Эволюция эфирной системы цифрового радиовещания DAB, рекомендованной ITU-R для применения в полосе частот 174–240 МГц диапазона ОВЧ Часть 2
В статье подробно рассматривается система цифрового радиовещания DAB (Digital Audio Broadcasting), а также ее более поздние модифицированные и расширенные версии, получившие названия DAB+ и DAB+/DMB.
Структура данных фрейма передачи. Сигналы передачи в системе DAB имеют фреймовую структуру, состоящую из последовательности OFDM-символов, число которых во фрейме передачи зависит от выбранного режима работы. Первым во фрейме передачи идет нуль-символ, его длительность TNULL = 324 мкс, он служит для грубой синхронизации оборудования. Далее идет OFDM-символ опорной (эталонной) фазы. Это два символа канала синхронизации SC. Затем следуют OFDM-символы канала быстрого доступа FIC и, наконец, следуют OFDM-символы канала MSC, их число во фрейме передачи зависит от выбранного режима работы (табл. 1).
В режиме передачи ТМ I (рис. 3, Transmission Mode I) все 12 блоков FIB канала FIC, входящие во фрейм передачи, разделяются на четыре группы блоков FIB, каждая из которых защищена сверточным кодом и передается в пределах одного фрейма передачи. Эти четыре сверточных кодовых слова мультиплексируются MUX1 и MUX3 (рис. 1), образуя одну кодовую комбинацию, называемую вектором. Полученный вектор содержит 9216 бит, он разделяется на три последовательных блока, каждый такой блок содержит 3072 бита и передается во фрейме передачи OFDM-символами соответственно с индексами 2, 3 и 4. Каждый OFDM-символ при работе в режиме ТМ I передает 3072 бита, при этом каждый фрейм передачи содержит три таких OFDM-символа с информацией канала FIC. Символы OFDM с индексами 6, 7…76 передают информацию канала MSC.
В режиме передачи TM II сверточное слово помехоустойчивого кодирования содержит 2304 бит, разделяется на три последовательных блока. Каждый такой блок длиной 768 бит передается одним OFDM-символом соответственно индексами 2, 3, 4. Символы OFDM с индексами 6, 7…76 передают при работе в этом режиме информацию канала MSC.
В режиме передачи TM III сверточное слово помехоустойчивого кодирования содержит 3072 бита, разделяется на восемь блоков длиной по 384 бита, каждый такой блок передается одним OFDM-символом соответственно с индексами 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9.
Режим работы TM IV появился во второй версии стандарта на систему DAB [4]. В этом режиме работы сверточное слово помехоустойчивого кодирования содержит 4608 бит, оно разделяется на три блока, каждый из которых содержит 1536 бит, для их передачи используются OFDM-символы соответственно с индексами 2, 3, 4.
Теперь о структуре данных канала MSC во фрейме передачи (рис. 3).
В режиме работы TMI четыре последовательных фрейма CIF мультиплексируются, разделяются на 72 блока, передаются в одном фрейме передачи соответственно 72 OFDM-символами c индексами 5, 6…76. При этом каждый OFDM-символ передает по 3072 бита цифровых данных канала MSC.
В режиме передачи TM II каждый фрейм CIF, содержащий 55 296 бит, разделяется на 72 последовательных блока, каждый из которых имеет длину 768 бит, передается одним OFDM-символом. Всего при работе в данном режиме фрейм передачи содержит 72 символа OFDM соответственно с индексами 5, 6…76.
В режиме передачи TM III каждый фрейм CIF разделяется на 144 блока, каждый из которых имеет длину 384 бита и передается одним OFDM-символом. Всего при работе в данном режиме фрейм передачи содержит 144 символа OFDM соответственно с индексами 10, 11…153.
И, наконец, в режиме передачи TM IV два последовательных фрейма CIF разделяется на 72 блока. Каждый такой блок содержит 1536 бит, передается одним OFDM-символом. Всего при работе в данном режиме фрейм передачи содержит 72 символа OFDM соответственно с индексами 5, 6…76, каждый фрейм CIF разделяется на 144 блока, каждый из которых имеет длину 384 бита и передается одним OFDM-символом. Всего при работе в данном режиме фрейм передачи содержит 144 символа OFDM соответственно с индексами 10, 11…153.
Более подробные сведения о структуре цифровых данных в каналах MSC, FIC для разных режимов работы приведены в [1, 2, 4].
Система DAB+
Позже были разработаны, а затем стандартизованы более эффективные алгоритмы компрессии цифровых аудиоданных [5, 6, 7, 8]. Они были добавлены в новую вторую версию стандарта, получившую название DAB+ [4], появившуюся в 2006 году. В частности, были добавлены алгоритмы компрессии, реализованные в кодере HE-AAC v.2 стандарта MPEG-4 ISO/IEC 14496-3 [7] и в стандарте MPEG D Surround [8]. Возможность использования алгоритма компрессии MPEG-1 ISO/IEC 11172-3 Layer II осталась и в этой новой версии стандарта на систему DAB+.
В системе DAB+ при использовании кодера MPEG-4 HE-AAC v.2 формируются аудиосуперфреймы. Каждый такой аудиосуперфрейм содержит соответственно два аудиофрейма кодера HE-AAC v.2 при частоте дискретизации 16 кГц, три аудиофрейма при частоте дискретизации 24 кГц, четыре аудиофрейма при частоте дискретизации 32 кГц и шесть аудиофреймов при частоте дискретизации 48 кГц. При этом аудиосуперфрейм имеет длину 120 мс, что эквивалентно пяти логическим фреймам CIF системы DAB.
Из-за более высокой степени сжатия данные аудиосуперфрейма требуют дополнительной защиты от цифровых ошибок. Она реализуется здесь с помощью кода Рида-Соломона. Цифровые данные аудиосуперфрейма, кроме помехоустойчивого кодирования, подвергаются также и временному перемежению битов (рис. 4).
При использовании кодера MPEG D Surround [8] пространственные параметры многоканального звукового сигнала должны быть переданы по крайней мере 1 раз в течение 480 мс. Заметим, что скорость цифрового потока при их передаче невелика, обычно не превышает 8–12 кбит/с.
Процедуры обработки основных цифровых потоков, структуры фрейма передачи при работе в разных режимах, тип модуляции в этой новой версии стандарта остались без изменений. Изменения коснулись только применяемых алгоритмов компрессии цифровых аудиоданных, при этом процедуры транспортных механизмов в новой версии стандарта не изменились.
Системы DAB+/DMB
В 2009 году появилось дополнение [9] к системе DAB, посвященное передаче видеоинформации (видеосервисов), что превращает ее уже в полноценную мультимедийную систему, ориентированную на мобильный прием программ радиовещания и телевидения (рис. 5). По данным [14], регулярное вещание по системам семейства DAB/DMB ведется в 21 стране, экспериментальное вещание еще в 18 странах. С 2005 года по системе Т-DMB началось вещание в Сеуле (Южная Корея). К началу 2006 года в мире насчитывалось уже 18 проектов по внедрению технологии DMB на основе существующей наземной вещательной инфраструктуры Т-DAB. В Европе [15] основные проекты были развернуты в Германии, Франции, Норвегии, Голландии, Финляндии, Англии и Италии. Лидером в этом процессе является ФРГ, где в июне 2006 года работало уже 39 передатчиков T-DMB в 12 городах на основе применения транспортных механизмов системы DAB.
В 2016 году появилась последняя версия стандарта на систему DAB [13].
При передаче видеосервисов (рис. 6), включая и программы телевидения, возможно применение двух профилей сложности при компрессии цифровых аудиоданных:
- профиль 1 включает применение алгоритмов компрессии цифровых аудиоданных MPEG-4 ER-BSAC (максимальная скорость передачи 128 кбит/c);
- профиль 2 включает применение алгоритмов компрессии цифровых аудиоданных MPEG-4 HE-AAC v.2 (с использованием алгоритмов компрессии цифровых аудиоданных ААС,SBR, PS), MPEG Surround ISO/IEC 23003-1.
В обоих случаях при компрессии видеоданных используется стандарт MPEG-4 AVC (кодер H.264). Аудиоданные, сопутствующие видеопрограмме, передаются кодером ER-BSAC. При передаче цифровых данных видеосервиса, подаваемых на DAB-мультиплексор, используется потоковый режим работы.
Спецификация [9] превращает систему DAB/DAB+ по своим характеристикам в мультимедийную систему А [10, 11, 12], (табл. 1). В радиоканале шириной 1,54 МГц с использованием транспортных механизмов системы DAB могут быть переданы одновременно:
- несколько звуковых программ с разным уровнем качества, включая звуковые форматы 1/0, 2/0, 3/2, 5.1;
- несколько телевизионных программ с монофоническим или стереофоническим сопровождением;
- различные данные, актуальные сведения для бизнесменов, подвижные и неподвижные изображения, текстовая и графическая информация и прочее.
Система DMB базируется на применении транспортных механизмов системы DAB, обеспечивает передачу и мобильный прием сигналов цифрового телевидения, радиовещания и другой мультимедийной информации.
В этой связи представляется целесообразным организовать в нашей стране в полосе частот 174–240 МГц диапазона ОВЧ экспериментальную передачу программ телевидения и радиовещания в формате DMB, что необходимо для:
- проверки характеристик, заявленных разработчиками данной технологии;
- накопления опыта мобильного приема программ телевидения и радиовещания;
- выбора наиболее приемлемых с точки зрения качества для населения параметров мультиплексов цифрового радиовещания и телевидения.
