6. EXPERIMENT SE SYSTÉMEM DIGITÁLNÍHO ROZHLASU DRM

VOLUME AM TUNE 7 8 9 4 5 6 1 2 3 PHONE Y37BKS / A7B37BKS Laboratorní cvičení 6. EXPERIMENT SE SYSTÉMEM DIGITÁLNÍHO ROZHLASU DRM Cíl měření 1) Sestavte systém digitálního rozhlasového vysílání DRM. 2) Prozkoumejte možnosti příjmu a měření signálu systému DRM pomocí komunikačního přijímače s následným softwarovým zpracováním signálu programem DReaM. Vyzkoušejte vliv šumu a vícecestného šíření. 3) Přijímejte skutečné vysílání rozhlasových stanic DRM. Sledujte především nastavení systému, vliv šumu a vícecestného šíření. Přístrojové vybavení pracoviště a blokové schéma Komunikační přijímač AOR AR 5000 Přijímač AM/FM/DRM/T-DAB Morphy Richards Vektorový signálový generátor (VSG) Rohde & Schwarz SMU200A Směšovač N Radio Systems DRM konvertor 02 Externí zvuková karta SoundBlaster Creative SB0270 Dva počítače sloužící jako modulátor DRM signálu (Software: DreaM) a přijímač DRM signálu (Software: DreaM a Matlab/Diorama) Přehledová anténa Diamond (25 MHz 1300 MHz) Drátová anténa (100 khz 30 MHz) PC DReaM v módu vysílání Vektorový signálový generátor R&S SMU200A A B A: výstup externí zvukové karty B: vstup IQ složek (modulační signál) C: RF výstup generátoru VSG D: anténní vstup přijímače E: MF výstup kom. přijímače (10.7 MHz) F: vstup směšovače (10.7 MHz) G: výstup směšovače (12 khz) H: vstup interní zvukové karty C D Přijímač Morphy Richards Kom. přijímač AOR AR 5000 10.7 khz E Směšovač N Radio Systems DRM 0. D F G H PC DReaM v módu přijímače a Matlab/Diorama Obr. 1: Schéma systému DRM Úvod Systém digitálního rozhlasu DRM (Digital Radio Mondiale) vytvořilo stejnojmenné konsorcium DRM jako digitální náhradu analogového rozhlasového vysílání na dlouhých, středních a krátkých vlnách s kmitočty do 30 MHz. Konsorcium DRM je společenství firem, které se zabývají výrobou rozhlasových programů, vysílacích technologií, rozhlasových přijímačů i vysílačů, provozovatelů rádií a výzkumných ústavů. Jejich společným zájmem bylo udržení komerčního rozhlasového vysílání v pásmu AM s kvalitou blízkou vysílání v pásmu VKV. Prvá specifikace systému byla publikována Evropským ústavem pro telekomunikační normy (ETSI) v roce 2001. Systém je navržen pro kanál s nominální frekvenční šířkou pásma 9 resp. 10 khz (připouští se též poloviční či dvojnásobná hodnota) a pro přenos nízkých užitečných datových toků (typicky okolo 20 kb/s). Relativně malá náročnost okamžitého zpracování signálu nabízí využití softwarového příjmu (ale i vysílání) v tomto systému. Systém používá modulační techniku ortogonální frekvenčně dělený 20. 3. 2012 (Ulovec) 1/8

multiplex OFDM (Orthogonal Frequency-division Multiplexing). Od běžných typů digitálních modulací se odlišuje tím, že využívá pro přenos dat mnoha nosných frekvencí (Multi-carrier System). (V dalším textu může být pojem nosná frekvence nahrazen pouze slovem nosná.) Nosné frekvence jsou vhodně zvoleny tak, aby byly vzájemně ortogonální, což usnadňuje jejich rozlišení (výhodné pro demodulaci). Modulační rychlost na každé z nosných je zlomkem přenosové rychlosti původní, symbolový interval na každé nosné je proto prodloužen násobně podle počtu nosných. Navíc je možné vytvořit časovou rezervu, kdy se symbolový interval rozšíří o tzv. ochranný interval GI (Guard Interval), při němž se detekce zastaví a ignorují se tím zpožděné signály (až do jisté hodnoty zpoždění) vzniklé vícecestným šířením. Pro účely synchronizace je v době vysílání ochranného intervalu délky T zopakována závěrečná část symbolu (prefix nebo také cyklický prefix), viz obr. 2. Často se délka GI vyjadřuje poměrem T/T u, tj. poměrem délky ochranného intervalu a užitečné délky symbolu T u. Počet dílčích nosných N souvisí s módem robustnosti (A až D) systému a s nominální frekvenční šířkou pásma užívá se nejméně 90 a nejvíce 460 nosných. Každá nosná (mimo několika sloužících účelu synchronizace a ekvalizace) je modulována digitální modulací PSK (Phase Shift Keying) nebo QAM (Quadrature Amplitude Modulation). Průběh výsledného signálu, který vzniká součtem mnoha náhodných příspěvků (data pro jednotlivé dílčí nosné symbol M 1 symbol M symbol M+1 amplituda CP užit. část jsou znáhodněna), se blíží průběhu šumu. Jednotlivé příspěvky dílčích pásem, z nichž se skládá výsledné spektrum, znázorňuje obr. 3. Rozestup nosných f je dán délkou užitečné části symbolu f = 1/T u. V tab. 1 jsou uvedené OFDM parametry DRM systému související s módem robustnosti. Skutečné frekvenční šířky pásma signálu DRM ukazuje tab. 2 (standard uvažuje 4 způsoby obsazení spektra značené od 0 do 3). čas Obr. 2: Cyklický prefix (CP) v ochranném intervalu. B s = (N-1) f 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0 2 f 4 f 6 f 8 f 10 f f 3 f 5 f 7 f 9 f (N - 1) f 0,4 0,3 0,2 0,1 f f 0 B s = (N+1) f = 2 f + B s f Obr. 3: Dílčí pásma spektra signálu OFDM (relativní výkonová hustota) 20. 3. 2012 (Ulovec) 2/8

Tab. 1: Parametry OFDM související s módem robustnosti mód róbustnosti A B C D T u 24 ms 21,333 ms 14,666 ms 9,333 ms f 41,666 Hz 46,875 Hz 68,182 Hz 107,143 Hz T/T u 1/9 1/4 4/11 11/14 T 2,666 ms 5,333 ms 5,333 ms 7,333 ms T s = T + T u 26,666 ms 26,666 ms 20 ms 16,666 ms Tab. 2: Skutečné frekvenční šířky pásma signálu DRM [khz] mód róbustnosti způsob obsazení spektra / nominální frekvenční šířka pásma [khz] 0 / 4,5 1 / 5 2 / 9 3 / 10 A 4,208 4,708 8,542 9,542 B 4,266 4,828 8,578 9,703 C 9,477 D 9,536 Vysílání DRM systému probíhá pomocí tří tzv. logických kanálů kanálem s rychlým přístupem FAC (Fast Access Channel), kanálem popisujícím službu/y SDC (Service Description Channel) a hlavním kanálem obsahující data služeb MSC (Main Service Channel). Kanál FAC obsahuje informace potřebné k nalezení služeb a k začátku dekódování, slouží též pro synchronizaci. Nese kanálové parametry jako mód robustnosti, šířku pásma DRM signálu, délku prokládání buněk, typ modulace SDC a MSC, počet a typ služeb v logickém kanálu MSC. Oznamuje změnu parametrů. Je vždy modulován QPSK (4-QAM), přenosová rychlost je velmi nízká 180 b/s, používá se protichybové zabezpečení pomocí CRC. Užívá kódový poměr 0,6. Kanál SDC nese informace potřebné k dekódování jednotlivých služeb zahrnutých v multiplexu, opakuje se periodicky vždy na začátku superrámce. Nese informace o typu protichybového zabezpečení a sestavení multiplexu, popis služeb v rámci MSC jako je typ audio kodeku, mono/stereo, alternativní zdroje stejného programu na jiných frekvencích (DRM nebo jiný systém: AM, DAB a FM), geografické informace, jazyk, čas a datum. Je modulován QPSK (4-QAM) nebo 16-QAM, používá se protichybové zabezpečení pomocí CRC s výsledným kódovým poměrem 0,5. Nízký bitový tok závisí na šířce pásma a typu modulace. Kanál MSC zabírá největší část přenášeného rámce, obsahuje data všech přenášených služeb (zvuk a doprovodná data). Je modulován 16-QAM nebo 64-QAM, obsahuje maximálně čtyři služby. Protichybové zabezpečení může být prováděno různě pro dvě části dat (Unequal Error Protection UEP) či shodně pro všechna užitečná data (Equal Error Protection EEP). Obvykle se volí kódový poměr 0,6 (EEP). Data jsou prokládána s hloubkou 2 s (Long interleaving) nebo 400 ms (Short interleaving). Bitový tok záleží na šířce pásma a módu robustnosti, běžně se pohybuje kolem 20 kb/s. 20. 3. 2012 (Ulovec) 3/8

Poznámky k měření K úkolu 1) Systém digitálního rozhlasového vysílání DRM bude fyzicky již sestaven. Všechny části řetězce je potřeba uvést do výchozího funkčního stavu, v pořadí od vysílače až po přijímač. Nastavení 1. PC (Lenovo) s aplikací DReaM v módu vysílání Spusťte program DReaM v módu vysílání DReaM.exe -t (zástupce DReaM-Tx). Vstupní zvuková karta: Settings Sound Card Selection Sound In použijte analogové rozhraní vnitřní PC karty Microphone (Realtek High Definition Audio). Výstupní zvuková karta: Settings Sound Card Selection Sound Out použijte analogové rozhraní externí USB karty Reproduktory (USB Audio). Zvolte výstup I/Q složek v základním pásmu: IF 0 Hz, IQ (pos). Nastavte odpovídající modulační parametry pro jedno libovolné doporučené nastavení systému podle tab. 3. Tab. 3: Dvě doporučená nastavení DRM systému 20. 3. 2012 (Ulovec) 4/8 mód róbustnosti A A nominální frekvenční šířka pásma [khz] 9 9 MSC M-QAM (MSC Constellation Scheme) 16 64 SDC M-QAM (SDC Constellation Scheme) 4 16 MSC úroveň protichybové zabezpečení (1 kódový poměr 0,6) 1 1 MSC prokládání [s] 2 2 V kanále MSC je možno přenášet zvukový signál: Audio Enable, na vstup zvukové karty je nutno přivést zvukový signál (též je možno využít rozhlasových stanic vysílajících přes internet, výstup a vstup vnitřní zvukové karty je propojen kabelem). Spusťte modulaci: Start. Nastavení VSG K nastavování bloků v menu config a pro de/aktivování využijte myš. Zapněte VF signál: RF/A Mod On. Aktivujte a nastavte IQ modulátor: I/Q Mod On, Internal Baseband I/Q In. Aktivujte a nastavte modulační vstup: BB Input Baseband Input Settings Analog Input State On, Auto Level Set (automatické nastavení zesílení signálu IQ složek). Deaktivujte šum: AWGN Additive Noise State Off. Deaktivujte vícecestné šíření Fading Fading Setting State Off. Zadejte kmitočet nosné vlny 2,3 MHz: Freq 2,3 MHz. Nastavte hodnotu výkonu výstupního signálu 60 dbm: Level 60 dbm. Nastavení komunikačního přijímače Přijímač japonské firmy AOR slouží jak k profesionálnímu tak k radioamatérskému sledování analogového rádiového provozu na vlnových rozsazích 10 khz až 2600 MHz s nejrůznějšími druhy provozu (FM, AM, SSB modulace s jedním postranním pásmem, CW kontinuální vlna, použití v telegrafii, ). Každý druh rádiového provozu může vyžadovat jinou šířku pásma, přijímač tedy disponuje bankou nastavitelných MF (mezifrekvenčních)

filtrů. Pro vyrovnání úrovně zpracovávaných signálů se v přijímačích užívá funkce pro automatické nastavení zisku AGC. Pro zvýšení dynamického rozsahu má přijímač na vstupu 10 db předzesilovač a útlumový člen 10 db, jejichž kombinací lze nastavit útlumy 0, 10 a 20 db. Tyto hodnoty lze použít do frekvence 230 MHz, nad tuto frekvenci pouze 0 a 10 db. Přijímač má dva anténní vstupy k prvému je připojen VSG a k druhému přivádíme signál z antén. Zjednodušené blokové schéma přijímače AOR AR5000 je na obr. 4. Vstupní obvody První směšovač 622 MHz Druhý směšovač 10,7 MHz Třetí směšovač 455 khz Demod. signálu NF zesil. a pásmové propusti Obr. 4: Zjednodušené blokové schéma komunikačního přijímače AOR AR5000 Nastavování parametrů komunikačního přijímače se provádí malým otočným regulátorem vpravo dole, volba se potvrzuje stiskem tlačítka <ENT>, špatný výběr lze zrušit klávesou <CLR>. Zkontrolujte, příp. nastavte následující: Výběr nastavení VFO-A: tlačítko <VFO> stiskněte tolikrát, aby se na displeji zobrazilo VA (tato volba umožní manuální nastavení parametrů přijímače); přijímaný kmitočet: f c = 2300 khz; typ demodulátoru: tlačítko <MODE> AM; anténa první vstup: <ANT> (<FUNC> + <ATT>) 1; atenuátor 0 db: <ATT> 0 db; vypnout automatické AGC: <AGC> (<FUNC> + <STEP>) OFF; zisk: <RF GAIN> (<FUNC> + <6>) manuální nastavení (na displeji nesvítí N-SQL) - regulátor SQUELCH nastavte do levé krajní polohy (maximální zisk), později při měření zisk upravíme podle ukazatele úrovně zpracovávaného signálu zvukovou kartou v programu DReaM (Level cca 15 db); MF filtr 30 khz: <IF BW> (<FUNC> + <3>) 30 khz; zapnutý MF výstup: <CONFIG> (<FUNC> + <khz>) dále volbou UP/DOWN výstup za MF filtrem 10,7 MHz: EXT IF 2; hlasitost: otočný prvek AF GAIN ztlumte výstupní NF signál. Poznámky ke směšovači Napájení je přivedeno z rozšiřujícího rozhraní přijímače AOR5000 na zadní straně. f mf1 = 10,7 MHz ; f mf2 = 12 khz ; B DRM / 2 < f mf2, B DRM / 2 + f mf2 < f vz /2. Filtr předpokládá se vstupní filtr na zvukové kartě. tuner f mf1 MF. směš. f mf2 filtr PC NF. zesil. oscil. Obr. 5: Využití směšovače pro příjem DRM signálu Nastavení 2. PC (LAB 436 No 1) aplikace DReaM v módu příjmu Spusťte DReaM.exe (zástupce DReaM-Rx). Otevřete okno přijímače DRM: View Evaluation Dialog. Přijímač ponechte v běžném nastavení, pouze v případě potřeby proveďte převrácení spektra: Flip Input Spectrum. Signál z generátoru VSG připojte ke komunikačnímu přijímači. Pro softwarovou demodulaci signálu DRM použijte program DReaM. V případě úspěšného sestavení DRM systému můžete z reproduktorů připojených k PC poslouchat přenášený zvukový signál. 20. 3. 2012 (Ulovec) 5/8

Upravte zisk komunikačního přijímače podle ukazatele úrovně zpracovávaného signálu zvukovou kartou v programu DReaM na hodnotu Level cca 15 db. Prohlédněte si možnosti měření pomocí softwarového přijímače. zaměřte se na OFDM parametry, konstelační diagramy. Dále je program schopen monitorovat vliv kanálu (šum a vícecestné šíření), který je sledován v bodě 2. K bodu 2) Vliv šumu Pro správnou funkci přijímače je nutné přivést na jeho vstup signál s poměrem výkonů užitečného signálu k šumu C/N vyšším nebo rovným minimální hodnotě C/N min závislé na nastavení systému. Tu zajistíme jistou minimální hodnotou vysílaného výkonu p min a nebo sloučením signálu šumu (AWGN) k užitečnému signálu. V tab. 4 jsou uvedeny hodnoty C/N min, které by měly přijímače DRM splňovat [5]. Tab. 4: Minimální C/N [db] pro typické hodnoty parametrů podle [5] Nastavení VSG Aktivujte a nastavte šum: AWGN Additive Noise State On, System Bandwidth zvolte podle skutečné šířky DRM signálu odpovídající požadovanému nastavení, nastavte C/N = 25 db. Deaktivujte vícecestné šíření Fading Fading Setting State Off. Ponechte libovolně zvolené nastavení systému DRM. K užitečnému signálu na výstupu generátoru VSG s výkonem 60 dbm přidávejte šum, signál se šíří pouze jedinou cestou (Fading je vypnut). Sledujte poměr výkonů užitečného signálu k šumu, který je měřen softwarovým přijímačem DReaM sledujte hodnotu SNR. Proveďte srovnání změřené hodnoty SNR a nastavené C/N = 25 db na VSG, hodnotu zapište do závěrečné části návodu. Poměr C/N = 25 db dále postupně snižujte a s přesností (alespoň) na jednotky db určete minimální poměr C/N min, kdy je ještě možný příjem dat v MSC kanálu ztráta úspěšného dekódování MSC dat je signalizována červenou barvou LED diody, výslednou hodnotu zapište do závěrečné části návodu. Nepovinně můžete měření C/N min zopakovat pro druhé doporučené nastavení DRM. Vliv vícecestného šíření Sledujte vliv vícecestného šíření, které je možno vyjádřit pomocí impulsové odezvy. Na obr. 6 je případ šíření signálu dvěma cestami, L 1 je úroveň přímé cesty signálu, L 2 úroveň odraženého signálu (kopie) a t je rozdíl doby příchodu signálu a jeho zpožděné kopie. Pokud zpoždění odraženého signálu v systému s OFDM není větší než je doba trvání ochranného intervalu, je příjem signálu možný a zpožděná kopie nepůsobí rušivým způsobem. 20. 3. 2012 (Ulovec) 6/8

amplituda amplituda t Obr. 6: Vzájemný útlum a vzájemné zpoždění vyjádřené v impulsní odezvě Nastavení VSG Nastavte hodnotu výkonu výstupního signálu 60 dbm: Level 60 dbm. Deaktivujte šum: AWGN Additive Noise State Off. Aktivujte a nastavte vícecestné šíření: Fading Fading Setting State On, Path Table zobrazí se nastavení jednotlivých cest, k dispozici jsou čtyři banky a v každé pět dílčích cest, pro simulované cesty šíření užívejte vždy pouze jednu dílčí cestu v odlišných bankách, cesty se de/aktivují: State Off/On, volte: Profile Static Path, Path Loss 0 db, Basic Delay podle požadovaného zpoždění [µs]. Pro libovolné z doporučených nastavení systému a v případě dvoucestného šíření nalezněte maximální zpoždění kopie signálu pro ještě úspěšný příjem. Útlum odraženého signálu nastavte na 0 db (výkony jsou stejné), při počáteční volbě zpoždění vyjděte z doby trvání ochranného intervalu. Maximální hodnotu zpoždění určete s přesností na desetinu ms. V závěrečné části návodu srovnejte maximální možné zpoždění kopie signálu a dobu trvání ochranného intervalu. K bodu 3) Nastavení komunikačního přijímače přijímaný kmitočet: podle seznamu vysílaných stanic; anténa druhý vstup: <ANT> (<FUNC> + <ATT>) 2; zisk: <RF GAIN> (<FUNC> + <6>) manuální nastavení (na displeji nesvítí N-SQL) - regulátor SQUELCH nastavujte vhodně podle spektra vstupního signálu, případně podle ukazatele úrovně zpracovávaného signálu zvukovou kartou v programu DReaM (Level cca 15 db); Na komunikačním přijímači zvolte druhý anténní vstup, ke kterému je připojena externí drátová anténa (pro kmitočty 100 khz až 30 MHz). Pokuste se přijímat signály skutečného vysílání rozhlasových stanic DRM. Při příjmu musíte vhodně nastavovat citlivost přijímače regulátorem SQUELCH. Přehled kmitočtů vysílaných stanic bude možno při měření vyhledat na stránkách www.drm.org. Sledujte především nastavení parametrů OFDM, hodnoty bitového toku, C/N přijatého signálu a vliv vícecestného šíření. Parametry přijímaných signálů zaznamenejte do závěrečné části návodu. t 20. 3. 2012 (Ulovec) 7/8

Seznam použité literatury [1] Kořínek, M.: Softwarové přijímače digitálního rozhlasu DRM [Diplomová práce], ČVUT, 2007. [2] Program Diorama, University of Kaiserslautern [online], [cit. 2007-02-16], URL: http://nt.eit.unikl.de/forschung/diorama. [3] Dream DRM Receiver [online], [cit. 2007-02-16], URL: http://drm.sourceforge.net. [4] ETSI: ETSI ES 201 980 - Digital Radio Mondiale (DRM) [norma], v2.2.1, 2005. [5] ITU: ITU-R BS.1615 - Planning parameters for digital sound broadcasting at frequencies below 30 MHz [recommendation], 2005. Úkoly k přípravě vypracují se doma před měřením (k vypracování není potřeba další literatura) Připravte si pro měření skutečnou hodnotu frekvenční šířky signálu DRM a délku ochranného intervalu pro doporučená nastavení systému podle tab. 3. Závěrečné úkoly a otázky vypracují se při, případně na konci měření Porovnejte změřenou hodnotu SNR s nastavenou hodnotou C/N = 25 db. SNR - DReaM Uveďte hodnotu C/N min alespoň pro jedno libovolné nastavení systému DRM (tj. pro volbu modulace v MSC kanálu) a srovnejte výsledek C/N min s požadavky pro DRM přijímače uvedenými v tab. 4. C/N min modulace v MSC 16-QAM 64-QAM Požadováno při modulaci v MSC 16-QAM: Požadováno při modulaci v MSC 64-QAM: Zhodnocení: Zhodnocení: Srovnejte maximální možné zpoždění kopie signálu t max a délku ochranného intervalu. Délka ochranného intervalu: t max = Parametry přijímaných signálů: 20. 3. 2012 (Ulovec) 8/8