ЦИФРОВАЯ СИСТЕМА ЗВУКОВОГО СОПРОВОЖДЕНИЯ ДЛЯ ЭФИРНОГО И КАБЕЛЬНОГО ВЕЩАНИЯ

Цифровая система звукового сопровождения для эфирного и
кабельного вещания.
Полезная модель относится к области цифрового кодирования сигналов звукового сопровождения телевидения и их передаче совместно с телевизионным сигналом по эфирным и кабельным сетям ТВ вещания.
Предметом работы является применение системы кодирования MUSICAM для двухканального, в том числе стереофонического, звукового сопровождения для эфирного и кабельного вещания по стандарту ЦТ SECAM - D, К и L далее в тексте ЦТ SECAM.
В действующей на территории РФ системы ЦТ SECAM монофонический сигнал звукового сопровождения передается на отдельной несущей путем ее частотной модуляции. Расщирить функциональные возможности вещания ТВ возможно за счет передачи сигналов стереозвукового сопровождения.
В предществующие десятилетия проводились разработки и испытания нескольких систем стереозвука в телевидении. Аналоговая система с биполярной модуляцией (подобно УКВ ЧМ) не обладала достаточно качественными показателями. Цифровая система NICAM, разработанная для системы ЦТ ПАЛ 1,2,3 и принятая за прототип полезной модели, не совмещается с системой ЦТ SECAM, имеющей полосу частот сигнала изображения 6 МГц, без существенного сокращения последней, что заметно снижает как яркостную, так и цветовую четкость изображения. Таким образом, проблема до сих пор не нащла рещения. Разработки полезной модели направлена на рещение этой проблемы.
Техническая реализация цифровой системы звукового сопровождения для эфирного и кабельного вещания обеспечит возможность приема населением высококачественного стереофонического цифрового звукового сопровождения (СЦЗС) ТВ программ в системе ЦТ SECAM.
Сущность полезной модели.
Интенсивно проводивщиеся в мире работы по усоверщенствованию методов цифрового сжатия аудиосигналов привели к разработке цифровой системы MUSICAM, которая по эффективности сжатия потока звукоданных примерно в 2,8
МПК6 НО4Н 5/00
раза превосходит систему NICAM. Это позволяет реализовать передачу цифрового звукового сопровождения потребителю с полным сохранением качества изображения, совместно со звуковым сопровождением на частотно модулированной несущей системы ЦТ SECAM.
Система MUSICAM 4 прошла международные сравнительные испытания, в ходе которых было выявлено, что по сравнению с другими системами цифрового кодирования, она обеспечивает наилучшее субъективное звучание при скоростях цифрового потока 196, 128 и 96 Кбит/с на один моноканал. Именно она легла в основу единого мирового стандарта на систему высококачественного низкоскоростного кодирования сигналов вещания и звукового сопровождения ISO/IEC 13818-3. Для СЦЗС используется так называемый II уровень качества при скоростях на моноканал 192 Кбит/с (междустудийный обмен с последующей обработкой), 128 Кбит/с (распределение на передающие ТВ станции без последующей обработки) и 96 Кбит/с для эфирного и проводного вещания звуковых программ.
Результаты исследований, проведенных заявителем, показали реализуемость СЦЗС по системе MUSICAM со скоростью доставки звукоданных конечному потребителю 256 Кбит/с на стереопару), что означает дополнительный запас качества относительно рекомендованного стандартом. При этом субъективное восприятие стереозвучания неотличимо от звучания компакт-диска при воспроизведении любой, в т.ч. музыкальной программы.
Кроме того, каналы абсолютно независимы, что позволяет применять их не только в режиме стереопара, но и как отдельных, например, для двуязычного звукового сопровождения.
На фигуре 1 представлена структурная схема цифровой системы звукового сопровождения в режиме двухканальногр, в том числе, стереофонического звукового сопровождения, для эфирного и кабельного вещания по стандарту ЦТ SECAM-D и К, принятом для ТВ вещания на территории Российской федерации.
Система содержит на передающей стороне: два кодера сигналов звукового сопровождения по системе MUSICAM, мультиплексор, скремблер, канальный кодер, четырехфазовый модулятор, первый смеситель, первый гетеродин и усилитель
мощности. На приемной стороне - усилитель высокой частоты, второй смеситель, второй гетеродин, усилитель промежуточной частоты, четырехфазовый демодулятор, канальный декодер, дескремблер, демультиплексор и два декодера MUSICAM.
Система работает следующим образом: на два входа которых (1 канал и 2 канал) подаются сигналы стереозвукового сопровождения, или сигналы звукового сопровождения на разных языках. С выходов двух кодеров цифровые сигналы звукового сопровождения подаются на два входа мультиплексора (MUX), с выхода которого объединенный (мультиплексированный) поток звукоданных поступает на вход скремблера. Процесс скремблирования обеспечивает устойчивую работу системы тактовой синхронизации приемной аппаратуры и получение равномерного спектра радионесущей (энергетическая дисперсия несущей).
Цифровой поток звукоданных с выхода скремблера поступает на вход канального кодера. Целью канального кодирования является согласование параметров цифрового потока звукоданных с энергетическими и физическими характеристиками эфирных и кабельных каналов ТВ вещания. При этом цифровой поток звукоданных подвергается двухступенчатому помехоустойчивому кодированию. В первой ступени производится помехоустойчивое кодирование кодом Рида-Соломона для защиты от одиночных цифровых ошибок, во второй ступени - перемежение звукоданных и их сверточное помехоустойчивое кодирование для защиты от пакетных цифровых ошибок.
С выхода канального кодера помехозащищенный цифровой поток звукоданных поступает на вход фазового модулятора, в котором производится четырехкратная (четырехпозиционная) фазовая манипуляция несущей.
Модулированная цифровым сигналом звукового сопровождения несущая поступает на первый вход смесителя, на второй вход которого подается сигнал от гетеродина. В смесителе производится перенос радиоспектра несущей в нужный частотный радиоканал эфирной или кабельной сети ТВ вещания.
С выхода смесителя радиосигнал поступает на вход усилителя мощности, в котором производится усиление мощности радиосигнала до необходимого значения. С выхода усилителя мощности радиосигнал цифрового звукового сопровождения
поступает или на передающую антенну телецентра - в случае эфирного вещания, или на головную станцию кабельного телевидения для передачи его по кабельной сети.
На приемной стороне радиосигнал с приемной антенны в случае эфирного ТВ вещания, или от сети кабельного телевидения - при кабельном вещании , подается на вход усилителя высокой частоты (УВЧ), в котором производится усиление уровня радиосигнала до нужного значения и предварительная частотная селекция для выделения нужного радиоканала.
Радиосигнал с выхода УВЧ поступает на первый вход смесителя, на второй вход которого подается сигнал от гетеродина, в результате чего спектр принятого радиосигнала перемещается на промежуточную частоту приемного устройства. Радиосигнал промежуточной частоты с выхода смесителя подается на вход усилителя промежуточной частоты (УПЧ), в котором производится усиление сигнала промежуточной частоты и окончательная частотная селекция для выделения нужного радиоканала.
Сигнал промежуточной частоты с выхода УПЧ подается на фазовый демодулятор, в котором производится демодуляция сигнала с четырехкратной фазовой манипуляцией. В результате на выходе демодулятора появляется помехозащищенный поток звукоданных, который подается на вход канального декодера.
В канальном декодере производится двухступенчатое помехоустойчивое декодирование звукоданных для устранения пакетных и одиночных цифровых ошибок. В первой ступени производится помехоустойчивое декодирование сверточного кода и восстанавливается исходный побайтовый порядок следования звукоданных. В результате такой обработки существенно снижается общее число цифровых ошибок и уменьшается до одного байта длительность пакетов цифровых ошибок. Окончательная коррекция цифровых ошибок производится во второй степени канального декодера, в которой производится помехоустойчивое декодирование кода Рида-Соломона, в результате чего устраняются одиночные битовые и байтовые цифровые ошибки. После коррекции цифровых ошибок сигнал с выхода канального кодера подается на вход дескремблера, в котором восстанавливается исходный битовый порядок следования звукоданных. Цифровой
поток с выхода дескремблера поступает на вход демультиплексора (DMUX), в котором он разделяется на два цифровых потока, в первом из которых содержатся звукоданные первого канала звукового сопровождения, а во втором цифровом потоке - звукоданные второго канала звукового сопровождения.
Звукоданные первого и второго каналов звукового сопровождения с двух выходов демультиплексора подаются соответственно на первый и второй декодер MUSICAM.
В декодерах MUSICAM производится преобразование звукоданных в аналоговые сигнала звукового сопровождения, которые поступают на выходы декодеров 1к и 2к.
В случае стереозвукового сопровождения два аналоговых сигнала звукового сопровождения с выходов 1к и 2 к декодеров MUSICAM одновременно подаются на акустическую стереосистему приемного устройства. В случае двуязычного звукового сопровождения телезритель выбирает один из каналов звукового сопровождения на нужном ему языке и выбранный сигнал звукового сопровождения (с выхода I к или 2к) подается на вход акустической системы.
На первом этапе внедрения цифрового стереозвукового и двуязычного звукового сопровождения рассмотренное приемное устройство может выпускаться в виде абонентского терминала, подключаемого к стандартному телевизору.
В дальнейшем соответствующий блок будет встраиваться изготовителями телевизоров непосредственно в их конструктив.
Основной вопрос, возникающий при создании цифровой системы звукового сопровождения для системы ЦТ SECAM заключается в выборе частотного интервала в радиоспектре излучения системы ЦТ SECAM для размещения радионесущей цифрового сигнала. Такого полностью свободного частотного интервала в радиоспектре излучения системы ЦТ SECAM нет. Поэтому приходится искать компромиссное решение, при котором переходные помехи от цифровой радионесущей не были визуально заметными на экране телевизора, а переходные помехи от радиоспектральных составляющих ТВ сигнала не создавали слышимых акустических помех в цифровых каналах звукового сопровождения. Кроме того необходимо обеспечить отсутствие взаимных помех между радионесущей цифрового
сигнала и частотно-модулированной радионесущей действующего канала звукового сопровождения.
Возможность достижения такого компромисса была не очевидна и требовалось проведение экспериментальных исследований для ответа на этот вопрос.
Ясно, что сужение спектра боковых полос радионесущей цифрового сигнала облегчает условия достижения указанного компромисса. В этом плане система кодирования MUSICAM имеет заметное преимущество перед системой NICAM 728, поскольку в системе MUSICAM скорость передачи звукоданных и соответственно ширина спектра радионесущей цифрового сигнала получается в 3 раза меньше, чем в системе NICAM 728. Кроме того, для улучшения условий совместимости, в рассматриваемой системе щирина спектра боковых полос радионесущей цифрового сигнала уменьшается еще в два раза за счет применения для передачи звукоданных 4кратной фазовой манипуляции. В результате щирина радиоспектра при цифровой передаче двухканального звукового сопровождения не превыщает 250 кГц на уровне - 40 дБ от максимального значения.
Это позволило разместить несущую цифровых сигналов звукового сопровождения в частотном интервале между верхней боковой несущей сигнала изображения и нижней боковой частотно-модулированной несущей стандартного канала звукового сопровождения без сокращения полосы частот радиоспектра видеоканала.
В результате проведенных исследований и разработок созданы действующие макеты основных узлов системы кодера, модулятора, демодулятора и декодера сигналов СЦЗС. Проведены необходимые испытания, подтвердившие реализуемость системы.
Составитель
Л.А.Севальнев
J2f-e
1.Ю.Б.Зубарев, Л.А.Севальнев. Передача информации в совмещенной иолосе частот, М. Радио и связь, 1986г., с.168, (см.с.47...52).
2.Broadcast Hardware international №35 04.1992, A.Booker NICAM 728, 37...42.
3.IEEE Int. Conf.Commim Incl. Supercomm: SupercommACC 90 vol 3. New York, 1990. G.Stoll and Y.-F. Dehery. High quality audio bit-rate reduction system family for different applications, p.937...941.
4.RECOMENDATIONITU-R BS/707-2. Transmission of multisound in terrestrial television systems PAL B,G, H and I, and SECAM L.