Контакты
Подписка
МЕНЮ
Контакты
Подписка

Цифровое родиовещание: пора работать на результат! Часть 1

В рубрику "Оборудование и технологии" | К списку рубрик  |  К списку авторов  |  К списку публикаций

Цифровое радиовещание: пора работать на результат!
Часть 1


Юрий Ковалгин
Зав. кафедрой радиоприема, вещания и электромагнитной
совместимости СПбГУТ им. проф. М.А. Бонч-Бруевича

Цифровое радиовещание в России пока не стало реальностью. По сей день ведутся споры о том, какую систему лучше выбрать для нашей страны: DAB или DRM?..

Основание для работы на результат

В декабре 2005 г. департаментом массовых коммуникаций Министерства культуры и массовых коммуникаций Российской Федерации завершена разработка "Концепции развития телерадиовещания на период 2006-2015 гг.".

Сегодня на основании этой концепции Правительством РФ завершается разработка федеральной "Программы развития цифрового телерадиовещания в России на период 2006-2015 гг.", определяющей порядок, сроки, объемы инвестиций на решение следующих задач:

  • модернизация передающей сети государственного телерадиовещания в период 2006-2015 гг.;
  • создание цифровой телекоммуникационной инфраструктуры нового поколения для распространения радиотелевизионных программ;
  • внедрение автоматизированных систем мониторинга и управления передающей радиотелевизионной сетью страны;
  • развитие отечественной производственной инфраструктуры для производства цифрового радиотелевизионного оборудования;
  • перевод государственных сетей телерадиовещания на цифровые технологии;
  • законодательное и правовое обеспечение развития радиотелевизионного вещания в России;
  • частотное обеспечение "Программы развития радиотелевизионного вещания в России на период 2006-2015 гг.";
  • развитие рынка услуг связи в области телерадиовещания.

В упомянутой концепции определены объемы вложений на приобретение элементной базы (рис. 1). Однако разработка на ее основе федеральной программы выполняется без широкого обсуждения с научной общественностью, с предприятиями - производителями профессионального и бытового цифрового вещательного оборудования. К сожалению, круг предприятий, сфера их ответственности до сих пор не обозначены, отсутствует и необходимое для успешного выполнения данной национальной программы финансирование. Однако в Международном союзе телекоммуникаций (МСЭ, ITU) было официально объявлено, что этот переход должен быть полностью завершен к 2015 г. Выполнение данной задачи без должной организации и контроля над исполнением перечисленных видов работ осуществить невозможно.

Национальные системы массовых коммуникаций сегодня все в большей степени становятся частью глобальной мировой инфокоммуникационной системы с непрерывно возрастающим уровнем автоматизации, дистанционного управления оборудованием и контролем параметров качества отдельных объектов и систем в целом, с широким распространением систем мониторинга. В мире уже сформировались и активно продвигаются две разные платформы цифровых технологий для телерадиовещания:

  1. DAB (Digital Audio Broadcasting), DRM (Digital Radio Mondiale), DVB (с наземной DVB-T, кабельной DVB-C, спутниковой DVB-S разновидностями);
  2. ATSC Dolby AC-3.

Первая из указанных платформ продвигается Европой, вторая - США. Широкое использование алгоритмов компрессии цифровых аудиоданных, помехоустойчивого кодирования, высокоэффективных способов цифровой модуляции, принципиально новых методов автоматизированного сбора, обработки и представления информации лежит в основе быстрого продвижения цифровых технологий на рынке средств массовых коммуникаций. Немаловажную роль при этом играют:

  • высокая надежность приема программ цифрового телерадиовещания с повышенным качеством;
  • более эффективное использование радиочастотного ресурса, что важно в условиях существенного увеличения числа передаваемых программ;
  • возможность дополнительной передачи сервисной, деловой и сопутствующей программам информации в существенно большем объеме, чем это присуще аналоговым системам вещания;
  • простота перехода без дополнительных затрат на оборудование к многоканальным стереофоническим системам пространственного звучания фирм Dolby, DTS, SDDS;
  • существенная экономия энергии и ряд других потребительских факторов.

В России распоряжением Правительства РФ от 25.05.04. № 706-р "О внедрении в Российской Федерации европейской системы цифрового телевизионного вещания DVB" была выбрана европейская платформа цифровых технологий в области телерадиовещания. Это правильный шаг, поскольку, как показали многочисленные тестирования, алгоритмы компрессии, разработанные и продвигаемые группой MPEG, европейским вещательным союзом EBU, ETSI, более эффективны по сравнению с алгоритмом А/52, применяемым в системе ATSC Dolby AC-3. Это важное и необходимое для широкомасштабного начала работ в данной области постановление позволяет завершить дискуссию о том, какая из двух цифровых платформ лучше, и сосредоточиться наконец-то на реализации решения.
Как известно, европейская платформа предлагает два стандарта цифрового радиовещания:

  • DAB - Digital Audio Broadcasting (European Telecommunication Standard ETS 300 401. Radio broadcasting system; Digital Audio Broadcasting (DAB) to mobile, portable and fixed receivers, ETSI, May 1997);
  • DRM - Digital Radio Mondiale (Документ ETSI TS 101 980 V1.1.1. (2001-2009). Digital Radio Mondiale (DRM); System Specification).

Проблема выбора: DAB или DRM?

С чего начать в первую очередь: с DAB или с DRM? Сегодня, с нашей точки зрения, имеется вполне обоснованный ответ на данный вопрос.

DAB

Система DAB появилась раньше. Ее стандартизация была завершена еще в 1997 г. Европейский проект "Эврика-147", направленный на внедрение этой системы в практику радиовещания, стартовал в 1992 г. Стандарт на систему DAB предусматривает ее использование в полосе частот выше 30 МГц. Особенности данного стандарта неоднократно освещались на страницах журнала "Broadcasting. Телевидение и радиовещание" и по этой причине здесь не рассматриваются. Однако стоит напомнить, что на первом этапе в системе DAB была применена компрессия цифровых данных в соответствии со стандартом MPEG-1 ISO/IEC 11172-3 Layer 2, который, как известно, распространяется только на звуковые сигналы монофонического (1/0) и двухканаль-ного стереофонического (2/0) радиовещания. Затем он был распространен и на передачу сигналов многоканальной стереофонии, таких, как 5.1 и т.п. Алгоритм компрессии не был изменен (Layer 2), но структура цифровых данных при этом уже стала соответствовать стандарту MPEG-2 ISO/IEC 13818-3 Layer 2. Обратная совместимость для цифрового потока была сохранена: стандартный декодер MPEG-2 может быть использован и для декодирования цифрового потока MPEG-1 ISO/IEC 11172-3 Layer 2. Пропускная способность радиоканала была увеличена до 2,4 Мбит/с, введен еще один четвертый режим работы. В системе DAB в одном радиоканале с полосой частот 1,536 МГц возможна передача нескольких радиопрограмм с разным качеством, включая и качество компакт-диска, и при разных форматах звука: моно (1/0), двухканальное стерео (2/0), пространственное звучание 3/2 (Dolby Surround, Dolby Pro Logic) и 5.1 (Dolby Digital). В качестве примера на рис. 2 показано распределение бит при кодировании звукового сигнала кодером Layer 2, заимствованное из журнала EBU Rev., № 246, April, 1991. Видно, что значительная часть доступных бит тратится на кодирование отсчетов звукового сигнала.

Напомним, что для высококачественного звукового сигнала с полосой частот 40-15 000 Гц при уменьшении скорости цифрового потока до 128 кбит/с на канал (Layer 2) искажения, вызванные компрессией цифровых аудиоданных, уже лежат вблизи порога слуховой заметности. При передаче сигналов стереопары это значение в случае прозрачного кодирования не должно быть ниже 196 кбит/с на канал. Исследования по оценке качества кодеков с компрессией цифровых данных, выполненные в России и за рубежом, позволяют представить общую картину деградации качества звукового сигнала при применении кодеков стандартов MPEG-1 и MPEG-2 Layer 2 (рис. 3). Здесь по оси абсцисс отложены значения скорости цифрового потока в кбит/с; по оси ординат - результаты оценки качества кодированных сигналов в сравнении с эталоном. В качестве тестовых сигналов использовались отрывки звучаний с компакт-диска EBU SQAM (Sound Quality Assessment Material Recording for subjective Tests), Cat. № 422 204-2. Он содержит отрывки звучаний, рекомендованные группой MPEG для оценки качества кодеков с компрессией цифровых аудиоданных. При проведении экспертиз и измерений кодированные сигналы сравнивались с эталонными (входными сигналами). Изменение качества оценивалось с помощью пятибалльной шкалы в соответствии с Рек. МККР 562-3 "Субъективная оценка качества звука" и Рек. ITU-R: "Метод объективной оценки воспринимаемого качества звуковых сигналов", принятой в 2002 г. Здесь учтены также и данные публикаций авторитетных зарубежных источников. Результаты объективных оценок на рис. 3 получены А.С. Ивановым с помощью разработанной им программы оценки качества. Эти зависимости позволяют утверждать, что применение алгоритмов компрессии стандартов MPEG-1 и MPEG-2 Layer 2 при кодировании высококачественных звуковых сигналов требует пропускной способности канала при передаче одного сигнала не менее 128, а лучше 192 кбит/с. Для звуковых сигналов формата 5.1 это значение будет составлять в сумме около 640-960 кбит/с. Такое сокращение скорости цифрового потока с позиций сегодняшнего дня уже не следует считать перспективным.

Для передачи цифровых сигналов в системе DAB применяется модуляция COFDM/QPSK (Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing/Quadrature Phase Shift Keying), а также эффективное помехоустойчивое кодирование (сверточный код, временное перемежение логических фреймов) с несколькими уровнями защиты. О достоинствах и эффективности этих методов уже неоднократно писалось на страницах данного журнала. Заметим лишь, что эта технология вполне современна и сегодня.

Около 10 лет было потрачено на подготовку промышленного производства оборудования для системы DAB и на продвижение этой технологии. Процесс завоевания рынка на первых этапах шел медленно. Быстрое внедрение DAB началось лишь после 2001 г. Сегодня зарубежной промышленностью выпускаются в серийном производстве все виды каналообра-зующего и передающего оборудования для системы DAB: кодеры, мультиплексоры, модуляторы, радиопередатчики. Налажено массовое производство и всей номенклатуры приемной аппаратуры: стационарной, переносной, карманной с вполне доступной для потребителя ценой.

Система DAB живет и развивается, но есть определенные моменты, которые могут явиться причиной замедления ее распространения в мире уже в ближайшем будущем. Основным недостатком этой системы сегодня является уже устаревающая технология компрессии цифровых данных Layer 2, а также малая зона покрытия передающей станцией. Система DAB ориентирована на территории с большой плотностью населения, например на обслуживание крупных мегаполисов. Она малоэффективна для стран с малой плотностью населения и большой территорией, что характерно для России.

К сожалению, за все прошедшее время опытные зоны цифрового радиовещания в формате DAB в России так и не были организованы, хотя такие попытки предпринимались, и не раз. Конечно, это также является определенным недостатком.

DRM

Система DRM появилась значительно позже: консорциум DRM был образован в 1998 г, а стандарт DRM был передан разработчиками государствам -членам ITU лишь в 2003 г. Процесс его разработки занял около 5 лет. В настоящее время полностью завершены широкомасштабные работы, связанные с экспериментальным вещанием в этом формате. С 2003 г. экспериментальное вещание в DRM проводится и в России. Например, радиостанция "Голос России" в общей сложности ежедневно передает 30 часов программ на Европу, из них 18 часов в диапазоне средних волн и 12 часов на коротких волнах. Правда, пока это вещание на зарубежные страны. В планах ФГУП "РТРС" предусмотрено его дальнейшее расширение.

Сегодня в DRM работает уже более 40 радиостанций по всему миру. Результаты экспериментального вещания в этом формате подтвердили не только правильность выбранных технических решений, их высокую эффективность, но и обозначили ряд новых задач. Пока в этом своем варианте стандарт DRM распространяется на полосу частот ниже 30 МГц, и на первый взгляд кажется, что он удачно дополняет стандарт DAB. Наверное, в конечном итоге так и будет. Однако с областью распространения DRM все не так просто.

В отличие от DAB, в системе DRM применено несколько разных алгоритмов компрессии цифровых аудиоданных, включенных, как известно, в стандарт MPEG-4 ISO/IEC 14496-3 (рис. 4):

  • MPEG-4 AAC+SBR (Advanced Audio Coding плюс Spectral Band Replication), который предназначен для кодирования музыкальных фрагментов звукового сигнала, имеющих достаточно сложную структуру;
  • MPEG-4 CELP (Code Excited Linear Prediction) - для кодирования речи;
  • MPEG-4 HVXC+HILN (Harmonic Vector Excitation плюс Harmonic and Individual Lines plus Noise) - для параметрического кодирования смеси "речь + музыка", а также для кодирования музыкальных фрагментов звукового сигнала, имеющих сравнительно несложную структуру.

Выбор алгоритма компрессии происходит автоматически на этапе предварительного анализа выборки звукового сигнала.

Это гораздо более продвинутая и, что самое важное, значительно более эффективная технология сжатия цифровых аудиоданных. Она позволяет в общей сложности уменьшить скорость цифрового потока при кодировании высококачественного звукового с полосой частот 40-15 000 Гц до 22-24 кбит/с на канал. Об эффективности стандарта MPEG-4 ISO/IEC 14496-3 свидетельствуют следующие данные:

  • диапазон изменения скоростей передачи звукового сигнала - 2-72 кбит/с;
  • длительность звукового кадра - 40 мс;
  • частота дискретизации, алгоритм MPEG-4 AAC - 24 кГц;
  • частота дискретизации, алгоритм MPEG-4 SBR - 48 кГц;
  • диапазон частот ЗС при использовании алгоритма ААС - 0-6 кГц;
  • скорость цифрового потока при использовании алгоритма ААС - 22-24 кбит/с;
  • диапазон частот ЗС при использовании алгоритма SBR - 6-15,2 кГц;
  • скорость цифрового потока при использовании алгоритма SBR - 2 кбит/с.

Применение технологии MPEG-4 ISO/IEC 14496-3 позволяет дополнительно (по сравнению с алгоритмом компрессии Layer 2) уменьшить скорость цифрового потока практически в 10 раз, что существенно экономит радиочастотный ресурс при передаче по радиоканалу. В действующем варианте системы DRM обеспечивается передача по радиоканалу с полосой частот 10, 18 и 20 кГц стереофонического сигнала, имеющего полосу частот каждого канала звука, равную 40-15 000 Гц при отсутствии при радиоприеме слышимых внешних помех.

В отличие от DAB, в системе DRM применена более эффективная модуляция - OFDM/QAM, а также сверточ-ное кодирование, перемежение как битов, так и QAM-ячеек, обеспечивающее, в конечном итоге, лучшее использование радиочастотного ресурса и более высокий уровень защиты от ошибок.

Еще одним достоинством системы DRM является узкая полоса частот радиоканала (4,5; 5,0; 9,0; 18; 20 кГц), что является необходимым условием успешного ее применения в диапазонах аналогового радиовещания с амплитудной модуляцией. В отличие от аналогового радиовещания, альтернативная ему система DRM обеспечивает передачу сигналов стереофонического радиовещания с качеством ЧМ-диапазона и без слышимых помех: прием здесь либо близок к идеальному, либо его нет вообще. При этом особенно эффективной из-за большой зоны обслуживания она оказывается для стран с большой территорией и малой плотностью населения, что как раз и свойственно России.

Определенным минусом системы DRM является недостаточный объем цифрового потока, выделяемого для передачи дополнительной информации (пока невозможна передача в реальном времени видеоинформации), отсутствие в настоящее время серийного производства соответствующей радиоприемной аппаратуры, невозможность передачи сигналов многоканальной стереофонии, широко распространенной в практике телерадиовещания. Для преодоления всех этих недостатков разработчиками стандарта DRM предприняты дополнительные шаги:

1. В настоящее время оба консорциума DAB и DRM объединили свои усилия в продвижении технологии DRM. Уже серийно выпускается полный комплект оборудования для передающей стороны: кодеки, мультиплексоры, модуляторы, собственно радиопередатчики. Разработана элементная база, налажено ее производство, подготовлены для серийного производства экспериментальные образцы бытовых приемников для населения. Более того, созданные образцы пригодны для приема сигналов в форматах AM, ЧМ, DAB, DRM. Зарубежные производители готовы наладить массовое производство приемной аппаратуры, что, несомненно, скажется и на ее цене, которая пока для формата DRM, к сожалению, все еще остается достаточно высокой;

2. Рост числа программ радиовещания, необходимых для передачи каналов, требует более эффективного использования радиочастотного ресурса. При этом именно формат DRM имеет неоспоримые преимущества: его внедрение не требует:

  • построения принципиально новой передающей сети, как при переходе к формату DAB;
  • полной замены радиопередающего оборудования (необходима лишь его модернизация);
  • огромной мощности передатчиков, как это имеет место сегодня в АМ-ра-диовещании, которое к тому же оказалось мало востребованным из-за низкого качества радиоприема. Таким образом, экономятся природные ресурсы и требуются существенно меньшие энергетические затраты, обеспечивается резкое повышение качества и количества принимаемых программ;

3. И, наконец, самое важное. В настоящее время ITU ведутся работы по продвижению технологии DRM в диапазон частот вплоть до 108 МГц. Это уже прямая конкуренция с форматом ЧМ и частично с DAB. Новый стандарт, расширяющий возможности использования формата DRM, должен быть разработан уже к 2008 г., а его практическое использование в традиционном для ЧМ-радиовещания диапазоне начнется с 2010 г. Очевидно, что при работе в этом диапазоне будет расширена полоса частот радиоканала (вероятно, до 50-100 кГц), что позволит с гораздо большей эффективностью передавать высококачественные программы стереофонического радиовещания, включая не только обычное стерео, но и форматы многоканальной стереофонии. Напомним, что для радиовещания в формате DAB выделен новый диапазон 174-230 МГц, поэтому нужно выполнить разработку этих частот.

При продвижении в диапазон метровых волн преимущества формата DRM по отношению к системе DAB станут очевидными и, по всей видимости, на время приостановят ее дальнейшее распространение, как это ранее произошло с системой NICAM, ставшей бесперспективной с появлением алгоритмов компрессии стандартов MPEG и с распространением цифровых дискретных систем многоканальной стереофонии.

4. С появлением новой версии стандарта DRM у формата DAB останется, пожалуй, одно преимущество: возможность передачи в реальном времени значительно большего количества дополнительной информации, включая анимацию, графику, видео и т.п. при более простой (уже освоенной в России) технологии сжатия цифровых данных, а также возможность передачи в одном радиоканале нескольких программ с разным качеством.

Все изложенное свидетельствует о том, что в России, где цифровое радиовещание пока не стало реальностью, лучше начать с внедрения системы DRM, в которой реализованы и уже подтверждены практикой более совершенные цифровые технологии.

Опубликовано: Журнал "Broadcasting. Телевидение и радиовещание" #4, 2007
Посещений: 12137

  Автор

Юрий Ковалгин

Юрий Ковалгин

Зав. кафедрой радиоприема, вещания и электромагнитной совместимости СПбГУТ им. проф. М.А. Бонч-Бруевича

Всего статей:  20

В рубрику "Оборудование и технологии" | К списку рубрик  |  К списку авторов  |  К списку публикаций