Cyfrowa radiofonia satelitarna

Dostęp do programów rozgłaszanych przez satelity nie wyprze jednak tradycyjnej radiofonii długo-, średnio- i krótkofalowej, ponieważ również i w tych zakresach fal przygotowywane jest przejście na systemy transmisji cyfrowej (Digital Radio Mondiale - DRM), a dodatkowo zakresy te pozwalają na korzystanie z przenośnych odbiorników zasilanych z baterii, co może mieć znaczenie w rejonach kryzysów lub w rejonach niezelektryfikowanych. W krajach rozwijających się nie bez znaczenia jest także cena odbiorników. Opracowano wprawdzie - przedstawiony w dalszym ciągu artykułu - system World Space, który ma pozwolić na odbiór radiowy w pasmie L (1400-1500MHz) za pomocą odbiorników przenośnych lub przypominających konstrukcją przeciętne odbiorniki domowe, wyposażonych dodatkowo w niewielką antenę satelitarną, ale system ten dopiero od niedawna wchodzi w użycie i w pierwszej fazie przeznaczony jest dla Afryki, Ameryki Południowej i południowo-wschodniej Azji. Planowane jest już jednak rozszerzenie jego zasięgu na Europę w 2003 r.
W cyfrowej transmisji programów radiowych występują, podobnie jak w przypadku nagrań na cyfrowych nośnikach dźwięku, dwie zasadnicze tendencje. Strumień danych powstający po przetworzeniu sygnału akustycznego na postać cyfrową może zawierać pełną informację lub też być poddany kompresji w celu ograniczenia ilości danych. Pełne dane zapisywane są przykładowo na dyskach CD, natomiast w zapisie na minidyskach (MD) lub w rozpowszechnionym w Internecie formacie MP3 dane poddawane są kompresji stratnej. Ze strumienia danych są usuwane te, które odpowiadają składowym sygnału akustycznego niesłyszalnym w praktyce przez ucho ludzkie. Są to na przykład dźwięki ciche, nieznacznie poprzedzające dźwięk o znacznej sile głosu lub występujące krótko po nim. Dalej usuwane są składowe o częstotliwościach bliskich dźwiękom głośnym. Uzyskiwana w zapisie na minidyskach lub w formacie MP3 jakość dźwięku różni się tylko nieznacznie od jakości nagrań CD. Jest ona dodatkowo zależna od przyjętej skali kompresji i częstotliwości próbkowania, ale nawet w standardach o najniższych efektywnych przepływnościach odpowiada dobrej jakości transmisji AM.

Standardy kompresji MPEG

W radiofonii cyfrowej oraz w zapisie stosowane są obecnie algorytmy kompresji MPEG1 i MPEG2 w kilku odmianach, różniących się między sobą uzyskiwanymi stopniami kompresji. Konieczność zastosowania kompresji danych niech zilustruje następujący przykład. Dla otrzymania jakości dźwięku znanej z nagrań CD stosuje się próbkowanie sygnału akustycznego z częstotliwością 44,1kHz i przetwarzanie na słowa 16-bitowe. Odpowiada to strumieniowi danych netto (bez uwzględnienia danych służących do korekcji błędów) 705,6kbit/s dla pojedynczego kanału, czyli 1411,2kbit/s dla sygnału stereofonicznego.
W zapisie na dyskach DVD stosowana jest kompresja MPEG1 na poziomie 1 (ang. layer 1), co pozwala na zapis dźwięku wielokanałowego. Uzyskiwany tutaj stopień kompresji jest jednak zbyt niski jak dla zastosowań w radiofonii. Wymagana przepływność leży w zakresie od 256 do 384kbit/s. Redukcję strumienia danych do 192kbit/s umożliwia dopiero algorytm MPEG1 poziomu 2 (layer 2) - przepływność leży tu w zakresie 192-256kbit/s. Jest on obecnie stosowany w cyfrowej radiofonii naziemnej systemu DAB (Digital Audio Broadcasting). W odróżnieniu od wspomnianego wcześniej DRM system DAB jest stosowany przez nadawców w zakresach UKF i w paśmie L.
Jako następny opracowano algorytm MPEG1 poziomu 3 pozwalający na redukcję strumienia danych do 64-192kbit/s. Wyższe stopnie kompresji oferuje opracowany nieco później standard MPEG2 dzielący się również na kilka poziomów. Najbardziej znanym z nich jest obecnie poziom 3 noszący nazwę MP3. Pozwala on na uzyskanie kilku stopni kompresji różniących się między sobą jakością dźwięku. Stopień kompresji 1:12 odpowiada jakości CD, 1:24 jakości transmisji FM stereofonicznej, a 1:48 jakości AM. Dla transmisji w kanałach o małej przepustowości możliwa jest nawet kompresja w stosunku 1:96.
Dla uniknięcia pomyłek w oznaczeniach kolejnych algorytmów pominięto MPEG3 i następne z nich noszą oznaczenia od MPEG4 wzwyż. Opracowane do chwili obecnej algorytmy MPEG4 - MPEG7 nie znalazły jeszcze zastosowania w radiofonii cyfrowej, dlatego też nie będziemy ich w tym artykule omawiać szczegółowo.

System DSR

W latach 90. rozpoczęto w Niemczech eksperymentalne transmisje radiowe w systemie DSR (Digital Satelliten Rundfunk) przez satelitę DSF-Kopernikus. Planowane było nadawanie w 5 kanałach cyfrowych po 16 programów radiowych dodatkowo do cyfrowej emisji programów telewizyjnych kodowanych w systemie D2-MAC. Dane w systemie DSR były nadawane bez kompresji, a drobna różnica jakości w stosunku do nagrań CD wynikała jedynie z niższej częstotliwości próbkowania. Każdy z 16-programowych pakietów zajmował pełne pasmo przenoszenia transpondera - 27MHz. System był uważany za dopracowany technicznie i pozwalał na udoskonalenia w przyszłości. Przyczyny niepowodzenia leżały raczej po stronie komercyjno-reklamowej. Emisji programów zaprzestano na początku 1999 r.

System ADR

Następcą DSR stał się system ADR (Astra Digital Radio). W odróżnieniu od poprzedniego stosowana jest w nim redukcja (kompresja stratna) danych w standardzie MPEG1/poziomu 2 (ang. layer 2). Przenoszone jest pasmo akustyczne 20Hz-20kHz z dynamiką przekraczającą 90dB. Częstotliwość próbkowania wynosi 48kHz. Dane każdego z kanałów stereofonicznych nadawane są z przepływnością 192kbit/s (w tym zawartych jest 9,6kbit/s informacji dodatkowych).
Programy radiowe nadawane są na podnośnych modulowanych fazowo (QPSK) dodatkowo do transmitowanych analogowo programów TV, więc podobnie do analogowej transmisji programów radiowych. Główną zaletą systemu w porównaniu z transmisją analogową jest wykorzystanie jednej podnośnej do nadawania sygnału stereofonicznego zamiast dwóch. Maksymalna liczba dostępnych podnośnych wynosi 12. W chwili zaprzestania emisji w systemie DSR do potrzeb ADR dostosowanych były 64 transpondery znajdujące się na pokładach satelitów Astra 1A - 1D, a więc już wówczas teoretyczna pojemność wynosiła 768 kanałów stereofonicznych.
Dodatkowa pojemność kanału ADR (wspomniane wyżej 9,6kbit/s) służy do transmisji tekstów - radiowej wersji telegazety. Pojemność ta może być podzielona na maksimum 10 niezależnych kanałów tekstowych, które mogą być przeznaczone dla różnych grup odbiorców - za odpłatnością lub bezpłatnie. Kanały te mogą być wykorzystane nie tylko do transmisji tekstów ale i danych komputerowych w dowolnych formatach, np. plików Excela lub Accessa.
Do odbioru programów radiowych w systemie ADR konieczna jest antena paraboliczna (może ona być wykorzystywana równolegle do odbioru programów telewizyjnych) oraz dodatkowy satelitarny odbiornik ADR lub odbiornik TV satelitarnej wyposażony w moduł ADR. Do odbioru kanałów tekstowych konieczne jest połączenie odbiornika ADR z komputerem PC poprzez złącze szeregowe (RS-232).
Programy w systemie ADR nadawane są obecnie wyłącznie przez satelity Astra i są to jedynie programy rozgłośni niemieckich, szwajcarskich i austriacki program zagraniczny. Większość z nich jest nadawana równolegle analogowo lub systemie DVB. Częstotliwości i parametry transmisji podano w tabeli 2.

System SARA

System ten, pracujący z redukcją danych na poziomie 3, pomyślany był pierwotnie jako konkurencja dla ADR i miał być wykorzystany do transmisji radiowych przez satelity Eutelsat. Nie wyszedł on jednak poza stadium eksperymentu i został zarzucony.

System DVB

Jest to w pełni cyfrowy system transmisji programów TV stosujący kompresje MPEG2. Dzięki zastosowaniu kompresji w pojedynczym kanale w.cz. przesyłany jest pakiet programów TV lub TV i radiowych (DVB-Audio). Programy dostępne za odpłatnością są dodatkowo kodowane. Rozpowszechnienie standardu DVB (Digital Video Broadcasting) w rozgłaszaniu satelitarnym stało się bodźcem do opracowania jego odmian przeznaczonych do innych celów. System DVB-C stosowany jest w szerokopasmowych sieciach TV kablowej, a system DVB-T w rozgłaszaniu programów przez nadajniki naziemne. System stosowany w transmisjach satelitarnych nosi dla odróżnienia oznaczenie DVB-S.
Do odbioru programów radiowych rozgłaszanych w standardzie DVB należy jedynie przełączyć odbiornik (dekoder) TV cyfrowej w tryb odbioru radiowego (w menu obsługi).

System World Space

World Space jest pierwszym systemem satelitarnym transmitującym wyłącznie radiofonię cyfrową w standardzie MPEG w skali światowej. Jest on też pierwszym i jak na razie jedynym systemem satelitarnym przeznaczonym dla krajów rozwijających się. W pierwszej fazie rozbudowy system ma się składać z trzech satelitów umieszczonych na orbicie geostacjonarnej w pozycjach 95° długości zachodniej (Caribstar-Ameristar), 21° długości wschodniej (Afristar) i 105° długości wschodniej (Asiastar). Przybliżone zasięgi przedstawiono na rysunku. W chwili obecnej na orbicie znajdują się dwa ostatnie z wymienionych satelitów. Po roku 2003 przewidziane jest rozszerzenie zasięgu na Europę. Do nadawania programów wyznaczony jest podzakres od 1467 do 1492MHz w pasmie L. Każdy z satelitów dysponuje 288 kanałami o przepływności 16kbit/s. Jakość transmisji leży pomiędzy jakością radiofonii średniofalowej i UKF. Dla uzyskania lepszej jakości kanały te mogą być łączone parami (zapewnia to dobrą jakość monofoniczną) lub po cztery dla transmisji stereofonicznej (o jakości słuchowo porównywalnej z jakością nagrań CD). Przepływność w kombinowanym kanale stereofonicznym wynosi 64 kbit/sek.
W systemie World Space stosowana jest kompresja danych na poziomie 3 (ang. layer 3) norm MPEG1, MPEG2 i MPEG2.5. Częstotliwości próbkowania wynoszą 8 albo 12kHz, co pozwala na kodowanie sygnałów akustycznych o pasmie przenoszenia do 4,5kHz. Kodery MPEG zostały opracowane przez Fraunhofer Institut w Erlangen k. Norymbergi. Równolegle do transmisji programów radiowych nadawane są (na razie eksperymentalnie) obrazy w specjalnie do tego celu opracowanym systemie SSTV. Częstotliwość powtarzania obrazów wynosi 8,3Hz. Eksperymenty te są prowadzone także przez Instytut Fraunhofera.
Oferta programowa obejmuje programy ogólnoświatowe, regionalne i o zasięgu lokalnym z krajów znajdujących się w zasięgu danego satelity. Do nadawców o znaczeniu światowym, których programy są już dostępne, należą Radio France International (RFI), BBC World Service, Radio Exterior de Espańa, World Radio Network, CNN i Bloomberg. Spodziewane jest powiększenie ich grona o Głos Ameryki, Deutsche Welle i Radio Nederland.
Ok. 5% przepustowości transponderów jest zarezerwowane dla celów humanitarnych, a związane z tym koszty ponosi specjalna fundacja “World Space Foundation”.
Częstotliwości stacji naziemnych, transmitujących programy w kierunku satelitów leżą w pasmie 7GHz.
Odbiorniki cyfrowe dla systemu World Space są obecnie produkowane przez kilka znanych firm, do których należą Sanyo, Hitachi, Matsushita, Panasonic i JVC. Scalone dekodery są produkowane przez firmy ITT we Freiburgu i SGS Thompson w Mediolanie. Ceny odbiorników wynoszą wprawdzie na razie ok. 200-300 USD, ale przewidziane jest ich obniżenie nawet o 10% w miarę zwiększenia produkcji. Ze względu na zastosowania w krajach rozwijających się planowane jest uruchomienie produkcji modeli zasilanych z baterii słonecznych i prądnic napędzanych ręcznie (korbka) albo przez nakręcane sprężyny. Np. odbiornik Hitachi FR-DS100 pozwala dodatkowo na odbiór w zakresach fal długich, średnich i UKF, a Sanyo KH-WS1 - w zakresach fal średnich, krótkich (2,3-7,3 i 9,5-26,1MHz) i UKF. Częstotliwość pośrednia przy odbiorze w pasmie L wynosi 1,8MHz. Anteny satelitarne odbiorników wykonane są techniką mikropaskową i są zamknięte we wspólnej obudowie z niskoszumnym przedwzmacniaczem (LNA). Po zdjęciu anteny z odbiornika można ją umieścić w innym dogodnym miejscu i podłączyć za pomocą kabla. Do gniazda antenowego w odbiorniku można oczywiście podłączyć inną antenę zewnętrzną. Odbiorniki World Space są dostępne w niektórych sklepach w Niemczech. Ze względu na ograniczenie strefy odbioru i dostępności odbiorników w Europie zrezygnowano z podania dokładnego spisu częstotliwości i programów. W Europie południowo-zachodniej (włącznie z południowo-zachodnią Polską) odbierana jest dobrze jedynie zachodnia wiązka satelity Afristar na częstotliwościach 1478,274 i 1480,524MHz. Odbiór wiązki wschodniej (1468,564 i 1470,864MHz) wymaga użycia zewnętrznej anteny Yagi albo parabolicznej. Wiązka południowa (1473,164 i 1475,464MHz) jest skierowana tylko na Afrykę.

Adresy internetowe

Aktualne informacje dotyczące częstotliwości, programów i techniki można znaleźć w Internecie, m.in. pod następującymi adresami: