------ R E K L A M A ------

DRM - Digital Radio Mondiale. Podstawy działania.

Technika cyfrowej radiofonii staje się rzeczywistością. Na falach krótkich coraz liczniej można spotkać stacje nadające sygnał DRM. Standard ten - jeden z kilku testowanych w różnych pasmach - uzyskał rekomendację ITU i zdaje się zdobywać rynek radiofonii SW.  Ten tekst przybliża techniczne podstawy działania tego rozwiązania.


1. Wstęp

Terminem DRM - Digital Radio Mondiale - określa się znormalizowany cyfrowy system nadawania przeznaczony dla broadcastingu we wszystkich stosowanych do tego zakresach częstotliwości. Jakość przesyłanego dźwięku jest bardzo dobra. DRM może konkurować z radiofonią FM.

Charakterystyczną cechą systemu jest jego elastyczność. Istnieje wiele konfiguracji parametrów nadawania, jak szerokość zajmowanego pasma, rodzaj (odmiana) modulacji, ilość danych korekcyjnych itd.  Możliwe jest zatem definiowanie optymalnej dla danych zadań emisji. Przykładem jest program informacyjny, od którego nie wymaga się bardzo dobrej jakości dźwięku. Można zatem zastosować kodek monofoniczny, nie wymagający dużej przepływności bitowej.

Projektując DRM nie założono kompatybilności wstecznej, czy chociażby możliwości podłączenia wyjścia słuchawkowego odbiornika  do karty dźwiękowej komputera. Odbiór cyfrowych stacji wymaga specjalnego odbiornika, bądź adaptacji odbiornika sygnału analogowego. Ze względu na wymóg stabilności (małego dryftu) modernizowane urządzenie musi posiadać układ PLL / DDS. Musi też mieć możliwość wyprowadzenia nie zdemodulowanego sygnału 12kHz lub uzyskania go z sygnału p.cz.


2. Technika nadawcza

Podstawą DRM jest implementacja modulacji fazy (QPSK) oraz modulacji amplitudy (QAM) w połączeniu z techniką OFDM.

Modulacja fazy QPSK (mylona z QAM) polega na kluczowaniu danych przy pomocy przesuwania sygnału w fazie. W przypadku QPSK faza sygnału może przybierać cztery wartości - 0 - 90 - 180 i 270 stopni. W tym przypadku amplituda sygnału nie jest nośnikiem informacji.

Sygnały QPSK i QAM łatwo wyobrazić sobie dzięki zobrazowaniu konstelacji. Wyobraźmy sobie wektor P poruszający się ze stałą prędkością po okręgu w kierunku oznaczonym strzałką (rys 1a). Długość wektora zależy od amplitudy sygnału (która w QPSK nie jest nośnikiem informacji). Ilość obrotów na sekundę odpowiada częstotliwości. Jeżeli wektor wskazuje cały czas punkt A to przesunięcie fazy wynosi 0.

Jeżeli wektor wskaże inny punkt niż A - np. B lub C - to ich położenie względem punktu A będzie niosło informację. Sygnał zostanie zmodulowany. Stan wektora określimy jako SYMBOL. Dokonajmy teraz podziału na cztery sektory - oznaczone 0 , 1, 2, 3 (rys 1b). Jeśli zapiszemy je binarnie otrzymamy: 00 , 01, 10, 11.

 

Oznacza to, że każdy symbol reprezentuje (przenosi) dwa bity sygnału. Zatem jeden SYMBOL w przypadku QPSK odpowiada dwóm bitom. Jest to ważne, by zrozumieć sposób określania prędkości przesyłu danych. Parametr SYMBOL RATE określa liczbę SYMBOLI [S] wysyłanych w 1 sekundzie [s].

Istnieje jeszcze jeden ważny parametr określający QPSK: odporność na zakłócenia. Przykładowe wektory sygnału zakłóconego pokazano kolorem żółtym i czerwonym na rys 1b. Widać, że odporność na zakłócenia jest dobra. Jeżeli sygnał zakłócający nie będzie tak silny, że nastąpi przesunięcie wektora do innego sektora, to mimo przesunięcia zostanie on odczytany poprawnie.

 Mniejsza odporność na zakłócenia jest cechą modulacji QAM. W przypadku tej modulacji informację przenosi zarówno faza jak i amplituda sygnału. Jej konstelację w odmianie 64-QAM pokazano na rys 2.

 

Jak widać znane z modulacji QPSK cztery sektory zostały podzielone na mniejsze. O tym w którym z tych "małych" sektorów znajdzie się punkt końca wektora decyduje oprócz fazy sygnału także jego amplituda. W praktyce nie trzeba rysować całego wektora jak na rys 2a lecz wystarczy oznaczyć położenie punktu jego końca - jak na rys 2b.

W modulacji 64-QAM każdy Symbol jest definiowany nie przez 2 bity jak w QPSK lecz przez 6 bitów.

Istnieją odmiany o różnej ilości sektorów, np. 16-QAM, 64-QAM, 128-QAM czy 256-QAM. Im większe "rozdrobnienie" sektorów tym więcej informacji można przesłać. Z drugiej strony oznacza to więcej błędów w transmisji w skutek mniejszej odporności na wszelkiego rodzaju zakłócenia.

OFDM jest techniką polegającą na  nadawaniu nawet kilku tysięcy podnośnych, z których każda może być niezależnie modulowana QPSK lub QAM. Szerokość zajmowanego kanału może wynosić 4,5 - 9 - 10 - 18 lub 20kHz.  Przykładowe widmo oraz budowę sygnału w standardzie OFDM przedstawia rys. 3.

Rysunek 3b przedstawia przykład sygnału OFDM o szerokości 10KHz. Wielokropkami i oznaczono nośne, które nie zmieściły się na rysunku. Częstotliwość środkowa DC (odpowiednik nośnej AM) nie zawiera żadnej nośnej (nośna 0). Kolejne nośne są natomiast numerowane licząc od DC. Sam standard nie określa ilości nośnych czy odstępu częstotliwości pomiędzy nimi. Zakłada się istnienie odstępu ochronnego (Guard Interval). Jest to czas pomiędzy nadawaniem kolejnych znaczących części (Symboli) na tej samej nośnej. Czas ten w przypadku DRM może mieścić się od 1/9 do 11/14 całego czasu nadawania (tj. Symbol + odstęp ochronny). Im większy odstęp ochronny, tym większa odporność na sygnały odbite, docierające z opóźnieniem. Poprawny odbiór uzyskuje się, gdy opóźnienie sygnału odbitego względem sygnału odbieranego jest mniejsze niż odstęp ochronny.

 Na potrzeby DRM zdefiniowano cztery tryby transmisji OFDM - od A do D. Różnią się one odległością pomiędzy nośnymi oraz konfiguracją odstępów ochronnych. Typ A charakteryzuje się największą prędkością przesyłu i najmniejszą odpornością na zakłócenia. Tryb D zakłada największy odstęp pomiędzy nośnymi i bardzo długi odstęp ochronny, czyli najmniejszą prędkość ale za to oferuje najwyższą odporność. Szczegółowe dane zawarto w tablicy 1.

Sygnał DRM jest wynikiem zastosowania modulacji QPSK oraz QAM oraz techniki OFDM.  W skład sygnału zespolonego (multipleksu DRM) wchodzą trzy kanały logiczne:

- kanał główny usług - MSC - Main Service Channel - wyłącznie w QAM - zawiera sygnał audio  bądź dane stanowiące główną treść nadawania

- kanał szybkiego dostępu - FAC - Fast Access Channel - wyłącznie w QPSK

- kanał opisu usług - SDC - Service Description Channel - w QPSK lub 16-QAM

Minimalna przepływność bitowa w kanale MSC wynosi 4,8kbit/s , maksymalna (przy kanale 20kHz) - 72kbit/s.

 

3. Kodowanie sygnału

Do kodowania sygnału wykorzystuje się komponenty standardu MPEG-4, przede wszystkim algorytm AAC (Advanced Audio Coding). Zapewnia on jakość dźwięku lepszą od MP3 przy bardziej optymalnej kompresji. W kodowaniu mowy używać można algorytmu CELP (Code Excited Linear Prediction) lub HVXC (Harmonic Vector eXcitation Coding). Pasmo przenoszenia zostaje w tym wypadku ograniczone do zakresu od 50 do 4000 lub 6400Hz co znacząco zmniejsza wymagania przepływności bitowej. W standardzie DRM+ dodatkowo wykorzystuje się technologię SBR ( Spectral band replication) poprawiającą jakość dźwięku przy małym bit rate.

 

4. Metoda odbioru

Odbiór DRM wymaga specjalnego odbiornika lub dekodowania sygnału za pomocą komputera. Sygnał dla komputera  może być pozyskany za pomocą odbiornika AM, przy czym muszą być spełnione następujące wymogi:

- odbiornik musi zapewniać dobrą stabilność częstotliwości  - w praktyce posiadać PLL lub DDS,

- pasmo przenoszenia musi wynosić min. 10kHz,

- musi istnieć możliwość wyprowadzenia z przed demodulatora sygnału 12kHz lub 455kHz. W drugim przypadku konieczne jest dobudowanie stopnia przemiany 455 ->12kHz.

Praktyczne sposoby wykonania odpowiednich mieszaczy, połączeń i opisy programów znaleźć można m.in. pod adresami:

http://janucha.ovh.org/html/przemiana_12_khz.html

http://www.b-kainka.de/Weblog/Logbuch070809.html

http://www.sat-schneider.de/download/Mixerflyer.pdf

http://www.omnirep.se/drm/frg-7700.html

http://www.omnirep.se/drm/circuit.html

 

 

 


By: Joomla Free Templates