Транспортные сети для доставки DVB-C

Основой проекта широкополосного доступа служит многофункциональная цифровая платформа, формирующая и распределяющая сервисные пакеты по всей территории присутствия цифровой транспортной инфраструктуры. Технология платформы принципиально ориентирована на предоставление интерактивного индивидуального трафика и резервирует ресурс для всех видов существующего и обозримого перспективного широкополосного сервиса. Соответственно все сети локального абонентского доступа независимо от технологии (телефонный или коаксиальный кабель, витая пара или радиомодуль) обеспечивают двунаправленную передачу сигнала для интерактивных приложений.

Подобная гибкость, в плане конфигурирования, заложена в принципах построения SDH-сетей: жесткая синхронизация на всех уровнях, по сравнению с плезиохронными сетями, дает возможность введения-выделения из общего группового потока высокого уровня цифровых потоков более низкого уровня без полного демультиплексирования, а следовательно — возможность оперативного переключения цифровых трактов в сетях.

Преимуществом проекта, как было отмечено выше, является разветвленная структура транспортной сети: ввод-вывод сигнала возможен в любой точке присутствия транспортной сети, в том числе практически на любой АТС города. Это позволяет:

· формировать полный пакет услуг от источников сигнала, расположенных в разных частях города: центральной и резервной головных станций, студий и т.д., а также дифференцированно вводить-выделять отдельные пакеты от источника к потребителю, удаленных друг от друга на значительное расстояние;

· обеспечить предоставление сигнала клиенту в минимальные сроки и без потери качества (что в первую очередь важно для аналогового сигнала), вследствие малой протяженности HFC-участка.

Положительным фактором для продвижения проекта можно также считать возможность предоставления телекоммуникационной компанией заказчику полного спектра услуг, включающего телефонию, доступ в Интернет по выделенным линиям и телевидение, без привлечения третьей стороны, что особенно удобно и выгодно строительным организациям.

Пусть на данный момент клиентам предлагаются 32 аналоговых канала и 4 QAM-64 пакета, дублирующих эти каналы в цифровом виде. Аналоговый способ доставки дает возможность просмотра программ на всех телевизионных приемниках, цифровой вид обеспечивает качественный, со стереозвуком, просмотр передач и фильмов с использованием кабельного DVB-C-ресивера, в том числе в домашнем кинотеатре. Завершается подготовка к вводу в сеть Интернет-услуг с использованием головных и абонентских кабельных модемов, работающих на базе протокола EuroDOCSIS. В последующем количество QAM-64 пакетов будет возрастать за счет предоставления дополнительных телевизионных каналов. При этом количество аналоговых каналов останется неизменным на начальных этапах развития и будет падать по мере расходования частотного ресурса на цифровые виды сервиса.

Рассмотрим структуру, способы реализации и основные принципы формирования одного цифрового потока, а с ним — всей системы в целом.

Аналоговый телевизионный сигнал с эфирных антенн (см. рис. 9.2), предварительно демодулируемый на низкочастотные Video- и Audio-составляющие, поступает на MPEG-2 кодер, после которого в DVB-ASI формате подается на один из входов ремультиплексора. Другие входы ремультиплексора коммутируют DVB-ASI потоки с выходных разъемов DVB-S и DVB-T демодуляторов.

Для приема закрытых цифровых каналов, в соответствующую цепь между демодулятором и ремультиплексором включается дополнительный модуль с CI-слотом для дескремблирования разрешенных к просмотру каналов в потоке.

Ремультиплексор служит для выделения из нескольких входных DVB-ASI потоков отдельных каналов и их коммутации в один выходной поток, сигнал которого последовательно поступает на преобразователь интерфейсов DVB-ASI/DS3-G.703 и SDH-мультиплексор.

В качестве транспортной единицы формирования потока в SDH-сети используется канал DS3 со скоростью передачи 44,736 МБ/с. Средние битовые скорости телевизионных каналов, принимаемых со спутников, а также преобразованных из аналогового в MPEG-2 формат, находятся в интервале от 5 до 6 МБ/с. Таким образом, в одном DS3 потоке возможна одновременная передача 7-8 каналов. Объединяя 32 канала в 4 потока, с учетом их средних битовых скоростей, удалось получить 4 восьмиканальных потока.

Кроме 32 каналов, дублирующих друг друга в аналоговом и цифровом видах, сформируем пятый DS3 поток, телевизионные каналы с которого предполагается транскодировать только в QAM-64 цифровой пакет. Содержание и тематика данных каналов подобраны таким образом, чтобы стимулировать у абонента желание установить цифровой кабельный терминал (см. рис. 9.3).

На сегодняшний день в SDH-сети постоянно "прописаны" четыре DS3 потока. Помимо них, существует еще один служебный поток, о котором будет подробно рассказано чуть ниже.

На районных узлах (граница перехода телевизионных каналов из транспортной SDH-cети в аналого-цифровую HFC-сеть - см. рис. 9.4) осуществляется обратное преобразование сигнала: с выхода SDH-терминала потоки поступают на преобразователи интерфейсов DS3-G.703/DVB-ASI, а затем на четыре QAM-модулятора (выход: 47-862 МГц).

Параллельно, DVB-ASI сигнал подается на 32 ASI-демодулятора (выход: аналоговые Video- и Audio-), которые, в свою очередь, скоммутированы с Н/Ч входами RF-модуляторов (47-862 МГц). В качестве головных станций, содержащих в своем составе однополосные модуляторы, используются станции 1-го класса с возможностью дистанционного управления и мониторинга. Далее радиочастотные сигналы с выходов аналоговых и цифровых модулей, а также сигнал прямого канала с выхода станции кабельных модемов складываются на блоке сумматоров и подаются на вход оптического передатчика.

Рис. 9.2. Сеть DVB-C (начало)

Рис. 9.3. Сеть DVB-C (продолжение)

При увеличении количества абонентов, пользующихся IP-услугами, или перегруженности трафика по прямому каналу, в рассматриваемую схему добавляется еще одна (две и т.д.) станция кабельных модемов.

В этом случае возможно предоставление IP-услуг с использованием двух (трех и т.д.) прямых каналов или необходимо предварительно разбить район охвата данного узла преобразования на зоны обслуживания, с использованием в каждой по одному нисходящему потоку.

Рис. 9.4. Сеть DVB-C (окончание)

Для поддержания работоспособности, своевременного устранения неисправностей, изменения конфигурации системы в целом или ее составной части, кроме традиционных методов контроля изображения, звука и коммутации линий, используется система мониторинга и управления ROSA. Для реализации полноценного интерфейса управления выделен отдельный канал Е1, связывающий между собой головной и узловые серверы с центральной станцией управления и мониторинга. Для визуального контроля используется несколько плазменных панелей с большой диагональю: на один экран, через концентраторы, одновременно можно вывести от 1 до 16 транслируемых по сети каналов. Дистанционная система управления и мониторинга ROSA позволяет с рабочего места оператора контролировать (а также изменять) работу и основные параметры любого модуля, например:

· для DVB-S демодулятора — задавать входную частоту, скорость потока и коэффициент коррекции ошибок; снимать текущие показания об уровне входного сигнала, отношении несущая/шум, коэффициенте ошибок до преобразования Рида-Соломона, количестве неисправленных ошибок, температуре модуля и типе питания (от основной или резервной линии);

· для статистического мультиплексора — задавать количество каналов и их характеристики, приоритет (качеством каких каналов жертвовать в первую очередь), скорость выходного потока;

· для DVB-C модуляторов — параметры входного DVB-ASI потока, режим PID-фильтрации, центральную выходную частоту, тип констелляции, выходной уровень и т.д.

Более того, все происходящие нарушения и отклонения от нормальных параметров системы фиксируются в журнале сообщений (и могут быть удалены только принудительно), с указанием даты, времени и продолжительности сбоя, его характеристики, адреса устройства и классификации критичности нарушения.

Управление и диагностику работы любого узла можно проводить не только с центрального диспетчерского пункта, но и с любого рабочего места обслуживающего персонала, конечно, при условии его подключения к управляющей сети и разрешения доступа на изменение конфигураций.

Для формирования устойчивого спроса на интерактивные услуги поэтапно предполагается вводить элементы интерактивного телевидения:

· nVoD (видео почти по запросу)

Система nVoD обеспечивает циклический платный просмотр наиболее кассовых фильмов без организации индивидуального канала на абонента. Предусматривает наличие системы условного доступа и характеризуется низким уровнем инвестиций. Оптимальна на этапе первичного расширения абонентского сектора кабельных сетей (DVB-C) и сетей наземного телевизионного вещания (DVB-Т), с точки зрения окупаемости.

· VoD (видео по запросу, контент по запросу)

Самая престижная и технически самая капиталоемкая система предоставления услуг, основанная на предоставлении индивидуального высокоскоростного цифрового потока от сервера распределения контента к абоненту. Требует значительной загрузки сетевого ресурса, которая может существенно сокращаться посредством центрально-распределенной структуры районных видеосерверов с магистральной подкачкой редко запрашиваемого контента. Система эффективна для широкополосных кабельных и сетей беспроводного доступа.

Преградами на пути развития рассматриваемых систем в настоящее время служат: их высокая стоимость, отсутствие у потенциальных клиентов какой-либо информации о существовании такого вида услуг, нераспространенность абонентских кабельных цифровых терминалов. Кроме того, перед оператором встают вопросы необходимости выбора системы криптозащиты контента от несанкционированного доступа, схем размещения и конфигурации видеосерверов, анализа совместимости работы всего комплекса оборудования (в первую очередь — программной совместимости), отработки схемы работы с клиентом.

Поэтому первоначально планируется реализация проекта "видео почти по запросу".

Для этих целей на одном из уже существующих районных узлов, расположенном в наиболее перспективном для развития подобной услуги районе, будет установлен видеосервер, DVB-ASI сигнал с которого через модуль скремблирования планируется подавать на QAM-радиочастотный модулятор. Одного QAM-64 цифрового потока достаточно для запуска с периодичностью в 20 минут "карусели" для 120-минутного фильма. Технически эту задачу можно решить достаточно легко. Самая большая и ответственная работа связана с обязательным соблюдением всех авторских прав при трансляции кинофильмов в сети и поиском удобного для обеих сторон способа взимания с абонента платы за просмотр.

Абонентское оборудование

Кабельные каналы телевизионного вещания находятся в наиболее благоприятных условиях с точки зрения обеспечения помехоустойчивости, так как они защищены от действия атмосферных и индустриальных помех, и в них имеется возможность поддерживать достаточно высокое значение отношения сигнал/шум (не менее 30 дБ) за счет использования промежуточных усилителей. Поэтому в кабельном телевидении, как правило, не используется внутреннее кодирование с помощью сверточных кодов. Основная задача в кабельном телевизионном вещании - обеспечить наиболее эффективное использование полосы частот, чтобы передавать по имеющимся кабельным сетям максимальное количество телевизионных программ.

С этой целью в кабельных сетях в соответствии со стандартом DVB-C используется многопозиционная квадратурная амплитудная манипуляция (КАМн), принципы которой были изложены в 9.1. В настоящее время применяются 16-, 32- и 64-позиционная КАМн. В перспективе предполагается применение 256-позиционной КАМн. Скорости передачи двоичных символов, получаемые при разных количествах позиций КАМн, приведены в табл. 9.4. Полная скорость передачи канальных символов (второй столбец) примерно одинакова для трех вариантов КАМн. Полная скорость передачи двоичных символов (третий столбец) получается умножением скорости передачи канальных символов на число битов в символе и оказывается выше скорости передачи полезных данных за счет введения дополнительных байтов при помехоустойчивом кодировании Рида-Соломона.

Таблица 9.4

Вид модуляции	Скорость передачи, МСимв/с	Полная скорость передачи, Мбит/с	Скорость передачи полезных данных, Мбит/с
16-КАМн	6,89	27,56	25,2
32-КАМн	6,92	34,60	31,9
64-КАМн	6,84	41,04	38,9

Сопоставляя данные последнего столбца табл. 9.4 со скоростями передачи двоичных символов, необходимыми для передачи телевизионных программ с разными уровнями качества изображения (см. п. 9.3), можно оценить, сколько программ с тем или иным качеством изображения можно передать в одном канале кабельного телевидения.

В передающей части системы кабельного цифрового телевидения выполняются следующие операции, сущность которых была раскрыта в предыдущих главах.

1. Преобразование аналоговых телевизионного сигнала и сигналов звукового сопровождения в цифровую форму.

2. Сжатие цифровых телевизионного сигнала и сигналов звукового сопровождения в соотетствии со стандартом MPEG-2 и формирование соответствующих элементарных потоков.

3. Формирование транспортного потока в соответствии со стандартом DVB. В транспортный поток включаются элементарные потоки нескольких телевизионных программ и различные данные. Транспортные пакеты объединяются по 8. В первом пакете каждой восьмерки синхрогруппа инвертируется, т.е. вместо шестнадцатеричного числа 0x47 передается 0хВ8. Это необходимо для цикловой синхронизации в приемнике.

4. Скремблирование для защиты передаваемой программы от несанкционированного доступа и для получения более равномерного распределения мощности по ширине полосы канала связи. Скремблирование не затрагивает синхрогруппы транспортных пакетов, чтобы их можно было распознать в приемнике.

5. Кодирование с использованием кодов Рида-Соломона. При этом длина транспортных пакетов возрастает со 188 до 204.

6. Перемежение для защиты от пакетных ошибок.

7. Преобразование передаваемых байтов в символы КАМн. Например, при использовании 64-позиционной 64-КАМн каждые 3 байта преобразуются в 4 шестибитовых символа.

8. Дифференциальное кодирование двух старших битов для повышения помехоустойчивости.

9. Преобразование символов в импульсы напряжения, подаваемые затем на модуляторы квадратурных составляющих I и Q. Чтобы ограничить спектр про-модулированного сигнала, фронты и срезы импульсов сглаживаются ФНЧ.

10. Модуляция на промежуточной частоте.

11. Перенос модулированного сигнала на несущую частоту канала и усиление мощности.

В приемнике должны выполняться соответствующие обратные операции. Структурная схема приемного тракта кабельного цифрового телевидения показана на рис. 9.5. Входной сигнал с кабельной линии поступает на тюнер, в котором, как в обычном телевизоре, выделяется нужный канал, и сигнал этого канала переносится на промежуточную частоту. Затем в преобразователе частоты производится дополнительное понижение частоты.

Рис. 9.5. Структурная схема приемного тракта цифрового КТВ

Для этого используется несущая частота, восстановленная в демодуляторе КАМн или в самом блоке преобразователя частоты. Полоса частот сигнала после понижения частоты обычно составляет 3 ... 11 МГц.

Далее сигнал проходит управляемый усилитель, коэффициент усиления которого определяется сигналом АРУ с демодулятора. Размах сигнала при этом согласуется с диапазоном входных напряжений АЦП. Для приема сигналов 16-КАМн, 32-КАМн и 64-КАМн достаточно АЦП, имеющего 8 двоичных разрядов, а для приема 256-КАМн необходимо 9 двоичных разрядов.

Дискретизация производится с частотой канальных символов, т.е. около 7 МГц. Тактовые импульсы ТИ формируются в демодуляторе.

Поступающий на демодулятор цифровой сигнал преобразуется в сигналы квадратурных составляющих I и Q, по которым восстанавливаются канальные символы. Затем из этих символов формируются байты выходного потока данных. Например, в случае 64-КАМн из 4 шестибитовых канальных символов формируются 3 выходных байта. В демодуляторе восстанавливаются частота несущей (перенесенная в диапазон ПЧ) и тактовые импульсы канальных символов, которые используются как в самом демодуляторе, так и в предшествующих блоках.

Затем поток данных поступает в блок коррекции ошибок (Корректор ошибок), в котором выполняются деперемежение и декодирование кода Рида-Соломона. В результате восстанавливаются размеры транспортных пакетов (по 188 байтов) и исходный порядок следования байтов в пакетах.

Далее поток данных поступает на дескремблер. Дескремблированный транспортный поток приходит на демультиплексор (ДМП), в котором из транспортного потока выбираются пакеты, относящиеся к выбранной программе, и формируются элементарные потоки видео, звукового сопровождения и данных. Управление дескремблером и демультиплексором осуществляет контроллер. Демультиплексор выбирает из транспортного потока пакеты с таблицами программ (PAT) и передает их на контроллер, который обеспечивает отображение информации о программах в транспортном потоке на экране.

По командам пользователя выбирается одна из программ, и данные о PID пакетов, относящихся к этой программе, передаются в демультиплексор, чтобы в дальнейшем выбирать эти пакеты.

Вспомогательные данные к выбранной программе (субтитры и т.п.) поступают с демультиплексора на контроллер, который передает их далее на блок воспроизведения дополнительной информации (на рис.9.5 не показан).

Контроллер связан также с системой условного доступа (СУД), которая включает средства, обеспечивающие доступ пользователя к тем платным программам, за которые он заплатил. Данные для дескремблирования программ передаются в соответствующих пакетах транспортного потока. Для дескремблирования бесплатных программ и пакетов с информацией общего пользования дополнительные данные не требуются.

Таким образом, в приемнике цифрового телевидения выбор программы осуществляется в два этапа. Сначала выбирается канал ТВ-вещания, в котором передается транспортный поток, содержащий несколько программ. Затем выбирается одна из программ в этом транспортном потоке.

Элементарные потоки видео и звука с демультиплексора поступают на соответствующие декодеры MPEG-2. На выходах декодера видео получаются яркост-ный и цветоразностные сигналы в цифровой форме в соответствии с Рекомендацией 601. Эти сигналы поступают на ЦАП (блок ЦАП на рис.9.5, естественно, содержит 3 ЦАП), где преобразуются в аналоговую форму, а затем направляются на аналоговые схемы дематрицирования, управления яркостью и контрастностью, усиления и, наконец, на катоды кинескопа. На выходах декодера аудио получаются сигналы каналов звукового сопровождения, которые преобразуются в аналоговую форму и поступают на блоки воспроизведения звука.

РАЗДЕЛ II.

СТАНДАРТЫ

ЦИФРОВОГО

РАДИОВЕЩАНИЯ

Глава 1.

принципы построения сИСТЕМ цифрового радиовещания

Eureka-147

IBOC

ISDB

DVB

DARS

DRM

1.7. DAB+

Eureka-147

Стандарт цифрового аудиовещания DAB (Digital Audio Broadcasting) Eureka-147 был задуман по аналогии с DVB. Предполагалось создать несколько версий стандарта, но на практике жизнеспособной оказалась только наземная версия DAB-T. Вещание в DAB-T началось в сентябре 1995 г., то есть на три с лишний года раньше первого проекта DBV-T.

DAB-T и DVB-T построены по схожим принципам.

В них заложена одна и та же система аудиокмпрессии MPEG 1/2 уровень II MUSICAM, описание которой можно найти в литературе, похожий набор служебных таблиц, и РЧ-сигнал формируется с использованием одного и того же метода — COFDM. В DAB так же, как и в DVB, предлагается использовать канал для передачи пакета программ. В стандарте заложена фиксированная полоса канала — 1.536 МГц, с полезной скоростью от 1.2 до 1.5 Мбит/с (в завсимости от глубины колирования). Скорость аудиопотоков может составлять от 8 до 384 кбит/с, то есть DAB предусматривает возможность выбора гибкого соотношения между количеством программ (от 5 до 20) и качеством звучания.

Для реализаци вещания в DAB-T выделено два диапазона. В некоторых странах, например, в Великобритании, DAB вещается в диапазоне МВ III (174-230 МГц), а в других, например, в Германии и Канаде, для этой цели используется L-диапазон (1452-1492 МГц).

За 9 лет своего существования DAB-вещание было развернуто в двух десятках государств, но основным форматом передачи радио DAB так и не стал. Как выснилось, ему трудно конкурировать с более дешевым и удобным для вещателя форматом УКВ/ЧМ.

Преимущества DAB-T — это обеспечение более устойчивого приема, простота выбора программы, настройка приемника по названию станции и возможность передачи дополнительной информации. Вещателю DAB, в принципе, позволяет удешевить передачу пакета программ и предоставляет удобную возможность включить в пакет дополнительные услуги.

Однако на практике преимущества DAB оказывались не такими уж существенными или же просто превращались в неудобства. DAB-T действительно обеспечивает более надежный мобильный прием, но FM-трансляции тоже неплохо принимаются в автомобиле. DAB-T позволяет создавать одночастотные сети, но они актуальны только при широком распространении DAB-сетей, и требует согласованных межгосударственных усилий. Учитывая небольшие размеры европейских государств и стертость границ, создавать такие сети в одной стране особого смысла не имеет. DAB позволяет передавать в потоке дополнительную информацию, но текстовую информацию для дисплея можно передавать и в рамках FM-вещания, с помощью системы RDS (radio data system). В целом, дополнительные услуги начинают приносить реальную прибыль только после разработки набора соответствующих интерфесов и приложений, а также адаптации услуг к потребностям абонентов.

Стоимость запуска и эксплуатации DAB-канала с 20-ю программами "на борту" в пересчете на программу окажется дешевле, чем запуcк одной ЧМ-программы. Но вещателю не нужна "вечная игла для примуса", у него нет двадцати программ. Для формирования пакета вещатели, привыкшие работать поодиночке, должны собираться в группы. Кроме того, им приходится получать частотное присвоение в весьма дефицитном диапазоне, в то время, как УКВ-диапазон до недавнего времени не был перегружен.

В результате изложенного развитие DAB-сетей шло очень медленно, цены на приемники оставались неоправдано высокими, что в свою очередь, тоже не способстовало распространению DAB-вещания.

Но года полтора назад ситуация начала меняться сразу по нескольким направлениям.

Во-первых, произошел скачок развития DAB в Великобритании. Эта страна часто становиться европейским полигоном для отработки новых вещательных технологий, и DAB в этом отношении не стал исключением. Результатом скачка стал рост производства приемников в Великобритании и, соответственно, снижение их стоимости. Сейчас DAB-приемник уже можно купить там по цене около $100.

Некоторое оживление DAB-вещания произошло и на континенте. Так, в прошлом году стопроцентное покрытие DAB-передатчиками достигнуто в Дании, и о выборе DAB в качестве аудиостандарта объявило сразу несколько стран.

Тем не менее, покрытие Европы DAB-передатчиками остается фрагментарным, а некоторые регионы, в том числе отдельный земли в Германии, снизили субсидии на развитие DAB.

Серьезным препятствием распространению DAB по прежнему является отсутствие единой европейской стратегии развития DAB-вещания. Прорыва в этом направлении можно ожидать после завершения европейской региональной конференции радиосвязи по планированию сетей цифрового вещания. На первой сессии этой конференции, которая прошла в мае этого года, среди прочего, наконец был определен согласованный частотный диапазон для DAB-вещания — 174-230 МГц. Во время второй сессии предполагается определить конкретные частотные присвоения для территорий, рассматриваемых в рамках конференции. К ним, в частности, относится и территория России.

Когда в 1999 г. Минсвязи РФ разрабатывало стратегию 15-летнего перехода на цифровое радиовещание, она была ориентирована на DAB. Был поставлен вопрос о выделении частоты для развертывания опытной зоны DAB-вещания, а также начале разработок отечественного DAB-оборудования. Однако во время европейской стагнации DAB, РАСУ (Российское Агентство по Системам Управления) прекратило финансирование этих проектов.

Возможно, после того, как будет достигнута определенность с частотным спектром, финансирование возобновиться. Во всяком случае, в ИРПА им. Попова не теряют надежды, что институт сможет организовать запланированную зону DAB-вещания под Петербургом.

За время стагнации DAB-вещания сама технология в некоторых отношениях успела устареть. Во-первых, в ней заложена не самая эффективная система аудиокомпрессии, а, во-вторых, структура потока оказалась слишком громоздкой и, по современным понятиям, недостаточно гибкой. Кроме того, за время существования DAB появились и получили развитие несколько новых коммуникационных направлений, интеграция которых с DAB может дать интересные результаты. В частности, это Интернет (IP-технологии, потоковые медиа, контроль за авторскими правами, механизмы безопасности), мобильные телекоммуникации и интерактивное вещание (MHP, TV-Anytime). В связи с этим WorldDAB Forum, заменивший консорциум Eureka-147, активно занимается сейчас модернизацией стандарта и поисками новых путей его применения. Эксперты прогнозируют, что в будущем доля радиовещания в загрузке DAB-каналов составит только 30-40 %, а большая часть их ресурсов будет использоваться для передачи других услуг.

Одно из перспективных направлений над которым работает DAB Forum — разработка шлюзов IP — DAB, позволяющая использовать DAB для доставки IP-потоков к стационарным и мобильным терминалам. По мнению экспертов DAB может рассматриваться, как более дешевая альтернатива IEEE 802.11, пригодная для передачи приложений, не требующих высоких скоростей. Транспортная структура IP/DAB может применятся для трансляции для аудио- и видеопотоков в форматах компрессии MPEG-4 и Windows Media -9. В Китае и в Корее сейчас проводятся активные эксперименты по использованию DAB-каналов для передачи видеоизображений. В стадии разработки находится также радиоверсии MHP и систем условного доступа.

Рассматриваются и различные варианты применения DAB в системах мобильной телефонии. Операторы сети могут, например, использовать DAB-каналы для многонаправленных и вещательных рассылок, информационных SMS. Ресурсами этих каналов могут также пользоваться сторонние компании и электронной коммерции. И, конечно же, интеграция с DAB-каналами создаст благоприятные условия для внедрения асимметричных услуг Интернет. Эксперименты подобного рода уже довольно давно проводятся в Германии и Скандинавии. У самих операторов мобильных сетей и производителей телефонов противоречивое отношение подобной конвергенции. С одной стороны, добавление в мобильник DAB-тюнера сильно увеличит его стоимость и потребление от аккумулятора. Кроме того, усложнится структура организационно-правового регулирования такой сети.

С другой стороны, в условиях жесткой конкуренции перспектива добавления услуг, привлекательных для абонентов, для многих операторов перевешивают технические и организационные сложности такого решения. В частности, российский оператор МТС сейчас рассматривает возможность своих инвестиций в разработку отечественного интегрированного оборудования.

DAB- поток включает три составляющих: SC (Synchronisation Channel) FIC (Fast Information Channel) и MSC (Main Information Channel). SC-канал синхронизации переносить метки времени, необходимые для синхронизации приемника (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Структура DAB-канала

Основная функция FIC, структура которого состоит из FIBs (Fast Information Blocks) — передача служебной информации, позволяющей приемнику правильно прочитать данные, передаваемые в MCS. Основная часть управляющей информации это MCI (Multiplex Configuration Information), определяющая структуру мультиплексированного потока и параметры кодирования составляющих потока. Помимо этого в FIC может передаваться SI (Servise Information), служебная информация для систем условного доступа (CA) и FIDC (Fast Information Data Channel). Для обеспечения быстрой и в то же время оперативной передачи информации MCI, FIC передается без временного перемежения, но с высоким уровнем помехоустойчивой защиты.

MSC переносит содержательную часть DAB-потока. Это могут быть аудиопрограммы, сопровождающая их информация, а также различная дополнительная информация, не связанная с содержанием программ. MSC разбит на подканалы, каждый их которых используется для передачи определенных потоков или услуг.

В рамках MSC данные могут передаваться в двух режимах: пакетном или потоковом. Если подканалу задан потоковый режим, то на нем обеспечивается непрерывная, фиксированная по скорости, передача одного потока.

В пакетном режиме один подканал может использоваться для передачи нескольких услуг.

В качестве помехоустойчивого кодирования данных MSC используется кодер Витерби, а также временное и частотное перемежение данных.

IBOC

IBOC — это американский вариант стандарта DAB. Основным отличием от Eureka-147 является то, что стандарт ориентирован на передачу цифровых трансляций совместно с аналоговыми. Существующий спектр радиоканалов средневолнового и УКВ-диапазонов уплотняется "цифровым " несущими, размещаемыми по бокам от "аналоговой " несущей. Между аналоговыми каналами в радиосетке США предусмотрены зазоры шириной 100 кГц, именно эти зазоры и заполняются маломощными цифровыми сигналами, каждый из которых занимает полосу 50 кГц (рис. 1.2).

Цифровые сигналы достаточно слабы, чтобы не создавать помех аналоговым, а для исключения интерференционного воздействия аналоговых сигналов на цифровые используется специальная техника отстройки.

Стандарт предусматривает использование более современной, чем в Eureka-147 системы компрессии — MPEG ААС, а в качестве системы модуляции используется COFDM /QPSK. IBOC разработан для возможности плавного перехода вещателей от аналога к цифре и должен уберечь их от финансового риска. Использовать цифровую поднесущую для передачи программ, отличных от передаваемых на аналоговой несущей, запрещено законодательством. Однако можно добавлять различную дополнительную информацию. На цифровых поднесущих иногда передаются короткие mp3 файлы или сводки новостей и погоды.

Рис. 1.2. Размещение сигнала IBOC в спектре

ISDB

По отдельному пути пошла и Япония, которая в качестве основного стандарта для передачи радио приняла тот же ISDB, который используется для ТВ-трансляций. Стандарт ISDB отличается большей высокой гибкостью, нежели DVB, и позволяет оптимизировать параметры транспортного потока под самые разные задачи. Едва ли он будет применяться где-нибудь еще, но Японии при ее уровне электронной промышленности такая изоляция не страшна. Характерно, что японские компании — одни из главных мировых поставшщиков приемников для Eureka-147.

DVB

Цифровое радиовещание в рамках DVB — дело достаточно перспективное. Во всяком случае, об этом говорит опыт Великобритании, где получил развитие и DAB, и все варианты цифрового ТВ — DVB-T/S/C. Анализ ситуации в этой стране показал, что подавляющее большинство англичан принимают цифровые радиотрансляции именно на телевизор, и число таких слушателей неуклонно растет. Люди чаще всего покупают цифровые телевизоры или приставки исключительно для приема телевидения, а через некоторое время обнаруживают, что это оборудование позволяет с таким же успехом принимать и радио. Если говорить о DAB, то наибольшим спросом в Великобритании пользуются как раз портативные "кухонные" приемники, вместо которых можно использовать и небольшие "кухонные" телевизоры.

DARS

Что касается мобильного цифрового радио, актуального в первую очередь в автомобилях, то оно получило наибольшее распространение в США, где сейчас развивается два проекта: XM Satellite Radio и Sirius Satellite.

История спутникового радио в Америке началалась 1992 г., когда FCC выделил для цифрового радиовещания спектр в S-диапазоне. Лицензии были куплены двумя компаниями, которые и реализовали упомянутые проекты. Оба пакета занимают полосу около 12.5 МГц, в которой с использованием временного мультиплексирования передается более 100 каналов.

Простейшие приемники для обеих систем стоят меньше $100.

ХМ Radio начало вещание в сентябре 2001 г. и на сегодняшний день является более удачным маркетинговом и коммерческом отношениях. У него имеется около 2 млн подписчиков, и абонентская плата за полный пакет программ составляет около $10. Помимо сотни музыкальных и информационно развлекательных каналов, ХM-радио предлагает своим слушателям 21 специализированный канал с информацией о погоде и дорожном движении. На музыкальных каналах реклама отсутствует, а на других представлена в минимальной объеме. Музыкальные программы сопровождаются информацией о названии композиции, исполнителях и жанре, которая выводится на дисплей приемника.

XM-радио вещает с двух геостационарных спутников — Roll и Rock, а также имеет резервный спутник, который, при необходимости, может заменить любой из двух действующих. Программы, вещаемые со спутников, поступают на наземные ретрансляторы, которые покрывают участки территории, находящиеся в тени спутниковых лучей. На случай попадания автомобиля на небольшие участки, недоступные и наземным ретрансляторам, например, в тоннели, в приемном тракте предусмотрен буфер, постоянно сохраняющий небольшой объем получаемой трансляции, что позволяет не прерывать выходной аудиопоток при кратких перерывах в приеме сигнала.

Существуют и портативные версии приемников XM Radio, однако ставка сделана все-таки на прием в автомобилях. Компания заключила договор с крупнейшим американским автомобильным концерном General Motors, который инвестировал в проект около $100 млн включает и теперь комплектует свои новые модели приемниками AM/FM/XM.

Для вещания в используется 3 спутника с эллиптическим орбитами, и один спутник имеется у них в резерве. Строго говоря, Sirius использует смешанную спутниково-эфирную передачу. Передаваемый поток делится на три части, две из которых передаются через спутник использованием QPSK-модуляции, а третья часть — через сеть эфирных передатчиков с использованием COFDM-модуляции.

Полного описания используемых технических решений не раскрывает ни та, ни другая компания. В качестве сильной стороны своей технологии Sisrius отмечает применение статистического мультиплексирования потока, а XM Radio гордится применением системы компресиии CT-aacPlus, представляющей собой комбинацию системы компресии AAC и механизма Spectral Band Replication (SBR), разработанного Coding Technologies.

Однако качество сигналов ни в той, ни в другой системе у абонентов нареканий не вызывает.

Единственный на сегодня спутниковый проект непосредственного радиовещания на Африку Азию и Европу также реализован в США. Его задача — создать спутниковую радиосеть для бедных государств, население которых не способно оплачивать услуги спутникового телевидения, но может себе позволить приобрести недорогую систему c малогабаритной слабо направленной антенной для приема каналов спутникового радио.

Технология формирования потоков достаточно гибкая, она позволяет в рамках выделенного частотного ресурса передавать либо большее количество более низкого качества, либо повысить качество передачи за счет снижения количества каналов. Максимально, транспондером с полосой 40 МГц может быть передано 96 моноканалов со скоростью 16 кбод каждый.

В настоящее время группировка WorldSpace включает 2 спутника, покрывающие территорию Африки и Азии, Ближнего Востока и южную части Европы. Следующий спутник предполагается разместить над Южной Америкой. Нынешние спутники имеют по три транспондера, каждый из которых передает более 40 радио- и мультимедийных каналов. Вещание ведется в L-диапазоне (полоса 1.45-1.49 ГГЦ) с использованием DQPSK-модуляции и системой компресии MPEG 2.5 уровень 3.

С каждого транспондера вещается по два пакета программ, мультиплексированых по времени. На спутник программы могут приходить как в пакетах (TDM), так и виде отдельных FDM-потоков, что позволяет объединять в пакете программы формируемые в разных географических точках.

Проект был начат в октябре 1998 г., и уже сегодня можно с определенностью сказать, что коммерчески он себя не оправдал: за время его существования к сети подключилось всего 350 000 абонентов. Ежемесячной платы за получение пакетов World Space нет, а инвестиции преполагалось вернуть за счет рекламы, что достаточно сложно при такой немногочисленной и разноплановой аудитории. Но поскольку проект преследует не столько коммерческую, но и социальную цель, он продолжает свое существование.

DRM

Консорциум DRM (Digital Radio Mondiale) был создан в 1998 г., сейчас в его состав входит более 80-ти компаний. В июне прошлого года было официально объявлено о начале регулярного вещания в DRM, и сейчас свои программы передают в этом формате уже более 60-ти радиокомпаний. Среди них — российский радиоканал "Голос России", ежедневно выходящий эфир в диапазоне коротких волн поочередно на русском, английском, немецком и французском языках.

DRM предназначен для использования в диапазонах ниже 30 МГц, в первую очередь СВ и КВ. В этих диапазоны сегодня загружены очень слабо, а качество радиосигналов, которые еще можно поймать на этих частотах, оставляет желать лучшего. В тоже время эти диапазоны по дальности распространения могут конкурировать со спутниками. Это достоинство особенно актуально для России с ее огромными пространствами и низкой плотностью населения. Сигнал DRM, в отличие от DAB, можно передавать с помощью большей части традиционных аналоговых передатчиков, в которых меняется только модулятор. С совместимость с существующими передатчиками обеспечена использованием в DRM тех же частот и стандартная полосы канала 9-10 кГц. Для перспективного развития DRM-вещания формат предусматривает также возможность использования полосы вдвое уже (4.5-5 кГц) или вдвое шире (18-20 кГц) стандартной.

В качестве метода модуляции в DRM, как и в стандартах эфирного вещания, используется метод COFDM. Так как формат разрабатывался относительно недавно, то в нем заложены возможности использования как более ранних, так и последних, наиболее эффективных систем компрессии, в том числе и MPEG -4 AAC с применением SBR, признанный оптимальным на сегодняшний день для низкоскоростного кодирования.

Подробное описание системы компрессии и методов помехоустойчивого кодирования и структуры DRM-потока будет представлено ниже.

Отметим только, что стандарт предусматривает гибкие возможности помехоустойчивого кодирования, схема которого выбирается в зависимости от диапазона и условий передачи.

Физика передачи радиотрансляций в нижних диапазонах делает их очень зависимыми от времени суток и погодных условий, в том числе от состояния ионосферы. Трансляции DRM не являются исключением в это отношении, но цифровая технология передачи сигнала в сильной мере позволяет обойти эти сложности, в первую очередь за счет оптимального подбора параметров транспортировки сигнала — ширины полосы, схемы модуляции, длительности защитного интервала и глубины помехоустойчивого кодирования. Переход на цифру облегчает также саму процедуру подбора оптимальных парметров. Если за качеством аналоговых трансляций приходилось следить специально обученным экспертам, определявшим причины некачественного приема, то с переходом на DRM этот процесс может быть практически полностью автоматизирован. За время опытного вещания было разработано ПО, позволяющее круглосуточно собирать и анализировать информацию о количестве и характере ошибок в заданные интервалы времени. Для полноты анализа информация собирается из нескольких точек.

В сетях DRM предполагается также использовать многочастотное вещание, которое позволит приемнику с функцией поиска, автоматически настраиваться на волну с оптимальным сигналом.

DRM и DAB не столько конкурирующие, сколько дополняющие друг друга технологии. Костяк обоих организаций составляют одни и те же компании, и посему они сочли за лучшее координировать свои усилия по развитию обеих систем. Среди прочих пунктов договора есть планы выпуска совмещенных приемников DAB-DRM.

1.7. DAB+

Профиль MPEG-4 High Efficiency AAC представляет собой комбинацию MPEG AAC и дополнения SBR Bandwidth Extension. Дополнение базируется на технологии SBR (Spectral Band Replication), разработанной компанией Coding Technologies. Ценность профиля была признана специалистами MPEG, и сегодня этот профиль рассматривается как ключевой для кодирования звука по стандарту MPEG-4, получив название High-Efficiency AAC и составляющий отличие DAB от DAB+..

MPEG-4 High Efficiency AAC (HE-AAC) — это не замена AAC, а скорее дополнение, которое расширяет возможности высококачественного звука MPEG-4 на гораздо более низких скоростях потока. Декодеры High Efficiency AAC будут декодировать как обычные потоки AAC, так и улучшенные AAC с SBR. В результате получается дополнение с обратной совместимостью со стандартом, которое практически удваивает эффективность кодирования звука в соответствии с MPEG-4.

SBR представляет собой оригинальную технологию расширения полосы пропускания, позволяющую звуковым кодекам обеспечить те же самые слуховые ощущения при почти вдвое сниженной скорости потока. В результате при помощи High Efficiency AAC достигается CD-качество стереозвука при 48 кбит/с и высокое качество звука 5.1 surround при 128 кбит/с. Этот уровень эффективности является более чем достаточным для доставки контента через Интернет и дает возможность реализации новых приложений на рынке мобильного и цифрового вещания.

Мобильное потоковое вещание и загрузка. С новыми сетями обеспечения мобильных услуг 2.5G и 3G связано и появление серьезных ожиданий в плане реализации мобильных услуг мультимедиа. Потоковое видео и другие широкополосные услуги уже довольно широко демонстрируются как очень удачное воплощение новых инфраструктур. Проблема состоит в том, что для большей части территорий пиковая полоса пропускания этих сетей обычно составляет около 144 кбит/с, притом каждый индивидуальный пользователь имеет скорость подключения 40 кбит/с. Доставка качественного видео по таким каналам связи весьма проблематична и может не оправдать ожиданий пользователей. HE-AAC хорошо подходит для решения этой проблемы, поскольку позволяет обеспечить пользователя возможностью загрузки видео приемлемого качества и потоковым звуковым вещанием при доступных уже сегодня каналах. HE-AAC с потоком 48 кбит/с обеспечивает качество стереопрограмм на уровне компакт-диска, а при потоке 32 кбит/с качество звука хоть и не достигает этого уровня, но остается высоким. Такие скорости потока в сочетании с ростом рынка платной подписки на аудиоуслуги говорят о том, что в мире рождается новый мощный бизнес.

Цифровое вещание по спутниковым и кабельным каналам. High-efficiency AAC заняло свое место в мире открытых стандартов для цифрового вещания по кабельным и спутниковым каналам. Поскольку операторы ищут возможность поднять уровень своих услуг путем либо увеличения числа транслируемых каналов, либо повышения разрешения, эффективность HE-AAC дает им больше возможностей в плане консолидации полосы пропускания для звука, чтобы высвободить ресурсы для видео или обеспечить в той же полосе большее число звуковых каналов для многоязыкового вещания, а также вещания в стандарте 5.1 Surround. Поскольку Spectral Band Replication (SBR) также была добавлена в стандарт MPEG-2, операторы получили возможность маневра в применении HE-AAC в сочетании с MPEG-2 или MPEG-4.

Распределение по Интернету. Видео по запросу и другие платные услуги приобретают в Интернете все большее распространение. При предоставлении этих услуг ограничения, накладываемые скоростью работы серверов и шириной канала так называемой «последней мили», создают операторам и владельцам технических средств проблемы в обеспечении своих клиентов высоко-качественными и надежными услугами. Стандарт MPEG-4 почти вдвое снижает требования к полосе пропускания, что позволяет уменьшить стоимость и повысить качество услуг доставки контента по Интернету.

Благодаря тому, что HE-AAC является последователем AAC в плане совместимости с решениями по управлению правами на контент и не требует дополнительной платы за распространение контента, становится возможным создание безопасного и экономичного транспорта для доставки звукового и аудиовизуального контента по сети Интернет.

Технология SBR. Технология SBR, или Spectral Band Replication, была разработана компанией Coding Technologies как общий метод существенного повышения эффективности таких распространенных кодеков, как MPEG Layer-3 (MP3) и MPEG AAC. SBR не подменяет ядро кодека, а скорее работает в связке с ним, позволяя организовать более эффективный процесс кодирования и почти вдвое уменьшить скорость потока. Кодек MPEG-4 Audio использует SBR в сочетании с AAC, благодаря чему создается профиль High-efficiency AAC, названный aacPlus компанией Coding Technologies.

Участвуя в процессах кодирования и декодирования, SBR обеспечивает корреляцию между низко- и высокочастотным составляющими звукового сигнала и использует ее для высококачественного описания этого сигнала с применением очень малого объема данных.

Данные SBR, описывающие высокочастотную составляющую, объединяются со сжатыми низкочастотными данным, полученными от AAC. Будучи объединенным таким образом, поток HE-AAC содержит достаточный объем данных для воссоздания исходного сигнала.

Например, для получения сжатого при помощи HE-AAC потока стереозвука 48 кбит/с кодер генерирует два сигнала: сигнал MPEG AAC со скоростью около 42 кбит/с и сигнал SBR со скоростью около 6 кбит/с. Затем сигнал SBR помещается в дополнительные поля сигнала MPEG AAC в соответствии с тем, как это определено стандартом MPEG-4, и результирующий сигнал передается уже как полный поток MPEG-4 HE-AAC 48 кбит/с (рис. 1.3).

Рис.1.3. Структура кодека MPEG-4 HE AAC (интеграцию SBR и AAC)

Поскольку данные SBR располагаются в дополнительных полях AAC, улучшенный сигнал может быть принят как существующими декодерами AAC, так и новыми декодерами HE-AAC. Если поток отправляется на декодер AAC, то опознан и декодирован будет только низкочастотный звуковой сигнал. Если же получателем выступает декодер HE-AAC, оба сигнала (SBR и AAC) будут декодированы с воссозданием полного исходного сигнала. Эта технология делает новый профиль прямо совместимым с AAC. Кроме того, поскольку HE-AAC содержит полнофункциональный декодер AAC, есть возможность декодирования потоков, соответствующих как «простому» AAC, так и High Efficiency AAC профилям MPEG-4 Audio. Эта комбинация делает HE-AAC обратно совместимым с AAC.

Преимущества DAB + включают:

• Больше станций может быть мультиплексировано

• Больший выбор станции для потребителей

• Более эффективное использование радио-спектра

• Более низкая стоимость передачи для цифровых станций

• Новые приемники, совместимые назад с существующим Аудио MPEG

• Совместимость с существующими системами мультимедийных услуг

• Доставка Audio по требованию

• Оптимизация для on-line радиопередач

• Возможность эффективной работы в сетях IP.

Учитывая, полученные в данном разделе результаты, более подробно рассмотрим системы DAB и DRM.

Глава 2.

ЦИфровое наземное радиовещание DAB

2.1. Организация цифровых потоков

2.2. Режимы передачи

2.3. Основные параметры системы

2.4. Кодирование звуковых сигналов

2.5. Качество звука и количество звуковых программ

2.6. Модуляция и формирование сигнала передачи

Системное построение и технические характеристики системы Eureka-147/DAB в ее наземном варианте T-DAB регламентированы в принятом в 1995 и дополненном в 1997 г. европейском телекоммуникационном стандарте ETS 300 401. В документах МСЭ система T-DAB в посвященной ей рекомендации BS.1114-1 классифицируется как цифровая система А.