Představa, že rádio své pokrytí zajišťuje pomocí vysílačů pracujících na stejné frekvenci, je bezesporu lákavá. Kromě digitálních forem distribuce nám dává takovou možnost i analogová FM modulace. Jsou jednofrekvenční FM sítě novým fenoménem, který způsobí převrat ve využívání FM pásma, nebo jde o řešení z nouze? I na to by měl přinést odpověď tento článek.

Pro přiblížení si nejprve uvedeme několik příkladů jednofrekvenčních sítí FM rozhlasu. Pak postupně přejdeme od teorie k praxi.

Obr. 1 - Příklad jednofrekvenční FM sítě (dálniční rádio).
Zdroj: Single Frequency Networks. Broadcast Electronics Inc., 2008.

Obr 2. - Příklad jednofrekvenční sítě (členitý terén).
Zdroj: FM Single Frequency Networks. Nautel, 2015.

1. Jednofrekvenční AM sítě

Nebude od věci se trochu podívat do minulosti. Myšlenka analogových vysílacích sítí, kde více vysílačů pracuje na stejné frekvenci, není nikterak nová. Středovlnné vysílače AM v tomto režimu pracovaly už před mnoha desítkami let, a to i na našem území. Například celoplošná síť 1233 kHz, ze které dnes už zbylo jen torzo, neboť střední vlny jsou z velké části povypínané. Jedinou významnější podmínkou takového provozu bylo udržet na všech vysílačích naprosto shodnou frekvenci nosné, což se u nás dělalo pomocí speciálních přijímačů časového normálu DCF77. Stejně dobře mohou posloužit i GPS přijímače s výstupem synchronizačního kmitočtu. Takových přijímačů můžete mít kolik chcete, umístit je kam chcete, a ze všech poleze přesně shodný kmitočet. Ten je zaveden do referenčního vstupu AM vysílače a pomocí fázového závěsu je z něj odvozena nosná frekvence. Proč je to důležité? Protože i mírně odlišné frekvence potom na vstupu přijímače vzájemně interferují za vzniku periodických úniků signálu nebo parazitního tónu v reprodukci. Zvuk "houpe" nebo píská rozdílem nosných frekvencí.

Na zpracování modulačního signálu a jeho distribuci už žádné speciální nároky kladeny nebyly. Modulace AM se (na rozdíl od FM) řadí mezi lineární modulace, neboť pro ni platí tzv. princip superpozice. Existuje lineární vztah mezi spektrem modulačního signálu a spektrem výsledného signálu AM. Za předpokladu stejné síly signálů ze dvou vysílačů tedy AM přijímač reprodukuje prostý součet (mix) přenášeného zvuku. Občas se vlivem různého zpoždění při distribuci modulace na vysílače mohla v reprodukci objevit ozvěna (echo), a tak některý aktivnější důchodce zavolal do rozhlasu, aby si to srovnali, a to je zhruba vše, co bylo potřeba řešit.

2. Specifika jednofrekvenčních FM sítí

Co se u modulace AM jevilo jako snadná věc, to je u FM pořádná fuška. Jestli u AM spousta věci procházela, tak FM nám neodpustí nic. Přiznejme si hned z kraje, že výsledek nemusí být vždy přijatelný, ani když se všechno udělá perfektně. Důvody jsou nejméně dva: FM je nelineární modulace a zvuk bychom chtěli pokud možno stereofonní. Požadavek stereofonního poslechu je celkem tvrdý oříšek. Vždyť jednofrekvenční FM sítě se v minulosti uvažovaly výhradně v souvislosti s monofonním vysíláním, a ono to mělo svůj důvod a smysl. Jenže koho dnes osloví vysílací technika určená pouze pro monofonní provoz? Marketing má hlavní slovo a ztrátu kvality soudobý většinový posluchač neřeší, takže se jde i za hranu možností.

Modulace FM je z pohledu detailní analýzy výrazně komplikovaná. Nebojte se, nebudeme se tím do hloubky zabývat. Dají se však stručně vyzdvihnout některé zajímavé vlastnosti. Například stačí rozdíl jen několika dB (udává se 3 až 4 dB), aby slabší signál byl překryt silnějším. Není to sice tak, že by reprodukce v přijímači byla naprosto čistá a bez rušení, na to by byl potřeba o něco větší odstup, ale obsah přenášený slabším signálem už není rozpoznatelný. Proč je tento poznatek důležitý? Protože analyzujeme chování jednofrekvenční sítě vysílačů. Zjevně se tedy celá problematika točí kolem oblastí pokrytí, kde mají signály z více vysílačů podobnou úroveň. Veškeré potenciální negativní jevy se projevují právě zde. Tam, kde signál jednoho z vysílačů výrazně dominuje, se vlastně o současný příjem z více vysílačů nejedná.

Jednofrekvenční síť může být samozřejmě tvořena velkým množstvím vysílačů. My si to trochu zjednodušíme a vždy, když budeme hovořit o jednofrekvenční síti, budeme mít na mysli síť pouze dvou vysílačů. I tak je co řešit, o nic nepřijdete ;) V praxi takové zjednodušení vyhovuje, protože překryv signálů z více než dvou vysílačů je něco, čeho by se každý soudný provozovatel měl vyvarovat. I rozsáhlejší sítě se tedy dají analyzovat jako oddělené dvojice vysílačů.

2.1. Synchronní vysílání v jednofrekvenční FM síti

Co se stane v případě, kdy na vstup FM přijímače přicházejí dva signály se stejnou nosnou frekvencí a shodnou sílou signálu? Zatímco u AM dochází k prostému sečtení (vzhledem k principu činnosti typického přijímače bychom mohli říci i zprůměrování) přenášené zvukové informace, u FM to bohužel tak jednoduché není, neboť v případě FM jde o nelineární proces. Dále se tedy budeme věnovat již pouze FM vysílání.

Obr. 3 - Lineární (AM) a nelineární (FM) modulace, sčítání modulovaných signálů a demodulovaný výstup.

V případě FM ve výsledném demodulovaném signálu sice najdeme i původní zvukovou informaci vstupující do obou modulátorů, kromě toho však demodulací vzniká i další složka, která reprezentuje šum a zkreslení. Jak silná je tato rušivá složka, to záleží na tom, jak moc se v daném okamžiku vzájemně lišily modulační signály, přičemž - a to je velmi důležité - relevantním místem pro posouzení shody modulačních signálů je místo příjmu, nikoli modulační vstupy vysílačů. A že to není to samé, si ukážeme za malý okamžik. Takže když to řekneme stručně a jasně - aby FM přijímač mohl správně reprodukovat program přijímaný z více vysílačů najednou, tedy aby to bylo poslouchatelné bez nepříjemného rušení, musí existovat maximální shoda mezi signály z jednotlivých vysílačů, a to v místě příjmu.

V praxi to znamená zajištění naprosté shody

• nosné frekvence
• časového průběhu modulačního signálu MPX, tedy pilota, zvuku i RDS
• frekvenčního zdvihu, tedy závislosti okamžité frekvence nosné na průběhu signálu MPX

Pokud tyto podmínky splníme, pak můžeme hovořit o synchronní síti, synchronním provozu, synchronním vysíláni apod.

Občas se pojem "synchronní vysílání" používá i pro označení případu, kdy dva vysílače přenášejí stejný program a subjektivně znějí stejně, aniž by ovšem byly beze zbytku splněny podmínky skutečného synchronního provozu, které jsme si definovali výše. Na tento drobný zmatek v pojmech je třeba dávat pozor.

2.2. Vliv časového zpoždění

Řekli jsme si, že v případě synchronního provozu se musí mj. shodovat frekvenční zdvih a časový průběh modulačního signálu. Signál se ovšem z vysílačů šíří konečnou rychlostí, danou rychlostí světa. Zjevně může nastat situace, že v přijímači se nám dva původně stejné signály setkají se vzájemným časovým posuvem, podle toho, kde se zrovna nacházíme. Tím se naruší podmínka shody obou signálů a na výstupu demodulátoru se objeví i rušivá složka. Výsledkem je zkreslení zvuku, zvýšený šum a zhoršená separace kanálů. Je to tedy naprosto stejný efekt jako v případě vícecestného šíření, kdy na anténu dopadá směs přímého a odraženého signálu. Odražený signál také nese stejnou zvukovou informaci (stejnou modulaci), jen přichází na vstup přijímače s určitým zpožděním oproti přímé cestě. Čím větší je vzájemný časový posuv mezi signály a čím menší je rozdíl v intenzitě signálů, tím silnější jsou rušivé jevy. Od určité meze je poslech velmi zarušený, v extrémním případě je reprodukce zcela nesrozumitelná.

Orientačně můžeme vycházet z experimentálního zjištění, že při shodné intenzitě obou signálů lze s odřenýma ušima akceptovat zpoždění do 5 mikrosekund (µs), kdy je rušení slyšet pouze na pozadí a kdy lze ještě zaznamenat stereofonní efekt, byť se značně sníženou separací. Při zpoždění 10 µs je již potřeba rozdíl v intenzitě signálů více než 6 dB, při 15 µs více než 12 dB. Pokud nedodržíme uvedený rozdíl, v reprodukci bude slyšet silné zkreslení a výrazné rušení (efekt "prskání" v modulačních špičkách).

Pokud to myslíme s kvalitou poslechu opravdu vážně a požadujeme zachování dobrého odstupu signálu od šumu a dobré separace kanálů, měli bychom v celém návrhu počítat s menším zpožděním. Vycházet můžeme například z fázového rozdílu subnosné stereofonního vysílání, která má frekvenci 38 kHz. Smysluplné kritérium z hlediska zachování přijatelné kvality poslechu může být rozdíl fáze subnosné stereo do 30 stupňů, takový rozdíl odpovídá vzájemnému zpoždění 2 µs. Podívejme se, jak taková situace vypadá z hlediska rozložení fází podél směru šíření signálu.

Obr. 4 - Okamžité rozložení fáze subnosné 38 kHz na spojnici mezi vysílači, v závislosti na vzdálenosti od vysílačů.

Ten obrázek je poněkud komplikovanější, snahou je ukázat, jak úzká je ve skutečnosti oblast, kde se nám signály ze dvou vysílačů střetávají ve společné fázi, resp. v mezích stanoveného fázového rozdílu subnosné 38 kHz. Přitom nelze vždy vyčíslit úplně přesně, jaký je onen přijatelný fázový rozdíl, to je záležitost spíše subjektivního posouzení ve vztahu k místním podmínkám i programové náplni. My to nakonec přijmout musíme, protože ten vztah je daný, a měnit lze pouze ostatní parametry sítě.

Pro kvalitní poslech obvykle potřebujeme v místech, kde dochází k mísení signálů z více vysílačů v přibližně shodné intenzitě, zachovat rozdíl fází subnosné 38 kHz v rozsahu nanejvýš několika desítek stupňů, a z toho mj. plyne, že synchronní příjem v prostoru na spojnici mezi dvěma vysílači může zaručeně fungovat jen v úzkém pásu o šířce řádově stovek metrů! Tímto jsou dané limity celého principu jednofrekvenčních sítí FM rozhlasu. Tyto sítě zkrátka nejsou plnohodnotným ekvivalentem jednofrekvenčních sítí založených na digitální modulaci.

3. Pokrytí signálem jednofrekvenční FM sítě

Z předchozích informací už můžeme poskládat základní schéma pokrytí signálem jednofrekvenční sítě. Pokrytí se nám rozpadne do několika oblastí.

Obr. 5 - Schematické znázornění oblastí pokrytí jednofrekvenční sítí vysílačů.
1 - Oblast s dominantní sílou signálu od nejbližšího vysílače.
2 a 3 - Oblast interferencí.
3 - Oblast synchronního příjmu.
W: Šířka oblasti synchronního příjmu - u stereofonního vysílání pouze několik stovek metrů.

Jednotlivé oblasti si nyní rozebereme podrobněji.

2.1. Oblast s dominantní sílou signálu od nejbližšího vysílače

Už samotné označení napovídá, jakým způsobem je tato oblast charakterizována. Jak jsme zmínili dříve, příjem v této oblasti pokrytí je ekvivalentní prostému příjmu pouze jediného vysílače, tudíž zcela odpadá potřeba řešit v této oblasti specifika svázaná s jednofrekvenční sítí.

V praxi je žádoucí, aby tato oblast zaujímala co možná největší území v rámci celého plánovaného pokrytí. Typicky se jedná o oblast s přímou viditelností na nejbližší vysílač, zatímco ostatní vysílače sítě jsou zastíněny terénem nebo se nacházejí v takové vzdálenosti, že se jejich signál neuplatňuje.

2.2. Oblast interferencí

Oblast interferencí je oblast, ve které dochází k překryvu signálů více vysílačů jednofrekvenční sítě. Přesněji řečeno, je to oblast, ve které se s určitou minimální pravděpodobností vyskytuje situace, kdy je přijímač vystaven srovnatelné síle signálu z více vysílačů. Zde je třeba zdůraznit slovo "pravděpodobnost". Vždy, když mluvíme o podobné síle signálů, uvažujeme konkrétní přijímač. Ten má nějakou anténu s nějakým směrovým účinkem a je umístěn v prostředí, které je ovlivněno blízkými překážkami. Oblast, kde může docházet k interferencím signálů podobné úrovně, je obvykle rozlehlejší než jak nám ji "vyhodí" výpočtový software. K interferencím může například dojít i v místě, kde je podle výpočtového softwaru rozdíl v síle signálu 20 dB. K tomu často stačí, když v cestě silnějšího signálu bude stát budova, což je situace, kterou výpočtový software obvykle nereflektuje.

Vzájemné interference dvou signálů mají samozřejmě vliv i na sílu přijímaného signálu. To je potřeba zmínit, protože i při dokonalé shodě signálů v místě příjmu máme tu čest s dalším jevem, a tím je stojaté vlnění. V prostoru se nám v takovém případě střídají uzly a kmitny, tedy minima a maxima intenzity elektromagnetického pole. Tam, kde se signály potkávají v protifázi (nosné frekvence), může poslech přecházet až do šumu. To je zvláště patrné, pokud je přijímač v pohybu, kdy se výpadky v příjmu opakují typicky po několika metrech.

Polohu a velikost oblasti interferencí lze měnit umístěním a směrováním vysílacích antén, stejně tak změnou vysílacího výkonu. Oblast interferencí by vždy měla zaujímat co možná nejmenší plochu pokrývaného území, neboť u analogové FM modulace neexistuje způsob, jak vzájemné interference ve výsledné reprodukci zcela eliminovat. Ideální je kupříkladu odstínit dva sousední vysílače horským hřbetem, který zajistí rychlý přechod od příjmu jednoho vysílače k příjmu druhého, s velmi úzkou oblastí interferencí. Pak může jednofrekvenční síť dobře pokrývat i relativně rozsáhlá území.

2.3. Oblast synchronního příjmu

Oblast synchronního příjmu nejčastěji sdílí prostor s oblastí interferencí. Je to oblast, kde hodnota vzájemného zpoždění signálů ze dvou vysílačů leží uvnitř stanoveného rozsahu, například do 2 µs. Snahou je samozřejmě umístit oblast synchronního příjmu tam, kde je největší pravděpodobnost, že přijímač bude vystaven stejné síle signálů z více vysílačů.

Z toho vyplývá, že v jednofrekvenční síti je potřeba vzájemné zpoždění signálu z jednotlivých vysílačů řídit, tedy předem nastavit. Při tom je samozřejmě potřeba brát do úvahy i posluchačský zásah v dané oblasti. Nemá smysl nastavit oblast synchronního příjmu do míst, kde jsou skály, lesy a pole, ale spíše tam, kde se očekává největší koncentrace přijímačů. Nastavení je často věcí kompromisu. Mimo oblast synchronního příjmu je nutné počítat s možností výrazného zhoršení kvality poslechu, pokud signály z více vysílačů mají na vstupu přijímače srovnatelnou úroveň. Oblast synchronního příjmu má nejmenší šířku na spojnici mezi vysílači, neboť tam jdou signály přímo proti sobě.

4. Technické řešení jednofrekvenční FM sítě

Jednofrekvenční síť lze realizovat s použitím čistě analogových FM vysílačů i s použitím vysílačů, které generují FM signál technikou digitálního zpracování signálu, typicky DDS (Direct Digital Synthesis). Oba případy se samozřejmě liší v některých detailech a hlavně v otázce přizpůsobení parametrů konkrétním podmínkám.

Obr. 6 - Princip jednofrekvenční FM sítě.

Na obrázku výše je znázorněno, o jaký výsledek vlastně usilujeme. Každá z antén je umístěna v jiné vysílací lokalitě, rozdíl délek kabelů určuje vzájemné zpoždění a tedy polohu oblasti synchronního příjmu. Naznačené technické řešení je sice funkční, zároveň však naprosto hardcore, neboť by vyžadovalo natahat třeba i desítky km koaxiálního kabelu. Všechna skutečná řešení hledají způsob, jak se něčemu takovému vyhnout. Znamená to použít separátní FM vysílače, které budou provozovány v synchronním režimu.

4.1. Analogové řešení

Analogových řešení bylo v minulosti vyvinuto několik, jejich význam už je dnes minimální. Jeden z možných přístupů si stručně popíšeme.

Analogová zařízení se mj. vyznačují tím, že žádné dva kusy nejsou úplně identické. V případě běžných FM vysílačů by bylo velmi problematické zajistit dokonalou shodu výstupního FM signálu. Každý analogový FM modulátor má nějaké odchylky, ať už jde o citlivost (závislost frekvence na vstupním napětí), linearitu, frekvenční charakteristiku, odezvu na skok napětí atd. Z toho důvodu je v celé síti pouze jeden společný FM modulátor. Jeho výstupní signál je třeba distribuovat na jednotlivé vysílače. Zde se pomocí směšovače a přesného oscilátoru řízeného GPS signálem přeloží na požadovanou frekvenci v pásmu FM rozhlasu. V praxi je to trochu složitější kvůli nutnosti filtrace, ale tento problém lze vhodnými postupy eliminovat. Čistě analogové řešení samozřejmě přináší obtíže s nastavením časového zpoždění signálů na jednotlivých vysílačích, přesněji řečeno takové nastavení vůbec neumožňuje. Zpoždění je fixní a je dáno vzdálenostmi od modulátoru k jednotlivým vysílačům.

Příkladem analogového řešení může být synchronní opakovač signálu. My nemůžeme jen tak vzít signál nějakého rádia, prostě ho zesílit a rovnou zase anténou vysílat na stejné frekvenci, protože signál z výstupu by se nám dostal znovu na vstup a celé by se to rozkmitalo. Vstup opakovače proto musí být tak daleko, aby již nebyl ovlivněn výstupem.

Obr. 7 - Analogový synchronní opakovač.

Signál primárního vysílače proto v jeho blízkosti přeložíme na jinou nosnou frekvenci pomocí směšovače a oscilátoru řízeného GPS. V opakovači provedeme opačný postup a zesílený signál můžeme vysílat. Zpoždění výstupního signálu bude prakticky shodné se zpožděním signálu od primárního vysílače, opakovač se tedy nachází přímo v oblasti synchronního příjmu a může pracovat jen s malým výkonem. Je to podáno poněkud zjednodušeně, ale asi je vidět, o co jde, a v rámci rozsahu tohoto článku to stačí.

4.2. Digitální řešení

Digitální FM vysílač pracující na principu DDS se vyznačuje plnou kontrolou nad FM modulací, neboť tato je získávána výpočtem. FM modulátor proto může být součástí každého vysílače. Modulační signál je k nim dopravován v digitální podobě, např. přes internet nebo zvláštní datovou linkou. Protože takový způsob dopravy modulačního signálu má mnohdy nedefinovatelné zpoždění, potřebujeme všechny vysílače nějakým způsobem synchronizovat. Zjednodušeně řečeno, příchozí datový tok obsahuje kromě vzorků MPX signálu i časové značky, na vysílačích se ukládá do bufferu, a na povel ve formě společného synchronizačního pulzu data opouští buffer a směřují přímo do modulátoru. Pomocí zmíněných časových značek je zajištěno, že na všech vysílačích v jeden okamžik vstupuje modulační signál v určené časové poloze (určeným vzorkem) do modulátoru. Zdrojem synchronizačních pulzů jsou, jak jinak, přijímače GPS a jejich výstup označovaný jako 1PPS (1 pulse per second). Časová shoda u těchto pulzů je v řádu nanosekund, a to je také teoretická přesnost nastavení zpoždění na jednotlivých vysílačích (v praxi tak velká přesnost není k dispozici, protože ji ani nepotřebujeme).

Obr. 8 - Digitální řešení jednofrekvenční FM sítě.

Nastavením zpoždění signálu na vysílači lze oblast synchronního příjmu umístit s přesností na desítky či stovky metrů. Technika v tomto ohledu neklade omezení. Jak jsme si ale ukázali, je často problém určit, kde reálně má tato oblast ležet. Vzhledem k její limitované šířce je nastavení spíše věcí kompromisu, na který se optimisticky dá nahlížet jako na řešení vyhovující každému, realista ale může rovněž říci, že tam, kde je vyžadován kompromis, jde o řešení, které nevyhovuje nikomu. Výrobci dnes nabízejí techniku, která již provozovatele vysílání v ničem neomezuje. Omezující je samotný princip FM vysílání. Jak s tím který provozovatel naloží, je pouze na něm. Výrobci neopomínají dodat, že konzultace v této oblasti neposkytují. Čili říkají zhruba toto: Tady máte "železo", které teoreticky umí všechno, a vy si s tím poraďte jak chcete. Pečlivý rozbor a návrh jednofrekvenční vysílací sítě, stejně jako experimentální ověření, jsou nezbytnou podmínkou budoucího úspěšného provozu a prevencí možného rozčarování z reálných výsledků.

5. Závěr

Jednofrekvenční FM sítě umožňují hospodárnější využití rozhlasového pásma, tedy snižují nároky na potřebný počet frekvencí, a v určitém směru usnadňují obsluhu přijímače. Jejich aplikace je však smysluplná jen v relativně malém počtu specifických případů. V oblastech překryvu vždy dochází k poklesu kvality reprodukce. Limitujícím faktorem je i ekonomické hledisko - cena návrhu a technologie v porovnání s velikostí a ekonomickým významem dokrývaného území.

Článek vznikl jako samostatná práce, nikoli jako překlad zahraničního zdroje. Použité názvosloví nemusí být všeobecně zažité.