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