Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ и классификация цифровых телекоммуникационных радиосистем передачи звуковых вещательных сигналов 13
1.1. Модели каналов и классификация цифровых ТКРС ЗВС 13
1.2. Типовая функциональная схема цифровых ТКРС ЗВС 27
1.3. Кодирование канала и модуляция в Системе А 30
1.4. Кодирование капала и модуляция в Системе В 41
1.5. Оценка спектральной и энергетической эффективности Систем А и В 43
Выводы по первой главе 48
ГЛАВА 2. Использование концепции турбокодирования для повышения эффективности цифровых систем связи ...49
2.1. Принципы построения кодеров турбокодов 49
2.2. Параметры турбокодов 52
2.3. Сверточные турбокоды 54
2.4. Блочные турбокоды 61
2.5. Критерии выбора параметров перемежителей 65
2.6. Принципы итеративного декодирования 72
2.7. Сравнительный анализ алгоритмов декодирования 85
2.8. Повышение эффективности итеративного декодирования в радиосистемах передачи аудиосигналов 88
Выводы по второй главе 96
ГЛАВА 3. Разработка кодеков турбокода для цифровых телекоммуникационных радиосистем 91
3.1. Разработка универсальной методики выбора параметров кодеков турбокода 97
3.2. Разработка кодека турбокода для Системы Л 102
3.3. Разработка кодеков турбокода для Систем В 106
Выводы по третьей главе 113
ГЛАВА 4. Разработка рекомендаций по оценке качества цифровых каналов в телекоммуникационных радиосистемах 114
4.1. Исходные предпосылки 114
4.2. Оценка помехоустойчивости цифрового капала передачи данных 117
4.3. К вопросу об оценке качества цифрового вещательного канала 123
Заключение 130
Библиографический список 131
- Оценка спектральной и энергетической эффективности Систем А и В
- Повышение эффективности итеративного декодирования в радиосистемах передачи аудиосигналов
- Разработка кодеков турбокода для Систем В
- Оценка помехоустойчивости цифрового капала передачи данных
Введение к работе
Постановка проблемы и ее актуальность. Цель работы. В условиях России роль цифровых телекоммуникационных радиосистем (ТКРС), как одного из базовых компонентов систем электросвязи, чрезвычайно велика. Так, на основе спутниковых ТКРС возможно быстрое и эффективное решение проблемы доставки с высокой надежностью информации в труднодоступные и малонаселенные районы. Использование ТКРС позволило обеспечить надежный мобильный прием, что, решило проблему мобильной связи и высококачественного цифрового радиовещания.
Одним из наиболее привлекательных аспектов цифровых методов передачи информации является то, что они эффективны в условиях сильных помех и обеспечивают рациональное использование радиочастотного ресурса. Преимущества цифровой реализации основаны также на том обстоятельстве, что элементная база цифровой обработки сигнала, в особенности цифровые сигнальные процессоры, переживает быстрые темпы улучшения характеристик, снижения стоимости и потребляемой мощности.
К числу наиболее эффективных методов цифровой обработки сигналов относится кодирование канапа, приводящее - в сочетании с перемежепием сигналов по времени - к повышению энергетической эффективности систем цифровой связи и вещания, значительному повышению их помехоустойчивости, а также методы гщфровой модуляции, позволяющие повысить эффективность использования радиочастотного спектра по сравнению с аналоговыми методами. Применение ортогональных частотно-разделенных несущих (OFDM) позволяет решить проблему связи и вещания в многолучевых каналах.
Анализ новейшей истории разработки и стандартизации ТКРС показал, что прогресс в значительной степени связан с совершенствованием процедуры кодирования канала, оптимизацией построения сигнально-кодовых конструкций, в том числе с модуляцией OFDM [3,16,18-22,30-34,39-50]. Это делает
весьма актуальным поиск новых алгоритмов и процедур кодирования канала. Так, значительно более высокие стандарты качества связи и вещания могут быть достигнуты при использовании турбокодов (ТК), представляющих собой разработанный в 1993г. новый класс помехоустойчивых кодов [18,52,56,59,64-72]. В настоящее время турбокоды уже внедрены в системы мобильной связи третьего поколения, цифрового телевидения DVB-T и спутниковой связи [64,76,80,83-87].
Актуальность работы обусловлена необходимостью исследования эффективности применения турбокодов в цифровых ТКРС, предназначенных для передачи высококачественных звуковых вещательных сигналов (ЗВС). Высококачественные звуковые вещательные сигналы отличаются широкой полосой звуковых частот (до 20 кГц) и большим динамическим диапазоном (до 90 дБ). Экономичная передача по каналам связи таких сигналов с минимальными искажениями представляет собой достаточно сложную техническую проблему. Проблема существенно усложняется в спутниковых системах связи, когда к цифровой системе передачи ЗВС предъявляются требования высокой энергетической эффективности. Это связано с реализацией на основе таких систем цифрового радиовещания (ЦРВ), интенсивно развивающегося во многих странах мира, включая Россию.
Целью диссертации является повышение энергетической эффективности телекоммуникационных систем на основе использования турбокодов. В качестве таких систем рассматриваются цифровые радиосистемы передачи высококачественных аудиосигналов. Данные системы в настоящее время интенсивно внедряются во многих странах мира [10,31,32].
Цифровые ТКРС, предназначенные для передачи высококачественных аудиосигналов, представляют собой новую информационную технологию, в основе которой лежит представление и передача высококачественных звуковых вещательных сигналов в цифровой форме во всех звеньях тракта - от источника
сигнала до приемника [15,20-22,31,32,39,42-44]. Известные па сегодняшний день системы указаны в табл. ВЛ [10,32,134].
Таблица ВЛ. Цифровые ТКРС 3I3C и их основные характеристики
В первой главе диссертации проведен анализ цифровых телекоммуникационных радиосистем, рекомендованных МСЭ-Р (ITU-R) и/или стандартизованных Европейским институтом телекоммуникационных стандартов (ETSI) для организации цифрового радиовещания. Предложена классификация цифровых ТКРС ЗВС по методу передачи аудиоданных (т.е. по способу организации цифрового потока) - на многочастотные системы с параллельной передачей данных в низкоскоростных парциальных каналах и одиочастотные системы с последовательной передачей - на основе полученных оценок пропускной способности в зависимости от условий применения.
Целесообразность применения того или иного способа организации цифрового потока в системе передачи аудиоданных определяется характером искажений сигнала в радиоканале и объемом передаваемых данных, т.е. видом и качеством услуги [32]. В наземных системах, предполагающих как обязательное условие мобильный прием, необходим учет замираний сигнала в канале с многолучевым распространением. Для таких систем предпочтителен параллельный способ организации гщфроеого потока [12,17,31,39-41]. На современном тех-
нологическом уровне наиболее эффективно параллельная передача аудиоданных реализуется с использованием модуляции OFDM [3,48-50], применяемая в таких прогрессивных разработках, как T-DAB, S-DAB и DRM (см. табл. В.1). Системы с модемом OFDM именуются в диссертации Системами типа А (Системы А).
В спутниковых ТКРС ЗВС широко распространен последовательный способ организации цифрового потока (посредством временного разделения каналов) на единственной несущей частоте с цифровой модуляцией ФМ (или ОФМ) [1,12,17,23,31,32,42]. К таким системам, в частности, относятся DSR, JPL/VOA и World Space. Высокие скорости передачи информации в этих системах реализуются лишь при приеме на направленную антенну. В диссертации системы с последовательной передачей именуются Системами типа В (Системы В).
В диссертации выполнен анализ структурных схем Систем А и В и найдены количественные оценки энергетической (Р, дБ) и спектральной (у, бит/с-Гц) эффективности конкретных систем. Исследование способов повышения энергетической эффективности ТКРС ЗВС при сохранении достаточно высокой спектральной эффективности является актуальной задачей. Одним из способов её решения служит использование турбокодов. Анализ технических аспектов турбокодирования, принципов построения кодеров и декодеров, алгоритмов декодирования выполнены во второй главе диссертации.
Предложено классифицировать кодеры турбокодов по используемым составным кодам, и декодеры - по методам их декодирования. Показа!га перспективность применения рекурсивных сверточных кодов в качестве составных кодов ТК и max-log-MAP алгоритма для их декодирования, разработаны предложения по повышению эффективности декодирования аудиосигналов. Для основных алгоритмов декодирования проведена оценка аппаратной и вычислительной сложности реализации.
В третьей главе разработана методика выбора параметров кодеков турбокода, обеспечивающих реализацию заданных параметров помехоустойчивости. На основе предложенного алгоритма осуществлена разработка кодеков турбокода для Систем А и В, обеспечивающих повышение их энергетической эффективности при сохранении обусловленной стандартом полосы частот. Произведен расчет вычислительной сложности синтезированных кодеков и показано, что их можно реализовать на цифровом сигнальном процессоре с 32 разрядами и производительностью не более 50 MFLOPS.
Четвертая глава посвящена разработке рекомендаций по оценке качества цифровых вещательных каналов. Установлено, что выполнение рекомендаций ITU-T для цифровых каналов не гарантирует нормативное качество услуги звукового вещания, вследствие чего при оценке помехоустойчивости цифровых вещательных каналов необходим учет психофизиологии слуха, а при измерениях - использование объективных статистических параметров реального вещательного сигнала, определяющих его энергетические, динамические и спектральные свойства.
Основные вопросы, являющиеся предметом исследования:
Анализ и классификация существующих цифровых телекоммуникационных радиосистем, предназначенных для передачи высококачественных звуковых вещательных сигналов.
Анализ и классификация методов построения кодеров и декодеров турбокода; исследование особенностей турбокодирования в радиосистемах передачи аудиосигналов.
Разработка методики выбора параметров кодеков турбокода, обеспечивающих реализацию заданных параметров помехоустойчивости; разработка кодеков турбокода, обеспечивающих повышение энергетической
эффективности цифровых систем передачи аудиосигналов при сохранении обусловленной стандартом полосы частот.
4. Разработка рекомендаций по оценке качества цифровых вещательных каналов в условиях, когда выполнение рекомендаций 1TU-T для цифровых каналов не гарантирует нормативное качество услуги звукового вещания.
Методы научного исследования.
Основные результаты диссертации получены на основе применения теории статистической радиотехники, теории потенциальной помехоустойчивости цифровых систем передачи, теории вероятностей, математической статистики и компьютерного моделирования.
Научная новизна работы состоит в следующем:
Классификация цифровых телекоммуникационных радиосистем по методу передачи аудиоданных - на многочастотные (Системы А) с параллельной передачей данных в низкоскоростных парциальных каналах и одмочастотные (Системы В) с последовательной передачей.
Применение в составе кодера турбокода сверточного перемежителя с изменяемой глубиной и базой перемежения для повышения эффективности кодирования с неравной защитой символов.
Предложения, направленные на повышение эффективности итеративного декодирования турбокодов в системах передачи аудиосигналов.
Методика выбора параметров кодеков турбокода, обеспечивающая реализацию заданных параметров помехоустойчивости. Разработка на ее основе кодеков турбокода, обеспечивающих в составе сигнально-кодовых конструкций Систем А и В повышение энергетической эффективности от 1,0 до 4,0 дБ в зависимости от типа конкретной системы при сохранении обусловленной стандартом полосы частот.
Рекомендации по оценке качества цифровых вещательных каналов в условиях, когда выполнение рекомендаций ITU-T для цифровых каналов не ra-
рантирует нормативное качество услуги звукового вещания.
Основные положения, выносимые на защиту:
Цифровые телекоммуникационные радиосистемы передачи аудиоинформации целесообразно классифицировать по методу передачи аудиоданных - на многочастотные (Системы А) с параллельной передачей данных в низкоскоростных парциальных каналах и одночастотные (Системы В) с последовательной передачей - на основе оценок пропускной способности радиоканала в зависимости от условий применения.
В качестве составных кодов турбокода следует использовать рекурсивные сверточиые коды и max-log-MAP-алгоритм для их декодирования, а в радиосистемах передачи аудиосигналов для повышения эффективности итеративного декодирования - квантователь с нулевой зоной с последующей маскировкой бит, получивших низкую оценку надежности.
Для повышения эффективности кодирования с неравной защитой символов предлагается использовать в составе кодера турбокода сверточный перемежитель с изменяемой глубиной и базой перемежения.
Предложена методика выбора параметров кодеков турбокода, основанная на переборе основных параметров. На основе этой методики разработаны кодеки турбокода, обеспечивающие в составе сигнально-кодовьтх конструкций Систем А и В повышение энергетической эффективности приблизительно от 1,0 до 4,0 дБ в зависимости от типа конкретной системы при сохранении обусловленной стандартом полосы частот.
При оценке помехоустойчивости цифровых каналов передачи аудиоданных необходим учет психофизиологии слуха, а для объективизации измерений целесообразно использование статистических параметров реального вещательного сигнала.
Оценка спектральной и энергетической эффективности Систем А и В
Уравнение (1.3) соответствует каналу с отраженно-рассеянной волной и, следовательно, со случайными параметрами. Эта модель описывает реальные каналы наземных (ши наземные сегменты комбинированных) систем ЦРВ [31], когда прямая видимость может отсутствовать, а радиоприем обеспечивается за счет рассеивания и переизлучения энергии сигнала в среде распространения. Случайность пути распространения радиоволн обуславливает не стационарность таких каналов. Таким образом, вид услуги цифрового радиовещания - непосредственное спутниковое или наземное - однозначно определяет соответствующую модель -(1.1) или (1.3) - физического канала. Проведем анализ возможных искажений сигнала в таких каналах с целью определения требований к важнейшей характеристике системы передачи — способу передачи аудиоданных.
Характер искажений сигнала в канале передачи зависит от соотношения параметров сигнала и канала. Для сигналов такими параметрами являются несущая частота (fH), ширина спектра (Afc), длительность сигнала (Тс), а для канала - вид рассеяния сигнала, время рассеяния (или память канала Тп) и скорость изменения параметров канала.
Обратимся к модели (1.1), хорошо описывающей спутниковые системы вещания. Один из способов передачи аудиоданных в канале типа (1.І) сводится к использованию системы передачи с одной несущей, когда информационная последовательность передается последовательно с некоторой определенной скоростью Rc символов/с. В рамках рассматриваемой модели при Т„ Tc = l/Rc, возможно возникновение межсимвольной интерференции (МСИ). Это может стать причиной возрастания количества цифровых ошибок в канале и снижения качества вещательного сигнала на аналоговом выходе.
Как известно [27,98], условием отсутствия влияния МСИ на помехоустойчивость двоичного канала с полосой W является выполнение равенства W = 2/тс = 2RG, где тс - интервал времени, отводимый на передачу одного кодового символа (бита). Отсюда следует, что скорость передачи в канале без МСИ составляет R$ = 0,5-W, бит/с. Максимальная скорость двоичной передачи в радиоканале с полосой W (предел Найквиста) достигает значения Rma = W, бит/с. Как показал анализ характеристик высокоэффективных систем связи [27,31, 125], оценка реально используемой скорости передачи в двоичном радиоканале с полосой W может быть получена с помощью соотношения
Соотношения (1.4) и (1.5) позволяют оценить реально достижимую скорость передачи данных в линейном фильтровом канале с ЛБГШ и ограниченной полосой - без применения специальных мер по снижению влияния межсимвольных помех, ограничившись при демодуляции сигналов с относительно не высоким уровнем МСИ применением алгоритма Витерби [27,33].
Альтернативный способ передачи аудиоданных представляет собой параллельную (многочастотную) систему передачи, использующую К (под)несущих, число которых всегда отвечает условию К»1. Здесь каждый из К парциальных подканалов становится неискажающим, поскольку в нем выполняется условие Тс » Т„. Однако, как показали результаты компьютерного моделирования [134], в силу непостоянства огибающей и большого пик-фактора такого сигнала, энергетический проигрыш многочастотной системы по сравнению с системой с одной несущей в анализируемом канале с АБГШ составляет приблизительно 7 дБ.
Обратимся далее к каналу с дискретной неоднородностью, т.е. с импульсной характеристикой вида (1.2). Если по такому каналу передается узкополосный сигнал (ДҐС 1/Тс), а максимальное взаимное запаздывание лучей/путей feWx 1/Дтс = Тс» Т0 это вариант однолучееого канала с неселективными по частоте замираниями. Если же (т,) 1/Дґс, то имеет место многолучевая модель канала. В такой модели разность хода т3 сигнала по отдельным путям приводит к фазовому сдвигу Дер = 27if„ т3. В результате на одних частотах образуется благоприятное соотношение фаз (пучность) передаточной функции, на других - неблагоприятное (узел), причём эта интерференционная обстановка изменяется с течением времени. Это приводит к селективным по частоте замираниям сигнала. Многолучевая дисперсия принимаемого символа порождает тот же тип МСИ, что и фильтр, ограничивающий полосу в канапе с характеристикой (1.1).
Хорошим индикатором селективности многолучевого канала является полоса когерентности Вс = (й[(т3) [21,33,34,96]. Так, если Ве « ДҐС, то канал частотно-селективный и сигнал, проходя по такому каналу, существенно искажается. Напротив, если Вс» ДҐС, то замирания в канале от частоты не зависят - в канале происходят амплитудные замирания, не сопровождающееся МСИ. Следовательно, полоса когерентности Вс устанавливает верхний предел скорости передачи данных в канале, которую можно использовать, не прибегая к средствам коррекции частотной характеристики канала.
Для оценки времени взаимного запаздывания лучей т3 используется сред-неквадратический разброс задержек (иначе - среднеквадратическое расширение времени задержки) ат, величина которого зависит от условий приема [33]. Измерения в многолучевых каналах показали [34,96,126], что хорошей аппроксимацией плотности вероятности времени задержки служит экспоненциальный односторонний (показательный) закон распределения: Р(т3) = (1/ат) схр (-т3/ат). У такого распределения сгт = ш, где m - математическое ожидание.
Оценки величины ат [27,33, 34,96,126] существенно зависят от среды распространения Не существует универсального соотношения между полосой когерентности Вс и разбросом (расширением) задержек ах. Чаще всего за полосу когерентности принимают интервал частот, в пределах которого комплексная частотная передаточная функция канала имеет корреляцию не менее 0,5. Наиболее распространенным приближением для оценки Вс, соответствующим этому определению, является следующее [33]:
Повышение эффективности итеративного декодирования в радиосистемах передачи аудиосигналов
Перемежитель является одним из ключевых элементов структурной схемы кодера турбокода. Объем базы перемежсния определяет длину кодового слова турбокода и, следовательно, его корректирующую способность.
Перемежитель любого типа можно представить как массив, в который биты, предназначенные к передаче информации, записываются последовательно, а считываются по определенному закону, который определяется типом пе-ремежителя. Обозначим через К базу перемежения (длину перемежителя), равную длине одновременно кодируемого информационного блока. Тогда іе[0,К-\] - индекс записи информационных бит в массив перемежителя, определяющий номер ячейки, в которую будет записываться очередной информационный бит. Через F(i) обозначим индекс считывания информации из массива перемежителя. Таким образом, задача построения перемежителя сводится к нахождению функции F(i) для / є [О, К -1].
Перемежение битов кодового слова перед передачей информации и депе-ремежение перед декодированием приводят к рассеиванию ошибок во времени - их распределение становиться близким к случайному закону распределения. Разнесение ошибок во времени позволяет рассматривать канал с памятью, как канал без памяти.
При использовании перемежителей в составе компонентных и каскадных кодов (например, коды Рида-Соломона с несистематическими сверточными кодами, турбокоды, коды произведений) они оказывают непосредственное влияние на исправляющие характеристики составного кода. Так как в данном случае, кроме дскорреляции ошибок во времени, перемежитель может изменять распределение весовых характеристик кодовой последовательности.
Для рекурсивных сверточных кодов возможны варианты входной последовательности, при которой выходная последовательность от РСК может выродиться в нулевую последовательность или в последовательность с малым числом ненулевых элементов. Т.е. будет уменьшаться суммарный вес кодового слова сверточного турбокода. Но из-за наличия перемежителя уменьшается вероятность того, оба составляющих кодера получат такую последовательность одновременно.
Следовательно, перемежители в составе структурной схемы кодера турбокода выполняют две основные функции: - устранение пакетов ошибок: разнесение их по времени; - устранение входных последовательностей, которые могут породить выходные кодовые последовательности с малым весом Хемминга. Как было сказано ранее, перемежитель любого типа можно представить как массив, в который биты, предназначенные к передаче информации, записываются последовательно, а считываются по определенному закону. По методу реализации чередования бит перемежители можно разделить на блочные и сверточные. Обычный блочный перемежитель представляет собой матрицу размера К на N, в которую биты записываются по строкам, а считываются по столбцам. Максимальное расстояние, на которое разносятся рядом стоящие символы, называется глубиной перемежения L. Выбор базы перемежения, т.е. размер матрицы, зависит от параметров канала связи. Если количество подряд идущих ошибок в вектора ошибок Ж будет больше глубины персмежения, или их расположение будет кратным N, то на выходе перемежителя образуется пакет ошибок. Кроме того, блочные перемежители не обеспечивают необходимого разноса для удаления нежелательных комбинаций входных последовательностей РСК. Для решения данной задачи был предложен модифицированный блочный перемежитель - диагональный блочный перемежитель. Данные записываются в матрицу размером KxN последовательно по строкам, а считываются по диагоналям матрицы в определенном порядке. Как показали исследования, данный тип перемежителя обеспечивает лучшие характеристики для турбокодов, чем обычный блочный перемежитель при одинаковой глубине перемежения [82], Наилучшие характеристики помехоустойчивости турбокодов обеспечивает случайный блочный перемежитель — пермутор. Он представляет собой матрицу, в которую данные записываются по строкам, а считываются в псевдослучайном порядке, определяемым генератором случайных чисел. Т.е. бит, стоящий в /-ой позиции информационной последовательности поступающей на вход первого составного кодера, псевдослучайным образом переходит / позицию последовательности, поступающей на вход второго составного кодера. Но реализация пермутора на элементной базе требуется больших затрат и отсутствуют аналитические выражения, описывающие и гарантирующее помехоустойчивость полученного турбокода. К недостаткам всех матричных перемежителей можно отнести большой объем требуемой памяти (KxN) на приемной и передающей части, возникающую вследствие этого временную задержку. Этих недостатков лишены сверточные перемежители. него до тех пор, пока последний поступивший символ не будет передан. После (K-l)-oro регистра коммутатор возвращается к нулевому регистру, и процедура повторяется сначала. К преимуществам сверточного перемежения перед блочным можно отнести меньший требуемы объем памяти ((К-\)МК для сверточных и Ж элементов для блочных перемежителей) и меньшую временную задержку. При инициализации и обнулении сверточного перемежения необходимо использовать служебные символы . Это символы, которыми заполняется регистры сдвига, при отсутствии информационной последовательности. Служебные символы могут передаваться в канал связи, что приведет к увеличению объема передаваемых данных, или специальным устройством удаляться. Изменением числа служебных символов, передаваемых в канал связи, можно менять скорость кода. Рассмотри использование данного метода для реализации кодирования с неравной защитой символов - КНЗС. В последние годы в цифровых системах связи активно стала применяться передача больших объемов мультимедийной информации. Особенностью цифрового потока мультимедийной информации является не равная значимость для потребителя разных бит информационной последовательности. Если при искажении бит, отвечающих за перенос аудио или видеоинформации, ее можно восстановить другими способами (например, за счет интерполяции или маскирования), то искажение служебных бит может привести к потере целого кадра информации или сбою синхронизации.
Разработка кодеков турбокода для Систем В
Разрабатываемые предложения направлены на совершенствование метрологии современных цифровых каналов, организованных в телекоммуникационных радиосистемах для передачи звуковых вещательных сигналов. Это связано с реализацией на основе таких систем цифрового радиовещания (ЦРВ), интенсивно развивающегося во многих странах мира, включая Россию.
По мере продвижения цифрового радиовещания на российский рынок услуг связи будет возрастать необходимость объективного контроля их качества. Однако вопрос о контроле потребительского качества услуг радиовещания, по нашим данным, всерьез (то есть на уровне разработки нормативных документов) никогда не рассматривался. Объясняется это исторически сложившимися реалиями. Критический анализ основных нормативных документов, регламентирующих радиовещание, показывает их явную недостаточность для осуществления такого контроля [10]. Так, в соответствии с ГОСТ 11515-91 [136] нормированию и, следовательно, контролю подлежит лишь участок электрического канала звукового вещания (КЗВ) от источника сигнала до антенны передатчика.
В условиях России развертывание систем ЦРВ предполагает использование разветвленной первичной сети подачи программ звукового вещания практически студийного качества на удаленные передатчики. Существующие сети не предусматривают передачу вещательных сигналов с таким качеством.
Усилиями специалистов создаются звуковые программы, воздействие которых на слушателя в значительной степени определяется объективными параметрами звуковых вещательных сигналов (ЗВС). Параметры ЗВС, определяющие его семантическую (смысловую) информативность, достаточно хорошо изучены и их сохранение, как правило, обеспечивается существующими системами передачи. В то же время ценность характеристик ЗВС, определяющих его эмоциональную (эстетическую) информативность, зачастую недооценивается при определении требований к трактам, входящим в состав КЗВ, да и к самим программам. Особенно остро эта проблема встает в системах высококачественной передачи звука, о которых в данной работе и идет речь,
К основным характеристикам КЗВ могут быть отнесены: воспроизводимый диапазон частот; неравномерность частотной характеристики в пределах воспроизводимого диапазона частот; нелинейные искажения; фазовые искажения; фон и шум. Значительный ущерб качеству звуковоспроизведения могут причинить внешние помехи — атмосферные, индустриальные, от электробытовых приборов и др., а также сжатие или ограничение динамического диапазона передачи, осуществляемое либо звукорежиссёрами, либо автоматически — ограничителями или компрессорами. К настоящему времени к искажающим факторам следует добавить ряд аудиопроцессорных устройств дополнительной обработки вещательного сигнала в трактах передачи, входящих в канал, и цифровые звенья с глубоким устранением избыточности. В результате такой обработки прежде всего страдает эмоциональная информативность ЗВС.
Цифровое радиовещание стало реальностью именно благодаря многократному сжатию широкополосного вещательного сигнала. Ясно, что ни аудиопроцессорные устройства, ни кодеры источника с высокоэффективным устранением избыточности не предполагают сохранения формы реального сигнала - при идеальной передаче тестовых, если в качестве последних используются гармонические сигналы. Поэтому чтобы судить о степени и источниках деградации сигнала, необходимо адекватное метрологическое обеспечение современных систем радиовещания - для объективного контроля качества реальных сигналов на всех этапах передачи, включая контроль у потребителя.
Единственным достаточно точным методом оценки качества передачи ЗВС по адптивным каналам остаются субъективно-статистические испытания (ССИ). Процедура весьма трудоемкая, длительная и дорогая, но при тщательном выполнении обеспечивающая достаточно точную оценку. К сожалению, в настоящее время ССИ проводятся, в основном, самими разработчиками алгоритмов обработки и представления сигналов ЗВ, что не всегда гарантирует от неосознанного субъективизма при обработке и интерпретации их результатов. Ясно, что ССИ как метод измерений совершенно не пригоден для практического применения в условиях эксплуатации.
Звуковой сигнал (ЗС), с одной стороны, можно рассматривать как случайный процесс, описываемый своими вероятностными характеристиками, а с другой - как объект слухового восприятия, подчиняющийся законам психофизиологии слуха (рис.4.1) [13].
При передаче по каналам и трактам первичного и вторичного распределения ЗС рассматривается как случайный процесс, вероятностные характеристики которого определяют выбор таких параметров как динамический диапазон, частотная полоса, отношение сигнал/шум. Эти параметры канала могут быть с определенной точностью измерены инструментально, т.е. объективно. Однако при таком подходе невозможно оценить приемлемость качества передачи ЗС с позиций воспринимающего субъекта - человека.
Знание законов психофизиологии слуха необходимо не только для оценки качества вещательного сигнала на выходе системы передачи. В определенной степени законы слухового восприятия должны учитываться и при выборе собственно параметров системы передачи. Однако, последнее утверждение не находит своего подтверждения, в частности, при измерениях качества цифрового канала с соответствии с рекомендациями ITU. Остановимся на этом вопросе более подробно.
Индивидуальный канал подачи вещательной программы, организованный в цифровой ТКРС, обладает разными характеристиками в зависимости от точек их измерения. В общем виде это показано на рис.4.2, где из нетрадиционных использованы обозначения: КИ и ДКИ - соответственно кодер и декодер источника, а КК и ДКК - кодер и декодер канала.
Оценка помехоустойчивости цифрового капала передачи данных
Основными параметрами при измерении цифрового двоичного канала являются BER (параметр ошибки по битам) и ES (количество секунд, пораженных ошибками). Все остальные параметры, определение которых предусмотрено вышеупомянутыми рекомендациями, являются производными этих двух параметров. Частота битовых ошибок BER - отношение числа ошибочных бит к общему числу бит, переданных по каналу за время проведения теста, - является основным параметром в системах цифровой передачи.
Рекомендации ITU распространяются и на радиосистемы передачи звуковых вещательных сигналов, реализованные на основе спутниковых систем [133]. В частности, для скорости передачи в пределах от 1,5 до 5,0 Мбит/с в блоках, насчитывающих от 2000 до 8000 бит, должны выполняться следующие требования: ESR 0,014, SESR 0,0007, BBER 1,05-10"4 (ESR-коэффициент ошибок по секундам с ошибками, SESR - коэффициент ошибок по секундам, пораженным ошибками, BBER — коэффициент ошибок по блокам с фоновыми ошибками). Как отмечалось выше, эти параметры являются производными от базовых - BER и ES. Основной характеристикой качества ЦКПД является его помехоустойчивость. Применение в цифровом канале передачи турбокодирования, с точки зрения измерения основной качественной характеристики канала - его помехоустойчивости, ничего, в принципе, не меняет — должны выполняться требования вышеупомянутых рекомендаций ITU - просто в каналах с кодированием эти требования будут выполняться при меньших энергетических затратах. Однако, их выполнение не гарантирует надлежащего качества услуги вещания, поскольку источником искажений сигнала может явиться, например, кодек источника с устранением избыточности. Хотя такой кодек входит в структуру цифрового канала, однако типовые процедуры измерений, регламентированные международными рекомендациями, т. е. классической метрологией ЦКПД, не в состоянии обнаружить искажения, вызванные глубоким устранением избыточности в цифровом вещательном сигнале [13,31], Выход может быть найден на основе использования последних разработок специалистов МТУСИ [140,141,10,13 и др.]. Рассмотрим этот вопрос с целью выработки конкретных рекомендаций.
В какой мере выполнение рекомендаций ITU в цифровых каналах передачи сигналов ЗВ гарантирует нормативное качество услуги звукового вещания? Для получения ответа воспользуемся информацией о влиянии цифровых ошибок в тракте передачи на качество вещательного сигнала на аналоговом выходе (см. например [31]). Ясно, что в этом случае звуковой сигнал выступает как объект слухового восприятия.
Средняя вероятность ошибок, приходящаяся на информационный бит, (средняя вероятность ошибочного приема элемента сигнала) Рош - основная характеристика помехоустойчивости цифровых систем связи и вещания; в обозначениях, принятых на рис. 4.2, - это характеристика ЦБК. Она носит ФУпповой вид и показывает значение достоверности приема, среднее для всей информации, передаваемой по каналу за сеанс связи. Применительно к ЦБК, помехоустойчивость характеризует способность доставить потребителю звуковые программы с субъективно высоким качеством (без заметных на слух искажений), а также передать без видимых искажений сопутствующие данные, по каналу, определяемому принятой моделью (которая в ЦРСП определяется свойствами радиоканала). Поэтому должен быть установлен приемлемый уровень ошибок на бит информации - как допустимая остаточная вероятность ошибок после декодирования Рост, не приводящая к заметным на слух искажениям на аналоговом выходе (см. разд. 2.8 и гл.З).
Величина Рост определяется критерием щелчка, в соответствие с которым при высококачественном звуковоспроизведении субъективно допустимо появление не более одного щелчка в час. Эта норма позволяет конкретизировать требования к Рост и, следовательно, к энергетическим характеристикам системы передачи. Для определения величины Рост, помимо корректирующей способности канального кода, также должны учитываться порог чувствительности и инерционность слуха человека.
Дело в том, что допустимые искажения цифрового ЗС достаточно трансформировать в искажения на аналоговом выходе, лежащие ниже порога чувствительности человеческого слуха. На основе этого принципа и реализуется маскирование - замена искаженного отсчета сигнала ЗВ другим отсчетом, минимально отличающимся от истинного. При этом инерционность слуха человека позволяет эффективно маскировать ошибки, если их число не превышает одной - десяти в секунду, то есть если интервал времени между смежными ошибками (интервал маскирования) отвечает условию Т0,„ 0,1... 1,0 с [30,31].
Таким образом, учет законов психофизиологии слуха и требований критерия щелчка позволяет определиться с допустимой остаточной вероятностью ошибок - как правило, 10"5 Р0СТ 10"3. Анализ показывает, что требования к норме BER (параметру ЦКПД) и величине Росг (характеристике ЦВК) не совпадают. Это является следствием разного подхода к оценке показателей качества - без учета свойств слуха и с их учетом. Очевидно, что «человеческий фактор» позволяет несколько понизить требования к характеристикам ЦСП, Так, согласно [133], норма на коэффициент секунд с ошибками ESR 0,014, если же исходить из допустимой величины интервала маскирования, то этот параметр может быть увеличен приблизительно на два порядка. При этом, естественно, не следует забывать, что эта либерализация требований на вероятность ошибок не может распространяться на цифровые каналы и тракты общего назначения.
Как отмечалось выше, физический канал (структурная схема на рис.4.2) не единственный источник искажений звукового вещательного сигнала в ТКРС. Принципиальное отличие ЦКПД от цифрового вещательного канала заключается в использо-вании кодека источника, предназначенного для устранения избыточности в первичном цифровом вещательном сигнале. Базовой системой компактного представления вещательных сигналов является система MUSICAM, разработанная в 1989 г. в рамках проекта Eureka 147/DAB и стандартизованная в 1993 г. в европейском стандарте ISO/IEC 11172-3 (MPEG-1 Audio, Layer 2). Для областей применения, требующих высокого качества звука, сравнимого с CD-качеством, но при более низких цифровых скоростях, этот стандарт определяет в качестве типовых скорости от 64 до 192 кбит/с на монофоническую программу [31],
В основе практически всех стандартов MPEG лежит субполосное кодирование с динамическим квантованием в частотных полосах слуха, поскольку именно представление сигнала в частотной области обеспечивает наибольшие из достигнутых в настоящее время значения коэффициентов сжатия. Если при интерполяции ошибочных отсчетов ЗС в основном используется инерционность слуха, то в процессе компактного представления -вся совокупность свойств слухового восприятия, обобщенно определяемая как психо акустическая модель (ПАМ). На основе использования этой модели из сигнала удаляются все компоненты, которые не могут быть восприняты человеческим ухом.
