ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE

Transcription

1 ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE Elektrotechnická fakulta Katedra telekomunikácií Digitálne rozhlasové vysielanie DRM Pavol Hamran 2006

2 Digitálne rozhlasové vysielanie DRM BAKALÁRSKA PRÁCA Pavol Hamran ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE Elektrotechnická fakulta Katedra telekomunikácií Študijný odbor: TELEKOMUNIKAČNÝ MANAŽMENT Vedúci bakalárskej práce: Doc. Ing. Ján Dúha, PhD. Stupeň kvalifikácie: bakalár (Bc.) Dátum odovzdania bakalárskej práce: Žilina 2006

3 Žilinská univerzita v Žiline, Elektrotechnická fakulta, Katedra telekomunikácií _ ANOTAČNÝ ZÁZNAM ZÁVEREČNÁ BAKALÁRSKA PRÁCA Priezvisko a meno: Pavol Hamran školský rok: 2005/2006 Názov práce: Digitálne rozhlasové vysielanie DRM Počet strán: 32 Počet obrázkov: 0 Počet tabuliek: 2 Počet grafov: 0 Počet príloh: 0 Počet použ. lit.: 7 Anotácia v slovenskom jazyku: Záverečná práca popisuje DRM systém spracovanie signálov, multiplexovanie a kódovanie. Ďalej popisuje situáciu na trhu s DRM technikou a opisuje stav vysielania v Európe a na Slovensku. Anotácia v anglickom jazyku: In the final work, there is described DRM system, processing of signals multiplexing and coding. It is also describing the situation on market with DRM technology and situation of broadcasting in Europe and in Slovak republic. Kľúčové slová: Digitálne rozhlasové vysielanie, Digital Radio Mondiale, multiplex, Vedúci práce: doc. Ing. Ján Dúha, PhD., Katedra telekomunikácií, ŽU v Žiline Recenzent: Dátum:

4 Abstrakt Cieľom tejto práce je vysvetliť základné pojmy, princípy a spôsoby spracovanie digitálneho rozhlasového vysielania v systéme Digital Radio Mondiale. Ďalšie kapitoly sú venované porovnaniu iných digitálnych systémov. DRM (Digital Radio Mondiale) prináša digitalizáciu do už takmer zabudnutého pásma krátkych vĺn. Toto pásmo má nesporne veľa výhod a preto je aj budúcnosť digitálneho vysielania veľmi optimistická.

5 Zoznam použitých skratiek a pojmov AM Amplitúdová modulácia DRM Digital Radio Mondiale EBU European Broadcasting Union FM frekvenčná modulácia DAB-T Digital Audio Broadcasting Terrestrial DAB Digital Audio Broadcasting DSR Digital Satelite Radio PC personal computer AAC Advanced Audio Coding SBR Spectral Band Replication MPEG Moving Picture Experts Group MPEG CELP Code Excited Linear Prediction MPEG HVXC Harmonic Vector excitation Coding QAM Quadrature Amplitude Modulation TDM Time-division multiplexing PCM SS/CDMA Spread Spectrum / Code Division Multiple Access OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing VKV veľmi krátke vlny TP/TA Traffic Program / Traffic Announcement CD compact disc LF Low frequency MF Medium frequency HF High frequency DV dlhé vlny SV stredné vlny KV krátke vlny LW Long Wave MW Medium Wave SW Short Wave FAC Fast Access Channel SDC Service dscription Channel

6 MSC Main Service Channel QPSK Quadrature Phase Shift Keying CRC Cyclic Redundancy Check AFS Alternative Frequency Switching UEP Unequal Error Protection EEP Equal Error Protection VSPP Very Strongly Protected Part SPP Standard Protected Part USB Universal Serial Bus napr. na príklad a pod. a podobne resp. respektíve tzv. takzvane mp3 MPEG 1 Layer 3

7 Zoznam tabuliek Tabuľka č 1: HVXC Tabuľka č 2: CELP

8 Úvod Digitálne rozhlasové vysielanie DAB T Digital Radio Mondiale DRM Kľúčové rysy systému navrhovaného pre trh s DRM zariadeniami Multiplexovanie Main Service Channel (MSC) Fast Access Channel (FAC) Service Description Channel (SDC) Zdrojové Kódovanie Kódovanie hovoreného slova Kódovanie audio signálu Kanálové kódovanie a modulácia DRM prijímače Dátový tok v DRM prijímači a bloková schéma prijímača Typy prijímačov Digitálne rozhlasové vysielanie v Európe Digitálne rozhlasové vysielanie na Slovensku...38 Záver...39

9 Úvod Všetko sa to začalo v druhej polovici 90 rokov, keď sa zjavili digitálne technológie, ktoré výrazne posunuli kvalitu posluchu, začala sa javiť budúcnosť klasického AM vysielania stále pochmúrnejšia. Rozhlasové stanice, výrobcovia elektroniky a vedci uvažovali o tom, ako klasické vysielacie pásmo oživiť. Myšlienka digitalizácie AM na seba nenechala dlho čakať. Ciel bol definovaný takto : vyvinúť kvalitatívne nový digitálny systém pre vysielane v pásmach AM, ktorý bude jednoduchý, univerzálny, štandardizovaný a v neposlednom rade komerčne využiteľný. Prevádzkovateľom vysielania ide samozrejme o rozšírenie služieb a oslovenie nových poslucháčov. V roku 1998 bolo ustanovené konzorcium DRM Digital Radio Mondiale. Memorandum o jeho vzniku podpísalo 20 inštitúcii. Medzi najaktívnejšie patrili Deutsche Welle, Radio France Internationale, Hlas Ameriky a spoločnosť Thomcast. Kancelária DRM sídli v ústredí EBU v Ženeve. Dnes má konzorcium 82 členov z 29 krajín. Členovia konzorcia majú za členské poplatky prístup k vývojovým technológiám, testom a všetkým technickým dátam. Členmi DRM sú predovšetkým rozhlasové stanice, ale taktiež výrobcovia elektroniky, univerzitné a výskumné ústavy, regulačné orgány a nevládne inštitúcie. Ďalším spôsobom digitálneho vysielania avšak už nie v pásmach AM ale FM je DAB-T (Digital Audio Broadcasting Terrestrial). Ako bolo spomenuté, DAB nie je konkurenciou DRM, naopak sú, to dva rozličné a nezávislé systémy. Konkurenciou im však môže byť satelitné vysielanie. Prvá kapitola je venovaná stručnému popisu jednotlivých technológií, konkrétne stručný opis satelitného vysielania sú spomenuté DAB aj DSR. Z terestriálnych technológií sú spomenuté DAB-T len informatívne a DRM je popísané podrobnejšie. Druhá kapitola je venovaná popisu trhu s DRM zariadeniami. Táto kapitola sa venuje aj problematike prijímačov, konkrétne prijímača pomocou PC.

10 Obsahom tretej kapitoly je Multiplexovanie. Multiplexovnie konkrétnych kanálov ( FAC, SDC, MSC ), ktoré sa podieľajú na prenose. Podrobnejšie sa táto kapitola venuje štruktúre kanálov a štruktúre rámcov. Štvrtá kapitola rozoberá zdrojové kódovanie. Konkrétne kódovanie audio zvuku pomocou AAC + SBR a hovoreného slova pomocou MPEG CELP / HVXC, popisuje ich základné vlastnosti. Piata kapitola konkrétne opisuje moduláciu a kanálové kódovanie. Spomenuté sú techniky modulácie QAM (4,16,64), ale i viacúrovňové kódovanie. Šiesta kapitola sa venuje prijímačom. Popisu jednotlivých prijímačov, ktoré sú na trhu a stručnému opisu ich činnosti. Slovensku. Siedma kapitola obsahuje porovnanie zastúpenia jednotlivých technológií v Európe a na

11 1 Digitálne rozhlasové vysielanie 1.1Digitálny družicový rozhlas Podobný vývoj, aký sme mohli sledovať pri prechode analógovej televízie na družicovú nastal aj pri vysielaní rozhlasu. Okrem zvýšenia kvality zvuku nám digitálna technika umožnila prenášať aj celý rad dodatočných informácií napr. o obsahu vysielaného programu. Tieto informácie môžu byť zobrazované na displeji prijímača, alebo môžu byť použité na vyhľadávanie určitej programovej náplne a pod. Digital Satelite Radio Jedným z prvých digitálnych družicových systémov bol nemecký systém DSR (Digital Satellite Radio), ktorý vysielal v pásme 11/14 GHz. Systém využíva TDM na jednej nosnej a umožňuje prenos 16 vysokokvalitných stereofónnych programov cez jeden družicový transpondér, aby bol družicový kanál využitý dostatočne efektívne, musia byť analógové zvukové signály vzorkované frekvenciou iba 32 khz, čím sa znižuje maximálne prenášané pásmo na 15 khz. Používa sa PCM modulácia so 16 bitovým vyjadrením vzoriek, ktoré sa ďalej redukujú na 14 bitové slová. Bitová rýchlosť pre takto spracovaný stereofónny signál bez dodatočných dát je 896 kbit/s, čo pri prenose 16 programov znamená rýchlosť 14,336 Mbit/s. K tejto rýchlosti treba ešte pripočítať ďalšie dáta ako napr.: synchronizácia, programové dáta alebo ochranné dáta. Najdôležitejší je asi fakt, že dnes tento systém už nepracuje, nakoľko bol určený iba pre pevné, resp. prenosné prijímače a prenechal svoje miesto novšiemu systému DAB. Digital Audio Broadcasting DAB (Digital Audio Broadcasting) je digitálny družicový systém najvyššej kvality navrhnutý pre mobilné, prenosné aj pevné rozhlasové prijímače. Je navrhnutý na prevádzku vo frekvenčných pásmach do 3 GHz. Na tento účel využívané techniky prenosu: s rozprestretým spektrom SS/CDMA (Spread Spectrum / Code Division Multiple Access), frekvenčne deleným multiplexom OFDM (Orthogonal FDM).

12 1.2 DAB T DAB-T (Digital Audio Broadcasting Terrestrial) je systém určený pre šírenie digitálneho terestriálneho rozhlasu, ktorému tvorcovia pred pár rokmi predurčili najskôr dopĺňať a neskôr perspektívne nahradiť existujúce pásmo VKV. Na rozdiel oproti analógovým systémom využíva rozhlasové spektrum efektívnejšie, nakoľko na jednej frekvencii umožňuje vysielanie viacerých programov. V prípade DAB jeden kanál poskytuje 1024 MB, z ktorých si môžu ukrajovať jednotlivé stanice podľa potrieb. DAB poskytuje taktiež dátový kanál, ktorý umožňuje prenos oveľa viacej doplnkových informácií, ako sme tomu svedkami v prípade Rádio Data Systému. Dopravné služby typu TP/TA sú samozrejmosťou. Čo je však najdôležitejšie, DAB ponúka pre poslucháčov vyšší komfort vyhľadávania staníc. Kým v pásme FM sú stanice roztrúsené v celom spektre medzi 87,5 až 108 MHz, v pásme DAB sú vysielané všetky rozhlasové stanice na jednom kanále (tzv. multiplexe), z ktorého si poslucháč môže zvoliť ten jeho program priamo podľa názvu. Aj keď vo väčšine prípadov tomu tak je, prívlastok digitálny nemusí znamenať za každých okolností kvalitnejší. Medzi ľuďmi vládne od čias kompaktných CD Audio diskov zakorenená predstava, že čo je digitálne, to je aj kvalitné. Mnohí však zabúdajú na to, že kvalita digitálneho zvuku je však veľmi závislá na množstve prijatých informácií, preto digitálny zvuk pri nízkych dátových tokoch môže byť aj horší ako signál analógový. Systém DAB je založený na princípe prenosu dát z vysielača k poslucháčovi, pričom signál sa na strane vysielača kóduje, a na strane poslucháča dekóduje pomocou algoritmu MUSICAM MPEG-1 Layer 2 Teda MPEG - 2. Samotná kvalita vysielania je teda závislá od dátového toku, čiže množstvu dát, ktorý je v danom balíku staníc vyčlenený pre konkrétnu stanicu. Dátový tok volí samotný vysielateľ. Princíp je v podstate rovnaký ako pri vytváraní mp3 súborov a to, že čím je dátový tok vyšší, tým je zvuk kvalitnejší a naopak. Dôvod prečo voliť nižší dátový tok je predovšetkým ten, že finálny súbor je menší, tým pádom sa viacej skladieb vojde na disk. Presne o tomto to je aj digitálny rozhlas z koláča kapacity, ktorú poskytuje jedna frekvencia si môže ukrojiť niekoľko programov s vysokou kvalitou, alebo veľa programov s horšou kvalitou. DAB má nesporne veľa výhod, z ktorých hlavná je skvalitnenie príjmu predovšetkým v mobilných zariadeniach. Zavedenie digitálneho vysielania môže výrazne skvalitniť príjem rozhlasového vysielania v pohybe, kde vždy bola a bude achylova päta analógu. V súčasnom

13 preplnenom éteri väčšina malých prenosných prijímačov nezvláda neduhy analógu, ako sú zahltenie silnejšími stanicami, rušenie blízkymi stanicami, odrazmi od zástavby, hornatého terénu a preto je kvalitný príjem takmer nemožný. Digitálna éra v rozhlase má šancu priniesť kvalitný príjem do vrecka a zabezpečí, že aj lacné prijímače budú znieť výborne. Jeho ďalšia fáza a rozšírenie však závisí od toho, či programy a produkty na trhu zaujmú zákazníka natoľko, aby do digitálneho prijímača investoval. Relatívne vysoké ceny však stále bránia širšiemu rozvoju digitálneho vysielania.

14 1.3 Digital Radio Mondiale DRM Digitálne rozhlasové vysielanie do 30 MHz alebo DRM Digital Radio Mondiale, tento systém založený na modulačnom princípe OFDM podobne, ako DVB-T a DAB-T. DRM má byť náhradou v súčasnosti už nevyhovujúceho amplitúdovo modulovaného prenosu, zaťaženého značným rušením a únikmi. Rádiové frekvenčné pásma v rozmedzí od 150 khz až do 30 MHz sa vyznačujú špecifickými vlastnosťami šírení elektromagnetických vĺn medzi vysielačom a prijímačom, ktoré ich už na začiatku minulého storočia predurčili k rozhlasovému vysielaniu na veľké vzdialenosti. Na druhej strane je však skutočnosť, že sa z dnešného pohľadu jedná o úzke pásmo s veľmi premenlivými podmienkami pre relatívne blízke frekvencie. Aby sa do tohto frekvenčného rozsahu zmestili všetky stanice, bolo nutné, aby šírky jednotlivých kanálov boli malé. Úzke kanály potom môžu prenášať iba obmedzené množstvo informácií. Tým sú dané obmedzenia systému DRM. Konkrétne sa jedná o tieto frekvenčné pásma: Low frequency ( LF ) band : 148,5 khz až khz Medium frequency (MF ) band: 526,5 khz až 1606,5 khz ( Európa ) High frequency ( HF ) úseky medzi 2,3 MHz až 27 MHz Tieto pásma zodpovedajú frekvenčným rozsahom analógového rozhlasového vysielania s amplitúdovou moduláciou AM. V rovnakom poradí sú to dlhé vlny DV, stredné vlny SV, krátke vlny KV, respektíve LW Long Wave, MW Medium Wave, SW - Short Wave. Šírenie vĺn klasických vlnových dĺžok, je možné charakterizovať týmito vlastnosťami: dlhé vlny sa šíria pozdĺž zemského povrchu na stovky kilometrov, napríklad na pokrytie územia Československa postačil jediný vysielač. Na stredných vlnách už dochádza k posunu charakteru šírenia (cez deň sa šíria pozdĺž zemského povrchu, v noci však prevažuje vplyv odrazu od ionosféry, v noci majú európske stanice s vyšším výkonom dosah po celom kontinente). U krátkych vĺn dominuje vždy odraz od ionosféry, ale v závislosti dennom, ročnom období a slnečnej aktivite je na niektorých vlnových rozsahoch KV šírenie vhodnejšie oproti šíreniu na iných krátkovlnných pásmach. U krátkych vlnách sa tak v podstate dá hovoriť o globálnom pokrytí, u dlhých a stredných vlnách o regionálnom

15 pokrytí na vzdialenosť niekoľko sto kilometrov od vysielača, všetko bez nutnosti vysielať do vesmíru družice alebo internetového pripojenia pre posluch vzdialených rozhlasových staníc. Pre DRM sa používajú šírky kanálov : 4,5; 5; 9; 10; 18; a 20 khz odvodené od frekvenčného rastra analógového vysielania. Z frekvenčnej šírky kanála vyplýva počet nosných frekvencií a z toho aj možná bitová rýchlosť daného kanála. Jedná sa o niekoľko desiatok nosných. V prípade 1 khz kanála je ich približne 200. Dátový tok DRM obsahuje tri tipy logických kanálov: Fast Access Channel (FAC) obsahuje informácie o parametroch prenášaného multiplexu. Ďalším logickým kanálom je Service Description Channel ( SDC ) ktorý informuje prijímač o tom ako dekódovať dáta prenášané tretím a hlavným kanálom Main Service Channel ( MSC ). MSC obsahuje dáta prenášaného rozhlasového programu. Každý z logických kanálov má pridelené svoje nosné, ktoré môžu byť modulované rôznymi moduláciami. FAC je väčšinou modulovaný moduláciou QPSK, SDC, potom QPSK, alebo 16 - QAM a pre prenos kanálu MSC sa volí modulácia 16 QAM, alebo 64 QAM. Modulácia MSC má priamy vplyv na prenosovú rýchlosť. Vplyv jednotlivých parametrov modulácie najlepšie demonštrujú medzné hodnoty prenášaných rýchlostí. Minimálne prenosové rýchlosti sa v DRM dosahujú pri šírke kanála 4,5 khz, kódovým pomerom 0,5 modulácii 16 QAM. V tomto prípade je rýchlosť 4,8 kbit/s. Pri šírke 20kHz, modulácii 64 QAM kódovom pomere 0,78 vychádza rýchlosť 72 kbit/s. V súčasnej dobe vysielajú na krátkych vlnách stanice so šírkou 10 khz a prenosovými rýchlosťami okolo 20 kbit/s, MSC využíva modulácie nosných 64 QAM. Stanice používajúce iba 16 QAM majú zhruba 12 kbit/s. Aby bola pri takejto nízkej bitovej rýchlosti kvalita prenášaného zvuku solídna, používa sa účinné kódovanie MPEG-4 AAC ( Advanced Audio Coding ). Účinnosť tohto kódovania je poznateľne vyššia ako napríklad mp3. Zdrojové kódovanie väčšinou doplňuje procedúra, SBR ( Spectral Band Replication ) zlepšuje prenos vyšších audio frekvencií.

16 2 Kľúčové rysy systému navrhovaného pre trh s DRM zariadeniami DRM systém je flexibilný digitálny zvukový vysielací systém pre terestriálne rozhlasové vysielanie v pásme pod 30MHz, to znamená vysielanie na dlhých, stredných a krátkych vlnách. Je dôležité vedieť, že rádiový prijímač v blízkej budúcnosti bude musieť byť schopný dekódovať signál s veľkého množstva vysielaných signálov, ako sú: úzke digitálne pásmo do 30 Mhz, široké digitálne pásmo nad 30 Mhz a analógové pásma LF, MF, HF a VHF/FM pásma. V rozhlasovom prijímači DRM systém umožní prijímať digitálne vysielanie (zvuk, dáta) vo všetkých rozhlasových pásmach do 30 Mhz. V dnešnej dobe je už digitálne vysielanie systémom DRM plne funkčné, jedným z problémov rozvoja tohto systému je nerozhodnosť firiem pôsobiacich na trhu s rozhlasovou technikou. Nik presne nevie určiť, ako sa bude vyvíjať digitalizácia rozhlasového vysielania, ktorá technológia sa najviac osvedčí, preto je na trhu s digitálnou rozhlasovou technikou stále veľa otáznikov, čo brzdí rozvoj digitalizácie. DRM systém ponúka digitálne vysielanie na dnes už komerčne zabudnutom pásme AM, čo môže byť jeho výhoda oproti konkurencií, ale tak isto to môže byť aj obrovská nevýhoda. Je nepravdepodobné, že systém DRM vytlačí z domácich HiFi sústav FM pásma a teda aj DAB-T. Skôr ako u domácich prijímačoch sa s DRM technológiou počíta u mobilných prijímačov. Hlavnou výhodou by mohlo byť vysielanie v pásme KV, kde jeden vysielač pokryje obrovské územie, ocenia to najmä vodiči, keď už nebudú musieť neustále prelaďovať stanice, ale budú môcť naladenú stanicu počúvať v rovnakej kvalite niekoľko stoviek kilometrov. V dobe, kedy je spájanie technológii samozrejmosťou sa začalo uvažovať o DRM systéme aj na trhu s mobilnou technikou. Dnes nie je problém nájsť v mobilnom telefóne FM rádio, zatiaľ iba analógové, ale aj tu sa uvažuje o digitalizácii, ako jedna s najperspektívnejších technológii sa javí DRM systém. Hlavne pre svoje vlastnosti, ako sú nízky dátový tok, ale aj pre dobré šírenie sa vĺn v pásme AM.

17 Dnes je situácia na trhu s DRM systémom ešte stále iba vo fáze vývoja. Najväčšou prekážkou rozmachu DRM systému je nedostatočná konkurencia, ale aj neochota veľkých firiem investovať do zariadení s DRM systémom, čo spôsobuje ešte stále vysoké ceny prijímačov. V začiatkoch sa DRM prijímač predával zhruba za 800 Eur, dnes sa cena prijímača DRM pohybuje okolo 200 Eur, čo je ešte stále veľa pre bežného spotrebiteľa. Zatiaľ najlacnejším a najpoužívanejším spôsobom prijímania DRM vysielania je pomocou PC, upraveného analógového prijímača, zvukovej karty a príslušného softweru. Zapojenie sa dá poskladať doslova za pár korún. Bloková schéma: Anténa Tuner Medzifrekvenčný zmiešavač Oscilátor Filter PC Zosilňovač

18 Bloková schéma DRM systému: audio a data tok Zdrojový kódovač n.p. v.p. v.p./n..p. Energetický rozptyľovač Kanálový kódovač vzorkovací blok n.p. v.p. multiplex or riadiaci generátor data tok Predbežný kódovač FAC dáta Predbežný kódovač Energetický rozptyľovač Kanálový kódovač SDC dáta Predbežný kódovač Energetický rozptyľovač Kanálový kódovač OFD M zakres lovač OFDM signál generátor modulátor Legenda: n.p. nízka priorita v.p. vysoká prioritra data tok dátový tok

19 3 Multiplexovanie DRM vysielacia štruktúra pozostáva z troch kanálov : ( MSC ) Main Service Channel ( hlavný servisný kanál ), ( FAC ) Fast Access Channel ( rýchly prístupový kanál ), a ( SDC ) Service Description Channel ( kanál popisu služby ). MSC obsahuje dáta pre služby. FAC obsahuje informáciu o šírke kanála a ďalšie iné parametre, ktoré poskytujú rýchly prístup k informáciám. SDC dáva informácie ako dekódovať MSC a ako nájsť alternatívne zdroje tých istých dát a udáva atribúty služieb počas multiplexovania. 3.1 Main Service Channel (MSC) MSC obsahuje dáta pre všetky služby obsiahnuté v DRM multiplexe. Multiplex môže poňať jednu až štyri služby, každá služba môže byť buď zvuk alebo dáta. Celková prenosová rýchlosť MSC je závislá na DRM kanálovej šírke pásma a prenosovej technológií. Štruktúra MSC obsahuje jeden až štyri dátové toky. Každý dátový tok je rozdelený do logických rámcov dlhých 400 ms. Audio dátový tok obsahuje skomprimovaný zvuk, taktiež môže obsahovať aj textové správy. Dátové toky sa môžu skladať do štyroch " sub - tokov " zložených z dátových paketov. Každý " Sub - tok " nesie pakety pre jednu službu. Zvuková služba sa skladá z jedného zvukového toku, môže obsahovať aj dátový tok, alebo jeden dátový " sub - tok ". Dátové služby sa skladajú z jedného dátového toku, alebo s dátového " sub - toku ". Každý logický rámec spravidla pozostáva z dvoch častí, každá so svojou vlastnou úrovňou zabezpečenia. Dĺžky týchto dvoch častí sú nezávisle pridelené. Rozdielne zabezpečenie proti chybám pre jeden tok dáva možnosť nastaviť úroveň zabezpečenia pre jednotlivé časti rámcov. Logické rámce zo všetkých tokov sú smerované do multiplexu, kde sa vytvorí jeden rámec s dĺžkou 400 ms, ktorý sa odovzdá do kanálového kódovača. Multiplexová konfigurácia sa udáva v SDC.

20 Výstavba MSC MSC pozostáva z postupnosti multiplexovaných rámcov, ale ak sa používa hierarchická modulácia, tak obsahuje aj postupnosť hierarchických rámcov. Multiplexované rámce a hierarchické rámce sú predávané do kanálového kódovača separátne. Multiplex rámec Multiplex rámce sú zostavené z priložených logických rámcov, z každého nehierarchického kanála. Logický rámec sa skladá z dvoch hlavných častí s rozdielnou úrovňou zabezpečenia. Multiplex rámec sa skladá tak, že berie dáta s logického rámca z časti s vyšším zabezpečením z nižšieho číselného toku, vloží ho na začiatok multiplex rámca. Ďalšie dáta z logického kanála s vyššou úrovňou zabezpečenia a s nižším číselným tokom je priradený do multiplex rámca až do jeho zaplnenia. Dáta z logického toku s nižšou úrovňou zabezpečenia a najnižším číselným tokom nasledujú až po dátach s vyššou úrovňou zabezpečenia. Multiplex rámec je väčší, alebo rovnaký, ako súčet logických rámcov, z ktorých sa skladá. Zvyšok rámca, ak vôbec nejaký zostane, bude zaplnený nulami. Tieto bity budú v prijímači ignorované.

21 3.2 Fast Access Channel (FAC) Fast Access Channel je využívaný na poskytnutie služby selektovania informácií pre rýchle vyhľadávanie. Obsahuje informácie o parametroch kanála ( napr. šírku pásma alebo hĺbku modulácie ), takže prijímač môže dekódovať multiplex efektívne. Štruktúra Každý prenosový rámec obsahuje FAC blok. FAC blok obsahuje parametre, ktoré popisujú kanál a parametre pre popísanie jednej služby spolu s CRC, keď je viac ako jedna služba obsiahnutá v multiplexe, je potrebných niekoľko FAC blokov, aby popísali všetky služby v multiplexe. Kanálové parametre Kanálové parametre sú : základný / rozšírený flag 1 bit označenie 2 bit šírka pásma 4 bit prekladacia hĺbka 1 bit MSC modulácia 2 bit SDC modulácia 1 bit počet služieb 4 bit rekonfiguračný index 3 bit rezervácia 1 bit základný /rozšírený flag: tento jeden bit nám udáva či sa jedná o základné, alebo rozšírené vysielanie. označenie: tieto dva bity označujú aktuálny rámec, tiež potvrdzuje platnosť SDC a AFC (Alternative Frequency Switching). šírka pásma: tieto 4 bity špecifikujú tvar digitálneho signálu.

22 prekladacia hĺbka: tento bit hĺbku časového prekladania. MSC modulácia: tieto dva bity udávajú spôsob modulácie v MSC. SDC modulácia: tento bit udáva spôsob modulácie v SDC. počet služieb: tieto 4 bity udávajú počet audio a dátových služieb. rekonfiguračný index: tieto 3 bity udávajú stav multiplexnej rekonfigurácie. rezervácia: tento bit je rezervovaný pre budúce použitie. Parametre služby Parametre služby sú : identifikátor služby 24 bit krátky identifikátor 2 bit CA identifikácia 1 bit identifikácia jazyka 4 bit audio / dáta flag 1 bit popis služby 5 bit rezervácia 7 bit identifikátor služby: toto 24 bitové pole jednoznačne identifikuje službu. krátky identifikátor: toto 2 bitové pole udáva krátky identifikátor pridelený k tejto službe, je používaný ako odkaz na SDC. CA identifikácia: tento bit udáva, či služba používa podmienený prístup. identifikácia jazyka: toto 4 bitové pole udáva vysielací jazyk. audio / dáta flag: tento jeden bit udáva službu buď audio alebo dáta. popis služby: toto 5 bitové pole závisí na hodnote audio/dáta flagu. rezervácia: toto 7 bitové pole je rezervované pre budúce doplnky.

23 3.3 Service Description Channel (SDC) Sercice Description Channel ( SDC ) udáva informácie ako dekódovať MSC, ako nájsť alternatívne zdroje tých istých dát a taktiež dáva atribút služby v multiplexe. Kapacita dát je závislá na šírke pásma multiplexu a iných parametroch. Kapacita SDC môže byť tiež vyžívaná pre udanie AFS Alternative Frequency Switching indexu. Službu alternatívneho vyhľadávania frekvencie môžeme dosiahnuť bez straty nosnej služby, uchovaním dát uložených v SDC kvázi staticky, preto sú dáta v SDC rámcoch starostlivo usporiadané. SDC je považovaný za samostatný kanál. Celkové množstvo dát môže byť väčšie, ako je SDC blok schopný preniesť, preto je udávaný AFS index, aby prijímač vedel, kedy bude prenášaná ďalšia skupina SDC blokov a na hľadanie alternatívnej frekvencie. SDC blok sa skladá : AFS index 4 bity Dátové pole n bitov. CRC 16 bitov AFS index: je binárne číslo bez znamienka s rozsahom od 0 po 15. Udáva počet prenášaných rámcov, ktoré oddeľujú SDC blok od nasledujúcich identických informácií prenášaných v informačnom poli. Dátové pole: obsahuje premenlivý počet entít. Dĺžka dátového poľa závisí na veľkosti SDC šírke pásma. CRC: kontrola cyklickým kódom.

24 4 Zdrojové Kódovanie AAC kódovač SBR kódovač CELP kódovač Audio rámec HVXC kódovač 4.1 Kódovanie hovoreného slova Kódovanie hovoreného slova sa v DRM systéme robí pomocou dvoch technológii a to HVXC (Harmonic Vector excitation Coding ), alebo CELP (Code Excited Linear Prediction ). MPEG - 4 CELP Norma ISO/IEC (2) Definuje MPEG 4, ako zvukový štandard. MPEG - 4 CELP je súčasťou tohto štandardu a je definovaný pre hovorené slovo. MPEG - 4 CELP obsahuje skomprimovaný a dekódovaný prirodzený hlas. Prenosová rýchlosť je od 4 kbit/s do 24 kbit/s. Bežný CELP kódovač ponúka kompresiu v jednotnej prenosovej rýchlosti a je optimalizovaný pre špecifické aplikácie. MPEG - 4 CELP podporuje dve vzorkovacie rýchlosti, a to, 8 khz a 16kHz.

25 MPEG-4 HVXC MPEG-4 HVXC (Harmonic Vector excitation Coding) pre hovorené slovo je definované normou ISO/IEC [2]. Obsahuje skomprimovaný a dekódovaný hlas. Pracuje s prenosovými rýchlosťami od 2 kbit/s do 4 kbit/s. DRM používa jednu s podmnožín popísaných v norme ISO/IEC [2], ktorá limituje syntax a veľkosť chybovosti syntaxu pre prenosovú rýchlosť do 4 kbit/s. Dĺžka rámca pri HVXC kódovaní je vždy 20ms. Základné vlastnosti: Tabuľka č. 1: HVXC HVXC vzorkovacia frekvencia 8 khz šírka pásma Hz prenosová rýchlosť [bit/s] 2000 and 4000 dĺžka rámca 20 ms oneskorenie ms výhody rozšíritelná prenosová rýchlosť Tabuľka č. 2: CELP CELP vzorkovacia frekvencia 8 khz 16 khz šírka pásma Hz Hz prenosová rýchlosť [bit/s] dĺžka rámca ms ms oneskorenie ms ms výhody rozšíritelná prenosová rýchlosť, rozšíritelná frekvencia

26 4.2 Kódovanie audio signálu Kódovanie audio signálu sa používa ( AAC ) - Advanced Audio Coding a ( SBR ) Spectral Band Replication. MPEG-4 AAC MPEG-4 Advanced Audio Coding(AAC), ako zvukový štandard je popísaný v norme ISO/IEC [2], je to univerzálny kódovací štandard pre prehľadné kódovanie audio signálov. Vlastnosti: vzorkovacia frekvencia: 12 khz - 24 khz dĺžka rámca: 40ms - 80ms Spectral Band Replication (SBR) Spectral Band Replication (SBR) je zlepšená metóda audio kódovania v pásmach krátkych vĺn. SBR môže zvýšiť šírku pásma bežných kodekov, vyrovnať alebo presiahnuť analógovú FM šírku pásma. SBR tiež môže zlepšiť výkonnosť kodeku pre hovorené slovo. Väčšina hovorových kodekov je úzko pásmová, preto je SBR dôležitý nie len pre zlepšenie kvality reči, ale aj pre zrozumiteľnosť reči.

27 5 Kanálové kódovanie a modulácia DRM systém pozostáva z troch rozdielnych kanálov, MSC, SDC a FAC, kvôli ich rozdielnosti potrebuje tieto kanály rozdielne kódovanie a zobrazovacie diagramy. Kódovanie je založené na princípe viacúrovňového kódovania. Na základe rozdielnej úrovne ochrany pred chybovosťou je potrebné jednu službu, alebo pre rozdielne služby v multiplexe využiť rôzne úrovne kódovania. Využívané sú: Unequal Error Protection ( UEP ) a Equal Error Protection ( EEP ) používajú sa aj v kombinácii s hierarchickou moduláciou. EEP používa jeden stupeň kódovania na ochranu všetkých dát v kanály. EEP je povinný pre FAC a SDC. Na rozdiel od EEP,UEP môže pozostávať z dvoch úrovní kódovania, čo umožňuje rozdielnu úroveň ochrany dát v MSC. Pri použití hierarchickej modulácie v MSC sa používajú tri elektronické zobrazovacie charakteristiky: štandardné zobrazovanie, symetrické hierarchické zobrazovanie a zmiešané predchádzajúce metódy, následkom je vytvorenie reálnej a imaginárnej časti. Hierarchický zobrazovací systém rozdeľuje dátový tok do dvoch častí: Very Strongly Protected Part (VSPP) a Standard Protected Part (SPP). Štandardné zobrazovanie využíva iba Standard Protected Part (SPP). SPP je využiteľné pre MSC a pre FAC a SDC je využiteľná iba VSPP. Celkový pohľad na kódovanie je znázornený na obrázku. Prispôsobenie multiplexu na prenos a energetický rozptyl Kódovanie a prekladanie bitov Elektronická zobrazovacia charakteristika Blokové prekladanie (iba v MSC)

28 Prispôsobenie multiplexu na prenos Kanály (MSC, SDC, FAC) sú spracovávané v kanálovom kódovači nezávisle. Vektorová dĺžka L pre spracovanie sa rovná jednému FAC bloku a SDC bloku, alebo jednému MSC multiplex bloku. Energetický rozptyl Výstup s energetického rozptyľovača pôsobí na MSC multiplex rámec tak, aby sa vytvoril štandardný chránený vstupný tok pre viacúrovňové kódovanie procesu MSC. Výstup s energetického rozptyľovača pôsobí na hierarchický rámec, ak je použitý tak, že sa vytvorí veľmi silno chránený vstupný tok k tomu istému viacúrovňovému kódovaciemu procesu. Viacúrovňové kódovanie Proces kanálového kódovania je založený na viacúrovňovej kódovacej schéme. Princíp viacúrovňového kódovania je spojiť optimálne kódovanie a moduláciu pre dosiahnutie najlepšieho prenosového výkonu. Rozdielne úrovne ochrany sú dosiahnuté rozdielnymi časťami kódov, ktoré sú realizované konvolučným kódom, odvodeného od rovnakého základného kódu. Dekódovanie v prijímači môže byť vykonávané priamo, alebo cez iteračné procesy, z toho vyplýva, že výkon dekódera s chybnými dátami môže stúpnuť s narastajúcim počtom iterácií, preto je závislý od implementácie dekódera. Elektronická zobrazovacia charakteristika Zobrazovacia charakteristika pre každú OFDM bunku je závislá od funkcie kanála ( FAC, SDC, MSC) a od hĺbky modulácie. Všetky dátové bunky sú buď 4 - QAM, 16 - QAM alebo 64 QAM

29 Štandardná modulácia 64 - QAM zobrazenie s príslušným bitovým obrazcom Štandardná modulácia 4 - QAM zobrazenie s príslušným bitovým obrazcom

30 Symetrická hierarchická modulácia 64 - QAM s príslušným bitovým obrazcom Štandardná modulácia 16 - QAM zobrazenie s príslušným bitovým obrazcom

31 6 DRM prijímače 6.1 Dátový tok v DRM prijímači a bloková schéma prijímača AM/FM 10,7 MHz 455 khz Základný dátový tok FAC MSC SDC AM/FM Tuner A/D OFDM Procesy Demux. a Dekod. Audio/Hlas Dátové služ Analóg. signál Analóg. signál Digit. signál Digit. signál Digit. signál Hlas/ audio dáta Legenda: A/D analógovo digitálny prevodník Demux. a Dekod. demultiplexor a dekódovač Dátové služ. Dátové služby Analóg. signál Analógový signál Digit. signál Digitálny signál AM/FM tuner: Klasický analógový AM/FM tuner s frekvenčným pásmom 455 khz 10,7 MHz A/D: Analógovo digitálny prevodník s kontrolou ziskovosti. OFDM Procesy: Rýchla Furierová Transformácia, Kanálový equalizér, Regulačný obvod,

32 Demux. a Dekod.: Demultiplexovanie na SDC, MSC a FDC. Dekódovania, vaicúrovňové dekódovanie. Audio/hlas + dátové služby: Dekódovanie služby AAC/SBR pre audio, CELP a HVXC pre hlas, dátové služby. Dátový tok: Dátový tok v DRM prijímači je farebne oddelený, modrou farbou je znázornený analógový signál a zelenou digitálny. Farebne sú rozlíšené aj konkrétne služby zvuk a dáta.

33 6.2 Typy prijímačov HiFi tuner podporujúci príjem DAB T aj DRM: vysokovýkonný tuner podporujúci digitálne štandardy DAB-T aj DRM, ale aj analógový príjem AM a FM. Podporuje zobrazovanie doplňujúcich textových správ na displeji napr. ( počasie, dopravné správy,...). Samostatné prijímače iba pre DRM o Prijímač od Coding Technologies umožňujúci príjem DRM a AM. Podporuje doplňujúce textové správy. Technické parametre : Rozhranie USB pre možnosť rozšírenia služieb. Podporuje UEP a EEP, štandardnú a hierarchickú moduláciu, AAC, AAC+SBR mono / stereo.

34 o Prijímač od Mayah Comunnications umožňujúci príjem DRM a FM Technické parametre : Rozmery: 21 x 7 x 13 cm Výstupy / vstupy : 3,5 mm jack / USB Kanálové kódovanie/modulácia : všetky kanálové kódovania, podporuje EEP a UEP, štandardnú aj hierarchickú moduláciu, MSC ( 64-QAM a 16-QAM), SDC (16-QAM a 4-QAM ) Zdrojové dekódovanie : AAC a AAC+SBR mono, stereo, CELP, HVXC. PC prijímače s DRM o PCI karta od firmy WiNRADiO s frekvenčným pásmom od 9 khz do 30 MHz a s softwerom od tej istej firmy.

35 o PCI karta RS500 od firmy Radioscape určená pre príjem DRM, DAB, AM, FM. DRM prenosný prijímač určený pre Notebook, alebo PC, vyvinutý firmou Coding Technologies. Ide o malý prenosný prijímač, ktorý sa pomocou rozhrania USB pripojí k počítaču a pomocou softweru je možný príjem DRM, FM a AM rozhlasu. Technické parametre : pracuje na operačnom systéme Windows XP/2000, podporuje UEP a EEP, štandardnú a hierarchickú moduláciu, AAC, AAC+SBR. Ďalším typom prijímačov sú integrované prijímače. Nedávno jeden taký predstavila firma Philips v spolupráci s firmou DaimlerChrysler, ide o inteligentné a integrované multifunkčné zariadenie, ktoré okrem iného podporuje aj príjem DRM. Spoločnosť DaimlerChrysler už začala tento produkt využívať vo svojich automobiloch.

36 7 Digitálne rozhlasové vysielanie v Európe Digitalizácia rozhlasového vysielania sa v Európe začala koncom deväťdesiatych rokov, ako prvé sa začalo digitalizovať pásmo FM, v rovnakom čase sa spúšťalo družicové digitálne rozhlasové vysielanie. Okolo roku 2000 sa začalo digitalizovať pásmo AM. Dnes je situácia v Európe veľmi pokojná, upadol počiatočný ošiaľ z prelomu tisícročia, kedy sa nehovorilo o ničom inom, ako o zavedení digitálnej technológie do všetkých analógových systémov, to spôsobilo pokrok aj v digitalizácií rozhlasu. Spomínali sa rôzne technológie a systémy, ktoré časom upadli, dnes sa v najväčšej miere vyžívajú hlavne DAB, DAB-T a DRM. Európa je dnes z väčšej miery pokrytá digitálnym signálom DAB-T. Belgicko uvádza, že dosahuje takmer 95 % pokrytia. Dánsko pokrýva s 10 vysielačmi takmer 75% územia. Nemecko chce do roku 2010 plne digitalizovať rozhlas aj televíziu má zatiaľ 130 vysielačov, čo predstavuje asi 70% pokrytia. Okolo 70% pokrytia má aj Portugalsko, kde sa nachádza 34 vysielačov. Veľká Británia je pokrytá na 85%. Najmenší rozvoj digitalizácie rozhlasu v západnej Európe je v Rakúsku, kde sa uvádza pokrytie iba 19% a 3 vysielače. V ostatných častiach Európy nie je pokrytie až také veľké, v priemere sa pohybuje tak okolo 12%. Situácia okolo DAB-T je v niektorých krajinách veľmi nepriaznivá, pretože ešte nedošlo k úplnej digitalizácií televízneho vysielania. Analógová televízia a DAB-T využívajú aj niektoré rovnaké frekvencie, nie je možné, pokiaľ sa úplne nezdigitalizuje televízne vysielanie, vysielať v celom spektre DAB-T. Jedná sa hlavne o krajiny bývalého východného bloku, keďže v západnej Európe je proces digitalizácie o poznanie rýchlejší. Najlepšie spomedzi týchto krajín je na tom asi Maďarsko, ktoré experimentálne vysiela na 30% územia. Pokrytie signálom DRM nie je ani zďaleka tak veľké, ako u DAB-T. V roku 2001 bolo do pravidelnej prevádzky uvedených 14 vysielačov, z toho len tri (Kaiserlauten, Putbus, Berlin) vysielali 24 hodín denne. Dnes je už situácia o poznanie lepšia, krajiny sa púšťajú do experimentálneho digitálneho vysielania aj v tomto pásme. V roku 2003 sa za deň odvysielalo iba okolo 120 hodín vysielania. V roku 2005 to bolo už okolo 550 hodín, to znamená, že za

37 dva roky je to viac ako štvornásobný nárast. Predpokladá sa ešte väčší nárast, hlavne vďaka rýchlemu rozvoju tejto technológie a jej nesporným výhodám. Valné zhromaždenie medzinárodného konzorcia DRM (Digital Radio Mondiale) sa začiatkom marca 2006 uznieslo, že nový systém digitálneho rozhlasového vysielania bude využívať frekvencie až do 120 MHz, čím zahrnie aj pásmo v súčasnosti používané VKV vysielačmi. Doterajšia koncepcia pôvodne rátala iba s frekvenciami do 30 MHz, teda s rozsahom dlhých, stredných a krátkych vĺn. Systém DRM umožní namiesto súčasného šírenia signálu jednej rozhlasovej stanice vysielať na rovnakej frekvencii až štyri programy. Digital Radio Mondiale pritom nemá byť konkurentom systému DAB a prvé hotové produkty nemožno na trhu očakávať pred rokom 2009.

38 7.1 Digitálne rozhlasové vysielanie na Slovensku Digitálne vysielanie na Slovensku je zatiaľ iba v testovacej fáze, nie len rozhlasové ale aj televízne, v súlade s nastupujúcim trendom digitalizácie vysielania v Európe i na Slovensku. Rádiokomunikácie so svojimi technologickými partnermi sa rozhodli otestovať inovatívne technológie umožňujúce digitalizáciu rozhlasového vysielania v pásme stredných vĺn. Od 1. marca 2006 je v prevádzke prvé digitálne rozhlasové vysielanie v pásme stredných vĺn na Slovensku, ktoré pokrýva územie hlavného mesta SR a jeho okolie do vzdialenosti približne 60 km smerom na Podunajskú a Záhorskú nížinu. Rozhlasoví poslucháči môžu na bratislavskej frekvencii 792 khz prijímať v digitálnej kvalite program Slovenského rozhlasu - Rádio Slovensko do 20. marca 2006, kedy bude digitálne vysielanie na tejto frekvencii ukončené. Skúšobné digitálne rozhlasové vysielanie v systéme DRM je pripravené pri príležitosti konania konferencie Stredoeurópske rádiokomunikačné dni 2006, ktorá sa venovala najmä témam súvisiacim s digitalizáciou pozemského vysielania. Technologickými partnermi odštepného závodu Rádiokomunikácie pri tomto skúšobnom vysielaní sú spoločnosti TRANSRADIO SenderSysteme Berlin AG a TESLA, a. s.

39 Záver Digitálne rozhlasové vysielanie v pásme krátkych vĺn má určite budúcnosť, keďže DRM technológia toto pásmo digitalizuje. DRM je pomerne nová, ale veľmi kvalitná technológia, ktorá už v súčasnosti rozširuje svoje pôsobenie aj do pásma VKV. DRM nemá iba zástancov ale aj odporcov. Asi najväčší sú amatérsky vysielači, ktorý využívajú práve pásmo krátkych vĺn pre svoju činnosť. No väčšina sveta je tejto technológii priaznivo naklonená, hlavne preto, že oživila už takmer zabudnuté pásmo, ktoré má nesporne veľké výhody hlavne preto, že jeden vysielač dokáže pokryť pomerne veľké územie, ako už bolo spomenuté, tak jeden vysielač stačil na pokrytie celého územia Československa, je to jedna s nesporných výhod tohto systému. DRM je dnes určite uznávanou ale i celosvetovo podporovanou technológiou, svedčí o tom fakt, že nárast staníc a vysielačov sa každoročne zvyšuje nie len v Európe, ale na celom svete. Cieľom mojej záverečnej práce bolo oboznámiť čitateľa s digitálnym rozhlasovým vysielaním, ako celkom, ale aj konkrétnymi technológiami, kde som do väčšej hĺbky popísal hlavne technológiu DRM.

40 Zoznam použitej literatúry [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] Kratochvílová, J. - Minihofer, O.: Anglico český slovník výpočetní techniky: Praha STNL: 1990

41 Čestné vyhlásenie Vyhlasujem, že som zadanú bakalársku prácu vypracoval samostatne, pod odborným vedením vedúceho bakalárskej práce (doc. Ing. Ján Dúha, PhD.) a používal som len literatúru uvedenú v práci. Súhlasím so zapožiciavaním bakalárskej práce. V Žiline dňa podpis:... Poďakovanie Dakujem vedúcemu mojej záverecnej práce, doc. Ing. Jánovi Dúhovi, PhD. Za venovaný cas, cenné rady a usmernenie, ktoré mi pomohli k vypracovaniu záverecnej práce