Jak funguje DRM+, nový digitální rozhlasový systém pro pásmo VKV?

Účinný konkurent standardů DAB a DAB+

Oproti původnímu DRM, které je na skomírajících klasických rozhlasových pásmech (dlouhé, střední a krátké vlny) i po více než šesti letech stále jakousi Popelkou éteru, má DRM+ šanci jít do přímého střetu s dalším digitálním systémem DAB a jeho modernější verzí DAB+, které jsou určeny rovněž pro zemské digitální rozhlasové vysílání.

„Klasické“ DRM (nazývejme jím nadále vysílání v módech robustnosti A až D) je jediným celosvětovým standardem pro digitální rozhlasové vysílání do 30 MHz. Podobně jako rozhlasový standard DAB a televizní standard DVB-T využívá modulační princip OFDM. Z vyjmenovaných standardů je standardem nejmladším a nejpokrokovějším. Již od počátku počítá se zdrojovým kódováním využívajícím audio kodeků z rodiny MPEG-4 (AAC, CELP, HVXC, …) doplněných procedurami zvyšujícími šířku pásma audio signálu SBR (Spectral Band Replication) a dodávajícími prostorový vjem PS (Parametric Stereo) při nízké dodatečné náročnosti na přenášený datový tok.

DRM+ přijímač Di-Wave 100, vystavený na veletrhu BES Expo 2009 (Foto: http://alokeshgup­ta.blogspot.com)

Struktura systému DRM je vystavěna na třech logických kanálech:

• FAC (Fast Access Channel)
• SDC (Service Description Channel)
• MSC (Main Service Channel)

Kanál FAC nese informaci o použité šířce radiového kanálu a o parametrech přenášeného DRM multiplexu, umožňuje identifikaci multiplexu. Kanál SDC přenáší podrobnější popis dat nesených kanálem MSC potřebný pro jejich dekódování. DRM multiplex prostřednictvím kanálu MSC přenáší užitečná data pro jeden až čtyři služby – audio, respektive data. Kanálové kódování je na jednotlivé logické kanály aplikováno nezávisle. Nejvíce je proti chybám zabezpečen kanál FAC. Zabezpečení kanálu MSC přímo souvisí užitečným datovým tokem.

Vztah mezi odolností přenášeného datového toku a jeho objemem udává především kódový poměr konvolučního kodéru (poměr bitů užitečné informace k bitům zakódované informace 0 → 1) a použitá modulace jednotlivých nosných kmitočtů OFDM (čtyř stavová QPSK, šestnácti stavová 16QAM a analogicky 64QAM). Jednotlivé módy používají různý počet nosných kmitočtů s různým vzájemným frekvenčním odstupem – pro zjednodušení uvažujme, že jich bude přibližně 200. Data z kanálů FAC, SDC a MSC jsou na ně směrována – „mapována“ dle DRM standardem určeného scénáře. Pro správnou funkci systému je také nezbytné používat referenční (pilotní) kmitočty se známou amplitudou a fází, které zajišťují frekvenční a časovou synchronizaci přijímače a odhad stavu radiového kanálu.

V systému DRM pravidelně vysílá Český rozhlas

Pravidelné vysílání stanice ČRo 7 – Radio Praha v systému DRM začalo v říjnu 2006. Rozhlas nevyužívá žádný z vlastních vysílačů na území České republiky (pro krátkovlnné analogové vysílání v AM pásmu používá např. vysílač v Litomyšli o výkonu 100 kW), nýbrž vysílač společnosti VT Communications v britském Rampishamu. Díky němu se pokrytí ČRo 7 rozšířilo na velkou část starého kontinentu. Kromě střední a jihovýchodní Evropy zasahuje i část západní Evropy, skoro celou Itálii a jižní Skandinávii. Británii jsme si zvolili proto, že odtud dokážeme pokrýt území, o které máme zájem. Zároveň ale nadále poběží analogové vysílání v AM, řekl serveru DigiZone.cz Oldřich Číp z technického oddělení Českého rozhlasu. Více v článku…

DRM podporuje šířky kanálu 4,5; 5; 9; 10; 18 a 20 kHz. DRM má za úkol využívat vlnové rozsahy společně s analogovými vysílači, kde se frekvenční rozteč 9 kHz používá na dlouhých a středních vlnách, 10 kHz pak na krátkých vlnách. Dvojnásobná šířka kanálu přináší větší datovou kapacitu, poloviční šířka souvisí s možností hybridního provozu AM/DRM vysílače. V praxi se provozuje téměř výhradně vysílání o šířce 9 kHz (DV, SV) nebo 10 kHz (KV). Datové rychlosti se pohybují kolem 12 kbit/s při modulaci nosných 16QAM a kolem 20 kbit/s s m­odulací 64QAM.

Již zmíněné módy robustnosti mají za úkol vyhovět různým podmínkám šíření v různých frekvenčních rozsazích.

Popis módů robustnosti

• A – Gaussovské kanály s malými úniky, DV, SV
• B – časově a frekvenčně selektivní kanály, s delším rozprostřením zpoždění, DV, SV
• C – stejné jako B, ale s větším Dopplerovským rozprostřením, KV
• D – stejné jako B, ale s významnými zpožděními a Dopplerovským rozprostřením, KV
• E – časově a frekvenčně selektivní kanály – VKV

Technické parametry DRM+

Ve srovnání s DRM umožňuje DRM+ expanzi do dalších rozhlasových pásem proklamativně ohraničených kmitočtem 174 MHz, jímž začíná III. televizní pásmo a též první kanál využitelný pro systémy DAB a DAB+. Jinak se DRM+ liší pouze jinou volbou radiových a kódovacích parametrů. Struktura multiplexu, signalizace i tvorba OFDM signálu je stejná jako u DRM.

ETSI standard počítá s možností využití následujících frekvenčních pásem:

• současné I.TV pásmo (47 – 68 MHz)
• OIRT FM pásmo (65,8 – 74 MHz)
• Japonské FM pásmo (76 – 90 MHz)
• CCIR FM pásmo (87.5 MHz – 108 MHz)

Nominální šířka kanálu DRM+ je 100 kHz – spektrum OFDM zabírá 96 kHz, zbytek slouží jako ochranné pásmo. Užitečný datových tok dosahuje 37–186 kbit/s v závislosti na zvolené míře robustnosti. Pro MSC kanál může být použita modulace QPSK nebo 16QAM, modulace nosných 64QAM u DRM+ volitelná není. Vylepšený standard umožňuje v souvislosti s výrazně vyšším datovým tokem docílit s audio kodekem MPEG-4 HE-AAC v.2 (High Efficiency Advanced Audio Coding) zvukové kvality CD, případně ve spolupráci s kodekem MPEG Surround vícekanálového zvukového přenosu ve formátu 5.1 (zpětně kompatibilního se stereo příjmem.

Systém přenáší následující doprovodné informace:

• název programu (UTF-8)
• typ programu, jazyk, země,
• čas, datum
• textové zprávy/informace
• značky pro dopravní informace, zprávy, počasí, …
• varování

Rovněž podporuje tyto datové aplikace:

• textové zprávy
• programový průvodce
• teletex
• dopravní a cestovní informace
• přenos obrázku – slideshow

V neposlední řadě obsahuje standardizovaná datová rozhraní – se vstupy/výstupy na vysílací resp. přijímací straně.

Testy standardu DRM+ v Evropě

Ještě před dokončením standardizace DRM+ proběhlo několik pokusných vysílání v Německu a ve Francii. Nejaktivnější jsou s testy zřejmě kolegové na technické univerzitě v Kaiserslauternu, které je dokumentováno řadou prezentací. Na frekvenci 87,6 MHz zde testovali vysílací a přijímací zařízení, měřili pokrytí území, ochranné poměry mezi FM a DRM+ a ověřovali, zda nový systém nemá za následek rušení v leteckém pásmu. Další testování proběhlo v Hannoveru na frekvenci 95,2 MHz s cílem porovnat pokrytí stejného území analogovým vysíláním v FM pásmu a digitálním vysíláním ve standardu DRM+ a ověřit DRM+ parametry. Prvenství DRM+ v I. televizním pásmu má Paříž na frekvenci 64,5 MHz.

DRM+ ve srovnání s analogem, DAB a DAB+

Jeden DRM+ multiplex bude nabízet datový tok nejpravděpodobněji mezi 100 až 120 kbit/s (dle volby parametrů robustnosti) na frekvenčním prostoru 100 kHz. Takový datový tok s dostupnými audio kodeky pohodlně obslouží s velmi rozumnou kvalitou zvuku dvě rozhlasové stanice, případně jednu stanici s vysokou kvalitou zvuku a jednu stanici s mluveným slovem a nižšími nároky na přenosovou rychlost. K podobnému výsledku by analogové VKV-FM pásmu v ideálním případě (odstup nosných kmitočtů dvou vysílačů 200 kHz) potřeboval alespoň 500 kHz podobně jako digitální DAB – viz článek Perspektivy digitálního rozhlasu T-DAB. Krok v tomto případě drží s DRM+ pouze systém DAB+. Ovšem DRM+ kanál je ve srovnání s kanálem DAB nebo DAB+ patnáctkrát užší, což při řádově podobném výkonu vysílačů obou systémů znamená výhodu přibližně jednoho řádu pro zpracování přijatého signálu DRM+ (z pohledu vyšší spektrální hustoty energie u DRM+).

DRM+ tak může i s použitím více stavové modulace nosných či zajímavějšího kódového poměru (oproti DAB a DAB+) využívat srovnatelnou nebo lepší citlivost přijímače, což je pro příjem rozhlasového vysílání – domény mobilního nebo přenosného příjmu – klíčové, na rozdíl od většinově pevného příjmu digitální televize. Se zpracováním užšího kanálu souvisí také nižší hardwarová i energetická náročnost demodulátoru přijímače – zjednodušeně řečeno nepřenášíme nic navíc, než co chceme a nemusíme to zpracovávat. Vzhledem k možnosti tvořit jednofrekvenční sítě a jednotlivé DRM+ vysílače umísťovat na bližších kmitočtech, současné nároky na přenos poměrně značného počtu rozhlasových stanic uspokojí podstatně užší frekvenční pásmo. Rozhlasová pásma uvažovaná u DRM+ s sebou zároveň nesou lepší podmínky šíření než je tomu u pásem DAB a DAB+.

DRM+ je otevřený, volně dostupný mezinárodní standard vhodný pro digitalizaci současného VKV-FM pásma spolupracující s ostatními digitálními vysílacími systémy DAB/DAB+/DMB/DRM i analogovým FM-RDS prostřednictvím signalizace alternativních frekvencí. Systém DRM+ bude použitelný v horizontu pěti až deseti let, pokud s ním začnou počítat národní správy kmitočtového spektra minimálně v Evropské unii (o výrobcích přijímačů všech kategorií ani nemluvě), buď v současném VKV-FM pásmu, případně (což by bylo daleko lepší) bude celoevropsky vyhrazeno jiné z výše zmíněných pásem.

V zemích, kde již jsou v provozu rozhlasové digitální sítě DAB, bude DRM+ hrát doplňkovou roli pro lokální nebo regionální stanice, pro které již není v DAB multiplexech prostor nebo pro ně není ekonomicky zajímavé s ohledem na omezené zájmové území v takovém multiplexu být. V zemích prakticky netknutých systémem DAB může DRM+ klidně opanovat celou rozhlasovou digitalizaci. Na rozdíl od DABu si každý provozovatel rozhlasového vysílání vymění/doplní na své kótě nové DRM+ zařízení bez nutnosti komunikovat s provozovatelem „velkého“ DAB multiplexu.

V našich podmínkách DRM+ umožní u velkých vysílačů provozovat jednofrekvenční sítě podobného rozsahu jako je tomu u DVB-T, u malých dokrývačů případně i celostátní jednofrekvenční sítě. Pokud by bylo možné využívat kmitočty kolem 60 až 70 MHz, stačily by pro pokrytí území České republiky dostatečným signálem celoplošných stanic ve většině případů současné krajské vysílače. Podmínkou by samozřejmě byla velmi dobrá koordinace kmitočtů s okolními státy i v rámci České republiky, neboť výhodnější šíření je doprovázeno rušením z podstatně větší vzdálenosti, než jsme zvyklí na kmitočtech kolem 100 MHz.

Autor spolupracuje s Katedrou radioelektroniky ČVUT-FEL