CC BY
152
УДК 535.3.621.384.3
ЛАБОРАТОРНАЯ УСТАНОВКА ПРИЕМА ЦИФРОВОГО РАДИОВЕЩАНИЯ
СТАНДАРТА БЯМ
А.В. Володько, В.И. Юдин, А.В. Ситников
В статье дана краткая характеристика нового цифрового стандарта коротковолнового и средневолнового радиовещания БИМ. Описана лабораторная установка по приему и демодуляции сигналов БИМ
Ключевые слова: цифровая обработка сигнала, радиосигнал, радиосвязь, цифровое радиовещание
Возросшие требования слушателей к звуковому качеству радиовещания в различных условиях приема требуют совершенствования средств связи. Принципиально новое решение цифрового радиовещания предусматривается в концепции DRM (Digital Radio Mondiale), реализуемого на частотах ниже 30 МГц (в диапазонах СВ и КВ) с использованием АМ радиопередатчиков. По сравнению с аналоговым цифровое радиовещание имеет ряд существенных технических преимуществ, среди которых: большие возможности по повышению эффективности использования радиочастотного спектра, меньшие мощности передатчиков при той же зоне обслуживания, что и у аналоговых систем, меньшая чувствительность к помехам (предусмотрена возможность адаптации к разным средам и условиям распространения (передачи)) [1].
Высокая помехоустойчивость позволяет системам цифрового радиовещания либо превзойти по эффективности использования РЧС системы аналогового радиовещания, либо в полосах аналогового вещания обеспечить существенно более высокое, цифровое, качество звука. Для радиопредприятий технология DRM привлекательна резким снижением расходов на трансляцию радиопрограмм при сохранении неизменной зоны охвата и использования имеющейся инфраструктуры.
К недостаткам DRM- радиовещания стоит отнести необходимость приобретения радиослушателями специальных цифровых приемников, стоимость которых в настоящее время весьма велика (на 2010 г. около 300 Евро).
Система DRM состоит из трех разных каналов: MSC, SDC и FAC [2]:
Володько Александр Владиславович - ВГТУ, канд техн. наук, доцент, e-mail: [email protected] Юдин Владимир Иванович - ВГТУ, д-р техн. наук, профессор, тел. (473) 243-77-29
Ситников Александр Викторович - ВГТУ, д-р физ.-мат. наук, доцент, тел. (473) 246-66-47
MSC (Main Service Channel) - главный служебный канал (пользовательской информации), содержащий групповой цифровой поток. Содержит данные всех услуг, заключенных в DRM-сигнале. Таких услуг может быть от одной до четырех, причем каждая из них - это или звук или данные. Скорость цифрового группового потока в канале зависит от выбранной полосы и способа передачи.
FAC (Fast Access Channel) - канал быстрого доступа (к файлу) - первый канал мультиплексного потока данных, содержащий информацию, которую необходимо расшифровать (демультиплексировать) в приемнике в первую очередь. Обеспечивает начало эффективного декодирования цифрового потока, а также получение информации о параметрах канала (например, ширине занимаемого спектра, глубине перемежения) и об услугах, заключенных в мультиплексном цифровом потоке.
SDC (Service Description Channel) - канал описания обслуживания - второй канал мультиплексного потока данных, который несет информацию, позволяющую расшифровать услуги, заключенные в общем потоке данных канала MSC, а также дает возможность найти дополнительные источники тех же самых данных (запасные частоты трансляции). Он может содержать также элементы одновременной аналоговой и цифровой передачи.
В каналах MSC, SDC и FAC применяются разные варианты кодирования и преобразования данных, которые предполагают последовательное выполнение следующих четырех операций:
- адаптивное транспортное мультиплексирование и рассеивание энергии сигнала (скрем-блирование -выравнивание спектра);
- кодирование канала и перемежение бит;
- преобразование потока данных к виду, обеспечивающему реализацию выбранного вида многопозиционной модуляции: 4-, 16- , 32 -или 64-КАМ.
Структурная схема передающей части системы приведена на рис. 1. Здесь показаны все возможные виды передаваемой информации (звуковая, данные, FAC и SDC - данные)
Рис. 1. Передающая часть системы цифрового радиовещания DRM
Приемная часть обработки DRM - сигнала имеет вид, зеркально-обратной передающей. Рассмотрим название всех элементов структурной схемы.
Транскодер - обеспечивает адаптацию входных потоков (данных) к соответствующему формату цифровой передачи. Так, транскодер звукового сигнала осуществляет эффективное сжатие полосы звукового сигнала по технологии MPEG-4 с помощью специального алгоритма SBR (Spectral Band Replication), позволяющий передавать почти полную звуковую полосу с низкой цифровой скоростью.
Мультиплексор - суммирует потоки данных и звуковых сигналов согласно выбранному алгоритму помехоустойчивой защиты.
Скремблер - кодирует поток данных по закону псевдослучайной последовательности (ПСП), что позволяет снизить нежелательную регулярность и существенно «выровнять» спектр DRM.
Кодер канала - осуществляет избыточное кодирование и, добавляя проверочную информацию, обеспечивает высокую помехозащищенность каналу передачи.
Перемежитель - осуществляет псевдослучайное перемежение бит в кодовой последовательности, что способствует снижении ошибок при их пакетировании в каналах с быстрыми замираниями.
Пилот - генератор - формирует опорный сигнал для синхронизации приемника и эффективной демодуляции сигнала.
OFDM - формирователь - объединяет все входящие цифровые потоки и размещает их по сетке «время - частота».
Генератор OFDM сигнала методом Фурье-преобразования переносит OFDM- символы группового потока из временной в частотную область, формируя, таким образом, низкочастотный сигнал DRM.
Рис. 2. Схема экспериментальной установки по приему цифровых БИМ-сигналов.
Модулятор - путем линейной модуляции несущей частоты переносит низкочастотный БИМ - сигнал в высокочастотную область.
Усилитель мощности - усиливает высокочастотный БИМ - сигнал, который затем излучается передающей антенной.
Экспериментальная установка приема БИМ радиовещания размещена в лаборатории Радиотехнических систем и состоит из магистрального радиоприемника Р 399а «Катран» с антеннофидерной системой, компьютера «Репйиш 4» и устройства преобразования частоты оригинальной конструкции. Структурная схема экспериментального БИМ приемника приведена на рис.2.
Приставка подключается к выходу промежуточной частоты (ПЧ) радиоприемника (для Р399а «Катран» ПЧ2 - 215 кГц), в результате линейного преобразования БИМ-сигнал переносится с частоты ПЧ в звуковую область с центральной частотой 12 кГц и подается на вход звуковой карты компьютера. Дальнейшая демодуляция осуществляется с помощью специализированных программных средств.
Несмотря на то, что разработанный преобразователь частоты обладает высокой степенью универсальности и ориентирован на работу с различным парком РПУ с промежуточными частотами 215кГц, 455 кГц и 465 кГц, в процессе настройки экспериментальной установки возникли затруднения.
В первую очередь, интегрированная звуковая карта данной модели компьютера конструктивно «рассредоточена» по всей систем-
ной плате что, по видимому, вызвало значительный уровень «просачивания» сигнала с выхода звуковой карты на микрофонный вход той же платы. Последнее вызывает эффект «самовозбуждения» программы обработки БКМ-сигнала и как следствие срыву синхронизации. Применение дух звуковых карт позволило полностью решить эту проблему.
12.66 kbps ЕЕР аас+ Mono
DRMRUVR1A
DRMRUVR1A I aaot Mono [12.SE kbps]
DRMRUVR1B I aao Mono [8.30 Up)
Рис. 3. Экран программы Dream в режиме приема цифровой радиостанции «Voice of Russia».
Рис. 4. Экран программы Dream в режиме спектроанализатора DRM-сигнала.
Другим серьезным препятствием, не встречающимися ранее на более «старших» моделях компьютеров, является высокий уровень помех от импульсного блока питания компьютера. Помехи проявляются в виде паразитных интерференционных колебаний в спектре DRM сигнала, что в совокупности нарушает поиск и синхронизацию программного демодулятора с DRM пилот-сигналом. Проведенные
мероприятия по заземлению, экранированию и установке дополнительного сетевого фильтра в целом позволили снизили интенсивность импульсных помех.
В процессе долгой планомерной работы по совершенствованию оборудования большинство описанных выше проблем были решены.
Для демодуляции DRM-сигнала применена свободно-распространяемая версия программы Dream [3].
Рис. 5. Импульсная характеристика коротковолнового канала связи в условиях доминирования одного луча.
Рис. 6. Импульсная характеристика коротковолнового канала связи в условиях многолучевого распространения (три луча).
На протяжении нескольких месяцев ведется работа по совершенствованию оборудования и накоплен значительный опыт приема цифровых станций. Отрадно заметить, что радиостанция «Голос России», ранее излучавшей тестовый сигнал, перешла в штатный режим
работы. Так, на рис. 3. представлен вид программного меню с названием радиостанции (Voice of Russia), тип программ - новости (news) идентификационный номер (ID 1001), а также вид и количества цифровых потоков: первый поток - вещание на немецком языке (DRM RUVR 1A), скорость передачи 12,66 кБт/с и второй поток - русскоязычное вещание (DRM RUVR 1B), скорость передачи 8,30 кБт/с. При приеме «на слух», субъективно качество звучания достаточно высокое и соизмеримо с УКВ-моно радиостанциями.
Некоторые цифровые радиостанции, например SNR Tiganesti (Испания), передают только один звуковой поток, но с более высокими скоростями ( до 20,96 кБит/с), что делает качество стерео- звука соизмеримым с цифровым mp3- проигрывателем. Особенностью DRM- технологии является ее гибкость и возможность адаптации под конкретные задачи. Так, помимо передачи высококачественного звука радиостанция DW and BBS передает графические и текстовые сообщения в виде «ленты новостей».
Наблюдение за работой цифровых DRM -радиостанций, помимо приема звукового сигнала, имеет научный интерес, поскольку программа Dream позволяет визуализировать большинство параметров принимаемого сигнала. Так, на рис. 4. изображен экран программы в режиме спектроанализатора. Здесь по оси абсцисс отображается относительная частота , по оси ординат - время (так называемый режим «водопад»), спектральная плотность мощности отображается в виде градаций цвета. В данном примере полоса DRM- сигнала составляет около 9 кГ ц.
В процессе распространения по коротковолновому каналу связи сигнал DRM претерпевает многократные отражения от поверхности
земли и ионосферы, что приводит к явлению многолучевого распространения. На приемной стороне это наблюдается в виде явлений замирания сигнала. Так, неоднородность спектра сигнала, представленного на рис. 4, объясняется явлением «быстрых» замираний в канале связи.
Технологии шумоподобных сигналов, лежащие в основе DRM- вещания позволяют реализовать уникальную возможность раздельного приема сигналов каждого луча, основанную на гребенчатом адаптивном Rake - фильтре. Так, в процессе приема непрерывно изучается пришедший многолучевый сигнал, доплеровский сдвиг частот отдельных лучей, а также импульсную характеристику канала связи в целом.
На рис. 5 и 6. представлены типовые импульсные характеристики многолучевого канала связи. Если в условиях приема доминирует один луч (рис. 5), то спектр принимаемого сигнала имеет практически равномерный характер. В этом случае DRM - сигал демодулируется с высоким качеством звукового вещания. Однако в условиях многолучого приема, интерференция многочисленных лучей (рис. 6) приводит к сильному искажения спектра сигнала , и, как следствие, к многочисленным «срывам» синхронизации приема цифрового потока.
Проведенные эксперименты убедительно показали преимущество систем коротковолнового цифрового радиовещания над классическими амплитудно-модулированными сигналами вещательных радиостанций.
Литература
1. Кацнельсон Л.Н. Система цифрового радиовещания DRM. С-Пб.:ГУТ, 2003г., 44с
2. Рихтер С.Г. Цифровое радиовещание. - М.: Горячая линия - Телеком, 2004г., 352с.
3. Информационный ресурс www.drm.org
Воронежский государственный технический университет
LABORATORY INSTALLING THE RECEIVING DIGITAL BROADCASTING
OF THE DRM STANDARD
A.V. Volodko, V.I. Youdin, A.V. Sitnicov
Short feature of the new digital standard short-wave broadcasting DRM is given in article. Laboratory installation is described on acceptance and receiver signal DRM
Key words: digital processing the signal, radio signal, radio communication, digital broadcasting
