Цифровое радиовещание. Вопросы и ответы

Уже без малого сто лет прошло с того дня, когда в конце декабря 1906 года со станции "Брант Рок" (штат Массачусетс, США) была осуществлена передача первой в мире радиовещательной программы, в которой можно было услышать речь, музыку и пение. В течение всего последующего времени радиовещание непрерывно совершенствовалось: менялись технологии и оборудование, росло качество передачи звуков, но, в отличие от своего дискретного "прародителя" - радиотелеграфа А. С. Попова - радиовещание до совсем недавнего времени всегда оставалось чисто аналоговым. Действительно, радиовещание сегодня представляет собой, пожалуй, последний раздел рынка потребительской электроники, где массовый переход к цифровым технологиям только начинается. Вместе с тем, настоятельная необходимость перевода вещания от аналогового режима к цифровому обусловлена всем нынешним мировым прогрессом в области цифровой техники и нарастающим процессом слияния компьютерных технологий, средств связи, вещания и информационных служб в единую интерактивную цифровую систему. Под действием этих процессов уже сейчас становится вполне очевидно, что вскоре общество будет иметь совсем другое радиовещание, совершенно не такое, каким мы его знаем теперь. В результате внедрения цифровых технологий радиовещание, как средство массовых коммуникаций, неминуемо претерпит не только глубочайшие технические, структурные и качественные изменения, но и получит дополнительный импульс для творческого развития радио как искусства общения со слушателями, обусловленный появляющимися новыми уникальными возможностями непосредственного интерактивного обмена информацией с аудиторией.

Сегодня цифровое радиовещание (ЦРВ, или DRB - digital radio broadcasting) стало областью, к которой привлечено повышенное внимание практически во всех промышленно развитых странах мира. Какие же основные преимущества отличают цифровое радиовещание от традиционного аналогового?

Возможности цифрового радио

Независимо от особенностей различных технологий, всему цифровому радиовещанию, по сравнению с аналоговым, присущ целый ряд достоинств.

Прежде всего, это возможность передачи в радиопрограммах "цифрового" звука с "качеством компакт-диска". При этом наиболее заметное различие в качестве достигается по сравнению с радиопрограммами, передаваемыми в диапазонах длинных (ДВ), средних (СВ) и коротких (КВ) волн в режиме амплитудной модуляции (АМ).

Более надежным и уверенным оказывается и прием радиосигналов, особенно для мобильных слушателей, то есть, в автомобилях, поездах, на судах и т. п., что делает их одной из наиболее перспективных и многочисленных групп потребителей услуг ЦРВ. Причины этого кроются в том, что при мобильном приеме наибольшие неприятности доставляют интерференция (наложение) радиоволн, исходящих от одного источника, вследствие множественного переотражения сигналов в процессе распространения, а также доплеровский эффект, приводящий к изменению длины волны в зависимости от скорости движения приемника относительно передатчика. Цифровые же методы передачи сигналов позволяют применять помехоустойчивое кодирование, что обеспечивает возможность правильного восстановления переданной информации после воздействия помех. Кроме этого, цифровые приемники способны автоматически выбирать наиболее мощный сигнал.

Цифровое радиовещание также обеспечивает возможность передачи дополнительной информации, например, в форме программ "радио мультимедиа", сочетающих звуковую, видео, графическую, текстовую и другие виды информации. Благодаря этому на экране цифрового приемника могут, отображаться сведения о радиостанции (название, страна, язык вещания, вид программ), или сопроводительная информация к идущим радиопередачам (названия исполняемых произведений, авторы, тексты песен, субтитры, картинки и т. д.). Может передаваться и вполне самостоятельная информация - новостные ленты, котировки акций, положение на дорогах, прогнозы погоды и т. п. При этом, так как в системах ЦРВ относительно просто обеспечивается адресный прием информации, в цифровых радиоприемниках могут реализовываться и функции пейджеров. Кроме этого, цифровая передача обеспечивает достаточно простые и надежные методы "закрытия" каналов, что позволяет легко реализовывать системы платного приема радиопрограмм. Наконец, ЦРВ несет в себе весьма перспективный потенциал интеграции с компьютерами и сотовой телефонией.

Небезынтересной для автомобилистов может быть и возможность органичной интеграции приемников цифрового радиовещания и спутниковых систем глобального позиционирования GPS и ГЛОНАСС. Дело здесь заключается в том, что во многих странах для цифрового радиовещания выделен почти тот же диапазон радиоволн, что и в указанных системах позиционирования. Поэтому прием всех этих сигналов оказывается возможен с помощью общих приемников и антенн.

Весьма важным является и более эффективное использование системами ЦРВ радиочастотного спектра: в полосе частот стандартной УКВ ЧМ (FM) радиостанции цифровыми методами может одновременно передаваться до 6 стерео или от 12 до 18 монофонических звуковых программ.

Есть и другие преимущества, связанные с конкретными особенностями стандартов ЦРВ: передача сигналов одной радиопрограммы сразу через целую сеть станций, работающих без взаимных помех на одной и той же частоте, возможность параллельного приема сигналов как на высококачественные цифровые, так и на старые аналоговые приемники и пр.

К числу недостатков цифрового радиовещания можно отнести существенно большую сложность процессов обработки сигналов в радиоприемнике, что может отражаться на его стоимости. Но в современную эпоху широкого развития высокотехнологичной микроэлектроники данное обстоятельство оказывается не очень важным: все преобразования реализуются с помощью специализированных микросхем и в итоге приемник становится состоящим всего из нескольких недорогих узлов.

История развития

Предпосылки к возникновению массового цифрового радиовещания сложились в начале 80-х годов двадцатого века. Именно тогда, с одной стороны, получила признание технология цифровой записи на компакт-дисках (созданная в 1982 году в результате плодотворного сотрудничества компаний Sony и Philips), а с другой - вовсю развивались методы цифровой передачи и приема в радиосвязи. В этих условиях появление цифрового радиовещания напрашивалось само собой, и один из удачных вариантов такой технологии был разработан в 1981 году в западногерманском Institut fur Rundfunktechnik (IRT). Впоследствии (с 1987 года) британским медиагигантом British Broadcasting Corporation (BBC), стал развиваться проект Eureka 147, в реализации которого приняли участие и другие вещательные корпорации Европы, научные центры и производители электронного оборудования.

Но исследования в области технологий цифрового радиовещания велись не только в Европе. Так, например, в нашей стране еще в начале 80-х годов группой организаций под руководством ИРПА им. А. С. Попова (Санкт-Петербург), включающей ВНИИТР, ЛОНИИР, ЛОНИИС, НИИРадио и другие исследовательские и учебные институты, разрабатывался проект отечественной системы цифрового радиовещания. Интенсивные разработки в этой области велись и в США. В результате всех этих работ на рубеже 1980-1990-х годов было создано сразу несколько технологий цифрового радиовещания. А в 1992 году состоялись первые экспериментальные цифровые передачи в Париже (Франция), а также натурные испытания системы цифрового радиовещания "USA Digital Radio" в г. Цинциннати (штат Огайо, США). С середины 90-х цифровой звук стал использоваться и в спутниковых программах цифрового телевидения, а первое регулярное цифровое наземное радиовещание началось в Швеции в 1996 г. с применением системы Eureka 147.

Пока темпы внедрения цифрового вещания в мире можно назвать не очень высокими и для его повсеместного распространения потребуется еще не один год, однако по некоторым оценкам уже в 2003 году цифровыми приемниками в Европе будет владеть не менее 1% населения, а в США - еще больше.

Существующие технологии цифрового радиовещания

Технически, все созданные к настоящему моменту системы ЦРВ можно разделить на две группы: системы, для функционирования которых необходимо выделение отдельного частотного диапазона, свободного от других радиосигналов, и системы, для которых это не обязательно. Наиболее ярким представителем первой группы является европейская система "Эврика-147/DAB", пригодная для организации наземного, спутникового и кабельного вещания. Ко второй группе могут быть отнесены системы типа IBAC/IBOC, созданные в США и проект DRM, разработанный в Европе. Эти системы предназначены для работы в уже существующих вещательных диапазонах параллельно с действующими там аналоговыми АМ- и ЧМ-радиостанциями.

УКВ система "Эврика-147 DAB"

Система цифрового радиовещания DAB (Digital Audio Broadcasting), или "Цифровая система A" по классификации Европейского Радиовещательного Союза (European Broadcasting Union - EBU), была разработана в рамках международного исследовательского проекта Eureka 147. Его участниками стали около 50 фирм и организаций из Великобритании, Германии, Франции, Голландии, Италии, Швеции, Швейцарии, Норвегии, Финляндии, Японии, Канады, США и ряда других стран. В 1995 г. в состав участников проекта, по представлению институтов-лидеров проекта - IRT (Германия) и ССЕТТ (Франция), был принят российский Институт РадиоПриема и Акустики (ИРПА) им. А. С. Попова. Целенаправленные исследования по проекту Eureka 147 были начаты в 1987 году под эгидой ЕС, а основу DAB составила система, разработанная в 1981 году в западногерманском Institut fuer Rundfunktechnik (IRT). Для детальной проработки различных аспектов DAB-технологии в октябре 1995 г. был учрежден WorldDAB Forum, включивший уже более 100 участников. Примерно в это же время в разных странах начали проводиться и опытные передачи программ эфирного цифрового радио, а о начале коммерческих эфирных трансляций в стандарте DAB официально было объявлено в августе 1997 г. на берлинской выставке IFA.

Структурное построение и основные технические характеристики системы "Эврика-147 DAB" были регламентированы в принятом в 1995 г. и дополненном в 1997 г. Европейском телекоммуникационном стандарте ETS 300401. Впоследствии система DAB была принята 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) и Международным Союзом электросвязи - ITU (рекомендация RBS.1114-1). На данный момент DAB приняли не только страны Европы, но и Канада, Китай, Индия, Австралия и ряд других государств.

В настоящее время "Эврика-147/DAB" является наиболее совершенной и фактически единственной реально широко внедренной из всех разработанных систем ЦРВ для диапазона УКВ.

Теоретически, для работы систем наземного вещания T-DAB пригоден очень большой спектр радиоволн метрового, дециметрового и сантиметрового диапазонов в интервале от 30 до 3000 МГц с допустимой шириной полосы частот одного цифрового канала в 3-10 раз больше, чем в аналоговом ЧМ радиовещании. Однако на большей части Европы, в Канаде, Австралии и ряде других стран используется часть L-диапазона в полосе 1452-1492 МГц (этот же диапазон в 1992 г. был рекомендован для наземного и спутникового ЦРВ и Международной радиоконференцией - World Administrative Radio Conference), а также диапазон 176-230 МГц (используется для вещания в Англии и некоторых других странах). Стандартная полоса частот одного цифрового канала составляет 1,54 МГц. Также возможно применение DAB и для телевизионных кабельных сетей и вещания со спутников. В этом случае каждый канал может занимать полосу шириной 7 МГц и служить для одновременной передачи до 16 различных стереопрограмм.

Среди особых технических преимуществ системы Эврика-147/DAB следует указать:

- высокое качество и естественность звуковоспроизведения, не уступающие компакт-дискам;

- высокую устойчивость к воздействию различных помех, позволяющую добиться стабильного приема сигналов наземного и непосредственного спутникового вещания на радиоприемники с ненаправленными антеннами в самых разных условиях: на открытых пространствах, в помещениях, и даже в автомобилях, при их быстром перемещении в городских районах со сложной многоэтажной застройкой;

- возможность параллельной передачи в полосе частот одного канала (1,54 МГц) сразу шести стереопрограмм, совместно с дополнительной информацией (от текста и графики до движущихся изображений), а также наличие специальных каналов для передачи информации ограниченному кругу пользователей в режиме пейджинга или каналов, закрытых паролем (данные и деловая информация, включая биржевые и полицейские сводки, шифрованные сообщения банков, страховых контор и других организаций своим филиалам и т. п.);

- существенно меньшие необходимые мощности передатчиков, а также способность создавать зоны обслуживания, рассчитанные на обеспечение локального, регионального и общенационального вещания, включая возможность охвата вещанием территорий любых размеров путем организации одночастотных сетей, состоящих из передатчиков, работающих в синхронном режиме на одной и той же частоте;

- возможность использования для реализации наземного, спутникового, гибридного и кабельного вариантов вещания единых универсальных приемников.

Детали технологии

На сегодня, радиовещательный стандарт DAB представляет собой уже целый комплекс различных структурных и технологических стандартов, определяющих способы передачи информации, области занимаемых трансляциями частот, набор сервисных услуг (а их общее количество уже исчисляется сотнями!), методы их предоставления и т. д. 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.

Как известно, формат MPEG Audio Layer 2, основан на технологии кодирования звуковых сигналов MUSICAM, построенной с учетом особенностей восприятия звуков человеческим ухом и позволяющей, практически в 10 раз, сократить объем передаваемой цифровой информации по сравнению с исходным. В результате принятых в MUSICAM преобразований, скорость первоначального цифрового потока порядка 1,4 Мбит/с, получаемого из входного звукового стереосигнала с шириной полосы 24 кГц, снижается до 192-128 кбит/с.

Для обеспечения возможности передачи в эфир сразу нескольких программ, в системе Eureka 147 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.

Как уже было отмечено, для передачи цифрового сигнала в эфир стандартом DAB определено использование относительно нового и очень эффективного способа модуляции COFDM. Такой метод модуляции обеспечивает уверенную защиту от многих видов помех радиоприему, включая такой страшный бич, как переотражения сигналов от окружающих объектов.

Сущность метода COFDM заключается в том, что для передачи цифровых данных одновременно используется очень большое количество несущих колебаний, а весь передаваемый цифровой поток распределяется по этим несущим. Подобное распараллеливание высокоскоростного потока цифровых данных по множеству отдельных "канальчиков" передачи приводит к пропорциональному снижению необходимой скорости передачи в каждом из них. А в этом случае возникает возможность использования для передачи информации сигналов, разделенных защитными временными интервалами, длительность которых будет больше любых реальных величин задержек переотраженных радиосигналов. Другими словами, в принимаемых импульсах всегда можно будет выбрать участки, свободные от наложения импульсов из переотраженных сигналов. Дополнительно в COFDM используется метод перемешивания (перестановки) отдельных блоков информации и исправления ошибок с помощью кода Рида-Соломона, что обеспечивает уверенную борьбу и со многими другими видами помех (пакеты импульсов, селективные замирания и т.п.).

Стандартом DAB, в зависимости от мощности транслируемого цифрового потока, предусмотрено использование от 192 до 1536 несущих, со скоростью передачи информации на каждой из них 2048 бит/с и длительностями блоков импульсов 24, 48 или 96 мс (режимы DAB I, II, III и IV). Особым достоинством метода модуляции COFDM является возможность создания одночастотных сетей (SFN), в которых трансляция программы на большую территорию идет параллельно через ряд передатчиков, работающих на одной и той же частоте. В таких сетях приемник получает сигналы сразу от нескольких передатчиков, приходящие с различной задержкой по времени. Если это сигналы приходят от близко расположенных передатчиков, то они просто складываются, обеспечивая возрастание итогового уровня полезного сигнала в приемнике. Сигналы же от более удаленных передатчиков, время задержки которых при распространении превышает длительность используемых импульсов, попадают в "защитный интервал" и не влияют на прием. Для реализации различных режимов работы, в системе Eureka 147 предусмотрено три варианта параметров COFDM: для использования в одночастотной сети, для локального вещания и для спутниковых трансляций.

Другие проекты систем ЦРВ

Несмотря на многочисленные достоинства системы Эврика-147/DAB, ее внедрение приводит к перестройке всей работы существующих радиовещательных служб, связанной с выделением новых диапазонов и разработкой новых частотных планов. Именно поэтому администрации и радиовещательные организации ряда стран, и в первую очередь США, пошли по пути попыток нахождения методов внедрения цифровых технологий без радикального изменения существующей системы вещания. В связи с этим, еще в 1991 году ряд компаний США выступили с предложением создать систему цифрового радиовещания, которая сможет работать совместно с существующими станциями ЧМ и АМ вещания "в полосе совмещенного канала" (In-Band On-Channel - IBOC). Технически суть данной идеи заключается в том, что, например, по существующим правилам в УКВ диапазоне 88-108 МГц каждый аналоговый частотно-модулированный (ЧМ, или в английской транскрипции - FM) канал занимает полосу в 200 кГц, а между полосами соседних по частоте станций предусмотрен "защитный" интервал шириной в 100 кГц. Его-то и решено было использовать для передачи сигнала ЦРВ, содержащего цифровой звук и данные сопроводительной информации. Вполне понятно, что в радиоканале с полосой 100 кГц можно организовать относительно помехозащищенный цифровой канал только с не очень большой пропускной способностью. Использование защитных интервалов с обеих сторон канала аналогового вещания, позволяет удвоить емкость цифрового канала, что, однако не спасает положение и все равно оставляет функциональные возможности такой системы весьма скромными.

Но, несмотря на очевидные, чисто физические, ограничения данного метода, уже к середине 90-х годов прошлого века различными компаниями был создан целый ряд подобных систем ЦРВ, предназначенных для работы в диапазонах УКВ и СВ. По результатам этих разработок, в 1995-96 годах под эгидой Ассоциации электронной промышленности США (Electronic Industry Association - EIA) были проведены лабораторные и полевые испытания шести вариантов таких систем, а также системы ЦРВ "Эврика-147/DAB".

Основной вывод, сделанный экспертной комиссией по итогам этих испытаний, безжалостно гласил, что из всех тестировавшихся систем только "Эврика-147/DAB" обеспечивает те параметры качества звучания и устойчивости приема сигналов, которые радиослушатели ожидают от новой службы цифрового звукового радиовещания, а остальные системы не рекомендуются для дальнейшего рассмотрения, как обладающие рядом фундаментальных недостатков...

Тем не менее, несмотря на такие результаты, работы в данной области не были прекращены, и в августе 2000 года в США даже родилась корпорация iBiquity Digital, как результат альянса компаний USA Digital Radio и Lucent Digital Radio - основных сил, продолжающих продвижение данной технологии цифрового радиовещания.

USA Digital Radio была плодом совместного сотрудничества медиакорпорации CBS и Westinghouse Electric Corporation, в 1991 году создавших совместное предприятие для развития технологии цифрового вещания IBOC DAB в рамках уже существующих AM- и ЧМ-диапазонов. В 1998 году USA Digital Radio была преобразована в самостоятельную независимую компанию, совладельцами которой стали крупнейшие вещательные корпорации США. Этой компании и принадлежат все ключевые патенты на технологию IBOC DAB, а также "фирменная" версия этой технологии под названием iDAB. В том же 1998 году и компанией Lucent Technologies было создано специальное подразделение радиовещательных технологий Lucent Digital Radio (LDR), нацеленное на развитие системы IBOC DAB в сочетании с собственной технологией компрессии цифрового аудиопотока с помощью, так называемого, "перцептуального звукового кодера" - Perceptual Audio Coder (PAC). В США деятельность по развитию технологий IBOC DAB поддерживается Федеральной комиссией связи, а в ноябре 2000 года и Международный телекоммуникационный союз официально утвердил систему IBOC DAB как "способную удовлетворять требованиям стандарта ITU на цифровое аудиовещание". Поэтому страны, намеревающиеся вводить цифровое вещание, удовлетворяющее стандартам Союза, могут опираться и на эту технологию.

В связи с этим уже сейчас можно считать, что в обозримом будущем цифровое радиовещание США будет развиваться скорее на основе технологии IBOC, не совместимой с "Эврика-147/DAB". Другими словами, в цифровом радиовещании избежать многостандартности, похоже, не удастся, и залогом этого являются продолжающиеся в США и в Европе разработки не совместимых между собой систем.

Сущность технологии IBOC

Для обеспечения совместимости (работы без заметных взаимных помех) каналов аналогового и цифрового вещания, в технологии IBOC предусмотрены два режима работы - гибридный и цифровой. В гибридном режиме и аналоговые и цифровые сигналы параллельно передаются через существующие аналоговые AM- и ЧМ-станции на одних и тех же частотах. В цифровом же режиме передача сигналов осуществляется на отдельных частотах, но в пределах стандартных полос AM- и ЧМ-каналов, что позволяет использовать другие частоты для работы цифровых или аналоговых вещательных станций. Одним из методов обеспечения качества приема в IBOC является применение специально разработанных способов многопотокового перцептуального кодирования - Multi-Streaming Perceptual Audio Coding (MSPAC). Принцип действия MSPAC заключается в том, что исходный цифровой поток делится на несколько меньших потоков, каждый из которых в отдельности обеспечивает определенный уровень качества звука. При увеличении числа суммируемых потоков качество звука повышается, а при суммировании всех потоков - достигается наивысшее качество. Существует несколько различных вариантов деления исходной информации на цифровые потоки, а минимизация ухудшения параметров сигнала в условиях замираний, интерференции и т. п. достигается путем оперативного выбора для обработки такой совокупности потоков, которая обеспечивает получение максимального доступного в данный момент качества.

Для модуляции в IBOC применяется та же технология передачи информации на многих поднесущих - COFDM. В гибридной ЧМ-системе поднесущие разнесены приблизительно на 200 кГц и модулируются методом четырехпозиционной фазовой модуляции QPSK. В цифровой ЧМ-системе комплексный сигнал (звуковая информация и различные данные) передается в центральной полосе и двух боковых. В AM-системе поднесущие разнесены по частоте на 137 Гц и сигналы COFDM размещены в центральной и боковых полосах спектра. В гибридном режиме занимаемая цифровой компонентой полоса в 20 кГц перекрывает существующие аналоговые AM-каналы, но ее передача идет на пониженной мощности. В цифровом режиме используется полная мощность передатчика. Для дополнительного повышения качества приема в условиях замираний, в гибридной AM-системе между сигналами различных боковых полос вводится некоторая временная задержка, приводящая к тому, что в разных каналах пакеты ошибок будут поражать разные участки потока данных, что может быть более надежно компенсировано работой системы помехозащитного кодирования. Гибридная AM-система может работать с разными цифровыми потоками. В первом режиме система оптимизирована на пропускную способность 48 кбит/с, во втором - на 32 кбит/с и в третьем - на 20 кбит/с (в этом случае качество звука находится примерно на уровне обычного аналогового AM- вещания). Цифровая AM-система работает с пропускной способностью 64 кбит/с.

Цифровое радиовещание в диапазонах ДВ, СВ и КВ

Самая старая, но достаточно надежная и предельно простая технология аналогового радиовещания с амплитудной модуляцией (АМ) и сегодня остается наиболее распространенной радиотехнической системой в мире. Сейчас уже около двух с половиной миллиардов радиоприемников на всех континентах принимают передачи тысяч национальных и международных станций на длинных (ДВ - 1-10 км), средних (СВ - 100-1000 м) и коротких (КВ - 10-100 м) волнах. Все эти диапазоны, расположенные на частотах до 30 МГц, предоставляют беспрецедентные возможности для обеспечения дальних радиопередач по эфиру. Но именно этим диапазонам присущ и наибольший уровень влияния шумов и помех, обусловленный самой физикой распространения радиоволн, влиянием ионосферы, магнитными бурями и т. п. Другими словами, внедрение цифрового вещания на длинных, средних и коротких волнах является одним из наиболее перспективных, но сложных направлений работ. По этим причинам в последние годы в мире существенно активизировались поиски оптимального цифрового формата для радиовещания в этих диапазонах. Наибольших успехов в исследовании и реализации различных цифровых систем модуляции в полосах АМ вещания достигли Англия, Германия, Франция, США. Россия принимает участие в испытаниях таких систем.

Консорциум DRM

Для объединения усилий специалистов и организаций из разных стран мира по созданию всемирного стандарта цифрового радио для диапазонов нынешнего АМ вещания, в 1996 году был создан международный некоммерческий консорциум Digital Radio Mondiale (DRM), включающий сейчас уже более 60 участников из 20 государств Европы, Азии и Америки. В DRM входят представители вещателей, операторов сетей связи, производителей электронных компонентов и приемо-передающего оборудования, регулирующие ведомства, вещательные союзы, университеты и исследовательские центры, а также Международный Союз Электросвязи (ITU). Членами DRM в настоящее время являются такие организации и компании как BBC, "Голос Америки", "Немецкая волна", "Радио Нидерландов", Deutsche Telecom AG, Merlin, Robert Bosch, Harris, RFI, Thomcast, Continental и многие другие. Россию в консорциуме DRM представляют Государственная радиовещательная компания "Голос России" и Главный центр радиовещания и связи (ГЦУРС).

Основным результатом нескольких лет деятельности DRM стал представленный в январе 2000 г. в ITU проект стандарта с описанием технологии (созданной в основном на базе системы Skywave-2000 французской фирмы Thomcast), предполагающей единое всемирное решение для организации ЦРВ в диапазонах АМ вещания и обеспечивающей реализацию совместимой вещательной системы, позволяющей использовать недорогие цифровые радиоприемники, а также существующий парк аналоговых радиоприемников и передатчиков.

Осенью 2001 года ITU рекомендовал своим членам использовать систему DRM.

Достоинства системы DRM

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.

Одним из серьезных преимуществ DRM является то, что 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. Но при этом, благодаря цифровизации радиовещания слушатели, например, коротковолнового диапазона получат качество звука, практически, не уступающее тому, которое сегодня имеется в диапазоне УКВ. Сейчас верхняя граница диапазона частот аудиосигнала в диапазоне КВ не превышает 4 кГц, а при цифровом вещании она составит от 10 до 15 кГц, и при этом все сегодняшние проблемы аналогового приема (замирания, помехи, интерференционные искажения и т. п.) - уйдут в прошлое. Кроме этого, высокая помехозащищенность цифровых сигналов уверенно обеспечивает качественный прием на носимые и возимые приемники, а также позволяет формировать меньше альтернативных каналов вещания на разных частотах, нежели чем при нынешней аналоговой технологии.

Наличие в составе сигнала DRM служебной информации позволяет придать радиовещанию новые функциональные возможности. Так, например, слушателю будет совсем не обязательно знать частоту, на которой вещает необходимая радиостанция, а достаточно будет всего лишь набрать на кнопочном пульте ее сокращенное название. При этом приемник сам найдет все нужные частоты и настроится на ту из них, условия приема на которой в данный момент оказываются наилучшими. В дальнейшем же приемник будет автоматически отслеживать условия приема на разных частотах, и выбирать ту частоту, где обеспечивается достижение наиболее высокого качества.

Решение задачи сохранения возможности использования существующих аналоговых приемников в технологии DRM достигнуто путем организации совместной передачи цифрового и аналогового вещательного сигнала. При этом владельцы всех обычных радиоприемников смогут продолжать принимать аналоговую программу, а цифровая - будет прослушиваться у них лишь как слабый высокочастотный шум.

Технические аспекты

Все основные технические решения для этой системы цифрового вещания (принципы сжатия звуковых сигналов, способы модуляции и т. п.) были разработаны в сообществе DRM.

В соответствии с исходными идеями, система должна вписываться в существующее распределение радиочастот, а для вещания в диапазонах ниже 30 МГц сейчас используются каналы с шириной полосы 9 кГц и 10 кГц. Из-за столь малой ширины полосы частот, скорость передачи информации в одном канале системы удалось обеспечить всего 24 кбит/с.

Для обеспечения высокого качества передачи звука на столь низких скоростях в DRM (в отличие от стандарта DAB, использующего аудиокомпресию по технологии MUSICAM - MPEG ISO уровень II), был выбран наиболее совершенный на сегодняшний день алгоритм кодирования натуральных звуков - MPEG4 AAC (Advanced Audio Coding), в сочетании со специальным методом повышения качества передачи верхних частот (который до этого в телерадиовещании вообще не применялся) - Spectral Band Replicatoin (SBR). Такой комплекс технологий позволил передавать аудиосигналы с частотами до 15 кГц.

Помимо аудиосигналов, в DRM могут также передаваться данные. Всего в сигнале DRM может быть до 4 (мультиплексированных воедино) различных цифровых потоков, каждый из которых переносит или звук или данные. Информация такого цифрового канала по времени разбивается на логические кадры, длительностью по 400 мс каждый.

Дополнительно к основному каналу передаются еще два сервисных канала ("скоростного доступа" - с информацией о параметрах кодирования, модуляции и т. п., а также канал описания услуг, содержащий программу передач, ссылки на альтернативные частоты и др.), которые мультиплексируются все вместе в транспортные суперкадры длительностью 1200 мс.

Основой организации цифрового радиоканала по проекту DRM является применение высокоэффективной цифровой модуляции COFDM, уже хорошо зарекомендовавшей себя при использовании в международных вещательных стандартах DAB и DVB. Однако при выборе ее параметров пришлось учитывать сразу несколько взаимосвязанных и противоречивых требований:

- защитный интервал обязательно должен быть длиннее самых больших задержек, возникающих при многолучевом распространении сигналов на КВ, однако, с позиций эффективности передачи, желательно, чтобы он не превышал 20% от общей длительности символа;

- в свою очередь, длительность символов может быть увеличена при увеличении числа несущих, однако количество несущих, которые могут быть размещены в полосе частот канала, ограничивается влиянием эффекта Доплера, возникающего при мобильном приеме (для малого влияния смещения частот на их ортогональность, необходимо, чтобы разность между ними раз в 20 превышала Доплеровское смещение частоты).

С учетом всех этих факторов было решено в полосе 9/10 кГц использовать всего около 200 несущих, а в качестве основных типов модуляции - приняты 64QAM и 16QAM (для обеспечения более высокой помехоустойчивости может использоваться QPSK).

Для целей помехоустойчивого кодирования применяется перемежение данных и сверточное кодирование, что позволяет восстанавливать сигналы при высоких уровнях помех и селективных замираний в радиоканале.

Стандартом предусмотрено четыре режима работы систем DRM, позволяющие на первом этапе внедрения передавать спектр, состоящий из цифровой части COFDM и обычной аналоговой АМ с двумя боковыми полосами, а на втором этапе - одну боковую полосу аналоговой АМ (именно за счет этого достигается совместимость с обычными АМ-радиоприемниками). Третий и четвертый - чисто цифровые режимы радиовещания - предусматривают прием только на специальные цифровые радиоприемники.

Тестовые испытания DRM

Первые в мире экспериментальные цифровые передачи на КВ начались в 1999 г., а в нашей стране - годом позже. Так в ноябре 2000 г. в одном из радиоцентров Подмосковья была организована ретрансляция программы "Голос России" по технологии DRM. Эксперимент проводился компанией Thomcast совместно с ГЦУРС. Трансляции велись в КВ диапазоне и с хорошим качеством принимались в Германии, Англии и Франции. Через месяц аналогичные испытания были проведены сразу с двумя КВ передатчиками (в г. Иркутске и на острове Сайпан), сигналы которых уверенно принимались в Японии. При этом важным фактом явилось то, что все эти опытные трансляции велись с помощью обычных АМ-передатчиков, дополненных цифровыми модуляторами, что подтвердило возможность использования для DRM вещания уже имеющейся техники.

Альтернативные технологии ЦРВ для АМ-диапазонов

Несмотря на согласование еще в конце 1999 года проекта стандарта DRM с рядом ведущих мировых фирм-разработчиков систем цифрового радиовещания Европы и Америки, для АМ-диапазонов разрабатывались и другие системы, например, система DMW, предложенная Deutsche Telecom. В качестве системы компрессии в DMW принят MPEG-2 Layer III, а в качестве системы модуляции - 32 APSK. Скорость передачи данных - 21-36 кбит/с.

В 1999 году эта система тестировалась в Москве. Вещание велось в диапазоне СВ передатчиком мощностью 5 кВт, что обеспечило устойчивый прием в радиусе 40 км. Система проявила существенно большую помехоустойчивость по сравнению с аналоговой, однако принятый сигнал часто напоминал "машинное" звучание.

Состояние цифрового радиовещания в мире

Корпорация BBC начала активно продвигать технологию "Эврика-147 DAB" в жизнь в 1994 году, а в 1995 году уже в нескольких европейских странах (Великобритания, Дания, Швеция) было начато экспериментальное цифровое вещание. Во время таких испытаний осуществлялась разносторонняя оценка свойств новой системы. Так в ряде стран Западной Европы (Бельгия, Великобритания, Германия, Нидерланды, Франция) была проверена возможность параллельной трансляции одним передатчиком сразу восьми и более стереофонических программ. А в Канаде, при использовании передатчиков мощностью всего в 10-20 кВт (даже для обслуживания больших городов), было отмечено значительное улучшение качества приема и исключение "мертвых" зон, по сравнению с аналоговым вещанием.

Коммерческий запуск первой системы вещания "Эврика-147 DAB" произошел в 1997 году, а в 2001 г. в 15 европейских странах действовало уже более 400 цифровых радиостанций, работающих в стандарте DAB. При этом жители Лондона могли принимать уже не менее 36 цифровых станций. Сейчас система цифрового звукового радиовещания "Эврика-147 DAB" де-факто стала всеобщим стандартом и широко распространилась по всему миру, включая Азию, Африку и Австралию. К настоящему времени большинство ведущих стран планеты приступило к практическому внедрению этой системы, а в целом ряде государств (Австралия, Великобритания, Германия, Италия, Израиль, Канада, Корея, Франция, Швеция и др.) таким вещанием охвачено уже больше половины населения. Предполагается, что к 2008 году в некоторых европейских странах внедрение цифрового радиовещания будет близко к завершению. При этом аналоговое УКВ вещание станет повсеместно сворачиваться и после 2020 г. в нынешнем FM-диапазоне (87,5-108 МГц) для целей вещания планируется оставить всего 10 МГц, а для DAB - дополнительно выделить полосу частот 216-240 МГц.

Но, несмотря на столь радужные планы, можно отметить, что пока переход радио на цифровое вещание в мире все еще идет не очень быстро и этому есть ряд объективных причин. Одна из них - сложность технологии. Действительно, образцы оборудования, например, для вещания на УКВ в стандарте DAB, были разработаны еще около полутора десятков лет тому назад, однако развитие элементной базы к этому времени еще не достигло должного уровня и микрочипы, необходимые для массового выпуска цифровых приемников, тогда не производились. Специально для решения этой задачи, начиная с 1990 года, ряд членов проекта Eureka 147 даже приняли участие в специализированном проекте JESSI, в рамках которого и была разработана первая интегральная микросхема для коммерческих DAB-приемников. Более или менее полно эта проблема была снята только в 2001 г. и теперь, например, консорциум DRM рассчитывает начать широкое производство цифровых приемников уже в 2003 году. Однако и в этом случае всеми планируется постепенное внедрение новых технологий. То есть предполагается, что вначале будут выпускаться комбинированные приемники среднего класса (по цене лишь на 15-20% выше нынешних), которые смогут принимать как аналоговые АМ и ЧМ (FM) передачи, так и сигналы цифровых станций DAB и DRM. И только в 2004 году ожидается начало выпуска дешевых чисто цифровых приемников по ценам от $20.

Для DAB-вещания первые приемники (автомобильный вариант тогда состоял из двух громоздких блоков, размещавшихся в багажнике!) демонстрировались уже в 1995 г., но в свободной продаже и в достаточном ассортименте - появились только в ноябре 1998 г. Сейчас цифровые приемники выпускаются уже очень большим числом производителей: Arcam, Blaupunkt, Bosch, Clarion, Cymbol Electronics, Grundig, Hitachi, JVC, Kenwood, Panasonic, Philips, Pioneer, Radio Scape, Roke Manor, Sony, Technics, TechniSat, TechnoTrend, Temic и др. Важно и то, что уже имеются модели самых разных классов - от автомобильных приемников и радиоприемников в составе hi-fi-комплексов, до специальных карт расширения PC, предназначенных для приема сигналов цифрового радиовещания и декодирования их программными средствами.

Но вместе с проблемами есть и факторы, явно способные инициировать ускорение процесса внедрения цифрового вещания в жизнь, и в первую очередь, в АМ-диапазонах. Причиной здесь является кардинальное улучшение качества приема. Переход от нынешнего низкокачественного АМ-приема с помехами к звучанию уровня компакт-дисков при технологии DRM оказывается значительно более революционным, нежели переход с ЧМ-вещания на DAB в диапазоне УКВ. Не менее важным является и более высокая эффективность использования спектра частот цифровыми технологиями. Например, переход на DRM позволит начать международное вещание очень многим новым станциям. Именно по этим причинам интерес к DRM в мире сейчас растет настолько резко, что начавшийся только в 2002 г. этап опытного вещания по этой технологии, в соответствии с имеющимися планами, уже с мая 2003 г. будет дополнен и регулярным вещанием.

Но и для диапазона УКВ есть серьезные аргументы в пользу того, что цифровое вещание скоро начнет внедряться быстрее. Дело в том, что свойства цифрового радио поначалу многими рассматривались лишь как небольшое дополнение к традиционному вещанию, но постепенно приходит понимание его значительно больших возможностей. Так, в Германии компания Bosch разработала в рамках технологии цифрового радио целую систему телевизионного вещания для общественного транспорта и автомобилей. Эта система обеспечивает прием качественной картинки на скоростях движения до 400 км/час, т. к. на практике оказалось, что технология DAB обеспечивает очень высокую устойчивость приема в походных и мобильных условиях (в том числе и для передачи телевидения на скорости 1,5 Мбит/с), легко синхронизируется и мало потребляет энергии от батарей.

А вот американская компания Command Audio разработала технологию доставки аудиопередач и информации "по команде" или по запросу самих слушателей. Данная технология использует преимущества потоковой трансляции данных, заложенные в цифровом вещании, которые позволяют владельцу приемника самому выбирать программы, загружать их, а затем воспроизводить и "перематывать" в обе стороны по собственному желанию. Уже сейчас здесь просматривается весьма широкий спектр предложений: от специализированных сообщений о дорожном движении в регионе и сводок новостей и прогнозов погоды, до трансляции аудиоверсий популярных телепрограмм, "говорящих" версий газет и журналов и т. п. И все это изобилие информации можно воспроизводить в то время, когда это будет удобно самому пользователю, по сути, реализуя идею "персонального радио".

Весьма интересным является и развитие взаимодействия между цифровым радио и сотовой связью. Ведь цифровое вещание на УКВ уже сейчас существенно превосходит по скорости передачи информации возможности даже будущих сотовых сетей третьего поколения. По этой причине плату цифрового радиоприемника вполне целесообразно будет интегрировать и в мобильный телефон для обеспечения высокоскоростного (до 2 Мбит/с) получения данных и мобильного видео. Вообще надо отметить, что как показывает опыт стран-лидеров освоения цифрового вещания, на начальном этапе его основной привлекательностью для потребителя является возможность приема в движении на ненаправленную антенну звуковых программ с качеством звучания CD. В дальнейшем - акцент переносится на возможности системы по передаче данных, что делает ее мультимедийной, обеспечивающей получение картинок или страниц из Интернета. Другими словами будущие успехи цифрового вещания вполне могут базироваться на идее "радиомультимедиа", когда в эфир будут транслироваться комбинированные звуковые программы с неподвижными изображениями, видеопрограммы и программы с интерактивными возможностями.

Перспективы развития цифрового вещания в России

Для России внедрение цифрового радиовещания также является весьма актуальным, так как оно не только дает возможность значительного повышения количества и качества программ и дополнительных услуг населению, но и способствует более эффективному использованию радиочастотного спектра, снижению энергопотребления радиостанций и созданию новых рабочих мест по массовому производству приемного и передающего оборудования.

В целях решения этих задач, еще в феврале 1999 года была разработана и утверждена "Концепция внедрения наземного цифрового телевизионного и звукового вещания в России". В соответствии с ней развитие наземных сетей цифрового радио должно осуществляться поэтапно, начиная с создания таких сетей в крупных городах, и дальнейшего развития этих сетей и расширения их зон действия. На первоначальном этапе внедрения цифровых систем предусматривается сохранение существующих частотных планов аналогового вещания и выделение отдельных частот для организации опытных участков цифрового радио. Предварительно для развития сети цифрового звукового вещания предложено использовать частоты в полосе 174-240 МГц. Кроме этого, решением ГКРЧ на вторичной основе выделены три участка частот для проведения экспериментальных исследований: 1452-1456, 1460-1468 и 1478-1492 МГц.

Исходя из анализа технических и эксплуатационных параметров существующих систем цифрового радиовещания, а также с учетом факта вступления в Европейскую организацию СЕРТ (Конференция организаций почт и связи Европейских государств), в России, при создании сетей наземного цифрового вещания, взята ориентация на систему "Эврика 147 T-DAB".

В декабре 1999 г. коллегия Минсвязи РФ наметила трехэтапную стратегию перехода на цифровое радиовещание, рассчитанную на 15 лет, но, к сожалению, практических шагов для осуществления этой концепции пока сделано не очень много.

Среди реальных дел можно отметить, что еще в августе 1999 года было принято решение о создании в России новой профессиональной некоммерческой организации "Ассоциация цифрового звукового и телевизионного вещания", желание, войти в которую сразу изъявили более тридцати организаций. Среди них Главгоссвязьнадзор России, НИИР, ВНИИТР, МНИТИ, НИИТ, ВГТРК, Мостелеком, "Дарьял ТВ", ТВ-6, Санкт-Петербургское кабельное ТВ, УРТС и ряд других организаций. Основными целями и задачами ассоциации является помощь ее членам в решении организационных, правовых, технических, производственных и других вопросов, вплоть до взаимодействия с государственными структурами и участия в международной деятельности.

Другим практическим шагом стал вышедший 20 декабря 2000 года совместный приказ Минсвязи России и Министерства по делам печати, телерадиовещания и средств массовых коммуникаций "Об организации на территории Москвы и Московской области, г. Санкт-Петербурга и Ленинградской области экспериментального цифрового звукового радиовещания". Согласно приказу компания "АСТ Мобайл" назначается организатором проекта, и ей выделяются частоты в диапазоне 1452-1492 МГц для создания опытных зон цифрового радиовещания.

Автор: Игорь Сколотнев

По материалам http://www.gradios.com