Během kmitočtové aukce byly úspěšně vydraženy všechny disponibilní kmitočty VHF pásma do 230 MHz. Jestliže bychom zaplnění multiplexů nastavili podle dnešní praxe, tj. okolo 16 programů v jednom bloku, mohli by mít například posluchači v Praze na výběr z neuvěřitelných 128 programů. Naštěstí v systému digitálního rádia DAB+ je možno nastavovat každý program individuálně, a tak je i v jednom multiplexu vzájemně technicky odlišit přijímanou kvalitou. Následující řádky by měly ukázat, že poslechová kvalita digitálního rozhlasu u nás není tak špatná, jak prohlašují někteří fajnšmekři.

Systém DAB poskytuje signál, který přenáší multiplex několika digitálních služeb současně. Šířka pásma systému je asi 1,5 MHz, což poskytuje celkovou přenosovou kapacitu něco málo přes 2,4 Mbit/s v kompletním „souboru“. V závislosti na požadavcích provozovatele vysílání (pokrytí sítě, kvalita příjmu) je úroveň ochrany proti chybám nastavitelná pro každou službu nezávisle, společně s typem kódování. V souladu s tím se dostupná přenosová rychlost pro vysílací služby celého multiplexu pohybuje mezi přibližně 1,7 Mbit/s a 0,6 Mbit/s. Služby mohou obsahovat zvuk, video nebo data a data mohou, ale nemusí souviset se zvukovým programem. Počet a bitová rychlost každé jednotlivé služby je flexibilní a přijímače mohou být schopny dekódovat několik komponent nebo služeb současně. Aukce kmitočtů také proto byla vyhlášena i na multimediální služby, které jsou dnes popelkou.

V předchozím článku, věnovaném DABu, jsme popsali vývoj terestrického digitálního rozhlasového vysílání ve světě a u nás a uvedli některé základní charakteristiky tohoto druhu vysílání.

Dočká se DAB po 30 letech zájmu posluchačů? Úspěšná dražba 29 sítí DAB v ČR tomu napovídá

Úroveň ochrany

Na úrovni kanálového kodéru se rozhoduje o bitové rychlosti, chybovém zabezpečení EEP (Equal Error Protection, někdy též označovaný jako PL=Protection Level, neboli úroveń ochrany) a kapacitě výsledného datového souboru (multiplexu), které jsou vzájemně svázány s následným dopadem na velikost pokrytého území, resp. kvalitního příjmu a počtu stanic(programů).

Existují dvě možné možnosti použití EEP, nejběžnější možností EEP je varianta A, která má dílčí kanály v násobcích 8 kb/s a nabízí maximální flexibilitu v segmentaci pro poskytovatele služeb. Naproti tomu zřídka používaná varianta B má dílčí kanály v násobcích 32 kb/s. Pro EEP jsou definovány čtyři různé úrovně ochrany. což vede k celkem osmi možným kombinacím ochrany proti chybám DAB+. Úroveň 1 představuje nejsilnější a úroveň 4 nejnižší ochranu proti chybám, nejčastěji používaná je úroveň 3.

Za základní míru zabezpečení se považuje EEP 3A, kdy je kódový poměr mezi užitečnými daty a kontrolními daty ½. Některé závislosti udává následující tabulka.

Pro základní úroveň zabezpečení 3A je možno v multiplexu provozovat 18 dílčích kanálů-programů s čistou bitovou rychlostí 64 kb/s za předpokladu, že všechny dílčí kanály/programy používají shodnou úroveň zabezpečení. Ostatní kombinace pro jiné datové toky je možné dopočítat, jestliže si uvědomíme, že hlavní servisní kanál v jednom souboru (multiplexu) přenese 2304 kb/s. Pro zabezpečení 1A by tak vycházela kapacita 2304/4=576 a při bitové rychlosti 96 kb/s počet jednotlivých subkanálů/stanic/programů jako 576/96=6. Záměrně jsme použili 96 kb/s jako nejvyšší rozumnou datovou rychlost pro stanici vysílající v DAB+ a využívající vhodný kodek, jak si ukážeme dále.

Pro plánování systému hraje ve volbě typu zabezpečení EEP roli i pro jaký druh příjmu je daný kanál přednostně určen: mobilní nebo stacionární, venku nebo uvnitř budovy. Mobilní příjem vyžaduje hodnoty poměru odstupu nosné k šumu (C/N) o 4 až 6 dB vyšší než příjem stacionární.

Audiokodeky pro digitální rozhlas, datové toky a zvuková kvalita

Obecně je u DAB vysílání kritizována kvalita zvuku ve srovnání s FM vysíláním a jako příčinu kritici uvádějí nízký datový tok/ bitovou rychlost komprimovaného audia. Při tom se však zapomíná, že sluchový vjem závisí nejen od kvality studiové nahrávky (určitě bude rozdíl, pokud je výchozí materiál v mp3, nebo flac), od reproduktorů přijímače, ale i od použitého kodeku. Základním kodekem pro DAB+ je AAC-LC (Advanced Audio Codec- Low Complexity), který byl vyvinut v rámci MPEG-4.

SBR- Rozšiřující profil HE-AAC v1

Pro zvýšení účinnosti zejména pro přenos je základní kodek AAC rozšířen o další profily HE (High efficiency), HE-AAC v1, označovaný také jako AAC+v1. Jde o první profil SBR (Spectral band replication). Tato metoda je založena na základě poznání, že existuje silná korelace mezi vyššími a nižšími kmitočty zvukového signálu („vysoké pásmo“ a „nízké pásmo“) a že lze po oříznutí vysokého pásma původní signál kompletně obnovit dobrou aproximaci vysokého pásma pouze přenosem zakódovaných datových údajů spektrální obalové křivky, tzv. SBR daty, která  podle nastavení kodéru činí 1 – 3 kb/s, To je výrazně nižší hodnota, než by byla potřebná pro kódování vysokého pásma pomocí jakéhokoli konvenčního kódovacího algoritmu.

PS- rozšiřující profil aacPlus v2

Další zvýšení účinnosti HE_AAC kodeků, označované jako AAC+v2, se získá tzv. parametrickým stereem. Zatímco SBR využívá možnosti přenosu pouze parametrů vysokého pásma, základní myšlenkou Parametrického Sterea (PS) je přenést pouze parametry stereo charakteristických prvků audio signálu, jako je „prostor“, „prostředí“ nebo „čas/fázové rozdíly“ stereo kanálů. V kodéru se totiž zakóduje pouze monofonní signál a stereo efekt se pro přenos přidá opět jen jako sada následujících parametrů: rozdíl intenzity mezi kanály, vzájemný vztah mezi kanály určený jako funkce času nebo fáze a pro stereo efekt nezbytný fázový rozdíl mezi kanály.

Základní principy parametrického sterea v kódovacím procesu (zdroj: https://tech.ebu.ch/docs/techreview/trev_305-moser.pdf )

V přijímači se přijatý monofonní signál nejprve dekóduje a stereofonní obraz se vytvoří z parametrických dat vytvořených na straně kodéru. V případě použití obou metod, tj HE-AAC v2, resp. AACplus v2 je samozřejmě na vstupu dekodéru datový tok nejdříve rozdělen na AAC, SBR a PS data, která jsou odděleně dekódována a následně po dalším zpracování převedena na časový průběh audia.

Subjektivní posouzení kvality zvuku

Všechny tyto úpravy ořezáním výšek a monofonizací přenášeného signálu nevzbuzují příliš velkou důvěru v kvalitu výsledného sluchového vjemu. Proto EBU uspořádala subjektivní poslechové testy různých kódovacích metod, jejich výsledek je v následujícím grafu.

Porovnání různých zvukových kodeků s originálem při subjektivních poslechových testech (zdroj: https://tech.ebu.ch/docs/techreview/trev_305-moser.pdf )

S originálním zvukem byly srovnávány různé otevřené standardy při datovém toku 48 kb/s. Výsledky jasně ukazují vynikající kompresní účinnost HE-AACplus v2. Je pozoruhodné, že druhým nejlepším kodekem v testech byl mp3PRO – kombinace MPEG Layer-3 (mp3) a SBR.

Zajímavý subjektivní test uspořádal Karel Zýka, technický ředitel ČRo, na loňské Konferenci Radiokomunikace v Pardubicích. Účastníkům přehrál přes konferenční ozvučení hudební ukázku ve studiové kvalitě a následně komprimované dle HE-AAC s různou datovou rychlostí. Na dotaz, která z několika ukázek byla ta studiová, správně odpověděla pouze menší část pléna.

Vliv datových toků na kvalitu audia

Kombinace AAC s SBR a PS v HE-AAC v2 (AAC+v2) vede k velmi účinnému zvukovému kodeku, který poskytuje vysokou kvalitu zvuku v širokém rozsahu bitových rychlostí, s pouze mírným postupným snižováním vnímané kvality zvuku směrem k velmi nízkým datovým tokům. Další obrázek poskytuje dojem očekávané kvality zvuku vs. bitová rychlost pro různé kodeky rodiny HE-AAC v2.

Srovnání kvality přeneseného audia pro rodinu kodeků HE-AAC v závislosti na bitové rychlosti (zdroj: https://tech.ebu.ch/docs/techreview/trev_305-moser.pdf )

Z výše uvedeného obrázku vidíme, že použití parametrických nástrojů (SBR u v1 a SBR+PS u v2) zvyšují defektivu na nízkých datových tocích oproti základnímu AAC-LC. Dále je z grafu vidět, že pro rychlosti nad 64 kb/s není rozdíl mezi vjemem kvality mezi AAC+v1 a v2. Dokonce se doporučuje pro tyto datové toky používat jen HE-AAC v1 s SBR, a tudíž bez parametrického sterea. Obdobná situace nastává při použití datových toků nad 96 kb/s, kdy už i základní výchozí AAC-LC dosahuje srovnatelné vnímatelné kvality jako profily HE-AAC. Nad tuto hodnotu už jejich použití rovněž nepřináší žádnou výhodu.

Vzhledem k flexibilitě nastavování po jednotlivých programech je tak možné začínat v multiplexu s menším počtem stanic (6) a použít vyšší datové toky (96 kb/s) a parametrické nástroje jednotlivých kodeků deaktivovat a teprve později při požadavku na větší počet přenášených programů nebo obecně služeb je aktivovat bez podstatného vlivu na vnímanou kvalitu zvuku.

Kodeky pro nízké datové toky

Pro úplnost uvedeme další typ z rodiny AAC kodeků, což je rozšíření s označením xHE-AAC, které kombinuje dvě technologie MPEG, High Efficiency AAC v2, a USAC (Unified Speech and Audio Coding). Je navržen tak, aby podporoval přenos směsi řeči a obecného zvukového obsahu včetně hudby na mobilních zařízeních, rozhlasového vysílání a v kabelových streamovacích službách. xHE-AAC poskytuje výjimečnou kvalitu zvuku pomocí nízkých přenosových rychlostí a poskytuje zážitek z poslechu vhodný pro mobilní zařízení a lze jej škálovat, aby nabídl reprodukci v dobré kvalitě. Německý Frauenhofer institut na své srovnávací stránce poskytuje přes webové rozhraní testy srovnání kvality při různých nízkých bitových rychlostech (16, 20, 24 a 32 kb/s) jak u řeči, tak i obecného audia : HTML5 AAC Audio Playback Tests. Ukázku z Filmu Meridian společnosti NETFLIX  s xHE-AAC 16 kb/s je možno si přehrát dále a udělat si vlastní názor na zvukovou kvalitu:

Další testovací ukázky přinášejí jak různé datové toky, tak kontrolu dynamického rozsahu, nebo prakticky nezpozorovatelné přepínání datových toků mezi 24, 32, 64, a 128 kb/s.

Jak se v tom vyznat?

Zvuková komprese je vždy oproti originálu ztrátová. A subjektivní posouzení kvality poslechu závisí samozřejmě i na reprodukčním zařízení a prostředí ve kterém se posluchač se svými fysiologickými schopnostmi nachází.

Na většině komerčně dostupných přijímačů se můžeme o použitém datovém toku dozvědět z displeje. Avšak tyto údaje nejsou úplné, běžné přijímače neposkytují obvykle informace o typu kodeku a nerozlišují použité verze, a proto horší kvalitu zvuku přisuzujeme zobrazeným datovým tokům, a navíc ještě ovlivněni převážně z doby začátků vysílání DAB, kdy přijatelná kvalita musela být v MPEG Layer II nad 160 kb/s.

Systém DAB+ v multiplexu, na rozdíl od televizního DVB-T2, umožňuje nastavovat kvalitativní parametry individuálně pro každý program, a navíc je průběžně měnit (podle potřeb a požadavků poskytovatele obsahu) a tak dospět k optimálnímu řešení pro cílovou skupinu posluchačů.

Dnešní kompromis

Podívejme se na pohled Českého rozhlasu, který je provozovatelem celoplošného multiplexu A v SFN síti v blocích 12C a 12D.

Multiplex Českého rozhlasu využívá míru zabezpečení (tzv. Protection Level) na úrovni EEP 2A. Oproti standardnímu zabezpečení EEP 3A postačí na straně přijíma­če pro kvalitní příjem zhruba o 3 dB slabší signál, jak vyplývá z tabulky v odstavci o úrovních ochrany. Znamená to, že jednotlivé vysílače mohou pokrýt teoreticky až dvojnásobnou plochu území, pokud nebereme v úvahu charakter terénu.

Na druhé straně vyšší míra zabezpečení významně omezuje celkovou kapacitu multiplexu a tím i velikost datových toků jednotlivých programů i při využití nejmo­dernějšího zvukového kodeku HE-AAC v2. Všechny programy Českého rozhlasu, celoplošné a regionální, by vyžadovaly pro počet dnešních 25 stanic v zabezpečení 2A dva multiplexy, které ale ČRo nemá (už beztak pro tři regionální programy dnes využívá služeb komerčních operátorů).

Na tomto místě je dobré si uvědomit, kdo a kde dnes rozhlasové vysílání sleduje. Konečným posluchačem je v záplavě informací a převážně lehké hudby posluchač v autě, nebo jej přes den používá doma jako kulisu. Večer, když ho má volný, sáhne ze zvyku po televizním ovladači. A k tomu je nutno připočítat, jaký typ přijímačů s DAB příjmem je na trhu. Jedná se převážně o přenosné přijímače s malými reproduktory, které ani nesplňují podmínky dostatečně široké stereobáze a jejichž frekvenční charakteristika rozhodně neodpovídá nárokům na hifi-vysokou věrnost – audiofilních posluchačů. Navíc ze zákona má ČRo zejména informační povinnost s co možná největším zásahem, který dnes v DAB+ dosahuje na cca 96 % populace pro venkovní/mobilní příjem.

Jak se ČRo s těmito protichůdnými požadavky vyrovnal, můžeme vidět v tabulce Technické parametry sítě v sekci Mapy pokrytí digitální sítě DAB+ na našich stránkách. Z nich je patrné, že úroveň ochrany je u všech programů jednotná, tj. zmiňovaná 2A, která umožňuje větší pokrytí. Bitová rychlost je od 16 kb/s (UKR-R) až po 72 kb/s (R-VLTAVA,R-DDUR). Použití HE-AAC v2 je v souladu s výše uvedeným doporučením u bitových rychlostí pod 64 kb/s, v ostatních několika případech je použita pouze verze AAC+ v1.

To umožnilo postavit multiplex s efektivní kombinací vysokého počtu vysíla­ných stanic přenášených s vyšší mírou zabezpečení a s velmi dobrou zvukovou kvalitou pro současného většinového posluchače rozhlasového vysílání doma i v autě.

Jak je to u našich sousedů a jaké jsou budoucí trendy

Dalším momentem srovnání kvality zvuku DAB bývá srovnání s Německem, případně se sousedním Bavorskem, kde rozvoj DABu se intenzivně rozjel již po roce 2011. A skutečně datové toky německých veřejnoprávních multiplexů se pohybují v úrovních nad 96 kb/s, avšak jak uvedl Jakub Melín na již zmíněné konferenci Radiokomunikace, se základním kodekem AAC-LC, kdy je tento datový tok pro dobrou kvalitu nezbytný,.

Dalším rozdílem jsou doplňkové služby, které jsou u našich sousedů výrazně víc akcentovány. Kromě i  u nás používaných Slideshow, textových zpráv DLS nebo jejich rozšířeni o DL+, to jsou na příklad dopravní data TPEG, nebo programový průvodce EPG. Tyto služby samozřejmě také zabírají část datové kapacity, v případě jejich většího uplatnění snižují až o několik málo desítek kb/s užitečný datový tok audia, zatímco u nás jsou omezeny na jednotky procent.

Některé stanice v Německu také přecházejí  na úroveň ochrany EEP z třídy A na B, což má kromě menšího pokrytí za důsledek i menší flexibilitu datového toku jednotlivých služeb, protože mohou být jen násobky 32 kb/s, což pak vyústí ve větší skoky bitových rychlostí (32-64-96-128).

Faktorů ovlivňujících kvalitu zvuku je mnohem více než jen pouhá velikost datového toku, která se mi zobrazí na displeji běžného přijímače. Nicméně ti, kteří se zvukem pracují, dokážou rozeznat chybějící vyšší harmonické na vyšších kmitočtech, které ovlivňují barvu tónu. Ale ani v době, kdy jedou v autě.

O chování některých DAB přijímačů v našich domácích sítích s ohledem na vnější a vnitřní pokrytí přineseme v dalším samostatném článku.

Štítky