Digital Radio Mondiale
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Principe
Digital Radio Mondiale est un standard non propriétaire de radiodiffusion numérique (voir radio 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. Le standard est disponible à l'ETSI (référence : ES 201 980) et est reconnu par l'Union internationale des télécommunications (ITU) comme moyen de radiodiffusion numérique pour ces gammes d'ondes.
L'idée de base pour la création de ce standard 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 à 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 (2004), ceux-ci se font rares mais il est d'ors 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.
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 72kbps 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-2 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 17kbps).
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 DRM est l'OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) où chaque porteuse est modulé en QAM (Quadrature Amplitude Modulation) avec un codage d'erreur qui peut être variable.
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 paramètre 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 un étalement en temps conséquent (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 conséquent (dû en majeure partie aux changement rapide 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.
Entrelacement en temps (time interleaving)
Un autre mécanisme est en place pour pallier aux perte de signal profonde (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 telles manière qu'une perte de signal soit réparties en peu 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 suive (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 concernant le service comme la langue, les changements, l'heure, etc.
- FAC (Fast Associated Channel) canal associé « rapide ». Celui-ci transporte l'information sur tous les paramètres de la transmission et la composition du service. Il permet au récepteur de se paramétrer correctement pour décoder le service et l'identifie 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.
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. Ceci reste heureusement tranparent pour l'auditeur car le récepteur se règle automatiquement.
Références et liens externes
- ETSI: Digital Radio Mondiale, System Specification , ES 201 980 v2.1.1
- Site officiel du consortium DRM
- Liste des stations qui émettent en DRM
- Site dédié à la réception DRM par logiciel avec des récepteurs AM modifié
- Logiciel libre de réception DRM (open-source)