HD-Radio und FMeXtra

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Achim Blau
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1 HD-Radio und FMeXtra Vorstellung digitaler Systeme im UKW-Bereich Roland Kretzschmann Landesanstalt für Kommunikation 27. September 27 Überblick Rundfunk-Systeme für den UKW-Bereich Merkmale von HD-Radio Merkmale von FMeXtra Systemvergleich (Vor- und Nachteile) Stand der messtechnischen Untersuchungen im Labor und erste Ergebnisse (kritische Störsituationen) Weitere Schritte und Feldversuche R. Kretzschmann 27. September 27 LFK 2 1

2 Rundfunksysteme für den UKW- Bereich (Band II) (DRM12 / DRM+) R. Kretzschmann 27. September 27 LFK 3 DRM+ März 25: DRM wird auf alle Rundfunkbänder bis 18 MHz erweitert (Projekt DRM+, Vorstudie DRM12) 1 khz-raster (passend für UKW-Band zur Füllung von Frequenzlücken) Bandbreite knapp 1 khz Max. Datenrate bis 18 kbit/s (mit 16 QAM) Codecs mit hoher Datenkompression (u.a. MPEG 4 HE AAC+) SFN-fähig und für Einzelprogramme wirtschaftlich einsetzbar System als Ergänzung zu DAB für regionale und lokale Versorgungsaufgaben (Verbreitung von Einzelprogrammen) R. Kretzschmann 27. September 27 LFK 4 2

3 DRM+ - Spektrum / Signalparameter Pegel (db) COFDM Modulation: Anzahl Unterträger: Unterträgerabstand: Bandbreite: Modulation: Crest-Faktor: Bandbreite: < 1 khz DRM 12 COFDM Hz 1 khz 16QAM, QPSK, 64QAM 11.5 db Frequenz DRM+ COFDM Hz 1 khz 16QAM, QPSK, 64QAM 9 db (!) R. Kretzschmann 27. September 27 LFK 5 HD-Radio - Eckdaten Entwickler und Lizenzgeber: ibiquity Corporation Einziges in den USA von der FCC zugelassenes IBOC-System Über 1.2 Radiostationen in den USA in Betrieb (Regelbetrieb) Drei unterschiedliche Betriebsarten möglich Standard FM-HD-Radio Hybrid Mode (FM + digitale Kanäle) Datenraten bis zu 124 kbit/s (Übertragung von bis zu 3 digitalen Kanälen möglich) Extended Hybrid and Multicast Mode mit erweiterter digitaler Kanalkapazität (reduzierte FM-Bandbreite und zusätzliche Unterträger - 24 kbit/s) R. Kretzschmann 27. September 27 LFK 6 3

4 HD-Radio - Eckdaten FM-HD-Radio-Full Digital Mode (ohne analoge FM-Komponente) Wechsel zu ausschließlich digitaler Modulation möglich. FM-Komponente mit alten UKW-Radios empfangbar. Versorgung regionaler und lokaler Gebiete auch für nur einen Veranstalter wirtschaftlich möglich. SFN-fähig; Betrieb an vorhandenen Sender-Standorten; Umrüstung einfacher Standorte meist mit vertretbarem Aufwand möglich. Gute HF-Empfangseigenschaften, robustes Signal mit sehr effektiver Quellkodierung (ähnlich AAC+). Nachplanung in europäischen Sendernetzen problematisch. R. Kretzschmann 27. September 27 LFK 7 HD-Radio - Spektrum, Signalparameter 4 khz Unteres digitales Seitenband 1 primäre Partitionen Oberes digitales Seitenband 1 primäre Partitionen 23 db lower DSB Analoges FM-Trägersignal Stereo / Mono upper DSB Unterträger Abstand zur Mittenfrequenz (khz) Unterträger Spektralkomponenten des FM-HD-Radio Hybrid Mode Signals R. Kretzschmann 27. September 27 LFK 8 4

5 HD-Radio - Signalparameter Modulation: Anzahl Unterträger: Unterträgerabstand: Bandbreite: Gesamtbandbreite: Crest-Faktor: COFDM. QPSK 2 x 191 (2 DSB) 363 Hz 2 x 69 khz 4 khz (!) 8.5 db (gemessen) Digitales System mit dem niedrigsten Crest-Faktor! Fazit: HD-Radio nutzt Übertragungsbandbreite zu Lasten der Frequenznachbarn! Der Zugewinn an Übertragungskapazität bei HD-Radio führt zu Reichweitenverlusten auf den Nachbarfrequenzen im 2 khz-abstand! R. Kretzschmann 27. September 27 LFK 9 HD-Radio - Störproblematik Nutzsignal Störsignal 7 db khz Störungen durch HD-Radio im 2 khz-abstand R. Kretzschmann 27. September 27 LFK 1 5

6 FMeXtra - Eckdaten Einfache Lösung zur Realisierung digitaler Zusatzkanäle im bisher nicht benutzten MPX-Spektrum oberhalb 6 khz. Geringer Aufwand zur Erzeugung des Sendesignals (PC). An jedem Senderstandort ohne Umbauten einsetzbar. Kaum Auswirkung auf das HF-Signal des Senders Geringe zusätzliche Störwirkung im Spektrum Schmalbandigen und breitbandigeren Mode (23 und 36 khz Bandbreite); Datenrate < 5 kbit/s (4-48 kbit/s). Auswirkungen auf Multiplexleistung und Hub beherrschbar. R. Kretzschmann 27. September 27 LFK 11 FMeXtra - Erste Erfahrungswerte Gute Audiosignalqualität bei geringer Bandbreite (AAC+). Übertragung von 1 bis 2 Programmen möglich. Lange Resynchronisationsdauer (ca. 5 Sek.). Signal reagiert empfindlich auf Pegelabsenkungen und braucht anschließend lange zur Resynchronisation (Signalunterbrechungen). Signal reagiert empfindlich gegenüber Störungen des Nutzsignals (Interferenzstörungen im 1 khz-abstand und Mehrwegeempfang). Mobilempfang muss als problematisch eingeschätzt werden. System ist verfügbar und grundsätzlich einsetzbar. R. Kretzschmann 27. September 27 LFK 12 6

7 FMeXtra - Spektrum MPX-Signal Pegel (db) L + R L - R L - R RDS FMeXtra Frequenz (khz) FMeXtra im Multiplexsignal des UKW-Senders -Breitbandversion- R. Kretzschmann 27. September 27 LFK 13 FMeXtra - HF-Signal Pegel (db) mit FMeXtra -6-7 ohne FMeXtra Frequenz (khz) Auswirkung von FMeXtra auf das HF-Spektrum (FM) R. Kretzschmann 27. September 27 LFK 14 7

8 FMeXtra und HD-Radio -Vergleich HD-Radio FMeXtra Datenrate: Anzahl zusätzlicher Audiokanäle: Verträglichkeit mit UKW: Betriebsaufwand: Signalstabilität (Mobilempfang): Planungsbeschränkungen: bis zu 124 kbit/s 2-3 problematisch erheblich hoch einzelfallabhängig 4-48 kbit/s 2-3 unproblematisch gering problematisch keine R. Kretzschmann 27. September 27 LFK 15 Störkriterium und Schutzabstand ITU-Grundsatz: Digitaler Rundfunk muss Schutzabstände zu anderen Rundfunkaussendungen und Funkdiensten (analoge und digitale) einhalten, die zur Erfüllung der durch internationale Vereinbarungen für den analogen Rundfunk und für andere Funkdienste festgelegten Störkriterien noch ausreichend sind. (Bestandsschutz für bestehende Systeme) R. Kretzschmann 27. September 27 LFK 16 8

9 Störkriterium und Schutzabstand Störsignal Dämpfungsglied Nutzsignal FM HD-Radio DRM+ FMeXtra f +/- Δf Combiner Gewolltes FM-Signal, f Testempfänger Splitter Spektrum- Analyzer Pegelbestimmung (HF) Allgemeiner Messaufbau Störkriterium bei FM: 5 db S/N Messgerät für Störkriterium z.b. Audio S/N, BER, SINAD R. Kretzschmann 27. September 27 LFK 17 Störkriterium und Schutzabstand Pegel Störsignal Störkriterium bei FM: 5 db S/N (Audio) Schutzabstand Nutzsignal (FM) Frequenz Der Schutzabstand ist die Differenz zwischen den HF- Leistungen in db des Nutz- und Störsignals R. Kretzschmann 27. September 27 LFK 18 9

10 Störszenarien (Ursachen) Pegel Störsignal Selektion Schutzabstand Nutzsignal (FM) Frequenz Intermodulation Nebenaussendungen R. Kretzschmann 27. September 27 LFK 19 Schutzabstände (FM Stereo durch FM gestört) ITU BS Gemittelte Werte von 6 Empfängern Abstand zur Mittenfrequenz (khz) Audio S/N: 5 db S/N R. Kretzschmann 27. September 27 LFK 2 1

11 Schutzabstände (FM Stereo durch HD-Radio gestört) ITU BS Gemittelte Werte von 6 Empfängern Audio S/N: 5 db S/N R. Kretzschmann 27. September 27 LFK 21 Verringerung der Schutzabstände für HD-Radio HD-Radio ITU BS.412 Erhöhung der Schutzabstände: bis über 2 db bei Δf >15 khz -2-3 FM Gemittelte Werte von 6 Empfängern Audio S/N: 5 db S/N R. Kretzschmann 27. September 27 LFK 22 11

12 Spektrumsmasken -1-2 FCC HD Radio 23 db db ETSI Abstand zur Mittenfrequenz (khz) HD-Radio Spektrum mit ETSI und FCC-Spektrumsmaske R. Kretzschmann 27. September 27 LFK 23 Änderung des Störkriteriums Audio S / N - Störer: HD-Radio, FM 5 4 x db HF-Schutzabstand (db) HD-Radio ( khz-abstand) FM ( khz-abstand) HD-Radio (2 khz-abstand) x db FM (2 khz-abstand) db Audio-S/N (db) Anmerkung: Das dargestellte Ergebnis x ist abhängig vom Empfänger und nicht allgemeingültig! R. Kretzschmann 27. September 27 LFK 24 12

13 HD-Radio, FMeXtra -weitere Schritte Auswertung der bisherigen Laboruntersuchungen Frequenzzuteilungen für Strahlungsversuche erwirken Vorbereitung von Strahlungsversuchen unterer realen Bedingungen zur Untersuchung kritischer Empfangssituationen Untersuchung Mobilempfang unter dynamischen Feldverhältnissen Erarbeitung von Planungsparametern Bewertung der Systeme; Konzeptentwicklung R. Kretzschmann 27. September 27 LFK 25 Vielen Dank! R. Kretzschmann 27. September 27 LFK 26 13

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