POLITECHNIKA WROCA
AWSKA
Instytut Telekomunikacji i Akustyki
WPROWADZENIE DO SYSTEMÓW
TELEKOMUNIKACYJNYCH
Seminarium, rok akademicki: 2004/2005, semestr: zimowy
STRUKTURA SYGNAA
U W RADIOFONII
CYFROWEJ (DAB)  SPECYFICZNE
WA
ASNOŚCI SA
UCHU LUDZKIEGO I
KOMPRESJA.
Opracował: Dariusz Wałoszek III/TEL
Nr indeksu: 128476
Prowadzący: dr inż. Wojciech J. Krzysztofik
Wrocław 21 paz
dziernika 2004 r.
Spis treści Strona
1. Wstęp 2
a) DAB  co to takiego? 2
b) Koncepcja i podział systemu 2
c) Właściwości 3
2. Jak oszukać ludzkie ucho?  kodowanie podzakresowe 4
3. Kodowanie z
ródłowe MUSICAM oraz dekodowanie 5
sygnału
4. Kodowanie kanałowe COFDM 8
5. Podsumowanie 11
a) Zastosowanie DAB 11
b) DAB w Polsce 11
c) Wnioski 12
6. Literatura i wykorzystane z
ródła informacji 13
1
1. Wstęp
a) DAB  co to takiego?
DAB  Digital Audio Broadcasting radiofonia cyfrowa, mająca zastąpić tradycyjną
modulację amplitudy AM (charakterystyczną dla fal długich, średnich i krótkich, gdzie
szerokość pasma sygnałów akustycznych nie przekracza 4,5 kHz, a odstęp sygnału od szumu -
20dB) i modulację częstotliwości FM (charakterystyczną dla fal ultrakrótkich, sygnały
akustyczne przenoszone do 15 kHz, możliwość nadawania stereo, stosunek sygnał/szum
wynosi 50 dB).
Parametry techniczne obecnych systemów radiofonicznych:
Liczba Szerokość M 
Rodzaj programów pasma Stosunek mono,
Zakres fal Odbiór
modulacji nadawanych w akustycznego sygnał/szum S -
sieci (kHz) stereo
stacjonarny
Fale długie AM 1 4,5 20 M
+ ruchomy
Fale stacjonarny
AM 1 4,5 20 M
średnie + ruchomy
Duża, zależna
od warunków
Fale propagacyjnych, stacjonarny
AM 4,5 0  20 M
krótkie położenia + ruchomy
geograficznego
odbiornika
Fale 5-10 stacjonarny
FM 15 50 S
ultrakrótkie (w Polsce - 3) + ruchomy
FM
2-4 15 50 S stacjonarny
(Wegner)
Cyfrowa
Mikrofale
(D2- 1 15 70 S stacjonarny
MAC)
Cyfrowa
16 15 70 S stacjonarny
(DSR)
b) Koncepcja i podział systemu
Podział systemu ze względu na sposób nadawania,
DAB:
- naziemny
- satelitarny
- mieszany
2
Ustanawianie standardu dla DAB (koncepcja)
Pomimo upływu czasu nadal nie ma światowego standardu dla DAB. Najbardziej
rozpowszechniony jest Eureka 147 (obowiązujący od 1995 r system naziemnej radiofonii
cyfrowej DAB-T), wprowadzony przez europejskie konsorcjum nadawców radiowych,
producentów i laboratoria badawcze. System ten ustala podstawy DAB w wielu miejscach na
świecie, w tym w Wielkiej Brytanii, Niemczech, Austrii, krajach skandynawskich i Kanadzie.
Naziemne analogowe stacje radiowe operują na zasadzie: jedna stacja na jedną częstotliwość.
DAB oferuje wiele kanałów na jednej częstotliwości (multipleks). Stacje takie mogą
operować zarówno w pasmach VHF, jak i UHF. Dla przykładu, brytyjska BBC i
multipleksowe stacje komercyjne zajmują kanał III pasma VHF. Liczba stacji na kanał zależy
od ilości przesyłanych danych (skompresowanych).
Za standardem Eureka 147 stoi technologia transmisji COFDM (Coded Orthogonal
Frequency Division Multiplex - kodowany ortogonalnie multipleks z podziałem
częstotliwości), za pomocą którego całe pakiety usług są przesyłane przez kilkaset, a w
niektórych przypadkach nawet kilka tysięcy, blisko siebie położonych fal nośnych RF, które
tworzą blok częstotliwości. Każda fala nośna RF zawiera maleńki fragment danych.
W Stanach Zjednoczonych National Association of Broadcasters (Narodowe
Stowarzyszenie Nadawców Radiowych) sprzeciwiło się wprowadzeniu systemu Eureka 147.
Amerykańscy nadawcy wraz z instytucjami nadzorującymi rozpoczęli testowanie dwóch
alternatywnych technologii: IBAC (In Band Adjacent Channel - kanał przylegający do pasma)
i IBOC (In Band On Channel - kanał w paśmie). IBOC szybko został uznany za lepszy, gdyż
umożliwiał równoczesne przesyłanie nowych usług cyfrowego audio i danych z analogowymi
programami na istniejących pasmach AM i FM. Technologia ta została opracowana i
wypromowana przez USA Digital Radio - spółkę CBS Corporation, Gannett Inc. i
Westinghouse Electric oraz Lucent Digital Radio.
Sednem technologii kompresji dz
więku zastosowanej w IBOC jest system PAC (Perceptual
Audio Coder - wnikliwy koder audio), który wykorzystuje zaawansowane przetwarzanie
sygnałów i modelowanie psychoakustyczne, aby dobrze dostosować się do mechanizmu
słyszenia przez człowieka i wyeliminować wszelką nadmiarowość w sygnale audio.
Z przedstawionych analiz porównawczych (jakość dz
więku, odporność na wielodrogowość,
pokrycie terenu, transmisja danych itp.) systemu DAB Eureka 147 z systemami
amerykańskimi wyraz
nie wynikała wyższość systemu europejskiego.
Na system DAB Eureka 147 składają się trzy główne elementy:
- MUSICAM Audio Coding  kodowanie sygnału audio
- kodowanie transmisji i multiplekser transmisji
- modulacja COFDM
c) Właściwości i zalety DAB
- wysokiej jakości cyfrowa fonia (porównywalna z jakością płyty CD)
- możliwość stosowania odbiorników stacjonarnych, przenośnych i samochodowych
- prawie jednakowe warunki odbioru na całym obsługiwanym obszarze
- bardzo skuteczne wykorzystanie widma elektromagnetycznego (lepsze niż w
radiofonii UKF-FM)
- prosta, bezkierunkowa antena
- duża odporność na zjawiska związane z wielodrogowością i efektem Dopplera
(odbiorniki samochodowe)
- stosowanie takiego samego odbiornika w systemach satelitarnych, naziemnych,
satelitarno-naziemnych, kablowych
- możliwość dołączenia komputera do odbioru danych (DTE  Data Terminal
Equipment)
- możliwość transmisji dodatkowych sygnałów danych, grafiki, zdjęć
3
- możliwość nadawania programów monofonicznych, stereofonicznych
dwukanałowych i stereofonicznych wielokanałowych (np. sorround sound)
- sterowanie po stronie nadawczej kształtem odtwarzanej audycji radiowej: głośność,
charakterystyka częstotliwościowa, zrównoważenie, miksowanie
- nadawanie informacji o programie: tytuł, prawa autorskie, dostęp warunkowy,
dynamiczne łączenie programów
2. Jak oszukać ucho?  kodowanie podzakresowe
Teoretycznie słyszymy dz
więki z zakresu 20 Hz - 20 kHz, tak więc płyta CD oferuje
nam pełną skalę doznań. W rzeczywistości jednak większość ludzi nie potrafi usłyszeć
dz
więków powyżej 16-17 kHz, choć wyczuwa je. Ucho najlepiej reaguje na pasmo 2 - 4 kHz
(mowa mieści się w zakresie tzw. pasma telefonicznego 0,5 - 2 kHz). Pozostałe dz
więki, aby
były słyszalne, muszą być odpowiednio wzmocnione. Biorąc pod uwagę te cechy ludzkiego
słuchu, stworzono tzw. kodowanie podzakresowe, którego podstawowym założeniem jest
odrzucanie wszystkich zbędnych informacji o niesłyszalnych (maskowanych)
częstotliwościach (Rys.1). Ponieważ jest ich dużo, efekt kodowania staje się rewelacyjny.
Prawdą jest, że sygnał wyjściowy nie odpowiada oryginałowi, lecz ucho ludzkie i tak tego nie
rozróżnia.
Rys1. Maskowanie psychoakustyczne.
4
3. Kodowanie z
ródłowe MUSICAM oraz dekodowanie sygnału.
Kodowanie MUSICAM (Masking Pattern Universal Sub-band Integrated Coding And
Multiplexing) jest oparte na standardach ISO/IEC 11172-3 (MPEG -1 Audio Layer II) oraz
ISO/IEC 13818-3 (MPEG 2 Audio Layer II) i umożliwia kompresję studyjnych sygnałów
dz
więkowych z 2x768 kb/s do 2x128 kb/s przy pełnym zachowaniu jakości tych sygnałów.
Rys.2 Schemat kodera MUSICAM
Filtracja Transkodowanie
Cyfrowy
sygnał
foniczny Bank Redukcja M
filtrów danych U
48kHz
L
Określenie
T
współczynników
Redukcja danych
I
skali
K
P
Wy
O
L
D
E
E
K
R
S
Określenie
E
progu
Dynamiczna
R
FFT maskowani
alokacja bitów
Schemat kodera MUSICAM (Rys.2) składa się z bloku filtrującego i transkodera. Studyjny
cyfrowy sygnał foniczny o przepływności 2 x 768 kb/s (częstotliwość próbkowania 48 kHz,
kwantyzacja 16 bitowa, pasmo akustyczne 20 Hz � 20 kHz) dzieli się za pomocą banku
wielofazowych filtrów cyfrowych na 32 subpasma, każde o szerokości 750 Hz (Rys4).
Rys.3 Zoptymalizowana sieć filtrów podpasmowych.
Ta rozdzielczość w dziedzinie częstotliwości nie jest wystarczająca do określenia
dynamicznego progu słyszalności w dolnej części pasma akustycznego. Z tego względu
kodowanie subpasmowe (bank filtrów) uzupełnia się kodowaniem transformacyjnym (układ
realizujący szybką transformatę Fouriera  FFT). Układ ten oblicza co 24 ms 1024 składowe
widmowe z rozdzielczością 20 Hz. Amplitudy tych składowych są porównywane z progiem
słyszalności i pozostawiane tylko te, które próg przewyższją.
5
Transkoder spełnia dwie istotne funkcje: określa współczynnik skali i dynamiczny
próg słyszalności (próg maskowania) dla każdego kanału subpasmowego. Próbki sygnałów
subpasmowych grupuje się w bloki (ramki) o długości 8ms po 12 kolejnych próbek w bloku.
W każdym bloku wyznacza się współczynnik skali, określający najwyższy poziom sygnału
subpasmowego w tym bloku. Współczynniki skali są kodowane nominalnie za pomocą 6-
bitowych ciągów, w ten sposób pokrywa się pełną dynamikę sygnału studyjnego z
dwudecybelowym krokiem. Średnią liczbę bitów potrzebnych do przesyłania
współczynników skali można zmniejszyć biorąc pod uwagę statyczny ich rozkład. Po
pierwsze  współczynniki skali w wyższych subpasmach mają mniejsze wartości , po drugie 
współczynniki skali dwóch sąsiednich bramek są bardzo bliskie. Prawdopodobieństwo, że
dwa sąsiednie współczynniki skali będą się różniły o więcej niż 2 dB jest mniejsze niż 0,1.
Drugą funkcją transkodera jest określenie dynamicznego progu maskowania. W uzupełnieniu
maskowania jednoczesnego, tzn. maskowania jednego dz
więku przez drugi występujący w
tym samym czasie, bierze się pod uwagę premaskowanie i postmaskowanie (Rys.4),
ponieważ mózg człowieka posiada ograniczony czas reakcji, słabsze dżwięki są niesłyszalne
na krótko przed oraz po wystąpieniu silnego sygnału.
Rys.4 Premaskowanie i postamskowanie
Wykorzystanie tych zjawisk umożliwia rozproszenie szumu kwantowania w szerszym
przedziale czasowym. Premaskowanie występuje tuż przed pojawieniem się sygnału
maskującego. Długość okresu premaskowania wynosi zwykle od 50 do 200 ms. Okres
postmaskowania występuje po zaniknięciu sygnału maskującego i jest ok. 10 razy dłuższy od
okresu premaskowania. Największa długość bloku jest określana głównie przez zjawisko
premaskoania,
Liczba bitów informacyjnych potrzebnych do przekazania informacji o poziomie sygnału
użytecznego w danym subpaśmie zależy od różnicy maksymalnego poziomu sygnału i
minimalnego progu maskowania. Kwantyzuje się wiec niepełną amplitudę sygnału, lecz
jedynie odstęp sygnału od progu maskowania (stosunek wartości sygnału do progu
maskowania). Liczba transmitowanych bitów zależy więc od poziomu sygnału. Proces ten
nazywamy DYNAMICZN
ALOKACJ
BITÓW (Rys.5).
6
Rys.5 Budowa multipleksu w systemie kodowania z
ródłowego MUSICAM
Przepływność sygnału na wyjściu kodera MUSICAM nie przekracza nigdy 192 kb/s w kanale
monofonicznym. Taka przepływność jest wymagana do zapewnienia jakości studyjnej.
Jakość, równoważną jakości uzyskiwanej podczas odtwarzania płyty CD, wymaga 128 kb/s.
Schemat blokowy dekodera MUSICAM (Rys.6) ukazuje, iż sygnał odebrany dzieli się na
sygnały podpasmowe, a następnie ustala współczynniki skali i alokację bitów. Następnie 12
kolejnych próbek bloku może być zdekodowane, a po zastosowaniu odwrotnej filtracji
uzyskuje się zrekonstruowany sygnał foniczny (nie wykorzystuje się tu modelu
psychoakustycznego).
Rys.6 Schemat blokowy dekodera MUSICAM
Transkodowanie Filtrowanie
odwrotne odwrotne
D
Odtworzony cyfrowy
E
Redukcja Bank filtrów
sygnał foniczny
M
danych odwrotnych
48 kHz
U
odwrotnych
L
T
I
P
L
D Współczynnik
E
E skali
K
K
S
O
E
D
R Sterowanie alokacją
E
bitów
R
7
4. Kodowanie kanałowe- COFDM
COFDM  (Coded Orthogonal Frequency Division Multiplex), kodowe ortogonalne
zwielokrotnienie z podziałem częstotliwości, jest to kodowanie kanałowe stosowane w
systemie DAB. Opiera się ono na podziale charakterystyki czasowo częstotliwościowej na
obszary, w których parametry kanału są stałe (małe prostokąty na Rys.7) i na obszary, w
których parametry kanału są statycznie niezależne (duże prostokąty na Rys.7).
Rys.7 Charakterystyka czasowo-częstotliwościowa selektywnego kanału rayleighowskiego
Pierwszą operacją w COFDM jest podział przesyłanej informacji na dużą liczbę (N) sygnałów
podnośnych (Rys.8) z kluczowaną fazą .
Rys.8 Widmo sygnału OFDM
Operację tę nazywa się ortogonalnym zwielokrotnieniem z podziałem częstotliwości (OFDM
 Orthogonal Frequency Division Multiplex). Przepływność sygnałów modulujących
poszczególne sygnały nośne jest znacznie mniejsza niż przepływność oryginalnego kanału.
Operacja OFDM dzieli dziedzinę czasu i częstotliwości na małe prostokąty (Rys.7) o bokach
T i 1/T odpowiednio wzdłuż osi czasu i częstotliwości, przy czym T jest czasem trwania
elementarnego sygnału. W OFDM widma poszczególnych nośnych zachodzą na siebie
(Rys.8). (Zapewnia to optymalne wykorzystanie widma częstotliwości radiowych!)
8
Ortogonalizacja sygnału umożliwia dokładne odtworzenie informacji, mimo zachodzenia
widm na siebie. Ponadto proces modulacji i demodulacji łatwo przeprowadzić dzięki FFT.
Rys.9 Wielościeżkowa propagacja
W rzeczywistych warunkach w skutek wielodrogowości (Rys.9), warunek
ortogonalności sygnałów nośnych nie jest w pełni zachowany na wejściu odbiornika, ze
względu na interferencję międzysymbolową. W systemie DAB unika się tej interferencji
przez wprowadzenie odstępów ochronnych pomiędzy poszczególnymi symbolami (rys.10).
Rys.10 Odstępy ochronne eliminuję interferencję symbolową
Jeśli długość odstępu ochronnego jest dłuższa od odpowiedzi impulsowej kanału, to przedział,
w którym jest przesyłany sygnał nie jest zakłócany przez sygnał poprzedni (nie ma
interferencji międzysymbolowej) i ortogonalność sygnałów nośnych jest zachowana.
9
Rys.11 Czasowo-częstotliwościowy rozkład zmodulowanych sygnałów
Ze względu na problem zaników wprowadzono odpowiednie kodowanie
wykorzystywane w DAB, tzw. kodowane ortogonalne zwielokrotnienie z podziałem
częstotliwości (COFDM).
Kodowanie to polega na powiązaniu ze sobą elementarnych sygnałów (małe prostokąty na
Rys.8) nadawanych w dużych odległościach w dziedzinie czasowo-częstotliwościowej
(Rys.12).
Rys.12 Przeplatanie sygnałów w dziedzinie czasu i częstotliwości.
Powiązanie zapewnia kodowanie splotowe i przeplatanie w dziedzinie czasu i częstotliwości.
Głębokość przeplatania określona jest przez rozmiary dużych prostokątów na Rys.7.
10
Rys.13 Pełny obraz COFDM
Dzięki COFDM sygnały docierające do odbiornika różnymi drogami nie tylko nie pogarszają
odbioru, lecz  wręcz przeciwnie-przyczyniają się do jej poprawy!
5. Podsumowanie
a) Zastosowanie
System DAB jest kluczem do multimedialnej radiofonii i nie jest już tylko standardem
transmisji radiowej, ale systemem transmisji danych o prędkości maksymalnej sięgającej 1,8
Mb/s! Dzięki temu nowemu medium cyfrowemu można przesyłać nie tylko programy audio,
ale także teksty, obrazy, dane, informacje o ruchu, informacje turystyczne, etykiety
programów radiowych (128 znaków, a nie jak w RDS do 16 znaków), przesyłanie faksów,
wykorzystanie w nawigacji satelitarnej GPS.
b) DAB w Polsce
Zgodnie z danymi z 25/02/2004 naziemny nadajnik umieszczony DAB (T-DAB)
zlokalizowany w Warszawie, nadaje już 5 programów Polskiego Radia.
Publiczny / Data
Nazwa Serwisu Opis Serwisu Komercjalny Uruchomienia
Jedynka Ogólnotematyczny publiczny 01/09/2003
Dwójka Muzyka poważna publiczny 01/09/2003
Trójka Program młodzieżowy publiczny 01/09/2003
Radio BIS Edukacyjny publiczny 01/09/2003
Radio dla Ciebie Lokalna Transmisja Radiowa publiczny 01/09/2003
11
Pokrycie terenu przez DAB
c) Wnioski:
System Eureka 147 DAB dostarcza zarówno słuchaczowi jak i osobie nadającej
program radiowy nowe możliwości i znaczące korzyści w porównaniu z istniejącymi
analogowymi systemami radiowymi. Wysokiej jakości serwisy radiowe zawierające elementy
multimedialne mogą być odbierane przez odbiorniki stacjonarne jak i będące w ruchu.
Programy radiowe są bliskie doświadczenia rewolucji związanej z wejściem w cyfrową erę, a
system DAB jest pod nią idealnym fundamentem.
12
6. Literatura i wykorzystane z
ródła informacji:
1) Czasopismo: SAT Audio Video
2) Internet:
Digital Radio -- The Eureka 147 DAB System (http://www.bbc.co.uk)
WorldDAB Home (http://www.worlddab.org)
Fraunhofer IIS  Digital Broadcasting Systems (http://www.iis.fraunhofer.de)
Blaupunkt - Technologie - Cyfrowe Radio (http://www.blaupunkt.pl)
DAB - Digital Audio Broadcasting  Digipedia (http://definicje.digipedia.pl)
Zakład Radiokomunikacji, Radiofonii i Telewizji Z-1 (http://www.itl.waw.pl)
BrainyEncyclopedia (http://www.brainyencyclopedia.com)
Krajowa Rada Radiofonii I Telewizji (http://www.krrit.gov.pl)
MP3.COM.PL (http://mp3.com.pl)
13