Несмотря на то, что стереофоническое радиовещание начало внедряться около 30 лет назад, его внедрение и совершенствование является актуальным и до настоящего времени. Поэтому остановимся на принципах его организации более подробно. Прежде всего, стереофонический сигнал необходимо сформировать.
При обычной монофонической передаче звука («моно» – один, «фон» – звук) звуковые.колебания, преобразованные несколькими микрофонами в тракте формирования программ, смешиваются и на приемной стороне излучаются одним громкоговорителем. Однако звукопередача, осуществленная таким образом даже с помощью высококачественной электроакустической аппаратуры, не является полноценной. Это связано с тем, что слушатель, находящийся в зале, воспринимает звуки, приходящие с разных направлений. Благодаря бинауральному эффекту (т. е. слушанию двумя ушами) он может определить место расположения каждой группы инструментов оркестра, солирующего инструмента и солиста или, как говорят, может локализовать источник звука. Значительный вклад в образование объемного звучания путем добавления к прямым звукам отраженных от разных поверхностей вносит зал. Всего этого лишен слушатель, воспринимающий вещательную передачу через один громкоговоритель. Все звуки исходят из одной точки пространства, где он размещен. Звучание при этом становится ненатуральным.
Идеальную по качеству звукопередачу можно осуществить с помощью стереофонической системы, показанной на рис.1. В первичном акустическом поле устанавливают большое число миниатюрных микрофонов, размеры которых существенно не влияют на структуру поля. Каждый из микрофонов соединяют каналом связи с миниатюрным громкоговорителем, установленным в зале прослушивания 2. Если число каналов достаточно велико, а помещение для прослушивания 2 близко по акустическим характеристикам помещению 1, то громкоговорители создадут звуковое поле, идентичное первичному звуковому полю.
Рис.1. Идеальная стереофоническая звукопередача
В рассмотренной системе звукопередачи первичное звуковое поле из зала 1 переносится как бы по точкам в зал 2. Эта система называется идеальной многоканальной стереофонической. Идеальную стереофоническую звукопередачу практически осуществить невозможно, поэтому применяют системы звукопередачи с ограниченным числом каналов. Уменьшение числа применяемых каналов приводит к появлению некоторых ошибок при звуковоспроизведении. Однако, как показали многократные исследования, для получения достаточно хорошего стереофонического эффекта при звуковоспроизведении не обязательно иметь большое число каналов.
Если ввести условный коэффициент стереофоничности и принять его равным нулю при монофонической передаче, и равным единице при бесконечно большом числе каналов, то окажется, что при двухканальном воспроизведении звука он находится в пределах 0,17...0,7. Поэтому двухканальная стереофония получила широкое распространение как у нас в стране, так и за рубежом.
Рассмотрим способы формирования стереосигналов. Сам по себе стереоэффект определяется двумя факторами: разностью во времени прихода сигнала к левому и правому уху и разности интенсивностей этих сигналов. На первый взгляд кажется, что наиболее полно эти два фактора будут реализованы в системе АВ, в которой два микрофона А и В с одинаковыми характеристиками располагают симметрично по двум сторонам помещения (рис.2). Сигналы с выходов микрофонов по отдельны каналам поступают к двум громкоговорителям, расположенным справа и слева относительно слушателя.
Рис.2. Микрофонная система АВ
Достижение стереофонического эффекта достигается тем, что звук, принимаемый ближним к источнику звука микрофоном, имеет более высокий уровень и опережает по времени тот же звук, принимаемый другим микрофоном. Это соотношение уровней и временных сдвигов сохраняется и в звуках, воспроизводимых соответствующими громкоговорителями для слушателей, находящихся в так называемой зоне стереоэффекта.
Вблизи громкоговорителей эта зона сосредоточена около оси, относительно которой расположены громкоговорители, и расширяется по мере удаления от них. При перемещении источника звука между микрофонами изменяются уровни и временные сдвиги звуков, воспринимаемых микрофонами. Соответственно изменяются условия воспроизведения звуков в помещении для прослушивания. На слух это будет восприниматься как перемещение кажущегося источника звука между громкоговорителями.
Одним из основных недостатков системы АВ является невозможность удовлетворить условие совместимости, которое технически сводится к тому, чтобы сумма двух канальных стереофонических сигналов полноценно звучала при ее монофоническом воспроизведении. Но, как нетрудно видеть, при сложении сигналов, принимаемых микрофонами А и В, неизбежны частотные искажения, связанные с разностью хода звуковых волн от источника звука до каждого из микрофонов и, следовательно, с соответствующими интерференционными эффектами. Заметим, что разность хода может внести фазовый сдвиг в 180°, при этом в монофоническом сигнале звук этой частоты будет вообще отсутствовать.
Для устранения интерференционных эффектов разработаны, так называемые, совмещенные микрофонные системы, в которых стереоэффект формируется только за счет разности уровней сигналов. Микрофоны в таких системах должны иметь различные или различно ориентированные диаграммы направленности.
Рис. 3. Микрофонная система XY
В системе XY (рис. 3) два микрофона с одинаковыми характеристиками и диаграммами направленности в виде восьмерки расположены практически в одной точке так, что оси их диаграмм направленности образуют угол около 90° Микрофоны соединены каналами связи с левым и правым громкоговорителями. Стереофонический эффект здесь получается за счет разной чувствительности микрофонов к звуковым волнам, приходящим от источника звука.
Так, звучание инструмента, находящегося в направлении оси X, будет воспринято только одним микрофоном, а инструмента, находящегося в направлении оси Y– только другим. И лишь звучание инструмента, находящегося в середине сцены (на оси симметрии), будет воспринято обоими микрофонами с равной интенсивностью. При расположении микрофонов в одной точке сдвига фаз между звучанием громкоговорителей нет, поэтому эффект локализации источника звука будет несколько приглушен. При звукопередаче по способу ХY можно использовать микрофоны с характеристикой направленности в виде кардиоиды. Угол между главными осями диаграмм направленности звукорежиссер может изменять. Система XY является более совместимой, чем система АВ, однако источники звука, расположенные в центре сцены, имеют повышенную громкость и при монофоническом воспроизведении кажутся более приближенными к слушателю. Система XY находит применение при записи неподвижно расположенных исполнителей, при этом центральные источники располагаются дальше от микрофона.
Рис.4. Микрофонная система MS
При звукопередаче по способу MS микрофоны, как и при способе XY, расположены в центре сцены. Однако в этом случае один микрофон для канала, обозначенного буквой М, ненаправленный (т.е. одинаково хорошо воспринимает звук со всех сторон), а другой направлен так, что воспринимает звук с боковых частей сцены и имеет диаграмму направленности в виде восьмерки (рис.4, а).
Изменение напряжения на выходах микрофонов в зависимости от угла прихода звука показано на рис.4,б. Для микрофона канала М напряжение всегда постоянно, а на выходе микрофона канала S напряжение максимально лишь в тех случаях, когда звук приходит с направлений —90° и +90°. При угле, соответствующем 0°, напряжение на выходе микрофона канала S равно нулю. При переходе от одного лепестка характеристики направленности к другому изменяется фаза выходного сигнала микрофона. На рис.4,б этот факт нашел отражение в изменении полярности напряжения.
При воспроизведении звука к левому громкоговорителю подается сумма напряжений от обоих микрофонов (UM+ US), а к правому – разность напряжений (UM–US). Разделение левого и правого стереофонических сигналов производится с помощью суммарно–разностного преобразователя. Результат работы суммарно–разностного преобразователя показан на рис. 4,в.
Способ MS имеет явные преимущества. Канал M, является полноценным монофоническим сигналом, таким образом, система MS полностью совместима. Кроме того, звукорежиссер в процессе формирования стереосигнала может электрическим путем (с помощью регулятора) изменять соотношение сигналов M и S и, тем самым изменять стереоэффект. В системе XY для этого пришлось бы поворачивать сами микрофоны.
В период внедрения было предложено более 30 систем стереофонической радиопередачи. Из них основными были системы передачи, осуществляемые:
1. на двух несущих частотах с амплитудной модуляцией (АМ);
2. на боковых полосах с раздельной АМ одной несущей;
3. с квадратурной модуляцией, т.е. с раздельной модуляцией стереосигналами одной несущей частоты, колебания которой сдвинуты на 90°;
4. посредством АМ-ЧМ одной несущей;
5. посредством импульсной модуляции, при которой импульсы модулированы по амплитуде поочередно сигналами А и В. При временной селекции отдельно детектируются последовательности четных и нечетных импульсов;
6. по принципу полярной модуляции (Россия);
7. с помощью пилот-сигнала (США).
Выбор системы стереофонического радиовещания определяется теми техническими требованиями, которым она должна удовлетворять. В частности, необходимо обеспечить прямую и обратную совместимости и минимальное по сравнению с моноприемом уменьшение зоны уверенного стереоприема.
Прямая совместимость заключается в предоставлении радиослушателю возможности принимать стереофоническую передачу на обычный монофонический радиоприемник (естественно, в моноварианте), а обратная – в приеме на стереофонический приемник обычной передачи без потерь качества, но, конечно, без стереофонического эффекта.
Кроме того система должна допускать возможность использования для стереофонического вещания уже установленных ЧМ передатчиков путем добавления к ним необходимой модулирующей аппаратуры.
Анализ работы описанных выше способов передачи стереосигналов показывает, что способ 1 принципиально неприменим, поскольку не отвечает требованиям совместимости и, кроме того, занимает два радиоканала. Способы 2 и 3, пригодные, в принципе для диапазона средних волн, не нашли практического применения из-за сложности приемных устройств и плохой прямой совместимости: моноприем искажен гармониками и комбинационными искажениями. По этим же причинам не нашел применения и способ 4. Способ 5, отвечающий основным требованиям к системе стереовещания, отличается широким спектром частот излучаемых колебаний, что является существенным недостатком. Наилучшим образом отвечают технико-экономическим требованиям способы 6 и 7.
Стереофоническое вещание у нас в стране ведется по системе с так называемой полярной модуляцией. Идея полярной модуляции понятна из рис.5,а, на котором положительные полупериоды (полюсы) колебаний модулированы по амплитуде одним сигналом, а отрицательные полупериоды – другим. Поэтому верхняя и нижняя огибающие полярно-модулированного колебания (ПМК) несут два вида информации – от левого и от правого микрофонов.
Спектральный анализ ПМК показывает, что в его спектре содержатся звуковые частоты (рис.5, б), вследствие чего такой сигнал не может непосредственно излучаться антенной передатчика. Поэтому полярно-модулированным сигналом модулируют по частоте несущую УКВ передатчика. Сам же полярно-модулированный сигнал получают, модулируя поднесущую 31250 Гц.
Рис.5. Принцип полярной модуляции (а) и спектр полярно модулированного сигнала (б) при модуляции двумя частотами
Отметим, что монофонический приемник может воспроизвести только звуковую часть спектра ПМК, поэтому, если в области звуковых частот передавать только сигнал А (или В), звучание будет неполноценным, поскольку содержит информацию только о левой (или правой) части сцены. Чтобы удовлетворить требованию совместимости, в полосе звуковых частот передается сумма сигналов А+В, а в диапазоне ультразвуковых частот – информация о разностном сигнале А–В (рис.6,а).
Прежде чем промодулировать несущую частоту передатчика, необходимо подвергнуть ПМК дополнительной обработке. Необходимость в этом обусловлена тем, что по действующим стандартам максимальная девиация частоты передатчика ограничена значением 50 кГц как в моно–, так и в стереорежиме. Поэтому при модуляции несущей частоты полярно-модулированным колебанием значительная часть девиации несущей (более 50%) приходится на передачу поднесущей. Это приведет к тому, что прием стереофонической передачи на обычный приемник будет производиться с уменьшением громкости (на 7 дБ) по сравнению с громкостью обычной монофонической передачи.
Для устранения этого недостатка в полярном модуляторе производится частичное подавление поднесущей частоты, то есть уменьшение ее амплитуды в 5 раз (14 дБ). В этом случае обеспечивается почти полная совместимость: уменьшение громкости приема стереопередачи по сравнению с монофонической программой составляет 2 дБ, что почти не заметно для человеческого слуха. Спектр ПМК с частично подавленной поднесущей показан на рис.17.17, б. Для повышения помехозащищенности сигналов А и В в области верхних частот, где уровень спектральных составляющих существенно меньше, чем на средних частотах, введена RC-цепь предыскажений сигналов А и В стереопары, ее постоянная времени стандартизована и составляет 50 мкс. Такой сигнал называется комплексным стереосигналом (КСС).
Рис. 6. Спектр полярно-модулированного сигнала (а) и комплексного стереосигнала (б)
Структурная схема передающего тракта отечественной системы стереофонического радиовещания приведена на рис.7.
Рис.7. Структурная схема передающего тракта системы стереофонического радиовещания (ЦПП–цепь подавления поднесущей)
В американской системе (она называется системой с пилот-тоном) также формируется комплексный стереосигнал. Его спектр (рис.8, а) тоже содержит две части: низкочастотную, представляющую собой сумму А+В сигналов стереопары, и надтональную – АМ колебание с полностью подавленной поднесущей. Частота поднесущей в американской системе выбрана равной 38 кГц. Чтобы иметь возможность точно восстанавливать частоту поднесущей на приемной стороне системы, в спектре КСС дополнительно введен пилот сигнал частотой 19 кГц, передаваемый уровнем в 10 раз ниже номинального.
Уменьшение громкости при приеме на монофонический приемник в системе с пилот-тоном составляет всего 1 дБ. Однако в системе с пилот-тоном устройства разделения стереофонических сигналов более сложные из-за наличия системы синхронизации поднесущей частоты.
Рис.8. Спектр частот американской системы с пилот-тоном (а) и шведской системы ЧМ-ЧМ (б)
Кроме отечественной и американской систем Международным союзом электросвязи (МСЭ) рекомендована система ЧМ-ЧМ, предложенная (значительно позже первых двух) Швецией. Отличие от рассмотренных систем заключается в том, что поднесущая частота модулируется не по амплитуде, а по частоте рис.8, б). Кроме того, сигнал А-В для повышения его помехозащищенности подвергается компандированию (канал А-В стереомодулятора содержит компрессор, а стереодекодер – соответственно экспандер).
При реализации стереодекодеров применяют следующие методы детектирования ПМК: по огибающей с помощью полярного детектора; с предварительным разделением спектра на низкочастотную и надтональную части; с временным разделением каналов (рис.9).
Рис.9. Методы декодирования стереосигналов
В любом амплитудном детекторе максимум переходного затухания и минимум нелинейных искажений достигаются, если частота модулирующего сигнала намного меньше несущей частоты. В полярном детекторе (рис.9,а) верхняя модулирующая частота и поднесущая соизмеримы (15 и 31,25 кГц). Поэтому даже при наличии различного рода цепей коррекции его параметры не являются достаточно высокими: коэффициент гармоник на частоте 1000 Гц равен 0,8...1,2%, переходное затухание 34 дБ. С повышением частоты оба параметра ухудшаются: на верхних частотах коэффициент гармоник возрастает до 2,2 %, переходное затухание падает до 20 дБ.
Метод детектирования КСС с разделением спектра реализуется устройством, показанным на рис.9,б. Фильтром нижних частот ФНЧ выделяется низкочастотная часть спектра КСС, представляющая собой сигнал А+В. Кроме ФНЧ, комплексный стереофонический сигнал поступает в цепь восстановления поднесущей ВП и далее полосовым фильтром ПФ с граничными частотами 117,25 и 417,25 кГц из ПМК выделяется его надтональная часть, представляющая собой колебание, модулированное по амплитуде сигналом А–В. Это АМ колебание детектируется обычным детектором Д.
Полученный в результате детектирования разностный сигнал А-В подается на один из входов суммарно-разностного преобразователя СРП, на второй вход которого поступает сигнал А+В с выхода ФНЧ. С выходов СРП восстановленные сигналы стереопары А и В поступают на цепи компенсации предыскажений t. К параметрам фильтров предъявляются довольно жесткие требования. Так, чтобы переходное затухание между каналами стереопары было не менее 40 дБ, АЧХ фильтров должны отличаться друг от друга не более чем на 1 %, а ФЧХ – не более чем на 0,5°. Изменение коэффициента передачи любого из трактов (суммарного или разностного) на 10 % сопровождается уменьшением переходного затухания до 217 дБ. Несмотря на столь жесткие требования, метод детектирования КСС с разделением спектра широко используется в серийных моделях стереоаппаратуры.
Наилучшими параметрами обладают ключевые стереодекодеры (рис.9,в), работающие по принципу временного разделения каналов стереопары. Если ПМК подать на два электронных коммутатора ЭК1 и ЭК2 и управлять их работой посредством коротких импульсов разной полярности, то сигнал на выходе ЭК1 будет иметь огибающую сигнала левого канала, а на выходе ЭК2–правого. Сложность декодирования ПМК этим методом заключается в том, что коммутирующие импульсы должны иметь длительность не больше 5...10 мкс. Только в этом случае амплитуда выходного напряжения ключей в момент его замыкания будет оставаться постоянной, что обеспечит получение высокого значения по переходному затуханию. Однако коэффициент передачи такой цепи оказывается очень низким. Для устранения этого недостатка дополнительно вводят цепи удлинения импульсов. С ее помощью напряжение на выходе ЭК поддерживается постоянным и равным мгновенному значению сигнала в момент его коммутации до прихода следующего управляющего импульса, после чего выходное напряжение принимает новое значение. Заметим, что метод временного разделения каналов стереопары не требует обязательного преобразования КСС в ПМК, что является его несомненным достоинством.