Cyfrowe radio czas zacząć

Żyjemy w tak ciekawych czasach, że kolejne tygodnie przynoszą nam zaskakujące nowinki techniczne. Wiele z nich zagości na stałe w naszym codziennym życiu i prawdopodobnie nie będziemy mogli bez nich żyć. Istnieją wynalazki, które są rozwijane i udoskonalane od dekad - teraz przyszedł czas na ich cyfryzację. Jednak zanim do tego dojdziemy, rzućmy okiem na drogę jaką trzeba było przebyć, aby badania nad zachowaniem pola magnetycznego doprowadziły do globalnej rewolucji.

Krótki rys historyczny radia

Radio - jego początki sięgają czasów zaobserwowania pola magnetycznego, które powstało podczas przepływu prądu elektrycznego przez przewodnik, a działo się to w latach dwudziestych dziewiętnastego wieku. Przez wiele lat doświadczeń i odkrywania zasad powstawania i rozchodzenia się fal radiowych, przez wielu wybitnych naukowców takich jak Hertz, Edison czy Tesla oraz wielu innych ludzi ze świata matematyki i fizyki - doprowadziło do skonstruowania nadajników. Najpierw były to radiostacje telegraficzne, ale ścisłe umysły nie pozostały bezczynne i w zaciszach swoich pracowni zgłębiali tajemnice transmisji sygnałów na odległość.

Kanadyjski inżynier Reginald Aubrey Fessenden, który zajmował się zagadnieniami radiotechnicznymi, a później sonarowymi oraz telewizyjnymi - w roku 1900 jako pierwszy przesłał głos ludzki na odległość, za pomocą fal radiowych.

Wiek XX przyniósł rozwój radiotechniki i radia jako medium mowy i muzyki. Nie wdając się w szczegóły patentowe i kto był pierwszy, w roku 1907 Duńczyk Valdemar Poulsen za pomocą nadajnika iskrowego o mocy 1 kW w połączeniu z 60m anteną, przeprowadził transmisję muzyki na odległość 600km. Zasada nadajnika iskrowego opiera się na zjawisku powstawania pola elektromagnetycznego podczas przeskoku iskry. Powstałe drgania umożliwiają rozchodzenie się fal elektromagnetycznych w przestrzeni. Kolejne etapy ewolucyjne, doprowadziły do budowy nadajników opartych o lampy elektronowe.

W 1922 roku powstaje brytyjski publiczny nadawca radiowy BBC, a AT&T zapoczątkowuje erę płatnych reklam, sprzedając czas antenowy w cenie $100 za 10 minut. Trzy lata później powstaje pierwszy eksperymentalny nadajnik fal ultrakrótkich (UKF). W 1926 mamy polski akcent w postaci najsilniejszej stacji radiowej w Europie - radiostacja Polskiego Radia na falach długich o mocy 10kW. W 1933 powstaje konstrukcja odbiornika radiowego z modulacją częstotliwości (FM), która "utrzymuje" analogowe radio do dzisiaj. W latach pięćdziesiątych mamy kolejną rewolucję po wynalezieniu tranzystora przez fizyka William Bradford Shockleya wraz z Johnem Bardeenem i Walterem Brattainem. Rozpoczęło to erę miniaturowych odbiorników zasilanych bateryjnie.

W 1961 roku w USA rozpoczyna się nadawanie audycji stereofonicznych na falach UKF. Kolejne przełomowe kroki, to wykorzystanie kwarcowej stabilizacji i cyfrowej syntezy częstotliwości, w wyniku czego końcowe lata XX wieku, zafundowały nam co raz lepsze radioodbiorniki bez denerwującego "odpływania fali", nazywane potocznie "cyfrowym radiem", choć z prawdziwą cyfryzacją radiofoniczną miały mało wspólnego. Przesyłanie dźwięku nadal odbywało się w sposób analogowy, jednak dostrojenie do konkretnej częstotliwości, na której nadawała stacja oraz detekcja sygnału - odbywała się z pomocą układów cyfrowych. Pozwala to na daleko posuniętą miniaturyzację i polepszenie parametrów zarówno od strony wysokiej częstotliwości (np. czułość odbiornika, stabilizacja częstotliwości), jak i od strony pasma akustycznego, wygoda użytkowania także uległa znacznej poprawie.

Pod koniec lat siedemdziesiątych, postanowiono opracować system, który umożliwiałby transmisję dodatkowych danych cyfrowych razem z audycją radiową. Swoje projekty opracowywało kilka państw, jednak ostatecznie najlepszy okazał się projekt Szwedów. W roku 1986 Międzynarodowy Komitet Radiokomunikacyjny (CCIR) zalecił właśnie ten system do transmisji danych i tak powstał RDS (Radio Data System) w Europie, a posiadające kosmetyczne różnice RBDS (Radio Broadcast Data System) w USA. W Polsce nadawanie z tym systemem pojawiło się w latach dziewięćdziesiątych. RDS umożliwia przesłanie danych z prędkością 1187,5 bitów na sekundę oraz posiada mechanizm korekcji błędów. Za jego pośrednictwem można przesłać takie dane jak nazwa stacji - 8 znaków, dowolny tekst do 64 znaków, aktualny czas i datę, kod informujący o typie nadawanego programu (31 rodzajów), informacje drogowe oraz informacje o innych częstotliwościach danej stacji, co pozwala przełączyć się automatycznie na silniejszy sygnał. W 2014 roku opracowano wersję 2.0 standardu, która podwaja przepływność danych oraz umożliwia przekazywanie dłuższych tekstów z kodowaniem UTF‑8, co pozwoliło na transmisję znaków z języków azjatyckich. Wprowadzono też możliwość przesłania logo graficznego wraz ze wsparciem szablonów HTML/CSS dla urządzeń mobilnych.

Prawdziwe cyfrowe radio

Istota cyfrowego radia, to dźwięk przekształcony do postaci zer i jedynek w procesie kwantyzacji, czyli podzielenia sygnału analogowego na skończoną ilość odcinków (przedziałów czasowych) i przypisaniu wartości z określonego zbioru. Następnie dane cyfrowe zostają skompresowane (określonym koderem) i przesłane drogą radiową, a następnie zdekodowane w odbiorniku i po przekształceniu przetwornikiem C/A (cyfrowo - analogowym) na sygnał akustyczny - wyemitowane przez zestaw głośnikowy. Taki sposób transmisji radiowej, powinien dostarczyć do słuchacza dźwięk o wysokiej jakości, pozbawiony zakłóceń i szumów.

W 2003 roku Międzynarodowy Związek Telekomunikacyjny (ITU), zatwierdził standard transmisji cyfrowej dla stacji radiowych w paśmie od 153kHz do 30MHz AM o nazwie DRM (Digital Radio Mondiale). System przekazu został zdefiniowany w czterech klasach ochronnych z czterema profilami (od A do D). Klasy ochronne umożliwiają dobór wymaganej odporności na zakłócenia, kosztem przepływności bitowej. W standardowej konfiguracji (pasmo do 10kHz), system zapewnia przepływność od około 6kbit/s do 30kbit/s. Aby możliwe było przesłanie głosu w tak wąskim paśmie, potrzebny jest kodek dźwięku o wysokiej kompresji. Podstawowym kodowaniem jest AAC, a dokładniej MPEG-4 HE‑AAC (High Efficiency Advanced Audio Coding) oraz kilka odmian, ukierunkowanych na transmisję samej mowy, tak aby wykorzystać maksymalnie dostępną przepływność.

Szybkość transmisji można zwiększyć na wyższych częstotliwościach nadawania przez rozszerzenie kanału do 20kHz lub nawet do 100kHz w najnowszej wersji standardu DRM+ z kanałami nadawczymi o częstotliwości do 174MHz . Uzyskana szybkość transmisji dochodzi do 186kbit/s, co zwiększa znacznie możliwości i zapewnia dużo lepszą jakość audycji. Opinie niezależnych (prywatnych) testerów niestety nie były bardzo radosne. Obiecywano wspaniały dźwięk na falach średnich i długich o jakości porównywalnej z UKF, jednak bardzo duża kompresja nie pozostawiła złudzeń - przy tak niskich wartościach bit rate, nie da się przesłać dźwięku bez zniekształceń. W audycjach gdzie przeważa mowa (np. serwisy informacyjne) jest to jeszcze do zaakceptowania, ale w przypadku muzyki jest to niewystarczające. Kolejnym problemem są zakłócenia w tym paśmie, poradzono sobie co prawda z tymi pochodzącymi od wyładowań atmosferycznych, ale pozostałe nadal utrudniają transmisję, co powoduje zrywanie synchronizacji i zanik dźwięku. DRM znalazł również zastosowanie w krótkofalarstwie, jednak używa się tam raczej kodeków na wolnej licencji, które są dostosowane do ograniczonego pasma ludzkiego głosu, co umożliwia ciekawą "zabawę" i wiele radości z uzyskanego potwierdzenia QSL (jest to forma pocztówki od korespondenta).

Już w latach osiemdziesiątych zaczęto prowadzić konsultacje nad nowym standardem cyfrowego radia w europie. Po kilku latach testów i próbnych emisji, dopiero w roku 1995 uruchomiono pierwsze stacje regularnie nadające w systemie DAB (Digital Audio Broadcasting). Do emisji cyfrowych planowano wykorzystać istniejące pasmo UKF 88‑108MHz, jednak ostatecznie zrezygnowano z niego na rzez pasma w zakresie 174–240 MHz (oznaczony jako tryb I) oraz zdefiniowano dodatkowy zakres częstotliwości w przedziale 1452–1492 MHz (tryb II lub pasmo L) również dla transmisji satelitarnej. W roku 1999 pojawiły się pierwsze konsumenckie odbiorniki z obsługą nowego standardu. Początkowo używano kodeka dźwięku MPEG-1 Audio Layer 2 (mp2), jednak w 2006 roku opracowano odświeżoną wersję standardu DAB+ i umożliwiono w nim użycie nowego kodeka HE‑AAC, co pozwoliło na większą kompresję i lepsze wykorzystanie dostępnego miejsca. Maksymalna możliwa przepływność wyniosła 1184 kbit/s w tzw. multipleksie, w którym może być przesyłane kilka stacji radiowych jednocześnie. Wraz z dźwiękiem można przesłać praktycznie te same informacje co w RDS i dodatkowo EPG (przewodnik programowy) oraz dane graficzne.

Polskie radio cyfrowe DAB, rozpoczęło swoją przygodę w 2009 roku, kiedy to rozpoczęto emisje testowe wraz firmą Emitel. Z końcem roku 2013 uruchomiono pierwszy komercyjny multipleks Polskiego Radia. Aktualnie działa kilkanaście nadajników w Polsce, które emitują multipleks w skład którego wchodzą programy Polskiego Radia: Jedynka, Dwójka, Trójka, Czwórka, Radio Poland, PR24, Rytm oraz program regionalny. Od 1 stycznia 2015 roku uruchomiono nadajniki, obejmujące zasięgiem Gdańsk, Kielce, Kraków i Poznań. Ostatecznie pełna cyfryzacja Polskiego radia ma nastąpić do końca 2020 roku. (źródło:http://dabplus.pl/ )

Praktyka

Korzystając z okazji uruchomienia DAB+ w Krakowie, postanowiłem przyjrzeć się jak to wygląda w praktyce. Nie posiadam jak na razie sprzętowego odbiornika cyfrowego, jednak nie jest to specjalnie problem dla posiadaczy tunerów komputerowych DVB.

W większości nowych urządzeń są one również przystosowane do odbioru cyfrowego radia. Właściciele odbiorników zbudowanych na układzie Realteka, powinny się bardziej ucieszyć, gdyż można wykorzystać do odbioru bardzo ciekawy program o nazwie "DAB Player ". Dodatkowym atutem jest polska lokalizacja i prosta obsługa, choć ma całkiem spore możliwości. Ciekawy jest moduł "Informacji o multipleksie", gdzie zapoznać się można z aktualnym jego wykorzystaniem, wartościami przepływności czy aktualnego SNR, który pozwoli ocenić siłę i jakość odbieranego sygnału. Możliwości aplikacji na tym się nie kończą i dostajemy do tego możliwość nagrania strumienia wprost na dysk w wybranym formacie (mp4/mp2, wave, mp3). Możemy również zaprogramować nagrywanie według daty i godziny.

Po analizie dostępnych stacji radiowych, dochodzimy do wniosku, że jakość nie jest szczytem możliwości. Większość strumieni jest nadawana z dość niską przepływnością na poziomie od 64‑112kbit/s i tylko jeden (Dwójka) 128kbit/s. Niestety jest gorzej niż by się wydawało - podane przepływności, to wartość dla całego kanału, zawierającego ścieżkę audio i dane dodatkowe, które zabierają średnio 5‑6% miejsca. Efekt jest taki, że jakość raczej nie jest wyższa od dobrej stacji FM, a znowu obiecywano jakość na poziomie CD‑Audio. Najgorzej jest z muzyką, gdzie możemy usłyszeć charakterystyczne, metaliczne brzmienie. Życzył bym sobie transmisji na poziomie 192kbit/s, to miałoby sens - a tak boję się, że otrzymamy tylko substytut prawdziwego radia. Dziwi też trochę tak odległy termin pełnego wprowadzenia DAB+ w Polsce, przecież do 2020 roku będziemy mieli zapewne nowy standard na horyzoncie i wszystko zacznie się od nowa...