Принципы построения новой российской аудиовизуальной информационной системы и ее метрологического обеспечения

Иртюга, Владимир Александрович

автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.04, диссертация на тему:Принципы построения новой российской аудиовизуальной информационной системы и ее метрологического обеспечения

кандидата технических наук: Иртюга, Владимир Александрович
город: Москва
год: 2009
специальность ВАК РФ: 05.12.04
цена: 450 рублей

Диссертация по радиотехнике и связи на тему «Принципы построения новой российской аудиовизуальной информационной системы и ее метрологического обеспечения»

Автореферат диссертации по теме "Принципы построения новой российской аудиовизуальной информационной системы и ее метрологического обеспечения"

Московский Государственный Технический Университет им. Н.Э. Баумана

На правах рукописи

УДК 004.421, 519.722, 621.317.799, 621.397

Иртюга Владимир Александрович

Принципы построения новой российской аудиовизуальной информационной системы и ее метрологического обеспечения

Специальность 05.12.04 -«Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

3 О^П?

Москва, 2009 г.

003468302

Работа выполнена на кафедре «Радиоэлектронные системы и устройства» Московского Государственного Технического Университета им. Н.Э.Баумана

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор МГТУ

им. Н.Э. Баумана Дворкович Виктор Павлович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Мишенков Сергей Львович

кандидат технических наук Быструшкин Константин Николаевич

Ведущая организация: ОАО «Всероссийский научно-

исследовательский институт телевидения и радиовещания» (ВНИИТР), г. Москва

Защита диссертации состоится 21 мая 2009 г. на заседании диссертационного совета ДС 451.001.01 при Закрытом Акционерном Обществе «МНИТИ» (Московский научно-исследовательский телевизионный институт) по адресу: 105094, г. Москва, ул. Гольяновская, д. 7а

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Закрытого Акционерного Общества «МНИТИ» (Московский научно-исследовательский телевизионный институт)

Автореферат разослан «_^>> ¿^¿¿¿^¿-^ 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук ---

А.Г. Барсуков

Общая характеристика работы

Актуальность научно-технической проблемы

Новые технологии, возникшие на стыке электросвязи и компьютерной техники, становятся основой современных локальных и глобальных коммуникационных систем. В настоящее время во всем мире осуществляется переход на цифровые методы передачи информации в телевидении, радиовещании. В связи с этим разработаны новые, цифровые, стандарты систем телевизионного и звукового вещания. Эти стандарты приняты к разработке и реализованы практически всеми развитыми странами мирового сообщества. К созданию этих стандартов были привлечены ведущие исследовательские центры и фирмы-производители радио и телекоммуникационного оборудования.

Так, в США была создана группа Grand Allianse (GA), которая в 1995 году разработала стандарт цифрового телевизионного вещания ATSC А/53, переход от аналогового вещания к которому практически уже завершается.

Стандарт европейского эфирного телевидения DVB-T был создан в 1997 году так называемой Европейской Группой Запуска (ELG), его внедрение активно осуществляется практически во всех странах Европы. К этому стандарту присоединилась и Россия, его внедрение согласно планам Правительства завершится в 2015 году.

При поддержке японской организации по стандартизации ARIB в 1999 году был создан стандарт телевизионного вещания ISDB-T, в ближайшие несколько лет завершится переход на этот стандарт.

В 2004 году европейский проект DVB дополнен стандартом DVB-H, предусматривающим возможность приема малоформатного телевизионного вещания на малые переносные приемные устройства.

В 2006 году в Китае разработан стандарт цифрового телевидения DMB-Т/Н, а в Бразилии - стандарт SBTD-T.

Все приведенные выше стандарты предусматривают передачу эфирного цифрового телевидения преимущественно в дециметровом диапазоне

радиоволн (выше 300 МГц) без нарушения стандартизованных частотных планов при полосе пропускания каждого из каналов 6, 7 или 8 МГц.

Исследования проблем цифрового звукового вещания, проводимые Европейским союзом вещателей (EBU) завершились в 1995 году разработкой стандарта DAB, который в 2006 году был дополнен функциями мультимедийного вещания и переименован в T-DMB, Радиовещание с применением этого стандарта предусматривается в верхней части диапазона метровых волн (в области 174-240 МГц) и в дециметровом диапазоне (14521492 МГц).

Для разработки цифрового стандарта звукового вещания в диапазонах длинных, средних и коротких волн (до 30 МГц) в 1998 году радиовещателями Европы и Америки был создан консорциум DRM, усилиями которого в 2001 году был создан соответствующий стандарт, внедряемый во многих странах мира, в том числе и в России.

В России проблемы перехода звукового радиовещания на цифровую основу начали изучаться еще в 1974 году, а в 1996 году Россия подписала соглашения по планированию цифрового звукового вещания T-DAB. Однако до настоящего времени переход на цифровое звуковое радиовещание в России не осуществлен, в то же время применение стандарта T-DAB в Европе выявило ряд его недостатков. При этом решение вопроса эффективной передачи цифровых потоков в узкой полосе частот (200-250 кГц) при мобильном приеме в условиях многолучевого распространения стоит остро до сих пор. Необходимость создания цифровых систем передачи аудио- и видеоинформации мобильным потребителям связана не только с возрастающей потребностью в доставке новых видов информационного контента, но и с экономической целесообразностью более эффективного использования полос частотного спектра. Кроме этого, остро стоит вопрос удовлетворения возросших запросов на получение различных видов информации в городском наземном транспорте в условиях плотной городской застройки и, как следствие, многолучевым распространением

сигнала и отсутствием прямой видимости антенны передатчика, а также в районах со сложным рельефом, в горной местности и в густых лесных массивах, где в указанных условиях с использованием известных на сегодня систем невозможно обеспечить удовлетворительное качество приема сигнала.

Необходимость перехода к цифровым системам доставки аудио- и видеоинформации мобильным потребителям связана не только с реализацией возможности передачи и приема новых видов информации, но и с экономической целесообразностью более эффективного использования полос частотного спектра.

В этих обстоятельствах установка на развертывание цифровых систем передачи видеоинформации цветных динамических изображений различного разрешения совместно с высококачественным стереофоническим звуковым сопровождением представляется наиболее целесообразной. Решение этих проблем, по сути, может вывести Россию на передовые позиции в развитии информационных технологий.

Как следует из вышеизложенного, разработка принципов построения новой Российской аудиовизуальной информационной системы, приспособленной для работы в условиях многолучевого распространения при мобильном приеме сигнала, а также исследования в данной области, являются весьма актуальными.

Цели и задачи диссертационной работы

Основной целью настоящей работы является разработка и создание высокоэффективной принципиально новой аудиовизуальной узкополосной цифровой информационной системы, ориентированной на мобильного абонента. Для этого должны быть решены следующие основные задачи:

- исследование существующих систем цифрового телерадиовещания и выбор эффективных методов кодирования аудио и видеоинформации;

- разработка принципов построения аудиовизуальной информационной системы АВИС;

- разработка алгоритмов и соответствующего программного обеспечения, реализующего элементы системы АВИС, в том числе алгоритмов канального кодирования, модуляции, синхронизации и др.;

- разработка аппаратно-программного комплекса системы АВИС;

- разработка эффективной системы кодирования стереозвуковой информации;

- разработка эффективных методов контроля и измерения звуковых каналов;

- проведение лабораторных и натурных испытаний модели системы АВИС;

практическая реализация принципов построения системы АВИС и метрологического обеспечения систем формирования и передачи звуковой информации.

Методы исследования

В качестве основного теоретического инструмента исследований использовались методы математического анализа, линейной алгебры, теории вероятностей и математической статистики, теории цифровой обработки одномерных и многомерных сигналов, теории статистической радиотехники, теории информации, теории помехоустойчивого кодирования, комбинаторики. При построении математических моделей каналов распространения сигнала в диссертационной работе использовались математические модели помехи, распределенной по законам Гаусса, Релея и Райса. Проведенные эксперименты обеспечили практическое подтверждение теоретических решений и эффективности разработанных методик.

Теоретической и методологической основой исследований являются труды отечественных и зарубежных ученых по теории цифровой обработки сигналов, статистической радиотехнике, звуковой метрологии, теории информации.

В процессе решения поставленных в диссертационной работе задач были использованы результаты трудов таких выдающихся ученых как Котельников В.А., Дворкович В.П., Новаковский C.B., Дворкович A.B., Игнатьев Н.К., Цукерман И.И., Антипин М.В., Кривошеев М.И., Зубарев Ю.Б., Левин Б.Р., Певзнер Б.М., Дьяконов В.П., Харкевич A.A., Тихонов В.И., Вентцель Е.С., Shannon С.Е., Blahut R.E., Prett W.K., Netravali A.N., Haskell B.G., Max J., Haffman D.F., Langdon G., Karhunen H., Loeve M., Gonzalez R.C., Woods R.E. и др.

Для создания и отладки программного и аппаратного обеспечения исследований и разработок при руководстве и активном участии автора использовались системы символьной математики «Mathematica» 2-5, MATLAB®, язык программирования С++, среда разработки Microsoft Developer Studio.

Научная новизна

К числу существенных результатов выполнения диссертационной работы, полученных автором и обладающих научной новизной, относятся нижеследующие:

- разработана модель новой цифровой узкополосной аудиовизуальной системы для мобильного абонента в ОВЧ-диапазоне;

- в рамках создания указанной системы предложены новые варианты использования OFDM-модулированного сигнала, адаптированные к требованиям к разрабатываемой системе, в том числе - к ее использованию в ОВЧ-диапазоне;

- предложены новые, устойчивые к шуму канала передачи методы синхронизации OFDM-модулированного сигнала;

- разработан программный звуковой кодек стандарта ААС;

- разработаны эффективные методы и устройства анализа качества каналов звукового вещания;

- разработан прибор АК-1 и организован его серийный выпуск;

- разработан многоканальный программно-аппартаный комплекс контроля каналов звукового вещания ИУЗК-32, и организован его серийный выпуск.

Личное участие автора в разработках по теме диссертационной работы

Во всех разработках по теме диссертации автор являлся ответственным исполнителем. Все приведенные в диссертационной работе результаты исследований получены лично автором диссертации. Идея построения системы, а также выбор определяющих направлений исследований высокоэффективных систем цифровой передачи аудиовизуальной информации и оценки их качества принадлежит проф. Дворковичу В.П. Исследования и разработка проводились при непосредственной, значимой и надежной поддержке члена-корреспондента РАН, проф. Зубарева Ю.Б.

На защиту диссертации выносятся следующие основные результаты:

- методика построения узкополосной аудиовизуальной информационной цифровой системы в ОВЧ-диапазоне в условиях многолучевого распространения сигнала для мобильного абонента;

принципы построения аудиовизуальной информационной системы

АВИС;

- алгоритмы и соответствующее программное обеспечение, реализующее элементы системы АВИС, в том числе - алгоритмы канального кодирования, модуляции, синхронизации и др.;

- аппаратно-программный комплекс системы АВИС;

- эффективная система кодирования стереозвуковой информации;

- эффективные методы контроля и измерения звуковых каналов;

результаты лабораторных и натурных испытаний модели системы

АВИС;

практическая реализация принципов построения системы АВИС и метрологического обеспечения систем формирования и передачи звуковой информации;

- вклады России в МСЭ по эффективному использованию ОВЧ-диапазона частот.

Теоретическая и практическая значимость результатов диссертационной работы

Разработаны принципы создания новой аудиовизуальной информационной системы и построения соответствующей аппаратуры на основе использования современной элементной базы и высокопроизводительных программируемых процессорных систем обработки информации. Помимо этого, результаты работы позволяют создать условия для реализации программируемых устройств студийного и связного применения, систем передачи аудиовизуальной информации в узкополосных каналах связи, например, в ОВЧ-диапазоне частот, аппаратуры приема в мобильных устройствах городского транспорта и частных автомашинах.

Применение результатов проведенных работ позволяет перейти на совершенно новую технологию информационных систем, включая создание:

- систем и сетей многопрограммного стерео звукового вещания с передачей нескольких программ в одном стандартном ОВЧ-ЧМ канале;

- систем и сетей мобильного видеовещания со стереозвуковым сопровождением при сохранении действующих частотных планов;

- компьютерных сервисных сетей обслуживания мобильных абонентов;

- систем автоматического многоканального метрологического контроля качества каналов звукового вещания.

Исследования и разработки, проведенные в рамках настоящей диссертационной работы, позволяют создать базу для дальнейшего развития отечественных конкурентоспособных цифровых вещательных технологий с целью обеспечения информационной безопасности России.

Реализация и внедрение результатов работы

На базе теоретических исследований и разработанных принципов и алгоритмов внедрены следующие системы:

- модель новой аудиовизуальной узкополосной мобильной системы, результаты разработки отражены во вкладах России в Международный союз электросвязи;

- программный аудиокодек стандарта ААС;

- система метрологического контроля каналов звукового вещания АК-1, внесенная в Государственный реестр средств измерения, кроме того данная система входит в состав аппаратуры цифрового телевидения в составе системы спутниковой связи «Приморка» (внедрение отмечено премией Правительства РФ);

- система многоканального динамического контроля звуковых трактов ИУЗК-32, входящая в состав штатного оборудования телевизионного технического центра "Останкино".

Проведены успешные испытания модели новой аудиовизуальной узкополосной системы для мобильного абонента АВИС.

Работа поддержана грантом Российского фонда фундаментальных исследований (РФФИ) № 04-07-90055 «Разработка и исследование системы передачи видео- и стереозвуковой информации по узкополосным каналам мобильной связи», а так же грантом Российского фонда технологического развития (РТФР) «Разработка аудиовизуальной информационной системы с использованием узкополосного канала связи для мобильных абонентов», шифр «Видео-М».

На основе проведенных исследований разработаны вклады России в МСЭ:

ITU-R Document 6Е/336-Е, 6М/133-Е, 3 March 2006. «Increase of the Band 8 (VHF) Utilization Efficiency»;

ITU-R Document 6M/150-E, 14 August 2006. Technical Report «Digital Mobile Narrowband Multimedia Broadcasting System AVIS».

Достоверность материалов диссертационной работы

Достоверность подтверждена результатами компьютерного моделирования процессов обработки различных видов информации, созданием действующих систем и устройств и их эксплуатацией в телекоммуникационных системах.

Апробация работы

Результаты, полученные в работе, докладывались и обсуждались на научных семинарах во ФГУП НИИРадио, на заседании кафедры PJI-1 МГТУ им. Н.Э. Баумана, Российских и международных научных конференциях и семинарах, в том числе:

- на Международных конференциях «Цифровая обработка сигналов и ее применение», 2004,2005 гг.;

- на научно-технической конференции «Прогрессивные радиотехнологии для инфокоммуникаций России. НИИР-55 - новые перспективы», 2004 г.;

- на 12-ой Всерооссийская межвузовская научно-техническая конференции студентов и аспирантов "Микроэлектроника и информатика", 2005 г.;

- на Научно-техническая конференция "Студенческая весна - 2005" МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2005 г..

Публикации

По теме диссертации опубликовано 15 научных работ, из них 6 статей, 7 докладов на научных конференциях, 2 вклада в МСЭ-Р; 1 статья в журнале, рекомендованным ВАК (ЦОС); 2 научных работы выполнены без соавторства. Результаты работы отражены также в 4 научных отчетах.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа содержит 323 страниц и состоит из введения, четырех глав и заключения. Библиографический список включает в себя 125

наименований. В Приложении приведены копии 3 актов о внедрении результатов диссертационной работы, копия протокола полевых испытаний системы АВИС и копии вкладов России в МСЭ, подверждающие результаты внедрения диссертационной работы.

Содержание работы

Во введении обоснована необходимость и актуальность проведения исследований и разработок в области построения высокоэффективной аудиовизуальной информационной системы цифрового наземного мобильного вещания, а также в области поиска эффективных методов контроля и измерения звуковых каналов. Сформулированы цели и задачи диссертационной работы, определена их новизна, научная и практическая ценность. Изложены основные положения, которые выносятся на публичную защиту.

Первая глава включает в себя обзор существующих систем кодирования аудио- и видеоинформации и систем цифрового наземного телевизионного и радиовещания.

Рассмотрены:

а) системы кодирования видеоинформации: Н-261, Н-263, MPEG-1, MPEG-2, MPEG-4 часть 2, MPEG-4 часть 10 (AVC/H.264);

б) системы кодирования аудиоинформации: G.711, G722, G.723.1, G.726, G.727, G.728, G.729, MPEG-1 L2 и L3, АС-3, ААС;

в) стандарты цифрового вещания: DVB-T, DRM, DVB-H, DAB/T-DMB.

На основании проведенных исследований и анализа существующих

систем цифрового кодирования аудио- и видеоинформации, методов канального помехоустойчивого кодирования и модуляции, передачи сигнала по различным каналам сделаны выводы о том, что:

а) разрабатанные мировым сообществом стандарты цифрового телерадиовещания не предусматривают повышения эффективности использования ОВЧ-диапазона частот, в связи с чем проблема разаработки

системы цифровой передачи аудиовизуальной информации в узкополосных каналах этого диапазона частот является весьма актуальной;

б) наиболее эффективная система кодирования видеоинформации обеспечивается кодеками, реализующими стандарт MPEG-4 (часть 10) H-264/AVC.

в) наиболее эффективная система кодирования аудиоинформации обеспечивается кодеками, реализующими стандарт MPEG-4 (Audio)/HE-AAC.

г) использование системы ортогональной частотно-разнесенной модуляции (OFDM) позволяет реализовать модуляцию цифрового сигнала наиболее эффективным образом.

Вторая глава посвящена разработке и исследованиям аудиовизуальной информационной системы АВИС.

Проведена спецификация параметров OFDM-модуляции сигнала, в соответствии с которой были выбраны: длина защитного интервала Т„ =1092 мкс, расстояние между соседними несущими 915.75 Гц, число информационных несущих 252, общее число несущих 279, ширина спектра сигнала 254.6 кГц, число пилотных несущих 27 (10 повторяющихся и 17 рассеянных).

Представлены алгоритмы реализованного звукового кодека реального времени с использованием методов спектрального отражения полосы звукового сигнала (Рис. 1) и параметрического стереокодирования.

Рис. 1: Схема БВЯ-кодера

Для обеспечения устойчивого захвата ОРОМ-модулированного сигнала предложен новый метод синхронизации, обеспечивающий эффективный захват начала символа при уровне гауссовского шума в канале 12 дБ. Предложенная система синхронизации основана на введении понятия виртуальных ОРОМ-символов, осуществляющих статистическое накопление информации о параметрах канала передачи и позволяющих снизить влияние канальных помех на точность оценки положения начала (ЖЖ-символа. На Рис. 2 представлена схема работы предложенного алгоритма:

Окно усреднения виртуальных статистических символов

Рис. 2: Схема алгоритма точной подстройки синхронизации ОРБМ-модулированного сигнала

Предложенный алгоритм основан на вычислении функции меры согласно следующим выражениям:

Мк = ^сош^сот + , где (1)

Ыср-1

к

ик , = У \{±юэтал - Дфк

ГсоМ | г / соп! Т1

сош

1=1

- значение меры для постоянных пилотных несущих, №р - число постоянных пилотных несущих;

А(рТ™ют - эталонная разность фаз между /-й и (¡-1)-й постоянными пилотными несущими;

^Ф^„,„, - разность фаз между 1-й и (7-7)-й постоянными пилотными несущими в спектре виртуального статистического символа;

Mscat

Nsp-1

= У Iд©зм - дФк

scat Vi

i=l

joh| . значение меры для рассеянных

пилотных несущих, - число рассеянных пилотных несущих;

^<Р]"ШЛ5Са, - эталонная разность фаз между /-й и (/-/)-й рассеянными пилотными несущими;

^Ф*SCat - разность фаз между f-й и (i-i)-ft рассеянными пилотными несущими в спектре виртуального статистического символа;

Wcor,< и Wscat - весовые коэффициенты для меры, рассчитанной по постоянным и рассеянным пилотным несущим. Так как постоянные пилотные несущие по времени встречаются в 5 раз чаще, были выбраны следующие весовые коэффициенты = 1 и wscat = 1 / 5.

Эффективность работы описанного алгоритма можно проиллюстрировать с помощью Рис. 3. На это рисунке слева отображен результат работы стандартного алгоритма точной подстройки синхронизации в канале с гауссовским шумом 12 дБ и рассинхронизацией между АЦП и ЦАП, а справа - результат работы нового алгоритма при тех же условиях.

и

Номер символа Номера

Рис. 3: слева - работа стандартного алгоритма точной подстройки, справа - работа нового алгоритма точной подстройки

Из рисунков видно, что новый алгоритм не чувствителен к такому уровню шума и эффективно отслеживает позицию начала ОРЭМ-символа.

Система канального кодирования и OFDM-модуляции определяется как функциональный блок, выполняющий адаптацию видеосигналов от выхода транспортного мультиплексора MPEG-4 к наземным характеристикам канала передачи. Поток цифровых данных подвергается следующим преобразованиям:

- синхронизация транспортного потока;

- адаптивное мультиплексирование транспортных потоков и рандомизация распределения энергии;

- внешнее кодирование (блочный код Рида-Соломона);

- внешняя компоновка;

- внутреннее кодирование (сверточное кодирование переменной длины);

- внутренняя компоновка (битовый перемежитель и частотный перемежитель);

- отображение и модуляция;

- передача OFDM.

Модулированный сигнал, излучаемый системой, описывается выражением:

(2)

,{l + L-m)-Ts<t<(l + L-m + \)-Ts

О

, иначе

где:

к индекс несущей;

к' индекс несущей от-но центральной частоты, к' = к- (К-1)/2;

/ номер символа OFDM;

т номер передаваемого кадра;

К общее число несущих, А=279;

L число символов в кадре, £=136

Ts общая длительность символа;

Тц длительность полезной части символа; Л длительность защитного интервала; /с центральная частота спектра РЧ-сигнала; с„ ц комплексный символ к-ой несущей /-го символа в кадре номер т. На Рис. 4 представлена диаграмма ввода пилотных несущих. Периодичность ввода пилотных несущих, включающих в себя 10 повторяющихся и 17 рассеянных, подобрана таким образом, чтобы граница, соответсвующая началу кадра состояла из символов с одинаковым расположением пилотных несущих (Рис. 4), что позволяет быстрее и эффективнее находить границу кадра.

- Номера несущих -

279

¿ОООООООООООООООООООвОООО ООООООООООООО^ символ о

вОООвОООООООООООООООООООв ООООООООООООО»™»«" <

вооооооовоооооооооооооооо ОООвОООООООООв»«»»2

вОООООООООООвОООООООООООО ОООООООвОООООв символ 3

вооооооооооооооовоооооооо ОООООООООООвОв <*»«л 4

Х888888888888888888888882 8888888888888:=?

•ОООООООвОООООООООООООООО ОООвОООООООООв символ 2

•ОООООООООООвОООООООООООО ОООООООвОООООв символ 3

Начало кадра к _пППППППППППвПвттоШ .

с

9 к ............. .................— .................' 11 " ' " " " " 11 " " ~ -----------

вОООООООООООООООООООвОООО ОООООООООООООв<*мвол0 1

-1/1 вОООООООООООООООООООвОООО ОООООООООООООв символ 0 I

V * ■ II II ,■ 11 II II II II I) I) II II II 1) II II | и II II II ■ I п II II II II II II II м II II II и |Ц|Щ111 1

шииишииииииииииииииииииив—иииииииииииииви'"!"! '

_ Информационные вОООООООвОООООООООООООООО ОООвОООООООООв символ 2

° несущие вОООООООООООвОООООООООООО ОООООООвОООООв символ 3

несущие вОООООООООООООООвОООООООО ОООООООООООвОв символ 4

п Повторяющиеся •ОООООООООООООООООСЮвОООО ОООООООООООООв символ о

пилотные несущие вОООвОООООООООООООООООООв ОООООООООООООв символ 1

вОООООООООООООООООООООООО ОООвОООООООООв символ 2

- Рассеянные вОООООООООООвОООООООООООО ОООООООвОООООв символ 3

пипотнью несущие вОООООООООООООООвОООООООО ОООООООООООвОв символ *

Рис. 4: Диаграмма ввода пилотных несущих

Одной из основных проблем системы, построенной с использованием ОРОМ-модуляции, является большой уровень пик-фактора сигнала системы. В силу этого такая система критична к нелинейным искажениям в канале, что ограничивает возможность использования нелинейных режимов усиления в мощных усилителях радиопередатчиков.

Пик-фактор многочастотного сигнала (РЕ) определяется как отношение пиковой мощности сигнала к его средней мощности;

/

шах 2 (0)

- непрерывный ОРОМ-модулированный сигнал; РЕ- значение пик-фактора, дБ; Т - длительность ОРБМ-символа.

Контроль над уровнем пик-фактора осуществлялся с помощью ограничения сигнала. Для точного определения уровня ограничения была исследована модель, схема которой представлена на Рис. 5.

генератор

шума

ОРОМ-модулятор

е

ограничитель

измеритель пик-фактора

измеритель отношения

С/Ш

Рис. 5: Схема измерения уровня пик-фактора В результате проведенных исследований были получены результаты, представленные на Рис. 6:

РЯ.сШ

Рис. 6: Ограничение сигнала в присутствии Гауссова шума

На вход ограничителя подавался зашумленный сигнал с заданным отношением сигнал/шум (5Ш(т): 6, 8, 12, 16, 20, 24, 30 дБ). Этот диапазон значений отношения С/Ш был выбран из соображений включения в него диапазона работа системы в реальных условиях. На выходе ограничителя измерялись пик-фактор и суммарное отношение сигнал/шум 8N11(041), значение последнего обуславливается значением входного (до ограничения) отношения С/Ш, а так же работой ограничителя, о чем было сказано ранее. Из анализа полученных данных был сделан вывод о том, что ограничение для выбранного диапазона значений отношения сигнал/шум не вносит существенных искажений при уровне пик-фактора, равном 10 дБ. В соответствии с этим для ОРОМ-модулятора системы было выбрано значение ограничения Ь=230.

Третья глава посвящена анализу методов метрологического обеспечения систем передачи аудиоинформации. В данной главе проводятся

исследования новых методов измерения каналов звукового вещания, реализующих высокоточный анализ всех параметров таких каналов.

В рамках настоящей работы предложены эффективные методы анализа параметров звуковых каналов с использованием дискретного преобразования Фурье (ДПФ). При этом звуковой сигнал предварительно умножается на специальную оконную функцию, обеспечивающую подавление компонент, лежащих вне пределов основного лепестка АЧХ этой функции, более чем на 60 дБ (Рис. 7). Использование ДПФ в сочетании с оконной функцией обусловлено еще и тем, что в узкой полосе анализа сигнала (полоса, соответствующая центральному лепестку оконной функции) помехи тракта передачи сигнал оказывают существенно меньшее влияние на точность оценки исследуемых параметров.

ДБ о -10 -20 -30 -40 -50 -60 -70 -80

-4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 бии

Рис. 7: График логарифма модуля спектра оконной функции

Предложенный в диссертационной работе метод расчета оконной функции позволяет получить оценку для частоты и уровня синусоидального сигнала. Модуль спектра оконной функции аппроксимируется выражением:

Без ограничения общности будем считать, что исследуемый синусоидальный сигнал вр) имеет амплитуду 17 частоту / Кроме того, обозначим: /= (ктах+Ах)А/, где к^ - индекс максимальной по модулю компоненты ДПФ, Ддге(-0.5, 0.5) - смещение истинного положения частоты относительно индекса в долях единицы, А/ - спектральное разрешение, Гц. Обозначим модуль ДПФ произведения входного сигнала и введенной оконной функции через Р!(к). Тогда с учетом введенных обозначений и допущений можно записать:

Ь„ + 26, cos—Дх + 26, cos— Ах ' 3 2 3

(5)

Предложенная оконная функция позволяет получить точные оценки амплитуды и и частоты / синусоидального сигнала для любого частотного сдвига Дхе(-0.5, 0.5):

[/ =

36„

(6)

/

{ * \ 46, + - 2) + + 2L JJ

Вычисление погрешностей полученных оценок частоты <5/" и амплитуды A U осуществляется с помощью математической модели, предполагающей наличие частотного дрожания спектральных компонент:

ДС/, = max |cos-(i + Ajc + A,)l + — У fcos—(i + Дх + Д,)] -100% (8)

Г 26, ^ Г я-

= шах cos—

А1,Д.,,Д3 .ЗА, it А з

Г я-

= min Г"1 2L cos—

.36,, /Г? А 3

100% (9)

AU= тах(\АЩ,\АЩЪ

Sf. = max

Sf_ = min

— arcsini+ .

3 . f(Ax,Д.,)-F,(Ax,A,) + f;(Ax.Д.,)-F1(Ax,A1)^ —arcsin ---^--

46,<-,(Дх) + Р2(Лх,Д_г) + Р2(Дх,ДгЬ

= тах(|<5/+|,| <5/.|), где

Д., - частотный сдвиг компоненты -1);

Д, - частотный сдвиг компоненты +1);

Д.2 - частотный сдвиг компоненты -2);

Д2 - частотный сдвиг компоненты ^ + 2);

-Дтах <Д1< Атах, ¡=-2,-1,1,2;

|Атах|=о(|Ад:|) - модуль максимального отклонения Дь

F,(Ax,A4) = C/

60 + 26, cosy(-l +Дх +Д_,) + 262 cos^(-l + Ax+

F,(Дх,Д,) = i/fbo + 26, cosy(1 + Дх +Д,) + 262cos^(l + Дг + ,

F_2 (Дх, A.j ) = + 26, cos у (-2 + Дх + Д_2) + 2b2 cos у- (-2 + Дх + Д _2)

-Дх

,(10) .(И)

(12)

(13)

(14)

(15)

(16)

F2(Дх,Д2) = £/|б0 + 26, cosy(2 + Дх + Д2) + 262cosy^(2 + Дх + Д2) Учитывая ограничения:

-Дтах <&i< Дтах,

-0.5 < Дх < 0.5, -0.5 < Ах + Д| < 0.5, ¡=■2,-1,1,2;

получаем задачу условной оптимизации функции Зх (для амплитуды) и 5 и (для частоты) переменных. В силу большой размерности полученных функций поиск решения в аналитическом виде является проблематичным. Поэтому для решения задачи был использован численный метод

наискорейшего (градиентного) спуска. Результаты численного анализа представлены на Рис. 8. Слева изображены графики зависимости А[/+(Атт) (верхний график), А ЩАтах) (нижний график), а справа д/+(Атах) (верхний график), ЩАщах) (нижний график).

Рис.8

В четвертой главе изложены результаты исследований характеристик системы АВИС в условиях мобильного приема видео- и аудиоинформации, результаты разработки звукового кодера этой системы, а также результаты исследований методов метрологического обеспечения систем передачи аудиоинформации.

Излагаются результаты проведенных лабораторных испытаний системы, проводившиеся как в кабельном канале по низкой частоте, так и в эфире по радиочастоте. При этом ипользовались такие модели распределения помехи как распределения Гаусса, Райса, Релея. В результате испытаний было установлено, что для обеспечения вероятности битовой ошибки на выходе внешнего декодера приблизительно равной 5-10"10 (уровень квазибезошибочного приема сигнала, соответствующего ошибке 1 бит в час, <2ЕР) при номинальной скорости 567 кбит/с отношение сигнал/шум в канале с гауссовским распределением помехи должно составлять 13.5 дБ, в канале с райсовским распределением 14 дБ и в канале с релеевским распределением 17 дБ.

В данной главе приводится математическое описание моделей указанных каналов. Канал с гауссовским распределением помехи моделировался в соответствии с выражением:

где

- входной сигнал; г(г) - выходной (зашумленный) сигнал;

N(1) - случайный процесс, имеющий нормализованное Гауссово

распределение; Ак - амплитуды несущих; К - число несущих (К= 279); N¡7 - длина Фурье-преобразования; ЯШ - значение уровня шума, дБ.

Для моделирования канала Релея предложена следующая модель:

где

Ые - количество эхо-сигналов, равное 20;

в1 - фазовый сдвиг, возникающий при рассеянии ¡-го луча;

Р1 - затухание ¡-го отраженного сигнала;

I/ - относительная задержка /-го отраженного сигнала.

Для моделирования канала Райса предложена следующая модель:

(17)

(18)

(19)

К = (21)

где:

р0 - коэффициент затухания основного сигнала,

К - коэффициент Райса, равный отношению мощностей прямого и отраженного сигналов (например, АГ=10 дБ).

В настоящей главе также представлены результаты проведения полевых испытаний системы. Прием сигнала осуществлялся на Садовом кольце, Кутузовском проспекте, а также за пределами МКАД.

Настройка передающей части системы производилась в соответствии со схемой, изображенной на Рис. 9. С направленного ответвителя резервного передатчика ОРБМ-модулированный сигнал с центральной частотой спектра 69.26 МГц (частота радиостанции "Русское Радио-2") подавался на вход приемного устройства системы. При этом настройка передающей части велась по критерию максимума отношения сигнал/шум, измеряемого приемником системы.

Выход направленного ответвителя

Рис. 9: Схема включения передающей части системы При таком варианте включения оборудования и при оптимальных настройках передающей части системы было достигнуто отношение сигнал/шум, равное 22.5 дБ, при этом мощность резервного передатчика в

соответствии с показаниями измерителя излучаемой мощности составляла примерно 200 Вт.

На Рис. 10 приведен график значений отношения сигнал/шум во время всего проезда по Садовому кольцу.

выезд из НИИР 30 н[проеэд шлагбаума)

max dB = 23.1

282624-

LQ

22 И

02:02:40

остановка на Смоленской

\

02:19:05

О

20-

остановка 18" при выезде на Садовое 16" кольцо

14-]

min dB = 1213.2

10

остановка II III

1 l ■ I

120 240 зе

1 I

О 480 600

тоннель у/

Маковки п0д мостов,

I 1 I

Т"

-г

"Г

720 840 960 1080 1200 1320 1440 1560

02:07:08

02:12:07

дальняя сторона Садового кольца

--время, с

Рис. 10: График отношения сигнал/шум Устойчивый прием в движущемся автомобиле наблюдался на всем протяжении Садового кольца г. Москвы и при выезде из Москвы по Минскому шоссе на расстояние 20 км от передающей антенны, установленной в здании института Радио (г. Москва, ул. Казакова).

В данной главе также представлены основные положения двух вкладов России в МСЭ по созданию системы АВИС: «Повышение эффективности использования УНР-диапазона частот» (Женева, март 2006) и «Цифровая мобильная узкополосная мультимедийная система вещания АВИС» (Сеул, август 2006).

По результатам разработки метрологического обеспечения системы формирования и передачи аудиоинформации создан Аудиоанализатор компьютерный АК-1, обеспечивающий автоматическое измерение параметров каналов звукового вещания с точностью, превышающей указанные в ГОСТ 11515-91. Прибор АК-1 внесен в Государственный реестр средств измерения. Он входит в состав аппаратуры цифрового телевидения в составе системы спутниковой связи «Приморка» (внедрение отмечено премией Правительства РФ).

Разработана система многоканального допускового контроля звуковых динамических сигналов ИУЗК-32, обеспечивающая одновременный мониторинг до 32х каналов звукового вещания. Данная система входит в состав штатного оборудования телевизионного технического центра "Останкино".

В заключении диссертационной работы приводятся наиболее важные результаты исследований и разработок, имеющих важное народнохозяйственное значение, что подтверждается внедрением созданных систем и устройств и удостоверяется приведенными в Приложении 3 актами о внедрении результатов диссертационной работы, копией протокола полевых испытаний системы АВИС и копиями вкладов России в МСЭ.

К основным результатам диссертационной работы необходимо отнести следующее:

- разработаны основные принципы построения аудиовизуальной информационной системы (АВИС) основными из которых являются: а) принципы расчета параметров блока ОРОМ-модуляции сигнала, в числе которых: длина защитного интервала, число несущих в спектре сигнала, расстояние между соседними несущими в спектре сигнала, длительность полезной части ОРБМ-символа, количество и расположение пилотных несущих в спектре ОРЭМ-модулированного символа; б) метод синхронизации ОРЭМ-модулированного сигнала, обеспечивающий точный устойчивый захват начала символа при отношении С/Ш 12 дБ; в)

разработана общая схема ОРЭМ-модуляции и кадровая структура ОРБМ-снгнала, в соответствии с которой введены пилотные и управляющие несущие ОРБМ-сигнала; г) по результатам исследований влияния ограничения сигнала на отношение сигнал/шум на выходе кодера выбран уровень ограничения сигнала системы; д) разработана система канального декодирования и демодуляции, в рамках которой и в соответствии с предложенной структурой системы предложены методы коррекции амплитудно и фазо-частотных характеристик канала.

- разработана аппаратно-программная модель новой цифровой узкополосной аудиовизуальной системы для мобильного абонента в ОВЧ-диапазоне;

- проведены лабораторные и натурные испытания модели системы АВИС, подтвердившие эффективность разработанных алгоритмов канального кодирования, модуляции, синхронизации при мобильном приеме и работе в районах с плотной городской застройкой;

- разработаны вклады России в МСЭ по эффективному использованию ОВЧ-диапазона частот;

- разработана эффективная система кодирования и декодирования стереозвуковой информации в реальном времени, позволяющая передавать в канале системы АВИС до 17 стереопрограмм звукового вещания с качеством РМ-радиотрансляции;

- разработаны эффективные алгоритмы и методы контроля и анализа качества звуковых каналов, основными из которых являются: а) методы оценки частоты и амплитуды синусоидальных сигналов, не зависящие от частотного сдвига частоты сигнала относительно дискретных частот ДПФ; б) методы вычисления погрешности оценки частоты и амплитуды синусоидальных сигналов, позволяющие установить, что точность указанных оценок зависит только от частотного дрожания спектральных компонент, и не зависят от постоянного частотного сдвига; г) алгоритмы оценок частотных свойств канала передачи звуковой информации

(неравномерность АЧХ, разность фаз и уровней), оценок нелинейных характеристик звукового канала (коэффициент гармоник, коэффициент разностного тона 2-го и 3-го порядка, линейность амплитудной характеристики), оценок параметров защищенности звукового канала от шумов и помех (защищенность от взвешенного и невзвешенного шума, защищенность от одночастотной помехи);

- разработан прибор АК-1, реализующий указанные выше методы анализа качества каналов звукового вещания, и организован его серийный выпуск;

- разработан многоканальный программно-аппартаный комплекс контроля каналов звукового вещания ИУЗК-32.

Основное содержание диссертационной работы отражено в следующих

источниках:

1. Дворкович А.В., Дворкович В.П., Иртюга В.А., Зубарев Ю.Б., Тензина В.В. Система мобильного узкополосного мультимедийного вещания. - 8 Международная конференция «Цифровая обработка сигналов и ее применение», 29-31 марта 2006, Москва, доклады, т. 1, с. 8-13.

2. Дворкович А.В., Дворкович В.П., Макаров Д.Г., Новинский Н.Б, Иртюга В.А. Компьютерная методология аналогового и цифрового телевизионного вещания // Международный конгресс HAT «Прогресс технологий телерадиовещания», Москва, 1-3 ноября 1999, материалы, с. 193-199.

3. Дворкович А.В., Иртюга В.А. Универсальный измеритель звуковых сигналов -аудиоанализатор компьютерный АК-1 // Контрольно-измерительные приборы и системы, 2002 г., № 2, с. 20-24.

4. Дворкович В.П., Дворкович А.В., Иртюга В.А., Тензина В.В. Как эффективно использовать каналы ОВЧ ЧМ вещания // Сборник научных статей Труды НИИР 2005, Москва, 2005 г., с. 49-55.

5. Дворкович В.П., Дворкович А.В., Иртюга В.А., Тензина В.В. Новая аудиовизуальная информационная система // Журнал "Broadcasting. Телевидение и радивещание", №5 (49), август 2005, с. 52-56.

6. Дворкович В.П., Дворкович A.B., Иртюга В.А., Тензина В.В. Новая система мультимедийного вещания на мобильного абонента // 7 Международная конференция «Цифровая обработка сигналов и ее применение», 16-18 марта 2005, Москва, доклады, т. 1, с. 505-509.

7. Дворкович В.П., Дворкович А.В, Иртюга В.А., Тензина В.В. Новая система мультимедийного вещания на мобильного абонента // Научно-техническая конференция «Прогрессивные радиотехнологии для инфокоммуникаций России. НИИР-55 - новые перспективы», Москва, 25 ноября, 2004 г., тезисы докладов, с. 16-17.

8. Дворкович В.П., Дворкович A.B., Тензина В.В., Иртюга В.А., Рекубратский В.А. Повышение эффективности использования VHF-диапазона частот за счет перехода на цифровое вещание AVIS // Труды НИИР, 2006, с.34-43.

9. Дворкович В.П., Иртюга В.А. Точные оценки параметров звукового канала с использованием взвешивающей оконной функции. 11-я Международная конференция и выставка «Цифровая обработка сигналов и ее применение», Москва, 25 марта - 27 марта 2009 г.

10. Иртюга В.А. ААС - прогрессивный метод цифрового кодирования звука. - Научно-технический журнал «Цифровая обработка сигналов», 3/2007. - Российское научно-техническое общество радиотехники, электроники и связи им. A.C. Попова, март 2007.- с. 41-45.

И. Иртюга В.А. Пороговые значения сигнал/шум в новой цифровой системе мобильного узкополосного аудио- видеовещания // Научно-техническая конференция "Студенческая весна - 2005" МГТУ им. Н.Э. Баумана. Москва, МГТУ, 24-28 мая 2005 г., сборник трудов студенческой научно-технической конференции, с. 54-55.

12. Иртюга В.А, Тензина В.В. О методе OFDM-синхронизации в новой цифровой системе мобильного узкополосного аудио- видеовещания // 12-я Всерооссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов. Зеленоград, 19-21 апреля, 2005 г., тезисы докладов, с. 307.

¡h

13. Иртюга B.A., Тензина B.B. Принцип передачи аудио-видео информации для мобильного узкополосного вещания // Труды Российского научно-технического общества радиотехники, электроники и связи имени А.С. Попова, Серия: Цифровая обработка сигналов и ее применение, Выпуск VI-2, 6-я Международная конференция и выставка «Цифровая обработка сигналов и ее применение», Москва, 31 марта - 2 апреля 2004 г., доклады-2, с. 120-121.

14. ITU-R Document 6Е/336-Е, 6М/133-Е. Increase of the Band 8 (VHF) Utilization Efficiency. - ITU-R, 3 March 2006. - 9 p.

15. ITU-R Document 6M/150-E. Technical Report: Digital Mobile Narrowband Multimedia Broadcasting System AVIS. - ITU-R, 14 August 2006. -12 p.

Оглавление автор диссертации — кандидата технических наук Иртюга, Владимир Александрович

Введение.

Глава 1. Современные системы кодирования и передачи видео- и аудиоинформации.

1.1. Стандарты кодирования видеоинформации.

1.1.1. Н.261. Видеокодек для аудиовизуальных сервисов для скоростей Рх64 кбит/с.

1.1.2. Н.263. Видеокодирование для систем связи с низкой пропускной способностью.

1.1.3. MPEG-1 и MPEG-2. Кодирование динамических изображений и звукового сопровождения.

1.1.4. MPEG-4. Обобщенное кодирование аудиовизуальных объектов. Часть 2, видео.

1.1.5. MPEG-4 AVC/H.264. Усовершенствованное кодирование видео для обобщенных аудиовизуальных сервисов.

1.2. Стандарты кодирования речи и звука.

1.2.1. G.711.

1.2.2. G.722.

1.2.3. G.723.1.

1.2.4. G.726.

1.2.5. G.727.

1.2.6. G.728.

1.2.7. G.729.

1.2.8. MPEG-1 L2, L3.

1.2.9. АС-3.

1.2.10. ААС.

1.3. Стандарты передачи видео и аудиоинформации.

1.3.1. DVB-T.

1.3.2. DRM.

1.3.3. DVB-H.

1.3.4. DAB/T-DMB.

1.4. Выводы.

Глава 2. Разработка и исследования аудиовизуальной информационной системы АВИС.

2.1. Спецификация параметров OFDM-модуляции сигнала.

2.2. Звуковой кодек реального времени на основе стандарта ААС.

2.3. Синхронизация OFDM-модулированного сигнала.

2.4. Система канального кодирования и OFDM-модуляции.

2.4.1. Синхронизация транспортного потока.

2.4.2. Рандомизация распределения энергии цифрового потока.

2.4.3. Внешнее кодирование и внешняя компоновка.

2.4.4. Внутреннее кодирование.

2.4.5. Внутренняя компоновка.

2.4.6. Общая схема OFDM-модуляции.

2.4.7. Кадровая структура OFDM-сигнала.

2.4.8. Пилотные несущие.

2.4.9. Несущие параметров передачи сигнала (ППС).

2.4.10. Скорость полезного информационного потока и эффективность системы.

2.4.11. Оценка пик-фактора сигнала системы.

2.4.12. Модулятор.

2.5. Система канального декодирования и OFDM-демодуляции.

2.5.1. Коррекция амплитудно- и фазо-частотных характеристик канала

2.5.2. Демодулятор.

2.6. Выводы.

Глава 3. Анализ методов метрологического обеспечения систем передачи аудиоинформации.

3.1. Структура системы анализа параметров звукового канала.

3.2. Специфические особенности алгоритмов измерения параметров звукового канала.

3.3. Оценка частоты и уровня синусоидального сигнала.

3.4. Оценка погрешности измерения частоты и амплитуды синусоидальных сигналов при воздействии флуктуационных помех.

3.5. Методика оценки параметров звукового канала.

3.5.1. Анализ частотных свойств канала передачи звуковой информации.

3.5.2. Анализ нелинейных характеристик канала передачи звуковой информации.

3.5.3. Анализ параметров защищенности звукового канала от шумов и помех.

3.5.4. Оценка параметров качества звукового канала при цифровых преобразованиях.

3.6. Допусковый контроль параметров многоканальных звуковых сигналов в процессе их передачи по каналам связи.

3.7. Выводы.

Глава 4. Практическая реализация результатов исследований системы АВИС и метрологии систем формирования и передачи аудиоинформации

4.1. Лабораторные испытания системы АВИС.

4.2. Моделирование искажений.

4.3. Полевые испытания системы АВИС.

4.4. Основные положения вкладов России в МСЭ по созданию системы АВИС.

4.5. Аудиоанализатор компьютерный АК-1.

4.5.1. Функциональные возможности и погрешности анализа.

4.5.2. Автоматический режим работы аудиоанализатора.

4.5.3. Ручной режим работы аудиоанализатора.

4.5.4. Визуальный режим работы аудиоанализатора.

4.6. Результаты разработки звукового кодек реального времени на основе стандарта ААС.

4.7. Устройство допускового контроля звуковых каналов ИУЗК-32.

4.8. Выводы.

Введение 2009 год, диссертация по радиотехнике и связи, Иртюга, Владимир Александрович

Актуальность научно-технической проблемы

Новые технологии, возникшие на стыке электросвязи и компьютерной техники, становятся основой современных локальных и глобальных коммуникационных систем. В настоящее время во всем мире осуществляется переход на цифровые методы передачи информации в телевидении, радиовещании. В связи с этим разработаны новые, цифровые, стандарты систем телевизионного и звукового вещания. Эти стандарты приняты к разработке и реализованы практически всеми развитыми странами мирового сообщества. К созданию этих стандартов были привлечены ведущие исследовательские центры и фирмы-производители радио и телекоммуникационного оборудования.

Так, в США была создана группа Grand Allianse (GA), которая в 1995 году разработала стандарт цифрового телевизионного вещания ATSC А/53, переход от аналогового вещания к которому практически уже завершается.

Стандарт европейского эфирного телевидения DVB-T был создан в 1997 году так называемой Европейской Группой Запуска (ELG), его внедрение активно осуществляется практически во всех странах Европы. К этому стандарту присоединилась и Россия, его внедрение согласно планам Правительства завершится в 2015 году.

При поддержке японской организации по стандартизации ARIB в 1999 году был создан стандарт телевизионного вещания ISDB-T, в ближайшие несколько лет завершится переход на этот стандарт.

В 2004 году европейский проект DVB дополнен стандартом DVB-H, предусматривающим возможность приема малоформатного телевизионного вещания на малые переносные приемные устройства.

В 2006 году в Китае разработан стандарт цифрового телевидения DMB-Т/Н, а в Бразилии - стандарт SBTD-T.

Все приведенные выше стандарты предусматривают передачу эфирного цифрового телевидения преимущественно в дециметровом диапазоне радиоволн (выше 300 МГц) без нарушения стандартизованных частотных планов при полосе пропускания каждого из каналов 6, 7 или 8 МГц.

Исследования проблем цифрового звукового вещания, проводимые Европейским союзом вещателей (EBU) завершились в 1995 году разработкой стандарта DAB, который в 2006 году был дополнен функциями мультимедийного вещания и переименован в T-DMB. Радиовещание с применением этого стандарта предусматривается в верхней части диапазона метровых волн (в области 174-240 МГц) и в децеметровом диапазоне (14521492 МГц).

Для разработки цифрового стандарта звукового вещания в диапазонах длинных, средних и коротких волн (до 30 МГц) в 1998 году радиовещателями Европы и Америки был создан консорциум DRM, усилиями которого в 2001 году был создан соответствующий стандарт, внедряемый во многих странах мира, в том числе и в России.

Представляется странным, что до 2000 года исследовательские и вещательные организации не озаботились проблемами цифровизации каналов стереозвукового радиовещания (диапазон частот 87.5 - 108 МГц используется для FM-вещания, а в диапазоне частот 66-74 МГц в России и странах СНГ применяется разработанная в СССР система УКВ-ЧМ вещания). При этом решение вопроса эффективной передачи цифровых потоков в узкой полосе частот (200-250 кГц) при мобильном приеме в условиях многолучевого распространения стоит остро до сих пор. Необходимость создания цифровых систем передачи аудио- и видеоинформации мобильным потребителям связана не только с возрастающей потребностью в доставке новых видов информационного контента, но и с экономической целесообразностью более эффективного использования полос частотного спектра. Кроме этого, остро стоит вопрос удовлетворения возросших запросов на получение различных видов информации в городском наземном транспорте в условиях плотной городской застройки и, как следствие, многолучевым распространением сигнала и отсутствием прямой видимости антенны передатчика, а также в районах со сложным рельефом, в горной местности и в густых лесных массивах, где в указанных условиях с использованием известных на сегодня систем невозможно обеспечить удовлетворительное качество приема сигнала.

Необходимость перехода к цифровым системам доставки аудио- и видеоинформации мобильным потребителям связана не только с реализацией возможности передачи и приема новых видов информации, но и с экономической целесообразностью более эффективного использования полос частотного спектра.

В этих обстоятельствах установка на развертывание цифровых систем передачи видеоинформации цветных динамических изображений различного разрешения совместно с высококачественным стереофоническим звуковым сопровождением представляется наиболее целесообразной. Решение этих проблем, по сути, может вывести Россию на передовые позиции в развитии информационных технологий.

Как следует из вышеизложенного, разработка принципов построения новой Российской аудиовизуальной информационной системы, приспособленной для работы в условиях многолучевого распространения при мобильном приеме сигнала, а также исследования в данной области являются весьма актуальными.

Цели и задачи диссертационной работы

Основной целью настоящей работы является разработка и создание высокоэффективной принципиально новой аудиовизуальной узкополосной цифровой информационной системы, ориентированной на мобильного абонента. Для этого должны быть решены следующие основные задачи: исследование существующих систем цифрового телерадиовещания и выбор эффективных методов кодирования аудио и видеоинформации;

- разработка принципов построения аудиовизуальной информационной системы АВИС;

- разработка алгоритмов и соответствующего программного обеспечения, реализующего элементы системы АВИС, в том числе алгоритмов канального кодирования, модуляции, синхронизации и др.;

- разработка аппаратно-программного комплекса системы АВИС;

- разработка эффективной системы кодирования стереозвуковой информации;

- разработка эффективных методов контроля и измерения звуковых каналов;

- проведение лабораторных и натурных испытаний модели системы АВИС;

- практическая реализация принципов построения системы АВИС и метрологического обеспечения систем формирования и передачи звуковой информации.

Методы исследования

В качестве основного теоретического инструмента исследований использовались методы математического анализа, линейной алгебры, теории вероятностей и математической статистики, теории цифровой обработки одномерных и многомерных сигналов, теории статистической радиотехники, теории информации, теории помехоустойчивого кодирования, комбинаторики. При построении математических моделей каналов распространения сигнала в диссертационной работе использовались математические модели помехи, распределенной по законам Гаусса, Релея и Райса. Проведенные эксперименты обеспечили практическое подтверждение теоретических решений и эффективности разработанных методик.

Теоретической и методологической основой исследований являются труды отечественных и зарубежных ученых по теории цифровой обработки сигналов, статистической радиотехнике, звуковой метрологии, теории информации.

В процессе решения поставленных в диссертационной работе задач были использованы результаты трудов таких выдающихся ученых как Котельников В.А., Дворкович В.П., Новаковский С.В., Игнатьев Н.К., Цукерман И.И., Антипин М.В., Кривошеев М.И., Зубарев Ю.Б., Левин Б.Р., Певзнер Б.М., Дьяконов В.П., Харкевич А.А., Тихонов В.И., Вентцель Е.С., Shannon С.Е., Blahut R.E., Prett W.K., Netravali A.N., Haskell B.G., Max J., Haffman D.F., Langdon G., Karhunen H., Loeve M., Gonzalez R.C., Woods R.E. и др.

Для создания и отладки программного и аппаратного обеспечения исследований и разработок при руководстве и активном участии автора использовались системы символьной математики «Mathematica» 2-5, MATLAB®, язык программирования С++, среда разработки • Microsoft-Developer Studio.

Научная новизна

К числу существенных результатов выполнения диссертационной работы, полученных автором и обладающих научной новизной, относятся нижеследующие :

- разработана модель новой цифровой узкополосной аудиовизуальной системы для мобильного абонента в ОВЧ-диапазоне;

- в рамках создания указанной системы предложены новые варианты использования OFDM-модулированного сигнала, адаптированные к требованиям к разрабатываемой системе, в том числе - к ее использованию в ОВЧ-диапазоне;

- предложены новые, устойчивые к шуму канала передачи методы синхронизации OFDM-модулированного сигнала;

- разработан программный звуковой кодек стандарта ААС;

- разработаны эффективные методы и устройства анализа качества каналов звукового вещания;

- разработан прибор АК-1 и организован его серийный выпуск;

- разработан многоканальный программно-аппартаный комплекс контроля каналов звукового вещания ИУЗК-32, и организован его серийный выпуск.

Личное участие автора в разработках по теме диссертационной работы

Во всех разработках по теме диссертации автор являлся ответственным исполнителем. Все приведенные в диссертационной работе результаты исследований получены лично автором диссертации. Идея построения системы, а также выбор определяющих направлений исследований высокоэффективных систем цифровой передачи аудиовизуальной информации и оценки их качества принадлежит проф. Дворковичу В.П. Исследования и разработка проводились при непосредственной, значимой и надежной поддержке члена-корреспондента РАН, проф. Зубарева Ю.Б.

На защиту диссертации выносятся следующие основные результаты:

- методика построения узкополосной аудиовизуальной информационной цифровой системы в ОВЧ-диапазоне в условиях многолучевого распространения сигнала для мобильного абонента;

- принципы построения аудиовизуальной информационной системы АВИС;

- алгоритмы и соответствующее программное обеспечение, реализующее элементы системы АВИС, в том числе - алгоритмы канального кодирования, модуляции, синхронизации и др.;

- аппаратно-программный комплекс системы АВИС;

- эффективная система кодирования стереозвуковой информации;

- эффективные методы контроля и измерения звуковых каналов;

- результаты лабораторных и натурных испытаний модели системы АВИС;

- практическая реализация принципов построения системы АВИС и метрологического обеспечения систем формирования и передачи звуковой информации;