Системы цифрового радиовещания

Существующие системы цифрового звукового радиовещания (ЦЗРВ) можно разделить на две категории: системы, требующие выделения отдельного частотного диапазона и системы, которые могут использовать диапазон совместно с существующими радиовещательными передающими устройствами.

Наиболее совершенной из разработанных к настоящему времени систем ЦЗРВ (Digital Audio Broadcasting), которые относятся к первой категории, является "Эврика-147/ DAB". Она принята Европейским Радиовещательным Союзом (EBU) в качестве общеевропейской и рекомендована для внедрения во всем мире Межсоюзной технической комиссией всемирной конференции радиовещательных союзов (Inter-Union Technical Committee of the World Conference of Broadcasting Unions). Ее приняли не только государства Европы, но и Канада, Китай, Индия, Австралия и другие. Это открывает возможность беспрепятственного обмена радиопрограммами и информацией на международном уровне.

Ко второй категории можно отнести следующие системы ЦЗРВ:

1. Разработанные в США. Эти системы предназначены для работы в УКВ- диапазоне 87,5 - 108 МГц и СВ диапазоне 525 - 1608 кГц одновременно с существующими аналоговыми АМ- и ЧМ-радиостанциями.

2. Система DRM, рекомендованная Международным Союзом Электросвязи к международному использованию в диапазонах средних и коротких волн.

3. Российская система RAVIS (Realtime audiovisual information system) – аудиовизуальная информационная система реального времени для ОВЧ диапазона частот (65,8-74,0 и 87,5-108,0 МГц).

Американские системы ЦЗРВ не получили широкого распространения в Европе, поэтому в данной статье они не рассматриваются.


СИСТЕМА ЭВРИКА-147/ DAB

Система "Эврика-147/ DAB" пригодна для организации наземного, спутникового и кабельного вещания. В настоящее время "Эврика-147/ DAB" является наиболее совершенной и фактически единственной реально широко внедренной из всех разработанных систем ЦЗРВ для диапазона УКВ. Технически система цифрового радиовещания DAB базируется на применении цифрового формата представления звуковых сигналов MPEG Audio Layer 2 и метода передачи радиосигналов в режиме частотного уплотнения с использованием ортогональных несущих и кодирования - Coded Orthogonal Division Multiplexing (COFDM), аналогичного использованному в европейском телевизионном стандарте DVB-T. Для обеспечения возможности передачи в эфир сразу нескольких программ, в системе DAB формируется комплексный сигнал, состоящий из группы потоков цифровых данных, соответствующих кодированным звуковым сигналам, и данных, содержащих служебную информацию. В передающей части системы DAB функции формирования такого комплексного сигнала осуществляет специальное устройство - мультиплексор. В типовом варианте, мультиплексированный DAB поток, занимающий полосу частот в 1,54 МГц, содержит 6 каналов, в каждом из которых передается цифровой стереосигнал в формате MPEG Audio Layer 2, сервисная цифровая информация (относящаяся к содержанию передачи) и цифровой поток (до 400 кбит/с) независимой информации.

Система DAB обладает следующими техническими преимуществами:

  • Высокое качество звуковоспроизведения (на уровне проигрывателей компакт-дисков);

  • Передача цифрового сигнала требует меньшей мощности, чем передача аналогового, а качество звучания остается неизменным начиная с момента, когда прием сигнала вообще становится возможным;

  • Возможность передачи в узкой полосе частот шириной 1,54 МГц шести стереопрограмм (с качеством, характерным для проигрывателя компакт-дисков) совместно с разнообразной дополнительной информацией;

  • Для каждого канала выделяется своя полоса частот и качество передачи можно динамически регулировать в месте, откуда ведется передача.

  • Возможность охвата вещанием больших территорий (в том числе территории всей России) путем организации одночастотных сетей (то есть сетей, состоящих из передатчиков, работающих в синхронном режиме на одной и той же частоте) или непосредственно вещания с искусственных спутников Земли;

  • Возможность передачи электронных газет, факсов, изображений, бизнес информации, телевизионных сигналов и т.д. ("радиомультимедиа");

  • Возможность приема программ наземного и непосредственно спутникового вещания на радиоприемники с ненаправленными штыревыми антеннами в домашней обстановке, в движущемся автомобиле или в походных условиях;

  • Высокая устойчивость к воздействию помех и, в частности, помех многолучевого распространения, позволяющая добиться стабильного приема даже при быстром перемещении автомобилей в городских районах со сложной многоэтажной застройкой;

  • Наличие специальных каналов для передачи информации ограниченному кругу пользователей (закрытые каналы с паролем или пейджинг);

  • Возможность использования универсального приемника при реализации наземного спутникового, гибридного и кабельного вариантов вещания.

В России система DAB широкого применения не получила.


СИСТЕМА DRM

Для диапазонов средних и коротких волн был разработан стандарт DRM. Разработчики решили обратиться к этим диапазонам, поскольку они дают беспрецедентные возможности для дальнего вещания при существенно меньших затратах на его организацию, а техническое качество вещания уже не отвечает современным требованиям.

Организация DRM (Digital Radio Mondiale) была основана в марте 1998 г. Это некоммерческий международный консорциум, включающий более 60 участников из Европы, Азии и Америки, в том числе российский канал "Голос России". В основу нового стандарта, названного "система А" положен доработанный прототип системы Skywave-2000, разработанной французской фирмой Thomcast. Осенью 2000 года Международный Союз Электросвязи рекомендовал своим членам использовать для цифрового радиовещания данный стандарт, после чего за ним закрепилось название "система DRM".

Формат характеризуется гибкими параметрами передачи, позволяющими использовать его во всех диапазонах ниже 30 МГц. Одновременно он может использоваться и для диапазона УКВ. Первые системы DRM вещали в стандартной полосе радиоканала, составляющей 9/10 кГц. Впоследствии появилась возможность формировать и более широкие потоки, повышая качество передачи сигнала. При внедрении новой системы можно модернизировать существующие АМ-передатчики, что снимет ряд проблем переходного периода.

Основные преимущества системы DRM следующие:

  • Улучшение приема и качества звучания;

  • Возможность использования во всех диапазонах;

  • Возможна совместная передача данных и аудиосигнала;

  • Есть выбор режимов для оптимизации пропускной способности/качества и надежности/устойчивости приема;

  • Очень высокая эффективность использования спектра: от 3 до 4 бит/Гц/с;

  • Система открыта для последующего улучшения, новых методов компрессии и процессов кодирования. В РЧ каналах для радиовещания ниже 30 MHz в настоящее время используют ширину полосы 9 или 10 кГц.

DRM система может использоваться:

  • В пределах номинальной ширины полосы, в соответствии с настоящей планировкой;

  • В пределах каналов с шириной полосы кратной 4.5 кГц (половина 9 кГц) или 5 кГц (половина 10 кГц), для того, чтобы была возможность совместного вещания с аналоговым АМ сигналом или для обеспечения большей пропускной способности передачи.

В отличие от системы DAB, в DRM применяется более современный вариант компрессии MPEG-4. Он включает адаптивный механизм компрессии сигнала AAC (Advanced Audio Coding) в моно и стереовариантах, а также CELP (Code-exited Linear Prediction) для высококачественного кодирования речи и шумоподобных сигналов. Кроме этого, применена техника SBR (Spectral Band Replicatoin), предназначенная для повышения качества передачи верхних частот. При передаче на частотах ниже 30 МГц все форматы, кроме стереофонического, используют полосу 9/10 МГц. Использование техники SBR требует более широкой полосы.

В DRM, как и в DAB, применяется система модуляции СOFDM. Эта система весьма эффективна для передачи сигналов по радиоканалу с многолучевым распространением радиоволн и селективным замиранием сигнала, характерным для коротких волн. Для компенсации помех многолучевого распространения используется защитный интервал. Он не должен превышать 20% от общей длительности символа, чтобы не снизить пропускную способность канала. Дополнительно для борьбы с помехами применяются различные способы кодирования передаваемых сигналов.

Внедрение ЦРВ по стандарту DRM в традиционных диапазонах АМ вещания дает целый ряд неоспоримых преимуществ, уже подтвержденных и натурными испытаниями:

  • Значительное улучшение качества приема и звучания;

  • Отсутствие в принимаемом сигнале помех, вызываемых промышленными шумами и сигналами соседних частот, а также искажений, обусловленных замираниями;

  • Возможность передачи аудиосигналов совместно с данными (чертежи, картинки, текстовые информационные пакеты свежих новостей, служебная информация и т. п.);

  • Сохранение существующих размеров зон обслуживания при значительном уменьшении (до 6 раз) мощностей передатчиков, приводящее не только к экономии электроэнергии, но и к снижению уровня "электросмога", а, следовательно, и ущерба окружающей среде;

  • Возможность создания одночастотных сетей для охвата вещанием территорий любых размеров;

  • Обеспечение возможности продолжения использования всех уже существующих аналоговых радиоприемников и лишь немного модернизированных АМ- передатчиков;

  • Гибкость параметров передачи, позволяющая использовать DRM не только во всех диапазонах ниже 30 МГц (ДВ, СВ, КВ), но и на УКВ;

  • Возможность выбора режимов для оптимизации пропускной способности/качества и надежности/устойчивости передачи;

  • Обеспечение высокой эффективности использования спектра: от 3 до 4 бит/Гц/с;

  • Открытость системы для ее последующего улучшения путем внедрения новых методов компрессии и процессов кодирования;

  • Ширина полосы формируемого цифрового вещательного сигнала полностью эквивалентна ширине полосы существующего аналогового сигнала и, таким образом, не требуется выделение каких-либо дополнительных диапазонов частот для организации цифрового радиовещания.

 Правительственная комиссия России, которая занимается вопросами модернизации телерадиовещания, признала целесообразным внедрение у нас в стране международной системы цифрового радиовещания DRM. 

СИСТЕМА РАВИС

Ещё до появления системы DRM, группа российских ученых, возглавляемая заместителем директора ФГУП "ГРЧЦ" Виктором Дворковичем, разработала и представила в МСЭ аудиовизуальную информационную систему (АВИС, теперь называемую РАВИС), которая получила одобрение на международной арене. Следует подчеркнуть, что РАВИС - полностью отечественная разработка, использующая передовые достижения в области компрессии звуковых и видеоданных, канального кодирования и модуляции. Для видеокомпрессии используется оригинальная реализация кодера H.264/AVC, основанная на российских патентах и “ноу-хау". В системе реализован высокоэффективный кодер звука НЕ-ААС, использующий технологии SBR, PS, а также кодирование многоканального звука MPEG Surround. Разработан радиотракт приемного устройства, обеспечивающий точность настройки принимаемого сигнала до 1 Гц и повышение исходного отношения сигнал/шум до 40 дБ. Система позволяет транслировать в одном радиоканале до 25 стереофонических звуковых программ либо одну видеопрограмму и до шести звуковых стереопрограмм.

Преимущества системы РАВИС заключаются в следующем:

  • Существенное, более чем в 10 раз, повышение эффективности использования ОВЧ-диапазона;

  • Трансляция видеопрограмм для мобильного потребителя, возможность реализации телевизионного вещания в малонаселенных пунктах при резком удешевлении системы вещания;

  • Обеспечение устойчивого мобильного приема сигнала в условиях многолучевого распространения в среде с городской застройкой, в горной и лесистой местности, в водных акваториях;

  • Возможность локализовать вещание, то есть на одной и той же частоте в разных городах передавать различные программы;

  • Создание одночастотных сетей вещания вдоль шоссейных и железнодорожных путей сообщения (например, на магистрали Москва - Санкт- Петербург);

  • Радиус покрытия в десятки раз больше, а затраты на создание инфраструктуры мобильного телевещания в десятки раз ниже (к примеру, покрытие мобильным телевещанием всей территории Москвы может быть обеспечено одним - максимум тремя передатчиками, работающими в одночастотном режиме);

  • Простые процедуры получения радиочастотных разрешений благодаря использованию стандартной полосы радиоканала в ОВЧ-диапазоне, возможность использования существующей на всей территории России радиопередающей инфраструктуры в ОВЧ-диапазоне;

  • Существенное (в десятки раз) снижение энергопотребления радиопередающих средств в пересчете на одну программу вещания;

  • Реализация эфирных систем оповещения населения и организаций в условиях чрезвычайных ситуаций;

  • Организация систем связи для использования различными спецслужбами и в армии;

  • Интегрирование России в общемировую систему телекоммуникаций на базе нового российского стандарта;

  • Организация отечественного производства аппаратуры и сетей мобильного вещания РАВИС, создание рабочих мест;

  • Внедрение системы РАВИС не только в России, но также в странах СНГ и других странах.