Стандарты звука в цифровом телевидении

Анатолий Белов

  

Преобразование звуковых сигналов в цифровую форму

Преобразование звука в цифру AES-EBU

Иллюстрация © SNEG5.com

Содержание

Особенности аналого-цифрового преобразования звуковых сигналов

• Цифровой звуковой сигнал AES/EBU
• Аппаратная реализация AES/EBU

Источники

Также по теме «Цифровое телевидение»:

Способность человеческого слуха воспринимать пространственное положение звуковых объектов — бинауральный эффект — долгое время не использовалась в телевизионном вещании. Лишь немногие страны ведут эфирное телевизионное вещание со стереозвуковым сопровождением.

Практика прослушивания двухканального стереозвука показала, что при наличии двух динамиков — правого и левого — стереоэффект ощущается только в небольшой центральной части помещения. Зрители же, сидящие ближе к одному из динамиков, слышат звук преимущественно из этого динамика. Такой перекос затрудняет восприятие диалогов, поэтому, например, в кинематографе, было решено установить за экраном центральный динамик, на который бы подавался смикшированный сигнал, обеспечивавший «центральное» восприятие диалогов для всей аудитории.

Для улучшения разделения сигналов в устройствах двухканального стереозвука была разработана система Dolby Pro Logic, использующая для этой цели некоторые тонкие звуковые эффекты. В частности, учитываются особенности человеческого слуха, связанные е ухудшенным различением направления на два источника примерно равной интенсивности и с преобладанием направления на более мощный источник при неравной интенсивности. При этом удалось добиться разделения между каналами до 35 дБ.

Дальнейшие исследования показали, что два микрофона с кардиоидной диаграммой направленности, размещенные под углом 90°, дают значительно больше информации, чем необходимо для двухканального звука, и эта информация может быть использована путем размещения одного или двух динамиков позади зрителей. Еще один динамик размещается впереди и используется для воспроизведения сверхнизких частот в полосе до 120 Гц (так называемый сабвуфер). Результирующий многоканальный сигнал обозначили как 5.1 (5 полных каналов — центральный С, правый R и левый L передние, правый Rs и левый Ls задние и один низкочастотный LFE с информационной емкостью примерно 0,1 полного).

При переходе к цифровым звуковым сигналам все достижения в области многоканального звука сохраняются и получают дальнейшее развитие. Благодаря гибкости цифрового преобразования легко обеспечить иерархическую передачу, когда из одного и того же цифрового сигнала, содержащего все компоненты многоканального звука, декодеры разной сложности выделяют либо двухканальный стереосигнал, либо двухканальный сигнал Dolby Pro Logic с последующим разделением на матрице, либо полный многоканальный сигнал. [1, с. 44]

Особенности аналого-цифрового преобразования звуковых сигналов

Отличия в аналого-цифровом преобразовании звуковых сигналов и видеосигналов связаны с особенностями человеческого слуха. Если видеосигнал занимает полосу частот до 6,25 МГц, то ухо воспринимает звуки в диапазоне 20 Гц … 20 кГц. Поэтому и частота дискретизации звуковых сигналов должна быть значительно ниже, чем для видеосигналов. Практически применяются три номинала частоты дискретизаци:

• 32 кГц для бытовой аппаратуры с полосой воспроизводимых частот 30 Гц … 15 кГц;
• 44,1 кГц для компакт-дисков (CD);
• 48 кГц для профессиональной звуковой аппаратуры высокого качества с полосой частот в 20 кГц и более.

Для телевизионного применения наиболее удобна частота дискретизации 48 кГц, при которой длительность блока звукоданных составляет 4 мс. В этом случае частота следования блока звукоданных составляет 250 Гц, что просто соотносится е частотой видеокадров и упрощает синхронизацию и передачу цифрового сигнала изображения и звука по одной линии связи.

Характерными особенностями слуха являются также огромный динамический диапазон слухового восприятия – более 100 дБ – и чувствительность к самым незначительным нелинейным искажениям.

Учитывая более высокую чувствительность слухового аппарата к шумам квантования по сравнению со зрительным аппаратом, в оборудовании студийных аппаратных применяют равномерное квантование отсчетов с числом разрядов не менее 16 и дискретизацию с частотой 48 кГц. В пультах звукорежиссера и устройствах шумоподавления применяется даже 24-битовое квантование звуковых сигналов.

В системах записи на оптические диски аналоговый звуковой сигнал дискретизируется с частотой 44,1 кГц, а число бит, приходящихся на один отсчет дискретизации, равно 32, то есть по 16 бит (2 байта) соответственно для правого и левого каналов стереозвука. [1, с. 45]

Цифровой звуковой сигнал AES/EBU

Для цифровой передачи звукового сопровождения в телевидении применяются сигналы стандарта AES/EBU. Цифровой звуковой стандарт AES/EBU был разработан обществом аудиоинженеров (AES) и Европейским Союзом Вещания (EBU) — документ AES 3 «Рекомендация AES по цифровой звукотехнике – Формат последовательной передачи двухканальных линейно-кодированных звукоданных». Под названием AES/EBU данный стандарт получил статус международного.

Стандарт AES/EBU использует ИКМ с линейной шкалой квантования, а длина кодовых слов может в зависимости от применения меняться от 16 до 24 бит с целью обеспечения необходимого динамичеекого диапазона и отношения сигнал/шум. В стандарте AES/EBU один звуковой отсчет передается в составе субкадра из 32 бит, состоящего из слова звуковых данных длиной от 16 до 24 бит; 4 бит данных: корректности отсчета V, состояния канала С, данных пользователя и, четного паритета Р; 4 бит синхрослова и в зависимости от выбранной разрядности отсчетов звуковых сигналов 0, 4 или 8 бит вспомогательных данных (рис. 1.13).

Рис. 1.13. Субкадр одного звукового отсчета

Рис. 1.13. Субкадр одного звукового отсчета

Бит достоверности (Validity) — нулевой для каждого достоверного отсчета. В случае приема слова с единичным битом Validity (либо с нарушением четности в слове) приемник трактует весь отсчет как ошибочный и может на выбор заменить его предыдущим значением, либо интерполировать на основе нескольких соседних достоверных отсчетов.

Два субкадра левого и правого или двух монофонических каналов образуют один кадр, а 192 последовательных кадра группируются в блок данных (рис. 1.14).

Рис. 1.14. Субкадр одного звукового отсчета и состав блока звукоданных

Рис. 1.14. Субкадр одного звукового отсчета и состав блока звукоданных

Таким образом, стандартом AES/EBU предполагается передача с мультиплексированием во времени двух потоков звукоданных, соответствующих правому и левому каналам одного стереосигнала или двум независимым моноканалам. Объединение звукоданных в блоки позволяет организовать передачу сравнительно медленных потоков вспомогательных данных (по 1 биту в субкадре), несущих информацию, например, о характере сигнала (моно или стерео) и внесенных предыскажениях.

Для стандарта AES/EBU скорость цифрового потока составляет 3,072 Мбит/с при частоте дискретизации 48 кГц и 2,048 Мбит/с при частоте 32 кГц. [1, с. 46]

Таким образом, AES/EBU представляет собой цифровой стандарт, предназначенный для передачи но одному кабелю цифровых двухканальных данных и вспомогательной информации.

Для передачи сигналов AES/EBU используются два типа соединительных кабелей: симметричные 110-омные и несимметричные 75-омные коаксиальные кабели. В профессиональных применениях всегда используется симметричная линия в виде витой пары с трехконтактными соединителями XLR, использовавшимися еще в технике аналогового звука.

Передача по специальному 110-омному симметричному кабелю возможна на 500 м без коррекции и до 1000 м с коррекцией, по обычному кабелю – на 70 м без коррекции и до 250 м с коррекцией. Допускается передача звукоданных по высококачественному коаксиальному кабелю на расстояние до 1 км, при этом выходное напряжение передатчика должно составлять 1 ± 0,1 В на нагрузке 75 Ом, что позволяет использовать имеющиеся видеотракты. Для согласования цифрового потока е линией связи используется бифазный код, предполагающий наличие перепадов в каждом такте (рис. 1.15).

Рис. 1.15. Структура бифазного кода

Рис. 1.15. Структура бифазного кода

Такой код обладает свойством самосинхронизуемости и нечувствителен к смене полярности сигнала. [1, с. 47]

Аппаратная реализация AES/EBU

AES-EBUСтандарт AES3 (AES/EBU) соответствует международному стандарту МЭК 60958. Используется три типа физического подключения, описанных МЭК 60958:

• МЭК 60958 тип I симметричный — трехпроводной, 110-омный двужильный кабель с разъемом XLR, используется в профессиональном оборудовании (стандарт AES3).
• МЭК 60958 тип II несимметричный — двухпроводной, 75-омный коаксиальный кабель с разъемами RCA, используется в потребительской звуковой аппаратуре.
• МЭК 60958 тип III оптический — оптоволоконный, используется пластик, но иногда стекло, с разъемами F05, также используется в потребительской звуковой аппаратуре.

Стандарт AES-ID3 описывает модификацию передачи AES3 75-омным коаксиальным кабелем с подключением BNC разъемами. В последнее время этот тип физического подключения используется в профессиональном оборудовании (преимущественно фирмы SONY). Применяется тот же тип кабелей, коммутаций и разъемов, как и для передачи аналогового или цифрового видео, в основном в вещательной индустрии. F05 — разъем для пластикого оптоволокна, более известный под фирменным названием фирмы Toshiba S/PDIF. Стоит отметить, что стандарты AES/EBU и S/PDIF имеют различные электрические уровни. [2]

Главные различия между AES/EBU и SPDIF

Главные различия между AES/EBU и SPDIF

Итак, AES/EBU:

• был разработан Обществом звукоинженеров (Audio Engineering Society, AES) и Европейским вещательным союзом (European Broadcasting Union, EBU) и впервые опубликован в 1985 году, позднее исправлен в 1992 и 2003 годах. Существуют обе версии стандарта и AES и EBU;

• первоначально был разработан для поддержки звуковых данных, кодированных ИКМ, двух форматов — CD, c частотой дискретизации 48 кГц и 44 кГц соответственно;

• позволяет передавать данные с любой частотой дискретизации и восстанавливать частоту синхронизирующих импульсов декодированием данных, используя код с представлением единицы двойным изменением фазы (biphase mark code, BMC).

• предназначен для передачи одно- и двухканального сигнала, однако при использовании служебных разрядов для кодирования номера канала возможна передача многоканального сигнала.

Читать или скачать эту статью в формате PDF, 8 стр.

Преобразавание звуковых сигналов

Резюмируя, можно сказать, что в AES/EBU звуковые данные и информация объединяются в 32-разрядные субкадры. Каждый субкадр начинается с преамбулы, четырехразрядной синхрогруппы, которая нарушает правила бифазного кодирования. Преамбула действует как сигнал синхронизации, обозначающий начало нового субкадра.

За преамбулой следуют четыре бита вспомогательной информации и 20 разрядов звуковой информации. Если передается шестнадцатиразрядная звуковая информация, то дополнительные четыре разряда не используются (заменяются при кодировании нулями).

Четырехбитную область дополнительных данных можно использовать для размещения звуковых данных, увеличивая за её счет полную длину слова аудиоданных до 24 битов.

Завешают субкадр дополнительные 4 бита (правильность звукового отсчета, бит данных пользователя, статус звукового канала и чётность субкадра). Субкадры левого и правого звуковых каналов идентифицируются несколько различными преамбулами. В едином потоке битов они передаются поочередно. Из субкадров формируются блоки длиной 192 бита. При частоте дискретизации 44,1 кГц общая скорость цифрового потока в AES/EBU составляет 2, 8224 миллиона бит в секунду. [3]

Источники

1. Мамчев, Г. В. Цифровое телевизионное вещание. Учебное пособие для ВУЗов / Г. В. Мамчев. — Москва : Горячая линия — Телеком, 2014. — 448 c. — Текст : непосредственный. 

2. AES/EBU. — Текст : электронный // Академик – словари и энциклопедии : [сайт]. — URL: https://dic.academic.ru/dic.nsf/ruwiki/601695 (дата обращения: 06.03.2021).

3. Интерфейсы, используемые для передачи цифрового звука. — Текст : электронный // Основы электроакустики : [сайт]. — URL: http://audioakustika.ru/node/1182 (дата обращения: 06.03.2021).

Общая оценка материала: 4.9
Оценка незарегистрированных пользователей:
[Total: 22 Average: 5]