Интеграция звукового комплекса:
основные положения построения вещательных и профессиональных звуковых студий

По материалам компании NVision

Предисловие

то вторая, обновленная версия статьи. Как и первая, она широко востребована сотнями инженеров-разработчиков во всем мире и помогает строить цифровые комплексы, которые просты эксплуатации и обслуживании, а также дают возможность расширять систему по мере совершенствования технологий.

В статье описан весьма практичный подход к решению реальных проблем, связанных с объединением аналогового и цифрового оборудования в одну функциональную единицу. По возможности здесь обсуждаются различные методы и решения проблемы, а также рассматриваются практические различия между цифровыми «островками», участками, слоями и студиями. Однозначного решения этой проблемы нет. Иногда решением являются цифровые участки. Порой аналоговые и цифровые цепочки должны сосуществовать в рамках одного комплекса в процессе перехода к цифровым технологиям. В общем случае, новые, полностью цифровые студии разрабатываются с нуля. Однако получить эффект от применения цифровых звуковых технологий можно в любом случае.

Коммутация цифрового оборудования

Для обеспечения надежной коммутации при передаче аналоговых сигналов между двумя устройствами требуется больше, чем просто кусок медного провода с двумя разъемами. Коммутация цифрового звукового сигнала не многим отличается. Чтобы получить максимальные преимущества, обеспечиваемые цифровыми технологиями, необходимо понимать суть новых процедур и форматов. Кроме того, есть два варианта коммутации, и здесь объясняются критерии, которые необходимо учитывать при принятии решения относительно выбора того или иного варианта. Соответствие импеданса и тщательный подбор кабеля — вот ключевые вопросы, которые необходимо понять. Цифровые форматы данных также оказывают воздействие на процесс разработки системы. И, наконец, формирование базы для построения схемы соединений студии проводится на основе детальной проработки заземления, экранирования и распространения сигналов.

Краткая история цифровых форматов

В течение последнего десятилетия в той или иной степени используется большое количество цифровых аудиоформатов. Для применения в области видео наиболее распространены три формата звуковых сигналов: IEC 958, или S/PDIF (Sony Philips Digital Interface, разработанный для последовательной передачи цифровой звуковой информации между бытовыми устройствами); AES-10, или MADI (Multi-Channel Audio Digital Interconnect — формат, стандартизированный обществом аудиоинженеров AES для 56-канальной коммутации звуковых консолей и многодорожечных устройств записи); AES3. Последний стал доминирующим стандартом для коммутации цифровых аудиосигналов, передаваемых от одного устройства (аудио и видео) к другому. Поддержку стандарта AES3 обеспечивают общества AES и EBU, и он часто упоминается под именем AES/EBU — стандарта цифрового звука. AES3 определяет базовый формат данных для двух каналов звука и соответствующей сопутствующей информации, формат передачи данных, а также электрический интерфейс для коммутации сигнала. Последнюю ревизию стандарт AES3 претерпел в 1997 году, а в 1999 году получил некоторые исправления. В цифровых телевизионных комплексах внедрение звука в видеопоток SDI стало очень распространенным. Стандарт SMPTE 272 описывает, как должен выполняться этот процесс. Хотя он сопровождался проблемами в самом начале своего развития, сегодня внедрение звука происходит легко, надежно и повсеместно.

Исторически сложилось так, что SDIF был первым широко распространенным форматом цифрового звука. Интерфейс SDIF-2 состоит из трех коаксиальных кабелей: один используется для передачи данных левого канала, второй — правого, а третий — сигналов синхронизации. Многодорожечные устройства записи оснащаются симметричным интерфейсом SDIF-2 на основе витой пары и 50-штырькового разъема типа D (50 pin D-type). Сигналы синхронизации часто называют SDIF-2 word clock или word clock for short. Это прямоугольный сигнал, частота колебаний которого равна частоте дискретизации звукового сигнала, то есть частоте, на которой происходит сэмплирование аналогового сигнала при его преобразовании в цифровой формат. Сигнал word clock до сих пор широко распространен и в чисто звуковых студиях. В видеокомплексах более всего распространен формат AES3. Благодаря его применению распространение звуковых программ значительно упрощается. Во-первых, аудиоданные правого и левого каналов помещаются в один последовательный цифровой поток данных: сначала данные левого канала, затем — правого. Во-вторых, для передачи данные кодируются в двухфазный сигнал — самосинхронизирующийся формат. Благодаря такому подходу формат AES3 позволяет передать по кабелю типа «витая пара» два канала звука и сигнал синхронизации как один симметричный сигнал.

По этой причине формат AES3 позволяет реализовать два монофонических канала звуковых данных. Цифровой аудиомикшер затем разделяет сигнал AES3 на два самостоятельных канала звука, а только потом выполняет их смешивание. После окончания производства материал форматируется для получения желаемого количества сигналов AES3 с соответствующим назначением каналов для передачи. Большинство устройств оснащены интерфейсами для аналогового звука или цифрового в формате AES3.

Важно отметить, что формат AES3 предполагает независимость от частоты дискретизации при преобразовании звука. Однако скорость потока при передаче данных в этом формате в 64 раза превышает частоту дискретизации. Поскольку наиболее распространенной в области видео является частота дискретизации звука 48 кГц, то скорость передачи данных для AES3 составляет 3,072 Мбит/с. Очевидно, что это намного более широкая полоса пропускания, чем для традиционного аналогового звука, и непонимание или игнорирование этого факта может привести к проблемам, которые будут обсуждаться ниже. Видеоинженеры знают, что сигнал AES имеет полосу, сравнимую с полосой аналогового видеосигнала, и поэтому он был стандартизирован как низковольтный сигнал для передачи данных AES3 по коаксиальному кабелю.

Документ AES-3id предлагает один подход к использованию коаксиальных кабелей для передачи сигналов AES3, тогда как SMPTE 276 рекомендует несколько иной. AES-3id предполагает использование устройств для преобразования симметричных сигналов в несимметричные, а SMPTE 276 базируется на прямом генерировании несимметричного сигнала. Оборудование, которое удовлетворяет требованиям той или иной спецификации, в большинстве случаев можно коммутировать друг с другом. Однако при наличии кабелей большой длины или применении устройств преобразования симметричного сигнала в несимметричный могут возникнуть проблемы.

Соединение при помощи витой пары

Рис. 1. Схема коммутации сигнала AES3 при помощи витой пары

Коммутация AES3 при помощи витой пары хорошо описана в стандарте AES3. Сигнал кодируется в двухфазную форму и через трансформатор передается в симметричном формате по медной витой паре. Выходной пиковый уровень может составлять 2…7 В, а импеданс источника сигнала равен 110 Ом. Приемник должен иметь чувствительность не менее 200 мВ и входной импеданс 110 Ом. Соединительный кабель также должен иметь импеданс 110 Ом. Стандартным разъемом выбран XLR. Типичный вариант коммутации AES3 и электрическая схема передачи сигнала показаны на рис. 1. Обратите внимание на обходной конденсатор, подключенный к экрану со стороны приемника. Его наличие рекомендовано компанией NVision и другими фирмами для подавления высокочастотных наводок, хотя в спецификации AES3 об этом конденсаторе ничего не говорится.

Коаксиальное соединение в соответствии с AES-3id

Рис. 2. Схема коммутации сигнала AES3 при помощи коаксиального кабеля

Комитеты AES3 и SMPTE определили основы электрического интерфейса для передачи данных AES3 по коаксиальному кабелю. Спецификация AES3-id была разработана организацией AES, а SMPTE разработала стандарт SMPTE 276. Интерфейс AES3-id является несимметричным. Уровень сигнала составляет 1,0 В ± 20% в пиковом значении с 75-омными терминаторами. Импеданс источника также равен 75 Ом. Нет необходимости использовать трансформатор, но в большинстве случаев выполняется адаптация к существующим цепям AES3, поэтому трансформатор входит в схему.

Этот вариант интерфейса большинство видеоинженеров рассматривают как наиболее предпочтительный в смысле совместимости с оборудованием, входящим в состав комплекса. Правила AES3-id и SMPTE определяют разъем BNC как стандартный для этого типа соединения. Типичный вариант соединения по коаксиальному кабелю и электрическая схема приведены на рис. 2. Обратите внимание на обходной конденсатор, подключенный к экрану со стороны приемника. Его наличие рекомендовано компанией NVision и другими фирмами для подавления высокочастотных наводок, хотя в спецификации AES3-3id об этом конденсаторе ничего не говорится.

Как уже говорилось, эти правила были разработаны в ответ на требования пользователей, желавших использовать видеооборудование для коммутации и распространения цифровых аудиосигналов. К сожалению, полоса сигнала AES может превысить ширину каналов пропускания многих аналоговых усилителей-распределителей и коммутаторов. В частности, высокочастотная энергия, генерируемая фронтами цифрового сигнала AES, может привести к появлению так называемого звона, изменению фазы и перекрестным помехам в аналоговом видеооборудовании. Фронты цифрового сигнала часто ограничиваются относительно медленно действующими аналоговыми усилителями-распределителями или другим распределительным видеооборудованием. Эти искажения могут привести к появлению джиттера на последних стадиях передачи сигнала. Поэтому использованию видеооборудования для распространения сигнала AES нужно уделять пристальное внимание. Стандарт AES3, как и спецификации AES3-id и SMPTE, призваны обеспечить чистый, свободный от недостатков сигнал.

Некоторые рекомендации по выбору варианта коммутации AES

Прежде всего, нужно определиться с ценой кабеля. В случае создания студии с нуля это несложно. Определите количество метров кабеля каждого типа и найдите поставщика качественного кабеля по приемлемой цене. В уже существующих студиях витые пары и коаксиальные линии могут уже быть проложены по полу, каналам и потолкам. Аналоговый аудиокабель не рекомендуется применять для передачи цифрового сигнала, а вот коаксиальный — можно, и это может дать значительную экономию средств.

Поэтому нужно прибавить стоимость удаления старого кабеля и замены его новым, а также потери от простоя студии во время проведения этих работ. Высококачественные кабели типа «витая пара» существенно разнятся в цене, но вот коаксиальный кабель высокого качества стоит примерно одинаково вне зависимости от марки.

Далее, нужно учесть стоимость терминаторов. Имейте в виду, что разъемы BNC гораздо более просты в эксплуатации и обеспечивают более высокую плотность монтажа, чем XLR. Коммутаторы и оконечное оборудование с разъемами BNC предпочтительнее и по цене. Так что обратите на это особое внимание.

Необходимо также учесть и стоимость поддержки имеющегося оборудования. Поскольку разъемы XLR являются стандартными, практически все профессиональное звуковое и видеооборудование оснащается ими. Если предусмотрена опция BNC, учтите расходы на преобразование всех существующих интерфейсов XLR и витых пар в эквивалент, подходящий для применения разъемов BNC. Не забудьте предусмотреть уровень 1,0 В в соответствии с правилами AES3-id или SMPTE 276, поскольку некоторые конвертеры выдают сигнал с уровень, превышающим 1,0 В.

Еще один момент, которому следует уделить внимание, это оценка собственного оборудования на предмет его реального соответствия требуемым спецификациям и способности точной передачи цифровых сигналов. Сравните также расходы на эксплуатацию и обслуживание. Например, недорогой цифровой коммутатор AES3 с коаксиальным интерфейсом, специально разработанный для работы с цифровыми данными, требует значительно меньшего пространства для установки и энергии для питания, чем уже имеющийся аналоговый коммутатор, он хорошо впишется в существующее кабельное хозяйство и обеспечит уменьшение эксплуатационных расходов и мир в душе.

Электрические характеристики сигнала AES3

Цифровой звуковой сигнал необходимо рассматривать как высокочастотный, и это очень важно. Скорость потока 3,072 Мбит/с требует такой же полосы пропускания, как и для аналогового видеосигнала. К цифровым звуковым сигналам нужно отнестись с тем же вниманием при прокладке кабелей и инсталляции всей системы. С этой точки зрения, хорошо выполненная коммутация в любом из вариантов интерфейса обеспечит согласование импеданса источников, потребителей и кабельных линий. К сожалению, оборудование, изготовленное по стандарту AES3 до 1992 года, не соответствует этому правилу. В то время стандартом определялся импеданс источника в 110 Ом, а сопротивление нагрузки — 250 Ом. Но приятный момент состоит в том, что это несоответствие легко исправить. Не менее радует и то, что в 1992 году в стандарт AES3 были внесены исправления — 250 Ом нагрузки заменили на 110 Ом.

Типы кабелей

Для передачи сигнала AES3 большое значение имеет выбор кабеля. Если речь идет о коаксиальном варианте, то нужно выбрать хороший 75-омный кабель. Любой кабель, обеспечивающий приемлемую передачу аналогового видеосигнала, вполне подходит. Большинство витых пар соответствуют требованию к импедансу в 100 Ом. Если ничего из этого вам не подходит по техническим или финансовым соображениям, используйте высококачественный кабель для передачи данных. Кабель с импедансом 110 Ом ± 10% и малой емкостью на метр, например 35…40 пф/м, будет хорошо работать.

Искажение сигнала

Рис. 3. Рекомендуемая топология распределения сигнала AES3

Сигналы общего назначения нужно распределять в рамках всего производственного комплекса. Типичными примерами являются сигналы синхронизации, цифровой тестовый аудиосигнал и др. Эти сигналы будут обсуждаться несколько ниже. Процессу распределения сигнала нужно уделять особое внимание, и в деталях, поскольку сигнал этот — высокочастотный. Обычно в топологии дерева используется один или более усилителей-распределителей, чтобы гарантировать надежность сети и постоянство фазы сигнала между различными устройствами. Иллюстрация этой концепции показана на рис. 3. Распространение сигнала с применением проходных (loop through) схем является важным моментом в сохранении фазы сигнала и надежности работы сети. Хотя топология loop-thru не определена как часть стандарта AES3, она важна тогда, когда необходимо получить высококачественную линию передачи.

Заземление и экранирование

Заземление и экранирование по-прежнему актуальны при передаче цифровых сигналов. На рис. 1 и 2 показаны предпочтительные методы соединения экрана кабеля в целях минимизации шума, высокочастотных помех, причем без применения низкочастотных или заземляющих контуров, которые иногда приводят к весьма нежелательным последствиям

Другие стандарты, о которых полезно знать

AES-10, более известный как MADI (Multi-Channel Audio Digital Interface — многоканальный звуковой цифровой интерфейс), и AES-11 (Digital Audio Synchronization — синхронизация цифрового звука) — это два стандарта, важность которых неуклонно возрастает. AES-10 определяет последовательный формат для передачи 56 каналов данных цифрового звука. MADI рассчитан на прямую коммутацию двух устройств с применением коаксиальных или волоконно-оптических линий. Этот стандарт не совместим ни с телекоммуникациями, ни с Ethernet. AES-11 представляет собой стандарт синхронизации. Он определяет джиттер и долгосрочную стабильность для цифрового опорного сигнала. Предлагаемые правила рекомендуют фиксированное соотношение фаз для опорных сигналов видео и звука, и эти рекомендации могут стать частью стандарта AES-11. Опорные сигналы PAL и AES3 должны фазироваться так, чтобы блок AES3 совпадал с началом первой строки сигнала PAL с погрешностью не более ё 5% на цикл AES3. Что же касается синхронизации с NTSC, то ее гораздо сложнее определить из-за отношения 1000/1001 в кадровой частоте NTSC.

И, наконец, популярность недорогих восьмиканальных цифровых звуковых рекордеров и требования к передаче и производству в формате Dolby E привели к тому, что SMPTE предложила новый стандарт — SMPTE 324. Он обеспечивает передачу до 16 каналов звука по одному коаксиальному кабелю. Есть также стандарт для инкапсуляции данных AES3 в потоки данных, передаваемых по сетям ATM.

Разработка стратегии коммутации комплекса

Приведенную выше информацию можно начинать применять на практике немедленно. Разрабатывается ли новая студия или модернизируется уже существующая, стратегия коммутации играет важнейшую роль в обеспечении успеха в построении новой архитектуры системы.

Вот основные шаги разработки стратегии:

• выберите общий стандарт коммутации. AES3 и внедренный звук становятся доминирующими форматами. Помните, что исходный аналоговый материал, который имеет формат, отличный от стандартного, должен быть конвертирован;
• выберите электрический интерфейс: BNC или витую пару. Это уже детально обсуждалось выше;
• выберите кабель. Обратите внимание на цену, диаметр стыкуемых кабелей, простоту заделки разъемов. Учтите при этом уже имеющееся кабельное хозяйство и стоимость работ;
• примите во внимание необходимость коммутации многоканальных устройств. Внедренный звук может стать хорошим решением для вещательных комплексов. Учтите объем производимой аудиопродукции. Чем меньше вы производите, тем более привлекательно выглядит вариант внедренного звука.

Синхронизация цифровых звуковых комплексов

Теоретически сегодня все узкие места и проблемы, от которых страдали пионеры внедрения цифрового аудиопроизводства, устраняются при помощи синхронизации оборудования. Реально же единственным способом прямой передачи сигнала между устройствами без проблем или дополнительных расходов на преобразователи частоты дискретизации является синхронизация оборудования от одного опорного сигнала. Невозможно передать цифровой звук, если источник и приемник сигнала не синхронизированы. В разработку любого цифрового комплекса необходимо включить стратегию синхронизации всего имеющегося оборудования. Отсюда вытекают и все остальные преимущества. Общий опорный сигнал убирает эффекты плохо обработанных данных и идиосинкразию на них, а также избавляет от необходимости строить схемы восстановления синхронизации. Уменьшается время конфигурации, а также настройки отдельных устройств, что снижает число отказов и сокращает время на обслуживание.

Если все это учесть на ранней стадии проектирования, то цена синхронизации становится небольшой. Практически все видеооборудование вещательного класса корректно синхронизируется по сигналу синхросмеси. Это помогает значительно снизить расходы по этой статье.

Цифровой звуковой сигнал, например поток данных AES3, может служить опорным. Также хорошо работают в этом качестве видеосигналы NTSC или PAL. Эти сигналы синхронизации можно использовать локально, в рамках подсистем, а также в масштабах всего комплекса. Большие системы, вероятнее всего, только выиграют от наличия интегрированной сети синхронизации аудио и видео. Включение в эту сеть аудиочасти представляет собой новую концепцию, которая ранее не применялась для аналогового звука. В этой части статьи описываются различные методы, применяемые для синхронизации различных частей системы, подсистемы, слоев и комплексов. Рассмотрению подлежат частотная синхронизация и комбинация частотной и фазовой синхронизации, а также вопросы применения каждой из них.

Есть оборудование, которое нельзя синхронизировать от внешнего сигнала. Здесь же будут описаны два метода интеграции этого оборудования в синхронизированный комплекс. Определенное внимание уделяется и важности фазирования звуковых и видеосигналов.

Частотная синхронизация

Все генераторы сигнала с частотой 48кГц не идентичны. Каждый конкретный генератор вырабатывает сигнал 48 кГц с некоторой погрешностью. Обычно это ± 25 ошибок на миллион колебаний или ± 1,2 Гц для профессионального звукового оборудования. Теперь обратимся к цифровым видеомагнитофонам стандартов NTSC и PAL. Когда цифровой аудиоматериал передается с одного аппарата на другой, неизбежно возникают ошибки, даже если номинально каждый из аппаратов обеспечивает частоту дискретизации 48 кГц. Это происходит потому, что видеомагнитофоны PAL и NTSC не синхронизированы друг с другом. Если сигналы PAL и NTSC привязать к одному синхросигналу, ошибки исчезнут. Вот в чем решение — синхронизировать все оборудование по одному опорному сигналу. Комплексы стандартов PAL и NTSC уже на протяжении многих лет синхронизированы при помощи единых видеоформатов. Это необходимо для точной цветокоррекции, в частности. До сих пор звук обходился без этого. Но применение цифрового звука потребовало синхронизации оборудования по единому сигналу. То есть оборудование NTSC, PAL и цифровое звуковое должно быть синхронизировано друг с другом.

Рис. 4. Взаимосвязь частот звуковых и видеосигналов

К счастью, практически все профессиональное оборудование обеспечивает частоту дискретизации звука 48 кГц, будучи подключенным к стандартному опорному видеосигналу. Устройства NTSC работают с частотой 59,94 полей/с, а аппараты PAL — 50 полей/с, но и те, и другие выдают звук 48 кГц. Диаграмма на рис. 4 показывает, что сигналы PAL и NTSC не единственные, которые можно привязать к опорному сигналу. Кинопроекторы и CD-плееры также могут работать в ведомом режиме, и цифровой аудиоматериал можно передавать от устройства к устройству почти в любом видеостандарте и формате. Именно так и должна работать цифровая технология. Вот почему необходим единый опорный сигнал.

Фазовая синхронизация

Цифровые звуковые опорные сигналы должны содержать фазовую и частотную информацию. Хотя видеосигнал может обеспечить частотную синхронизацию, он не всегда способен реализовать точную фазовую синхронизацию звука. Фаза очень важна для звука, особенно в случаях преобразования аналогового сигнала в цифровой. Любое оборудование обработки и записи звука нуждается в привязке всех входов AES3 к общей фазе цикла AES3. Любая несогласованность по фазе цикла АЦП вызовет пропорциональную фазовую ошибку между звуковыми сигналами при сопоставлении фазы цикла AES3. Простые расчеты показывают, что при использовании частоты дискретизации 48 кГц временная ошибка по фазе величиной в половину отсчета эквивалентна фазовому сдвигу в 75° для аналогового тона частотой 20 кГц, а это уже серьезная потеря качества звука.

Рис. 5. Типовая топология привязки звукового сигнала к частоте строчной развертки видео

Единственный вытекающий из этих рассуждений вывод состоит в том, что при преобразовании нескольких каналов звука и аналога в цифру и обратно очень важно сохранить фазу цифрового звука. Этого практически невозможно достичь при использовании опорного видеосигнала NTSC. Рис. 5 показывает два контура синхронизации фазы, которые при каскадировании привязываются к частоте строчной развертки и генерируют звуковой опорный сигнал. К сожалению, эти два контура синхронизации фазы содержат четыре цифровых делителя, которые при включении приводятся в случайный статус. Поэтому фаза выходного опорного аудиосигнала также является случайной, непредсказуемой. Единственный способ обеспечить фазовую синхронизацию — это использование сигнала SDIF-2 word clock или AES3 в качестве общего опорного сигнала для преобразования.

Методы синхронизации

Локальный «островок»

Простым и эффективным методом синхронизации звукового устройства и видеоаппарата, например цифрового видеомагнитофона, является использование дополнительного выхода AES видеомагнитофона. На этот выход подается стандартный сигнал AES, имеющий корректную частоту дискретизации, привязанную к опорному видеосигналу. Обратной стороной такого метода является необходимость изменения коммутации при каждом сеансе работы, для чего придется использовать коммутационные панели или кабельные перемычки. Надо отметить, что обратная синхронизация — видеомагнитофона к аудиоустройству — практически невозможна.

Малая студия

В прошлом небольшой комплекс звукового оборудования (включая АЦП), который предполагалось использовать в составе видеосистемы, синхронизировался от опорного видеосигнала. Все аудио- и видеооборудование было привязано к одной частоте, и преобразователи могли работать синфазно, что обеспечивало корректную работу цифровых входов видеооборудования. При таком подходе звуковая картина полностью сохраняется и гарантируется корректная передача цифрового звукового сигнала от одного устройства к другому в рамках студии. Синфазность работы дает преимущества и в том случае, когда в состав студии входит микшер. Поскольку все входы сфазированы, не требуется регулировки задержки от входа к входу, чтобы добиться точной передачи звуковой картины.

В современных вещательных комплексах картина та же. Последние модели аналоговых видеомагнитофонов должны быть интегрированы в цифровые системы. Ряд компаний, в том числе и NVision, выпускает недорогие многоканальные звуковые конвертеры и устройства внедрения звука в поток SDI (SDI embedders), выполненные в виде самостоятельных модулей. Это существенно упрощает синхронизацию и фазирование аудиоканалов, поскольку одновременно конвертируются и внедряются до восьми каналов звука.

Видеокомплексы существующие и новые

Максимальный эффект от синхронизации достигается именно в масштабах большого видеокомплекса, будь то формат NTSC или PAL. Все каналы звука имеют одну и ту же частоту дискретизации — 48 кГц. Аудиоматериал, применяемый в производстве телепрограмм, можно передавать легко и корректно в рамках всей системы. Сигнал «чувствует себя» в точности как аналоговый. Наиболее впечатляет то, что и новые, и уже существующие комплексы можно очень легко конфигурировать. Нужно просто сгенерировать общий для всего оборудования опорный сигнал, который подается на основной синхрогенератор формата PAL или NTSC. В этом случае все видеооборудование привязывается к общему, единому для всей системы синхросигналу. Синхронизация входящих видеосигналов сохраняется. Для конфигураций, где очень важна фаза аудиосигнала, нужно применять подход для малых студий, описанный выше. Для систем, которые уже работают в формате PAL или NTSC и переживают переход от одного формата к другому, применима та же топология. Можно также создать сеть синхронизации для участка с оборудованием нового формата, к которой привязывается уже существующая видеосеть. В любом случае все частоты дискретизации цифрового звукового сигнала могут быть привязаны к единому опорному сигналу.

Основные положения синхронизации комплекса

В начале цепочки синхронизации необходимо установить максимально стабильный генератор. Обычно это устройство на основе кварцевого резонатора 5 МГц, но некоторые студии могут выбрать генератор на основе 5-МГц «камня» из рубидия или цезия. Эти три варианта обеспечивают стабильность, превосходящую требования стандартов NTSC и PAL. Если система стандарта PAL должна работать в ведомом от студии NTSC режиме, убедитесь, что требования к стабильности NTSC меньше, чем к PAL. Когда какой-либо формат привязывается к другому, в цепи синхронизации появляется больше контуров фазовой синхронизации, чем в случае, когда два видеоформата генерируются из одной общей стартовой точки. Это может привести к увеличению джиттера в видеооборудовании, синхронизированном от ведомого генератора.

Аудиоисточники с несинхронными входами

Конвертирование несинхронных звуковых сигналов в сигналы со стандартной частотой дискретизации значительно упрощает работу всего комплекса. Это тем более верно для больших комплексов. Есть несинхронный материал. Это неизбежно. В течение многих лет выпускалось и эксплуатировалось цифровое звуковое оборудование без входов внешней синхронизации. Наибольшую «опасность» представляет оборудование, позволяющее менять скорость воспроизведения. Из-за этого частота дискретизации может меняться в пределах ё12,5% от номинальной, что составляет чуть больше, чем один музыкальный такт. Например, значение частоты дискретизации может лежать в пределах 54…42 кГц. При столкновении с такой ситуацией есть только один способ действия: преобразование частоты дискретизации.

Конвертер частоты дискретизации цифрового звука работает аналогично преобразователю видеостандартов. Сигнал, подлежащий преобразованию, подается на вход динамического фильтра НЧ, который постоянно корректирует выходную фазу сигнала и создает интерполированные значения отсчетов, которые появляются с частотой, определенной внешним опорным сигналом. Иногда частоты дискретизации на входе и выходе могут быть привязаны друг к другу в определенном отношении. Например, 48 кГц и 44,1 кГц относятся как 160:147. Этот тип преобразования называется синхронным конвертированием частоты дискретизации. В иных случаях такого отношения между частотами может не быть. Тогда это называется асинхронным преобразованием частоты дискретизации и зачастую требуется там, где выполняется преобразование из одного видеоформата в другой или перенос материала с видео на кинопленку и обратно. Такой вариант всегда имеет место при использовании оборудования с изменяемой скоростью воспроизведения.

Ассортимент конвертеров частоты дискретизации достаточно широк, и он включает устройства, специально разработанные для использования в четырехканальных цифровых видеотрактах. Конвертеры можно устанавливать как устройства общего доступа, к которым можно подключаться через коммутатор, либо как отдельные, подключаемые к той или иной точке тракта по мере необходимости.

Выходы конвертеров частоты дискретизации могут быть синхронизированы от опорного сигнала с использованием любого из трех вариантов, описанных выше. Нужно только выбрать качественное устройство, для чего проанализировать оборудование, предлагаемое на рынке. Имейте в виду, что 20-разрядного разрешения вполне достаточно для приемлемых отношения сигнал/шум и уровня искажений.

Вещательные студии часто получают сигналы по цифровым телекоммуникационным каналам, таким как DS-3, E-3 или спутниковым. Эти входящие сигналы не привязаны к локальному опорному сигналу. Для привязки внешних аудио- и видеосигналов к опорному для комплекса используется кадровый синхронизатор с отслеживанием аудиозадержки.

Синхронизация цепей передачи сигнала

Линии задержки цифрового звукового сигнала важны для сохранения фазовой синхронизации звука и изображения. Потеря этой синхронизации свидетельствует о том, что фаза «ушла». Относительная синхронизация сигналов видео и звука меняется по мере того, как в технологическую цепочку добавляется оборудование обработки видео. Такие устройства, как блоки цифровых спец-эффектов и цветокорректоры, увеличивают время задержки в канале видео, которое необходимо компенсировать для сохранения исходной фазовой синхронизации сигналов звука и видео. Это обеспечивается применением регулируемых цифровых линий задержки звукового сигнала.

Разработка стратегии синхронизации

Ни один комплекс не может быть построен без этой стратегии. Чтобы ее разработать, нужно следовать нескольким основным рекомендациям:

• любая передача цифрового звукового сигнала требует синхронизации как минимум двух устройств — передающего и принимающего;
• практически все цифровое видеооборудование оснащено хорошо синхронизированными выходами звука. Профессиональное звуковое оборудование привязывается если не к видеосигналам, то к сигналам AES3 или SDIF-2. Только некоторые бытовые устройства не могут работать в ведомом от внешнего опорного сигнала режиме;
• все опорные видеосигналы могут быть привязаны к одному внешнему синхросигналу;
• существующие видеокомплексы могут быть синхронизированы без ущерба синхронизации входящих сигналов;
• для преобразования между аналоговыми и цифровыми форматами необходимо использовать фазово точный опорный цифровой звуковой сигнал. Он должен быть частотно синхронизирован с видео;
• конвертеры частоты дискретизации необходимы нечасто, и обычно они нужны только при использовании специфических устройств.

Коммутация цифровых звуковых сигналов

Рис. 6. Субцикл формата AES3

Коммутаторы цифровых звуковых сигналов AES/EBU могут быть разделены на три класса: для работы с внедренным звуком, синхронным и несинхронным. Каждый имеет свои преимущества и недостатки. Все они нужны для обеспечения автоматизированной коммутации цифровых звуковых сигналов AES/EBU в рамках всего комплекса или между отдельными подсистемами (студиями). Коммутация цифровых звуковых данных не настолько проста, как это может показаться на первый взгляд. Инженеры-разработчики должны понимать, что представляет собой сигнал последовательный цифрового формата, подаваемый на коммутатор, как этот сигнал видоизменяется в зависимости от типа используемого коммутирующего устройства, и предсказывать эффект, который это изменение может вызвать в том или ином устройстве, принимающем сигнал. Чтобы принять грамотное решение по выбору одного из трех вариантов коммутации, важно, прежде всего, понять, что представляет собой последовательный цифровой сигнал формата AES/EBU.

Рис. 7. Цикл формата AES3

Формат AES/EBU определяет подцикл (один канал звука), цикл (пара выбранных подциклов) и блок (192 цикла). Два подцикла составляют цикл AES3, как показано на рис. 7. Если речь идет о стереоканалах, левый идет первым и называется каналом A или 1, а правый является каналом B или 2.

Биты C, V, U и P показывают статус канала, параметр Validity, данные пользователя и паритет (Parity) отсчета соответственно для каждого канала. Параметры Validity и Parity имеют отношение к данным субцикла канала — текущему звуковому отсчету. Бита статуса канала аккумулируются на блочной основе в форму 192 бит или 24 байт, образуя заголовок, который содержит уникальную информацию об аудиоданных в каждом канале. Полезная информация, которая содержится в битах статуса канала, отображает частоту дискретизации, тип кодирования, формат стерео профессиональный режим. В 24 байта статуса данных канала входит также контрольная сумма CRC.

Заголовки данных статуса канала в каждом конкретном потоке данных AES3 являются независимыми. Например, звуковой канал A может быть выделен, а канал B — нет. Помните, что два канала — это не обязательно стереорежим. Пользовательский бит U не имеет определенного применения и часто вообще не используется. По умолчанию в потоке резервируется место для звуковых данных объемом 24 бита, однако эти четыре бита можно использовать также для кодирования третьего канала и помещения его в общий поток данных. Биты статуса канала показывают, какую именно информацию содержат эти четыре бита. И, наконец, четыре бита резервируются для циклов. Фактически, эти четыре бита содержат три варианта уникальных двоичных кодов. Эти варианты показывают, являются ли данные каналами A, B или началом блока (особый случай канала А). Рис. 6 и 7 показывают формат AES3 в деталях.

Коммутация внедренного звука

Коммутация внедренного звукового сигнала предполагает мультиплексирование звуковых данных AES3 в последовательный цифровой видеопоток. Коммутация этого типа может рассматриваться как наиболее сложная и в то же время наиболее простая технология коммутации звука в видеосистемах. Если выделение звука не требуется и оборудование оснащено модулями внедрения звука, то коммутатор внедренного звука является наиболее приемлемым решением. Современные технологии внедрения звука воспринимают цифровые звуковые сигналы как асинхронные. Прямое переключение аудиосигналов, содержащихся в последовательно цифровом потоке, требует существенной обработки сигнала для устранения эффектов обрезания или выпадения аудиоциклов. Из-за этого появляется неопределенность в выборе момента переключения выделенного аудиосигнала по отношению к видеосигналу. Если требуется обработка звука либо нужен предварительный выбор аудиосигнала, то из-за дополнительных расходов на отдельные устройства внедрения и извлечения звука обычно оптимальным решением является коммутатор AES с возможностью предварительного выбора каналов. С функциональной точки зрения синхронный коммутатор AES может отработать точку переключения, которая точно сфазирована с моментом коммутации видеосигнала. Эта топология также гарантирует сохранение фазы звукового сигнала при многоканальной коммутации.

Если нужно получить на выходе внедренный звук, то аудиосигнал можно внедрить в результирующий видеопоток. Затем аудиосигнал передается к месту назначения.

Коммутаторы внедренного звука реализованы скорее как пространственные матрицы, а не временные. Высокие скорости передачи данных, ассоциированные с цифровым видео, делают архитектуры временного переключения неэффективными. Одиночный коммутатор внедренного звука обычно является самым дорогим. Количество устройств со встроенными модулями внедрения/извлечения звука является главным фактором, который нужно учесть при сравнительном анализе стоимости того или иного варианта. Для больших комплексов, в которых большой объем материала приходится на источники с внедренным звуком и размерности матриц его извлечения малы, оптимальным выбором является коммутатор внедренного звука.

Первые устройства внедрения/извлечения звука не были предназначены для качественной коммутации. Компания NVision разработала первые приборы, которые позволяли избежать внедрения звуковых отсчетов в пакеты служебной информации строк видео, поскольку это может повлиять на коммутацию самого видеосигнала. По этой причине сочетание видеокоммутаторов и устройств внедрения/извлечения звука компании NVision обеспечивает такой же результат, как и применение видеокоммутаторов NVision и отдельных синхронных коммутаторов AES.

Асинхронная коммутация

Асинхронная коммутация является самой простой по форме и наиболее универсальной. Этот тип коммутаторов работает как электронная панель переключения. Поскольку сигналы не подвергаются обработке, асинхронный коммутатор может принять на вход цифровой сигнал с любой частотой дискретизации. Принимающее оборудование должно, конечно, допускать привязку к частоте дискретизации получаемого сигнала. Большинство устройств не распознают звук, если частота его дискретизации несовместима с выбранным режимом работы. Частота дискретизации асинхронно коммутируемых цифровых аудиосигналов может быть изменена динамически. Эта функция позволяет работать с переменной скоростью воспроизведения, что является важным в аудиопроизводстве. Асинхронные коммутаторы могут также переключать сигналы, которые синхронизированы по опорному сигналу. Есть один существенный потенциальный недостаток асинхронной коммутации: когда выполняется переключение между входами, на выходе практически гарантировано нарушение формата AES3. Циклы AES3 будут повреждены. Помните, что это также может случиться при переключении внедренного звука, если исходное устройство внедрения «не страдает» высоким качеством.

При повреждении циклов AES на приемной стороне может потребоваться восстановление синхронизации. Оборудование должно быть заново привязано к циклам и границам блоков AES, чтобы вернуться в нормальный режим работы. Этот процесс занимает ощутимое время, порой до одной секунды. Какое-то оборудование ведет себя в течение этого времени «по-джентльменски», то есть «немеет». А какое-то работает не столь корректно, генерируя довольно слышимые шумы, щелчки и т.д.

Асинхронный коммутатор эффективен, легко интегрируется в систему и хорошо работает. Он может качественно функционировать в составе студий, раз и навсегда сконфигурированных для решения определенных задач. Асинхронные коммутаторы являются единственным выбором для систем, где используются источники с разной частотой дискретизации. Хорошими примерами могут служить комплексы переноса материала с помощью телекинодатчика или студии аудиопроизводства. Но эти коммутаторы плохо работают в качестве последнего звена эфирных аппаратных либо там, где требуется точный монтаж звука, привязанный к кадрам видео.

Асинхронные коммутаторы всегда выполняются в виде пространственных матриц. Они также менее дороги. Цена и гибкость делают эти устройства очень распространенными.

Синхронная коммутация

Синхронные коммутаторы более сложны. Они разработаны для обеспечения точного циклового переключения AES3 с предсказуемой синхронизацией по видеополю, если это необходимо. Любое переключение между входами делается на границе блоков AES3. Это гарантирует непрерывность работы приемного оборудования при передаче циклов и блоков данных формата AES3. Синхронные коммутаторы требуют, чтобы частота на каждом входе была привязана к единому опорному цифровому аудиосигналу. Синхронная коммутация очень похожа на коммутацию видео по полям. При переключении правильно синхронизированного видео переход виден лишь как смена кадра. Если же синхронизация нарушена, то на экране видны искажения цвета, рывки изображения и даже срыв кадровой синхронизации. Аналогично правильно синхронизированный сигнал AES коммутируется чисто. В противном случае слышны шумы и щелчки, либо звук исчезает вообще.

Синхронный коммутатор должен принять на каждый вход сигнал AES3 и привести фазу его цикла в соответствие с фазой опорного сигнала, которым обычно является локальный цифровой синхросигнал AES3. В момент переключения аудиоданные извлекаются из последовательного цифрового потока на входе и помещаются в соответствующее место последовательного цифрового потока на выходе. Каждый входной сигнал AES3 синхронизирован по циклам, а коммутация также осуществляется на границе цикла AES3. В результате сохраняется стереофаза и расположение каналов. Принимающий аппарат получает с выхода коммутатора поток синхронных данных, в котором нет провалов и выпадений циклов. Поэтому переключение получается чистым и быстрым — никаких шумов, щелчков и пауз. Все получается, практически как при коммутации аналогового звука. Такой звуковой переход может быть привязан к переключению видео. Можно также выполнять коммутацию на субцикловом уровне с использованием тех же синхронных технологий.

Синхронный коммутатор является удачным решением для четкого переключения, особенно в прямом эфире. Это делает его хорошим выбором для видеокомплексов. Такой коммутатор обеспечивает четкую синхронизацию звука и видео при коммутации звукового сигнала. Синхронные коммутаторы выпускаются и как пространственные, и как временные матрицы. Пространственные матрицы позволяют выполнять неограниченное наращивание, а временные ограничены полосой пропускания внутренней шины. Синхронная коммутация обычно является более дорогой, чем асинхронная, но менее дорогой по сравнению с вариантом коммутации внедренного звука.

Коммутация TDM

Еще четыре года назад на выставке NAB2000 компания NVision представила первый коммутатор на основе технологии TDM (Time Division Multiplexed — мультиплексирование с разделением по времени). Он обеспечивал надежную и качественную коммутацию монофонических сигналов AES3. Такой метод гарантирует четкое переключение AES3 на субцикловом уровне с полным сохранением статусных битов каналов. Для коммутации любого входного моносигнала на любой выходной на субцикловом уровне ядро коммутатора должно быть синхронным. Определенно есть возможность изменения порядка сигналов в одном отдельно взятом потоке. Например, можно поменять местами левый и правый каналы во входном сигнале AES3. Эта функциональность теперь соблюдается от входа к входу или от выхода к выходу. Но это не является реальной монокоммутацией. Формат цифрового звука Dolby требует полной полосы для шести каналов при коммутации, прежде чем будет выполнено сжатие в Dolby Digital, AC3 или Dolby  E. А это означает, что работа с двумя мастер-сигналами Dolby требует шести входов AES3 или двух SDI Embedded. В любом случае, аппараты — источники сигнала — будут синхронизированы, а поэтому коммутацию сигналов AES3 можно выполнить раздельно и на субцикловом уровне.

Аналоговая коммутация

Коммутация аналоговых сигналов все еще применяется. Наилучшим подходом сегодня являются коммутаторы, позволяющие устанавливать в один корпус как аналоговые, так и цифровые платы. Эти коммутаторы обеспечивают аналого-цифровое преобразование, за которым следует синхронная или асинхронная коммутация. В случае синхронной коммутации возможно также переключение монофонического сигнала. Далее, на выходе может подаваться либо сразу цифровой сигнал, либо выполняться цифро-аналоговое преобразование. Разница в цене для аналогового звука в таком случае значительно меньше, чем при использовании дополнительных внешних конвертеров, а сам коммутатор становится более гибким, поскольку служит своего рода мостом между различными входными и выходными форматами. Управление коммутатором также упрощается, потому что для системы управления коммутатором не требуется привязка к внешней среде.

Интегрированные регулировки в коммутаторах

С технической точки зрения возможно оснащение цифровых коммутаторов движком цифровой обработки сигнала на выходе для обеспечения изменения уровня сигнала от максимального до нуля и обратно (fade-fade effect). Аргументом в пользу этого варианта служит то, что прямое переключение с сигнала высокого уровня на сигнал низкого уровня приводит к появлению слышимого перепада звука, даже в случае сохранения целостности цикла сигнала AES3. Этот перепад в течение многих лет был характерен для аналоговых коммутаторов. Аргумент против применения обработки в коммутаторах состоит в том, что это приводит к повышению затрат при незначительных преимуществах. Звук, который идет в эфир, обычно проходит через эфирный микшер, где и производится регулировка уровней, а затем подается на компрессор, и только после этого выполняется частотная модуляция. Либо в рамках цифрового комплекса звук подается в компрессор Dolby Digital, поэтому энергия сигнала значительно корректируется.

Разработка стратегии коммутации сигналов

Приведенные здесь рекомендации призваны помочь выбрать тип коммутации в зависимости от конкретных условий работы и с учетом всех факторов, подлежащих анализу:

• коммутация внедренного звука, очевидно, является наилучшим вариантом, если звук никогда не извлекается из потока данных. Если же это условие не соблюдается, то следует выбрать другой вариант коммутации. Определите размерность матрицы для извлечения звука. Учтите стоимость устройств внедрения/извлечения для работы с матрицей. Затем сравните эту цену с ценой отдельной звуковой матрицы плюс устройства внедрения звука;
• эфирная коммутация требует синхронизированных сигналов AES. Если этот вариант необходим или желателен, то решением является синхронная коммутация;
• асинхронная коммутация — наиболее гибкая и всегда может быть применена, если только нет жесткой потребности в чистом переключении;
• асинхронная коммутация является самым недорогим вариантом. Синхронная коммутация обычно обходится на 30…40% дороже;
• при расчете цены оборудования для коммутации внедренного звука нужно принимать во внимание цену на аудио- и видеокоммутатор. Не забудьте учесть цену устройств внедрения/извлечения звука для аудиовходов;
• хорошенько подумайте, прежде чем покупать новый коммутатор, не оборудованный АЦП/ЦАП. Внешние дополнительные конвертеры обойдутся дороже, чем коммутатор с интегрированными преобразователями;
• при использовании синхронной коммутации все источники цифрового аудиосигнала должны быть синхронизированы. Это рекомендуется делать в любых условия переключения.

Немного об аналоговом звуке

Аналоговые устройства, например человеческое ухо, голосовые связки, микрофоны и колонки, останутся навсегда. Аналоговые аппараты, которые невозможно заменить по финансовым или иным (архивы) причинам, также должны поддерживаться. Для этих целей требуются АЦП и ЦАП, отдельные либо включенные в состав коммутаторов. Эти устройства выступают в качестве интерфейса между аналоговыми и цифровыми средами. АЦП и ЦАП нужно применять правильно, чтобы избежать нежелательного повышения или понижения уровня сигнала. И здесь нужно учитывать два фактора: полный цифровой уровень (Full Scale Digital level) и установки входного/выходного импеданса.

Полный цифровой уровень (FSD) на входе — это такой уровень аналогового сигнала, который при преобразовании в цифровую форму обеспечивает максимально возможное цифровое значение на выходе. Это аналогично уровню обрезания или на 1 дБ выше. Важно стандартизировать этот уровень для всего оборудования, обеспечивающего преобразование между аналоговым и цифровым участками комплекса.

Есть еще аппараты, калиброванные на различные абсолютные уровни аналогового сигнала. Передача сигнала между такими устройствами может привести к его нежелательному усилению или ослаблению. Поэтому по возможности избегайте передачи цифрового материала в рамках аналоговой среды. Если этого не избежать, то нужно предусмотреть пути решения этой проблемы.

Выбор импеданса входа и выхода также имеет больше значение. Распространение звукового сигнала традиционно предусматривало соответствие импеданса источника и приемника, а его значение составляло 600 Ом. По мере совершенствования оборудования стало возможно использовать источники с низким импедансом, близким к нулю, тогда как импеданс приемника — высок и составляет 20…40 кОм. Это стало стандартом в большинстве систем, потому что не приводит к ослаблению сигнала на 6 дБ в каждой точке коммутации.

Разработка стратегии комплекса

Рис. 8. Схема "идеального" аудиокомплекса

Здесь приведен порядок действий, который может служить своего рода инструкцией при разработке цифрового аудиокомплекса. Он содержит ряд важных вопросов, на которые необходимо найти ответы уже на ранних стадиях проектирования. Есть надежда, что в этой статье было приведено достаточно информации, чтобы правильно ответить на все возникающие в процесс проектирования вопросы. На рис. 8 дана концептуальная схема «идеального» комплекса, которая позволяет реализовать все ключевые функции с применением технологий и методов, обсуждавшихся в этой статье. Есть и другие подходы, но этот доказал свою жизнеспособность и адаптируемость к различным требованиям и в большинстве производственных сред.

Заключение

Цифровые звуковые технологии могут быть интегрированы в любой комплекс, существующий или вновь создаваемый. Внимание к деталям и большой опыт разработки приводит к созданию надежной и эффективной системы. Синхронизация и коммутация являются основой, на которой строится сам комплекс. Инвестиции, вложенные в разработку комплекса в этих областях, в дальнейшем обернутся прибылью на долгие годы.

Соединения в рамках цифрового комплекса требуют более тщательной проработки, чем для аналогового оборудования. Исчезла наводка от переменного тока, но его место заняли джиттер и отражения. Внимательный выбор кабеля и корректное построение схем передачи сигнала позволит устранить вероятность появления джиттера и отражений, способных нарушить нормальный обмен цифровыми звуковыми сигналами в рамках комплекса. Цифровая технология уже широко используется.

И напоследок еще несколько рекомендаций:

• осознайте преимущества синхронизации всего комплекса. Она позволяет напрямую передавать цифровой материал между аппаратами различных форматов без необходимости преобразования частоты дискретизации. А это — экономия средств и времени на настройку. Стоимость синхронизации мала по сравнению с преимуществами, которые она дает даже при асинхронной коммутации;
• еще раз повторите, какие варианты коммутации для чего предназначены. Синхронная — для эфира и точного видеомонтажа. Асинхронная — для специализированных цепей и аудиопроизводства с использованием материала с разной частотой дискретизации. Малый асинхронный коммутатор, установленный в качестве предварительного перед синхронным, позволит распределять ресурсы для обработки асинхронных входящих сигналов. Либо надо применять коммутатор с интегрированными SRC-входами;
• для синхронной коммутации привяжите все звуковые и видеосигналы к опорному сигналу;
• для синхронной коммутации выполните преобразование частоты дискретизации асинхронных входных сигналов, синхронизируясь от единого для всего комплекса опорного сигнала;
• полностью цифровой коммутатор с АЦП и ЦАП в виде интегрированных модулей является предпочтительным. Цифровые коммутаторы менее дороги, занимают меньше места и дешевле в эксплуатации, чем их аналоговые собратья;
• проанализируйте схему обработки видеосигнала, чтобы определить необходимость в компенсации задержки;
• устройства задержки и преобразования частоты дискретизации могут использоваться совместно с коммутатором как распределенные ресурсы;
• определите рабочий полный цифровой уровень звука и стандартизируйте его.