: архив : архив журнала "625" : 1995 : #3

Цифровой звук в телевизионном вещании. Кодер
Константин Быструшкин

Прежде всего отметим, что способы обработки и технологические приемы, используемые в системе NICAM, во многом подобны тем, что применяются в системах на компакт-дисках. И это не случайно, поскольку цифровым методам присущи многие общие черты, уже упомянутые в серии статей, посвященных цифровым методам обработки изображений. Здесь будет и канальное кодирование, и перемешивание, и скремблирование, и специальные символы защиты от ошибок. Поэтому перейдем к принципу построения кодера NICAM.

Предыскажения

Любая система записи и передачи сигналов звука, впрочем и видео, не обходится без системы предыскажений (Pre-emphasis), выравнивающей (поднимающей) частотную характеристику в области высоких частот. Подобная система применяется и в NICAM. Выполнена она в полном соответствии с рекомендациями МККТТ (CCITT) и предусматривает подъем ЧХ, начиная с частоты 800 Гц, на 6,5 дБ.

Аналого-цифровое преобразование

После того, как предыскажения выполнены, осуществляется преобразование аналогового звукового сигнала в цифровой - Analogue-to-Digital (A/D) Conversion. В предыдущей статье уже отмечалось, что в NICAM используется дискретизация с частотой 32 кГц и уровневое квантование - 14 бит. Частота 32 кГц является наименьшей частотой дискретизации для сигналов с полосой не более 16 кГц. Все компоненты с частотой выше названной будут при дискретизации искажены, поэтому их следует исключить. Вот почему в каналах L (левый) и R (правый) перед входом в АЦП устанавливаются фильтры с точной частотой среза 15 кГц. При уровневой дискретизации в 14 бит передается информация о 16238 независимых комбинациях уровня звука. В АЦП сигналы каналов L и R объединяются и далее передаются в общем потоке.

Цифровое сжатие

Сжатие информации, уплотнение, сокращение избыточности, компрессия - это различные термины, определяющие, в общем-то, одно и то же. Причем сжатие - прием распространенный и в аналоговых системах. Однако с особой пользой он проявил себя все же в цифровых. Как уже подчеркивалось, при 14-битовом уровневом кодировании информационные потоки звуковых сигналов, применительно к системе NICAM, велики и сжатие становится необходимым. Оно выполняется за счет вычеркивания несущественной составляющей, которая, к тому же, частично восстанавливается на приемной стороне системы. Вся "игра" строится на различном "удельном весе" битов различных разрядов. Так, ошибки в битах младших разрядов, несущих информацию о меньших уровнях, чем биты старших, менее заметны. К примеру, бит самого младшего разряда может повлиять на конечный результат не более как одна часть из 16000 нечетных символов. Если и можно говорить о заметности таких искажений, то лишь в случаях очень тонких и тихих пассажей. Для громкого звука или быстрых переходов между различными уровнями подобные потери никакой роли не играют.

Сам процесс сжатия начинается с анализа старших битов. При этом 14-й всегда пропускается без изменений, поскольку несет значащую информацию. Следующий за ним 13-й бит вычеркивается, если по значению он совпадает с предшествующим. Вычеркивается и 12-й бит при совпадении с предшественниками. Процесс вычеркивания продолжается вплоть до 10-го бита при условии, что значения всех их одинаковы. Таким образом, вместо 5 старших битов будет передан 1, а все слово сокращается до 10 бит. Надо сказать, что ситуация, когда значения 5 старших битов совпадают не такая уж редкая! Вычеркивания старших битов продолжается до первого несовпадения, допустим это 11-й бит. Тогда вычеркнутыми оказываются только два старших разряда 13-й и 12-й. Чтобы при этом сократить кодовое слово до 10 разрядов прибегают к упомянутому выше отсечению недостающих разрядов среди самых младших. В принципе, вычеркнутая информация может быть восстановлена, если декодер (приемник) будет извещен о действиях компрессора. Этой цели служат специальные масштабные коэффициенты. Однако они несут данные о действиях компрессора со стороны старших разрядов, информация о младших теряется безвозвратно. Но, за редкими исключениями, такие потери несущественны.

Защита и масштабный коэффициент

Если сжатие нельзя приписать к специфике цифрового кодирования, то применение специальных средств защиты информации относится к его несомненным преимуществам. В системе NICAM применены несколько приемов обработки сигналов, которые были описаны в журнале 625 в серии статей о цифровом телевидении.

Блок защиты от ошибок, основная задача которого - введение проверочных или защитных символов (Add Parity), открывает это звено кодера. В рассматриваемой системе используется, пожалуй, простейший прием: вводится бит четности. Он добавляется к 10-битовому кодовому слову, превращая его в 11-битовую кодовую посылку. Этот бит четности позволяет проверить в декодере точность передачи 6 старших бит кодового слова.

В этом же блоке в цифровую последовательность вводятся так называемые масштабные коэффициенты, назначение которых - передача данных о вычеркнутых в процессе сжатия старших битах. Масштабные коэффициенты - 3-битовые кодовые слова, простое замешивание которых в общий цифровой поток восстановило бы 14-битовые посылки и лишило смысла все проделанное. Естественно, для передачи масштабных коэффициентов применены некоторые хитрости. Однако, прежде чем коротко остановится на них, заметим, что из 8 возможных комбинаций, передаваемых 3-битовой посылкой, информацию о вычеркнутых битах несут только 5, оставшиеся 3 - резервные.

Для передачи масштабных коэффициентов 11-битовые слова объединяются в блоки по 32 слова. Каждому блоку придается один масштабный коэффициент, несущий лишь усредненную информацию. В действительности все, что масштабный коэффициент сообщает декодеру - это данные о максимальной выборке в старших битах. При достаточно высокой коррелированности сигналов звука распределение одного коэффициента на блок из 32 слов вряд ли можно считать опасной затеей. Тем более, что масштабный коэффициент, в принципе, передается достаточно часто - примерно два раза в интервале миллисекунды, что вполне достаточно для отслеживания быстрых уровневых переходов звукового сигнала. Такая система передачи масштабного коэффициента получила название "бегущей апроксимации" или по английски Near-Instantaneous, что нашло отражение в полном названии цифровой системы передачи звука в составе вещательного ТВ сигнала. Впрочем, самое время привести полную расшифровку аббревиатуры NICAM, поскольку основные образующие ее понятия уже рассмотрены: Near-Instantaneously Companded Audio Multiplex.

Наконец упомянем, пожалуй, о самом любопытном из используемых ухищрений: данные о масштабном коэффициенте передаются с помощью проверочных битов четности и не требуется ввода в поток данных дополнительных битов, пусть и незначительно (3 бита на каждые 352) расширяющих этот поток. Фокус заключается в изменении полярности битов четности, выполняемом по достаточно сложному правилу в соответствии со стандартизованной таблицей. Она хранится в кодере и декодере. Благодаря этому, обе стороны системы, передающая и приемная, говорят на одном языке и вполне понимают друг друга.

Структура потока данных

В блоке сжатия и введения защитных символов завершается формирование цифрового потока, несущего информацию о звуковом сопровождении. Этот поток разбит на 11-битовые кодовые слова. Допустим на время, что они передаются один за другим непрерывной последовательностью. Счетчик в приемнике отсчитывает каждые 11 импульсов и затем разделяет слова, что позволяет восстановить отсчеты звукового сигнала и затем его аналоговую форму. Все это хорошо в системе без сбоев. А если он произошел? Как в этом случае узнать с каким словом и в каком его месте имеет дело система? В языке, на котором мы разговариваем, слова объединяются в предложения, отделяемые специальными знаковыми символами. Да и само предложение несет многие элементы без определенного информационного содержания, но обладающих указующими служебными функциями, упорядочивающими расшифровку последующей комбинации. Это лингвистическое отступление должно пояснить, почему надо структурировать цифровые информационные потоки или по иному - разбивать его на предложения.

На выход блока сжатия поступает уже полностью структурированный поток со всей полезной и служебной информацией. Все необходимое для окончательного структурного оформления добавляется в поток по ходу дела в предшествующих звеньях, поэтому специального блока формирования больших блоков или предложений в NICAM не предусмотрено. Мы его вводим в блок-схему из формальных соображений, как хороший повод сказать несколько слов о структуре цифрового потока рассматриваемой системы.

Основная часть "найкамовского" предложения содержит два блока по 32 слова, т.е. по блоку на каждый L и R каналы. Итак, в предложение объединяются 64 слова, содержащие 704 информационных бита. Слова, относящиеся к разным каналам чередуются. Информационному блоку предшествует преамбула со служебной информацией - ее объем 24 бита. Поэтому общая длина структурного элемента или предложения - 728 бит, длительность соответствующей посылки - 1 миллисекунда. Общий поток, соответственно, - 728 кбит/с.

Одно из значений английского слова Frame - структура, элемент структуры. Его используют в материалах по NICAM для определения передаваемого предложения. В дальнейшем и мы используем русскоязычную кальку "фрейм" в тех же целях.

От преамбулы фрейма зависит очень многое. Прежде всего следует четко обозначить начало фрейма. Эту функцию выполняет регулировочное (Frame Aligment Word) или синхронизирующее слово объемом 8 бит. Для него используется одна из редко встречающихся комбинаций символов: 01001110. Даже при наличии серьезного сбоя система, опознав регулировочное слово и тем самым начало фрейма, может спокойно продолжить работу. Однако главное в том, что такая комбинация должна встречаться строго периодически через каждые 728 бит. Любые отклонения от этого закона могут означать только ошибку!

Вслед за регулировочными идут 5 битов, используемых для управления (Control) декодером и переключений. Начальный бит C0 - флаговый. Для первых 8 фреймов ему придается значение 1, для последующих восьми - 0. Этим фреймы-предложения разбиваются на абзацы по 16 фреймов, чем облегчается синхронизация и опознавание при наличие достаточно существенных изменений.

Биты C1, C2, C3 несут управляющую информацию. Так, передача стереозвукового сигнала с чередующимися выборками отмечается комбинацией 000, а двух независимых монофонических каналов - 010. При передаче, например, только одного монофонического канала и канала данных используется комбинация 100, а 110 - при передаче только данных. Различать названные режимы передачи следует потому, что чередование кодовых слов различно для стереофонии, двухязыкового сопровождения и передачи данных, поэтому будут различаться и переключения в декодере. Если присмотреться к приведенным кодовым комбинациям, можно заметить, что во всех случаях бит C3 сохраняет неизменное значение 0 - и это не случайно: он резервный и предназначен для обозначения будущих версий звука и данных. Еще один бит - C4 - передается как 0, если канал NICAM переносит тот же звуковой сигнал, что и основной с частотной модуляцией, в иных случаях ему приписывается 1.

За 5-битовым словом Control следует 11-битовый блок дополнительной информации (Additional Data), который в настоящее время ничего полезного не несет и зарезервирован на будущее.

Перемешивание

Вслед за блоком защиты используются два блока, обеспечивающие дополнительные меры защиты - это перемешивание и скремблирование. Между этими операциями есть много общего и по сути, и по исполнению. Однако в системе NICAM их все же следует различать по преследуемым целям. В реальных системах возможно возникновение групповых помех, когда поврежденными оказываются относительно большие фрагменты сигнала. Причины возникновения групповых помех могут быть самыми различными. В частности, серьезную опасность представляет импульсная интерференция, весьма вероятная при длительных периодических последовательностях в составе аналогового сигнала. Возможны и другие причины возникновения поражений, для которых система защиты с помощью проверочных символов недостаточно эффективна и надежна. Перемешивание - довольно эффективное средство борьбы с групповыми поражениями и импульсной интерференцией. Правда, NICAM не столь подвержена искажениям, как, к примеру, системы на компакт-дисках, DAT и т. п. Поэтому здесь достаточно относительно простых средств.

В основе процесса перемешивания (Interleaving) лежит оперативная запись и считывание данных. Первая операция, естественно, выполняется последовательно с поступлением данных, вторая - произвольно. Конечно произвол этот должен быть упорядочен, чтобы декодер понимал содеянное в кодере. По этой причине выборка данных производится по псевдослучайной, но известной последовательности. Поскольку требования к мощности защиты достаточно умеренны, объем используемой памяти и степень сложности закона выборки не требуют сложных решений. В итоге перемешивания биты, бывшие ранее соседними, будут разделены не менее чем 15 другими битами, до этого далекими. Этим достаточно сильно разрушается корреляция, характерная для исходного потока данных. Групповая ошибка размазывается по довольно широкому интервалу слов, а в восстановленном сигнале - времени. Известно, что такие распределенные ошибки существенно менее заметны. Возрастает, притом заметно, эффективность восстановления информации при проверке на четность с помощью защитных битов, а также систем маскирования ошибок.

Скремблирование

Рассредоточение данных, которое осуществляется операцией перемешивания, призвано разрушить внутреннюю коррелированность звуковых сигналов. Следующая операция, выполняемая скремблером (Scrembler) выравнивает спектрально-энергетические характеристики сигнала, передаваемого в эфир. Полезный эффект и в этом случае достигается применением псевдопроизвольной последовательности рассредоточения бит. Технически это выполняется с помощью регистра сдвига с несколькими ответвлениями.

[продолжение следует]