1. WSTĘP Radiofonię cyfrową cechują strumienie danych o dużych przepływnościach danych. Do przesyłania strumienia danych o dużych przepływnościach stosuje się transmisję z wykorzystaniem wielu sygnałów nośnych o małych przepływnościach. Systemy wieloczęstotliwościowe, w których sygnały nośne są ortogonalne noszą nazwę systemów OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing). Systemy OFDM charakteryzują się wysoką efektywnością widmową, odpornością na zakłócenia powodowane przez interferencje międzysymbolowe, odporność na zjawiska wielodrogowej propagacji. W przypadku modulacji OFDM widma sygnałów poszczególnych nośnych zachodzą na siebie, dzięki czemu efektywność widmowa jest większa niż w systemie ze standardową multipleksacją częstotliwości. Transmisja OFDM posiada wiele zalet powodujących, że obszar jej zastosowań stale się poszerza, między innymi systemy OFDM znalazły zastosowanie radiofonii cyfrowej DAB i DRM. Wadą transmisji systemu OFDM jest duża wrażliwość systemu na nieliniowości kanału transmisji, toteż może ona być stosowana tylko w liniowych kanałach transmisyjnych. 2. STRUKTURA RADIOFONICZNYCH SYGNAŁÓW CYFROWYCH Radiofonia cyfrowa zapewnia wysokiej jakości odbiór sygnałów fonicznych, znacznie lepszej jakości niż w przypadku systemów FM UKF. Cyfrowa radiofonia rozsiewcza DAB (Digital Audio Broadcasting) zapewnia lepsze wykorzystanie pasma niż radiofonia analogowa FM UKF. W wyniku przetwarzania sygnału analogowego otrzymuje się sygnał cyfrowy (PCM) o przepływności np.: 768kb/s dla jednego kanału systemu monofonicznego przy przetwarzaniu sygnału za pomocą 16 bitowego przetwornika analogowo-cyfrowego z częstotliwością 48kHz. Przy przetwarzaniu sygnału stereofonicznego strumień danych osiąga wartość ponad 1.5Mb/s. W celu zmniejszenia szybkości transmisji bez pogorszenia jakości sygnału fonii zastosowano kodowanie źródłowe. Jest ono realizowane za pomocą kodera MUSICAM, który stanowi realizację systemu kodowania ISO/MPEG-Audio Layer II znormalizowanego w ramach standaryzacji ISO. W końcowym procesie foniczny sygnał cyfrowy jest formowany w postaci ramki sygnału DAB. Na rys. 1 przedstawiono przykładową postać wyjściowej ramki sygnału DAB.
Rys. 1. Przykładowa ramka sygnału DAB Ramka sygnału DAB składa się z trzech podstawowych kanałów: - synchronizacji (SYNCH), - szybkiej informacji (FIC), - oraz kanału usług podstawowych (MSC). W kanale SYNCH są przesyłane informacje wykorzystywana do synchronizacji odbiornika: - umożliwiające automatyczną regulacje częstotliwości, - automatyczną regulację wzmocnienia, - oraz informację o fazie odniesienia. W kanale FIC jest przesyłana ograniczona ilość informacji, która nie może podlegać opóźnieniu w szczególności informacje konfiguracji multipleksu, konfiguracji demodulatora. Kanał usług podstawowych MSC zajmuje największą część sygnału ramki i w nim są przekazywane dane foniczne. W kanale podstawowym może być transmitowane sześć niezależnych bloków, np.: pięć programów radiowych i jeden blok danych alfanumerycznych. Dane kanału MSC są poddane procesowi zabezpieczenia przed błędami, procesowi rozpraszania oraz procesowi przeplotu czasowemu. Tak przetworzony strumień danych jest doprowadzony do modulatora. 3. METODY MODULACJI Ramka cyfrowego sygnału DAB musi być przesyłana w odpowiednio krótkim czasie tak aby było możliwe odtwarzanie na bieżąco przesyłanej mowy lub muzyki. Do przesłania ramki, czasie rzeczywistym, złożonej z kilku tysięcy bitów przy pomocy prostej dwustanowej modulacji wymagana jest duża szybkość modulacji. Impuls modulujący będzie bardzo krótki. Dla zmiennych warunków propagacji gdzie występują zjawiska wielodrogowe transmisja zbyt wąskich impulsów narażona jest na zakłócenia między symbolowe. W celu zmniejszenia wpływu zakłóceń międzysymbolowych na jakość transmisji modulację OFDM, gdzie jest realizowana transmisja wielotonowa.
Strumień danych jest dzielony na k podstrumieni, w których odstęp modulacji wynosi kt b, gdzie T b czas trwania bitu. Każdy ze strumieni moduluje inną podnośną. Częstotliwość sygnałów podnośnych określona jest wzorem: f n = f o + k/t gdzie: f o częstotliwość nośna, T czas trwania impulsu modulującego, k liczba całkowita oznaczająca kolejną podnośną. Kolejne podnośne są ortogonalne co pozwala na nakładanie się ich widm bez powodowania interferencji międzysymbolowych. Na rys. 2 przedstawiono widmo sygnału OFDM kilku kolejnych podnośnych. f Rys. 2. Widmo sygnału OFDM Każda podnośna OFDM sygnału DAB jest modulowana w systemie DQPSK. Strumień danych przydzielony dla każdej podnośnej jest dzielony zgodnie z określonym algorytmem na składową synfazową i kwadraturową a następnie są doprowadzone do układów mnożących gdzie realizowana jest modulacja DQPSK. W rzeczywistych układach opisany proces modulacji jest realizowany przez wykorzystanie obliczeń odwrotnej transformaty Fouriera. Proces modulacji jest realizowany na procesorze sygnałowym.
W celu eliminacji wpływu zjawisk wielodrogowości na ortogonalność podnośnych zastosowano odstęp ochronny. Na rys. 3a przedstawiono symbol elementarny symbol modulujący jednej podnośnej z zaznaczonym czasem ochronnym, natomiast na rys. 3b przedstawiono odpowiedź impulsową kanału radiowego. a) DT T Ts b) Rys. 3. a) Symbol elementarny modulujący pojedynczą podnośną b) Odpowiedź impulsowa kanału radiowego Korzyści z transmisji wielotonowej wynikają przede wszystkim z k-krotnego zwiększenia długości impulsu modulującego, co znacznie ułatwia konstrukcję odbiornika a szczególnie pozwala uniknąć interferencji między symbolowych i pozwala na stosowanie korekcji adaptacyjnej.
Długość odstępu ochronnego oraz czasu trwania impulsu modulującego zależy od modu pracy systemu. W tablicy 1 zestawiono wybrane parametry impulsów modulujących dla różnych modów transmisji. Tablica nr 1 Mod transmisji I II III IV k - ilość podnośnych odległość w khz pomiędzy podnośnymi T - czas trwania symbolu T czas ochronny okres transmisji ramki 1536 384 192 768 1kHz 4kHz 8kHz 2kHz 1246µs 312µs 156µs 623µs 246µs 62µs 314µs 123µs 96ms 24ms 24ms 48ms Dla modu I mającego zastosowanie w pasmach I, II i III odstęp ochronny wynosi 246µs a czas trwania impulsu modulującego 1246µs. Mod IV jest polecany dla systemów jednoczęstotliwościowych. Dla transmisji sygnału systemu DAB przewidziano następujące pasma częstotliwości: - 174 240MHz, - 1452 1492MHz.