Практическая работа №5

«Изучение принципов работы системы цифрового радиовещания Эврика - 147»

Учебная цель:

1.Научиться анализировать принципы построениясистемы цифрового радиовещания «Эврика - 147»

Учебные задачи:

1. Ознакомиться с основными принципами обработки сигнала в передающей части системы цифрового радиовещания «Эврика - 147».

Образовательные ресурсы, заявленные во ФГОС.

Студент должен:

Уметь:

- анализировать принципы построения систем цифрового радиовещания

Знать:

1. Технические требования и практические рекомендации по способам обработки сигнала системы стереофонического радиовещания «Эврика - 147».
2. Способы организации стереовещания.

Обеспеченность занятия:

1. Учебно-методическая литература:

Катунин Г.П., Мамчев Г.В., Папантонопуло В.Н., Шувалов В.П., Телекоммуникационные системы и сети. Учебное пособие - М.: Горячая линия-Телеком, 2010.

Величко В.В., Катунин Г.П., Шувалов В.Д., Основы информационных технологий – М.: Горячая линия – Телеком 2009.

2. Отчет о выполнению практической работы.

3. Карандаш простой.

4. Чертежные принадлежности: Линейка.

Краткие теоретические и учебно-методические материалы по теме практической работы:

Система цифрового радиовещания «Эврика - 147»

Принципы построения и параметры системы цифрового радиовещания (ЦРВ) «Эврика-147» регламентированы принятым в 1994 году европейским телекоммуникационным стандартом ETS 300401.

Рассмотрим принцип упрощенную структурную схему передающей части системы. Обработка сигнала происходит в несколько этапов.

Рис. 1. Структурная схема передающей части системы «Эврика-147»

На первом этапе сигналы, поступающие по каналам передачи звуковых программ и каналам передачи данных, подвергаются индивидуальному кодированию. Эти функции выполняют специальные устройства, называемые кодерами звуковых сигналов и кодерами данных.

В системе ЦРВ «Эврика-147» применяется метод субполосного кодирования звуковых сигналов MUSICAM. Благодаря использова­нию эффектов маскировки, свойственных человеческому слуху, этот метод позволяет, например, снизить скорость цифрового потока ка­ждого из каналов высококачественного стереофонического сигнала с 768 (студийный стандарт 16-разрядное кодирование отсчетов при частоте дискретизации 48 кГц) до 96 кбит/с, т.е. в 8 раз при сохране­нии субъективного качества звучания на уровне, характерном для проигрывателя компакт-дисков. Система обеспечивает следующие скорости передачи звуковых сигналов: 32, 48, 56, 64, 80, 96, 112, 128, 162 и 192 кбит/с на монофонический канал. Соответственно число каналов звукового вещания в многопрограммном групповом цифровом потоке может изменяться от 20 монофонических (при не­высоком качестве) до 4 стереофонических (с практически студийным качеством).

При использовании метода субполосного кодирования MUSICAM с помощью гребенки фильтров широкополосный звуковой сигнал, преобразованный в цифровую форму, разделяется на 32 субполос­ных сигнала.

Цифровые отсчеты группируются в циклы. В каждом таком цикле выделяется один масштабный множитель, соответствующий максимальному уровню, достигаемому каждым субполосным сигналом. При этом охватывается полный динамический диапазон звукового сигна­ла, равный 120 дБ.

Однако субполосная фильтрация с ограниченным количеством по­лос не позволяет с высокой точностью оценить порог спектрального маскирования, в частности в низкочастотной области. По этой причи­не параллельно с фильтрацией выполняется быстрое преобразова­ние Фурье цифрового звукового сигнала. При этом кодируются и пе­редаются только отсчеты субполосных сигналов.

Сочетание обеих этих операций позволяет с высокой точностью оценить пороги маскировки человеческого слуха. Для каждого из 32 субполосных сигналов вычисляется минимальный порог маскирова­ния, который определяет максимально допустимый уровень шума квантования. При этом не возникает необходимости передавать ин­формацию об отсчетах сигналов субполос, если они полностью мас­кируются намного более существенными для восприятия компонен­тами соседних субполос.

Масштабные множители и другая дополнительная информация, необходимая для правильного функционирования декодера звукового сигнала в приемнике, объединяется с информацией о субполосных отсчетах звукового сигнала в один уплотненный сигнал.

В уплотненный сигнал вводятся также данные, несущие информа­цию о передаваемой программе (Program Associated Date - PAD). Эти данные помещаются в конце сформированного цикла (фрейма) в месте, соответствующем стандарту. Типичные примеры таких дан­ных - информация об управлении динамическим диапазоном, о видах передаваемых программ («джаз», «лирика», «речь/музыка» и т.д.). Канал PAD может быть использован также для передачи текстовой и графической информации. Скорости передачи этого канала могут быть различными - от 667 бит/с и выше.

Кроме сигналов PAD в общем многопрограммном цифровом пото­ке могут передаваться сигналы сервисной информации (Service Information - SI) и другие данные. Сигналы SI могут отражать наиме­нование канала: вид программы («Спорт», «Новости», «Музыкальный канал» и др.); название географического места нахождения передат­чика, сигнал которого принимается пользователем; программы пере­дач и т.д. Примером передачи других данных может служить тексто­вая информация для широкого круга потребителей.

Система «Эврика-147» допускает также организацию каналов - условным доступом для ограниченного круга лиц или платных каналов.

Вторым этапом обработки передаваемого звукового сигнала явля­йся сверточное кодирование и временное перемежение цифровой информации, поступающей на канальные кодеры (см. рис. 1).

Сверточное кодирование обеспечивает введение в передаваемый сигнал избыточной информации с целью повышения его помехо­устойчивости при передаче по реальным каналам связи. Для кодиро­вания используется сверточный код с длиной ограничения, равной 7. Средняя относительная кодовая скорость, определяемая как отноше­ние скоростей передачи информации (количество бит в единицу вре­мени) на входе и выходе канального сверточного кодера, колеблется от 0, 35 (высший защитный уровень) до 0, 75 (низший защитный уро­вень). Промежуточные значения кодовых скоростей выбираются для различных программ в соответствии с требованиями к уровням защи­ты информации.

Временное перемежение улучшает помехоустойчивость передачи информации, устраняя пакеты ошибок, что особенно важно при мо­бильном приеме з движущемся автомобиле в условиях быстро изме­няющейся окружающей обстановки.

Третий этап обработки сигнала включает его мультиплексирова­ние, а также его системную организацию и управление.

Предварительно обработанные в канальных кодерах и устройствах временного перемежения сигналы поступают на главный служебный мультиплексор (Main Service Multiplexer - MUX), где собираются в цик­лы определенной длительности. Выходящий из этого устройства мно­гопрограммный групповой цифровой поток поступает в так называемый главный служебный канал (Main Service Channel - MSC). Максимальная скорость передачи данных в этом канале составляет 2, 304 Мбит/с. В мультиплексор поступают также данные о синхронизации всех под­лежащих мультиплексированию программных сигналов.

Работой мультиплексора управляет контроллер MUX, причем ре­жим мультиплексирования может при необходимости изменяться в соответствии с заданной программой.

Чтобы обеспечить минимальную общую задержку доступа к неко­торым или всем передаваемым сигналам при их приеме, точная ин­формация о текущем режиме мультиплексирования (Multiplex Configuration Information - MCI) передается по каналу быстрой ин­формации (Fast Information Channel - FIC). MCI представляет собой машиночитаемые данные. Они не подвергаются перемежению в ка­нале FIC и потому не претерпевают задержки, возникающей при вре­менном перемежении закодированной информации о звуковом сигна­ле и других данных. В то же время информация в канале FIC хорошо защищена, поскольку передается со средней относительной кодовой скоростью 1/3 и для обеспечения отсутствия сбоев часто повторяет­ся. Новая информация об изменении режима мультиплексирования передается в MCI через канал PIC.

Некоторая часть SI, необходимая, например, для выбора требуе­мых программ, также передается по каналу FIC. Не требующаяся для управления приемником более объемная сервисная информация (программы передач и т.д.) может передаваться в общем многопро­граммном групповом цифровом потоке.

Рис. 2. Пример построения цикла

Чтобы обеспечить синхронизацию приемника, передаваемый сиг­нал формируется в виде цикла (фрейма) с определенной последова­тельностью составных частей. Пример его построения показан на рис. 6.16.

Каждый цикл начинается с временного интервала, в котором со­держится информация для канала синхронизации. Следующая часть зарезервирована для FIC, а остальная для MSC. Общая длитель­ность цикла в зависимости от режима передачи (см. табл. 1) со­ставляет 96 или 24 мс. Каждой звуковой программе, передаваемой по каналу передачи звуковых сигналов, или информации, передаваемой по каналу данных, соответствует свой временной интервал в цикле.

Следующим этапом является формирование сигнала ЦРВ, пред­назначенного для последующей передачи в эфир.

В системе ЦРВ «Эврика-147» применяется метод уплотнения с ор­тогональным частотным разделением кодированных сигналов (Coded Orthogonal Frequency Division Multiplex - COFDM). При этом в цифро­вой поток вводятся специальные сигналы синхронизации от соответ­ствующего синхрогенератора (см. рис1).

Метод COFDM состоит в делении передаваемой информации на большое число потоков данных, имеющих низкую индивидуальную скорость. Эти данные используются затем для модуляции по фазе Ряда несущих, так что длительность передаваемых символов стано­вится большей, чем задержка распространения в канале передачи. За счет введения временного защитного интервала между следующими друг за другом символами многолучевое распространение не вызывает межсимвольную интерференцию. Большое количество несущих может быть сформировано при использовании алгоритма дискретного преобразования Фурье (ДПФ).

Таблица 1 Основные параметры системы «Эврика-147»

При наличии многолучевого распространения при передаче сигна­ла ЦРВ некоторые из несущих могут быть ослаблены или вообще ис­чезнуть (эффект частотно-селективного фединга). По этой причине в системе «Эврика-147» кроме временного применяется и частотное перемежение за счет перераспределения цифровых потоков между несущими. В результате исчезновение части несущих из-за частотно-селективного фединга не приведет к появлению искажений сигнала, поскольку информация будет восстановлена по оставшимся непо­врежденными модулированным несущим.

В системе «Эврика-147» предусмотрены три режима передачи, что позволяет организовать вещание в широком диапазоне частот от 30 МГц до 3 ГГц. В табл. 6.1 приведены основные параметры системы в зависимости от режима передачи.

Как видно из приведенных данных, использование более высоких частот налагает большие ограничения на длительности защитных интервалов и, следовательно, на максимальное время задержки рас­пространения сигналов.

Режим 1 наиболее подходит для организации наземного вещания и построения одночастотных сетей, поскольку позволяет обеспечить наибольшее разнесение передатчиков и, следовательно, обойтись меньшим их количеством при заданной площади обслуживания.

Режим 2 можно использовать, в частности, для местного вещания.

Режим 3 более пригоден для организации спутникового и кабель­ного вещания.

Спектр сигнала ЦРВ имеет примерно прямоугольную форму и за­нимает полосу частот около 1, 54 МГц. На рис. 3 показаны примеры спектров сигнала на выходе передатчика при отсутствии и наличии специального ослабляющего внеполосное излучение полосового фильтра.

Рис. 3. Спектр сигнала ЦРВ

Упрощенная функциональная схема приемника для системы ЦРВ «Эврика-147» показана на рис. 4. Сигнал, принятый антенной, поступает на вход тюнера, который обеспечивает выделение сигна­лов определенного диапазона частот, их усиление, преобразование по частоте и фазовую демодуляцию. С выхода тюнера сигнал пода­ется на вход аналогово-цифрового преобразователя (АЦП), а затем на вход блока, осуществляющего дискретное преобразование Фурье и дифференциальную демодуляцию. Далее в следующем блоке про­изводятся частотное и временное деперемежение и коррекция ошибок на основе алгоритма декодирования Витерби с мягким ре­шением. Оригинальные закодированные данные с выхода этого блока обрабатываются затем в декодере звукового сигнала или в соответствующем декодере данных. На выходе первого декодера образуются звуковые монофонические или стереофонические сиг­налы, которые воспроизводятся громкоговорителями правого ВА1 и левого ВА2 каналов.

^Рис. 4. Функциональная схема приемника системы «Эврика-147»

Приемник обеспечивает одновременное декодирование более чем одной канальной компоненты многопрограммного группового цифрового потока, например звуковой программы параллельно с сервисной информацией.

Системный контроллер приемника соединен с интерфейсом поль­зователя и управляет приемником в соответствии с командами поль­зователя и информацией, передаваемой в FIC.

В настоящее время фирмой Philips разработана и серийно вы­пускается специализированная СБИС для приемника ЦРВ по сис­теме «Эврика-147». На основе этой СБИС начат выпуск бытовых приемников.