: архив : архив журнала "Звукорежиссер" : 2001 : #5

Стереофонический звук в телевизионном вещании, часть 1.
Юрий Ковалгин

Первые экспериментальные телевизионные передачи со стереозвуком были проведены в СССР по системе с полярной модуляцией (ПМ) в 1974 году. К сожалению, у нас эти работы так и не вышли за рамки экспериментальных исследований. Проблема введения стереофонии в телевизионное вещание поднималась в России специалистами многократно в течение последних пятнадцати лет, но каждый раз ее решение упиралось не в технические, а в экономические и организационные проблемы. Сегодня мы имеем ситуацию, когда введение стереофонии в телевидение для России является уже не столько технической, сколько политической проблемой, так как в большинстве развитых стран она успешно решена.

Предварительно рассмотрим основные форматы передачи сигналов стереозвука в телевизионном вещании. Наибольшее распространение в наземном телевидении получили следующие системы стереофонического сопровождения: ЧМ-ЧМ (Япония); ЧМ с двумя несущими звука (Германия); ЧМ-АМ BTSC (США); NICAM (Англия). Здесь указаны страны-разработчики данных систем.

Рис.1a

Система ЧМ-ЧМ
Распространение получил вариант, принятый в Японии, где передачи телепрограмм со стереозвуком ведутся с 1970 года. В стереокодере передатчика звука формируется комплексный стереофонический сигнал (КСС), которым модулируется несущая передатчика по частоте. Он (Рис. 1а) содержит две части: низкочастотную, представляющую собой сигнал М=(Л+П)/2, где Л и П - левый и правый сигналы стереопары, и надтональную. С ее помощью передается разностный сигнал S = (Л-П)/2 стереопары. Полоса частот сигнала М равна 50...15000 Гц. Передача сигнала S осуществляется путем частотной модуляции поднесущей частоты f_ПН, частота которой равна удвоенной частоте строчной развертки телевизионного приемника f_ПН=2f_СТР≈31,5 кГц.

Для улучшения отношения сигнал/шум в канале S применена компандерная система с коэффициентом компрессии 5/4, временем установления 1 мс, временем восстановления 150 мс. Девиация поднесущей частоты fПН сигналом S равна ±10 кГц. Чтобы избежать проникновения боковых компонент ЧМ-колебания в полосу частот канала М, спектр надзвуковой части КСС резко ограничивают в пределах ±15 кГц от значения f_ПН. Диапазон модулирующих частот в канале S ограничен частотой F_В=12…14 кГц.

Для компенсации времени задержки сигнала S фильтром с частотой среза 12…14 кГц аналогичная задержка вводится и в сигнал канала М. Девиация несущей передатчика звука сигналом модулированной поднесущей частоты составляет ±20 кГц, сигналом М соответственно ±25 кГц. Постоянная времени RC-цепи частотных предыскажений t=75 мкс. Для идентификации режима работы (моно/стерео) передатчика звука и для автоматического переключения приемных устройств дополнительно введен пилот-сигнал на частоте f_ПС=3,5f_СТР =55,125 кГц. Он модулируется по амплитуде тональным сигналом, частоты которого равны 982,5 Гц (стереозвук) и 922,5 Гц при передаче двух разных звуковых сигналов. Глубина модуляции пилот-сигнала m=0,6; максимальная девиация несущей передатчика пилот-сигналом равна ±2 кГц. Полоса частот радиоканала звука 190…210 кГц.

Параметры систем стереофонического сопровождения вещательного телевидения представлены в таблице 1.

Рис.1б

Параметры качества в системе ЧМ-ЧМ уступают требованиям, которые с позиций сегодняшнего дня предъявляются к качеству канала передачи стереозвука: велики уровень шума и коэффициент гармоник, сужена полоса звуковых частот. По каждому из этих параметров канал передачи не удовлетворяет требованиям Рек. J.21 МККТТ.

Величины этих искажений лежат выше порогов их слуховой заметности. По этой причине использование данной системы в России не представляется оправданным. В других странах, кроме Японии, она также не получила распространения, несмотря на то, что совместимость этой системы является хорошей - несколько десятков миллионов зрителей смотрят телевизионные программы со стереозвуком, и нет жалоб на появление помех в канале изображения.

Система ЧМ с двумя несущими звука
Телевизионное вещание по этой системе ведется в ФРГ с сентября 1981 года. В системе ЧМ с двумя несущими звука (Рис. 1б) предусмотрены три режима работы: моно, стерео, двуязычное сопровождение телевизионной программы.

На основной несущей частоте f_Н.ЗВ1, отстоящей от несущей изображения на 5,5 МГц, передается сигнал M=(Л+П)/2. На дополнительной несущей звука f_Н.ЗВ2, отстоящей от несущей сигнала изображения f_Н.ИЗ на 5,7421875 МГц, передается сигнал П. Обе несущие f_Н.ЗВ1 и _fН.ЗВ2 разнесены на 15,5f_СТР ≈242 кГц. Звуковые сигналы модулируют несущие по частоте с девиацией ±50 кГц. Уровень несущей звука f_Н.ЗВ1 уменьшен относительно несущей изображения на -13 дБ, а несущей f_Н.ЗВ2- соответственно на -20 дБ. Полосы частот радиоканалов звука составляют 130 кГц.

Для опознавания режима работы телевизионной станции введен пилот-сигнал. Его частота равна f_ПС=54,6875 Гц. В режиме моно модуляция пилот-сигнала отсутствует. В режиме стерео пилот-сигнал модулирован по амплитуде тоном частотой 117,5 Гц. При двуязычном сопровождении частота модулирующего сигнала равна 274,1 Гц. Коэффициент модуляции в обоих случаях составляет m=0,5. Пилот-сигнал введен в канал П. Он модулирует несущую звука f_Н.ЗВ2 по частоте с девиацией ±2,5 кГц.

Рис.1в

При проведении экспериментальных передач по данной системе иногда отмечались жалобы телезрителей, что вызывало необходимость подстройки трактов промежуточной частоты части телевизионных приемников, находящихся в эксплуатации. Этот факт требует более внимательного подхода при ее внедрении на действующих сетях.

При адаптации этой системы к формату SECAM, принятому в России, очевидно, что общая полоса частот телевизионного канала превысит 8 МГц. Это обстоятельство затрудняет ее применение в России, несмотря на то, что параметры качества системы в целом достаточны для передачи и приема стереофонических сигналов особенно, если используется телевизионный приемник с параллельными каналами изображения и звука (Табл.1, графа 3). Минусом является и то, что данная система в настоящее время не получает распространения в других странах.

Таблица 1

Наименование параметра	Значение параметра для системы
	ЧМ-ЧМ, Япония	ЧМ с двумя несущими звука, Германия	ЧМ-АМ, BTSC, США	ЧМ-АМ, ПМ, Россия
Полоса звуковых частот, Гц	50...14000	40...15000	40....15000	30...15000
Разделение каналов Л и П, дБ, не менее, в режиме:
стерео	26...31	26...40	26...40	36
две звуковые программы
первый канал:	54	55
на частоте 1000 Гц	-	68	-
на частоте 5000 Гц	-	57	-
второй канал	50	-	-
Отношение сигнал/шум, в режиме стерео	44	-	50...55	40...45
Отношение сигнал/взвешенный шум, дБ
общий канал изображения и звука		44
параллельный канал изображения и звука		44
Помехи изображению	нет	-	нет	нет

Система ЧМ-АМ BTSC
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. 1в) 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=2f_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.

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.

Рис.2а

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 fПН3 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 Δf_РК ≈ 2*(f_B+Δf_Д)= 2*(120+75)=390 кГц.

Для таких параметров качества, как переходное затухание и коэффициент гармоник, данные, приведенные в табл.1 внушают некоторое сомнение. Об этом свидетельствует их значительный разброс в разных источниках. Эти цифры должны, по нашему мнению, составлять соответственно 35...40 дБ и не более 1%. Параметры качества, реализованные в системе ЧМ-АМ BTSC, вполне достаточны для передачи высококачественных стереофонических сигналов.

Система NICAM-728
Эта система реализует цифровой метод передачи сигналов стереозвука. Ее основные характеристики даны в табл.2.

Рис.2б

Система NICAM-728 была представлена в 1987 году и вошла в эксплуатацию в 1988 году. Для передачи звука используются две несущие частоты. Одна из них (Рис. 2а), 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.

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. 2б).

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.

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 2

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:
00	0 (изменений нет)
01	-90
10	-270
11	-180
Полоса частот радиоканала на уровне -30 дБ, кГц	около 700
Суммарная скорость передачи, кбит/с	728
Формат передачи	по кадрам
Длина (размер) кадра, бит	728
Время передачи кадра, мс	1
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;	32
разрядность, бит	14
разделение каналов, дБ, не менее	80
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.

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.

Система с полярной модуляцией
Эта система разрабатывалась в России для радиовещания, но с учетом возможности ее применения и в телевидении. Параметры качества каналов звука для нее даны в графе 5 табл.1 (для телевизионного приемника с параллельными трактами изображения и звука). Но ее внедрение в телевидение сегодня представляется нецелесообразным, во-первых, потому, что и в стереофоническом радиовещании в диапазоне 88...108 МГц в России, странах СНГ и Балтии используется система с пилот-тоном (ПТ), имеющая ряд технологических преимуществ. Во-вторых, в телевидении она (без доработки) не обеспечивает в каналах звука отношения сигнал/помеха, равного 55...60 дБ. Даже при параллельных трактах изображения и звука в телевизионном приемнике эта величина составляет 40...45 дБ, что явно недостаточно.

В перспективе система с пилот-тоном вытеснит систему с полярной модуляцией и из радиовещания. Хотя по предложению СССР система с полярной модуляцией и была рекомендована МККР для использования, в других странах она не применяется.

(Окончание следует…)