Материал: Основы теории радиосистем передачи информации. учебное пособие. Журавлёв Д.В

За пределами Европы интерес к ЦТВ также велик. Канада и Мексика решили использовать систему ATSC, однако пока ожидают результатов сравнительных испытаний COFDM и 8-VSB- Аналогичная ситуация в Аргентине, Южной Корее и на Тайване. В Китае и Гонконге проводится сопоставление ATSC и DVB. Индия и Сингапур приняли DVB, по со звуковым стереосопровождением Dolby Digital surround system вместо MPEG. Австралия планирует использовать DVB, однако с изображениями высокой четкости и Dolby Digital. Сторонниками европейского стандарта выступают Нигерия и ЮАР.

Япония, подобно Европе, вначале пошла по пути развития аналогового те­левидения со своим спутниковым 1125-строчным телевидением высокой четкости Hi Vision. Теперь же в Японии разрабатывается цифровая система ISDB во многом аналогичная DVB. В ISDB используется модифицированная форма COFDM с несколькими тысячами субканалов в 13 группах, несущих телевизион­ный сигнал с различной разрешающей способностью. В хороших условиях при­ема все группы принимаются и качество изображения наивысшее. Когда прием плохой, разрешающая способность снижается, однако качество изображения все же лучше, чем у обычного телевизионного вещания. Такой адаптивной дегра­дации качества изображения у систем ATSC и DVB нет: там изображение либо заданного качества, либо вовсе отсутствует. В Японии выбрана и иная систе­ма звукового сопровождения - AAC (Advanced Audio Coding — перспективное кодирование аудиосигналов), предложенная германским Институтом им. Фраунгофера (одним из разработчиков стандарта MPEG), а также компаниями Dolby, Sony и AT&T. AAC позволяет вдвое уменьшить скорость передачи аудиоданных без потери качества. Япония призывает страны, которые не приняли систему ATSC или DVB, принять систему IDSB. Однако Сингапур после сравнительных испытаний выбрал европейский стандарт.

С системой цифрового телевидения жители России знакомы благодаря си­стеме спутникового вещания «НТВ плюс» с февраля 1999 года она транс­лирует цифровые программы в стандарте DVB-S. Известны проекты кабель­ного телевидения (в стандарте DVB-C), прежде всего компаний «Комкор» и «МТУ-Информ». Опытное вещание в стандарте DVB-T началось в Нижнем Нов­городе 2 июня 2000 года. При этом использовались DVB-T-модулятор компа­нии TANBERG Television (Великобритания), кодер MPEG-2 и мультиплексор НИИ Телевидения, а также передатчик «Онега 0.5Ц» АООТ «МАРТ» (Санкт-Петербург). Приемником служила DVB-приставка фирмы Nokia.

В целом развитие ЦТВ в России сдерживает не только отсутствие современ­ной элементной базы. Нет четкой государственной политики в области разви­тия ЦТВ, если, конечно, не принимать за таковую ряд деклараций о намерениях, материально, увы, не подкрепленных. Иных преград для развития цифрового ве­щания в стране, где, по разным оценкам, от 60 до 85 млн. телевизоров, не усматри­вается. Ведь нельзя же всерьез считать преградой отсутствие собственной эле­ментной базы ЦТВ практически весь мир использует не только импортную Элементную базу, но и устройства на ее основе. Тем более что технологические проблемы вполне преодолимы — желающих производить по документации заказ­чика миллионные объемы ИС с самыми современными технологическими нор­мами сегодня достаточно. Наземное эфирное вещание, в отличие от кабельного и даже спутникового, прерогатива именно государства, и без активных действий со стороны соответствующих государственных учреждений зоны опытного вещании такими и останутся.

Переход на ЦТВ в России раньше или позже — неизбежен. Наша страна - пока открытый рынок для производителей аппаратуры ЦТВ. Кто его займет?

5. Широковещательные сети — цифровое радио

Задачи создания системы радиовещания, обеспечивающей в приемнике качество звучания, близкое к оригиналу, - заветная мечта не одного поколения радио- инженеров. Сегодня она становится реальностью благодаря технологическому чуду конца прошлого века - возможности массового производства устройств с процессорами цифровой обработки аналоговых сигналов.

Серьезный инструмент повышения качества передаваемого аудиосигнала -цифровые форматы записи. Но возникает проблема. Как известно, качество за­писи на CD, рассматриваемое как эталонное, это 16-разрядая линейная оцифров­ка аналогового сигнала с частотой выборки 44,1 кГц на один канал. Современные алгоритмы компрессии способны сжать этот поток 1,5 Мбит/с более чем в 10 раз. Например, Musicam, ставший основой для знаменитого MPEG Audio Layer 2, -до 192 кбит/с. Чтобы транслировать такой поток, нужна достаточно широкая спектральная полоса. Где ее взять, и не одну, поскольку программ вещания до­статочно много?

Единого подхода к чтению подобной проблемы нет. На сегодня в мире сло­жились три основные технологии цифрового радио. Это европейская система Eureka-147, продвигаемая в США концепция IBОС и система низкочастотного (до 30 МГц) цифрового вещания DRM.

1. Система Eureka-147

История европейского стандарта цифрового вещания (Digital Audio Broadcasting DAB) началась в 1987 году — с официальной даты рождения проекта Eureka-147. Разумеется, работы в области цифрового радио велись и до этого, например од­ной из составных частей нового стандарта стала разработка германского инсти­тута IRT (Institut für Rudfunktechnik) 1981 года. В 1988 году в Женеве на Все­мирной административной радиоконференции (WARC - World Administrative Radio Conference) уже демонстрировался первый образец оборудования для мо­бильного приема. В феврале 1995 года был опубликован европейский стандарт ETS 300 401, его вторая редакция вышла в марте 1997 года. Однако чаще его называют по имени проекта Eureka-147. Впоследствии, и 2000 и 2001 годах, спе­цификация ETS 300 401 уточнялась. Уже с 1995 года в европейских странах на­чалось опытное цифровое вещание, с 1997 года опытная коммерческая транс­ляция DAB-программ.

Что такое Eureka-147? В его основе два механизма: кодирование аудио­сигнала по методу Musicam (MPEG Audio Layer 2, используемое в известных Стандартах MPEG 1 и 2) и разделение каналов посредством ортогональных несу­щих (OFDM), как в уже рассмотренной нами европейской системе цифрового телевидения DVB. Общая схема передачи достаточно стандартна для со­временных коммуникационных технологий (рис. 58): аудиосигнал сжимается MPEG-кодеком, к нему добавляются информационные данные (название про­граммы, курс валюты, прогноз погоды и т. и,) и служебная информация. Вся ин­формация кодируется сначала выравнивается (рандомизируется) амплитуда сигнала посредством умножения на заданную псевдослучайную последовательность, затем применяется сверхточное защитное кодирование, после чего происхо­дит временное перемежение информации.

Рис. 58. Функциональная схема передающего узла стандарта ETS 300 401 (Eureka-147)

Кодированные таким образом каналы мультиплексируются в один основной сервисный канат К пакетам этого канала добавляется служебная информация параметры мультиплексирования, инфор­мация о кодировании и т.д. Вместе с пакетами синхронизации вся информация образует кадр передачи, который транслируется посредством нескольких OFDM- символов (терминология стандарта ETS 300 401). OFDM-символ после квадра­турной модуляции и обратного быстрого Фурье-преобразования представляет со­бой сигнал, которым можно непосредственно модулировать радионесущую. Пол­ный сигнал эквивалентен низкоскоростной модуляции большого числа (oт 1536 до 192) ортогональных несущих. Схема аналогична телевизионному цифровому стандарту DVB.

В полосе 1,536 МГц транслируется цифровой поток порядка 1.5 Мбит/с. Передача возможна в четырех режимах: моно, двухканальном моно, стерео и объеди­ненном стерео (joint stereo). В последнем случае высокочастотные составляющие (выше 2 кГц) стереосигнала передаются в одном потоке, без разделения.

Кодек MPEG Audio Layer 2 предусматривает два режима кодирования аудиосигнала: с частотой выборки 24 и 48 кГц (от 8 до 160 и от 32 до 384 кбит/с). Соответственно с частотой выборки исходный сигнал кодируется в диапазоне 11,3 и 20,3 кГц. Максимальная разрядность выработки 16 бит. В соответствии с алгорит­мом весь частотный диапазон делится на 32 одинаковых субканала. В каждом из них разрядность оцифровки сигнала (импульсно-кодоной модуляции ИКМ) определяется на основе психоакустической модели восприятии, в соответствии с которой восприимчивость уха к различным частотам неодинакова, следователь­но, различна и разрядность кодирования. Кроме того, возможен и учёт маскиро­вания сигнала в одной полосе сигналом в другой, но это требует достаточно громоздких вычислений. Не углубляясь в механизм кодировании, отметим, что на выходе кодека формируется поток так называемых DАВ-аудиокадров, включающих 1152 ИКМ-выборки аудиоинформаци, связанные с ней данные и служебную информацию. Общая длительность кадра 24 мс при частоте сканирования 48кГц. Значения выборок в каждом субканале нормируются с помощью так называе­мого фактора масштабирования (Scale Factor, SF), одинакового для каждых 12 выборок. Число бит в каждой выборке различно и зависит от номера субканала, выбранной скорости сжатия и частоты сканирования. Число бит в выборке субканала, фактор масштабирования и другая служебная информация передается в нолях Вit allocation, SF, SCFS, а так же в заголовке кадра (рис. 59).

Рис. 59. Структура DAB-аудиокадра

В кадрах MPEG Audio Layer 2 зa полем аудиовыборок следует зарезервированное поле служебной информации. В DAB-аудиокадрах, структурно аналогичных MPEG, эти поля заняты двумя байтами «фиксированных данных, связанных с программой» (Fixed Programme Associated Data, F-PAD) И контрольном суммой фактора масштабирования. Кроме того, по желанию пользователя может быть добавлено поле «дополнительных снизанных с программой данных» (Extended PAD, E-PAD). Размер этого поля произволен — чем больше E-PAD, тем меньше поле аудиоданных.

Транспортный механизм стандарта ETS 300 401 предусматривает три основ­ных информационных потока, формирующих кадр передачи (рис. 60):

1) основной сервисный канал Main Service Channel (MSC), служащий для пе­редачи аудиоинформации и данных;

2) быстрый информационный канал Fast Information Channel (FIC), несущий служебную и вспомогательную информацию;

3) канал синхронизации, используемый при демодуляции (кадровая синхро­низация, контроль частоты, оценка состояния канала, идентификация пе­редатчика).

Рис. 60. Структура кадра передачи

Быстрый информационный канал FIC состоит из так называемых быстрых информационных блоков (Fast Information Block, FIB). Каждый FIB включа­ет 240 бит полезной информации и 16-битную контрольную сумму CRC, всего 256 бит. Поле полезной информации, в свою очередь, может быть разбито на сегменты (Fast Information Groups, FIGs) произвольной длины. Основное назна­чение FIC — передача многочисленной служебной информации, а также под­держка различных информационных сервисов (индикация времени, радиотекст, меню программ, пэйджинг и т.п.). По этому же каналу передается информация о мультиплексировании различных программ и сервисов в кадре передачи.

Основной сервисный канал МSС состоит из Common Interleaved Frames (CIF) — общих вложенных кадров, по 55 296 бит каждый. Минимальный адресуемый эле­мент CIF - Capacity Unit (CU) 64 бит. Всего в CIF 864 CU. CIF подразделяет­ся на субканалы. Каждый из них включает целое число последовательных CU. Субканалу соответствует определенная радиопрограмма (сервис). Очевидно, что допустимое число программ и дополнительных сервисов (субканалов) в кадре пе­редачи зависит от скорости кодирования аудиосигнал. Практика показала, что в одной полосе возможно транслировать до шести программ с качеством аудио­сигнала на уровне CD.

По основному сервисному каналу передаются не только аудиоданные, но и информация общего назначения. Стандартом предусмотрено два режима передачи данных потоковый и пакетный. Скорость данных в первом режиме кратна 8 кбит/с, во втором — зависит от размера и частоты следования пакетов. Па­кетный режим позволяет в одном субканале передавать несколько различных сервисов, поскольку размер пакета невелик — от 24 до 96 байт.

Стандарт Eureka-147 задумывался как максимально универсальный — для наземного, кабельного и спутникового вешания, для одночастотных глобальных сетей и локальных зон. Поэтому в нем предусмотрено четыре режима передачи, каждый из которых оптимален для определенного применения. Назначение этих режимов рассмотрим ниже, сейчас лишь отметим, что структура и длительность кадра передачи в каждом из них различны (табл. 13).

Таблица 13

Структура кадра в зависимости от режима передачи

В MSC все данные кодируются, причем независимо для каждого подканала. Прежде всего информация может быть защищена от несанкционированного до­ступа. Для этого используется перемножение информации на некоторую псевдо­случайную последовательность (ПСП), ключом является 8-байтное контрольное слово, единожды заданное или периодически изменяемое и предаваемое в при­емники. Система контроля доступа может и не использоваться. Однако это инструмент авторизации программ, взимания абонентской платы за их прослу­шивание, а при желании - за каждый сервис в отдельности.

Далее все данные кодируются в целях энергетического сглаживания сигна­ла, чтобы его спектр был как можно более ровным, шумоподобным. Для этот используется умножение на ПСП, которую формирует генератор с задающим по­линомом вида Р(х) = x9 + х5 + 1 (рис. 61). Инициализирующее слово - 1FF16

Рис. 61. Генератор ПСП для рандомизации спектра сигнала

После выравнивающего ко­дирования начинается cверxточное избыточное кодирование, при котором объем информа­ции существенно (на 25 - 300%) возрастает, а вместе с ним -и степень защиты от ошибок передачи. Схема сверхточного кодера приведена на рис. 62. Каждому входному биту соот­ветствуют четыре выходных. Однако используют не обязательно все четыре, поэтому скорость кодирования может варьироваться от 8/9 до 8/32 (число входных/выходных бит). Существенно, что различные информационные поля кодируются с разной скоростью. Кроме того, скорости кодирования аудиоинформации в MSC и данных в F1C различны. В итоге наиболее защищенной оказывается служеб­ная управляющая информация, наименее — поля аудиовыборок, что естествен­но: потери управляющей информации могут носить фатальный характер. Ско­рость кодирования в FIC — 1/3, т.е. вместо исходных 256 бит FIB образуются 3 х 256 = 768 бит.

Рис. 62. Сверхточный кодер

После сверхточного кодирования данные в MSC — и только в нем подверга­ются временному перемежеванию (перемешиванию). В этом канале вся информа­ция структурирована в виде логических кадров — пакетов информации, связан­ных с исходными блоками данных длительностью 24 мс (DAB-аудиокадры либо блоки данных). Число бит в логическом кадре зависит от стадии и скорости ко­дирования. Информация из каждых 16 логических кадров перемешивается по определенному закону и распределяется по 16 последовательным пакетам дан­ных. Благодаря этому, если из-за длительной помехи какой-либо пакет пропадет, исчезнет лишь часть информации каждого из 16 логических кадров, которую можно будет восстановить при декодировании.

В MSC все процедуры кодирования выполняются независимо для каждого аудиопотока или информационного сервиса. И только после временного перемежевания пакеты мультиплексируются в CIF. Каждому потоку в CIF выделяется субканал, занимающий целое число 64-битных CU. Информация о схеме муль­типлексирования (начальный адрес и размер субканала, скорость кодирования) передается в ПС. После формирования CIF в соответствии с выбранным режи­мом передачи (см. табл. 2.9) мультиплексор формирует кадр передачи (рис. 63).

Информация кадра передачи транслируется в виде последовательности OFDM-символов. Первые два OFDM-символа кадра принадлежат каналу синхрониза­ции. Это так называемый NULL-символ (уровень сигнала равен 0) и символ, несущий информацию о фазе дифференциальной QPSK-модуляции в следую­щем OFDM-символе. Информация из FIB и CIF группируется в виде битовой последовательности и разбивается на OFDM-символы. Каждому символу соот­ветствует число бит, вдвое большее, чем число несущих в выбранном режиме передачи (табл. 14). Например, для первого режима передачи одному OFDM-символу соответствуют 2 х 1536 = 3072 бита. Поскольку размер кодированного FIB 768 бит, в этом режиме передачи одному OFDM-символу соответсвует 4 кодированных FIB, или 3 OFDM-символа на все 12 пакетов быстрого информационного канала. В основном сервисном канале размера пакета FIC – 55296 бит, или 18 OFDM-символов на пакет в первом режиме передачи ( всего 72 пакета на 4 CIF-кадра передачи).

Далее последовательность OFDM-символов кадра, за исключением первых двух из синхроканала, подвергается квадратурной модуляции QPSK. Каждым двум битам двоичного OFDM-символа ставится в соответствии QPSK-символ, который в комплексном виде может быть записан как , где n=0,1…К-1 – номер несущей, l=2,…L-1- текущий номер OFDM-символа (всего Lсимволов в кадре), pl,n- -n-бит l-го OFDM-символа, К – число ортогональных несущих в заданном режиме передачи. Иными словами, два бита раскладываются па квадратурные составляющие одной несущей.

Таблица 14

Параметры режимов передачи Eureka-147