Praktický příjem DVB-T2: Jednofrekvenční sítě a vliv na příjem signálu

Jednou z výhod digitálního televizního vysílání je možnost vysílat z více vysílačů na stejném kanále v rámci takzvaných jednofrekvenčních sítí. Jak tyto sítě fungují, jaká úskalí v příjmu mohou jejich vlastnosti přinést a jak je řešit, na to se podíváme v dnešním článku.

Co je to jednofrekvenční síť a jak funguje?

V dobách analogové TV platilo, že každý televizní vysílač využíval pro každý vysílaný program vlastní kanál a ten nemohl být použit v oblasti, kde by se pokrytí vysílačů zásadněji překrývalo, protože by se choval jako rušení. I z toho důvodu nebylo možné vysílat v dobách analogové TV více programů celoplošně – vysílače by se zkrátka rušily navzájem a příjem by byl silně degradován. Příchod digitálního vysílání DVB-T možnosti šíření signálu výrazně změnil. Vedle vysílání několika televizních programů v rámci multiplexu na jednom kanále přinesl i možnost vytvářet jednofrekvenční sítě vysílačů (single frequency network, zkratka SFN). Pokud vysílače šíří identický multiplex a jsou navzájem synchronizovány v rámci tzv. ochranného intervalu (guard interval, zkratka GI), nechovají se mezi sebou jako rušení a i pokud se jejich pokrytí výrazně překrývá, mohou vysílat na stejném vysílacím kanále a uspořit tak cenné frekvenční spektrum.

Kolem SFN vznikla mezi laickou veřejností spousta fám a mýtů, často se vyskytoval například názor, že signál z více vysílačů dopadající na anténu se bude „sčítat“, což příjem zlepší a podobně. Faktem je, že vysílače v SFN síti spolu pouze koexistují tak, aby se navzájem nerušily a žádné jiné výhody, než úsporu spektra, jednofrekvenční sítě nepřinášejí. Právě ona úspora frekvencí je ale zásadním faktorem, proč se SFN sítě využívají a proč jejich význam ještě výrazně narostl se startem DVB-T2 a hlavně budoucím zúžením pásma UHF na kanály 21-48.

Zatímco u analogu měl každý vysílač svůj vysílací kanál, u digitálního vysílání se o něj může dělit s dalšími. Na obrázku vysílač Ústí nad Labem – Buková hora

Rozsáhlé SFN sítě jako reakce na zúžení pásma UHF

Už v návrhu normy DVB-T2 se počítá s možností vytváření ještě rozsáhlejších SFN sítí, než tomu bylo u DVB-T a i v ČR jsou DVB-T2 sítě stavěny v rámci velkých SFN. Jestliže u celoplošných multiplexů DVB-T byla maximální vzdálenost mezi vysílači 67 km (GI 1/4, 224 µs), u DVB-T2 je nastavena na 134 km (GI 1/8, 448 µs), tedy dvojnásobek. Na tomto místě je nutné vyvrátit jednu nepřesnou informaci, která je mezi diváky i anténáři velmi rozšířená – nerušený příjem v rámci SFN není limitován fyzickou vzdáleností vysílacích věží od sebe, ale fyzickou vzdáleností vysílačů od místa příjmu. Pro příklad – při příjmu DVB-T2 sítě ČT v Uhlířských Janovicích na Kutnohorsku jsou nejsilnější signály z Černé hory a Votic, oba vysílače vysílají v SFN na kanále 26. Samotné vysílače jsou od sebe sice 140 km, což už je mimo ochranný interval, ale jejich vzdálenosti od místa příjmu jsou v normě – Votice 42 km, Černá hora 99 km. Rozdíl vzdálenosti na vysílače je v tomto místě tedy 57 km, signál ze vzdálenějšího vysílače dorazí se zpožděním v rámci ochranného intervalu <448 µs a v SFN se tak navzájem rušit nebudou.

Finální rozložení kanálů pro DVB-T2 sítě Českých Radiokomunikací (Repro: CR)

Jak už bylo zmíněno, jestliže u DVB-T vysílání se využívaly SFN sítě zejména u bližších vysílačů a často byly rozděleny mezi jednotlivé kraje a oblasti, u DVB-T2 se počítá s celostátními, případně výrazně rozsáhlejšími SFN sítěmi, zejména z důvodu menšího počtu kanálů, které lze mezi vysílače rozdělit z důvodu zúžení UHF pásma a mezinárodních koordinací. V případě celostátních SFN sítí, jako bude ta na kanále 26 pro DVB-T2 síť České televize, se počítá s tím, že signál vysílačů, které budou od místa příjmu výrazně dále a dostanou se tak mimo ochranný interval, nebude v daném místě přítomen. Nebo že bude natolik slabý, že ho bude možné efektivně odsměrovat anténou, případně bude rozdíl mezi užitným místním signálem a rušením ze vzdáleného vysílače tak vysoký, že vzájemné rušení bude zanedbatelné. To ostatně platilo už u DVB-T, kde byly některé kanály použity na vysílačích, jejichž oblasti pokrytí se v hraničních lokalitách potkávaly a vysílače se tak mohly rušit (například kanál 33 Buková hora vs. Javořice nebo kanál 39 Krásné vs. Kleť). Takřka vždy byl ale v takových místech dostupný kvalitní signál z jiného bližšího vysílače na jiném kanále, a na rušení dvou vzdálených vysílačů navzájem tak nemusel být brát zřetel.

Pre-echo – když je vzdálený vysílač silnější než ten místní

V některých případech nastává ještě další jev, tzv. pre-echo. K tomu dojde ve chvíli, kdy anténa zachytí signál vzdálenějšího vysílače silněji, než signál bližšího vysílače. Slabší signál tak není zpožděný (echo), ale dorazí naopak dříve (proto pre-echo). Ve velkém se s pre-echem potýkali po startu DVB-T a změně polarizace na vysílači Praha-Žižkov diváci severně od Prahy, kteří si neupravili anténu pro vertikální polarizaci. Na horizontálně polarizovanou anténu, kterou původně využívali pro analogové vysílání, pak zachytili silněji vzdálenější Cukrák, slaběji, ale stále dostatečně silně, pak bližší Žižkov v opačné polarizaci. I výskyt pre-echa bude s většími SFN sítěmi častější, protože v mnoha lokalitách je přijímán signál vzdálenějšího vysílače například z důvodu zastínění bližšího vysílače terénem nebo budovami. A zatímco v DVB-T byl často tento vzdálenější vysílač na jiném kanále než místní vysílač, ve velkých jednofrekvenčních sítích DVB-T2 budou oba v rámci SFN.

Pokud na anténu dorazí slabší signál blízkého vysílače a silnější signál vzdálenějšího vysílače v rámci SFN, vzniká „pre-echo“

I s pre-echem nicméně ochranný interval počítá a nemělo by se projevovat jako rušení, v praxi takový signál bohužel některé přijímače s horšími vstupními díly obtížně zpracovávají a dochází k problémům s příjmem TV programů. To ovšem není způsobeno digitálním vysíláním jako takovým, ale právě nekvalitním přijímačem. I proto se nyní někteří diváci mohou setkat s tím, že zatímco s příjmem DVB-T neměli problém, u DVB-T2 příjmu v rámci velké SFN registrují zasekávání a výpadky, případně není příjem vůbec možný. V naprosté většině případů za to ale může chyba na přijímací straně, nejčastěji v nevhodně nastavené nebo nekvalitní anténě, kterou lze odstranit úpravou, a nebo nekvalitní tuner v přijímači.

Jak řešit problémy? Za pomoci profesionála a kvalitních antén

Snahou každého dobrého anténáře by v každém případě měl být co nejkvalitnější výsledný příjem žádaného signálu a tedy použití dostatečně kvalitní a směrové antény, která co nejlépe zachytí signál žádaného vysílače a ostatní vysílače a odrazy maximálně potlačí. Pro změření výsledných parametrů signálu je ale nutný také dostatečně vybavený měřicí přístroj. Do výbavy profesionála by tak zajisté měl patřit přístroj s funkcí echoanalýzy a také s možností měření parametru MER po nosných (MER by carrier). Bez možnosti tyto parametry signálu měřit nebude na mnoha místech možné anténu kvalitně nastavit a zajistit tak bezproblémový příjem, případně bude velmi složité najít příčinu toho, proč jsou s příjmem televizního vysílání problémy.

Zásadní roli při řešení problémů s echem nebo pre-echem hraje zejména kvalitní a směrová anténa. Zatímco v době analogu bylo na střechách běžné vidět vysoce směrové antény (například dlouhé „colorky“), aby diváci maximálně potlačili odrazy a přijímali signál co nejkvalitněji a bez duchů, po nástupu DVB-T se mezi lidmi a do obchodů masově rozšířily mnohé méně kvalitní druhy antén, jejichž směrovost není dostatečná, případně mají výrazné boční laloky směrového diagramu a silně přijímají signál i z boku nebo zezadu. Samostatnou kapitolou jsou pak aktivní venkovní „antény“, které sestávají z několika kovových prvků v plastovém krytu a vestavěného zesilovače – u nich se o směrovosti skoro nedá mluvit. A jestliže u příjmu DVB-T v menších SFN sítích se nekvalita těchto antén nemusela projevit (a lidově řečeno „to prostě nějak hrálo“), v případě rozsáhlých SFN sítí mohou právě nevhodné antény nejčastěji zapříčinit problémy s kvalitou příjmu. Až jako nepochopitelné se pak používání levných a málo směrových antén jeví u společných televizních antén (STA), a to i na velkých domech s mnoha byty. Cena samotné antény je v takových případech naprostým zlomkem ceny celého STA rozvodu a nemá tak smysl na anténě šetřit.

V oblastech se signálem z mnoha vysílačů v rámci SFN je vhodné využít kvalitní směrovou anténu a priorizovat žádaný signál oproti ostatním

Pro srovnání, levná logaritmicko-periodická anténa přijímá signál žádaného vysílače a jiného vysílače, který je o 25 stupňů jiným směrem, s rozdílem v zisku pouze 3 dB, signál tohoto vysílače tak takřka vůbec nepotlačí. Pokud ji nahradíme za delší směrovou anténu typu „color“, anténa už nežádoucí vysílač potlačí o více než 10 dB, případně lze mírným pootočením antény směrem od nežádoucího vysílače toto potlačení ještě výrazně zvednout. Dalším řešením, které se ale vyplatí jen v místě opravdu problematického příjmu nebo u STA, je sfázovaná soustava dvou antén. I dvě kratší pásmové antény mají ostřejší směrovost nežli jedna dlouhá anténa a za pomoci takovéto anténní soustavy lze potlačit i úhlově blízký nežádoucí signál i o desítky dB, což vede až k úplné eliminaci problémů s echem nebo pre-echem z daného vysílače.

Praktické ukázky SFN příjmu

Pojďme se nyní podívat na konkrétní příklady příjmu v terénu. Jako příjmové místo pro test byl zvolen okraj Všestar jihovýchodně od Prahy – je zde otevřená viditelnost a možnost příjmu většího počtu vysílačů – velmi silně zde lze zachytit vysílače Cukrák, Žižkov, Buková hora, Chomutov, Klínovec a Krašov, přičemž rozdíly v azimutech na tyto vysílače jsou celkem malé. Pro měření byla využita mezi diváky velmi rozšířená logaritmicko-periodická anténa se ziskem 8,5 dBd, umístěná na tyči 3 metry nad terénem.

Pro ukázku jaký vliv má na příjem samotná SFN a příjem více vysílačů v ní jsem nejprve namířil anténu na vysílač Buková hora (přibližný azimut 330 stupňů), na který je v místě přímá viditelnost. Ten šíří v DVB-T multiplex 2 na kanále 58 v SFN spolu s vysílačem Chomutov – Jedlák (na který je taktéž přímá viditelnost), ale multiplex 3 na kanále 55 vysílá pouze z Bukové hory. Síla signálu obou sítí za anténou je shodně 69 dBuV. V případě multiplexu 2 je na echoanalýze z měřicího přístroje vidět zpožděný signál z Chomutova, slabší asi o 12 dB. Vliv echa na MER při příjmu je pak patrný z měření MER by carrier, kdy dochází k propadům některých nosných až o několik dB. Při stejném měření multiplexu 3 je pak hodnota MER takřka ideálně vyrovnaná v rámci všech nosných. Oba multiplexy ale mají výslednou kvalitu signálu velmi dobrou s úrovní MER přes 30 dB a příjem by tak měl být naprosto bezproblémový.

Nalevo echoanalýza kanálu 58 s přijímanými vysílači Buková hora a Chomutov, následně MER by carrier měření kanálu 58 a stejné měření pro kanál 55, který není v SFN.

Pro další měření byla anténa namířena horizontálně směrem na Prahu (přibližný azimut 310 stupňů), což je nejčastější způsob, jakým mají diváci v okolí antény instalovány – zřejmě z důvodu, aby na jednu anténu zachytili signál jak sítí Českých Radiokomunikací, tak horizontálně polarizované signály sítí Digital Broadcasting z vysílačů Novodvorská/Ládví a pražské regionální sítě na kanále 46 ze Strahova. Případně takto mají antény instalovány ještě z dob analogového vysílání, kdy vysílal žižkovský vysílač v Praze taktéž horizontálně. Takovéto nastavení antény ale vůbec není pro tuto lokalitu optimální, jak si ukážeme níže.

Při měření Přechodové sítě 12 jsou vidět všechny již zmíněné vysílače v rámci SFN na kanále 31. Nejsilnější je Buková hora, s minimálním rozdílem pak anténa zachytí blízký Cukrák jako pre-echo, velmi silně také Klínovec a Chomutov, slabější je Krašov, je zde i echo z Votic. Na echoanalýze je vidět, že všechny vysílače se vejdou do ochranného intervalu SFN. Kvalita signálu ale není i přes vysokou sílu příliš dobrá, měření MER by carrier pak odhalí silné propady různých nosných kvůli echu a zejména pre-echu z Cukráku. I takovýto signál by ale měl DVB-T2 přijímač bez problému zpracovat, hodnoty jsou stále vyhovující.

Nalevo echoanalýza kanálu 31 s pre-echem a silnými echy různých vysílačů, následně měření MER by carrier vykazující silné propady a výsledná kvalita příjmu

Pokud si změříme signál Přechodové sítě 11 při identickém namíření antény, je vidět zásadní rozdíl – v rámci SFN na tomto kanále totiž nevysílají vysílače Buková hora, Chomutov i Klínovec, anténa tedy jako nejsilnější vysílač přijímá blízký Cukrák a je zde jen slabší echo z Votic a Krašova, k pre-echu nedochází vůbec a výsledný signál je tak mnohem kvalitnější.

Nalevo echoanalýza kanálu 26 se slabým echem z Votic a Krašova, následně MER by carrier s výrazně lepším výsledkem a výsledná kvalita příjmu

Jak už jsem ale uváděl – většinu problémů lze řešit kvalitnější a směrovější anténou, případně i vhodným pootočením stávající antény. Zde jsem anténu otočil téměř přímo na vysílač Cukrák (přibližný azimut 260 stupňů). Při opětovném měření Přechodové sítě 12 je vidět naprosto zásadní zlepšení kvality signálu, které je ještě více patrné při měření MER by carrier. Na echoanalýze je pak vidět silné potlačení Bukové hory a snížení síly Chomutova a Klínovce, drobně se snížil i signál z Krašova. Mírné zlepšení se projevilo také u Přechodové sítě 11 na kanále 26. Síla signálu Přechodové sítě 13 a multiplexu 4 z pražského vysílače Novodvorská a regionální sítě ze Strahova na takto natočenou anténu sice mírně klesla, stále byly ale jejich parametry bezproblémové a příjem možný. Lze tak říci, že takovéto natočení antény je tak pro tuto konkrétní lokalitu ideální a i při použití méně směrové logaritmicko-periodické antény lze v tomto místě docílit kvalitního příjmu v rámci SFN.

Kanál 31 po úpravě antény – echoanalýza s lepšími výsledky, výrazné zlepšení měření MER by carrier i výsledné kvality signálu

Po startu finálních sítí DVB-T2 budou navíc některé SFN sítě oproti současnému stavu u přechodových sítí zmenšeny. V naší testovací lokalitě se tak například u definitivní sítě 22 oddělí pražské vysílače Cukrák a Žižkov od Bukové hory, Klínovce a Krašova a problém se silnými echy resp. pre-echem odpadne. Stejný kanál nebudou všechny vysílače sdílet ani u definitivní sítě 23 a u definitivní sítě 21, tedy České televize, zůstane SFN situace identická, jako je nyní.

I přes snahu o co nejkvalitnější zpracování signálu anténními prvky však pro stabilní a kvalitní příjem DVB-T2 hraje rozhodující roli kvalita vstupního dílu přijímače a schopnost signál korektně zpracovat. A zde jsou bohužel v kvalitě TV i set-top-boxů velké rozdíly, které mohou v některých případech vést k problémům s příjmem TV, přestože je signál z antény kvalitní a jeho parametry jsou v normě. Na příklady a zkušenosti s přijímači se podíváme v dalším díle článku.

Úpravy a revize ndividuálních a společných antén pro DVB-T2 lze objednat zde: www.dvbservis.cz.

Profil na Facebooku s fotografiemi a zajímavostmi z instalací lze sledovat zde: https://www.facebook.com/DVBservis/.