: архив : архив журнала "Звукорежиссер" : 2002 : #1

Цифровое спутниковое радиовещание в формате DSR
Юрий Ковалгин

Общие сведения о системе DSR

Впервые цифровое спутниковое радиовещание в формате DSR (Digitale Satelliten Radio) было продемонстрировано в Берлине на международной выставке в 1989 году. Программы в формате DSR в настоящее время передаются:

- через спутник TV-SAT 2 (19 градусов западной долготы, частота 11,977 ГГц, левая поляризация);
- через спутник DFS-3 Kopernikus (23,5 градуса восточной долготы, частота 12,625 ГГц, горизонтальная поляризация);
- в немецкой кабельной сети (каналы S2 и S3, частоты 111...125 МГц);
- в швейцарской системе направленной радиосвязи GAZ (Gemeinschafts Antennen Zubringernetz).

В системе DSR в цифровом потоке с общей скоростью 20,48 Мбит/с передаются 16 стереофонических программ радиовещания. Суммарная ширина полосы частот радиоканала здесь составляет 14 МГц. Так как спутниковые каналы имеют обычно полосу частот 27 или даже 36 МГц, то передача радиосигнала системы DSR не имеет проблем в части, касающейся требуемой полосы пропускания. При выборе меньшей полосы частот ориентировались, прежде всего, на пропускную способность кабельных сетей.

Общая структурная схема системы радиовещания в формате DSR показана на рис.1. Исходные стереофонические сигналы (1, 2,…,16) преобразуются из аналоговой формы в цифровую (АЦП1, АЦП2,…, АЦПn). Для этой цели обычно используется частота дискретизации 48 кГц, равномерное квантование и кодирование звукового сигнала с разрядностью 16 бит/отсчет. Полоса частот каждого исходного звукового сигнала составляет 20 Гц…20 кГц, что является стандартным значением для аппаратуры студийного тракта. После первичного кодирования 16-битные кодовые слова отсчетов каждого звукового сигнала преобразуются в кодере DSR с использованием метода плавающей запятой в 14-битные кодовые слова, но уже с частотой дискретизации 32 кГц. Полоса частот каждого звукового сигнала после этого преобразования составляет уже 20 Гц…15 кГц. Это делается для того, чтобы согласовать параметры звуковых каналов с линиями передачи цифровых данных ведомства связи Германии. В кодере DSR цифровые потоки индивидуальных каналов подвергаются также помехоустойчивому кодированию и форматированию, образуя цифровые потоки кадров А и В, каждый со скоростью 10,24 Мбит/с. Далее эти потоки скремблируются и поступают на DQPSK-модулятор (Differential Quadrature Phase Shift Keying – дифференциальная квадратурная фазовая манипуляция). Выходной сигнал модулятора усиливается на промежуточной частоте. С помощью преобразователя частоты он переносится на несущую частоту радиоканала и излучается антенной на бортовой ретранслятор, установленный на искусственном спутнике Земли (ИСЗ). В приемной установке выполняются обратные преобразования.

Рис. 1 Упрощенная структурная схема системы спутникового радиовещания в формате DSR: АЦП ЦАП - аналого-цифровой и цифро-аналоговый преобразователи, УЗЧ1 и УЗЧ2 - усилители звуковой частоты левого Л и правого П сигналов стереопары

Кодирование звуковых сигналов

Теперь рассмотрим подробнее процедуры обработки звуковых сигналов в кодере системы DSR. При частоте дискретизации f_Д = 32 кГц длительность выборки звукового сигнала (ЗС) составляет 2 мс. Принято считать, что на интервале времени длительностью 1..2 мс временная функция ЗС является достаточно монотонной и изменяется незначительно. При f_Д = 32 кГц каждая выборка содержит 64 отсчета звукового сигнала. Внутри этой выборки определяется наибольшее значение отсчета. Оно называется масштабным коэффициентом (МК) выборки. Весь диапазон возможных изменений модуля амплитуды звукового сигнала разделен на восемь областей (рис.2, а). Каждой такой области соответствует одно значение масштабного коэффициента. Всего этих значений восемь. Масштабный коэффициент представляет собой трехбитное двоичное число линейной импульсно-кодовой модуляции (ИКМ), изменяющееся в пределах от 000 (максимальные уровни) до 111 (минимальные уровни). Оно определяет диапазон возможных изменений уровней сигнала для каждого значения МК. Каждой из восьми областей соответствует изменение уровня исходного звукового сигнала на 6 дБ.

Рис. 2а Кодирование масштабных коэффициентов в зависимости от уровня звукового сигнала

В основу стратегии преобразования кодовых слов из 16- в 14-битные положены следующие соображения. Лишь при самых громких звуках биты старших разрядов исходного 16-битного кодового слова не будут равны нулю. Поэтому при передаче максимальных уровней можно не учитывать младшие биты кодового слова из-за их малой значимости, ибо они в этом случае практически не влияют на слуховое восприятие. При передаче малых уровней наоборот вся важная информация содержится в битах младших разрядов. Вообще говоря, в первую очередь следует передавать лишь биты с высокой значимостью при каждом значении уровня сигнала и затем менее значимые биты при наличии избытка пропускной способности канала связи. Именно это соображение и учтено в стратегии преобразования 16/14 бит/отсчет (рис.2, б). Здесь первый бит (0 или 1) несет информацию о знаке сигнала, далее следует старший бит (MSB) исходного 16-битного слова; последний бит – младший значащий бит (LSB). Биты от Y₂ до Y₈, идентичные первому знаковому биту (их число меняется от нуля до семи в зависимости от амплитуды сигнала и соответствующего ей значения масштабного коэффициента), не передаются, и все последующие разряды исходного кодового слова сдвигаются на соответствующее число разрядов влево. Это дает возможность при самых малых уровнях передавать младшие 15-й и 16-й разряды.

Масштабный коэффициент длиной 3 бита, добавляемый к каждому блоку из 64 отсчетов звукового сигнала, указывает, сколько битов, следующих за знаковым битом Y₁, во всех кодовых словах блока имеют то же самое значение (0 или 1), что и знаковый. На приемном конце значения МК используются для сдвига разрядов в кодовых словах блока в их первоначальное положение и, таким образом, происходит восстановление исходных 16-битных кодовых слов сигнала.

Рис. 2б Процедура преобразования 1б битовых кодовых слов в 14 битовые (преобразование 1б/14)

Структура цифрового потока

В системе DSR вся информация, предназначенная для передачи, объединяется в два основных кадра: А и В. Каждый из них содержит цифровые сигналы звуковых программ и всю информацию, необходимую для их выделения, управления и защиты от ошибок. При этом стереофонические сигналы программ I…VIII содержатся в основном кадре А, а стереофонические сигналы программ IX…XVI – в основном кадре В.

Каждый основной кадр (рис.3) содержит 320 битов. При частоте следования кадров, равной 32 кГц, это приводит к скорости передачи цифровых данных 10,24 Мбит/c. Каждый кадр начинается с 11-битного слова синхронизации (Synс A или Synx B), за которым следует 1 бит специальной сервисной службы (S) и далее четыре звуковых блока по 77 бит каждый. При этом первая и вторая пары этих 77-битных блоков передаются с перемежением битов, что устраняет эффекты дублирования ошибок в приемнике в случае, когда используется дифференциальная модуляция. Перемежение битов распределяет ошибки при радиоприеме по разным программам, что уменьшает частоту их появления в каждом канале и вероятность их слуховой заметности. В каждом 77-битном блоке аудиоданных содержатся данные двух стерео- или четырех монофонических программ. Номера программ обозначены римскими цифрами над блоками. Один основной кадр передается за 31,25 мкс.

Рис. 3 Структура цифрового потока системы DSR

Биты сервисной службы (S) после прохождения 64 основных кадров (в каждом основном кадре А и В передается один бит этой службы) образуют специальный сервисный кадр SA, состоящий из 64 бит. Восемь таких кадров SA образуют суперкадр специальной сервисной службы SAU. Он содержит 512 бит, передается со скоростью 32 кбит/с, время его передачи составляет 16 мс. В суперкадре SAU передается дополнительная сервисная информация. Она содержит для каждой программы сведения о ее виде (моно/стерео; речь/музыка), номере, жанре (новости, религиозная, спортивная, учебная программа и т.д.), всего 15 возможных разновидностей данных. Часть емкости в каждом кадре SA пока не определена: она зарезервирована для будущих применений.

Скремблирование, модуляция и демодуляция

Цифровые потоки А и В должны быть с возможно большей эффективностью переданы по радиоканалу к приемнику. В системе DSR для передачи цифрового сигнала по радиоканалу используется фазовая манипуляция несущего колебания QPSK (Quadrature Phase Shift Keying) с четырьмя возможными состояниями фазы несущего колебания: 45; 135; 315 и 225 градусов. Этим состояниям фазы несущего колебания соответствуют четыре возможных сочетания символов (00; 01; 10; 11) в двухразрядном числе АВ соответствующих цифровых потоков.

До модуляции цифровые потоки А и В скремблируются. Скремблирование (перемешивание битов с псевдослучайной последовательностью) применяется для более равномерного распределения энергии в полосе частот радиоканала. Оно позволяет также эффективно восстанавливать режим синхронизации в паузе модуляции и необходимо для устранения возможности случайного появления цифровых последовательностей, соответствующих словам синхронизации. В основных кадрах А и В слова синхронизации Synx A и Synx B и биты S сервисной службы (всего 12 бит в начале каждого основного кадра) не перемежаются и не скремблируются. Операции скремблирования подвергаются 308 бит четырех звуковых блоков каждого из основных кадров.

Далее скремблированные потоки А и B подвергаются дифференциальному кодированию (ДК), чтобы при радиоприеме можно было бы использовать не только синхронную демодуляцию, но и более простую разностную демодуляцию. Эта процедура является типичной для цифрового радиовещания. После ДК оба цифровых потока переключают фазы двух ортогональных несущих Sinwt и Coswt, которые затем суммируются, образуя QPSK-сигнал, который усиливается на промежуточной частоте и после переноса на частоту радиоканала излучается на спутник.

Тюнер системы DSR

Структурная схема тюнера для приема сигналов в формате DSR представлена на рис.4. Сигнал радиовещания на промежуточной частоте подается к внутреннему блоку ВБ, называемому обычно спутниковым приемником или тюнером. Здесь этот сигнал усиливается (УВЧ) и переносится преобразователем частоты в область частот 118 МГц при полосе полосового фильтра (ПФ), равной 14 МГц. Такую полосу частот занимает радиосигнал системы DSR. Частота управляемого генератора УГ изменяется блоком автоподстройки частоты АПЧ. После преобразователя частоты следует демодулятор сигнала QPSK, на выходе которого выделяются два цифровых потока: А и В, каждый со скоростью 10,24 Мбит/c. Далее идет устройство восстановления тактовой частоты УВТЧ. Правильные интерпретация и декодирование цифровых потоков А и В возможны только при синхронизации основных кадров. Для этого используется устройство синхронизации, которое выделяет слово синхронизации каждого основного кадра, как только оно появляется в потоке цифровых данных. При обнаружении слова синхронизации генерируется импульс, который подтверждает синхронизацию и запускает местный (находящийся в тюнере) генератор частоты кадров.

Рис. 4 Структурная схема тюнера-приемника программ цифрового спутникового радиовещания в формате DSR

В декодере цифровые последовательности А и В подвергаются помехоустойчивому декодированию с целью обнаружения и коррекции ошибок. В блоках демультиплексора, управления и выбора звуковых программ цифровые потоки разделяются на составляющие отдельных программ, после чего восстанавливаются исходные 16-битные кодовые слова сигналов Л и П каждой из стереопрограмм, а также выделяется информации сервисной службы.

Передача звуковых сигналов в формате DSR обеспечивает качество лучшее, чем при радиовещании в диапазоне метровых волн. Определенным недостатком системы DSR следует считать недостаточно эффективное использование радиочастотного ресурса.