: архив : архив журнала "Звукорежиссер" : 2001 : #6

Стереофонический звук в телевизионном вещании
Часть 2
Юрий Ковалгин

Спутниковые системы передачи стереозвука в телевидении

Формат Wegener/Panda-1. В системах Intelsat, Eutelsat, Astra и ряде других для передачи стереозвука широко используется формат Wegener/Panda-1. Сигналы радиовещания и звукового сопровождения телевидения передаются здесь методом частотной модуляции на поднесущих частотах (рис. 1а). На основной поднесущей fПН0, равной 6,5 МГц, передается монофонический сигнал звукового сопровождения телевизионной програмы. Максимальное значение девиации частоты основной поднесущей ±140 кГц. Ее уровень меньше уровня сигнала изображения на 20 дБ. Для передачи дополнительных звуковых сигналов (стереофонического сопровождения телевизионной программы, речевого сопровождения на другом языке, стереофонического радиовещания) вводятся дополнительные поднесущие частоты fПН1, fПН2, ... fПНn. Они имеют девиацию частоты ±50 кГц, их уровень на 6 дБ ниже уровня сигнала основной поднесущей fПН0. Дополнительные поднесущие расположены в интервале частот от 7,02 до 8,46 МГц с интервалом 180 кГц. До модуляции звуковые сигналы в каналах дополнительных поднесущих подвергаются предыскажению с постоянной времени 50 или 75 мкс, и компрессии. Этим сложным сигналом (рисунок 1а) модулируется по частоте несущая спутникового ретранслятора.

Рис. 1а

Рис. 1б

Отношение сигнал/шум в дополнительных каналах звука заметно хуже, чем в основном канале. Для повышения помехозащищенности этих сигналов используется компандерная система Panda-1, ее диаграмма уровней показана на рисунке 1б. С помощью компрессора системы Panda-1 динамический диапазон звуковых сигналов сокращается в два раза, при этом регулирование уровней выполняется с двух сторон: несколько понижаются максимальные уровни, а минимальные уровни повышаются тем значительнее, чем они ниже. Благодаря этому полезный сигнал оказывается приподнятым над уровнем собственных шумов радиоканала. На приемной стороне исходный динамический диапазон сигнала восстанавливается экспандером. Величины коэффициентов передачи компрессора и экспандера здесь зависят не только от уровня входного сигнала, но и от частоты, изменяясь тем значительнее, чем выше частота звукового сигнала.

Важными для нормальной работы компандерной системы являются требование комплиментарности (согласованности) семейств амплитудных характеристик компрессора и экспандера, а также рациональный выбор временных параметров этих устройств. Иначе говоря, основными проблемами здесь являются согласование постоянных времени регулирования коэффициентов передачи компрессора и экспандера, и учет инерционных свойств слуха с тем, чтобы в максимально возможной степени уменьшить слуховую заметность динамических и нелинейных искажений при работе компандера.

Параметры качества каналов звука полностью соответствуют требованиям Рек. J.21 MKKTT. Данный формат обеспечивает высокое качество изображения и звука. Тем не менее, в настоящее время в данном формате осуществляется постепенный переход к цифровым методам передачи звука. В двенадцати каналах на поднесущих частотах формата Wegener (6,12…6,84 и 7,38…8,46 МГц) передача звуковых сигналов станет цифровой, и лишь на поднесущих частотах 7,02 и 7,2 МГц она останется пока в прежнем аналоговом формате.

Системы C-MAC и D2-MAC. Телевизионные стандарты семейства MAC/packet включают две разновидности: C-MAC и D2-MAC. Стандарт C-MAC принят для систем спутникового телевидения и радиовещания в Англии, Исландии, Норвегии, Финляндии, Швеции и ряде других стран. Система D2-MAC применяется в Германии и Франции. C-MAC использует стандартный спутниковый радиоканал с полосой частот 27 МГц. Ее модификация D2-MAC используется в радиоканалах с полосой 7...8 МГц и пригодна для всех сетей телевидения: наземных, кабельных и спутниковых.

Рис. 2а

В системах C-MAC и D2-MAC принята пакетная структура при передаче цифрового сигнала. Каждый пакет содержит 751 бит. Один субкадр содержит 82 пакета, что означает передачу 4100 пакетов в секунду в системе С-MAC, где для передачи цифровых сигналов используются оба полукадра. В системе D2-MAC для передачи используется только один субкадр изображения, поэтому скорость передачи составляет 2050 пакетов в секунду. Полная пропускная способность цифрового канала составляет 3,079 Мбит/с в C-MAC и, соответственно, 1,54 Мбит/с в системе D2-MAC.

Пакет цифровых данных в системе D2-MAC (рис. 2а) состоит из занимающей 23 бита преамбулы и 728 информационных бит. Преамбула содержит три части:

• адрес (10 бит), позволяющий идентифицировать 1024 разные службы;
• указатель длительности (УД, 2 бита), обеспечивающий связь между очередными пакетами той же службы и позволяющий обнаруживать утраты пакета вследствие ошибочного опознавания адреса;
• биты помехоустойчивого кодирования (БПК, 11 бит) для защиты данных преамбулы. Последняя защищена циклическим кодом Голея, позволяющим обнаружить и скорректировать до трех ошибок.

Далее идет байт типа пакета (БТ, 8 бит), информирующий декодер приемника о виде информации в пакете: аудиоданные или управляющая информация. Если это аудиоданные, то следующие после него 720 бит называются звуковым блоком (BC); если же это управляющая информация, то они называются интерпретационным блоком (BI). При передаче данных байт типа не нужен и все 728 битов можно использовать как информационные.

Аудиоданные могут быть кодированы двумя различными методами: с применением "почти мгновенного компандирования" или без него, а также с двумя разными уровнями защиты от ошибок:

• первый уровень (простая защита) - с помощью одной лишь проверки на четность для обнаружения ошибки в кодовом слове отсчета;
• второй уровень (высокая защита) - с применением помехоустойчивого кодирования для каждого отсчета с использованием кода Хэмминга.

Простая защита от ошибок (первый уровень):

• при "почти мгновенном компандировании" с преобразованием 14/10 бит на отсчет в полученном десятиразрядном кодовом слове отсчета к шести важнейшим битам последнего добавляется бит четности так, чтобы сумма по модулю два шести важнейших битов и бита четности была бы равна нулю;
• при линейном кодировании с разрешением 14 бит на отсчет к одиннадцати важнейшим по значимости битам кодового слова отсчета добавляется бит четности.

Высокая защита от ошибок (второй уровень):

• при линейном 14-битном разрешении применяется расширенный код Хэмминга для защиты от ошибок одиннадцати наиболее значимых битов каждого отсчета, что позволяет корректировать одиночную ошибку и обнаружить двойную ошибку в защищенной части кодового слова;
• в десятибитных кодовых словах, полученных после почти мгновенного компандирования 14-битных слов, для защиты от ошибок используется модифицированный код Хэмминга, полученный путем устранения из контрольной матрицы исходного кода пяти столбцов.

Для защиты от многократных ошибок (пакетов ошибок) используется перемежение битов внутри пакета. Биты каждого пакета передаются в следующем порядке следования:
  1; 95; 189; ... 565; 659
  2; 96; 190; ... 566; 660
  ………………………
  93; 187; 281; ... 657; 751
  94; 188; 282; ... 658.

Перемежение битов не используется для специальных сигналов, передаваемых в строке 625, и сигналов данных в строке 624. Если исправление ошибки невозможно, то используется метод маскирования, когда неправильно воспринятый отсчет заменяется средним арифметическим значением предыдущего и последующего отсчетов.

Рис. 2б

Отсчеты звукового сигнала и данные в пакетах передаются блоками. В зависимости от способа кодирования (линейное с 14-битным разрешением или с "почти мгновенным компандированием" и преобразованием 14/10 бит на отсчет) и степени защиты от ошибок (простая с добавлением бита четности или высокая с применением кода Хэмминга и его модификации) применяется четыре разных типа звуковых блоков (BC) (рис. 2б):

1. Тип блока L2 - линейное кодирование отсчетов ЗС с 14-битным разрешением и высокой степенью защиты. Он содержит кодовые слова 36 отсчетов, каждое кодовое слово 19-битное. Если сигнал монофонический, то блок содержит следующие друг за другом 36 отсчетов этого сигнала. При стерепередаче он содержит по 18 выборок отсчетов сигналов левого и правого каналов. Перед символами отсчетов расположена преамбула блока (36 бит), включающая: восемь свободных бит для будущих нужд, десять бит контрольной информации и 18 бит для информации о значениях масштабных коэффициентов. Общая длительность блока L2 равна 720 битам, скорость цифрового потока 669,808 кбит/с при передаче монофонического сигнала с высоким качеством или 1337,364 кбит/с при высококачественной стереопередаче; при передаче монофонического сигнала среднего качества скорость цифрового потока равна 336,030 кбит/с.

2. Тип блока L1 - линейное кодирование отсчетов звукового сигнала с 14-битным разрешением и простая защита от ошибок. Блок содержит 15-битные кодовые слова выборки из 64 отсчетов аудиосигнала (при стереопередаче, соответственно, 32 отсчета сигнала левого канала и 32 отсчета сигнала правого канала). Общая длительность блока с учетом преамбулы составляет здесь 960 бит; скорость цифрового потока 502,919 кбит/с при монопередаче и 1003,568 кбит/с при передаче стереофонического сигнала с высоким качеством; при монопередаче со средним качеством скорость цифрового потока равна 252,586 кбит/с.

3. Тип блока I2 - "почти мгновенное компандирование" с преобразованием 14/10 бит на отсчет и высокий уровень защиты от ошибок. Блок содержит 15-битные кодовые слова выборки из 48 отсчетов аудиосигнала (при стереопередаче, соответственно, 24 отсчета сигнала левого и 24 отсчета сигнала правого каналов). Общая длительность блока 720 бит; скорость цифрового потока 502,919 кбит/с при монопередаче с высоким качеством и 1003,586 кбит/с при стереопередаче; при монофонической передаче со средним качеством скорость цифрового потока равна 252,586 кбит/с.

4. Тип блока I1 - почти мгновенное компандирование с преобразованием 14/10 бит на отсчет и низкий уровень защиты от ошибок. Блок содержит 11-битные кодовые слова 64 отсчетов (при стереопередаче 32 отсчета сигнала левого и 32 отсчета сигнала правого каналов). В начале блока расположено свободное поле из 16 бит для будущего использования. Общая длительность блока 720 бит; скорость передачи цифрового потока 377,753 кбит/с при высококачественной монофонической передаче и 753,253 кбит/с при высококачественной стереопередаче; при монопередаче среднего качества скорость цифрового потока равна 190,003 кбит/с.

Рис. 2в

Заметим, что 720-битный блок при передаче полностью размещается в одном пакете, а три блока по 960 бит (120 байт) каждый передаются в четырех последовательных пакетах. Иначе говоря, при 120-байтных блоках его части находятся в двух смежных пакетах (рисунок 2в).

При передаче с высоким качеством частота дискретизации звукового сигнала составляет 32 кГц при полосе частот 40 Гц...15 кГц; при передаче со средним качеством fд = 16 кГц и полоса частот звукового сигнала, соответственно, составляет 7 кГц. Перед кодированием сигналы подвергаются предыскажению в соответствии с Рек. J.17 МККТТ. Возможно много вариантов сочетаний звуковых каналов разного качества и каналов данных для использования пропускной способности цифрового канала передачи.

В системах С-МАС и D2-MAC в каждой строке передаются, соответственно, 198 или 99 бит. В каждой строке перед сигналом изображения передаются: слово синхронизации строки (6 бит) и информационные данные (например, звуковые сигналы), занимающие в общей сложности 99 бит. При этом данные и звуковые сигналы передаются в строках от 1 до 623, а строки 624 и 625 использованы для других целей.

Строка 625 содержит только цифровые служебные данные с сильной защитой от ошибок сокращенными кодами БЧХ.

В ней представлены кодовые слова:

• синхронизации изображения,
• идентификации спутникового канала,
• часовое время,
• дата и информация для конфигурации приемника.

Здесь же передается информация:

• о способе передачи звука,
• примененном для этого случая способе скремблирования,
• данные VPS (видеопрограммной сист емы) и указание, если передается телетекст,
• информация для строчной и кадровой синхронизации,
• разнообразная информация в виде обычного текста для отображения ее, например, на экране телевизионного приемника,
• другая необходимая служебная информация.

Во время передачи звуковых блоков передаются также блоки интерпретации, различаемые с помощью байта типа, предваряющего каждый из этих блоков. Блоки интерпретации содержат следующую информацию:

• сообщение о полосе частот и частоте дискретизации звукового сигнала,
• признаки моно- или стереопередачи,
• квантования: линейного или с применением "почти мгновенного компандирования,"
• степени защиты от ошибок: простой или высокой,
• сигналы тревоги и т.п.

Параметры качества каналов звука удовлетворяют Рек. J.21 МККТТ.

Введение стереофонии в наземное телевизионное вещание России

Переход к цифровой системе передачи сигналов изображения и звука требует изменения всех составных частей системы телевизионного вещания - трактов формирования программ, их первичного и вторичного распределения, что невозможно без крупных капиталовложений. В такой стране, как Россия, с ее огромной территорией, аналоговый формат SECAM будет существовать еще достаточно долго. Поэтому представляется оправданным введение стереофонии прежде всего в формате SECAM, где это может быть реализовано быстро и с минимальными затратами.

Отсутствие крупномасштабных экспериментальных передач, долговременных и с большой статистикой, диктует на первом этапе организацию опытных зон телевизионного вещания со стереозвуком. Наиболее оправдано их создание вокруг Москвы и Санкт-Петербурга, где уже имеются соответствующая студийная база, опыт подготовки программ со стереозвуком, каналы с требуемым качеством для подачи сигналов от студийных комплексов до телевизионных передающих станций, частично подготовленные тракты передатчиков звука, а также большой круг потенциальных потребителей программ со стереозвуком. По мере накопления опыта, уточнения собственно формата передачи сигналов стереопары по радиоканалу, можно будет перейти к увеличению числа зон телевизионного вещания со стереозвуком.

Представляются наиболее целесообразными два варианта построения такой системы в каналах наземного телевидения формата SECAM.

Вариант 1, аналоговый. Для передачи сигналов стереозвука можно использовать техническое решение, аналогичное реализованному в системе ЧМ-АМ BTSC. Анализ показывает, что в такой системе отношение сигнал/шум в каналах стереозвука телевизионного приемника с параллельными трактами изображения и звука составляет при наличии полезного сигнала около 55...60 дБ, а в паузах передачи оно возрастает до 65...70 дБ, что соответствует Рек. J.21 MKKTT.

Предлагается следующий аналоговый формат передачи стереозвука по радиоканалу для наземного телевидения (требуется модернизация передатчика звука и поставка стереокодера):

• основной канал сигнала M=(Л+П)/2 с полосой частот 40 Гц...15 кГц и пиковой модуляцией, соответствующей девиации несущей передатчика звука ±40 кГц при Л = П, и ±20 кГц при Л или П, равном нулю;
• пилот-сигнал на частоте строчной развертки fПС = fСТР = 15,625 кГц с пиковой девиацией несущей ±5 кГц;
• поднесущая fПН на второй гармонике пилот-сигнала, передающая с помощью АМ-модуляции с подавленной не менее, чем на 40 дБ поднесущей, сигнал S = (Л-П)/2 с полосой частот 40 Гц...15 кГц, и пиковой девиацией несущей ±40 кГц при Л = -П, и ±20 кГц при Л или П, равном нулю;
• компандерная система в тракте сигнала S для повышения помехозащищенности;
• предыскажения звуковых сигналов с постоянной времени 50 мкс;
• параллельные тракты сигналов изображения и звука в телевизионном приемнике.

Названные выше значения девиаций несущей частоты звука для сигналов М, S, fПС должны быть уточнены при проведении экспериментальных передач. Они существенно влияют на величину зоны обслуживания, на появление возможных помех каналу изображения, на величину отношения сигнал/шум в каналах звука и, как следствие, на размер зоны обслуживания передатчика. Очень заманчивой является возможность увеличения суммарного значения девиации частоты передатчика звука до ±75 кГц, что требует дополнительной проверки в части, относящейся к телевизорам с монофоническим звуковым трактом.

Однако, в отличие от системы ЧМ-АМ BTSC, лучше использовать в тракте сигнала S компандер, адекватный по семейству АЧХ и временным параметрам системе Panda-1, широко применяемой сегодня в спутниковых каналах звука. Заметим, что вся необходимая для реализации такого решения технология в России имеется.

Вариант 2, цифровой. Он представляется более предпочтительным и может быть с успехом применен не только в наземном, но и в спутниковом телевидении, когда звуковые сигналы

передаются на поднесущих частотах (формат Wegener/Panda-1). Если говорить о наземном телевизионном вещании в формате SECAM, то для передачи стереозвука следует использовать дополнительный передатчик звука. Исследования, выполненные зарубежными фирмами, показывают, что эта дополнительная несущая fН.ЗВ2 может быть размещена не только выше, но и ниже основной несущей звука fН.ЗВ1, если использовать эффективные методы сжатия и передачи звуковых сигналов.

При цифровом представлении сигналов стереопары следует ориентироваться на формат стандартов MPEG ISO/IEC 11172-3 Layer 2 (MP2), а еще лучше на Layer 3 (MP3). Применение алгоритмов компрессии цифровых аудиоданных при некоторой их модернизации позволяет уменьшить скорость цифрового потока до 96...128 кбит/c на стереопару. Применение же QPSK-модуляции позволяет получить полосу частот в радиоканале звука около 100...130 кГц. При этом параметры качества каналов стереопары будут соответствовать Рек. J.21 МККТТ.

Алгоритм кодирования высококачественных звуковых сигналов стандарта MPEG ISO/IEC 11172-3 Layer 2 реализован в системе цифрового радиовещания DAB. В Internet предпочтение получает уровень сжатия Layer 3 (ISO/IEC 11172-3). Все же наилучшие результаты обеспечивает алгоритм стандарта ISO/IEC 13818-7 ААС (около 96 кбит/c на стереопару при отсутствии заметных на слух искажений, вызванных компрессией аудиоданных). Известны и гибридные алгоритмы сжатия, сочетающие в себе возможности параметрического кодирования и кодирования преобразованием стандарта ISO/IEC 13818-3 AAC, позволяющие уменьшить скорость передачи аудиоданных до 64 кбит/c на стереопару. Они сегодня вполне доступны для реализации в нашей стране.