O radiofonii cyfrowej - prof. dr hab. Andrzej Dobrucki, Katedra Akustyki i Multimediów Politechniki Wrocławskiej

Prof. dr hab. Andrzej Dobrucki - zdjęcie Prof. dr hab. Andrzej Dobrucki
Prof. dr hab. Andrzej Dobrucki ukończył studia na Wydziale Elektroniki Politechniki Wrocławskiej w roku 1971. Specjalizuje się w akustyce i elektroakustyce. Stopień doktora nauk technicznych uzyskał w roku 1977, zaś doktora habilitowanego – w roku 1993. Tytuł profesorski odebrał z rąk Prezydenta Rzeczpospolitej Polskiej w roku 2007. Od roku 2009 kieruje Zakładem Akustyki, który został przekształcony w roku 2008 w Katedrę Akustyki, a od roku 2013 – w Katedrę Akustyki i Multimediów. Ma w swoim dorobku ok. 200 publikacji naukowych: książek i rozdziałów w książkach, artykułów w czasopismach naukowych oraz prezentacji konferencyjnych. Większość prac funkcjonuje w międzynarodowym obiegu naukowym. Andrzej Dobrucki aktywnie uczestniczy w działaniach organizacyjnych na rzecz nauki. Dwukrotnie był przewodniczącym Polskiej Sekcji Audio Engineering Society – międzynarodowego stowarzyszenia inżynierów dźwięku. W roku 2014 został wybrany Przewodniczącym Zarządu Głównego Polskiego Towarzystwa Akustycznego. Uczestniczył i uczestniczy w wielu projektach na rzecz gospodarki.                


               Pojęcie „radio cyfrowe” składa się z dwóch elementarnych części: „radio” i „technika cyfrowa”. Radio oznacza system przesyłania dźwięku (mowy, muzyki, efektów) na duże odległości z użyciem fal elektromagnetycznych. Radio towarzyszyło mi od najmłodszych lat. W domu był odbiornik „Pionier”, na którym słuchałem wówczas przede wszystkim audycji dla dzieci. Technika radiowa rozwijała się stale, ale dość wolno. Pamiętam pierwszy odbiornik tranzystorowy, który pewien znajomy moich rodziców dostał od rodziny mieszkającej za granicą – było to w połowie lat pięćdziesiątych XX wieku. Pod koniec lat pięćdziesiątych zetknąłem się z eksperymentalnym nadawaniem (a w domu – z odbiorem) audycji stereofonicznej. Program wymagał posiadania dwóch kanałów – jeden z nich był transmitowany przez stary, poczciwy „Pionier”, drugi - przez telewizor „Belweder”. Niedługo potem pojawiło się nadawanie audycji w paśmie fal ultrakrótkich z użyciem modulacji częstotliwości. Zastosowanie FM było prawdziwą rewolucją w zakresie jakości odbioru. Stereofonia stała się standardem, pojawiły się też eksperymentalne programy kwadrofoniczne (poprawnie powinno być tetrafoniczne, ponieważ w zbitce „kwadrofonia” – człon „kwadro-" pochodzi z łaciny, zaś „- fonia” – z greki). Od tego czasu – mniej więcej połowa lat sześćdziesiątych - w rozwoju techniki radiowej niewiele się działo przez długi czas. Nowa rewolucja zaczęła się kilka lat temu i wiązała się z wprowadzaniem radia cyfrowego.

                Odejdźmy teraz od spraw radiofonii i zajmijmy się techniką cyfrową. Technika cyfrowa, w dużym uproszczeniu polega na zapisie, transmisji i przekształcaniu informacji za pomocą liczb o skończonej długości. Naturalne początki techniki cyfrowej wiązały się z obliczeniami. Z dzieciństwa pamiętam lekturę artykułów o „mózgach elektronowych”, które wykonywały obliczenia za człowieka. Termin „mózg elektronowy” został z czasem zastąpiony pojęciem „maszyna matematyczna” a później „komputer”. Idąc w roku 1966 na studia na Wydziale Łączności Politechniki Wrocławskiej, miałem w planach zgłębianie zasad funkcjonowania właśnie tych „maszyn matematycznych”. Dość szybko okazało się, że zastosowania techniki cyfrowej nie ograniczają się do obliczeń. Będąc na praktyce w Zakładach Radiowych im. Kasprzaka w Warszawie, pracowałem przez miesiąc w zespole, który konstruował pierwszy polski woltomierz cyfrowy. Technika cyfrowa polegała w tym przypadku na zamianie przebiegu czasowego sygnału (w tym przypadku napięcia elektrycznego) na postać liczbową, a następnie jej wyświetlaniu. Taka zamiana czyniła sygnał odpornym na zakłócenia, np. szumy toru pomiarowego oraz błędy odczytu, spowodowane np. paralaksą. W tym czasie – początek lat siedemdziesiątych - technikę cyfrową zastosowano  do rejestracji i przekształcania dźwięku. Wówczas technika ta miała liczne ograniczenia, spowodowane niedostateczną szybkością działania urządzeń próbkujących oraz zbyt małą pojemnością urządzeń rejestrujących duże ilości danych. Technika się rozwijała i w latach 80 zdominowała ona profesjonalne urządzenia foniczne. Wtedy zastosowano płytę kompaktową z odczytem laserowym oraz magnetofon DAT. Stąd był tylko krok do powszechnego zastosowania techniki cyfrowej również do urządzeń powszechnego użytku. Nieuniknione stało się więc spotkanie radiofonii i techniki cyfrowej.

                Zastosowanie techniki cyfrowej w radiofonii miało te same ograniczenia, jakie na początku miało zastosowanie techniki cyfrowej w technice fonicznej: ograniczona przepustowość kanałów transmisyjnych. Ograniczenie to obchodzi się poprzez stosowanie tzw. kompresji stratnej transmitowanych sygnałów. Kompresja polega na zmniejszaniu objętości transmitowanego cyfrowego sygnału fonicznego. Należy to zrobić w ten sposób, aby degradacja sygnału spowodowana usuwaniem z niego informacji była bądź niesłyszalna, bądź słyszalna w możliwie minimalny sposób. Tu z pomocą przychodzi psychoakustyka – nauka o mechanizmach słyszenia przez człowieka. Jednym ze zjawisk związanych ze słuchem ludzkim jest maskowanie – zagłuszanie jednych dźwięków przez drugie. W takim razie z transmitowanego sygnału dźwiękowego można bez szkody dla jakości usunąć te dźwięki, które są zamaskowane przez inne. Dźwięk zapisany w postaci cyfrowej składa się ze słów, a te z kolei zbudowane są z bitów - podstawowych jednostek informacji, które mogą przybierać jedynie wartości 0 lub 1. Jeśli słowa składają się z 16 bitów, można zapisać w nich 65536 różnych wartości sygnału dźwiękowego. W słowach o długości 8 bitów tych różnych wartości może być tylko 256. Jasne jest więc, że za pomocą dłuższych słów można zapisać więcej informacji zawartej w sygnale. Redukcja informacji wiąże się ze skracaniem długości słów. Nie można jednak tego zrobić w sposób mechaniczny, np. poprzez odcięcie w słowie 16 bitowym ostatnich 8 bitów, ponieważ efekt będzie wyraźnie słyszalny jako zakłócenie. Skracanie słów musi dokonywać się w ten sposób, aby efekt ucięcia był zamaskowany przez te dźwięki, które są transmitowane dalej. Parametrem kanału transmisyjnego jest przepływność bitowa, czyli liczba bitów, które mogą być transmitowane w jednostce czasu, np. w ciągu 1 sekundy. W danych warunkach, nie może zostać przekroczona dopuszczalna wartość przepływności bitowej, czyli tzw. przepustowość. Zmniejszanie przepływności bitowej wiąże się z coraz większym skracaniem długości słów. Procesu tego nie można ciągnąć w nieskończoność bez degradacji jakości sygnału, nawet, jeśli skracanie odbywa się w sposób optymalny z punktu widzenia percepcji przez słuchaczy. Przepływność bitowa dopuszczalna z punktu widzenia słyszenia zakłóceń zależy od rodzaju audycji. Dla audycji słownych, np. wiadomości przepływność ta może być mniejsza, zaś dla audycji muzycznych, zwłaszcza dla muzyki klasycznej: orkiestra symfoniczna, opera, musi być ona większa.

                W Polsce przyjęto nadawanie programu radia cyfrowego w najnowocześniejszym standardzie DAB+. W skrócie tym DAB oznacza Digital Audio Broadcasting (radiofonia cyfrowa), zaś „+” oznacza nowszą wersję tego standardu. W standardzie tym kodowanie z zastosowaniem kompresji stratnej stosuje się kodowanie HE-AAC v.2. W stosunku do klasycznego kodowania AAC (AAC – Advanced Audio Coding) stosowanej w starszej wersji standardu DAB, nowy standard kodowania zawiera ulepszenia takie jak SBR (Spectral Band Replication – dublowanie widma) oraz PS – Parametric Stereo. System SBR opiera się na spostrzeżeniu, że kodowanie sygnału (z zastosowaniem AAC) może być dokonywane tylko dla pasma częstotliwości w przybliżeniu dwukrotnie węższego niż wymagane dla transmisji. Informację o sygnale w górnej części widma koduje się za pomocą kilku parametrów o pomijalnej prawie objętości, zaś tę część widma odtwarza się w dekoderze. System SBR stosuje dla przepływności średnich i małych. Podobnie działa algorytm PS – koduje się z zastosowaniem AAC tylko jeden kanał sygnału stereofonicznego, zaś informację o drugim kanale przesyła się za pomocą zestawu parametrów. W dekoderze, na podstawie zdekodowanego sygnału jednego kanału oraz parametrów odtwarza się drugi kanał. System PS stosuje się tylko dla najmniejszych przepływności bitowych. Konieczne jest badanie jakości audycji radiowych nadawanych z zastosowaniem kodeków HE-AAC v.2.

                W roku 2009 rozgłośnia Polskiego Radia we Wrocławiu zaczęła nadawanie eksperymentalnego programu radia cyfrowego DAB+. Jeden z kanałów tego radia przeznaczony był do badania jakości audycji. Stosowano różne typy audycji: słowne, muzyka rockowa, muzyka klasyczna, opera. Badano wpływ przepływności bitowej od 136 do 24 kbit/s, zaś dla przepływności 48 i 24 kbit/s włączano dodatkowo system SBR/PS. Przeprowadzono badania zarówno subiektywne, z udziałem wykwalifikowanej grupy słuchaczy, jak i obiektywne, za pomocą oprogramowania komputerowego symulującego działanie układu słuchowego człowieka. Wyniki były zgodne. Dla przepływności 136 kb/s (ponad 10-krotnie mniejszej niż przepływność w standardzie płyty kompaktowej, gdzie nie stosuje się żadnej kompresji) degradacja jakości była prawie niezauważalna. W miarę zmniejszania przepływności jakość ta pogarszała się. Dla przepływności 64 kbit/s była ona już nieakceptowana. Włączenie systemu SBR/PS zdecydowanie poprawiło jakość. Dla przepływności 48 kbit/s stał się ona znów akceptowana. Przepływność 24 kbit/s była niewystarczająca do uzyskania znośnej jakości nawet z zastosowaniem SBR/PS.

                W stosunku do tradycyjnej technologii analogowej(FM) radiofonia cyfrowa ma jeszcze inne zalety. Dla systemu FM w miarę oddalania się od nadajnika sygnał stawał się coraz słabszy i podatny na zakłócenia. W systemie radiofonii cyfrowej zjawisko to nie występuje. Jakość jest zawsze taka sama, aż do granicy zasięgu nadajnika. Po przekroczeniu tej granicy sygnał całkowicie zanika. Transmisja w systemie DAB+ pozwala na przesyłanie oprócz audycji radiowych innych informacji, np. obrazków, slajdów czy tekstu. Radio w systemie DAB+ pozwala na nadawanie również audycji w systemie wielokanałowym tzw. dźwięku dookólnego. Obecnie niewątpliwą wadą radia cyfrowego jest konieczność zaopatrzenia się w nowy odbiornik, odbiorniki analogowe nie nadają się do odbioru radia cyfrowego. Żyjemy w okresie przejściowym i wszystkie odbiorniki radia cyfrowego są zaopatrzone również w odbiornik FM. Ceny odbiorników DAB+ są niewygórowane i zaczynają się od ok. 100 zł. Uważam więc, że przyszłość radiofonii związana jest z techniką cyfrową. Proces ten rozpoczął się od telewizji i obecnie nie ma już naziemnego nadawania programów telewizyjnych w technice analogowej. Podobnie będzie za kilka lat z radiofonią.

Profesor Józef Modelski o cyfrowym radio

Józef Wiesław Modelski inżynier elektronik, profesor nauk technicznych, wykładowca akademicki na Politechnice Warszawskiej, dyrektor Instytutu Radioelektroniki PW, członek IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers), członek korespondent PAN, przewodniczący Komitetu Elektroniki i Telekomunikacji PAN.  Również członek Komitetu Badań Kosmicznych i Satelitarnych PAN oraz Rady Naukowej Centrum Badań Kosmicznych PAN. Jest autorem lub współautorem ponad 300 publikacji naukowych, 7 monografii i podręczników oraz 9 patentów. Wypromował 19 doktorów nauk. Laureat wielu nagród i wyróżnień.Obszar jego zainteresowań naukowych to między innymi zagadnienia radiokomunikacji, techniki mikrofalowej i antenowej, łączności satelitarnej, telewizji kablowej a także mikrofalowych półprzewodnikowych modulatorów i przesuwników fazy, rezonatorów dielektrycznych i ich zastosowania w miernictwie parametrów materiałów mikrofalowych.
 
Odwieczna jest tęsknota za światem jednoznacznych pojęć i ocen: żeby tak znaczyło tak...  Albo żeby białe było białe...
 
Posługiwanie się dwuwartościową (zero-jedynkową czyli binarną) skalą to przecież podstawa świata cyfrowego, który już dziś jest obecny w naszym otoczeniu w stopniu znacznie większym niż to na co dzień zauważamy. W tym miejscu mówimy głównie o telewizji cyfrowej i radiofonii cyfrowej, ale jeśli tylko trochę rozejrzeć się szerzej, to widzimy: komputery, płyty CD, DVD, Blu-ray, zdjęcia, e-booki, kserokopiarki, sterowniki w pralkach, samochodach itd. Sieci telekomunikacyjne to już praktycznie w całości systemy cyfrowe.
 
Co jest takiego w technikach cyfrowych, że stosuje się je tak chętnie? Otóż w świecie analogowym na każdym etapie przetworzenia, przesyłania, czy przechowywania treści następuje pogorszenie jakości. Dzieje się tak między innymi na skutek wpływu szumów i zakłóceń, czy starzenia się materiału nośnika, na którym dokonano zapisu. W technikach cyfrowych rzecz ma się całkowicie odmiennie: przy zachowaniu określonego minimalnego odstępu sygnału użytecznego od szumu i zakłóceń – można zapewnić praktycznie całkowity brak pogorszenia jakości: zdjęcie cyfrowe przesłane na odległość tysięcy kilometrów będzie identyczne ze zdjęciem oryginalnie nadanym. Tak samo w przypadku muzyki i filmu.
 
Można generalnie przyjąć, że w przeciwieństwie do technik analogowych,  w systemach i urządzeniach cyfrowych nie mamy już efektu „trochę lepszego obrazu” przy lepiej ustawione antenie telewizora, „trochę mniejszych zakłóceń” przy przesunięciu radioodbiornika ciut w prawo...  Jeśli więc w danym miejscu poziom sygnału jest większy od określonego progu, a zakłócenia nie przekraczają rozsądnych granic, to będziemy mieli do dyspozycji dokładnie taki sygnał, jaki został nadany.
 
Pokolenie osób dziś dorosłych wie, jaką rewolucyjną poprawę jakości dźwięku niosło wprowadzenia radiofonii FM w paśmie UKF (o porównywalnym skoku jakościowym można właściwie mówić dopiero teraz – przy okazji DAB+). Myślę, że każdy kto próbował nagrywać muzykę z radia na magnetofon zmagał się z problemem takiego ustawienia anteny, żeby jak najmniej szumiało. Bo to była (i jest) radiofonia analogowa.
 
Nie mam więc wątpliwości – radiofonia też będzie cyfrowa. A za kilka, kilkanaście lat będziemy się dziwić, że kiedyś nad tym w ogóle debatowaliśmy. Od wdrożenia naziemnej telewizji cyfrowej minęło przecież tak niewiele, dziś traktujemy ją jak coś zupełnie naturalnego, co najwyżej zastanawiamy się, dlaczego nie nastąpiło to wcześniej.
 
Choć aspekty radia cyfrowego są mi osobiście bardzo bliskie (Instytut Radioelektroniki PW również ma swój udział w rozwoju omawianych technik), to goszcząc w tym miejscu (a jakże – cyfrowym) uważam, że co najmniej niestosowne byłoby  z mojej strony pisanie takich truizmów jak to, iż radiofonia cyfrowa zapewnia zdecydowanie lepszą jakość dźwięku, niż analogowa radiofonia FM, umożliwia transmisję dodatkowych informacji (w tym także obrazów), pozwala na znacznie efektywniejsze wykorzystanie widma radiowego, stosowanie nadajników o istotnie mniejszych mocach itd.
 
Z drugiej strony z niepokojem obserwuję, że zalewa nas fala muzyki kolportowanej w plikach zakodowanych za pośrednictwem najprostszych kodeków. Chrońmy nasze uszy i zmysły! Radio cyfrowe stwarza szansę na to, abyśmy na co dzień mogli posłuchać, jak naprawdę brzmi muzyka (przekazywana z najlepszych sal koncertowych lub perfekcyjnie nagrywana w warunkach studyjnych). Dlatego z całego serca życzę, aby zamierzenie powszechnego wdrożenia radia cyfrowego powiodło się w pełni.
 
Józef Modelski

Nieunikniona cyfryzacja radiofonii

Logo cyfryzacji radia w Polsce
Cyfryzacja radiofonii wywołuje uzasadnione emocje. Po stronie nadawców wiąże się ona z koniecznością nakładów inwestycyjnych i poniesienia kosztów podwójnej emisji (analogowej i cyfrowej) w okresie przejściowym, a także ryzykiem zwiększenia konkurencji rynkowej. Po stronie odbiorców oznacza ona potrzebę wymiany obecnych odbiorników na cyfrowe. Jednakże korzyści nowej technologii z pewnością przeważają nad kosztami, niedogodnościami i rynkowym ryzykiem tej transformacji.

Cyfrowe radio pozwala na efektywną gospodarkę widmem częstotliwości, które w paśmie UKF wyczerpało możliwości rozwoju, oferuje więcej programów bardziej dopasowanych do gustów odbiorców, w dodatku o lepszej jakości dźwięku. W istocie jest to nowe, łatwe w obsłudze medium, dające dostęp nie tylko do wielu programów, ale także do wielu nowych funkcji dotyczących informacji, wiedzy i bezpieczeństwa, a więc poprawiające komfort życia.

Nie bez znaczenia są także aspekty gospodarcze i ekonomiczne: większa ilość programów - to nowe możliwości reklamowe, nowe usługi - to rozwój firm, które będą je świadczyć. Zwiększone koszty nadawców wprowadzających cyfrowe radio mogą być kompensowane tańszą, energooszczędną (a więc bardziej ekologiczną) emisją cyfrowego sygnału. Stąd pomysł szwedzki, by koszty podwójnej emisji pokryć z państwowego kredytu, który byłby spłacany z oszczędności przy wyłącznej emisji cyfrowej.

Proces cyfryzacji radiofonii trwa już od dłuższego czasu. Dotyczy on rejestracji dźwięku, opracowania i zarządzania nim, przechowywania i digitalizacji zbiorów archiwalnych. Cyfrowe radio jest w Internecie i w urządzeniach mobilnych, a programy Polskiego Radia i wielu rozgłośni lokalnych można już odbierać z nadajników naziemnych, których zasięg jest sukcesywnie zwiększany.

Przyszłość cyfrowej radiofonii, niezależnie od wszystkich wątpliwości, wydaje się nieunikniona. Wskazują na to doświadczenia zaawansowanych w procesie wdrażania radia cyfrowego wielu krajów europejskich. Cyfrowe radio jest częścią cyfrowej rzeczywistości, w której rozwija się konwergencja technologii, sieci i usług i faktem staje się Internet rzeczy.

W dyskusji nad przyszłością radiofonii cyfrowej w Polsce wyłaniają się dwie opcje. Pierwszą można by nazwać regulacyjną, czyli taką, w której instytucje państwa określają plan cyfryzacji radiofonii i wdrażają go. Druga – to opcja rynkowa, w której nadawcy sami znajdują ekonomiczne uzasadnienie zmiany technologii i decydują o jej wdrożeniu. Niezależnie od tego, która z nich będzie mieć decydujący wpływ na rozwój radiofonii cyfrowej, niezmiennie konieczne są przygotowania choćby w dziedzinie standardów technicznych, czy projektowania zasięgów cyfrowych.

Krajowa Rada Radiofonii i Telewizji wypełniając swój ustawowy obowiązek wspierania nowych technologii pragnie, w ramach swoich kompetencji, usprawniać proces implementacji nowej technologii. Temu zadaniu służy roboczy zespół cyfrowego radia skupiający przedstawicieli nadawców i ekspertów z wielu dziedzin i instytucji. Jego celem jest przygotowanie Zielonej Księgi cyfryzacji radia, która będzie rodzajem rekomendacji dla rządu. Liczymy, że pomocna w tej sprawie okaże się ta strona, która w naszych intencjach powinna być miejscem gromadzenia i wymiany informacji oraz wiedzy na temat cyfrowego radia. Zachęcamy do lektury i współpracy.

Witold Graboś - Zastępca Przewodniczącego Krajowej Rady Radiofonii i Telewizji


Radio cyfrowe - więcej niż radio! Najważniejsze informacje


W dziale:

Powrót na górę strony
Adres Biura
Adres biura KRRiT
Siedziba i Biuro KRRiT Wydział Abonamentu RTV

Skwer kard. S. Wyszyńskiego 9

01-015 Warszawa

NIP: 521 27 99 708

REGON: 010182401

tel. 22 597 30 00
fax. 22 597 31 80

 

ul. Sobieskiego 101
00-763 Warszawa

Numer infolinii: 22 597 31 01

Zamknij Serwis wykorzystuje pliki cookies. Korzystanie z witryny oznacza zgodę na ich zapis lub wykorzystanie. Polityka prywatności i wykorzystywania plików cookies Akceptuję politykę prywatności i wykorzystywania plików cookies w serwisie