Microsoft Word - DRM_KKRRiT_2004

Janusz Młynarczyk
Andrzej Kułak
Akademia Górniczo-Hutnicza
Katedra Elektroniki
januszm@agh.edu.pl
kulak@oa.uj.edu.pl

Warszawa, 16-18 czerwca 2004

DIGITAL RADIO MONDIALE – SYSTEM RADIOFONII CYFROWEJ DLA

FAL DŁUGICH, ŚREDNICH I KRÓTKICH

Streszczenie: Wprowadzenie systemu Digital Radio
Mondiale oznacza przełom dla radiofonii na falach długich,
średnich i krótkich, gdzie od prawie wieku stosowana jest
modulacja AM. W artykule omówiono podstawy działania
nowego systemu oraz najważniejsze zagadnienia techniczne
związane z transmisją radiową w nowym standardzie.
Przedstawiono również przykładowe wyniki otrzymane
podczas odbioru eksperymentalnego programów radio-
wych nadawanych w standardzie DRM.

1. WSTĘP

Digital Radio Mondiale (DRM) jest nowym stan-

dardem radiofonii cyfrowej dla fal długich, średnich
i krótkich, opracowanym przez konsorcjum zrzeszające
Europejskie instytuty naukowe oraz czołowych nadaw-
ców Europejskich. Standard został zatwierdzony
w ubiegłym roku przez Europejski instytut
standaryzacyjny ETSI [1] a także uzyskał rekomendację
ITU-R. W czerwcu 2003 roku rozpoczęto pierwsze
emisje testowe.

Obecnie na terenie Polski można odbierać kilka

stacji radiofonicznych nadających programy w języku
angielskim, m.in. DW-DRM (Deutsche Welle), BBC
World Service, RNW (Radio Nederland Wereldomroep).

Podstawową zaletą emisji radiofonicznych

w zakresie fal długich, średnich i krótkich jest duży
zasięg. W szczególności fale długie umożliwiają zasięg
rzędu kilkuset kilometrów, a fale krótkie pozwalają na
realizację

łączności międzykontynentalnej. Przy

odpowiednim doborze parametrów emisji, jedna stacja
radiofoniczna w paśmie HF wystarcza by objąć swoim
zasięgiem kilkanaście krajów Europejskich. Niestety
stosowany od początku ubiegłego wieku system
radiofonii AM nie zapewnia wystarczającej jakości
odbioru dla współczesnego słuchacza.

Wykorzystanie najnowszych osiągnięć z zakresu

radiokomunikacji cyfrowej umożliwia realizację cyfro-
wego przekazu radiowego w obecnie wykorzystywanych
wąskich kanałach radiofonicznych (9 kHz na falach
długich i średnich, 10 kHz na falach krótkich). Możliwe
jest uzyskanie wysokiej jakości dźwięku oraz symulta-
niczna transmisja dodatkowego kanału danych.

2. PODSTAWY DZIAŁANIA SYSTEMU

2.1. Propagacja fal w pasmach radiofonicznych

poniżej 30 MHz

W paśmie radiofonicznym na falach długich mamy

do czynienia głównie z falą przyziemną. W wyniku

dyfrakcji na nierównościach terenu możliwa jest propa-
gacja bez nadmiernego osłabienia na duże odległości.
W

zakresie fal krótkich odbiór w znacznych

odległościach od nadajnika jest możliwy dzięki fali
jonosferycznej. Z kolei fale średnie propagują jako fala
przyziemna na mniejsze odległości niż fale długie
(zasięg fali przyziemnej maleje ze wzrostem
częstotliwości), za to w nocy, gdy zanika jonizacja
warstwy D jonosfery, powodującej tłumienie fali,
możliwa jest propagacja na znaczne odległości poprzez
odbicie od warstwy E.

Propagację fali przyziemnej oraz fali jonosferycz-

nej przestawiono schematycznie na rysunku 1.

Rys 1. Propagacja fali przyziemnej i jonosferycznej

2.2. Transmisja radiowa na falach krótkich
Jedną z cech charakterystycznych propagacji

w zakresie fal krótkich są silne zaniki wynikające
z wielodrogowości. Różnice opóźnień sygnału
docierającego do odbiornika wynoszą najczęściej do
kilku milisekund a kolejne fale składowe mogą mieć
porównywalną amplitudę.

W przypadku realizacji transmisji o dużej prze-

pływności, w oparciu o klasyczne modulacje cyfrowe,
sygnały składowe docierałyby do odbiornika po czasach
znacznie przewyższających czas trwania symbolu, co
prowadziłoby do interferencji międzysymbolowych
i uniemożliwiało skuteczną transmisję. Alternatywą dla
transmisji z dużą przepływnością na jednej nośnej jest
podział strumienia danych na dużą liczbę strumieni
składowych o znacznie niższej przepływności i ich
równoległa transmisja na wielu nośnych. Szybkość
modulacji na każdej z nośnych może być wtedy na tyle
niska, że wpływ interferencji międzysymbolowych
będzie się uwidaczniał jedynie w małym początkowym
fragmencie odstępu modulacji.

3. ASPEKTY TECHNICZNE DRM

W systemie Digital Radio Mondiale zastosowano

transmisję na wielu nośnych, znaną jako technika orto-
gonalnego zwielokrotniania w dziedzinie częstotliwości
z

kodowaniem korekcyjnym (COFDM). Realizacja

modulacji i demodulacji czasie rzeczywistym jest moż-
liwa dzięki wykorzystaniu algorytmu szybkiego dys-
kretnego przekształcenia Fouriera. Transmisja odbywa
się równolegle na kilkuset nośnych, rozmieszczonych
w sposób zapewniający ich wzajemną ortogonalność [2].
Stosowana liczba nośnych zależy od dostępnego pasma
oraz parametrów transmisji na poszczególnych nośnych.

W radiofonii DRM na nośnych stosuje się modula-

cje 4-QAM, 16-QAM oraz 64-QAM. Na rysunku 2
przedstawiono obserwowaną eksperymentalnie konstela-
cję 64-QAM przy stosunku sygnału do szumu równym
23 dB.

Rys 2. Konstelacja kanału MSC obserwowana

eksperymentalnie przy SNR=23dB

Transmitowany strumień danych składa się z kolej-

nych symboli OFDM, pogrupowanych w ramki o czasie
trwania 400 ms. Każdy symbol OFDM ma ściśle zdefi-
niowany czas trwania i jest złożony z użytecznej części
symbolu poprzedzonej okresem ochronnym.

Pewna ilość cel w każdym symbolu OFDM jest

przesyłana ze znaną amplitudą i fazą (tzw. referencyjne
sygnały pilotowe), umożliwiając ocenę parametrów
kanału radiowego, synchronizację odbiornika i demo-
dulację koherentną sygnału. Rozmieszczenie cel pilota
jest zoptymalizowane pod kątem wysokiej efektywności
transmisji.

3.1. Parametry OFDM przyjęte dla DRM
Dla potrzeb transmisji w standardzie DRM zdefi-

niowano 4 zestawy parametrów OFDM zapewniające
różne prędkości bitowe (tab. 1). Wybór zależy od
wymaganej odporności transmisji na wielodrogowość
i efekt Dopplera:

Tryb A, przewidziany dla kanału gaussowskiego ze
słabymi zanikami, jest stosowany na falach średnich,

Tryb B, dla kanału niestacjonarnego, selektywnego
czasowo i częstotliwościowo, stosowany jest w więk-
szości emisji na falach krótkich,

Tryb C, cechuje się większą odpornością na
przesunięcie Dopplera odbieranych sygnałów.

Tryb D, przewidziany dla najtrudniejszych warun-
ków propagacyjnych, z długimi przedziałami
opóźnień i silnym efektem Dopplera.

Dodatkowo dla każdego z trybów może być stoso-

wane kodowanie korekcyjne o zmiennej sprawności,
zależnej od wymaganej odporności na błędy transmisji.

Podane wartości parametrów czasowych występu-

jące w tablicy 1 są dokładnie wielokrotnościami okresu
elementarnego T wynoszącego 83 1/3 ms. Należy
zauważyć, że im trudniejsze zakładane warunki propa-
gacyjne tym dłuższy okres ochronny a krótszy czas
trwania użytecznej części symbolu.

Tab. 1. Zestaw wybranych parametrów OFDM

dla poszczególnych trybów transmisji w DRM.

Czas trwania
symbolu [ms]

26,67 26,67 20,00 16,67

Czas trwania użytecznej
części symbolu OFDM
[ms]

24,00 21,33 14,67 9,33

Okres ochronny [ms]

2,67

5,33

7,33

Przepływności netto
[kbit/s]*

18,5
26,6

14,6
21,0

11,5
16,6

7,6

11,0

Końcowa przepływność netto zależy od sprawności

kodowania oraz modulacji stosowanej na poszczegól-
nych nośnych. W tabeli podano orientacyjne wartości
uzyskiwane przy sprawności kodowania korekcyjnego
R=3/5 i modulacji odpowiednio 16-QAM i 64-QAM,
w kanale radiowym o szerokości 10 kHz.

Dostępna przepływność netto może być wykorzy-

stana w całości na transmisję dźwięku, ale może także
być wykorzystana częściowo na transmisję danych lub
symultaniczną transmisję drugiego kanału fonicznego.

3.2. Pasmo emisji radiowych DRM
W systemie cyfrowej radiofonii DRM przewi-

dziano 6 standardowych szerokości pasma:

9kHz i 10kHz, dostosowane do pasm istniejących
pasm radiofonicznych,

4,5 kHz i 5 kHz, dla emisji wąskopasmowych,

18 kHz i 20 kHz, dla transmisji w podwójnym
paśmie.

Rysunek 3 przedstawia rozmieszczenie nośnych

w najczęściej stosowanym trybie B, w kanale 10 kHz,
oraz obserwowane eksperymentalnie widmo sygnału.

Rys 3. Rozmieszczenie nośnych w trybie B dla kanału

radiowego o szerokości10 kHz oraz obserwowane

eksperymentalnie widmo sygnału

Podana na rysunku nominalna liczba nośnych,

wynosząca 207 (przy czym ale nośna o numerze 0
nie jest wykorzystywana), zmienia się w zależności od
trybu transmisji. W przypadku trybów C i D, dla kanału
10 kHz, nominalna liczba nośnych wynosi odpowiednio
139 i 89. Dla trybu A, stosowanego na falach średnich w
kanale radiowym o szerokości 9 kHz, liczba nośnych
wynosi 205.

Należy zwrócić uwagę na charakterystyczne dla

transmisji OFDM równomierne rozłożenie energii
sygnału w przydzielonym paśmie i szybki spadek
widmowej gęstości mocy przy granicy pasma.

3.3. Struktura transmisji
Transmisja DRM składa się z 3 kanałów:

FAC (Fast Access Channel), dostarcza informacji
o podstawowych parametrach transmisji (np. pasmo,
tryb transmisji, modulacje) oraz zawartości multi-
pleksu, pozwalając na wykonanie w odbiorniku
szybkiego skanowania częstotliwości oraz rozpoczę-
cie dekodowania, gdy znaleziono poszukiwany przez
użytkownika program. FAC przesyłany jest w każdej
ramce transmisyjnej.

SDC (Service Description Channel), przesyła dodat-
kowe informacje o bieżącej konfiguracji multipleksu
oraz dane związane z nadawanym programem,
a także informacje o alternatywnych źródłach tego
samego programu i ewentualnych równoległych
emisjach analogowych. SDC przesyłany jest w każ-
dej super ramce, mającej długość 1200 ms.

MSC (Main Service Channel), przesyła dane użyt-
kowe emisji. Może zawierać od 1 do 4 strumieni
audio lub danych.

Przesyłanie informacji o alternatywnych źródłach

tego samego programu ma duże znaczenie dla większych
nadawców, równocześnie transmitujących swoje
programy na kilku częstotliwościach, aby mieć pewność,
że przynajmniej jedna z nich umożliwi dobrej jakości
odbiór w danej lokalizacji. Dzięki kanałowi SDC wybór
najlepszej częstotliwości może odbywać się automatycz-
nie, bez ingerencji ze strony słuchacza.

Schemat blokowy toru transmisyjnego DRM

przedstawiono na rysunku

4. System umożliwia

zdefiniowanie dwóch poziomów zabezpieczenia
nadmiarowego, silnego (H) i normalnego (N), dla kanału
MSC, w zależności od kategorii bitów zawartych
w danej części ramki.

Strumień danych przed modulacją jest poddawany

skramblowaniu a następnie kodowaniu korekcyjnemu
(FEC, Forward Error Correction). W systemie DRM
stosuje się kodowanie splotowe z aktualną sprawnością
kodu zależną od przewidywanych warunków propaga-
cyjnych i wymaganej odporności na błędy transmisji.

Następnie, w celu zabezpieczenia przed błędami

paczkowymi, stosowany jest przeplot. Najczęściej
stosowany jest przeplot długi, 2 sekundowy.

3.4. Kodowanie źródłowe
Optymalna jakość dźwięku przy danej prędkości

bitowej jest zapewniona dzięki różnym trybom kodowa-
nia źródłowego. Przewidziano stosowanie kodowania:

MPEG-4 AAC (Advanced Audio Coding),
zapewniającego wysoką jakość i odporność na błędy
przy podstawowych prędkościach transmisji dla stan-
dardu DRM,

MPEG-4 CELP (Code Excited Linear Prediction),
umożliwiającego kodowanie mowy w transmisjach
monofonicznych o niskiej przepływności (3850 –
12200 kbit/s przy częstotliwości próbkowania
8 kHz).

MPEG-4 HVXC (Harmonic Vector eXcitation
Coding), będącego zaawansowaną technika kodowa-
nia mowy pozwalającą na uzyskanie rozsądnej jako-
ści głosu już przy przepływności 2 kbit/s. Planuje się
wykorzystanie tego kodera m.in. do przesyłania
dodatkowego kanału fonicznego, silnie zabezpieczo-
nego nadmiarowo. W przypadku zbyt małego sto-
sunku sygnał/szum dekoder mógłby przejść automa-
tycznie na odbiór fonii kodowanej przy użyciu
HVXC.

Łącznie z każdą z powyższych metod można

stosować technikę SBR (Spectral Band Replication),

Rys 4. Struktura transmisji DRM

umożliwiającą uzyskanie szerszego pasma dźwięku przy
niewielkim wzroście wymaganej przepływności bitowej.

Podstawową metodą kodowania dźwięku stoso-

waną obecnie przez nadawców jest AAC z SBR.
Pozwala na uzyskanie bardzo dobrej jakości, zbliżonej
do UKF-FM, przy prędkości bitowej rzędu 17-27 kbit/s.
Przy mniejszych przepływnościach netto (rzędu 11-14
kbit/s), stosowany jest koder AAC, który zapewnia
jakość nadal znacznie lepszą niż znana z radiofonii AM.

4. ODBIÓR EKSPERYMENTALNY

EMISJI RADIOFONICZNYCH DRM

Ze względu na to, że nie są jeszcze dostępne sprzętowe
dekodery DRM, do odbioru wykorzystano programowy
dekoder pracujący na komputerze klasy PC, wyposażo-
nym w kartę dźwiękową. Ze względu na wymaganą moc
obliczeniową konieczny jest procesor taktowany zega-
rem co najmniej 500 MHz. Dostępne są dwa progra-
mowe dekodery DRM: komercyjny, opracowany przez
Fraunhofer Institute Integrierte Schaltungen, oraz „open-
source” rozwijany przez Institute for Communication
Technology Uniwersytetu w Darmstadt [3] i wykorzy-
stywany przez autorów do odbioru eksperymentalnego.

Blok wejściowy stanowi konwencjonalny odbior-

nik komunikacyjny. Należy zwrócić uwagę, aby pasmo
filtru pośredniej częstotliwości odbiornika nie było zbyt
wąskie. Sygnał drugiej pośredniej częstotliwości z
odbiornika jest poddawany na wejście modułu konwersji
na niska pośrednią częstotliwość, zawierającego mie-
szacz z oscylatorem. Częstotliwość oscylatora jest tak
dobrana, aby sygnał OFDM po przemianie mieścił się
w paśmie karty dźwiękowej komputera i mógł być
poddany obróbce przez dekoder programowy.

W ramach nasłuchu eksperymentalnego, począw-

szy od listopada 2003 przeprowadzono odbiór szeregu
stacji radiofonicznych dostępnych w Polsce południo-
wej. Poniżej przedstawiono przykładowe wyniki
uzyskane dla programu stacji radiowej DW-DRM,
nadawanego z Sines w Portugalii, na częstotliwości
15540 kHz. Nakierowanie wiązki antenowej tej radio-
stacji przedstawia rysunek 5. Wybrana lokalizacja
nadajnika oraz częstotliwość emisji pozwala na dobry
odbiór programu na terenie kilku krajów europejskich.

Rys.5. Nakierowanie wiązki antenowej nadajnika

w Sines w Portugalii, nadającego programy DW-DRM.

Rysunek 6 przedstawia rezultaty zarejestrowane

w dniu 17 marca 2003. Pierwszy wykres przedstawia
stosunek sygnału do szumu, a kolejne procentową ilość
poprawnie odbieranych ramek dźwiękowych oraz ilość
poprawnie zdekodowanych ramek kanału FAC. Widać,

że mimo zmieniającego się stosunku sygnału do szumu
w granicach 18 – 26 dB odbiornik jest w stanie zdeko-
dować poprawnie praktycznie wszystkie ramki synchro-
nizacyjne i dźwiękowe

100

150

200

250

minuta odbioru

]

100

150

200

250

100

]

100

150

200

250

100

minuta odbioru

UDI

]

Rys.6. Przykładowe wyniki odbioru eksperymentalnego

programu DW-DRM w godz. 10:00 – 14:00 UT.

W przypadku omawianego programu na nośnych

kanału MSC stosowana była modulacja 64-QAM, a
stopień zabezpieczenia nadmiarowego zmienił się
w sposób płynny w trakcie programu, o godzinie 11:00
UT. Dzięki temu wzrosła przepływność netto z 17.46
kbit/s, uzyskiwanej przy sprawności kodu R=1/2, do
20.96 kbit/s, przy R=3/5. Ze względu na dobre warunki
propagacyjne w godzinach południowych, zmiana ta nie
spowodowała wzrostu ramkowej stopy błędów.

Do transmisji danych w kanale FAC stosowana jest

modulacja 4-QAM, tak aby możliwe było utrzymanie
synchronizacji nawet przy znacznej degradacji warun-
ków odbioru.

5. WNIOSKI

W artykule opisano nowy standard radiofonii

cyfrowej, Digital Radio Mondiale (DRM). Odbiornik
radiowy w najbliższej przyszłości będzie najprawdopo-
dobniej umożliwiał odbiór zarówno emisji analogowych,
AM i FM, jak i odbiór programów nadawanych
cyfrowo, w standardzie DRM w pasmach radiowych
poniżej 30 MHz, oraz DAB w zakresach VHF i UHF.

LITERATURA

[1] ETSI ES 201 980, Digital Radio Mondiale (DRM);

System Specification, ETSI Standard, 2003.

[2] K.

Wesołowski, Transmisja wielotonowa i jej

zastosowania w systemach radiowych, KKRRiT
Gdańsk, 12-14 czerwca 2002..

[3] Open-Source Software Implementation of a DRM-

Receiver, http://drm.sourceforge.net/

[4] Materiały internetowe konsorcjum DRM

http://www.drm.org/