KKRRiT2004 - J.Młynarczyk [Digital Radio Mondiale].pdf - Elektronika - mlc86

Janusz Młynarczyk

Andrzej Kułak

Akademia Górniczo-Hutnicza

Katedra Elektroniki

januszm@agh.edu.pl

kulak@oa.uj.edu.pl

Warszawa, 16-18 czerwca 2004

DIGITAL RADIO MONDIALE – SYSTEM RADIOFONII CYFROWEJ DLA

FAL DŁUGICH, ŚREDNICH I KRÓTKICH

Streszczenie : Wprowadzenie systemu Digital Radio

Mondiale oznacza przełom dla radiofonii na falach długich,

średnich i krótkich, gdzie od prawie wieku stosowana jest

modulacja AM. W artykule omówiono podstawy działania

nowego systemu oraz najważniejsze zagadnienia techniczne

związane z transmisją radiową w nowym standardzie.

Przedstawiono również przykładowe wyniki otrzymane

podczas odbioru eksperymentalnego programów radio-

wych nadawanych w standardzie DRM.

dyfrakcji na nierównościach terenu możliwa jest propa-

gacja bez nadmiernego osłabienia na duże odległości.

W zakresie fal krótkich odbiór w znacznych

odległościach od nadajnika jest możliwy dzięki fali

jonosferycznej. Z kolei fale średnie propagują jako fala

przyziemna na mniejsze odległości niż fale długie

(zasięg fali przyziemnej maleje ze wzrostem

częstotliwości), za to w nocy, gdy zanika jonizacja

warstwy D jonosfery, powodującej tłumienie fali,

możliwa jest propagacja na znaczne odległości poprzez

odbicie od warstwy E.

Propagację fali przyziemnej oraz fali jonosferycz-

nej przestawiono schematycznie na rysunku 1.

1. WSTĘP

Digital Radio Mondiale (DRM) jest nowym stan-

dardem radiofonii cyfrowej dla fal długich, średnich

i krótkich, opracowanym przez konsorcjum zrzeszające

Europejskie instytuty naukowe oraz czołowych nadaw-

ców Europejskich. Standard został zatwierdzony

w ubiegłym roku przez Europejski instytut

standaryzacyjny ETSI [1] a także uzyskał rekomendację

ITU-R. W czerwcu 2003 roku rozpoczęto pierwsze

emisje testowe.

Obecnie na terenie Polski można odbierać kilka

stacji radiofonicznych nadających programy w języku

angielskim, m.in. DW-DRM (Deutsche Welle), BBC

World Service, RNW (Radio Nederland Wereldomroep).

Podstawową zaletą emisji radiofonicznych

w zakresie fal długich, średnich i krótkich jest duży

zasięg. W szczególności fale długie umożliwiają zasięg

rzędu kilkuset kilometrów, a fale krótkie pozwalają na

realizację łączności międzykontynentalnej. Przy

odpowiednim doborze parametrów emisji, jedna stacja

radiofoniczna w paśmie HF wystarcza by objąć swoim

zasięgiem kilkanaście krajów Europejskich. Niestety

stosowany od początku ubiegłego wieku system

radiofonii AM nie zapewnia wystarczającej jakości

odbioru dla współczesnego słuchacza.

Wykorzystanie najnowszych osiągnięć z zakresu

radiokomunikacji cyfrowej umożliwia realizację cyfro-

wego przekazu radiowego w obecnie wykorzystywanych

wąskich kanałach radiofonicznych (9 kHz na falach

długich i średnich, 10 kHz na falach krótkich). Możliwe

jest uzyskanie wysokiej jakości dźwięku oraz symulta-

niczna transmisja dodatkowego kanału danych.

2. PODSTAWY DZIAŁANIA SYSTEMU

Rys 1. Propagacja fali przyziemnej i jonosferycznej

2.2. Transmisja radiowa na falach krótkich

Jedną z cech charakterystycznych propagacji

wzakresie fal krótkich są silne zaniki wynikające

z wielodrogowości. Różnice opóźnień sygnału

docierającego do odbiornika wynoszą najczęściej do

kilku milisekund a kolejne fale składowe mogą mieć

porównywalną amplitudę.

W przypadku realizacji transmisji o dużej prze-

pływności, w oparciu o klasyczne modulacje cyfrowe,

sygnały składowe docierałyby do odbiornika po czasach

znacznie przewyższających czas trwania symbolu, co

prowadziłoby do interferencji międzysymbolowych

i uniemożliwiało skuteczną transmisję. Alternatywą dla

transmisji z dużą przepływnością na jednej nośnej jest

podział strumienia danych na dużą liczbę strumieni

składowych o znacznie niższej przepływności i ich

równoległa transmisja na wielu nośnych. Szybkość

modulacji na każdej z nośnych może być wtedy na tyle

niska, że wpływ interferencji międzysymbolowych

będzie się uwidaczniał jedynie w małym początkowym

fragmencie odstępu modulacji.

2.1. Propagacja fal w pasmach radiofonicznych

poniżej 30 MHz

W paśmie radiofonicznym na falach długich mamy

do czynienia głównie z falą przyziemną. W wyniku

3. ASPEKTY TECHNICZNE DRM

W systemie Digital Radio Mondiale zastosowano

transmisję na wielu nośnych, znaną jako technika orto-

gonalnego zwielokrotniania w dziedzinie częstotliwości

zkodowaniem korekcyjnym (COFDM). Realizacja

modulacji i demodulacji czasie rzeczywistym jest moż-

liwa dzięki wykorzystaniu algorytmu szybkiego dys-

kretnego przekształcenia Fouriera. Transmisja odbywa

się równolegle na kilkuset nośnych, rozmieszczonych

w sposób zapewniający ich wzajemną ortogonalność [2].

Stosowana liczba nośnych zależy od dostępnego pasma

oraz parametrów transmisji na poszczególnych nośnych.

W radiofonii DRM na nośnych stosuje się modula-

cje 4-QAM, 16-QAM oraz 64-QAM. Na rysunku 2

przedstawiono obserwowaną eksperymentalnie konstela-

cję 64-QAM przy stosunku sygnału do szumu równym

23 dB.

Podane wartości parametrów czasowych występu-

jące w tablicy 1 są dokładnie wielokrotnościami okresu

elementarnego T wynoszącego 83 1/3 ms. Należy

zauważyć, że im trudniejsze zakładane warunki propa-

gacyjne tym dłuższy okres ochronny a krótszy czas

trwania użytecznej części symbolu.

Tab. 1. Zestaw wybranych parametrów OFDM

dla poszczególnych trybów transmisji w DRM.

Czas trwania

symbolu [ms]

26,67 26,67 20,00 16,67

Czas trwania użytecznej

części symbolu OFDM

[ms]

24,00 21,33 14,67 9,33

Okres ochronny [ms]

2,67 5,33 5,33 7,33

Przepływności netto

[kbit/s]*

18,5

26,6

14,6

21,0

11,5

16,6

7,6

11,0

Rys 2. Konstelacja kanału MSC obserwowana

eksperymentalnie przy SNR=23dB

Transmitowany strumień danych składa się z kolej-

nych symboli OFDM, pogrupowanych w ramki o czasie

trwania 400 ms. Każdy symbol OFDM ma ściśle zdefi-

niowany czas trwania i jest złożony z użytecznej części

symbolu poprzedzonej okresem ochronnym.

Pewna ilość cel w każdym symbolu OFDM jest

przesyłana ze znaną amplitudą i fazą (tzw. referencyjne

sygnały pilotowe), umożliwiając ocenę parametrów

kanału radiowego, synchronizację odbiornika i demo-

dulację koherentną sygnału. Rozmieszczenie cel pilota

jest zoptymalizowane pod kątem wysokiej efektywności

transmisji.

3.1. Parametry OFDM przyjęte dla DRM

Dla potrzeb transmisji w standardzie DRM zdefi-

niowano 4 zestawy parametrów OFDM zapewniające

różne prędkości bitowe (tab.1). Wybór zależy od

wymaganej odporności transmisji na wielodrogowość

i efekt Dopplera:

- Tryb A, przewidziany dla kanału gaussowskiego ze

słabymi zanikami, jest stosowany na falach średnich,

- Tryb B, dla kanału niestacjonarnego, selektywnego

czasowo i częstotliwościowo, stosowany jest w więk-

szości emisji na falach krótkich,

- Tryb C, cechuje się większą odpornością na

przesunięcie Dopplera odbieranych sygnałów.

- Tryb D, przewidziany dla najtrudniejszych warun-

ków propagacyjnych, z długimi przedziałami

opóźnień i silnym efektem Dopplera.

Dodatkowo dla każdego z trybów może być stoso-

wane kodowanie korekcyjne o zmiennej sprawności,

zależnej od wymaganej odporności na błędy transmisji.

Końcowa przepływność netto zależy od sprawności

kodowania oraz modulacji stosowanej na poszczegól-

nych nośnych. W tabeli podano orientacyjne wartości

uzyskiwane przy sprawności kodowania korekcyjnego

R=3/5 i modulacji odpowiednio 16-QAM i 64-QAM,

w kanale radiowym o szerokości 10 kHz.

Dostępna przepływność netto może być wykorzy-

stana w całości na transmisję dźwięku, ale może także

być wykorzystana częściowo na transmisję danych lub

symultaniczną transmisję drugiego kanału fonicznego.

3.2. Pasmo emisji radiowych DRM

W systemie cyfrowej radiofonii DRM przewi-

dziano 6 standardowych szerokości pasma:

- 9kHz i 10kHz, dostosowane do pasm istniejących

pasm radiofonicznych,

- 4,5 kHz i 5 kHz, dla emisji wąskopasmowych,

- 18 kHz i 20 kHz, dla transmisji w podwójnym

paśmie.

Rysunek 3 przedstawia rozmieszczenie nośnych

w najczęściej stosowanym trybie B, w kanale 10 kHz,

oraz obserwowane eksperymentalnie widmo sygnału.

Rys 3. Rozmieszczenie nośnych w trybie B dla kanału

radiowego o szerokości10 kHz oraz obserwowane

eksperymentalnie widmo sygnału

Podana na rysunku nominalna liczba nośnych,

wynosząca 207 (przy czym ale nośna o numerze 0

nie jest wykorzystywana), zmienia się w zależności od

trybu transmisji. W przypadku trybów C i D, dla kanału

10 kHz, nominalna liczba nośnych wynosi odpowiednio

139 i 89. Dla trybu A, stosowanego na falach średnich w

kanale radiowym o szerokości 9 kHz, liczba nośnych

wynosi 205.

Należy zwrócić uwagę na charakterystyczne dla

transmisji OFDM równomierne rozłożenie energii

sygnału w przydzielonym paśmie i szybki spadek

widmowej gęstości mocy przy granicy pasma.

3.3. Struktura transmisji

Transmisja DRM składa się z 3 kanałów:

- FAC ( Fast Access Channel ), dostarcza informacji

o podstawowych parametrach transmisji (np. pasmo,

tryb transmisji, modulacje) oraz zawartości multi-

pleksu, pozwalając na wykonanie w odbiorniku

szybkiego skanowania częstotliwości oraz rozpoczę-

cie dekodowania, gdy znaleziono poszukiwany przez

użytkownika program. FAC przesyłany jest w każdej

ramce transmisyjnej.

- SDC ( Service Description Channel ), przesyła dodat-

kowe informacje o bieżącej konfiguracji multipleksu

oraz dane związane z nadawanym programem,

a także informacje o alternatywnych źródłach tego

samego programu i ewentualnych równoległych

emisjach analogowych. SDC przesyłany jest w każ-

dej super ramce, mającej długość 1200 ms.

- MSC ( Main Service Channel ), przesyła dane użyt-

kowe emisji. Może zawierać od 1 do 4 strumieni

audio lub danych.

Przesyłanie informacji o alternatywnych źródłach

tego samego programu ma duże znaczenie dla większych

nadawców, równocześnie transmitujących swoje

programy na kilku częstotliwościach, aby mieć pewność,

że przynajmniej jedna z nich umożliwi dobrej jakości

odbiór w danej lokalizacji. Dzięki kanałowi SDC wybór

najlepszej częstotliwości może odbywać się automatycz-

nie, bez ingerencji ze strony słuchacza.

Schemat blokowy toru transmisyjnego DRM

przedstawiono na rysunku 4. System umożliwia

zdefiniowanie dwóch poziomów zabezpieczenia

nadmiarowego, silnego (H) i normalnego (N), dla kanału

MSC, w zależności od kategorii bitów zawartych

w danej części ramki.

Strumień danych przed modulacją jest poddawany

skramblowaniu a następnie kodowaniu korekcyjnemu

(FEC, Forward Error Correction ). W systemie DRM

stosuje się kodowanie splotowe z aktualną sprawnością

kodu zależną od przewidywanych warunków propaga-

cyjnych i wymaganej odporności na błędy transmisji.

Następnie, w celu zabezpieczenia przed błędami

paczkowymi, stosowany jest przeplot. Najczęściej

stosowany jest przeplot długi, 2 sekundowy.

3.4. Kodowanie źródłowe

Optymalna jakość dźwięku przy danej prędkości

bitowej jest zapewniona dzięki różnym trybom kodowa-

nia źródłowego. Przewidziano stosowanie kodowania:

- MPEG-4 AAC ( Advanced Audio Coding ),

zapewniającego wysoką jakość i odporność na błędy

przy podstawowych prędkościach transmisji dla stan-

dardu DRM,

- MPEG-4 CELP (Code Excited Linear Prediction),

umożliwiającego kodowanie mowy w transmisjach

monofonicznych o niskiej przepływności (3850 –

12200 kbit/s przy częstotliwości próbkowania

8 kHz).

- MPEG-4 HVXC (Harmonic Vector eXcitation

Coding), będącego zaawansowaną technika kodowa-

nia mowy pozwalającą na uzyskanie rozsądnej jako-

ści głosu już przy przepływności 2 kbit/s. Planuje się

wykorzystanie tego kodera m.in. do przesyłania

dodatkowego kanału fonicznego, silnie zabezpieczo-

nego nadmiarowo. W przypadku zbyt małego sto-

sunku sygnał/szum dekoder mógłby przejść automa-

tycznie na odbiór fonii kodowanej przy użyciu

HVXC.

Łącznie z każdą z powyższych metod można

stosować technikę SBR (Spectral Band Replication),

Rys 4. Struktura transmisji DRM

umożliwiającą uzyskanie szerszego pasma dźwięku przy

niewielkim wzroście wymaganej przepływności bitowej.

Podstawową metodą kodowania dźwięku stoso-

waną obecnie przez nadawców jest AAC z SBR.

Pozwala na uzyskanie bardzo dobrej jakości, zbliżonej

do UKF-FM, przy prędkości bitowej rzędu 17-27 kbit/s.

Przy mniejszych przepływnościach netto (rzędu 11-14

kbit/s), stosowany jest koder AAC, który zapewnia

jakość nadal znacznie lepszą niż znana z radiofonii AM.

że mimo zmieniającego się stosunku sygnału do szumu

w granicach 18 – 26 dB odbiornik jest w stanie zdeko-

dować poprawnie praktycznie wszystkie ramki synchro-

nizacyjne i dźwiękowe

4. ODBIÓR EKSPERYMENTALNY

EMISJI RADIOFONICZNYCH DRM

100

150

200

250

Ze względu na to, że nie są jeszcze dostępne sprzętowe

dekodery DRM, do odbioru wykorzystano programowy

dekoder pracujący na komputerze klasy PC, wyposażo-

nym w kartę dźwiękową. Ze względu na wymaganą moc

obliczeniową konieczny jest procesor taktowany zega-

rem co najmniej 500 MHz. Dostępne są dwa progra-

mowe dekodery DRM: komercyjny, opracowany przez

Fraunhofer Institute Integrierte Schaltungen, oraz „open-

source” rozwijany przez Institute for Communication

Technology Uniwersytetu w Darmstadt [3] i wykorzy-

stywany przez autorów do odbioru eksperymentalnego.

Blok wejściowy stanowi konwencjonalny odbior-

nik komunikacyjny. Należy zwrócić uwagę, aby pasmo

filtru pośredniej częstotliwości odbiornika nie było zbyt

wąskie. Sygnał drugiej pośredniej częstotliwości z

odbiornika jest poddawany na wejście modułu konwersji

na niska pośrednią częstotliwość, zawierającego mie-

szacz z oscylatorem. Częstotliwość oscylatora jest tak

dobrana, aby sygnał OFDM po przemianie mieścił się

w paśmie karty dźwiękowej komputera i mógł być

poddany obróbce przez dekoder programowy.

W ramach nasłuchu eksperymentalnego, począw-

szy od listopada 2003 przeprowadzono odbiór szeregu

stacji radiofonicznych dostępnych w Polsce południo-

wej. Poniżej przedstawiono przykładowe wyniki

uzyskane dla programu stacji radiowej DW-DRM,

nadawanego z Sines w Portugalii, na częstotliwości

15540 kHz. Nakierowanie wiązki antenowej tej radio-

stacji przedstawia rysunek 5. Wybrana lokalizacja

nadajnika oraz częstotliwość emisji pozwala na dobry

odbiór programu na terenie kilku krajów europejskich.

minuta odbioru

100

150

200

2 5 0

100

150

200

250

minuta odbioru

Rys.6. Przykładowe wyniki odbioru eksperymentalnego

programu DW-DRM w godz. 10:00 – 14:00 UT.

W przypadku omawianego programu na nośnych

kanału MSC stosowana była modulacja 64-QAM, a

stopień zabezpieczenia nadmiarowego zmienił się

w sposób płynny w trakcie programu, o godzinie 11:00

UT. Dzięki temu wzrosła przepływność netto z 17.46

kbit/s, uzyskiwanej przy sprawności kodu R=1/2, do

20.96 kbit/s, przy R=3/5. Ze względu na dobre warunki

propagacyjne w godzinach południowych, zmiana ta nie

spowodowała wzrostu ramkowej stopy błędów.

Do transmisji danych w kanale FAC stosowana jest

modulacja 4-QAM, tak aby możliwe było utrzymanie

synchronizacji nawet przy znacznej degradacji warun-

ków odbioru.

5. WNIOSKI

W artykule opisano nowy standard radiofonii

cyfrowej, Digital Radio Mondiale (DRM). Odbiornik

radiowy w najbliższej przyszłości będzie najprawdopo-

dobniej umożliwiał odbiór zarówno emisji analogowych,

AM i FM, jak i odbiór programów nadawanych

cyfrowo, w standardzie DRM w pasmach radiowych

poniżej 30 MHz, oraz DAB w zakresach VHF i UHF.

LITERATURA

Rys.5. Nakierowanie wiązki antenowej nadajnika

w Sines w Portugalii, nadającego programy DW-DRM.

Rysunek 6 przedstawia rezultaty zarejestrowane

w dniu 17 marca 2003. Pierwszy wykres przedstawia

stosunek sygnału do szumu, a kolejne procentową ilość

poprawnie odbieranych ramek dźwiękowych oraz ilość

poprawnie zdekodowanych ramek kanału FAC. Widać,

[1] ETSI ES 201 980, Digital Radio Mondiale (DRM);

System Specification , ETSI Standard, 2003.

[2] K.Wesołowski, Transmisja wielotonowa i jej

zastosowania w systemach radiowych , KKRRiT

Gdańsk, 12-14 czerwca 2002..

[3] Open-Source Software Implementation of a DRM-

Receiver , http://drm.sourceforge.net/

[4] Materiały internetowe konsorcjum DRM

http://www.drm.org/

KKRRiT2004 - J.Młynarczyk [Digital Radio Mondiale].pdf

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: