В рубрику "Оборудование и технологии" | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций
Юрий Ковалгин
Зав. кафедрой радиоприема, вещания и электромагнитной
совместимости СПбГУТ им. проф. М.А. Бонч-Бруевича
Цифровое радиовещание в России пока не стало реальностью. По сей день ведутся споры о том, какую систему лучше выбрать для нашей страны: DAB или DRM?..
Основание для работы на результат
В декабре 2005 г. департаментом массовых коммуникаций Министерства культуры и массовых коммуникаций Российской Федерации завершена разработка "Концепции развития телерадиовещания на период 2006-2015 гг.".
Сегодня на основании этой концепции Правительством РФ завершается разработка федеральной "Программы развития цифрового телерадиовещания в России на период 2006-2015 гг.", определяющей порядок, сроки, объемы инвестиций на решение следующих задач:
В упомянутой концепции определены объемы вложений на приобретение элементной базы (рис. 1). Однако разработка на ее основе федеральной программы выполняется без широкого обсуждения с научной общественностью, с предприятиями - производителями профессионального и бытового цифрового вещательного оборудования. К сожалению, круг предприятий, сфера их ответственности до сих пор не обозначены, отсутствует и необходимое для успешного выполнения данной национальной программы финансирование. Однако в Международном союзе телекоммуникаций (МСЭ, ITU) было официально объявлено, что этот переход должен быть полностью завершен к 2015 г. Выполнение данной задачи без должной организации и контроля над исполнением перечисленных видов работ осуществить невозможно.
Национальные системы массовых коммуникаций сегодня все в большей степени становятся частью глобальной мировой инфокоммуникационной системы с непрерывно возрастающим уровнем автоматизации, дистанционного управления оборудованием и контролем параметров качества отдельных объектов и систем в целом, с широким распространением систем мониторинга. В мире уже сформировались и активно продвигаются две разные платформы цифровых технологий для телерадиовещания:
Первая из указанных платформ продвигается Европой, вторая - США. Широкое использование алгоритмов компрессии цифровых аудиоданных, помехоустойчивого кодирования, высокоэффективных способов цифровой модуляции, принципиально новых методов автоматизированного сбора, обработки и представления информации лежит в основе быстрого продвижения цифровых технологий на рынке средств массовых коммуникаций. Немаловажную роль при этом играют:
В России распоряжением Правительства РФ от 25.05.04. № 706-р "О внедрении в Российской Федерации европейской системы цифрового телевизионного вещания DVB" была выбрана европейская платформа цифровых технологий в области телерадиовещания. Это правильный шаг, поскольку, как показали многочисленные тестирования, алгоритмы компрессии, разработанные и продвигаемые группой MPEG, европейским вещательным союзом EBU, ETSI, более эффективны по сравнению с алгоритмом А/52, применяемым в системе ATSC Dolby AC-3. Это важное и необходимое для широкомасштабного начала работ в данной области постановление позволяет завершить дискуссию о том, какая из двух цифровых платформ лучше, и сосредоточиться наконец-то на реализации решения.
Как известно, европейская платформа предлагает два стандарта цифрового радиовещания:
Проблема выбора: DAB или DRM?
С чего начать в первую очередь: с DAB или с DRM? Сегодня, с нашей точки зрения, имеется вполне обоснованный ответ на данный вопрос.
DAB
Система DAB появилась раньше. Ее стандартизация была завершена еще в 1997 г. Европейский проект "Эврика-147", направленный на внедрение этой системы в практику радиовещания, стартовал в 1992 г. Стандарт на систему DAB предусматривает ее использование в полосе частот выше 30 МГц. Особенности данного стандарта неоднократно освещались на страницах журнала "Broadcasting. Телевидение и радиовещание" и по этой причине здесь не рассматриваются. Однако стоит напомнить, что на первом этапе в системе DAB была применена компрессия цифровых данных в соответствии со стандартом MPEG-1 ISO/IEC 11172-3 Layer 2, который, как известно, распространяется только на звуковые сигналы монофонического (1/0) и двухканаль-ного стереофонического (2/0) радиовещания. Затем он был распространен и на передачу сигналов многоканальной стереофонии, таких, как 5.1 и т.п. Алгоритм компрессии не был изменен (Layer 2), но структура цифровых данных при этом уже стала соответствовать стандарту MPEG-2 ISO/IEC 13818-3 Layer 2. Обратная совместимость для цифрового потока была сохранена: стандартный декодер MPEG-2 может быть использован и для декодирования цифрового потока MPEG-1 ISO/IEC 11172-3 Layer 2. Пропускная способность радиоканала была увеличена до 2,4 Мбит/с, введен еще один четвертый режим работы. В системе DAB в одном радиоканале с полосой частот 1,536 МГц возможна передача нескольких радиопрограмм с разным качеством, включая и качество компакт-диска, и при разных форматах звука: моно (1/0), двухканальное стерео (2/0), пространственное звучание 3/2 (Dolby Surround, Dolby Pro Logic) и 5.1 (Dolby Digital). В качестве примера на рис. 2 показано распределение бит при кодировании звукового сигнала кодером Layer 2, заимствованное из журнала EBU Rev., № 246, April, 1991. Видно, что значительная часть доступных бит тратится на кодирование отсчетов звукового сигнала.
Напомним, что для высококачественного звукового сигнала с полосой частот 40-15 000 Гц при уменьшении скорости цифрового потока до 128 кбит/с на канал (Layer 2) искажения, вызванные компрессией цифровых аудиоданных, уже лежат вблизи порога слуховой заметности. При передаче сигналов стереопары это значение в случае прозрачного кодирования не должно быть ниже 196 кбит/с на канал. Исследования по оценке качества кодеков с компрессией цифровых данных, выполненные в России и за рубежом, позволяют представить общую картину деградации качества звукового сигнала при применении кодеков стандартов MPEG-1 и MPEG-2 Layer 2 (рис. 3). Здесь по оси абсцисс отложены значения скорости цифрового потока в кбит/с; по оси ординат - результаты оценки качества кодированных сигналов в сравнении с эталоном. В качестве тестовых сигналов использовались отрывки звучаний с компакт-диска EBU SQAM (Sound Quality Assessment Material Recording for subjective Tests), Cat. № 422 204-2. Он содержит отрывки звучаний, рекомендованные группой MPEG для оценки качества кодеков с компрессией цифровых аудиоданных. При проведении экспертиз и измерений кодированные сигналы сравнивались с эталонными (входными сигналами). Изменение качества оценивалось с помощью пятибалльной шкалы в соответствии с Рек. МККР 562-3 "Субъективная оценка качества звука" и Рек. ITU-R: "Метод
объективной оценки воспринимаемого качества звуковых сигналов", принятой в 2002 г. Здесь учтены также и данные публикаций авторитетных зарубежных источников. Результаты объективных оценок на рис. 3 получены А.С. Ивановым с помощью разработанной им программы оценки качества. Эти зависимости позволяют утверждать, что применение алгоритмов компрессии стандартов MPEG-1 и MPEG-2 Layer 2 при кодировании высококачественных звуковых сигналов требует пропускной способности канала при передаче одного сигнала не менее 128, а лучше 192 кбит/с. Для звуковых сигналов формата 5.1 это значение будет составлять в сумме около 640-960 кбит/с. Такое сокращение скорости цифрового потока с позиций сегодняшнего дня уже не следует считать перспективным.
Для передачи цифровых сигналов в системе DAB применяется модуляция COFDM/QPSK (Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing/Quadrature Phase Shift Keying), а также эффективное помехоустойчивое кодирование (сверточный код, временное перемежение логических фреймов) с несколькими уровнями защиты. О достоинствах и эффективности этих методов уже неоднократно писалось на страницах данного журнала. Заметим лишь, что эта технология вполне современна и сегодня.
Около 10 лет было потрачено на подготовку промышленного производства оборудования для системы DAB и на продвижение этой технологии. Процесс завоевания рынка на первых этапах шел медленно. Быстрое внедрение DAB началось лишь после 2001 г. Сегодня зарубежной промышленностью выпускаются в серийном производстве все виды каналообра-зующего и передающего оборудования для системы DAB: кодеры, мультиплексоры, модуляторы, радиопередатчики. Налажено массовое производство и всей номенклатуры приемной аппаратуры: стационарной, переносной, карманной с вполне доступной для потребителя ценой.
Система DAB живет и развивается, но есть определенные моменты, которые могут явиться причиной замедления ее распространения в мире уже в ближайшем будущем. Основным недостатком этой системы сегодня является уже устаревающая технология компрессии цифровых данных Layer 2, а также малая зона покрытия передающей станцией. Система DAB ориентирована на территории с большой плотностью населения, например на обслуживание крупных мегаполисов. Она малоэффективна для стран с малой плотностью населения и большой территорией, что характерно для России.
К сожалению, за все прошедшее время опытные зоны цифрового радиовещания в формате DAB в России так и не были организованы, хотя такие попытки предпринимались, и не раз. Конечно, это также является определенным недостатком.
DRM
Система DRM появилась значительно позже: консорциум DRM был образован в 1998 г, а стандарт DRM был передан разработчиками государствам -членам ITU лишь в 2003 г. Процесс его разработки занял около 5 лет. В настоящее время полностью завершены широкомасштабные работы, связанные с экспериментальным вещанием в этом формате. С 2003 г. экспериментальное вещание в DRM проводится и в России. Например, радиостанция "Голос России" в общей сложности ежедневно передает 30 часов программ на Европу, из них 18 часов в диапазоне средних волн и 12 часов на коротких волнах. Правда, пока это вещание на зарубежные страны. В планах ФГУП "РТРС" предусмотрено его дальнейшее расширение.
Сегодня в DRM работает уже более 40 радиостанций по всему миру. Результаты экспериментального вещания в этом формате подтвердили не только правильность выбранных технических решений, их высокую эффективность, но и обозначили ряд новых задач. Пока в этом своем варианте стандарт DRM распространяется на полосу частот ниже 30 МГц, и на первый взгляд кажется, что он удачно дополняет стандарт DAB. Наверное, в конечном итоге так и будет. Однако с областью распространения DRM все не так просто.
В отличие от DAB, в системе DRM применено несколько разных алгоритмов компрессии цифровых аудиоданных, включенных, как известно, в стандарт MPEG-4 ISO/IEC 14496-3 (рис. 4):
Выбор алгоритма компрессии происходит автоматически на этапе предварительного анализа выборки звукового сигнала.
Это гораздо более продвинутая и, что самое важное, значительно более эффективная технология сжатия цифровых аудиоданных. Она позволяет в общей сложности уменьшить скорость цифрового потока при кодировании высококачественного звукового с полосой частот 40-15 000 Гц до 22-24 кбит/с на канал. Об эффективности стандарта MPEG-4 ISO/IEC 14496-3 свидетельствуют следующие данные:
Применение технологии MPEG-4 ISO/IEC 14496-3 позволяет дополнительно (по сравнению с алгоритмом компрессии Layer 2) уменьшить скорость цифрового потока практически в 10 раз, что существенно экономит радиочастотный ресурс при передаче по радиоканалу. В действующем варианте системы DRM обеспечивается передача по радиоканалу с полосой частот 10, 18 и 20 кГц стереофонического сигнала, имеющего полосу частот каждого канала звука, равную 40-15 000 Гц при отсутствии при радиоприеме слышимых внешних помех.
В отличие от DAB, в системе DRM применена более эффективная модуляция - OFDM/QAM, а также сверточ-ное кодирование, перемежение как битов, так и QAM-ячеек, обеспечивающее, в конечном итоге, лучшее использование радиочастотного ресурса и более высокий уровень защиты от ошибок.
Еще одним достоинством системы DRM является узкая полоса частот радиоканала (4,5; 5,0; 9,0; 18; 20 кГц), что является необходимым условием успешного ее применения в диапазонах аналогового радиовещания с амплитудной модуляцией. В отличие от аналогового радиовещания, альтернативная ему система DRM обеспечивает передачу сигналов стереофонического радиовещания с качеством ЧМ-диапазона и без слышимых помех: прием здесь либо близок к идеальному, либо его нет вообще. При этом особенно эффективной из-за большой зоны обслуживания она оказывается для стран с большой территорией и малой плотностью населения, что как раз и свойственно России.
Определенным минусом системы DRM является недостаточный объем цифрового потока, выделяемого для передачи дополнительной информации (пока невозможна передача в реальном времени видеоинформации), отсутствие в настоящее время серийного производства соответствующей радиоприемной аппаратуры, невозможность передачи сигналов многоканальной стереофонии, широко распространенной в практике телерадиовещания. Для преодоления всех этих недостатков разработчиками стандарта DRM предприняты дополнительные шаги:
1. В настоящее время оба консорциума DAB и DRM объединили свои усилия в продвижении технологии DRM. Уже серийно выпускается полный комплект оборудования для передающей стороны: кодеки, мультиплексоры, модуляторы, собственно радиопередатчики. Разработана элементная база, налажено ее производство, подготовлены для серийного производства экспериментальные образцы бытовых приемников для населения. Более того, созданные образцы пригодны для приема сигналов в форматах AM, ЧМ, DAB, DRM. Зарубежные производители готовы наладить массовое производство приемной аппаратуры, что, несомненно, скажется и на ее цене, которая пока для формата DRM, к сожалению, все еще остается достаточно высокой;
2. Рост числа программ радиовещания, необходимых для передачи каналов, требует более эффективного использования радиочастотного ресурса. При этом именно формат DRM имеет неоспоримые преимущества: его внедрение не требует:
3. И, наконец, самое важное. В настоящее время ITU ведутся работы по продвижению технологии DRM в диапазон частот вплоть до 108 МГц. Это уже прямая конкуренция с форматом ЧМ и частично с DAB. Новый стандарт, расширяющий возможности использования формата DRM, должен быть разработан уже к 2008 г., а его практическое использование в традиционном для ЧМ-радиовещания диапазоне начнется с 2010 г. Очевидно, что при работе в этом диапазоне будет расширена полоса частот радиоканала (вероятно, до 50-100 кГц), что позволит с гораздо большей эффективностью передавать высококачественные программы стереофонического радиовещания, включая не только обычное стерео, но и форматы многоканальной стереофонии. Напомним, что для радиовещания в формате DAB выделен новый диапазон 174-230 МГц, поэтому нужно выполнить разработку этих частот.
При продвижении в диапазон метровых волн преимущества формата DRM по отношению к системе DAB станут очевидными и, по всей видимости, на время приостановят ее дальнейшее распространение, как это ранее произошло с системой NICAM, ставшей бесперспективной с появлением алгоритмов компрессии стандартов MPEG и с распространением цифровых дискретных систем многоканальной стереофонии.
4. С появлением новой версии стандарта DRM у формата DAB останется, пожалуй, одно преимущество: возможность передачи в реальном времени значительно большего количества дополнительной информации, включая анимацию, графику, видео и т.п. при более простой (уже освоенной в России) технологии сжатия цифровых данных, а также возможность передачи в одном радиоканале нескольких программ с разным качеством.
Все изложенное свидетельствует о том, что в России, где цифровое радиовещание пока не стало реальностью, лучше начать с внедрения системы DRM, в которой реализованы и уже подтверждены практикой более совершенные цифровые технологии.
Опубликовано: Журнал "Broadcasting. Телевидение и радиовещание" #4, 2007
Посещений: 13405
Автор
| |||
В рубрику "Оборудование и технологии" | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций
