: архив : архив журнала "Звукорежиссер" : 2001 : #08

Доставка звуковых сигналов
Михаил Сергеев

От редактора. Настоящая статья явилась откликом на полемику, имевшую место в конференции ProSound на нашем сайте www. 625-net.ru. Один из посетителей задал вопрос: "Как обеспечить подачу сигнала от студии к передатчику на расстояние в несколько сот метров?". На этот вопрос последовало множество ответов разной степени компетентности. Стало ясно, что данная тема интересна очень многим. Один из посетителей конференции и предложил осветить данный вопрос на страницах нашего журнала. Выполняем эту просьбу.

Позиция "пуговицы пришиты крепко, а за длину рукавов я не отвечаю" имеет, конечно, право на существование – но потребителю нужны не пуговицы, а костюм. И сигнал на выходе студии в радиовещании – это еще не конец, его нужно доставить до потребителя, а перед тем – до передатчика. Звукорежиссер отвечает за пульт, и о дальней судьбе сигнала мог бы и не думать, но тогда мы получим костюм без пуговиц: надеть можно, а носить нельзя. Кто-то должен позаботиться о доставке сигнала, и кто бы им не оказался, каждый должен иметь хотя бы самое общее представление о передаче звуковых сигналов.

Линии передачи сигналов можно классифицировать по нескольким признакам:
- по форме представления – цифровые и аналоговые;
- по среде распространения – витая пара, коаксиальный кабель, оптоволокно или просто открытый радиоканал;
- по диапазону частот, в котором осуществляется передача, – от радиочастот до оптического диапазона;
- по месту расположения – наземные и космические;
- по организации – выделенный канал или пропускная способность в системе передачи информации.

Что предпочесть? Принимая решение, нужно учитывать все: и технику (качество передачи сигналов и дальность, устойчивость канала), и экономику (цена оборудования и затраты на эксплуатацию), и организационные вопросы (получение лицензии или разрешения на эксплуатацию радиосредств).

Общего рецепта не существует. Оптимум приходится искать, исходя из местных условий, когда решающими оказываются совершенно неожиданные факторы: бывает, что проще и дешевле установить радиорелейную линию (РРЛ), чем проложить 500 м телефонного кабеля. Тем не менее, полезно знать, как может быть доставлен сигнал, каковы особенности и возможности разных технологий.

Для раздачи сигнала нескольким пользователям, удаленным на большие расстояния, лучше приспособлены спутниковые каналы. Чаще используют цифровые, но не гаснет интерес к передаче звука в аналоговых каналах методом частотной модуляции поднесущих, расположенных выше сигнала изображения: от 6,5 до 9 МГц. Отмечу преимущества аналогового спутникового канала: эффективные компандерные системы подавления шумов (например, Panda) обеспечивают хорошее качество передачи, а оборудование дешевле цифрового. Важнейший недостаток – "поднять" звуковой сигнал на спутник можно только вместе с сигналом изображения, что ограничивает применение этого метода.

Для доставки сигнала из одной точки в другую может использоваться РРЛ или кабель. В городе получить разрешение на РРЛ довольно сложно, приходится выбирать между кабельными технологиями. Если длина трассы превышает 20 км, то передача непосредственно звукового сигнала по кабелю связана с заметными трудностями, но выбор между "цифрой" и "аналогом" остается: существуют системы с аналоговой передачей на поднесущих, например, АВ-2/3. На дистанции до 10…15 км можно передать звуковой сигнал по выделенным проводам, если таковые имеются.

Практика показывает, что при работе в "цифре" лучшим решением оказывается аренда у оператора связи цифрового канала 128 или 256 кбит/с. С точки зрения пользователя принципиальной разницы между интерфейсами ISDN, X.21 и V.35 нет. Пассажиру важно, куда именно идет поезд, и прибудет ли он вовремя, а марка стали, из которой изготовлены рельсы, или состав топлива для тепловоза – это епархия железнодорожников. И для сигнала безразлично, какой физический носитель (оптоволокно, коаксиальный кабель, радиоканал или еще что-нибудь) и какой протокол исправления ошибок использованы в системе. Главное, чтобы доставка прошла без потерь, своевременно и в нужное место.

Цифровой канал должен быть прозрачным – выдавать на выход то, что подано на вход, а что именно происходит в нем с сигналами – дело связистов, так что не будем углубляться в тонкости построения систем связи. Стоит только отметить, что системы обеспечены ресурсами на случай аварий, а резервирование собственного канала почти удвоит его стоимость, но едва ли существенно повысит надежность – пьяный экскаваторщик кабель разрубит целиком. Так что, считайте деньги на месте.

По аналоговому участку сигнал подается на кодер MPEG1 L2 128 кбит/с, далее "цифра" идет по радиорелейной ли

Пример реальной линии доставки сигнала

нии. Сигнал с выхода декодера по второй аналоговой линии дост авляется к передатчику. Измерением сквозных параметров качества системы обнаружить наличие внутри нее цифрового участка очень тру дно: АЧХ, Кv шумы - все в норме. Если же передается сигнал, который уже побывал в компрессированном виде, то результат разочаровывает.

Возможных вариантов организации линии доставки много, но не все они заслуживают подробного рассмотрения. Вне конкуренции при распределении сигнала на большую территорию являются спутниковые системы, чаще всего цифровые. От студии к передатчику можно передавать аналоговый сигнал по прямым проводам, а цифровой – по арендованному или собственному каналу. Довольно распространены цифровые и аналоговые РРЛ.

Имеет смысл остановиться на особенностях передачи сигнала в цифровом виде, и на самом экономичном методе – аналоговой передаче по прямым проводам.

Передача звукового сигнала в цифровом виде

Для передачи аналогового сообщения по цифровому каналу нужно компактно представить его в цифровом виде, это обычно делают по алгоритму MPEG1, L2 или L3. Существуют и другие алгоритмы компрессии, приходилось сталкиваться и с передачей сигналов в формате линейной ИКМ, еще эксплуатируется оборудование с мгновенным и послоговым компандированием, но преимущества MPEG настолько велики и очевидны, что на других методах останавливаться не будем.

Кодирование. Для уменьшения объема передаваемой информации используются кодеры MPEG, L2 или L3. Начну с того, что термины "MP2" или "MP3" не полностью описывают процедуру обработки сигналов.

Во-первых, бывают разные режимы:
Dual Channel (Dual Mono или Dual Stereo) – сигналы левого и правого каналов кодируются раздельно, на каждый отводится ровно половина потока. Этот режим неэффективно использует пропускную способность канала передачи, а считать преимуществом независимую передачу двух сигналов применительно к стереофоническому радиовещанию нельзя. Независимое кодирование двух сигналов требует увеличения вычислительных ресурсов, что тоже не является достоинством.

Stereo — сигналы левого и правого каналов кодируются раздельно, но имеется общая емкость ("резервуар бит"), и кодер может выделить одному из сигналов в данный момент времени большую пропускную способность, если в нем больше полезной информации. Именно этот режим кажется лучшим. Возможность распределять емкость канала между сигналами позволяет сохранить качество, уменьшив скорость по сравнению с режимом Dual Channel.

Joint Stereo — сигналы левого и правого каналов кодируются вместе, а передается, например, левый и его отличие от правого. Режим используется, когда необходимо предельно снизить скорость передачи.

Во-вторых, один и тот же режим может быть реализован по-разному. Кодирование требует довольно больших вычислительных ресурсов, и иногда экономят на психоакустической модели, используют упрощенную оценку порогов маскирования. Снижение точности вычислений также удешевляет кодер. Для качественного звука нужно производить расчеты с точностью не 16, а 32 или даже 64 бит, но в этом случае аппаратура дорожает, а желание сэкономить – где можно и где нельзя – встречается чаще, чем хотелось бы.

Звуковой сигнал оцифровывается, и по сети передается цифровой поток 128 или 256 кбит/с, сформированный кодером. Полученный из сети сигнал декодируется и преобразовывается в аналоговую

"Правильная" цифровая линия

форму. Для пользователя безразлично, что именно происходит с сигналом в сети, главное, чтобы количество ошибок не превысили допустимого предела.

При работе MPEG1 L3 на скорости 256 кбит/с потенциально получается отличное качество передачи сигналов. 128 кбит/с и MPEG1 L2 – минимально допустимый режим: работать в этом режиме можно, если данные сигнала ни до, ни после не подвергаются компрессии. Попытка еще раз закодировать такой сигнал приведет к его деградации, и искажения заметит большинство слушателей.

В MPEG1 L3 применены более эффективные алгоритмы компрессии, чем в L2, и можно снизить скорость передачи, но заметно больше становится задержка сигнала: типовые значения – около 200 мс, и это создает трудности при работе в прямом эфире. Ходят слухи про алгоритмы компрессии с малой задержкой (до 20 мс), но я пока такого оборудования не встречал. Могу только предположить, что уменьшение времени задержки почти наверняка будет связано с ухудшением качества передачи.

Кроме типа кодера (L2 или L3) и скорости потока, на качество влияет еще и частота дискретизации Fs. Для радиовещания достаточно иметь полосу 15 кГц и, следовательно, Fs = 32 кГц. В принципе, именно такой режим и является оптимальным, но в реальной жизни велики искажения сигналов с частотами, близкими к половине Fs, и лучше выбрать Fs = 44,1 или 48 кГц. Потенциально полоса частот в этом случае превышает 20 кГц, и участок спектра от 15 до 20 кГц напрасно загружает канал передачи, отнимая его емкость у полезной части спектра, но в целом звук оказывается лучшим.

В описаниях к кодекам приводятся цифры, относящиеся к их качеству: диапазон частот, отношение сигнал/шум, коэффициент гармоник. Позволю себе напомнить читателям, что эти параметры были разработаны для аналоговых каналов, свойства которых практически не зависят от сигнала.

Когда же заходит речь о цифровых системах с адаптацией к свойствам сигнала, а именно так устроен алгоритм кодирования MPEG1, то традиционный набор параметров качества просто теряет смысл. Немногим лучшие результаты дает и вычисление различия между входным и выходным сигналами. Нужно не просто вычесть входной сигнал из выходного, но еще и сопоставить полученную разность со свойствами слуха. Хороших результатов в разработке методики объективной оценки качества каналов с компрессией аудиоданных добилась рабочая группа ITU-R – International Telecommunication Union: был создан документ Recommendation ITU-R BS 10/20 Method for objective measurements of perceived audio quality. На сегодня это – лучшая из известных методик, она учитывает именно слуховую заметность искажений сигнала. Выпускается даже специальное оборудование, в котором эта методика реализована. Есть только два недостатка: высокая цена и отсутствие учета особенностей стереофонического восприятия звука.

В режимах Dual Mono или Dual Stereo сигналы левого и правого каналов обрабатываются раздельно, и методика BS 10/20 точно и надежно измеряет потери сигнала.

При работе в режиме Joint Stereo кодер "выбрасывает" информацию о различиях сигналов левого и правого каналов. В результате, например, высокочастотные составляющие сигналов могут быть объединены. Если рассматривать сигналы левого и правого каналов по отдельности, то потери информации кажутся чудовищными, но слух при стереофоническом воспроизведении относится к таким искажениям довольно терпимо. Большинство коммерческих радиостанций использует именно режим Joint Stereo как самый экономный, а точных инструментов для объективной оценки его качества пока нет.

Передача сигнала по аналоговой линии

Для передачи аналогового сигнала по прямым проводам необходимо компенсировать спад АЧХ на высоких частотах, по есть поднимать уровень высокочастотных составляющих относительно срдне- и низкочастотных. Максимальное значение уровня сигнала в линии (Nmax) ограничено, лимитирующие факторы: электрическая прочность кабеля и уровень создаваемых помех. При коррекции на входе (1) уровень входного сигнала (Nвх) достигает максимума на высоких частотах, а на средних и низких оказывается ниже допустимого Nmax. Если корректор установлен на выходе линии (2), то на средних и высоких частотах на ее вход подается сигнал с уровнем, близким к Nmax. Уровень собственных шумов линии Nш в обоих случаях, естественно, одинаков. Сквозная АЧХ системы и уровень выходного сигнала линии Nвых в обоих случаях оказываются одинаковыми, но корректор на выходе ослабляет на средних и низких частотах и сигнал, и шум, а корректор на входе - только сигнал. В итоге: при введении коррекции на входе отношение сигнал/шум (S/N) оказывается хуже, чем при коррекции АЧХ на выходе.

Что предпочтет кодер: поступиться стереофонией или ограничить полосу пропускания? И что лучше с позиции слуховой заметности? Ответа пока нет. Собственно, в стратегии распределения пропускной способности канала и состоят различия кодеров. Кодер в ситуации нехватки емкости должен выбрать решение, в котором заметность искажений на слух окажется минимальной. Оценка слуховой заметности искажений и сопоставление по этому критерию вариантов распределения емкости по полосам требует знания психоакустики и больших расчетов. Именно на этом чаще всего и экономят, тем более, что на цифрах в таблице параметров качества особенности стратегии распределения пропускной способности канала практически не отражаются, а этим цифрам внимания покупатели аппаратуры уделяют подчас больше, чем звуку. Оценивающим звук я позволю себе еще раз напомнить про важную особенность систем с цифровой компрессией аудиоданных: после однократной обработки сигналов потери звучания кажутся практически незаметными, но реальные искажения сигнала уже близки к предельным. Подавая на кодек сигнал с проигрывателя обычных компакт-дисков, мы получаем на выходе отличный результат, а нормально звучащая запись в формате MPEG1 L3 после прохождения во второй раз аналогичного кодека получается тусклой и скрипучей.

Сервис. Важнейшее, на мой взгляд, преимущество "цифры" состоит в том, что для передачи можно использовать сети связи общего пользования, арендуя не провода, а пропускную способность. Даже если внутри системы возникают какие-то трудности, выходит из строя какой-то ее элемент, то снаружи ничего не заметно: потоки информации пройдут по другой трассе. Но при аварии выделенной линии (безразлично – цифровой или аналоговой) передача прекращается.

При работе в цифровых сетях, кроме передачи звуковых сигналов, можно организовать еще и передачу служебной информации. Дополнительный канал имеет скорость от 2,4 до 9,6 кбит/с и может использоваться для разных целей: автоматизированного включения местной рекламы на сетевых станциях или доставки информации для кодера RDS. Возможна передача текстовых сообщений, дистанционная диагностика и управление оборудованием, и пр.

Передача в аналоговом виде по прямым проводам

Пессимистическое отношение к доставке сигналов по телефонным кабелям понять легко. "Алло, алло, говорите громче – не слышу!" – кому не приходилось произносить эти слова в телефонную трубку. И по этим проводам предлагают передавать качественный стереофонический звук? Но стоит помнить, что телефонная линия и телефонный канал – вещи разные. Коммутируемый телефонный канал для передачи качественного звука непригоден, это бесспорно: полоса частот 3 кГц, динамический диапазон едва дотягивает до 30 дБ, про искажения даже говорить не хочется. Такие скромные параметры получаются не потому, что плохи телефонные провода, а потому что, кроме телефонных разговоров, по ним еще много чего передается. Если же говорить о выделенной линии, то это – витая пара, и ее возможности гораздо шире, чем 3 кГц и 30 дБ.

Итак, витая пара в кабеле. С точки зрения теории цепей получается длинная линия с распределенными параметрами: емкость, индуктивность, сопротивление. На низких частотах коэффициент передачи зависит, в основном, от омического сопротивления проводов, по мере роста частоты проявляются индуктивность и емкость, коэффициент передачи уменьшается. Для линии длиной 5 км спад на частоте 10 кГц по сравнению со 100 Гц может достигать 10 дБ и больше. Такие цифры у звукорежиссера могут вызвать инфаркт. Но не надо делать поспешных выводов.

АЧХ выделенной линии определяется ее конструкцией (диаметр жил и изоляции, шаг свивки) и не изменятся, пока цел кабель. Это означает, что в тракт доставки сигналов можно включить корректор и получить горизонтальную АЧХ. Можно поднять уровень высокочастотных составляющих на передающем конце, можно ослабить низкие и средние на приемном. Принципиальной разницы нет – есть ряд мелочей, о которых не стоит забывать.

Уровень сигнала на входе телефонной линии
Нормативных документов, в которых эта норма была бы прописана "черным по белому", мне найти не удалось, но однажды я получил от телефонистов рекомендацию не подавать в линию больше +17 дБ. Электрическая прочность линий на низких частотах (до 100 Гц) превышает 100 В, велико и переходное затухание между линиями. Но по мере роста частоты уменьшается переходное затухание, и если на вход подать 20 В на частоте 5 или 10 кГц, то в соседних линиях вероятно появление помех, так что я предпочитаю не выходить за рамки +17 дБ на входе.

Если ставить корректор на входе линии, входное напряжение линии окажется максимальным на высоких, а ослаблены сигналы будут на средних и низких частотах. Мне больше нравится коррекция на приемном конце, потому что лучше используется потенциал линии на средних и низких, где максимальна чувствительность слуха. Лучше использовать пассивный корректор, он нечувствителен к высокочастотным (сотни килогерц) помехам, а их уровень в телефонных линиях оказывается довольно высоким.

Звуковой сигнал в линию подается с выхода усилителя. Происходят в системе и другие процессы: с линии на выход усилителя попадет довольно много "электричества", амплитуда импульсных помех достигает нескольких вольт. Этим обусловлено одно из самых важный требований к усилителю: он должен устойчиво работать в линию с помехами. Подразумевается, что на реактивную нагрузку, а именно такой является линия, емкость которой может достигать единиц микрофарад, он тоже работает устойчиво.

Для надежной работы на реальную линию электрическая прочность выходных цепей усилителя должна быть довольно высокой, не менее 400 В. Требования к выходному сопротивлению не особенно жесткие – до 20 Ом, но превышение этого порога приведет к появлению искажений АЧХ.

При оценке пригодности выделенной линии для передачи звуковых сигналов сначала следует измерить сопротивление проводов: замкнув пару с одной стороны, к другой подключить омметр. Сопротивление может достигать 2…3 кОм, это вполне допустимо, но для передачи стереосигнала нужны идентичные пары – различие, превышающее 20%, должно насторожить будущего пользователя. Далее измеряются сопротивление изоляции и емкость между проводами и экраном – это показатели симметрии пар.

Последний шаг – измерение шумов. Подаем на линию от низкоомного генератора 400 Гц с уровнем +17 дБ и смотрим, что получается на другом конце, нагруженном на 600 Ом. Затухание может достигать 20 дБ, это само по себе не страшно, гораздо важнее, каков уровень шума линии. Если уровень сигнала на входе равен +17 дБ, а на выходе минус 3 дБ, и уровень взвешенного шума (МЭК "А") составляет минус 80 дБ, то отношение сигнал/шум в этой линии – 77 дБ, этого вполне достаточно для радиовещания. Нелинейные искажения в выделенных линиях возникают на плохих контактах, это вполне устранимо, главное – чтобы не подвел работающий в линию усилитель.

Перемена мест слагаемых

Сигнал нужно готовить к передаче по линии: сжать динамический диапазон, в этом случае шумы линии не ухудшат качество (1). Если компрессор установлен после линии доставки (2), то он "вытянет" ее шумы и качество может пострадать. У цифровых линий шумы довольно низки, но возникает другая трудность. Алгоритм обработки в кодере MPEG1 оптимизирован под некий усредненный сигнал. Сжав его динамический диапазон, мы ставим перед кодером задачу, с которой он может и не справиться. Единственный способ удостовериться - послушать оба варианта звучания: когда основной компрессор включен до линии доставки, и после нее. Включая основной компрессор после линии, необходимо позаботиться о стабилизации уровня на ее входе. Как правило, оказывается достаточным установить простейший лимитер.

Заключение

Что мы имеем в результате? Для аналоговых линий типичные для города расстояния в 3…5 км – не предел. При неравномерности АЧХ ё0,5 дБ в полосе 30 Гц…15 кГц и нелинейных искажениях около 0,1% (кроме самых низких, на частоте 30 Гц получить Кг меньше 0,3% трудно) относительный уровень помех в полосе 20 Гц…20 кГц не превышает -70 дБ, а взвешенное (МЭК "А") значение составляет почти -80 дБ. Разность фаз между каналами на средних частотах составляет 1…2°, на высоких частотах (10…15 кГц) она возрастает до 5…10° – этого вполне достаточно для высококачественной передачи звуковых сигналов.

По звуку такой канал безусловно лучше, чем цифровой при скорости 128 кбит/с. Увеличение скорости передачи в "цифре" до 256 кбит/с позволяет "цифре" конкурировать с "аналогом", но стоимость удовольствия оказывается довольно высокой. Кодер представляет собой довольно сложное и, следовательно, дорогое устройство: цена, в зависимости от опций, может составить от двух до семи тысяч долларов за аппарат, то есть от 4 до 14 тысяч за комплект. Аппараты позволяют, как правило, работать в дуплексном режиме, то есть передавать сигналы в обе стороны. Эта избыточность стоит дополнительных денег, поскольку кодирование требует больших ресурсов, а декодирование можно осуществить гораздо более простыми средствами.

Можно немного сэкономить, выбирая кодек с упрощенными управлением и индикацией, тем более, что прямого влияния на качество передачи сигналов эти опции не оказывают. Но вполне вероятно, что об экономии придется потом пожалеть – глядя на черный ящик без лампочек и шкал, очень трудно понять: а куда же делся звук?

Удобны и надежны в работе РРЛ – воздух, в отличие от кабеля, не рвется, и его не несут в пункты приема цветных металлов. Преимущества РРЛ можно ощутить, если есть готовые трассы или ресурсы в эфире, – но осваивать, как правило, приходится высокочастотные диапазоны (до 36 ГГц), а это дорогое удовольствие.

Экономию на оконечном оборудовании можно получить, если передавать в аналоговом виде полностью сформированный комплексный стереосигнал (КСС), а не раздельно левый и правый каналы, но возникают трудности с обеспечением параметров качества, особенно страдает разделение каналов. За счет неравномерности АЧХ и группового времени запаздывания (ГВЗ) канала практически невозможно получить требуемое разделение 50 дБ на частоте 1 кГц. Реальные 30 дБ в рабочем диапазоне частот вполне достаточны для качественного вещания, но нормы пока никто не отменял.

Объем журнальной статьи не позволяет рассмотреть все аспекты доставки звуковых сигналов, и многие вопросы остались в тени. Но позволю себе повториться: сигнал на выходе пульта – это не результат, а процесс. Линия доставки сигналов такой же, если не более важный, элемент системы, как студия или передатчик. И ничего не стоит высочайшая надежность и отличное качество студийного оборудования, если линия доставки сигнала построена по остаточному принципу.