П.Б. Никишкин

Radio Data System

Введение.

В данной работе велось изучение и исследование приема цифровых данных по радио. Передача цифровых данных по радио на качество воспроизведения звука никак не влияет, но предоставляет слушателям целых ряд услуг. Это такие услуги как, название радиостанции, синхронизация часов радиоприемника с эталонными часами на радиостанции и др.

 Сведения о FM – сигнале.

Частотная модуляция применяется для высококачественной передачи звукового сигнала в радиовещании в диапазоне УКВ. Сигнал, передаваемый с радиостанции, представляет собой комплексный стереосигнал, в состав которого входит стереофонический сигнал и сигнал RDS (Radio Data System). Спектр комплексного стереосигнала приведен на рис.1.

Рис.1. Спектр комплексного стереосигнала.

На рис.1. слева расположена полоса частот от 30 Гц до15 кГц, которая принимается монофоническим приемником. Она представляет собой сумму сигналов правого и левого звуковых каналов (L+R), передаваемых в стереофонической системе. Справа от этих звуковых каналов расположен пилот-сигнал на частоте 19 кГц и две полосы боковых частот модуляции с подавленной поднесущей частотой 38 кГц, которые предназначены для стереофонической передачи звука. Поднесущая частота модулируется разностным звуковым сигналом (L-R). В декодере стереоприемника суммарный и разностный сигналы левого и правого каналов, используется как для восстановления поднесущей частоты 38 кГц с использованием пилот-сигнала, так и для восстановления первоначальных звуковых сигналов левого (L) и правого (R) каналов. Фактически полоса частот канала простирается вплоть до 53 кГц.

 RDS.

С конца 1970-х годов начала материализовываться идея о необходимости помощи водителям в сложных дорожных ситуациях, сначала в Германии, а потом и других странах Западной Европы. Идея состояла в регулярной передаче сообщений о дорожной обстановке через сеть FM-радиостанции, так как радиоприёмник во время поездки слушают почти все. Первые системы с подобными функциями появились еще в начале 1980-х, а с 1986 года в странах Западной Европы началась экспериментальная эксплуатация новой системы. В начале 1990-х Европейский вещательный союз принял рекомендацию о системе передачи данных RDS радиовещательными станциями, работающими в диапазоне FM (65—108 МГц).

Как показано на рис.1. излучение сигналов RDS происходит на частоте 57 кГц, которая является 3 гармоникой пилот-сигнала.

В системе RDS цифровая информация передается пакетами (рис.2.). Объем одного пакета составляет 104 бита и включает в себя 4 блока по 26 бит, из которых 16 являются информационным словом, а остальные 10 служат для создания кода команды.

Рис.2. Пакет RDS.

 В системе передачи данных RDS модуляция поднесущей 57 кГц амплитудная, но модулирующий сигнал цифровой, скорость передачи которого составляет 1187.5 бит/сек. Она выбрана в 48 раз меньше частоты поднесущей RDS. Для надежной передачи сигналов малого уровня, сравнимого с уровнем помех, цифровые сигналы предварительно кодируются дифференциальным способом.

Рис.3. Внутренняя структура пакета.

Из рис.3.

(1)   – номера битов пакета,

(2)   – номер блока,

(3)   – номер бита в блоке,

(4)   – вид слова в блоке,

(5)   – содержание слова,

(6)   – номер байта данных.

Первый блок каждого пакета содержит коды, идентифицирующие пакет (кода радиостанций PI, номера пакета PIN и др.). В третьем и четвертом блоках размещено два байта данных, выводимых на дисплей приемника. Во втором блоке находятся коды, определяющие характер этих данных.

Рассмотрим структуру второго блока. Схема размещения в нем информации показана на рис 4.

Рис.4. Структура второго блока.

Первые 6 бит заняты кодом типа группы применения данных (AA), находящихся в третьем и четвертом блоках пакета.

В системе RDS предусмотрена возможность реализации большого количества функций, однако, как правило, в RDS-радиоприёмниках используются только пять основных, так называемых базисных, функций, которые приведены в таблице 1.

 Таблица 1.

Всего в системе RDS имеется 32 варианта типов программ. Это такие как новости, спорт, образования, наука, погода и другие.

Приемник RTL-SDR RTL2832U.

Команда разработчиков OsmoSDR предлагает всем желающим поближе познакомиться с технологией SDR на примере недорогих DVB-T USB приёмниках потребительского класса. Предлагаемое ими программное обеспечение RTL-SDR позволяет превратить тюнер на базе чипа RTL2832U в полноценный SDR приёмник.

Выяснилось, что микросхема RTL2832U (рис.5) обладает недокументированными возможностями перевода её в режим, в котором она передает через высокоскоростной USB интерфейс необработанный восьмиразрядный квадратурный сигнал с частотой дискретизации, достигающей 2.8 MSPS.

Рис.5. Микросхема RTL2832U.

Диапазон рабочих частот зависит от применяемого в качестве тюнера чипа. Наилучший результат (52 - 2200 МГц) показал приёмник на базе Elonics E4000.

Практическая реализация.

Функциональная схема стенда имеет следующий вид (рис.6).

Рис.6. Функциональная схема.

Как видно из рис.6 в данной работе необходимо выполнить 9 этапов. Первый этап, это запись сигнала, излучаемого радиостанцией, с помощью приемника RTL2832U, для последующей его обработки. На втором этапе, осуществлялось демодуляция ранее записанного сигнала. Третий этап - это понижение частоты дискретизации (далее будет объяснение этому преобразованию). Четвертый этап и пятый этап - выделение RDS и пилот-составляющей соответственно. Шестой этап - перемножение RDS сигнала с выделенной утроенной пилот-составляющей, с цель переноса спектра сигнала RDS в НЧ область. Седьмой этап - выделение RDS в НЧ области. Восьмой этап - применение фазовой автоподстройки частоты. Девятый этап - применение тактовой синхронизации.

Далее будут выполнены все ранее описанные этапы.

С помощью приемника RTL2832U был записан сигнал с радиостанции, спектр которого представлен на рис.7.

Рис.7. Спектр недемодулированного сигнала.

После демодуляции спектр сигнала выглядит следующим образом (рис.8). 

Рис.8. Спектр демодулированного сигнала.

Как видно из рис.8. RDS имеет сильный уровень сигнала.

При демодуляции частота дискретизации должна быть Fs=4∙Fc. Т.е. получает в данном случае частота дискретизации, будет равна  Fs=4∙57 кГц=228 кГц. Частота дискретизации записанного сигнала с помощью приемника составляет 912 кГц. Поэтому сделает понижение частоты дискретизации в 4 раза (рис.9).

Рис.9. Спектр демодулированного сигнала с частотой дискретизации 228 кГц.  

С помощью полосового фильтра выделим пилот-сигнал (рис.10).

Рис.10. Спектр выделенного пилот-сигнала.

 Также с помощью полосовой фильтрации выделяется RDS составляющая (рис.11).

Рис.11. Спектр после фильтрации RDS сигнала.

Для того, чтобы перенести спектр RDS сигнала в нулевую частоту, нужно отфильтрованный сигнал RDS умножить на выделенную утроенную пилот-составляющую. Спектр после такого перемножения, представлен на рис.12. 

Рис.12. Спектр RDS сигнала перенесенного в НЧ.

 Выделим из полученного спектра RDS сигнала, только компоненты находящиеся в НЧ области (рис.13).

Рис.13. Спектр RDS сигнала после фильтрации.

 Скорость передачи символов в полосе RDS 2375 сим/с, что в 24 раза меньше частоты 57 кГц и в 48 раз меньше используемой частоты дискретизации 228 кГц. Следовательно, на 1 бит RDS сигнала буде приходиться 48 символов-отсчетов.

 На рис.14 представлены действительная и мнимая компоненты RDS сигнала без фазовой автоподстройки частоты, а на рис.15 с ФАПЧ.

Рис.14. Мнимая (синяя) и действительная (красная) компоненты RDS сигнала без ФАПЧ.

Рис.15. Мнимая (зеленая) и действительная (красная) компоненты RDS сигнала с ФАПЧ.

 Сам сигнал RDS представлен на рис.16.

Рис.16. Сигнал RDS.

 Сигнально-кодовое созвездие этого сигнала представлено на рис.17.

Рис.17. Сигнально-кодовое созвездие RDS без тактовой синхронизации.

 Этапы выполнения тактовой синхронизации:

 Нахождения модуля сигнала RDS (рис.18).

Рис.18. Модуль сигнала RDS.

 Дифференцирование модуля сигнала RDS (рис.19).

Рис.19. Дифференцирование модуля сигнала RDS.

 Как видно из рис.18 пересечения дифференцирующей функции с осью абсцисс, является пиком символа, поэтому необходимо брать точки именно в эти отсчеты времени. На рис.20 показаны моменты взятия значения символов.

Рис.20. Тактовая синхронизация сигнала RDS.

Тогда сигнально-кодовое созвездие имеет следующий вид (рис.21):

Рис.21. Сигнально-кодовое созвездие сигнала RDS после тактовой синхронизации.

Выводы: С целью получения информации передающейся в сигнале RDS, в данной работе было произведено исследование этого сигнала, произведена фазовая  и тактовая синхронизация.

В дальнейшем будет сделано манчестерское декодирование и дифференциальное детектирование. После этого для выделение информации содержащийся в RDS будет необходима кадровая синхронизация.

Список используемой литературы:

 1) Что такое RDS? // Журнал «Радио», 1996. - № 7. – с. 55, 56.

2) Мелешко И., Приемник сигналов RDS // Журнал «Радио», 1999. - № 7. – с. 20, 21, № 8. – с, 35, 36.

3) Мелешко И., RDS – структура сигнала // Журнал «Радио», 2000. - № 10. – с. 18, 19, 27.

4) http://ru.wikipedia.org/wiki/Radio_Data_System

5) http://rus.625-net.ru/625/1999/04/radio.htm

6) http://sdr.osmocom.org/trac/wiki/rtl-sdr

7) http://www.radiouniverse.ru/blogs/rx3dty/sdr-priemnik-na-rtl2832u