В рубрику "Оборудование и технологии" | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций
Система цифрового радиовещания (ЦРВ) DRM (Digital Radio Mondiale) была стандартизована Европейским институтом телекоммуникационных стандартов (ETSI) в 2001 году. Первоначально она предназначалась для работы на частотах, не превышающих 30 МГц, в радиовещательных диапазонах длинных, средних и коротких волн (ДВ, СВ и KB). В этих диапазонах с первой трети прошлого века и по настоящее время осуществляется аналоговое радиовещание с амплитудной модуляцией (AM) передаваемых сигналов.
В августе 2009 года вступила в действие новая редакция стандарта ETSI на систему DRM, в которой предусмотрено расширение диапазона рабочих частот до 174 МГц. Модернизированная система DRM, функционирующая в диапазоне частот от 30 до 174 МГц, получила в ряде публикаций название DRM+. В данной статье рассмотрены некоторые основные нововведения в системе ЦРВ DRM.
Лев Кацнельсон
Доцент СПбГУТ им. проф. М.А. Бонч-Бруевича, к.т.н.
В августе 2009 года вступила в действие новая редакция стандарта на систему DRM ES 201980 V3.1.1 [1], в которой предусмотрено расширение диапазона рабочих частот до 174 МГц. Это позволяет применять систему DRM (DRM+) в диапазонах частот, используемых в настоящее время для аналогового радиовещания с частотной модуляцией (ЧМ, FM), телевидения и для других радиослужб. Принятию стандарта [1] предшествовали многочисленные лабораторные и полевые испытания системы DRM+, которые дали положительные результаты [2]. Вопросы построения исходного варианта системы DRM рассмотрены во многих публикациях, например в [3].
Основные характеристики системы DRM+
Система DRM+ обеспечивает выполнение следующих основных функций:
- передача четырех или менее различных сервисов (звуковых программ и/или данных) в одном сигнале DRM+;
- устойчивый прием этих сервисов в подвижных объектах при скорости движения последних до 300 км/ч, а также в стационарных и походных условиях при наличии многолучевого распространения передаваемых сигналов;
- возможность передачи звуковых программ с высоким качеством (характерным для CD-проигрывателей) в двухканальном стереорежиме и, кроме того, в многоканальном формате MPEG Surround 5.1. В последнем случае обеспечена совместимость с монофоническими и стереофоническими радиоприемниками DRM+;
- возможность работы в одночастотных сетях, то есть радиовещательных сетях, которые состоят из передатчиков, работающих в синхронном режиме и передающих сигналы в одном радиоканале;
- получение дополнительной информации, связанной с конкретной звуковой программой (Program Associated Data - PAD);
- получение информации мультимедиа: текстовые сообщения на различных языках, электронные программы передач, текстовая информация по запросу (режим Journaline), дорожные сообщения, информация для путешественников, воспроизведение неподвижных изображений (фотографий, слайдов и др.) - МОТ Slideshow;
- индикация названий принимаемых программ, радиостанций, стран, текущего времени и даты и т.д.;
- возможность динамического изменения конфигурации мультиплексирования в многопрограммном групповом цифровом потоке (ЦП), содержащем передаваемую информацию (мультиплексированном ЦП);
- поддержка объявлений и др.
В стандарте [1] к ранее введенным режимам устойчивости А, В, С, D, которые характеризуют каналы связи на частотах ниже 30 МГц и определяют параметры передаваемых в этом диапазоне DRM-сигналов, добавлен режим устойчивости Е, относящийся к функционированию системы в полосе частот от 30 до 174 МГц.
Эти режимы устойчивости представлены в табл. 1.
Распространение радиоволн в ОВЧ (УНЕ)-диапазоне характеризуется дифракцией, отражением и рассеиванием этих волн на пути между передатчиком и приемником. Обычно в указанном диапазоне элементарный сигнал DRM+, соответствующий одному передаваемому OFDM-символу, распространяется различными путями вследствие отражений от препятствий.
Прямой и отраженный сигналы достигают антенны радиоприемника с различными задержками (многолучевое распространение сигналов). Такое распространение сигналов нередко приводит к возникновению частотно-селективных замираний в канале связи. Кроме того, перемещение радиоприемника или окружающих его объектов обусловливает временные изменения характеристик канала (эффект Допплера).
Каналам связи с такими характеристиками соответствует режим устойчивости Е (см. табл. 1). Вопросы математического описания подобных каналов связи рассмотрены в [1].
Концептуальная структурная схема передающей части системы DRM, которая приведена в [1], является общей для всех используемых рабочих частот, не превышающих 174 МГц. Эта схема не претерпела существенных изменений (по сравнению с предыдущими редакциями стандарта).
Обработка сигналов, поступающих от поставщиков программ (сервис-провайдеров), производится в несколько этапов.
Начальный этап - кодирование (сжатие, компрессия) сигналов, получаемых от поставщиков (кодирование источника). Цель такого кодирования - снижение скоростей передачи исходных цифровых потоков, поступающих на вход передающей части системы. Пропускная способность канала передачи ограничена, и такое кодирование позволяет увеличить количество передаваемых программ. При этом должно сохраняться достаточно высокое качество воспроизведения сигналов на приемной стороне.
Структурные схемы кодирования и декодирования звуковых сигналов (ЗС) представлены на рис. 1, а и б.
Для кодирования ЗС в системе DRM (DRM+) применяются методы, относящиеся к семейству стандартов MPEG-4 Audio (ISO/IEC 14496-3), а кроме того, метод, соответствующий стандарту MPEG-D, Part 1 (MPEG Surround, ISO/IEC 23003-1).
Обработка относительно широкополосных монофонических и двухканальных стереофонических ЗС производится с применением метода кодирования MPEG-4 HE AAC v2.
Метод MPEG-4 HE AAC v2 основан на трех алгоритмах обработки ЗС:
1. MPEG-4 AAC (Advanced Audio Coding - усовершенствованное звуковое кодирование).
2. SBR (Spectral Band Replication -спектральное полосовое копирование). Применение метода SBR позволяет расширить диапазон воспроизводимых звуковых частот в высокочастотной области (по сравнению с методом MPEG-4 AAC). Данный метод основан на том, что высокочастотные составляющие спектра ЗС (подавленные, если это необходимо, на передающей стороне) могут быть приблизительно воссозданы на приемной стороне при использовании имеющейся связи между низкочастотными и высокочастотными спектральными составляющими. Это достигается путем передачи от кодера к декодеру SBR некоторой дополнительной информации.
3. PS (Parametric Stereo - параметрическое стерео). Этот метод заключается в передаче при низкой скорости цифрового потока вместо двухканального стереофонического ЗС одного монофонического ЗС, образованного из исходных двух сигналов стереопары, и определенной дополнительной информации. Использование этой дополнительной информации позволяет на приемной стороне преобразовать полученный монофонический сигнал в стереофонический. Применение метода PS дает возможность при сохранении стереоэффекта дополнительно снизить требования к скорости передачи цифрового ЗС.
Обработка и передача многоканальных ЗС в формате 5.1 производится с применением метода кодирования MPEG Surround, который определен в стандарте MPEG-D, Part 1 (ISO/IEC 23003-1).
Для передачи речевых сигналов с использованием низкоскоростных ЦП применяются методы кодирования MPEG-4 CELP (Code Excited Linear Prediction - линейное предсказание с кодовым возбуждением) и MPEG-4 HVXC (Harmonic Vector eXcitation Coding - кодирование с гармоническим векторным возбуждением). При кодировании этими методами может быть также использован метод SBR.
Суммарная скорость ЦП после обработки всех сигналов в кодерах источников (включая предварительные кодеры данных) для режима устойчивости Е ограничена значениями примерно от 37 до 186 кбит/с. Более подробную информацию о кодировании ЗС в кодерах источников можно найти в [1].
Канальное кодирование и модуляция передаваемой информации включают в себя адаптацию мультиплексированного ЦП, рандомизацию (рассеивание энергии), помехоустойчивое кодирование с использованием перфорированных свер-точных кодов, перемежение битов, QAM-модуляцию и перемежение QAM-ячеек (последнее только в канале MSC).
Функциональная схема сверточного кодера в [1] несколько видоизменена по сравнению с предыдущими редакциями стандарта. Скорость базового (материнского) кода снижена с 1/4 до 1/6, при сохранении длины кодового ограничения, равной 7. Из этого базового сверточного кода путем выполнения операции перфорирования (выкалывания) образуются все остальные сверточные коды с другими, предусмотренными в [1] скоростями.
В системе DRM+ для последующего кодирования информации в канале MSC применяется QAM-модуляция видов 4-QAM и 16-QAM. Модуляция 64-QAM при работе системы в ОВЧ-диапазоне не используется. Для кодирования информации в каналах FAC и SDC в данном случае применяется модуляция 4-QAM.
Взаимосвязь между видом применяемой QAM-модуляции, выбранной скоростью сверточного кода и суммарной скоростью цифрового потока после обработки сигналов в кодерах источников показана на рис. 2.
Передаваемые сигналы организуются в суперфреймы (сверхкадры) передачи.
Для режимов устойчивости А, В, С, D один суперфрейм передачи состоит из трех фреймов (кадров) передачи, а для режима устойчивости Е - из четырех фреймов передачи. Каждый фрейм передачи имеет длительность Tf и состоит из Ns OFDM-символов. OFDM-символ, длительность которого равна Ts, содержит набор из К активных несущих частот, модулированных по отдельности методом QAM. Такой OFDM-символ состоит из двух частей: используемой (полезной) части, имеющей длительность Ти , и защитного интервала с длительностью Tg. Защитный интервал необходим для предотвращения межсимвольной интерференции.
Параметры передаваемых сигналов в зависимости от режимов устойчивости, включая режим Е, приведены в табл. 2.
Спектр передаваемого сигнала системы DRM+ имеет вид, показанный на рис. 3 [2]. Номинальная ширина спектра равна 100 кГц, реальная ширина на уровне верхней части спектра - около 96 кГц.
Сигналы системы DRM+ могут быть переданы на свободных участках ОВЧ-ЧМ (РМ)-диапазонов одновременно с сигналами аналогового ЧМ-радиовеща-ния. Пример такой совместной передачи представлен на рис. 4. На этом рисунке условно изображены спектры указанных сигналов и обозначено: ДР - разность уровней мощности сигналов FM и DRM+;
Df - разность между несущей частотой FM-сигнала и центральной частотой сигнала DRM+.
Рекомендуемая в[1] величина Df-не менее 150 кГц. Для минимального значения Df = 150 кГц рекомендуется ДР>20дБ.
В заключение можно отметить следующее:
1. Разработана и стандартизована практически новая система ЦРВ DRM+, предназначенная для работы в метровом (ОВЧ) диапазоне, малочувствительная к эффекту Допплера и эффектам, обусловленным многолучевым распространением сигналов. Это позволяет обеспечить устойчивый прием сигналов в подвижных объектах, стационарных и походных условиях. Многочисленные испытания системы DRM+ в различных условиях дали положительные результаты.
2. Система DRM+ может обеспечить обслуживание больших по размеру территорий путем организации одночастотных сетей.
3. Система DRM+ обеспечивает высокое качество звуковоспроизведения (на уровне, характерном для CD-проигрывателей), а также передачу и прием звуковых сигналов в формате MPEG Surround 5.1. При этом радиоприемники системы DRM+, не оборудованные многоканальными декодерами, могут воспроизводить ЗС в двухканальном стереорежиме.
4. Номинальная ширина спектра сигнала системы DRM+равна 100 кГц, поэтому возможна одновременная передача сигналов аналогового ЧМ (FM)-paдиовещания и DRM+ в предназначенных для этого диапазонах частот при допустимом уровне взаимных помех.
Подробная информация о системе DRM+ представлена в [1].
1. ETSI standard ES 201980 V3.1.1. (2009-08). Digital
7273 Москва, ул. Отрадная, 2б, строение 2 Тел./факс: (495) 768-4947, 956-2484 E-mail: sales@b-arsenal.ru www.b-arsenal.ru
Radio Mondiale (DRM); System Specification.
2. http://www.drm.org
3. Стереофоническое радиовещание и звукозапись: учебное пособие для вузов/ Ю.А. Ковалгин, Э.И. Вологдин, Л.Н. Кацнельсон; под ред. проф. Ю.А. Ковалгина.-М.: Горячая линия - Телеком, 2007, с. 720.
Опубликовано: Журнал "Broadcasting. Телевидение и радиовещание" #7, 2009
Посещений: 30301
Статьи по теме
Автор
| |||
В рубрику "Оборудование и технологии" | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций
