2017-12-16
514
Эта система разработана фирмой Zenith, США. С марта 1984 года она распространяется по всей территории США, и является развитием системы с пилот-тоном, применяемой в радиовещании. Низкочастотную часть комплексного стереосигнала КСС (Рис. 5.11) образует сумма сигналов стереопары М=(Л+П)/2, каждые с полосой частот 40...15000 Гц. Надтональная часть КСС представляет собой колебание амплитудной модуляции. Частота поднесущей f ПН1=2 f СТР=31,468 кГц. Модулирующим сигналом является разностный сигнал S=(Л-П)/2, также с полосой частот 40...15000 Гц. Частота f ПН1 подавлена не менее, чем на 40 дБ. Для ее восстановления в приемнике в КСС введен пилот-тон с частотой f ПТ= f СТР=15,734 кГц.
Рис. 5.11
Сигнал S=(Л-П)/2 компрессируется в компрессоре компандерной системы dbх, обеспечивающей выигрыш в помехозащищенности для сигнала S около 30 дБ. Предыскажению подвергается только сигнал М (t =75 мкс). Полоса частот КСС равна 40...46468 кГц, Пиковая девиация несущей передатчика звука сигналом М составляет ±25 кГц, сигналом S – соответственно ±50 кГц, сигналом пилот-тона ±5 кГц.
В системе ЧМ-АМ BTSC организованы также два дополнительных ЧМ-канала: один из них служит для передачи сигналов радиовещания с полосой частот 50 Гц...10 кГц, второй - для передачи дополнительной информации. Полоса модулирующих частот в канале дополнительной информации равна 300...3400 или 0...1500 Гц при передаче соответственно речевых сигналов, и сигналов данных. Поднесущие частоты дополнительных каналов соответственно равны f ПН2=5* f СТР и f ПН3=5,5* f СТР. Пиковая девиация частоты f ПН2 составляет ±10 кГц, пиковая девиация несущей передатчика звука этим ЧМ-сигналом ±15 кГц. Пиковая девиация поднесущей f ПН3 сигналом речь/данные равна ±3 кГц. Полоса частот, занимаемая полным сигналом с учетом дополнительных каналов, составляет 0,04...120 кГц. Этим уплотненным КСС модулируется по частоте несущая передатчика звука с общей девиацией ±75 кГц. При этом полоса частот радиоканала составляет Δ f РК ≈ 2*(f B+Δ f Д)= 2*(120+75)=390 кГц.
Для таких параметров качества, как переходное затухание и коэффициент гармоник, данные, приведенные в табл.5.1 внушают некоторое сомнение [25]. Об этом свидетельствует их значительный разброс в разных источниках. Эти цифры должны составлять соответственно 35...40 дБ и не более 1%. Параметры качества, реализованные в системе ЧМ-АМ BTSC, вполне достаточны для передачи высококачественных стереофонических сигналов.
Г. Система NICAM-728
Эта система реализует цифровой метод передачи сигналов стереозвука. Ее основные характеристики даны в табл. 5.2.
Система NICAM-728 была представлена в 1987 году и вошла в эксплуатацию в 1988 году. Прежде, чем о системе NICAM всерьез заговорили, как о вполне реальной системе передачи звукового сопровождения в телевизионном вешании с использованием цифрового кодирования, по крайней мере, в рамках европейских стандартов, была проведена серия испытаний системы в различных условиях, причем испытаний достаточно жестких и пристрастных. Окончательная оценка оказалась очень высокой. Первый и самый важный вывод: несмотря на заметное понижение параметров дискретизации и уровневого кодирования, качество звука, в том числе стереофонического, воспроизводимого на приемном конце, оказалось достаточно высоким, чтобы отнести систему к классу Hi-fi. Приятным дополнением к этому следует считать невероятно высокую устойчивость системы при слабых сигналах на входе приемника. Многократные проверки надежно показали, что по системе NICAM удается воспроизводить стереозвуковое сопровождение вполне приемлемого качества при входном сигнале настолько слабом, что изображение можно зафиксировать с большим трудом, а аналоговый звук практически не прослушивается.
В системе NICAM принято 10-битное уровневое квантование и частота дискретизации 32 кГц. Снижение частоты дискретизации реализовано до наименьшей, при которой еще возможно точное восстановление сигнала с полосой 15-16 кГц (эту частоту часто называют частотой Найквиста). Однако, как упоминалось, из-за высокочастотных (выше 16 кГц) составляющих исходного звукового сигнала весьма вероятны заметные и ухудшающие качество звука фазовые искажения. Поэтому очень важно еще до ввода в систему, за счет фильтрации с резким на 15 кГц срезом и с глубоким подавлением всех составляющих выше 15 кГц, "устранить" этот источник вероятных фазовых ошибок, способный проявиться уже в первом же звене системы - блоке предыскажений.
Уровню кодирования 10 бит соответствует отношение сигнал/шум около 60 дБ, что для высококачественного звукового канала явно мало. Однако известен и неоднократно использовался прием, именуемый постоянным "смешением строки развертки". Здесь же отметим, что в рамках информационного потока 320 кбит/с, соответствующего 10-битному квантованию, можно поднять качество до уровня 14-битного. При этом отношение сигнал/шум возрастает до 76 дБ. Общий поток звуковой информации в двух каналах - 640 кбит/с, а с учетом проверочных символов и другой служебной информации, необходимой для зашиты информации и точного восстановления сигнала в приемнике, общий поток возрастает до 728 кбит/с. По этой причине рассматриваемую цифровую систему передачи звука называют NICAM 728. Заметим, что этот полный поток совпадает с потоком только звуковой информации лишь по одному каналу по студийному стандарту.
Для передачи звука используются две несущие частоты. Одна из них (Рис. 5.12), основная f Н.ЗВ1, модулируется по частоте аналоговым монофоническим сигналом М звукового сопровождения телевизионной программы. Вторая, дополнительная несущая f Н.ЗВ2, модулируется цифровым стереофоническим сигналом. Значения несущих звука отстоят от несущей частоты изображения f Н.ИЗ соответственно: для систем телевизионного вещания B и G - на 5,5 и 5,85 МГц (канал ТВ с полосой частот 7 МГц), для системы I (канал ТВ с полосой частот 8 МГц) - на 6,0 и 6,552 МГц.
Рис. 5.12
Уровень мощности несущей f Н.ЗВ1 составляет -10…-13 дБ от максимальной мощности несущей изображения, уровень мощности несущей f Н.ЗВ2 - соответственно -20 дБ. Для передачи цифрового сигнала используется четырехпозиционная фазовая манипуляция (4-ФМ или QPSK) второй несущей звука. Скорость передачи цифрового потока 728 кбит/с, полоса частот радиоканала несущей f Н.ЗВ2 около 728 кГц при NICAM-I и 510 кГц при NICAM-B.
После введения предыскажений каждый из сигналов Л и П стереопары преобразуется в цифровую форму, с частотой дискретизации 32 кГц, разрядностью 14 бит и равномерным квантованием. После этого оба цифровых потока сжимаются и объединяются в один в кодере NICAM (Рис. 5.13).
Для компрессии используется метод почти мгновенного компандирования с преобразованием 14/10 бит. В результате каждое кодовое слово отсчета содержит 10 бит, к нему добавляется в конце бит четности P (одиннадцатый бит), перед ним расположен старший бит (MSB), а в самом начале кодового слова - младший бит (LSB). Структура данных цифрового потока на выходе кодера NICAM будет пояснена позже.
Рис. 5.13.
После форматирования цифровой поток данных подвергается процедуре помехоустойчивого кодирования для защиты от групповых ошибок путем перемежения символов. После перемежения передаваемая последовательность битов скремблируется по модулю 2 путем добавления псевдослучайной бинарной последовательности (ПСБП). При этом первый бит ПСБП добавляется к биту, который следует сразу за словом цикловой синхронизации каждого кадра. Скремблирование применяется для более равномерного распределения энергии в полосе частот радиоканала. Оно необходимо также для устранения возможного случайного появления цифровых последовательностей, соответствующих словам синхронизации, при передаче постоянно изменяющихся во времени цифровых аудиосигналов.
Далее, цифровой поток, имеющий скорость 728 кбит/с, подвергается дифференциальному кодированию (ДК), чтобы при радиоприеме можно было бы использовать не только синхронную демодуляцию, но и более простую фазоразностную. Сформированные по специальной процедуре в ДК цифровые потоки проходят фильтры нижних частот ФНЧ1 и ФНЧ2, и далее поступают на модулятор (Quadrature Phase Shift Keying, QPSK), где переключают фазы двух ортогональных несущих sinwt и coswt, которые затем суммируются., образуя фазомодулированный сигнал с четырьмя положениями фазы несущего колебания: 45°, 135°, 225°, 315°. Четырехпозиционная ФМ реализуется здесь с помощью двух модуляторов ФМ1 и ФМ2, каждый из которых является двухпозиционным. Полоса частот радиоканала ограничивается фильтрами с косинусоидальной формой амплитудно-частотной характеристики.
Таблица 5.2. Основные характеристики системы NICAM-728
| Наименование характеристики | Значение параметра |
| Частота несущей звука относительно несущей изображения, МГц | 5,85 - для систем B, G, H (полоса радиоканала 7 МГц) |
| 6,552 - для систем I (полоса частот радиоканала 8 МГц) | |
| Уровень мощности несущей звука относительно несущей изображения, дБ | -20 |
| Отношение пик-мощности видеонесущей к модулированному цифровому сигналу | 100:1 |
| Значение фазы несущей звука, град, от сочетаний пары двоичного кода на входе QPSK-модулятора: | |
| 0 (изменений нет) | |
| -90 | |
| -270 | |
| -180 | |
| Полоса частот радиоканала на уровне -30 дБ, кГц | около 700 |
| Суммарная скорость передачи, кбит/с | |
| Формат передачи | по кадрам |
| Длина (размер) кадра, бит | |
| Время передачи кадра, мс | |
| Перемежение информационных битов при передаче звука/данных (защита от групповых ошибок) | имеется |
| Скремблирование | имеется |
| Параметры звука: | |
| полоса частот звуковых каналов, Гц; | 40...15000 |
| частота дискретизации, кГц; | |
| разрядность, бит | |
| разделение каналов, дБ, не менее | |
| перегрузка на частоте 2 кГц, дБ, не более: | |
| для системы I | +14,8 |
| защита от ошибок | 1 бит четности/отсчет |
| Передача стереосигнала | левый канала - выборки с нечетными номерами блоков правый канал - выборки с четными номерами |
| Передача моносигнала | моносигнал М1 - выборки с нечетными номерами моносигнал М2 - выборки с четными номерами |
| Порядок передачи битов в кодовом слове | первый - младший разряд, предпоследний - старший разряд, последний - бит четности |
Аудиофрейм (или кадр) кодера NICAM состоит из 728 бит. Время передачи фрейма 1 мс. При стереопередаче каждый фрейм содержит попеременно кодовые слова отсчетов левого и правого сигналов стереопары. Почти мгновенное компандирование выполняется отдельно для выборок сигналов Л и П стереопары. Каждая такая выборка содержит 32 отсчета. В каждой выборке определяется максимальный отсчет, и далее по его величине определяется одно из возможных пяти значений масштабных коэффициентов (МК). Для передачи МК используется трехсимвольный код. При этом имеется пять диапазонов уровней и соответственно пять значений МК.
При передаче высоких уровней сигнала в исходных 14-битных кодовых словах отбрасываются четыре малозначимых младших бита. При передаче малых уровней не передаются неизменяющиеся старшие биты. Масштабные коэффициенты содержат информацию о том, сколько и какие именно разряды в исходном 14-разрядном кодовом слове отбрасываются при передаче в каждом из диапазонов изменения уровней звуковых сигналов. При такой передаче потеря малозначимых битов обнаруживается лишь тогда, когда они несут слишком тихую, практически неслышимую информацию.
Передача МК осуществляется путем изменения по специальной процедуре битов четности P в кодовых словах сигналов Л и П.
В декодере прежде всего с помощью мажоритарной логики получают значения МК, затем восстанавливают биты четности, необходимые для обнаружения ошибок в пяти старших (наиболее значимых) разрядах кодовых слов.
Для защиты от пакетов ошибок, кроме добавления бита четности к каждому кодовому слову, используется также временное перемежение символов в части аудиофрейма (кадра), содержащей кодовые слова отсчетов звуковых сигналов или цифровых данных. Биты синхронизации FAW, контрольной информации C и дополнительных данных AD не перемежаются.
Рассмотренный выбор параметров цифрового кодирования для системы NICAM позволил, оставаясь в пределах стандартной полосы телевизионного вещательного канала 8 Мгц, обеспечить полосу частот звука 20 Гц - 15 кГц в каждом из двух звуковых каналов. Эти каналы, естественно и прежде всего, могут быть использованы для стереофонического звукового сопровождения. Разделение этих каналов, что следует специально подчеркнуть, - абсолютное. Поэтому возможно и двуязычное звуковое сопровождение, свободное от перекрестных помех. И еще, система NICAM полностью отделена от стандартного аналогового звукового канала с ЧМ-модуляцией и не создает помех при приеме по этому каналу. Таким образом, требование совместимости с существующей системой передачи звукового сопровождения выполнено, а сигнал NICAM врезан в стандартный видеосигнал.
Успешные испытания системы NICAM открыли вполне реальные пути внедрения цифровых методов кодирования и обработки в вещательные каналы, а так же доказали, что внедрение цифрового звука в телевизионном вещании - задача, решаемая сегодня. Более того, в Великобритании и Франции уже ведется регулярное телевизионное вешание с использованием системы NICAM.
Система NICAM 728 разрабатывалась с расчетом на ее применение во всех стандартах цветового кодирования с разложением 625/50, т.е. с расчетом на PAL В, С, Н & I и SECAM D&K. Параметры этой системы стандартизованы Европейским радиовещательным союзом - EBU. Систему NICAM уже приняли, помимо упомянутых Великобритании и Франции, Бельгия, Дания, Испания, Норвегия, Финляндия, Швеция, Гонконг, Новая Зеландия. Кроме этого, Югославия, Индия и Сингапур, ведущие ТВ вешание по стандартам PAL и Венгрия - по SECAM проявили интерес к NICAM.
Качество каналов звука в системе NICAM-728 удовлетворяет требованиям Рек.J.21 МККТТ. Однако, применение в России этой системы в настоящее время не оправдано из-за широкой полосы частот радиоканала f Н.ЗВ2 (около 700 кГц). Вследствие этого, да и по ряду других причин, связанных с возможностью последующего введения многоканальной стереофонии типа "домашний театр" и расширения сервисных услуг, использование системы NICAM-728 сегодня не представляется оправданным. Несмотря на усиленную рекламу изготовителей этой аппаратуры, она не получает дальнейшего распространения в мире.
