Прием телепрограмм со стереозвуком при помощи NICAM-декодера NM2905 от компании "Мастер Кит"Статья посвящена новой разработке МАСТЕР КИТ — декодеру телевизионного стереозвукового сопровождения формата NICAM NM2905. Декодер представляет собой готовое и настроенное устройство. Приводится описание, технические характеристики, режимы работы, структурная схема декодера и схема подключения к телевизору. Этот материал будет полезен работникам ремонтного бизнеса, частным телемастером и подготовленным радиолюбителям.
История NICAM
В конце 80-х годов в Англии была разработана и внедрена цифровая система стереофонического звукового сопровождения телевидения NICAM-728, адаптированная под английский стандарт звука I и европейский аудиостандарт B/G. В европейском варианте звук оцифровывался и передавался в виде цифрового потока на поднесущей частоте 5,85 МГц. Система NICAM обеспечивала очень высокое качество стереофонического вещания.
В современных телевизорах для декодирования звука используются специализированные цифровые сигнальные процессоры. В них поднесущая звука на входе процессора переводится в цифровую форму, а вся дальнейшая обработка (преобразование, фильтрация, декодирование и др.) ведется программными методами. В таком процессоре реализация декодирования любого стандарта стереозвука обеспечивается простым переключением программных модулей, что практически не влияет на стоимость телевизора. По этой причине использовать сегодня для вещания устаревшие аналоговые методы стереовещания, не обеспечивающие высокого качества звука, нерационально.
Технические проблемы с внедрением NICAM на телецентрах
В конце 2003 года „Первый канал” начал в Москве стереовещание в формате NICAM-728. Немного позднее на этот же формат перешел канал MTV. В 2005 г. ожидается начало стереовещания „Первого канала” в Санкт-Петербурге. В этом же стандарте вещают ряд каналов в различных кабельных сетях по всей стране.
Интерес к стереофоническому звуку в телевидении в России и странах СНГ есть, и он весьма значителен. Об этом свидетельствуют многочисленные звонки в диспетчерские службы с вопросами о возможности стереоприема после начала эфирного стереовещания.
Опыт „Первого канала” показал, что дооснащение телевизионного передатчика для ввода цифрового стереовещания — не очень затратная задача. Это обусловлено тем, что мощность дополнительного передатчика стереозвука NICAM должна относиться к мощности основного телевизионного передатчика в соотношении 1/500. То есть для телевизионного передатчика мощностью 10 кВт достаточно установить передатчик радиосигнала NICAM мощностью всего в 20 Вт. Кроме того, нужно дополнительно на входе основного передатчика ограничить спектр модулирующего сигнала полосой 5,1 МГц, что представляется не очень сложной задачей.
Справедливости ради нужно признать, что решение „Первого канала” о начале стереовещания в формате D/K NICAM было революционным, но его нельзя считать авантюрным. Дело в том, что ранее этот формат стереовещания был внедрен в Китае, Венгрии и Польше, где используется такой же стандарт телевещания, что и в нашей стране. Опыт этих стран доказал возможность использования сигнала NICAM в телевизионном сигнале стандарта D/K. Правда, для снижения уровня помех от несущей сигнала NICAM потребовалось уменьшить ее уровень в составе спектра полного радиосигнала до значения –25 дБ по отношению к уровню несущей изображения (в стандарте B/G — до уровня –20 дБ), что несколько усложняет декодирование стереосигнала и уменьшает зону уверенного приема стереовещания. По этой причине, после того как „Первый канал” начал вещание со стереозвуком (NICAM-728), „Государственный НИИ Радио” в начале 2004 г. провел экспериментальные исследования по определению зоны уверенного приема стереозвукового сопровождения [1]. По относительно большому объему экспериментального материала [1, 2] было определено: „усредненное (единое для всех сезонов и времени суток) положение внешней границы зоны уверенного приема сигнала стереозвука от передатчика „Первого канала” [круг] радиусом 86 км”. Такое значение практически соответствует границе уверенного приема телевизионного сигнала. То есть исследования показали, что стереоприем обеспечивается практически во всей зоне покрытия телевизионного передатчика.
Как решить проблему приема телевизионных программ в формате NICAM-728
Так как в России не было принято какой-либо программы внедрения стереофонического вещания, то в нашей стране не производили телевизоров со стереофоническим звуковым сопровождением. Импортных телевизоров со стереозвуком ввозили мало, из ввезенных меньшая часть имела декодеры стандарта NICAM, а большая — А2.
В результате, по оценке автора, телевизоров, способных декодировать стереозвук NICAM, в нашей стране всего 2...5% от общего количества (в этом числе только импортные, отечественных нет вообще!).
Сейчас положение быстро меняется, ввозится и продается все больше телевизоров и видеомагнитофонов со встроенными декодерами NICAM. Отечественные производители также начали выпускать модели телевизоров с такими декодерами. Однако полное обновление приемного парка телевизионных приемников займет 10—15 и более лет. Поэтому существует потребность в технических решениях, которые позволят принимать на существующий парк монофонических телевизоров стереозвук в формате NICAM.
Похожая задача стояла перед населением нашей страны в 80-х гг., когда началось широкое внедрение бытовых видеомагнитофонов. Тогда практически все записи для них были в цветовом стандарте PAL, а существовавший парк телевизоров мог принимать только сигналы в стандарте SECAM. Поэтому потребовалось разработать способ модернизации телевизоров для того, чтобы они могли декодировать сигналы SECAM/PAL. Очень быстро энтузиастами было разработано множество вариантов плат PAL-декодеров и способов их установки в телевизоры. Появилось множество фирм, которые занимались изготовлением и установкой таких декодеров в телевизоры, и проблема модернизации телевизоров была решена в короткие сроки.
Аналогичным способом можно решить и проблему приема существующим парком телеприемников стереозвука в формате NICAM. По этому пути уже прошли Польша и Голландия. Там есть фирмы, выпускающие платы декодеров NICAM, которые потребитель может установить в свой телеприемник и получить возможность слушать стереозвук. Россия, видимо, также пройдет по этому пути. Первый известный автору российский серийный декодер стереотелевизионного звукового сопровождения NICAM, предназначенный для установки в телевизоры, выпущен компанией „Мастер Кит”. Блок пока выпускается в одной модификации для телевизоров с промежуточной частотой 38,9 МГц (большинство телевизоров, имеющихся у населения) и имеет название NM2905. При его разработке пришлось решить ряд проблем, связанных со специфическими особенностями приема NICAM в нашей стране. Далее более подробно рассмотрим конструкцию первого в России серийного NICAM-декодера, его возможности и особенности.
Декодер NICAM NM2905
Внешний вид платы декодера показан на рис. 1. Декодер выполнен на базе специализированного цифрового сигнального процессора MSP3410D производства фирмы MICRONAS и имеет размеры 85ґ65ґ20 мм. Блок выполнен по технологии поверхностного монтажа и при установке не требует никаких дополнительных настроек. Небольшие размеры декодера позволяют установить его даже в малогабаритные телевизоры с размером экрана 14 и менее дюймов.
Рис. 1
Использованная в блоке специализированная микросхема цифрового сигнального процессора в режиме приема NICAM обеспечивает следующие основные параметры:
– отношение сигнал/шум на выходе,не менее 72 дБ
– коэффициент гармоник, не более 0,1 %
– разделение каналов, не менее 80 дБ
– неравномерность АЧХ
– в полосе 20…15 000 Гц, не более 1 дБ
Микросхема также позволяет осуществлять декодирование звукового сопровождения телевидения в любом из существующих форматов телевещания — А2, D/K, B/G, SAT и др.
Упрощенная структурная схема декодера показана на рис. 2 (см. вложенный файл). При создании декодера разработчику пришлось решить несколько специфических проблем, связанных с особенностями реализации стереовещания NICAM в составе сигнала SECAM D/K. Как уже упоминалось выше, для снижения помех от поднесущей сигнала NICAM ее уровень был существенно снижен по сравнению с первоначальной спецификацией стандарта. Радиосигнал вещательного телевидения, в общем случае, состоит из 4-х основных спектральных компонент: несущей частоты изображения, сигнала цветовой поднесущей (4,43 МГц — PAL, 4,25/4,406 МГц — SECAM), поднесущей аналогового звука (5,5 МГц — B/G, 6,5 МГц — D/K) и поднесущей NICAM (5,85 МГц).
При демодуляции такого радиосигнала с использованием стандартных телевизионных фильтров происходит перенос спектральных компонент в область низких частот и ослабление сигналов поднесущих звука и NICAM. В этом случае рядом с сигналом NICAM оказываются более мощные спектральные компоненты сигнала цветности. Наличие таких компонент приводит к неустойчивой работе декодера NICAM, особенно при смене цветных сюжетов. Для устранения такого эффекта был разработан заказной фильтр на ПАВ со специальной характеристикой, оптимизированной для приема сигналов NICAM B/G, D/K. Применение фильтра с такой характеристикой позволило значительно снизить уровень помех от поднесущей цветности и составляющих сигнала яркости, поднять уровень сигнала поднесущей NICAM в демодулированном сигнале и значительно улучшить устойчивость приема звука.
Для выбора режима работы декодера, управления звуковыми эффектами и индикации режима работы используется микроконтроллер типа AT90S2313 со специализированным программным обеспечением. Он представляет собой аппаратно-программный 8-разрядный аналого-цифровой преобразователь. Использование этого преобразователя позволяет регулировать громкость звукового сигнала на выходе декодера с помощью внешнего постоянного напряжения. Это облегчает встраивание декодера в существующие телевизоры с аналоговым управлением громкостью.
Краткое описание принципиальной схемы декодера NICAM
Принципиальная схема декодера NICAM показана на рис. 3 (см. вложенный файл). Сигнал промежуточной частоты 38,9 МГц с тюнера телевизора поступает на ПАВ фильтр ZQ1, который подавляет помехи от составляющих сигнала цветности, компонент сигнала яркости и внеполосных сигналов. Отфильтрованный сигнал поступает на микросхему синхронного демодулятора DA1 TDA9800. Контур C4 L1 настроен на частоту 77,6 МГц — 2-ю гармонику ПЧ. Он охвачен петлей ФАПЧ и используется для синхронной демодуляции сигнала ПЧ. Выделенная 2-я ПЧ звука через конденсатор С11 поступает на вход цифрового сигнального процессора MSP3410D, где производится цифровая фильтрация, демодуляция и обработка сигнала звукового сопровождения. Кварцевый резонатор BQ1 задает частоту работы внутренних узлов цифрового сигнального процессора. Демодулированные звуковые сигналы L, R, SUB с выхода микросхемы поступают на буферные усилители — фильтры второго порядка на транзисторах VT1, VT2, VT3. Фильтры подавляют остатки импульсных помех, образовавшихся после цифро-аналогового преобразования сигналов. Параллельно сигналы левого и правого каналов поступают на вход усилителя стереотелефонов на микросхеме TDA7050. Начальная инициализация цифрового сигнального процессора MSP3410D, задание режимов, контроль его состояния, индикация, включение звуковых эффектов осуществляются микроконтроллером DD1 AT90S2313. На этом же микроконтроллере, с использованием элементов С52, С54, R22, собран аппаратно-программный отслеживающий 8-разрядный АЦП, предназначенный для осуществления аналоговой регулировки громкости.
Питание всех элементов схемы осуществляется от стабилизаторов на 8 и 5 В — микросхемах DA4 (LM7808) и DA5 (LM7805).
Особенности установки декодера в телевизор
Декодер подключается к телевизору в режиме квазипараллельного канала звука, т.е. на декодер подается сигнал 1-й ПЧ телевизора (38,9 МГц) с выхода телевизионного тюнера до телевизионного фильтра на ПАВ. Такая схема обеспечивает высокое качество звука и позволяет легко подключить декодер к любому телевизионному приемнику.
Для питания декодера необходимо постоянное напряжение 10…17 В. Потребляемый ток составляет около 200 мА. Стабилизаторы питания, установленные на плате декодера, сформируют из этого напряжения стабилизированные напряжения, необходимые для работы декодера.
Подключение блока к телевизору и внешним устройствам показано на рис. 4 (см. вложенный файл). Для простейшего варианта подключения декодера достаточно подключить к телевизору всего три провода: „общий” — подключается к общему проводу (шасси) телевизора, „питание” — подключается к источнику напряжения +10,5…+17 В в блоке питания телевизора и „вход ПЧ” — подключается к выводу IF телевизионного тюнера*. Подключение облегчается тем, что расположение выводов тюнеров фактически стандартизовано и тюнеры различных производителей имеют одинаковую цоколевку. Часто назначение выводов тюнера дополнительно обозначается на печатной плате телевизора. Если подключить четвертый провод — „управление громкостью” (Uvol = 0...+3 В), то громкость звукового сигнала декодера NICAM можно регулировать с пульта телевизора.
При питающем напряжении более 12 В, для облегчения теплового режима декодера, рекомендуется на стабилизаторы 7808 и 7805 установить дополнительный радиатор в виде медной или алюминиевой пластины, как показано на рис. 4. Так как корпуса микросхем соединены с „общим” проводом, то изолировать их от радиатора не требуется.
Прослушивание звукового сопровождения может осуществляться как через внешний, так и через встроенный усилитель на стереонаушники или компьютерные колонки. Эксперименты показали, что использование штатных, встроенных в телевизор колонок для прослушивания стереозвукового сопровождения телепередач малоэффективно. Даже при использовании большого 29-дюймового телевизора с колонками в „ушах”, хороший стереоэффект ощущается только на расстоянии 1,5...2 м. Понятно, что смотреть на таком расстоянии телепрограммы невозможно. А на бoльшем расстоянии стереоэффект слабый. Поэтому значительно эффективнее подключить к установленному в телевизор декодеру выносные колонки от компьютера, а его собственный динамик использовать как сабвуфер. И это очень просто реализуется в монофонических телевизорах после установки в них стереодекодера.
Декодер также можно использовать и в телевизорах с декодером стандарта А2, но для ряда из них иногда можно найти более оптимальное частное решение (например заменить несколько микросхем и обновить софт).
Режимы работы декодера
Установкой дополнительных перемычек на плате (MP1-MP4 и J1, J2 на рис. 4) можно включить в декодере ряд звуковых эффектов (на рис. 3 это переменные X7-X8, X9-X10, X11-X12, X13-X14, X17-X18 и X19-X20).
1. Включение комплементарного фильтра. Когда эта функция включена, на выходы L (левый) и R (правый) поступают стереосигналы, из которых вычитаются низкочастотные компоненты, которые идут на выход сабвуфера. Использование этого фильтра позволяет существенно снизить интермодуляционные искажения в колонках левого и правого каналов при использовании их совместно с сабвуфером. При этом обеспечивается высокая равномерность звуковой картины, формируемой акустическими колонками. При выключенном фильтре на выходы L (левый) и R (правый) поступают полные стереосигналы, а на выход сабвуфера только низкочастотные компоненты, отфильтрованные цифровым фильтром третьего порядка.
2. Режим расширенного стерео/псевдостерео. При включении этой функции декодер анализирует вид звукового сопровождения и, при наличии моносигнала звукового сопровождения, включает цифровой процессор пространственного звука, создающий эффект псевдостерео. При наличии стереосигнала декодер включает режим расширения стереобазы. Использование этого режима позволяет получить эффект пространственного звучания на моносигналах и усиление стереоэффекта при использовании колонок с малой базой.
3. Режим автоматического выравнивания громкости AVC. При включении этой функции декодер автоматически выравнивает громкость звучания различных каналов. Этот режим полезен, если звуковое сопровождение на различных каналах транслируется с разной громкостью.
4. Режим „Super Bass”. При включении этой функции цифровой сигнальный процессор по определенному алгоритму осуществляет усиление и подчеркивание басов. При этом используется аудиопсихофизиологический эффект, заключающийся в том, что при подъеме уровня верхних гармоник низкочастотного сигнала у слушателя создается впечатление присутствия первой низкочастотной гармоники даже в том случае, когда реальная акустическая система не может эффективно воспроизвести эту частоту.
Литература
1. А.У.Жильцов и др. „Экспериментальные исследования эфирного телевизионного радиосигнала со стереозвуковым сопровождением по системе NICAM 728”, Труды НИИР 2004.
2. Ю.А. Садиков. „Особенности индивидуального приема ТВ программ со стереозвуком NICAM”, журнал „Схемотехника” № 3, 2004 г.
3. К.Быструшкин, В.Григорьев. „Современная элементная база декодеров NICAM-728”, „Электронные компоненты” № 3, 2003 г, № 2, 2004 г.
4. http://www.qsl.net/zl1vfo/nicam.htm; „All You Wanted to Know About NICAM but were Afraid to Ask”; Steven Hosgood.
5. Журнал „Звукорежиссер” №№ 5, 6, 2001 г. Юрий Ковалгин „Стереофонический звук в телевизионном вещании”.
6. Журнал „625” №№ 3, 6, 1995 г. Константин Быструшкин „Цифровой звук в телевизионном вещании”.
7. http://home.wanadoo.nl/pi6dig/index_e.html;
NICAM-декодер (Голландия).
8. http://www.mjm.pl/; NICAM-декодер (Польша).
9. http://www.masterkit.ru/; NICAM-декодер
(Россия).
10. В.А.Чулков. „Быть или не быть телевидению со стереозвуком в России?”, „Телеспутник” № 2 (100), 2004 г.).
11. „MSP 34xx Family. Recommendations for Applications with Intercarrier IF-Signals”. APPLICATION NOTE IC, www.micronas.com. | 
