HD Radio: технологические перспективы

Процесс «замещения» аналоговых технологий цифровыми не всегда протекает гладко – как, например, получилось с организацией телевещания с геостационарных спутников. Далеко не каждой цифровой технологии удаётся завоевать популярность и оправдать ожидания. Достаточно вспомнить многочисленные «digital»-форматы – DSR, DAB, DVB-C/H/S/T, DMB-S/T, DRM...

Радиовещание: от «аналога» к «цифре»

Переход к цифровому радиовещанию – не за горами, однако вряд ли стоит ожидать появления безусловных лидеров среди цифровых форматов. Едва ли какие-то методы кодирования или модуляции смогут обеспечить безусловное лидерство, вытеснив конкурентов.

Полная унификация вещания невозможна, как невозможно вылечить все болезни одним лекарством. В разных условиях придётся решать разные задачи подходящими для этого инструментами.

В частности, в случае вещания с использованием кабельной сети все пользователи получают возможность принимать все программы, либо же можно направлять каждому абоненту свой поток данных и организовать обратный канал.

Сегодня с помощью витой пары достаточно просто создать канал с пропускной способностью порядка 100 Мбит/с, оптоволокно позволяет увеличить скорость еще на пару порядков. В числе недостатков – довольно высокая стоимость услуги и отсутствие мобильности.

Эфирный канал позволяет абоненту произвольно перемещаться в пространстве, однако «ёмкость» эфира естественным образом ограничена.

Системы с использованием эфирного канала передачи данных лучше и рациональнее использовать именно для вещания, то есть организации доступа любого количества абонентов к некоему общему ограниченному набору сервисов, как в случае сервисов ГНСС (например, GPS), или же привычных нам теле- и радиовещания.

Прогнозируя перспективы адаптации новой технологии, необходимо оценивать их в контексте общего состояния дел и ситуации в отрасли, конкретную географически и исторически обусловленную специфику: сложившееся за многие годы распределение радиочастотного спектра между пользователями и службами; технологические возможности обработки и передачи сигналов; конкурентную среду, и важнейший– человеческий – фактор.

В настоящее время единый радиочастотный спектр разделен между различными системами и их операторами. В одном и том же эфире одновременно «сосуществуют» телевизионное и радиовещание, связь, передача информации, навигация, специальные и иные сервисы.

Вторжение технологий, способных стать помехами другим, недопустимо и подразумевает осуществление сложного комплекса взаимно согласованных мероприятий, способных изменить «ландшафт» радиочастотного спектра.

Для массовых сервисов, к которым относится радиовещание, планирование использования спектрального диапазона обычно осуществляется по принципу «до последнего посетителя» – радикальные перемены производятся лишь после того, как сервис себя исчерпал.

Такой подход снижает оперативность восприятия новых технологий.

Радиочастотный спектр: проблема модернизации

Поэтому особенно заманчиво выглядит возможность перехода на новую технологию без выхода за рамки допусков, установленных Международным Союзом Электросвязи (МСЭ).

Так, для спектра сигнала аналогового стереофонического радиовещания в диапазоне 87,5-108 МГц определены следующие границы: не более -25 дБ относительно немодулированной несущей при сдвиге 120-240 кГц и не более -35 дБ при сдвиге 240-600 кГц.

Кроме того, при переходе на новую технологию нежелательна (особенно в случае массовых сервисов) тотальная замена парка оборудования. Предпочтительны эволюционные решения, предполагающие совместимость существующих и вводимых стандартов.

Именно таким был, например, переход от моно- к стереофоническому вещанию или от черно-белого к цветному телевидению.

В этом случае имеющаяся у пользователей аппаратура не превращается в одночасье в бесполезный хлам, но в то же время формируется спрос на качественно новые сервисы – и качественно новую аппаратуру.

В настоящее время альтернативой существующим стандартом радиовещания становится формат HD Radio, позволяющий в пределах установленных частотных диапазонов, без изменения их границ транслировать на месте каждой аналоговой несущей от трёх до восьми дополнительных цифровых каналов, сочетающих в себе недостижимое для аналогового вещания качество с появлением принципиально новых сервисов.

По мере замены парка приемного оборудования (ожидаемый срок 7-10 лет) можно будет рассматривать вопрос и принимать решение об исключении аналоговой компоненты в излучаемом сигнале. Таким образом мы сможем получить увеличение с трех до, как минимум, восьми дополнительных цифровых каналов на месте каждой аналоговой несущей.

Новая HD Radio технология обеспечивает появление трех дополнительных (HD1, HD2, HD3) цифровых каналов с полным сохранением аналогового (FM) вещания. Это позволит не только повысить коэффициент использования эфира, но и обеспечить трансляцию платных программ (используя функцию условного доступа), реализовать новые сервисные возможности и новое качество звучания.

Система построена с использованием принципа IBOC (in-band on-channel): цифровой и аналоговый сигналы передаются в общем частотном канале на месте «пустующих сейчас» защитных промежутков между радиостанциями.

Основное преимущество стандарта так формулируется разработчиками: «Static-free, crystal-clear reception; FM sounds as sensational as CDs». Действительно, данная цифровая технология позволит устранить последствия потерь сигнала и шумы в эфире, а качество звучания радиоприемника неотличимо на слух от качества цифровой записи на компакт-диске.

Чтобы обеспечить подобное качество при относительно невысокой пропускной способности цифрового гибридного канала (порядка 150 кбит/с), требуется эффективная технология сжатия звукового потока Изначально предполагалось использовать технологию РАС (Perceptual Audio Coder) разработки Lucent Technology, однако в настоящее время в HD Radio используется еще более эффективный алгоритм сжатия.

Цифровая информация передается в данной технологии на дополнительных несущих, размещаемых в условно свободном пространстве частотного канала, выделенного для FM-вещания. В процессе эволюции стандарта предусматриваются три режима работы системы: Hybrid (гибридный), Extended Hybrid (гибридный расширенный) и All Digital (полностью цифровой).

Спектр сигнала в режиме Hybrid включает обычный аналоговый сигнал стереофонического FМ-радиовещания, выше и ниже которого размещены поднесущие цифрового сигнала. Занимается полоса от -198,402 до -129,361 кГц и от 129,361 до 198,402 кГц относительно центральной частоты канала, то есть фактической частоты немодулированной несущей радиосигнала. Здесь размещены поднесущие с номерами от -546 до -356 и от 356 до 546.

Переход /в режим Extended Hybrid осуществляется за счет небольшого «сужения» спектра аналогового сигнала путем ограничения девиации аналогового сигнала с +\-75 кГц до +\-70 кГц. Дополнительные поднесущие цифрового сигнала в этом режиме расположены в интервале спектра от -101,744 до -129,361 кГц и от 101,744 до 129,361 кГц относительно центральной частоты радиоканала.

Следующим шагом станет переход в режим All Digital.

В режиме All Digital в эфир передаются поднесущие только цифрового вещания. Естественно, доступная скорость передачи данных в этом случае оказывается самой высокой, чем во всех предыдущих.

HD Radio: особенности технологии

Спектр гибридного сигнала при использовании HD Radio технологии незначительно шире, чем спектр в обычном аналоговом использовании: 400 кГц против почти 300 кГц. Относительная ширина полосы составляет 0,4 / 88 = 0,0055, то есть всего 0,5%, что позволяет использовать без изменений существующие приемные, так и передающие антенны.

Сам цифро-аналоговый (гибридный) передатчик может быть реализован по схеме совместного усиления. На выходе цифрового модулятора – сформированная сетка цифровых поднесущих, модулированных звуковым и сервисным потоком данных.

Аналоговый модулятор формирует FМ-сигнал стереофонического радиовещания. Обе эти составляющие объединяет сумматор. Полученный полный сигнал усиливается до указанной в лицензии вещателя мощности. Это самое простое решение для практической реализации, но в этом случае потребуется перевод аналогового усилителя мощности в более линейный (АБ) режим.

Большинство современных и используемых сегодня в радиовещании усилителей работают в режиме без начального смещения (С) или с очень небольшим начальным током покоя выходных транзисторов.

Доработка существующего усилительного оборудования совершенно незначительна и сводится только к увеличению тока смещения выходных транзисторов усилителя с проверкой линейности усилительного оборудования и теплового режима выходного каскада после адаптации. Возможно, в некоторых случаях необходимо будет заменить вентиляторы воздушного охлаждения на более производительные.

Для перехода в режим All Digital достаточно будет оставить в работе цифровой модулятор, предварительно перепрограммировав его в полностью цифровой режим, и отключить аналоговый возбудитель.

При раздельном усилении линейный усилитель нужен только в цифровом тракте. Усилитель FМ-сигнала может работать с ограничением, чем достигается, в частности, высокий КПД и упрощается решение задачи отвода тепла. Исключить взаимное влияние аналогового и цифрового трактов непросто. Мост сложения должен обеспечивать хорошую развязку (минимально 30 Дб), то есть подавление сигналов, проникающих с выхода одного усилителя на выход другого.

Сумматор оказывается непростым по конструкции, к тому же ситуация немного усложняется еще и тем, что складываются сигналы со значительными мощностями. Согласно оценкам, при мощности аналогового сигнала до 5 кВт стоимость такого сумматора не превысит $3500.

Для передачи цифровой части радиосигнала также может использоваться отдельная антенна. Правда, географически районы устойчивого приёма аналогового и цифрового сигналов в общем случае могут не совпадать друг с другом.

Предполагается организация в гибридном цифро-аналоговом режиме нескольких сервисов: основная программа (main program service – MPS), индивидуальные данные (personal data service – PDS), идентификация (station identification service – SIS) и дополнительный сервис (auxiliary application service – AAS).

HD Radio: мультимедийный пейджер

HD Radio позволяет осуществлять одновременную со звуком передачу дополнительной текстовой и полноцветной графической информации – как общедоступной, так и адресованной конкретным абонентам. В частности, слушатели могут получать на свои приемники произвольный мультимедийный контент (текстовые сообщения, изображения, и т.д.) по их собственным запросам. Например, возможна передача маршрутных карт, изображений, схем проезда, информации о пробках или текущей метеообстановке, и т.д.

Возможность передачи географической информации сыграла, вероятно, свою роль в активной поддержке нового формата именно производителями автомобилей.

В 2008 году 12 мировых автомобильных концернов предлагают HD Radio приемники уже как штатную опцию в более чем 60-ти моделях различных общеизвестных марок: Daimler Chrysler, Opel, Volkswagen, Jaguar, Ford, Volvo, BMW, Land Rover, Audi, GM, Hyundai, Mercury, Lincoln, Skoda, Pontiac, Toyota, Lexus, и других.

По состоянию на начало 2008 года в мире уже насчитывалось более 10 000 радиостанций, работающих в гибридном HD Radio формате и их количество растет с каждым днем. По статистике, каждый день в мире появляется новая HD Radio станция.

Андрей Карпий / R&D.CNews