемников первого поколения тем, что в них смогут использоваться вместо специализированных микросхем стандартные компьютерные микросхемы компьютерная память. Это позволит создать исключитель­но гибкую вещательную систему, в которой ЦРВ можно будет использо­вать в качестве прозрачного канала передачи данных.

Для успешного функционирования ЦРВ необходимо развивать соответствующие правовые аспекты, связанные с учетом национальных, экономических, культурных особенностей отдельных государств Опыт цифрового радиовещания показал, что для его развития необходима под­держка национальных правительств и межгосударственных организа­ций. Чтобы полностью использовать преимущества цифровой технологии, необходимо минимизировать неравенство отдельных элементов рынка, лицензирования и условий работы В Европе есть примеры по­лезного опыта, который можно распространять и использовать в качестве общих рекомендаций Например, в Англии с 1999 года предостав­ляются определенные льготы радиостанциям, переходящим на цифровое вещание. В частности, уменьшена плата за лицензию на цифровое вещание, причем, имеющаяся лицензия на аналоговое вещание авто­матически продлевается на 8 лет

Одним из вопросов, требующих регулирования, является соотношение программного материала и непрограммного По действующим правилам в Англии, до 20% емкости канала ЦРВ можно использовать для передачи данных. Во многих странах поощряется передача данных с целью усилить преимущество DAB над FM-вещанием, привлечь новых слушателей и провайдеров данных.

Отсутствие частотного спектра, предназначенного для ЦРВ, ощущается как значительный барьер В 1992 году для ЦРВ был отведен L-диапазон Каждая страна получила как минимум один частотный блок для национального вещания Однако во многих странах часть этого диапазона занят другими службами и не может использоваться для ЦРВ в ближайшие годы. В особенности не хватает частот для малых местных радиостанций, что создает дополнительные трудности в развитии вещательного бизнеса Сообщество вещателей, работающих на маломощных FM и АМ-радиостанциях, довольно многочисленно. Малые радиостанции расположены повсеместно и служат разным целям: например, студенческие радиостанции охватывают только университетский двор. Во многих странах малые радиостанции очень популярны среди определенной категории слушателей как недорогие службы новостей и информации местного значения. Однако переход таких станций на цифровую технологию затруднен. Дело в том, что система «Эврика-147» Предусматривает уплотнение нескольких радиослужб, хотя в принципе ее можно использовать только для одной стереофонической программы. В связи с этим World DAB Forum предлагает ограниченные частот­ные ресурсы распределять по радиокоммуникационным службам таким образом, чтобы максимально повысить общественный интерес и коммерческие выгоды.