Аналоговое и цифровое радиовещание

201

Тюнер включает в себя предварительный усилитель (ПУс), преобразователь частоты, усилитель промежуточной частоты (УПЧ),

демодулятор (ДМД) DQPSK-радиосигнала, дескремблер (ДСКР), блок

деперемежения (ДПРЖ), управляемый демультиплексор (УDMX), блок коррекции и интерполяции ошибок (КИО), цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП). В состав преобразователя частоты тюнера входят

смеситель (СМ), полосовой фильтр (ПФ), управляемый гетеродин (УГ), система автоподстройки частоты (АПЧ).

Благодаря эффективной защите от ошибок в системе DSR (использование кодов БЧХ для защиты старших разрядов кодовых слов и масштабных коэффициентов, резервная передача масштабных коэффициентов, перемежение), приемная станция может работать при

приемной системе до величины P' 10 5 . Интерполяция дополнительно может маскировать (делать неслышимыми) две ошибки в секунду. В результате при С/Ш 10 дБ слышен в среднем один щелчок в час. Если же отношение С/Ш

(12 ...16 )дБ , то P0 (10 4 ...10 7 ) . В этом случае при приеме спутниковых радиосигналов щелчков практически нет.

11.6. Цифровое звуковое радиовещание (система DAB)

Система цифрового звукового радиовещания DAB (Digital Audio Broadcasting) — это принципиально новая система. Она создана в рамках проекта «Эврика-147», исполнителями которого являются около 50 фирм из Германии, Англии, Франции, Голландии, Норвегии, Швейцарии, Швеции, Италии, Финляндии, Японии, Канады и др. По представлению лидеров проекта (немецкого института IRT и французского CCETT) в официальные участники проекта от России принят НИИ РПА им. А.С. Попова (г. Санкт-Петербург) [11,33]. В настоящее время ведущими фирмами создан комплект

специализированных больших интегральных схем (СБИС), разработана передающая и приемная аппаратура, проведены всесторонние испытания системы DAB.

202

11.6.1. Варианты конфигурации мультиплексирования и режимы передачи системы DAB. Радиосигнал системы DAB занимает полосу частот около 1 ,54 МГц (по уровню 26 дБ ) и может передаваться в диапазоне от

30 МГц до 3 ГГц наземными и спутниковыми передатчиками, а также по кабельным сетям. Для системы DAB характерна высокая эффективность использования радиочастотного спектра: в полосе всего лишь 1 ,54 МГц

возможна, например, передача шести высококачественных стереофонических программ и дополнительной разнообразной информации — текстов, информации для водителей автотранспорта, изображений газет и географических карт в цветной форме и пр. Система обеспечивает полную идентификацию программ и передатчиков.

Передатчики системы DAB имеют значительно меньшую мощность по сравнению с ЧМ передатчиками, обслуживающими такую же территорию. Система DAB дает возможность создания одночастотной сети (работа всех передатчиков на одной частоте - синхронное радиовещание) на очень больших территориях, обеспечивая при этом значительную экономию радиочастотного спектра.

Прием программ возможен ненаправленными штыревыми антеннами в домашней обстановке, движущемся автомобиле, походных условиях. Это обусловлено высокой устойчивостью системы DAB к помехам различного вида, и в частности к помехам из-за многолучевого распространения радиоволн, что особенно важно для городских районов с многоэтажной застройкой.

В системе DAB возможно оперативное изменение конфигурации мультиплексирования передаваемых звуковых сигналов (как монофонических, так и стереофонических) и дополнительной информации. Система обеспечивает следующие скорости передачи цифровых звуковых сигналов: 32, 48, 56, 64, 80, 96, 112, 128, 162, 192 кбит/с на один канал. Число каналов звукового вещания в многопрограммном групповом цифровом потоке может меняться от 20 монофонических (при невысоком качестве) до 4 стереофонических (со студийным качеством). Некоторые из возможных вариантов конфигурации мультиплексирования системы DAB при суммарной скорости передачи цифровых потоков 1168 кбит/с представлены в табл.11.5.

Параметры системы DAB зависят от режима передачи и могут оперативно изменяться. Возможны четыре режима передачи, которые характеризуются данными табл.11.6.

203

Таблица 11.5. Некоторые варианты конфигурации мультиплексирования системы DAB и скорости передачи цифровых потоков

Таблица 11.6. Параметры системы DAB для различных режимов передачи

204

Рис. 11.43. Структурная схема передающей части системы DAB

Рассмотрим работу системы DAB, предположив что используется

вариант конфигурации мультиплексирования 2 (передаются

6 стереофонических программ (PI, PII, ..., PVI) и дополнительные данные

(ДД)), причем используется режим передачи 2.

Упрощенная структурная схема передающей части системы DAB приведена на рис.11.43. Цифровые аудиоданные разных программ, имеющие

кодерах MPEG 11172-3 (см. подраздел 11.1.9). При этом скорость цифровых потоков каждого из каналов программ уменьшается с 768 до 96 кбит/с. Для защиты от ошибок аудиоданных программ, относящихся к ним данных о масштабных коэффициентах и о динамическом распределении битов по субполосам в кодерах MPEG используются CRC-коды, избыточность которых (см. подраздел 11.2.1) может колебаться от R 35 % (низший защитный

уровень) до R 75 % (высший защитный уровень).

Сигнал данных также защищается от ошибок CRC-кодами в кодере дополнительных данных (ДД-кодер). Для защиты от пакетных ошибок используется канальное временное перемежение в блоках ПРЖ.

После перемежения цифровые потоки поступают на главный служебный мультиплексор (МX — Main Service Multiplex), работой которого управляет контроллер мультиплексирования (КМX). КMX задает определенные конфигурации мультиплексирования. При помощи MX в

цифровой поток вводятся данные канала синхронизации (ДКC), данные конфигурации мультиплексирования (ДКМ), данные сервисной информации

(ДСИ). Назначение ДКС ДКМ ясно из их названия. ДСИ позволяют при приеме идентифицировать передатчик, определить вид передаваемых программ

205

(спорт, новости, музыка и пр.). ДКС, ДКМ и ДСИ не перемежаются во времени и, следовательно, не имеют временной задержки. Их называют каналом быстрой информации (КБИ или FIС — Fast Information Cannel).

Выходной цифровой поток с выхода MX скремблируется в блоке СКР (скремблирование не охватывает биты ДКС) и поступает на COFDM-модулятор

(Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing - ортогональное частотное разделение каналов с кодированием) [11,18,33]. После модуляции COFDM-сигнал при помощи опорного генератора (ОГ) и смесителя (СМ)

переносится в определенный частотный диапазон, усиливается усилителем мощности (УМ), фильтруется полосовым фильтром (ПФ) и поступает в антенну передатчика.

Рис. 11.44. Структура кадра на выходе MX для режима передачи 2

11.6.2. Структура кадра системы DAB. COFDM-модуляция. На выходе MX (см. рис.11.43) цифровой поток S( t ) имеет кадровую (фреймовую) структуру, упрощенное изображение которой представлено на рис.11.44. Кадр начинается с временного интервала, в котором содержатся ДКС для синхронизирующих устройств приемника. Далее следуют ДКМ, ДСИ, данные шести стереофонических программ и ДД. Скорость цифрового потока S( t ) не зависит от конфигурации мультиплексирования и режима передачи, всегда

206

осуществляет модуляцию по фазе своей несущей в соответствующем

DQPSK-модуляторе. Напомним, что каждое значение фазы несущей при DQPSK-модуляции определяет структуру одного дибита Sk1 , Sk 2 (см.

раздел 11.4).

Принцип образования COFDM-символов изображен на рис.11.46. За

длительностью COFDM-символа. Соседние символы разделены защитным интервалом TG . Во время защитного интервала радиосигналы в эфир не

передаются (заметим, что возможность введения защитного интервала при COFDM-модуляции появляется за счет низкой индивидуальной скорости распараллеленных потоков).

Рис. 11.45. Структурная схема COFDM-модулятора

207

Рис. 11.46. К пояснению принципа формирования COFDM-символов.

образом, что цифровые данные, относящиеся к какой-то одной программе (или к каналу данных) в следующих друг за другом COFDM-символах по вполне определенному коду (закономерности), попадают на разные несущие частоты (именно этому факту обязано слово «Coded» в названии COFDM-модуляции).

Такое частотное кодирование (частотное перемежение) в совокупности с исправляющими CRC-кодами исключает потерю приема программ и сигнала данных при селективных замираниях нескольких несущих (рис.11.47, 11.48).

Рис. 11.47. Изменение напряженности поля сигнала в точке приема от частоты, приводящее к селективным замираниям

нескольких несущих частот

Кадр COFDM-сигнала в координатах «время - частота» изображен на рис.11.48. За время кадра передается 75 COFDM-символов.

72 символа несут информацию об аудиоданных шести программ и о сигнале данных с относительной скоростью (см. (11.52)):

208

Рис. 11.48. Кадр системы DAB и частотное кодирование (частотное перемежение) данных (режим передачи 2)

В3 символах заключена информация о ДКС, ДКМ, ДСИ, передаваемая

сотносительной скоростью

Суммарная скорость передачи

f 'b отн f "b отн fb S( t ) 2 ,4 Мбит / с .

Основным разрушающим фактором для цифрового канала в метровом и дециметровом диапазонах волн являются помехи от «эхо-сигналов», когда две (или несколько) сдвинутые по времени цифровые последовательности поступают на вход приемника. «Эхо-сигналы» возникают из-за многолучевого распространения радиоволн и вызывают межсимвольную интерференцию (рис.11.49,а,б). Если время задержки tЗ одного из лучей становится равным или больше половины длительности символа, происходит

209

дополнительно уменьшает вероятность межсимвольной интерференции

(рис.11.49,г,д).

Рис. 11.49. Межсимвольная интерференция менее опасна при увеличении длительности символа и тем более при наличии защитного интервала

Защитный интервал, кроме того, позволяет использовать передатчики системы DAB для работы в одночастотной синхронной сети, когда мешающим «эхо-сигналом» являются сигналы от соседних передатчиков. Чем больше защитный интервал, тем большее расстояние D возможно между передатчиками, передающими строго синхронные и одинаковые COFDM-символы. Если разница в запаздывании сигналов от двух передатчиков не превышает длительности защитного интервала, то «эхо-сигнал» от соседнего передатчика не будет оказывать мешающего действия. Исходя из этого, максимальная дальность между передатчиками, работающими в одночастотной синхронной сети:

подходящим является режим передачи 1, позволяющий обеспечить наибольшее разнесение передатчиков и, следовательно, обойтись их меньшим количеством при заданной площади обслуживания.

Ширина спектра радиосигнала, относящегося к каждой несущей (к i й несущей) COFDM-модулятора при длительности элементарной посылки TS

При этом все несущие оказываются ортогональными (модулированные несущие ортогональны, если интеграл от их произведения на периоде длительности символа равен нулю). При этом на центральной частоте каждой несущей спектральные компоненты всех остальных несущих проходят через ноль, чем исключается взаимное влияние при демодуляции в приемнике, хотя их соседние боковые полосы перекрываются (рис.11.50, где для режима

зависит от режима передачи и всегда равна fCOFDM 1 ,536 МГц .

Структурная схема приемника системы DAB приведена на рис.11.51. Радиотракт приемника (РТПР) имеет полосу пропускания

на цифровые потоки звуковых программ и сигнал данных. После

Сигнал дополнительных данных декодируется в ДД-декодере.

Декодирующая часть приемника системы DAB строится на специализированных больших интегральных схемах (СБИС).