1 Wstęp

Obecnie używane standardy transmisji programów radiofonicznych nie uległy istotniej

zmianie od końca II Wojny Światowej. Nadal stosowana jest modulacja analogowa i zasady

odbioru odpowiadające technologii z tamtych czasów. Natomiast w zakresie przygotowania i

dystrybucji programów stosowana jest praktycznie wyłącznie nowoczesna technika cyfrowa.

Odbiorniki radiofonicznie mają wiele udogodnień i zaawansowanych funkcji, jednak ich

zasadnicze działanie jest takie jak przed ponad połową wieku. Jak wykazują analizy

teoretyczne i wykonane eksperymenty, transmisje cyfrowe są także bardziej oszczędne

widmowo.

Podstawowym problemem z wprowadzeniem radiofonii cyfrowej jest konieczność

wymiany odbiorników radiofonicznych na odbiorniki radiofonii cyfrowej, co jest trudnym i

jak widać dotąd niechętnie realizowanym przedsięwzięciem. Jednak należy oczekiwać, że w

stosunkowo niedługim czasie radiofonia cyfrowa zostanie wprowadzona w wielu krajach

europejskich.

W Europie istnieją dwa standardy radiofonii cyfrowej

• DAB (Eureka 147), opisany normami ETSI przeznaczony do transmisji wysokiej

jakości w zakresie UKF. Standard umożliwia także transmisję dodatkowych

danych i tworzenie programów multimedialnych

• DRM (Digital Radio Mondiale), stosunkowo nowy, opisany normą i przewidziany

do transmisji w zakresie fal średnich i krótkich. Tu jakość transmisji jest niższa niż

w standardzie DAB, jednak lepsza niż w dotychczasowych transmisjach

analogowych w tym zakresie częstotliwości. Standard transmisji DRM umożliwia

emisję z uwzględnieniem dotychczasowej siatki częstotliwości.

Oba te standardy, a także inne znane standardy radiofonii cyfrowej (np. standard

amerykański IBOC - In-Band On-Channel, japoński ISDB-Tn - Integrated Services Digital

Broadcasting–Terrestrial narrowband) stosują transmisję OFDM (Orthogonal Frequency

Division Multiplexing), która w uproszczeniu polega na tym, że sygnał nadawany jest

jednocześnie na wielu częstotliwościach nośnych. Widma poszczególnych nośnych zachodzą

na siebie, ale dzięki spełnieniu warunku ortogonalności ( 3 ) nie zakłócają się wzajemnie, a

jednocześnie zapewniają dużą efektywność widmową transmisji. Radiofonia cyfrowa

wymaga przekazu cyfrowego o dużych przepływnościach. Strumień danych jest dzielony

pomiędzy poszczególne nośne, w efekcie transmisja na pojedynczej nośnej jest stosunkowo

wolna i możliwa w kanałach z propagacją wielodrogową, gdzie występują zaniki selektywne i

interferencje międzysymbolowe.

Transmisja OFDM okazała się korzystna także przy transmisji pakietowej w

radiowych sieci danych standardu 802.11a i europejskim HIPERLAN 2, zapewniających

przepływność rzędu 6 - 54 Mb/s. W systemach dostępowych punkt – wielopunkt, OFDM

zapewnia lepsze wykorzystanie widma kanału radiowego (niż TDMA czy CDMA),

wydzielenie kanałów sygnalizacyjnych, realizację adaptacji parametrów transmisji do

warunków propagacji. Adaptacyjne dobieranie rodzaju modulacji i kodowania do jakości

połączeń zwiększa średni współczynnik wykorzystania pasma. Każde łącze może pracować z

inną mocą, co prowadzi ponadto do zmniejszenia średniego poziomu zakłóceń.

Wadą transmisji OFDM jest duża wrażliwość systemu na nieliniowości kanału

transmisyjnego i zakłócenia synchronizacji.

W niniejszym opracowaniu omówiono podstawowe cech standardów DAB i DRM. Główną

uwagę zwrócono na właściwości widmowe tych sygnałów.

2. Zasada modulacji OFDM

OFDM jest zaawansowaną wersją modulacji wielotonowej. Transmisja informacji

odbywa się za pośrednictwem wielu podnośnych, które dzielą dostępne pasmo częstotliwości

na wąskie podkanały. W 1971 r. wykazano, że modulacje i demodulacje sygnałów OFDM

można realizować cyfrowo korzystając z dyskretnych transformat Fouriera FFT i IFFT. To

odkrycie wraz z postępem w zakresie DSP i procesorów sygnałowych umożliwiło realizację

sygnałów OFDM zawierających nawet kilka tysięcy podnośnych. Kolejnym istotnym

elementem było

wprowadzenie cyklicznego prefiksu, który ułatwia rozwiązywanie

problemów z ortogonalnością podnośnych.

Nadawany sygnał cyfrowy jest dzielony na równoległe strumienie i transmitowany w

podkanałach modulując poszczególne podnośne. Zależnie od standardu stosowane są różne

modulacje; najczęściej są to modulacje fazy BPSK (binarna modulacja fazy), QPSK, DQPSK

(czterowartościowa modulacja fazy) lub modulacje QAM (amplitudowo fazowe). Podnośną

numer i zapiszemy:

( )

( )

( )

[

]

t

t

j

i

i

i

i

e

t

S

t

s

φ

ω

+

=

( 1 )

Cały sygnał OFDM składa się z N podnośnych

( )

( )

( )

( )

[

]

∑

∑

−

=

+

−

=

=

=

1

0

1

0

N

i

t

t

j

i

N

i

i

i

i

e

t

S

t

s

t

s

φ

ω

( 2 )

Należy pamiętać, że amplitudy i fazy podnośnych S

i

(t) i

φ

i

(t) są złożonymi funkcjami,

reprezentującymi zastosowaną modulacje cyfrową. Transmisja odbywa się z określonym

taktem elementowym (jeden symbol OFDM to informacja nadawana w czasie jednego taktu

elementowego - w czasie jednej szczeliny, na wszystkich podnośnych), a symbole OFDM

organizowane są w odpowiednie słowa (bloki) danych. Tak więc szczegółowy zapis ( 2 ) jest

bardziej złożony i zależy od konkretnego standardu transmisji. Modulacja OFDM jest

oszczędna widmowo ponieważ podnośne są względem siebie ortogonalne, tzn.:

T

i

f

f

i

+

=

0

(

)

i

i

f

π

ω

2

=

( 3 )

Rys. 1. Poglądowe objaśnienie struktury sygnału OFDM.

Rys. 2. Przykładowe teoretyczne widmo sygnału OFDM.

gdzie f

0

jest częstotliwością środkową (nominalną nośną), a T jest taktem elementowym

transmisji. Na Rys. 1 pokazano poglądowo strukturę sygnału OFDM.

Widma podkanałów (podnośnych) mogą się częściowo nakładać bez wprowadzania

interferencji międzykanałowych. Przykładowy kształt widma sygnału OFDM pokazano na

Rys. 2. W każdym z podkanałów transmisja jest stosunkowo powolna, ale każdy z

podkanałów jest tzw. kanałem płaskim tzn. zaniki w podkanale są nieselektywne. Podział

kanału na podkanały upraszcza metody odbioru w systemach ruchomych, gdyż na skutek

propagacji wielodrogowej kanał ruchomy ma zaniki selektywne. OFDM pozwala „rozrzucić”

zaniki selektywne pomiędzy wiele symboli; większość tych symboli można odebrać

bezbłędnie przy odpowiednim kodowaniu protekcyjnym. Ilustruje to Rys. 3; na rysunku

pokazano typową transmitancję kanału ruchomego (linia niebieska, oś częstotliwości jest

pionowo). Transmitancja zmienia się znacząco w paśmie zajmowanym przez nadawany

sygnał. Jeżeli sygnał transmitowany jest na jednej nośnej, to dostępne pasmo jest szerokie,

takt transmisji może być krótki, powstają jednak zaniki selektywne zniekształcające

odbierany sygnał. Transmisja OFDM dzieli dostępne pasmo na podkanały; każdy podkanał

jest wąski i można przyjąć, że transmitancja dla każdego podkanału jest stała (zaniki

nieselektywne). Takt transmisji w podkanale musi być dłuższy, ale podkanałów jest wiele i

łączna przepływność transmisji nie ulega zmianie.

Rys. 3. Ilustracja zasady walki z zanikami selektywnymi.

W dziedzinie czasu propagacja wielodrogowa powoduje interferencje międzysymbolowe, tzn.

składowe wielodrogowe o różnych opóźnieniach propagacji nakładają się na siebie

poszerzając odbierane elementy sygnału. Wydłużenie taktu transmisji przy modulacji OFDM

pozwala wprowadzić dodatkowa metodę eliminacji zniekształceń kanału wielodrogowego –

odstep ochronny (prefiks). Informacja użyteczna zajmuje tylko część taktu transmisji, na

początku taktu pozostawiony jest margines czasowy na wygaśnięcie interferencji

międzysymbolowych. Metodę tę ilustruje Rys. 4 dla propagacji w kanale dwudrogowym.

Rys. 4. Ilustracja transmisji OFDM ze zwykłym odstępem ochronnym w kanale z propagacja

dwudrogową. Pokazano trzy sygnały (podnośne) z modulacją BPSK. Dla uproszczenia

składową bezpośrednią i odbitą pokazano oddzielnie (sygnał odbierany jest suma

składowych).

Rys. 5. Cykliczne rozszerzenie symbolu OFDM (prefiks cykliczny). Ilustracja transmisji

OFDM z cyklicznym odstępem ochronnym w kanale z propagacja dwudrogową. Pokazano

trzy sygnały (podnośne) z modulacją BPSK. Dla uproszczenia składową bezpośrednią i odbitą

pokazano oddzielnie (sygnał odbierany jest suma składowych).

Dodatkową metodą likwidującą także możliwe przesłuchy pomiędzy podkanałami jest

cykliczny odstęp ochronny, polegający na tym, że próbki z końca nadawanego symbolu

wstawiane są na jego początek. Zasadę tej metody pokazano na Rys. 5.

W radiofonii wykorzystano odporność OFDM na interferencje międzysymbolowe i

możliwość elastycznej zmiany parametrów transmisji (jakość transmisji, liczba kanałów, w

DRM i IBOC dodatkowo kompatybilność z istniejącymi starymi standardami radiofonii

analogowej). Analizy i pomiary wykazały ponadto, że radiofonia cyfrowa zapewnia lepsze

wykorzystanie widma – nadajnik sygnału cyfrowego zapewnia pokrycie na znacznie

większym obszarze niż analogiczny nadajnik analogowy.

3. Charakterystyka standardu DRM

Standard DRM (Digital Radio Mondiale) jest przeznaczony do transmisji sygnałów

radiofonii cyfrowej w pasmach częstotliwości poniżej 30MHz (fale długie średnie i krótkie).

System ten wykorzystuje modulację OFDM i pod względem zajętości widma jest

kompatybilny ze stosowanymi dotychczas systemami modulacji amplitudy. Podstawowym

dokumentem określającym wymagania stawiane sygnałowi DRM jest norma ETSI ES 201

980.

W systemie DRM mogą być emitowane sygnały o różnych szerokościach pasma w

zakresie od 4,5 do 20kHz. Podstawowa szerokość pasma wynosi 9 lub 10kHz, zależnie od

wykorzystywanego w danym paśmie i regionie rastru częstotliwości. Istnieje także możliwość

emisji sygnałów o szerokości widma równej połowie szerokości standardowego kanału (4,5

lub 5kHz), co miało na celu umożliwienie emisji sygnału cyfrowego w tym samym kanale co

sygnał analogowy (o zredukowanej szerokości pasma) oraz sygnałów o szerokości pasma

dwukrotnie większej (18 lub 20kHz), co pozwala na emisję audycji o podwyższonej jakości

kosztem zajęcia dwóch sąsiednich kanałów. Poszczególne szerokości pasma oznaczane są

kodami od 0 (4,5kHz) do 5 (20kHz).

W systemie DRM dopuszcza się cztery wielkości odstępów pomiędzy podnośnymi, od

41,6667Hz do 107,14Hz w zależności od żądanej odporności sygnału na niekorzystne

warunki propagacyjne. Najmniejszy odstęp pomiędzy podnośnymi (tryb odporności A –

odstęp pomiędzy podnośnymi wynosi 41,666Hz) wykorzystywany jest w pasmach

charakteryzujących się stabilnymi warunkami propagacyjnymi z niewielkimi zanikami o

rozkładzie Gaussa. Jest on przydatny w zakresach fal długich i średnich przy dobrych

warunkach propagacyjnych (podczas dnia). Kolejny tryb B o nieco większym odstępie

podnośnych (46,875Hz) charakteryzuje się zwiększoną odpornością na zaniki selektywne i

fluktuacje czasów propagacji i jest przydatny w zakresach fal średnich (w nocy) i krótkich.

Dalsze tryby C (odstęp 68,18Hz) oraz D (odstęp 107,14Hz) zostały wprowadzone w 2001

roku i są przeznaczone do stosowania wyłącznie w zakresach fal krótkich. Pozwalają na

dalsze zwiększenie odporności na zmiany czasów propagacji, często występujących przy

propagacji fali jonosferycznej. W tych dwóch trybach przewiduje się możliwość wyboru

jedynie dwóch szerokości pasma sygnału wynoszących 10 i 20kHz.

Wraz ze zmianami odstępów pomiędzy podnośnymi zmieniają się także czasy trwania

poszczególnych elementów transmisji i odstępy ochronne pomiędzy nimi. Parametry te

zawierają Tabele 1, 2 i 3.

Tabela 1. Podstawowe parametry sygnału DRM dla różnych trybów odporności i szerokości

pasma.

Tryb odporności

A B C D

Odstęp podnośnych 41,6667Hz

46,875Hz

68,1818Hz

107,1428Hz

Użyteczny czas trwania
symbolu

24ms 21,3333ms

14,6667ms

9,3333ms

Odstęp ochronny
pomiędzy symbolami

2,6667ms 5,3333ms 5,3333ms 7,3333ms

Całkowity czas trwania
symbolu

26,6667ms 26,6667ms 20ms 16,6667ms

Długość ramki

400ms

Liczba symboli w ramce

15

15

20

24

0 4,5kHz

101

91

1 5kHz

113

103

2 9kHz

202

182

3 10kHz

226

206

138

88

4 18kHz

410

364

Liczba
podnośnych

5 20kHz

458

310

280

178

0 4,5kHz 4166,7Hz 4171,875Hz

1 5kHz 4625Hz

4781,25Hz

2 9kHz 8500Hz

8531,25Hz

3 10kHz 9500Hz

9656.25Hz 9409.09Hz 9428.57Hz

4 18kHz 17166,67Hz 17156.25Hz

Odstęp skrajnych
podnośnych

5 20kHz 19166,67Hz 19218.75Hz 19090.91Hz 19071,43Hz

0 4,5kHz 2166,67Hz 2156,25Hz

1 5kHz 2416,67Hz 2437,50Hz

2 9kHz

0

0

3 10kHz

0

0

0

0

4 18kHz 4500Hz

4500Hz

Różnica pomiędzy
częstotliwością
środkową a
częstotliwością
odniesienia

5 20kHz 5000Hz

4968,75Hz 4977,27Hz 4928.57Hz

Tabela 1. Podstawowe parametry sygnału DRM dla różnych trybów odporności

Tryb odporności

A B C D

Odstęp podnośnych 41,6667Hz

46,875Hz

68,1818Hz

107,1428Hz

Użyteczny czas trwania
symbolu

24ms 21,3333ms

14,6667ms

9,3333ms

Odstęp ochronny
pomiędzy symbolami

2,6667ms 5,3333ms 5,3333ms 7,3333ms

Całkowity czas trwania
symbolu

26,6667ms 26,6667ms 20ms 16,6667ms

Długość ramki

400ms

Tabela 2. Liczba podnośnych sygnału DRM dla różnych trybów odporności

Tryb odporności

A B C D

0 4,5kHz

101

91

1 5kHz

113

103

2 9kHz

202

182

3 10kHz

226

206

138

88

4 18kHz

410

364

Liczba
podnośnych

5 20kHz

458

310

280

178

Tabela 3. Odstęp skrajnych podnośnych sygnału DRM

Tryb odporności

A B C D

0 4,5kHz 4166,7Hz 4171,875Hz

1 5kHz 4625Hz

4781,25Hz

2 9kHz 8500Hz

8531,25Hz

3 10kHz 9500Hz

9656.25Hz 9409.09Hz 9428.57Hz

4 18kHz 17166,67Hz 17156.25Hz

Odstęp skrajnych
podnośnych

5 20kHz 19166,67Hz 19218.75Hz 19090.91Hz 19071,43Hz

Odpowiednikiem częstotliwości fali nośnej dla modulacji tradycyjnych jest częstotliwość

odniesienia (reference frequency). W przypadku sygnałów o szerokości pasma 4,5 oraz 5kHz

częstotliwość odniesienia jest położona poniżej pasma obejmującego nadawane podnośne, co

stwarza pewne podobieństwo do transmisji jednowstęgowej na górnej wstędze bocznej. Przy

emisji sygnałów w paśmie 9 lub 10kHz częstotliwość odniesienia jest równa częstotliwości

środkowej nadawanego sygnału. Dla szerokości pasma 18 lub 20kHz częstotliwość

odniesienia znajduje się w odległości odpowiednio 4,5 lub 5kHz od dolnego krańca widma

nadawanych podnośnych (Rys. 6). Częstotliwość odniesienia powinna być wielokrotnością 1

kHz, co jest zgodne z rastrem kanałowym stosowanym w zakresach fal długich i średnich

zarówno w regionie 1 (9kHz) jak i pozostałych (10kHz).

Aby uniknąć problemów z przenoszeniem składowej stałej podczas modulacji i

demodulacji, podnośna nadawana na częstotliwości odniesienia a w trybie odporności A

dodatkowo dwie sąsiednie nie są wykorzystywane. Ponieważ w sygnale nie występuje fala

nośna, konieczne było zastosowanie specjalnych technik dostrojenia. Do tego celu

przeznaczone zostały trzy podnośne znajdujące się na częstotliwościach większych od

częstotliwości odniesienia o odpowiednio 750Hz, 2250Hz oraz 3000Hz. Podnośne o tych

częstotliwościach występują w każdym trybie odpornościowym. Podnośne te nie są

modulowane i mogą być wykorzystane do precyzyjnego dostrojenia odbiornika do

nadawanego sygnału.

a)

b)

Rys. 6. Rozmieszczenie podnośnych dla różnych szerokości zajmowanego pasma w rastrze:

a) 9kHz, b) 10kHz.

Na podstawie wzajemnych zależności fazowych pomiędzy tymi podnośnymi odbiornik może

ustalić tryb odporności odbieranego sygnału. Na rys. 7 przedstawiono widmo sygnału DRM.

Widoczny brak prążka na częstotliwości fali nośnej (marker) oraz trzy prążki podnośnych

odniesienia częstotliwości (w prawej części widma).

Rys. 7. Widmo sygnału DRM o szerokości pasma 9kHz i modulacji 64-QAM

Każda z podnośnych w sygnale DRM jest modulowana 4- 16- lub 64-stanową

kwadraturową modulacją amplitudy (QAM). Bloki FAC (Fast Acces Channel) wykorzystują

zawsze modulację 4-QAM, żeby umożliwić identyfikację stacji nadawczej i odebranie

informacji pozwalającej na zdekodowanie pozostałej części sygnału (bloki te zawierają

informację o sposobie modulacji zastosowanym dla pozostałych strumieni informacyjnych).

Bloki kanału SDC wykorzystują modulację 4- lub 16- stanową. Główny kanał informacyjny

MSC morze być przesyłany z wykorzystaniem modulacji 16- lub 64- stanowej. Dobór rodzaju

modulacji podnośnych jest dokonywany przez nadawcę sygnału. Jest on wynikiem

kompromisu pomiędzy żądaną przepływnością kanału a wymaganą odpornością na szumy i

zakłócenia. Ponadto przesyłane w kanale MSC informacje są chronione przed błędami przez

zastosowanie kodów korekcyjnych. Przewidywane jest zastosowanie dwóch poziomów

ochrony dla modulacji 16-QAM oraz czterech dla 64-QAM. Dla modulacji 16-QAM i

poziomu ochrony 0 efektywność kodowania wynosi 0,5 a dla poziomu ochrony 1 wzrasta od

0,625. Dla modulacji 64-QAM poziomy ochrony od 0 do 3 charakteryzują się efektywnością

odpowiednio 0,5, 0,6, 0,71 oraz 0,8. Dodatkową ochronę przed zanikami zapewnia

zastosowanie przeplotu o długości do 2s. Bloki informacji przesyłane kanałami FAC i SDC są

chronione za pomocą sum kontrolnych CRC. Fragment transmisji sygnału OFDM

transmitowany na jednej podnośnej przez czas trwania jednego symbolu stanowi komórkę

(cell). Część komórek jest zarezerwowana do transmisji sygnałów synchronizacji

częstotliwości (wszystkie komórki na trzech wspomnianych wyżej podnośnych), czasu oraz

określających poziom odniesienia przy demodulacji sygnału. Sygnały synchronizacji czasu są

nadawane na części podnośnych w pierwszym symbolu każdej ramki transmisyjnej o czasie

trwania 400ms. Komórki zawierające sygnał synchronizacji czasu zawierają sygnały o stałej

amplitudzie i określonej fazie. Komórki zawierające poziom odniesienia dla demodulacji są

rozproszone równomiernie w całej przesyłanej ramce, a ich liczba jest zależna od

zastosowanego trybu odporności. Dla trybu A co 20 komórka jest wykorzystana do transmisji

poziomu odniesienia, dla pozostałych trybów liczba komórek odniesienia jest większa, tak że

stanowią one co 6 (tryb B), co 4 (tryb C) lub co 3 (tryb D) transmitowaną komórkę. Dzięki

zwiększonej liczbie komórek odniesienia poziomu można skuteczniej kompensować zaniki

sygnału, co poprawia odbiór na falach krótkich, ale istotnie zmniejsza osiąganą przepływność

informacji.

Kolejna część komórek (65 w każdej ramce) jest przeznaczona do transmisji informacji w

kanale FAC (Fast Access Channel) zawierającym informacje identyfikujące stację oraz

stosowany tryb transmisji. Komórki te są rozmieszczone na podnośnych znajdujących się w

paśmie od 0 do 4,5 kHz powyżej częstotliwości odniesienia, dzięki czemu każdy odbiornik

jest w stanie zidentyfikować sygnał nawet jeśli nie dysponuje filtrem o szerokości pasma

wymaganej do jego odbioru. Przykładowa mapa rozmieszczenia komórek odniesienia i kanału

FAC w bloku transmisyjnym jest przedstawiona poniżej (Rys. 8).

Pozostałe komórki są wykorzystywane do przesyłania informacji użytecznej, na którą

składają się kanały SDC i MSC. W kanale MSC można przesyłać maksymalnie cztery

strumienie informacyjne. Mogą one być użyte do przekazywania skompresowanego sygnału

fonicznego bądź danych tekstowych lub binarnych. W co trzeciej ramce przesyłane są bloki

kanału SDC (Service Description Channel) zawierającego informację o aktualnie dostępnych

strumieniach. Sekwencja ramek rozpoczynająca się od bloku SDC jest określana jako

superramka (Rys. 9).

Przy przesyłaniu sygnały foniczne są poddawane kompresji z wykorzystaniem jednego z

trzech systemów kodowania: MPEG-4 AAC, MPEG-4 CELP oraz MPEG-4 HVXC w

zależności od rodzaju i wymaganej jakości sygnału oraz odporności na zakłócenia.

Dodatkowo może być zastosowany system SBR (Spectral Band Replication) pozwalający na

zwiększenie przenoszonego pasma przy niewielkich przepływnościach poprzez odtworzenie

brakujących harmonicznych oraz system kodowania PS (Parametric Stereo) do kodowania

sygnałów streofonicznych.

Rys. 9. Struktura ramki w systemie DRM