DRM – digitālais radio ceļā pie klausītājiem

2. daļa

 

Signālu izplatīšanās garajos, vidējos un īpaši īsajos viļņos ir stipri atkarīga no atmosfēras stāvokļa. Industriālo traucējumu līmenis šajos diapazonos pēdējos gados ir pieaudzis vairākas reizes. Signāls bieži pamirst (feidings) un pat pilnīgi pazūd. Šādos apstākļos ciparu radioprogrammu uztveršana un dekodēšana ir ļoti sarežģīts, tomēr atrisināms uzdevums. 

Galvenā DRM priekšrocība salīdzinājumā ar citām ciparu sistēmām (ieskaitot DAB) ir principiāla iespēja nogādāt visiem planētas iedzīvotājiem augstvērtīgu stereosignālu no viena raidītāja. Tas ir iespējams tāpēc, ka garie radioviļņi (frekvence zemāka par 30 MHz) spēj apliekt zemes virsmu, turklāt izmantojot augsti efektīvas metodes signāla modulācijai COFDM un ciparu kompresijai MPEG4 aacPlus var radikāli uzlabot radiosignāla kvalitāti un noturību neatkarīgi no tā, kādā Zemes punktā atrodas klausītājs.

DRM ieviešana, pēc ekspertu domām, ļaus atdzimt tālajai AM diapazonu radiofonijai, dos tai otro elpu. Lai gan DRM standarts tiek ieviests, pārvarot lielas grūtības salīdzinājumā ar DAB, tomēr tā perspektīvas ir daudz lielākas. Vērtējiet paši: attīstoties Wi-Fi (IEEE 802.11) un Wi-Max (IEEE 802.16) bezvadu tīkliem, pa kuriem bez pūlēm var pārraidīt gan video, gan skaņu, gan grafiku, vajadzība izveidot atsevišķu ciparu radio ir visai apšaubāma – ar to tiek galā pat mobilo telefonu operatori, nerunājot nemaz par ciparu televīziju DVB, kur kopā ar video var pārraidīt desmitiem ciparu radioprogrammu. Iznāk, ka lielās pilsētās ar laiku DAB vispār nebūs vajadzīgs, bet mazās to attīstībai nav ekonomiska pamatojuma. Turklāt uzlabotais standarts DRM Plus tuvākajos gados paredz apgūt frekvences līdz pat 120 MHz, konkurējot ar FM radiostacijām 88–108 MHz diapazonā un galu galā tās aizstājot. Tas viss izskatās pēc konfrontācijas ar DAB standartu, kas gan darbojas citos frekvenču diapazonos. DRM Plus nākotnē atnesīs augstu Hi-Fi stereopārraižu kvalitāti un pat Dolby Surround 5.1 skaņu, taču pieprasīs mainīt visus radiouztvērējus.

 

DRM FAC

Neatkarīgi no tā, kāds ir DRM pārraides veids un izmantojamā frekvenču spektra josla, dekoderam sākumā ir nepieciešama ātrās atpazīšanas signāla informācija. Fast Access Channel (FAC) signāls satur 72 informācijas bitus, kas ļauj DRM programmatūrai dekodēt multipleksu. FAC galvenie parametri ir: izmantojamā frekvenču spektra lielums (4,5, 5, 9,0, 10, 18, 20 kHz), laika intervāli (2 s – garš, 400 ms – īss), modulācijas veidi (64 QAM, 16 QAM, 4 QAM), servisa numurs, valoda, audio un datu pārraižu veidi, programmas nosaukums. Šī informācija vienmēr tiek pārraidīta vienā un tajā pašā vietā noteiktā kārtībā. Salīdzinot DRM ar AM, ātrās atpazīšanas signāls ieņem AM augšējai sānu joslai ekvivalentu vietu. 

Kad DRM signālam ir selektīvais feidings, QAM modulētā speciālā nesēja nolasīšana nedod rezultātu. Lai noteiktu pareizo variantu, dekodera programmatūra izmanto tuvāko pilota nesējfrekvenci katra datu freima malā. Iestarpinot signālā ar noteiktu amplitūdu šo pilota nesējfrekvenci, iespējams iegūt kopējo kanāla novērtējumu un tad visas datu nesēju frekvenču amplitūdas tiek labotas. Šī metode, kad tiek noteikta pilotu nesēju un pārējo datu nesēju frekvenču amplitūda, vienkāršo DRM signāla dekodēšanu selektīvā feidinga laikā, veicot nepieciešamo korekciju programmatūrā. Tādā veidā notiek saskaņota OFDM demodulācija. Tā kā visas operācijas notiek reālajā laikā, uztvērējiem un arī signāla modulātoriem ir nepieciešami jaudīgi procesori. Daudzu simtu nesošo frekvenču modulācija un demodulācija notiek matemātiski ar tiešo un apgriezto Furjē pārveidojumu palīdzību.

 

Lai sinhronizētu signālu, DRM uztvērēja programmatūrā tiek lietotas trīs norādes pilota nesējfrekvences. Visvairāk redzami ir trīs FAC norādes nesēji, kas tiek pārraidīti 750, 2250 un 3000 Hz ( izzīmētas ar F1, F2, F3) frekvencēs. To amplitūda ir paaugstināta salīdzinājumā ar pārējo datu signālu, un DRM programmatūra atpazīst šos pilotu signālus.  

Neatkarīgi no tā, kāds DRM pārraides veids tiek izvēlēts, šīs frekvences paliek nemainīgas. FAC norādes nesēji tiek lietoti, lai izskaitļotu sākotnēji uztvertā DRM signāla frekvenču nobīdi attiecībā pret uztvērēja lokālā oscilatora frekvenci. Šī ir pirmā COFDM sinhronizācijas procesa daļa, kas nepieciešama, lai uztvērējs pareizi dekodētu DRM signālu.

Saskaņā ar DRM specifikāciju divas nesējfrekvences, kas noslēdz nepieciešamo frekvenču joslu no apakšas un augšas, var vairākas reizes pārsniegt pārejā signāla līmeni. Tāpēc arī daudzos gadījumos analogo AM raidītāju ierobežotais dinamiskais diapazons neder DRM pārraidēm un modifikācija nav iespējama, jo tiem ir jāstrādā lineārā pastiprinātāja režīmā.

 

DRM SDC

Service Description Channel (SDC) signāls satur informāciju par pieejamajiem DRM servisiem. Tas tiek pārraidīts katras datu paketes sākumā katras 1,2 sekundes. Vispirms ir paredzēta informācija klausītājam par uztvertās DRM radiostacijas nosaukumu līdz 16 zīmēm (līdzīgi notiek FM diapazonā RDS sistēmā). Ietverti arī dati par rezerves frekvencēm un grafiskā informācija: laiks un datums, apraides vieta. SDC izmanto arī 16 QAM un 4 QAM modulācijas veidus un to pārraida noteikta koda veidā. 16 QAM nodrošina lielāku datu ietilpību, turpretim 4 QAM – daudz labāku kļūdu aizsardzību.

 

DRM MSC

Main Service Channel (MSC) satur informāciju par visiem DRM multipleksa servisiem. To skaits var svārstīties no viena līdz četriem, un tie var būt gan audio, gan datu veidā. Iespējams pārraidīt dažādus multimedija servisus. Programme Associated Data (PAD) datu plūsma, piemēram, satur web lapas, ko palīdz demonstrēt Fraunhofer Multimedia Player. Katra šāda pakete var nest arī citu informāciju - radio teksta ziņas katras paketes beigās (pēdējie četri biti), pārraides ātrums ir aptuveni 80 bps. MSC var lietot 16 QAM un 64 QAM modulācijā. 64 QAM uztur augstu spektra izmantošanas efektivitāti, bet 16 QAM savukārt nodrošina labāku MSC darbību kļūdu klātbūtnē.

Lai samazinātu kļūdu kaitīgo ietekmi uz uztveramajiem datiem (simbolu skaitu paketē), tiek izvēlēts attiecīgs pārraides laika intervāls 800 ms (parasti nosaka A veida raidīšanai vidējos viļņos) - 2,4 s (uztveršanas apstākļiem pasliktinoties).

 

DRM audio kodēšana

DRM audiosignāla kompresija ir balstīta uz cilvēka psihoakustiskajām īpašībām. Tiek izmantota aacPlus Coding Technologies audio kompresija, kas sastāv no diviem audio kodeksiem: augsti efektīvās MPEG4 AAC (Advanced Audio Coding) un SBR (Spectral Band Replication). MPEG4 ir daudz efektīvāka kompresija par tās priekšgājēju – MPEG layer 2/3 kodeku. SBR tehnoloģija palielina uztvertā audiosignāla joslas platumu kombinācijā ar zemākās frekvenču joslas AAC signālu (samplētu ar 24 kHz frekvenci).

SBR dati restaurē augšējās audio frekvences ar samplēšanas frekvenci 48 kHz. Kad tiek kompresēta mūzika, parasti visbiežāk atkārtojas frekvences joslā zem 6–8 kHz. Tās ir kodētas ar AAC. Frekvences virs tām parasti ietver galvenokārt harmoniskas skaņas. Lai gan augšējas frekvences ir visvairāk vajadzīgas, lai rekonstruētu skaņu, tomēr auss šajā diapazonā ir mazjutīga. Tādējādi pārraidāmais SBR datu apjoms ir neliels salīdzinājumā ar AAC kodeku. Pēc teorijas iznāk, ka audio dati sākumā nav identiski ar galā saņemtajiem, tomēr nekādu atšķirību nedzirdam. Parasti tā tomēr nav, sevišķi saņemot stereosignālu. Daži mūzikas veidi tiek saspiesti labāk par citiem, piemēram, zemā AAC+SBR datu ātrumā klasiskā mūzika skanēs labāk. SBR ar datu ātrumu apmēram 3 kbps spēj pārraidīt informāciju par frekvenču spektru un audiosignālu, ko nespēj nodrošināt neviens cits kodeks. Savukārt aacPlus aizvien vairāk tiek izmantots interneta radio audio datu plūsmām ar 48 kbps, kas ir tuvu CD kvalitātei.

Viena no galvenajām DRM pazīmēm ir spēja pārraidīt dažādus multimedija servisus, kas savukārt samazina audio datu plūsmu un kvalitāti. Lai šo problēmu atrisinātu, pārraidēm iespējams lietot frekvenču spektra dubultos kanālus – 18 un 20 kHz. To nosaka ETSI DRM specifikācija, tāpēc uztvērējos nepieciešami attiecīgi frekvenču filtri. Vairums radiostaciju izmanto 9 kHz kanālu, kas ir pietiekoši ziņu un sporta pārraidēm, bet mūzikas kvalitātes nodrošināšanai vajadzētu lietot 18 kHz.

 

 Kanāla platums       Veids                     Modi            Bitu plūsma

9 kHz viens  A 23,5 kbps 18 kHz dubultais  A 49,0 kbps 10 kHz viens  B 20,9 kbps 20 kHz dubultais  B 43,0 kbps

 

 

 

.

1. tabula. Bitu plūsmu salīdzinājums dažādiem modiem un frekvenču kanāliem (MSC 64 QAM, aizsardzības līmenis 1).

 

Parametriskais stereo

Reizē ar skaņas monosignālu DRM iespējams pārraidīt Parametric Stereo (PS) datus, kas ļauj izveidot audio stereosignālu. Stereo panorāmas attēlošanai tiek izmantoti divi kritēriji: panorāma (Pan) un stereo ambience (SA). Panorāmas parametrs satur informāciju par frekvenču selektīvā līmeņa starpību starp labo un kreiso kanālu, bet SA – par stereo vidi, miksēšanu ar mono. Abi parametri visu laiku tiek pārraidīti katrā SBR datu paketē.

Kontroles bitu plūsmas ātrums ir niecīgs – tikai 50 bps. Komplicētai mūzikai caurmērā šis ātrums būs 1,2 kbps, sasniedzot pat 2,5 kbps, kas ir nepieciešams, lai stereo mūzikas skanējums nebūtu tuvs mono. Tomēr stereo informācijai vajag tikai mazu daļu no pieejamā DRM datu apjoma, kas ļauj monosignālu atskaņot maksimālā kvalitātē. Patiesā skaņas kvalitāte tiek noteikta ar audio servisa datu ātrumu. To savukārt nosaka DRM pārraides veids, QAM līmenis, kļūdu aizsardzības līmenis un izmantojamā spektra josla (minimālā ir 4,5 kHz).

 

CELP un HVXC kodeki

Lai pārraidītu tikai runu, aacPlus kodeks nav labākā izvēle. DRM specifikācija pieļauj izmantot MPEG4 CELP(Code Excited Linear Predication) un MPEG4 HVXC (Harmonic Vector Excitation Coding) kodeku, kas paredzēts vienīgi runai un monosignālam. To pamatā ir mobilo telefonos izmantotie runas apstrādes algoritmi. CELP atbalsta 8 un 16 kHz samplēšanas frekvences. Ir iespējams iegūt 50–7000 Hz audiojoslu. Savukārt HVXC kodeks, lietojot 8 kHz samplēšanas frekvenci, ir piemērots tikai telefona kvalitātes audiojoslai 100–3800 Hz.

DRM standarts atbalsta četru servisu lietošanu, tāpēc ir iespējams vienlaikus ar pamata audio datu servisu pārraidīt vēl trīs skaņas kanālus. Piemēram, Deutsche Welle programma no Portugāles tiek pārraidīta 7265 kHz frekvencē ar diviem audio servisiem. Pamata audio serviss tiek pārraidīts vācu valodā AAC SBR ar datu ātrumu 17,8 kbps, bet otrs - izmantojot HVXC kodeksu un 3,2 kbps. Citreiz tāds pats raidītājs translē četrus dažādus audio servisus vācu, angļu, franču un krievu valodā, izmantojot tikai HVXC kodeku.

 

 

SFN - vienas frekvences tīkls

COFDM modulācija ļauj izveidot apraides tīklu, izmantojot vienu frekvenci - Single Frequency Network (SFN). Tas nozīmē, ka vienā un tajā pašā frekvencē iespējams lietot daudzus raidītājus, praktiski neierobežoti paplašinot programmas uztveršanas zonu. Tas nav iespējams analogajā AM standartā, jo tad savstarpēja signālu interference traucētu uztvert radiopārraides, bet apraides tīkla izveide ir izšķērdīga frekvenču spektra izmantošana. SFN izmantošana paredz nosacījumu, ka katrs tīkla raidītājs sinhroni vienā un tajā pašā frekvencē pārraida tos pašus datus, ko pārējie. Pateicoties aizsardzības intervāliem, COFDM ir imūns pret interferenci.

SFN un DRM atstāj milzīgu ietekmi uz vidējo viļņu frekvenču plānu Eiropā, kur ir iespējama daudzu apraides sinhronizēto tīklu darbība lielā teritorijā noteiktās, iepriekš saskaņotās frekvencēs. Šīs priekšrocības ar labiem rezultātiem jau izmanto, piemēram, DRM radiostacija DW 7265 kHz frekvencē, kuras galvenais mērķis ir droša uztveršana plašā teritorijā. Raidītāji atrodas Portugālē un Vācijā. Inženieru pamatuzdevums ir signālu sinhronizācija līdz milisekundei. DW DRM signāls no Vācijas tiek pārraidīts ar 4 ms aizturi, un tādā veidā tas tiek optimizēts no sinhronizācijas centra Bonnā uztveršanai sliktos izplatīšanās apstākļos. Maksimālā DRM uztvērēju aiztures pielaide ir 5,3 ms.

 

IFA 2005 un RadioScape

Berlīnē no 2. līdz 7. septembrim notika starptautiska izstāde IFA 2005, kurā pirmo reizi plašākai publikai tika izlikti pasaulē pirmie multistandarta ciparu radiouztvērēji. Firma RadioScape bija strādājusi kopā ar pasaules vadošajiem uzņēmumiem, lai integrētu uztvērējos universālo moduli RS 500, kas ļauj uztvert DRM, DAB, FM ar RDS, LW, MW un SW. Šo DRM standarta uztvērēju prezentāciju organizēja RTL grupa, Deutsche welle, Radio Netherlands, BBC, Deutschlandradio, Voice of Russia, Truckradio, DRF, Radio de la Mer un Littorial AM. Izstādē plaši diskutēja par strauju DRM raidīšanas ieviešanu Eiropā.

RadioScape modulis RS 500 atbalsta tādas populāras funkcijas kā Pause, Rewind, kā arī Record un Play back, iespējams arī EPG – elektroniskais programmu gids. Programmnodrošinājumu maina, izmantojot USB portu. DRM pārraižu uztveršanai var izmantot signāla līmeņa indikatoru. Iespējama ir arī distances vadība un S/PDIF interfeiss, bet DAB un DRM datu plūsmas caur USB portu var padot uz PC. Moduļa pamatā ir Texas Instruments digitālais signālu procesors TMS 320 DRM 350. RadioScape paredz, ka multistandartu un multidiapazonu uztvērēji, kas tiks ražoti, izmantojot moduli RS 500, maksās mazāk par 250 dolāriem, un tiem vajadzētu parādīties brīvā pārdošanā Eiropas valstīs jau šajos Ziemassvētkos. Uztvērējus piedāvās tādas firmas kā Blaupunkt, Panasonic, Morphy Richards, Roberts, Himalaya un citas.

 

Ar RadioScape RS 500 uztveramās frekvences:

LW 153 – 280 kHz

MW 525 – 1705 KHz

FM 87,5 – 108 MHz (RDS)

DAB Band III 174 – 240 MHz

DAB Band L 1452 – 1492 MHz

DRM 0,1485 – 27 MHz

 

DRM konstrukcija entuziastiem

Tiem, kas jau tagad vēlas klausīties ciparu DRM pārraides, varu ieteikt uzbūvēt vienkāršu frekvenču pārveidotāja shēmu. Nepieciešams arī dators ar 800 MHz Intel Pentium procesoru, 64 MB RAM, 16 bitu skaņas karte Sound Blaster (full duplex at 49 kHz) un augstas klases analogais AM uztvērējs ar maziem fāžu trokšņiem, ciparu skalu un frekvenču sintezatoru. Sakarā ar daudzajām nesējfrekvencēm, kas tiek modulētas neatkarīgi cita no citas, DRM signāls uz spektra analizatora ekrāna izskatās pēc baltā trokšņa un arī ar dzirdi to nevar atšķirt no ētera trokšņa. Tāpēc noregulēties uz DRM radiostacijas uztveršanu ir ļoti grūti un viss process ir automatizēts.

Uztvērējs sākas ar visparastāko antenu un pavisam parastu radiotraktu, kas paredzēts AM pārraižu uztveršanai. Viss, kas vajadzīgs analogajā uztvērējā, ir nepieciešams arī šeit. Tālāk sākas atšķirības. Detektora nav. Automātiskā pastiprinājuma regulēšanas detektors gan ir vajadzīgs. DRM signāls tiek ņemts no pēdējās starpfrekvences pastiprinātāja izejas. Eiropā ražotiem uztvērējiem šī frekvence ir 455 (465) kHz, un tā tiek pārveidota uz 12 kHz.

 

 

Ja tas ir tā, tad kvarca rezonatora nomināls drīkst būt 477 vai 453 kHz. Tālāk no jaucēja izejas signāls tiek padots uz skaņas kartes analogo ieeju. DRM konsorcija firmas ir izstrādājušas programmnodrošinājumu datoram, kas ļauj uztvert ciparu radiopārraides - adrese www.drmx.org.

 

 

Pārraižu uztveršanai var izmantot programmnodrošinājumu Dream v1.0 vai DRM Software radio 2.0.34 un internetā par to var atrast daudz informācijas.

Henriks ZEIĻAKS

 

 

Eiropā uztveramās DRM radiostacijas

 

Laiks UTC	Dienas	Frekvence kHz	Jauda kW	Programma	Valoda	Raidītājs
0000-2400	katru dienu	5990	50	RTL DRM 2	franču	Junglinster
0000-2400	katru dienu	6095	50	RTL Radio	vācu	Junglinster
0300-0330	svētdienās	1440	120	RTL Radio	vācu	Marnach
0400-0600	katru dienu	9690	40	DW	dažādas	Taldom
0400-2205	katru dienu	6085	50	BR-B5akt	vācu	Ismaning
0600-0757	katru dienu	7325	40	RNW	holandiešu	Flevo
0600-0815	pirmd. - sestd.	1611	25	Vatican Radio	dažādas	Santa Maria
0600-0900	katru dienu	15780	35	VoR	angļu	Taldom
0600-1000	katru dienu	6130	200	DW	dažādas	Wertachtal
0600-1200	katru dienu	7265	200	DW	dažādas	Wertachtal
0600-2200	katru dienu	1296	70	BBCWS	angļu	Orfordness
0700-0830	katru dienu	5875	33	BBCWS	angļu	Rampisham
0700-1500	katru dienu	9470	50	BBCWS	angļu	Kvitsoy
0700-1600	katru dienu	1440	240	RTL Radio	vācu	Marnach
0705-0900	katru dienu	7265	90	DW	dažādas	Sines
0800-0900	katru dienu	7240	40	RNW	holandiešu	Flevo
0800-1459	katru dienu	15440	90	DW	dažādas	Sines
0815-1510	katru dienu	1611	25	Vatican Radio	dažādas	Santa Maria
0830-1800	katru dienu	7320	33	BBCWS	angļu	Rampisham
0900-1100	katru dienu	7240	40	RNW	angļu	Flevo
0900-1159	katru dienu	15545	90	DW	dažādas	Sines
0900-1200	katru dienu	15780	35	VoR	vācu	Taldom
0930-1300	katru dienu	13620	120	Radio Kuwait	arābu	Sulaibiyah
1000-1300	katru dienu	6140	40	DW	dažādas	Juelich
1000-1800	katru dienu	7145	40	Radio Luxembourg	angļu	Juelich
1100-1200	katru dienu	7240	40	RNW	holandiešu	Flevo
1200-1300	katru dienu	7240	40	RNW	angļu	Flevo
1200-1359	katru dienu	9655	200	DW	dažādas	Wertachtal
1200-1555	katru dienu	15265	90	DW	dažādas	Sines
1300-1330	katru dienu	7240	40	RCI	angļu	Flevo
1300-1400	katru dienu	9480	35	VoR	krievu	Taldom
1330-1400	katru dienu	7240	40	RNW	angļu	Flevo
1400-1415	katru dienu	7240	40	Vatican Radio	vācu	Flevo
1400-1430	piektdienās	9770	35	RFI	angļu	Rampisham
1400-1430	sestdienās	9770	35	R. New Zealand Int.	angļu	Rampisham
1400-1500	svētdienās	9565	35	BYU Radio	angļu	Rampisham
1400-1500	trešdienā	9770	35	BYU Radio	angļu	Rampisham
1400-1500	katru dienu	9480	35	VoR	angļu	Taldom
1400-1559	katru dienu	6180	200	DW	dažādas	Wertachtal
1400-1600	sestdienās	3955	40	TDPradio	deju mūzika	Juelich
1415-1656	katru dienu	7240	40	RNW	holandiešu	Flevo
1430-1500	piektdienās	9770	35	Radio Korea Int.	angļu	Rampisham
1430-1500	sestdienās	9770	35	Radio Australia	angļu	Rampisham
1500-1600	piektdienās	9770	35	Radio Taiwan Int.	angļu	Rampisham
1500-1600	katru dienu	9480	35	VoR	vācu	Taldom
1500-1755	katru dienu	13790	90	DW	dažādas	Sines
1500-1900	katru dienu	7465	50	BBCWS	angļu	Kvitsoy
1600-1000	katru dienu	3995	200	DW	vācu	Wertachtal
1600-1700	piektdienās	9770	35	NHK	angļu	Rampisham
1600-1700	katru dienu	9480	35	VoR	franču	Taldom
1600-1900	katru dienu	6140	40	DW	dažādas	Juelich
1700-1730	katru dienu	5955	40	Radio Sweden	angļu	Flevo
1700-1759	katru dienu	7265	200	DW	dažādas	Wertachtal
1730-1800	katru dienu	5955	40	Radio Sweden	vācu	Flevo
1800-1900	katru dienu	5875	33	BBCWS	angļu	Rampisham
1800-1955	katru dienu	15435	90	DW	dažādas	Sines
1900-2100	katru dienu	7515	40	DW	dažādas	Taldom
2000-2210	katru dienu	1611	25	Vatican Radio	dažādas	Santa Maria
2100-2200	katru dienu	5980	90	DW	dažādas	Sines
2210-2400	katru dienu	1530	60	Vatican Radio	dažādas	Santa Maria
2300-0300	katru dienu	1440	120	RTL Radio	vācu	Marnach