Radiofonia cyfrowa w zakresach fal długich, średnich i krótkich

Transkrypt

1 [4] Marszałek A., Sega W., Sobolewski J.: Analiza i opracowanie podstaw planowania i koordynacji ziemskiej telewizji cyfrowe] DVB-T wpolsce. Sprawozdanie nrz21/214237/137/97, Instytutu Łączności, Wrocław 1997 [5] Marszałek A., Sega W., Sobolewski J.: Wstępny plan sieci DVB-T w Polsce, Sprawozdanie nr Z21/214237/220/98, Instytut Łączności, Wrocław 1998 [6] Rosłan-Kuhn K.: Wariantowa analiza możliwości wdrażania sieci DVB-T w Polsce Biuletyn Urzędu Regulacji Telekomunikacji i Poczty, nr 4 (7) /2003 [7] Rosłan-Kuhn K., Marszałek A., Sega W.: Techniczne możliwości wdrożenia DVB-T w Polsce. KKRR'2003, Wrocław 2003 [8] Praca zbiorowa: Analiza i badanie kompatybilności elektromagnetycznej naziemnej telewizji cyfrowej DVB-T, DVB-RCT, propozycja zasad planowania tych sieci w kraju i przygotowanie przykładowych planów. Sprawozdanie nr Z21/ /839/2003, Instytut Łączności, Wrocław 2003 [9] Recommendation ITU-R BT Planning Criteria for Digital Terrestrial Television Services in the VHF/UHF Bands [10] Regional Agreement for the European Broadcasting Area, Finał Protocol Reso/utions and Recommendations, Stockholm 1961, International Telecommunication Union, Geneva [11] Więcek D.: Anatysis of Compatibility Between Digital Television DVB-T and Radio Astronomy Sharing the Same Frequency Band: MHz, 1999 IEEE EMC Symposium, Seattle, 1999 [12] Więcek D., Łotoczko O., Więcek R.: Kompatybilność naziemnej telewizji cyfrowej DVB-T. KKRRiT'2002, Gdańsk 2002 [13] Więcek D.: Wybrane aspekty techniczne planowania sieci DVB-T. KKRRJT2003, Wrocław, czerwiec 2003 [14] Więcek R., Łotoczko O., Sobolewski J.: Analiza zasięgów stacji sieci stacji telewizyjnych - luty 2003, Sprawozdanie nr Z21/ / /776/2003, Instytut Łączności, Wrocław 2003 (Artyku nadesłano do red. - czerwiec 2004 r.) Kazimierz WALEWSKI* : ; : : Radiofonia cyfrowa w zakresach fal długich, średnich i krótkich Radiofonia analogowa sięga swym początkiem lat 20. ubiegłego stulecia. Od kilkudziesięciu lat ma wyznaczone pasma częstotliwości w zakresach fal długich, średnich i krótkich, w których stosuje się do tej pory modulację AM mało odporną na rozliczne rodzaje zakłóceń i zniekształceń. Jakość odbieranego sygnału analogowego jest uważana obecnie za zdecydowanie niewystarczającą. Spowodowało to znaczący spadek zainteresowania licznej rzeszy odbiorców i przyczyniło się do przenoszenia emisji przez nadawców na zakres fal UKF, w której jest stosowana modulacja FM. Jednak z drugiej strony zakres częstotliwości poniżej 30 MHz wydaje się w dalszym ciągu użyteczny ze względu na zasięgi propagacyjne fal przyziemnych lub fal odbitych od jonosfery, które umożliwiają uzyskanie znacznych obszarów pokrycia terenowego sygnałem emitowanym z pojedynczej stacji nadawczej. Pokrycie to jest uzależnione od warunków propagacyjnych, które są zmienne. Z tego powodu zakresy częstotliwości wykorzystywane obecnie przez radiofonię z modulacją AM stanowią już od dłuższego czasu przedmiot znacznego zainteresowania i w różnych ośrodkach badawczych są prowadzone prace zmierzające do wprowadzenia nowej radiofonii cyfrowej. Poprawi to znacznie jakość odbioru i umożliwi, oprócz przesyłania sygnałów mowy i dźwięku, wprowadzenie innych usług. Zawiązane w 1998 r. konsorcjum, skupiające nadawców, producentów sprzętu i instytuty naukowe z różnych państw, podjęło się opracowania nowego systemu radiofonicznego pod nazwą DRM (Digital Radio Mondiale). Po zatwierdzeniu standaryzacji przez ETSI system DRM uzyskał rekomendację ITU-R. Uwieńczone sukcesem prace badawcze zaowocowały zademonstrowaniem jego działania na forum WRC w czerwcu 2003 r. Obecnie pewna liczba stacji nadawczych w różnych rejonach świata prowadzi testowe transmisje sygnałów radiofonii cyfrowej. W dalszej części tego artykułu zostaną przedstawione założenia i rozwiązania przyjęte w systemie radiofonii cyfrowej DRM. ZAŁOŻENIA SYSTEMU DRM W systemie DRM zachowano zgodność z istniejącym rozmieszczeniem kanałów, ustalonym przez ITU w zakresach fal długich, średnich i krótkich, co powinno ułatwić i przyspieszyć proces zastępowania transmisji analogowej przez cyfrową. Dla fal średnich odstęp międzykanałowy wynosi 9 khz w regionach 1 i 3 oraz 10 khz w regionie 2 1 >. W zakresie fal krótkich, niezależnie od regionu, nośne można umieszczać co 5 khz, przy szerokości pasma kanału 10 khz. Funkcjonujące obecnie nadajniki i instalacje antenowe po odpowiedniej modernizacji mogą dalej pełnić swoją rolę (już z transmisją cyfrową). Proces stopniowego przechodzenia na transmisję cyfrową musi uwzględniać możliwość stosowania jednoczesnej transmisji analogowej i cyfrowej, realizowanych na sąsiadujących ze sobą kanałach (multicast), jak również transmisję jednoczesną (simulcast) obu rodzajów transmisji we wspólnym kanale. Z tego względu specyfikacja systemu przewiduje możliwość stosowania nominalnej szerokości pasma 9 khz lub 10 khz oraz połówkowej szerokości pasma, tj. 4,5 khz lub 5 khz dla transmisji jednoczesnej z sygnałem analogowym. Przewidziano również opcjonalnie możliwość wykorzystania podwojonej szerokości KateL aw i Sieci R a. e-rm 1) Numeracja regionów stosowana przez ITU: region 1 -Ameryka, region 2 - Europa, region 3 - Azja, Afryka PRZEGLĄD TELEKOMUNIKACYJNY ROCZNIK LXXVII nr 11/

2 a) g.! g. 10 <Hz 1 b) fe^. SSL R ic fgnat. DRM ^ L^S^ J SYGNAŁAM-DSB 10 khz j 1 fr1 te^ SYGNAŁAH1-SSB Rys. 1. Dopuszczalne szerokości pasma sygnału DRM (a) i przykłady wykorzystania kanału transmisyjnego (b) pasma. Przykłady umieszczania kanałów z transmisją cyfrową w regionie 2 pokazano na rys. 1. Częstotliwość nominalna f R sygnału DRM jest przesunięta względem częstotliwości nośnej sygnału analogowego f c o całkowitą szerokość kanału, tzn. o 10 khz lub o połowę szerokości kanału (5 khz). Pasmo kanału dla transmisji cyfrowej może mieć szerokość 5, 10 lub nawet 20 khz. Kanały o szerokości 20 khz uwożliwiają zwiększenie przepływności do 72 kbit/s. Kanały o szerokości 10 khz, przy dobrych warunkach propagacyjnych i oszczędnym kodowaniu kanałowym, ograniczają przepływność do 25 kbit/s. Stwarza to możliwość transmisji dźwięku cyfrowego o jakości porównywalnej z jakością dźwięku analogowego w kanałach FM. TRYB TRANSMISJI SYGNAŁU i charakteryzujących się niewielkimi zanikami. Może być w szczególności stosowany na falach średnich (fala przyziemna). Tryb A jest dostosowany do kanałów z wielodrogową propagacją i niewielkim rozrzutem opóźnień, więc odstęp ochronny T g towarzyszący symbolowi OFDM jest mały. Umożliwia to lepsze wykorzystanie przepływności kanału, gdyż 90% odstępu międzysymbolowego T s można wykorzystać na przesyłanie sygnału użytecznego (T u = 0,97 S ). Dla kolejnych trybów pracy przedstawionych w tabeli l, wzrasta procentowy udział odstępu ochronnego T w odstępie międzysymbolowym T s = T u +T g. Tym samym kolejne tryby pracy B, C, D odznaczają się coraz większą odpornością na interferencje międzysymbolowe i przesunięcie dopplerowskie. Tryb B jest wykorzystywany w kanałach z wielodrogową propagacją i znacznym rozrzutem opóźnień oraz z nieznacznym przesunięciem dopplerowskim. Jest to cecha kanałów wykazujących selektywność czasową i częstotliwościową. Tryb C jest jeszcze bardziej odporny na interferencje międzysymbolowe i przesunięcie dopplerowskie, niż tryb B. Natomiast ostatni tryb pracy D przeznaczono do wykorzystania w kanałach z wielodrogową propagacją i największym rozrzutem opóźnień oraz znacznym przesunięciem dopplerowskim. Tabela 1. Tryby pracy systemu DRM i odstępy czasowe ustalone dla modulacji OFDM Nazwa parametru Czas użyteczny Symbolu czasu Tryb pracy systemu DRM 11/14 System transmisji cyfrowej przez kanał radiowy musi uwzględniać wielodrogową propagację sygnałów i jej wpływ na odbiór (zaniki, opóźnienia i interferencje międzysymbolowe). Ponadto odbiornik musi zapewnić stopę błędu rzędu 10-4 na wejściu dekodera źródłowego. W systemie DRM, podobnie jak w systemach DĄB i DVB, przyjęto modulację OFDM. Wybór ten jest uzasadniony dużą efektywnością widmową takiej modulacji. Zmodulowany sygnał charakteryzuje się stosunkowo małą i praktycznie stałą gęstością mocy w całym paśmie wykorzystywanego kanału. Jednocześnie modulacja OFDM stwarza możliwość uzyskania znacznej odporności na interferencje międzysymbolowe. Zakładając więc stosowanie modulacji OFDM, należało zaprojektować pozostałe człony systemu transmisji cyfrowej, przystosowane nie tylko do różnych warunków propagacyjnych, które muszą uwzględniać wymagany zasięg systemu i charakter propagacji fal radiowych (przyziemna lub jonosferyczna), lecz również właściwości użytkowanych kanałów, tj. opóźnienie propagacyjne, zaniki, efekt Dopplera i zakłócenia. W celu skutecznej ochrony sygnału przed zniekształceniami wprowadzanymi przez kanał z zanikami, postanowiono wprowadzić cykliczne poszerzanie odstępów międzysymbolowych o odstęp ochronny T g (guard f/me). Jego wartość została dobrana w ten sposób, aby opóźnienia związane z wielodrogową propagacją kolejnych symboli, wprowadzające interferencje międzysymbolowe ISI (Inter Symbol Interference), nie utrudniały odbioru. Specyfikacja systemu DRM przewiduje cztery różne tryby transmisji, oznaczone symbolami A, B, C, D. Uszeregowano je według wzrastającej odporności nadawanych sygnałów na efekty spowodowane oddziaływaniem kanału radiowego z transmisją wielodrogową i przesunięciem dopplerowskim. Tryb A jest przewidziany do transmisji w kanałach odznaczających się dobrą jakością, zakłócanych głównie przez szum Jak wynika z tabeli 1, w trybie D udział czasu ochronnego w okresie powtarzania symboli jest znacznie większy, niż w innych systemach wykorzystujących modulację OFDM, np. w radiofonii cyfrowej DĄB lub w naziemnej telewizji cyfrowej DVB-T. Wynika to z faktu pokrywania przez sygnały systemu DRM znacznie rozleglejszych obszarów. Różne wartości czasu użytecznego (T u ) symbolu OFDM wymuszają stosowanie różnego odstępu &f = 1/7^ między podnośnymi dla zachowania ich ortogonalności. Z tego powodu, przy stałej szerokości kanału, liczba podnośnych K dla poszczególnych trybów transmisji jest różna. Ze względu na dużą wartość T u, odległość sąsiednich podnośnych jest niewielka (w trybie A wynosi ok. 41 Hz). Tym samym wrażliwość na błędy synchronizacji częstotliwości jest znaczna i dla prawidłowego odbioru częstotliwości podnośne sygnałów z modulacją OFDM muszą być dokładnie odtwarzane [6]. PRZETWARZANIE SYGNAŁÓW W NADAJNIKU System z modulacją OFDM wykorzystuje do przesyłania strumienia danych wiele częstotliwości podnośnych. Dzięki temu można rozdzielić strumień danych na wiele równoległych podstrumieni, z których każdy moduluje inną podnośną. Tym samym szybkość modulacji podnośnych zostaje znacznie ograniczona, a czas trwania zmodulowanych symboli wydłuża się. Jednoczesna transmisja wielu zmodulowanych podnośnych grozi pojawieniem się interferencji międzysymbolowych, 438 PRZEGLĄD TELEKOMUNIKACYJNY ROCZNIK LXXVII nr 11/2004

3 gdyż widma sygnałów wzajemnie nakładają się na siebie. Aby zapobiec interferencjom między nimi, podnośne muszą być wzajemnie ortogonalne, gdyż tylko wtedy przesyłane sygnały można niezależnie wydzielić w odbiorniku. Warunek ortogonalności sygnałów wymaga utrzymania ścisłego związku między odstępami sąsiednich podnośnych A/ i szybkością modulacji podnośnych R, co oznacza, że A/ = 1 /T u. Dla zwiększenia efektywności widmowej modulacji OFDM stosuje się wielowartościową modulację podnośnych OFDM 2 '. W systemie DRM wykorzystuje się różne wartościowości modulacji (4-QAM, 16-OAM i 64-OAM). Wielowartościową modulacja wymaga dokonania podziału wejściowego strumienia danych na podstrumienie, które modulują poszczególne podnośne. W związku z tym grupy bitów w strumieniu wejściowym, złożone odpowiednio z 2, 4 lub 6 bitów, służą w procesorze IFFT do ich odwzorowania w odpowiedni symbol wielowartościowej modulacji M-OAM, przesyłany na jednej z podnośnych OFDM. Symbole przesyłane na wszystkich podnośnych w czasie T u tworzą symbol OFDM w paśmie podstawowym. Po dołączeniu odstępów ochronnych i konwersji c/a widmo symbolu OFDM zostaje przesunięte do pasma umieszczonego w otoczeniu nominalnej częstotliwości kanałowej f p. Jak podano w tabeli 1 ramka sygnałów z modulacją OFDM ma ustalony czas trwania T, = 400 ms. W formacie ramki przesyła się dane tworzące trzy dalej omówione kanały logiczne. Główny kanał usługowy MSC (Ma/n Service Channel), wykorzystywany do przesyłania zmultipleksowanych sygnałów dźwięku i towarzyszących im danych, np. tekstu lub obrazu związanego z programem. Strumień danych przesyłanych w kanale MSC może zawierać do 4 podstrumieni, które przenoszą pakiety danych związane z określonym programem lub realizowaną usługą. Każdy podstrumień jest umieszczany w kolejnych ramkach, przy czym ramki MSC mogą zawierać dwa różne bloki danych, które podlegają odmiennemu zabezpieczeniu w trakcie kodowania kanałowego. W ten sposób strumienie z silniejszym i słabszym zabezpieczeniem przed błędami mogą być niezależnie przekazywane za pośrednictwem opcjonalnie wybieranej hierarchicznej modulacji wysyłanego sygnału. Dzię- 2 > Proces modulacji OFDM dokonywany jest w procesorze sygnałowym, który przeprowadza operację IFFT (lnverse Fast Fourier Transform) na próbkach sygnału modulującego. ki temu można zwiększyć elastyczność wykorzystania wartościowości modulacji i dostosować ją do warunków odbioru. Na przykład modulacja 16-OAM może umożliwić odbiór słabego sygnału, ale tylko z dokładnością do ćwiartki kąta pełnego przestrzeni sygnałowej, utworzonej przez konstelację 16 punktów, które reprezentują symbole odpowiadające czterem bitom modulującym. Sygnał z modulacją 16-OAM może być zatem odbierany jako sygnał 4-PSK i może umożliwić odtworzenie tylko dwóch bitów (silniej zabezpieczonych), które określają punkt w konstelacji czterech punktów. Dwa kanały informacyjne towarzyszące kanałowi MSC, w tym: - kanał szybkiego dostępu FAC (Fast Access Channel), w którym w każdej ramce transmisyjnej są przesyłane 24 bity przenoszące dane dotyczące kanału MSC (m.in. informacje 0 szerokości pasma, głębokości przeplotu, wartościowości modulacji, sposobie dekodowania, liczbie programów lub usług 1 alternatywnych częstotliwościach emisji odbieranego programu); odbiór danych w kanale FAC ułatwia szybkie i poprawne korzystanie z informacji przekazywanych w głównym kanale transmisyjnym MSC; dane w kanale FAC są zabezpieczane przed błędami za pomocą kodu cyklicznego (CRC) generującego 8 bitów kontrolnych; - kanał identyfikacji rodzaju usługi SDC (Serwce Description Channel); przepływność w tym kanale jest zmienna i zależy od zawartości bloków danych w kanale MSC; pojedynczy blok informacyjny jest przesyłany w kanale SDC co 1200 ms w każdej superramce, zbudowanej z 3 kolejnych ramek OFDM. Strumienie danych w każdym z kanałów logicznych są poddawane przetwarzaniu w osobnych torach. Kolejno jest więc realizowane skramblowanie, kodowanie kanałowe o różnej sprawności i przeplatanie. Kodowanie splotowe zabezpiecza przesyłane sygnały przed błędami niezależnymi statystycznie, a proces przeplatania jest stosowany w celu uodpornienia tych sygnałów na błędy seryjne. Algorytm przeplatania jest taki sam dla wszystkich kanałów logicznych. Wszystkie strumienie danych są następnie przekształcane w układzie odwzorowującym na odpowiednie podstrumienie, modulujące odpowiednie podnośne OFDM. Dodatkowo zostają dołączone sygnały pilotowe, przenoszone na ustalonych podnośnych OFDM. Ich zadaniem jest synchronizacja częstotliwościowa i czasowa odbiornika (takt ramkowy i symbolowy) oraz estymacja odpowiedzi impulsowej kanału. Schemat funkcjonalny nadajnika systemu DRM przedstawia rys. 2. DANE KODER J [g to fc w UŻYTKOWE CYKLtCZNY S nt _J SYGNAŁY DŹWIĘKU/ k KODER fc tj SYGNAŁY MOWY ŹRÓDŁOWY 5 DANE STERUJĄCE FAC DANE STERUJĄCE SDC i KODER j KANAŁOWY /.,, ^, i ~" - -r ; -. MODULUJĄCE i ^J nnj7rp! nr \ "^ (MLC)! 64/16-OAM ] BY^N^yp -, CZA^" "- ^ H ^ ^ r : _ = ŁU ^ J 5S ESTYMACJA O!T - ~~ " : " ". = " " 11 L_"" - " _j i i s _-^ 2 -! ^ s -* Rys. 2. Schemat funkcjonalny nadajnika systemu DRM PRZEGLĄD TELEKOMUNIKACYJNY ROCZNIK LXXVII nr 11/

4 Skuteczną ochronę przed błędami w kanale zapewnia tzw. kodowanie wielopoziomowe MLC (MultiLevel Coding). Kodowanie takie [5], w połączeniu z opcjonalnie dobieraną hierarchiczną modulacją, zapewnia niemal optymalne dopasowanie przesyłanych sygnałów do właściwości kanału. Warto jednak zaznaczyć, że poszczególne nośne sygnału OFDM nie mają stałej amplitudy, gdyż są modulowane amplitudowo i fazowo - modulacja M-OAM, gdzie M = 4, 16 lub 64 oznacza wartościowość modulacji kwadraturowej. Poszczególne symbole przenoszą więc różną energię. Tym samym ich odbiór w różnym stopniu jest narażony na wpływ zakłóceń kanałowych. Idea wielopoziomowego kodowania polega na zapewnieniu silniejszego zabezpieczenia tym sygnałom nadawanym, które - mając mniejszą energię - są bardziej narażone na błędy. Zróżnicowanie stopnia zabezpieczenia jest możliwe przy zastosowaniu tego samego kodera splotowego o stałej sprawności kodowania i wykorzystaniu różnych algorytmów punktowania zakodowanego strumienia danych. W nadajniku DRM koder splotowy (4,1,7) 3 > ma sprawność kodowania k/n = 1/4 i stałą ograniczającą K = 7. Jego działanie opisują cztery wielomiany generujące, które w notacji oktalnej można przedstawić w postaci: 133, 171, 145, 133 4). Dobór macierzy punktowania ciągu kodowego umożliwia zróżnicowanie sprawności kodowania w szerokich granicach od 1/4 do 8/9, dostosowując poziom zabezpieczenia sygnałów do ich energii i przewidywanej jakości kanału transmisyjnego. W miarę zwiększania sprawności kodowania maleje zdolność korekcyjna kodu i wzrasta prawdopodobieństwo błędu. W celu eliminacji silnie destrukcyjnego wpływu błędów seryjnych wywołanych zanikami sygnału lub zakłóceniami impulsowymi, po kodowaniu splotowym jest stosowane przeplatanie ciągu kodowego. Operacja rozplotu, która przywraca kolejność bitów w odbiorniku, identyczną z kolejnością występującą w nadajniku przed operacją przeplotu, umożliwia rozproszenie błędów seryjnych (zależnych statystycznie) i upodobnienie ich do błędów przypadkowych (niezależnych statystycznie), które mogą być skutecznie korygowane przez dekoder. Dobór wartościowości modulacji i stopnia zabezpieczenia przed błędami zapewnia dużą elastyczność wykorzystania systemu DRM w odmiennych warunkach propagacyjnych. W specyfikacji standardu DRM [1] wyszczególniono 4 poziomy zabezpieczenia i 3 wartościowości modulacji QAM. Dla przykładu w tabeli 2 przedstawiono wartościowości modulacji GAM i sprawności kodowania stosowane w trybie A dla poszczególnych kanałów logicznych. W głównym kanale usługowym MSC, którego przepływność jest największa, przewidziano stosowanie modulacji 16-OAM i 64-OAM. W kanale SDC można stosować dwa rodzaje modulacji: 4-OAM i 16-OAM. Natomiast kanał FAC wykorzystuje jedynie najbardziej odporną na zakłócenia modulację 4-QAM (QPSK). Tabela 2. Wartościowość modulacji i sprawność kodowania wykorzystywana w trybie A przy transmisji różnych kanałów logicznych DRM 31 Kodery splotowe są oznaczane symbolem (n, k, K) 4 > Po zamianie na postać binarną krańcowa pozycja z prawej strony odpowiada współczynnikowi (O lub 1) przy zmiennej podniesionej do potęgi, wynikającej ze stopnia wielomianu generującego KODOWANIE ŹRÓDŁOWE Ograniczona szerokość pasma kanału transmisyjnego wymaga przesyłania strumienia danych z niewielką przepływnością. Przy standardowej szerokości pasma 9 khz lub 10 khz przepływność kanału jest ograniczona do 20 kbit/s albo 24 kbit/s. Wymagana jest zatem skuteczna kompresja sygnału dźwiękowego dla uzyskania zakładanej w systemie DRM jakości odbioru (subiektywna ocena jakości nie powinna być gorsza niż w przypadku analogowej transmisji FM). Po przeprowadzeniu wielu badań i testów terenowych twórcy systemu zadecydowali o wyborze algorytmów kompresji stosowanych w standardzie MPEG-4. Przyjęto jednak odmienne kodery źródłowe przeznaczone do kodowania sygnału dźwięku i sygnału mowy oraz dopasowano stopień kompresji do różnych szerokości kanałów wykorzystywanych przez system. Kodery źródłowe sygnałów dźwięku i mowy działają na różnych zasadach i wykorzystują różne narzędzia kompresji. Przy kodowaniu źródłowym sygnału dźwięku stosuje się kodowanie perceptualne, które wprowadza redukcję nadmiarowości informacyjnej opartej na psychoakustycznym modelu ludzkiego słuchu. Zapewnia to bezpowrotnie wyeliminowanie znacznej części nadmiarowości informacyjnej zawartej w sygnale dźwiękowym, bez pogorszenia subiektywnego wrażenia jakości odbioru. Przesyłane są tylko te składowe dźwięku, na które reaguje organ słuchu, a usuwane są wszelkie składowe zamaskowane przez dynamicznie zmieniający się próg słyszalności. Przy kodowaniu sygnału mowy trakt głosowy narządu mowy człowieka jest symulowany za pomocą generatora pobudzającego oraz zespołu filtrów adaptacyjnych. Synteza sygnału mowy w odbiorniku jest oparta na analizie tego sygnału dokonanej w koderze źródłowym oraz przekazanych w kanale informacjach o wartościach parametrów sygnału pobudzającego i zespołu filtrów. Kodowanie sygnału dźwiękowego w systemie DRM korzysta ze zbioru narzędzi kompresji, określonego w standardzie MPEG-4 pod nazwą AAC (Advanced Audio Coding). Koder sygnału dźwiękowego umożliwia zakodowanie sygnału monofonicznego przy przepływności ograniczonej do 20 kbit/s [2]. W przeciwieństwie do kodera źródłowego stosowanego w systemie radiofonii DĄB, koder AAC nie wykorzystuje kodowania podpasmowego, lecz zmodyfikowaną, dyskretną transformację kosinusoidalną MDCT (Modified Discret Cosine Transform). W systemie DRM koder AAC może pracować z różnymi szybkościami, przy częstotliwości próbkowania sygnału dźwiękowego 12 khz lub 24 khz. W kodowaniu źródłowym sygnału mowy wchodzą w grę dwa różne kodery: koder CELP (Code Excited Linear Prediction), który gwarantuje akceptowalną jakość odtwarzania sygnałów mowy przy przepływności 8 kbit/s. Zapewnia to wykorzystanie kanału transmisyjnego o szerokości 10 khz do przesyłania nie jednego, lecz dwóch lub trzech sygnałów dźwiękowych, o łącznej przepływności 24 kbit/s. Alternatywnie można we wspólnym kanale przesyłać oprócz sygnału mowy dodatkowe dane towarzyszące albo wykorzystać nadmiar przepływności kanału do silniejszego kodowania kanałowego. Koder CELP może pracować z częstotliwością próbkowania 8 khz (sygnał wąskopasmowy) lub 16 khz (sygnał szerokopasmowy). Przepływność wyjściowa kodera może się zmieniać w granicach od 4 kbit/s do 24 kbit/s. Koder CELP można stosować przy jednoczesnej transmisji sygnałów analogowego i cyfrowego we wspólnym kanale radiowym; koder HVXC (Harmonie Vector excitation Coding), który jest bardzo oszczędnym koderem i w systemie DRM zapewnia ko- 440 PRZEGLĄD TELEKOMUNIKACYJNY ROCZNIK LXXVII nr 11/2004

5 dowanie sygnału mowy z bardzo matą przepływnością, sięgającą nawet 2 kbit/s. Próbkowanie sygnału odbywa się z szybkością 8 khz, a przepływność na wyjściu kodera zawiera się w granicach od 2 kbit/s do 4 kbit/s. Poszerzenie pasma sygnału ograniczonej przepływności strumienia cyfrowego. W systemie DRM można uzyskać subiektywną jakość odtwarzanego dźwięku porównywalną z subiektywną jakością osiąganą w systemach analogowych FM (szerokość pasma akustycznego 15 khz) lub można zapewnić znaczącą poprawę jakości odtwarzania sygnału mowy (szerokość pasma 12 khz przy dźwięku reporterskim). Uzyskanie akceptowalnej jakości odtwarzania sygnału dźwiękowego przy niewielkiej przepływności kanału nie jest łatwe. Z reguły jest konieczne ograniczenie pasma sygnału akustycznego, które umożliwia zmniejszenie częstotliwości próbkowania i ograniczenie przepływności. Prowadzi to jednak do pogorszenia jakości odtwarzanego sygnału. Pożądane jest zatem zapewnienie szerokiego pasma akustycznego, przy ograniczonej przepływności sygnału cyfrowego. Można to zrealizować za pomocą odpowiedniej metody wspomagającej kodowanie źródłowe. Jest nią opracowana ostatnio metoda SBR (Spectral Band Replication), wykorzystywana przy kodowaniu sygnału dźwiękowego w Internecie (MP3 Pro) i przyjęta w systemie DRM. Kodowanie źródłowe w połączeniu z metodą SBR umożliwia zwiększenie stopnia kompresji przy zachowaniu jakości odtwarzania. Przy niewielkich przepływnościach stopień kompresji wzrasta o 30% [3]. Metodę SBR można stosować jako narzędzie wspomagające pracę koderów zgodnych ze standardami MPEG-2 i MPEG-4, gdyż wykorzystuje ona charakterystyczne cechy sygnałów mowy i dźwięku. Oba rodzaje sygnałów można modelować w postaci guasistacjonarnego ciągu cyfrowych sygnałów pobudzających, przesyłanych przez model traktu głosowego człowieka lub wysyłanych przez drgające struny instrumentów muzycznych. Sygnały te cechuje duża zawartość harmonicznych, które najczęściej zajmują górną część pasma sygnału akustycznego. Ograniczenie pasma sygnału oznacza obcięcie harmonicznych, które są powiązane z tonami podstawowymi znajdującymi się w dolnym zakresie pasma. Obcięcie pasma zmienia barwę dźwięku i obwiednię sygnału. Analiza wolnozmiennej obwiedni sygnału, dokonana przed obcięciem górnego zakresu pasma, umożliwia przesłanie dodatkowej informacji, niezbędnej do odtworzenia w dekoderze właściwości widmowych sygnału, zawartych w usuniętej części pasma akustycznego (rys. 3). Rys. 3. Koncepcja techniki poszerzania widma (SBR) Zastosowanie metody SBR umożliwia odtwarzanie wyższych częstotliwości zawartych w paśmie sygnału dźwiękowego, które nie są przesyłane w kanale. Przesyłane są więc tylko informacje dotyczące wartości parametrów kodowania źródłowego sygnału z dolnego zakresu pasma oraz dodatkowy strumień danych (o niewielkiej przepływności) opisujący wartości parametrów sygnału z górnego zakresu jego pasma. Na podstawie odebranych danych dekoder odtwarza sygnały akustyczne w poszerzonym paśmie. Metoda SBR umożliwia poprawę jakości odbioru sygnału dźwiękowego, dzięki jego odtwarzaniu w pełnym zakresie pasma sygnału akustycznego, przy znacznie SYGNAŁ DŹWIĘKU KODERY ŹRÓDŁOWE "IPLEKSER DOWANłE NAŁOWE Rys. 4. Możliwości wykorzystania techniki SBR w koderach źródłowych stosowanych w systemie DRM W systemie DRM układ wykorzystujący technikę SBR może współpracować z różnymi przewidzianymi do stosowania koderami źródłowymi (rys. 4). Sygnały pilotowe Transmisja sygnału z modulacją OFDM odbywa się w postaci periodycznie wysyłanych ramek, które z kolei są organizowane w superramki. Każda ramka danych składa się z N s symboli OFDM, przenoszących dane i informacje towarzyszące. Dla różnych trybów transmisji istnieje różna liczba symboli tworzących ramkę, l tak dla trybów transmisji A i B liczba symboli wynosi N s = 15, w trybie B - A/ s = 20, a w trybie D liczba symboli w ramce A/ s = 24. W ramkach OFDM można przesyłać: O pakiety danych użytkowych (informacje przenoszone przez kanał główny MSC), pakiety sterujące (informacje przenoszone przez kanały sterujące FAC i SDC), pakiety pilotowe (informacje dodatkowe, służące do synchronizacji odbiornika i estymacji bieżącej odpowiedzi impulsowej kanału radiowego). Przesyłanie sygnałów pilotowych jest niezbędne do zapewnienia poprawnej pracy odbiornika, w którym jest dokonywany koherentny odbiór sygnałów. Wymagana jest zatem dokładna synchronizacja częstotliwości i znajomość bieżącego przesunięcia fazowego sygnału wprowadzanego przez niestacjonarny kanał transmisyjny. W systemie DRM przesyła się trzy rodzaje sygnałów pilotowych: symbole synchronizacji częstotliwościowej, symbole synchronizacji czasowej, symbole odniesienia (gain reference), służące do bieżącej oceny transmitancji kanału i wykorzystywane do korygowania pożądanego wzmocnienia sygnału w odbiorniku Każdy z symboli pilotowych można zapisać w ogólnej postaci sygnału zespolonego: P n k = b exp [/ 2nO (n, k)] gdzie: b - amplituda sygnału pilotowego, 2nB (n, k) - ustalone przesunięcie fazy sygnału pilotowego, n - indeks symbolu OFDM w ramce, k - indeks częstotliwości podnośnej OFDM. PRZEGLĄD TELEKOMUNIKACYJNY ROCZNIK LXXVII nr 11/

6 Symbole synchronizacji częstotliwościowej są wysyłane w każdej ramce OFDM na ustalonych częstotliwościach podnośnych, oddalonych od częstotliwości środkowej OFDM o 750, 2250 i 3000 Hz. Natomiast symbole synchronizacji czasowej są zawsze przesyłane na pozycji pierwszego symbolu w każdej ramce OFDM. Ponadto amplituda symboli pilotowych jest o 3 db większa od amplitudy pozostałych symboli w ramce OFDM. Najwięcej sygnałów pilotowych wymaga estymacja transmitancji kanału. Wykorzystywane do tego celu symbole odniesienia mają stałą amplitudę (również o 3 db większą niż symbole użytkowe) i różne przesunięcie fazowe 2nQ (n, k). Liczba sygnałów pilotowych, niezbędnych do poprawnej oceny transmitancji kanału, zależy od maksymalnego przesunięcia dopplerowskiego f Dm i spodziewanego rozrzutu opóźnienia r mx sygnału w kanale z wielodrogową propagacją. Symbole odniesienia muszą być umieszczone na różnych częstotliwościach podnośnych i przesyłane w różnych przedziałach czasu. Ich rozmieszczenia należy dokonać w taki sposób, aby umożliwić dobrą interpolację charakterystyki kanału w tych zakresach częstotliwości i w tych przedziałach czasu, kiedy odbiornik nie dysponuje sygnałem odniesienia. Odstępy między symbolami odniesienia w dziedzinie czasu D, i w dziedzinie częstotliwości D, powinny spełniać warunki [4], które uwzględniają właściwości wykorzystywanego kanału, tj. gdzie: T s jest czasem trwania symbolu OFDM, A/ oznacza odstęp ortogonalnych podnośnych. Do przesyłania symboli pilotowych przyjęto więc określone częstotliwości podnośne, których liczba i położenie różnią się w zależności od trybu pracy systemu i od szerokości pasma wykorzystywanego przez sygnał cyfrowy systemu DRM. * * * System DRM obecnie znajduje się w fazie intensywnych badań testowych, które umożliwią ocenę jakości transmisji w rzeczywistych warunkach propagacyjnych. Pojawiają się już na rynku odbiorniki przystosowane do odbioru sygnału cyfrowego w tym systemie oraz programowe implementacje dekoderów cyfrowych, współpracujących z komputerem PC i analogowym odbiornikiem radiofonicznym. Wiele stacji nadawczych, oprócz emisji sygnałów analogowych, prowadzi regularne emisje cyfrowe, zachęcając odbiorców do przekazywania opinii o jakości odbioru. Można więc oczekiwać stosunkowo szybkiego rozpowszechnienia się emisji cyfrowej, a w konsekwencji znaczącej poprawy jakości odbioru audycji radiowych w zaniedbanych dotychczas i tracących na znaczeniu pasmach częstotliwości poniżej 30 MHz. LITERATURA [1] Digital Radio Mondiale (DRM): System Specification, ETSI ES , v , ( ) [2] Hofmann F., Hansen Ch., Schafer W.: Digital Radio Mondiale (DRM) - Digital Sound Broadcasting in the AM Bands, IEEE Transactions on Broadcasting, vol. 49, no. 3, Sept [3] Dietz M., Meltzer S.: CT-aacPlus - a State-of-the Art, EBU Technical Review, July 2002 [4] van Nee R., Prasad R.: OFDM for Multimedia Communications, Artech House Publishers, Boston, London, 2000 [5] Wachsmann U., Fischer R., Huber J.: Multilevel codes: Theoretical Concepts and Practical Design Rules, IEEE Transactions on Information Theory, v. 45, no. 5, July 1999 [6] Pellicio J. R., Bachmann H.: Noise Effect on OFDM Wireless LAN Performance, Applied Microwave & Wireless, v. 13, no. 7, pp , July 2001 (Artykuł nadesłano do red. - czerwiec 2004) III konferencja INFRASTRUKTURA TELEKOMUNIKACYJNA DLA 30 iistopada 2004 warszawa J" i Celem konferencji, która odbędzie się pod patronatem Wojciecha Hałki z Ministerstwa Infrastruktury, jest pomoc użytkownikom telefonii stacjonarnej i komórkowej oraz rozwiązań konwśrgentnych w dokonaniu optymalnego wyboru spośród wielu propozycji oferowanych przez dostawców sprzętu, oprogramowania i systemów. Konferencja będzie prowadzona przez Tomasza Kulisiewicza, analityka rynku IT i telekomunikacyjnego. Eksperci branży teleinformatycznej oraz przedstawiciele wiodących dostawców działających na polskim rynku przedstawią kierunki rozwoju rozwiązań teleinformatycznych dla firm, kryteria wyboru pakietów usług operatorskich i taryf, kierunki i metody optymalizacji kosztów. Ważnym tematem spotkania będzie zapewnienie bezpieczeństwa działania firmowej infrastruktury teleinformatycznej. PROGRAM KONFERENCJI OBEJMUJE DWA BLOKI TEMATYCZNE: Blok l. Usługi telekomunikacyjne dla zastosowań biznesowych Rola telekomunikacji i teleinformatyki w firmach Rozszerzone usługi telekomunikacyjne dla firm małych, średnich i wielkich Rozwiązania mobilne dla firm działających w strukturach rozległych Blok II. Komunikacja szerokopasmowa Technologie szerokopasmowe - stan dzisiejszy i kierunki rozwoju Szerokopasmowy dostęp bezprzewodowy - przykłady realizacji Satelitarne rozwiązania dostępowe Nowoczesna transmisja danych - parametry, zobowiązania umowne Rola audytu telekomunikacyjnego w wyborze operatora, infrastruktury, taryf; zarządzanie usługami telekomunikacyjnymi w firmie Bezpieczeństwo systemów telekomunikacyjnych i teleinformatycznych. Szczegółowe informacje i formularz zgłoszeniowy na stronie oraz w biurze organizatora Centrum Promocji Informatyki Sp. z o.o Warszawa, ul. Międzyborska 50, tel. (022) , PRZEGLĄD TELEKOMUNIKACYJNY ROCZNIK LXXVII nr 11/2004