Архивы: по дате | по разделам | по авторам

Всемирное цифровое радио

Архив
автор : Владимир Николаевич   28.01.2004

Сентябрьским вечером 1996 года в одном из отелей Парижа собралась солидная компания людей.

Сентябрьским вечером 1996 года в одном из отелей Парижа собралась солидная компания людей. Все они были связаны с международным радиовещанием и представляли известные имена: Radio France Internationale, Deutsche Welle, ВВС, Voice of America и другие1. За бокалом вина велись неспешные разговоры, и среди прочего обсуждалось наблюдаемое всеми вещателями сокращение своей слушательской аудитории. Точнее, той ее части, которая принимает передачи на частотах меньше 30 МГц. Это диапазоны коротких (10–100 м), средних (100–1000 м) и длинных волн (1–10 км), где вещание традиционно ведется в амплитудной модуляции (amplitude modulation, АМ), в отличие от ультракоротких волн, использующих частотную модуляцию (frequency modulation, FM).

Уменьшение числа радиослушателей АМ-диапазонов было закономерным. Звуковое качество любой АМ-станции сегодня можно назвать в лучшем случае терпимым. Главная причина тому — чувствительность этого способа передачи радиосигнала к помехам. Любые вздохи эфира, статический шум и грозовые разряды АМ-приемник транслирует в звуковой тракт, где помехи «прекрасно» слышны. Добавьте сюда монозвук и узкую полосу передаваемых частот (500–2500 Гц), и станет ясно, что в таких условиях приемлемо звучит лишь человеческая речь, но никак не музыка.

Пока не было альтернативы, потребители смиренно слушали АМ на длинных, средних и коротких волнах. Но в 80-е годы FM-технология совершила гигантский скачок, и маленькие и дешевые приемники, обеспечивающие стереозвук замечательного качества, перетянули людей на ультракороткие волны. Сегодня даже в не слишком развитых странах большинство слушает именно FM, а на АМ2 переключается нехотя. Наши читатели наверняка знают это по собственному опыту.

К сожалению, отказаться от плохой АМ, заменив ее на всех волнах хорошей FM, невозможно. Частотная модуляция требует в эфире в десятки раз больше места, чем амплитудная. Если обычной АМ-станции достаточно полосы 10 кГц, городским FM-станциям нужно как минимум двести. Именно поэтому FM отведены верхние диапазоны радиоспектра, где эфир гораздо просторнее. Амплитудной же модуляции выделены нижние диапазоны — меньше 30 МГц, еще в начале ХХ века занятые первыми АМ-вещателями.

Казалось бы — ну и ладно. Если из двух радиостандартов люди сами выбирают лучший, а на низких частотах принципиально нельзя вещать с хорошим качеством — так и не надо там вещать! Пусть их используют в тех областях, где качество звука не очень важно. Тем более что FM-станций с каждым годом становится все больше и больше.

К сожалению, у высоких частот есть один большой недостаток, а у низких, соответственно, один большой козырь. И то и другое относится к «дальнобойности». Радиоволны с частотой ниже 30 МГц могут заглядывать далеко за горизонт (см. врезку на следующей странице). В то же время громкая и чистая FM-музыка на УКВ распространяется только до горизонта, который всегда близок к передатчику. Для справки: расстояние от верхушки стометровой мачты до горизонта — 35 км3. Именно поэтому FM-станции слышны только в городах и пригородах — до провинции они просто не добивают. Между тем радио АМ-диапазона может достать не только до своей провинции, но и до чужой. Дальнобойность низких частот такова, что вещающее на них «Радио Китая» легко принимается в Польше, и наоборот — «Немецкую волну» превосходно слышно в Японии. Самые прыткие — короткие волны: прежде чем затихнуть, они иногда по нескольку раз огибают земной шар!

Очевидно, что низкочастотные диапазоны просто незаменимы для международного радиовещания. К сожалению, несмотря на охват огромной территории, из-за плохого звука сегодня у такого радио очень узкая аудитория. Жители развитых стран, объевшиеся сотней FM- и ТВ-каналов, могут вообще не подозревать о его существовании и начинают крутить ручки КВ-приемника разве что в туристической поездке, пытаясь узнать, как там дела на родине. Раньше все было иначе: до появления Интернета и спутникового ТВ международное радио было единственным электронным масс-медиа, способным в режиме реального времени пересекать государственные границы. Сейчас же спрос на такие передачи сохранился лишь в некоторых странах, по большей части авторитарно-тоталитарных.

Однако даже в «благоприятных» условиях закрытых обществ или на громадных просторах Канады и Сибири, где FM нерентабельна, радио низких частот слушает гораздо меньше людей, чем могло бы. Виной тому, кроме плохого звука, еще и сложности приема: наибольшее количество АМ-станций можно принять на коротких волнах, но КВ-прием легок только на дорогих приемниках. На дешевых же он требует терпения в настройке, квалификации для подключения антенны и заземления, знания частот вещания, которые меняются в зависимости от времени суток, времен года и активности Солнца. Другими словами, это хобби не для уставших рабочих или домохозяек, поэтому аудитория международных станций сравнительно велика лишь у монстров вроде BBC World Service, покрывающих всю планету и щедро финансируемых правительством.

В общем и целом с 1990-х годов радио низких частот начало угасать. Виной тому было и удешевление спутникового ТВ, и демократизация Восточной Европы, и урбанизация Юго-Восточной Азии… Радиобоссам на вышеупомянутой парижской встрече было отчего беспокоиться. Хорошо понимая уникальность АМ-диапазонов, они вовсе не желали уходить из этой области радиоспектра. Меж тем развитие событий толкало именно к этому — на встрече в Париже звучал прогноз: если ничего не делать, AM-диапазоны умрут лет через десять-пятнадцать, и на коротких и средних волнах (не говоря уже о длинных) вообще не останется станций со сравнительно мощными передатчиками.

Поскольку смиряться и выключать рубильник никто не хотел, через некоторое время в том же Париже состоялась конференция на единственную тему: «Как возродить АМ?» На этой встрече инженеры впервые убедили менеджеров, что АМ как технология безнадежно устарела. Никакие ее улучшения вроде сужения занимаемой полосы (SSB-модуляция) для повышения мощности или, наоборот, — расширения полосы для вещания стерео (и то и другое делалось в Японии и США), или же, наконец, вставки в сигнал добавочной информации (технология AMDS — аналог телетекста) — ничто не поможет АМ вернуть былую популярность. А раз так, пора вообще отказаться от модуляции радиоволн по амплитуде и перейти на качественно иной уровень. Другими словами — разрешить на нижних диапазонах новый стандарт вещания. И поскольку его внедрение потребует замены приемников у миллиардов слушателей4, ограничиваться полумерами нельзя: новый стандарт должен учесть новейшие достижения высоких технологий. Проще говоря, радио на частотах ниже 30 МГц должно стать полностью цифровым.

Сегодня такое предложение кажется единственно верным, но в 1996 году все было не так очевидно. Цифровое ТВ еще было экспериментом. Разработка цифрового радио велась в Европе почти десять лет в рамках проекта Eureka-147 (см. «Новая волна» в «КТ» #12 за 1999 г.). Однако его успехи мало кого впечатляли, а главное — все разработки были рассчитаны на УКВ-диапазон, не страдающий от перепадов ионосферного настроения и погоды на Солнце. О технологии аудиокомпрессии в то время знали лишь специалисты (mp3 начал свое победное шествие спустя два года), и вообще — делать ставку на неизвестную технологию было опасно. Однако радиобоссы рискнули и основали общественную организацию (по-русски ее можно назвать международным союзом) под названием Digital Radio Mondiale.

Задача DRM-консорциума была такова: создать для диапазонов 30 кГц–30 МГц надежный метод передачи цифровой информации, способный стать единым мировым стандартом радиовещания, нацеленного на самую широкую аудиторию. Этот стандарт должен быть непроприетарным, то есть открытым и доступным для изучения всеми желающими,5 а качество звука DRM должно выдерживать конкуренцию с FM-станциями.


1 Представителей «Радио России», по данным автора, на этой встрече не было.
2 В современных приемниках меткой «АМ» обозначается, на западный манер, диапазон средних волн. Хотя на коротких и длинных волнах приемник тоже работает в амплитудной модуляции.
3 Расстояние до горизонта равно квадратному корню из произведения диаметра Земли (12,74 тыс. км) на высоту наблюдателя над Землей. Так, человек ростом 170 см, находясь на уровне поверхности океана, видит горизонт на расстоянии 4,6 км.
4 По примерным оценкам, количество АМ-приемников на планете достигает 2,5 млрд. штук.
5 Это не означает бесплатности — в стандарт могут входить запатентованные технологии, за пользование которыми надо платить.

Распространение радиоволн различных диапазонов

Радиосвязь осуществляется с помощью радиоволн двух типов — поверхностных (ground-waves) и пространственных (sky-waves).

Поверхностными называют волны, которые распространяется вдоль земной поверхности. Благодаря дифракции они огибают земной шар и заглядывают далеко за горизонт. Чем ниже частота сигнала, тем дальше распространяется поверхностная волна. Также имеет значение электрическое сопротивление поверхности — наилучшее прохождение наблюдается над соленой водой.

Пространственные волны распространяются, многократно отражаясь от ионосферы и поверхности планеты. Ионосферой называют часть атмосферы с большим количеством ионов и электронов, возникающих из-за разложения атмосферных газов ультрафиолетовой и рентгеновской солнечной радиацией, а также космическим излучением. Благодаря электрическому заряду ионосфера взаимодействует с радиоволнами.

В радиосвязи обычно выделяют три ионосферных слоя:
- слой D с самой слабой электронной концентрацией, расположен на высоте 60–80 км и существует только днем;
- слой Е со средней электронной концентрацией и высотой 90–150 км;
- слой F с наиболее высокой электронной концентрацией и высотой 190–500 км. Летом слой F расщепляется на два слоя: F1 (190–230 км) и F2 (230–500 км).

Способность ионосферы отражать волны зависит от их частоты: с ее увеличением отражение слабеет, а затем исчезает вовсе. Критической частотой ионосферы (fкр) называют наибольшую частоту, при которой волна, излученная вертикально вверх, уже не возвращается на Землю, а уходит в космос. Критические частоты регулярно определяются ионосферными станциями вертикального зондирования. Примерные значения критических частот в дневное время равны: для слоя D — 0,3…0,6 МГц; слоя Е — 3…4 МГц; F1 — 4…6 МГц, F2 — 5…15 МГц (ночью 2…8 МГц). Но если радиоволна падает на ионосферный слой полого, она отражается, даже имея частоту больше fкр. Максимальная частота отражения от ионосферы равна: fкр /sin Я, где Я — угол падения волны на ионосферный слой. Другими словами, чем более полого падает волна на ионосферу, тем сильнее она отражается.

Все вышеперечисленное приводит к тому, что условия распространения в эфире волн разных частот (или, что тоже самое, разной длины) сильно отличаются.

Длинные волны. Радиосигналы сверхнизкой и низкой частоты — 30…300 кГц. Поверхностная волна столь низких частот обладает сильнейшей дифракцией и обеспечивает устойчивую радиосвязь на больших расстояниях при использовании дорогих и громоздких антенно-мачтовых сооружений. На расстоянии до 400 км распространение происходит только с помощью поверхностной волны, до 3000 км — поверхностной и пространственной волной, более 3000 км — только пространственной волной. Используются для радиовещания и радионавигации. Основной источник помех — атмосферные разряды.

Средние волны. Относятся к средним частотам — 300 кГц…3 МГц. В дневное время распространяются только поверхностной волной на расстояние до 300–500 км над сушей и 800–1000 км над морем. Ночью, после исчезновения слоя D, в виде поверхностных и пространственных волн — на расстояние до 4000 км. Используются для радиовещания, служебной и любительской связи.

Короткие волны. Частоты от 3 до 30 МГц. Основной диапазон, используемый для любительской и профессиональной радиосвязи на тысячи и десятки тысяч километров. Связь на КВ проводится только с помощью пространственных волн, так как поверхностные волны этого диапазона практически не огибают земной шар. Обычно в дневное время применяют «дневные» волны (от 10 до 20 м), а ночью, когда ионизация ослабевает, — «ночные» (от 35 до 70 м). Связь на декаметровых волнах часто нарушается из-за глубокого замирания сигнала. Причины замирания:

- изменения разности фаз лучей, пришедших в точку приема разным путем (интерференционное замирание с периодом несколько секунд);
- поворот плоскости поляризации из-за двойного лучепреломления в ионосфере (поляризационное замирание);
- повышенное затухание в слое D в период максимума солнечной активности — вплоть до полного поглощения пространственной волны (длительность замирания до 60 минут);
- исчезновение слоя F2 в высоких широтах и снижение отражательных свойств ионосферы в средних широтах из-за корпускулярного излучения Солнца. В последнем случае наблюдаются полярные сияния, а связь нарушается на несколько дней.

Для борьбы с замиранием прием может вестись на разнесенные антенны и на разнесенных частотах. Также полезна глубокая авторегулировка усиления сигнала, а при замирании из-за корпускулярного излучения Солнца переходят на более низкие частоты. Качество дальней связи на верхнем уровне КВ-диапазона может ухудшаться из-за того, что в точку приема, кроме основного сигнала, приходит с большим временным сдвигом (до 0,1 с) второй сигнал, обогнувший земной шар с другой стороны, — кругосветное эхо.

Для нас сейчас важен итог этой кропотливой работы, поэтому последующие события обозначим пунктиром. 4 апреля 1997 года в Лас-Вегасе состоялось первое формальное собрание DRM — сорок делегаций из разных стран сформулировали общие требования к будущему стандарту и утвердили структуру организации. Далее аналогичные встречи проходили регулярно, и благие намерения постепенно отливались в конкретные определения. Появлялись прототипы, которые можно было потрогать руками…

Как уже догадались читатели, в итоге DRM-консорциум успешно решил все поставленные перед ним задачи. Первые полевые испытания системы состоялись в августе 1999 года, когда британская Merlin Communications провела серию тестов на средних волнах (передачи велись из Саффолка). Через два месяца эта же компания провела тесты на коротких волнах, а в 2000 году началась проверка прохождения сигналов в планетарном масштабе. На этом этапе привлекались желающие из всех стран, поэтому Россия, к тому времени уже вступившая в консорциум, не осталась в стороне — передачи из Иркутска и Дубны принимали в Европе и Японии.

Результаты тестов оказались настолько обнадеживающими, что в том же году Международный Союз по электросвязи (ITU) одобрил спецификации, разработанные членами DRM, в качестве цифрового радиостандарта. В апреле 2001 года ITU рекомендовало DRM в качестве замены АМ-радио на всех диапазонах ниже 30 МГц, а в сентябре 2001-го — European Telecommunications Standards Institute включил DRM в каталог европейских стандартов.6 30 января 2003 года прозвучал финальный аккорд этой бюрократии: DRM получил от International Electrotechnical Committee код IEC 62272-1 и право называться мировым стандартом. После этого уже можно было созвать журналистов и, нажимая символическую кнопку, под блицы камер торжественно объявить о новой эре в радиовещании. Что и сделали высшие чины DRM 16 июня в Женеве, в штаб-квартире ITU.


6 Подробнее см. ETSI ES 201 980 V1.2.2 (2003-04) Digital Radio Mondiale (DRM); System Specification.

Итак, что же обещает нам дигитализация еще одной сферы жизни? Прежде всего, смена «аналога» на «цифру» — это качественный переход. Тогда как аналоговые сигналы являются реальными объектами, числа, передаваемые по цифровым линиям связи, — это уже объекты идеальные. Они не могут искажаться — искажаются только их носители. Волны могут менять частоту и фазу, лазерные диски мутнеть, бумага истлевать, а пирамиды крошиться, но единица всегда останется единицей, а не двойкой или нулем. Ударившись в метафизику, мы можем сказать, что цифры находятся как бы вне потока времени — они вечны и неизменны.

Природа аналогового радиосигнала такова, что он может принимать любые значения (в некоторых пределах), а приемник принципиально не способен отличить шум от полезной информации. Цифровой же сигнал имеет лишь несколько фиксированных значений (в простейшем случае — два), которые приемник сравнительно легко интерпретирует как 0 и 1. Это позволяет примитивной электросхеме заниматься, прямо скажем, глубоко интеллектуальной работой — достоверно выделять из сигнала полезную (то есть числовую, то есть идеальную) составляющую, а все остальное отбрасывать.

Цифровая передача открывает перед приемником уникальные возможности.

Например, он может легко различать станции по названиям и находить среди них ту, которую «заказал» пользователь. Кроме обычного звука, он может принимать массу других данных, например текстовых. Однако главное, конечно, — это совершенно иное звучание. Хотя цифровые системы тоже страдают от помех, но только в них можно защитить данные так, что искажения при передаче становятся либо неразличимы слушателями, либо полностью компенсируются и передача оказывается идеальной. Последнее в аналоговом радио недостижимо даже теоретически.

Всемирное цифровое радио создано для высококачественного вещания (near FM-quality) на частотах ниже 30 МГц. В отличие от УКВ в этой области радиоспектра качественного вещания не было никогда. А непредсказуемое прохождение низкочастотных радиоволн, в буквальном смысле зависящее от погоды на Солнце или в Африке (это не преувеличение!), заставляло думать, что качественное вещание на таких волнах вообще невозможно. Несомненно, создателей DRM можно поздравить с большим успехом.

У нас нет места подробно разбирать способы защиты передаваемых данных, которые использует новое радио, поэтому опишем лишь общие принципы.

Поскольку у передатчика нет обратной связи с приемником и он не может знать, вся ли информация дошла без ошибок, в передаваемый DRM-сигнал вводятся избыточные данные. Упрощенно: каждый бит пересылается не одним импульсом, а двумя или тремя, на разных частотах. Это позволяет приемнику, даже при повреждении части сигнала, вычислять всю исходную посылку, анализируя уцелевшие данные. Такая защита называется предварительной коррекцией ошибок (Forward Error Correction, FEC) и давно применяется во многих системах цифровой связи.

Другой тип защиты, дополняющий предварительную коррекцию, — глубокое перемежение информации, передача данных «не подряд». В DRM она применяется на нескольких этапах и обеспечивает эффективную маскировку кратковременных потерь данных, если они все же происходят. По свидетельствам экспертов человеческая речь в DRM-передаче остается разборчивой даже при потере двух третей аудиопакетов. Немаловажно, что станции могут в широких пределах сами регулировать параметры как перемежения, так и предварительной коррекции трансляций, выбирая оптимальные значения. Эти и некоторые другие приемы обеспечивают комфортный прием DRM, даже если сигналы станций сильно ослаблены и/или повреждаются помехами — до некоторого предела слушатель не замечает ни того, ни другого.

Надо отметить, что именно в работе со слабыми сигналами разница между аналогом и цифрой чувствуются наиболее остро. При ослаблении аналогового сигнала его разборчивость уменьшается плавно, как голос удаляющегося человека. Из-за этого мы можем слышать отдельные слова даже от сверхслабых АМ-станций. В цифровой же передаче всегда есть некий минимум сигнала, за которым прием становится невозможен и в динамике наступает мертвая тишина, хотя объективно сигнал еще не нулевой.

Естественно, высота этого минимума очень важна, и на сайте DRM.org можно в нескольких местах найти клятвенные заверения, что живучесть нового радио не хуже, а лучше старого АМ. Более того, утверждается, что применяемый в DRM тип модуляции (о ней разговор особый) энергетически гораздо выгоднее АМ и при той же мощности передатчика позволяет накрыть бо,льшую территорию. А если расширять аудиторию не нужно, мощность транслятора можно уменьшить, сэкономив до 80% электроэнергии! Так ли это — покажет массовая эксплуатация.

У читателей наверняка созрел вопрос о скорости вещания DRM: «Сколько, мол, там килобит в секунду?» Скорость передачи напрямую зависит от того «места», которое она занимает в эфире. Больше полоса частот — больше килобит в секунду. Создатели DRM решили не затруднять станциям жизнь и полностью унаследовали сетку АМ-диапазонов — это позволит не покупать новые лицензии, антенны и усилители. Сегодня крупные станции на коротких волнах занимают полосу шириной 10 кГц, а на средних и длинных — 9 кГц. Это втрое шире телефонного канала, но радиоэфир настолько суровее телефонных линий, что даже при очень благоприятных условиях скорость DRM-передачи не превысит 27 кбит/с, а для сверхдальних трансляций — 15–16 кбит/с. Для нижних диапазонов совсем не мало. Однако новое радио должно привлечь слушателей качеством, в том числе и качеством музыки. А как можно передавать хороший звук на битрейте два килобайта в секунду? Очевидно, что герой наших дней, алгоритм mp3, с этим делом не справится.

Выбор аудиокомпрессоров для DRM был, вероятно, самой важной задачей. Он проводился на конкурсной основе, и в конце концов было выбрано сразу три кодека из семейства MPEG-4. Для сжатия музыки на максимальном битрейте DRM использует AACplus, для речи на самых медленных потоках — HVXC, а для задач, которые «посередине», можно использовать кодек CELP. Подробнее см. врезку.

К сожалению, со страниц «КТ» нельзя услышать примеры DRM-передач, поэтому перескажем свои впечатления. Если коротко — AACplus впечатляет! В записях трансляций, выложенных в Сети уже многими радиолюбителями, музыка звучит удивительно хорошо. Большинство людей вряд ли отличит ее от привычных FM-станций! Даже в передачах с усиленной помехоустойчивостью (потоки 17 кбит/с и менее) искажения иногда заметны лишь на самых высоких звуках, да и то если специально вслушиваться в запись, прокручивая ее по нескольку раз. Сравнивать с обычными АМ-сигналами, которые часто наводят на мысль о вещании с Марса, DRM просто невозможно. Желающие могут убедиться в этом, скачав примеры (mp3-файлы) со страницы www.drm.org/system/globsample. Увы, на нынешних скоростях вещания невозможен реальный стереозвук. Самое большее, что ждет слушателей, — parametric stereo7 средствами кодека. Впрочем, спецификации DRM рекомендуют приемникам уметь работать с удвоенной полосой частот — до 20 кГц. В будущем вещатели намерены освоить расширенные частоты, где они смогут увеличить битрейт, улучшив качество и включив настоящее стерео.

Кроме звука, DRM позволяет передавать текст — короткие сообщения, программу передач или полноценную бегущую строку8. При должном подходе со стороны вещателей это позволит, например, читать с экрана приемника новостные выпуски, звучащие в эфире, что просто бесценно для людей со слабым слухом. Впрочем, радиотекст сущая мелочь рядом с другой возможностью DRM — передачей параллельно аудиопотоку любых цифровых данных. Проще говоря — любых файлов. Например, графических. Хотя перегон картинок одновременно со звуком требует заметного времени, — какие возможности при этом открываются!


7 Joint Stereo — общее определение методов кодирования стереоинформации, основанных на использовании избыточности последней.
8 Скорость 80 бит/с. Кодировка текста одна — UTF-8.

Когда вместе с музыкой или речью диктора станция начинает передавать своего рода слайд-шоу — она уже перестает быть простым радио. Представьте, что вещая с битрейтом 20 кбит/с, станция выделяет 4 кбит/с на передачу данных. Это позволяет ведущему каждую минуту показывать слушателям JPG-файл размером 30 Кбайт. Для радио это переход в новое качество. Сравнить его можно лишь с появлением звука в кино — тогда Великий Немой заговорил, а сегодня радио — Великий Слепой — прозревает.

Примечательно, что стандарт DRM регламентирует только правила передачи файлов как таковых. Что это будут за файлы, какого типа или размера — личное дело вещателей. Они могут одинаково легко передавать и Flash-анимацию, и Zip-архивы, и HTML-страницы с картинками и полноценными ссылками (опция Broadcast Website давно разработана для Eureka-147). Разумеется, чтобы всю эту мультимедийную красоту увидели слушатели (точнее — уже зрители), их приемник должен иметь хороший экран и достаточно памяти. Фактически быть своего рода компьютером. Впрочем, у стационарных моделей вместо экрана можно ожидать подключения к телевизору. Вероятно, лет через семь это станет нормой для обычного музыкального центра, в котором DRM-тюнер будет так же естественен, как и FM.

Главный вопрос: когда всемирное цифровое радио станет доступно пользователям? Как скоро мы сможем купить дешевый DRM-приемник и поймать на нем любимую станцию? Судя по тому, что в состав DRM-консорциума входят уже более тридцати крупных вещателей из разных стран (от Люксембурга до Ливии), серьезные перемены в радиоэфире произойдут в ближайшие два-три года. Для вещания в новом стандарте АМ-станции не нужно приобретать лицензию на новую частоту, зачастую можно оставить старую антенну и в некоторых случаях даже передатчик. Если он достаточно линеен, чтобы без искажений работать с цифровым сигналом, станции требуется купить лишь кодировщик сигнала, то есть специализированный компьютер. Благодаря таким щадящим условиям российский «Маяк» уже в прошлом году провел тестовые цифровые передачи, а к июню 2003-го по всему миру DRM-вещание вели шестнадцать станций из дюжины стран. В сентябре число станций возросло до 25, и две из них — BBC и «Голос России» — вещают на русском языке (пока лишь один час в сутки, подробнее см. www.drm.org).

Аудиокомпрессоры DRM

Выбирая способы сжатия звука для всемирного цифрового радио, его создатели доверились экспертам из MPEG и взяли из самого свежего законченного стандарта — второй версии MPEG-4 (ISO/IEC 14496-3/Amd1) — три звуковых кодека: AAC, CELP и HVXC.

Кодек AAC (Advanced Audio Coding), созданный для сжатия музыки, является наследником всем знакомого MPEG-1 Layer III. Это давно и хорошо известный алгоритм, представленный публике в 1997 году и с тех пор неоднократно улучшавшийся многими компаниями. Выбор для DRM «самого-самого» улучшенного варианта проводился с помощью экспертов из Deutsche Telekom и BBC, испытавших на малых и сверхмалых битрейтах все разновидности ААС. В конце концов была выбрана разработка шведской компании Coding Technologies. Ее алгоритм известен на рынке под маркой AACplus, однако фактически это обычный AAC, дополненный уникальной технологией Spectral Band Replication (SBR). Прослушав аудиозаписи с применением SBR и без нее, можно сказать, что главный козырь нового радио — «качество, сравнимое с FM», в значительной мере достигнуто благодаря SBR.

Вкратце суть шведской разработки такова: все алгоритмы психоакустического сжатия имеют некий минимальный битрейт, при уменьшении которого в звуке появляются сильные искажения. Простейшее решение этой проблемы — сужение частотного диапазона, то есть отбрасывание частот выше, например, 10 кГц. Очевидно, что это обедняет звук тем заметнее, чем меньший битрейт мы используем, — музыка становится глухой и тусклой, а речь менее разборчивой.

Coding Technologies предложила перед отбрасыванием высоких частот анализировать их, вычисляя связи со звуками в нижних диапазонах, которые сохраняются компрессором. Смысл анализа в том, что низы и верхи у реальных звуков обычно взаимозависимы. И выброшенные верхние частоты можно восстановить на основе низких по специальному алгоритму. Именно этим занимается SBR-кодек. А чтобы восстанавливать звук как можно точнее, при сжатии в потоке сохраняются очень упрощенные данные о структуре верхних частот. При декомпрессии данных декодер может использовать упрощенную информацию о высоких частотах для их восстановления на основе низких. Разумеется, такая реконструкция уже в большой мере является синтезом, но конечный результат звучит очень хорошо, особенно в сравнении с конкурентами. На сайте DRM.org выложен подробный отчет о тестировании AACplus (www.drm.org/pdfs/systempdf/SBR_report.pdf), а мы приведем диаграмму с результатами испытаний, сделанных European Broadcasting Union — независимой и вполне объективной организацией.

Два других кодека DRM — CELP и HVXC — являются речевыми. Первый, Code-Excited Linear Prediction (линейное предсказание с кодовым возбуждением), предназначен для скоростей от 4 до 24 кбит/с. Он обеспечивает дискретизацию 8 или 16 кГц и полосу пропускания соответственно 100–3800 Гц или 50–7000 Гц. Читатели наверняка знакомы с ним — он включен в стандарт GSM.

Второй кодек, Harmonic Vector eXcitation Coding (кодирование с гармоническим векторным возбуждением), самый экономный — он может сжимать речь до 2–4 кбит/с и применяется, например, в спутниковых телефонах. HVXC обеспечивает качество речи, близкое к междугородной телефонной связи, полосу частот 100–3800 Гц и дискретизацию 8 кГц.

Речевые компрессоры часто называют вокодерами, поскольку все они используют «слабости» нашего речевого аппарата. Например, неизменность речи на отрезках 20–30 мс позволяет «нарезать» сигнал большими порциями. Кроме того, речь на любом языке состоит из малого числа звуковых «кирпичиков» — фонем. Различные фонемы генерируются по-разному, и знание этих отличий позволяет вокодеру разлагать звуковой поток на акустические составляющие. Некоторые звуки, например глухое «шшш», мы произносим без напряжения голосовых связок — просто сужая голосовой тракт и завихряя воздух в полостях рта и носа. Для звонких звуков голосовые связки создают основной тон в пределах 50–400 Гц, а изменение полостей горла и рта меняет резонансные частоты (форманты) основного тона — так происходит вокализация звука. Отличия между звуками хорошо видны на осциллограмме и спектрограмме. Например, у звука «и-и-и-и» ясно различима периодическая составляющая и форманты, в то время как «с-с-с-с» — это просто шум. Очевидно, что сжимать такие разные звуки нужно по-разному.

Упрощенно говоря, суть вокодера состоит в нахождении закономерностей сигнала (основного тона, формант и пр.) и определении темпа речи. Закономерности вычитаются из оригинального сигнала, после чего в нем остаются индивидуальные особенности диктора — то, что делает речь разных людей непохожей. Эти особенности сохраняются в сжатом потоке настолько аккуратно, насколько позволяет битрейт. Конечно, CELP и HVXC в деталях работают по-разному, но для слушателей важнее их потребительские качества. Например, то, что оба вокодера используют переменный битрейт и могут улучшаться технологией SBR — в точности как AACplus.

Эффективность аудиосжатия в DRM позволяет транслировать на одной частоте сразу несколько аудиоканалов, переключение между которыми напоминает переключение программ в телевизоре. DRM-стандарт позволяет мультиплексировать до четырех разнородных потоков, кодируемых любым из трех аудиокомпрессоров, причем вещатель может изменять их «на лету», незаметно для слушателя. Таким образом, сигнал одной DRM-станции с общей скоростью 24 кбит/с может содержать, к примеру, один CELP-канал с битрейтом 10 кбит/с, два HVCX по 4 кбит/с и один поток данных (файлы) на скорости 6 кбит/с. 

Со стороны слушателей ситуация пока менее радужная. Искать новые станции обычным приемником бесполезно — на слух они неотличимы от атмосферного шума. Впрочем, продвинутые радиолюбители знают выход. Чтобы работать с цифровым радио, не собирая сложных схем, они давно соединяют обычные трансиверы с компьютером через входы-выходы обычной аудиокарты. В результате получаются интересная комбинация, способная работать как изощренный радио-софт-модем — была бы только нужная программа. Именно так поступали на испытаниях DRM. Хороший АМ-приемник дорабатывали паяльником, после чего его сигнал вводили в компьютер, где запускалась программа DRMSoftwareRadio (ее можно скачать из Сети). На сегодняшний день такая гибридная схема является самым дешевым способом DRM-приема. Более того — пока лишь таким способом можно увидеть те картинки и веб-страницы, которые уже транслируются станциями параллельно основному аудиосигналу. Среди читателей «КТ» наверняка многие знакомы с паяльником, поэтому за подробностями о самостоятельном приеме DRM им стоит обратиться на radiostation.ru/drm — в центр российского DRM-движения, на страницах которого есть немало ссылок как на теоретические документы, так и на готовые схемы самодельных приемников.

Те же, кто не хочет нюхать канифоль, могут купить готовый компьютерный радиотюнер в виде PCI-карты или «черной коробки» с USB-шнуром. Такие приемники выпускаются полудесятком фирм, и для приема DRM надо всего лишь переписать драйверы. Несколько производителей уже сделали это, так что желающие прицениться могут взглянуть на Ten-Tec RX340 (www.tentec.com) или WR-G303i (www.winradio.com).

Впрочем, большинству из нас не нужна очередная приставка к компьютеру. Хочется обычного радио. Увы, хотя в состав DRM-консорциума входят такие гранды, как JVC, Sony и Philips и др., к моменту написания этих строк нормальных цифровых радиоприемников в магазинах еще не было. В Сети можно найти лишь проекты или описания моделей, готовящихся к выпуску в 2004 году. На фото показан один такой ОЕМ-прототип — совместное детище Coding Technologies и AFG. Энтузиасты КВ-приема могут узнать в нем черты Sangean ATS 818, всеволнового приемника за 200 долларов. Это не обман зрения — удачная модель была взята в качества донора корпуса и главных узлов. Добавив к ним специальный декодер и новую шкалу, инженеры получили первый настоящий DRM-приемник. В начале 2003 года его собирали по спецзаказам, всего за одну тысячу евро…

На сайте DRM.org нам обещают, что цена цифровых приемников в первое время будет на 15–20% выше равных по классу аналоговых. Но классы-то бывают разные! Даже если рассматривать только аппараты с электронной настройкой, в которых станция выбирается как в телевизоре — нажатием одной кнопки, — можно заметить огромный разброс цен: от тысячи долларов за компактные полупрофессиональные модели, до 50–60 за столь же компактные китайский Tecsun-PL757 или белорусский «Горизонт-РП270». Причем два последних вполне достаточны для любителя без больших запросов: они всеволновые, с памятью на десятки станций, прямым вводом частоты, стерео через наушники, будильником, таймером… К сожалению, DRM-аналогов столь дешевых и продвинутых аппаратов в ближайшие месяцы не ожидается. Ожидаются другие. Например, приемник компании Mayah (www.mayah.com/drm), который всем хорош: растянутые диапазоны, прием AM/FM, все DRM-опции, USB-разъем для подключения к компьютеру — смотреть картинки и обновлять BIOS. Вот только цена — 695 евро, плюс европейский НДС, плюс доставка… итого: 800!

Думается, цифровое радио сможет рассчитывать на внимание широкой аудитории, когда цены опустятся до 100–150 долларов. Это вполне возможно в ближайшие год-два, поскольку основную прибавку стоимости DRM-приемнику создает декодер — один DSP-кристалл мощностью 300–350 MFLOPS. Уже сегодня такие чипы стоят меньше 20 долларов.

Как бы то ни было, будущее Digital Radio Mondiale видится в светлых тонах. Если в этом стандарте уже работают такие разные станции, как BBC, «Радио России» и Voice of Nigeria, очевидно, что технология не только встала на ноги, но и делает первые шаги. Позиции амплитудной модуляции очень внушительны. Приемников старого образца во всем мире не много, а очень много — гораздо больше, чем телевизоров, телефонов, магнитофонов или компьютеров. Сдвинуть эту глыбу — замысел, достойный титанов, — но в его успехе трудно сомневаться. И дело не в том, что у DRM нет конкурентов и что это единственный стандарт цифрового радио, не только испытанный, но и одобренный ITU. Дело в том, что DRM слишком нужен вещателям, что бы его не освоить.

Судя по всему, радио низких частот повторит историю спутникового ТВ. Напомним, что первый тюнер для приема цифрового Sat-TV был предложен зрителям в 1997 году, а уже через четыре года аналоговые тюнеры перестали выпускать — из-за падения спроса. Зрителям стал неинтересен аналог, поскольку цифровых каналов стало больше. А больше их стало оттого, что они сжимаются в MPEG-2, позволяя вещателю вместо одного аналогового канала транслировать (через старый спутник) 8–10 цифровых. Естественно, и цена трансляции при этом уменьшается почти в десять раз! При таком раскладе аналог был обречен. Этим летом в Берлине и окрестностях прекратили вещание все наземные аналоговые ТВ-каналы — остались лишь цифровые. У нового радио ситуация немного другая — DRM экономит не столько диапазон, сколько мощность сигнала. Но это не менее важно — на низких частотах крупные передатчики потребляют сотни киловатт энергии, поэтому плата за электричество часто составляет более половины расходов станции. Несомненно, даже ее двукратная экономия (а обещается пятикратная) будет решающим доводом за новый стандарт. Кроме того, DRM дает уникальный шанс иностранным вещателям на равных конкурировать с национальными. Когда на подоконнике россиян появится дешевый аппарат, в котором Сева Новгородцев будет столь же доступен и хорошо слышим, как и Артемий Троицкий, это неизбежно изменит нынешнее распределение слушателей. А для стран с большой территорией новое радио впервые делает возможным качественный прием во всех уголках, какими бы отдаленными они ни были.

Создание DRM завершает разработку стандартов, обеспечивающих цифровое вещание практически во всех используемых ныне радио- и теледиапазонах. Это, можно сказать, последний этап дигитализации вещания. В 1993 году этот процесс начался с создания MPEG-1 и касался самых легких для оцифровки сред — лазерных видеодисков и спутникового ТВ. За десять лет были разработаны стандарты вещания во все более тяжелых условиях, и вот теперь оцифрована самая сложная среда — радио нижних частот.

Рискнем сделать прогноз: через три года все крупные вещатели АМ-диапазонов будут дублировать все свои передачи в обоих форматах, а далее эфирное время цифры будет увеличиваться за счет уменьшения доли аналога. Значительно возрастет общее количество станций, в том числе и на длинных, ныне полумертвых волнах. Остается лишь надеяться, что новое количество сможет перерасти в новое качество и популярность грядущего DRM окажется не меньше старой доброй АМ, прослужившей нам целое столетие.

Некоторые вопросы и ответы с

 www.drm.org/newsevents/globfaqs.htm


Что произойдет, если сигналы двух разных DRM-станций окажутся на одной частоте?

— Если разница между уровнями сигналов достаточно велика, приемник декодирует и воспроизведет сильный сигнал, игнорируя слабый. Если же уровни сигналов примерно одинаковы, они будут взаимно подавлять друг друга и приемник не сможет декодировать ни одного. В этом DRM-радио принципиально отличается от АМ-вещания, поскольку передачи разных АМ-станций можно слышать на одной частоте одновременно.

Что произойдет, если сигнал DRM-станции окажется на одной частоте с АМ-станцией?

— Сигнал АМ-станции будет вносить дополнительные искажения в DRM-передачу, но если она будет иметь достаточный уровень коррекции ошибок, слушатель помех не заметит. В то же время на АМ будут слышны некие атмосферные шумы. Они могут быть настолько сильны, что полностью заглушат АМ-передачу, но могут быть и вполне терпимы. При этом качество DRM-сигнала также может оставаться вполне хорошим. В такой ситуации на одной волне могут параллельно вестись и АМ-, и DRM-трансляция, лишь незначительно мешая друг другу. Подобный режим вещания, называемый Simulcast, может быть удобен для станций, желающих начать DRM-передачи, но опасающиеся потерять АМ-аудиторию. В настоящее время проводятся исследования точных параметров трансляции с оптимальным микшированием двух стандартов.

Сможет ли DRM передавать видео?

— Для этого не предусмотрено никаких конкретных спецификаций. Вероятно, слишком малая пропускная способность DRM не позволит вести достаточно востребованные телетрансляции. Тем не менее, максимальный битрейт на удвоенной полосе вещания (20 кГц) может достигать 55 кбит/с, что достаточно для видеосигнала низкого разрешения. Просмотр таких передач потребует от слушателей дополнительного декодера.

Возможно ли в будущем улучшение качества DRM, например использование более совершенных аудио-кодеков?

— Улучшение качества несомненно произойдет, когда станции начнут вещание на расширенных частотах — 18 и 20 кГц. Все DRM-приемники должны быть готовы для работы с такими трансляциями. Также основной алгоритм аудиокомпрессии AAC имеет широкие возможности для дальнейшего совершенствования. Введение же новых аудиокодеков стандартом не предусмотрено.*


* Данные (файлы) могут передаваться в DRM-трансляции с тем же битрейтом, что и аудиопотоки. Таким образом, при появлении кодека, заметно лучшего ААСplus, данные можно будет (теоретически) передавать и принимать как файлы, не выходя за рамки стандарта. Декодер же новых файлов можно добавить в приемник, обновив прошивку. 

© ООО "Компьютерра-Онлайн", 1997-2022
При цитировании и использовании любых материалов ссылка на "Компьютерру" обязательна.