W analogowym radiu dwa silne nadajniki pracujące na tej samej częstotliwości zwykle oznaczają kłopot. Ich sygnały docierają do anteny z różnymi opóźnieniami i fazami, więc zamiast pomagać sobie, mogą powodować zniekształcenia oraz zaniki. Dlatego sąsiednie nadajniki FM tego samego programu często otrzymują różne częstotliwości.
W DAB+ sytuacja może wyglądać odwrotnie. Wiele nadajników emituje ten sam cyfrowy multipleks na dokładnie tym samym kanale, a odbiornik potrafi potraktować ich sygnały jak użyteczne kopie. Taka konstrukcja nosi nazwę sieci jednoczęstotliwościowej, czyli SFN. Nie jest to jednak zwykłe włączenie kilku urządzeń na jednej częstotliwości. Nadajniki muszą działać jak precyzyjnie zsynchronizowany zespół.
Jedna częstotliwość zamiast układanki kanałów
W klasycznej sieci wieloczęstotliwościowej każdy obszar pokrycia otrzymuje inny kanał, aby sąsiednie nadajniki nie przeszkadzały sobie w strefie nakładania sygnałów. Ten sam program jest dostępny w wielu miejscach skali, a radio samochodowe musi znaleźć właściwą częstotliwość po przejechaniu do kolejnego regionu. RDS ułatwia takie przełączanie w FM, lecz nie zmienia podstawowej zasady planowania.
W sieci SFN wszystkie nadajniki w danym obszarze korzystają z jednego kanału. Oficjalny standard ETSI EN 300 401 definiuje SFN jako sieć nadajników DAB współdzielących tę samą częstotliwość w celu objęcia dużego terenu. Oznacza to oszczędniejsze wykorzystanie widma, ale także prostsze zachowanie odbiornika: w granicach tej samej sieci nie musi on szukać nowego kanału tylko dlatego, że zmienił się najbliższy maszt.
Dlaczego cyfrowe sygnały nie zderzają się ze sobą?
Kluczem jest modulacja OFDM. Strumień danych nie jest przenoszony przez jedną szybką nośną, lecz rozdzielany między wiele wolniejszych, wzajemnie ortogonalnych podnośnych. W używanym naziemnie trybie I systemu DAB pracują 1536 podnośne rozstawione co 1 kHz. Każda przenosi niewielką część informacji przez stosunkowo długi symbol.
Według wytycznych EBU dotyczących planowania sieci DAB użyteczna część symbolu w trybie I trwa 1000 mikrosekund, a poprzedza ją odstęp ochronny o długości 246 mikrosekund. Odbiornik nie zaczyna więc odczytywania danych natychmiast po nadejściu pierwszej kopii sygnału. Konstrukcja symbolu zostawia kontrolowaną przestrzeń na kopie docierające chwilę później.
Echo może stać się dodatkowym nadajnikiem
W mieście fala odbija się od budynków, wzgórz i innych przeszkód. Do anteny dociera drogą bezpośrednią oraz kilkoma dłuższymi trasami. W analogowym FM takie echo może pogorszyć odbiór. OFDM z odstępem ochronnym zaprojektowano tak, aby odbiornik znosił opóźnione kopie, o ile mieszczą się w dozwolonym oknie czasowym.
Sieć SFN wykorzystuje dokładnie ten sam mechanizm. Sygnał z dalszego nadajnika wygląda dla odbiornika jak jeszcze jedna opóźniona kopia. EBU podkreśla jednak trzy warunki: nadajniki muszą emitować identyczne bity, na tej samej częstotliwości i we właściwym czasie. Jeżeli warunki są spełnione, sygnały w strefie nakładania pokrycia mogą się konstruktywnie uzupełniać zamiast walczyć o odbiornik.
Synchronizacja ważniejsza niż wspólny program
Nie wystarczy, że ze wszystkich masztów słychać tę samą audycję. Nadajniki muszą otrzymać identyczny, kompletny multipleks, obejmujący wszystkie programy, dane i informacje usługowe. Ramki muszą zostać wypromieniowane w ściśle wyznaczonych chwilach, a częstotliwości nośne nie mogą swobodnie się rozjeżdżać.
Do nadajników dostarcza się więc wspólny strumień dystrybucyjny oraz odniesienie czasu i częstotliwości. W praktycznych instalacjach źródłem synchronizacji może być system satelitarny GNSS, który zapewnia impuls sekundowy oraz wzorzec częstotliwości. Łącza doprowadzające sygnał do różnych obiektów mają odmienne opóźnienia, dlatego system mierzy je lub kompensuje. Dokument ETSI TR 101 496-3 opisuje wymagania czasowe dla sieci DAB i traktuje nagłe zmiany opóźnienia transmisji jako poważne zakłócenie pracy SFN.
Operator może też celowo opóźnić emisję z wybranego nadajnika. Brzmi to paradoksalnie, ale odpowiednio dobrana zwłoka przesuwa obszar, w którym sygnały mieszczą się w odstępie ochronnym. Pomaga to dopasować sieć do ukształtowania terenu, mocy obiektów i kierunków, z których najczęściej nadchodzą fale.
Odstęp ochronny nie jest nieskończony
Fala radiowa w 246 mikrosekund pokonuje około 74 kilometrów. Nie oznacza to jednak, że dowolne dwa nadajniki DAB+ można bezpiecznie rozstawić dokładnie co 74 kilometry. Dla odbiornika liczy się różnica długości dróg przebytych przez poszczególne sygnały, a nie sama odległość między masztami. Znaczenie mają również teren, wysokość anten, moce nadajników, charakterystyki promieniowania oraz sztucznie wprowadzone opóźnienia.
Jeżeli silna kopia dotrze zbyt późno, znajdzie się poza odstępem ochronnym i zacznie zakłócać odczyt kolejnego symbolu. Wtedy ten sam nadajnik, który w jednym miejscu wzmacnia sieć, w innym może stać się źródłem interferencji wewnętrznej. zalecenie ITU-R BS.1660 poświęca planowaniu takich sieci osobne kryteria, ponieważ poprawny wynik zależy od obliczeń propagacyjnych, a nie tylko od synchronizacji urządzeń.
Co SFN daje słuchaczowi?
Najbardziej odczuwalną korzyścią jest ciągłość odbioru w ruchu. Samochód może oddalać się od jednego nadajnika i zbliżać do drugiego bez klasycznego przełączania częstotliwości. Odbiornik nadal demoduluje ten sam kanał i ten sam multipleks. W obszarze, w którym sygnały docierają poprawnie, dodatkowy nadajnik może wypełnić cień powstały za wzgórzem albo między budynkami.
Sieć może też zyskać statystycznie. Gdy jeden sygnał słabnie wskutek lokalnego przesłonięcia lub zaniku, inny może pozostać wystarczająco silny. EBU opisuje ten efekt jako zysk sieciowy: prawdopodobieństwo uzyskania wymaganej jakości rośnie dzięki połączeniu kilku niezależnie zmieniających się składowych. Nie w każdym punkcie następuje proste dodawanie mocy, ale cała mapa pokrycia może być bardziej wyrównana.
Dlaczego podobnej sztuczki nie stosuje zwykłe FM?
Analogowy odbiornik FM nie dostaje uporządkowanych symboli z przeznaczonym dla ech odstępem ochronnym. Dwie modulowane nośne o zbliżonej sile mogą prowadzić do interferencji, zniekształceń i gwałtownych zmian jakości. Da się budować synchroniczne sieci FM, lecz wymagają one bardzo ostrożnego projektu i nie oferują takiej odporności jak system cyfrowy stworzony z myślą o pracy SFN.
DAB+ nie łamie praw fizyki. Po prostu koduje dane, dzieli je między wiele podnośnych, dodaje korekcję błędów oraz pozostawia czas na spóźnione kopie. Dzięki temu zjawisko, które w radiu analogowym było przede wszystkim problemem, staje się narzędziem budowania rozległego pokrycia.
Jedna częstotliwość, wiele precyzyjnych zegarów
Sieć jednoczęstotliwościowa może wyglądać z perspektywy słuchacza banalnie: radio pokazuje ten sam multipleks przez całą trasę. Za tą prostotą działa jednak system dystrybucji danych, wzorców czasu, korekcji opóźnień i planowania propagacji. Każdy nadajnik musi przekazać dokładnie tę samą informację w odpowiednim momencie.
To właśnie odróżnia SFN od przypadkowego tłumu nadajników. W dobrze zaprojektowanej sieci sygnał z sąsiedniego masztu nie jest rywalem, lecz kontrolowanym echem. Odbiornik nie musi wiedzieć, z którego obiektu pochodzi dana fala. Wystarczy, że wszystkie kopie dotrą na czas.