4. СТЕРЕОФОНИЧЕСКОЕ РАДИОВЕЩАНИЕ

 

При стереофоническом радиовещании с помощью одного несущего ко­лебания необходимо передать информацию о двух каналах: левом А и правом В.

К системе стереофонического вещания предъявляется требование совместимости с монофонической системой. Слушатель на обычный MB—ЧМ приемник должен принимать стереофоническую передачу как полноценную монофоническую. Наряду с этим, система стереофонического радиовещания должна быть экономически эффективной, т. е. рассчитанной на максимальное использование существующей сети MB—ЧМ передатчиков. Чтобы удовлетворить требованию совместимости, используется метод суммарно-разностного преобразования сигналов. В полосе звуковых частот передается сумма сигналов (А + В), а в диапазоне сверхзвуковых частот (надтональные частоты) — информация о разностном, сигнале (А — В). Надтональные частоты образуются при модуляции поднесущей. Сигналом стереофонической передачи модулируют несущую MB—ЧМ передатчика (рис. 77, а). Монофонический MB—ЧМ приемник воспроизводит низкочастотную часть спектра сигнала (А + В), являющегося полноценным монофоническим сигналом. В стереофоническом приемнике после частотного детектора ЧД тональная (звуковые частоты) и надтональная части спектра стереофонического сигнала разделяются с помощью фильтра низких частот ФНЧ и полосового фильтра ПФ. На выходе ФНЧ выделяется сигнал (А + В), а на выходе ПФ после детектирования — сигнал (А — В).

В блоке суммарно-разностного преобразования СРП происходит разделение стереофонических сигналов А и В: (А + В) + (А — В) = 2А; (А + В) — (А — В) = 2В.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Спектр радиосигнала стереофонической передачи с использованием поднесущей показан на рис. 77, б.

Недостаток метода — высокие требования к идентичности частотных и фазовых характеристик трактов суммарного и разностного сигналов, Если частотная и фазовая характеристики отличаются, то каналы в блоке СРП плотностью не разделяются и появляются фазовые искажения в стереоканалах А и В. На рис. 78 показан график переходного затухания, onpeделяемого неидентичностью частотных и фазовых характеристик. По оси абсцисс отложено значение коэффициента передачи тракта разностного сигнала b (коэффициент передачи тракта суммарного сигнала принят равным 1), по оси ординат — сдвиг фаз в тракте разностного сигнала. Для получения переходного затухания 25 дБ, что считается достаточным для организации высококачественной стереозвукопередачи, при различии коэффициентов передачи трактов суммарного и разностного сигналов (неидентичности частотных характеристик) всего на 8% (b = 1,08) необходимо, чтобы расхождение фазовых характеристик не превышало 4,5°. Получение столь малых допусков — сложная техническая задача.

Систему стереофонического радиовещания с использованием поднесущей и метода суммарно-разностного преобразования сигналов можно построить при различных способах модуляции поднесущей сигналом (А — В): AM, ЧМ, ОМ. В настоящее время широко применяют две системы стереофонического радиовещания: с полярной модуляцией, разработанную в СССР Л. М. Кононовичем, и систему «Зенит-Дженерал .электрик» (США). Полярно-модулированное колебание (ПМК) представляет собой сложное колебание, в котором огибающая положительных амплитуд изменяется в соответствии с сигналом А (в левом стереоканале), а огибающая отрицательных амплитуд — в соответствии с сигналом В (в правом стереоканале) (рис. 79, а). Спектр ПМК состоит из низкочастотной части, определяемой суммарным сигналом М = А + В, и надтональной части, представляющей собой спектр амплитудно-модулированной разностным сигналом S = А — В поднесущей. Спектр ПМК показан на рис. 79, б

Уравнение полярно-модулированного колебания

u=U_A sin Ω_At+U_BsinΩ_Bt+(U₀+U_Asin U_BsinΩ_Bt) sin ω_nt                                 (7.20)

где ω_n—частота поднесущей.

Правая часть выражения (7.20) U_A sin Ω_At+U_BsinΩ_Bt = u_A+B является суммарным сигналом каналов А и В, передаваемым в полосе звуковых частот. Вторая часть (U₀+U_Asin U_BsinΩ_Bt) sin ω_nt =u_A-B — сигналом AM поднесущей, передаваемым в области надтональных частот. Нетрудно убедиться, что выражение (7.20) определяет ПМК. Приняв sin ω_nt = 1, определим из выражения (7.20) верхнюю огибающую ПМК

u_t = U₀ + 2U_A sin Ω_At,

при sin ω_nt = —1 определим нижнюю огибающую

u_t = -U₀ + 2U_В sin Ω_Вt.

Выражение (7.20) перепишем в другом виде

u=(u_A+u_B)+(u_A-u_B) sin ω_nt                                        (7.21)

где    u_А = U₀ (1 + М_A sin Ω_At);    u_в = — U₀ (1 — М_в sin Ω_Bt);     M_A = 2U_A/U₀  М_в = 2U_B/U₀.

В отечественной системе стереофонического радиовещания используется поднесущая с частотой f_n = 31 250 Гц, являющаяся второй гармоникой частоты строчной развертки телевизионного изображения. Звуковые частоты передаются в полосе 30—15 000 Гц. Максимальная полоса частот, занимаемая спектром ПМК, равна 30—46 250 Гц. Максимальный коэффициент амплитудной модуляции поднесущей М_А = М_в = 0,8. Максимальная девиация частоты несущей передатчика при передаче ПМК равна (Δf)_m = ±50 кГц, т. е. такая же как в системе МВ—ЧМ вещания. Максимальная девиация частоты от суммарного и разностного сигналов одинакова.

При частотной модуляции несущей радиопередатчика необходимо, чтобы максимальная амплитуда ПМК не превышала соответствующего значения монофонического сигнала. Из выражения (7.21) можно определить,

какую часть в MB—ЧМ радиосигнале при максимально допустимом значении коэффициента модуляции поднесущей М_А = М_в = 0,8 занимает суммарный (или разностный) сигнал

Таким образом, большая часть девиации несущей (55,5%) приходится на передачу поднесущей, на долю полезного (суммарного или разностного) сигнала приходится всего 44,5% девиации несущей передатчика. Это вызывает снижение уровня громкости передачи при приеме на обычный ЧМ приемник на 7 дБ, что является нарушением принципа совместимости. Для того чтобы девиация несущей и, следовательно, мощность передатчика использовались с большей пользой, амплитуду поднесущей в спектре ПМК подавляют в пять раз (на 14 дБ). В стереофоническом приемнике уровень поднесущей восстанавливается.

 

 

При таком частичном подавлении поднесущей на долю полезного сигнала приходится большая часть девиации несущей

Потеря девиации на передачу поднесущей снизилась таким образом до 20% и равна 10 кГц. Это снижает уровень полезного сигнала при моноприеме стереофонической передачи на 2 дБ, что допустимо. Спектр ПМК с частично подавленной амплитудой поднесущей называется комплексным стереосигналом (КСС).

Подавить поднесущую можно в схеме, показанной на рис. 80, а. Колебательный контур настроен на частоту поднесущей f_п. В приемнике (рис. 80, б) уровень несущей восстанавливается. Для неискаженного стереофонического приема радиопередачи необходимо, чтобы добротность контуров и отношение резонансного сопротивления контура к включенному посдедовательно с ним активному сопротивлению на передающей и на приемной сторонах были одинаковы (для системы радиовещания добротность контура, Q = 100).

Для детектирования ПМК можно использовать простую схему детектирования  по огибающей (рис. 81). Диод Д1 выделяет огибающую положительных полупериодов (канала А), Д2 — огибающую отрицательных полупериодов (канала В).

Несмотря на внешнее сходство, процесс детектирования ПМК имеет следующие отличия от обычного детектирования AM колебаний: 1) полярномодулированная поднесущая имеет частоту, по величине незначительно отличающуюся от верхних модулирующих частот; 2) угол отсечки при и = 0 является переменными при детектировании сигнала одного канала (например, А) зависит от мгновенного значения модулирующего сигнала в другом канале.

Вследствие этих особенностей метод детектирования по огибающей обладает повышенной нелинейностью в области высоких частот. Хотя этот недостаток детектирования по огибающей мало заметен, в высококачественных стереофонических приемниках предпочитают применять другой метод - детектирование с разделением спектра (см. рис. 77).

При детектировании ПМК с разделением спектра, как в системе с суммарно-разностным методом передачи стереофонического сигнала предъявляются жесткие требования к идентичности частотных и фазовых характеристик трактов суммарного и разностного сигналов.

Система стереофонического радиовещания согласно ГОСТ 18633—73 имеет следующие основные параметры:

Частота поднесущей                                                       (31 250 ± 2) Гц

Максимальная глубина модуляции в ПМК                             80%

Коэффициент подавления амплитуды колебания

с частотой поднесущей частотно-зависимой цепью  (14 ± 0,2) дБ

Коэффициент подавления амплитуды колебаний с

частотами 31 050 и 31 450 Гц                                                   (10 ± 0,2) дБ

Максимальная девиация частоты MB передатчика                ± 50 кГц

Максимальная девиация частоты, вызываемая

сигналом М = А - В, кГц:

при А = В.........................................                    ± 40

при А = 0 или В = 0                                                        ± 20

при А = -В........................................                    0 ± 1

Максимальная девиация частоты, вызываемая

сигналом М = А — В, кГц

при А = В.........................................                    0 ± 1

при А = 0 или В = 0                                            ± 20

при А = —В                                                                     ± 40

Максимальная девиация частоты, вызываемая

остатком частично подавленной несущей                              ± (10 ±  1) кГц

Модуляция ЧМ передатчика должна осуществляться так, чтобы положительным напряжениям КСС соответствовало увеличение частоты излучения, а отрицательным — ее уменьшение. При определении полосы частот радиоканала рекомендуется ориентироваться на случай когда суммарный и разностный сигналы равны А + В = А — В (т. е. В = 0), а частота модулирующего сигнала 10 кГц. Комплексный стереосигнал в этом случае содержит четыре составляющих (рис. 82, a): F₁ = 10 кГц, F₂ = 21,25 кГц, F₃ = 31,25 кГц, F₄ = 41,25 кГц. При модуляции несущей передатчика этим частотам соответствуют девиации (Δf)₁ = 20 кГц, (Δf)₂ = (Δf)₃ = (Δf)₄ = 10 кГц. Индексы модуляции, соответствующие составляющим спектра ПМК: т₁ = 2, m₂ = 0,47; m₃ = 0,32; m₄ = 0,24.

Полосу частот, занимающую ЧМ радиосигналами при одновременной модуляцией несколькими частотами, рассчитывают из условия заключения внутри полосы 99 или 99,9% мощности ЧМ колебания.

 

 

Общая мощность ЧМ колебания равна сумме мощностей всех спектральных составляющих. При U_о²/2 = 1 (см. 7.9)

                                                           (7.22)

где r – количество модулирующих частот; m_i - индекс частотной модуляции, соответствующей данной модулирующей частоте.

Для частного случая г = 1 эта формула уже применялась для расчета полосы частот при монофонической передаче. Для модулирующего сигнала со спектром, состоящим из четырех составляющих, формула (7.22) примет следующий вид:

                                                    (7.23)

Рассчитав по формуле (7.23) полосу частот ЧМ радиосигнала, получим при Р = 0,99 Δf = 120 кГц. Если при расчете принять Р = 0,999, то значение полосы увеличится до 165 кГц [56]. Для определения вероятного спектра ЧМ радиосигнала при модуляции несущей реальным вещательным сигналом необходимо учитывать следующие условия: 1) вероятные уровни суммарного (М) и разностного (S) сигналов примерно одинаковы; 2) диапазон звуковых частот в каналах А и В ограничен верхней частотой F_в == 10 кГц;. 3) мгновенные значения сигнала М и поднесущей, модулированной сигналом S, независимы; 4) остаток частично подавленной несущей в расчете не учитывается.

С учетом сделанных допущений упрощенный вероятный спектр модулирующего стереосигнала будет иметь вид, показанный на рис. 82. Этот спектр можно рассматривать как сумму двух независимых спектров сигнала М и боковых полос спектра поднесущей, модулированной сигналом S, Эффективная девиация частоты каждого из модулирующих сигналов

(Δf)_Мэф = 20 кГц; (Δf)_Sэф=10кГц.

Девиация в канале S вдвое меньше, чем в канале М, так как она делится между двумя боковыми полосами.

Выражение для энергетического спектра имеет вид

                                                   (7.24)

где

F_H = 30 Гц;  f _B = 10 кГц;

F_S1 = 21,25 кГц, F_S2 = 41,25 кГц.                     ^

Полоса частот, в которой заключено 99% мощности ЧМ радиосигнала, г равна Δf = 125 кГц.

График вероятных энергетических спектров [W = F(f)] при модуляции гармоническим колебанием звуковой частоты изображен на рис. 83. Ширина спектра при передаче стереофонических программ (кривая 1) больше, чем при передаче монофонических (кривая 2) на 10—15%. При стереофоническом вещании несущая модулируется КСС с полосой частот 30—46 250 Гц. При этом к частотной и фазовой характеристикам тракта модулятора и передатчика во избежание появления переходных и нелинейных искажений предъявляются повышенные требования.

Используются два способа ЧМ модуляции несущей: модуляция общим спектром ПМК и последовательная модуляция несущей разными частями спектра. На рис. 84 показана структурная схема приемно-передающего тракта стереофонического вещания при модуляции несущей общим спектром ПМК. Сигналы каналов А и В, пройдя через цепи предыскажений ЦП (т = 50 мкс), поступают на полярный модулятор ПМ, с выхода которого полный спектр ПМК подается к возбудителю В ЧМ передатчика Тракт стереофонического приемника от антенного входа УВЧ до выхода частотного детектора ЧД идентичен тракту монофонического MB—ЧМ приемника. Затем следуют звенья, характерные только для стереофонического приемника: схема восстановления уровня поднесущей ВУП, полярный детектор ПД, цепь компенсации предыскажений ЦКП. Параметры усилителей низкой частоты и громкоговорителей, образующих низкочастотные каналы А и В, такие же, как и в монофоническом приемнике.

Способ модуляции несущей общим спектром ПМК является наиболее простым. Однако для его реализации необходим широкополосный возбудитель с высокими качественными показателями.

 

 

 

Модуляция разделенным спектром ПМК проводится путем последовательной модуляции несущей передатчика низкочастотным сигналом (А ++ В), а затем поднесущей,

 

 

модулированной по амплитуде сигналом (А — В). Для этого в модуляторе 1 (рис. 85) КСС разделяется на тональную (u_A + u_B) и надтональную (u_A —u_B)sin ω_nt части. Тональная часть спектра непосредственно модулирует несущую в возбудителе передатчика 2. Надтональная часть подается на вторичный модулятор 3, следующий за возбудителем. Несущая модулированная КСС направляется к усилителю мощности 4. Преимущество второго способа —-возможность использования обычного монофонического возбудителя, недостатки — необходимость применения специального вторичного модулятора и введения в тракт надтональной части КСС уравнивающей временной задержки. В настоящее время на действующих MB—ЧМ радиостанциях для стереофонического радиовещания применяют как один, так и второй способы модуляции.

 

 

Стойка модулятора стереосигнала «Веста» служит для модуляции несущей MB—ЧМ передатчика разделенным спектром ПМК. Структурная схема модулятора стереосигнала показана на рис. 86, а. Сигналы каналов А к В подаются на входы усилителей У1 и У2 с подключенными цепями предыскажений (т = 50 мкс), а затем поступают на суммарно-разностные преобразователь СРП. На выходе СРП образуются суммарный М = А + В и разностный S = А — В сигналы стереоканалов. Далее сигналы М и S направляются ко входам двух функционально разных каналов.

В первом (верхнем) канале осуществляются амплитудная модулям поднесущей сигналом S и подавление амплитуды поднесущей на 14 дБ, компенсация временной задержки части КСС, образующейся при прохождении сигнала от возбудителя до вторичного модулятора, коррекция нелинейности фазочастотной характеристики тракта. Второй канал, состоящий из фильтра нижних частот ФНЧ1 с полосой пропускания 0—15 кГц и усилителя У4, служит для подавления паразитных надтональных составляющих и усиления суммарного сигнала (А + В). После усиления этот сигнал с выхода стойки поступает на возбудитель ЧМ передатчика.

 

 

Сигнал S подается на регулируемую линию задержки ЛЗ (0—28 мкс) и фазовый корректор ФК, представляющий собой регулируемую трехзвенную дифференциальную цепь. С помощью этих устройств корректируются время задержки и фазовая характеристика всего тракта совместно с передатчиком. Затем в балансном модуляторе Ml происходит перемножение сигнала S и поднесущей с частотой f_t = 156,25 кГц, образующейся на выходе полосового фильтра ПФ1. В результате перемножения образуется сигнал, имеющий спектр, состоящий из двух полос (кГц),

[156,25 - (F_н     F_в)]  и [156,25 + (F_н    F_в)].

Переход от балансной модуляции к амплитудной осуществляется замешиванием к полученному спектру колебания частоты 156,25 кГц в требуемой фазе. Модуляция по амплитуде не поднесущей f_п = 31,25 кГц, а ее пятой гармоники f₁ = 156,25 кГц применяется для фильтрации сигнала без внесения фазовых искажений. Для подавления паразитных составляющих модулированный сигнал фильтруется полосовым фильтром ПФЗ, имеющим полосу прозрачности 106—206 кГц и линейную фазовую характеристику в пределах 156,25±15 кГц. Далее AM колебание перемножается в балансном модуляторе М2 с шестой гармоникой поднесущей f₂ = 187,25 кГц, образующейся на выходе полосового фильтра ПФ2.

Из полученного спектра с помощью фильтра низких частот ФНЧ2 отделяется нижняя боковая  полоса (кГц):

187,5 - [156,25 ± (F_н ... F_в)] = [31,25 ± (F_н ... F_в)].

В модуляторе М2 производится перенос спектра AM колебания поднесущей. в область частот 16,25—46,25 кГц. После прохождения через схему частичного подавления амплитуды поднесущей (на 14 дБ) и усиления в усилителе УЗ надтональная часть КСС направляется на вход вторичного модулятора.

Стойка модулятора АРС-1 используется для модуляции несущей MB—ЧМ передатчика общим спектром ПМК. Она служит для формирования и контроля стереофонических сигналов и предназначена для работы совместно с MB—ЧМ радиостанцией, в составе которой имеется широкополосный возбудитель. Стойку можно использовать для стереофонического звукового сопровождения телевидения. В этом случае частота поднесущей синхронизируется с частотой строчной развертки синхрогенератора телецентра.

Модулятор стереофонического сигнала, входящий в состав АРС-1, предназначен для формирования КСС. Его структурная схема изображена на рис. 86, б. Стереосигналы каналов А к В, пройдя входные регуляторы уровня P1 и Р2 и согласующие усилители СУ1 и СУ2,

 

подаются на входы электронного коммутатора Ж. Электронный коммутатор в такт с поднесущей частотой, поступающей от генератора поднесущей частоты ГПЧ, переключает поступающие стереосигналы. На выходе ЭК образуется полярно-модулированное колебание с полностью подавленной поднесущей, При сложении этого сигнала в сумматоре с немодулированной поднесущей поднесущая в ПМК восстанавливается полностью. Для правильной установки фазы поднесущей применяется регулируемый фазовращатель ФВ. Образованное ПМК колебание усиливается усилителем УЗ и подается на схему частичного подавления поднесущей СПП. С выхода усилителя У4 сформированный КСС направляется ко входу широкополосного возбудителя. Предусмотрена работа электронного коммутатора от сигнала синхрогенератора телецентра. В этом случае синхросигнал с частотой повторения импульсов 15 625 Гц через полосовой фильтр ПФ, настроенный на вторую гармонику 31 250 Гц поступает на ГПЧ, который переключается на режим аппаратура «Веста» и стойки АРС-1 приведены в табл. 11.

 

 

 

 

В системе «Зенит-Дженерал электрик» или системе с пилот-сигналом тоже используются полярно-модулированные колебания, однако поднесущая в этой системе подавляется полностью. Для ее восстановления в месте приема в спектре ПМК передается вспомогательный сигнал с частотой, в два раза меньше частоты поднесущей. Частота поднесущей в этой системе выбрана 38 кГц, частота пилот-сигнала 19 кГц. Спектр ПМК показан на рис. 87. Девиация частоты несущей, приходящейся на передачу пилот-сигнала, составляет 10% от максимальной. На разностный и суммарный сигнал приходятся 90% от максимальной девиации частоты. Это приводит к уменьшению громкости при приеме на монофонический MB—ЧМ приемки всего на 1 дБ. Полоса частот радиосигнала при модуляции гармоническим колебанием и энергией в полосе, равной 99,9%, больше на 15% чем в стереофонической системе с полярной модуляцией (190 кГц вместо 165 в отечественной системе).

В системе с пилот-сигналом устройства разделения стереофонических сигналов более сложные из-за наличия системы синхронизации под несущей частоты.

 

 

 

Действие шума при стереофоническом приеме оказывается более сильным, чем при монофоническом. При стереоприеме область частот, опасная для воздействия шума, много шире (рис. 88). Участки 1 и II те же, что и при монофоническом приеме, участки  III и IV лежат в области надтональных частот КСС. Поскольку эти участки расположены далеко от несущей, действие помех возрастает (см. рис. 67).

Ухудшение шумовых свойств стереоприема по сравнению с монофоническим можно определить по формуле

                               (7.25)

Подставив параметры системы стереофонического вещания с полярной модуляцией, получим, что ухудшение отношения сигнал/шум составляет 24,7 дБ. На практике такое ухудшение наблюдается при слабых сигналах.

Ухудшение шумовых свойств стереоприема по сравнению с моноприемом при входном сигнале 100 мкВ составляет в среднем 15 дБ. При увеличении величины входного сигнала эта величина уменьшается. С учетом псофометрической кривой, отражающей частотную характеристику человеческого уха, ухудшение сигнал/шум равно 30,2 дБ, т. е. на 5,5 дБ больше чем без учета общей кривой.

При стереоприеме не только увеличивается шум по сравнению с моноприемом, но изменяется существенно и спектральный состав шумов. На рис. 89 показаны энергетические спектры шумов при моно- и стереоприеме. Характеристики шумов совершенно различны. Спектр шума при стереоприеме более равномерный и низкочастотный. Поэтому, если при обычном ЧМ приеме, ограничивая сверху полосу звуковых частот, можно улучшить отношение сигнал/шум, то при стереоприеме такое ограничение спектра звуковых частот значительно слабее влияет на общий уровень шумов.