Разработка отечественной нормативной базы цифрового радиовещания стандарта DRM

Разработка отечественной нормативной базы цифрового радиовещания стандарта DRM

Ключевые слова: цифровое радиовещание, DRM, нормативная база, требования к передатчикам, защитные отношения.

Приводятся сведения о проводившихся в МТУСИ на протяжении 2002-2012 гг. научноисследовательских работах, направленных на разработку отечественной нормативной базы цифрового звукового радиовещания (ЦЗРВ) стандарта ЭкМ. Результаты исследований характеристик вещательных передатчиков стандарта ЭИМ вошли в Нормы 19-02 (Дополнение № 1) и "Правила применения оборудования систем радиовещания (Часть I.)". В процессе выполненных НИР проведен комплекс теоретических и экспериментальных исследований в организованных опытных зонах ЭИМ вещания диапазонов ДВ, СВ и КВ. Это позволило оценить качество вещания, определить требования к техническим параметрам средств радиовещания, включая параметры, влияющие на электромагнитную совместимость, уточнить энергетические характеристики при переходе с аналогового вещания на цифровое с учетом особенностей многолучевости распространения сигнала в КВ диапазоне, уточнить величины защитных отношений при совместной работе с аналоговыми сетями на переходный период. На основании полученных результатов ГКРЧ РФ в 2009 г. приняло решение о выделении диапазонов СВ и КВ для ЦЗРВ стандарта ЭИМ, а в 2012 г. был добавлен и диапазон ДВ.

Варламов О.В.,

старший научный сотрудник МТУСИ, к.т.н., vov@mtuci.ru

Регулярное вещание в цифровом формате стандарта DRM в России началось летом 2003 г. на коротких волнах радиостанцией «Голос России» в направлении на Западную Европу. Для этого использовался модернизированный передатчик РВ-807 (г. Талдом), в настройке которого в режиме DRM принимали участие специалисты МТУСИ. В то время каких-либо нормативных документов, как отечественных, так и международных, регламентирующих качественные характеристики передающего устройства, работающего в режиме DRM, еще не существовало. Разработка требований к передающим устройствам DRM была проведена в МТУСИ в 2001-2002 гг. в рамках НИР «Радикал» (Заказчик ОАО «ЦКБ Связь») и ОКР «Инфразвук» (Заказчик ОАО «Телеком»),

Требования на спектральные характеристики

выходного сигнала

Нелинейность характеристик любого передающего устройства, независимо от способа его построения, проявляется в расширении полосы частот излучаемого сигнала и выходе ее за допустимые пределы.

При разработке систем ЦРВ в диапазонах ниже 30 МГц одним из главных требований являлось обеспечение ширины полосы излучения, равной полосе частот стандартного радиовещательного сигнала с амплитудной модуляцией (AM). Допустимые внеполосные излучения радиовещательных передатчиков с AM в НЧ, СЧ, ВЧ диапазонах регламентировались на международном уровне рекомендацией Международного союза электросвязи (МСЭ) ITU-R SM.328-10 "Spectra and bandwith of emissions". В этом документе приводится способ построения кривой, ограничивающей допустимые уровни внеполосных излучений.

В качестве примера на рис. 1 пунктиром приведена кривая, ограничивающая уровень внеполосных излучений AM передатчика (далее будем ее называть маской МСЭ), для необходимой полосы частот 10 кГц (при других значениях необходимой полосы частот данная кривая масштабируется по оси абсцисс). Здесь же приведена

спектрограмма выходного сигнала возбудителя стандарта ЭЯМ для режима работы А, 640АМ, 10 кГц. Как видно из рисунка, спектр неискаженного сигнала ЦРВ вписывается в приведенную кривую с большим запасом. Таким образом, для обеспечения электромагнитной совместимости (ЭМС) в соответствии с требованиями МСЭ спектр сигнала ЭЯМ на выходе передающего устройства не должен выходить за пределы указанной кривой. Этот критерий и применялся в дальнейшем для оценки допустимого уровня нелинейности передатчиков при использовании их в режиме ОЯМ.

Использование данной маски для цифрового радиовещания стандарта ОЯМ в РФ законодательно было закреплено в решении ГКРЧ от 01.12.2003 [1] с последующим принятием второй редакции этого документа в 2005 г.

По мере накопления практического опыта использования передатчиков 1ЖМ консорциум пришел к выводу, что данные требования в ближней (от сигнала) области могут быть ужесточены. Это нашло свое отражение в принятых в 2005 г. документах ЕТ51 [2, 3] и показано на рис. 1 сплошной линией. Специалисты МТУСИ учли данные изменения в последующих НИР, проводившихся по заказу РТРС, на основании которых были разработаны «Правила применения эфирных цифровых радиовещательных передатчиков, работающих в диапазонах частот 0,1485-

0,2835 МГц; 0,5265-1,6065 МГц; 3,95-26,10 МГц» [4].

Рис. 1. Отношение мощности внеполосных радиоколебаний к мощности основного излучения, дБ

В этом документе впервые в международной практике по результатам работ МТУСИ были выделены отдельной строкой требования на внеполосные излучения возбудителя (формирователя, кодера-модулятора) DRM сигнала. В соответствии с законодательством РФ радиопередающие устройства и их составные части подлежат обязательной сертификации. В большинстве случаев (при использовании современных передатчиков с раздельным усилением) определить параметры возбудителя без передатчика невозможно. Но производителями передатчиков и возбудителей зачастую являются разные организации. Не имея сертифицированного возбудителя, нельзя изготовить передатчик в целом. А не имея передатчика, нельзя сертифицировать возбудитель. Для «разрыва» этого замкнутого круга, учитывая, что большую часть искажений вносит передатчик как мощное устройство, в котором зачастую может происходить «размен» искажений на КПД, допустимые требования на внеполосные излучения возбудителя были приняты на 6 дБ ниже требований на передатчик в целом. Эта кривая приведена на рис.1 штрихпунктирной линией. Также, учитывая, что фильтрация гармонических составляющих побочных радиоколебаний осуществляется после работающего в нелинейном режиме оконечного каскада передатчика, требования к данному параметру в возбудителе были существенно снижены - до уровня минус 30 дБ. Перечисленные выше особенности также были учтены в ГОСТ на цифровой кодер-модулятор DRM [5].

Требования на отношение сигнал-шум

в выходном сигнале передатчика

Помимо расширения полосы частот излучаемого сигнала нелинейность характеристик любого передающего устройства, независимо от вида модуляции (AM, ОМ, OFDM и т.д.), приводит также к ухудшению качества приема радиовещательной программы. Для обеспечения качественного приема сигналов с традиционно используемыми видами модуляции (AM, ОМ) соответствующими стандартами были определены допустимые пределы искажений передаваемого сигнала и методы их измерения (например, уровень гармонических искажений огибающей сигнала с амплитудной модуляцией и уровень комбинационных искажений сигнала с однополосной модуляцией). Для систем цифрового вещания аналогичным показателем, определяющим возможность уверенного декодирования звуковых программ, может являться величина вероятности ошибки приема символов (BER) на входе звукового декодера. Однако время измерения этого параметра для получения достоверных значений должно быть весьма продолжительным, что делает нерациональным практическое использование этого критерия для оперативной настройки радиопередающего устройства и контроля качества излучаемого сигнала ЦРВ. Поэтому целесообразно перейти к использованию другого параметра, а именно, к отношению сигнал-шум (ОСШ) в выходном сигнале передатчика, позволяющему контролировать качество излучаемого сигнала в режиме реального времени.

При отсутствии нормативных документов для определения количественных значений данного критерия в проведенных МТУСИ НИР «Радикал» и ОКР «Инфразвук» учитывались два фактора.

С одной стороны, этот параметр (величина ОСШ) определен как критерий для устойчивого декодирования

сигнала в приемнике. Его минимально необходимые значения указаны в стандарте DRM (ETSI ES 201 980, “Digital Radio Mondiale (DRM); System Specification”) и составляют для различных каналов распространения в режиме работы 64 QAM от 14,9 до 23,2 дБ. С другой стороны, измерение параметра ОСШ на выходе первых образцов возбудителей DRM различных производителей показало, что значение ОСШ в сформированном сигнале ЦРВ не превышает величины 40...42 дБ.

Из вышесказанного становится очевидным, что значение параметра ОСШ на выходе передатчика не может быть выше 40 дБ и не должно быть ниже 23 дБ. Поскольку ухудшение ОСШ на выходе передатчика будет приводить к сокращению зоны обслуживания, целесообразно свести этот эффект к минимуму, обеспечив на выходе передатчика запас не менее 10 дБ по отношению к значению ОСШ, равному 23 дБ и необходимому для декодирования в сложных условиях распространения. Требование обеспечения более высокой линейности передатчика и, соответственно, более высокого значения ОСШ может вступать в противоречие с параметрами его энергетической эффективности.

Поэтому в качестве количественного значения критерия ОСШ на выходе передатчика, используемого для работы в режиме ЦРВ, была рекомендована величина 33...36 дБ. Настроенный в соответствии с этим критерием передатчик РВ-807 (г. Талдом) долгие годы считался в Европе «эталоном» и его сигнал использовался для настройки приемного оборудования DRM.

Для высокоэффективных передатчиков, построенных по методу раздельного усиления, получение указанных значений ОСШ было более проблематичным. По этой причине в принятом в 2005 г. документе ETSI [2] было установлено среднеквадратическое значение коэффициента ошибок модуляции (MER - Modulation Error Ratio, аналог ОСШ) на выходе передатчика не менее 30 дБ.

Данные требования нашли свое отражение в последующих НИР, проводившихся в МТУСИ, и вошли в отечественные нормативные документы [4]. Аналогично, отдельное требование на MER не менее 36 дБ было сформулировано для возбудителей DRM передатчиков, которое вошло в [5].

Уточнение отдельных величин

защитных отношений

С целью определения возможности и условий создания в Российской Федерации сетей цифрового звукового радиовещания стандарта DRM было принято решение ГКРЧ при Минсвязи РФ № 30/3 от 01.12.2003 «Об организации опытных зон экспериментального цифрового звукового радиовещания стандарта DRM в диапазоне 3,95-26,1 МГц». В целях исполнения этого решения в НИР «Луч-2-МТУСИ» (заказчики ОАО «НТЦ-РС» и ФГУП «РТРС») была разработана и создана лабораторная измерительная установка, аналогичная приведенной в [6]. В этой установке часть радиоизмерительного оборудования была заменена разработанными в МТУСИ программными симуляторами, а также добавлен программный имитатор каналов распространения сигнала.

По результатам лабораторных исследований временные значения защитных отношений, рекомендуемые МСЭ, были подтверждены с достаточной для практики точностью, что позволяет говорить о возможности использования разработанных программ и методик исследований.

В отличие от приведенных в [6] результатов исследований, были рассмотрены помехи сигналу 1ЖМ не только от АМ передатчиков с полосой модулирующих частот 4,5 кГц (соответствующих Европейским нормам), но и от АМ передатчиков с полосой модулирующих частот 10 кГц, соответствующих стандартам РФ и ряда других стран. Как видно из рис. 2, для декодирования сигнала ГЖМ при наличии в соседнем канале помехи от АМ передатчика со спектром модулирующих частот 10 кГц, ее допустимый уровень должен быть существенно (на 18 дБ) ниже, чем в случае помехи от АМ передатчика с полосой модулирующих частот 4,5 кГц.

Рис. 2. Спектр полезного сигнала DRM и двух мешающих сигналов АМ с полосами модулирующих частот 4,5 и 10 кГц при частотной расстройке 10 кГц

Также было показано, что временные значения защитных отношений, рекомендуемые МСЭ, справедливы только для случая отсутствия реального канала распространения. При наличии канала распространения величины защитных отношений должны уточняться в соответствии с характеристиками канала, что пока не рассматривалось МСЭ.

Одним из этапов работы было исследование прохождения сигнала ЦРВ в диапазоне ВЧ на односкачковой грассе Талдом-Романцево и проведение эфирных измерений защитных отношений. Для этого в точке приема была создана специальная измерительная установка, структурная схема которой приведена на рис. 3. На вход эфирного приемника DRM кроме полезного сигнала, поступающего с антенны, подавались различные виды мешающих сигналов, полученные с помощью имитаторов сигналов и высокочастотного переносчика._____________

Рис. 3. Структурная схема эфирной измерительной установки

Принимая в качестве исходного допущения равные вклады помехи и шума в точке приема, была сформирована расширенная таблица величин относительных защитных отношений (табл. 1). Аналогично документам

МСЭ для получения абсолютных величин защитных отношений в случае мешающего сигнала DRM необходимо к значениям табл. 1 прибавить 16 дБ, а в случае мешающего сигнала АМ прибавить 7 дБ.

В табл. 1 использованы следующие обозначения: канал 1 - однолучевый канал; канал 2 - двухлучевый канал; канал 3 - четырехлучевый канал; Б/Ш - значения защитных отношений без учета шумов канала; Ш - значения защитных отношений с учетом шумов канала. Красным цветом помечены значения защитных отношений, совпадающие с результатами МСЭ. Для остальных вариантов проведенных измерений исследования МСЭ не проводились.

Как видно из представленных результатов, для дальнейшего уточнения величин защитных отношений необходимо учитывать параметры каналов распространения радиоволн. Кроме того, как отмечалось выше, измерения показали существенную разницу при помехе от АМ передатчиков с полосой модулирующих частот 4,5 и 10 кГц при частотной отстройке 10 кГц.

Результаты данной работы докладывались автором на заседании ГКРЧ в 2006 г. В решении ГКРЧ № 06 - 13 -03 - 001 от 24.04.2006 г. была отмечена целесообразность продолжения создания опытных зон ЦРВ стандарта DRM в России для отработки способов модернизации существующего парка передатчиков в ВЧ и СЧ диапазонах и уточнения величин защитных отношений для различных типов каналов распространения радиоволн.

В соответствии с этим решением Роспечать и ФГУП «РТРС» в течение 2007-2008 гг. организовали исследования возможности применения технологий цифрового радиовещания стандарта DRM в диапазоне радиочастот

526.5-1606,5 кГц и 3,95-26,1 МГц на территории Российской Федерации. В частности, были проведены НИР «Волна-ВЧ» и «Волна-СЧ», одним из исполнителей которых был МТУСИ. В результате проведенных исследований было сделано следующее:

- разработаны методики модернизации, настройки и измерения характеристик действующих коротковолновых передатчиков для использования их в режиме DRM;

- уточнены требования к техническим параметрам радиоэлектронных средств ЦЗРВ стандарта DRM, включая параметры, влияющие на электромагнитную совместимость;

- уточнены энергетические характеристики РЭС ЦЗРВ стандарта DRM с учетом особенностей многолучевости распространения радиоволн в диапазонах частот

526.5-4 606,5кГц и 3,95 •*- 26,1 МГц;

- проведены измерения отдельных величин защитных отношений с помощью разработанных компьютерных измерительных приборов для трех видов каналов распространения вещательного сигнала при наличии помех от станций с амплитудной и цифровой модуляцией (табл. 1);

- получено аналитическое выражение для расчета требуемой напряженности поля полезного сигнала при одновременном воздействии нескольких помех, дБмкВ/м:

Ес ОСШ1)ск 10 *Log

j ^|Q SKRT U) | Q SNRK/10 у | Q (Х'Шт/10

где Ешпр~ внутренний шум приемника ЦРВ относительно напряженности поля, дБмкВ/м; Ешпрли ~ напряженность поля промышленных шумов, дБмкВ/м;

Таблица 1

Требуемые величннм относительных защитных отношений дли трех нидон капа.юн распространении

Полез- ный сигнал Мешаю ІЦНЙ сигнал Расстройка по частоте tuciuiitoiiiHd- Гно.'кпнмй. кГц

0 5 10

Канал 1 Канал 2 Канал 3 Канал 1 Канал 2 Канал 3 Канал 1 Канал 2 Канал 3

БШ Ш МП Ш В'Ш Ш Б1ІІ ш БШ Ш Е'Ш Ш БШ Ш БШ Ш БШ Ш

DRM АМ-Е 0 3 1 4 8,5 11,5 -3 0 -2 1 5,5 8.5 -40 -37 -39 -36 -31,5 -28,5

DRM AM-P 0 3 1 4 8.5 11.5 -3 0 -2 1 5.5 8.5 -22 -19 -21 -18 -13.5 -10,5

DRM DRM 0 3 1 4 8,5 11,5 -3 0 -2 1 5,5 8.5 38 -35 -37 -34 -29,5 -26,5

Еш\,т,Еш2зт,...,Ешщкя ~ эквивалентная напряженность поля каждого мешающего сигнала с учетом защитных отношений, дБмкВ/м; 8ЫЯТ - значение ОСШ на выходе передатчика; — максимальное значение

собственного ОСШ приемника; ОСШлск — требуемое для декодирования значение ОСШ на входе приемника для заданного режима помехоустойчивости, ширины полосы частот, типа канала распространения и т.д.

Результаты измерений подтвердили значения защитных отношений, рекомендованные МСЭ и дополнили их перечень, а именно;

— уточнены величины защитных отношений при помехах от аналоговых передатчиков с полосой модулирующих частот 10 кГц, работающих по стандартам РФ;

— уточнены величины защитных отношений при одновременном воздействии нескольких мешающих сигналов с учетом канала распространения.

На основании результатов проведенных исследований решением ГКРЧ № 09-01-05 от 20.01.2009 было признано возможным использование диапазона СЧ и радиовещательных участков диапазона ВЧ для создания на территории РФ сетей цифрового звукового радиовещания стандарта 1ЖМ.

В 2011 г. МТУСИ в ходе выполнения НИР «Исследование возможности и условий использования цифрового радиовещания стандарта ОЯМ в Российской Федерации в полосе частот 0,1485-0,2835 МГц (длинные волны)» (Заказчик ФГУП РТРС) организовал опытную зону ОЯМ радиовещания в диапазоне НЧ. По результатам проведенных исследований решением ГКРЧ №12-14-06 от 16.03.2012 радиовещательный диапазон ДВ также был выделен для создания на территории РФ сетей цифрового радиовещания стандарта ЭЯМ.

Заключение

В 2011-2012 гг. отраслевые институты разработали основной ряд ГОСТ-P на систему ЦРВ стандарта DRM и ее компоненты. Таким образом, можно констатировать, что к настоящему времени имеется вся необходимая нормативная и разрешительная база практического внедрения цифрового радиовещания в РФ.

Литература

1. Нормы 19-02 «Нормы на ширину полосы радиочастот и внеполосные излучения радиопередатчиков гражданского применения». Дополнение №1. «Системы цифрового звукового и телевизионного вещания с использованием модуляции COFDM».

— Государственная комиссия по радиочастотам, Москва, 2003.

2. ETSI EN 302 245-1 VI. 1.1 (2005-01) Electromagnetic compatibility and Radio spectrum Matters (ERM); Transmitting equipment for the Digital Radio Mondiale (DRM) broadcasting service; Part 1: Technical characteristics and test methods.

3. ETSI EN 302 245-2 VI. 1.1 (2005-01) Electromagnetic compatibility and Radio spectrum Matters (ERM); Transmitting equipment for the Digital Radio Mondiale (DRM) broadcasting service; Part 2: Harmonized EN under article 3.2 of the R&TTE Directive.

4. Правила применения оборудования систем радиовещания. Часть I. Правила применения эфирных цифровых радиовещательных передатчиков, работающих в диапазонах частот 0,1485-0,2835 МГц; 0,5265-1,6065 МГц; 3,95-26,10 МГц. Утверждены приказом Министерства информационных технологий и связи Российской Федерации № 13 от 04.02.2008 г.

5. ГОСТ-Р 54718-2011 Система цифрового радиовещания DRM в диапазонах частот ниже 30 МГц. Цифровой кодер-модулятор. Основные параметры и технические требования. М.: Стандартинформ, 2012.

6. REC. ITU-R BS.1615 “Planning parameters” for digital sound broadcasting at frequencies below 30 MHz.

Development of national regulatory framework for DRM digital broadcasting Oleg Varlamov, Moscow Technical University of Communications and Informatics, senior staff scientist, Ph.D.

Abstract

Here are given the results of research works done in MTUCI for 2002-2012 periods. In particular the research results of broadcast transmitter characteristics for DRM standard are given in Norms 19-02 (Addition №1) and "Rules for the application of equipment broadcasting systems (Part 1)". At the process of science research work there was done complex of theoretical and experimental works in organized experimental zones of DRM broadcasting of LW, MW, SW bands. That could estimate broadcasting quality, determine the requirements to the technical parameters of broadcasting equipment including the parameters influence on the electromagnetic compatibility. It define more precisely energetic characteristics while the transition from the analog to digital broadcasting including peculiarity of multipath propagation for signal in SW band. There were defined more precisely the values of protection ratios for common work with analog networks on the transitional period. The obtained results allowed The State Commission for Radio Frequencies of the Russian Federation in 2009 y to adopt the decision for MW and SW digital sound broadcasting of DRM standard and join LW band in 2012 y.

Keywords: digital broadcasting, DRM, regulatory framework, transmitter requirements, protection ratios.