696_Formirovanie_radiosignalov_CHast'_1._UMO_

ГЛАВА 2

СТАНДАРТ DRM: ОСОБЕННОСТИ, ВОЗМОЖНСТИ, ПРЕИМУЩЕСТВА

Цифровая технология добралась до последнего частотного участка — радиовещательного спектра диапазонов длинных, средних и коротких волн.

Международный консорциум DRM разработал для радиовещания в диапазонах ниже 30 МГц цифровой стандарт, в котором уже работают более 40 радиостанций из 21 государства. Данная разработка была заказана Международным союзом телекоммуникаций (International Telecommunication Union, ITU) для использования новой технологии 189 государствами, членами Союза. Преимущества новой системы заключаются в том, что для ее успешного повсеместного внедрения не требуется ни нового спектра частот, ни иной ширины полосы пропускания. Система DRM (Digital Radio Mondiale) пригодна как для узколокального регионального, так и для национального вещания и даже иновещания и может быть использована для стационарной, переносной и подвижной связи.

Процесс развития стандарта DRM, занявший пять лет (1998-2003 гг.), прошел практически незаметно для широкой общественности. В 2003 г., по случаю Всемирной радиоконференции (WRC), стандарт был торжественно передан в пользование государствам-членам ITU. С этого момента по всему миру радиостанции пробуют свои силы в DRM - формате: Австралия, Новая Зеландия, Китай, Россия, Кувейт, Иран, большинство государств Западной Европы, а также Северная Америка, Мексика, Бразилия, Чили. Первые образцы DRM - приемников в небольшом количестве уже появились на европейском рынке; аппараты, доступные по цене массовому потребителю, заявлены производителями только к середине 2006 г.

2.1.Многообразие форматов.

Спервого взгляда кажется, что для территорий большой протяженности оптимально цифровое спутниковое вещание, например SM - Satellite Sirius (США, Африка) или WorldSpace (Азия). Через эти спутники транслируется более 100 различных радиоканалов прекрасного качества. Но для приема необходимо иметь спутниковое оборудование или специальные радиоприемники со встроенной мини - тарелкой. Для приема также необходимо держать "зрительную" связь между аппаратом и спутником. Такая, казалось бы, малозначительная помеха, как дерево перед окном, может нарушить прием, а что говорить о неровной горной местности. В городских условиях густой застройки пришлось бы устраиваться на крыше в надежде послушать радио. Кроме того, существует еще одна проблема — высокая стоимость спутникового вещания. В идеале спутники необходимо обновлять каждые 10-12 лет, а это — большие средства. Неудивительно, что многие операторы связи часть программ предлагают только за абонентную плату.

11

Другой вариант — наземное цифровое радиовещание DAB (Digital Audio Broadcasting) — схож с форматом FM: приблизительно на каждые 80-100 км2 необходимо расставить по передатчику. Причем в каждом канале должно одновременно транслироваться 6 программ, что чревато нежелательной конкуренцией между коммерческими станциями. Подобная система возможна в городских условиях, но не для малых населенных пунктах. Для государств с большими территориями формат DAB — слишком дорогой способ распространения программ.

Технология цифрового наземного телевещания DVB - T позволяет передавать и радиосигнал. Но, как и в случае с форматом DAB, площади покрытия маленькие, а конкуренция большая.

Новый стандарт, разработанный в США, — HD - Radio; он приспособлен исключительно для FM - и СВ - диапазонов с распространением сигнала по трем каналам передачи, что уже само по себе не подходит, например, для России. Ко всему прочему, данный стандарт является частной разработкой, действующей только за абонентскую плату. Самое интересное заключается в том, что формат не приспособлен для ионосферного распространения сигнала в СВ - диапазоне. Следовательно, в темное время суток трансляция на средних волнах может идти только в аналоговом режиме либо ее придется и вовсе отключить.

С цифровой трансляцией на длинных, средних и коротких волнах в формате DRM дело обстоит иначе, особенно это касается вещания на большие территории.

2.2. Принцип работы стандарта DRM.

Система передачи данных в формате DRM работает по принципу передачи данных на многих несущих. В то время как в аналоговой технологии используется только одна несущая с передачей одинаковой информации в обеих боковых полосах, в "цифре" закодированный сигнал распределяется почти по 200 несущим. Информация, прежде чем дойти до радиослушателя, проходит сложный путь, при этом качество звука сохраняется благодаря цифровому кодированию. Для радиослушателя сложность процесса, происходящего внутри приемника, незаметна. Подобная технология передачи сигнала позволяет повысить помехоустойчивость. При аналоговых трансляциях сигнал под влиянием помехового фона начинает слабеть до полного затухания. Цифровой же сигнал доступен практически без помех до тех пор, пока не будет достигнут уровень допустимого порога помех; как только этот порог превышен, звук пропадает. Такова особенность передачи сигнала в формате DRM - отсутствие плавного перехода (graceful degradation) от хорошего качества трансляции к плохому: прием либо идеальный, либо его нет вообще.

Формат DRM предлагает различные режимы передачи сигнала, которые могут использоваться разными по назначению радиослужбами: от гражданских до технических. В условиях ионосферного распространения действует экономный режим с пониженной скоростью цифрового потока, правда, при этом и качество звука может немного пострадать. Для подстраховки качества и

12

улучшения приема возможен вариант трансляций одного и того же сигнала на разных частотах из разных передающих точек.

Приемник сам настроится на лучшую частоту и по ходу изменения качества трансляции сможет самостоятельно перейти с одной частоты на другую, качество прохождения которой на данный момент лучше. Есть еще один вариант для бесперебойного приема — работа на общей волне. Для этого один и тот же сигнал передается одновременно на одной и той же частоте в один и тот же регион, но из разных передающих точек. Таким способом удается достичь уверенного приема даже в диапазоне коротких волн при ионосферном распространении.

Встандарте DRM используется современный алгоритм кодирования

MPEG - 4 AAC+ SBR (Motion Pictures Expert Group/Advanced Audio Coding /Spectral Band Replication), позволяющий кодировать аналоговый сигнал в цифру и после передачи снова переводить его в аналог. Подобное кодирование сигнала позволяет передавать поток данных в 15 кГц в ВЧ - канале с полосой пропускания всего в 9 или 10 кГц и качеством, близким к качеству FM - звучания. Скорость цифрового потока в данном случае может не превышать 24 кбит/с. Дополнительно существует и более экономный низкоскоростной (3-11 кбит/с) алгоритм кодирования, предназначенный для речевой передачи звука в монорежиме. Он идеально подходит под формат информационного радиовещания (передача сводок новостей, погоды, ситуации на дорогах и различных объявлений). Этот вариант кодирования может быть привлекательным для иновещания, в частности, для одновременной передачи речевой информации, например, трансляции программ на разных языках с одного передатчика.

Вотличие от большинства других новых цифровых форматов, под стандарт DRM не было выделено новых частотных участков, не были увеличены и границы уже имеющихся диапазонов. Это значит, что внедрять новый стандарт было возможно только на базе строго ограниченных параметров в уже существующих рамках длинно-, средне- и коротковолновых диапазонов. С другой стороны, это является одним из колоссальных преимуществ новой системы. Для облегчения ее повсеместного внедрения достаточно лишь модернизировать уже имеющиеся аналоговые передающие устройства. С минимальными затратами передатчики можно задействовать как

впрежнем аналоговом режиме, так и в новом цифровом или даже в одновременном аналогово-цифровом режиме (Simulcast). Капиталовложения в модернизацию составляют примерно 15-20% от стоимости нового передатчика и окупают себя довольно быстро, если учесть, что и затраты на электроэнергию

вцифровом формате приблизительно на 50% меньше. Налицо еще одно преимущество, выгодное самим радиовещателям — сокращение производственных расходов благодаря снижению потребления электроэнергии. Для радиовещателей в развивающихся государствах это немаловажный фактор. Не стоит забывать о меньшем загрязнении окружающей среды и более низком

13

уровне электромагнитного излучения, не говоря уже об экономии природных ресурсов.

Формат DRM, как и большинство цифровых технологий, отличает не только улучшенное качество аудиотрансляций, но и дополнительные сервисные удобства, которые оценит каждый радиослушатель. Параллельно к звуковому сигналу возможно передавать и текстовую информацию в качестве комментария к программе или независимо от нее. Сервисные функции DRM включают в себя следующие возможности:

предоставление данных о приеме всех станций в месте на хождения радиослушателя;

выбор желаемой станции посредством маркировки ее на дисплее приемника;

автоматический, незаметный для радиослушателя переход на лучшую по качеству частоту;

отображение названия рубрики передачи, а также имени автора и ведущего;

предоставление информации о названии музыкальной композиции, имени исполнителя;

параллельная трансляция нескольких языковых программ с возможностью выбора нужного языка;

вызов на дисплее текста самых актуальных новостей;

запись особо важных сообщений в память приемника для последующего прослушивания;

передача метеосводок, информации о положении на дорогах, биржевых новостей;

возможность коммутации с мобильными средствами связи;

возможность записи кодированных сигналов - платных сервисов, таких, как аудиокниги, актуальные статьи и т.п.;

загрузка программного обеспечения и актуализация уже имеющегося ПО, например, в навигационных системах транспортных средств путем передачи данных на KB по всему миру.

Последнее звено, которого не хватает в цепочке от передатчика до радиослушателя, — это доступный по цене радиоприемник. Здесь возможны два пути решения проблемы:

DSP/Digital System Processor — цифровой процессор для обработки сигнала (разработка английской фирмы Radioscape);

чипсет — набор микросхем (различные производители).

Фирма Radioscape (Великобритания) совместно с фирмой Texas Instrument разработала модуль, который подходит в существующие сегодня на рынке DAB - приемники. Один из уже готовых аппаратов британской фирмы Roberts проходит сейчас последнее тестирование и будет в ближайшее время предложен массовому потребителю. Аппарат универсален: радиослушатель сможет вести прием в формате DRM, DAB, FM с сервисом RDS (Radio Data

14

System), а также и в аналоговом стандарте на длинных, средних и коротких волнах. Помимо этого у приемника есть функция записи программ для последующего прослушивания. К сожалению, пока аппарат работает на основе DSP, поэтому потребляет много энергии, что соответственно ведет к быстрому использованию заряда батареек. Следовательно, вести прием радиосигнала на данный аппарат лучше всего от сети. Еще несколько фирм работают по созданию радиоприемников, но тоже на основе DSP от Radioscape. Фирма Analogue Devices (США) разработала свой собственный DSP - модуль, продемонстрировав в 2005 г. собранный на его основе прототип радиоприемника.

Для портативных переносных приемников малого размера лучше всего подходит чипсет, потребляющий намного меньше энергии. Производители данной электроники уже разрабатывают необходимую часть будущих радиоаппаратов, но официальные заявления пока не делались. Микросхемы сделают возможным радиоприем в DRM - формате для любого цифрового аппарата: мобильного телефона, фотокамеры, электронного переводчика. Особый интерес к данному формату проявили производители мобильных телефонов, в частности, в ответ на возросший спрос на модели, имеющие опцию приема FM - paдиосигнала.

Повсеместное продвижение технологии DRM невозможно в одиночку, даже такими станциями, как "Немецкая волна" в Германии, Би-би-си в Великобритании, "Голос России" в России. Чтобы раскрутить новую технологию и заинтересовать в ней рынок, необходимо внедрять ее на уровне внутреннего национального радиовещания заинтересованных государств.

15

ГЛАВА 3 СИСТЕМА ЦИФРОВОГО ТВ ВЕЩАНИЯ

3.1. Стандарт DVB – C.

Стандарт DVB - C. Что такое DVB? DVB Project (Digital Video Broadcasting Project – проект цифрового видеовещания) – это международная организация, занимающаяся разработкой стандартов в области цифрового телевидения для Европы. Она создана в 1993г. и ее членами в настоящее время являются более 300 компаний, производящих оборудование для телевизионного вещания, занимающихся телевизионным вещанием и связью, научно-исследовательских организаций и т.д. Штаб-квартира DVB Project находится в Женеве (Швейцария). Напомним, что штаб-квартира европейского комитета по электротехнической стандартизации (CENELEC) также находится

вЖеневе. Стандарты, подготавливаемые DVB Project, затем представляются на утверждение в европейские организации по стандартизации. Принятие стандартов позволяет унифицировать средства телевизионного вещания, элементную базу телевизионных приемников и другой аппаратуры. Это является необходимым условием успешного внедрения цифрового телевидения.

Врезультате работы DVB Project уже в 1984г. были выработаны основные положения стандарта DVB - C (C – Cable – кабель, т.е. стандарт цифрового телевизионного вещания по кабелю), и стандарта DVB - S (S – Sattelite – спутник, т.е. стандарт спутникового цифрового телевизионного вещания). Работа над стандартом наземного (т.е. обычного, эфирного) телевизионного вещания DVB-Т (Terrestrial - наземный), была закончена позже,

в1996 году, т.к. в этом виде вещания внедрение цифрового телевидения столкнулось с наиболее серьезными сложностями.

Воснове стандартов DVB (в том числе и стандарта DVB - C) лежит стандарт кодирования движущихся изображений и звукового сопровождения MPEG - 2 (табл.1). В настоящее время используется основной профиль без масштабирования.

Уровень High - 1440 (1440×1152 элементов) соответствует телевидению высокого разрешения (высокой четкости) с форматом экрана 4:3 (стандартный экран), а уровень High (1920×1152 элементов) - телевидению высокого разрешения (HDTV) с форматом экрана 16:9 (широкоформатное изображение). Вертикальные столбцы таблицы соответствуют новой градации (т.е. MPEG - 2) цифровых телевизионных систем – профилям. С переходом на более высокие профили, т.е. при продвижении по таблице направо, увеличивается количество используемых методов кодирования, появляются новые свойства телевизионной системы, но, естественно, усложняется аппаратура и алгоритмы обработки сигналов.

Как видно из таблицы, на главном уровне (Main), соответствующем телевидению обычного разрешения, скорость передачи двоичных символов в канале связи достигает 15 Мбит/с. Сравнив эту величину с исходной величиной 216 Мбит/с, соответствующей параллельному стыку по рекомендации 601

16

МККР, можно видеть, что осуществляется сжатие потока информации примерно в 15 раз. Режим “Main Profile@Main Level (MP@ML)” в настоящее время широко используется в системах DVB (Стандарт DVB - C).

На более высоких уровнях главного профиля, соответствующих HDTV, скорость передачи в канале связи возрастает до 60 или 80 Мбит/с. Следует подчеркнуть, что для всех уровней разрешения данного профиля используется один и тот же набор методов кодирования. В этом заключается совместимость разных уровней. На более высоких уровнях кодеры и декодеры должны иметь большее быстродействие и больший объем ЗУ. Аппаратура более высоких уровней разрешения может работать на более низких уровнях разрешения.

Высшие профили стандарта MPEG - 2 характеризуются наличием масштабируемости, которая была упомянута выше. Кроме того, на высших профилях возможно применение компонентного кодирования сигналов не только через строку (4:2:0), но и в каждой строке (4:2:2). Предусмотрен также специальный профиль (4:2:2, в табл.1 не показан), предназначенный для студийного оборудования, в частности для видеомонтажа.

Таблица 1. Стандарт MPEG - 2 (в основе DVB - C).

Структура системы DVB - C максимально гармонизирована со структурой спутниковой системы DVB - S, но в качестве типа модуляции в ней используется не QPSK, а M - QAM с числом позиций М от 16 до 256 (т.е. от 16 QAM до 256 QAM). На рис.4 показана структура, как оборудования головной станции кабельной линии, так и абонентского приемника – декодера для такой линии.

17

Входными сигналами на головной станции являются транспортные пакеты MPEG - 2 и такты, получаемые через интерфейс в основной полосе от: спутниковой линии, технологических линий, локальных программных источников и т.п. Методы инверсии каждого восьмого байта для цикловой синхронизации, рандомизации, перемежения и кодирования RS - кодом не имеют отличий от аналогичных методов и устройств в системах DVB - S и DVB - Т. Преобразователь байтов и кортежи (короткие последовательности битов, равные значности моделирующего кода) осуществляет формирование битовых структур, удовлетворяющих условию последующего получения символов QAM.

Рис. 4 – Структурная схема стандарта DVB - C.

С целью получения созвездия, не зависящего от вращения несущей, к двум старшим разрядам каждого символа QAM применяется дифференциальное кодирование. На этом формирование кортежей заканчивается и осуществляется найквистовская согласованная фильтрация для формирования спектра в квадратурных каналах I и О. Затем сигналами I и О моделируются квадратурные несущие, и сигнал QAM переносится по спектру в полосу рабочего кабельного канала, для сопряжения с которым служит физический интерфейс. На приеме в соответствующем порядке выполняются обратные операции по демодуляции и декодированию сигнала в цифровой приставке Set

– Top – Box (STB).

Характерной особенностью рассмотренного тракта адаптации является отсутствие внутреннего сверточного кодека и наличие формирования спектра в основной полосе. Защита от пакетированных ошибок производится исключительно за счет перемежения на выходе кодера Рида - Соломона.

18

После сверточного перемежения непрерывную последовательность байтов необходимо разделить на короткие последовательности битов, каждая из которых соответствует символу QAM, т.е. определенной точке на квадратурной диаграмме модулированного сигнала. Такие последовательности двоичных символов называются кортежами. Длина кортежа

M = log2(M), (1)

где М – число позиций сигнала M - QAM (т.е. 2 m×QAM ).

Циклическая задача отображения байтов в кортежи для одного цикла может быть выражена формулой:

Минимальный цикл преобразования в 1 байт соответствует видам модуляции 16 QAM и 256 QAM При 256 QAM байты и кортежи совпадают.

В табл. 3 приведены примеры расчетных значений символьной и информационной скоростей при разных кратностях модуляции в канале с полосой 8 МГц. Максимальная скорость достигает 38,1 Мбит/с, что соответствует пропускной способности ствола спутникового ретранслятора с полосой 33 МГц в типовом режиме Fсимв = 27,5 Мсимв/с, CR = 3/4.

Таблица 3. Примеры расчетных значений символьной и информационной скоростей.

3.1.1. Что несет с собой стандарт DVB - C?

Такой вопрос наиболее часто задают кабельные операторы при переходе на цифровые технологии. При внедрении стандарта DVB - C реализуются следующие преимущества:

Существенная экономия частотного ресурса. Действительно, если в одном физическом канале размещаются 4-8 ТВ программ, то это означает, что для передачи 60-ти программ потребуется всего около 10-ти каналов. Такой частотный выигрыш особенно ощутим при внедрении стандарта DVB - C на устаревших сетях с пропускной способностью до 240…300 МГц. В таких сетях легко размещаются свыше 100 цифровых каналов, а при активизации реверсного канала – и услуги интерактивного сервиса.

Существенно повышается качество транслируемых программ.

Действительно, трансляция аналоговых сигналов неизбежно влечет за собой снижение их качества в части неизбежного накопления искажений (шумы, интермодуляционные искажения, фоновая помеха, наводимые сигналы, кроссмодуляция и т.д.). Цифровые же сигналы (DVB - C) сохраняют свое качество вне зависимости от протяженности магистрали. Для них достаточно превышения требуемого уровня сигнала (что всегда выполняется на практике в силу более высокой чувствительности STB в сравнении с телевизором) и порогового значения C/N, которое много ниже регламентируемых 43 dB согласно ГОСТ Р 52023-2003.

При использовании стандарта DVB - C появляется возможность значительно увеличить зону обслуживания СКТ за счет более низкого шумового порога (не более 36 dB). Расчеты показывают, что при использовании стадарта DVB - C возможно увеличение зоны обслуживания в 10 и более раз. Причем, такое увеличение зоны охвата наиболее эффективно именно на устаревших сетях с верхней частотой 240…300 МГц. На таких частотах погонные потери коаксиального кабеля почти в 2 раза меньше, чем на частоте 862 МГц, с которой проектируются современные СКТ. При меньших погонных потерях требуется меньшее число усилителей, что и гарантирует поддержание высокого значения S/N.

Более того, снижение числа физических каналов снижает энергетическую нагрузку самой СКТ, что эквивалентно значительному улучшению S/N, CTB и CSO.

Появляется возможность эффективного кодирования пакетов программ

формированным по тем или иным экономическим соображениям, что позволяет операторам СКТ получать дополнительные прибыли за счет формирования платных каналов. При использовании DVB - C так же облегчается и возможность использования фильтров пакетирования за счет снижения физических каналов и появления частотных пробелов, которые и необходимы при использовании фильтров пакетирования.

3.1.2. Примеры DVB - C модуляторов.

Примером DVB - C модулятора (см. фото) может служить модуль DVQ 90 × c DVB - ASI входом (Teleste, Финляндия). Такой модуль устанавливается в

20