Системы цифрового радиовещания: классификация и возможная перспектива. Часть 2

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

Системы цифрового радиовещания: классификация и возможная перспектива совершенствования
Часть 2

Сергей Рихтер, Профессор
Сергей Ерохин, Аспирант
Виктор Коротков, Аспирант МТУСИ

Все многообразие систем цифрового радиовещания (ЦРВ) может быть сведено к двум типам: цифровые системы с параллельной (системы типа А) и последовательной (системы типа В) передачей аудиоданных. К первым относятся в основном наземные системы ЦРВ, рассчитанные на мобильный прием сигнала, а ко вторым — системы непосредственного цифрового (спутникового) радиовещания (НЦРВ), предназначенные для приема сигнала на стационарную антенну

Среди всех указанных систем есть разработки 1980-х гг. (условно говоря, II поколения): DSR, T-DAB, S-DAB и более совершенные (III поколения): DRM, JPL/VOA и World Space, появившиеся во второй половине 1990-х гг.

Поскольку попытка использовать JPL/VOA для мобильного приема сигнала не увенчалась успехом, данная система может рассматриваться как альтернатива системы DSR на новом технологическом уровне, т.е. как цифровая система III поколения.

К III же поколению следует отнести систему World Space, у которой очень много общего с системой JPL/VOA, что нашло отражение в соответствующих Рекомендациях МСЭ-Р.

Системы ЦРВ вне зависимости от типа должны работать в традиционных радиовещательных диапазонах волн, которые, однако, давно поделены между различными службами, и даже если новая услуга оказывается востребованной, ее разработчикам трудно рассчитывать на выделение полос частот, существенно превышающих те, что используются при аналоговом вещании. Отсюда следует важное требование к системам ЦРВ — высокая частотная (спектральная) эффективность. Всегда актуально также требование повышения энергетической эффективности таких систем — особенно в случае использования спутниковых ретрансляторов (транспондеров).

При выборе конкретных систем для развития ЦРВ в России следует учитывать возможность улучшения ряда их характеристик (с целью изготовления оборудования) и возможности адаптации общеевропейских стандартов к российским условиям. В этом контексте значительный интерес может представлять анализ показателей спектральной и энергетической эффективности наиболее известных систем ЦРВ и выработка рекомендаций по улучшению этих показателей.

В материалах МСЭ-Р представлены результаты радиочастотных испытаний системы A (T-DAB) в различных режимах работы на частотах диапазонов ОВЧ и УВЧ для условий подвижного и стационарного приема. Данные по помехоустойчивости этой системы сведены в табл. 1. Здесь указаны средние значения отношения сигнал-шум (ОСШ) на информационный бит rig", требуемые для обеспечения качества приема, характеризуемого вероятностью ошибки Рош=1х105, в условиях подвижного приема (релеевский канал) со скоростью V и стационарного (гауссовский канал) приема.

Данные табл. 1 по системе DRM (относящейся к типу А) справедливы для Рош = 1x1 (И, модуляции 64-КАМ и различных условий прохождения радиоволн (модели канала от гауссовского до релеевского).

В табл. 2 приведены оценки помехоустойчивости системы типа В в га-уссовском канале в трех вариантах реализации:

Вд (DSR) с традиционным для начала 1980-х гг. способом кодирования канала (блочный код БЧХ);
Вш (JPL/VOA и World Space) с весьма эффективным каскадным кодированием (внешний — код Рида-Соломона (PC), внутренний — сверточный (СК)) — при качестве стационарного приема, характеризуемого вероятностью ошибки Рош = 10А Для оценки эффективности мер, направленных на улучшение ряда характеристик систем типов А и В, используются коэффициенты, широко применяемые в теории систем передачи дискретных сообщений и определяющие их энергетическую (|3) и частотную (у) эффективность. Заметим, что эти показатели эффективности вводятся здесь не для сравнения систем типов А и В между собой, поскольку отсутствуют полноценные сведения о помехоустойчивости систем, да и требования к наземным системам (НС) ЦРВ и НЦРВ различны. Энергетическая эффективность реальной системы (в дБ) при известных способах модуляции и кодирования канала определяется соотношением |3 = |3М + А|3К-А|3П, где
3М = 1/hg - показатель энергетической эффективности модема (фактически это характеристика эффективности применяемой системы сигналов);
А|3К — энергетический выигрыш кодирования (ЭВК) кодека канала;
А|3П — энергетические потери, обусловленные различными причинами, включая искажения сигнала в канале передачи, в том числе потери при усилении сигнала, определяемые величиной его пик-фактора (ПФ).

Прежде всего речь идет о системе типа А (поэтому с модемом COFDM), характеризуемой значительной величиной пик-фактора. Это обстоятельство, а также необходимость снижения мощности комбинационных помех в тракте с нелинейной передаточной характеристикой приводят к недоиспользованию энергетического потенциала радиолинии на 4-6 дБ, что может быть классифицировано как энергетические потери. Примем для определенности, что для систем типа А Дрп а 5 дБ. Заметим также, что данные по величинам ОСШ в табл. 1 и 2 указаны для систем с кодированием и, следовательно, уже с учетом ЭВК.

Частотная эффективность (в бит/с-Гц) реальной системы определяется соотношением Y = Ум х Ук х AYn, где:

ум = 2R log2M/B — показатель частотной эффективности модема (log2M - кратность М-позиционных сигналов длительностью Т);
R — скорость корректирующего кода;
В = 2TAf — база сигнала, определяемая также как число измерений (отсчетов) на интервале Т, если энергия сигнала в основном сосредоточена в полосе частот Af, занимаемой системой);
Аук — коэффициент, учитывающий потери частотной эффективности за счет применения корректирующего кода (равен скорости кода R);
Ауп — потери, приводящие к расширению полосы частот реального канала, по сравнению с теоретически необходимой для данного сигнала.

Так, для систем с биортогональными сигналами ОФМ-4 (без учета потерь в канале) имеем у a 2R, т.е. частотная эффективность равна удвоенной относительной скорости применяемого в системе корректирующего кода.

Для определения показателей эффективности воспользуемся приведенными выше расчетными соотношениями, усредненными данными о помехоустойчивости систем типов А и В, а также материалами МСЭ-Р. Числовые значения показателей эффективности р и у представлены в табл. 3. Заметим, что теоретическая оценка энергетической эффективности системы Вд учитывает потери на реализацию, которые приняты равными 5 дБ. Оценка частотной эффективности системы DRM сделана для основного режима передачи данных в канале MSC при использовании модуляции 64-КАМ.

Анализируя данные этой таблицы, обратим внимание на то, что частотная эффективность систем типа А при переходе от T-DAB к DRM существенно возросла, а энергетическая заметно снизилась. Дело в том, что в этих системах принципиально по-разному используется радиочастотный ресурс, поскольку так называемый DAB-ансамбль, занимающий полосу 1,54 МГц, никак не вписывается в существующий план частот в диапазонах ОВЧ и УВЧ, в то время как передача аудиоданных в системе DRM изначально ориентировалась в основном на использование полосы АМ-канала. Столь разный подход к радиочастотному ресурсу прежде всего отразился на выборе таких системных характеристик, как алгоритм компактного представления аудиосигнала и вид модуляции в формате COFDM. Так, если в системе T-DAB используются соответственно MPEG-1 Layer II (MUSICAM) и ОФМ-4, то в системе DRM это уже MPEG-4 ААС или MPEG-4 CELP и квадратурная амплитудная модуляция — от 4-КАМ до 64-КАМ.

Впечатляет высокая энергетическая эффективность системы BJJJ (JPL/VOA и World Space), что объясняется применением весьма эффективного каскадного кодирования, которое обеспечивает ЭВК, превышающий 6 дБ. Правда при этом существенно снижается (почти на 40%) частотная эффективность системы. Этот пример показывает, что помехоустойчивое кодирование является мощным средством повышения энергетической эффективности (посредством ЭВК).
Сравнивая системы типов А и В по помехоустойчивости в рамках модели гауссовского канала, можно заключить, что лучшими характеристиками обладает последняя модификация (III поколение) системы типа В, а худшими - вариант DSR этой системы. Система типа А занимает промежуточное положение, поэтому именно здесь применение новых решений в части помехоустойчивого кодирования канала может привести к существенному повышению энергетической эффективности системы. Максимальный эффект может быть достигнут при использовании корректирующих кодов, обеспечивающих большой ЭВК при относительно больших скоростях кода R. Именно такими свойствами — при соответствующем выборе параметров - обладают так называемые турбокоды.

Турбокоды были предложены около 10 лет назад. По существу, это параллельные каскадные коды. Основной принцип их построения — использование нескольких (как правило, не более трех) параллельно работающих компонентных кодеров. В качестве компонентных могут использоваться как блочные, так и сверточные коды. Использование перфорации (выкалывания) позволяет увеличить относительную скорость турбокода, адаптировав его исправляющую способность к статистическим характеристикам канала связи. Применение турбокодов может повысить как энергетическую, так и частотную эффективность систем ЦРВ. Убедительным свидетельством в пользу этого тезиса служат исследования по использованию турбокодов в последних разработках ЦТВ. При этом необходима уверенность, что такие коды смогут применяться в схемах многоуровневого кодирования, используемых, в частности, в системах DRM и T-DAB.

В табл. 4 представлены оценки возможного повышения энергетической и частотной эффективности систем типов А и В при использовании варианта турбокодирования, связанного с применением рекурсивных (то есть с обратной связью) сверточных кодов — РСК. В двух последних столбцах указан возможный прирост показателей эффективности относительно значений, приведенных в табл. 3, а именно: энергетической эффективности (как алгебраическая разность ЭВК) и частотной эффективности (как множитель, равный отношению скоростей кодов).

Сравнивая оценки энергетической и частотной эффективности до и после возможной коррекции, связанной с использованием турбокодирования, приходим к выводу, что следует рассчитывать на улучшение энергетических показателей и частотных характеристик систем обоих типов. Конкретный положительный результат модернизации системы может быть достигнут при выборе определенной стратегии. Например, в системе типа А допускается достижение максимального энергетического выигрыша до 2 дБ при сохранении заданной полосы частот. Другими словами, существует возможность оптимизации параметров турбокодов (в рамках использования компонентных рекурсивных сверточных кодов, перемежи-телей и итеративного декодера) по минимуму отношения сигнал-шум Еб/No (и, следовательно, по максимуму энергетической эффективности), обеспечивающему заданное качество выходного аналогового сигнала при сохранении обусловленной стандартом полосы частот.

Опубликовано: Журнал "Broadcasting. Телевидение и радиовещание" #6, 2003
Посещений: 16192

Автор