Контакты
Подписка
МЕНЮ
Контакты
Подписка

Эволюция эфирной системы цифрового радиовещания DAB, рекомендованной ITU-R для применения в полосе частот 174–240 МГц диапазона ОВЧ. Часть 1

В рубрику "Оборудование и технологии" | К списку рубрик  |  К списку авторов  |  К списку публикаций

Эволюция эфирной системы цифрового радиовещания DAB, рекомендованной ITU-R для применения в полосе частот 174–240 МГц диапазона ОВЧЧасть 1

В статье подробно рассматривается система цифрового радиовещания DAB (Digital Audio Broadcasting), а также ее более поздние модифицированные и расширенные версии, получившие названия DAB+ и DAB+/DMB
Юрий
Ковалгин
Сергей
Мышьянов

Система DAB

Одной из первых систем цифрового радиовещания (ЦРВ), рекомендованной ITU-R для применения в полосе частот 174–240 МГц и разработанной в рамках проекта Eureka-147, явилась система DAB (Digital Audio Broadcasting) [1]. Стандарт европейского института по стандартизации в области телекоммуникаций ETSI (European Telecommunications Standards Institute) на эту систему появился в 1997 году.

Изначально система DAB позиционировалась разработчиками только как система цифрового радиовещания (ЦРВ), предназначенная для передачи звуковых программ разного качества, сопутствующей им информации или просто цифровых данных. Она обеспечивает надежный прием и высокое качество звуковых программ в ситуациях, когда условия радиоприема и характеристики радиоканала непрерывно и достаточно быстро изменяются, например за счет многолучевости при движении автомобиля и сопутствующих селективных замираний.

Система DAB удобна для применения в крупных мегаполисах, а также в районах с большой плотностью населения, где выгодно построение одночастотной сети. Однако это не исключает ее применения и на региональном уровне, и просто в качестве отдельно работающих радиостанций, что также предусмотрено стандартом.

Структурная схема передающей части системы DAB показана на рис. 1. Входными сигналами системы DAB являются сигналы звуковых программ, сопутствующая звуковым программам информация, цифровые данные, информация быстрого доступа FIC, информация о конфигурации мультиплексирования MСI, разнообразная служебная информация. Аналоговые звуковые сигналы предварительно поступают на АЦП, где преобразуются в цифровую форму с частотой дискретизации 48 или 24 кГц. Первое значение используется для передачи высококачественных звуковых сигналов, второе – для передачи звуковых сигналов более низкого качества. Разрешение ИКМ при передаче высококачественных сигналов звукового вещания составляет 16–22 бита/отсчет, типичное значение 16 бит/отсчет. Далее каждый из входных сигналов звукового вещания (ЗВ) кодируется MPEG-кодером с целью компрессии цифровых аудиоданных. Компрессия первичных цифровых данных, их мультиплексирование и формирование трех основных цифровых потоков выполняются в контент-сервере системы DAB.


В системе DAB формируются три канала передачи цифровых потоков MSC FIC и SC (рис. 1).

Цифровой поток канала пользователя MSC (Main Service Channel). Он используется для передачи звуковых сигналов радиовещания и цифровых данных PAD (Programme Associated Data), связанных с программами ЗВ.

Цифровые данные PAD могут содержать информацию: об управлении динамическим диапазоном звукового сигнала; о типе программы (речь/музыка, джаз, опера, романсы); тексты песен; фото исполнителей; сведения о дорожной информации; спорт; новости и т.п. Скорость передачи данных PAD может варьироваться в пределах 65–667 кбит/с.

В канале MSC могут передаваться также и дополнительные данные (канал AIC), сервисная информация SI (Service Information), данные условного доступа. Условный доступ предполагает использование секретных ключей и криптографических алгоритмов.

Цифровой поток канала MSC разбивается на множество субканалов, в каждом из которых производится скремблирование (рандомизация), индивидуальное сверточное кодирование с равной (EEP) и неравной (UEP) защитой цифровых данных от ошибок, временное (цифровых данных) и частотное (ячеек модуляции DQPSK) перемежения.

Цифровой поток канала MSC состоит из логических фреймов CIF (Common Interleaved Frame) с временным перемежением, являющихся частью фрейма передачи. Логический фрейм CIF состоит из 55296 бит, передаваемых каждые 24 мс. Наименьшая адресуемая часть фрейма CIF содержит целое число так называемых единиц емкости CU (Capacity Units). Одна такая единица CU содержит 64 бита. Целое число CU составляет единицу передачи в канале MSC, называемую субканалом. Таким образом, канал MSC состоит из множества субканалов. Всего имеет место 864 единицы CU в каждом логическом фрейме CIF. Число субканалов в системе DAB равно 24, суммарная скорость цифрового потока в каждом из них не должна превышать 192 кбит/c, а скорость передачи аудиоданных – не более 174467–175400 бит/c в зависимости от выбранного значения частоты дискретизации 48, 32, 24 или 16 кГц. Предельная пропускная способность канала MSC составляет 2,304 Мбит/с. Диапазон изменения скоростей цифрового потока канала MSC без учета избыточных битов помехоустойчивого кодирования лежит в пределах 0,6–1,8 Мбит/с (зависит от выбранного уровня защиты информации). Скорости цифрового потока в субканалах кратны величинам 8 кбит/c или 32 кбит/c. Информация, передаваемая в субканалах, подвергается сверточному кодированию и временному перемежению.

Организация субканалов и канальных компонент называется конфигурацией мультиплексирования (MСI – Multiplex Configuration Information).

В мультиплексированном канале MSC возможны два режима передачи: потоковый и пакетный.

Цифровой поток канала быстрой информации FIC (Fast Information Channel) используется для быстрого доступа к информации в приемнике. По нему передаются информация о мультиплексировании MCI данных в канале пользователя MSC, часть сервисной информации SI (Service Information), информация управления свободным доступом (CA) и данные быстрого доступа FIDC (Fast Information Data Channel), например сигналы гражданской обороны и т.п.

В канале FIC не используется временное перемежение цифровых данных, поэтому он не имеет задержки по времени, возникающей при выполнении этой процедуры. Данные канала FIC подвергаются скремблированию. Они защищены сверточным кодом, для большей надежности правильного приема многократно повторяются. В этом канале формируются блоки быстрой информации FIB (Fast Information Blocs). Длина каждого блока FIB составляет 256 бит, из них 16 бит – это дополнительные биты помехоустойчивого кодирования CRC-кода. В свою очередь, поле полезных данных блока FIB делится на более мелкие блоки FIG, каждый из которых передает определенный вид информации канала быстрого доступа [1, 2].

Информация о мультиплексировании MCI включает: сведения об организации субканалов, перечень каналов U, входящих в вещательный канал ЦРВ, связь между каналами U и компонентами этих каналов, связь между субканалами и компонентами каналов U, управление реконфигурацией мультиплексирования.

Цифровой поток канала синхронизации SC (Synchronization Channel) используется внутри передающей части системы для синхронизации фрейма передачи, автоматического управления частотой, оценки состояния субканалов и идентификации передатчика.

Цифровые потоки звуковых сигналов, данных, связанных с программами, цифровых данных, сервисной информации SI после помехоустойчивого кодирования и временного перемежения поступают на главный мультиплексор передачи пользовательской информации (MSC-MUX), образуя цифровой поток канала пользователя MSC со скоростью не более 2,304 Мбит/c. Последний далее в мультиплексоре фрейма передачи объединяется с потоком канала FIC и символами канала синхронизации SC; после объединения суммарный цифровой поток со скоростью 2,4 Мбит/с поступает на COFDM-модулятор (COFDM-кодер). Далее COFDM-сигнал переносится преобразователем частоты в полосу частот радиоканала, усиливается и излучается в эфир.

Кодирование и защита цифровых аудиоданных на уровне аудиофрейма. Первая версия системы DAB предусматривала компрессию цифровых аудиоданных только по стандарту MPEG-1 ISO/IEC 11172-3 Layer II [3] и возможность передачи программ звукового вещания в двух форматах – моно (1/0) и двухканальное стерео (2/0).

Структура данных аудиофрейма первой версии системы DAB представлена на рис. 2, низ. Он содержит информацию о 1152 отсчетах выборки звукового сигнала и дополнительные части, отличающие его от аудиофрейма стандарта MPEG-1 ISO/IEC 11172-3, Layer II (рис. 2, верх). Это поля данных X-PAD, SСF-CRC, F-PAD.


Аудиофрейм стандарта MPEG-1 ISO/IEC 11172-3 Layer II (рис. 2, верх) включает следующие поля цифровых данных: служебную информацию (заголовок аудиофрейма, Header); избыточные биты помехоустойчивого кодирования CRC-кода (16 бит, для защиты наиболее важных цифровых данных заголовка); информацию о распределении общего числа бит по субполосам кодирования (Bit Allocation), (всего 88 бит); информацию о распределении индексов масштабных коэффициентах (SCFSI), (2 бита на каждую субполосу кодирования); значения индексов масштабных коэффициентов (SCF – Scale Factor), (6 бит на каждое значение индекса масштабного коэффициента); кодовые слова нормированных отсчетов полосовых сигналов (Sub-band Samples), (от 1,37 до 16 бит); биты дополнительных данных (Ancillary data).

В отличие от этого аудиофрейм в системе DAB (рис. 2, низ) дополнительно содержит байты для передачи данных PAD, сопутствующих программам. Это поле данных состоит из двух частей: X-PAD и F-PAD. Данные F-PAD имеют постоянную длину, равную двум байтам, здесь передается информация управления в реальном 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.

Аудиофрейм системы DAB содержит также биты помехоустойчивого кодирования значений индексов масштабных коэффициентов (SCF-CRC) и биты заполнения Stuff. При этом одним проверочным 8-битовым словом защищена группа масштабных коэффициентов субполосных сигналов: 0–3, 4–7, 8– 15, 16–26, где цифрами обозначены номера субполос кодирования, масштабные коэффициенты в которых защищены одним проверочным словом. Например, информацию полей данных Header, Bit Allocation, SCFSI аудиофрейма защищают сверточным кодом со скоростью кода Rc=8/24; значения индексов масштабных коэффициентов сверточным кодом со скоростью кода 8/18; субполосные отсчеты ЗС и часть информации X-PAD сверточным кодом со скоростью кода 8/14; часть информации X-PAD, SCF-CRC, F-PAD сверточным кодом со скоростью кода 8/19. Это пример неравной UEP (наиболее целесообразной) защиты от ошибок отдельных частей аудиофрейма системы DAB.

Время передачи аудиофрейма системы DAB составляет 24 мс (при частоте дискретизации 48 кГц) и 48 мс (при частоте дискретизации 24 кГц). Следовательно, данные аудиофрейма передаются с помощью одного или двух логических фреймов CIF канала MSC.

Защита цифровых данных в субканалах системы DAB. До помехоустойчивого кодирования выполняют скремблирование цифровых данных потоков. Помехоустойчивому кодированию (канальному кодированию) подвергаются цифровые данные каналов MSC и FIC. Для этой цели использован сверточный код с процедурой перфорирования (выкалывания), (Rate Compatible Puncturing Convolutional Codes). Это процедура позволяет применять коды с различной избыточностью без изменения декодера приемника, учесть чувствительность разных элементов цифрового потока к ошибкам и реализовать благодаря этой процедуре разные уровни защиты от ошибок в блоках цифровых данных этих каналов. Всего предусмотрено пять уровней защиты. Неравной защите от ошибок подвергаются разные части логических фреймов CIF. Важно, что все семейство используемых сверточных кодов образовано из одного материнского кода. Производные коды формируются из материнского кода путем выкалывания некоторых битов на выходе сверточного кодера. При этом на приемной стороне необходимо знать, какие именно биты были исключены при кодировании. Для всего такого семейства сверточных кодов требуется один декодер, использующий алгоритм декодирования Витерби.

Равная защита от ошибок EEP используется при передаче данных. В этом случае возможно восемь уровней защиты.

Подробнее о процедуре помехоустойчивого кодировании применительно к системе DAB сказано в [2]. Помехоустойчивое кодирование применяется для борьбы с одиночными ошибками.

Для борьбы с групповыми ошибками используется временное перемежение логических фреймов CIF (рис. 1). Оно выполняется только в канале пользователя MSC.

Для эффективной борьбы с последствиями селективных затуханий используется перемежение цифровых данных потока по несущим частотам радиоканала, вследствие чего отдельные части цифрового потока одной и той же программы передаются на нескольких несущих частотах, расположенных равномерно во всей полосе частот радиоканала.

Модуляция поднесущих частот в системе DAB. В системе DAB используется модуляция OFDM, точнее, ее разновидность COFDM (Coded Orthogonal Frequency Division Multiplex). Здесь исходный цифровой поток в кодированной последовательности распределяется на большое число поднесущих частот. При этом в каждом таком канале скорость цифрового потока уменьшается в n раз, где n – число поднесущих частот. В системе DAB поднесущие частоты в полосе частот радиоканала распределены равномерно (с одинаковым шагом по частоте) и ортогональны. Для выполнения этого последнего условия они располагаются с шагом, кратным 1/TU, где TU – полезная часть OFDM-символа. При этом каждая из этих поднесущих частот модулируется по фазе, образуя DQPSK-сигнал, после суммирования всего множества этих модулированных по фазе поднесущих частот получаем OFDM-символ. Каждая модулированная поднесущая частота называется OFDM-ячейкой. Число бит, переданных одним OFDM-символом, равно 2n, ибо каждый символ модуляции содержит здесь 2 бита. Дифференциальная квадратурная фазовая модуляция DQPSK, отличающаяся от модуляции QPSK наличием дифференциального кодера, позволяет упростить демодуляцию данного сигнала при радиоприеме. Перед полезной частью каждого OFDM-символа располагается защитный интервал Δ. Его длительность должна удовлетворять условию TG ≥ (d/c), где: d – расстояние между передатчиками, с – скорость распространения волны. Если это условие выполнено, то приемники не испытывают помех от наложения сигналов, поступающих от соседних передатчиков одночастотной сети. При d = 60 км длительность защитного интервала должна быть не менее 200 мкс.

На практике для получения OFDM-символа используется быстрое обратное преобразование Фурье.


Спектр COFDM-сигнала не отличается от спектра OFDM-сигнала. Ширина спектра сигнала системы DAB для всех режимов передачи составляет 1,54 МГц (табл. 1). При этом для всех режимов работы отношение Δ/TU остается постоянным.

Литература

  1. ETSI ETS 300401. Radio Broadcasting System; Digital Audio Broadcasting (DAB) to mobile, portable and fixed receivers, May 1997.
  2. Кацнельсон Л.Н. Системы звукового и мультимедийного цифрового радиовещания: научно-техническое издание. – СПб.: Линк, 2011. – 348 с.
  3. ISO/IEC 11172-3:1993. Information technology – Coding of moving pictures and associated audio for digital storage media at up to about 1,5 Mbit/s. – Part 3: Audio.

Продолжение следует

Опубликовано: Журнал "Broadcasting. Телевидение и радиовещание" #8, 2016
Посещений: 9956

  Автор

Юрий Ковалгин

Юрий Ковалгин

Зав. кафедрой радиоприема, вещания и электромагнитной совместимости СПбГУТ им. проф. М.А. Бонч-Бруевича

Всего статей:  20

  Автор

 

Сергей Мышьянов

Главный специалист отдела организации научной работы студентов СПбГУТ

Всего статей:  8

В рубрику "Оборудование и технологии" | К списку рубрик  |  К списку авторов  |  К списку публикаций