Параллельно-перпендикулярная передача
АрхивСпособ проталкивания битов через океан помех, который использует DRM, не только оригинален сам по себе, но и применяется во множестве устройств, начиная с Wi-Fi и заканчивая цифровым ТВ. Читателю "Компьютерры" стоит знать основы этих технологий хотя бы для большего самоуважения.
Все нижеследующее может показаться пережевыванием скучных деталей. Однако способ проталкивания битов сквозь океан помех, который использует DRM, не только оригинален сам по себе, но и применяется во множестве окружающих нас устройств — WiFi-сетях, ADSL-модемах, некоторых версиях VDSL, наземном и спутниковом цифровом ТВ, устройствах HomePlug1 и т. д. Читателям «КТ» стоит знать основы этих технологий хотя бы для большего самоуважения.
Вначале сделаем небольшой экскурс в историю электродинамики и посмотрим, как развивались способы манипуляции радиоволнами.
До определенного времени о самом существовании электромагнитных волн можно было только строить догадки. Первое средство электросвязи — телеграф (Сэмюэль Морзе, 1837) — работало исключительно «по проводам», с токами разной величины. Многие инженеры лелеяли мечту о создании беспроволочного телеграфа, работающего «через пустоту», но не было никакой уверенности, что такая передача в принципе возможна. Только в 1873 г. Джеймс Максвелл опубликовал «Трактат об электричестве и магнетизме», где была теоретически обоснована конечная скорость распространения электромагнитного поля. Из чего следовало, что оно может отрываться от порождающих его источников в виде волн.
В 1888 г. Генрих Герц впервые подтвердил гипотезу Максвелла. Он создал простейший генератор электромагнитных волн — вибратор Герца, взяв короткий металлический стержень с шариками на концах и разрывом посередине (искровым промежутком), куда включался генератор высокого напряжения (катушка Румкорфа2). При работе катушки в разрыве вибратора проскакивали искры, и если поблизости находился моток провода правильной формы, искры проскакивали и между его концами. Это было наглядное взаимодействие двух несвязанных устройств «через пустоту». Герц не только обнаружил существование радиоволн (в том числе стоячих), но и исследовал скорость их распространения, отражение, преломление и даже поляризацию. Фактически он доказал, что радиоволны — тот же свет, только с гораздо большими длинами волн.
Работы Герца дали старт гонке по созданию практической версии «беспроволочного телеграфа». В нее включились десятки исследователей, был среди них и Александр Попов, но наибольший успех и признание публики досталось Гульельмо Маркони. Владея патентом на свой приемопередатчик с 1897 г., молодой итальянец продвигал изобретение гораздо успешнее конкурентов. Пиком его усилий стала первая передача через Атлантику, после которой он, что называется, проснулся знаменитым — 15 декабря 1901 г. приемник в Ньюфаундленде принял сигналы (букву S, три точки), посланные из Корнуолла (Англия). Так начался век радио, а Маркони спустя восемь лет получил Нобелевскую премию по физике.
Как известно, первые радиостанции не умели передавать нормальный звук. Имея в распоряжении только монотонный равномерный сигнал, оператор мог лишь включать и выключать его телеграфным ключом, то есть передавать текст азбукой Морзе. Фактически телеграфная передача была первым цифровым видом связи, причем со своими достоинствами — точки и тире занимали в эфире малую полосу частот, будучи устойчивы к помехам. Тем не менее, всем хотелось услышать по радио человеческую речь. Как по телефону, который был создан Беллом еще в 1876 г.
Впервые это удалось сделать Реджинальду Фессендону в 1906 г. Используя собственное изобретение под названием alternator, он смог придать радиоволне звуковые модуляции, которые воспроизводились приемниками того времени. Слушателями первой передачи Фессендона стали радисты нескольких военных кораблей в Атлантике, с изумлением услышавшие в наушниках не привычную морзянку, а звуки скрипки.
Способ радиотелефонии, созданный Фессендоном, называется амплитудной модуляцией, и его суть хорошо видна на рисунке. Чтобы передавать звук с помощью радиоволны, мы деформируем (модулируем) ее амплитуду звуковым сигналом. Затем эта волна («несущая») излучается передатчиком в эфир, а из эфира вылавливается приемниками, которые проводят обратную процедуру — по изменениям амплитуды несущей они восстанавливают исходный звук и воспроизводят его. Поскольку частота несущей волны на протяжении всей передачи не меняется, а меняется только ее амплитуда, такой способ модуляции и называется амплитудным. Несмотря на вековой возраст, АМ до сих пор используется тысячами станций.
В 1936 г. американец Эдвин Армстронг изобрел принципиально иную модуляцию — с помощью частоты. При такой передаче амплитуда несущей волны постоянна, а вот частота «мечется» туда-сюда соответственно колебаниям мембраны микрофона. Приемник и передатчик для вещания частотной модуляцией (FM) конструктивно сложнее, чем для АМ, но FM меньше подвержена помехам и обладает много лучшим соотношением сигнал/шум. К сожалению, частотная модуляция требует гораздо большего по сравнению с АМ места в эфире — примерно в двадцать раз.
Теперь перейдем к передаче «цифры». Когда инженерам пришлось создавать устройства для передачи информации цифрой, выбор модуляции был компромиссом между взаимоисключающими требованиями, например скоростью и надежностью. Так, один из первых стандартов модемной связи — V.21 — использовал очень простую и надежную дискретно-частотную модуляцию (Frequency Shift Keying, FSK), при которой бит передавался сдвигом частоты на определенную «ступеньку». Люди, далекие от техники, могут вообразить звучащее по телефону пианино: жмем на клавишу ре — передаем единицу, на си — ноль. Модем V.21 стучал по таким клавишам триста раз в секунду, одновременно принимая сигналы другого модема — тот играл в соседней октаве3. Очевидно, что скорость такой передачи — 300 бит/с — мало кого устраивала.
Простейшее ускорение сдвига частот вдвое, примененное в V.22, увеличило скорость до 600 бит/с (в обе стороны), но подобный «разгон» имел свои пределы. Дело в том, что модулируемый сигнал, который модемы передают по телефонной линии, не может изменяться (модулироваться) слишком часто — верхняя граница равна полосе пропускания канала, а в телефонии она ограничена 3100 герцами. Это означает принципиальную невозможность менять частоту несущей, например, 3200 раз в секунду — такой сигнал будет до неузнаваемости искажен «по дороге». Добавьте к этому неизбежные шумы, еще более ограничивающие скорость модуляции, и перед нами встанет нешуточная задача: надо передавать все больше и больше бит, но несущую можно изменять лишь с прежней частотой. Возникает вопрос: можно ли одним актом модуляции (нажатием на клавишу воображаемого «пианино») передавать не один бит, а больше — два, три, четыре?..
Оказывается, можно. Достаточно, чтобы у нашего «пианино» было не две клавиши, для передачи нуля и единицы, а четыре. Тогда каждой из четырех мы можем назначить двухбитную комбинацию — 00, 01, 10, 11. Такой клавиатурой мы «за один раз» сможем передавать уже два бита и, модулируя несущую 600 раз в секунду, получим скорость передачи 1200 бит/с. Подобная модуляция называется Multi-tone Frequency Shift Keying (MFSK, дискретная-мультичастотная), и в радиоэфире она появилась в 1957 г., когда для быстрой передачи депеш между британскими посольствами была разработана система PICCOLO, использовавшая 32 разных тона.
В эфире сигналы MFSK звучат очень музыкально, но ее эффективность довольно низка. Поэтому создатели телефонных модемов избрали другой путь — у несущей волны стали модулировать не частоту, а фазу. Забывшим физику напомним, что «фаза — это состояние колебательного процесса в определенный момент времени». Измеряют фазу в градусах, и за одно полное колебание (маятника, струны, радиоволны) фаза изменяется от 0 до 360 градусов. Упрощенно передача данных фазовой модуляцией выглядит так: модем наблюдает за двумя сигналами (один из которых может быть воображаемым), постоянно вычисляя разницу их фаз. Если сдвиг фаз равен нулю («горбы» синусоид совпадают во времени), модем записывает в память ноль; если максимум одной синусоиды приходится на минимум другой, значит, их фазы отличаются на 180 градусов. Такие колебания находятся в противофазе и модем пишет единицу.
Очень важно, что фазу сигнала можно сдвигать на мелкие значения, например на 90 градусов, четверть цикла. При таких сдвигах несущая меняется четырьмя способами — ее фаза сдвигается на ноль градусов, 90, 180 или 270. Это позволяет передавать «за один раз» те же два бита, однако, в отличие от MFSK, сигнал, модулированный по фазе, занимает меньшую полосу частот. Такая технология называется дискретно-фазоразностной модуляцией — Differential Phase Shift Keying (DPSK). В радиосвязи ее используют десятки самых разных систем, а в телефонных модемах DPSK впервые применили для удвоения скорости стандарта V.22.
Сдвигая фазу на все более мелкие значение, мы можем передавать за один акт модуляции все больше и больше битов — именно по этому пути развивались телефонные модемы. Впрочем, современные модемы изменяют еще и амплитуду сигнала. Проще говоря, его громкость. Представьте, что, кроме четырех значений фазы, сигнал имеет и четыре уровня громкости. В этом случае количество вариантов несущей увеличивается до шестнадцати (4х4), и каждому из них можно приписать уже двоичный логарифм шестнадцати — четыре бита! А если фаза и амплитуда имеют по восемь значений, число вариантов несущей увеличивается до 64 (8х8), и «за один раз» можно передавать… двоичный логарифм шестидесяти четырех — целых шесть бит!
Одновременное изменение у несущей амплитуды и фазы называется квадратурно-амплитудной модуляцией. К ее названию добавляют число вариантов, с которыми она оперирует. Соответствие каждого варианта несущей конкретным битам удобно записывать в виде таблицы, которая называется сигнальным созвездием QAM, два примера таких таблиц для QAM-16 и QAM-64 можно видеть на рисунке 1.
1 Один из стандартов LAN поверх электропроводки.
2 Катушка Румкорфа — простой генератор переменного тока большой частоты.
3 Точнее, в нисходящем канале нулю соответствовала частота 1180 Гц, а единице — 980 Гц. В восходящем канале 0 — 1850 Гц, 1 — 1650 Гц.
QAM-технология почти идеально использует емкость канала связи, и потому звучит очень похоже на обычный шум. Будучи одним из самых эффективных видов модуляции отдельной несущей, она применяется в новейших системах связи, например цифровом ТВ или RadioEthernet. Кстати, нынешние модемы стандарта V.34 используют QAM-256, где фаза и амплитуда принимают по шестнадцать значений. Такая утонченная обработка позволяет передавать данные со скоростью 33600 бит/с, изменяя сигнал в телефонной линии всего 2400 раз в секунду.
Именно QAM была выбрана для модуляции радиоволн при создании Digital Radio Mondiale. Стандарт DRM допускает использование трех QAM — 4-, 16- и 64-позиционной. Более сложные варианты непрактичны, поскольку радиоэфир сильно искажает сигнал, сдвигая фазу и амплитуду волны, из-за чего приемник не может правильно угадывать, что же выбрать из сигнального созвездия. Более того, даже QAM-64 применима по большей части только на средних и длинных волнах, а для КВ лучше использовать QAM-16.
Сигналы DRM-станции могут занимать в эфире разные полосы частот. Всего допускается шесть вариантов — 10 и 9 кГц как основные для трансляций на КВ и СВ/ДВ, а также полосы вдвое уже и вдвое шире — 4,5, 5, 18 и 20 кГц. Было бы замечательно, передавая сигнал в канале шириной 10 кГц, модулировать его 10 тысяч раз в секунду с помощью QAM-16. Скорость передачи достигла бы завидных 40 кбит/с. К сожалению, на коротких волнах несущую не стоит модулировать даже тысячу раз в секунду. Чтобы цифровая трансляция устойчиво принималась за сотни километров от передатчика, ее дискретные сигналы должны быть достаточно долгими — десятки миллисекунд каждый. Однако, если каждое изменение будет длиться 10 мс, сигнал сможет модулироваться только сто раз в секунду: при использовании QAM-64 это дает нам скорость 600 бит/с. Очевидно, что с подобным битрейтом цифровой звук передавать нельзя.
Схема создания DRM-сигнала передатчиком.
1 — Адаптация (сжатие) передаваемой информации (аудио и файлов) к формату передачи. 2 — Смешивание различных потоков передаваемой информации (например, нескольких аудиоканалов в единый поток данных. 3 — Генерация служебной информации, необходимой для декодирования сигналаи выделения из него разнородных данных. 4 — Энергетическое рассеивание (скремблирование) данных для обеспечения их псевдослучайной структуры и уменьшения регулярности в сигнале. Добавление избыточной информации, обеспечивающей их помехозащиту. 5 — QAM-модуляция. 6 — Перемешивание данных для маскировки кратких замираний сигнала. 7 — Генерация и добавление специальных пилот-сигналов, обеспечивающих точную сихронизацию приемника с передатчиком. 8 — Согласование множества цифровых потоков по времени и частоте — формирование OFDM-символов. 9 — Генерация OFDM-символов и Guard Interval’ ов. Сигнал готов к излучению в эфир.
Выход из положения кроется в использовании нескольких параллельных несущих. Поскольку DRM-станция имеет в распоряжении широкий канал, вместо одной волны, модулированной сто раз в секунду, она свободно может излучать в эфир две несущие, расположив их на разных частотах внутри десятикилогерцового канала. В этом случае мы получим удвоенную скорость с прежней помехоустойчивостью — ведь акты модуляции по прежнему будут д-о-о-л-г-и-м-и, то есть проходящими через большинство эфирных шумов. Заталкивая в общий канал все больше и больше параллельных потоков, DRM-станция может легко наращивать скорость. Увы, подобная упаковка тоже имеет пределы — близко расположенные несущие «засвечивают» друг друга. Этот процесс называется межчастотной интерференцией.
Для решения проблемы в DRM используется оригинальная технология под названием Orthogonal Frequency Division Modulation (OFDM) — частотное уплотнение с ортогональными несущими. Эта одна из сложнейших методик манипулирования сигналами была изобретена как раз для того, чтобы необычайно плотно упаковать множество независимых потоков, избегая их взаимного искажения. Благодаря ей в DRM-сигнале расстояние между несущими уменьшено до десятков герц, причем совершенно неважно, как модулирована каждая из них.
Чтобы понять суть OFDM, взглянем на рисунок с тремя разноцветными синусоидами. Как мы видим, частота всех трех колебаний почти одинакова — в эфире они бы шли вплотную друг к другу. Теперь обратим внимание на максимум каждой волны и посмотрим, в каком состоянии находятся ее соседки. Оказывается, когда, например, зеленая волна достигает наибольшего значения, соседние волны проходят «нулевую» линию. С небольшой натяжкой можно сказать, что в этот момент красная и синяя волны молчат. А раз так, между ними не происходит никакого взаимодействия, и максимум зеленой волны проходит по эфиру как будто в одиночку! Именно такое необычное взаиморасположение сигналов и называется ортогональным,4 то есть взаимно перпендикулярным. Как можно понять из названия, ортогональность — ключевой момент OFDM.
Внимательные читатели могут заметить: «Три максимума волн приходятся на моменты, когда волны-соседи проходят «ноль». Но до и после этого максимумы волн начинают совпадать во времени, неизбежно искажая друг друга!» Что ж, верно — колебания разных частот невозможно расположить так, чтобы каждый максимум одной синусоиды приходился на «ноль» соседних волн. Только в определенные моменты волны занимают положение, которое можно назвать ортогональным. Эти моменты рассчитываются по простой формуле: время = 1/(расстояние между несущими). Например, если мы имеем две волны, отстоящие друг от друга на 100 Гц, моменты, когда волны ортогональны, наступают через каждую 0,01 с, и мы можем модулировать несущие только 100 раз в секунду. Конечно, немного, но ведь в эфире эти волны занимают полосу всего 100 Гц! Попробуйте использовать спектр более эффективно.
Многим наверняка интересно, почему у DRM, со всеми его заковыристыми модуляциями, такая низкая скорость передачи — около 25 кбит/с в десятикилогерцовом канале? Это довольно скромно по сравнению, например, с телефонным модемом, который работает в полтора раза быстрее по каналу втрое меньшему, да еще и в обе стороны. Причина такой медлительности не только в зашумленности эфира на низких частотах и даже не в ослаблении сигнала, проходящего тысячи километров (хотя это существенно). Важным фактором, ограничивающим скорость, является отражение радиоволн от препятствий. В принципе это полезное свойство — именно отражения позволяют радиоволнам заглядывать далеко за горизонт. Но отражения создают эхо, и не одно, а множество. Из-за чего приемник получает несколько сигналов, каждый из которых прошел свой путь и потому имеет разную задержку во времени. В антенне приемника множество копий одной волны складываются — сигналы наезжают друг на друга, глуша, усиливая и повторяя сами себя.
В аналоговом вещании эту проблему (multipath) можно игнорировать, а вот биты и байты в среде со случайным и сильным эхо приходится транслировать с расстановкой, перемежая их особыми защитными вставками — Guard Interval’ами. Эти интервалы вовсе не паузы в передаче, а сложные сигналы, формируемые следующим образом: после того как передатчик упаковывает множество несущих в объединенную посылку, где все они ортогональны друг другу, получается пакет (весьма короткий) под названием OFDM-символ. Далее у этого сложного сигнала берется маленький кусочек из самого конца, и его копии циклически излучаются в эфир перед (!) тем, как будет отправлен сам OFDM-символ. Вот эти копии из конца OFDM-символа и есть Guard Interval’ы, защищающие передачу от искажений, когда несколько OFDM-символов накладываются друг на друга с некоторой задержкой.
Читателям наверняка трудно представить, как срабатывает такая защита. Не помешало бы показать анимационный ролик, наглядно иллюстрирующий сохранение ортогональности при случайной интерференции. Но в его отсутствие мы предлагаем просто запомнить, что Guard Interval’ы — это особые вставки в цифровую передачу, эффективно защищающие ее от эхо-сигналов, если защитные вставки дольше самого эхо. Кстати, во время полевых испытаний DRM расчет достаточного Guard Interval’а был важной задачей — слишком короткие не выполняли бы своей функции, а слишком долгие уменьшили бы и без того невысокий битрейт.
4 От греческого «орто» — прямой, правильный. В математике «ортогональный» — синоним перпендикулярного. Ортогональными так же называют прямоугольные треугольники.
Надо заметить, что именно сочетание QAM и OFDM (с защитными вставками) дало всемирному цифровому радио те уникальные показатели, которые оно имеет. Эффективность использования спектра у DRM достигает 2,5 бит/с/Гц — прекрасный показатель для низких частот. К тому же DRM-передача устойчива к помехам — широкополосный сигнал, состоящий из сотен независимых узкополосных, мало чувствительна к искажениям отдельных несущих. Интересно, что работа с сотнями разночастотных потоков в общем сигнале вовсе не требует сотен частотных фильтров — кодирование несущих (передатчиком) в единый сигнал, а затем их выделение (приемником) осуществляются математически, с применением прямого и обратного преобразований Фурье. Это требует больших вычислительных мощностей, из-за чего технология OFDM долгое время почти не использовалась. Однако сегодня во многих системах высокоскоростной цифровой связи, работающих в тяжелых условиях (эфир, телефонный кабель или электропроводка), можно обнаружить именно ортогональное уплотнение сотен и тысяч несущих, каждая из которых модулирована QAM (или более простой модуляцией). Вероятно, превзойти эту «продольно-поперечную» передачу сможет лишь связь на основе динамического хаоса, еще не вышедшая из лабораторий.5
Впрочем, есть у ортогональной модуляции и недостатки. Она ощутимо страдает от доплеровских искажений — сдвигов частоты радиосигнала. А при ионосферных прохождениях они достигают 2 Гц и более. Кроме того, работа со множеством несущих, плотно прижатых друг к другу, требует высококачественных радиокомпонентов.
Вкратце рассмотрим информационную структуру сигналов DRM. Поймать передачи нового радио, вращая ручки приемника, человек не может — на слух они неотличимы от шипения эфира. Поэтому DRM-приемник должен находить станции самостоятельно. Чтобы обеспечить автопоиск, на шести несущих любой DRM-станции (отстоящих на 750, 2250 и 3000 Гц вверх и вниз от срединно-опорной частоты) постоянно передаются короткие импульсы особой формы, выполняющие роль своего рода маячков. Именно их ищет приемник при сканировании частот.
Данные внутри DRM-трансляции делятся на три неравных слоя. Простейший — Fast Access Channel (FAC) — декодируется приемником в первую очередь и содержит точные данные о частоте, которую занимает в эфире станция. Кроме того, FAC несет информацию о модуляции, параметрах разброса данных по времени и несущим, а также краткое имя вещателя. Данные FAC предельно упрощены и всегда передаются в модуляции QAM-4. После декодирования FAC приемник может приступать к декодированию Service Description Channel (SDC). В нем содержатся названия сервисов (каналов), имеющихся внутри трансляции, их подробные характеристики, а также список альтернативных частот, на которых эта же станция дублируется в данный момент. Только после анализа FAC и SDC приемник приступает к декодированию главного содержания любой DRM-передачи — Main Service Channel (MSC), максимально защищенного от ошибок слоя данных, содержащего основной объем трансляции: аудиопотоки или файлы. Весь этот сложный процесс, от настройки на станцию до первых звуков в динамике, занимает несколько секунд.
Как и в большинстве цифровых систем, DRM-данные разделены на порции — frames. Длина MSC-фреймов обычно равна 0,4 с, но по желанию вещателя они могут объединяться в длинные суперфреймы. Размер суперфрейма определяет, насколько широко по времени «размазаны» данные, которые декодер должен собирать вместе и «произносить» одновременно. Таким образом, длина суперфрейма определяет время, на которое приемник может терять сигнал, не давая это заметить слушателю. К сожалению, оно не может быть больше 1,2 с (три фрейма). Говорим «к сожалению», потому что этот параметр задает степень непрерывности приема во время частого замирания сигнала, обычного для КВ-диапазона. И чем длиннее MSC-суперфрейм, тем более долгие замирания может компенсировать приемник, не умолкая на середине фразы. Очень жаль, что создатели DRM ограничились столь малым временем, хотя наверняка могли разрешить суперфреймы гораздо длиннее, например в 10 секунд. Такой пакет потребовал бы больше памяти в декодере, но сегодня это не та проблема, о которой должны беспокоиться инженеры, создающие радиостандарт для будущих десятилетий. Конечно, долгий Time Interleaving (разброс во времени) вносит большую паузу — 10 секунд речи диктора задерживаются, перемешиваются и передаются. А приемнику надо еще 10 секунд для их приема и воспроизведения. Задержка между микрофоном диктора и ухом слушателя равна удвоенной длине MSC-суперфрейма. Однако радио — не телефон, и за устойчивость приема можно многое отдать, в том числе и сигналы точного времени. Тем более что никто не заставит все станции сразу вещать фреймами максимальной длины — они сами бы выбрали оптимальные. Сейчас же они зажаты в тиски: минимум — 0,4 секунды, максимум — 1,2.
Многие станции, вещающие на коротких волнах, излучают сигналы сразу на нескольких частотах. Это дорогое удовольствие, но оно увеличивает аудиторию, поскольку в разных местах прохождение на разных частотах отличается. Днем хороши одни волны, ночью — другие, между тем КВ-станции часто покрывают и дневную, и ночную стороны Земли. Поскольку станции нередко меняют частоты вещания, найти в эфире их сигнал с хорошим качеством бывает трудно, а то и невозможно. Создатели DRM решили облегчить жизнь слушателей, и по SDC-каналу каждая DRM-станция передает список всех частот, на которых она вещает в данный момент. Приемник либо только показывает эти частоты, позволяя слушателю легко переключать их, либо, если он достаточно продвинут, делает это сам.
На практике функция автосмены частоты (Alternative Frequency Switching) может выглядеть так (говорим «может», поскольку здесь все отдано на откуп производителей): работая с одной станцией, приемник видит качество ее сигнала и знает другие частоты, на которых эту станцию тоже можно принять. С некоторой периодичностью он быстро меняет частоту и проверяет — есть ли на другой волне FAC-канал той же станции. Если есть, за доли секунды вычисляется, лучше ли сигнал на новой частоте или стоит вернуться на старую. Такие проверки длятся меньше одного MSC-фрейма, поэтому звук в динамике не пропадает и слушатель ничего не замечает! Более того, несмотря на короткую потерю сигнала, приемник не пропускает ни одного бита из MSC-потока (!), и качество приема остается таким же, как и с постоянной настройкой на одну частоту. Удается это благодаря структуре MSC-фрейма — он всегда начинается со служебных SDC-данных, и, пока они звучат в эфире, приемник успевает «сходить на разведку», оценить условия на другой частоте и вернуться обратно. Как раз к его возврату в MSC-фрейме начинается передача звука или данных, и приемник продолжает работать так, будто никуда не отлучался. Таким образом, умная железка сама прыгает по волнам, незаметно для слушателя обеспечивая наилучшее звучание выбранной станции. Наглядно этот процесс можно видеть на рисунке 2. Впрочем, следует помнить, что пока еще нет DRM-станций, вещающий на многих частотах, и проверить эту замечательную технологию нельзя.
Интересной возможностью цифрового радио является и организация сетей одночастотных станций (Single Frequency Networks). Как известно, аналоговые передатчики не могут использовать одну частоту, работая на одной территории, — между ними возникает интерференция.6 Поэтому для вещания даже одной станции в близких точках (например, соседних городах) часто приходиться занимать в эфире несколько частот. У DRM-трансляций такой проблемы нет — для передачи одного сигнала можно использовать несколько одночастотных передатчиков, причем они не мешают, а даже помогают друг другу. Достигается это благодаря тем же Guard Interval’ам — так же, как они борются с отражениями, они обеспечивают и прием сигналов из нескольких источников. Благодаря защитным вставкам DRM-приемник получает неповрежденные интерференцией данные, которые затем интерпретируются изощренным алгоритмом — Viterbi decoder’ом, учитывающим для каждой несущей суммарную энергию ее сигнала за некоторый промежуток времени. В результате чем большее эхо получает приемник, тем с более мощным сигналом работает его декодер и тем выше вероятность правильного определения полученных бит.7 Фактически отраженные и/или запаздывающие сигналы буквально помогают основному (пришедшему первым).
Нет сомнений, что DRM гораздо эффективнее работает с радиоизлучением, чем нынешняя амплитудная модуляция. Создатели нового радио обещают станциям многократную экономию электроэнергии при сохранении дальности приема. Кроме того, десяток маломощных ретрансляторов, образующих сеть одночастотных станций, дешевле одного сверхмощного, покрывающего ту же территорию. Добавьте сюда удобство для слушателей — по всей стране у радио N одна частота; удобство для вещателя — такое радио проще рекламировать и лицензировать… Вообще, на бумаге Digital Radio Mondiale выглядит очень удачным проектом. Только бы все сработало так, как нам обещают…
Пожалуй, на этом остановимся. Конечно, мы не затронули многих важных тем. Например, неравную защиту данных от ошибок. Но желающие изучить предмет глубже могут ознакомиться с литературой, ссылки на которую даны ниже. В заключение приведем краткую таблицу с основными характеристиками DRM.
| Сообщение в форуме radiostation.ru/drm/ Хочу поделиться своим опытом приема DRM-станций под Новосибирском. Использую так называемое софтрадио — профессиональный КВ-приемник Р-399 и компьютер со звуковой картой. Для декодирования сигнала применяю программы DREAM и DRM Software Radio под Win98. Наиболее устойчиво, вплоть до уровня сигнал/шум 15 дБ, работает платная программа DRM SoftRadio. С другой стороны, бесплатная DREAM более информативна. Из всего многообразия станций более или менее нормально принимаю станции DW из Португалии (Sines), с острова Шри-Ланка (Trinkomalee) и BBC из Англии (Rampicham). Расстояние от Португалии — 6,5 тыс. км, то есть радиоволны преодолевают его в два скачка. Лучше всего, а в дни хорошего прохода — отлично, с SNR 25–27 дБ, принимаются радиостанции из Португалии на частотах 15440, 17700 и 17710 кГц, мощностью 80 кВт и азимутом излучения 40 градусов. Они работают с потоками 17,46–20,96 кбит/с, и качество монозвука вполне приличное. Но наилучшее качество звука, с потоком 20,96 кбит/с в стереорежиме, обеспечивала станция из Германии (Wertachtal) мощностью 150 кВт и азимутом излучения 40 градусом на частоте 7125 кГц. К сожалению, она прекратила работу в нашу сторону. Радиостанция из Англии на частоте 15215 кГц мощностью 33 кВт и азимутом 61 градус слышна хуже всех. Иногда удается услышать канадскую (Sachville) радиостанцию, работающую на частоте 11955 (9755) кГц, мощностью 70 кВт и азимутом 268 градусов! То есть принимаются радиоволны, обогнувшие земной шар. Прием, конечно, эпизодический. Все перечисленные радиостанции работают на полосе 10 кГц, модой В, QAM-64 в канале MSC, кодирование ААС (24 кГц) + SBR. Отмечу, что губительным является работа мощной станции в соседнем канале или даже маломощной на той же частоте. |
5 См. «Новые подходы к решению проблем в системах связи и компьютерных сетях: динамический хаос», Александр Дмитриев, Сергей Старков, «КТ» #46, 2001.BR>6 Вообще-то АМ-станции могут работать на одной частоте при так называемом синхронном вещании, но эта технология требует очень точной синхронизации, весьма непростой для аналоговых сигналов, и потому применяется редко.
7 Это очень упрощенное объяснение Viterbi decoder’а. Подробнее см. специальную литературу.
