Pavel Straňák: Nové metody distribuce rozhlasového signálu

V současné době probíhá digitalizace ve všech segmentech elektronické komunikace. Například v případě televizního vysílání se jedná o zavádění systému DVB-T2, který je již druhou generací digitálního televizního vysílání. Rozhlas se tak paradoxně stává posledním médiem, které na všeobecnou digitalizaci stále čeká. Jedná se přitom o celosvětový stav, v různých zemích se rozhlasové služby digitalizují různým tempem a na rozdílných platformách, úplné digitalizace celého rozhlasového vysílání zatím nebylo dosaženo v žádné zemi. Současné analogové vysílání v rozsahu VKV FM je dobře zavedené, jeho příjem podporují všechny přijímače včetně přijímačů v autě, spotřebitelský tlak na digitalizaci je tak poměrně malý.

V Evropě je digitalizací rozhlasu míněno zavedení systému DAB+ pracujícího v bývalém III. TV pásmu (tedy v rozsahu kmitočtů 174–230 MHz). Systém DAB (Digital Audio Broadcasting) byl vyvinut již koncem 80. let 20. století v rámci projektu Eureka 147 ve spolupráci řady organizací (mezi jinými Deutsche Telecom, IRT a BBC). V roce 1995 zahájila v Norsku společnost Norwegian Broadcasting Corporation první pravidelné vysílání v novém systému.

V analogových rozhlasových systémech má každý jednotlivý program přidělen v dané oblasti jedinečný kmitočet, na kterém vysílá (například 94,6 MHz Radiožurnál Praha). V systému DAB je tomu jinak. Stanice jsou sloučeny do tzv. multiplexu obsahujícího typicky 8 až 16 programů. Tyto programy se vysílají společně na jednom kmitočtu (například multiplex programů Českého rozhlasu na kanále 12C, tedy na kmitočtu 227,360 MHz v Praze), přijímač zajistí oddělení požadovaného programu z multiplexu a jeho reprodukci. Sdružení programů do multiplexu a jejich ztrátové zvukové kódování zajistí vyšší spektrální účinnost ve srovnání s analogovým vysíláním.

V 80. letech přinesl vývoj systému DAB revoluční novinku – použití modulace OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplex). Jedná se o systém přenosu, při kterém se nevysílá jeden nosný kmitočet (jak je to běžné u analogového vysílání), ale skupina kmitočtů, které jsou si velmi blízko. V případě rozhlasu DAB se jedná o 1536 nosných vln, šířka využitelného pásma na každé z nich je asi 1 kHz. Každá z nosných vln je samostatně digitálně modulovaná DQPSK nízkým datovým tokem. Výhodou takové modulace je necitlivost systému na mnohocestné šíření. Mnohočetné odrazy signálu nezpůsobují (na rozdíl od analogového vysílání) téměř žádnou degradaci přijímaného signálu, v řadě případů lze odrazy v přijímači konstruktivně využít.

Pokud k přijímači dorazí signál od dvou nebo více vysílačů současně, konstruktivně se zkombinuje, podobně jako v případě odraženého signálu. V důsledku toho je možné budovat jednofrekvenční (SFN – Single Frequency Network) sítě, ve kterých všechny vysílače na daném území pracují na stejném kanále (kmitočtu). Takový způsob pokrytí území je spektrálně velmi efektivní ve srovnání s analogovým vysíláním VKV FM.

Původní systém DAB byl založen na zvukovém ztrátovém kódování MP2 (přesněji MPEG Audio Layer II), které je značně neefektivní a pro kvalitní reprodukci vyžaduje minimální datový tok 128 kbit/s na každý vysílaný stereofonní program. V roce 2007 byl systém modernizován, vznikla specifikace DAB+, využívající komplexní ztrátové kódování na bázi kodeku AAC (Advanced Audio Coding) včetně jeho nadstaveb HE-AAC v1 a HE-AAC v2 (High Efficiency Advanced Audio Coding Version 1 nebo 2). Vlastní kodek specifikace AAC patří do rodiny tzv. transformačních kodeků. Takové kodeky zpracovávají signál ve frekvenční doméně, na rozdíl od starších kodeků MP2, které pracovaly v časové doméně. Pro další zvýšení efektivity kódování jsou v systému DAB+ k dispozici dvě výše zmíněné nadstavby AAC verze 1 a 2. Nadstavba verze jedna spočívá v aplikaci algoritmu SBR (Spectral Band Replication). Princip tohoto algoritmu je založen na statistické korelaci mezi dolní a horní spektrální oblastí zvukového signálu. Základní kodek AAC, kterému se v tomto případě říká kodek jádra (Core Codec), zpracovává signál pouze ve spodní polovině zvukového pásma. V případě pro DAB+ typického vzorkovacího kmitočtu 48 kHz pracuje tento kodek ve zvukovém pásmu do 12 kHz. Vyšší kmitočtové složky jsou kódovány nadstavbovým algoritmem SBR, který využívá pouze malou část celkového datového toku. V dekodéru přijímače se pak nejprve dekóduje samotná vrstva AAC, následně se k signálu přidají vysoké kmitočty, získané kombinací dat nadstavby SBR a korelací s horní částí pásma přenášeného kodekem jádra. Vzhledem k nízkému datovému toku, který vytváří nadstavba SBR (je pouze v řádu jednotek kbit/s), se efektivita kódovacího a dekódovacího procesu téměř zdvojnásobí.

Nadstavba verze 2 je založena na aplikaci SBR v kombinaci s algoritmem PS (Parametric Stereo). Kodek jádra (AAC) v takovém případě kóduje pouze monofonní (součtový) signál levého a pravého zvukového kanálu, a to pouze v jeho dolní spektrální polovině. Vyšší složky jsou kódovány pomocí SBR. Současně se stereofonní (rozdílová) složka signálů levého a pravého kanálu kóduje pomocí algoritmu PS. Algoritmus kóduje rozdíly mezi kanály v několika kmitočtových pásmech. Tím vlastně vytváří komplexní vektor, pomocí kterého může být signál v přijímači opět správně rozdělen mezi stereofonní kanály. Nadstavba PS vytváří pouze velmi nízký datový tok (přibližně 1 kbit/s) a přispívá tím k dalšímu, téměř dvojnásobnému zvýšení efektivity kódování.

Algoritmy SBR a PS jsou součástí specifikace MPEG-4 a umožňují efektivní kódování audia při datových tocích 16–48 kbit/s. Na druhou stranu tyto algoritmy nejsou nikdy plně transparentní, subjektivně není výsledek takového procesu nikdy zcela identický s originálem, bez ohledu na datový tok. Kvalita stereofonní reprodukce je však plně vyhovující při datovém toku 48 kbit/s a akceptovatelná již při 32 kbit/s. Zvukové kódování v DAB+ je tedy asi 3× efektivnější než ve starší verzi DAB. To umožnuje v jednom DAB+ multiplexu přenášet více programů ve srovnání s multiplexem DAB. V České republice se bude rozvíjet pouze novější varianta, tedy DAB+.

V systému DAB+ je dále ve srovnání se systémem DAB vylepšena korekce chyb přenosu. Dá se nastavit několik úrovní zabezpečení, které mají vliv na efektivní dosah vysílání. Jedná se o FEC (Forward Error Correction), která má ovšem vliv i na využitelnou kapacitu multiplexu. Pokud využijeme nejsilnější zabezpečení (označuje se 1A), máme k dispozici čistou přenosovou kapacitu 576 kbit/s, pokud použijeme nejslabší zabezpečení (označuje se 4A), máme k dispozici kapacitu 1728 kbit/s. Tomu odpovídá v prvním případě 9 zvukových programů, každý s tokem 64 kbit/s, ve druhém případě 27 zvukových programů s týmiž parametry. Zabezpečení na úrovni 1A zajišťuje ovšem téměř dvojnásobný dosah vysílače ve srovnání se zabezpečením 4A. Český rozhlas používá zabezpečení 2A, které je dobrým kompromisem mezi dosahem vysílání a čistou přenosovou kapacitou, která činí v tomto případě 864 kbit/s.

Vzhledem k zachování zpětné kompatibility systémů DAB a DAB+ (v DAB+ je možné vysílat některé programy ve starším kódování MP2) nebylo možné při modernizaci systému změnit vlastní kanálové kódování. Nebylo proto možno do systému začlenit sofistikované kódy LDPC (Low Density Parity Check), které jsou například součástí systému DVB-T2. Vzhledem k tomu je DAB+ asi o 50 % méně spektrálně a výkonově efektivní ve srovnání s DVB-T2. Je to daň za kompatibilitu se staršími přijímači.

V DAB+ lze přenášet i další doplňková data, která doprovázejí zvukový program, například texty (DLS) a obrázky (SLS). Dekódování a zobrazení obrázků podporují pouze přijímače vybavené barevným displejem, malé přijímače s textovým displejem podporují pouze zobrazení SLS. V DAB+ je možné přenášet i pomocná data jiných služeb, jako například TPEG (informace o místech dopravních nehod pro autonavigaci), obdoba podobného systému známého u VKV FM vysílání jako RDS TMC.

Celkově přináší systém DAB+ řadu nových možností a stabilní zvukovou kvalitu bez rušivého šumu. Zvyšuje též podstatným způsobem množství stanic, které mohou být v dané oblasti šířeny rozhlasovým vysíláním ve srovnání s analogovým vysíláním VKV FM. Je otázkou, jestli jsou tyto vlastnosti dostatečně progresivní, aby umožnily samostatnou dlouhodobou existenci systému, nebo jestli dojde časem k úplnému přechodu na šíření rozhlasového signálu pomocí platformy IP (internetu).