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

Рис. 63. Функциональная схема формирования радиосигнала

Далее происходит частотное перемешивание: последовательные QPSK-символы распределяются по К несущим по определенному закону. В результате по­меха в полосе нескольких соседних несущих повредит лишь малую часть ин­формации из разных информационных блоков. Итоговая последовательность QPSK-символов попадает в дифференциальный QPSK-модулятор со сдвигом фа­зы на π/4, поэтому и необходим второй символ синхроканала с информаци­ей о фазе. К модулированной последовательности добавляются два символа из синхроканала, и последовательность поступает в генератор OFDM-сигнала, в котором формируется аналоговый сигнал. Отметим, что передаваемые OFDM-символы разделены защитным временным интервалом, что избавляет от помех, связанных с многолучевым распространением (переотражениями), неизбежным в городских условиях, — переотраженный сигнал попадает в защитный интервал и не интерферирует со следующим OFDM-символом.

К основному DAB-сигналу может быть добавлен так называемый сигнал-идентификатор передатчика, размещаемый в NULL-символах некоторых кадров передачи. Его основное назначение — передавать информацию о географическом положении передатчика.

Спектр DAB-сигнала в любом режиме передачи занимает полосу порядка 1,5МГц (рис. 64). Параметры режимов передачи выбраны так, что первый режим оптимален для одночастотных наземных сетей вещания в УКВ-диапазоне, режимы 2 и 4 ориентированы дли наземной трансляции в УКВ-, а также в L-диапазоне (1452-1492 МГц) в локальных и одночастотных глобальных сетях. Ре­жим 3 лучше всего подходит для кабельного и спутникового вещания, а также для гибридных спутниково-наземных сетей.

Рис. 64. Теоретический спектр DAB-радиосигнала в первом ре­жиме передачи

Мы столь подробно остановились на Eureka-147, поскольку это европейский, следовательно, наиболее близкий для России стандарт. Кроме того, это един­ственный на сегодня стандарт цифрового радиовещания, действительно обеспе­чивающий CD-качество программ. На этом можно было бы поставить точку, ес­ли бы не важнейший вопрос: в каком диапазоне организовывать вещание? Ведь стандарт рассчитан на диапазоны в пределах от 30 МГц до 3 ГГц. И в России, и в США и этой части радиоспектра свободных полос- нет они заняты действую­щими в полосе 87,5 108 МГц FM-радиостанциями или зарезервированы под во­енные и им подобные нужды. Быстрого отказа от FM-вещания не предвидится, поскольку цены DАВ-приемников несколько сот долларов, а в США сотни коммерческих FM-радиостаиций. Поэтому Федеральная комиссия связи США FCC не дала добро на внедрение Eureka-147. Там пошли своим путем, развивая систему iDAB на базе технологии IBOC (In Band On Channel).

2. Технология шос

Основная идея IBОС - сделать переход от аналоговое вещания к цифровому плавным, без выделения дополнительных каналов. Рассматриваются два диапазона: занятью сегодня под вещание с амплитудной модуляцией (AM) длинные, средние и короткие волны и УКВ-диапазон с частотной модуляцией (FM) 87,5 -108 МГц. В каждом из них предусмотрено два режима вещания: гибридный и полностью цифровой. В первом случае происходит одновременное аналоговое и цифровое вещание, во втором — только цифровое.

В FМ-режиме основная полоса каналов занимает около 240 кГц, а две боко­вые - еще по 120 кГц. По правилам FCC, уровень сигнала в боковых пологах должен быть на 25 дБ ниже, чем в (х-новной (рис. 65). И гибридном режиме сигналы цифрового вещания передают в боковых полосах, в цифровом в основ­ной и боковых. Теоретически возможная скорость цифрового потока в боковых полосах 04 кбит/с, в основной полосе 96 128 кбит/с.

В АМ-вещании модулируется несущая с частотой 9/10 кГц. Реальная шири­на спектральной полосы основного сигнала — порядка 20 кГц, еще по 10 кГц занимают боковые полосы. В гибридном режиме полоса цифрового потока перекрывает полосу аналогового вещания, но с меньшим уровнем сигна­ла. В цифровом режиме сигнал занимает всю полосу в соответствии с разрешен­ным шаблоном. Скорость передачи в гибридном режиме от 20 до 48 кбит/с, в полностью цифровом до 64 кбит/с.

Чтобы в столь узких пологах, особенно в АМ-диапазонах, достичь ощутимою качества вещания, необходим совершенный аудиокодек. Система ШОС основыва­лась на технологии кодирования РАС (Perceptual Audio Coding) компании Lucent Technologies. Одно из его важнейших свойств в том, что информация разбивается на отдельные потоки; основной и дополнительные. Если ширина канала не позво­ляет передавать всю информацию, транслируется только основной поток с неко­торой потерей качества аудиосигнала. Если появляется возможность передавать дополнительные потоки, качество повышается. При РАС-кодировании при скоро­стях потока 128 96 кбит/с качество декодированного сигнала мало отличается от оригинала стереосигнала с CD-диска (16 бит, частота выборки 44,1 кГц). Но такие скорости возможны лишь при полностью цифровом FM-режиме. В АМ-режимах при скорости потока 48 кбит/с качество цифрового вещания примерно соответствует хорошему приему аналогового FM-стерео.

Развитие технологии цифрового вещания в США сегодня сосредоточено в образованной в августе 2000 года корпорации iBiquity Digital. Эта компания родилась и результате совместной двухлетней работы корпораций USADK (USA Digital Radio) и Lucent Digital Radio. USDAR возникла и 1991 году как альянс компаний CBS, Gannett и Westinghouse Electric С 1998 года она преобразована и независимую компанию. Именно ей принадлеат ключевые патенты на технологию IBOC.

Рис. 65. Спектр сигналов IBOC в диапазоне FM-вещания и спектр сигналов IBOC в диапазоне АМ-вещания (а-аналоговый, б- гибридный, в-цифровой режимы)

Lucent Digital Radio появилась также и 1998 году как подразделение Lucent Technologies в союзе с фирмой Pequot Capital Management. Компании paзвивала собственную версию DAВ на основе технологии аудиокодироваия РАС.

Существенная особенность технологии цифровою вещания и США воз­можность передавать одну и ту же программу в цифровом и аналоговом виде с некоторым временным сдвигом. Когда цифровой сигнал пропадает, приемник незаметно для слушателя переходит на воспроизведение аналогового сигнала. Это позволяет успешно бороться с так называемым клиф-эффектом, проявляющимся в цифровых вещательных системах в виде периодов неразборчивости сигнала. По мнению специалистов компании iBiquity, переход на полностью цифровое вещание целесообразен, пока число IBОС-приемников не составит по меньшей мере 85%.

Система вещания IBOC строится на технологии модуляции с использованием ортогональных несущих COFDM. Структура передатчика приведена на рис. 66. Аудиосигнал параллельно транслируется и в цифровом и в аналоговом виде. В цифровом тракте происходит аудиокодирование, защитное кодирование и перемежение, после чего цифровая последовательность поступает на OFDM-модулятор. Аналоговый сигнал с задержкой поступает в стандартный аналоговый тракт и после обработки смешивается с цифровым сигналом OFDM-модулятор. Сум­марный сигнал после фазово-амплитудной модуляции попадает в стандартный передающий модуль.

Основное достоинство американской системы по сравнению с европейской – это более дешевое оборудование, прежде всего приемники. Ещё несколько лет назад стоимость DАВ-ресивера для Eureka-147 составляла около 1000 долл., в то время как для IBOС-приемников назывались цифры порядка 100 долл. Но ситуация стремительно меняется, и хотя цены на приёмники Eureka-l47 все еще достаточно высоки, однако они уже достигли уровня 300-400 долл.. и тенденция к их снижению продолжился.

Кроме наземных систем вещании, важную роль в США отводят спутниковому цифровому радиовещанию. Здесь реально конкурируют дне системы: компаний Sirius Satellite Radio и ХМ Satellite Radio. С технической точки зрения эти спутни­ковые системы во многом уникальны. Поскольку они предназначены в основном для работы с автомобильным радио и ориентированы на массовый потребитель­ский рынок, их приемники должны быть дешевле, чем любой ранее выпущенный ресивер спутниковых сигналов. Приемные антенны — обязательно ненаправлен­ные, с низким усилением, поскольку дорогостоящие системы слежения антенны за спутником неприемлемы.

Рис. 66. IBOC-передатчик

В системе ХМ оба спутника находятся на обычной геостационарной орбите в точках стояния 85° и 115° западной долготы. Под именами Rock и Roll они были выведены на орбиту соответственно в марте и мае 2001 года. По заяв­лению представителей компании, это «наиболее мощные спутники в индустрии развлечений», что помогает компенсировать относительно малый коэффициент усиления приемной антенны на автомобиле.

Оба спутника транслируют идентичные сигналы в разных частотных диа­пазонах. Их пространственное положение таково, что при идеальных условиях приемник будет «видеть» и принимать сигналы от обоих спутников. Поэтому за­тенение одного из них не приведет к пропаданию сигнала. Кроме того, сигналы транслируются не синхронно, а с некоторой временной задержкой (до 4 -5 с), по­этому, если оба спутника на короткое время исчезнут из поля зрения приемника, передача все равно не прервется.

В системе компании Sirius Satellite Radio задействовано три спутника на силь­но вытянутых эллиптических орбитах. Период обращения спутников - примерно 16 часов, поэтому в зоне видимости с территории США всегда находятся два из них. В среднем угол возвышения спутников составляет 60°, что больше угла воз­вышения (45°) спутников на геостационарной орбите системы ХМ. В результате в системе Sirius вероятность экранирования спутника наземным препятствием ни­же, а само по себе постоянное перемещение спутников — не проблема, поскольку приемные антенны практически всенаправлены.

Поскольку для передачи отведены лишь два частотных канала, только два из трех спутников могут одновременно передавать сигналы, иначе два спутни­ка работали бы в сухом частотном диапазоне и создавали взаимные помехи. Поэтому у опускающегося за горизонт спутника ретранслятор выключается, у поднимающегося - включается. При этом возможен кратковременный (порядка миллисекунд) перерыв приема от двух спутников, однако третий - наиболее вы­сокий спутник продолжает вещание, поэтому подобный перерыв практически незаметен.

Как в системе ХМ, так и в системе Sirius предусмотрена сеть наземных ретрансляторов для обслуживания таких недоступных для спутников участков, как туннели или «городские каньоны». В отличие от применяемой при вещании со спутников четырех позиционной квадратурной модуляции QPSK с временным разделением каналов (TDM), наземные ретрансляторы используют COFDM/TDM-модуляцию. В системе ХМ со спутниками на геостационарной орбите ретрансля­торы (всего 1500) принимают сигналы с помощью неподвижных направленных антенн с высоким коэффициентом усиления. Это необходимо, поскольку переизлучаемый ретранслятором сигнал очень близок по частоте к принимаемому со спутника, но гораздо более мощный. Поэтому он не должен попадать на приемную антенну. В системе Sirius для узконаправленной антенны понадобилась бы система слежения. Вместо этого выбран более дешевый метод передачи сиг­налов на 105 наземных ретрансляторов от геостационарных связных спутников, которые работают в другом частотном диапазоне (Кu, 12 - 14 ГГц).

Вещание на приемники ведется в диапазоне около 2,3 ГГц, общая скорость информационного потока (до кодирования) — 4 Мбит/с в ХМ и 4,4 Мбит/с — в Sirius, что соответствует примерно 50 музыкальным программам (по 64 кбит/с) и 50 новостным. Аудиосигнал кодируется РАС-алгоритмом, для защиты от ошибок используется кодер Рида Соломона и сверхточное кодирование со скоростью 1/2.

Многие известные компании, например Pioneer, Alpine, Sony, Blaupunkt, Cla­rion, Delphi-Delco Electronics System, производят приемники для спутниковой си­стемы ХМ. Причем цена такого приемника на 150 долл. выше обычного AM-FM. Для системы Sirius приемники производят такие компании, как Kenwood, Clarion, Alpine, Jensen, Panasonic и Visteon. Компания Sirius Satellite Radio имеет согла­шения на установку трехдиапазонных (АМ/ЧМ/SAT) приемников в автомобили Ford, Chrysler, BMW, Mercedes, Mazda, Jaguar и Volvo, а также в тяжелые гру­зовые автомобили Freightliner и Sterling.

3. Всемирное цифровое радио (drm)

DRM (Digital Radio Mondiale, всемирное цифровое радио) - это действитель­но международный консорциум, обьединяющий свыше 70 известных исследова­тельских, производственных и вещательных компаний и организаций веет мира. Его цель - создание стандарта цифрового радиовещания в полосе ниже 30 МГц. При этом преследуются такие цели, как значительное улучшение качества звука, снижение помех и сохранение ЗОНЫ обслуживания при значительном — до шести раз уменьшении мощности передатчика. Поскольку ширина полосы цифрово­го вещательного сигнала в DRM эквивалентна полосе аналогового, для перехода на цифровое вещание дополнительного спектрального диапазона не требуется. Образованный в 1996 году, этот консорциум уже стал реальным игроком в ми­ре цифровою вещания — многие ведущие производители уже демонстрируют опытные образцы DRM-оборудования. Спецификация DRM признана как ITU (Рекомендация ITU-П BS.1514), так и европейским институтом стандартов ETSI.

Система DRM также использует OFDM-модуляцию (порядка 200 несущих) с предварительной 16- и 64-позиционной квадратурной амплитудной модуляцией (16- и 64-QAM), защитное сверхточное кодирование и временное переме­жение информации. Для аудиокодирования принят алгоритм AAC (Advanced Audio Coding) низкоскоростной алгоритм, применяемый в группе стандар­тов MPEG-4 (изначально создавался для аудиокодирования в MPEG-2). Кро­ме того, для кодирования речи предусмотри низкоскоростной алгоритм CELP. Механизм ААС дополнен алгоритмом Spectral Band Replication (SBR) компа­нии Coding Technologies (Германия), позволяющим существенно улучшить каче­ство принимаемого аудиосигнала 6eз существенного увеличения скорости потока. Ограничение скорости цифрового потока при кодировании приводит, к сужению спектра аудиосигнала пропадают верхние частоты. Алгоритм SBR позволяет восстанавливать высокочастотную составляющую сигнала по переданной низкочастотной, крайне незначительно увеличивай необходимую скорость потока аудиоданных. Так, если после сжатия кодером АСС верхняя частота предавае­мого аудиосигнала 6 кГц, то SBR поднимает ее до 15 кГц.

В DRM предусмотрено три информационных канала (рис. 67): Main Service Channel (MSC), Fast Access Channel (FAC) и Service Description Channel (SDG). По MSC передаются оцифрованные аудиосигналы и информационные данные (всего до четырех различных потоков), через FAC оперативник служебная информация, SIX используется для передачи относительно редко обновляемой служебной информации. Передача через MSG и ГАС происходит кадрами длительностью 0,4 с, через SDC - кадрами по 1,2 с.

Рис. 67. Передающая система DRM

Таким образом, сегодня существует несколько систем цифрового радио, которые можно рассматривать как стандарты, что и подтверждает в своих недавних рекомендациях ITU. Причём если Eureka-147 ориентирована на широкополосные одночастотные трансляционные сети и в ряде случаев требует пересмотра сложившегося распределения частот, то системы DRM и IBOC изначально предназаначены для работы в уже существующих диапазонах. Недаром наряду с развитием систем Eureka-147 многие европейские производители и радиовещатели (например, BBC) уделяют серьёзное внимание DRM. Действительно, традиционное АМ-вещание в диапазоне с качеством, конечно, не CD, но уж по крайней мере традиционного FM-вещания. Сколько при этом будут стоить приёмники – вопрос.

WARC-92 отвела полосу частот 1452-1492 МГц для спутникового радиовещания (кроме США, России, Белоруссии и Украины). В этой же полосе возможно создание и наземных сетей. Но до 2007 года эти частоты не могут быть воспользованы на первичной основе. Система же Eureka-147 сегодня развивается весьма активно и не только в Европе, но и в Австралии, Канаде и Израиле. Аудитория DAB- слушателей во всём мире оценивается свыше 284 млн. человек. Поскольку цифровое радиовещание ориентировано прежде всего на автотранспорт, системы ретрансляции строят вдоль крупнейших автотрасс. Сегодня под непрерывный аккомпанемент DAB-станций можно проохать от Женевы до Мюн­хена (468 км), в Норвегии - из Порсгунда в Tронхейм (800 км), из Лондона в Ньюкасл (459 км) и т.д.