Власники ряду імпортних телевізорів не мають можливості використовувати таку функцію апаратів іноземного виробництва, як звукове стереофонічне супровід ефірних і кабельних телевізійних програм. Найчастіше тільки ті, хто приймає супутникові програми, можуть оцінити його перевага. Про те, як відбувається передача телевізійного звуку в існуючих стандартах і як поліпшити його відтворення, розповідається в опублікованій статті.
Технічна база вітчизняного телебачення за останні роки значно покращилася. На телецентрах з'явилася нова техніка, використовуються сучасні засоби і технології підготовки і ведення передач. Підвищилася якість зображення, зростає кількість каналів мовлення. Єдина характеристика, не перетерпіла істотних змін в ефірному та кабельному телебаченні, - звуковий супровід. Багато десятиліть воно залишається монофонічним.
Монофонічний звук здається що виходять з однієї точки - гучномовця. В телебачення, як і кіно, такий спосіб відтворення вступає в протиріччя з зображенням. Він прийнятний частково лише при показі великих планів, коли звук повинен виходити з центру екрана. При середніх і загальних планах логічно вимагається розширення звукової картини перед глядачем.
Кардинальне поліпшення сприйняття звукової панорами можуть забезпечити тільки багатоканальні системи формування та відтворення звуку. Це - численні варіанти двоканальних стереофонічних, чотириканальних квадрафонических, п'яти - і більше канальних систем об'ємного звучання. Всі вони (крім квадрафонических, поки що не знайшли широкого застосування) доведені до високого схемотехнічного і якісного рівня, освоєні промисловістю і використовуються у всьому світі. З недавнього часу вони з'явилися і в нашій країні. Розглянемо їх основні параметри.
Відеомагнітофони формату VHS простої конструкції відтворюють звук по одному каналу, а більш складні (класу Hi-Fi) - ще й з двома. Режим, в якому записаний звук, зазвичай зазначений на відеокасеті. Це може бути STEREO, DOLBY STEREO, DOLBY SURROUND (при багатоканальному звуці). Відсутність таких написів означає монофоническую запис. На носіях, використовуваних у відеомагнітофонах формату S-VHS і в програвачах міні-дисків DVD, записи роблять практично завжди з багатоканальним звуковим супроводом. Всі ці апарати обробляють аудіосигнали, як правило, по низькій частоті в аналоговій формі, а програвачі DVD - і в цифровий.
Телецентри зарубіжних країн передають звуковий супровід різними способами.
У США використовується система BTSC-MTS (Broadcast Television Systems Committee - Multichannel Television Sound - багатоканальний телевізійний звук - стандарт Комітету з передавальним телевізійним системам). Вона являє собою розвиток монофонічного телевізійного стандарту NTSC M, дозволив додатково ввести в нього багатоканальний звук. Система передбачає модуляцію піднесучої частоти 4,5 МГц не монозвуком, а комплексним стереосигналом (КСС). Структура цього сигналу показана на рис. 1,а. Частота пригніченою піднесе сигналу L-R дорівнює 31,468 кГц, що відповідає другій гармоніці рядкової частоти, що дорівнює в системі NTSC 15,734 кГц. Крім звичайних L+R, L-R, піддаються амплітудної (АМ) і збалансованою (БМ) модуляції, і пілот-сигналів, в КСС BTSC-MTS введені ще два додаткових частотно-модульованих кодованих каналу звуку на піднесучих 78,67 і 102,27 кГц (для службового використання). Приймачі з монозвуковым трактом сприймають тільки сигнал L+R. Апарати, в яких передбачено стереотракт, обробляють всі сигнали.
В Японії звукові сигнали передають у вигляді КСС (рис. 1,б), але побудованого інакше, ніж у BTSC-MTS. Піднесучу сигналу L-R не пригнічують. Пілот-сигнал теж передають, але використовують лише для розпізнавання режиму роботи. При передачі стереопрограмм він модулирован тоном частотою 982,5 Гц, при двоканальної (двомовною) передачу - тоном частотою 922,5 Гц, а у разі моноканалу пілот-сигнал не модулирован.
У стандарті PAL-B/G наземного мовлення стереосигналы знаходяться в ПЦТВ на піднесучих 5,5 і 5,742 МГц з модуляцією ЧМ (рис. 1,в). На одній з них передають сигнал L+R, на іншій - 2R. Використання сигналу 2R замість L-R дозволяє вирівняти шуми в каналах, які в каналі L звичайно вдвічі більше, ніж в каналі R. Ця система називається Zweiton. Крім цього, стереосигнал повторюється в ПЦТВ у цифровій формі закодованим по системі NICAM (Near Instantaneous Companded Audio Multiplex - пряма передача двоканального звуку) з використанням ВФМ (відносної фазової маніпуляції).
ПЦТВ PAL-I (рис. 1,г) містить два одночасно передаються звукового сигналу супроводу: частотно-модульований аналоговий моносигнал на піднесучої 5,9996 МГц і цифровий стереосигнал на піднесе 6,552 МГц, закодований за системі NICAM.
Стереосигнал системи NICAM формується на телецентрі шляхом дискретизації аналогових сигналів L і R в часі з частотою вибірки 32 кГц і квантування за 256 рівнів (8 біт) в кожній вибірці. Інформацію від обох каналів передають у загальному потоці цифрових даних DQPSK (Digital Quadrature Phase Shift Keying - потік цифрових даних з квадратурних зсувом фази) зі швидкістю 728 кбіт/с. Цей потік модулює піднесучу звуку (5,85 МГц у PAL-B/G і 6,552 МГц у PAL-I) методом ВФМ.
У телевізорі потік DQPSK декодується, перетворюючись на два аналогові сигнали L і R. Структура декодера представлена на рис. 2.
В мікросхему DD1 з демодулятора ПЦТВ надходить піднесуча звуку, модульовані потоком DQPSK і пілот-сигналом з частотою 54,6875 кГц. У мікросхемі DD1 піднесуча демодулируется і отриманий цифровий потік очищається від перешкод в цифровому фільтрі. Потік DQPSK і пілот-сигнал передаються декодер DD2. Декодування полягає в поділі потоку DQPSK на цифрові сигнали L і R, а також в розбитті їх на групи бітів (слова), відповідні вибірках, Цифро-аналогові перетворювачі в мікросхемі DD2 перетворюють цифрові вибірки імпульси, які після згладжування утворюють аналогові сигнали L і R. Одночасно розпізнається і спосіб передачі звуку. Якщо пілот-сигнал модулирован частотою 117,5 Гц, передається стереопрограмма, якщо частотою 274,1 Гц - два моносигнала, а якщо не модулирован - один моноканал. Декодер управляється мікроконтролером системи керування телевізора по цифровій шині I2C.
Всі розглянуті системи сумісні з парком монофонічних телевізорів.
Телевізійне мовлення супутникових каналах організовано з передачею сигналів в аналогової, цифро-аналоговій та цифровій формах.
В аналоговому вигляді триває супутникове мовлення в системах NTSC, PAL, SECAM. В системі SECAM-D/K звуковий супровід при цьому, як і раніше, залишається монофонічним. По супутниковим каналам, на відміну від наземного мовлення, воно передається на піднесучих 6,8; 7 або 7,5 МГц.
В системі PAL звуковий супровід в аналоговій формі організується по одному, двом або чотирьом каналам. У першому випадку вибирають одну з піднесучих 6,5; 6,6; 6,65; 6,8; 7; 7,5 МГц. Двох - і чотирьохканальна передача звуку забезпечується за системі Wegener-Panda 1. Як показано на рис. 1,д, в ній передбачено включення в ПЦТВ чотирьох додаткових частотно-модульованих звукових піднесучих 7,02; 7,2; 7,38; 7,56 МГц. Дві з них використовуються для передачі стереозвукового супроводу телевізійної програми, решта - для одночасно передаються радіомовних програм. Більш детально про такий системі можна почитати в [1].
У цифровій формі звуковий супровід аналогового телевізійного сигналу PAL по супутникових каналах передають після кодування по системі NICAM.
В цифро-аналоговій формі телевізійні сигнали використовують у системах MAC і MUSE.
Система MAC (Multiple Analog Components - ущільнення аналогових компонент) являє собою перехідний варіант від аналогових до цифрових способів передачі телевізійного сигналу по каналах зв'язку. В ній застосовані аналогова і роздільна під час передавання сигналів яскравості і кольоровості і цифрова передача сигналів звуку та іншої інформації (сигналів синхронізації, телетексту, службових сигналів). Обробка їх на передавальній і приймальній сторонах забезпечується цифровими методами.
Існує кілька варіантів побудови системи: А-МАС-МАС, З-MAC, D-MAC, D2-MAC, HD-MAC, HD-B-МАС. Основні відмінності полягають у способах їх кодування сигналів, модуляції несучої числі звукових каналів.
Сигнали звуку з аналогової форми перетворюються в цифрові після дискретизації їх з частотою 32 кГц і квантування з використанням 14 біт у вибірці. Після цього вони в реальному масштабі часу записуються у буферну пам'ять, де з'єднуються з сигналами цифрової інформації в пакети по 751 біт. Протягом кадру формується 162 пакета в системах З-МАС, D-MAC (82 пакету в системі D2-MAC). У час інтервалів гасіння пакети зчитують-ся з буферної пам'яті зі швидкістю 20,25 МГц порціями по 195 біт в рядку (10,125 МГц і 99 біт в системі D2-MAC) і у цифровій формі вводяться в передається телевізійний сигнал.
У системах А-МАС-МАС цифрові сигнали поміщені на своїй подне-сущої 7,25 МГц, при цьому в системі А-МАС їх передають безперервно.
Сигнали цифрового пакету являють собою потік бітів, керуючих фазою несучої телевізійного сигналу, яка може приймати два або чотири фіксованих значення.
Система А-МАС - одноканальна. у варіантах B-D може бути організовано до восьми каналів звукового супроводу.
У приймачі цифрові сигнали звуку відокремлюються від цифрової інформації, заносяться в буферну пам'ять, з якої зчитуються для цифро-аналогового перетворення з нормальною швидкістю.
Система MAC не витримала випробування часом. Влітку 1999 р. з більш ніж 5000 супутникових каналів тільки 56 працювали в стандарті D2-MAC і 20 - у стандарті В-МАС.
Варіанти HD-MAC і HD-B-MAC відносяться до телевізійних систем високої чіткості (ТВЧ або телевізор високої чіткості) з розгорткою на 1250 рядків. В них збережені використані в попередніх версіях принципи: цифровий звук і розділені в часі аналогові сигнали яскравості і кольоровості. Більш докладно про систему MAC написано в[2 та 3].
Система MUSE (Multiple Sub-Nyquist Sampling Encoding - система кодування з багаторазової субдискретизацией за Найквисту) розроблена і використовується тільки в одному телевізійному каналі в Японії. У ній, як і в системі MAC, передаються аналогові сигнали яскравості і кольоровості з цифровими сигналами звуку та цифровий інформа ції. Подібно HD-MAC вона являє собою систему високої чіткості (1125 рядків)
Звуковий сигнал в системі MUSE разом з цифровою інформацією передається в інтервалах гасіння поля зображення з використанням чотирикратної фазової модуляції несучої при швидкості передачі 2,048 Мбіт/с. Більш докладні відомості про системі містяться в [3].
Існують також широко використовуються цифрові системи стиснення телевізійної інформації MPEG (Moving Picture Experts Group - розробка, виконана групою експертів по рухомих зображень): MPEG-1, MPEG-2, MPEG-4. Їх дано опис в [2 4].
У телевізійному мовленні стиснення інформації відбувається за системою стандартів MPEG-2, які використовують при розгортці до 625 рядків. Вона складається зі стандартів 20 рівнів складності, що дозволяють створювати алгоритми стиснення інформації в системах різного призначення. Звукова частина стандарту - система інформаційного стиснення звукових каналів MUSICAM (MPEG Audio), що дозволяє обробляти до шести широкосмугових каналів звуку високої якості.
MPEG - це стандарти цифрового телебачення нижнього рівня. Крім них, існує ще і набір узгоджених між собою стандартів, що забезпечують передачу кількох телевізійних програм в одному частотному супутникового (DVB-S), кабельному (DVB-C) або наземного (DVB-T) каналах.
Для вирішення суперечності між зображенням і монозвуком в стаціонарних телевізорах іноді використовують систему "об'ємне моно", що складається з двох гучномовців, розташованих з боків екрана. В телевізорах високого класу до них додають виносні акустичні системи (АС).
В апаратурі зарубіжного виробництва для цієї мети використовують, як правило, однотипні малогабаритні широкосмугові випромінювачі звуку. В телевізорах, випускалися в колишньому СРСР, на правій стороні корпусу зазвичай встановлювали широкосмуговий головку потужністю 3...4 Вт, а на лівій - високочастотну, меншою потужності. Обидва гучномовця паралельно підключали до виходу загального підсилювача 3Ч. Звук при цьому просторово розширювався. Одночасно частково досягався псевдостереофонический ефект розподілу відтворюваних частот у просторі перед глядачем, що поліпшувало сприйняття звукової картини. Але розміщення декількох випромінювачів звуку в загальному відкритому корпусі телевізора не могло створити відчутного розширення звукового обсягу.
Поліпшити якість відтворення монофонічних програм можна, використовуючи методи моноамбиофонии, коли на один випромінювач звуковий сигнал подають без додаткової обробки, а на іншій - після деякої затримки. Це дозволяє поліпшити акустичні властивості приміщення, надавши йому бажану гулкость. Такий спосіб не знайшов широкого застосування в монофонічному телебаченні і був затребуваний лише нещодавно в системах з багатоканальним об'ємним звуком.
Можна використовувати і інший спосіб - псевдостереофонию з просторовим поділом частотного спектру звуку, подаючи низькі частоти на праву АС, а високі - на ліву.
Що стосується двоканальних стереофонічних систем відтворення звуку, то існує два основних варіанти їх побудови: просте і розширене стерео. В першому випадку звукові сигнали, що надійшли по каналах L і R. після посилення передаються на АС без додаткової обробки. Недолік таких систем добре відомий - вузька просторова звукова панорама розгортається не навколо слухача, а перед ним у вигляді плоскої звукової стіни. Спроба розширити її, рознесли АС, призводить до виникнення в центрі звуковий "картини" чітко сприйманого провалу.
Розширене стерео збільшує розмір стереобази за рахунок передачі частини сигналу L в канал R, і навпаки. Якщо передані сигнали піддаються фазової і тимчасової обробці (затримку), звукова панорама може бути істотно розширена і в тому випадку, коли випромінювачі звуку знаходяться в загальному корпусі на невеликій відстані один від одного.
Існує два основних варіанти такої системи: ISS (Incredible Surround Sound - неймовірно об'ємний звук) і система Qsound. В обох випадках звукові сигнали обробляються мікросхемами - звуковими процесорами (ЗП), які забезпечують регулювання гучності, балансу, тембру ВЧ і НЧ. У них також обробляються звукові сигнали в режимах моно, псевдостерео, просте стерео і розширене стерео. З'явився ряд мікросхем, що реалізують ці функції. Це - TDA8421/24/25/26, TDA9860/61,
CXA1735AS, LMC1982CIN/CIV з управлінням по цифровій шині I2C. До них можна віднести і процесор TDA3810, виконує тільки режимної обробку сигналів без їх регулювання.
ЗП досить широко використовують в телевізорах різних фірм. Так, мікросхема TDA8425 встановлена у телевізорі TVT-C24F4R і формує в ньому режим псевдостереофонии при прийомі Ефірних сигналів системи SECAM-D/K [5]. Вона ж застосована в приймачі PHILIPS-FL [6]. Процесор CXA1735AS працює в цифровому телевізорі PANASONIC- TX-28WG25C (ODD) [7]. Телевізор SONY KV-28WS4R містить мікросхему MSP3410, якої об'єднані функції ЗП і декодера системи NICAM [7].
Цікаве рішення низькочастотної частини звукового тракту застосовано в телевізорі PHILIPS - FL В ньому є перетворювач двоканального звукового сигналу в п'ятиканальний з псевдоквадрафоническим алгоритмом перетворення. Його структурна схема зображена на рис. 3.
З джерела аналогових сигналів або з декодера NICAM стереосигналы L і R надходять в ЗП DA1, з нього - безпосередньо на підсилювачі 3Ч А1 і А3, а потім - на підключення до них AC L і R. Паралельно вони приходять на суматори S1 і S2, в яких формуються сигнали L+R і L-R. Перший з них через фільтр нижніх частот через підсилювач А2 проходить на центральну АС М. Сигнал L-R після підсилювача А4 надходить на тилові ліву і праву AC SL і SR, включені послідовно з зустрічно сполученими обмотками. Це забезпечує противофазность сигналів, що надходять на АС.
Системи розширеного стерео і псевдоквадрафонии дозволили поліпшити якість відтворення звуку, але не змогли вирішити задачу отримання високоякісного звучання. Вона сьогодні формулюється так: звукове поле повинне бути об'ємним, обволікати слухача з усіх боків і зверху,
забезпечуючи збіг напрямків на гадані джерела звуку з їх дійсним положенням в просторі при передачі.
Проблема відтворення такого звуку була спочатку вирішена в кінематографі, коли з'явилися багатоканальні системи об'ємного звуку в кіноконцертних залах - системи Dolby
Surround, THX і CS. Що отримала у той же час широке поширення апаратура домашній відеозапис на магнітну стрічку у форматі VHS призвела до масового перекладу кінофільмів на відеокасети для домашнього перегляду. При цьому, природно, виникла потреба збереження об'ємного звуку при перезапису кінофільму на відеокасету. Це призвело до створення системи Dolby видеовариантов Surround - чотириканальної системи Dolby Surround Pro Logic з аналоговим поданням звукових сигналів і шестиканальної системи Dolby Digital з цифровим представленням.
В Dolby Surround Pro Logic передбачається перетворення багатоканальної звукової інформації у двох-канальну при запису на магнітну стрічку і зворотне перетворення її в багатоканальну у глядача. Звукова інформація згортається і розгортається за алгоритмом, більш складному, ніж використовуваний в псевдоквадрафонии. З доступних джерел найбільш повний опис принципів роботи цієї системи можна знайти в [8].
Перетворення на приймальній стороні відбувається в декодері звуку (ДЗ). Прикладом використання системи Dolby Surround Pro Logic може бути телевізор SONY- KV-28WS4R [7]. в якому ДЗ служить мікросхема TC9337F-015. Існують і інші подібні мікросхеми. наприклад. NJW1102AF. Акустична система моделі KV-28WS4R побудована аналогічно розглянутій за схемою на рис. 3.
Для підкреслення стереоефекту і кращої локалізації напрямку на джерело звуку ДЗ коригує коефіцієнт передачі підсилювачів по всіх каналах так, щоб він залишався незмінним в каналі з максимальним рівнем сигналу і був понижений у інших.
Існують і інші варіанти побудови акустичної частини апарату з об'ємним звуком. У центрі над телевізором іноді встановлюють додаткову широкосмуговий АС для відтворення звуку від джерел, що переміщаються по вертикалі. Тилові АС можуть бути розташовані не позаду глядача, а збоку, на одній лінії з ним. Замість моно на них можуть подаватися псевдостереофонические сигнали.
Логічним завершенням процесу вдосконалення систем відтворення звуку в телебачення стало створення концепції домашнього видеотеатра. Склад його і можливості докладно описані в [8 - 10]. Його відео-частина - телевізор або відеопроектор з великим екраном, вентилятор високого класу, обладнання для прийому супутникових програм. Аудіо-частину - багатоканальний підсилювач з многорежимными ЗП і ДЗ, набір АС.
Що ж можуть зробити радіоаматори для поліпшення відтворення телевізійного звуку?
По-перше, рекомендую реалізувати наявну можливість перегляду відеофільмів зі стереозвуком. Правда, для цього потрібні музичний центр або будь-яка стереоустановка, відеомагнітофон з стереотрактом та відеокасети з індексами STEREO, DOLBY STEREO. Корисні практичні поради ви знайдете в [11].
Якщо підете далі по такому шляху, отримаєте і об'ємний звук, записаний на відеокасетах з індексом DOLBY SURROUND у варіанті DOLBY Pro Logic. Але це спричинить серйозну переробку аудіосистеми: потрібні ДЗ, чотирьохканальний підсилювач і п'ять виносних АС.
По-друге, можна обмежитися псевдостереофоническим відтворенням звукового супроводження ефірних і кабельних програм. Але для цього доведеться доопрацювати аудіотракт телевізора, ввівши в нього ЗП, другий підсилювач 3Ч і АС. Більш докладні відомості про ЗП дано в [12].
Література
Автор: B. Брылов, р. Москва