Форматы звуковых сигналов Форматы цифровых сигналов и организация стыков цифровых трактов

В цифровых устройствах ЗВ кроме кодовых слов, определяющих мгновенные значения отсчетов ЗС, в общем с ними цифровом потоке передаются различные служебные символы, команды управления, добавочные символы помехоустойчивого кодирования и т.д. Порядок следования символов в кодовом слове или кодовых слов различного назначения в цифровом потоке называют форматом или структурой кода.

Форматы кодов у звуковых устройств различного назначения существенно отличаются. У них не совпадают законы кодирования отсчетов, способы защиты от ошибок, число звуковых каналов в одном потоке, характер и объем информации управления, объем служебной информации. Например, в оборудовании студийных аппаратных применяют равномерное квантование отсчетов с числом разрядов не менее 16 (в пультах звукорежиссера и устройствах шумоподавления число разрядов на отсчет доходит до 24), дискретизацию с частотой 48 кГц. Избыточность, вводимая с целью обнаружения и исправления ошибок, достигает 33 %. Управляющие сигналы, осуществляющие перестройку системы обработки сигналов, и адресно-временной код источника программы передаются совместно с ЗВ. Суммарная скорость цифрового потока в ТФП особой роли не играет. В отличие от этого в ТПРП и ТВРП одним из наиболее важных параметров является требуемая для передачи ЗС скорость цифрового потока. Для ее сокращения частоту дискретизации принимают равной 32 кГц, используют дополнительную обработку студийных цифровых сигналов с целью сокращения статистической и психофизической избыточности (компандирование, полосное кодирование с учетом маскировки, преобразование с плавающей запятой и т.п.), значительно снижают объем служебной и дополнительной информации, ищут оптимальные по затратам пути для борьбы с ошибками.

В силу изложенного форматы кодов в ТФП, ТПРП и ТВРП оказываются разными. По этой причине весьма важной оказывается проблема стыка цифровых устройств с разными форматами кодов. Обеспечить соединение (стык) можно путем преобразования одного формата в другой в месте стыка или каждого из данных форматов в некоторый единый (общий) формат. Предпочтение отдано последнему способу, когда формат кода каждого устройства при необходимости стыка с аппаратурой другого формата преобразуется в единый стандартный формат. Устройства, реализующие эти стыки, называются интерфейсами (транскодерами). Интерфейсы стандартизованы. Наибольшее распространение получил интерфейс S/P-DIF, разработанный фирмами Сони и Филипс и изложенный в Рекомендации 647-1 МККР «Цифровой звуковой стык для радиовещательных студий» и в документе IEC 958. В соответствии с мировым стандартом ЗС двух цифровых каналов, сопровождаемые служебной информацией, мультиплексируются и пакетируются в общий цифровой поток в заданном формате, который передается со скоростью 3,072 Мбит/с (рис. 2.1). На приемном конце другого цифрового устройства он снова преобразуется в исходные цифровые сигналы и затем в формат, необходимый для дальнейшей передачи (консервации).

Рис. 2.1 — Соединение двух цифровых устройств:

ФКС — формирователь кода студии; ДКС — дешифратор кода студии

Рассмотрим особенности структуры данных в этом интерфейсе. Формат данных имеет периодическую структуру и состоит (рис. 2.2) из блоков, циклов (или фреймов) и подциклов (соответственно субфреймов). Блок состоит из 192 циклов, имеющих номера 0,1,...191. Каждый цикл (фрейм) разбит на два подцикла (субфрейма). Один подцикл (первый) несет информацию об одном отсчете ЗС левого канала, а также относящуюся к нему служебную информацию, а другой (второй) — аналогичную информацию, но относящуюся к правому каналу стереопары. В цикле могут передаваться два отдельных монофонических сигнала.

В начале блока и каждого подцикла передается специальная кодовая группа, называемая преамбулой. Преамбулы представляют собой определенные комбинации символов (0 и 1), обеспечивающие синхронизацию и опознавание блоков, циклов (фреймов) и подциклов (субфреймов). Для достижения синхронизации в пределах одного периода дискретизации, а также для того, чтобы сделать этот процесс абсолютно надежным, в преамбулах используется бифазный код «biphase-mark». Его применение исключает возможность имитации преамбул аудиоданными. Кроме того, они свободны от постоянной составляющей, легко обеспечивают восстановление тактовых импульсов. Преамбулы передаются в течение четырех временных интервалов, пронумерованных цифрами от 0 до 3. Используются преамбулы трех типов Z, X и Y. За четыре временных интервала передается восемь состояний:

Z: 11101000 или 00010111 (первый подцикл цикла 0 и начало блока);

X: 11100010 или 00011101 (первый подцикл циклов от 1-го до 191-го);

Y: 11100100 или 00011011 (второй подцикл каждого цикла).

Рис. 2.2 — Структура формата кода

(Рекомендация 647 МККР и документ IEC 958)

Преамбула каждого типа имеет две противоположные разновидности (рис. 2.3), поскольку первое ее состояние всегда отличается от состояния предыдущего бита, которым является бит четности (им заканчивается кодовое слово отсчета).

Рис. 2.3 — Преамбулы:

а — Z-типа; б — Х-типа; в — Y–типа

Тип преамбулы обозначает, следуют ли после нее аудиоданные левого или правого каналов. Блок всегда начинается с преамбулы типа Z, далее идут аудиоданные левого канала. Внутри блока каждый цикл, следующий после первого, начинается с преамбулы типа X, предваряющей аудиоданные левого канала. Аудиоданные правого канала всегда предваряются преамбулой типа Y. Начало преамбулы определяется символом бита четности, расположенным в самом конце субфрейма. Иначе говоря, в зависимости от того, заканчивается ли поток аудиоданных в субфрейме битами 0 или 1, применяется та или иная полярность в начале преамбулы одного типа.

Каждый подцикл разделен на 32 временных интервала, пронумерованных от 0-го до 31-го (см. рис. 2.2). Интервалы с 0-го по 3-й несут одну из преамбул. Временные интервалы 4 — 27 отведены для передачи разрядов кодового слова, т.е. несут информацию об отсчете ЗС. При этом старший разряд (старший бит — MSB) кодового слова располагается в 27-м интервале, а младший (LSB) — в 4-м, если код является 24-разрядным. Если же код 20-разрядный, то младший бит располагается в 8-м интервале. При 16-разрядном коде младший бит располагается уже в 12-м временном интервале подцикла. Незанятые интервалы (4 — 7 или 4 — 11) могут быть использованы для других применений (например, для передачи дополнительного служебного речевого сигнала, другой возможной дополнительной информации или заполнены логическими нулями).

После звуковых данных в следующих временных интервалах передаются:

в 28-м V: флаг достоверности отсчета (если передается логический 0, то слово отсчета достоверно, если 1 — то отсчет неверный);

в 29-м U: один бит служебной информации, вводимой по усмотрению пользователя;

в 30-м С: один бит состояния канала;

в 31-м Р: один бит четности для обнаружения ошибок в передаваемом кодовом слове отсчета, который выбирается так, чтобы в интервалах 4 — 31 было четное число единиц и нулей (применительно ко всему блоку).

Таким образом, в одном блоке за 192 цикла передаются по 192 бита состояния первого и второго каналов и по 192 бита информации пользователя. Информация о состоянии канала и информация пользователя передаются в последовательной форме за время передачи блока, причем повторяются в каждом блоке. Частота следования циклов равна частоте дискретизации сигнала.

Служебная информация о состоянии канала в каждом блоке разделена на 24 байта (1 байт равен 8 битам). Формат данных о состоянии канала представлен на рис. 2.4.

Байт 0:

бит 0 a=0  бытовое использование канала;

a=1  профессиональное использование канала;

бит 1 b=0  обычный звуковой режим;

b=1  незвуковой режим;

биты 2 — 4 с: — кодирование предыскажений сигнала:

0 0 0		без предыскажений, в приемнике коррекция вводится вручную;
1 0 0		без предыскажений, в приемнике коррекция невозможна;
1 1 0		предыскажения 20 мкс, без ручной коррекции;
1 1 1		предыскажения в соответствии с Рекомендацией J17 МККТТ (с введением ослабления 6,5 дБ на частоте 800 Гц), ручное отключение автоматического режима в приемнике блокируется;

Рис. 2.4 — Формат данных о состоянии канала:

а — использование блока состояния канала; b — режимы звук/без звука;

с — предыскажение звукового сигнала; d — синхронизация частоты дискретизации источника; е — частота дискретизации; f — режим работы;

g — управление битами пользователя; h — использование вспомогательных битов отсчета; i — длина слова источника и предыстория кодирования источника; j — описание дальнейших многоканальных функций

бит 5 d=0  частота дискретизации синхронизована с источником

d=1  частота дискретизации источника не синхронизируется

биты 6 и 7 е: — кодирование частоты дискретизации:

0 0		частота дискретизации не указывается (по умолчанию в приемнике принята равной 48 кГц);
0 1		равна 48 кГц, ручное отключение автоматики или автоматическая установка блокируются;
1 0		равна 44,1 кГц, ручное отключение автоматики или автоматическая установка блокируются;
1 1		частота дискретизации 32 кГц, ни ручное и автоматическое управление не допускаются;

Байт 1:

биты 0 — 3 f: — режим работы канала:

0 0 0 0		не указан, приемник по умолчанию устанавливается на двуканальный режим, допускается ручное отключение автоматики;
0 0 0 1		двуканальный режим, ручное отключение автоматики блокируется
0 0 1 0		одноканальный режим (монофонический), ручное отключение автоматики блокируется;
0 0 1 1		режим первичный/вторичный (канал 1 является первичным);
0 1 0 0		стереофонический режим с одновременными отсчетами в каналах 1 и 2, канал 1 — левый, ручное отключение автоматики блокируется;
0 1 0 1		стереофонический режим с чередующимися отсчетами, канал 1 — левый, дискретизация сигнала в левом канале производится раньше, чем правого сигнала, ручное отключение автоматики блокировано;
		остальные комбинации битов не определены;

биты 4 — 7 g: — коды управления битами пользователя, пока не определены.

Если установка состояния канала не осуществляется, тогда все данные блока состояния канала должны быть установлены в логический 0, а приемный интерфейс автоматически устанавливается на частоту дискретизации 48 кГц с использованием двухканального режима работы с 20-разрядными кодовыми словами отсчетов без предыскажений.

Байт 2:

биты 0 — 2 h: — использование дополнительных битов кодового слова отсчета:

0 0 0		использование дополнительных битов не определено, длина слова отсчета составляет 20 битов;
0 0 1		длина слова отсчета 24 бита;
		остальные сочетания символов не определены;

биты 3 — 7 g: — кодовое слово источника и предыстории его кодирования, зарезервированы, но пока не определены;

Байт 3:

биты 0 — 7 j: — функционирование многоканальной системы, зарезервированы и пока не определены.

Назначение информации, передаваемой в остальных байтах, отображено на рис. 2.4 и не требует дополнительных пояснений.

Итак, сигнал стыка содержит все сведения о цифровом ЗС и служебную информацию, необходимую для перекодирования из одного формата в другой. Преобразование кода из одного формата в другой происходит в интерфейсе автоматически. В большинстве вновь разрабатываемых устройств — цифровых магнитофонах, лазерных проигрывателях, средствах цифровой обработки ЗС — предусмотрены входы и выходы, позволяющие включать их в звуковой тракт в соответствии с требованиями описанного стандарта.