Организация цифровых потоков
Услуга цифрового радиовещания в формате T-DAB гарантирует пользователю возможность приема определенного количества звуковых программ различного качества и типа, а также определенного объема данных. Для реализации услуги в передающей части системы формируется комплексный сигнал (передачи) ЦРВ, объединяющий всю необходимую информацию. С этой целью в системе организованы три канала:
• канал передачи пользовательской информации (MSC), который используется для передачи набора звуковых программ, а также данных (при их наличии);
• канал быстрой информации (FIC), обеспечивающий быстрый доступ к информации в радиоприемнике. Канал содержит сведения о конфигурации мультиплексирования, дополнительную информацию о каналах пользователей и компонентах каналов данных;
• канал синхронизации, который формируется внутри передающей части системы и используется для обеспечения функций демодуляции и декодирования в приемнике.
В табл. 2.1 и на рис. 2.1 указаны входные сигналы, поступающие от различных источников. Из этих сигналов формируются компонентные цифровые потоки, а затем - кадр (фрейм) передачи. Рассмотрим далее способы организации передачи данных по каналам MSC и FIC, состав этих каналов, а также назначение каждого из входных сигналов системы.
Таблица 2.1. Входные сигналы системы
| № на схеме рис 4.1 | Наименование и состав сигнала | |
| Данные канала FIC(FIDC+MCI+SI) | ||
| Данные для управления мультиплексированием сигнала ЦРВ | ||
| Информация, передаваемая в канале пользователя | ||
| Звуковые программы | Данные, связанные с программой (PAD) | |
| ИКМ звуковой сигнал (fд=24 или 48 кГц) | ||
| Общие данные для канала пользователя | Данные пакетного режима | |
| Данные потокового режима |
| А1 |
| А2 |
| Скр |
| КСК |
| А3 |
| А4 |
| КК |
| КИ |
| КК |
| КК |
| КК |
| А4 |
| FIBs |
| CIFs |
Рис.2.1. Главный мультиплексор передачи пользовательской информации:
(цифрами (1-5) обозначены входные сигналы, указанные в табл.2.1)
А1- ассемблер FIDS; A2 - ассемблер блока быстрой информации; A3 - ассемблер передачи информации в канале пользователя; А4 - ассемблер пакетного режима передачи информации в канале пользователя; Скр - скремблер; КСК - кодер сверточного кода; КК - кодер канала (объединяет здесь функции скремблирования, помехоустойчивого кодирования и перемежения по времени); КИ - кодер источника MUSICAM.
Вся информация в рамках основной услуги ЦРВ объединяется главным каналом пользовательской информации MSC. В канале совместно с аудиоданными передаются данные, связанные с программой (PAD). Это разнообразная сервисная информация, которая передается вместе со звуком, но не слышна, например, текст, выводимый на ЖКД приемника и относящийся к звучащей программе, или данные, предназначенные для управления динамическим диапазоном и осуществления индикации типа "музыка/ речь" и т.п. Помимо данных PAD, в канале MSC могут передаваться дополнительные данные (канал AIC), а также данные условного доступа (СА), обеспечивающие проверку права пользователя на доступ и управление этим правом.
Функция управления правом на доступ заключается в распределении этих прав по конкретным радиоприемникам. Существует несколько видов получения права на доступ, соответствующих различным способам "подписки" на канал: предварительно внесенная плата за программу или плата за выбранную в данный момент программу, плата за канал или время. Реализация этой функции предполагает использование секретных ключей и криптографических алгоритмов.
Объединение компонентных потоков канала MSC происходит в главном мультиплексоре передачи пользовательской информации (рис. 2.1). Здесь поступившие данные организуются в последовательность общих фреймов с перемежением (CIFs). Такой фрейм насчитывает 55296 бит, состоит из 864 единиц емкости (CU), составляющих наименьшую адресуемую часть CIFs, и передается каждые 24 мс. Следовательно, скорость цифрового потока в канале MSC составляет 2304 кбит/с. До мультиплексирования информация в канале MSC обрабатывается в субканалах, представляющих собой единицу передачи и состоящих из целого числа CU.
В канале MSC используются два режима передачи; потоковый, который обеспечивает прямую передачу от источника до места назначения с фиксированной скоростью (кратной 8 кбит/с) цифрового потока в конкретном субканале, и пакетный, предназначенный для передачи нескольких компонент данных различных каналов пользователей в одном и том же субканале. В потоковом режиме информация должна передаваться по требованию, причем данные должны быть разделены на логические фреймы.
В пакетном режиме допустимые скорости цифровых потоков также должны быть кратны 8 кбит/с – однако с условием соответствия имеющейся емкости субканала для передачи данных. Пакеты идентифицируются адресом и имеют фиксированную длину. Используются 4 стандартных длины пакета - от 24 до 96 байт, у которых длина поля данных изменяется соответственно от 19 до 91 байта. Данные о связи между компонентами каналов пользователей и адресами пакетов передаются в MCI (см. ниже).
Вся информация, необходимая для правильной организации фрейма передачи, составляющего основную часть комплексного сигнала ЦРВ, поступает через канал FIC в виде блоков быстрой информации FIBs - пакетов данных, состоящих из 256 бит. Приоритетной информацией в канале FIC является информация о конфигурации мультиплексирования (MCI), т.е. сведения об организации субканалов и канальных компонент. Это повторяющаяся информация о сигналах ЦРВ, компонентах каналов, субканалах и связи между ними. Для обеспечения быстрого доступа к MCI данные FIBs не подвергаются временному перемежению, в результате чего MCI не претерпевают задержки и приемник быстро реагирует на изменение конфигурации мультиплексирования.
Если изменение конфигурации только предстоит, то данные MCI о будущей конфигурации посылаются заблаговременно (до 6 с) для обеспечения непрерывности функционирования каналов.
Помимо MCI в канале FIC передается сервисная информация о каналах пользователей (SI), а также информация быстрого доступа (FIDS) - специально выделенная часть канала, используемая для передачи не связанных со звуком каналов данных: пейджинг, дорожная информация (ТМС) и сигналы экстренного оповещения (EWS). Среди сервисной информации о каналах пользователей можно отметить: наименование канала и язык вещания, дата и время, номер и тип программы (новости, музыка, спорт), комментарии к радиопрограмме; идентификаторы передатчика, зоны вещания, региона и страны; информацию о частотах, о других сигналах ЦРВ и т.п.
Конкретные сведения о процедурах кодирования источника и обработке сигналов в обоих каналах, а также анализ второй части структурной схемы передатчика системы T-DAB, обеспечивающей формирование сигнала передачи, будут рассмотрены ниже в соответствующих разделах.
Режимы передачи
Для того чтобы использовать радиовещательную систему T-DAB в различных конфигурациях передающей сети и в широком диапазоне рабочих частот, предусмотрены четыре альтернативных режима передачи. Они позволяют организовать вещание в диапазоне частот от приблизительно 30 МГц до 3 ГГц. Эти режимы были разработаны для компенсации эффекта Доплера и возможных задержек сигнала в условиях мобильного приема при наличии много-лучевости и эхо-сигналов от альтернативных радиопередатчиков в одночастотной сети (SFN). В настоящее время приняты решения СЕРТ об использовании для этой системы преимущественно полос частот диапазона ОВЧ (Band ill) - 174. ..230, 230...240 МГц и нижней части диапазона УВЧ (L-Band) - 1452...1492 МГц. Полоса в диапазоне УВЧ выделена в 1992 г. Всемирной радиоконференцией (ВАКР) исключительно для цифрового радиовещания.
В табл. 2.2 приведены основные параметры системы в зависимости от режима передачи. Как видно из приведенных в таблице данных, использование более высоких частот налагает большие ограничения на длительности защитных интервалов и, следовательно, на максимальную задержку эхо-сигнала, которая определяет допустимый разнос радиопередатчиков одночастотной сети вещания.
Режим I наиболее подходит для организации наземного вещания и построения одночастотных сетей, поскольку позволяет обеспечить наибольшее разнесение передатчиков и, следовательно, обойтись меньшим их количеством при заданной площади обслуживания.
Таблица 2.2. Основные параметры системы
| Параметры | Режим передачи | |||
| I | II | III | IV | |
| Номинальный частотный диапазон (для мобильного приема), МГц | <375 | < 1500 | <3000 | <750 |
| Количество несущих, используемых в модеме COFDM | ||||
| Длительность защитного интервала, МКС | -246 | -62 | -31 | -123 |
| Максимальное разнесение передатчиков при работе в одночастотной сети, км | ||||
| Длительность фрейма передачи, мс | ||||
| Число FIB во фрейме передачи | ||||
| Число CIF во фрейме передачи |
Режим II наиболее приемлем для сетей местного радиовещания с использованием одного наземного передатчика, а также для построения гибридных НСС ЦРВ на частотах до 1,5 ГГц. Режим III более пригоден для организации спутникового и дополняющего его наземного вещания на частотах до 3 ГГц, а также для использования в современных широкополосных сетях кабельного телевидения в диапазоне частот 47...862 МГц. Режим IV оптимизирует параметры DAB-сигнала для использования в сетях SFN, организуемых в L-полосе. Он обеспечивает большее разнесение передатчиков в одночастотной сети, чем режим II.
2.3. Кодирование звуковых сигналов:
Кодек источника MUSICAM
В системе T-DAB для кодирования звуковых сигналов используется стандарт компактного представления MPEG-1 Audio, Layer 2 (система MUSICAM) с форматированием, пригодным для ЦРВ. Кодер обрабатывает входной ИКМ звуковой вещательный сигнал с частотой дискретизации 48 кГц или 24 кГц и осуществляет сжатие (редукцию) цифрового потока аудиоданных до скоростей R3B от 8 до 384 кбит/с. При сжатии цифрового потока с 768 кбит/с до приблизительно 100 кбит/с на монопрограмму сохраняется субъективное качество студийного цифрового сигнала для любого критического звукового материала. Звуковые режимы, принятые в системе, скорости цифрового потока аудиоданных и длительности звуковых фреймов для двух допустимых значений частоты дискредитации, приведены в табл. 2.3.
Метод MUSICAM основан на субполосном кодировании с динамическим квантованием в частотных полосках слуха. На основе использования психоакустической модели человеческого слуха из сигнала удаляются все компоненты, которые не могут быть восприняты человеческим ухом.
Таблица 2.3. Основные характеристики кодирования источника
| Частота дискретизации, кГц | Звуковой режим | Скорости цифрового потока аудиданных, RЗВ кбит/с | Длительность звукового фрейма, мс |
| Одноканальный (одна монопрограмма) Стереофонический; двухканальный (два моноканала); объединенный стереофонический | 32,48,56,64,80,96,112,128, 160,192 64,96,112,128,160,192,224, 256,320,384. | ||
| Для всех режимов передачи | 8,16,24,32,40,48,56,64,80,96, 112,128,144,160. |
В результате достигаются высокие коэффициенты сжатия - от 4 до 12 (по утверждению разработчиков, при сжатии до 8 раз сохраняется качество источника цифрового звука). Система характеризуется также низкой сложностью декодера, малой задержкой транскодирования, устойчивостью к ошибкам передачи, кодированием в реальном масштабе времени, а также независимостью декодера от цифровой скорости и режима работы.
Другие базовые механизмы, применяемые при цифровом сжатии звукового вещательного сигнала:
• метод блокового компандирования - переквантование и динамическая регулировка усиления. Используется для уменьшения длины кодового слова, что обеспечивает экономию битов при цифровом представлении отсчетов звукового сигнала (ЗС). Регулировка усиления обеспечивает увеличение уровня слабых сигналов над минимальным уровнем шума, насколько это возможно (увеличение усиления должно компенсироваться в декодере);
• кодирование с предсказанием. Используется принцип ДИКМ - в линию передается только разность между предсказанным и фактическим значениями (см. разд. 2.3). Приемник-декодер содержит идентичный предсказатель, к выходному сигналу которого добавляется переданная разность, чтобы восстановить исходное значение;
• полосное кодирование, когда спектр ЗС разбивается на множество различных частотных полос, чтобы воспользоваться тем фактом, что уровни сигналов, содержащихся в большинстве таких полос, будут меньше уровня наибольшего сигнала;
• спектральное кодирование, при котором периодически производится спектральное преобразование ЗС. Поскольку спектр ЗС изменяется относительно медленно, его коэффициенты можно передавать существенно реже, чем звуковые отсчеты. Как правило, применяется быстрое преобразование Фурье (БПФ), причем используется сочетание полосного и спектрального кодирования.
На рис. 2.2 представлена структурная схема монофонического кодера MUSICAM.
Его основой является субполосный анализ, дополненный спектральным анализом для оценки относительного порога слышимости, т.е. моделью восприятия человеческого слуха.
| Гребёнка фильтров |
| Компрессия видео-данных |
| Определение Кмасшт |
| Сокращение избыточной информации |
| БПФ |
| Динамическое распределение бит |
| Дополнительные данные |
| Оценка порога слышимости |
| Желаемая скорость |
| В канал |
Рис. 2.2. Структурная схема кодера MUSICAM
В соответствии со стандартом кодер состоит из следующих основных функциональных модулей:
- набор многофазных фильтров (гребенка 32-полосных фильтров). Назначение - преобразование входного ИКМ- потока звукового сигнала из временного представления в спектральные компоненты выборок (отсчетов). В результате исходная полоса ЗС разбивается на 32 равных частотных поддиапазона, т.е. на 32 субполосный сигнала (частотных полосы) шириной гд/64;
- блок БПФ и психоакустического моделирования -оценки порога слышимости (работа этого блока происходит параллельно процессу фильтрации). Назначение - компенсация недостаточной точности спектрального анализа, осуществляемого набором фильтров, и определение фактических порогов маскирования, зависящих от времени. Этот блок состоит из вычислителя БПФ по 1024 точкам и психоакустической модели (ПАМ). ПАМ обеспечивает вычисление минимального порога маскирования, необходимого для определения уровня шума, при котором он становится заметным в каждой из полос набора фильтров.
- блок квантования и кодирования (компрессия аудиоданных). Назначение - квантование и кодирование выборок в каждой из полос таким образом, чтобы уровень шума, возникающего в результате квантования, был ниже порога маскирования. Используется метод блокового компандирования (см. выше) с 6-битовым масштабным коэффициентом (ScF) и длиной блока, составляющей 12 выборок на полосу. При этом реализуется динамический диапазон ЗС порядка 120 дБ. Таким образом, вычисление масштабных коэффициентов для каждой из полос выполняется для блока из 12 выборок на полосу. По этим 12 выборкам определяется максимальное абсолютное значение сигнала, которое квантуется с помощью 6-битового слова. Следовательно, цикл соответствует 36 выборкам на полосу (по три масштабных коэффициента от каждой полосы). В действительности, это необходимо делать только при передаче резких перепадов ударных звуков. В остальных случаях можно передавать по два и даже одно значение коэффициента на полосу - в зависимости от скорости нарастания или спада ЗС. При этом используется эффект временного маскирования слухового восприятия;
- блок компоновки выходного цифрового потока (блок формирования звукового фрейма). Назначение - преобразование потока двоичной информации кодера в последовательность звуковых фреймов, каждый из которых - это декодируемая самостоятельно часть звукового цифрового потока, соответствующая 1152 ИКМ-выборкам ЗС;
- блок комбинированного (объединенного) стереокодирования (на рис. 2.2 не показан). Назначение - реализовать объединенный стереорежим. В этом звуковом режиме два канала, образующие стереопару (правый и левый), кодируются в рамках одного цифрового потока. В результате обеспечивается уменьшение скорости цифрового потока за счет избыточности стереофонического сигнала, связанной с существованием корреляции между сигналами левого и правого каналов. Данный метод используется при кодировании стереосигнала DAB по интенсивности. Такое кодирование базируется на сохранении на высоких частотах только огибающей сигнала, характеризующего энергию правого и левого канала. На низких частотах сохраняется тонкая структура обоих каналов стереосигнала.
Таким образом, на выходе мультиплексора кодера MUSICAM (рис. 2.2) формируется звуковой фрейм длительностью 24 или 48 мс, соответствующий 1152 отсчетам ЗС и содержащий специфическую информацию о звуке в системе T-DAB. Фрейм состоит из целого числа однобайтовых сегментов. Каждый фрейм начинается с синхрослова-заголовка (32 бита), т.е. с временного интервала, в котором содержится информация для канала синхронизации.
Кодовое слово CRC (16 бит), следующее за заголовком, защищает от ошибок часть информации фрейма. За кодом CRC следуют данные по распределению битов, информация о выборе масштабных коэффициентов (ScFSI) и сами коэффициенты, а затем субполосные выборки, которые используются декодером для реконструирования ИКМ звукового сигнала в приемнике. Таким образом, в мультиплексоре кодера дополнительная информация, необходимая для правильного функционирования декодера ЗС в приемнике, объединяется с информацией о звуковых отсчетах в один сигнал. В конце каждого звукового фрейма находится поле дополнительных данных, которое имеет переменную длину и может быть использовано для различных целей.
Согласно формату T-DAB, в конце звукового фрейма DAB передаются фиксированные данные размером в два байта, связанные с программой (F-PAD). Эти данные передаются со скоростью 0,667 кбит/с независимо от звукового режима. При частоте дискретизации 24 кГц, когда фрейм длительностью 48 мс делится на два субфрейма равной длины, скорость передачи данных F-PAD уменьшается вдвое, поскольку данные содержатся только в нечетных фреймах. В конце звукового фрейма, помимо данных F-PAD, стандартом предусматривается передача данных X-PAD объемом 4 байта. Это расширенные данные, связанные с программой.
Данные F-PAD и X-PAD совместно обеспечивают реализацию следующих функций:
управление динамическим диапазоном приемника -с целью обеспечения соответствия динамического диапазона сигнала условиям прослушивания в зашумленной обстановке;
передача сигнала индикации "музыка-речь" - для управления процессором ЗС в приемнике;
организация канала команд - для передачи на декодер (синхронно с музыкальным сигналом) специальных команд;
передача текста, связанного с передаваемой программой - для организации пояснений к конкретной звуковой программе; передача внутренней служебной информации - для применения только в пределах конкретной радиовещательной сети.
Декодер сигналов MUSICAM (рис. 2.3) проверяет входящие данные на наличие ошибок, а также разделяет данные управления процессом декодирования и сжатые информационные аудиоданные.
Прежде всего, разделенные на отдельные полосы сигналы экспандируются с помощью информации управления, в результате происходит их обратное преобразование в исходную форму.
В инверсном блоке фильтров различные спектральные части ЗС вновь объединяются в первоначальный сигнал. Результатом этого является цифровой поток аудиоданных на выходе декодера, который уже подготовлен для цифро-аналогового преобразования.
| Вход |
| Декомпрессия аудиоданных |
| Инверсный блок фильтров |
| Кмасшт |
| Распределение бит |
| Выход |
| Цифровой ЗС |
Рис. 2.3. Структурная схема декодера MUSICAM