(по цифровому вещанию) Dvorkovich_V_Cifrovye_videoinformacionnye_sistemy

Глава 22. Стандарты цифрового мобильного радиовещания

Мультимедийная технология DMB (Digital Multimedia Broadcasting) основана на использовании радиовещательного цифрового стандарта DAB (Digital Audio Broadcasting) Эти технологии DAB и DMB, а также DAB-IP-представляются единым форумом WorldDMB, в который входят 130 членов из 40 стран мира [9.19–9.24].

Цифровой стандарт DAB был создан в 90-х годах прошлого века на основе технология Eureka 147 и изначально был ориентирован на звуковое радиовещание на мобильные, в том числе автомобильные приемники.

Имеется две версии стандарта: наземная T-DAB (Terrestrial) и спутниковая S-DAB (Satellite). Наземная (эфирная) версия стандарта предназначена для доставки сигнала в III полосе ОВЧ диапазона (174-230 МГц) или L-полосе УВЧ-диа- пазона (1400–1900 МГц).

Общие принципы формирования каналов T-DAB заключаются в следующем. Ширина полосы спектра установлена равной 1,536 МГц, используются мультиплексирование COFDM/QPSK, сверточное кодирование, а также частотное

и временное перемежение данных с глубиной до 384 мс. Структура Т-DAB потока включает три составляющие:

–канал синхронизации SC (Synchronisation Channel), передающий метки времени, необходимые для синхронизации приемника;

–быстрый информационный канал FIC (Fast Information Channel) передачи служебной информации о структуре мультиплексированного потока и параметрах кодирования составляющих потока; помимо этого в FIC может передаваться SI (Service Information), служебная информация для систем условного доступа (CA), и FIDC (Fast Information Data Channel); для обеспечения быстрой и в то же время оперативной передачи информации MCI FIC передается без временного перемежения, но с высоким уровнем помехоустойчивой защиты;

–основной сервисный канал MSC (Main Service Channel), в котором непосредственно передается информация; он может делиться на подканалы, каждый из которых отдается под определенный тип потока.

Для MSC предусмотрено два режима передачи — пакетный или потоковый. Если подканалу задан потоковый режим, то в нем обеспечивается непрерывная, фиксированная по скорости передача одного потока. В пакетном режиме один подканал может использоваться для передачи нескольких услуг.

Вкачестве помехоустойчивого кодирования в MSC используется сверточный кодер, а также временное и частотное перемежение данных. Системы, использующие транспортный формат T-DAB, применяют разные схемы передачи информации в канале MSC. Кроме того, они различаются «надстройкой» на уровне приложений, реализуемой в конкретном проекте.

ВАнглии развертывание цифрового радиовещания в стандарте Т-DAB началось в 1994 году, а в 1999 году такой стандарт радиовещания был реализован компанией BBC.

22.3. Система мобильного мультимедийного вещания T-DMB

На начало 2007 года в Англии построена одночастотная сеть (Single Frequency Network, SFN), включающая 100 передатчиков и охватывающая 90% территории страны.

Воктябре 2004 года южнокорейскими компаниями Samsung и LG Electronics были продемонстрированы терминалы Т-DAВ, поволяющие принимать различных виды данных. Эта технология и получила название Т-DMB. Для сжатия видеосигнала может быть использована любая технически подходящая технология: H.264, Windows Media и т. п. Цифровые аудио- и видеосигналы могут быть мультиплексированы в один мультимедийный высокоскоростной транспортный поток. Для этого можно использовать оборудование DVB, формирующее транспортный поток MPEG-2. При необходимости данные могут быть упакованы в IP-пакеты. Эти идеи и составляют содержание технологии Т-DMB.

Южнокорейская корпорация TU Media 1 мая 2005 года начала трансляцию 7 видеоканалов и 20 аудиоканалов. На мобильные абонентские терминалы стандарта CDMA доставка сигнала c мультимедийными данными осуществлялась главным образом со спутника в S-диапазоне, частично — путем ретрансляции спутникового сигнала Ku-диапазона в S-диапазон. По этой причине терминалы получили название S-DMB (Satttellite). Сегодня эти устройства находят использование главным образом на автомобильном рынке.

1 декабря 2005 в Сеуле начато предоставление мультимедийного вещания

сиспользованием наземной технологии T-DMB на коммерческой основе. Услуги начали предоставлять сразу 6 операторов мобильной связи, работающие в стандарте CDMA. Каждый из операторов предоставил своим абонентам 4–5 сервисов в канале Т-DAB. В общей сложности всеми операторами было предоставлено 7 телеканалов, 13 аудиоканалов и 9 каналов передачи данных для загрузки web-страниц.

На начало 2006 года в мире значилось 18 пилотных проектов по внедрению технологии DMB на основе существующей наземной вещательной инфраструктуры Т-DAB. В Европе основные проекты были развернуты в Германии, Франции, Норвегии, Голландии, Финляндии, Англии и Италии. Лидером в этом процессе являлась Германия, где в июне 2006 года заработало 39 передатчиков T-DMB в 12 городах.

Всистеме T-DMB радиопрограммы и данные передаются стандартным для DAB способом, а для трансляции ТВ используется отдельный потоковый канал MSC, в котором реализована более сложная система инкапсуляции и защиты. Видеопотоки компрессируются в формате H.264/AVC, для аудио используется система компрессии HE-AAC. Сжатые потоки сначала инкапсулируются в транспортные пакеты MPEG-2 и защищаются от помех кодом Рида–Соломона, а затем через перемежитель вводятся в DAB-канал, где дополнительно защищаются сверточным кодом и подвергаются перемежению. Промежуточная инкапсуляция в пакеты MPEG-2 позволяет использовать проверенные механизмы синхронизации разных элементарных потоков, относящихся к одной ТВ-програм- ме, и отработанную схему наложения кода Рида–Соломона.

Европейский профиль T-DMB отличается от корейского в основном отсуствием условного доступа и ограничений на просмотр контента. Что касается британского проекта Movio System, то там подканал MSC используется в пакетном режиме, а компрессированные телевизионные потоки перед размещением в подканале инкапсулируются в IP-пакеты. Особенностью этой системы также

Глава 22. Стандарты цифрового мобильного радиовещания

является использование видеокомпресии VC1. Ее выбор, очевидно, обусловлен партнерством с Microsoft , который поставил для проекта не только систему компресии, но и систему контроля за воспроизведением Windows Media DRM.

Можно встретить довольно много материалов, посвященных сравнению T-DMB и DVB-H. Приверженцы T-DMB говорят о дешевизне развертывания этих сетей на базе существующей транспортной структуры DAB, о возможности более широкого разнесения сот в одночастотных сетях и о более быстром переключении с канала на канал. К преимуществам формата относится и наличие в DAB информационного канала, позволяющего демультиплексору извлекать из принимаемого потока только необходимые составляющие, что упрощает прием. Отмечается также широкий ассортимент DMB-приемников, разработанных для Кореи.

Сторонники DVB-H считают, что сети T-DAB, равно как и частоты, отведенные под эти радиоуслуги, получить затруднительно, что основной ассортимент приемников предназначен для спутниковой версии S-DMB, а эфирные интегрированы с СDMA-телефонами, не актуальными для Европы, где доминируют форматы семейства GSM. Считается существенным преимущество импульсного режима передачи, сберегающего энергию приемников DVB-H. Еще указывается на возможность более широкого, чем в T-DMB, выбора схем модуляции и защиты и, как следствие, более низкие требования к параметру C/N .

Эксперты считают, что эти технологии могут занять разные ниши. Для передачи радиоили небольшого количества ТВ-программ лучше приспособлены каналы DAB, в то время как для трансляции крупных ТВ-пакетов предпочтительнее сети DVB-H.

На рис. 22.4 приведена архитектура видеообслуживания потребителей в системах T-DMB и S-DMB, содержащая пакетный режим стандарта DAB, внешний кодер RS (204, 188) и перемежитель, тракт формирования пакетов MPEG-2 TS, тракт введения синхронизирующих сигналов, область компрессии, содержащую, возможно, детектор объектов, информацию о передаваемой сцене и форме объектов, а также систему композиции и представления аудиовидеосцены.

На рис. 22.5 дана достаточно подробная структурная схема формирования OFDM-сигналов системы DMB, состоящая из двух основных частей: видеомультиплексора и формирователя сигналов стандарта DAB.

Видеомультиплексор объединяет данные формирователей потоков кодированной видео-, аудио- и другой дополнительной информации о передаваемых объектах, а также реализует повышение эффективности кодирования за счет использования кодера Рида–Соломона и блока перемежения данных.

Сформированная таким образом информация подается на стандартный формирователь сигналов стандарта DAB, обеспечивающий опционально шифрование информации, статистическое и сверточное кодирование, временное перемежение битов, мультиплексирование с рядом дополнительных данных и формирование OFDM-сигналов.

22.4. Аудиовизуальная информационная система реального времени РАВИС

Рис. 22.4. Архитектура видеообслуживания потребителей в системе DMB

Работу подвижных систем связи в ОВЧ-диапазоне в городских условиях с плотной застройкой, в лесистой и горной местностях, в водной акватории определяют несколько характеристик сигнала, к которым относятся: затухание вдоль трассы, распределение амплитуд, многолучевость и спектр задержек, размытие спектра и допплеровский сдвиг.

Прием сигнала в движущемся транспорте, особенно на магистралях, где скорость движения достигает 100 км/час и более, возникает размытие спектра и допплеровский сдвиг радиосигналов.

Глава 22. Стандарты цифрового мобильного радиовещания

Рис. 22.5. Структурная схема формирования OFDM-сигналов системы DMB

Вдиапазоне ОВЧ расчетный интегральный масштаб частотной корреляции для многих городских районов современной застройки, согласующийся с экспериментальными данными, составляет 0,8–0,9 МГц.

Всвязи с этим условия приема сигналов в движущемся транспорте будут комфортными при современной городской застройке, в лесистой и горной местностях, в водной акватории при использовании радиоканала с полосой 0,2–0,25 МГц.

Диапазон частот и полоса спектра радиоканала, используемые для вещания системы РАВИС, позволяет локализовать вещание, т. е. на одной и той же частоте

вразных городах передавать различные программы, реализовать одночастотные сети вещания вдоль шоссейных и железнодорожных путей и др. При этом радиус покрытия передатчиком остается достаточно велик для обеспечения приема

вотдаленных пунктах, где другим способом невозможно осуществить вещание. При меньших уровнях излучаемого сигнала, чем при FM-вещании, радиус уверенного приема сигнала системы РАВИС может превышать стандартные для FM-диапазона значения до 80–90 км.

Система РАВИС включает как традиционные для радиовещания, так и совершенно новые сервисы:

–высококачественный стереофонический и многоканальный звук;

–видео со стереофоническим звуковым сопровождением на нескольких языках;

–текстовые сообщения, как связанные, так и не связанные со звуковыми или видеопрограммами;

–электронная программа передач;

–передача статических изображений и слайд-шоу;

–локальная дорожная информация, информация о погоде и пр.;

22.4. Аудиовизуальная информационная система реального времени РАВИС

–передача данных (широковещательная, групповая, индивидуальная);

–передача данных с повышенной надежностью;

–организация систем оповещения ГО и ЧС;

–служба service following, совместимая с другими системами вещания, как аналоговыми (FM RDS, AMSS), так и цифровыми (T-DAB, DRM).

Внедрение аудиовизуальной информационной системы РАВИС связано с решением современных тенденций цифровизации телекоммуникационных систем и, в частности, сети мобильного радиовещания взамен аналоговых систем УКВЧМ- и FM-вещания в выделенных для этих целей в России диапазонах частот 66–74 и 87,5–108 МГц.

Необходимость и эффективность внедрения цифровых систем, определенные в «Концепции развития телерадиовещания в Российской Федерации на 2008– 2015 годы» (Одобрена распоряжением Правительства 29.11.2007 г. № 1700-р) и в ФЦП «Развитие телерадиовещания на 2009–2015 годы» (Утверждена Председателем Правительства 21.09.2009 г. № 1349-р), связаны с требованиями:

–существенного повышения эффективности использования частотного ресурса;

–создания эффективных эфирных систем оповещения при чрезвычайных ситуациях;

–реализации одночастотных сетей мобильного вещания вдоль шоссейных и железнодорожных путей в России;

–существенного снижения энергопотребления радиопередающими средствами мобильного мультимедийного вещания;

–достижения на современном этапе развития видео- и аудиоинформационных систем нового уровня качества воспроизведения изображений и звука;

–удовлетворения постоянно возрастающих запросов на частотные присвоения систем связи без пересмотра частотных планов;

–развития цифровых систем передачи видео- и звуковых данных при существенном увеличении объема передаваемой сопутствующей информации;

–создания высоконадежных систем передачи информации с эффективной системой защиты от несанкционированного приема;

–интегрирования России в общемировую систему телекоммуникаций с учетом тенденций перехода к мультимедийным системам многопрограммного телерадиовещания в глобальном масштабе.

Приведем основные конкурентные преимущества системы РАВИС для всех категорий потребителей.

Для слушателей открываются такие возможности, как:

–прием высококачественного звукового вещания (стереофонического и многоканального);

–получение новых мультимедийных сервисов (видео, текст, дополнительные данные, электронная программа передач и т. д.);

–простая настройка на станцию по названию, жанру и пр.

Для производителей внедрение системы РАВИС означает:

–массовую замену старых аналоговых приемников;

–модернизацию передающих средств при сохранении инфраструктуры;

–общий рост потенциала рынка передающих и приемных средств.

Глава 22. Стандарты цифрового мобильного радиовещания

Для вещателей применение системы РАВИС обеспечивает:

–снижение потребляемой мощности, приходящейся на одну программу;

–расширение зоны охвата вещанием;

–увеличение количества и качества программ, спектра предлагаемых потребителям сервисов;

–возможность адаптации к потребностям как больших, так и малых вещателей.

Для регуляторных органов использование системы РАВИС означает:

–повышение эффективности использования спектра;

–возможность сохранения частотных распределений, простых процедур лицензирования;

–координацию в рамках международно признанной системы.

Аналоги систем, реализующих возможности системы РАВИС, в мировой практике отсутствуют.

Важнейшим стимулом реализации системы РАВИС является утверждение отечественного стандарта ГОСТ Р 54309-2011 [9.25], в котором определены параметры формирования кадровой структуры, канального кодирования и модуляции для системы цифрового наземного узкополосного радиовещания в ОВЧ диапазоне.

Система РАВИС признана на международном уровне. По результатам исследований были разработаны 8 вкладов России в Международный союз электросвязи и 9 вкладов в Комитет по электронным средствам связи (ЕСС) Европейской конференции администраций почт и электросвязи (CEPT) [9.26–9.42].

Первое в мировой практике предложение по реализации подобной системы было изложено в патенте Российской Федерации [9.43], в котором в соответствии с описанием предусматривалась возможность трансляции информационного телевидения, содержащего динамические цветные изображения и стереозвуковое сопровождение. Результаты создания модели системы и ее натурных испытаний впервые были изложены в журнале «Broadcasting. Телевидение и радиовещание» в 2005 г. [9.44].

На основании вкладов России были разработаны международные документы [9.45–9.51]. Результаты разработки системы РАВИС изложены в [9.52–9.58].

Система РАВИС позволяет в короткие сроки развернуть единую национальную систему мобильного телевещания. Низкая стоимость строительства инфраструктуры, возможность использования существующих радиочастот позволит обеспечить мобильным телевизионным вещанием практически всю территорию России.

Основное применение системы РАВИС — обеспечение телерадиовещания в транспорте. При поддержке государства и, прежде всего, государственных телерадиокомпаний, в короткие сроки телевещательные компании могут получить дополнительную телеаудиторию.

Система РАВИС имеет три канала — канал основного сервиса (КОС), низкоскоростной канал (НКС) передачи сигналов звукового оповещения и надежный канал данных (НКД) передачи сигналов текстового оповещения. В состав

22.4. Аудиовизуальная информационная система реального времени РАВИС

аппаратуры входят три основные составляющие: кодер источника, передатчик и приемник.

Кодер источника

В зависимости от реализуемых функций кодера источника на его входы поступают множество потоков аудиоданных, а также данные звукового и текстового оповещения (рис. 22.6а), либо вместо потоков аудиоданных — видеоинформация с несколькими каналами звукового сопровождения (рис. 22.6б). В дополнение к этим основным данным возможна передача сопроводительной дополнительной информации, например титров, прогноза погоды, аналога RDS-данных при FM-вещании и т. п. (на рис. 22.6 не показано).

Аудиоданные кодируются по стандарту MPEG-4 HE-AAC, видеоданные по стандарту H.264 / MPEG-4 AVC. Количество потоков в каждом из вариантов определяется возможной скоростью передачи информации через канал связи и требуемым качеством сервиса для каждого из элементарных потоков (аудио или видео).

Передатчик

Передатчик системы РАВИС построен по общепринятой в настоящее время схеме СOFDM-модуляции, сочетающей высокую спектральную эффективность с хорошей помехозащищенностью как от гауссовского шума, так и от других помех, таких как многолучевое распространение сигнала и эффекта Допплера.

Стандарт РАВИС [9.25] устанавливает основные принципы построения системы для цифрового наземного узкополосного вещания РАВИС и определяет процессы формирования кадровой структуры, методов канального кодирования, мультиплексирования и модуляции системы.

Одним из ключевых условий при разработке системы РАВИС было сохранение частотных распределений, т. е. полоса радиоканала в системе РАВИС должна укладываться в полосу радиоканала аналогового ЧМ-вещания. Поэтому максимальная ширина полосы радиоканала РАВИС составляет 250 кГц. Предусмотрены также более узкополосные варианты 200 и 100 кГц. Отличительная особенность системы — интервал между несущими не зависит от ширины полосы радиоканала, при изменении полосы меняется количество несущих.

Кроме ширины полосы канала предусмотрено несколько возможных значений параметров канального кодирования и модуляции системы РАВИС, что позволяет организовывать вещание в различных условиях окружающей среды и помеховой обстановки, обеспечивая вещателю выбор между зоной покрытия и скоростью передачи данных в системе. Эти параметры позволяют также организовывать вещание в одночастотных сетях, например вдоль автомобильных трасс.

В системе предусмотрена возможность формирования помимо логического канала основного сервиса (КОС) двух дополнительных каналов — канала низкоскоростных данных с повышенной надежностью передачи (НСК, пропускная способность около 12 кбитов/с) и канала высоконадежной передачи данных (НКД, пропускная способность около 5 кбитов/с). Эти логические каналы могут использоваться, например, в системах оповещения о чрезвычайных ситуациях и т. д.

22.4. Аудиовизуальная информационная система реального времени РАВИС

Рис. 22.7. Структурная схема передающей части РАВИС (а) и составные части блока обработки, канального кодирования и перемежения входных данных (б)

НКД — 533 бита, скорость канального кодирования — 1/2, тип модуляции — BPSK. Данные канала передают на 26 информационных несущих. При отсутствии логических каналов НСК и/или НКД их несущие используются для канала КОС.

Интервал между несущими составляет 4000/9 Гц и не зависит от ширины полосы радиоканала. Длительность полезной части символа OFDM составляет 2,25 мс. Длительность защитного интервала — 1/8. Кадр OFDM состоит из 41 символа. Структурная схема передающей части системы РАВИС представлена на рис. 22.7а. Составные части блока обработки, канального кодирования и перемежения входных данных в каждом из трех каналов системы РАВИС изображены на рис. 22.7б.

Кодирование источника

На входы каналов данных КОС, НСК и НКД подаются двоичные данные, переносящие различную информацию. В первую очередь система РАВИС предназначена для передачи видео- и звуковой информации. Эта информация предварительно подвергается эффективному кодированию с целью устранения как статистической избыточности, так и избыточности восприятия (визуальной, звуковой).

В настоящее время наиболее перспективными для использования в системе РАВИС являются звуковой кодер HE-AAC [9.59] (включая кодирование SBR, PS, MPEG Surround [9.60]) и видеокодер H.264/AVC [9.61]. Кодер HE-AAC позволяет передавать в потоке от 32 кбита/с высококачественный стереозвук, а в потоке от 84 кбитов/с — многоканальный звук формата 5.1. Кодер H.264/AVC обеспечивает видео высокого качества формата CIF 25 кадров/с при потоке менее 500 кбитов/с.

Закодированные данные источников мультиплексируют с использованием различных форматов, включая пакеты постоянной (в том числе транспортный поток