Voorstelling van het digitaal radiosysteem D rm juli 2011 - videosat.be

1. Voorstelling van het digitaal radiosysteem Drm juli 2011 - www.videosat.be

2. Drm Digital Rights ManagementDigital Multimedia Broadcast Digital radio mondiale Muziek in quasi FM stereo kwaliteit op de AM banden voor uitzendfrequentie tot 30MHz.

3. actiegroep met 85 leden uit 27 verschillende landen die de mediawereld vertegenwoordigen. • het doel is het terug opwaarderen van de AM banden. • door het toepassen van digitale audio kan quasi FM stereo kwaliteit + meer op de bestaande AM banden weergegeven worden. • opgestart in maart 1998 met doel het Drm signaal en kwaliteit aan het brede publiek vor te stellen.

4. De radiotechniek tot op vandaag: • 1) AM (amplitudemodulatie) is gestart begin jaren 1900 en is één van de oudste modulatietechnieken. • De frequentiebanden voor AM zijn: • Lange golf: 148,5 tot 283,5kHz • Midden golf: 520 tot 1.611kHz • Korte golf: (subbanden) • De 75 en 60 meterband werd voor Europagereserveerd maar is op weinig ontvangersuitgerust.

5. AM: de amplitude van de draaggolf wordt gewijzigd door de modulerende informatie (muziek – gesproken woord) Bandbreedte, dit is wat in de ether aanfrequentieruimte nodig is om een gemo-duleerd signaal te kunnen versturen: 2 x de hoogst modulerende frequentie.vb: signaal tot 20kHz vraagt na modulatieeen bandbreedte van 40kHz in DZB. Grote nadeel van AM: bijzonder storingsgevoelig

6. Gevolg:In de MG 550 tot 1611kHz, en kanaalafstand van 40kHz zou er slechts plaats zijn voor 26 radiozenders wereldwijd. Daarom: Internationale afspraak op een Congres te Geneveom de hoogst modulerende frequentie te beperken tot 4,5kHz. De nodige bandbreedte en kanaalafstand is dan beperkt tot9kHz voor LG en MG en 10kHz voor de KG.

7. Résume: • Van het hoorbaar spectrum tot 18kHz (kinderen tot 20kHz)worden slechts de grondtonen tot 4,5kHz weergegeven. • ONMOGELIJK om de klankkleur weer te geven. Klankkeur zijn hogere harmonischen van de grondgolf: zo klinkt een blokgolf van 4kHz anders dan een zuivere sinusoïdale golf. Het verschil is de klankkleur. • In de natuur zijn de hoogst voorkomende frequenties beperkt tot 4kHz, inbegrip van de muziekinstrumenten. DIT IS LOW QUALITY MUSIC

8. 2) FM (frequentiemodulatie) is gestart in de jaren 1942 - 1950 door een groot tekort aan frequenties en de vraag naar betere geluidsoverdracht. De frequentieband is de VHF band II van 87 tot 108MHz.

9. FM: de frequentie van de draaggolf wordt gewijzigd door de modulerende informatie (muziek – gesproken woord) Bandbreedte, dit is wat in de ether aanfrequentieruimte nodig is om een gemo-duleerd signaal te kunnen versturen:Theoretisch  groot.Praktisch 250kHz.Kanaalafstand FM is 300kHzVb: signaal tot 20kHz vraagt na modulatieeen bandbreedte van 250kHz.

10. Bandbreedte is altijd zeer groot bij FM en past daarom niet meer in frequentiebanden < 30MHz. Vandaar dat FM steeds in hogere frequentiebanden ligt. • Uitgezonderd smalband FM modulatie voor gesproken woord, toegepast in de CB band (27MHz) en amateur radio.

11. Résumé: • FM is een zeer complexe (Bessel functie) maar een veeleenvoudigere modulatietechniek dan AM. • De hoogste weer te geven frequentie is 15kHz MONORAAL. De bandbreedte is 250kHz en kanaalafstand 300kHz. • Omwille van het beperken van de bandbreedte tot 250kHz is AM overdracht kwalitatief BETER dan FM (AM klank bij TV norm SECAM L – franse zenders via antenne). DIT IS QUALITY MUSIC

12. Een dégradatie van de hoogwaardige mono FM kwaliteit: . . . • Men moest persé stereo geluid + RDS + achtergrondmuziekkunnen versturen met dezelfde draaggolf. • De modulatie-index die oorspronkelijk 5 was zakt nu naar 1. • Dit houdt een slechtere en dus minder getrouwe informatieweergave in. Tevens wordt de S/N verhouding slechter. DIT IS LOWER QUALITY MUSIC

13. Een derde analoge modulatievorm is PM (fase modulatie)maar werd bij analoge radio-omroep nooit toegepast.Deze modulatietechniek werd gereserveerdvoor legerdoeleinden. Is beter dan FM; minder ruis. Bij digitale informatieoverdracht is PM echter WELgekend en gebruikt.

14. Drm . . . de techniek Uitgangspunt: overbrengen van sterk gecomprimeerdedigitale informatie over lange afstanden met beperktetransmissie bandbreedte, nl de bestaande bandbreedte. Kanaalcodering: COFDMCoded Orthogonal Frequency-Division Multiplexing. Modulatie: QAM Quadrature Amplitude Modulation. Mogelijkheid om veel data-informatie in een smaltransmissiemedium te verzenden. QAM is een combinatie van fase (PM) en amplitudemodulatie (AM) en kan zowel analoge (PAL – NTSC)als digitale informatie moduleren.

15. VAN ANALOGE NAAR DIGITALE AUDIO Het sleutelwoord is sampelen; analoge signalen wordenomgezet in digitale informatie door sampelen. Is gestart met de CD speler, eind jaren 1970. Gelukkig waren compressietechnieken nog niet goed gekenden hadden de ontwerpers de techniek zeker niet onder de knie.=> De audio CD is een zeer goed medium met hoge kwaliteit. Van het analoog signaal wordt nu en dan een sampel(staaltje) genomen. Om nadien het analoge signaal terugte kunnen reconstrueren moet de sampelfrequentieMINSTENS het dubbele zijn van de hoogste over te brengeninformatie frequentie.

16. Van ieder sampel wordt een 16bit woord gemaakt. De hoogste amplitude is 1111 1111 1111 1111, de laagste amplitude is 0000 0000 000 0000. Het totaal aantal bits per seconde voor de CD speler is:44,1 sampels/s x 16bits/sampel en x 2 voor stereo = 1,44112 Mbps. Dit kan ONMOGELIJK in een 10kHz breedbandigtransmissie medium verstuurd worden.De transmissiekost is hiervoor VEEL te hoog (DSR 1980!).Voor het bewaren van zo’n datastroom maakt dit niet veeluit, gezien de goedkope geheugenprijzen (harddicks).

17. Het tweede sleutelwoord in digitale audio is reductie encompressie van de bit rate. Dit is mogelijk door: 1) sampelfrequentie te verlagen 2) resolutie, het bitwoord verkleinen 3) toepassen van Audio – Masking Effect.

19. Digitale audio compressie is gebaseerd op:1) geluid (frequentie - tonen) onder en boven de gehoordrempel (30Hz - 15kHz) wordt niet gecodeerd. 2) zwakke geluiden onder veel sterkere geluiden worden ook niet gecodeerd omdat het menselijk oor deze niet kan onderscheiden (maskeringseffekt). Drm gebruikt AACPLUS compressie coderingstechnologie:° High Efficiency MPEG-4 AAC (Advanced Audio Coding)° SBR (Spectral band Replication) MPEG-4 geeft een meer effeciënte audio compressie dande vroegere MPEG-2 en MPEG-3 codering.

20. Andere coderingstechnieken algemeen toegepast: - True lossless Coding – Entropy reduction: 2:1 (o.a. Winzip)- ADPCM coding: 4:1 (384kbps wordt gebruikt in 20kHz breedbandig transmissiekanaal (feed))- Perceptual Coding: 10:1 (audiostreaming over internet is hiermee mogelijk)- AACPLUS - MP4: 16:1 So what’s the big deal about AACPLUS?

21. Werking van AACPLUS via een voorbeeld SBR (Spectral Band Replication): recente tool voor bit rate reductie ontwikkeld door Coding Technologie Om dit analoog signaal tot 15kHz digitaal te verzenden is een min sampelfrequentie van 32kHz nodig. De ruwe data bit rate voor dit (mono) signaal is dan 32 x 16 = 512kbps. Het doel is de totale bit ratete beperken tot 21,6k bit per seconde. Dit is een compressieverhouding van 512/21,6 = 24. Zelfs de beste AAC coder maakt hier een slechte weergave voor de hoogste frequenties.

22. Wat als de hoogste over te brengen frequentie 7kHz wordt? Om een 10kHz audiosignaal te digitaliseren dient minstens gesampeld te worden op 20kHz. In AAC wordt 24kHz standaard genomen met een kwantisering van 16 bits/sampel. Dit is een bit rate van 24 x 16 = 384 kbps (is wel goed voor max audio frequentie tot 12kHz).Omdat echter in deze spectrale frequentieband 7kHz de hoogst over te brengen frequentie is, wordtverder data gereduceerd met een factor 0,58 = 384 x 0,58 = 223kbps. De bit rate target is 21,6kbps, dan is de compressieverhouding 10:1. Dit is aan haalbare kaart!

23. Wat met de hoge tonen tot 15kHz? De lage tonen tot 6 – 7kHz worden via AAC gesampeld met 24kHz. Dit zijn de fundamentele frequenties. De hoge tonen tot 15kHz worden via SBR gesampeld met 48kHz (24kHz is te laag voor 15kHz signaal).Dit zijn harmonische frequenties van de grondgolven. Ze worden GERECONSTRUEERD aan de handvan de AAC sampels. Op deze wijze is de bijkomende bit rate voor het overbrengen van de hogere frequenties vanaf7 tot 15kHz beperkt tot 1 – 3kbps.=> De hogere harmonische omvatten WEINIG informatie. De belangrijkste informatie is omhuld in de fundamentele frequentie die ‘oversampeld’ zijn en dus een zeer getrouwe weergave bieden.

24. AAC + SBR = High Efficiency AAC (HE AAC) = AACPLUS De AAC coder sampelt met een frequentie van 24kHz voor fundamentele frequenties tot 7kHz. Hij werkt hierdoor met een compressieverhouding van 10:1. Zijn bit rate is 20,6kbps.De SBR analyser sampelt met een frequentie van 48kHz en genereert een bijkomende bit rate van 1kbps.Tezamen goed voor een totale bit rate van 21,6kbps = TARGET!

25. Drm gebruikt 3 verschillende audio codes: AAC, MPEG4-CELP en HVXC.Deze laatste 2 zijn specifiek voor spraak en dus lage bit rate.

26. Decoder:AAC decoder verzorgt de 7kHz fundamentele frequenties. SBR verwerkt deze fundamentelefrequenties tot harmonische frequenties binnen de bandbreedte 7 –15kHz en worden aanhet basissignaal toegevoegd tot een volwaardig audiospectrum van 30 –15kHz. Ook genoemd 2kbps SBR “helper” signaal.

27. Stereoweergave via AM • Is in principe 2 x mono dus 2 x 24kbps (48kbps). Dit kan, maar de benodigde bandbreedte is hiervoor 20kHz  AM bandbreedte • Speciaal voor Drm: Parametric Stereo Coding of P Stereo • Gebruikt twee parameters: * Panorama (Pan) * Stereo Ambience (SA) • Pan bevat info over de frequentie selectieve niveauverschillen tussen L en R kanaal • SA bevat frequentie selectieve informatie over het stereo niveau en de controle wanneer stereo overgaat in mono • De Pan en SA parameters + controlebits worden ieder SBR frame verstuurd. Controle en overhead is enkel 50bps • Bij complexe stereofragmenten: bijkomde bit rate 1,2 tot 2,5kps, dus geen bijkomende 24kbps voor een tweede audiokanaal!

28. Drm transmissie techniek Verzenden van DIGITALE informatie via de AM zenders.De LG en MG planten zich voort als grondgolven.=> geen of minimale fading. De KG planten zich voort via reflecties in de luchtlagen=> max aan fading, vooral ‘s nachts. Overbrugt zeer grote afstanden. Dus: een zending in LG en MG is MINDER storingsgevoelig dan een uitzending in de KG.

29. Voortplantingswijze van radiogolven De kortegolf De middengolf De langegolf De FM golf

30. Daarom zijn er 4 Drm uitzendmodes voorzien. => Mode A wordt toegepast in LG en MG B=9kHz=> Mode B wordt toegepast in KG met B=10kHz.

31. Mode A en B Met de beschikbare bit rate en gebruik van AAC en SBRis de audioweergave 30Hz tot 15,2kHz.Dit is gelijk met FM radio, maar dank zij de AACpluscompressie uitzendbaar binnen een B = 9/10kHz. Vandaar: FM stereo kwaliteit op de AM banden. Mode C en D zijn specifiek voor het doorgeven van zeerlage audiofrequenties, het gesproken woord. De bit rates zijnzeer laag en kunnen in een smalle transmissiekanaalverstuurd worden. Wordt niet als commerciële zending gebruikt.

32. De data kan daarenboven beschermd – extra beveiligdworden tegen storingen, vooral tegen fading en doppler.=> Protection Level 0 tot 3. Hoe lager het Prot level, hoe robuuster het signaal is tegenfading en meer-wegen interferenties met enkel een lagebit rate ter beschikking. De “broadcaster” bepaalt de mode/bit rate om het storings-ongevoeligst zijn target gebied te bereiken. Ze kunnenomgeschakeld worden tijdens een uitzending.

33. Overzicht van de bit rates voor max AACPlusin functie van de beveiligingsniveau’s Typische bit rate in 9kHz band-breedte met MSC=64 QAM (MG) Typische bit rate voor mode B in10kHz bandbreedte (KG) Bit rates zijn opgegeven voor EEP (Equal Error Protection) tegenover UEP (Unequal ErrorProtection) . Hierin zijn sommige audioblokken beter beveiligd tegenover ander blokkendie veel minder beveiligd zijn. De nuttige audio bit rate daalt bij toepassen van multmedia (tekst of sleges 0,2 - 0,4 tot 0,8kps)

34. Het verhogen van het beveiligingsniveau (Prot Level 0 - 3)zorgt voor een stijging van bit rate en een verbetering vande audiokwaliteit.=> Het “Protection Level” vreet aan de audiokwaliteit. • Mode A, MSCmod=64QAM en Prot 3 (min robuust) geeft de hoogste audio kwaliteit! • Lager bit rates geven slechts een LF spectrum tot 7kHz (geen SBR – geen P stereo - AAC12kHz - 16QAM).

35. De Drm datastroom is in drie hoofdkanalen verdeeld: FAC: Fast Access Channel SDC: Service Description Channel MSC: Main Service Channel

36. FAC: Fast Access Channel • Zeer robuust en omvat relatief weinig data. • Steeds gemoduleerd in 4QAM. • Omvat de initiële data en specifieke technische kenmerken van het afgestemde programma, nodig om de Drm decoder snel en goed in te stellen. • FAC blok bestaat uit 72bits (64 data + 8bits CRC). • Ieder transmissieframe bevat een FAC blok (400ms).

37. In de Fast Access Channel datastroom zijn o.a. bepaald: • Gebruikte bandbreedte 4,5 - 9 - 10 (-18 - 20)kHz • MSC modulatie in 16 of 64QAM • SDC mode 4 of 16QAM • Aantal audio of data kanalen • Taal van de target • Audio/data vlag • Service omschrijving (muziek, pop, oldies, …).

38. SDC: Service Description Channel • Voldoende robuust en omvat eveneens weinig data. • Gemoduleerd in 4 of 16QAM . • Omvat informatie over de beschikbare services en hoe MSC moet gedecodeerd worden. • Omvat de informatie van het afgestemde radioprogramma in 16 karakters en de RDS informatie, datum en tijd. • SDC wordt steeds bij het begin van ieder ‘superframe’ uitgezonden om de 1,2s in een vaste code rate.

39. MSC: Main Service Channel • Omvat alle data voor de geleverde services binnen DRM. Dit zijn er max 4 (radio, tekst en beelden). • Gemoduleerd in 16 of 64QAM. Er is veel data van doen.- 16QAM: zeer robuust maar lage audiokwaliteit tot 6kHz - 64QAM: hoog LF frequentiespectrum weergave tot 15,2kHz - bit rate tussen 8 tot 24kbps. • Audio streams omvatten de gecomprimeerde audio data blokken of frames (400ms). Iedere blok kan op het einde radiotekst-informatie omvatten (80bps).

40. Transmissie frame: 400ms.Superframe: 1,2s = 3 transmissie frames. Één transmissie frame bestaat uit 15 OFDM symbolen.

41. Hoe wordt de volledige Drm datastroom gemoduleerdof op de hoogfrequent radiodraaggolf vastgezet? De toegepaste technologieën zijn:* OFDM - Orthogonal Frequency Division Multiplexing COFDM - Coding OFDM: staat voor voorwaardse fout correctie. COFDM is robuuster tegen fading en meerweg ontvangst. * QAM - Quadratuur Amplitude Modulatie: conbinatie van phase en amplitude modulatie.

42. Voorbeeld van meerweg ontvangst.

43. OFDM - Orthogonal Frequency Division Multiplexing • Techniek waarbij de te verzenden data verdeeld wordt over een groot aantal smalbandige gemoduleerde draaggolven. Hiervoor wordt de totale datastream opgedeeld in frames die op een draaggolf gemoduleerd wordt. Iedere draaggolf gedraagt zich als een onafhankelijk communicatiekanaaltje. • Geeft een zeer grote robuustheid tegen interferentie en fading. • Draaggolven moeten op zeer preciese afstand van mekaar staan. • Toegepast in mobiele omgeving en de digitale omroep DAB, DVB-T, DRM en eveneens toegepast bij ADSL (discrete toon modulatie). • Is zeer rekenintensief en eist snelle computers – systemen. • Het is een spectrum efficiënt digitaal transmissiesysteem (= veel datatrans- missie in een zeer kleine bandbreedte).

44. De verschillende op gelijke afstand aanwezige draaggolvenvormen de basis voor de digitale uitzending.Het aantal draaggolven, draaggolfmodulatie en de afstand is verschillend volgens het uitzendsysteem en toepassing. DAB: 1536 draaggolven op 1kHz afstandDVB-T: 1705 draaggolven op 4,464kHz afstand

45. Drm OFDM Het aantal draaggolven is afhankelijk van de Drmmode en de gebruikte bandbreedte 9 of 10kHz. Niet alle draaggolven bevatten data. Sommige dienen als pilootof voor andere herkenningen of referenties. Al deze draaggolven zijnhoogfrequent en kunnen zich dus voortplanten in de ruimte.De data wordt in QAM gemoduleerd op deze individuele draaggolfjes.

46. - Voorstelling van enkele hulpdragers.- Deze draaggolven zijn verschoven in frequentie fu = 1/tu. - tu: ontvanger openings- of vangperiode. Op dit tijdstip is de energie van de zijbanden van de overige hulpdraaggolven verwaarloosbaar laag en zeker niet storend. - Een wachttijd (guard interval) tussen de symbolen is bedoeld om de ontvanger steeds naar dezelfde datastroom te doen kijken.

47. multipath tu: symbool lengte = integratie periode. tg: wachttijd intervalts: totale symboollengte = tu+tg Door het toevoegen van een goed berekendewachttijd interval (rose vakjes) wordt verstoring doormeerweg ontvangst (Intersymbol Inter-ference ISI) vermeden. Deze lengte is zeer kritisch.

48. QAM – Quadraduur Amplidtude modulatie Is afgeleid van QPSK (Quadratuur Phase Shift Keying) waabij de amplitude van het signaal constant blijft. Ieder symbool stelt een twee bit (00 - 11) woord voor.

49. Bij QAM wijzigt de hoek én de amplitude.Hier zijn er 16 constellatie punten waardoor elk symbool 4 data bits verstuurd. Dit is 16QAM.64QAM verstuurd 64 punten waabij elk symbool 8 data bitsof een byte kan versturen. De punten komen echter dichterbij elkaar waardoor kans op verstoring steeds maar groter wordt.Bij verstoring komt een punt in een verkeerd vakje terecht.

50. Résumé: • - Analoge informatie wordt gedigitaliseerd.- In zijn basisvorm (lineaire codering) is de bit rate veel te hoog.- Er wordt gecomprimeerd en gereduceerd. • De totale bitrate wordt tenslotte 22kbps tot max 34,8kbps. • De hoogste bit rate geeft de beste audio kwaliteit. • Deze seriële datastroom wordt in frames in QAM gemoduleerd op individuele draaggolfjes.- Via krachtige zenders en grote antenne-installaties worden deze draaggolfjes de ether ingestuurd. Ze zijn hoogfrequent en beslaan gemakkelijk heel Europa.