В рубрику "Оборудование и технологии" | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций
Сегодня мы находимся на пути повсеместного перехода от аналогового представления звука к цифровому. Рано или поздно все активное звуковое оборудование станет цифровым, и такое понятие, как "аналоговый сигнал", уйдет в небытие. Однако в процессе этого перехода нам приходится сталкиваться со многими трудностями
Трудности, возникающие при переходе от аналогового представления звука к цифровому, вызваны многими причинами. Одна из них связана с тем, что к разнообразию стандартов, существующих в среде аналогового звука, сегодня добавляется не меньшее разнообразие стандартов цифрового представления звукового сигнала. И чем дальше, тем сложнее становится разбираться в хаосе применяемых в звуковой среде терминов и значений.
В России ситуация усугубляется еще и тем, что до сих пор не приняты нормы и стандарты, четко регламентирующие параметры и методы измерений цифровых звуковых сигналов. В выпущенных к настоящему времени документах нет ответов на многие вопросы, поэтому при эксплуатации цифровых звуковых систем используются в лучшем случае заводские настройки. Однако параметры настройки внутренних трактов звуковых систем от разных производителей могут существенно отличаться друг от друга.
Еще одна причина возникающих в переходный период трудностей связана с необходимостью совместного использования аналогового и цифрового оборудования. Учитывая, что до сих пор нет четких правил, регламентирующих параметры стыковки и согласования уровней, настройка звуковых систем осуществляется по принципу "кто во что горазд".
В рамках данной статьи сделана попытка рассмотреть существующие стандарты, относящиеся к определению уровней цифрового сигнала, и их различия, а также обобщить трактовку терминов и определений, используемых в среде цифрового представления звукового сигнала.
Стандарты
На сегодняшний день существует два основных стандарта цифрового представления звукового сигнала. Один из них был предложен European Broadcasting Union (EBU R68-2000), другой - Society of Motion Picture Television Engineers (SMPTE RP 155-1997).
Сравнивая эти стандарты, можно понять разницу между используемыми в телевещании цифровыми звуковыми системами.
Термины и определения
Для определения уровневых значений в цифровой звуковой среде применяются следующие основные термины.
Установочный уровень (Reference level, или Line-up level) - уровень, относительно которого определяется максимально допустимый уровень программного сигнала звуковой системы.
К установочному уровню"привязывается" абсолютное значение (в вольтах или dBu), которое в конечном итоге определяет характеристики цифровой шкалы звуковой системы. Синусоидальный сигнал с установочным уровнем частотой 1000 Гц используется за пределами России для регулировки и сверки диаграммы уровней звуковых трактов.
Максимально допустимый уровень (Permitted Maximum Level, или P.M.L.) - значение, определяющее максимально допустимый уровень программного сигнала звуковой системы.
Максимальный уровень квантования (Maximum possible coding level, или Clipping level) - уровень сигнала, при котором достигаются максимальные значения цифровых кодов при квантовании.
Запас по перегрузке (Headroom). Определение этого термина трактуется двояко: в одном случае он определяется как разность между максимальным уровнем квантования и установочным уровнем и называется теоретическим запасом по перегрузке (Theoretical headroom); его значение используется в основном при настройке звуковой системы. В другом случае значение термина определяется как разность между максимальным уровнем квантования и максимально допустимым уровнем сигнала и называется практическим запасом по перегрузке (Practical headroom); его значение используется на практике при работе с реальным звуковым сигналом. На рис. 1 показано относительно каких уровней определяются значения теоретического и практического запаса по перегрузке.
Измерительный уровень (Measurement level): сигнал с этим уровнем используется для долгосрочных измерений и измерений на всех частотах.
Все вышеперечисленные термины и их определения касались характеристик звуковой системы, следующий же относится к определению уровня звуковой программы (фонограммы).
Номинальный уровень программного сигнала или рабочий уровень (operating level) - уровень, около которого варьируются пиковые значения уровня звукового сигнала программы. Дополняя это определение необходимо отметить, что большую часть времени пиковые значения сигнала должны находиться ниже этого уровня и лишь иногда превышать его. Только в таком случае можно говорить о правильном определении номинального уровня программного сигнала.
Приборы для измерения уровня звука
Приборы, применяемые для измерения уровня звука, можно условно разделить на две основные группы, существенно отличающиеся друг от друга по динамическим характеристикам.
Большинство приборов этой группы работает в режиме измерения квазипиковых значений сигнала, поэтому правильнее их будет называть QPPM (quasi-peak programme meter).
QPPM-приборы имеют некоторую инертность "реагирования" на уровневые изменения сигнала, и при измерении они не отображают быстроизменяющиеся по времени вариации сигнала. Величина инертности нарастания сигнала определяется временем интеграции (это время, за которое показания прибора достигают 80% от фактического уровня поданного на прибор сигнала). Для QPPM-приборов эта величина обычно находится в пределах 5-10 мс.
Время сброса (скорость спада) показаний для большинства РРМ-приборов находится на уровне 12 дБ/с. Некоторые РРМ-приборы (прежде всего приборы, применяемые для измерения цифровых сигналов) можно настроить на режим измерения реальных пиковых значений программного сигнала ТРРМ (true-peak programme meter). В этом случае показания (при измерении реального программного сигнала) могут быть на 2-3 дБ больше, чем тогда, когда тот же прибор будет работать в режиме измерения квазипиковых значений.
Время интеграции данных приборов равно времени сброса показаний и составляет около 170 мс. С помощью приборов этого типа измеряют практически эффективные значения сигнала.
При измерении реального программного сигнала показания таких приборов могут быть на 12-14 дБ ниже реальных пиковых значений.
Заметим, что все примеры шкал, приведенные в этой статье, соответствуют шкалам приборов, настроенных в режиме измерения квазипиковых значений программного сигнала с временем интеграции 5 мс.
Значения
Определим конкретные значения для каждого уровня обоих стандартов.
Максимальный уровень квантования
Как в EBU, так и в SMPTE1 было принято, что О в шкале измерения уровня цифрового представления звукового сигнала (цифровая шкала) должен соответствовать максимально возможному уровню квантования. Для описания значений в цифровой шкале используется термин dBFS, тогда О dBFS является точкой отсчета, соответствующей максимально возможному уровню (full scale) в данной цифровой звуковой системе. Соответственно все измерения уровня звукового сигнала по цифровой шкале принимают отрицательные значения.
Установочный уровень
В рекомендации EBU определено, что уровень, который на 18 дБ ниже максимально возможного уровня кодирования (квантования) цифровой системы, соответствует установочному уровню. Таким образом, установочный уровень на цифровой шкале EBU определен как -18 dBFS.
Установочный уровень в стандарте SMPTE определен как уровень, который на 20 дБ ниже максимально возможного уровня кодирования цифровой системы - следовательно, он равен -20 dBFS.
Определим абсолютные значения, соответствующие этим установочным уровням.
Сигнал с частотой 1 кГц и уровнем 0 dBu в рекомендации EBU (ITU BS.645-2) определен как сигнал с установочным уровнем, поэтому в стандарте EBU к значению -18 dBFS "привязывается" значение 0 dBu (0,775 В). В стандарте SMPTE сигнал с установочным уровнем определен как сигнал с уровнем +4 dBu (1,228 В), поэтому к значению -20 dBFS "привязывается" значение +4 dBu (1.228 В). Максимально допустимый уровень Еще одно различие между этими двумя стандартами связано с определением максимально допустимого уровня программного сигнала звуковой системы. В рекомендации EBU определено, что синусоидальный сигнал с частотой 1 кГц, уровень которого на 9 дБ выше уровня установочного сигнала, соответствует максимально допустимому уровню программного сигнала, то есть + 9 dBu, (по цифровой шкале EBU, это соответствует значению -9 dBFS). В стандарте SMPTE это сигнал, который на 11 дБ выше уровня установочного сигнала, то есть +15 dBu (по цифровой шкале SMPTE это соответствует значению -9 dBFS).
Запас по перегрузке
Основываясь на определении, можно констатировать, что теоретический запас по перегрузке на цифровой шкале SMPTE имеет значение 20 дБ, а на цифровой шкале EBU - 18 дБ.
Практический же запас по перегрузке в обоих стандартах одинаков и составляет 9 дБ.
Номинальный уровень
Номинальный уровень не относится к характеристикам звуковой системы, поэтому определить для него конкретное значение довольно сложно: оно зависит от того, с какой целью в данный момент используется звуковая система. Например, при записи звуковой программы значение этого уровня выбирается оператором (звукорежиссером) в зависимости от конкретных условий записи и типа звуковой программы. Целесообразно, чтобы значение данного уровня не превышало значения максимально допустимого уровня программы звуковой системы и не находилось ниже установочного уровня. Это обусловлено тем, что в первом случае резко повышается вероятность того, что уровень сигнала записываемой программы может достичь значения максимального уровня квантования, а это приведет к искажению записываемого сигнала. Во втором случае будет неэффективно использоваться динамический диапазон звуковой системы, что повлечет за собой снижение показателя сигнал/шум. Иными словами, значение этого уровня выбирается в рамках компромисса между эффективным динамическим диапазоном и практическим запасом по перегрузке.
В случае если материал подготовлен для выдачи в эфир, значение этого уровня зависит от норм, предъявляемых к звуковому сопровождению программы (фонограмме), предназначенной для выдачи в эфир. К таким фонограммам предъявляются довольно жесткие требования (как по уровневым характеристикам, так и по динамическому диапазону), а значит, большого запаса по перегрузке не требуется. В этом случае целесообразно настроить звуковую систему таким образом, чтобы значение номинального уровня фонограммы было приближено (по возможности) к значению максимально допустимого уровня сигнала звуковой системы. Тогда можно будет говорить об эффективном использовании динамического диапазона звуковой системы.
Здесь стоит подчеркнуть, что значение данного уровня определяется при измерении реального программного сигнала, поэтому оно напрямую будет зависеть еще и от того, какой тип прибора использовался при проведении измерений.
Звук "рождается" и "умирает" в аналоге
Сложно сказать, чем руководствовались разработчики, определяя те или иные значения при выборе стандарта цифрового представления звукового сигнала. Скорее всего, они старались максимально приблизить характеристики цифровых шкал к характеристикам шкал, принятых для измерения аналоговых звуковых сигналов в том и другом стандартах. Это необходимо для обеспечения совместимости между аналоговыми и цифровыми шкалами.
Аналоговые и цифровые шкалы обоих цифровых стандартов относительно шкалы dBu представлены на рис. 1. В левой его части изображены шкалы для измерения уровня аналогового (в центре) и цифрового (справа) сигналов, используемых в звуковых системах, которые настроены для работы в стандарте SMPTE, а в правой части - шкалы для измерения уровня аналогового (в центре) и цифрового (слева) сигналов, используемых в звуковых системах, настроенных для работы в стандарте EBU. На границе зеленого и желтого цветов обозначено значение установочного уровня, а на границе желтого и красного цветов отмечено значение максимально допустимого уровня программного сигнала звуковой системы.
При сравнении значений основных уровней цифровых шкал, представленных на рис. 1, может показаться, что по уровневым характеристикам рассматриваемые цифровые звуковые системы различаются незначительно. (Значения основных уровней по цифровой шкале рассматриваемых звуковых систем приведены в табл. 1.). Однако звук "рождается" и "умирает" в аналоге, поэтому на начальном этапе и в конечном итоге приходится иметь дело с аналоговым представлением звука. Вот почему такое сравнение шкал, мягко говоря, некорректно, так как значения этих шкал и шкал вообще являются величинами относительными, а для корректного сравнения необходимо сравнивать абсолютные величины (в вольтах), соответствующие этим значениям. И вот здесь можно обнаружить гораздо более существенные различия.
В табл. 2 представлены значения основных уровней обоих стандартов в абсолютных единицах, полученные после цифроаналогового преобразования.
Оцифровка - это процесс, при котором определенным (в данном случае -уровневым) значениям аналогового сигнала присваивается соответствующий цифровой код.
Звуковая система, использующая аналогово-цифровое преобразование и работающая с диапазоном входного напряжения (например, от 0 до 6,16 В (EBU)) и с уровнем квантования 16 бит, для всего диапазона напряжений имеет 65 536 значений цифрового кода. Система, работающая с диапазоном входного напряжения от 0 до 12,28 В (SMPTE) с тем же уровнем квантования, что и предыдущая, имеет все те же 65 536 значений цифрового кода. Поэтому одному и тому же значению напряжения, поданного на вход обеих звуковых систем после аналого-цифрового преобразования, будут присвоены разные цифровые коды.
В табл. 3 приведены значения цифровых шкал и соответствующие им цифровые коды обеих звуковых систем при подаче на их входы напряжения 1,546 В (+6 dBu), а в табл. 4 - значения основных уровней в различных единицах измерения и соответствующие им цифровые коды обеих звуковых систем.
Предварительные выводы
Какой стандарт выбрать?
В России значение номинального уровня аналогового сигнала звукового сопровождения телевизионной программы, подготовленной к эфиру, определено как +6 dBu (1,546 В). Синусоидальный сигнал с этим же уровнем частотой 1000 Гц используется для регулировки и сверки диаграммы уровней звуковых трактов.
Если подать на аналоговый вход рассматриваемых звуковых систем сигнал программы с этим значением номинального уровня, то на цифровой шкале звуковой системы, настроенной по стандарту EBU, данному уровню будет соответствовать значение -12 dBFS, а на цифровой шкале SMPTE - -18 dBFS.
Из рис. 3 видно, что значение рассматриваемого номинального уровня входного сигнала на цифровой шкале EBU (-12 dBFS) более приближено к максимально допустимому уровню программного сигнала звуковой системы. В данном случае это является предпочтительным, поскольку позволяет более эффективно использовать динамический диапазон звуковой системы. Из этого следует, что применительно к российским реалиям предпочтительной будет настройка по стандарту EBU.
В ВГТРК приняли свой собственный стандарт настройки. За основу было решено взять настройку по стандарту EBU за исключением установки значения теоретического запаса по перегрузке 15 дБ. На цифровой шкале звуковой системы с таким вариантом настройки номинальному уровню +6 dBu будет соответствовать значение -9 dBFS.
Цифровая шкала звуковой системы, настроенной по стандарту ВГТРК, изображена на рис. 4. На границе желтого и красного цветов отмечен уровень, которого могут достигать реальные пиковые значения программного сигнала. Отсюда следует, что практический запас по перегрузке для этой звуковой системы будет равен 6 дБ.
Сверка звуковых трактов
В международной практике для согласования уровней цифровых звуковых трактов используется синусоидальный сигнал частотой 1000 Гц со значением установочного уровня (это относится как к материалу, записанному на цифровых носителях, так и к переданному по цифровым линиям связи). В соответствии с рекомендацией EBU, это значение равно -18 dBFS, а в соответствии с рекомендацией SMPTE - -20 dBFS. При этом надо четко понимать, что данному цифровому уровню соответствует определенное аналоговое значение, а также то, что он не является номинальным и уж тем более максимально допустимым уровнем программного сигнала.
В России (в отличие от всего мирового сообщества) для сверки и регулировки диаграммы уровней звуковых трактов используется все тот же синусоидальный сигнал частотой 1000 Гц, но уже номинального уровня (+6 dBu). А в связи с тем, что звуковое оборудование, используемое в нашей стране, настроено не по единому стандарту, значение этого уровня в цифровом представлении может быть различным. Так в звуковой системе, настроенной по стандарту EBU, оно будет равно -12 dBFS, в стандарте SMPTE - -18 dBFS, а в звуковой системе, настроенной по стандарту ВГТРК,--9 dBFS.
Все это существенно усложняет настройку звуковых трактов и, как следствие, увеличивает вероятность ошибки, которая может привести к тому, что уровень транслируемой программы будет или слишком низким, или слишком высоким. Поэтому во время сверки цифровых звуковых трактов будет не лишним использовать титр, в котором поясняется, значение какого уровня (максимального, номинального или установочного) транслируется для настройки звукового тракта.
Что дальше?
В некоторых компаниях уже пришли к пониманию того, что необходимость принятия единого стандарта настройки цифровых систем назрела. Это обусловлено не только внутрикорпоративными трудностями, вызванными неразберихой в звуковой среде, но и тем, что на международный рынок вещания выходит все больше и больше компаний, что в свою очередь вызывает необходимость придерживаться международных правил и норм, предъявляемых к звуковому сигналу. Однако выбор стандарта - дело достаточно ответственное, требующее всесторонне обдуманного подхода. Например, мнения по этому вопросу инженеров и звукорежиссеров могут разниться, что необходимо учитывать.
Принятие единого стандарта позволит:
В заключение хочется выразить надежду на то, что в России единый стандарт настройки цифровых систем рано или поздно будет принят.
Эксперт
Алексей Бузин
1В качестве примера конкретных значений, используемых для настройки звуковой системы по стандарту SMPTE, выбрана заводская настройка звукового тракта цифрового видеомагнитофона Sony IMX.
Опубликовано: Журнал "Broadcasting. Телевидение и радиовещание" #4, 2005
Посещений: 23732
Автор
| |||
В рубрику "Оборудование и технологии" | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций
