: архив : архив журнала "Звукорежиссер" : 2001 : #1

Цифровое звуковое радиовещание в формате DAB
Юрий Ковалгин

Цифровое звукового вещания DAB получает распространение в мире в качестве альтернативы стереофоническому радиовещанию в диапазоне метровых волн. В этой статье мы рассмотрим назначение, общие сведения, структура и принципы работы основных функциональных блоков, а также форматы данных системы.

Общие сведения о системе DAB

Система цифрового звукового вещания DAB (Digital Audio Broadcasting) предназначена для доставки высококачественных звуковых программ и данных, передаваемых наземными и спутниковыми передатчиками в метровом (88...114 МГц) и дециметровом (0,5...2 ГГц) диапазонах частот и принимаемых автомобильными, переносными и стационарными приемниками цифровых сигналов, а также распределяемых с помощью кабельных сетей. Система DAB разработана для так называемой одночастотной передающей сети (ОЧС). Эту сеть образует множество пространственно разнесенных маломощных ретрансляторов, работающих на единой частоте передачи и приема. В ОЧС обеспечивается уверенный прием сигнала в "мертвых" зонах городов с разноэтажной застройкой. Многолучевость при радиоприеме является в DAB скорее достоинством, чем недостатком. Благодаря передаваемым контрольным сериям служебных сигналов приемник может идентифицировать сигналы с различной задержкой и компенсировать ее. Тем самым становится возможным не только устранение помех, вызванных многолучевостью, но и увеличение полезной мощности сигнала при радиоприеме.

В системе DAB используются широкополосные радиоканалы с одновременной передачей в них нескольких звуковых программ, множества сигналов данных, разнообразной сервисной и другой полезной информации. Она совместима с другими службами радиосвязи.

Структура и характеристики системы DAB

Рис.1

Структурная схема передающей части системы DAB показаны на рис.1. Входными сигналами являются первичные цифровые сигналы звуковых программ (Audio 1, Audio 2, ..., Audio n) и цифровые сигналы данных (Daten 1, Daten 2,..., Daten n). Предварительно аналоговые звуковые сигналы поступают на аналого-цифровые преобразователи (АЦП1, АЦП2,...,АЦПn, на рис.1 не показаны), где преобразуются в цифровую форму с частотой дискретизации fД = 48 кГц и разрядности 16 бит. Далее каждый такой первичный цифровой сигнал кодируется MPEG-кодером стандарта ISO/IEC 11172-3 Layer 2, где выполняется компрессия цифровых аудиоданных. Затем индивидуальные цифровые потоки мультиплексируются (MSC-MUX-мультиплексор аудиофрейма, DAB-MUX-мультиплексор фрейма передачи) и суммарный цифровой поток со скоростью 1,5 Мбит/c поступает на COFDM-модулятор (COFDM-Coded Orthogonal Frequency Division Multiplex), после чего COFDM-сигнал переносится преобразователем частоты в требуемую полосу частот и излучается в эфир. На приемной стороне системы выполняются обратные преобразования (рис.2): принятый DAB-сигнал проходит ВЧ-тракт и переносится смесителем на промежуточную частоту, далее он демодулируется в COFDM-демодуляторе, демультиплексируется, затем сжатые цифровые потоки, соответствующие звуковым программам, декодируются в MPEG-декодерах, после чего подвергаются цифроаналоговому преобразованию (ЦАП1, ЦАП2,..., ЦАПn).

Рис.2

Цифровые потоки в системе DAB

В передающей части системы DAB формируются три канала передачи цифровых потоков (рис.1).

Канал пользователя MSC (Main Service Channel). Он используется для передачи звуковых сигналов программ радиовещания и цифровых данных, связанных с программами. Цифровой поток канала MSC разбивается на множество субканалов, в каждом из которых производится индивидуальное помехоустойчивое кодирование с помощью CRC-кода, скремблирование и временное перемежение цифровых символов. В субканале могут передаваться одна или несколько компонент канала пользователя. Канал пользователя образуется из фреймов CIF (Common Interleaved Frame) с перемежением, являющихся частью фрейма передачи.

Канал быстрой информации FIC (Fast Information Channel). Он используется для быстрого доступа к информации в приемнике. По нему передается информация о конфигурации мультиплексирования MCI (Multiplex Configuration Information, под ней понимается информация об организация субканалов и канальных компонент канала пользователя MSC, разнообразная сервисная информация SI (Service Information) и данные быстрого доступа FIDC (Fast Information Data Channel), например, сигналы гражданской обороны и т.п. В канале FIC не используется временное перемежение цифровых символов.

Канал синхронизации SC (Synchronization Channel). Он используется внутри передающей части системы для синхронизации фрейма передачи, автоматического управления частотой, оценки состояния субканалов и идентификации передатчика.

Цифровые потоки каналов звуковых программ (Audio 1, Audio 2,…, Audio n, связанных с программой данных PAD 1, PAD 2,…, PAD n) (PAD - Program Associated Data), сервисной информации SI, данных Daten 1, Daten 2,…Daten n поступают на мультиплексор аудиофрейма (MSC-MUX), образуя цифровой поток канала пользователя MSC. Этот поток далее объединяется с потоком канала FIC и символами канала синхронизации SC в общий цифровой поток в мультиплексоре фрейма передачи DAB-MUX, и после объединения поступают на СOFDM-модулятор (рис.1).

MPEG-кодер

Первичные цифровые сигналы подвергаются сжатию в MPEG-кодере стандарта ISO/IEC 11172-3 Layer 2. Его структурная схема и алгоритм работы подробно описаны автором в журнале "Звукорежиссер" (6/2000) и поэтому в данной статье не приводятся.

MPEG-декодер

Рис.3

Декодер (рис.3) стандарта MPEG ISO/IEC 11172-3 Layer 2, проверяет входящие цифровые данные на ошибки, и отделяет дополнительные данные управления процессом декодирования от сжатых аудиоданных отсчетов. С помощью данных дополнительной информации кодовые слова отсчетов субполосных сигналов декодируются, деквантуются и денормируются. В итоге происходит их полное восстановление в исходной форме. В инверсном банке фильтров полосные составляющие звукового сигнала вновь объединяются в единый сигнал. Результатом этого является цифровой поток данных на выходе декодера, который уже подготовлен для цифро-аналогового преобразования.

Защита от ошибок

При передаче цифровых сигналов по каналам связи могут появиться ошибки. Для борьбы с одиночными ошибками в системе DAB (рис.1) применяют CRC-коды с проверочными битами, которые служат для распознавания, исправления и коррекции ошибок. Число избыточных бит CRC-кода должно быть как можно меньше.

В стандарте ISO/IEC 11172-3 ошибки по их слышимости классифицируются по четырем ступеням. Сильно заметными на слух (катастрофическими) являются ошибки в битах, определяющих место (позицию) отдельных частей данных и значение коэффициента масштаба. Заметными являются ошибки в трех старших битах масштабных коэффициентов SCF. Менее мешающими являются ошибки в младших низкозначимых битах значений SCF и в старших информационных битах субполосных составляющих ЗС. Практически неслышимыми являются ошибки в двух самых младших низкозначимых информационных битах субполосных сигналов. Для защиты от пакетов ошибок используют временное перемежение символов.

Аудиофрейм системы DAB

Рис.4

Аудиофрейм системы DAB (рис.4) содержит дополнительные части по сравнению с аудиофреймом MPEG-кодера стандарта ISO/IEC 11172-3.

Аудиофрейм MPEG-кодера (Layer 2) представляет последовательность цифровых данных, включающих информацию:

- служебную (Header);
- избыточные биты CRC-кода (CRC);
- о распределении общего числа бит по субполосам (Bit Allocation);
- о распределении масштабных коэффициентов (SCFSI);
- индексы значений масштабных коэффициентов (SCF);
- значения нормированных отсчетов субполосных сигналов (Subband Samples);
- биты дополнительных (вспомогательных) данных (Ancillary);
- биты заполнения.

Преамбула (Header) имеет 32 бита и содержит 12-битное синхрослово и информацию о структуре данных аудиофрейма (20 бит), включающую:

- бит идентификации ID, равный 1, если поток аудиоданных полностью соответствует стандарту ISO/MPEG 11172-3, и 0 в противном случае;
- код уровня (2 бита), идентифицирующий тип слоя кодирования: Layer 1, Layer 2, Layer 3, резерв;
- бит защиты, равный 1, если не применяется помехоустойчивое кодирование, и 0 - в противном случае;
- значение скорости цифрового потока (4 бита) для каждого слоя кодирования (32...448 кбит/с для Layer 1, 32...384 кбит/с для Layer 2 и 32...320 кбит/с для Layer 3);
- значение частоты дискретизации - 44,1 либо 48 либо 32кГц (2 бита);
- "паддинг"-бит равный 1, если частота дискретизации 44,1кГц, и 0 - в противном случае;
- бит, используемый в специальных целях, например для передачи дополнительной информации;
- код режима передачи (2 бита), идентифицирует аудиорежимы: стерео, совмещенное стерео (Joint Stereo), два независимых канала, один канал;
- код режима расширения (2 бита) при передаче в режиме совмещенное стерео;
- бит права копирования, равен 0, если копирование запрещено;
- бит "оригинал/копия", равен 1, если передается оригинал;
- код предыскажения (2 бита).

После преамбулы 16 бит отводится CRC-коду для помехоустойчивого кодирования (для обнаружения и коррекции ошибок при цифровой передаче).

Далее идут собственно аудиоданные компрессированного звукового сигнала. Первой идет таблица, идентифицирующая распределение общего числа бит, используемых для кодирования отсчетов каждого из полосных сигналов (Bit Allocation). Затем в аудиофрейме располагается информация о распределении масштабных коэффициентов (Scalenfactors Selection Information, SCFSI). Она передается только для субполос, где передаются отсчеты звукового сигнала. После этой информации располагаются данные о значениях масштабных коэффициентов SCF-Skalenfactors, начиная с низкочастотных полос и со старшего бита кода индекса SCF. Наконец, во фрейме следуют кодовые группы, соответствующие отсчетам звукового сигнала в субполосах (Subband Samples), всего эта часть аудиофрейма содержит информацию о 1152 отсчетах входного сигнала. Завершают аудиофрейм биты заполнения (Ancillary Data).

Аудиофрейм системы DAB дополнительно содержит байты для передачи данных PAD-информации, которая синхронна со звуковой программой и имеет непосредственное к ней отношение. Она состоит из двух частей: X-PAD и F-PAD. Данные F-PAD имеют постоянную длину, равную двум байтам, здесь передается информация управления в реальном масштабе времени и данные с очень низкой скоростью передачи. Данные X-PAD имеют переменную длину, они передают дополнительную информацию, относящуюся к звуковой программе, например, поясняющий текст. Дополнительная часть фрейма содержит также биты помехоустойчивого кодирования индексов значений масштабных коэффициентов (SCF-CRC).

Заметность искажений, вызываемых компрессией данных, существенно зависит от особенностей сигнала. При скорости 196 кбит/с на канал искажения практически незаметны при передаче любых сигналов. При скорости 64 кбит/с искажения уверенно замечаются экспертами на большинстве сигналов. Рекомендуемая для системы DAB скорость передачи 128 кбит/с на канал является компромиссом как по качеству, так и по стоимости трансляции сигналов.

Модуляция несущих частот в системе DAB

Рис. 5а

Принцип формирования OFDM-сигнала показан на рисунке 5. Цифровая последовательность (рис.5а), поступающая с выхода мультиплексора 1, распараллеливается в блоке 2. После этого каждый из полученных цифровых потоков поступает на свой FM-модулятор (FM 1, FM 2, ..., FM n), на вторые входы которых поступают сигналы несущих (fН1, fН2, ..., fНn). Переход от последовательной к параллельной передаче двоичных символов цифровой последовательности для n несущих частот условно изображен на рис.5б.

Рис. 5б

Слева изображен исходный цифровой поток, а справа, - преобразованная совокупность параллельных цифровых потоков. Здесь t1 - время, необходимое для передачи n двоичных символов (нулей и единиц); TS- время передачи одного двоичного символа. Очевидно, что TS=(t1/n).

Итак, OFDM-сигнал состоит из n модулированных по фазе несущих. Интервал времени TS, в течение которого осуществляется передача одного символа с помощью каждой из n несущих, образует OFDM-символ. Для их уверенного разделения при радиоприеме между ними имеется так называемый защитный интервал длительностью TG (рис.6б). Длительность защитного интервала должна удовлетворять условию TG >/= (d/c), где: d - расстояние между передатчиками, с - скорость распространения волны. При d = 60 км длительность защитного интервала должна быть не менее чем 200 мкс.

Рис. 6а

Полученная совокупность FM-сигналов (рис.5) поступает на сумматор, на выходе которого и образуется OFDM-сигнал. Для передачи цифровых сигналов используется фазовая манипуляция с четырьмя состояниями фазы каждой несущей (4-FM или QPSK-модуляция) так же, как в системах NICAM и DSR (Digitale Satteliten Radio). Каждой паре битов АВ цифровой последовательности соответствует одно из четырех возможных значений фазы несущей: 45° (00); 135° (01); 225° (11); 315° (10). Полоса частот радиоканалов для каждой из множества несущих fН1, fН2,..., fНn показана на рис.6а. Жирной линией здесь изображена полная полоса частот разноть fрк радиоканала системы DAB, составляющая 1,54 МГц.

Рис. 6б

В системе DAB последовательность следования во времени символов 1,2,3,..., n несущих fН1, fН2, ...., fНn кодируется определенным образом Можно говорить о кодированном перемежении во времени несущих частот fН1, fН2,..., fНn. В результате этого кодирования образуется COFDM-сигнал и соответственно COFDM-символы (рис. 7), которые и передаются по радиоканалу системы DAB. Аббревиатура COFDM расшифровывается как Coded Orthogonal Frequency Division Multiplex.

Рис.7

Режимы работы и радиосигнал системы DAB

В системе DAB в различных конфигурациях передающей сети и в широком диапазоне рабочих частот предусмотрены три основных режима передачи. Радиосигнал имеет фреймовую структуру длительностью 96 мс (mode I - режим передачи I) и 24 мс (mode II и III - режимы передачи II и III).

Фрейм радиосигнала системы DAB состоит из последовательности трех групп символов OFDM (рис. 8, режимы передачи I и II): символы канала синхронизации SC, символы канала быстрой информации FIC и символы канала MSC. Символы канала синхронизации содержат нуль-символ и символ опорной фазы.

Рис.8

Общий цифровой поток распределяется равномерно в общей сложности на 1536 (режим передачи I) или 384 (режим передачи II), или 192 (режим передачи III) различных несущих частот. Общая полоса пропускания радиоканала составляет 1,5 МГц. Если один или несколько узкополосных каналов несущих из-за помех выходят из строя, то вследствие избыточности при передаче это корректируется в приемнике. Каждая несущая модулируется цифровым сигналом со скоростью 2 кбит/с.

В системе DAB перемежаются во времени как данные, так и несущие частоты, что позволяет эффективно бороться с влиянием многолучевости при радиоприеме. Система DAB обеспечивает надежный прием звуковых программ в ситуациях, когда условия радиоприема и характеристики радиоканала непрерывно и достаточно быстро изменяются. Это свидетельствует о ее высоких адаптивных свойствах.

Основные характеристики системы цифрового радиовещания системы DAB
Характеристики системы DAB	Параметры
Значения несущих частот, МГц, не более:
режим передачи I - одночастотная сеть DAB	250
режим передачи II - сеть местного радиовещания DAB	1000
режим передачи III - спутниковое и кабельное цифровое радиовещание	2500
Номинальное значение центральной несущей частоты радиоканала, МГц	16
Полоса частот радиоканала, МГц, не более:
на уровне излучения минус 26 дБ	1,54
на уровне излучения минус 56 дБ	1,94
на уровне излучения минус 71 дБ	1,94
на уровне излучения минус 106 дБ	3,50
Радиосигнал системы DAB:
тип модуляции	OFDM
количество несущих частот:
режим передачи I	1536
режим передачи II	384
режим передачи III	192
величина разноса несущих частот, кГц:
режим передачи I	1
режим передачи II	4
режим передачи III	8
длительность символа OFDM, мкс:
режим передачи I	1246
режим передачи II	312
режим передачи III	156
защитный интервал между символами OFDM, мкс
режим передачи I	246
режим передачи II	62
режим передачи III	31
модуляция несущих частот	QPSK (4-ФМ)
значение фазы несущих,град, от сочетаний пары двоичных символов на входе QPSK-модулятора
0 0	0
0 1	-90
1 0	-270
1 1	-180
Системная тактовая частота, МГц	2,048
Формат передачи	по фреймам
Длительность фрейма радиосигнала, мс:
режим передачи I	96
режим передачи II	24
режим передачи III	24
Конфигурация системы DAB и скорости цифровых потоков при передаче звуковых сигналов и сигналов данных, кбит/с:
вариант 1: 9 стереопрограмм	9х2х64=1152
сигнал данных	16
вариант 2: 6 стереопрограмм	6х2х96=1152
сигнал данных	16
вариант 3: 4 стереопрограммы	4х2х128=1024
сигнал данных	144
вариант 4: 2 стереопрограммы	2х2х128=512
3 стереопрограммы	3х2х96 =576
сигнал данных	80
вариант 5: 3 стереопрограммы	3х2х128=768
3 стереопрограммы	3х2х64= 384
сигнал данных	16
вариант 6: 1 стереопрограмма	1х2х128=256
4 стереопрограммы	4х2х96= 768
сигнал данных	80
Суммарная скорость передачи цифровых данных,кбит/с	1168
Каналы цифровых потоков:
каналы пользователя MSC	Программы радиовещания, сопутствующие данные, дополнительные данные AIC, не передаваемые в канале FIC
канал быстрой информации FIC	данные о конфигурации мультиплексирования MCI, сервисная информация SI, информация быстрого доступа FIDS
канал синхронизации	нулевой символ OFDM; опорный символ OFDM
Входные сигналы системы DAB:
цифровые звуковые сигналы радиовещания:
частота дискретизации, кГц	48
квантование, бит	линейное, 16...22
предыскажение J17 МККТТ	J17 МККТТ
интерфейс AES/EBU	документ IEC 958
полоса частот исходного аналогового сигнала, Гц	20...20000 40...15000
цифровые сигналы данных	программы радиовещания, сервисная информация, данные о конфигурации мультиплексирования
Передача данных общей информации в каналах пользователя MSC	имеется
Кодирование звуковых сигналов программ радиовещания
стандарт кодирования	MPEG-1 ISO/IEC 11172-3
уровень кодирования	Layer II
объем выборки звукового сигнала, семплы	1152
длительность звукового фрейма, мс	24
скорость цифрового звукового потока, кбит/с	32…384
Защита от ошибок:
в каналах передачи звуковых сигналов радиовещания:
помехоустойчивое кодирование	CRC-код, временное перемежение логических фреймов
в каналах передачи данных
помехоустойчивое кодирование	CRC-код
в радиоканале	кодирование несущих частот
Скремблирование для устранения нежелательной регулярности в цифровом сигнале	имеется
Режимы передачи звук/данные	потоковый, пакетный
Режимы передачи звуковых сигналов радиовещания	моноканал, обычное стерео, совмещенное стерео, моно
Сигнал идентификатора передатчика	имеется
Условный доступ к информации звук/данные	имеется

 

Общие характеристики фрейма передачи системы DAB для режимов передачи I, II и III (режим IV является дополнительным)
Наименование характеристики	Режим I	Режим II	Режим III	Режим IV
Ширина полосы частот радиоканала, МГц	1,536	1,536	1,536	1,536
Количество несущих частот	1536	384	192	768
Разнос несущих по частоте, кГц	1	4	8	2
Суммарная скорость передачи данных, Мбит/с	2,4	2,4	2,4	2,4
Суммарная длительность OFDM-символа, TGS, мкс	1250	312,5	156,25	625
Длительность полезной части OFDM-символа, TS, мкс	1000	250	125	500
Длительность защитного интервала, TG, мкс	250	62,5	31,25	125
Длительность фрейма сигнала DAB, мс	96	24	24	48
Частота следования OFDM-символов, 1/TGS, кГц	0,8	3,2	6,4	1,6
Число символов OFDM во фрейме передачи радиосигнала системы DAB	76	76	153	76
Скорость передачи в канале MSC, кбит/c	2304	2304	2304	2304
Скорость передачи данных в канале FIC, кбит/c	96	96	128	96
Число бит на OFDM-символ	3072	768	384	1536
Область частот, ГГц, менее	0,375	1,5	3	0,75
Расстояние между передатчиками, км, не более	75	18,8	9,4	48