Digitální vysílání rozhlasu a televize

Digitální vysílání rozhlasu a televize

Ing. Pavel Gregora

V poslední době je možné sledovat nástup nových technologií použitých pro zemské rozhlasové a televizní vysílání. V říjnu 2005 bylo i v České republice zahájeno zemské digitální televizní vysílání v multiplexu A. V satelitních a v poslední době i kabelových systémech se již digitálně vysílá. Vesměs jde o moderní digitální systémy, které přinášejí mnoho výhod. V následujícím příspěvku jsou digitální systémy srovnány s analogovými technologiemi a rovněž jsou zde popsány některé významné prvky.

Analogové a digitální vysílání

U analogového vysílání určitá veličina rádiového signálu (výkon, kmitočet, fáze) plynule sleduje změny příslušného parametru obrazu a zvuku (např. jas, barvu, hlasitost apod.). U digitálních systémů je velikost těchto parametrů v krátkých intervalech změřena (vzorkována), naměřené hodnoty jsou číselně vyjádřeny a k posluchači nebo divákovi jsou vysílány soubory čísel.

Nevýhody analogových technologií

Dosud běžně používané zemské analogové vysílání má určité nevýhody (obr. 1):

• jeden program zabírá poměrně velkou část kmitočtového spektra (u VKV 160 kHz, u televize 8 MHz), takže počet vysílacích stanic je omezen;

• ačkoliv je kvalita vysílání přijatelná, v některých zastíněných částech území dochází ke zkreslení signálu a k rušení signály z jiných zdrojů. Velmi nepříznivý vliv má tzv. mnohacestné šíření, kdy se signál dostává k přijímací anténě několika různými cestami (odrazy od překážek). V takovém případě je zvuk zřetelně zkreslen a obraz je znehodnocen tzv. duchy nebo je neostrý a objevují se i poruchy barevného podání. Rušivé signály způsobují ve zvuku různé šelesty a hvizdy, v obrazu se projevují jako různé vlnovky, drapérie, popř. se vyskytuje i nestabilita obrazu. Velmi zřetelné znehodnocení je při příjmu v pohybujícím se dopravním prostředku;

• k pokrytí určitého území jsou potřebné poměrně velké výkony koncových stupňů vysílačů (řádově jednotek kilowattů u rozhlasu a desítek kilowattů u televize);

• použití jediného společného kmitočtu pro několik vysílačů (tzv. synchronní provoz) je problematické a vede ke vzniku analogických problémů s mnohacestným šířením;

• při sériovém zapojení několika zařízení ve vysílacím řetězu se kvalita analogového signálu postupně zhoršuje, takže je vyloučeno, aby se např. na anténu přijímače dostal signál ve stejné kvalitě, v jaké opouštěl vysílací studio;

• analogové vysílání barevné televize je v podstatě kompromisem, při němž bylo nutné vyhovět požadavku slučitelnosti s existujícím černobílým systémem. Proto se signály barvy i jasu vysílají společně a vzájemně se ovlivňují. Vznikají tak různé neodstranitelné efekty, jako je např. duhové zabarvení proužkovaných látek apod.

Obr. 1. Vysílač na vrcholku Pradědu
Obr. 2. Všesměrová trubková anténa vysílače výšky 60 m instalovaná při experimentálním vysílání DRM (Digital Radio Mondiale) v říjnu a listopadu 2003 v radiokomunikačním středisku Hradec Králové-Stěžery

Vlastnosti digitálního vysílání

Jakékoliv digitální vysílání spočívá v tom, že se přenáší pouze řada číslic. To má podstatnou výhodu. Pro zjednodušení si lze představit, že se přenášejí pouze jedničky a nuly (ve dvojkové soustavě). Tudíž jakoukoliv chybou při přenosu nemůže nastat jiný stav, než že se místo jedničky přenese nula nebo obráceně, popř. se nepřenese nic. Nemůže tedy při sériovém zapojení zařízení docházet k postupnému zhoršování kvality, mohou se pouze objevovat chyby. Protože jde o čísla, mohou se při přenosu využívat různé výpočetní metody umožňující tyto chyby odhalit, popř. i opravit. Opět si lze pro zjednodušení představit použití kontrolních součtů jednotlivých skupin čísel, sčítání souborů ve vodorovném a svislém směru apod. S využitím těchto metod, které se zpravidla označují jako kódování, prokládání, mapování apod., je možné chyby v signálu opravit, takže na konci přenosového řetězu je k dispozici tentýž signál, jaký byl na jeho vstupu.

Přenos čísel (znaků), formou elektrických signálů byl znám již mnoho let před prvním rádiovým vysíláním. Šlo o přenos s využitím Morseovy abecedy, kde každé číslici byl přiřazen symbol (Morseova značka) složený z teček a čárek. Stejně bylo možné přenášet číslice i rádiovým vysíláním; k tomu byla používána amplitudová, frekvenční nebo fázová modulace (klíčování). V době, kdy starší z čtenářů studovali, byly v podstatě známy jen tyto tři modulační postupy přenosu. Postupem času se však stále zřetelněji ukazovalo, že klasické modulační principy mají malou spektrální účinnost. To znamená, že pro přenos informace potřebují neúměrně velkou část kmitočtového spektra, a zabírají tedy široký přenosový kanál. Proto se zhruba od poloviny dvacátého století začaly objevovat pokročilejší modulační principy. Jedním z nich je tzv. kvadraturní amplitudová modulace (QAM). Ta je použita v prvním modulačním kroku systému zemského digitálního televizního vysílání DVB-T. Uvedenou modulací lze vytvořit jednotlivé symboly. Každý z nich může obsahovat několik dvojkových čísel (bitů). V případě typu 64 QAM, který je jednou z používaných alternativ, obsahuje jeden symbol šest bitů.

Obr. 3. Vysílač Telefunken – TRAM 10, využitý při experimentálním vysílání v r. 2003: kmitočet 774 kHz, výkon vysílače 2,5 kW, šířka kanálu 9 kHz, modulace MSC – 64 QAM; SDC – 16 QAM, datový tok 23,2 kbit/s (mono)

Aby bylo možné vysílat obraz a zvuk digitálně, bylo nutné nejprve najít metody, které by dovolovaly převést původně analogové signály na řadu čísel (obr. 2, 3). To lze uskutečnit vzorkováním, kdy se obrazový a zvukový signál „rozseká„ na velké množství malých prvků a každému z nich (podle určitého předpisu) se přidělí určitá číselná hodnota. Pro dokonalý přenos je však zapotřebí příliš velký počet těchto prvků, a proto by potřebný datový tok, a tedy i šířka zabraného pásma dosahovaly neúnosných hodnot. Pro zajímavost uveďme, že v běžném přehrávači CD-ROM je datový tok 1,412 Mbit/s, zatímco pro přenos barevného televizního obrazu je třeba 216 Mbit/s. Takové datové toky nelze přenášet v klasických rozhlasových a televizních pásmech, neboť kanály pro zmíněný přenos by byly mnohonásobně širší než u klasického analogového přenosu.

Rozvoj digitálního vysílání tedy mohl pokračovat teprve tehdy, až byly vypracovány kompresní metody umožňující podstatně zmenšit potřebné datové toky. V podstatě přitom byla využita možnost vypustit nadbytečné a nepodstatné prvky signálu. Pro názornost je možné si představit např. situaci, kdy je v určité televizní scéně přenášen obraz pokoje, v němž konverzují dva lidé. Je zřejmé, že během rozhovoru není nutné neustále přenášet informaci o tom, kde v místnosti stojí příborník a jaký má tvar a barvu, kde je okno, kde váza apod. Tyto informace se mohou přenést pouze na začátku, a pak už jsou zajímavé pouze pohyby účinkujících. Tak lze podstatně zredukovat množství přenášených informací. U zvuku je situace poněkud jiná. Ten je v neustálém pohybu, takže uvedený princip zde není použitelný. Lze však využít metodu, kdy se vypouštějí nepodstatné informace. Pro představu lze zvolit situaci, kdy burácí forte symfonického orchestru. V tom hluku zajisté není nutné přenášet zvuk jednotlivých houslí nebo tóny cembala. Tyto zvuky jsou totiž překryty jinými, silnějšími.

Obr. 4. Digitální přijímač TV

Postupem doby se podařilo vyvinout kompresory, které s využitím uvedených algoritmů umožňují zmenšit datové toky u obrazu a v poslední době i u zvuku až na jednu setinu (komprese může být různá podle požadavků na kvalitu přenosu).

V předcházející části tohoto článku byla jako jedna z nevýhod analogového vysílání zmíněna citlivost systému na mnohacestné šíření. Je-li však signál přenášen digitálně, lze použít i moderní modulační metody, které vliv mnohacestného šíření do značné míry potlačují. Pokusme se o názorné vysvětlení použitého principu. Při mnohacestném šíření přichází jedna a táž informace na anténu přijímače zpravidla s odstupem několika mikrosekund. Takové doby nejsou zanedbatelné ani u televizního obrazu (kde délka jednoho řádku viditelného na obrazovce je asi 50 µs), ani u zvuku, kde jeden kmit frekvence např. 5 kHz trvá 200 µs. Naproti tomu při přenosu Morseovy abecedy lze takovéto zpoždění zanedbat vzhledem k tomu, že jednotlivé značky jsou i při velmi rychlém provozu relativně dlouhé (desítky milisekund). Je tedy možné konstatovat, že při nízkém bitovém toku (pomalém přenosu) není mnohacestný přenos rušen.

Obr. 5. Digitální zemský přijímač

Problém je ale v tom, jak tak nízkého bitového toku dosáhnout, je-li třeba obraz a zvuk přenášet v uspokojivé kvalitě. K vysvětlení opět postačí jednoduchý příklad: v případě, kdy je např. třeba určitým kabelem přenést za jednu sekundu soubor obsahující dvacet čísel, k přenosu lze použít jediný vodič a čísla posílat postupně, takže přenos každého z nich bude trvat jednu dvacetinu sekundy. V počítačové terminologii jde o tzv. sériový přenos. Bude-li však kabel dostatečně vybaven vodiči, je možné k přenosu použít dvacet vodičů a každým z nich pomalu, po dobu jedné sekundy přenášet jediné číslo (počítačově: paralelní přenos). Výsledek bude stejný, ale v druhém případě bude přenosová rychlost dvacetkrát nižší. A to je právě princip, který používá zemské digitální vysílání rozhlasu T-DAB a televize DVB-T. Zatímco u analogového vysílání je přenos realizován jediným nosným kmitočtem (analogie jediného vodiče), u zemského vysílání rozhlasu se používá 1 536 nosných a u vysílání televize 6 817 nosných kmitočtů. Symboly získané prvním modulačním procesem (viz 64 QAM výše) se tedy podrobí další modulaci, která je označena jako COFDM (zkráceně: multiplex s frekvenčním dělením). Tak bylo možné podstatně zvýšit odolnost systému proti odrazům, a dokonce dosáhnout toho, že zpožděné signály (např. i od sousedních vysílačů pracujících na stejném kmitočtu) zesilují užitečný signál na anténě.

Obr. 6. Přijímače satelitního digitálního rozhlasového vysílání
Obr. 7. Pracoviště pro kontrolu analogového i digitálního pozemního vysílání ČT
Obr. 8. Digitální přijímač – set-top-box

Moderní modulační metody jsou natolik úsporné, že při použití zmíněných kompresních metod umožňují umístit do jediného současného televizního kanálu o šířce 8 MHz až šest televizních programů nebo (v systému T-DAB) 24 i více rozhlasových programů, a to v lepší kvalitě, než jaké bylo možné dosáhnout u analogového vysílání. Navíc lze v tomtéž kanálu přenášet množství doplňkových informací, které podstatně zvyšují pohodlí posluchačů (informace o programech – tzv. elektronický programový průvodce, interpretech, ale i zpravodajství, navigace pro motoristy a mnoho dalších). Toto slučování několika programů do jediného datového toku se nazývá multiplexování a výsledný datový tok, který obsahuje několik programů, má název multiplex.

Z toho, co zde bylo uvedeno, je ovšem zřejmé, že k příjmu digitálního vysílání nejsou použitelné stávající přijímače. Je třeba si buď pořídit nový digitální přijímač, anebo doplněk (tzv. set-top-box, viz poznámka, D-box), kterým se dosavadní zařízení doplní.

Používané systémy umožňující digitální vysílání rozhlasu a televize

• T-DAB je systém používaný pro vysílání rozhlasu a přidružených dat (dopravní informace, programové informace, navigace pro motoristy, různé aktuální zprávy apod.),

• T-DMB vychází ze zdokonalení systému T-DAB a je určen k multimediálnímu vysílání (televize, rozhlas, doplňky) zejména pro mobilní příjem v dopravních prostředcích při velkých rychlostech, kde už DVB-T selhává,

• DVB-T je televizní zemské digitální vysílání realizované sítěmi televizních vysílačů; vysílání je rovněž doplněno datovými informacemi a systém umožňuje i rozhlasové vysílání,

• DVB-H je televizní vysílání určené pro malé kapesní přijímače (mobilní telefony),

• DVB-S je digitální televizní vysílání prostřednictvím satelitů; má podobné možnosti jako DVB-T,

• DVB-C je totéž jako DVB-S, je realizováno jiným modulačním systémem sítí kabelových rozvodů, kromě již uvedených možností má díky zpětnému kanálu lepší možnosti interaktivního spojení, kdy může uživatel (divák) komunikovat s centrem a ovlivňovat tak nabídku programů, zasahovat do soutěží, obchodovat apod.,

• MWS je označení pro multimediální bezdrátové systémy; jsou to univerzální systémy schopné v obou směrech přenášet značné objemy informací a umožňující tak přenos rozhlasu, televize, internetu a dalších služeb v pásmu velmi vysokých kmitočtů (40,5 až 43,5 GHz), kde se signál šíří podobně jako světlo; proto je vyžadována přímá viditelnost mezi vysílačem a přijímačem.

Výhody digitálních technologií zemského vysílání

Popsané vlastnosti digitálního vysílání dovolují přehledně uvést jeho výhody:

• Systémy jsou kmitočtově úsporné, umožňují v daném pásmu umístit větší počet programů. Pro zajímavost lze uvést, že pro dobré pokrytí České republiky čtyřmi (popř. i více) televizními programy by teoreticky postačily tři televizní kanály, zatímco u analogového systému by k pokrytí čtyřmi programy nepostačovalo ani 48 televizních kanálů.

• Je umožněn provoz několika vysílačů na společném kmitočtu (tzv. sítě SFN); to vede jednak k další úspoře kmitočtů, jednak k tomu, že při pohybu v daném území není nutné přijímač stále přelaďovat (obr. 5).

• Odpadá zkreslení způsobené mnohacestným šířením. To mj. dovoluje používat přenosné přijímače s jednoduchými anténami, aniž by jejich poloha ovlivňovala kvalitu zvuku nebo obrazu. Příjem v jedoucích vozidlech je kvalitní.

• Lze dosáhnout vyšší kvality obrazu i zvuku než u analogového vysílání (např. HDTV – televize s vysokou rozlišovací schopností – obr. 4).

• K pokrytí území jsou potřebné menší výkony vysílačů (přibližně jedna desetina) než v analogovém systému.

• K vysílání několika programů je zapotřebí pouze jediné společné vysílací zařízení, zatímco v analogovém systému je pro každý program nutná samostatná jednotka.

• Je možný současný přenos doplňkových informací.

Závěr

Přestože, jak je zřejmé, většině televizních diváků a rozhlasových posluchačů kvalita současného analogového vysílání vyhovuje, nastává doba, kdy bude třeba přejít na digitální systémy (obr. 7). Tento stav je dán rozhodnutím EU a vyplyne i z usnesení regionální radiokomunikační konference 06 (RRC 04/06). Nezbývá tedy, než se s tímto vývojem smířit a začít se vybavovat potřebným zařízením. Lze konstatovat, že v současné době je výběr digitálních přijímačů (set-top-boxů) v České republice více než dostatečný a ceny jsou již přijatelné (obr. 8).