Perspektivy digitálního rozhlasu T-DAB v České republice

Základní popis systému

Konvenční radiové systémy (analogové i digitální) používají jeden nosný kmitočet (ten, který se ladí na přijímači), který je podroben modulačnímu procesu, jež působí obsazení určitého rozsahu frekvenčního spektra v okolí nosného kmitočtu. Čím jsou změny modulačního signálu rychlejší, tím je zabrané spektrum větší. V případě modulačního principu OFDM je ale vytvořeno nosných kmitočtů několik stovek, tak aby byly vzájemně ortogonální, tj. aby se vzájemně negativně neovlivňovaly. Jednotlivé nosné kmitočty jsou dále podrobeny modulaci, v případě systému T-DAB se jedná o digitální čtyřstavovou modulaci – Diferenční-QPSK (Quadrature Phase Shift Keying). Pro srovnání – v „televizním“ systému DVB-T je možno volit mezi čtyř, 16-ti a 64-stavovými modulacemi (QPSK, 16QAM a 64QAM). Více nosných kmitočtů oproti jedinému umožňuje rozložit celkový přenášený datový tok na několik set podružných datových toků s úměrně nižší datovou rychlostí. Přenos dat je možné rozdělit na časové intervaly, kdy je po určitou dobu přenášen vždy jeden symbol ⇒ n-tice bitů daná počtem stavů modulace.

Při pozemském vysílání je přenos radiových signálů prakticky vždy zatížen vícecestným šířením, s různými délkami a dobou trvání průchodu signálu od vysílače k přijímači. V konvenčních systémech jsou jednotlivé symboly vysílány jen krátký čas, takže se snadno stane, že na anténu přijímače naráz doputuje více symbolů najednou a zpracování signálu je pak obtížné, nebo v horším případě nemožné. V případě OFDM je doba trvání symbolu natolik dostatečná a navíc doplněná ochranným intervalem, že stejné symboly došlé různými cestami, dokonce i z různých vysílačů přicházejí na přijímač v čase, kdy předchozí symboly již odezněly (v rámci ochranného intervalu) a další symboly dosud nebyly vyslány. Délka ochranného intervalu určuje maximální vzdálenost vysílačů jednoho multiplexu na stejné frekvenci. Pokud je maximální vzdálenost dodržena, je pro přijímač lhostejné, zda přijímá zpožděný signál stejného vysílače nebo jiného vysílače v jednofrekvenční síti (SFN – Single Frequency Network).

Tendr o digitální rozhlas? Operátoři ani provozovatelé nemají jasno

Český telekomunikační úřad se koncem srpna chystá vypsat výběrové řízení na operátory prvních sítí pro zemský digitální rozhlas. Zatím se bude týkat pouze L-pásma. Server DigiZone.cz oslovil dominantní operátory elektronických komunikací v oblasti rozhlasového vysílání i některé provozovatele rádií. A výsledek? Žádná ze stran zatím necítí potřebu se podobného tendru účastnit. Operátoři čekají na konkrétnější podmínky od ČTÚ.

Zdrojové a kanálové kódování

U digitálních rozhlasových a televizních systémů se zpracování užitečného zvukového nebo obrazového signálu před jeho vysláním do radiového éteru dá z funkčního pohledu rozdělit do bloků zdrojového a kanálového kódování. Za těmito bloky na vysílači při určité míře zjednodušení následuje modulátor a koncový zesilovač.

Zdrojové kódování má za úkol převést analogový signál do digitální podoby a provést s ním operace, jejichž výsledkem bude rozumný datový tok při snesitelné úrovni degradace vstupního signálu. Jedná se především o odstranění nadbytečné informace a vhodnou kompresi užitečných dat. Zdrojové kódování je z velké části operací ztrátovou. V systému T-DAB se setkáme především se dvěma zvukovými kodeky: základním MPEG Layer II a HE-AAC.

Blok kanálového kódování přebírá výstupní datový tok zdrojového kodéru – dále v řetězci považovaný za užitečný datový tok. Blok kanálového kódování má za úkol provést s užitečnými daty takové operace, aby data byla na cestu mezi vysílačem a přijímačem dostatečně ochráněna před nepříznivými vlivy následných částí radiového řetězce. Optimální využití modulátoru zajišťuje operace rozprostření energie – tzv. skramblování, negativnímu efektu shluků chyb předchází časové prokládání bitů a bajtů a konečně protichybové zabezpečení v systému T-DAB zajišťuje konvoluční kodér. Konvoluční kodér přidává podle určitého algoritmu k užitečným datům data další, která na přijímací straně umožňují získat nepoškozený užitečný signál i v případě, že přenášený signál nedorazil k přijímači úplně bez úhony.

V horším případě je možné alespoň detekovat, že při přenosu došlo k chybě. Míru schopnosti opravy poškozeného signálu popisuje veličina kódový poměr. Udává se jako poměr užitečného datového toku k datovému toku zakódovanému. Pohybuje se mezi 0 a 1, směrem k nule je zabezpečení lepší, avšak pro přenos užitečných dat je v radiovém kanále méně a méně prostoru. V systému T-DAB je definováno pět tříd úrovně ochrany. Na rozdíl od DVB-T může mít v DABu každý rozhlasový program/servis jinou úroveň ochrany před chybami. Blok kanálového kódování oproti DVB-T postrádá Reed Solomonův kodér.

Pozn.: Nejčastěji se používá třetí třída úrovně zabezpečení, při které celkový datový tok jednoho T-DAB multiplexu dosahuje přibližně 1,1 Mbit/s

Rozdíl mezi vysíláním ve III. televizním pásmu a v L-pásmu

Systém T-DAB obdržel do vínku kmitočty v třetím televizním pásmu a v tzv. L-pásmu.

Šíření elektromagnetických vln v těchto pásmech je dosti odlišné. V L-pásmu se jedná především o šíření na přímou viditelnost, ohyb na překážkách je zde minimální a útlum šíření volným prostorem je výrazně větší než na nižších televizních pásmech. I když jsou frekvence přidělené v L-pásmu číselně někde uprostřed mezi televizními kmitočty (do cca 800 MHz) na straně jedné a kmitočty WiFi sítí (2,4 GHz) na straně druhé, šíření vln je zde bližší spíš zmíněnému WiFi pásmu. Jeden vysílač tak spolehlivě pokryje jen své nejbližší okolí, čím dále od něj budeme, tím víc bude hrát roli, jestli na něj vidíme. Na přijímací straně je pak zásadním problémem provedení antén pro L-pásmo. Speciální laděný „pendrek“ je použitelný prakticky jen na přenosných přijímačích. Případné externí antény budou limitované vysokým útlumem napáječe. Kapesní přijímače zůstanou odkázány na povytaženou teleskopickou anténu (s již zmiňovaným pendrekem, kabel sluchátek zde na rozdíl od VKV-FM pásma i III.televizního pásma vhodně nezaúčinkuje).

V obou pásmech je šířka jednoho T-DAB kanálu přibližně 1,5 MHz. Protože je systém navržen pro provoz v rychle jedoucích dopravních prostředcích a v L-pásmu způsobí stejná rychlost vozidla směrem k nebo od vysílače přibližně 8 krát vyšší doplerovský posun frekvence než ve III. televizním pásmu, je v L-pásmu použit jiný vysílací mód.

Pro systém T-DAB byly stanoveny čtyři módy. Třetí mód je určen pro kabelové vysílání, proto jej neuvádím, čtvrtý je kompromisem mezi prvním a druhým. První mód je určen pro III. televizní pásmo. Počet nosných kmitočtů zde umožňuje použít poměrně dlouhý ochranný interval, takže je vhodný pro tvorbu jednofrekvenčních sítí vysílačů vzdálených i desítky kilometrů. Pokud by byl stejný mód použit v L-pásmu, přijímač v rychle jedoucímu vozidle by v SFN síti mohl mít překryty sousední nosné kmitočty. Proto je zde použit mód II., který využívá méně více frekvenčně vzdálených nosných kmitočtů, které ale musejí přenášet vyšší datový tok, takže se musí úměrně zkrátit i doba trvání symbolu i ochranného intervalu. Maximální vzdálenost vysílačů jednofrekvenční sítě je tak významně menší.

Pavel Dvořák: Tendr na digitální rozhlas se týká pouze L-pásma

Výběrové řízení na operátory prvních sítí pro zemský digitální rozhlas se chystá koncem srpna vypsat Český telekomunikační úřad (ČTÚ). Předběžné podmínky tendru visí už šestý týden bez větší pozornosti médií na webu ČTÚ. O co vlastně v tomto výběrovém řízení jde a kdy bychom se mohli dočkat startu řádného digitálního rozhlasového vysílání? Na otázky serveru DigiZone.cz odpovídal předseda Rady ČTÚ Pavel Dvořák.

T-DAB versus T-DAB+

Pro rozumnou zvukovou kvalitu stereofonního přenosu je při použití základního kodeku MPEG Layer II potřeba použít datový tok alespoň 192 kbit/s. Při použití třídy úrovně ochrany 3 to znamená umístění maximálně šesti stanic do jednoho T-DAB multiplexu. Pokud budu zkoumat zabrané frekvenční spektrum jedním rozhlasovým programem, doberu se k nepříjemnému zjištění, že VKV-FM vysílání je s přístupem radiovému spektru kupodivu šetrnější než digitální systém (pokud si tedy VKV programy drze naskládám vedle sebe po 200 kHz, což dnešní přijímače snesou). Pro srovnání, do DVB-T multiplexu se v našich podmínkách vejdou čtyři až pět televizních programů oproti předchozímu jednomu analogovému.

Nelichotivou bilanci se snaží narovnat povýšení systému na T-DAB+, spočívající především v použití významně efektivnějšího zvukového kodeku HE-AAC v2 alias AAC+ a doplnění bloku kanálového kódování o již zmíněný Reed Solomonův enkodér, který zlepšuje robustnost systému, tj. odolnost proti rušení resp. citlivost o jednotky decibel. Za rozumnou přenosovou rychlost kodeku AAC+ lze považovat 64 kbit/s, což celkově umožní do jednoho multiplexu připustit až krásných 18 rozhlasových stanic.

Tak, jak pro T-DAB hovoří relativní dostupnost (dovezitelnost) stovek modelů rozhlasových přijímačů všech kategorií, u T-DAB+ už situace není tak růžová, DAB+ přijímačů je dle stránky sdružení DAB/DMB www.worlddab.org k dispozici přibližně 30.

Digitální rozhlas? Ano, ale ne L-band, říkají České Radiokomunikace

Snaha Českého telekomunikačního úřadu (ČTÚ) o dražbu prvních sítí pro zemské digitální rozhlasové vysílání může skončit debaklem. Zatím jediným vážným zájemcem je příbramská společnost Teleko, která se testům digitálního rozhlasového vysílání věnuje dlouhodobě. Ani ta však zřejmě nebude chtít zpočátku vysílat celoplošně. Největší tuzemský provozovatel rozhlasových vysílačů, České Radiokomunikace, požaduje, aby ČTÚ vypsal tendr na kmitočty ve III. televizním pásmu a ne v L-bandu, kterého se bude týkat nadcházející aukce.

III. televizní pásmo versus T-DAB v České republice

V roce 1995 byly ve Wiesbadenu České republice alokovány T-DAB kanály 12C pro oblast Čechy a 12D pro oblast Morava. Z radiokomunikační konference RRC-06 v Ženevě naši zástupci (ČTÚ) přivezli další kmitočtové příděly, tentokrát po dvou kanálech pro jednotlivé územně správní celky. Tyto příděly jsou přímo navázány na postup digitalizace televizního vysílání. Jedná se o T-DAB kanály 5A-5D, 10A-10D, 11A-11D a další 12A-12D. Tyto kmitočty souvisejí s televizními kanály R6(5A-5D), 10, 11 a 12 (vyjma T-DAB kanálů začínajících na pětku čísla televizních a DAB kanálů souhlasí). Přiložené mapky obsahují rozmístění aktuálně provozovaných televizních vysílačů a převaděčů. U výkonných vysílačů je zobrazena oblast jejich dosahu, kde bez jejich vypnutí není myslitelné zapínání vysílačů T-DAB na souvisejících kmitočtech.

Obrázky přídělu T-DAB kmitočtů pro jednotlivé regiony

Obrázek kliknutím zvětšíte

Obrázky současného obsazení III. televizního pásma na kanálech R6, R10, R11 a R12

Obsazení vysílacího kanálu 6. Zeleně je vyznačené území pokryté z tohoto kanálu signálem zemské analogové televize. Mapu kliknutím zvětšíte.

Obsazení vysílacího kanálu 10. Zeleně je vyznačené území pokryté z tohoto kanálu signálem zemské analogové televize. Mapu kliknutím zvětšíte.

Obsazení vysílacího kanálu 11. Zeleně je vyznačené území pokryté z tohoto kanálu signálem zemské analogové televize. Mapu kliknutím zvětšíte.

Obsazení vysílacího kanálu 12. Zeleně je vyznačené území pokryté z tohoto kanálu signálem zemské analogové televize. Mapu kliknutím zvětšíte.

Kuchařka zavádění T-DAB+

Při rozhodování o případném zahájení řádného digitálního rozhlasového vysílání v systému T-DAB(+) je vhodné uvážit dále uvedené vstupní podmínky a vazby:

• Současné analogové VKV-FM vysílání bude hrát hlavní roli v šíření rozhlasových programů k posluchačům ještě minimálně 5 až 10 let, respektive do doby, kdy již budou standardně dostupné přijímače všech typů (od Hi-Fi věže po mobilní telefon) celoevropsky zvoleného digitálního rozhlasového systému – nikde není psáno, že to bude T-DAB(+).
• T-DAB(+) vysílání musí nabídnout prostor pro všechny současné vysílatele, vysílání např. pouze stanic Českého rozhlasu považuji z důvodu nemajoritního podílu ČRo na rozhlasovém trhu za velmi rizikové.
• Vysílání bude mít minimálně zpočátku charakter doplňkové služby, nebude možné očekávat rychlou návratnost investic vložených do výstavby sítě.

=>

• I přes současný nedostatek většího portfolia DAB+ přijímačů bude mít smysl použít systém s účinnějším kodekem a mírně lepší robustností.
• Síť vysílačů má smysl stavět pouze ve III. televizním pásmu, na vysokých kótách krajských a doplňkových vysílačů.
• Jediná vrstva T-DAB+ sítě, sestavená z ucelených oblastí jednotlivých krajů, uspokojí veškerou poptávku národních i regionálních vysílatelů. Výjimkou by byla pouze Praha se dvěma sítěmi.
• Národní síť z kanálů 12C (Čechy) a 12D (Morava) nedává z pohledu obsazení celoplošnými stanicemi v systému DAB+ smysl, navíc není zřejmá reálnost fungování tak rozlehlé SFN sítě v podmínkách, kdy některé vysílače pokrývají významně rozsáhlejší území než odpovídá maximální vzdálenosti vysílačů dané ochranným intervalem.
• Při tvorbě jediné vrstvy sítě (s výjimkou Prahy) bude možné v jednotlivých ucelených oblastech vybírat ze tří kmitočtů a tím zvýšit pravděpodobnost úspěšné mezinárodní koordinace vysoko položených výkonných vysílačů.

Pokud se podaří posluchače přesvědčit, že má smysl si koupit nové zařízení, které jim poskytne 10 až 20 digitálně šířených rozhlasových stanic kdekoliv po republice prostřednictvím jediného zařízení s mírně lepší zvukovou kvalitou a doprovodnými informacemi, bez nutnosti lovit svojí oblíbenou stanici ve změti šumu a chraplání, pak může mít T-DAB+ u nás nakročeno k úspěchu.

Realita je ovšem taková, že zatímco se systém T-DAB úspěšně zabydlel ve Velké Británii a slušné pokrytí nabízí i v sousedním Německu, zůstává bez významnějšího zájmu zbylých zemí evropského kontinentu. I tato skutečnost ponechává otevřené dveře pro vývoj dalších technických standardů, který pokračuje dál a světlo světa spatřují nové, nejen z radiového pohledu dokonalejší systémy, které do budoucna stále mohou převzít štafetu mainstreamového rozhlasového systému. Mám především na mysli dokončovaný standard DRM+, odolný, energeticky úsporný mobilní příjem může též přinést systém DVB-H, i přes jeho současné zatracování. Ale o tom zase někdy příště.

Autor spolupracuje s Katedrou radioelektroniky ČVUT-FEL v Praze

Při přípravě článku jsem čerpal z následujících pramenů:

[1] Technické normy a doporučení: www.etsi.org
[2] Informace o kmitočtech a výsledcích konference RRC-06: www.ctu.cz a www.ctu.eu
[3] Informace o DAB přijímačích www.wolddab.org
[4] SW pro přípravu map vysílačů a pokrytí www.cplus.org/rmw/en­glish1.html