Фазовая модуляция в цифровых радиомондиальных (drm) системах вещания

Введение в цифровой радиомондиал и фазовую модуляцию

Цифровой радиомондиль (DRM) представляет собой значительный скачок вперед в радиовещания, особенно для коротковолнового, средневолнового и длинноволнового диапазонов. Он был разработан для преодоления ограничений аналогового AM-вещания - ограниченного качества звука, восприимчивости к помехам и неэффективного использования спектра - за счет использования цифровых технологий. В основе производительности DRM лежит его передовая стратегия модуляции, которая включает фазовую модуляцию в качестве ключевого компонента. Фазовая модуляция (PM), часто используемая в более широких рамках ортогонального мультиплексирования с частотным разделением (OFDM), позволяет DRM доставлять звук почти FM-качества на огромные расстояния, даже в сложных условиях распространения. В этой статье рассматривается роль фазовой модуляции в системах DRM, исследуя ее технические основы, преимущества, проблемы реализации и будущий потенциал.

Обзор DRM-вещания

DRM - это открытый стандарт (ETSI TS 101 980), предназначенный для оцифровки полос вещания AM: коротковолновая (2,3-26,1 МГц), средневолновая (526,5-1606,5 кГц) и длинноволновая (148,5-283,5 кГц). Стандарт определяет четыре основных режима работы (A, B, C, D) для размещения различных условий канала, от доброкачественного локального распространения средней волны до сложных междугородних коротковолновых каналов. DRM может нести не только высококачественное аудио (с использованием MPEG-4 HE-AAC v2 или xHE-AAC кодеков), но и услуги передачи данных, текстовую информацию и оповещения о чрезвычайных ситуациях. Прочность системы в значительной степени обусловлена ее схемой модуляции: кодированная ортогональная частота-дивизионная мультиплексация (COFDM). COFDM разделяет поток данных на тысячи низкочастотных поднесущих, каждая из которых модулируется индивидуально. Выбор модуляции поднесущей - который часто включает фазовую модуляцию - непосредственно

Основы модуляции в DRM

В любой цифровой системе связи модуляция отображает цифровые биты на несущую форму волны. Три основных параметра несущей - амплитуда, частота и фаза. В DRM используется комбинация амплитуды и фазовой модуляции - в частности, амплитуда фазового сдвига (APSK) или квадратурная амплитуда модуляции (QAM) для поднесущих. Однако фазовая модуляция в чистом виде (например, BPSK, QPSK) также появляется в определенных каналах управления и пилотных тонах. Структура COFDM включает:

• Диапазон поднесущих: Размеры по моде (например, 41,66 Гц для режима A в коротковолновом режиме, 13,9 Гц для режима B в средневолновом режиме).
• Циклический префикс (защитный интервал): Защищает от многолучевых задержек, позволяя приемнику отбрасывать интерсимвольные помехи.
• Модуляция на поднесущую: Может быть QPSK (4 состояния, 2 бита/символ), 16-QAM (16 состояний, 4 бита/символ) или 64-QAM (64 состояния, 6 бит/символ).

Все эти созвездия объединяют амплитуду и фазовые вариации. Например, QPSK использует четыре точки на единичном круге, каждая из которых отличается на 90° по фазе — поэтому ее можно рассматривать как схему фазовой модуляции (4-PSK). Более высокий порядок QAM также добавляет уровни амплитуды. Таким образом, фазовая модуляция присуща каждой передаче DRM, даже когда мы говорим в широком смысле о COFDM.

Основы фазовой модуляции

Фазовая модуляция кодирует информацию, изменяя мгновенную фазу несущей волны относительно эталона. Математически фазово-модулированный сигнал может быть выражен как s(t) = A cos(2πf c t + φ(t)), где φ(t) несет данные. В отличие от амплитудной модуляции, PM менее восприимчив к шуму и затуханию на основе амплитуд. Он также обеспечивает постоянную оболочку при использовании чистого PSK - хотя QAM DRM действительно вводит амплитудные вариации. В DRM приемник должен точно отслеживать как фазу, так и амплитуду для декодирования сигнала. Фазовая модуляция особенно ценна в OFDM, потому что поднесущие являются ортогональными только в том случае, если их частоты и фазы точно выровнены; фазовые ошибки могут нарушать ортогональность и вызывать интер-несущие помехи.

Почему фазовая модуляция подходит для DRM

• Однородность к затуханию: Ионосферное распространение на коротковолновой индуцирует плоское и частотно-селективное затухание. Фазовая модуляция, особенно в сочетании с дифференциальным кодированием (DPSK), помогает поддерживать когерентную отсылку даже при изменении амплитуды.
• Спектральная эффективность: Используя несколько фаз и амплитуд, DRM может упаковывать больше бит на герц, чем аналог AM. Например, DRM30 в канале 10 кГц может доставлять до 72 кбит/с в идеальных условиях.
• Интеграция с COFDM: Условие ортогональности основывается на поддержании отношений фазы-носителя. Приемники COFDM используют пилотные поднесущие, которые несут известную информацию о фазе для оценки и коррекции искажений канала.

Подробное внедрение фазовой модуляции в DRM

В DRM процесс модуляции начинается после кодирования источника и кодирования канала (сверточное кодирование с прокалыванием). Закодированный битовый поток отображается на сложные символы (значения I/Q), представляющие точку в выбранном созвездии. Стандарт DRM определяет конкретное отображение для каждого режима и порядка модуляции. Например, в режиме B (средневолновой, типичной полосы пропускания 10 кГц) символ COFDM использует 206 поднесущих (или более в зависимости от полосы пропускания). Каждая поднесущая может модулироваться с QPSK, 16-QAM или 64-QAM. Фазовая модуляция появляется явно в случае QPSK, где каждый символ соответствует одной из четырех фаз: 45°, 135°, 225° или 315°.

Ключевым аспектом реализации фазы DRM является использование пилотных ячеек. Это поднесущие, которые передают известные данные, позволяя приемнику измерять амплитуду канала и фазовый отклик на этих частотах. Путем интерполяции между пилотами приемник может оценить фазовый сдвиг, вводимый каналом для каждой поднесущей данных, и исправить его. Этот процесс, известный как выравнивание канала, имеет решающее значение для надежного восстановления фазово-модулированной информации. В DRM пилоты вставляются как в частотную, так и во временную области (разбросанные и непрерывные пилоты).

Режимы и ограничения модуляции

Четыре режима DRM отличаются в основном расстоянием поднесущей и длиной защитного интервала, что влияет на выбор модуляции:

• Режим A: Для коротковолновых, с интервалом поднесущей ~41,66 Гц. Поддерживает до 64-QAM в хороших условиях, но часто использует 16-QAM или QPSK для поддержания надежности связи.
• Режим B: Для средних волн, интервал ~13,9 Гц. Обычно используется 16-QAM.
• Режим C: Для длинноволновых, интервал ~4,64 Гц. Более низкие скорости передачи данных, часто QPSK, из-за узкой полосы пропускания и более высоких помех.
• Режим D: Для длинноволновой передачи с расширенным защитным интервалом, интервалом ~2,32 Гц. Очень низкие скорости передачи данных, как правило, QPSK или даже BPSK для надежных аварийных передач.

Модуляции более высокого порядка (64-QAM) требуют отличного соотношения сигнал-шум (SNR) и стабильных фазовых условий. Приемники DRM используют итеративное декодирование и метрики мягкого решения для оптимизации производительности, но сама модуляция должна выбираться в соответствии с прогнозируемым состоянием канала.

Дифференциальное кодирование фазы

Хотя DRM в основном использует когерентную модуляцию (требующую фазовой ссылки), он также поддерживает дифференциальное кодирование для некоторых типов каналов. Дифференциальный QPSK (DQPSK) не нуждается в явном пилоте для фазовой ссылки, потому что данные кодируются как фазовые изменения относительно предыдущего символа. Это может упростить приемник в быстро затухающих каналах, где оценка фазы затруднена. Однако когерентная модуляция - с пилотами - обычно обеспечивает лучшую эффективность и предпочтительнее в базовой конструкции DRM.

Преимущества фазовой модуляции в DRM

В оригинальной статье подчеркивается улучшенное качество сигнала, спектральная эффективность и шумостойкость.

• Целостность сигнала на длинных траекториях: Коротковолновые сигналы могут проходить тысячи километров через распространение в небе. Фазовая модуляция (особенно QPSK) обеспечивает постоянную оболочку, которая менее искажена нелинейностями в усилителе мощности передатчика. Это одна из причин, по которой DRM может работать с существующими передатчиками AM после незначительных обновлений.
• Способность к многолучевому и затуханию: Структура OFDM с её защитным интервалом уже смягчает интерференцию между символами. Фазовая модуляция в сочетании с оценкой канала позволяет приемнику когерентно комбинировать многолучевые компоненты, превращая деструктивные помехи в конструктивное объединение.
• Эффективное использование полос защиты: Путем формирования фазового спектра (например, корневой косинусной фильтрации) передатчики DRM могут упаковывать смежные каналы более плотно, чем аналоговые AM, что позволяет вещателям внедрять услуги DRM без освобождения существующих аналоговые распределения.
• Грейсовая деградация: По мере снижения SNR сигнал DRM с использованием фазовой модуляции (QAM более высокого порядка) будет постепенно страдать от увеличения битовых ошибок. Декодер все еще может обеспечивать аудио при более низком качестве с использованием скрытия ошибок, в отличие от резкого порога шума аналогового AM.

Проблемы и смягчения фазовой модуляции для DRM

Ни одна система не обходится без трудностей. Фазовая модуляция в DRM сталкивается с рядом технических проблем:

• Фазовой шум: Локальные осцилляторы как в передатчиках, так и в приемниках вводят случайные фазовые флуктуации. Высокий фазовый шум может вращать созвездие, ухудшая эффективное SNR. Приемники DRM используют фазовые петли отслеживания (с использованием пилотов и оценки, ориентированной на принятие решений) для компенсации. Передатчики должны соответствовать строгим фазовым шумовым маскам, определенным в стандарте.
• Смещение частоты несущих: Доплеровские сдвиги от движущихся передатчиков или приемников (например, в мобильном приеме) вызывают общее фазовое вращение по всем поднесущим. DRM определяет надежные схемы синхронизации по времени и частоте с использованием преамбулы символов и непрерывных пилотов, которые позволяют приемнику исправлять смещение до нескольких сотен герц.
• Нелинейное искажение: Усилители, работающие вблизи насыщения, вызывают преобразование AM/PM — вариации амплитуды сигнала (от QAM) создают фазовые ошибки. DRM-сигналы с высоким отношением пиковой мощности к средней (PAPR) чувствительны к этому. Для линеаризации усилителя мощности используются такие методы, как пиковое обрезание и предискажение.
• Оценка канала в быстро угасающих: Быстро меняющиеся условия ионосферы (например, во время восхода/захода солнца) могут вызвать фазовый ответ канала на изменение в пределах одного символа OFDM. DRM поддерживает более высокую плотность пилотов во времени для таких сценариев, торгуя скоростью передачи данных для надежности.

Стандарт позволяет вещателям адаптировать схему модуляции и скорость кодирования (хотя адаптивное кодирование и модуляция не являются обязательными). Эта гибкость помогает операторам выбирать лучший компромисс для своей зоны покрытия.

Сравнение с другими цифровыми радиосистемами

Чтобы оценить дизайн фазовой модуляции DRM, полезно сравнить его с другими стандартами цифрового радио:

• DAB (Цифровое аудиовещание): DAB использует OFDM с DQPSK (дифференциальный QPSK) для всех поднесущих. Это устраняет необходимость в пилотах, но дает штраф в 3 дБ в SNR по сравнению с когерентным обнаружением. DAB работает в полосе III (174-240 МГц) и L-диапазоне, где распространение менее серьезно, чем SW/MW/LW. DRM, особенно для коротковолнового, не может позволить себе потерю SNR и, таким образом, использует когерентное обнаружение с пилотами, полагаясь на отслеживание фазы.
• HD Radio (IBOC): HD Radio использует гибридную OFDM-систему, которая накладывает цифровые носители, прилегающие к аналоговым FM или AM. Для AM-гибрида он использует сложную модуляцию с амплитудными и фазовыми изменениями (FM использует OFDM с QPSK и более высокими порядками). Подход DRM более гибкий с точки зрения пропускной способности и может работать в чистом цифровом режиме, тогда как HD Radio ограничен сосуществованием с аналоговым.
• DRM+: Расширение DRM для частот выше 30 МГц (VHF-диапазоны). DRM+ использует более широкий канал (до 100 кГц) и может поддерживать модуляции более высокого порядка (до 64-QAM) для скоростей передачи данных, сопоставимых с DAB+. Принципы фазовой модуляции остаются прежними, но с меньшим интервалом поднесущей (4,464 кГц), подходящим для приема транспортных средств.

Реальные мировые успехи и успехи

DRM был протестирован и внедрен во многих странах. Архитектура фазовой модуляции доказала свою эффективность в некоторых впечатляющих приложениях:

• BBC World Service shortwave: BBC провела обширные испытания DRM, продемонстрировав, что коротковолновый канал с частотой 10 кГц с использованием QPSK/16-QAM может обеспечить слушателям по всему миру звук почти FM качества, превосходя аналоговый AM даже с меньшей мощностью передачи.
• Всеиндийское радио (AIR): AIR управляет одной из крупнейших сетей DRM, охватывающей сотни миллионов слушателей в Индии. Их средневолновые DRM-трансляции используют режим B с 16-QAM, предлагая качество звука, сравнимое с FM и сервисами передачи данных, такими как новости и погода.
• Экстренное вещание: Надежность DRM, особенно с использованием низкопорядковой фазовой модуляции (QPSK), была использована для предупреждения о стихийных бедствиях. Например, ITU выделил DRM как подходящую систему для оповещения о чрезвычайных ситуациях из-за его способности достигать отдаленных районов без инфраструктуры Интернета.
• Записи на расстоянии: Передача DRM с использованием передатчика мощностью 1 кВт и модуляции QPSK была получена на расстоянии более 10 000 км, что демонстрирует согласованность фаз, достижимую при тщательной конструкции приемника.

Эти успехи подчеркивают, как фазовая модуляция в сочетании с OFDM позволяет DRM поставлять надежное цифровое радио в средах, где аналоговые AM и другие цифровые стандарты не работают.

Будущее DRM и фазовой модуляции

Консорциум DRM (см. drm.org ) работает над усовершенствованиями, которые могут дополнительно использовать фазовую модуляцию:

• Созвездия более высокого порядка: С достижениями в кодировании каналов (например, коды LDPC) будущие профили DRM могут поддерживать 256-QAM при благоприятных условиях, что повышает скорость передачи данных более 100 кбит/с в канале с частотой 10 кГц. Это потребует еще лучшей производительности фазового шума.
• Многовходная многократная передача (MIMO) для DRM: Использование нескольких передающих антенн с методами фазового сброса может увеличить пространственное разнообразие. MIMO-OFDM с фазовой модуляцией уже используется в Wi-Fi и LTE; адаптация их для HF-трансляции является активной областью исследований.
• Интеграция с IP и 5G трансляциями: DRM рассматривается как уровень доставки для гибридного радио, сочетающий локальное вещание с потоковой передачей в Интернет. Эффективность фазовой модуляции имеет решающее значение для поддержания низкой задержки для интерактивных сервисов.
• Программно-определяемые радиоприемники (SDR): Растущая доступность SDR позволяет гибко реализовывать алгоритмы оценки фазы. Декодеры DRM с открытым исходным кодом (например, Dream) продолжают совершенствоваться, позволяя слушателям экспериментировать с различными стратегиями отслеживания фазы.

Основные причины использования фазовой модуляции — надежность, спектральная эффективность и совместимость с OFDM — обеспечат ее центральное значение для эволюции DRM.

Заключение

Фазовая модуляция является незаменимым элементом систем Digital Radio Mondiale. От базовых поднесущих QPSK до QAM более высокого порядка, которые также изменяют амплитуду, фазовое измерение переносит большую часть информации через радиоканал. Используя когерентность фазы через оценку канала с помощью пилота, DRM достигает качества сигнала, намного превосходящего аналоговый AM в тех же условиях распространения. Тщательный дизайн режимов, интервалов защиты и заказов модуляции позволяет вещателям торговать скоростью передачи данных для надежности по мере необходимости. Поскольку DRM продолжает расширять свой глобальный охват - теперь достигая более ста миллионов слушателей - основные методы фазовой модуляции будут уточнены, но останутся в основном теми же. Комбинация фазовой модуляции с COFDM доказала свою ценность в надежной доставке цифрового аудио и данных в самые отдаленные уголки мира.