СПОСОБ МОБИЛЬНОГО УЗКОПОЛОСНОГО ЦИФРОВОГО МУЛЬТИМЕДИЙНОГО РАДИОВЕЩАНИЯ
METHOD OF MOBILE NARROW-BAND DIGITAL MULTIMEDIA BROADCASTING

Изобретение относится к области видео и звукового радиовещания и может найти применение в системах наземного распределения информационных программ.
Известно достаточно много способов цифровой передачи видео (телевизионных) и звуковых вещательных программ.
В частности, распространенный способ цифрового наземного телевизионного вещания по стандарту DVB-T [Цифровое Видео Вещание (DVB). Кадровая структура, канальное кодирование и модуляция для цифрового наземного телевидения. Европейский стандарт (Телекоммуникационная серия). ETSI EN 300 744, V1.6.1 (2009-01)] включает при передаче цифровое сжатие сигналов изображения и звукового сопровождения, их мультиплексирование, помехозащищающее канальное кодирование, модуляцию несущих с использованием ортогонального частотного разделения каналов (ОЧРК), введение пилотных несущих и излучение, а на приеме - демодуляцию несущих, разделение цифровых сигналов изображения и звукового сопровождения, их цифровое декодирование и воспроизведение.
Недостатком этого способа является широкая полоса частот, занимаемая цифровым телевизионным сигналом, что затрудняет его применение на мобильных средствах в городских условиях с плотной застройкой, многолучевостью распространения и отсутствием прямой видимости антенны передатчика, а также в районах со сложным рельефом и в горной местности.
Известен также способ трансляции информационного телевидения [Патент РФ на изобретение №2219676. Способ трансляции информационного телевидения. Приоритет от 08.11.2000], включающий при передаче цифровое сжатие сигналов изображения и звукового сопровождения, их мультиплексирование с получением сжатого сигнала информационного телевидения, помехозащищающее канальное кодирование, модуляцию несущих с применением ОЧРК и излучение, а на приеме - демодуляцию несущих сигналов, разделение цифровых сигналов изображения и звукового сопровождения, их цифровое декодирование и воспроизведение.
Недостатком этого способа является отсутствие возможности передачи дополнительных данных с повышенной помехоустойчивостью, что ограничивает возможности его применения, например, для оповещения населения в случае чрезвычайных ситуаций и пр.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому техническому решению является способ цифрового радиовещания по стандарту DRM (режим Е) [Всемирное цифровое радио (DRM). Описание системы. Стандарт ETSI. ETSI ES 201 980 V3.1.1 (2009-08)], включающий при передаче цифровое сжатие звуковых сигналов, передаваемых в канале основного сервиса, использование двух низкоскоростных информационных каналов (быстрого доступа и описания сервиса), раздельное помехозащищающее канальное кодирование сигналов каналов основного сервиса и сигналов информационных каналов, модуляцию несущих с использованием ОЧРК, введение пилотных несущих и излучение, а на приеме - демодуляцию несущих сигнала, разделение цифровых звуковых сигналов канала основного сервиса и сигналов низкоскоростных информационных каналов, их цифровое декодирование и воспроизведение.
Недостатками такой системы является использование только одной узкой полосы излучаемого сигнала (100 кГц), что не позволяет обеспечить передачу видеоинформации, а также то, что отсутствует возможность отключения низкоскоростных информационных каналов.
Техническим результатом изобретения является обеспечение бесперебойного приема мультимедийной программы и/или звукового стереофонического или многоканального вещания в движущемся транспорте в условиях пониженной напряженности поля при наличии многолучевости распространения радиосигнала, узкополосности канала передачи и быстрой смены фазовой структуры поля при движении транспорта, а также в районах со сложным рельефом, в горной местности и в густых лесных массивах, где в указанных условиях радиовещание с известными на сегодня системами не может обеспечить удовлетворительного качества передачи звука и видео.
Технический результат достигается тем, что в способе мобильного узкополосного цифрового радиовещания, включающем при передаче цифровое кодирование видео и звуковых сигналов, их мультиплексирование с получением сжатого мультимедийного сигнала, канала основного, сервиса (ОС), цифровое кодирование дополнительной информации низкоскоростных каналов надежных данных (НД), раздельное помехозащищающее канальное кодирование сигналов каналов ОС и НД, модуляцию несущих с применением ОЧРК, введение пилотных несущих и несущих, определяющих параметры передачи сигналов (ППС), и излучение, а на приеме - демодуляцию несущих сигнала, разделение цифровых видео и звуковых сигналов канала ОС и сигналов дополнительной информации каналов НД, их цифровое декодирование и воспроизведение, причем на передаче в зависимости от возможности использования полос радиочастотного спектра ОВЧ диапазона применяют одну из трех возможных полос радиоканала - 100, 200 или 250 кГц при постоянном разносе между несущими ОЧРК, при этом несущие ППС и несущие каналов НД располагают в центральной полосе частот 100 кГц, а при использовании более широкой полосы частот маски пилотных несущих дополняются по краям спектра, не изменяясь в центральной части спектра.
Кроме того, на передаче в случаях отсутствия необходимости использования одного или нескольких каналов НД освобождающиеся несущие используются для передачи информации канала ОС.
Дополнительно на передаче в одном кадре ОЧРК чередуется N типов символов по маске пилотных несущих при общем количестве kN+1 символов в кадре, так что на границе каждого кадра, и только на границе, встречаются два символа одинакового типа, что эффективно используется на приеме для кадровой синхронизации.
Более подробно заявленный способ включает следующие стадии.
На передаче проводится цифровое кодирование видео, звуковой и дополнительной информации, их мультиплексирование для формирования информации канала ОС, формирование данных для низкоскоростных каналов НД. Далее проводится формирование кадров данных, рандомизация энергии в них, канальное кодирование, битовое перемежение, отображение на ячейки данных, соответствующие модуляционному созвездию, перемежение ячеек и блочное перемежение. Эти операции проводятся раздельно для всех каналов ОС и НД. Параметры канального кодирования и модуляции в каналах НД обеспечивают более высокую помехозащищенность данных этих каналов по сравнению с данными канала ОС. Скорость передачи данных в канале ОС зависит от параметров канального кодирования и модуляции, от ширины полосы радиоканала и от наличия или отсутствия данных каналов НД. Затем проводится отображение ячеек на несущие ОЧРК, причем данные каналов НД, если они имеются, отображаются на несущие, расположенные в центральной части полосы частот радиоканала 100 кГц независимо от общей ширины полосы радиоканала, которая может быть равной 100, 200 или 250 кГц. Интервал между несущими ОЧРК не зависит от ширины полосы радиоканала. Маска несущих, на которые отображаются каналы НД, задается псевдослучайным образом, что повышает устойчивость передачи данных в каналах НД. При отсутствии данных каналов НД их несущие используются для данных канала ОС. Далее осуществляется ввод служебных несущих, включающих пилотные несущие и несущие ППС. Последние располагаются в центральной части полосы радиоканала 100 кГц. Маски пилотных несущих при расширении полосы радиоканала от 100 кГц до 200 кГц или 250 кГц дополняются по краям спектра, не меняясь в центральной полосе спектра сигнала. После ввода служебных несущих может осуществляться коррекция пик-фактора формируемого сигнала для увеличения эффективной излучаемой мощности. Затем проводятся обратное дискретное преобразование Фурье (ОДПФ) для формирования сигнала символа ОЧРК во временной области, формирование нескольких (двух или более) сигналов с задержками при использовании разнесенной передачи, введение защитного интервала. Полученный сигнал подается на цифроаналоговый преобразователь (ЦАП), преобразователь частоты и усилитель мощности радиосигнала, а затем излучается.
На приеме производится усиление, перенос сигнала на низкую частоту и аналого-цифровое преобразование сигнала. Затем проводится синхронизация сигнала ОЧРК (поиск начала символа ОЧРК и начала кадра ОЧРК) и дискретное преобразование Фурье (ДПФ) для каждого символа ОЧРК, причем данные корректируются в соответствии с информацией пилотных несущих. При использовании разнесенного приема эти операции проводятся отдельно для каждого канала приема, а затем производится сложение или коммутация принятых сигналов. Поиск начала кадра ОЧРК осуществляется с помощью нахождения двух символов ОЧРК одинакового типа (по маске пилотных несущих), идущих подряд. По информации несущих ППС определяются режимы канального кодирования и модуляции сигнала, а также наличие данных каналов НД. Далее проводится демультиплексирование данных каналов ОС и НД, их раздельное декодирование. Декодирование каналов включает блоковое деперемежение, деперемежение ячеек, битовое деперемежение, канальное декодирование и дерандомизацию. Затем данные канала ОС демультиплексируются, видео и звуковые данные декодируются и воспроизводятся.
Технический результат достигается также тем, что в системе мобильного узкополосного цифрового радиовещания, на передающей стороне, содержащей блоки цифрового кодирования видео и звуковых сигналов, блок их мультиплексирования с получением сжатого мультимедийного сигнала канала ОС, блоки цифрового кодирования дополнительной информации каналов НД, блоки раздельного помехозащищающего канального кодирования сигналов каналов ОС и НД, блок отображения данных на несущие с применением ОЧРК, блок введения служебных несущих, включающих пилотные несущие и несущие ППС, и блоки излучения, а на приемной стороне - блоки демодуляции несущих сигнала, блоки разделения цифровых видео и звуковых сигналов канала ОС и сигналов дополнительной информации каналов НД, блоки их цифрового декодирования и воспроизведения, причем в передающей части блок отображения данных на несущие ОЧРК имеет возможность выбора одной из трех полос радиоканала 100, 200 или 250 кГц при постоянном разносе между несущими ОЧРК, блок отображения данных на несущие ОЧРК осуществляет псевдослучайное отображение данных каналов НД на несущие в центральной полосе частот 100 кГц, блок ввода служебных несущих осуществляет ввод несущих ППС в центральной полосе частот 100 кГц, а при использовании более широкой полосы частот дополняет маски пилотных несущих по краям спектра, не изменяя их в центральной части спектра.
Кроме того, в передающей части блок отображения данных на несущие ОЧРК в случаях отсутствия необходимости использования одного или нескольких каналов НД использует освобождающиеся несущие для передачи информации канала ОС, а блок ввода служебных несущих в одном кадре ОЧРК чередует символы N типов по маске пилотных несущих при общем количестве символов в кадре kN+1 вследствие чего исключительно на границе каждого кадра встречаются два символа одинакового типа, и в приемной части блок синхронизации ОЧРК использует это для кадровой синхронизации.
Система функционирует следующим образом.
На фиг.1 изображен один из возможных вариантов передающего устройства системы, где
1 - блок видеокодера;
2 - блок звуковых кодеров;
3 - блок мультиплексора;
4 - блок обработки, канального кодирования и перемежения данных канала ОС;
5, 6 - блоки обработки, канального кодирования и перемежения данных каналов НД, их включения/выключения;
7 - блок отображения данных на несущие ОЧРК;
8 - блок частотного перемежения несущих каналов НД в центральной полосе;
9 - блок ввода служебных несущих;
10 - блок коррекции пик-фактора;
11 - блок ОБПФ;
12 - блок введения задержки;
13 - блок введения защитного интервала;
14 - блок ЦАП, преобразования частоты и усиления мощности радиосигнала;
15 - схема формирования кадров данных;
16 - схема рандомизации энергии;
17 - схема канального кодирования;
18 - схема битового перемежения;
19 - схема отображения на созвездие;
20 - схема перемежения ячеек;
21 - схема блочного перемежения.
Система содержит схему формирования сигналов контента канала ОС, на вход видеокодера 1 которой подается видеосигнал, а на входы набора звуковых кодеров 2 - сигналы звукового сопровождения и/или звуковые сигналы. Сформированные цифровые кодированные сигналы видео и звука, а также, возможно, дополнительные цифровые данные подаются на мультиплексор 3, на выходе которого выделяется цифровой сигнал контента канала ОС, поступающий на вход блока 4 обработки, канального кодирования и перемежения данных канала ОС.
При наличии данных сигналы каналов НД, которые могут содержать компрессированную звуковую информацию, подаются на блоки 5 и 6 обработки, канального кодирования и перемежения данных каналов НД, их включения/выключения.
Сформированные таким образом цифровые последовательности данных канала ОС и каналов НД поступают в блок 7 отображения данных на несущие ОЧРК, который обеспечивает требуемую ширину полосы радиоканала при постоянном интервале между несущими ОЧРК. Далее данные через последовательно соединенные блоки частотного перемежения несущих каналов НД (при их наличии) в центральной полосе 100 кГц - 8, ввода служебных несущих (пилотных несущих во всей полосе канала и несущих ППС в центральной полосе 100 кГц) - 9, коррекции пик-фактора - 10, обратного быстрого преобразования Фурье (ОБПФ) - 11, введения задержки (при использовании системы разнесенной передачи) - 12, введения защитного интервала - 13 поступают на блок ЦАП, преобразования частоты и усиления мощности радиосигнала 14.
Каждый из блоков обработки, канального кодирования и перемежения 4, 5 и 6 состоит из последовательно соединенных схем формирования кадров данных - 15, рандомизации энергии - 16, канального кодирования - 17, битового перемежения - 18, отображения на созвездие - 19, перемежения ячеек - 20 и блочного перемежения - 21.
На фиг.2 изображен один из возможных вариантов приемного устройства системы, где
22.1, 22.2 - блоки антенных усилителей/преобразователей;
23.1, 23.2 - блоки синхронизации ОЧРК;
24.1, 24.2 - блоки БПФ;
25 - блок коммутатора;
26 - блок демультиплексора потоков;
27, 28, 29 - блоки детекторов сигналов ОЧРК;
30 - блок декодера канала ОС;
31, 32 - блоки декодеров каналов НД;
33 - схема блочного деперемежения;
34 - схема деперемежения ячеек;
35 - схема битового деперемежения;
36 - схема канального декодирования;
37 - схема дерандомизации;
38 - блок демультиплексора данных канала ОС;
39 - блок декодера видео;
40 - блок коммутатора цифровых звуковых сигналов;
41 - блок декодера звуковых сигналов;
42, 43 - блоки демультиплексоров данных каналов НД.
Это устройство содержит блоки антенных усилителей/преобразователей 22.1 и 22.2, блоки синхронизации ОЧРК 23.1 и 23.2, быстрого преобразования Фурье (БПФ) 24.1 и 24.2, а также блок коммутатора 25, используемые при разнесенном приеме, и последовательно включенный за коммутатором демультиплексор потоков 26, на выходах которого выделяются сигналы ОЧРК канала ОС и каналов НД. Наличие данных каналов НД определяется в блоках синхронизации по информации несущих ППС. Поиск начала кадра ОЧРК в блоках синхронизации осуществляется с помощью нахождения двух символов ОЧРК одинакового типа (по маске пилотных несущих), идущих подряд. Сигналы каналов ОС и НД поступают на соответствующие детекторы 27, 28, 29 сигналов ОЧРК, с выходов которых выделенные сигналы подаются на декодер 30 канала ОС и декодеры 31 и 32 каналов НД соответственно. Структурные схемы декодеров 30, 31 и 32 аналогичны. Так структурная схема декодера 30 содержит последовательно соединенные схемы блочного деперемежения 33, деперемежения ячеек 34, битового деперемежения 35, канального декодирования 36 и дерандомизации 37. Цифровые сигналы с декодера канала ОС подаются на демультиплексор данных канала ОС 38, разделяющий цифровые видеосигналы, поступающие на декодер видео 39, цифровые звуковые сигналы, которые через коммутатор цифровых звуковых сигналов 40 поступают на декодер звуковых сигналов 41, и сигналы дополнительных данных.
Данные с выходов декодеров каналов НД 31 и 32 поступают на демультиплексоры данных каналов НД 42 и 43. В случае передачи звуковой информации в каналах НД она также подается через коммутатор 40 на декодер 41.