התפתחות הרדיו הדיגיטלי: אפנון אמפליטודה (amplitude modulation AM) היה הצורה השלטת של שידורי רדיו במשך 80 השנים הראשונות של המאה העשרים, אולם דעיכת ערוצים, עיוותים ורעשים גרמו לאיכות קליטה נמוכה. בעיות אלו פחתו במידה מסוימת עם השקת אפנון התדר (frequency modulation – FM), אשר היה מסוגל לספק גם שידורי סטריאו וגם שמע באיכות CD, אך רדיו אנלוגי עדיין לא היה חופשי מהשפעות הליקויים של הערוצים ואזורי הכיסוי המוגבלים.
במהלך 2003, שתי חברות הזנק מסחריות, XM ו-Sirius (אשר התאחדו והפכו ל-™SiriusXM), השיקו את הממד הענק של רדיו-לווינים דיגיטלי מבוסס על מינויים בארה”ב, עם דגם הכנסות דומה לזה של ערוצי ה-Pay-TV. בערך באותו הזמן, WorldSpace Radio השיקה שידורי לוויין עבור אסיה ואפריקה.
ה-Satellite Digital Audio Radio Services () אפשרו למאזיני השמע הנייד במכוניות להתכוון לאותה תחנת רדיו בכל מקום בתוך מפת הכיסוי של הלוויין, בהגבלה רק של חסימה אקראית של אות הלוויין בשל בניינים, עלווה ומנהרות. רדיו הלוויין XM זכה לבכורה על-ידי פיתרון בעיית החסימה על-ידי התקנה של מהדרים (repeaters) קרקעיים, המשדרים את אות השמע הלווייני באזורים עירוניים צפופים ויוצרים ארכיטקטורה היברידית של שידורי לוויינים וקרקעיים.
בערך באותו הזמן, תחנות השידור הקרקעיות המסורתיות השיקו גם גרסה דיגיטלית, וזאת משתי סיבות. ראשית כל, הן קלטו שאורך החיים שלהן בשדרה האנלוגית עשוי להיות קצר למדי, מאחר שהעולם מוביל אל המסלול הדיגיטלי בעל האיכות הגבוהה יותר. שנית, ספקטרום התדרים הופך לצפוף, כך שתוכן נוסף, בתוך אותו רוחב פס, ניתן לספק רק על-ידי הפיכת התוכן הישן והחדש לדיגיטלי ודחיסתו, אריזתו ושידורו לאחר מכן. אם כן, העולם החל לנוע מרדיו אנלוגי לדיגיטלי. לטכניקות אלו של שידורי רדיו יש היתרון של קליטה ברורה יותר, כיסוי נרחב יותר ויכולת להכיל יותר תוכן ומידע בתוך רוחב-הפס הקיים של ערוץ רדיו אנלוגי זמין – כמו גם להציע למשתמשים גמישות בקרה מוגברת בגישה והאזנה לחומר המשודר (איור 1).
דוגמה להתפתחות הרדיו הדיגיטלי: הודו בשידור קרקעי, קיימים שני תקנים פתוחים – Digital Multimedia Broadcasting
() ו-Digital™ Radio Mondiale
() – ו-HD™ Radio, תקן קנייני של iBiquity (התקן היחידי המאושר על-ידי FCC עבור שידורי רדיו AM/FM בתוך ארה”ב. DMB מגדיר דפוסים אחדים עבור שידור שמע דיגיטלי, הכוללים DAB, DAB+
ו-T-DMB, המשתמשים ב-VHF תחום III ותחום L DRM . משתמש ב-DRM30, הפועל מ-150 קילו-הרץ עד 30 מגה-הרץ, ו-DRM+ ב-VHF תחומים I, II ו-III.
התפשטות שימושית בתחומי ה-VHF מוגבלת בעיקר לקו-ראיה באזורים גיאוגרפיים קטנים. התפשטות בגלים קצרים, מאידך, יכולה להגיע כמעט לכל מקום בעולם בשל ההחזרות המרובות ביונוספרה. במדינות מאוכלסות בצפיפות ובעלות אזורים גיאוגרפיים קטנים, שידור DMB בתחום VHF III ו-L-Band פועל בצורה יעילה ביותר. לגבי מדינות בעלות שטחים גיאוגרפיים גדולים, שידורים בגלים בינוניים וקצרים מספקים כיסוי יעיל. מסיבה זו, לאחר מספר שנים של ניסויים ב-DAB ו-DRM, הודו החליטה לאמץ את ה-DRM.
במהלך 2007, All India Radio (AIR), Asia-Pacific Broadcasting Union () ותאגיד ה-DRM ערכו את ניסוי השדה הראשון של DRM ב-New Delhi. הניסוי נערך במשך שלושה ימים בעזרת שלושה משדרים, עם מדידות של פרמטרים שונים. מלבד בדיקות אלה ב-New Delhi, AIR גם ביצעה מדידות אלו במרחקים ארוכים. התברר של-DMR יש יתרון של שירות אוכלוסיה גדולה יותר בעזרת מספר מוגבל של משדרים. בנוסף, הצורך הגובר בשמירה על אנרגיה מעניק לשיקולי החיסכון בהספק חשיבות עליונה. יעילות ההספק הגדולה ב-50% יותר של DRM משחקת תפקיד מכריע בתמיכה באקולוגיה ובכדור הארץ “ירוק יותר”.
מקלטי רדיו
דיגיטליים ו-DSP
העולם הפיסיקאלי הוא אנלוגי, אולם מדענים ומהנדסים מעדיפים לבצע הרבה מחשוב וטיפול בסמלים בתחום הדיגיטלי. הודות לתורת הדגימות, עיבוד הנתונים וממירי נתונים זמינים, הדרך סלולה היטב עבור המהנדסים לתכנן, לממש ולבדוק מערכות עיבוד אותות דיגיטליות
(digital signal-processing- DSP) מורכבות תוך שימוש בממירי אנלוגי-לדיגיטלי (ADCs) ובמעבדי אותות דיגיטליים בעלי ליבות מתכנתות.
פיתוח של DSPs חזקים ויעילים – ביחד עם ההתקדמות בתורת המידע והתקשורת – אפשר ההתכנסות של טכנולוגיית מדיה ותקשורת. הרדיו הדיגיטלי חייב את קיומו להתקדמויות טכנולוגיות אלה.
מקלטי רדיו דיגיטליים תוכננו תחילה כאבי-טיפוס מעבדתיים ולאחר מכן הועברו לייצור בנפחים קטנים. בדומה לרוב הטכנולוגיות, מוצרי הדור הראשון מורכבים לרוב תוך שימוש ברכיבים דיסקרטיים. עם עליית השוק והתחרות, היצרנים גילו שניתן להרחיב את השווקים הלאה על-ידי הפחתת המחיר של המוצר המוגמר. הסיכוי של כמויות גדולות יותר מושך יצרני מוליכים למחצה להשקיע בשילוב יותר רכיבים דיסקרטיים כאלה כדי להפחית את העלות. עם הזמן, הגיאומטריה הקטנה של הסיליקון הובילה ליתר הפחתת עלויות ולשיפורים ביכולות המוצר. כזו הייתה ההתפתחות המתמשכת של מוצרים רבים, כולל מכשירי רדיו FM וטלפונים ניידים.
עיבוד אותות ברדיו הדיגיטלי
מערכת תקשורת דיגיטלית טיפוסית (איור 2) ממירה את האות האנלוגי לדיגיטלי, דוחסת אותו, מוסיפה קוד לתיקון שגיאות ואורזת אותות אחדים כדי לנצל טוב ביותר את נפח הערוץ. כדי לשדר אותות RF (הקיימים בעולם ה”ממשי” של אנרגיה אנלוגית), האות הדיגיטלי מומר לאנלוגי ומאופנן בתדר הגל-הנושא לקראת שידור. במקלט, מתרחש התהליך ההפוך, החל מפענוח תדר הנושא. האות הוא לאחר מכן מומר לדיגיטלי, נבדק לגילוי שגיאות ונפרס. אות השמע בפס-בסיס מומר לאנלוגי, ולבסוף מפיק צלילי שמע.
האלגוריתמים לעיבוד אותות במקלט רדיו דיגיטלי ניתנים לסיווג לפי הסוגים הבאים:
פענוח הערוצים
פענוח המקור
עיבוד שמע מאוחר
תוכנת ביניים
ממשק משתמש (MMI)
ברדיו הדיגיטלי, קידוד המקור וקידוד הערוץ ניתנים למיפוי בהתאמה
ל-(coder – decoder codec) ורכיבי בקרת שגיאה של המערכת. באופן מעשי, בקרת השגיאה ניתנת לביצוע טוב יותר אם ה-codec מתוכנן עבור התאוששות (resilience) השגיאה.
על מקודד ערוצים אידיאלי להיות בעל התאוששות לשגיאות שידור.
מקודד מקור אידיאלי צריך לדחוס את ההודעה לתוכן המידע הגבוה ביותר
האנטרופיה של (Shannon), אך ההודעות הדחוסות ביותר יגרמו לעיוות שמע מאוד גבוה אם תזרים המבוא מכיל שגיאות. לכן, קידוד מקור יעיל צריך גם להבטיח שהמפענח מסוגל לגלות את השגיאות בתזרים ולמזער את השפעתן כך שאיכות השמע הכולל לא תיפגע.
DRM משתמש בחידושים טכנולוגיים רלוונטיים בקידוד המקור וקידוד הערוץ כדי לספק חווית שמע משופרת. האלגוריתם הנבחר לקידוד מקור שמע של DRM מבטיח:
קידוד שמע יעיל – איכות שמע גבוהה יותר עם קצב ביטים נמוך יותר
התאוששות שגיאה טובה יותר – התדרדרות אסתטית בביצועים תחת שגיאות שידור.
קידוד יעיל של מקור שמע
ניתן לראות את הטכנולוגיה של Motion Picture Experts Group () כמובילה וכמסגרת עבור שיתוף פעולה בין חוגי האקדמיה, התעשייה והטכנולוגיה. ההצלחה של מאמצי שיתוף הפעולה היעילים בנושאי שמע דוגמת MPEG Layer II, MP3
ו- (advanced audio coding) עבור שידור ואכסון/הפצה בהתאמה, עודדה את התעשייה להירתם ליוזמות מחקר נוספות. MP3 מוסיף להיות הצורה הנפוצה ביותר הלא-רשמית עבור הפצה ואכסון של הרשת, אך כללי אשרור פשוטים יותר – וההחלטה של Apple לאמץ את AAC כצורת מדיה עבור ה-iPod – סייעו ל-AAC לרכז יותר תשומת-לב מאשר MP3.
נתבונן ב-AAC כאשר על קהילת ה-MPEG להבין אחדות מהטכנולוגיות החשובות הכרוכות בקידוד מקור. Psycho acoustic model (איור 3) ו-time-domain alias cancellation () נחשבים לשני חידושי הפריצה הראשונים בקידוד מקור שמע רחב-פס.
העתקה של הפס הספקטראלי
(spectral band replication – SBR) באיור 4 והטכניקות של קידוד שמע מרחבי או קידוד אות דו-אוזני מתעשייה והאקדמיה ניתנות להיחשב כשני החידושים המשנים-משחק הבאים. שני חידושים מהפכניים אלה שיפרו עוד יותר את הטכנולוגיות של AAC להשגת ביצועי קידוד-ניתן להרחבה, דבר שגרם לקביעת תקן של סביבת ה-HE-AACv2 ו-MPEG – אשר זכו לתגובות נלהבות מהתעשייה. תקנים הנובעים מהתעשייה, דוגמת Dolby® ,AC3 ו-®WMA נקטו גם בצעדים דומים כדי למנף חידושים טכנולוגיים דומים עבור קידוד המדיה האחרון שלהם.
כלי החלפת הפס הספקטראלי
(spectral band replacement – SBR) מכפיל את קצב הדגימה המפוענח ביחס לקצב הדגימה של ה-AAC-LC. כלי הסטריאו הפרמטרי (parametric stereo – PS) מפענח סטריאו מתזרים LC חד-צליל.
כמו כל יוזמות השיפורים האחרות, טכנולוגיות המדידה גם שיחקו תפקיד ביוזמות שיפור איכות השמע. הכלים והתקנים להערכת איכות השמע, דוגמת ה-perceptual evaluation of audio quality () וה-multi-stimulus with hidden reference and anchor () סייעו להערכה המהירה יותר של הניסויים הטכנולוגיים.
הכשל בביצועים/ התאוששות השגיאה
ככלל, דחיסה גבוהה יותר תוביל ליותר פריטי שמע מרמה נתונה של שגיאות תזרים. לדוגמה, תזרים ה-MPEG Layer II הוא יותר עמיד בפני שגיאות תזרים מאשר תזרימי AAC. שגיאה של ביט-יחיד בחלק הנתונים הספקטראליים של Layer II לא הייתה גורמת לכל פריטים מרגיזים, מאחר שהערך המרבי של הספקטרום נקבע על-ידי ערך הצבת-הביט. אולם, במקרה של ה-AAC, אותה השגיאה של ביט-יחיד תגרום לפענח של Huffman להיכשל וליצור הסתרה של שגיאת-מסגרת; שגיאות-מסגרת חוזרות ישתיק את השמע עד שקצב השגיאה מופחת לערך מזערי. שקט ארוך זה מונע מהמערכת להבטיח כשל בביצועים
(graceful degradation).
קידוד התאוששות השגיאה AAC מבטיח כשל בביצועים משגיאות תזרים-הביטים בעזרת הכלים הנוספים האלה:
(Huffman codeword reordering): הפצת השגיאה בתוך הנתונים הספקטראליים נמנעת על-ידי חלוקה של הנתונים הספקטראליים לקטעים בעלי גודל קבוע. HCR מציב את הנתונים החשובים ביותר בהתחלה של כל קטע.
(virtual codebooks for codebook 11): מגלה שגיאות רציניות בתוך הנתונים הספקטראליים בעזרת מיפוי מילות-קוד מיוחד.
RVLC (reversible variable length coding): מונע הפצת השגיאה בנתוני קנה המידה.
תכונות ה-ER-AAC ביחד עם UEP יספקו מאפייני התאוששות שגיאה מתאימים ל-DRM.
מפרט DRM
Digital Radio Mondiale () הוא תקן פתוח של ה-European Telecommunication Standards Institute () עבור שמע דיגיטלי צר-פס לשם שידור בגלים קצרים ובינוניים. אם כי DRM תומך ברוחבי-פס של 4.5 קילו-הרץ, 5 קילו-הרץ, 9 קילו-הרץ, 10 קילו-הרץ, 18 קילו-הרץ ו-20 קילו-הרץ בתוך ארבעה סוגי שידור וקליטה, רוחב-הפס וקצב הביטים חייבים להיות מוגבלים ל-10 קילו-הרץ ו-24kbps בהתאמה, אם דרושה תאימות עם תקני ה-AM הקיימים.
דרישה זו חייבה את השימוש בקידוד שמע יעיל ביותר: Meltzer-Moser MPEG-4 HE-AAC v2 (International Standardization Organization/International Electrotechnical Commission – ISO/IEC) הייתה בחירה טובה, אך העמידה כנגד דעיכת ערוצים גרמה שהבחירה הטובה ביותר הייתה גרסה מתאוששת-בשגיאות של ה-HE-AACv2
(Martin Wolters, 2003).
מלבד AAC, תקן ה-DRM מגדיר את
ה-codecs-harmonic vector excitation ו-code-excited linear prediction () לשימוש לצורכי שידור דיבור. תזרים נתונים גולמיים עבור תצוגות שקופיות, דפי HTML ודומיהם מאושרים גם הם על-ידי תקן ה-DRM.
ארכיטקטורת ה-DRM
מערכת DRM מכילה שלושה נתיבי שידור עיקריים: main service channel (MSC) service description channel () וfast-access channel (). ה-FAC מכיל את תכונות האותות orthogonal frequency -division multiplexed () ואת תצורת ה-SDC/MSC – והוא מוגבל ל-72 ביטים/מסגרת. ה-SDC מכיל את המידע הדרוש עבור פענוח ה-MSC, כגון מבנה מסגרת ריבוב (multiplex) – ומידע נוסף.
ה-MSC מקודד את המסגרת המופקת על-ידי המרבב. ניתן לבחור בין מיפוי תיקני, מיפוי סימטרי הירארכי או מעורב. ה-MSC משתמש בהגנת שגיאות בלתי-אחידה (unequal error protection – (UEP איור 6, בה מסגרת הריבוב מחולקת לשני חלקים בעלי רמות הגנה שונות: חלקי נתונים בעלי הגנה גבוהה יותר או נמוכה יותר.
רדיו דיגיטלי עם Blackfin
מעבד ה-®Blackfin (איור 7) מהווה בחירה מצוינת עבור פעולות הדורשות הן עיבוד אותות דיגיטלי והן פעולת מיקרו-בקר. משפחת ה-ADSP-BF5xx מתאימה במיוחד ליישומים אלה ומציעה גם מגוון ציוד-היקפי. זמינות כלי הפיתוח של חומרה ותוכנה, רכיבי תוכנה אחדים מספקים אחרים ותכנוני ייחוס עושים אותה לפלטפורמה אידיאלית עבור מוצרים מרובי-תכונות. דורות רבים של מוצרים, זמינות IP תוכנה בוגרת ממקורות בטוחים, תמיכה אמינה מ-ADI והתיק הגדול של מעגלים משולבים אנלוגיים בעלי ביצועים גבוהים תומכים באיכות המוצרים הסופיים של המתכנן.
ניתן לבנות מכשירי רדיו מבוססי מעבד Blackfin, מכשירי רדיו אינטרנט ומוצרים מרובי-תכונות תוך שימוש במערכת האקולוגית הקיימת ש-ADI יצרה עבור מוצרים אלה. בנוסף ליצירת המערכת האקולוגית הדרושה ולספק את מודולי התוכנה השונים, ADI גם יצרה ספריות פענוח משלה עבור רדיו דיגיטלי. רכיב-מפתח אחד כזה הוא המפענח HE-AACv2, המייטב את הביצועים הזמינים מהמספר הגדול של MIPS דרושים.
ארכיטקטורה של מפענח HE-AACv2
רכיבי המפענח HE-AACv2 (איור 8) משתלבים ליצירת מפענח המקור של DRM. המפענח MPEG-4 HE-AAC v2 (שיכול לתמוך בתקני ETSI DAB ו-DRM) משלב קידוד שמע מתקדם משלב קידוד שמע מתקדם (advanced audio coding – AAC), העתקת הפס הספקטראלי (spectral band replication – SBR) וסטריאו פרמטרי (parametric stereo – PS). המפענח תואם לאחור עם ה-AAC-LC.
התכונות העיקריות כוללות:
מפענח בעל-הרחבה MPEG-4 ER-AAC המסוגל לטפל ב-960 דגימות למסגרת
תמיכה ב-AAC-LC/HE-AAC v1/v2/DRM/DAB
תמיכה בהסתרת השגיאות
תמיכה ב-DRC
מיוטב ביותר עבור זיכרון ו-MIPS
נותן תוקף כנגד סט שלם של וקטורי ISO/DAB/DMB ו-ETSI.
המפענח מממש את כל כלי קידוד השמע הדרושים המופיעים בתקן, כולל:
רזולוציה לתדרים גבוהים יותר ויעילות קידוד בגין ה-MDCT/TDAC
מיתוג גושים מסתגל מפחית את
ה-pre-echo
כימות לא-ליניארי
קידוד Huffman
שימוש בפונקציית-החלון הנגזרת לשם
ביטול הזליגה הספקטראלית
גודל-מסגרת משתנה משפר את
השקעת-הביטים
כלי IS/MS/stereo/TNS ו-PNS
העתקת הפס הספקטראלי
(spectral band replication – SBR)
סטריאו פרמטרי
(parametric stereo – PS)
תוצאות בדיקה של
רדיו דיגיטלי
מערך של תוצאות בדיקה אופייניות מופיע בטבלה 4.
סיכום
.Analog Devices, Inc, () הייתה שותף ראשוני במימוש הרדיו הדיגיטלי וביצוע ניסויי שדה של תכנון הייחוס. רדיו DRM מבוסס על מעבד Blackfin היה אחד התכנונים הראשונים אשר
ענו לדרישות המקלט המזעריות
(minimum receiver requirements – MRR) המופיע בתקני DRM. ניתן לייחס הצלחה זו לקבוצת העבודה המצוינת בה ADI ניהלה ושיתפה פעולה עם BBC בבריטניה, Dolby (מקודם Coding Technologies) בארה”ב ו-Deutsche Welle ו-AFG Engineering בגרמניה. הטכנולוגיה ותכנון הייחוס אומצו לאחר מכן על-ידי יצרני מכשירים כדי לתכנן ולייצר מוצרים.
עתה, חברות נוספות משתמשות בתכנון זה כדי לייצר רדיו דיגיטלי בהודו ובמדינות אחרות. למעבד ה-Blackfin של ADI יש שילוב נכון של תכונות DSP ומיקרו-בקר כדי ליצור את הליבה של מקלט רדיו DRM מאוד יעיל לעלות. זמינות כלי התוכנה, תמיכה על-ידי קבוצות יישומים מנוסות ומודולי התוכנה הדרושים ותכנוני הייחוס מחברות אחרות עשו את המימוש הזה לבחירה טובה עבור יצרנים בהודו ובמדינות אחרות במטרה לאמץ את התכנון ולייצר בייצור המוני מכשירי רדיו DRM המשתמשים בו.
סימוכין
Feilen, Michael. “The Hitchhikers Guide to Digital Radio
Mondiale (DRM).” The Spark Modulator, 2011.
Subrahmanyam, T.V.B., and Mohammed Chalil. “Emergence of
High Performance Digital Radio.” Electronics Maker, pp. 56-60,
November 2012. www.electronicsmaker.com
אודות המחברים
T.V.B. Subrahmanyam הוא אישיות ותיקה בתעשייה אשר החל את עבודתו בחברות המייצגות את ADI בהודו ואשר ייסד לאחר מכן חברה המייצגת את ADI India. הקריירה שלו ב-ADI משתרעת על-פני מכירות, שיווק עולמי וניהול פרויקטים עבור בקרת מנועים, מדי אנרגיה ותקשורת בקווי הספק, ולאחר מכן, כמנהל שיווק
ב-Pan-Asia Consumer Segment עבור שמע ב-Soundbar ו-Digital Desktop. הוא בעל תואר מוסמך מ-IIT Delhi.
Mohammed Chalil הוא מנהל הנדסה של תוכנה וכלים בחטיבת ההנדסה של מוצרי מעבדים ו-DSP ב-Analog Devices. הוא קיבל את התואר Bachelor of Technology מ-Regional Engineering College וה-MS מ-Bits Pilani.
מאת: T.V.B. Subrahmanyam and Mohammed Chalil, Analog Devices
