ITU-R RAPPORT BS 2004 FRENCH-1995 Digital Broadcasting Systems Intended for AM Bands《用于调幅频带的数字广播系统》.pdf

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1、- 1 -Rap. UIT-R BS.2004RAPPORT UIT-R BS.2004SYSTMES DE RADIODIFFUSION NUMRIQUE DESTINS TRE EXPLOITSDANS LES BANDES MA(1995)1 IntroductionLes techniques de radiodiffusion dans les bandes MA (150 kHz-30 MHz) ont trs peu volu au cours desdernires dcennies. La simplicit du rcepteur a toujours t un grand

2、 atout pour la modulation damplitude et les ondesMA, en raison de leur grande porte, restent celles qui conviennent le mieux pour la radiodiffusion nationale etinternationale.Toutefois, dans des conditions de propagation types par exemple en prsence dune instabilit ionosphrique, laqualit de rception

3、 quoffre un systme analogique classique risque dtre mdiocre.Du fait des progrs techniques raliss dans les autres bandes de frquences attribues la radiodiffusionsonore et du fait aussi des changements politiques qui ont eu lieu, les bandes MA ont bien videmment beaucoup perdude leur importance pratiq

4、ue et stratgique.La qualit de transmission mdiocre propre aux transmissions en modulation damplitude tient essentiellement la mthode de modulation et non la bande de frquences. Si la modulation damplitude est remplace par unemodulation numrique, on peut obtenir une trs bonne qualit de transmission,

5、tout en conservant la longue porte de latransmission mais la transmission numrique doit sadapter la structure des canaux existante.La transmission numrique convient non seulement pour la radiodiffusion de programmes sonores mais aussipour la transmission dinformations supplmentaires et de donnes en

6、gnral (services valeur ajoute).2 Caractristiques des canaux MALes bandes MA couvrent les ondes longues (ondes kilomtriques, 150-285 kHz), les ondes moyennes (ondeshectomtriques, 525-1 605 kHz) et les ondes courtes (ondes dcamtriques, 3,3-26 MHz).Les caractristiques des canaux MA varient beaucoup dun

7、e bande de frquences lautre:Ondes kilomtriques: 150-285 kHz, largeur de canal: 9 kHz; propagation de londe de sol, peu debrouillages imputables aux ondes ionosphriques.Ondes hectomtriques: 525-1 605 kHz, largeur de canal: 9 kHz ou 10 kHz; propagation pendant lesheures diurnes: comme pour les ondes k

8、ilomtriques mais porte plus courte.Propagation pendant les heures nocturnes: propagation de londe de sol et desondes ionosphriques et, par consquent, brouillages importants.Ondes dcamtriques: 3,3-26 MHz, largeur de canal: 10 kHz (DBL); 5 kHz (BLU), propagation desondes ionosphriques.Lionosphre est u

9、n milieu de propagation dispersif caractrise par la prsence de modes et de trajetsmultiples, chaque mode (ou trajet) prsentant un temps de propagation de groupe, une amplitude, une polarisation et undcalage de frquence Doppler particuliers.Le Tableau 1 donne lordre de grandeur type des principaux pa

10、ramtres de la propagation ionosphrique.- 2 -Rap. UIT-R BS.2004TABLEAU 1Ordre de grandeur des principaux paramtres de la propagation ionosphriqueParamtre Comportement du canal moyen Comportement du canal extrmeNombre de modes et de trajets Dpend de la longueur de la liaison radiolectrique 8 dans le c

11、as dondes ionosphriques dun niveau compris entre 0 et40 dBOnde de sol pour des distances courtesEtalement du temps depropagation total 5 ms 8 msEtalement du temps depropagation sur chaque trajetQuelques dizaines de sDcalage Doppler moyen pourchaque trajetQuelques diximes de Hzfd 2,5 HzQuelques Hzfd

12、10 HzEtalement du dcalage Dopplerpour chaque trajetQuelques diximes de Hzfd 2 HzQuelques Hzfd 5 HzLes caractristiques de propagation tant ce quelles sont, des vanouissements slectifs importants ou desvanouissements uniformes profonds dtriorent souvent les signaux propags par les ondes ionosphriques

13、et ont uneincidence importante sur la qualit de la rception en modulation damplitude classique.Dans le cas de la rception mobile, la contribution au dcalage Doppler due au dplacement du mobile est plusfaible que celle due au dplacement des couches ionosphriques.3 Critres appliquer pour la slection d

14、une mthode de modulation numriqueEn thorie, les mthodes de modulation monoporteuse et multiporteuse (orthogonales) sont quasimentquivalentes si la transmission seffectue sur des canaux prsentant des caractristiques non constantes dans le temps etslectifs en frquence et si on utilise un codage et/ou

15、une galisation pour neutraliser les configurations derreursinhrentes la mthode de modulation.Lune et lautre mthodes peuvent donc tre utilises pour lexploitation dun rseau frquence unique.Le nombre dtats de modulation est le mme dans les deux cas. Il est fonction du rapport entre le dbit dedonnes nce

16、ssaire et le dbit de symboles. Le dbit de symboles est fonction de lespacement des canaux.Il faut enfin signaler que la largeur de bande des canaux MA est de 9 kHz (ou de 10 kHz): il en rsulte que ledbit de donnes offert ne sera que de quelques dizaines de kbit/s.Lespacement diffrent entre les canau

17、x (9 ou 10 kHz pour les ondes kilomtriques et hectomtriques et 10 ou 5kHz pour les ondes dcamtriques) se traduit par des diffrences dans les mthodes de modulation numrique si lon veutque la mthode numrique soit compatible avec lespacement existant entre les canaux.Compte tenu de ces limitations le c

18、odeur son numrique devrait offrir un dbit de donnes denviron 20 kbit/s.Avec une largeur de bande RF utilisable de 7 kHz pour les bandes des ondes kilomtriques et hectomtriques,la mthode de modulation doit avoir une efficacit spectrale denviron 3 bits par Hz de largeur de bande.Pour les bandes des on

19、des dcamtriques, avec une largeur de bande RF utilisable de 4 kHz, on a besoin duneefficacit spectrale de 5 bits par Hz de largeur de bande si lon veut obtenir la mme qualit sonore que celle des bandesdondes kilomtriques et hectomtriques.Selon les paramtres choisis pour le facteur de coupure, le ren

20、dement du code, le rapport de la structure detrame et la priode de garde, lune et lautre mthodes exigent de 32 64 tats de modulation.Le choix de la mthode de modulation (multiporteuse ou monoporteuse) est essentiellement dict par lalongueur de la rponse impulsionnelle du canal qui sexprime en longue

21、ur de symboles. Compte tenu des dpensestechniques ncessaires au niveau du rcepteur, la mthode est habituellement choisie selon la rgle suivante:- 3 -Rap. UIT-R BS.2004 Mthode monoporteuse: la longueur de la rponse impulsionnelle du canal est infrieure ou gale lalongueur de 16 symboles. Mthode multip

22、orteuse: la longueur de la rponse impulsionnelle du canal est suprieure ou gale lalongueur de 64 symboles.Si la longueur de la rponse impulsionnelle du canal est infrieure la longueur de 64 symboles, la complexitmoindre que lon peut esprer de la mthode multiporteuse nest plus garantie. Par ailleurs,

23、 lefficacit de lgalisateurncessaire dans la mthode monoporteuse a tendance baisser si la longueur de la rponse impulsionnelle du canaldpasse la longueur de 16 symboles.3.1 EmetteurLe choix entre la mthode multiporteuse et la mthode monoporteuse est par ailleurs influenc par la plusgrande complexit c

24、t metteur.Si nous voulons conserver les zones de couverture de la radiodiffusion MA, la transmission numrique nouspermettrait de rduire la puissance de lmetteur de quelques dB par rapport aux transmissions analogiques actuelles.Cependant, en gnral, le niveau de puissance RF ncessaire restera suffisa

25、mment lev pour pouvoir se dispenser duntage de sortie dmetteur linaire dont lefficacit est toujours mdiocre.Il doit donc tre possible de continuer exploiter les metteurs MA existants (classe C). A cette fin, lmetteursera coupl un modulateur de phase qui est insr derrire loscillateur pilote. Le modul

26、ateur damplitude devraitpouvoir transmettre une composante DC. Cette exigence est respecte par les modulateurs MID, les modulateurs impulsions, etc., cest-dire en fait par tous les types de modulateurs modernes.Habituellement, la modulation numrique est reprsente par des coordonnes cartsiennes bases

27、 sur desparties relles et imaginaires (signaux I et Q). Cest la raison pour laquelle les modulations comportant un grand nombredtats, par exemple la modulation damplitude en quadrature 64 tats, ont souvent des constellations de phase carres(constellations de symboles).Pour une modulation numrique co

28、mplexe dun metteur MA classique modernis, le signal de modulation doittoutefois tre converti en un signal damplitude et un signal de phase. Cest la reprsentation polaire au moyen des signauxA et .Le signal damplitude est appliqu au modulateur damplitude alors que le signal de phase est appliqu aumod

29、ulateur de phase. Par consquent, il est commode que les mthodes de modulation comportant un grand nombredtats prsentent une certaine symtrie rotationnelle dans la constellation de phase. On devrait parler de mthodesMDPA (modulation par dplacement de phase et damplitude). Les points correspondant aux

30、 tats sont arrangs enanneaux concentriques. La Fig. 1 donne un exemple de modulation MDPA. Dautres formes de modulation MDPA sontpossibles.Cette mthode de modulation, qui est adapte aux caractristiques de lmetteur avec beaucoup defficacit,prsente les avantages suivants: Les non-linarits du modulateu

31、r damplitude nont dincidence que sur les diamtres des anneauxconcentriques. Les conversions amplitude-phase ltage de sortie de lmetteur ninduiront quune lgre rotation desanneaux concentriques, ce qui peut tre compens par un codage diffrentiel sur les anneaux.Cette mthode prsente toutefois des inconv

32、nients qui doivent tre tolrs si lefficacit de lmetteur estaugmente: Si la largeur de bande des signaux I et Q est limite, celle des signaux A et phi ne lest pas en principe.Dans la pratique toutefois, la largeur de bande des signaux A et peut tre limite environ 2,5 fois lafrquence des symboles. En r

33、aison des retards observs dans lmetteur, il se produit un dcalage temporel entre les signaux A et qui doit tre compens. Dans le cas dune modulation 32 tats, le dcalage temporel ne devrait pasdpasser 2% de la longueur des symboles.Ces considrations sont valables quel que soit le systme de modulation

34、choisi.- 4 -Rap. UIT-R BS.20044 Modulation multiporteuse adapte aux bandes MA (MORFC)Dj mis en oeuvre dans le Projet EU 147-DAB (radiodiffusion audionumrique), associ au codage audio dugroupe MPEG de lISO afin de satisfaire aux exigences dune radiodiffusion audionumrique de haute qualit vers desrcep

35、teurs mobiles, portatifs ou fixes, le systme MORFC (multiplexage orthogonal en rpartition de frquence cod)pourrait quant lui tre la solution aux problmes que pose la radiodiffusion numrique dans les bandes MA.Le systme MORFC pourrait tre performant malgr les vanouissements slectifs que lon observe d

36、ans lesbandes MA, car il a t conu pour tirer parti de la prsence des phnomnes de propagation par trajets multiples.Le systme MORFC repose sur deux principes: Le premier consiste rpartir linformation transmettre entre plusieurs porteuses modules prsentantchacune un faible dbit binaire de sorte que ch

37、aque porteuse nest affecte que par un vanouissementuniforme ou non slectif. Le second exploite systmatiquement les phnomnes de propagation par trajets multiples entre lmetteuret le rcepteur, en utilisant le fait que des signaux suffisamment espacs en temps et en frquence nepeuvent pas tre affects de

38、 faon identique par les conditions de propagation. Cest exactement ce qui sepasse dans un canal 9 kHz pour des retards de lordre de quelques millisecondes et en prsence dundcalage Doppler. Par consquent, le systme MORFC relie entre eux les signaux lmentaires transmis endes emplacements distants du d

39、omaine temps-frquence. Cette opration seffectue par codageconvolutionnel associ un dcodage de Viterbi dcision pondre, paralllement un entrelacement enfrquence et en temps: plus la diversit sera grande, plus le systme sera robuste.Indpendamment du fait quil peut faire face des phnomnes de propagation

40、 trs prononcs, y compris deschos artificiels, le systme MORFC offre en outre la possibilit de concevoir des rseaux de radiodiffusion utilisant lespectre de faon plus efficace.Etant donn que le systme MORFC peut fonctionner avec un cho de 0 dB, il sera possible dutiliser desantennes non directives po

41、ur recevoir un programme radiodiffus, en mode cellulaire - du moins lchelle dun pays - partir de plusieurs metteurs fonctionnant sur la mme frquence (rseau monofrquence). Un tel rseau a besoin deplusieurs frquences pour une radiodiffusion classique analogique ou numrique, ce qui ne saurait tre nglig

42、 comptetenu du fait que les ressources spectrales sont limites.- 5 -Rap. UIT-R BS.20044.1 Prototype de dmonstrationAprs des tudes de simulation, le CCETT (France) a mis au point un prototype exprimental de systmeMORFC adapt aux bandes MA.Il sagissait avant tout de concevoir un systme prsentant, dans

43、 un canal 9 kHz, un dbit de donnes utilesuffisant pour assurer des services comme la radiodiffusion audio de trs bonne qualit.A cette fin, le CCETT a utilis des techniques numriques volues comme:- une modulation avec codage en treillis dune haute efficacit spectrale et peu sensible la distorsion des

44、canaux;- une valuation continue des canaux en insrant des porteuses de rfrence entre les porteuses utilises parle systme MORFC.Les principaux paramtres du prototype sont numrs dans le Tableau 2. Ce prototype est conu pour untalement du temps de propagation dans le canal de lordre de 2 ms (typiquemen

45、t un rseau monofrquence couvrant unesuperficie de lordre de celle de la France) et pour un dbit de donnes utile de 24 kbit/s.Il est raccord un codec son numrique inspir de la norme MPEG-2 (couche II audio de lISO/MPEG-2 unefrquence dchantillonnage rduite) mis au point galement par le CCETT.Lquipemen

46、t dessai du systme tout entier comprend galement un simulateur de canaux qui a dj permis devrifier les avantages que prsente la technique MORFC par rapport une modulation analogique classique dans descanaux MA types.Les travaux futurs comprendront des expriences avec mission effective.TABLEAU 2Param

47、tres pratiques du prototype de laboratoireLargeur de bandeLargeur de bande utiliseModulation de chaque porteuseTaux de codageTransforme de Fourier rapideDure utile des symbolesIntervalle de gardeDure totale des symbolesNombre total de porteusesNombre de porteuses utilesNombre de porteuses de rfrence pour lvaluationcontinue des canauxNombre de porteuses pour le contrle automatique desfrquences (non utilis lheure actuelle)Dbit de donnes utileEfficacit spectrale netteRapport porteuse/bruit pour exploitation sur un canalGaussienRapport porteuse/bruit pour exploitat