CC BY
22
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ КАНАЛА СПРС ПРИ ПЕРЕДАЧЕ СИГНАЛА ЗВУКОВОГО ВЕЩАНИЯ
Абрамов Валентин Александрович,
доцент, Московский технический университет связи и информатики (МТУСИ), Москва, Россия, vabramov44@mail.ru
Касьянов Андрей Алексеевич,
аспирант, Московский технический университет связи и информатики (МТУСИ), Москва, Россия, andrurs@rambler.ru
Попов Олег Борисович,
профессор, Московский технический университет связи и информатики (МТУСИ), Москва, Россия, andrurs@rambler.ru
Терехов Алексей Николаевич,
доцент, Московский технический университет связи и информатики (МТУСИ), Москва, Россия, kant@srd-mtuci.ru
Ключевые слова: частотно-разнесенные каналы, плотная "упаковка" спектра многочастотного сигнала, помехоустойчивость, дискретное преобразование Фурье, дискретно-косинусное преобразование, устранения боковых лепестков спектра, ортогональный сигнал, окно Наттолла, оценка инверсного по частоте сигнала.
Целью статьи является изложение метода увеличения объема передаваемой информации по каналу СПРС на основе использования дискретного косинусного преобразования (ДКП). Установлено, что решением проблемы передачи больших потоков аудиоинформации в каналах с рассеянием сигналов является распараллеливание передачи информации, то есть использование большого числа частотно-разнесенных каналов (ЧРК). Показано, что при параллельной передаче цифрового потока с использованием К несущих частот, скорость передачи на каждой из них уменьшается в К раз. Указывается, что в системах с ЧРК-ИКМ-ФМ, в которых для расфильтровки несущих частот применяют обычные фильтры, заметно снижается эффективность использования спектра. Показано, что система с ортогональным разделением сигналов занимает меньшую полосу частот, чем система с фильтровым разделением. Уменьшение скорости передачи на каждой несущей, обеспечивает весьма высокий стандарт помехоустойчивости системы ОРРИ-сигналов в каналах с памятью. Повысить спектральную разрешающую способность вдвое, по сравнению с используемым в настоящее время дискретным преобразованием Фурье (ДПФ) и избежать необходимости использования оконных функций, позволяет применение дискретного косинусного преобразования (ДКП). Результатом ДКП анализа, является последовательность двуполярных коэффициентов, не позволяющих осуществить оценку комплексного ОФДМ сигнала, поэтому предлагается, формировать оценку, анализируя одновременно исходный и ортогональный сигнал. Показано, что для формирования ортогонального сигнала можно использовать алгоритм на основе дискретного преобразования Фурье. Формировать ортогональный сигнал с наименьшим уровнем боковых лепестков и с ошибкой не больше 10-5 позволяет использование окна Наттолла. Устранение боковых лепестков в спектре позволяет использование их зеркального сложения с оценкой инверсного по частоте сигнала. Разработанный алгоритм и ПО для его реализации подтвердили возможность увеличения объема передаваемой информации по каналу СПРС и возможности повышения качества передачи сигнала звукового вещания.
Для цитирования:
Абрамов В.А., Касьянов А.А., Попов О.Б., Терехов А.Н. Повышение эффективности использования канала СПРС при передаче сигнала звукового вещания // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. - 2016. - Том 10. - №9. - С. 19-23.
For citation:
Abramov V.A., Kas'janov A.A., Popov O.B., Terekhov A.N. Raising of efficiency of using a mobile radio system channel while transferring a sound broadcasting signal. T-Comm. 2016. Vol. 10. No.9, рр. 19-23. (in Russian)
Радикальным решением проблемы передачи больших потоков аудиоданных в каналах с рассеянием сигналов является распараллеливание передачи информации, то есть использование большого числа частотно-разнесенных каналов (ЧРК) на основе несущих с низкими парциальными скоростями модуляции. В спутниковой связи такой метод перс-дачи (при использовании ФМ) получил название ЧРК-ИКМ-ФМ, а при организации одного канала на каждой несущей -ОКМ-ИКМ-ФМ
Ei современных системах передачи принцип передачи ОКН-ИКМ-ФМ трансформировался в метод передачи широкополосных многочастотных сигналов, каждый из которых представляет собой ансамбль, состоящий из большого числа ортогональных частот но-раз деленных несущих (отсюда и название OFDM). Таким образом, при параллельной передаче цифрового потока происходит частотное разнесение с использованием К несущих частот, когда сигнал одновременно передается па К. несущих, причем на каждой из них скорость передачи уменьшается (следовательно, длительно езь та кто во го интервала т„ увеличивается) в К раз.
"Ортогональная" часть в названии OFDM указывает на то, что существуют точные математические соотношения между частотами несущих. В системах с ЧРК-ИКМ-ФМ несущие частоты расположены на таком расстоянии (друг от друга), которое позволяет применять (для расфильтровки) обычные фильтры и демодуляторы. В таких приемниках между несущими должны располагаться частотные защитные интервалы, введение которых в частотной области заметно снижает эффективность использования спектра.
Существует возможность расположить несущие так, чтобы боковые полосы соседних несущих перекрывались, однако при этом сохранялась возможность принимать информацию без их взаимного влияния. Для реализации этого несущие должны быть математически ортогональны. Лишь в этом случае может быть реализована плотная "упаковка" спектра многочастотного сигнала (рис. 1). Так, в стандарте T-DAB частотный интервал (расезояние между соседними несущими — 80 составляет в зависимости от режима передачи от 1 до 8 кГц. Несущие линейно независимы (то есть ортогональны), если они расположены на расстоянии кратном 1/ Ти, где Tii— полезная часть OFDM-символа, равная длительности интервала обработки (интегрирования) сигнала. Ширина спектра сигнала с ортогональным ЧРК оценивается
приближенным соотношением Af„t
К/Т„.
# ■ *
1Яи
Рис. ]. Ортогональный многочастотный сигнал OFDM
В технической литературе элементарный OFDM-сигнал именуют OFDM-символом. Каждый такой символ длительностью Ts образуется путем модуляции К несущих. Интервал Ts состоит из двух компонентов: "полезного" интервала Ти, во время которого собственно и передаются входные
данные, то еегь полезная информация, и защитного интервала Тип, (обозначаемого также TJ. Защитный интервал представляет собой копию, или циклическое повторение части полезного интервала, которая вставляется перед полезным (рис. 2.) \ I]. Так как OFDM-сигнал содержит много отдельно модулированных несущих, каждый OFDM-символ может, в свою очередь, рассматриваться как разделенный на ячейки, каждой из которых соответствует модуляция одной несущей в течение одного символа.
тх
■v.__
JJL
Т т Т Т т! у Т т
-V-
Заидитный интервал Tg
Полезный интервал символа То
Длительность символа Ts
Рис. 2. Формирование защитного интервала в енгнале OFDM
В традиционных системах с ЧРК используется фильтровый способ разделения несущих. В этом случае полоса занимаемых частот определяется характеристиками разделительных фильтров. Такой способ реализуется проще, однако расчеты показывают [2], что при т^щ < 0,3 тс система с ортогональным разделением сигналов занимает меньшую полосу частот, чем система с фильтровым разделением. При т-ИМ| = 0,1 tl- выигрыш достигает 35%. Таким образом, система с большим числом ортогональных несущих позволяет более экономно использовать полосу частот канала.
Уменьшение скорости передачи на каждой несущей, наряду с введением защитного интервала тИ1ц, обеспечивает весьма высокий стандарт помехоустойчивости системы OFDM-сигналов в каналах с памятью. Помехоустойчивость передачи звуковых программ в системах с такими сигналами значительно возрастает также благодаря тому, что использование большого числа несущих позволяет осуществлять пе-ремежение аудиоданных каждой программы по частоте. Это эквивалентно многократному разнесению сигналов по частоте, их многократному дублированию (повторению) в демодуляторе приемника.
В базовых предложениях Европейского союза радиовещания (FBU) 1988 г. [3] для спутникового ЦРВ предусматривалось использование К — 224 несущих, причем каждую из 16 стереофонических программ планировалось передавать одновременно на 14 несущих (рис. 3).
Программ« J
Рис, 3. Иллюстрация частотного перемежения аудиоданных
7Т>
В результате такого решения эффективная цифровая скорость передачи одной стереопрограммы, равная приблизительно 260 кбит/с, трансформируется в величину 18,8 кбит/с - скорость цифрового потока, передаваемого на каждой несущей. Здесь тс = 72 мкс, тмш = 8 мкс, а длительность полезной части принятого сигнала в демодуляторе составляет Ту = 64 мкс, что многократно превышает величину возможной памяти канала — максимальной задержки сигнала при его многолучевом распространении.
На практике несущие располагаются в соответствии с базисом преобразования Фурье или его разновидность для дискретных последовательностей конечной длительности -дискретное преобразование Фурье (ДПФ):
3(п)= ¿1 э(к) 008(^пк)Ч81п(^пк) , (1)
к=о 1_ N N
п =0,1.....Ы- 1.
Спектральное разрешение ДПФ, т.е. полоса, в пределах которой оценивается энергия каждым коэффициентом, определяется формулой:
df
где df -
bFa IN
(2)
спектральное разрешение дискретизации; Ь - коэффициент, характеризующий увеличение ширины полосы оценки в зависимости от типа окна. Шаг сетки частот ДПФ принято называть бином; при Ь, равном единице (прямоугольное окно) его величина совпадает с ¿К
Повысить разрешающую способность вдвое и избежать необходимости использования оконных функций позволяет использование дискретного косинусного преобразования (ДКП). Особенностью ДКП является то, что, в отличие от преобразования Фурье, в ходе его вычисления анализируется бесконечная последовательность зеркально отраженных отрезков сигнала, что уменьшает влияние разрывов анализируемой функции. Кроме того, функция косинуса симметрична (не имеет постоянной составляющей) на полупериоде колебания, поэтому частотные коэффициенты оценки располагаются через половину периода, в результате чего разрешающая способность повышается вдвое.
ДКП исходного массива данных Х(т), т = 0, 1, N-1 определяется:
(2т + 1)кя
L*<°>—¿Г "¿Х(т)'
VN т=0
¡2 N"1
-х(Ю = J£ XX(m)cos^
V IN п=0
2N
ных излучений фронты комплексной огибающей каждого ОГОМ-символа сглаживаются путем использования функции взвешивающего временного окна в виде приподнятого косинуса, рис. 4, которое и определяет спектр боковых лепестков.
Рис. 4. Спектр мощности радиосигнала OFDM О 5 10 15 20 25 30 35 40
Бд - частота
ь, дБ
Рис. 5. Кривая, соединяющая п максимумов лепестков спектра сложной функции
Известно, что дискретное косинусное ортогональное преобразование (ДКП), не требует использования оконных функций. На рисунке 5 приведены кривые спада боковых лепестков для следующих ортогональных преобразований: а - ДПФ (прямоугольное окно); Ь - преобразование Карунена-Лоева (прямоугольное окно); с - ДКП (прямоугольное окно); с] - ДПФ (косннусно-прямоугольное окно).
ДКП массива данных Цт), т = 0, 1, N-1 определяется (1):
к = 1,2,...,N-1, (3)
где Lx(k) -ДКП массива данных, к-коэффициент ДКП.
Недостатком ДКП является неоднозначность оценки фазы колебания, так как она отображается только знаком плюс или минус. Предлагается, формировать оценку комплексного ОФДМ сигнала, анализируя одновременно исходный и ортогональный сигнал. Для формирования ортогонального сигнала используется алгоритм на основе дискретного преобразования Фурье (ДПФ), Для устранения боковых лепестков используется их зеркальное сложение с оценкой инверсного по частоте сигнала.
Как известно ортогональность поднесущих OFDM сигнала обеспечивается их расположением на частотной оси с интервалом, кратным Д£=1/Ти,, причем спектр сигнала, передаваемого на 1-ой поднесущей (1=1...N), имеет вид S|(f)=sin[rcT\;(f-]Af)]/KTs(f-]Af). Для уменьшения внеполос-
Lx(k)
J N-\
(4)
(2m + Х)кя , cos , к = \,2,...,N-i
IN
Результатом ДКП анализа, является последовательность двуполярных коэффициентов, не позволяющих осуществить оценку комплексного ОФДМ сигнала. Предлагается, формировать оценку, анализируя одновременно исходный и ортогональный сигнал [4, 5]. Для формирования ортогонального сигнала выбран алгоритм на основе дискретного преобразования Фурье (ДПФ):
S(k) = DFT]s(n)|=Xs(n)WNnk;
k=0
s(n) = IDFT|S(k)| = ^£S<k)WN-nk Nk=0
7T>
\N{\k = exp(-j-j^nk); N=O...N-l,k=O...N-l,
где DFT[s(n)] - оператор ДПФ, a IDFT[S(k)] - оператор ОДПФ. для поворота фазы СЗВ достаточно повянуть фазы всех коэффициентов S(k) на 90°, т.е. изменить знак мнимой части IDFT [S(k)].Точность преобразования сигнала зависит от его частоты, частоты дискретизации, размерности БПФ и используемой оконной функции.
Наименьшим уровнем боковых лепестков, обладает окно Наттолла, использование которого позволяет формировать ортогональный сигнал с ошибкой не больше 10" :
.... , (2лп ^ ( 4тггИ (бягИ W п) = ал - a,cos--+ а,cos - -a,cos - ;
w 0 1 l,N -1J 2 IN -1J 3 LN-1/ (5)
a0 = 0.355768, a, = 0,487396, a2 =0.144232, a3 =0 012604
На рисунке 6 приведена оценка спектральной составляющей в соответствии с разработанным алгоритмом.
На верхней шкале ДКП исходного сигнала, на средней ортогонального, внизу итоговая оценка.
1ЕД
6ЕЗ
2ЕЗ
1
■2Е j Г
■ее:
1Е4
SE3
2ЕЗ tuUlil Ill
....... I1........
-2Е:
-ее:
1Е4
7,5Е э
563
J.bb 3 III III...
0
mi
tt tmlttml
V X
Л u Ол .
1E4
7,5E3 i
11
2.5E3 E
О i-
Для устранения боковых лепестков используется их зеркальное сложение с оценкой инверсного по частоте сигнала.
(6)
s(n)exp(j^p ^п) s(n)exp(j n) ( 1)ns(n),
Рис, 6а
Таким образом, проведенное исследование показало, что применение дискретного косинусного преобразования в отношении звуковых сигналов в каналах СПРС позволяет повысить спектральную разрешающую способность вдвое, по сравнению с используемым в настоящее время дискретным преобразованием Фурье и избежать необходимости использования оконных функций
Поскольку результатом ДКП анализа, является последовательность двуполярных коэффициентов, не позволяющих осуществить оценку комплексного ОФДМ сигнала, то предложено формировать такую оценку, анализируя одновременно исходный и ортогональный сигналы, для формирования последнего предложен алгоритм на основе ДПФ и с использованием окна Наттолла.
Разработанный алгоритм и ПО для его реализации подтвердили возможность увеличения объема передаваемой информации по каналу СПРС и возможности повышения качества передачи сигнала звукового вещания.
Литература
1. Рихтер С.Г. Цифровое радиовещание. - М.: Горячая линия-Телеком, 2003. - 336 с.
2. Попов О Б,, Рихтер С.Г. Цифровая обработка и измерения сигналов в трактах звукового вещания. - М: Инсвязьиздат, 2010. - 292 с.
3. Рихтер С.Г. Кодирование и передача речи в цифровых системах подвижной радиосвязи. Учебное пособие для вузов. - М.: Горячая линия - Телеком, 2009, - 304 с.
4. Абрамов В.А., Попов ОБ., Рихтер С.Г. Патент РФ №2405262 «Способ изменения скорости передачи цифрового звукового сигнала телерадиовещания и устройство для его осуществления» Опубл. БИ №33 27.11.2010.
5. Абрамов В.А., Попов О Б. Патент РФ № 2573248 «Способ измерения спектра информационных акустических сигналов телерадиовещания и устройство для его осуществления» Опубл. 17,12,2015,
W
COMMUNICATIONS
RAISING OF EFFICIENCY OF USING A MOBILE RADIO SYSTEM CHAN-NEL WHILE TRANSFERRING A SOUND BROADCASTING SIGNAL
Valentin A. Abramov, Associate Professor, Moscow Technical University of Communications and Informatics (MTUCI),
Moscow, Russia, vabramov44@mail.ru
Andrey A. Kas'janov, the post-graduate student, Moscow Technical University of Communications and Informatics (MTUCI),
Moscow, Russia, andrurs@rambler.ru
Oleg B. Popov, professor, Moscow Technical University of Communications and Informatics (MTUCI),
Moscow, Russia, olegp45@yandex.ru
Alexey N. Terekhov, Associate Professor, Moscow Technical University of Communications and Informatics (MTUCI),
Moscow, Russia, kant@srd-mtuci.ru
Abstract
Object of an article is an exposition of volume gain method of transferring data through a mobile radio system channel usage - based on discrete cosine transform (DCT). It was established, that solution to a problem of transmission of large audio data flows through frequency spread channels, is data transmission paralleling, i.e. using large number of Frequency-Division Multiplexing channels (FDM). It was shown, that in case parallel transferring of digital flow with a usage of K carrier frequencies, a speed of transmission on an every carrier frequency decrease by a factor of K. It is pointed out, that in systems with FDM - PCM - FM, wherein, with the purpose of cross-over-ing of carrier frequencies applying conventional filters, spectrum efficiency decrease conspicuously. It was shown, that system with orthogonal signal multiplexing occupies lesser frequency band than system with filter multiplexing.
Speed reduction of transmission on the every carrier frequency, provides extremely high standard of noise immunity of a system of OFDM - signals in channels with a memory. Enhance spectrum resolution ability by fifty percent in comparison with currently in use discrete Fourier transformation, and to avoid necessity of a usage of window functions, is allowed by usage of discrete cosine transform (DCT).The result of DCT - analisys is a sequence of ambipolar coefficients, which are not allow to execute estimation of complex OFDM signal, therefore there are offered to form estimation, by analyzing simultaneously both initial and orthogonal signals. It was showed, that in purpose of (with the purpose of) forming orthogonal signal, an algorithm based on discrete Fourier transformation can be used. To form orthogonal signal with the lowest level of coma lobes and with an error less than I0-5 is allowed by using the Nuttall window. Elimination of coma lobes in spectrum is allowed by usage their mirror-like addition with the estimation of frequency inverse signal. Developed algorithm and software for its realization, confirm expansibility quantity of transferring data through the mobile radio system channel and facilities of increase a quality of transmission sound broadcasting signal.
Keywords: Frequency-Division Multiplexing channels, density packing of spectrum of multifrequency signal, noise immunity, discrete Fourier transformation, discrete cosine transform, elimination of coma lobe of spectrum, orthogonal signal, Nuttall window, estimation of frequency inverse signal.
References
1. Rihter S.G. Digital broadcasting. Moscow: Hot line - Telecom, 2003. 336 p. (In Russian)
2. Popov O.B., Rihter S.G. Digital processing and measurements of signals in pathes sound announcement. Moscow: Insvyasisdat. 2010. 292 p. (In Russian)
3. Rihter S.G. Coding and transfer of speech to digital systems of a mobile ra-dio communication. The manual for high schools. Moscow: Hot line - Telecom, 2009. 304 p. (In Russian)
4. Abramov V.A., Popov O.B., Rihter S.G. The patent of the Russian Federation No. 2405262 "The Way of change of speed of transfer of a digital sound signal of telebroadcasting and the device for his(its) realization", It is published BI 33, 27.11.2010. (In Russian)
5. Abramov V.A., Popov O.B. The patent of the Russian Federation No. 2573248 "The Way of measurement of a spectrum of information acoustic signals of telebroadcasting and the device for his(its) realization", It is published 17.12.2015. (In Russian)
