Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Цифровое звуковое вещание. Учебно-методическое пособие
.pdf
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО СВЯЗИ
Ордена Трудового Красного Знамени федеральное государственное
бюджетное образовательное учреждение высшего образования
Московский технический университет связи и информатики
Кафедра телевидения и звукового вещания им. С.И. Катаева
Рихтер С.Г.
Учебно-методическое пособие
ЦИФРОВОЕ ЗВУКОВОЕ ВЕЩАНИЕ
по направлениям: 11.04.01, 11.04.02, 11.03.02
Москва 2018
2
План УМД на 2018/19 уч.г.
Учебно-методическое пособие
ЦИФРОВОЕ ЗВУКОВОЕ ВЕЩАНИЕ
Автор С.Г. Рихтер, к.т.н., профессор
В учебно-методическом пособии представлены задачи и практические
задания, которые могут избирательно использоваться в качестве фонда
оценочных средств текущего контроля и промежуточной аттестации при
очной форме обучения:
– магистров по направлению подготовки 11.04.01 - Радиотехника профиля
«Аудиовизуальные технологии» по дисциплине «
» и по направлению подготовки 11.04.02 - Инфокоммуникационные технологии и системы связи профиля «Системы радиосвязи,
мобильной связи и радиодоступа» по дисциплине «
», а также
– бакалавров по направлению 11.03.02 - Инфокоммуникационные
технологии и системы связи профиля «Цифровое телерадиовещание» по
дисциплине « » и
профиля «Системы мобильной связи» по дисциплине «
».
Все задания и задачи снабжены ссылками на доступные учебную
литературу и программное обеспечение, краткой теоретической справкой и
необходимой рекомендацией по порядку выполнения.
Учебно-методическое пособие может быть полезно преподавателям в
методической работе по указанным направлениям подготовки магистров и
бакалавров.
Рецензент С.Л. Мишенков, д.т.н., профессор
УДК 621.396.97
Рихтер С.Г.Цифровое звуковое вещание: Учебно-методическое пособие./
МТУСИ.- М., 2018.- 35 с.
Издание утверждено на заседании кафедры.Протокол № 5 от 25.12.17
Рецензент: С.Л.Мишенков,д.т.н.,профессор
© Московский технический университет
связи и информатики, 2018
3
АЦП
аналого-цифровое преобразование
БЧХ
Боуза-Чоудхури-Хоквингема - корректирующий код (BCH)
ДКБП
дискретный канал без памяти
ДКО
длина кодового ограничения
ДСК
двоичный симметричный канал
ДСКС
двоичный симметричный канал со стиранием
ЗВК
звуковой вещательный канал
ЗВС
звуковой вещательный сигнал
ЗС
звуковой сигнал
ИКМ
импульсно-кодовая модуляция
КП
кодовая последовательность
КС
кодовое слово
МВ
метрика ветви
МС
метрика состояния
МСЭ-T
Международный союз электросвязи, сектор стандартизации (ITU-T)
ОСШ
отношение сигнал-шум
ОСШК
отношение сигнал-шум квантования
ОФМ
относительная (дифференциальная) фазовая манипуляция
РС
Рида – Соломона - корректирующий код (RS)
СК
свёрточный код
ФМ
фазовая манипуляция
ЦАП
цифро-аналоговый преобразователь (декодер сигнала)
ЦРСП
цифровая радиосистема передачи
ЭВК
энергетический выигрыш кодирования
BER
Bit Error Rate – вероятность ошибки на бит
Содержание
Введение………………………………………………………..…………. 4
Тема 1. Основные характеристики звуковых сигналов………..………. 5
Тема 2. Передача звуковых вещательных сигналов по цифровому
каналу………………………………………………………………….….. 8
Тема 3. Помехоустойчивость цифрового канала звукового вещания… 11
Приложение 1. Методика расчета помехоустойчивости канала с
нулевой зоной…………………………………………………….…….… 30
Приложение 2. Расчётные формулы и примеры кривых
помехоустойчивости..………………………..……….............................. 32
Список литературы……..………………………………………………. 34
Основные сокращения
4
Введение
В соответствии с мировым опытом, задача перспективного развития
телерадиовещания решается путем создания абсолютно новых систем
вещания, спроектированных таким образом, чтобы удовлетворить высоким
требованиям слушателей к качеству вещательных программ при различных
условиях приема. Этим требованиям отвечают системы наземного цифрового
телевизионного и радиовещания, основанные на представлении и передаче
видео- и звуковых сигналов в цифровой форме во всех звеньях
вещательного тракта - от студии до абонентского приемника. Применение
таких систем, в частности, позволит: повысить эффективность использования
радиочастотного спектра; улучшить качество приема и увеличить количество
программ; использовать способы передачи сигналов, которые
нечувствительны к помехам и адаптированы к разным средам и условиям
распространения; обеспечить мобильный прием без значительного ухудшения
качества приема. В рамках аналоговых систем эфирного телерадиовещания
одновременное удовлетворение этих требований практически невозможно.
Именно поэтому цифровые методы передачи аналоговых сигналов получили
очень широкое распространение.
Цифровой передаче (ЗВС) свойственны
преимущества, основные из которых: высокая помехоустойчивость при
использовании каналов с большим уровнем помех и искажений;
независимость качественных показателей каналов от их протяженности;
простота цифрового выделения и ввода таких сигналов; значительное
увеличение возможностей обработки ЗВС, представленных в цифровой
форме; упрощение эксплуатации каналов, что объясняется высокой
стабильностью и малым числом контролируемых параметров (часто
достаточно контролировать только наличие сигнала и достоверность его
передачи). Таким образом, цифровая техника, в принципе, позволяет
уменьшить искажения при передаче звуковых сигналов до порога
чувствительности человеческого слуха (и ниже, если это оправдано
экономически).
Реализация перечисленных достоинств цифровой передачи ЗВС
возможна лишь при грамотном использовании свойств таких сигналов и
выборе параметров цифровых каналов передачи, учитывающем свойства
среды и условия распространения сигналов.
В настоящем пособии приведены задачи и практические задания по трем
ключевым темам, весьма актуальным в цифровом звуковом вещании.
Представленный материал может избирательно использоваться в качестве
фонда оценочных средств текущего контроля и промежуточной аттестации
по ряду направлений подготовки магистров и бакалавров.
5
Тема 1. Основные характеристики звуковых сигналов
Основная учебная литература: [1–5].
Программное обеспечение: редакторы звуковых файлов AdobeAudition
(в прошлом CoolEditPro), SoundForge, Cubase и др.; универсальный
математический пакет MathCad.
Принято различать основные параметры
качества (ЗВК), регламентируемых
Государственным стандартом [1], и основные характеристики собственно
(ЗС). К числу первых относят: полосу эффективно
передаваемых частот, Гц; допустимые отклонения амплитудно-частотной
характеристики, дБ; коэффициент гармоник, %; защищенность от
интегральной и внятной помех, дБ. Эти параметры качества ЗВК измеряются
с помощью измерительных приборов, т.е. объективно, с использованием
методик, указанных в стандарте [1].
К числу основных характеристик звуковых сигналов, как правило,
относят [2,3]: закон распределения мгновенных значений, заданных
плотностью вероятности W или функцией распределения F; уровень
сигнала; закон распределения уровней, выраженный плотностью W(N) или
функцией вероятности F(N); динамический диапазон DN и пик-фактор Q
сигнала; частотный диапазон и спектральные характеристики в виде
распределения уровней спектральной плотности мощности. Следует
заметить, что звуковой сигнал, с одной стороны, можно рассматривать как
случайный процесс, описываемый своими вероятностными
характеристиками, а с другой – как объект слухового восприятия,
подчиняющийся законам психофизиологии слуха.
характеризует звуковой сигнал в определенный текущий
момент времени и представляет собой выраженное в децибелах
выпрямленное и усредненное за некоторый предшествующий промежуток
времени напряжение сигнала, отнесенное к некоторой условной
величине U0:
N (t,) = 20 lg u (t,) / U
.
0
Здесь U0 - среднеквадратическое значение сигнала, принятое за начало
отсчета уровней; ему приписывается уровень 0 дБ. Международными
рекомендациями установлены нулевые уровни: – 0,775 В
(напряжение на нагрузке 600 Ом, на которой выделяется мощность 1 мВт);
– 1 мВт; – 210-5 Па (это минимальное
звуковое давление, соответствующее порогу слышимости в области
максимальной чувствительности уха 1…4 кГц) -
-12
10
Вт/м2.
График функции N(t,) называется сигнала u(t). Вид
уровнеграммы (рис. 2.1) зависит от условий ее измерения, особенно от
времени интеграции . На форму уровнеграммы влияют также вид
6
детектирования (квадратичное, линейное или квазипиковое) и динамические
характеристики измерительной цепи и измерительного механизма: время
срабатывания и время восстановления (возврата).
Рисунок 2.1 - Пример уровнеграммы ЗС
Закон распределения уровней выражается плотностью W(N) или
функцией вероятности F(N); он весьма стабилен (особенно для больших
) и
почти не зависит от характера звуковой программы на длительностях не
менее интервала стационарности. Уровнеграммы для оценки состояния
звукового тракта при передаче по нему ЗС измеряют при = 10…20 мс, а для
оценки громкости выбирают около 200 мс. На рис. 2.2а приведены три
функции распределения уровней музыкальных программ (за 0 дБ принята
медиана распределений), а на рис. 2.2б те же построения выполнены для
речевого сигнала.
Рисунок 2.2 - Функции распределения уровней музыкальных программ (а)
и речевого сигнала (б)
Удобными числовыми оценками распределений считаются .
Квантилем Ni (Fi) называется значение уровня Ni при заданном значении
функции распределения Fi; случайная величина N с вероятностью Fi не
превосходит своего квантиля Ni. Можно также сказать, что уровень N (t,) не
превосходит величины Ni на протяжении доли (или процента) Fi времени
наблюдения. Квантиль N(0,5), соответствующий значению F = 0,5,
называется медианой распределения и характеризует наивероятнейшее
значение уровня в данной звуковой программе.
7
Речь диктора
25…35
Разговорная речь
35…40
Эстрадная музыка
35…40
Актерская речь (худ. чтение)
35…45
Малые ансамбли, хор
45…55
Симфоническая музыка
65…75
Пределы изменения уровня определяют (D)
сигнала. При теоретическом определении динамического диапазона сигнала
вводят понятия уровней:
вероятность превышения квазимаксимального значения достаточно мала
(0,01…0,02), а квазиминимального – достаточно велика и составляет
0,98…0,99. Динамический диапазон определяется разностью квантилей:
- для речевого сигнала D
- для музыкальных передач D
= N (0,99) – N (0,01),
с.реч
= N (0,98) – N (0,02).
с.муз
Динамический диапазон натуральных звучаний (в дБ):
Разность между квазимаксимальным и усредненным за длительный
промежуток времени уровнями называют -: Q = N
кв.макс
– Nср.
Для музыкальных сигналов он может достигать 20…28 дБ, а для речи – в
среднем 12 дБ.
Задача 2.1
Найти теоретическую оценку динамического диапазона первичных
вещательных (речевого и музыкального) сигналов DN, дБ, приняв средние
распределения уровней близкими нормальному. Использовать следующие
значения среднеквадратического отклонения: N = 6,5дБ – для речи диктора;
12,1 дБ – для музыкального ансамбля и 17,0 дБ – для симфонического
оркестра.
Следует воспользоваться формулой для определения
вероятности попадания случайной величины (распределенной по
нормальному закону) в заданный интервал, симметричный относительно
центра рассеивания.
Практическое задание 2.1
С помощью редактора звуковых файлов оценить распознаваемость,
разборчивость и качество звуковых сигналов.
Воспользоваться материалами раздела 1.6 учебного пособия
[2], главы 1 учебного пособия [4] или приложения 1 учебного пособия [5].
8
Тема 2. Передача звуковых вещательных сигналов
по цифровому каналу
Основная учебная литература: [2–6].
Программное обеспечение: редакторы звуковых файлов AdobeAudition и
др.; универсальный математический пакет MathCad.
Источник сообщения генерирует звуковой
вещательный сигнал - речь или музыку, поступающий на вход радиосистемы
передачи в аналоговой форме. Для первичного -
(АЦП) применяется ИКМ с линейным квантованием.
Важной характеристикой этого преобразования является
сигнала:
где Fд - (в килогерцах); m = log2 (n
Rц0 = Fд m (кбит/с),
) -
max
(разрядность двоичного кода или ΔА),
определяемое n
известных форматов цифрового радиовещания для монофонического канала
Rц0 = 4816 = 768 кбит/с.
. В большинстве
max
При цифровой передаче сигналов речи по ТФ каналам, когда, как
известно, ограничиваются полосой частот от 300 до 3400 Гц, общепринятой
является F
= 8 кГц. В результате на выходе АЦП формируется
д
последовательность восьмиразрядных кодовых слов, следующих с частотой
8 кГц. Следовательно, цифровая скорость передачи сигналов речи составляет
Rц0 = Fд m = 8 8 = 64 кбит/с.
Эта величина представляет собой
(система ИКМ-64), который необходимо
знать при его передаче или хранении.
После АЦП ЗВС подвергается компактному представлению кодированию с устранением избыточности в . При
компактном представлении ЗВС обеспечивается многократное сжатие
звуковой информации при сохранении субъективно высокого качества
передачи звука. О сохранении формы сигнала в этом случае речи быть не
может. Для количественной оценки скорости цифрового потока на выходе
кодера источника используется kсж:
Rки = Rц0 / kсж.
В зависимости от типа звуковой программы и требований к качеству ее
воспроизведения степень сжатия может отличаться в десятки раз, например
2 kсж 48. Передача стереофонических программ требует удвоения
скорости цифрового потока.
Искажения (шум) квантования, возникающие при преобразовании ана-
логового сигнала в цифровую форму, обычно выражаются в виде отношения
средних мощностей сигнала и шума, т.е. -
9
(ОСШК) Р
с/Рш.кв
. ОСШК, выраженное в децибелах, при
равномерном квантовании определяется соотношением:
Рс / Р
= 6m + 4,8 – 20 lg Q, дБ,
ш.кв
Отсюда имеем:
для гармонического сигнала (Q =
для речевого сигнала (Q ≈ 12 дБ) Р
) Р
с
/ Р
/ Р
с
ш.кв
= 6m + 1,8, дБ;
ш.кв
= 6m – 7,2, дБ.
ОСШК определяет, в конечном счете, значение максимального
динамического диапазона звукового сигнала, который может быть передан
по цифровому каналу без появления искажений. Реальный динамический
диапазон сигнала, прошедшего по цифровому каналу, всегда меньше.
Рассмотрим это на примере передачи по цифровому каналу ЗВС при
использовании 16-разрядного равномерного квантования (рис. 3.1). В этом
случае максимально достижимое значение ОСШК будет реализовано при
передаче гармонического сигнала:
Рс / Р
ОСШК
2 дБ 12 дБ
20 дБ 6 дБ
Реальный Dc 58 дБ
Уровень перекрытия
= 6m + 1,8 = 97,8 дБ.
ш.кв
макс.дост.
ОСШК
(98 дБ)
макс
(84 дБ)
Минимальный уровень ЗС Максимальный уровень ЗС
Рисунок 3.1 - Определение реального динамического диапазона ЗС при АЦП
(m = 16 бит/отсчет)
Эта величина должна быть уменьшена на 2 дБ для учета
дополнительных погрешностей, свойственных процедурам АЦП и ЦАП, а
также на среднюю величину пик-фактора сигнала (около 12 дБ) – в
соответствии с рекомендацией МСЭ-Т - при пересчете уровня мощности
шумов квантования в величину, соответствующую получаемой при
измерении. В результате находим величину максимального ОСШК
цифрового сигнала:
(Рс / Р
ш.кв )макс
84 дБ.
Для защиты такого сигнала от искажений в канале передачи, т.е. для
недопущения ограничения сигнала, его квазипиковое значение не должно
превышать порога ограничения квантователя. Обычно значение ОСШК
макс
уменьшают на величину (6…10 дБ).
Чтобы избежать слишком больших погрешностей при квантовании
низких уровней сигнала и обеспечить при обратном преобразовании
маскировку шумов квантования полезным сигналом, следует также
предусмотреть по
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]