О требуемой точности временной синхронизации оборудования при DRM-приеме

Актуальность. В настоящее время в России и в мире идет активный переход от аналоговых к цифровым технологиям. Этот процесс в полной мере относится и к радиовещанию. В России разрешено экспериментальное цифровое радиовещания в диапазоне ОВЧ в трех форматах: DRM, DAB, РАВИС. Однако решения Правительства о выборе одного из них в качестве национального стандарта пока нет, что объясняется в первую очередь недостаточной полнотой сведений, необходимых для производства и эксплуатации оборудования, относящего в первую очередь к системе DRM, единственной системе цифрового радиовещания, рекомендованной ITU-R для применения во всех полосах частот, выделенных для наземного радиовещания. Данная работа восполняет этот пробел в части, относящейся к разработке приемного оборудования.

Цель работы: оценка требуемой точности момента старта прямого дискретного преобразования Фурье относительно начала полезной части OFDM-символов, при котором сигнал ошибки для системы DRM при работе в режиме устойчивости Е не превышает значений, требуемых стандартом и рекомендацией ITU-R BS.1660-8 (06/2019).

Методы. В качестве основы для проведения данных исследований выбрана имитационная модель приемопередающего тракта системы DRM для режима устойчивости Е. Она дополнена блоками, позволяющими для разных видов модуляции и уровней защиты изменять в приемнике временно́й сдвиг между моментом старта прямого дискретного преобразования Фурье и началом полезной части OFDM-символа, а также при каждом значении временно́го сдвига оценивать качество принимаемого DRM-приемником сигнала.

Результаты. Критериями оценки качества принимаемого OFDM-сигнала выбраны коэффициент модуляционных ошибок и вероятность появления битовых ошибок. Показано, что для сохранения условий комфортного приема максимально допустимое временно́е рассогласование между моментами старта прямого дискретного преобразования Фурье и началом полезной части OFDM-символа при модуляции поднесущих частот QAM-4 не должно превышать значений 1,8‒2,3 мкс; при модуляции QAM-16 ‒ эта величина должна быть не более 0,8‒1,3 мкс. Разброс полученных значений определяется уровнем защиты PL. Основное влияние на требуемую точность временно́й синхронизации DRM-приемника при работе в режиме устойчивости Е оказывает порядок модуляции QAM и существенно меньшее влияние – уровень защиты PL в области, где вероятность появления битовых ошибок не превышает значение 10^-4. При BER ≤ 10^-4 влиянием выбранного уровня защиты PL можно пренебречь. Полученные результаты являются новыми для системы DRM при работе в режиме устойчивости Е (диапазон ОВЧ).

Теоретическая / практическая значимость. Предложен метод оценки допустимого временно́го рассогласования OFDM-сигнала при DRM-приеме. Учет полученных результатов необходим для разработки блока временно́й синхронизации приемников цифрового радиовещания стандарта DRM.

1. Бакулин М.Г., Крейнделин В.Б., Шлома А.М., Шумов А.П. Технология OFDM: учебное пособие для вузов. М.: Горячая линия – Телеком, 2016. 352 с.

2. Гуминский О.А., Мышьянов С.В. Разработка алгоритма синхронизации сигнала для радиоприемного устройства стандарта DRM mode // XI Международная научно-техническая и научно-методическая конференция «Актуальные проблемы инфотелекоммуникаций в науке и образовании» (АПИНО 2022, Санкт-Петербург, Российская Федерация, 15–16 февраля 2022 г.). СПб.: СПбГУТ, 2022. С. 178‒183. EDN:USFELI

3. Keller T., Hanzo L. Orthogonal frequency division multiplex synchronization techniques for wireless local area networks // Proceedings of the 7th International Symposium on Personal, Indoor, and Mobile Communications (PIMRC '96, Taipei, Taiwan, 18 October 1996). IЕЕЕ, 1996. PP. 963‒967. DOI:10.1109/PIMRC.1996.568424

4. Sandell M., Van De Beek J.J., Borjesson P.O. Timing and frequency synchronization in OFDM systems using the cyclic prefix // Proceedings of the International Symposium on Synchronization (Essen, Germany, 14‒15 December 1995). 1995. PP. 16‒19.

5. Chevillat P.R., Maiwald D., Ungerboeck G. Rapid Training of a Voiceband Data-Modem Receiver Employing an Equalizer with Fractional-T Spaced Coefficients // IEEE Transactions on Communications. 1987. Vol. 35. Iss. 9. PP. 869‒876. DOI:10.1109/TCOM.1987.1096887

6. Van de Beek J.J., Sandell M., Isaksson M., Borjesson P.O. Low-complex frame synchronization in OFDM systems // Proceedings of the 4th International Conference on Universal Personal Communications (ICUPS 95, Tokyo, Japan, 06‒10 November 1995). IEEE, 1995. DOI:10.1109/ICUPC.1995.497156

7. Moose P.H. A Technique for orthogonal frequency division multiplexing frequency offset correction // IEEE Transactions on Communications. 1994. Vol. 42. Iss. 10. PP. 2908–2914. IEEE,1994. DOI:10.1109/26.328961

8. ETSI ES 201 980 V2.2.1 (2005-10) V4.2.1 (2021-01). Digital Radio Mondiale (DRM); System Specification.

9. Рекомендация МСЭ-R BS.1660-8 (06/2019). Техническая основа для планирования наземного цифрового звукового радиовещания в полосе ОВЧ. С. 33‒49.

10. Гуминский О.А. Модель приёмо-передающего тракта системы цифрового радиовещания DRM+. URL: https://cloud.mail.ru/public/AxE9/9nJmYeYHv (дата обращения 24.03.2025)

11. Дубов М.А., Полянин Ю.В., Стоянов Д.Д., Брюханов Ю.А. Оценка вероятности битовой ошибки приема сигналов с квадратурной модуляцией неэталонными методами // DSPA: Вопросы применения цифровой обработки сигналов. 2012. Т. 2. № 2. С. 173‒177. EDN:ZHJHRT

12. ETSI EN 302 245-1 V1.1.1 (2005-01). Electromagnetic compatibility and Radio spectrum Matters (ERM); Transmitting equipment for the Digital Radio Mondiale (DRM) broadcasting service; Part 1: Technical characteristics and test methods.

13. ETSI EN 302 245 V2.2.1 (2022-05). Transmitting equipment for the Digital Radio Mondiale (DRM) service; Harmonised Standard for access to radio spectrum.

14. Gu Q. RF System Design of Transceivers for Wireless Communications. Springer, 2005. 467 p.

15. Дубов М.А., Приоров А.Л. Методика неэталонной оценки отношения сигнал/шум и вероятности битовой ошибки для сигналов с квадратурной модуляцией // Цифровая обработка сигналов. 2012. № 4. С. 37‒43. EDN:PXXBYD

16. Ковалгин Ю.А. Цифровое радиовещание: системы и технологии. М.: Горячая линия ‒ Телеком, 2021. 580 с.

17. Соколов С.А., Мышьянов С.В., Ковалгин Ю.А. Исследование аналого-цифровой DRM/ ЧМ-зоны радиовещания в полосе частот 87,5–108 МГц // Электросвязь. 2021. № 4. С. 23‒29. DOI:10.34832/ELSV.2021.17.4.003. EDN:OBGGGA

18. Ковалгин Ю.А., Соколов С.А., Мышьянов С.В. и др. Построение опытной аналого-цифровой зоны радиовещания DRM+/УКВ ЧМ в диапазоне 87,5–108 МГц: отчет о НИР. Дигитон Системс, 2019. 223 с.

19. Гуминский О.А., Ковалгин Ю.А. Исследование и оценка требуемой точности временной синхронизации приемного оборудования в системе цифрового радиовещания DRM mode E // XIII Международная научно-техническая и научно-методическая конференция «Актуальные проблемы инфотелекоммуникаций в науке и образовании» (АПИНО 2022, Санкт-Петербург, Российская Федерация, 27–28 февраля 2024 г.). СПб.: СПбГУТ, 2024. С.201‒205. EDN:WDRCWV