Un peu de technique

31 juillet 2008

Digital Radio Mondiale est une norme de radiodiffusion numérique pour les ondes courtes, moyennes et longues (fréquences en dessous de 30 MHz). Il a été développé par un consortium de diffuseurs, de constructeurs d'émetteurs/récepteurs et de centres de recherche.

Le consortium existe depuis 1998, et le lancement officiel du système DRM a eu lieu en juin 2003 à Genève. Les spécifications du consortium ont été converties en norme européenne par l'ETSI (référence : ES 201 980) et sont reconnues par l'Union internationale des télécommunications (ITU) comme moyen de radiodiffusion numérique pour ces gammes d'ondes. Radio France Internationale, Télédiffusion de France, Deutsche Welle, Voice of America, ont pris part à la formation du consortium DRM. Le Syndicat National des Radios Libres (l'organisation professionnelle regroupant les radios associatives en France) est venu renforcer le consortium, ainsi que Littoral AM, la première radio régionale a avoir choisi de diffuser ses programmes en DRM, qui en est membre depuis 2005.

Principe

L'idée de base pour la création de ce système numérique est que les ondes courtes, moyennes et longues offrent en analogique déjà un certain nombre d'avantages par rapports aux autres systèmes de radiodiffusion (satellite, terrestre VHF, ...):

· Couverture possible à très large échelle (nationale, internationale) avec un seul émetteur. Aucun équipement intermédiaire n'est a priori prévu entre l'émetteur et le récepteur ce qui représente une sécurité.

· Un récepteur onde courte est compact, léger et simple. Il ne nécessite par exemple pas de devoir pointer une antenne à un endroit précis comme dans le cas du satellite.

Par contre la diffusion numérique offre toutes sortes d'avantages par rapport à la diffusion analogique traditionnelle en AM :

· Qualité de son améliorée. Plus de parasites et de bruits de fond. Comparable dans certains cas à de la radiodiffusion FM.

· Identification des stations reçues. Recherche de station améliorée. Il n'est plus nécessaire de consulter des longues listes pour savoir quelle chaîne est captée.

· Ajout de données associées au programme : texte défilant, images.

· Pour une même zone de couverture, un émetteur DRM a besoin d'environ 4 fois moins de puissance qu'un émetteur AM. Ceci représente une économie non négligeable d'énergie et une diminution des rayonnements à proximité de l'émetteur quand on sait que les puissances utilisées sont souvent très élevées (souvent des centaines de kilowatts).

Depuis le lancement officiel, le nombre de stations émettant en DRM ne cesse d'augmenter et celles-ci peuvent souvent être captées dans toute l'Europe.

La réception de programmes émettant en DRM implique forcément l'utilisation d'un nouveau récepteur. Pour le moment ceux-ci se font rares mais il est d'ores et déjà possible de réceptionner les signaux en utilisant certains récepteurs AM traditionnels en les modifiant et en les couplant à un ordinateur qui se charge du décodage grâce à un logiciel., les premiers récepteurs voient le jour en 2006 et la tendance est au récepteur multistandard accueillant d'autres normes numériques (DAB/DMB, MP3,...) et les standards analogiques AM et FM.

Technique du système

Codage de source

Les débits de donnée utiles atteints par DRM vont de 8 kbits/seconde à 20 kbits/seconde pour un canal de radiodiffusion standard (10kHz de largeur de bande) et peuvent même aller jusqu'à 72 kbit/s en couplant plusieurs canaux. Le débit dépend aussi de plusieurs autres paramètres comme le niveau de robustesse souhaité (correction d'erreur), la puissance et les conditions de propagation. Ainsi plusieurs possibilités existent dans DRM pour coder le signal audio, ce qu'on appelle le codage de source :

· MPEG-4 AAC (Advanced Audio Coding) qui est un codage perceptuel adapté à la voix et la musique comme MPEG-1/2 Layer 3 (mp3).

· MPEG-4 CELP qui est un codage prévu pour la voix uniquement (vocodeur) mais possède un grande résistance aux erreurs et nécessite un faible débit de données.

· MPEG-4 HVXC qui est également un codage pour la voix mais qui nécessite un débit de donnée encore plus faible.

· SBR (Spectral Bandwidth Replication) qui est en fait une extension aux codeurs précédents et qui permet d'augmenter la largeur de bande et reproduire ainsi les fréquence aigües lorsque les débits de données sont faibles.

· Stéréo Paramétrique (PS) qui est une extension de SBR pour reproduire un signal stéréo.

Le diffuseur peut ainsi choisir le mode qu'il souhaite en fonction de ses besoins. Le mode le plus couramment utilisé actuellement est le AAC+SBR qui permet une reproduction avec une qualité proche à de la diffusion FM. Celui-ci nécessite cependant un débit de donnée suffisant (au moins 17 kbit/s).

Largeur de bande

La diffusion peut être effectuée sur différentes largeurs de bande:

· 9kHz ou 10kHz qui sont les largeurs de bande standards des canaux de radiodiffusions pour les ondes courtes, moyennes et longues (< 30MHz). En choisissant ces largeurs de bande on reste ainsi en accord avec la planification des fréquences effectuées dans ces bandes de fréquence.

· 4,5kHz ou 5kHz qui sont des demi-canaux et qui sont prévus dans le cas ou le diffuseur souhaite faire de la diffusion en simulcast sur le même émetteur, c’est-à-dire émettre simultanément en analogique AM et en numérique DRM.

· 18kHz ou 20kHz qui correspond à coupler deux canaux standards si la planification des fréquences le permet. Cela permet d'offrir un service de meilleure qualité.

Modulation

Pour la transmission, la modulation utilisée par la DRM est une constellation QAM (Quadrature Amplitude Modulation) avec un codage d'erreur qui peut être variable. L'ensemble du canal radio est codé selon le procédé OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) qui permet d'obtenir une excellente robustesse du signal par rapport aux échos destructifs de propagation. Le principe consiste à obtenir une importante densité spectrale en répartissant le flux total du signal numérique sur de nombreuses sous-porteuses modulées individuellement en QAM. D'autre part les phases de ces sous-porteuses sont orthogonales entre elles dans le but de renforcer la diversité du signal par rapport aux échos de propagation.

Le choix des paramètres de transmission dépend de la robustesse souhaitée et des conditions de propagation des ondes radio. La transmission est en effet affectée par le bruit, les perturbations, les trajets d'onde multiples et l'effet Doppler.

Il est ainsi possible de choisir entre plusieurs niveaux de codage d'erreur et plusieurs constellations : 64-QAM, 16-QAM et 4-QAM. La modulation OFDM possède également des paramètres qui doivent être ajustés en fonction des conditions de propagation. Il s'agit en gros de l'espacement entre les porteuses qui déterminera la robustesse face à l'effet Doppler (décalages en fréquence) et l'intervalle de garde qui déterminera la robustesse face aux trajets d'ondes multiples (décalages en temps). Le consortium a donc fixé quatre modes possibles fixant les paramètres OFDM. Les voici en commencant par le canal aux conditions de propagation les plus favorables :

· A : canal de transmission de type Gaussien avec peu de trajet multiple et peu d'effet Doppler. Ce mode est adapté à une diffusion locale ou régionale.

· B : canal de transmission avec comme conséquence un étalement en temps (dû à des trajet multiples avec de grandes différences de trajet). Ce mode est adapté à une diffusion à moyenne échelle, il est fréquemment utilisé.

· C : comme le mode B mais avec un effet Doppler plus élevé (dû en majeure partie aux changements rapides de trajets d'ondes). Ce mode est adapté à une diffusion longue distance.

· D : comme le mode B mais avec un étalement en temps et un effet Doppler très important. Ce cas se présente dans certains cas lors de propagation à très longue distance, de l'hémisphère Nord à l'hémisphère Sud par exemple.

Le compromis entre tout ces paramètres se situe entre robustesse par rapport aux conditions de propagation et débit de donnée utile disponible pour le service.

Ce tableau présente quelques valeurs en fonction des modes de protection. Plus l'espacement entre porteuse est grand plus le système est résistant à l'effet Doppler. Plus la durée de l'intervalle de garde est grande plus le système est résistant aux trajets multiples des ondes.

Mode

Espacement entre porteuses (Hz)

Nombre de porteuses selon la bande passante du canal

Durée d'un symbole (ms)

Intervalle de garde (ms)

Nb symboles/trame

9 kHz

10 kHz

18 kHz

20 kHz

41,66

204

228

412

460

26,66

2,66

46,88

182

206

366

410

26,66

5,33

68,18

138

280

20,00

5,33

107,14

178

16,66

7,33

Entrelacement en temps (time interleaving)

Un autre mécanisme est en place pour pallier les pertes de signal profondes (deep fading) dûes aux conditions de propagation ou perturbations transitoires. C'est l'entrelacement en temps (time interleaving) qui consiste à mélanger, brasser sur un certain temps les données de telle manière qu'une perte de signal soit répartie en peu d'erreurs sur une longue durée plutôt qu'en beaucoup d'erreurs sur une courte durée. En effet, les mécanismes de correction d'erreur sont plus à même de corriger des erreurs dispersées plutôt qu'un longue suite d'erreurs qui se suivent (une disparition soudaine du signal). DRM spécifie donc 2 temps d'interleaving possible : 400 millisecondes ou 2 secondes. À noter que plus le temps d'interleaving est long plus le récepteur mettra de temps à recevoir le signal lorsque l'on change de fréquence.

Canaux logiques

En fait certaines composantes du système ont besoin d'être plus fortement protégées que d'autres pour assurer la transmission. Pour cela le système DRM effectue un multiplexage de différents canaux en un seul avant la transmission. Chaque canal a la possibilité d'avoir une robustesse différente grâce à une constellation (QAM-16, QAM-64, ...) et un codage d'erreur différent (par contre le mode de transmission OFDM est le même pour tout ces canaux). Ces canaux sont :

· MSC (Main Service Channel) canal principal de service. C'est celui qui transporte le service à proprement parler soit les données audio et les données associées (textes, et images). Son débit est donc élevé.

· SDC (Service Description Channel) canal de description du service. Ce canal contient des information complémentaires concernant les services (comme la langue, les changements, l'heure, etc) et permettre ainsi le décodage des différents flux MPEG ou Data.

· FAC (Fast Access Channel) canal d'accès « rapide ». Celui-ci transporte les informations minimum concernant la modulation utilisée ainsi que les types des différents services (radio). Il permet au récepteur de se paramétrer correctement pour démoduler le signal et décoder le service identifié grâce à un code unique attribué au diffuseur. C'est donc le premier canal qui est décodé par le récepteur, son débit de donnée est faible. Il doit être robuste par rapport aux 2 autres.

· générateur de porteuse. Ce n'est pas un canal à proprement parler mais un mécanisme qui consiste à fixer certaines porteuses OFDM, c’est-à-dire ne pas les moduler et les laisser constantes. Certaines sont définitivement fixes et d'autres sont fixées à intervalles régulier suivant un motif prédéfini. Ce mécanisme permet au récepteur lorsqu'il trouve un signal DRM, de rapidement régler précisément sa fréquence et de se synchroniser au signal de l'émetteur.

Codage d'erreur

Le codage d'erreur peut être plus ou moins robuste.

Ce tableau montre les débits utiles disponibles (en kbit par seconde) en fonction de la classe de protection avec des modes de transmission OFDM A ou B, des modulation de porteuses du canal principal différentes de 16 ou 64 QAM et des largeurs de bande de 9 ou 10kHz:

Classe de protection

A (9 kHz)

B (9 kHz)

B (10 kHz)

C (10 kHz)

D (10 kHz)

64-QAM

16-QAM

64-QAM

16-QAM

64-QAM

16-QAM

64-QAM

19,6

7,6

8,7

17,4

6,8

13,7

4,5

9,1

23,5

10,2

11,6

20,9

9,1

16,4

6,0

10,9

27,8

24,7

19,4

12,9

30,8

27,4

21,5

14,3

DRM+

Tandis que la norme DRM est conçue pour les bandes de radiodiffusion inférieures à 30 MHz, le consortium DRM a voté en mars 2005 un projet d'extension du système aux bandes VHF jusqu'à 120 MHz. DRM+ sera le nom de cette nouvelle technologie. Les procédures de développement, de tests, d'homologation et de configuration sont prévues pour le créneau 2007 à 2009. Une bande passante de canal plus large est utilisée, ce qui permettra aux stations de radio de diffuser des flux audionumériques plus élevés et donc de bien meilleure qualité. Une bande passante de 50 kHz en DRM+ autorisera un programme audionumérique presque comparable à la qualité d'un CD audio (pour rappel les CD audio sont échantillonnés à 44,1 kHz avec une quantification sur 16 bits). Un canal DRM+ de 100 kHz pourra avoir une capacité suffisante pour diffuser une voie vidéo : il serait ainsi possible de transmettre un canal vidéo mobile en DRM+ sans faire appel aux technologies DMB ou DVB-H. Le procédé de radiodiffusion DRM+ est en attente de validation et de normalisation auprès de l'ETSI.

Conclusion

Contrairement à de la diffusion analogique AM, la diffusion numérique DRM offre un grand nombre de degrés de libertés au diffuseur pour le codage du son et la transmission. Cela implique donc qu'il définisse précisément ses besoins et sa zone de couverture. Heureusement, ceci reste transparent pour l'auditeur car le récepteur se règle automatiquement.

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