CC BY
76
АСПЕКТЫ КАЧЕСТВА
п ч.
ЦИФРОВОЕ ВЕЩАНИЕ
пп
Качественные характеристики звукового тракта в системе DRM
О.В. ВАРЛАМОВ,
старший научный сотрудник МТУСИ,
В отличие от передатчиков аналогового радиовещания с амплитудной и частотной модуляцией, на качественные параметры радиовещательных (то есть звуковых) трактов которых имеются соответствующие нормативные документы [1, 2], для передатчиков, работающих в стандарте DRM, подобных документов в настоящее время не существует [3]. Данное обстоятельство является совершенно естественным для цифровой техники в целом, поскольку искажения (частотные, нелинейные и т.д.), возникающие в передатчике, не влияют на качество декодированного сигнала до тех пор, пока не будет превышен допустимый для декодирования порог. Именно поэтому на передатчики ЦРВ стандарта DRM в основном установлены нормы только на параметры, определяющие электромагнитную совместимость [4]. Единственным нормируемым параметром, характеризующим «качество» передатчика, является допустимая величина MER (Modulation Error Ratio - коэффициент ошибок модуляции), которая выбрана на 10...20 дБ выше порога декодирования.
Таким образом, качественные параметры радиовещательного передатчика (в привычном понимании - это диапазон передаваемых звуковых частот, коэффициент гармоник, интермодуляционные искажения, величина переходного затухания между стереоканалами и т.д.) в системе DRM определяются исключительно параметрами звукового кодирования. Возможность использования того или иного типа кодера, предусмотренного в системе DRM, и разных режимов их работы определяются доступной скоростью передаваемого цифрового потока
En
ппп
НИИ ИИ
и
Ключевые слова:
цифровое радиовещание, йЯИ, передатчик, качество звука, инструментальные измерения,
прослушивание.
В статье рассматриваются качественные характеристики звукового тракта системы цифрового радиовещания ЭЯМ в различных режимах помехоустойчивого кодирования. Проводится сравнение с аналоговыми системами вещания с амплитудной и частотной модуляцией. Результаты проведенных инструментальных измерений позволяют вещателям и операторам проводить первоначальный выбор желательных для них режимов помехоустойчивости ЭЯМ с его уточнением посредством последующего прослушивания.
(рис. 1 [5]), на которую, в свою очередь, оказывают влияние ширина полосы занимаемых частот и режим помехоустойчивости.
Основные характеристики используемых кодеров
Для кодера НУХС (только речь) - скорость передачи данных 2000-6560 бит/с - может быть применима технология БВЯ для расширения диапазона аудиочастот от 4 до 8 кГц. Может использоваться при организации дополнительных речевых каналов, например, при передаче мультиязычных новостей.
Для кодера СЕ1.Р (речь, возможна музыка на высших скоростях) - скорость передачи данных 3860-14000 бит/с - может быть использована технология БВЯ для расширения диапазона аудиочастот до 14 кГц.
Для кодера ААС (речь, музыка) при увеличении скорости передачи данных от 8 до 20 кбит/с диапазон аудиочастот расширяется от 4 до 6 кГц. Универсальный аудиокодер предназначен в основном для «сложных» КВ-каналов с низкими скоростями передачи данных.
Для кодера ААС+БВЯ лимитированы три значения диапазона аудиочастот:
^ 10 875 Гц - при скоростях передачи данных 14 00018 460 бит/с;
□ пп
ЦИФРОВОЕ ВЕЩАНИЕ ggfj
ПН
ч □
АСПЕКТЫ КАЧЕСТВА
^ 13 125 Гц - при скоростях передачи данных 18 480-22 460 бит/с; ^ 15 375 Гц - при скоростях передачи данных 22 480-28 460 бит/с. Основное применение -в стандартных КВ-каналах со скоростями 17-21 кбит/с.
Параметрическое стерео (Parametric Stereo) - минимальная скорость передачи данных 16 480 бит/с, три значения диапазона ау-диочастот - как у AAC+SBR моно. Может применяться в диапазонах ДВ и СВ или в «хороших» односкачковых КВ-каналах.
AAC+SBR Stereo - минимальная скорость передачи данных 26 480 бит/с, два значения диапазона аудиочастот: ^ 13 125 Гц - при скоростях передачи данных 26 48028 480 бит/с;
^ 15 375 Гц - при скоростях передачи данных 28 480 бит/с.
Может применяться в диапазонах ДВ и СВ и в сдвоенных (18 кГц) СВ-каналах.
Доступные в основном канале обслуживания системы DRM скорости цифрового потока для режимов помехоустойчивости, применяемых в диапазонах ДВ и СВ, приведены в табл. 1 и 2 [5].
Следует отметить, что варианты с минимальной скоростью передачи данных (то есть с максимальной поме-хозащитой) не устраивают ни вещателей, ни слушателей по качеству аудиосигнала и могут использоваться
2 4 Я 12 1
HVXC
ш CEI.P
ААС
ДЛС ■ SBR 1
1 Моыо I lupd ме 1 рическое с i epw Стерео
ЙГ Made В К) кГц
МГ Mink Л 9 Ki ll 1
| MI-MiideA 18 Kin
Рис. 1. Требуемые скорости передачи для различных аудиокодеров, L
используемых в системе DRM
только для передачи речевой информации. «Приемлемое качество» звукового контента достигается при скоростях передачи не менее 14 кбит/с (желательно более 20...22 кбит/с), для чего при использовании полос частот 9 или 10 кГц требуется отношение сигнал/шум (ОСШ) в точке приема от 11 до 13 дБ (и от 15 до 20 дБ соответственно) в зависимости от условий распространения. Возможность использования более высоких скоростей передачи (и получения аудиосигнала более высокого качества) требует более высокого ОСШ и, соответственно, повышения мощности передатчика при сохранении зоны обслуживания, на что вещатели обычно идут неохотно.
Вместе с тем, понятие «приемлемое качество» к настоящему времени не стандартизовано и не формализовано. В рекламных материалах РЯМ-консорциума. многочисленных зарубежных и отечественных публикациях фигурирует понятие «качество, сопоставимое с УКВ-вещанием», основанное на экспертных оценках слушателей [6] без конкретизации технических характеристик.
Таблица 1. Скорости цифрового потока в различных комбинациях для режима помехоустойчивости А (земная волна)
Схема модуляции JVa уровни защиты Средняя скорость кодирования Полоса частот, кГц
4.5 5 9 1« 18 20
64-QAM 0 0,5 9392.5 10520 19695 22142.5 40935 45840
1 0,6 11272.5 12740 23625 26570 49115 54995
2 0,71 13305 15045 27892.5 31367.5 57982.5 64940
3 0,78 14745 16660 30910 34770 64260 71970
It)-О AM О 0,5 6262.5 7080 13125 14760 27285 30555
1 0fi2 7827.5 8850 16412.5 18452.5 34112.5 38200
Таблица 2. Скорости цифрового потока в различных комбинациях для режима помехоустойчивости В (ионосферная волна)
Схема модуляции № уровня защиты Средняя скорость кодирования Полоса частот, к*1 ц
4.5 5 9 10 IS 2»
64-QAM 0 0,5 7200 8280 15332.5 17477.5 31817.5 35760
1 0,6 8640 9930 18402.5 20975 38180 42905
2 0.7! 10200 11730 21720 24750 45065 50660
3 0,78 11300 12990 24075 27450 49950 56140
16-QAM 0 0,5 4800 5520 10222.5 11655 21210 23835
1 0.62 6000 6900 12777.5 14565 26515 29800
№1 »2014 век КАЧЕСТВА
□
ПН
ппп
ПИП
пп □ .<
ЦИФРОВОЕ ВЕЩАНИЕ
Таблица 3. Перечень параметров, характеризующих качество радиовещательного тракта передатчиков АМ- и ЧМ-вещания
Наименование параметра АМ 4M стсрсо
Номинальный диапазон модулирующих частот. Гц 50-10000 30-15000
Допустил сое отклонение АЧХ. дБ, не более: ЧМ АМ: До 75 Гц и свыше 6600 Гц АМ: От 75 Гц до 6600 Гц +0.7;-1.3 ±0.7 ±0,8
Коэффициент гармоник. %. не более: ЧМ (м=100%. до 7000 Гц) АМ: До 100 Гц (м-10%. 90%/м=50%) АМ: От 100 Гц до 4000 Гц(м=10%. У0%/м=50%) АМ: Свыше 4000 Гц (м=10%, 90%/м=50%) 3.8/1.5 2.0/1.0 4.0/2.0 0.5
Интермодуляционные искажения. %. не более: АМ: м=90% АМ: м=50% ЧМ, 3/5 порядков. дБ. не более 10 6 -50/-55
Уровень нев тешенного (интегрального) шума. дБ. не более -58 -62
| Уровень взвешенного (псофометрического) шума. дБ. не более -60 -65
Переходное затухание между стереоканалами. дБ: 1000 Гц 120 Га 400 Гц. 5000 Гц. 10000 Гц 50 40
АСПЕКТЫ КАЧЕСТВА
Известно, что качество работы аудиоко-деров с потерями можно определять только на основании экспертных оценок по результатам прослушивания, а инструментальные методы измерения характеристик аудиокодеров не дают адекватного представления о корректности их работы.
Однако большое число режимов помехоустойчивости, предусмотренное в стандарте DRM, и соответствующее им количество различных скоростей передачи данных с мелким шагом между ними делают задачу экспертного определения качества звучания для всех возможных комбинаций трудновыполнимой и чрезмерно затратной. При этом у вещателей и операторов, привыкших ориентироваться на стандартизованные «классы качества», постоянно возникают вопросы, какая же полоса частот будет доступна в том или ином режиме.
Инструментальные измерения
Для ответа на эти вопросы и с целью формализации качественных параметров звукового кодирования в различных режимах помехоустойчивости системы DRM (то есть при различных скоростях передачи данных) была проведена серия инструментальных измерений (при полном понимании того, что они не дадут адекватного представления о действительном качестве аудио).
В ходе инструментальных измерений проверялись все параметры, которые нормируются при испытаниях как АМ-, так и
ЧМ-передатчиков (диапазон модулирующих частот, допустимое отклонение АЧХ, коэффициент гармоник, интермодуляционные искажения, защищенность от интегральной помехи, переходное затухание между стереоканалами). Результаты этих измерений позволяют заинтересованным структурам (вещателям и операторам) проводить сравнение качественных характеристик DRM-передатчиков с параметрами передатчиков АМ- и ЧМ-вещания и осуществлять первоначальный выбор желательных для них режимов помехоустойчивости DRM с его уточнением посред-
Таблица 4. Результаты инструментальных измерений
Наименование параметра Диапазон модулирующих частот, Гц Коэффициент гармоник, % Интермодуляционные искажения, дБ
Режим работы
БКМ А10/64/3 16700 0,1 -75
БКМ А10/64/2 16700 0,05 -75
БКМ А9/64/3 16700 0,05 -75
БКМ А10/64/3 Стерео 15000 0,1 -75
БКМ А10/64/3 Парам, стерео 15000 0,1 -75
БЕМ А9/64/3 Стерео 15000 0,2 -75
БКМ А9/64/1 15000 0,1 -75
Норма на ЧМ стерео 30-15000 0,5 -50/-55
Б1Ш А9/64/2 13800 0,1 -75
БКМ А10/64/1 13700 0,2 -75
БЕМ А9/64/0 12700 0,05 -60
БКМА10/64/0 12000 0,05 -75
Б1ША10/16/1 10800 0,05 -60
Б11МА10/1б/0 10700 0,05 -60
БКМ А9/16/1 10700 0,1 -60
Б1Ш А5/64/3 10700 0,2 -60
БКМ А5/64/2 10700 0,05 -60
БКМ А4.5/64/3 10700 0,05 -60
Норма на АМ 50-10000 3,8/1,5 2,0/1,0 4,0/2,0 -20/-24
БКМ А4.5/64/2 3700 0,05 -
Б1Ш А5/64/1 3100 0,05 -
БКМ А4,5/64/1 2800 0,1 -
БЕМ А4,5/64/0 2600 0,1 -
БКМ А9/16/0 2500 0,05 -
БЕМ А5/64/0 2500 0,05 -
□ пп
ЦИФРОВОЕ ВЕЩАНИЕ ggf!
ПН
ч □
АСПЕКТЫ КАЧЕСТВА
DRM A10/&S/3. 34680 кбит/с DRM AI 0/&4/2, 31230 кбит/с DRM А9/34/3. 30820 кбит/с DRM A1Q/34/3 парам стерао. 34630 кбит/с DRM А10/64/3 Стерео. 34630 кбит/с DR M А9/34 /1. 23540 кбит/с DRM А9/64/3 Стерео. 30320 кбит/с Норма на 4M стерео DR M А9/64/2. 27300 кбит/с DRW A10/34/1. 23430 кбит/с DRM А9/34/0, 19600 кбит/с DRM А10/34/0. 22030 кбит/с DRM A10/13/1, 13440 кбит/с DRM А5/34/3. 13530 кбит/с DRM A4.5/34/3.14630 кбит/с DRM А5/34/2.14930 кбит/с DRM А9/13/1.13400 кбит/с DRM AI0/te/0. 14700 Кбит/С норма на am DRM А4.5/34/2, 13220 кбит/с DRM А5/34/1.12330 кбит/с DRM A4.5/34/1.11130 кбит/о DRM A4.5/34/0. 9300 кбит/с DRM А9/13/0.13100 кбит/о DRM А5/34/0, 10540 кбит/С Рфжим рйботь!
ством последующего прослушивания.
Сводный перечень параметров, характеризующих качество радиовещательного тракта передатчиков АМ- и ЧМ-вещания, составленный на основании [1, 2], приведен в табл. 3.
Инструментальные измерения параметров радиовещательного тракта передатчика в режиме DRM проводились в филиале РЦ-9 МРЦ РТРС на передатчике РВ-71 в составе: передатчик ПСЧ-100, DRM-кодер-модулятор DMOD3. В качестве измерительного демодулятора использовался контрольно-измерительный приемник DT700 фирмы Fraunhofer.
Подготовленный набор тестовых сигналов включал в себя все необходимые сигналы для определения параметров АМ- и ЧМ-передатчиков в соответствии с табл. 3, а также набор музыкальных фрагментов для последующего прослушивания.
Для всех доступных полос частот (4,5; 5; 9 и 10 кГц) был установлен режим помехоустойчивости «А» для модуляции 16 QAM с уровнями помехозащищенности «0» и «1» и для модуляции 64 QAM с уровнями помехозащищенности «0», «1», «2», «3». При достаточных скоростях передачи включался режим SBR (ААС+). Для некоторых режимов помехоустойчивости кроме режима «моно» также измерялись параметры в режимах «стерео» и «параметрическое стерео». Записанные файлы выходного декодированного сигнала с тестовыми сигналами сохранялись для дальнейшей обработки, а с музыкальными фрагментами - для прослушивания.
Результаты инструментальных измерений показали, что уровни невзвешенного (интегрального) шума и взвешенного (псофометри-
Диапаэон модулирующих частот, Гц
—
Рис. 2. Зависимость диапазона модулирующих частот от режима помехоустойчивости и соответствующей ему скорости передачи данных
1
\ 1
ч
Ü V ; : 1 1 [
У 1 i \J и L ; и, 1
\/ к jJ V 4 Vf \ щ 4 h i lU
Рис. 3. Сравнение спектров входного (голубой цвет) и выходного (розовый цвет) фрагментов тестового сигнала в режиме «А», 10 кГц, 64QAM, уровень помехозащищенности «3»
ческого) шума во всех режимах работы составляли менее -75 дБ при норме на АМ не более -58/-60 дБ и норме на ЧМ не более -62/-65 дБ соответственно.
Переходное затухание между стереоканалами в режимах «стерео» составляло -77/-78 дБ при норме в режиме ЧМ -40/-50 дБ. Переходное затухание между стереоканалами в режиме «Параметрическое стерео» (в соответствии с алгоритмом его работы) зависит от частоты и составляет -9 дБ на частоте 120 Гц; -11,6 дБ на частоте 400 Гц; -14 дБ на частоте 1000 Гц; -21 дБ на частоте 5000 Гц и -35 дБ
№1 • 2014 веКИКАЧЕСТВА
АСПЕКТЫ КАЧЕСТВА
ВВВ ЦИФРОВОЕ ВЕЩАНИЕ
на частоте 10000 Гц. Остальные результаты инструментальных измерений приведены в табл. 4. Значения коэффициента гармоник соответствуют худшему случаю во всем диапазоне частот. Интермодуляционные искажения определены только для тех режимов, полоса пропускания которых позволяет их измерить.
Как видно из табл. 4, передатчик во всех исследованных режимах помехоустойчивости DRM имеет существенно меньшие интермодуляционные искажения и коэффициент гармоник, чем требуется нормами на передатчики АМ- и ЧМ-вещания. Диапазон модулирующих частот в 7 режимах помехоустойчивости не уже, чем для передатчиков с ЧМ. Еще в 10 режимах помехоустойчивости диапазон модулирующих частот уже, чем для передатчиков с ЧМ, но шире, чем для передатчиков с АМ. Графическое представление зависимости диапазона модулирующих частот от режима помехоустойчивости и соответствующей ему скорости передачи данных приведено на рис. 2.
При исследовании параметров радиовещательного тракта передатчика в режиме DRM с помощью традиционных аналоговых измерительных приборов как «черного ящика» (то есть без априорной информации о том, что в нем используется цифровое кодирование) можно получить очень высокие характеристики, недостижимые для передатчиков с АМ и ЧМ. Применяемая методика инструментальных измерений с использованием спектрального анализа позволила проявить некоторые известные особенности низкоскоростного цифрового кодирования.
В частности, отдельные спектральные составляющие в высокочастотной части спектра могут быть смещены относительно своего исходного положения. Так, на рис. 3 голубым цветом представлен спектр фрагмента входного тестового сигнала, а розовым цветом - соответствующий ему спектр выходного сигнала в режиме «А», 10 кГц, 64QAM, уровень помехозащищенности «3». Из рис. 3 видно, что входные гармонические колебания на частотах 7, 8, 10 и 15 кГц на выходе представлены гармоническими колебаниями с несколько другими значениями частоты. Это известная особенность данного типа звуковых кодеров, обусловленная алгоритмом их работы, которая не может быть выявлена при измерении АЧХ с помощью вольтметра.
Отмеченное обстоятельство еще раз подтверждает приведенное выше утверждение о том, что качество работы аудиокодеров с потерями целесообразно определять по результатам прослушивания, а ре-
зультаты инструментальных измерений их характеристик можно использовать только для предварительного выбора режимов помехоустойчивости и их сравнения.
Полученные с помощью инструментальных измерений данные подтверждают результаты зарубежных исследований о том, что при скоростях передачи данных более 16,5 кбит/с качество сигнала передатчика DRM становится не хуже, чем качество сигнала передатчика с АМ. При скоростях свыше 24 кбит/с качество сигнала передатчика DRM становится сопоставимым с качеством сигнала передатчика с ЧМ.
При прослушивании записанных речевых и музыкальных фрагментов, кодированных со скоростями более 20...24 кбит/с, артефакты цифровой обработки на слух практически не замечались, и качество звукового контента можно было назвать «сопоставимым с ЧМ».
Анонсированный DRM консорциумом в сентябре 2013 г. новый кодек xHE-AAC (Extended High Efficiency Advanced Audio Coding) позволяет получить еще более высокое качество аудиоконтента при тех же скоростях кодирования. ш
Литература
1. ГОСТ Р 51742-2001. Передатчики радиовещательные стационарные с амплитудной модуляцией диапазонов низких, средних и высоких частот. Основные параметры, технические требования и методы измерений.
2. ГОСТ Р 51741-2001. Передатчики радиовещательные стационарные диапазона ОВЧ. Основные параметры, технические требования и методы измерений.
3. Варламов О. В. Разработка отечественной нормативной базы цифрового радиовещания стандарта DRM // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. 2013. № 9. С.47-50.
4. Правила применения оборудования систем радиовещания. Часть I. Правила применения эфирных цифровых радиовещательных передатчиков, работающих в диапазонах частот 0,1485 - 0,2835 МГц; 0,5265 - 1,6065 МГц; 3,95 - 26,10 МГц / Утверждены приказом Министерства информационных технологий и связи Российской Федерации № 13 от 04.02.2008 г.
5. Report ITU-R BS.2144 Planning parameters and coverage for Digital Radio Mondiale (DRM) broadcasting at frequencies below 30 MHz. 2009.
6. Report on Subjective Listening Tests of SBR-LC, an AAC-based Audio Bandwidth Widening Tool. DRM Source Coding Group. Thomas Buchholz (T-Nova), Torsten Mlasko, Frank Hofmann (Bosch), Andrew Murphy (BBC). February 2001.
