CC BY
327
DRM+ система цифрового радиовещания
АНАЛОГОВАЯ РАДИОТРАНСЛЯЦИЯ С ЧАСТОТНОЙ МОДУЛЯЦИЕЙ В ДИАПАЗОНЕ 87,5 -108 МГц И47 -72 МГц ШИРОКО ПРИМЕНЯЕТСЯ ВО ВСЕМ МИРЕ. НЕСМОТРЯ НА ВСЕ ПРЕИМУЩЕСТВА ЭТОЙ СИСТЕМЫ, ВОЗНИКАЕТ НЕОБХОДИМОСТЬ ПОВЫСИТЬ СПЕКТРАЛЬНУЮ ЭФФЕКТИВНОСТЬ СИСТЕМЫ ЗА СЧЕТ ПЕРЕДАЧИ НЕСКОЛЬКИХ ЗВУКОВЫХ КАНАЛОВ НА ОДНОЙ ПЕРЕДАЮЩЕЙ ЧАСТОТЕ И ПЕРЕДАЧИ ДОПОЛНИТЕЛЬНЫХ ИНФОРМАЦИОННЫХ СЕРВИСОВ. ТАКИЕ ЗАПРОСЫ МОЖЕТ УДОВЛЕТВОРИТЬ ТОЛЬКО ЦИФРОВАЯ СИСТЕМА РАДИОВЕЩАНИЯ.
Альберт Вааль,
научный сотрудник Ганноверского университета имени Лейбница на кафедре коммуникационной техники. Технический директор фирмы І^топііаІ GmbH
Существует несколько предложений реализации цифровой системы для радиовещания в УКВ-диапазоне. В США разработана система IBOC (In-Band-On-Channel). Эта система передает одновременно аналоговую и цифровую информацию на одной несущей частоте. В Японии применяется стандарт Japanese Integrated Services Digital Broadcasting — Terrestrial (ISDB-T).
В этой статье дается краткий обзор системы цифрового радиовещания формата DRM+.
Преимущества цифрового радиовещания
При разработке новой технологии необходим тщательный анализ требований пользователей, радиовещателей и производителей радиовещательных систем. Перечислим наиболее важные требования:
• высокая спектральная эффективность (передача нескольких звуковых каналов на одной частоте);
• гибкость системы для планирования и распределения частот. Растр канала 100, 200, 300 кГц;
• улучшенная доступность сервиса в сравнении с ЧМ, в особенности для мобильного приема;
• улучшенное качество звукового сигнала, включая поддержку объемного звука (surround sound);
• поддержка различных информационных сервисов;
• невысокая стоимость разработки системы и приемно-передающей аппаратуры;
• возможность создания синхронных сетей (Single Frequncy Networks);
• открытый стандарт под организацией ETSI или ITU.
Одна из важных задач при разработке радиовещательной системы — это обеспечение качественного приема информации не только для стационарных, но и для мобильных приемников. При использовании цифровой технологии коммуникационый канал можно рассматривать как "информационный контейнер", транспортирующий различные виды информации (текст, звук, видеоизображения). Именно реализация этих требований дает радиовещателям новые возможности при создании интересных и качественных радиопрограмм.
Система DRM+ удовлетворяет все вышеперечисленные требования при ширине полосы сигнала всего 96 кГц.
Техническая характеристика системы DRM+
Существующий стандарт DRM [1] разработан для радиовещания на длинных, средних и коротких волнах на частоте до 30 МГц. Этот стандарт комбинирует современную кодировку звукового сигнала с набором комплиментарных стандартов, таких как: Distribution and Communications Protocols, Multiplex Distribution Interfaces, Receiver Status and Control Interface (RSCI) и Data Applications Directory. Обширные тестовые испытания и регулярное вещание в формате DRM доказали высокую степень эффективности этого стандарта. Приемники для стандарта DRM выпускаются во многих странах мира, в том числе и в России.
DRM+ — это расширение стандарта на частоты до 108 МГц. Новая система использует логическую структуру и существующие наработки стандарта DRM, изменены только параметры OFDM-модуляции для ширины полосы 96 кГц.
Рис. 1. Структура генератора сигнала в формате DRM+
Для совместимости с большинством распределений частот в УКВ-диапазоне ширина полосы DRM+ сигнала составляет 96 кГц. Система рассчитана для работы с задержкой канала до 600 ps и доплеровским сдвигом частоты 15 Гц (@100 МГц). Во избежание эффекта плавного замирания канала, особенно при приеме в городских условиях, дополнительно может использоваться техника диверсификации (Alamouti transmit diversity). Надежный мобильный прием DRM+ сигнала обеспечивается при скорости до 300 км/ч.
На рис. 1 представлена общая структура генератора сигнала DRM+.
Для аудиокодирования используется алгоритм из группы стандартов MPEG-4. Три способа кодировки аудиоинформации возможны в системе DRM: AAC HE (Advanced Audio Coding), а также два способа кодировки речевой информации: CELP (Code Excited Linear Prediction) и HVXC (Harmonic Vector eXcitation Coding). Дополнительно можно применять алгоритм SBR (Spectral Bandwidth Replication). Для улучшения восприятия качества звука возможно применение объемного звука (surround sound).
Два информационных канала — FAC (Fast Access Channel) и SDC (Service Description Channel) — обеспечивают согласованность информации в основном мультиплексе. FAC передает оперативную служебную информацию, SDC передает относительно редко передаваемую служебную информацию. Пользовательская информация содержится в основном сервисном канале MSC (Main Service Channel).
Система DRM+ поддерживает скорость передачи данных от 40 до 186 кбит/с. На рис. 2 показана зависимость скорости передачи данных от скорости кодирования данных.
Кодер канала базируется на сверточноизбыточном кодировании информации и многоуровневом кодировании MLC (Multilevel Coding). Для канала MSC применяется 4-QAM или 16-QAM. Скорость кодирования R может изменяться от 0,25 при 4-QAM до 0.625 при 16-QAM, что позволяет добиться надежной передачи информации при низких отношениях сигнала к шуму или высокой скорости передачи данных при достаточной мощности принимаемого сигнала. Канал MSC, а также два информационных канала FAC и SDC дополняются опорной последовательностью символов (refrence pilots), которые необходимы для синхронизации и оценки канала в приемнике. Подготовленная таким образом инфор-
мация поступает в генератор сигнала OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing). Затем сгенерированный сигнал модулируется на передающую частоту.
DRM+: до четырех программ на одной частоте
В мултиплексе сигнала DRM+ могут пере-даватся до 4 программ. Необходимая для передачи аудио, видео и текстовых данных, информация формируется в контент-сервере. Радиостанциям предоставляется полная свобода при конфигурации мултиплекса. Приведем пример: при использовании кодировки аудиосигнала (ААС HE) возможна передача 2 музыкальных программ со скоростью 64 кбит/с и передача двух речевых программ или доплнительных данных со скоростью 24 кбит/с.
Таким образом, вместо одной музыкальной программы, промодулированной традиционным способом (ЧМ) в УКВ-диапазо-не, система DRM+ дает возможность передавать до 4 программ при более экономичном использовании частотного спектра.
Сравнение зоны охвата
Численное моделирование зоны охвата при передачи сигнала в формате DRM+ (16-QAM) и ЧМ-сигнала показало, что мощность передатчика цифрового сигнала может быть на 12 дБ меньше мощности передатчика ЧМ-сигнала при одинаковой зоне охвата. Используя 4-QAM модуляцию поднесущих цифрового сигнала OFDM, разница мощности может составлять до 20 дБ.
Защитные отношения
Важным фактором при запуске, испытании и эксплуатации системы является полная совместимость с существующими системами в УКВ-диапазоне, а также с системами летной радионавигации, находящимися в диапазоне от 108 до 120 МГц. Система DRM+ выполняет все вышеуказанные требования. С подробным отчетом проводимых исследований можно ознакомиться в [3].
Дополнительные теоретические исследования по совместимости проводились в Ганноверском университете имени Лейбница
н----------------------------------------------------------------------------------------1-----►
4 SNR [dB] in RA channel |6
Рис. 2. Скорость передачи и кодировки данных
проверка совместимости с существующей системой ЧМ в УКВ-диапазоне. Для испытания использовался линейный передатчик мощностью 20 Ватт. Передающая антенна направленного действия была установлена на крыше здания университета на уровне 70 м. Зона охвата при устойчивом приеме сигнала составляла порядка 10-12 км.
После удачного дебюта новой системы в тесном сотруднечестве с фирмой RFmondial GmbH [4] разрабатывается концепт серийного производства передатчиков, модуляторов и приемников. Отличительной чертой последних является прием таких стандартов радиовещания, как АМ, ЧМ, DRM, DRM+ и DAB.
Литература
1. ETSI ES 201 980: Digital Radio Mondiale (DRM); System Specification V2.2.1 (2005).
2. fTU-R Document 6E/413-E, Digital Radio Mondiale (DRM)--Narrowband digital broadcasting with the DRM System in bands I and II, 14 August2006.
3. BnetzA Documentation G531/00328/07 — Compability Measurements. DRM+ and HD-Radio interfering with FM Broadcast, Narrowband FM (BOS) and Aeronautical Radionavigation.
4. www.rfmondial.de.
Рис. З. Совмещение цифрового и аналогового сигнала
на кафедре коммуникационной техники. Одним из результатов было выявление минимального расстояния несущей ЧМ-сигна-ла и несущей Р1^М+ сигнала при соблюдении защитного расстояния в 50 дБ, при котором сигнал в формате Р1^М+ не влияет на качество ЧМ-радиопередачи. Это расстояния соответсвует 151 кГц при использовании ЧМ стерео-сигнала.
Совместное использование передающего оборудования
непсредственной близости от несущей ЧМ-сигнала (минимальное частотное растояние 1З8 кГц), то оба сигнала — аналоговый и цифровой — подаются через устройство совмещения сигналов (combiner) и выходной фильтр на передающюю антенну (рис. З).
Нужно заметить, что применение существующей передающей антенны не является обязательным условием при эксплуатации системы DRM+.
Заключение
Система Р1^М+ позволяет использовать существующие передающие УКВ-антенны. Если несущая Р1^М+ сигнала находится в
Первый передатчик в формате РІІМ+ был запущен в ноябре 2007 г. в Ганновере. Основная цель — испытание новой системы и
