З 14 листопада 2003 р. "Перший канал" російського телебачення почав регулярно передавати ряд програм зі стереофонічним звуковим супроводом. Вони відзначені на зображенні спеціальним значком у вигляді накладених один зі зміщенням на інший двох стилізованих екранів телевізорів. Звичайно, збереглася і передача монофонічного сигналу.
Таке мовлення стало можливим у зв'язку з введенням на Останкінській телевежі нового передавача замість старого, який працював з 1967р. - з дня початку мовлення телецентру в Останкіно. Старий передавач поки будуть використовувати в якості резервного.
Жителі Москви і Підмосков'я можуть приймати стереозвук, якщо їх телевізори оснащені демодуляторами - декодерами сигналу NICAM, переданого способом фазової модуляції DQPSK на піднесучої частоти 5,85 МГц. Нагадаємо, що рознос між несучими частотами зображення і звичайного монофонічного звуку в радіоканалах дорівнює 6,5 МГц, як передбачено у використовуваних у нас стандартах D (MB) і До (ДМВ).
Про те, як формується, передається і приймається сигнал стереофонічного звукового супроводу NICAM розказано в цій та наступних частинах публікованого матеріалу.
До недавнього часу в нашій країні не велося стереофонічне звукове супровід ефірних телевізійних програм, тому інтерес до систем такого мовлення був невеликий. У той же час за кордоном вони успішно експлуатуються. Одна з найбільш популярних серед них - система стереофонічного звукового супроводження телевізійного мовлення NICAM (Near Instantaneously Companded Audio Multiplex - майже миттєво компандированный звуковий сигнал з ущільненням). Вона була розроблена Британською радіомовною компанією ВВС (Бі-Бі-Сі) і вперше представлена в МККР в 1987 р. В експлуатацію вона увійшла в 1988 р. і зараз широко використовується у Великобританії, Швеції, Данії та інших країнах Європи як у наземному, так і в супутниковому телевізійному мовленні.
Словник термінів
- Дискретизація - подання в часі безперервного аналогового сигналу у вигляді послідовності його дискретних значень (вибірок або відліків), наступних через певні інтервали.
- Диференціальне кодування - спосіб кодування, при якому по каналу зв'язку передають значення цифрового коду кожного відліку, а різниця між дійсним значенням поточного відліку і значенням цього ж відліку, передвіщеним з попереднім.
- Квантування - заокруглення значення кожного відліку до найближчого рівня квантування.
- Компандирование - стиснення динамічного діапазону сигналу при його передачі та розширення при прийомі.
- Мультиплексування - об'єднання декількох вхідних потоків у єдиний вихідний.
- Відлік - одиничне значення сигналу, отримане при його дискретизації в вибраний момент часу.
- Оцифровка - процедура, в результаті якої значення відліку представляється в вигляді числа, що відповідає номеру отриманого рівня квантування.
- Перемежування бітів (побітове перемежування) - перестановка бітів, символів і т. п.
- Скремблювання (рандомізація, шифрування) - спеціальна обробка цифрового сигналу шляхом перестановки бітів, сегментів, блоків або додавання заважають сигналів, наприклад, псевдовипадковою послідовності, після чого приймач перестає приймати його до тих пір, поки цей сигнал не буде підданий дескремблированию.
- Слово - послідовність бітів, відповідна одиниці інформації в цифровій формі.
- Рівень квантування - значення постійного рівня сигналу кожного відліку.
- Біт парності біт, службовець для перевірки на наявність бітової помилки шляхом додавання одного біта.
Так як "Перший канал" телевізійного мовлення почав вести стереофонічне звуковий супровід низки своїх передач саме по цій системі, слід ознайомити читача з принципами формування сигналу NICAM, його передачі і прийому за радіочастотним стандартам, G, Н, I, а також з конкретними схемами декодерів сигналу телевізійних приймачів. Оскільки в системі забезпечується передача з сумарною швидкістю 728 кбіт/с, то в літературі її частіше називають NICAM-728 [1 - 4].
У відповідності з Рекомендацією 707 МККР систему застосовують в тих випадках, коли в наземні телевізійні пристрої спільно з передачею аналогового відеосигналу додатково потрібно ввести цифровий звук. Для його передачі використовують дві несучі частоти (рис. 1), основна з яких f3 осн модулюється, як зазвичай, по частоті аналоговим монофонічним сигналом звукового супроводу телевізійних програм, а додаткова f3 доп - цифровим стереофонічним сигналом звуку NICAM.
Значення несучих звуку відстоять від несучих зображення fиз на 5,5 (основна) і 5,85 (додаткова) МГц для стандартів, G, Н і на 6 і 6,552 МГц для стандарту I. На цій несучої NICAM забезпечується передача двох високоякісних звукових сигналів каналів L (лівий) і R (правий). Несуча звуку NICAM в стандартах, G, Н, I розташована по частоті трохи вище несучої звичайного звуку, але в межах смуги частот радіоканалу. Основні параметри системи NICAM вказані в таблиці.
Принцип формування сигналу системи NICAM розглянемо за спрощеною структурною схеми передавача, показаної на рис. 2. Перед подачею з каналів L і R аналогових звукових сигналів на мультиплексированный АЦП в кожен з них вводять попередні викривлення. Вони необхідні у відповідності з міжнародними стандартами (Рекомендація J. 17 МККТТ), щоб забезпечити певний підйом ВЧ складових сигналів. Попередні викривлення дозволяють зменшити рівень шумів, які розташовані переважно в цьому інтервалі. У приймачі співвідношення НЧ і ВЧ складових відновлюється ланцюгами корекції попередніх викривлень, зменшують амплітуду ВЧ складових.
(натисніть для збільшення)
Відомо, що для отримання високої якості звучання домашньої апаратури цілком достатньо смуги звукових частот 15 кГц. Звідси випливає, що міні мальна частота дискретизації (вибірки) при перетворенні аналогового зву кового сигналу в цифровий повинна бути дорівнює подвоєному значенню верхній звуковий частоти, тобто 30 кГц. Однак на практиці для запобігання накладення спектрів сигналів і пов'язаних з цим спотворень використовують трохи більше високу частоту вибірки - 32 кГц.
Вибірка в сигналах L і R відбувається одночасно, після чого в АЦП група з трьох відліків сигналу L перетвориться в 14-бітове кодоване слово, слідом за яким така ж група відліків сигналу R, потім знову слово L і т. д. по черзі. Вихідний сигнал АЦП складається з послідовно наступних сегментів даних, що представляють собою групи з 32 відліків кожного каналу. 14 бітова оцифровка сигналів дозволяє отримати велике число рівнів квантування (16384), що цілком прийнятно для високоякісного відтворення звуку.
При згаданих умовах оцифровки сигналів з частотою вибірки 32 кГц вимагається досить велика швидкість передачі даних і, отже, дуже широка смуга частот, яка ніяк не вписується в смугу частот радіоканалу. Тому на практиці використовують майже миттєве цифрове компандирование (на що і вказує назва системи), яке дозволяє зменшити число біт на відлік з 14 до 10 і бітову швидкість передачі даних без погіршення якості відтвореного сигналу.
Спосіб цифрового компандирования заснований на тому, що значення кожного біта двійкового коду залежить від рівня сигналу звуку, який в кожен момент являє собою конкретний кодований відлік. Так, при гучних звуках, т. тобто при великих амплітудах сигналу, вплив молодших бітів дуже мало і ними можна знехтувати. При тихих звуках (значення відліків не перевищують 100...200 мкВ) молодшими бітами нехтувати не можна.
Отже, цифровий компандер NICAM перетворює 14-бітовий код в 10-бітовий: для слабких сигналів збережені вихідні 14-бітові відліки, а для сигналів з великим рівнем відкинуті від одного до чотирьох молодших бітів.
Для більш ефективного компандирования в ряді випадків виключають і деякі старші біти. Наприклад, 13-й біт буде виключений, якщо він збігається з 14-м; 12-ї біт - при збігу і з 13-м і 14-м і т. д. 14-й біт присутній завжди, так як він вказує на полярність сигналу. При видаленні старших бітів в системі передбачений спосіб їх відновлення в приймачі, що зветься кодуванням масштабним множником. Він являє собою трехбитовый код, повідомляє приймачу число виключених старших бітів для їх подальшого відновлення.
Наступний етап обробки сигналу полягає в додаванні до коду кожного відліку біта парності й освіті 11-бітового коду. Біт парності необхідний для перевірки шести старших бітів на присутність в них помилки.
На виході пристрою додавання бітів парності з 32-х 11 -бітових відліків L1 - L32 (в каналі L) і R1 - R32 (в каналі R) формуються групи, звані сегментами (рис. 3), які надходять спочатку на формувач блоків, а потім - на циклообразующий мультиплексор. Перед формуванням циклів (кадрів, кадрів) потік даних організується у 704-бітові блоки даних, кожен з яких містить два сегмента (по одному від кожного каналу), причому блоки мультиплексируются так, як це показано на рис. 4.
Перед кожним блоком звукових даних розміщують додаткові 24 біта інформації, необхідні для синхронізації і керування (рис. 5). Слово циклової синхронізації синхронізує приймач NICAM телевізора і завжди має значення 01001110, а біти С0-С4 потрібні для керування і синхронізації декодера, причому біт ЗІ називають прапором циклу.
Далі застосовують побітове перемежування. Воно потрібне для мінімізації бітових помилок (пакетів помилок), які викликаються шумами і перешкодами і можуть спотворити кілька сусідніх бітів. Пристрій побітового перемежування відокремлює суміжні біти один від іншого на 16 тактів синхронізації (тобто між ними розташоване 15 інших бітів). Тому, так як пакет помилок зазвичай не перевищує 16 біт (а це найбільш ймовірно), в телевізорі він буде розосереджений по різних відлікам у вигляді одиночних бітових помилок, а це практично не впливає на якість звуку.
Пристрій побітового перемежування містить ОЗУ, куди спочатку записуються дані 704-бітового блоку, а потім вони зчитуються з нього у зазначеній вище послідовності. Порядок зчитування зберігається в ПЗУ, званий інакше датчиком послідовності адрес. Подібне ж ПЗУ використано в телевізорі для відновлення там вихідної бітової послідовності.
Для того щоб сигнал сприймався як випадковий, тобто мав рівномірне розподіл енергії, і щоб зменшити вплив на сигнал звуку NICAM звичайного звукового сигналу з боку частотного модулятора, потік бітів відбувається на пристрій скремблювання. Очевидно, що скремблированию не піддаються біти слова циклової синхронізації. У телевізорі виконується зворотна процедура, звана дескремблированием бітів звукових даних, для відновлення їх у первісному вигляді.
В системі NICAM для передачі цифрового сигналу по радіоканалу застосований метод фазової маніпуляції несучої звуку QPSK (Quadrature Phase Shift Keying - квадратурна фазова маніпуляція). Однак скремблированный потік цифрових звукоданных перед подачею на модулятор піддається диференціальному кодування, тому маніпуляція носить ще і назву диференціальної (Differential) - DQPSK. Це потрібно для того, щоб в телевізорі можна було б використовувати не тільки синхронну демодуляцію, але і більш просту - різницеву.
Фазова маніпуляція - найбільш економічний вид модуляції, при якій частота несучої залишається постійною, в той час як її фаза змінюється у відповідності з станом бітів даних. Квадратурна фазова маніпуляція, звана також чотирипозиційної, має чотири значення фази: 45°, 135°, 225° і 315°. Для їх отримання фазу несучої зрушують на 90° і формують два перебувають у квадратуру сигналу даних: I та Q. У результаті створюється сигнал з результуючої фазою 45°. Потім для формування інших результуючих векторів ці обидва сигналу піддають зміни фази на 180° (рис. 6). Кожен з векторів може бути представлений двома бітами двійкового числа:
- 00 - 0° (змін фази немає);
- 01 - зміна фази на -90°;
- 10 - зміна фази на -270°;
- 11 - зміна фази на -180°.
Отже, представлені бітові комбінації змінюють фазу несучої на різні кути по відношенню до фази попереднього сигналу, як це показано на тимчасової діаграмі рис. 7. Для забезпечення такої маніпуляції фази передбачено перетворення послідовного потоку цифрових звукоданных в паралельний двухбитовый формат. В результаті бітова швидкість передачі знижується в два рази, що призводить до звуження смуги частот, займаних сигналом.
Модульований сигнал DQPSK і частотно-модульований сигнал монозвуку надходять на перетворювач частоти, де вони переносяться на задану несучу частоту. ВЧ сигнал посилюється і випромінюється антеною.
Розглянемо фрагмент структурної схеми телевізора з вбудованими демодулятором і декодером NICAM (рис. 8).
Як і зазвичай, сигнал мовного телебачення надходить на антенний вхід селектора каналів (тюнера), в якому відбуваються вибір і перетворення прийнятих радіочастотних сигналів сигнали ПЧ зображення і звуку. Посилені і пройшли фільтр на ПАХ вони проходять відповідні тракти обробки телевізора.
Смуговий фільтр NICAM (на частоту 5,85 МГц для стандартів, G, Н, D, або 6,552 МГц для стандарту I) виділяє сигнали ПЧ NICAM, які після підсилення надходять на демодулятор NICAM (рис. 9). Його робота заснована на тих же принципах, що і звичайного демодулятора ЧМ сигналів, в якому зміни фази або частоти коливань приводять до зміни вихідного постійної напруги. Однак при квадратурної модуляції крім синфазного фазового детектора використовується ще і квадратурний фазовий демодулятор, на який подають зрушений по фазі на 90° сигнал з генератора несучої.
З виходів детектора і через ФНЧ демодулятора сигнали даних I і Q приходять на диференціальний логічний декодер, пристрій відновлення бітів синхронізації і пристрій ФАПЧ. Останнє, як правило, при необхідності виробляє сигнал помилки, який підлаштовує частоту і фазу генератора несучої. Пристрій відновлення бітів синхронізації входить у другу петлю ФАПЧ, синхронізовану з швидкістю передачі бітів. Для забезпечення бітової синхронізації швидкості в якості системної використовується частота, кратна бітової швидкості. Бітова швидкість передачі виходить розподілом системної частоти синхронізації на 8.
Диференціальний логічний декодер перетворює потоки даних I і Q відповідні двобітові паралельні дані, які потім проходять на паралельно-послідовний перетворювач, який відновлює вихідний послідовний потік даних.
У декодері NICAM (рис. 10) забезпечується дескремблювання, деперемежение, экспандирование даних, відновлення початкових 14-бітових слів і управління ЦАП.
Закодовані дані з демодулятора NICAM надходять на детектор слова циклової синхронізації і на дескремблер для розпізнавання циклу і дескремблирования. Дескремблированные дані приходять на пристрій деперемежения, на виході якого відтворюються вихідні двоканальні (L і R) дані разом з сигналом впізнавання потрібного каналу. Для деперемежения, за аналогією з передавачем, спочатку виконується запис в комірки ПЗП потоку даних блок за блоком а потім для відтворення правильного порядку проходження бітів вміст комірок зчитується згідно із записаною програмою в ПЗУ.
Дескремблированные дані проходять також на пристрій вибору режимів роботи, який декодує біти управління С0-С4 (див. рис. 5) і передає інформацію про тип передачі на експандер та інші вузли декодера, а також телевізора. У ньому, зокрема, формується сигнал блокування каналу монофонічного звуку при прийомі стереофонічного. Така блокування запобігає потраплянню на підсилювач 3Ч перешкод і шумів з каналу монофонічного звуку.
Відновлене в правильному порядку пристроєм деперемежения кожне 11-бітове слово (нагадаємо: 10 бітів даних + 1 біт парності) розширюється до экспандером 14-бітового формату. Експандер використовує масштабні множники, закладені в біти парності, які розширюють 10-бітові коди відліків до 14 біт.
У пристрої перевірки наявності помилок для корекції бітового потоку використовуються біти парності.
Потім в даних коригуються попередні викривлення і вони надходять на пристрій управління ЦАП, який формує три сигнали: бітовий потік даних, сигнал розпізнавання і сигнал синхронізації.
Зазвичай використовують один ЦАП, що працює поперемінно на кодові слова сигналів L і R. На виходах ЦАП формуються аналогові сигнали 3Ч, які і подають на відповідні підсилювачі потужності.
Тепер розглянемо принципову схему приймача NICAM (плата До телевізора PHILIPS - 29РТ-910В/42(58), зібраного на шасі FL2.24, FL2.26 або FL4.27 (АА) (рис. 11). Приймач сконструйований так, що може обробляти сигнали як стандартів, G, Н, так і стандарту I.
(натисніть для збільшення)
На вхідні контакти плати 1N43 і 1N50 (IF INPUT) поданий сигнал ПЧ NICAM. Два смугові фільтри 1002 і 1004, включених паралельно, забезпечують виділення сигналів згаданих стандартів. Каскад на транзисторі 7008 грає роль емітерного повторювача, а на транзисторі 7009 - підсилювача сигналів ПЧ.
Далі сигнал NICAM (DQPSK) надходить на вивід 3 мікросхеми 7000, виконує функцію демодулятора складових звукового спектру NICAM. В ній же відбуваються відновлення тимчасових інтервалів (бітів) цифрового коду, перетворення паралельного коду сигналу даних у послідовний і фазова автопідстроювання частоти генератора подвоєною несучої.
Структурна схема мікросхеми TDA8732 зображена на рис. 12. Через підсилювач-обмежувач всередині мікросхеми сигнал надходить на фазовий синфазно детектор і квадратурний демодулятор. На один з них подано сигнал піднесе без зміни фази, а на іншій - зрушений на 90°.
Утворюються на виходах цих пристроїв сигнали I і Q через виводи 7 і 6 мікросхеми, ФНЧ (дросель 5001, конденсатор 2005 і дросель 5000, конденсатор 2004 на рис. 11), висновки 8 і 5 мікросхеми проходять на диференціальний логічний декодер (рис. 12), пристрій відновлення бітів синхронізації і пристрій ФАПЧ. Перший з них перетворює паралельно прийняті сигнали I і Q у двобітові цифрові дані, а включений далі перетворювач даних відновлює їх в початковий послідовний потік.
На виході пристрою відновлення бітів CLK LPF (вивід 1 мікросхеми) включений ФНЧ (конденсатори 2042, 2012, 2014, резистори 3011, З010) і варикап 6006 (див. рис. 11). Під впливом сформованого на вивід 1 мікросхеми рівня напруги ємність варикапа змінюється, в результаті чого відбувається автоматичне підстроювання кварцового резонатора 1001. Так забезпечується синхронізація детектора слова циклової синхронізації, що знаходиться в мікросхемі 7001.
До виходу пристрою ФАПЧ (вивід 9 мікросхеми 7000) підключені ФНЧ (конденсатори 2006, 2007, резистор 3005) і варикап 6005. Під впливом сформованого на виводі 9 мікросхеми рівня напруги ємність варикапа змінюється, в результаті чого автоматично підлаштовується частота кварцового резонатора 1003, а значить, і генератора подвоєною несучої частоти (рис. 12). Так відбувається системна синхронізація пристроїв демодулятора.
Перетворювач даних мікросхеми 7000 синхронізується зовнішніми синхронізуючими імпульсами PCLK, що подаються на таймер-синхронізатор через висновок 16 мікросхеми (див. рис. 11) з внутрішнього генератора мікросхеми 7001.
Послідовний потік даних DATA з виводу 15 мікросхеми 7000 проходить через висновок 21 мікросхеми 7001 (рис. 13) на детектор слова циклової синхронізації і дескремблер. Робота більшості пристроїв мікросхеми SAA7280 збігається з уже розказаної за рис. 10 у попередній частині статті і коментарів не потребує.
Необхідно тільки додати, що із пристрою вибору режимів роботи через висновок 22 мікросхеми (див. рис. 11) керуюча напруга надходить на комутатор звукових сигналів і забезпечує блокування каналу звичайного монофонічного звуку при прийомі стереофонічного. Інші виходи пристрою вибору режимів роботи (див. рис. 11 і 13) у цьому конкретному телевізорі не використані.
Пристрої мікросхеми 7001 керуються сигналами цифрової шини 1С, тому всередині мікросхеми передбачений інтерфейс цієї шини (рис. 13). Сигнали синхронізації SCL подані на нього через висновок 26 мікросхеми (див. рис. 11), резистор 3027 і контакт 4N43 плати, а сигнали даних SDA надходять і знімаються через висновок 24 мікросхеми, резистор 3026 і контакт 5N43 плати.
З пристрою керування мікросхеми ЦАП 7001 (рис. 13) через висновки 10, 8 і 9 цифрові сигнали даних SDAT, синхронізації SCLK і пізнання STIM відповідно проходять на висновки 3, 2 і 1 мікросхеми 7007 (TDA1543), виконує функцію ЦАП. На її виходах (висновки 6 і 8) формуються звукові стереофонічні сигнали лівого (L) і правого (R) каналів, що подаються на підсилювач 3Ч.
(натисніть для збільшення)
На рис, 14 показаний фрагмент принципової схеми звукової плати (AUDIO) телевізорів SAMSUNG - CS6277PF/PT, зібраних на шасі SCT51 А. Слід зазначити, що в демодуляторі-декодері всі постійні резистори, крім RJ08, RJ11, і все неполярні конденсатори застосовані у виконанні для поверхневого монтажу (CHIP). Канал обробки сигналу NICAM в телевізорах побудований на одній ВІС ICJ01 (SAA7283ZP), що виконує функції демодулятора сигналів DQPSK, декодера демодулированных сигналів і ЦАП (рис. 15).
Квадратурно (фазово) модульований сигнал DQPSK NICAM через контакт SIF(QPSK) з'єднувача CN601 (див. рис. 14) звукової плати і висновок 29 мікросхеми (рис. 15) надходить на вбудовані в неї смугові фільтри (5,85 і 6,552 МГц) і підсилювач, охоплений АРУ і керований внутрішнім контролером АРУ.
Сигнал DQPSK детектується фазовим детектором з контурами несучих, на яких (у залежно від прийнятого стандарту) виділяється напруга помилки, перетворюваний потім ГУН у керуюча напруга (в нашому випадку на виведенні 27, див. рис. 14). Воно і впливає на ланцюг підстроювання контурів.
Сформовані сигнали I і Q приходять (див. рис. 15) на пристрій відновлення бітів синхронізації, яке через висновки 39 і 40 мікросхеми впливає на кварцовий генератор.
У декодері NICAM відбувається дескремблювання, деперемежение і экспандирование сигналів даних. Декодированные дані після цифрового фільтра посилюються, проходять пристрій корекції попередніх викривлень і перетворюються вбудованим в мікросхему ЦАП аналогові звукові сигнали каналів L і R. Пропущені через вихідні перемикачі сигнали L і R з висновків 15 і 8 мікросхеми відповідно надходять на підсилювач 3Ч.
На вихідні перемикачі можуть бути подані й інші звукові сигнали, наприклад, монофонічний сигнал звичайного звуку при відсутності стереофонічного супроводу. У розглянутому модулі через висновки 7 і 16 мікросхеми, конденсатори CJ28 і CJ23 і контакт SECAM-L з'єднувача CN601 приходить монофонічний сигнал.
Усіма вузлами мікросхеми управляє контролер, поєднаний з декодером NICAM та ПЗУ. Управління забезпечується по цифровій шині l2C. Для цього на висновок 49 мікросхеми поступає сигнал синхронізації SCL, а на висновок 50 подається і з нього знімається сигнал даних SDA.
Література
Автор: А. Пескин, р. Москва