Тема 5.3 Стереофоническое радиовещание

1. Принципы организации.

2. Системы стереофонического радиовещания.

3. Возбудители стереофонического радиовещания.

4. Прием стереофонических программ.

Системы стереофонического вещания. Обычную монофоничес­кую передачу звука можно осуществить так, как показано на рис. 1,а.Звуки, идущие со сцены концертного зала (студии, театра и др.), преобразуются в электрические колебания звуковой часто­ты с помощью микрофона 1. Электрические сигналы усиливаются усилителем 2 и поступают на вход громкоговорителя 3, установ­ленного в помещении для прослушивания. Однако звукопередача, осуществленная таким образом даже с помощью высококачест­венной электроакустической аппаратуры, не полноценна. Слуша­тель, находящийся в концертном зале или театре, воспринимает звуки, приходящие с разных направлений. Благодаря бинауральному эффекту он может на слух определить место расположения каждой группы инструментов оркестра, солирующего инструмента и солиста. В этом случае говорят, что звучание «прозрачно». Свой вклад в образование объемного звучания путем добавления к пря­мым звукам звуков, отраженных от разных поверхностей, вносит зал. Всего этого лишен слушатель, воспринимающий монофони­ческую вещательную программу (рис. 1,а). Все звуки исходят из одной точки пространства, где громкоговоритель размещен. Звучание в значительной степени обедняется, становится ненату­ральным.

Рис.1 Схема монофонической системы звукопередачи

Приблизить звучание вещательной передачи к естественному, натуральному позволяет стереофонический способ передачи зву­ка. Стереофонические системы различают по числу каналов. Они бывают многоканальными, четырехканальными и двухканальными.

Многоканальные системы находят применение преимуществен­но в кинотеатрах. Четырехканальная система стереофонии или система квадрафонии имеет три разновидности. Это — система псевдоквадрафонии, квазиквадрафонии (матричная) и полная (дискретная) система квадрафонии. В двух последних разновид­ностях системы на передающей стороне (в студии) формируются четыре сигнала, которые по четырем или (после специального пре­образования) по двум каналам направляются к звуковоспроизво­дящей аппаратуре.

Воспроизводится звук с помощью четырех громкоговорителей, расположенных в вершинах квадрата и окружающих слушателя (акустическая система «Квадрат»). Слушателю рекомендуется располагаться в центре квадрата, лицом к передней паре громко­говорителей. К переднему левому А и правому В добавляются два тыловых громкоговорителя: левый А1 и правый В1, (рис. 2,а). Существуют и другие способы расположения громкоговорителей. Система квадрафонии может обеспечить локализацию звуковых образов не только спереди, сзади, слева и справа, но и над слуша­телем, что позволяет создавать новые звуковые эффекты.

Рис. 2 Системы квадрафонического звуковоспроизведения.

Система двухканальной стереофонии, в которой используются тыловые громкоговорители и формируются специальные сигналы для их питания, называется псевдоквадрафонией или системой 2-2-4 (два стереосигнала, два канала связи, четыре канала вос­произведения). На рис.2 б, в показана одна из систем псевдо­квадрафонии, в которой из стереоканалов А и В формируются два дополнительных А—В и В—А.

В системах матричной и полной квадрафонии используются четыре исходных сигнала. В студии устанавливают четыре микро­фона (рис. 2,а): два микрофона А и А1 —источники левого фронтального и левого тылового сигналов, два микрофона В и В1 — источники правого фронтального и правого тылового сигна­лов. В системе матричной квадрафонии используются два канала, по которым передаются сформированные с помощью кодирующей передающей матрицы два сложных кодированных сигнала. На приемной стороне из двух сигналов с помощью декодирующей приемной матрицы выделяют четыре сигнала, необходимые для работы четырех громкоговорителей, однако полностью разделить квадрасигналы не удается. Называется система 4-2-4 (четыре сиг­нала, два канала связи, четыре канала звуковоспроизведения). В системе полной квадрафонии для передачи квадрасигналов ис­пользуют четыре канала связи (система 4-4-4).

Из-за высокой стоимости аппаратуры системы квадрафонии большого распространения не получили. Их использование огра­ничивается получением специальных звуковых эффектов.

Наибольшее распространение получили двухканальные систе­мы стереофонии. Это объясняется,как экономическими соображе­ниями (стоимость аппаратуры минимальна), так и значительным улучшением качества звуковоспроизведения по сравнению с мо­нофоническим.

Исследование параметров качества двухканальных стереофо­нических систем показали, что преобладающее большинство слу­шателей предпочитают монофоническому воспроизведению высше­го класса качества, стереофоническое воспроизведение не только высшего, но и первого и даже второго класса качества.

Рис. 3 Структурная схема приёмопередающего тракта системы стереофонического радиовещания.

Различают три способа получения стереофонических сигналов и соответственно три системы двухканальной стереофонии: АВ, ХУ и М5. При построении, например, системы АВ используют два микрофона, расположенных друг от Друга на расстоянии 0,2... 0,4 м симметрично относительно центра сценической пло­щадки (рис. 1,б). Два громкоговорителя в помещении для про­слушивания устанавливают на расстоянии 2,5... 4 м друг от дру­га. Возможность локализации источника звука основана на том, что при перемещении источника звука, например, слева направо будут меняться время прихода и интенсивность звука, приходя­щего к левому 1 и правому V микрофонам и, следовательно, будет изменяться громкость звучания громкоговорителей 3 и 3'. При этом громкость звучания громкоговорителя 3 будет уменьшаться, а громкоговорителя 3'— увеличиваться. В результате слушатель будет ощущать перемещение кажущегося источника звука (КИЗ). Слушатель сможет локализовать КИЗ так же, как если бы про­слушивание происходило в зале.

Источник звука, находящийся на линии, проходящей посреди­не между микрофонами, будет с одинаковой громкостью воспроиз­веден обоими громкоговорителями и будет услышан из точки, на­ходящейся посредине между ними.

Следует отметить, что какая бы двухканальная система стерео­фонии не применялась, в результате соответствующей обработки сигналов получают два сигнала, направляемых по левому и пра­вому каналам к левому и правому громкоговорителям. В даль­нейшем будем обозначать канал левого громкоговорителя индек­сом Л (сигнал А), а правого — В (сигнал В).

Стереоэффект наилучшим образом проявляется в зоне, назы­ваемой зоной оптимального стереоэффекта.

Основные технические требования к системе стереофонического вещания. При организации стереофонического вещания необходи­мо обеспечить следующие характеристики системы.

Совместимость. Под совместимостью стереофонической и монофонической систем передачи звука будем понимать воз­можность прослушивания стереофонической звукопередачи (или записи стереофонических программ) с помощью обычной монофо­нической аппаратуры. При этом, за исключением стереоэффекта, слушатель должен получить всю информацию о передаче. В ка­честве монофонического сигнала принимают сумму сигналов левого А и правого В каналов: А+В.

Переходные затухания. Если стереофонические сигна­лы проникают из одного канала в другой, то снижается стерео­эффект. Переходное затухание между каналами является важным параметром качества стереофонического тракта. По данным ряда исследований снижение качества стереофонической передачи практически незаметно, еслив полосе усиливаемых частот переходное затухание А≥25 дБ. При понижении переход­ного затухания до 15 дБ снижение стереофонического эффекта становится уверенно заметным.

Фазовые характеристики стереофонических ка­налов. Если по обоим стереофоническим каналам передавать синусоидальный сигнал с частотой f; то в общем случае на выходе левого канала получим

а на выходе правого

где - амплитуда сигнала; и , и - коэффициенты передачи и приращения фазы соответственно в левом и правом каналах.

Важным параметром качества стереофонического тракта явля­ется фазовый сдвиг между каналами

Исследования показывают, что наибольшее значение для качества стереофонической передачи имеет поддержание в требу­емых пределах фазовых сдвигов в полосе звуковых частот 200... 5000 Гц. Фазовые сдвиги в этой полосе частот не должны превышать 45°.

Разбаланс коэффициентов передачи в каналах. Измерение коэффициента передачи в одном из каналов приводит к перемещению кажущегося источника звука. Источник звука перемещается в сторону более «громкого» громкоговорителя. При изменении коэффициента передачи канала на 12... 16 дБ звук кажется исходящим из одного громкоговорителя, при этом звучание становится монофоническим! Стереофоническое воспроизведение в домашних условиях можно организовать с помощью раз­личных устройств: стереофонических электрофонов, магнитофонов, громкоговорителей проводного вещания. Одним из наиболее пер­спективным путем внедрения двухканальной стереофонии является организация, стереофонического радиовещания.

Особенности организации стереофонического радиовещания. В СССР стереофоническое высококачественное радиовещание орга­низовано в метровом диапазоне волн. Для передачи стереосигна­лов используется частотная модуляция. Система стереофоническо­го радиовещания основана на использовании существующей сети МВЧМ передатчиков. Она совместима с монофонической, и слу­шатель наобычный МВЧМ приемник принимает стереофониче­скую передачу как полноценную монофоническую. Разработана и принята в СССР система с полярной модуляцией поднесущей (рис.3). Чтобы удовлетворить требованию совместимости, в ней применен метод суммарно-разностного преобразования сиг­налов. В полосе звуковых частот 30... 15 000Гц передается сумма стереосигналов А+В, представляющая собой монофонический сигнал, а в диапазоне сверхзвуковых частот методом амплитуд­ной модуляции поднесущей — информация о разностном сигнале А — В. Поднесущая частота принята равной второй гармонике строчной частоты ТВ сигнала, т. е.

Рассмотрим структурную- схему приемопередающего тракта системы. Напряжения стереосигналов левого U _А и правого U_B каналов поступают на СРП. На его выходе выделяется напряже­ния суммарного U_A + U_B и разностного О_А — U_B сигналов. Разност­ный сигнал А — В и поднесущая направляются на входы ампли­тудного модулятора. В сумматоре AM поднесущая складывается с напряжением суммарного сигнала U_A + U_B. В результате обра­зуется полярно-модулированное колебание (ПМК).

Особенность ПМК (рис.4,а)заключается в том, что оги­бающая положительных амплитуд поднесущей является сигна­лом А, а отрицательных —сигналом В. В соответствии со схемой получения спектр ПМК (рис4,б) содержит спектр монофони­ческого сигнала А + В и сверхзвуковые частоты, содержащие информацию о сигнале А —В.

Сформированное ПМК направляют к модулятору MB ЧМ передатчика. П При модуляции несущей моносигналом полезная информация содержится в пол­ной амплитуде колебания. Из рис.4,а видно, что часть ампли­туды ПМК— поднесущая — ее не содержит.

Если несущую MB ЧМ передатчика модулировать ПМ коле­баниями без предварительной обработки, то на передачу подне­сущей будет использовано более половины полезной девиации несущей частоты. Следовательно, на передачу суммарного сигнала A+B будет затрачено менее половины (45%) След­ствием будет уменьшение более чем в 2 раза громкости звучания стереофонической передачи по сравнению с монофонической при приеме на монофонический приемник. Это является нарушением принципа совместимости. Чтобы девиация несущей частоты MB ЧМ передатчика и, следовательно, его мощность использова­лись с большей пользой, амплитуду поднесущей в спектре ПМК подавляют в 5 раз (на 14 дБ) (рис. 4, б).В результате частич­ного подавления поднесущей ПМК искажается,поэ­тому в стереофоническом приемнике перед детектированием AM поднесущей уровень поднесущей приходится восстанавливать.

Подавляют и восстанавливают поднесущую с помощью пас­сивных элементов, включающих LC-контур, настроенный на поднесущую частоту =31250 Гц. Полярно-модулнрованное колеба­ние с частично подавленной несущей, имеющее спектр, показан­ный на рис. 4,б,называют комплексным стереосигналом КСС. Этим сигналом с полосой 30... 46250 Гц модулируют несущую MB ЧМ передатчика по частоте. Полоса частот радиосигнала в соответствии с =2(50+45,25)=192,5 кГц. При приеме ЧМ радиосигнала в монофоническом приемнике после ЧД выделится КСС.

Рис. 4 Полярно-модулированное колебание.

Полезной частью, спектра КСС для моноприемника является диапазон звуковых частот. Сигнал А + В, передаваемый в этой части спектра КСС, является полноценным монофоническим сигналом.

В стереофоническом приемнике (рис. 4,а)в КСС, выделяю­щемся на выходе ЧД, восстанавливается уровень поднесущей ВП, а затем ПМК направляется к стереодекодеру. Назначение стереодекодера состоит в разделении стереосигналов А и В. В стереодекодере, показанном на рис.4,а,спектр ПМК, с по­мощью фильтров низких частот ФНЧ и полосового ПФ разделя­ется на звуковую (30... 15000 Гц) и сверхзвуковую (16500... 46 500 Гц) части. Сверхзвуковая часть, представляющая спектр амплитудно-модулированной поднесущей сигналом А — В, направ­ляется к AM детектору. Выделенный на его выходе разностный сигнал А — В, а также суммарный А+В после ФНЧ направля­ются к СРП. Здесь сигналы складываются (А+В) -(А - В)=2А и вычитаются (А+В) - (А-В)=2В, в результате чего разделя­ются стереосигналы. Стереосигналы А и В направляются к усили­телям звуковой частоты УЗЧ соответственно левого А и правого В каналов.

Разделяют стереосигналы и с помощью более простой схемы стереодекодера, показанной на рис. 5. Это так называемая схема полярного детектора. Сигнал звуковой частоты А, образую­щий верхнюю огибающую сигнала ПМК,выде­лится на резисторе R1, сигнал В, образующий нижнюю огибаю­щую, выделится на резисторе R2. Однако эта схема менее качест­венна, чем предыдущая, так как не обеспечивает полного разделения стереосигналов.

Рис. 5 Схема полярного стереодетектора.

Для моно- и стереофонического вещания используются одни и те же MB ЧМ стан­ции. В связи с увеличением полосы частот модулирующего сигнала защищенность отпомех при стереоприеме более низка, чем при моноприеме.

Ухудшение помехозащищенности приема при стереоприеме составляет примерно 15 дБ при напряжении радиосигнала на входе приемника около 100 мкВ. Ухудшение защищенности от помех при постоянном значении мощности MB ЧМ передатчика приводит к умень­шению площади зоны обслуживания радиостанции. Это следует из того, что с уменьшением защищенности от помех при стерео­приеме необходимо увеличивать напряженность электромагнитного поля в зоне приема, а следовательно, при постоянной мощности передатчика — приближать приемник к передатчику.

Напряженность поля изменяется обрат­но пропорционально квадрату расстояния между передатчиком и приемником. Если принять, что минимально допустимое значение защищенности от помех при моноприеме осуществляется в ра­диусе r _мто при стереоприеме радиус зоны обслуживания r_с уменьшится в г r _м / r_с =2,3 раза.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Какой вид модуляции применяется при организации радиовещания в диа­пазонах ДВ, СВ, KB и MB?

2. Какую полосу частот занимает радиоканал в этих диапазонах?

3. Сравните площади зон обслуживания сети радиопередающих станций, работающих в совмещенном частотном канале и в синхронном режиме.

4. Какой характер искажений радиоприема наблюдается в зоне, находя­щейся между двумя синхронными радиовещательными станциями?

5. Поясните способы синхронизации передатчиков. Назовите лучший способ.

6. Каково назначение радиостанции точной частоты? Назовите ее пара­метры.

7. Поясните искажения, которые возникают только в стереофонической си­стеме звукопередачи.

8. Объясните, по какой причине уровень поднесущей в спектре стереосигна­ла частично подавляется.

9. Поясните принцип работы стереодекодера.