Eureka 147 DAB und Digital Radio Mondiale

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1 Eureka 147 DAB und Digital Radio Mondiale Dipl.-Inf. Olaf Korte Fraunhofer Institut für Integrierte Schaltungen mailto: Entwicklungstendenzen der digitialen Rundfunk- und Fernsehtechnik, HTL Innsbruck, 14. Oktober

2 Eureka 147 DAB: 2

3 Eureka 147 DAB DAB: Abkürzung für Digital Audio Broadcasting von der EU-Forschungsinitiative EUREKA 147 entwickeltes und 1994 standardisiertes Verfahren zur digitalen Übertragung von Radiosignalen. Nutzbare Frequenzen Bandbreite Nutzdatenrate Fehlerschutz 30 MHz bis 3 GHz für mobilen Empfang (für stationäre Nutzung auch höhere Frequenzen) 1,536 MHz typisch 1,5 Mbit/s, abhängig vom Fehlerschutz Für jeden Service getrennt skalierbar Daten: 25% - 300% Overhead; Audio: 25% - 200% Overhead 3

4 Eureka 147 DAB Übertragungsstrecken Hohe Störfestigkeit Frequenzökonomie Terrestrisch, Satellit, Hybrid (terrestrisch und über Satellit), Breitband-Kabelnetze Zeit- und Frequenzmultiplex Gleichwellennetz (Single Frequency Network) ermöglicht gegenüber UKW eine um den Faktor 3 bessere Ausnutzung des Frequenzspektrums. 4

5 DAB-Sender (Prinzip) Sendeantenne Hörfunk- programm Hörfunk- programm Datendienste Multiplexinformation Programm- und Abstimminformation Audiocodierung Paket- Multiplexer Transmission Multiplexer Audiocodierung Kanalcodierung Kanalcodierung Kanalcodierung Fast Information Channel FIC Filter Kanalcodierung Sende- Verstärker MSC Multiplexer OFDM- Modulator weitere Kanäle 5

6 DAB-Empfänger (Prinzip) Tuner OFDM-Demodulator Fehlerkorrektur Audiodecoder Hörfunkprogramm Steuerung Bedienteil Datenendgerät Datenschnittstelle 6

7 COFDM: Modulationsverfahren in DAB Abkürzung für Coded Orthogonal Frequency Division Multiplex Bei OFDM- (Orthogonal Frequency Division Multiplex) Modulation werden einzelne Bits auf mehrere, orthogonale, modulierte Träger verteilt. OFDM hat exzellentes Verhalten bei frequenz-selektivem Fading. Dadurch wird eine hohe Sicherheit gegen Störungen erreicht. 1.2 Einhüllende aller 1 OFDM Träger 0.8 einzelner, ortho- 0.6 gonaler Träger Amplitude Überlappung der Sin(x)/x Funktion im Frequenzbereich P / dbm f Frequenz (f/f ) 7

8 COFDM: Modulationsverfahren in DAB II k=1 ω(k) k=1536 Quellensignal wird kanalcodiert und auf eine Vielzahl äquidistanter Träger (1536 Träger) abgebildet. Gesamtbandbreite: N x Trägerabstand Im Re Abbildung auf die Träger erfolgt z.b. mit 4-fach Phasenmodulation (QPSK, Quadrature phase shift keying). Jeder Träger beinhaltet damit die Information von 2 Kanalbit. Die mit den 1536 Trägern darstellbare Information wird»symbol«genannt (Symbol = 3072 bit) 8

9 DAB»Transmission Modes«9

10 Aufbau eines DAB-Übertragungsrahmens Null-Symbol Phasenreferenz- Symbol Jeder Übertragungsrahmen besteht aus einer Anzahl von OFDM- Symbolen, deren Zahl bei den einzelnen Übertragungsmodi unterschiedlich groß ist. Jedem einzelnen davon ist eine gewisse Anzahl von Trägern zugeordnet. FIC- Symbole MSC- Symbole T Null T null = Dauer des Null-Symbols T F T F = Dauer des Übertragungsrahmens T Null 10

11 Aufbau eines DAB-Übertragungsrahmens Null-Symbol Phasenreferenz- Symbol FIC- Symbole MSC- Symbole T Null T null = Dauer des Null-Symbols T F T F = Dauer des Übertragungsrahmens T Null Generell können für den Datentransport eingesetzt werden: - Synchronisation Channel (Null- und Phasenreferenz-Symbole) - Fast Information Channel (FIC) - Main Service Channel (MSC) 11

12 DAB-Übertragungsrahmen II Synchronisation Channel Ermöglicht dem Empfänger die Synchronisation auf das DAB- Signal, also insbesondere die Rahmen- und Symbolstruktur. Fast Information Channel (FIC) Enthält hauptsächlich Steuerungs- und Decodierungsinformationen übertragen. Dieses sind im wesentlichen Informationen über den DAB-Multiplex und die darin enthaltenen Dienste und Programme. Erst nach der Auswertung des FIC kann der Empfänger die eigentlichen Nutzdaten dekodieren. Main Service Channel (MSC) Die Symbole des MSC dienen dazu, die eigentlichen Nutzdaten, also die Programme und Datendienste des Ensembles zu übertragen. 12

13 Prinzip des DAB-Multiplex t Data Service M Data Service 4 Data Service 3 Data Service 2 Data Service 1 Packet and Stream data channels Main Service Channel Fast Information Channel (FIC) Audio N Audio 3 Audio 2 Audio 1 Primary Services Ancillary Services Programme Associated Data (PAD) Audio System Service Channel / Multiplex Configuration Information 13

14 DAB Übertragungskanäle Audio n * 8 kbit/s (8 kbit/s kbit/s) typisch 6 Audio-Programme pro Ensemble Program Associated Data Packet mode data PAD Programmbegleitende Datendienstübertragung innerhalb des Audiokanals (667 bit/s - 64 kbit/s) n * 8 kbit/s Paketmultiplex (bis 1023 Paketadressen), Datenraten abgesehen von Paketgrößen und -grenzen beliebig aufteilbar datagroup header datafield CRC header datafield CRC Stream mode data n * 8 kbit/s packet 1 packet N 14

15 PAD Program Associated Data Im Vergleich zum packet mode schlechter Fehlerschutz audio data XPAD CRC audio frame dynamic label string FPAD FPAD: die letzten 2 Byte jedes 24 ms Audio-Frames XPAD: optionale Datenbytes, variable Datenraten dynamic label segm ent 1 PAD seg ment 1 datagroup dynamic label segm ent N N 8 PAD seg ment N 15

16 Multimedia Object Transfer Protocol (MOT) MOT header MOT body Basis für alle heutigen DAB Multimediadienste header segment 1 header segment N body segment 1 body segment M 1995 zunächst Standardisierungs- Initiative des IIS-A MOT directory/header/body ETSI Standardisierung header segment 1 datafield CRC header segment N datafield CRC datagroup 1 datagroup N 16

17 Dienste-Verschlüsselung: Conditional Access (CA) input data bitstream PRBS bitstream X-OR output data bitstream (De)Scrambler: Symmetrisches Ver- und Entschlüsseln durch X-OR-Verknüpfung der Nutzdaten mit einem Pseudo-Zufallsbitstrom (de)scrambler Initialization Word applied to shift register as initial bitpattern bit 6 bit 5 bit 4 bit 3 bit 2 bit 1 bit 0 PRBS Generator (Pseudo Random Binary Sequence): Ein Startwort legt die Bitsequenz fest SCM - Subscription Control Message: Enthält verschlüsselte Startwörter und wird in (un)regelmäßigen Abständen übertragen, um die Zufalls-Sequenz zu wechseln (bit 6) t+1 = (bit 0) t + (bit 3) t PRBS output bitstream SMM Subscriber Management Message: Verwaltungsinformation zur Dienstefreischaltungen 17

18 DAB in Österreich DAB-Empfangsbereich in Österreich bis Januar (Quelle: WorldDAB) Tirol: Ö3 Radio Tirol Ö1 FM4 Wien: Ö3 Radio Wien Ö1 FM4 18 Quelle:

19 Eureka 147 DAB und Digital Radio Mondiale DAB in Deutschland DAB-Pilotprojekte in 10 Bundesländern seit 1995 Seit 1998 Regelbetrieb in Baden-Württemberg, Bayern, Berlin-Brandenburg, NRW, SachsenAnhalt, Thüringen, Sachsen, Hessen und in vielen Städten (z. B. Köln, München, Nürnberg) Verbindliche Netzausbaupläne für alle Bundesländer liegen vor Karte: geplanter DAB-Empfangsbereich in Deutschland bis Ende 2000, bis 2004 nahezu flächendeckend. Quelle: 19

20 DAB weltweit DAB-Pilotprojekte zur Erprobung von Diensten, Netzen, Endgeräten und Regulierung: Kanada, Australien, China, Indien, Südafrika, Singapur, Korea... Europa: UK, Skandinavien, Niederlande, Schweiz, Frankreich, Italien, Polen, Ungarn, Benelux, Tschechien... Insbesondere in UK ist DAB schon ein Erfolg. Vorreiter: BBC mit innovativen Diensten und Radioprogrammen. Geräteverkauf in UK wesentlich besser als in D. 20

21 DAB Sendegebiete weltweit DAB in Betrieb DAB in Vorbereitung Experimenteller Betrieb Starkes Interesse an DAB Wachsendes Interesse an DAB Keine Informationen Quelle: The World DAB Forum 21

22 DAB Zusammenfassung - DAB ist ein weitgehend Europäisches System - In Großbritannien ist DAB ein großer Erfolg - In Deutschland ist DAB momentan auf dem Vormarsch - außerdem in verschiedenen Ländern der Welt im Einsatz - Empfänger sind verfügbar, mittlerweile auch preiswert! - Einführung neuer Dienstearten erweitert das Anwendungsspektrum 22

23 DRM Digital Radio Mondiale: 23

24 Motivation Frequenzen unter 30 MHz haben attraktive Eigenschaften: Extrem große Reichweiten bei KW (Raumwelle) ermöglichen weltweit empfangbare Dienste Gute Gebäudedurchdringung AM Rundfunk ist in vielen Ländern immer noch die einzige Möglichkeit für Nationale Reichweiten (Kosten) Dringender Bedarf nach besserer Service-Qualität in den AM Bändern Störungsfreie Einführung in den existierenden AM Bändern 24

25 Ausbreitungsbedingungen - Kurzwelle Langwelle (LW) khz Bodenwelle Mittelwelle (MW) khz Bodenwelle Kurzwelle (KW) 3-27 MHz Raumwelle 25

26 Digital Radio Mondiale (DRM) Deutsche Telekom Internationales Konsortium, gegründet 1998 Ziel: Weltweiter Standard für Digital Radio auf Lang-, Mittel- und Kurzwelle (unterhalb 30 MHz) Mehr als 75 Mitglieder Entwicklung eines Digitalen Rundfunksystems: ITU Empfehlungen (ITU-R BS.1514) / ETSI Standard (ETSI ) Hohe Qualität und Verfügbarkeit von Digital Audio und Datenübertragung Weltweiter, schrittweiser Wechsel von Analog- zu Digitaltechnik 26

27 Randbedingungen für DRM Kompatibilität mit dem bestehenden Kanalraster (9 bzw. 10 khz) Ionosphärischer Übertragungskanal 24 kbit/s Nettodatenrate (typisch) Stationärer, portabler und mobiler Empfang Zusätzliche Audio-, Sprach- und Datendienste 27

28 Technisches Konzept Verschiedene Modi für Bodenwelle und Raumwelle Verschiedene Bandbreiten: 4.5, 5, 9, 10, 18, 20 khz (bis zu 32 9 khz) MPEG4 AAC+ Audio, zusätzlich Sprachkoder (HVXC, CELP) Kohärentes OFDM mit Multilevel Coding Gleichwellen-Netzbetrieb möglich Reduzierter Stromverbrauch am Sender (ca. 25%) Weiterverwendung existierender Sender durch Anpassungen an DRM 28

29 Modulations-Schema Multicarrier Modulation (OFDM) Ca. 200 Träger mit 9 khz Signal-Bandbreite Quadrature Amplitude Modulation 16 or 64-QAM modultierte Träger Guard Intervall zur Vermeidung von Symbol-Interferenzen Ratio Guard time / symbol time: Mode A (für Bodenwellenbetrieb): 2,66 / 24 ms Mode B (für Raumwellenbetrieb): 5,33 / 21,33 ms 29

30 DRM RF Signal Orthogonal Frequency Division Multiplex (OFDM) zwischen 100 und 200 Träger in 9 bzw. 10 khz Bandbreite QAM für jeden Träger lange Symboldauer mit Guard Intervall schützt gegen Inter Symbol Interferenz (ISI) bei Mehrwege-Empfangsbedingungen Symbole sind in Frames und Superframes gruppiert Pilot-Träger-Raster für Kanal-Abschätzungen (scattered pilots) Zusätzliche Pilot-Träger für Frequenz- und Zeit- Synchronisation Guard Intervall Korrellation für Zeit-Synchronisation 30

31 Kanalkodierung Convolution coding für Fehlerkorrektur Multilevel code mit Koderate 0.25 Puncturing ermöglicht verschiedene Koderaten ( ) Block Interleaver auf jedem der 3 Levels Dekodierung durch Viterbi decoder (soft input und reliability information) in 2 Iterationen Symmetrischer oder unsymmetrischer Fehlerschutz für MSC-Daten Zeit- und Frequenz-Interleaving der kodierten und gemappten MSC-Daten 31

32 DRM Multiplex (Datenstruktur und Transportrahmen) transmission frame, 400 ms superframe, 1200 ms MSC + FAC MSC + FAC MSC + FAC SDC FAC MSC SDC MSC MSC Service Description Channel (SDC) Dekodier-Parameter für den MSC Attribute und alternative Quellen (AFS) für die Dienste die im MSC übertagen werden Fast Access Channel (FAC) grundlegende Übertragungsparameter Service Auswahlparameter für schnelles Scannen Main Service Channel (MSC) Nutzdaten aller Dienste (max. 4) innerhalb des Multiplex 32

33 DRM Service linking Service 1 Service 1 Service 1 DRM Services DRM Services presented to Für den Nutzer sichtbare the listener Dienste up to 4 Services Bis zu 4 Services each of 1 or Jeder Service besteht more aus Service einer oder mehreren Komponenten Components signalled in FAC Signalisierung im FAC Audio (music) Audio (music) Text Message Data Application SDC Entities Eine pro Service-Komponente SDC Entities one per Service Audio- oder Datenanwendung Component Audio or Data app. DRM Streams In MSC (bis zu 4) DRM Streams in MSC (up to 4) Audio (inkl. TextMessages) each audio oder (incl. Datenanwendung TextMessages) or data appl. Audio 0 Stream 0 Audio 0 TM Stream Data (PacketMode) Stream 0 33

34 DRM Service linking Service 1 Service 2 Service 1 Service 2 DRM Services DRM Services presented to Für den Nutzer sichtbare the listener Dienste Bis zu 4 Services up to 4 Services each of 1 or Jeder Service besteht more aus Service einer oder mehreren Komponenten Components signalled in FAC Signalisierung im FAC SDC Entities Eine pro Service Komponente SDC Entities one per Service Audio- oder Datenanwendung Component Audio or Data app. DRM Streams Audio (music) Text Message Multimedia Audio (music) Text Message Multimedia Audio (speech) Multimedia In MSC (up to 4) DRM Streams in MSC (up to 4) Audio (inkl. TextMessages) each audio oder (incl. Datenanwendung TextMessages) or data appl. Audio 0 TM Data (PacketMode) Stream 0 Stream 1 Audio Data (PacketMode) Stream 0 Stream 1 34

35 DRM Dynamische Service Rekonfiguration Nur Service Rekonfiguration MSC Kapazität bleibt konstant DRM Service reconfig DRM Service reconfig DRM Service reconfig DRM Service reconfig audio (music) news EN news DE audio (music) news EN news DE audio (music) data appl. data appli. data application data appli. data appli. MSC capacity time 9:00h 9:10h 10:00h 10:10h 35

36 DRM Dynamische Multiplex Rekonfiguration z. B. zur Anpassung an unterschiedliche Tag- und Nachtausbreitungsbedingungen Flexibler Kompromiss zwischen (Netto-)Kanal-Kapazität und Fehlerschutz Netto-Kapazität des MSC ändert sich MSC capacity data Daten application DRM Multiplex + DRM Service reconfiguration 9:00h 20:00h time audio (stereo) audio (mono) data appl. during night time: higher interference due to ultra wide signal propagation?? higher signal protection required 36

37 DRM Datentransport-Protokolle Informationsübertragung im MSC (Main Service Channel) Synchronous streaming Asynchronous streaming DRM Data Unit transport File/directory transport (MOT) Coded Audio Coded Data MSC (max. 4 DRM Streams) DRM Multiplex Generator super frame (1,2s) B A B A B time FAC SDC MSC frame (400ms) DRM Multiplex Fast Access Channel Service Description Channel Main Service Channel data stream 0 data stream 1 data stream 2 data stream 3 max. 4 data sub-streams 37

38 DRM Datentransport-Protokolle Synchroner Datenstrom synchronous input stream MSC data stream band width time MSC data stream als transparenter serieller Übertragungskanal Muss stets exakt mit Datenbits»gefüttert«werden (Synchronisation, evt. padding-bits!) Maximal eine Datenanwendung pro MSC data stream 38

39 DRM Datentransport-Protokolle DRM PacketMode DRM data unit A DRM data unit B MSC data stream (packet mode) band width packets time Transport von Datenobjekten definierter Länge Datenrate bis zur maximal verfügbaren Rate variabel Maximal vier Datenanwendungen pro MSC data stream Ermöglicht die 1:1 Verwendung des DAB-MOT Protokolls 39

40 DRM Datentransport-Protokolle Asynchroner Datenstrom asynchronous input stream MSC data stream (packet mode) band width packets time empty packet or different packet ID MSC data stream als transparenter serieller Übertragungskanal Datenrate bis zur maximal verfügbaren Rate variabel Maximal vier Datenanwendungen pro MSC data stream, basiert auf DRM packet mode 40

41 DRM Datentransport-Protokolle File MOT Multimedia Object Transfer Header core Header extension Body segment 1 Body segment 2 Body segment n Segmentation header Segment Segmentation header Segment DRM Standard-Protokoll zur Übertragung von Dateien und Verzeichnisstrukturen Identisch zum DAB- Standard Setzt auf dem DRM PacketMode auf MSC data Session group header header MSC Data Group Type 3 MSC data Session group header header MSC data group data field MSC data group CRC MSC data group data field DRM Data Unit MSC data group header Session header MSC Data Group Type 4 or 5 hdr 1 data 1 CRC 1 hdr 2 data 2 CRC 2 hdr N data N packet 1 (FF,LF = 10 b ) packet 2 (FF,LF = 00 b) packet N (FF,LF = 01 b ) MSC data group CRC MSC data group data field CRC N MSC data group CRC 41

42 Audio-Kodierung MPEG-4 AAC Advanced Audio Coding universeller Audiokoder (Musik/Sprache) 8 74 kbps: Mono, Parametric Stereo (> 16 kbps), Stereo (> 32 kbps) Klangverbesserung durch SBR (optional) MPEG-4 CELP Code Excited Linear Prediction Speech codec (von NEC) 4 20 kbps MPEG-4 HVXC Harmonic Vector excitation Coding Speech codec (von Sony) 2 oder 4 kbps Audio Bandbreite von 200 bis 3600 Hz 42

43 Audiokodierung mit Spectral Band Replication (SBR) Nur die niedrigen Frequenzen sind»herkömmlich«kodiert; für die hohen Frequenzen wird nur die»hüllkürve«berechnet db 0dB e.g. AAC SBR Empfänger rekonstruieren die höheren Frequenzen aus den niedrigen unter Einbeziehung der SBR--»Hüllkurve«Datenrate für SBR ca. 2 kbps f [khz] 43

44 Audiokodierung MPEG 4 AAC + SBR (Advanced Audio Coding + Spectral Band Replication) Channel 44

45 Demonstration»DRM«auf MW und KW mit AAC + SBR KW-Sender: Sines (P) Receiver: Kotka (SF) khz, 8. Aug QAM, AAC+, 22,2 kbps Kotka AM DRM Orfordness MW-Tx: Orfordness (GB) Receiver: Erlangen (D) khz, 25. Juli QAM, AAC+, 25,1 kbps Erlangen AM DRM Sines Source: 45

46 DRM Encoder architecture Eureka 147 DAB und Digital Radio Mondiale audio data stream max. 4 source encoder MUX MSC data stream pre-coder FAC information pre-coder channel encoder FAC OFDM cell mapper OFDM signal generator modulator output SDC information pre-coder SDC pilot generator 46

47 Daten- und Multimedia Dienste Kompatibilität Datensignalisierung speziell für DRM standardisierte Datendienste Proprietäre Datendienste für DAB (!) standardisierte Dienste Vorteil für Empfängerhersteller kombinierte Chipsets Analog / DAB / DRM Einheitliche Datendienst-Dekoder-Module (Hard-/Software) Vorteile für Diensteanbieter Mehrfachverwendung desselben Contents über verschiedene Medien Einheitliche Content-Aufbereitung 47

48 Professional PC basiertes Fraunhofer Software Radio MS Windows 500 MHz Pentium AOR7030 (AM Frontend) Verwendung der PC- Soundkarte (mit 48 khz Samplingrate) Lang-, Mittel und Kurzwelle MPEG-4 AAC + SBR Multimedia Dienste Monitoring und Aufzeichnung Signal-Analyse usw. 48

49 DRM Vorteile für den Benutzer Störungsfreier Empfang auf Kurz-, Mittel- und Langwelle Hohe Audioqualität (volles Frequenz-Spektrum) Zusätzliche Daten- und Multimediadienste Automatischer Frequenzwechsel und einfaches Bedienkonzept Ein Empfängertyp für weltweiten Einsatz Große Reichweiten Heimatsender im Urlaub Preiswerte Empfänger werden in naher Zukunft verfügbar sein 49

50 DRM Roadmap 2003: Start regulärer DRM Sendungen und erste Empfänger auf dem Markt 2002: Pilotbetrieb mit Prototyp-Sendern und Prototyp-Empfängern 2001: Standardisierung; System Verifikation Feldtests 2000: DRM Beschreibung fertig & ITU-Vorlage 1999: System Evaluierung 1998: Gründung des DRM Konsortiums 50

51 DRM Zusammenfassung und Ausblick Audio und Multimedia Dienste mit täglichen Aussendungen sind on-air PC basierte Empfänger sind verfügbar (auch als USB Stick ca. Ende 1. Quartal 2004) erste DRM Consumer-Empfänger werden in 2004 verfügbar sein 51