Zarys strategii technicznych aspektów uruchomienia radiodyfuzji cyfrowej na falach poniżej 30 MHz w Polsce 1

Zarys strategii technicznych aspektów uruchomienia radiodyfuzji cyfrowej na falach poniżej 30 MHz w Polsce 1 Andrzej Dusiński, adrezer@wp.pl Jacek Jarkowski, j.jarkowski@itl.waw.pl Instytut Radioelektroniki, Politechnika Warszawska Instytut Łączności - Państwowy Instytut Badawczy Słowa kluczowe: radiofonia cyfrowa, system radiofonii cyfrowej DRM. Streszczenie. W artykule omówiony został stan wiedzy dotyczący wprowadzania systemu DRM na świecie i perspektywy jego dalszego wdrażania. Przedstawiono możliwości wprowadzenia tego systemu w Polsce. 1. Wprowadzenie System cyfrowej radiodyfuzji jest dobrze zdefiniowany i udokumentowany zarówno pod względem technicznym jak i prawnym. Jest zatwierdzony przez organizacje i regulatorów procesów radiowych takich jak ETSI (European Telecommunications Standards Institute) i ITU (International Telecommunication Union). Wspierany jest przez międzynarodowe organizacje radiowe, takie jak EBU (European Broadcasting Union), ABU ( Asia Pacific Broadcasting Union) czy IEC (International Electrotechnical Commission. Produkowane są odpowiednie urządzenia do transmisji sygnałów radiowych jak serwery, modulatory, wzmacniacze dużej mocy w.cz., nadajniki, anteny, a także szeroka gama odbiorników zarówno samodzielnych jak też i zespolonych z odbiornikami innych systemów radiofonii cyfrowej i analogowej. 2. Definicja systemu DRM, dokumentacje, regulacje DRM jest systemem cyfrowym przeznaczonym do poprawy jakości odbioru, niezawodności i łatwości obsługi. Powstał również dla dalszego korzystania z zakresów radiowych, dotychczas wykorzystywaną przez radiofonię analogową AM. Technologia nadawania cyfrowego DRM została szczegółowo udokumentowana za pomocą szeregu specyfikacji technicznych zatwierdzonych i wydanych przez ETSI. Podstawowym opisem jest ES 201 980 [2] zawierający szczegółowy opis systemu DRM. Przestawiono w nim architekturę sytemu, systemy kodowania oraz tryby transmisyjne pozwalające na pracę w różnych warunkach propagacyjnych z uwzględnieniem dopuszczalnych szerokości kanału. Wymieniona tu wersja V3.1.1 z sierpnia 2009 r. zawiera opis zarówno systemu DRM30 jak i DRM+. ITU zaleca stosowanie cyfrowego systemu DRM w pasmach częstotliwości niższych niż 30 MHz [3]. ITU ustaliła warunki wykorzystania cyfrowego systemu DRM w środowisku elektromagnetycznym za pomocą szeregu Raportów i Zaleceń. Podstawowymi są: Raport ITU-R BS.2144[4] i Zalecenie ITU-R BS.1615 [5.]. Oba dokumenty przedstawiają wytyczne do planowania cyfrowej radiodyfuzji w pasmach poniżej 30MHz. Udostępniają zestawy parametrów planowania użytecznych wartości natężenia pola takich jak minimalne wartości natężenia pola i współczynniki ochronne. Istnieje szereg dodatkowych norm wspierających, dotyczących dystrybucji i komunikacji protokołu. 2. Charakterystyki systemu DRM Radio cyfrowe DRM dla zakresów częstotliwości mniejszych niż 30MHz oferuje: 1 Niniejsze opracowanie jest wersją skróconą artykułu przygotowywanego do publikacji w kwartalniku Telekomunikacja i Techniki Informacyjne. 1

- konkurencyjną jakość dźwięku w porównaniu do radiofonii analogowej, - dodatkowe dane przekazywane do radia w postaci programów audycji nadawanych jak "teraz i później i innych, - na ekranie EPG znajduje się lista wszystkich dostępnych usług cyfrowego radia, - możliwość zatrzymania odbioru w czasie rzeczywistym i możliwość przewinięcia do tyłu, - zdolność do skutecznego uruchomienia dodatkowych kanałów dotarcia do nowych słuchaczy DRM, - wykorzystywanie innych oprogramowań wzbogacających serwis informacyjny. Główne cech charakterystyczne systemu DRM wg [6] to: 1. Dostęp do czterech usług na jednej częstotliwości i wygodny wybór wszystkich usług odbieranych na bieżąco (dźwiękowe audycje radiowe, informacje tekstowe, program ID, częstotliwości alternatywne). 2. Lista stacji w standardzie Unicode (sygnalizowanie alternatywnych częstotliwości, możliwość odbioru w dowolnym kraju, sprawdzanie dostępności bez przerywania usług). 3. Obsługa ogłoszeń (informacje o ruchu drogowym, wiadomości, pogoda, ostrzeżenia, alarmy i inne). 4. Przekazywanie praktycznych informacji (aktualna data i czas, używany język). 5. Informacje mogą być wybierane, skanowane i wyświetlane. 3. Możliwości techniczne dla uruchomienia nadawania w systemie DRM W chwili obecnej, na świecie, są dostępne urządzenia do transmisji sygnałów cyfrowych DRM, kontroli ich jakości, odbioru i badań terenowych. Chociaż nadajnik był początkowo najbardziej kłopotliwym urządzeniem w torze transmisyjnym ze względu na wymagania dotyczące jego liniowości i równomierności transmitancji (razem z anteną) w paśmie roboczym, to obecnie nie stwarza to już znaczących problemów. W zasadzie, od strony technicznej są dwie możliwości uzyskania nadajnika do transmisji sygnałów cyfrowych systemu DRM: - przystosowanie istniejącego nadajnika systemu analogowego do pracy w systemie DRM - zakup nadajnika sygnałów cyfrowych [7]. Dla wielu nadawców duży problem stanowi w dalszym ciągu podjęcie decyzji wyboru rozwiązania przejścia z nadawania w systemie analogowym na nadawanie w systemie cyfrowym. Jeśli chodzi o odbiorniki to jest duży wybór. Pozwalają one na odbiór cyfrowej radiofonii DRM, jednak ze względu na ich cenę, nie cieszą się zbyt dużym zainteresowaniem [8]. Na uwagę, ze względu na własności i cenę, zasługuje nowy odbiornik DRM UniWave Di-Wave 100, który został opracowany przez Uniwave Development SAS. Jest to pierwszy odbiornik DRM z kolorowym ekranem. Odbiornik posiada wszystkie multimedialne funkcje oferowane przez technologię DRM, łącznie z określeniem nazwy stacji, informacje na temat programu Journaline, MOT slajdów i słuchanie tzw. Time Swiftów. Radio może odbierać transmisje DRM w SW, MW i LW, a także analogowe i FM. Można zapisać 768 stacji w pamięci. Odbiornik posiada złącze USB, czytnik kart SD i odtwarzacze mp3, mp4. Kolorowy wyświetlacz 3,5- calowy TFT może wyświetlać tekst w różnych językach [1]. Dodatkowe aplikacje, takie jak Journaline, Diweemo przeznaczone do transmisji i prezentacji danych znacznie zwiększają użyteczność systemu DRM. Znane są wyniki badań propagacyjnych dla różnych połączonych konfiguracji nadawania w systemach AM i DRM. Obecnie celem Konsorcjum DRM jest uzyskanie lepszej słyszalności i wzbogacenie odczuć przy odbiorze radiowym np. przez Surround Sound [9]: - optymalizację jakości odbioru zgodnie z wymaganiami odbiorcy, - elastyczność techniczną, aby spełnić wszystkie szczególne potrzeby nadawania, - dodatkowe funkcje, takie jak podwójny język programowania i związane z dostępem do multimediów oraz treści stron internetowych, - dodatkowe oferty transmisji poprzez lepsze wykorzystanie dostępnego widma częstotliwości radiowych. 4. Sytuacja na świecie Konsorcjum Digital Radio Mondiale (DRM) osiągnęła wielki techniczny sukces w rozwijaniu systemu DRM i skutecznym jego wdrażaniu. System ten, mimo oczywistych ograniczeń wynikających z konieczności dostosowania zajmowanego pasma (9/10 khz) transmisji, do ustaleń dotyczących podziału widma GE75, jest promowany jako uzupełnienie cyfrowego radia, a nie jako konkurencja dla DAB. Zawężone do około 6 khz pasmo oryginalnego sygnału, przy cyfrowej jakości dźwięku jest wystarczające do przekazywania audycji 2

słowno-muzycznych. Wdrażany system DRM+ w zakresach częstotliwości większych niż 30 MHz jest europejską alternatywą dla amerykańskiego HD-Radio i może z powodzeniem zastąpić transmisje FM. Uznano, że cyfrowe radio musi być zunifikowane jako jedno rozwiązanie. Przykładem takiej unifikacji są odbiorniki radiowe przeznaczone do odbioru sygnałów radiowych nadawanych w różnych systemach cyfrowych DRM, DAB i w systemach analogowych AM i FM jak również wspomniany wyżej odbiornik Na początku października 2010 r. nadawanych było w świecie 41 programów wielojęzycznych, w tym jeden po polsku przez Vatican Radio (7320 khz z Santa Maria) oraz program Polskiego Radia nadawany po niemiecku na częstotliwości 6135 khz ze Skelton w W. Brytanii oraz po angielsku na częstotliwości 7265 khz z Kvitsoy z terenu Norwegii [1]. Trzy stacje nadawały programy doświadczalne. W sumie sygnały DRM obecnie nadawane są regularnie na świecie przez 75 stacji, w tym dwie długofalowe i 14 średniofalowych. Najwięcej nadajników stosuje moce powyżej 20 kw. Najczęściej stosowaną mocą jest 90 kw. Nadaje nią 21 nadajników. Największym nadawcą są BBC i DW (Deutsche Welle) jako jeden nadawca. Program jest nadawany z sześciu lokalizacji rozmieszczonych w czterech krajach, na sześciu częstotliwościach krótkofalowych i jednej średniofalowej 1296 khz. Szczególnie duże zainteresowanie systemem DRM odnotowuje się w krajach azjatyckich i Pacyfiku. Z dużym zainteresowaniem obserwowany jest znaczący postęp w powszechnym wdrożeniu systemu DRM w takich krajach jak Chiny, Indie, Pakistan, Indonezja i Iran. Stąd szczególne zwrócenie uwagi ABU na wykorzystanie fal średnich i krótkich [10]. Według ABU, w 2009 r. Indie posiadały 42 nadajniki pracujące na falach średnich w systemie AM, które zamierzają przekształcić na nadawanie cyfrowe DRM. Poza tym mają być uruchomione 32 nadajniki dużej mocy. Głównym zadaniem transmisji jest pokrycie kraju. Przekształcenie transmisji analogowych na cyfrowe odbędzie się płynnie przez zastosowanie simulkastingu. W Rosji rozpoczęto eksperymentalne nadawanie w technologii DRM w 2006 r. Obecnie nadawane są audycje Głosu Rosji z czterech lokalizacji na falach krótkich (Bolszakow: 9730 i 9880kHz; Irkuck-Odinsk: 9445kHz; Komsomolsk Amur 15735kHz; Taldom 9750, 9810, 12060kHz) [1]. Odbiornik odbierający DRM30 oraz DAB, AM i FM produkowany jest w Sarapulu, w Urdmurdskiej Republice w Rosji [11]. W marcu 2010 r. rząd Federacji Rosyjskiej przyjął rozporządzenie o wdrożeniu cyfrowego systemu DRM w kraju [12]. 5. Sytuacja w Polsce Na podstawie Planu GE75 Polsce przysługuje prawo do wykorzystania 18 częstotliwości średniofalowych i 123 lokalizacje stacji, co oznacza, że niektóre stacje małej mocy mogłyby pracować na tej samej częstotliwości [13]. Obecnie znaczna część częstotliwości jest niewykorzystywana i większość obiektów już nie istnieje. Niektóre częstotliwości i lokalizacje przyznane Polsce w Planie GE75, głównie z pozwoleniem nadawania z mocą do 1kW w systemie AM, wykorzystuje spółka Polskie Fale Średnie S.A., która wykorzystuje 8 częstotliwości w 31 lokalizacjach [14]. W zakresie długofalowym dostępne są dwie częstotliwości 198 i 225 khz. W dalszym ciągu aktualna jest wizja przyszłości dla polskich stacji długofalowych zakładająca, że nadajnik w Solcu Kujawskim (225kHz) pracuje w podwójnym kanale, nadając sygnały AM w podstawowej części a sygnały cyfrowe w kanale sąsiednim lub z podziałem czasu dla dwóch systemów. Nadajnik w Raszynie (198kHz) natomiast może zacząć nadawać w pojedynczym kanale cyfrowym. Praktycznie wszystkie przyznane Polsce i wskazane lokalizacje mogą być wykorzystane do transmisji w nowej technologii DRM. Możliwe są zmiany lokalizacji względem wskazanych w Planie GE75, co znacznie ułatwiłoby tworzenie sieci stacji jednej częstotliwości SFN. 6. Zarys strategii technicznych aspektów uruchomienia radiodyfuzji cyfrowej na falach poniżej 30 MHz w Polsce A. Szanse na wprowadzenie systemu DRM w Polsce System cyfrowy DRM jest nie tylko dobrze przygotowany pod względem technicznym i prawnym, ale posiada bogate otoczenie hardwarowe i softwarowe, o którym była mowa wyżej. Właśnie to otoczenie wyznacza strategię uruchomienia radiodyfuzji cyfrowej w Polsce. Zakup odpowiedniego zestawu toru nadawczego transmisji cyfrowej DRM lub jego elementów, począwszy od studia do anteny włącznie, nie powinien sprawić kłopotów wyłączając środki pieniężne. Na świecie jest szereg producentów odpowiednich urządzeń tego typu. 3

Uruchomienie transmisji sygnału cyfrowego w zakresie fal długich na częstotliwości 198 khz może praktycznie nastąpić w każdej chwili. Natomiast na częstotliwości 225 khz wymaga zorganizowania okresu przejściowego w postaci simulkastingu bądź podziału godzin nadawania. Najłatwiej jest uruchomić transmisje radiowe w systemie DRM w zakresie fal średnich, na częstotliwościach przyznanych Polsce w ramach planu Planie GE75 i ustalonych tam lokalizacjach. Ze względu jednak na duże zainteresowanie systemem DRM krajów ościennych istnieje zagrożenie, że mogą one zajmować dodatkowe częstotliwości dla celów badawczych i eksploatacyjnych. Może to utrudnić w przyszłości uzyskanie zgody na dodatkowe kanały dla celów uruchamiania nadawania w podwójnym kanale (18 khz) cyfrowym DRM. B. Podjęcie niezbędnych działań w zakresie fal średnich Wprowadzenie cyfrowych usług radiofonicznych w zakresie fal średnich w Polsce wymagać będzie podjęcia niezbędnych prac, takich jak: - uzupełnienie bieżących metod prognozowania rozchodzenia się fal radiowych - zmianie mogą ulec wartości współczynników ochronnych dla radiofonii cyfrowej określone wcześniej za pomocą pomiarów laboratoryjnych. - potrzebne są metody prognozowania zasięgów sieci - określenie prognoz dla obecnej sceny radiofonii analogowej i radiofonii cyfrowej - odbiór sygnałów cyfrowych narażony jest na zakłócenia interferencyjne sygnałów analogowych AM i cyfrowych DRM - stopniowe uruchamianie stacji z systemem cyfrowym DRM zmienia sytuację interferencyjną - porównanie tych prognoz z prognozami dla oczekiwanej sceny tylko z radiofonią cyfrową - zaproponowania nowych rozwiązań w planie lokalizacji stacji radiofonicznych z usługami cyfrowymi. - opracowanie planu sieci stacji jednej częstotliwości SFN rozważając następujące propozycje [15]: - pokrycie kraju siecią nadajników małej mocy co umożliwia tworzenie sieci regionalnych lub lokalnych - wykorzystanie kilku nadajników dużej mocy realizując koncepcję stworzenia narodowej - sieci synchronicznej - przy zamierzeniach uzyskania pełnego pokrycia kraju konieczne może być wykorzystanie koncepcji sieci dwuczęstotliwościowej synchronizowanej - zaprzestanie wydawania zezwoleń przez KRRiT na nadawanie w zakresie fal średnich w technologii analogowej AM - w tej chwili sytuacja w zakresie fal radiowych w Polsce na jest taka, że nie ma potrzeby stosowania simulkastingu jako sytuacji przejściowej. C. Wykorzystanie pasma fal krótkich 26 MHz W zakresach fal długich i średnich szerokość kanałów w naszym rejonie wynosi 9 khz i podział na kanały jest ustalony. Natomiast w krótkofalowym zakresie szerokość kanału może być wielokrotnością 5 khz. Planowanie częstotliwościowe jest uregulowane w Artykule 12 Regulaminu Radiowego. Podziału częstotliwości może dokonać krajowa Administracja [16]. Zakres krótkofalowy posiada 9 pasm, które można wykorzystać do transmisji radiofonicznych w tym pasmo 26MHz, które na użytek systemu DRM może być podzielone na 43 kanały o szerokości 10kHz, lub na 21 kanałów o szerokości 20 khz. W ramach tego projektu prowadzone były prace projektowo-konstrukcyjne nad nadajnikiem sygnałów DRM dla pasma 26 MHz. Opracowane zostało oprogramowanie komputerowe do analizy i odczytu parametrów sygnału DRM w czasie rzeczywistym [1]. Uruchomiona była próbna transmisja [15]. D. Korzyści z nadawania w systemie DRM w Polsce Korzyści z uruchomienia radiofonii cyfrowej zostały przedstawione w wymienionych wyżej charakterystykach systemu DRM. Korzyści z nadawania i odbiorze w systemie cyfrowym można podzielić na korzyści dla nadawców, konsumentów-słuchaczy i dla administracji państwowej. Dla nadawców jest to stworzenie nowych możliwości ich dochodów szczególnie przez wykorzystanie nowych form przekazywania treści informacji: - nadawanie urozmaiconych reklam nie tylko dźwiękowych ale również multimedialnych. - oszczędności energii. Dla słuchaczy audycji dotychczas nadawanych w systemie analogowym: - polepszenie jakości odbioru, - otrzymywanie różnych informacji równolegle do słuchanej audycji, - wzbogacenie doznań odbioru radiowego, - względy praktyczne. - dla administracji państwowej i różnych służb nadawanie informacji dźwiękowej i wizyjnej dotyczących: 4

- zagrożeń ze strony powodzi, huraganu lub pożarów, - wypadków i trudnościach na drogach, - ważnych wydarzeniach w państwie, rejonie, - informacji lokalnych. 7. Posumowanie Zastąpienie transmisji analogowych przez cyfrowe jest kwestią czasu. Radio cyfrowe DRM uruchomione zostało dotychczas w większości krajów europejskich (niestety bez Polski) w specjalnych zastosowaniach, lecz nie osiągnęło jeszcze znaczącego poziomu powszechności. Inaczej przebiega rozwój w krajach wielkoobszarowych, gdzie możliwość dotarcia z programem na wielkich obszarach ma zasadnicze znaczenie. Dotyczy to szczególnie takich krajów, jak Indie, Rosja czy Chiny. W Polsce istnieją potencjalne możliwości szybkiego uruchomienia transmisji z sygnałem cyfrowym DRM. Są częstotliwości, lokalizacje, programy prognostyczne, specjaliści, zestawy do próbnych transmisji. Dużą szansą dla rozwoju systemu DRM są zastosowania o zasięgu lokalnym do celów informacyjnych w miastach, gminach, ośrodkach turystycznych, organizacjach społecznych, kulturalnych i komercyjnych, jak również w obiektach i podczas imprez gromadzących duże liczby uczestników (stadiony, wiece itp.). Odpowiedzialną rolę może spełnić cyfrowe radio w systemach bezpieczeństwa i ochrony ludności przed nadzwyczajnymi zagrożeniami jako alternatywny i skuteczny środek informacyjny ludności zagrożonej. Pozytywną rolę we wdrażaniu cyfrowego systemu DRM może odegrać KRRiT przyznając koncesje na nadawanie w zakresie fal średnich i krótkich w oparciu o wypracowaną strategię cyfryzacji radiofonii w Polsce. 7. Literatura 1. DRM:. www.drm.org 2. ETSI ES 201 980: ETSI Standard Digital Radio Mondiale (DRM); System Specification. ETSI ES 201 980 V3.1.1. 2009) 3. ITU-R BS.1661 : Signal-on-the-air specifications of the digital system described in Annex 1 to Recommendation ITU-R BS.1514 for digital sound broadcasting in the broadcasting bands below 30 MHz. Rec. ITU-R BS.1661.2003 4. ITU-R BS.2144: Planning parameters and coverage for Digital Radio Mondiale (DRM) broadcasting at frequencies below 30 MHz. Rep. ITU-R BS.2144.2009 5. ITU-RBS.1615 : Planning parameters for digital sound broadcasting at frequencies below 30 MHz. Rec.ITU-RBS.1615. 2003 6. Charron P.: DRM-WHAT S GOING ON? Thomson Grass Valley 7. Chaciński H., Dusiński A., Jarkowski J., Kazubski W., Keller T., Kurek K., Modzelewski J., Wielowieyska E.: Radiofoniczne sieci cyfrowe, narzędzia i metody ich projektowania oraz emisje doświadczalne. Raport z wykonania zadania: Uruchomienie emisji doświadczalnej DRM. PolitechnikaWarszawska, Warszawa 2010. 8. Wielowieyska E., Dusiński A., Jarkowski J., Keller T., Kurek K.: Radiofoniczne sieci cyfrowe, narzędzia i metody ich projektowania oraz emisje doświadczalne. Raport z wykonania zadania: Metody i narzędzie projektowania pokrycia radiowego radiofonii cyfrowej na falach długich i średnich etap 1. Politechnika Warszawska, Warszawa, 2008 9. Obreja R.: Welcome note. Presentation on behalf of the DRM CONSORTIUM. IBC Amsterdam, September 2010 10. Sadhu S.: DRM DIGITAL RADIO IN MW: TAKE OFF IN ASIA-PACIFIC. ABU Technical Department. Erlangen, 26-27 March 2009 11. DRM Forum: Radiowieszczatielnyje tiechnologii. http://www.radiostation.ru/messageboard_drm/messages/114.shtml 12. RF: Prawitielstwo Rossijsko Federacji. Rasporjażenie ot 28 marta 2010. Nr.445-r Moskwa 13. GE75: Plan for mf broadcasting and lf broadcasting. Frequency Assignment Plans on CD-ROM. ITU, Geneva, 1997. 14. Polska AM: POLSKIE ROZGŁOŚNIE AM. www.polskaam.radiopolska.pl/polskaam.htm 15. Wielowieyska E., Dusiński A., Jarkowski J., Keller T., Kurek K., Bryłka K.: Radiofoniczne sieci cyfrowe, narzędzia i metody ich projektowania oraz emisje doświadczalne. Raport z wykonania zadania: Metody i narzędzie projektowania pokrycia radiowego radiofonii cyfrowej na falach długich i średnich etap 2. Politechnika Warszawska, Warszawa, 2008 16. Hai P.N.: The planning procedure for HF broadcasting - Article 12 of the radioregulations. ITU, Radiocommunication Bureau, 2002. Geneva 17. Chaciński H.: Analiza sygnału DRM w czasie rzeczywistym. KKRRiT, Warszawa, 2009 5