Rambler's Top100
Статьи ИКС № 1 2006
Н.С. МАМАЕВ  01 января 2006

Система радиовещания DRM и ее применение в неоднородных каналах

Все физические радиоканалы, параметры которых зависят от состояния среды распространения сигналов (тропосферные, ионосферные и др.), по своей природе неоднородны. Неоднородную среду используют системы ДВ/СВ/КВ - диапазонов, ионосферные и тропосферные радиорелейные линии, наземные системы телевидения, радиовещания и радио- связи метрового и дециметрового диапазонов.

В системах цифрового радиовещания ДВ/СВ/КВ диапазонов, объединенных термином DRM (Digital Radio Mondiale), тропосфера и ионосфера являются основной средой, в которой распространяются сигналы. Внедрение техники DRM даст новую жизнь системам радиосвязи и вещания КВ-диапазона – они смогут на равных конкурировать по качеству и надежности с широко распространенными системами ЧМ-вещания, действующими лишь в ближней зоне.

Состояние ионосферы при передаче КВ-радиосигналов зависит от времени суток и времени года, географических и климатических факторов, состояния Солнца и магнитного поля Земли и др. В системах DRM используется довольно сложный, но относительно легко регулируемый применительно к радиоканалу вид модуляции – COFDM (Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing – когерентная фазовая модуляция на ортогональных частотно-разнесенных несущих). Он позволяет реализовать сигналы, оптимально адаптированные к состоянию радиоканала в процессе проведения сеанса связи.

Исследования показывают, что при разносе частот на 1,5–2 кГц замирания сигнала на них будут некоррелированными, а значит, одновременная передача информации на многих частотах, как это принято в системе DRM, может обеспечить «сохранность» информации. Общее количество несущих частот, на которых передается информация, в зависимости от режима работы может изменяться от 88 до 460.

Типовые РВ- каналы с традиционной амплитудной модуляцией (АМ) на частотах ниже 30 МГц используют полосу шириной 9; 10; 18 и 20 кГц. В однополосных передатчиках она сокращается вдвое (4,5; 5; 9 и 10 кГц). В системах DRM возможно применение одного передатчика для передачи аналоговых сигналов с АМ и цифровых сигналов.

Принципы формирования цифровых вещательных сигналов DRM

Технической основой формата DRM является принцип формирования цифровой последовательности из кадров и супер кадров COFDM-символов (табл. 1). Каждый из COFDM-символов (число COFDM-символов в одном кадре – Ns) передается за время Ts, равное сумме двух составляющих: продолжительности полезной (информационной) части Ти и защитного промежутка Тз. Общая длительность кадра во всех режимах 400 мс. С усложнением условий работы в радиоканале увеличивается длительность интервала Тз, который в режиме работы D становится соизмеримым с Ти COFDM-символа (табл. 2). Временны’е соотношения COFDM-символа могут быть представлены кратными числами условного элементарного отрезка времени Т = 3 83 мкс.

В формате DRM предусмотрена возможность совместной передачи нескольких звуковых программ (до четырех) и данных – они формируют основной мультисервисный канал (Main Service Channel, MSC) . Для повышения качества и надежности работы системы дополнительно к MSC формируются два вспомогательных канала:

1. FAC (Fast Access Channel) – канал быстрого доступа: содержит данные о ширине полосы, виде модуляции, методе кодирования, индексе глубины перемежения и т.п.

2. SDC (Service Description Channel) – служебный канал: несет информацию об условном доступе, программе передач, о вспомогательных частотах, на которых он может работать.

Основной (MSC) и сервисные (FAC и SDC) каналы мультиплексируются, образуя транспортный супер кадр суммарной длительностью 1200 мс; информация SDC размещается в начале каждого супер кадра. Для повышения помехоустойчивости и надежности работы каналов FAC и SDC используется, как правило, модуляция 4-ФМ (4-КАМ).

Кодеры сигналов звука и данных, как видно на рисунке, преобразуют звуковые сигналы и данные, поступающие на вход, в цифровые последовательности, принятые в системе. Эти последовательности объединяются в мультиплексоре, формирующем цифровой поток MSC, который поступает на вход кодера канала. Его основная функция – преобразование поступающей на вход кодера двоичной последовательности в многопозиционный сигнал, необходимый для получения модулирующих символов 4-ФМ (4-КАМ), 16-КАМ и 64-КАМ. При модуляции 4-ФМ модулирующий сигнал представляет собой последовательность двухразрядных двоичных слов (00, 01, 10, 11), которые определяют фазу модулированного колебания.

Для формирования таких слов из входной двоичной последовательности поток разделяется на два параллельных субпотока, в каждом из которых тактовая частота уменьшается вдвое по сравнению с потоком на входе. При модуляции 16-КАМ модуляционные символы кодируются в виде 4-разрядных двоичных слов, определяющих амплитуду и фазу модулированного колебания, а входной поток разделяется на четыре субпотока. При этом каждое 4-разрядное слово формируется из четырех элементов (бит), например 1010; 0110; 0010 и т.д.: всего 16 комбинаций. При использовании модуляции 64-КАМ модуляционные символы представляются 6-разрядными словами: 010101; 101010 и т.д.

В основном пользовательском потоке (MSC) в кодере канала осуществляется также перемежение элементов – чтобы исключить групповые ошибки при замираниях большой длительности (на схеме не показано). Глубина перемежения в зависимости от состояния физического канала передачи (А, В, С, D) изменяется от 0,4 до 2 с. Кодеры сигналов FAC и SDC и кодеры каналов FAC и SDC выполняют во вспомогательных каналах ту же роль, что и кодеры в основном канале, но перемежение двоичных сигналов в этих каналах не производится.

Три цифровых потока, соответствующих основному (MSC) и вспомогательным (FAC и SDC) каналам, подводятся к формирователю COFDM-символов, где осуществляется расстановка символов этих каналов: символы FAC размещаются в начале каждого кадра, т.е. через 400 мс, а символы SDC – в начале супер кадра, т.е. через 1200 мс.

Таким образом, на выходе COFDM-формирователя образуется транспортный поток, состоящий из трех каналов: MSC, FAC и SDC. Он подводится к модулятору передатчика. Для неискаженной передачи сигналов формата DRM передающий тракт должен удовлетворять требованиям высокой линейности, которая в предварительных каскадах достигается при работе в режиме класса А, в пред конечном и оконечном – в режиме класса АВ.

А что на практике?

В области разработки радиоприемных устройств сигналов DRM наметились три направления:
  1. Профессиональный приемник. Обеспечивает прием сигналов передатчика, работающего во всех четырех режимах (А, В, С и D) и включающего весь комплект оборудования на приемной стороне. Пример – приемник Fraunhofer Institut Integrierte Schaltungen (Германия). Из-за высокой стоимости рядовому пользователю он недоступен.
  2. Унифицированные приемные устройства. Рассчитаны на прием сигналов в форматах DAB (Digital Audio Broadcasting, метровый и дециметровый диапазоны) и DRM. Обсуждается вопрос расширения полосы частот системы DRM, включающей канал ОВЧ-ЧМ-вещания до 120 МГц. Образцы подобной аппаратуры подготовлены для серийного производства и выпускаются фирмами Radio Mondo (Hi-Fi-тюнер, ориентированный на прием сигналов DAB и DRM), StarWaves (DAB и DRM), Coding Technologies (DRM), Mayah Communications (DRM и ОВЧ-ЧМ).
  3. Специальные платы. Предназначены для замены радиочастотной части типовых приемников, выпускаются в виде приставок к ПК. Программное обеспечение для такого приемного устройства производят, в частности, Merlin Communications и Coding Technologies
Сегодня в России ведутся эксперименты по передаче РВ-сигналов в формате DRM и обычной АМ-модуляции в КВ-каналах на трассах различной протяженности (см. «ИКС» № 1’2005, с. 38–42). Заслуживают внимания результаты опытной эксплуатации на радиостанции «Голос России» цифрового канала DRM вещания на Западную Европу.

Специалисты лаборатории транзисторных передатчиков МТУСИ провели исследования характеристик сигнала цифрового РВ в стандарте DRM и особенностей его усиления в трактах передатчиков. В частности, были сформулированы требования к отношению сигнал/шум на выходе передатчика и к энергетической эффективности передатчика, даны рекомендации по использованию отечественных измерительных приборов для контроля спектральных характеристик выходного сигнала и для измерения отношения сигнал/шум.

Режимы работы

Все многообразие условий распространения радиоволн и оперативно-тактического назначения DRM-техники можно разделить на группы:
  • А – используется гауссовый канал с минимальными замираниями;
  • В – канал характеризуется преимущественно частотно-селективными замираниями;
  • С – канал с уровнем помехозащищенности В, но с большим доплеровским сдвигом;
  • D – канал с уровнем помехозащищенности В, но с большим доплеровским сдвигом и значительным запаздыванием.

Заметили неточность или опечатку в тексте? Выделите её мышкой и нажмите: Ctrl + Enter. Спасибо!