Několik zajímavostí o DAB, digitálním rozhlasovém vysílání, které možná nevíte

5 komentářů 9.5.2019 / mirasat

Pokud patříte mezi aktivní posluchače digitálních rádií, jistě dobře víte, že v Česku je možné naladit už větší počet stanic v sítích DAB+.

Český rozhlas ohlásil záměr pokrýt v letošním roce významnou část našeho státu signálem digitálního rozhlasu DAB+. Zatímco signály z Německa, Polska a Slovenska můžeme na našem území již nějakou dobu omezeně přijímat, významnějších přesahů pokrytí vysílání digitálního rozhlasu se dočkáme 28. května z Rakouska.

Ač je problematika standardu DAB technicky poměrně rozsáhlá, dovolte mi zde zmínit alespoň pár zajímavostí, které možná úplně běžně nezaznívají.

Spektrální účinnosti DAB proti FM

Pokud budeme uvažovat datový audio tok 192kbit/s jako základní kvalitativní standard původní verze DAB, je digitální rozhlasové vysílání, fungující v méně vhodné multifrekvenční síti (MFN) 3,2 x účinnější, než analogové FM vysílání. Díky jednofrekvenční síti (SFN) je dokonce 12,7 krát účinnější. S použitím modernějších algoritmů pro kódování zvuku se dostáváme na hodnotu ještě větší spektrální účinnosti. Toto je jedním z hlavních (byť ne jediným) z důvodů, proč má z technického hlediska smysl uvažovat o digitálním pozemním vysílání zvuku pomocí technologie DAB a zejména DAB+.

Porovnání standardů

Porovnání vybraných parametrů DAB a DVB standardů

Existují ještě další standardy digitálního rozhlasu, jako například DRM, který se však ještě stále pohupuje ve stojatých vodách zájmu. Srovnání s ,,primárně televizními,, standardy z rodiny DVB uvádím spíše pro zajímavost. Jeden z hlavních rozdílů však zmínit musím. Zatímco DVB standardy používají koherentní kódování, DAB je založeno na modulaci diferenciální, D-QPSK (4-DPSK) – Differential Quadriphase (Quadrature) Shift Keying. Tím, že je informace skryta ve změně fáze, je umožněn ,,nesouvislý,, příjem a navíc je omezen vliv parazitní amplitudové modulace.

Komplexní pohled na modulaci DQPSK. Skládá se ze dvou vzájemně o 45° pootočených diagramů QPSK. Konstelační diagram DQPSK si pak lze snadno splést s diagramem konstelace 8PSK.

Výsledky srovnání s jinými modulacemi vidíme na dalších dvou obrázcích. Je si však třeba uvědomit, že přenosový DAB standard byl vyvinut a optimalizován právě pro přijímače v pohybu.

V rámci porovnání jednotlivých typů modulací pouze dle potřebného minimálního C/N vůči různým poměrům FEC se zdají být výsledky DQPSK mírně horší, než QPSK. Tabulka porovnává vždy jen v rámci podmínek Gaussova kanálu, kdy se uplatňuje pouze přímý signál z vysílače bez odrazů a vlastní šum přijímače (AWGN).

Jakmile je však přijímač v pohybu, dokážeme docenit přínos diferenciální modulace.

Rozdíly mezi DAB a DAB+

DAB+, stejně jako DAB, využívá vnějšího binárního konvolučního Viterbiho necyklického chybového kódování, ale navíc v oblasti kódování zvuku i Reed-Solomon – nebinárního cyklického vícenásobně opravujícího chybového kódování. Audio kódování původního DAB bylo ustaveno současně s kódovacím, modulačním a přenosovým systémem v osmdesátých letech jako EUREKA project 147. Bylo specifikováno pět úrovní ochrany – Unequal Error Protection (UEP), které poskytují dodatečnou ochranu citlivějších částí audio rámce díky pro ně použité robustnější korekci chyb oproti úsekům, které si vystačí s větším poměrem FEC (méně robustní ochranou). V roce 1995 prošel původní DAB rozšířením. Byly standardizovány PAD (Programme Associated Data) a aplikace servisních dat. PAD přenáší název rozhlasové stanice, názvy skladeb, interpretů a podobně.

Poměry korekce chyb v rámci DAB – UEP ochrany.

Kapacitní jednotky v rámci DAB UEP ochrany. Bylo možno vybírat ze čtrnácti různých bitových rychlostí v rozsahu 32 až 384 kbit/s (zvukové kodeky dle MPEG-1 se vzorkováním 48kHz a MPEG-2 se vzorkováním 24kHz, v obou případech Layer 2), to celé v jedné z pěti základních úrovní PL a čtyřech ochranných profilech.

Kódování zvuku dle „Transport of Advanced Audio Coding“ bylo oficiálně představeno v únoru 2007, jako nedílná součást upraveného DAB standardu, který se pro snadnější odlišení začal obchodně nazývat DAB+. Audio kódování bylo navrženo tak, že se zvukové rámce AAC shromažďují do zvukových super-snímků s konstantním trváním a jsou dále chráněny vnitřním kódováním Reed-Solomon (RS). Jednotlivé audio subkanály DAB+ jsou pak chráněny pomocí jedné ze čtyř úrovní EEP (Equal Error Protection) v jednom ze dvou profilů (A;B).

Tabulka srovnává některé parametry všech úrovní ochran DAB+. Jednotlivé úrovně jsou seřazeny od nejrobustnější (největší pokrytí území) po nejméně zabezpečené. O kapacitních jednotkách CU se zmíním později.

V rámci EEP profilu A mají vysílatelé pro každou stanici v multiplexu zvlášť k dispozici datové toky v násobcích osmi (24 možností v rozsahu 8 až 192 kbit/s). U profilu B je k mání pouze šest možností v násobcích dvaatřiceti (32; 64; 96; 128; 160; 192 kbit/s). Jako výchozí úroveň ochrany se uvádí EEP 3-A (FEC ½). Tato ochrana se jeví jako ideální kompromis z hlediska robustnosti pokrytí a kapacity multiplexu, nicméně v našich končinách zatím převládá využití úrovně EEP 2-A, kde můžeme ušetřit až 3dB na vysílací straně (ušetříme polovinu výkonu). V Německu se můžeme setkat například s variantou EEP 1-B. V jednom multiplexu můžou být použity pro jednotlivé stanice libovolné úrovně ochrany z obou profilů.

Dále se dostáváme k dalšímu rozdílu, spíše řečeno efektu. Přepracovaná kódovací architektura DAB+ přináší oproti DAB bonus ve formě nižších nároků na hodnotu odstupu nosné od šumu (C/N) a to v průměrné hodnotě dvou až tří dB. To vede k efektivnějšímu pokrytí území pomocí technologie DAB+ proti jejímu předchůdci. Rozlehlost území s projevem ,,rušivých,, artefaktů ve zvuku kvůli hraničnímu C/N je u DAB+ minimalizována a dochází k prudšímu pádu zvuku vůči bodu jeho úplného přerušení oproti původnímu DAB MPEG L2. Pokud se přesto za jízdy nacházíme na ostré hranici příjmu, můžeme zaslechnout účinek SBR, zvuk je bez výšek, slyšíme pouze základní pásmo – core AAC.

Dalším rozdílem jsou použité audio kodeky. Jak už jsem uvedl, DAB používal MPEG-1 a MPEG-2 Layer 2, zatímco v rámci DAB+ se představuje rodina algoritmů AAC. S technikou Spectral Band Replication (SBR) – AAC v1 se můžeme setkat například u mp3PRO, které je cca o 3 roky starším kodekem proti AAC v1 (MPEG-4 Audio). MP3 (MPEG-1 a 2, Layer 3) se kvůli výpočetní náročnosti v rámci DAB nikdy nepoužila.

Oprávněné rozsahy užití datových toků u AAC audio kodeků v1 – rok 2003 (SBR ON) a v2 – rok 2004 (SBR ON + Parametric Stereo ON v souvislosti se vzorkovací frekvencí. Pro mono můžeme využít buďto v1, nebo základní variantu LC.

Užití variant AAC s ohledem na datový tok

Bohužel se můžeme v praxi setkat s využíváním v2 (Parametric Stereo) ve vyšších datových tocích, než 48 kbit/s, což je nesmyslné. Datový tok 88 kbit/s (stereo) bych osobně označil jako spodní hranici využití základního algoritmu AAC LC (na obrázku jako AAC). Horní hranicí použití AAC v1 by tedy měla logicky být pro stereo hodnota 80 kbit/s. Vzhledem k faktům, že AAC verze 1 ani verze 2 již z principu nemohou nikdy dosáhnout na obrázku uvedeného kvalitativního PCM levelu (což je vyšší level, než standardní CD-DA), neb SBR si pouze dopočítává pásmo vysokých kmitočtů zvuku a Parametric Stereo procesem převodu do monofonního kanálu a zpět výrazně ovlivňuje prostorové podání zvukového díla, se jeví použití prostého AAC LC z hlediska dosažitelné zvukové kvality jako logický krok.

Posledním výraznější změnou se v roce 2007 stalo ustanovení nového standardu DMB (Digital Multimedia Broadcasting), s jehož zvukovou složkou si dokážou poradit i autorádia které nezpracovávají digitálně vysílané (DMB) obrázky a videa.

Struktura DAB+

Zjednodušená struktura DAB+

Fast Information Channel (FIC) je přítomen vždy. FIC je oddělený datový kanál, který mimo jiné přenáší binární informace o tom, jak je DAB multiplex organizován. Obsahuje seznam služeb a podobně. Složky v rámci Main Service Channel (MSC) jsou volitelné.

Kapacita DAB+

V multiplexu máme vždy k dispozici 864 tzv. kapacitních jednotek CU. Platí tedy, že při úrovni ochrany EEP 2-A ho naplníme devíti programy s tokem 96 kbit/s. V případě EEP 3-A je to 12 a u EEP 4-A dokonce 18 stanic. Důležité je, že našich 96 kbit/s není určeno výhradně pro zvuk. Částečně si to můžeme ukázat na tabulce struktury připravovaného rakouského MUX I.

Ohlášené složení rakouského MUX I při zabezpečení EEP 3-A, včetně volné kapacity

Například program Radiožurnál je v multiplexu ČRo vysílán se zabezpečením EEP 2-A. Jak víme z tabulky, srovnávající všech 8 úrovní EEP ochran, počet jednotek CU se v případě EEP 2-A rovná datovému toku v kbit/s. Program Radiožurnál zaujímá v multiplexu 80 CU, tedy disponuje hrubým tokem 80 kbit/s. Tuto hodnotu ponížíme cca o 10% tzv. FEC Overhead (x 0,9) a dostaneme hodnotu užitečného datového toku kolem 72 kbit/s. Overhead je množina přidávaných kontrolních bitů během enkódování, sloužících k detekci a opravě chyb během dekódování. Od užitečného datového toku ještě musíme odečíst PAD datový tok, který v tomto případě může být v rozsahu 1 až 16 kbit/s. Pro vlastní zvuk tedy zbude cca 56 až 71 kbit/s. Slide Show – obrázky, se mohou také vysílat v rámci AAC streamu formou tzv. eXtra PAD (X-PAD).
Původně jsme v rámci DAB standardu rozlišovali tři tzv. přenosové módy – TM (Transmisson Mode) I až III, později došlo k jeho rozšíření o TM IV. V roce 2016 však byla vydána revize DAB standardu ETSI EN 300 401 V2.1.1 (2016-10), která zrušila TM II až IV a ponechala pouze TM I.

Srovnání některých parametrů všech přenosových módů DAB

Všechny módy mají společnou šířku pásma a maximální hrubou kapacitu (MSC). Dále už ale vidíme značné rozdíly. Co se týče frekvenční provozuschopnosti, je TM I použitelný pouze do 375MHz. Pokud se provozuje mimo tento rámec, je omezena maximální rychlost pohybu přijímače vůči ,,nehybnému,, vysílači nevyhovujícími hodnotami. Fakticky byl zrušením módů II až IV zpečetěn osud L-pásma na poli terestrického DAB. Dalšímu využití zbyvšího TM I v klasických metalických kabelových sítích však nic nebrání.

Zatímco TM I dosahuje nejlepší účinnosti ve volném terénu, TM II na tom byla lépe v hustých zástavbách. Hlavním důvodem byl počet nosných.

Základním stavebním blokem hlavního kanálu služeb (MSC) je společný prokládaný rámec (CIF). CIF je u všech čtyř vysílacích módů (TM I až IV) přenášen každých 24ms a obsahuje 55 296 bitů. Kapacitní jednotka (CU) je nejmenší adresovatelnou jednotkou CIF a obsahuje 64 bitů. CIF obsahuje 864 kapacitních jednotek (864x64bit=55,296kbit). Maximální hrubá kapacita hlavního kanálu služeb tedy vychází:

1s=1000ms; /24=41,66667; x 55,296kbit=2304kbit/s

Ochranný interval a SFN

Pro zajímavost nejprve uvedu výpočet hodnoty teoretického ochranného intervalu. Maximální vzdálenost vysílačů D (km) pro TM I vypočteme:

Rychlost světla 300000 (km/sec) x ochranný interval (sec) = ochranný interval (km)

Pro TM I platí: 300 000 x 0,000 246= 73,8 km

K degradaci šumem dochází na nejvyšší frekvenci a v nejkritičtějším stavu vícecestného šíření (v praxi se rovná 1 dB při 100 km/h). Čím vyšší frekvence, tím kratší maximální nedestruktivní zpoždění ozvěny. Pro TM I se tak běžně uvádí dokonce 96 km (312ms). Praktické laboratorní testy módu TM I dokázaly, že pokud součet výkonů ozvěn, ležících mimo ochranný interval, je o 4dB nižší, než užitečný signál, jsou se běžné přijímače stále schopny synchronizovat a správně demodulovat obsah, dokud relativní maximální zpoždění nepřekročí 350 µs (105km; GI+42%).

Jednofrekvenční DAB sítě budou v České republice provozovány s větším odstupem vysílačů, nežli 73,8km , či 96km. Jak to správce sítě vyřeší ? Mají se spoléhat na laboratorní testy ? Samozřejmě se už při návrhu fyzické DAB sítě počítá s jejími určitými provozně ověřenými vlastnostmi. Mým velmi oblíbeným ukazatelem je tzv. Echo Power vs. Echo Delay, což jsou graficky, nebo číselně znázorněné podmínky pro bezchybný, v našem případě mobilní, příjem mimo ochranný interval. Testy byly učiněny v reálném provozu, v našem případě v módu TM I.

V reálné situaci se bude DAB SFN chovat tak, že pokud dokážeme udržet součet výkonů všech ozvěn do -5dB oproti úrovni užitečného signálu, bude pro nás platit praktický ochranný interval 105km a pokud se vejdeme do -7dB, dostáváme se až k magické hranici 114km (více, než 50% za GI), za níž křivka Echo Power vs. Echo Delay začne strmě klesat.
Veškeré impulsy, přicházející do přijímače v rámci základního ochranného intervalu (246 μsec), nepůsobí přijímačům problémy.

Citlivost a selektivita

Jen stručně k těmto důležitým vlastnostem přijímačů. Autorádia musí zajistit kontinuální prezentaci zvuku při vstupní úrovni signálu -92,2 dBm v případě Rayleighova přenosového kanálu a -97,7 dBm při příjmu signálu s charakteristikami Gaussova kanálu.

Výrobky prodávané s balenou anténou, musí splnit nepřerušovaný přednes u Rayleigh charakteristiky přenosového kanálu s intenzitou pole při, nebo nad prahovou hodnotou závislou na kmitočtu: 175MHz – 32,71 dBuV/m; 207MHz – 34,17 dBuV/m; 239MHz – 35,42 dBuV/m.

Při příjmu užitečného signálu o úrovni -70dBm, což je cca 25dB nad minimální zpracovatelnou úrovní, si musí přijímač poradit se sousedním kanálem o úrovni signálu o 35dB vyšší.

Závěr

Pokud jste se dostali až sem, děkuji vám velice za pozornost. Snad se mi podařilo vypíchnout něco zajímavého z té nekonečné změti čísel, zkratek a vzorečků. Technologie DAB neměla dlouhou dobu na růžích ustláno. Je zajímavé, že kódové techniky, jako konvoluční (i LDPC), či kódy pánů Reeda a Solomona pocházejí z poloviny dvacátého století. Čekalo se tedy především na efektivní zvukové algoritmy. Nezbývá, než doufat, že v ČR vznikne nějaká alternativní celoplošná DAB síť s kvalitním obsahem a pěkným zvukem v AAC LC. Věřím, že lidé ještě nezapomněli dělat hodnotné „rádio“

Vstup do Diskuse

5 komentářů: “Několik zajímavostí o DAB, digitálním rozhlasovém vysílání, které možná nevíte”

  1. Saxon napsal:

    1*. Skvělá práce. Jen doplním, že aktuálně Radiožurnal v multiplexu CRo jede na hrubém bitrate 64kbit. I Dvojka se ponížila na 48kbit. Nejspíš z důvodu přidání sportovního programu pro MS v hokeji. Také potvrzuji, že AAC LC je pro lidské ucho nejprijatelnejší varianta.

  2. MichalP napsal:

    Obrázek s plánem rozšíření muxu ČRo do dalších oblastí jsem už viděl v nějaké prezentaci a lze si ho prohlédnout na webu https://dobadabova.cz/.
    Lecos o rozšíření naznačují nová individuální oprávnění v databázi ČTÚ, která se zde objevila k 1.4.2019.
    Jako za hodné pozornosti určitě stojí příděly pro Klínovec (10 kW ERP) či městský dokrývač Plzně, lokalita Sylván (1 kW ERP).
    Ani jeden z uvedených se totiž v žádných plánech dopud neobjevoval a bude zajímavé sledovat, zda budou také spuštěny s další vlnou rošíření muxu ČRo.

Napsat komentář