Стереомикрофоны и микрофоны для систем Surround Sound

Часть 1

И.А. Алдошина

Рис. 1. Общая структура микрофонной системы AB Рис. 2. Конструкция стереосистемы AB

Современная аудиотехника активно развивается в настоящее время в направлении создания, внедрения и совершенствования различных пространственных систем звукозаписи, передачи и воспроизведения (Dolby-Surround, Binaural, Ambiophonic, Wave Field и др. – подробнее см. «Шоу-Мастер», 2003, N№2-3; 2004, N№4). Соответственно для обеспечения многоканальной записи разрабатываются специальные микрофонные системы, особенно много новых и достаточно сложных систем появилось за последние годы (на каждом конгрессе AES, включая и последний 118 в Барселоне, этой проблеме всегда посвящается достаточно много докладов).
Впервые идея использовать систему из двух микрофонов для записи стереосигналов была предложена в 1931 г. Блюмляйном (это была совмещенная система из двух направленных микрофонов) и реализована в производстве в 1950 г. фирмой Neumann. С этого момента было создано большое количество различных микрофонных систем для стереофонии, основные принципы которых используются и сейчас при создании микрофонов для Surround Sound.
Поэтому в начале данной статьи будут рассмотрены стереомикрофоны, затем – микрофоны для современных пространственных систем.
Большинство выпускаемых в настоящее время микрофонных стереосистем можно разделить на следующие группы:
– раздельные стереосистемы – (АВ, DIN stereo ,NOS stereo, ORTF stereo, Baffled stereo);
– совмещенные стереосистемы – ( XY stereo, MS-stereo, Blumlein stereo);
– «верхние» стереосистемы – (Overhead microphones);
– типа «искусственная голова» – (Head related stereo, Sphere stereo, Stereo 180);
– бинауральные стереосистемы (Binaural stereo).

Раздельные
микрофонные стереосистемы
– АВ-система: при записи по такой системе по фронту перед исполнителями устанавливаются два (или несколько включенных на один канал) одинаковых по чувствительности и направленности микрофона на некотором расстоянии друг от друга, так чтобы каждый канал мог работать на свою зону.

Рис. 3. Связь угла охвата с рас- стояниями между микрофонами для системы AB

Акустические оси микрофонов могут быть параллельными или развернутыми, а микрофоны – как ненаправленными, так и направленными (например, две кардиоиды или две восьмерки). Общая схема записи показана на рис.1; пример промышленной реализации – на рис.2. Поскольку основное влияние на локализацию при такой записи оказывает сдвиг по времени между различными источниками, то систему называют «временной стереофонией», хотя если применять направленные микрофоны, то можно получить и разность по интенсивности, что сделает локализацию более отчетливой. Однако, как показали экспериментальные исследования системы АВ, она обладает определенным недостатком: при перемещении реального источника звука (например, солиста) соответствующее перемещение мнимого источника во вторичном помещении наблюдается в достаточно узкой зоне. Результаты измерений показывают, что для расширения этой зоны надо уменьшить отношение Y/L, где Y – расстояние от источника до линии установки микрофонов, L – расстояние между микрофонами.

Рис. 4. Микрофонаая система ORTF Рис. 5. Микрофонные системы: а — DIN stereo; b — NOS stereo Рис. 6. Системы с диском Jecklin

Однако возможности таких изменений ограничены, так как микрофоны нельзя сдвигать слишком близко (для сохранения стереоэффекта), а приближение микрофонов к солистам увеличивает искажения по глубине и приводит у направленных микрофонов к подъему низких частот. Изменение угла охвата при записи с изменением расстояния между микрофонами показано на рис.3. Как видно из этих данных, с уменьшением расстояния между микрофонами угол охвата расширяется, однако при приближении микрофонов на расстояние меньше 40 см стереоэффект практически исчезает. Стереосистемы АВ используются в основном для передачи ощущения пространства (за счет «схватывания» натуральных реверберационных процессов в помещении), например при записи органа. Для точной локализации отдельных источников внутри ансамбля система АВ менее полезна. Обычно она используется с дополнительными центральными или совмещенными микрофонами.
– The ORTF stereo technique (французское радиовещание) использует два кардиоидных микрофона, разнесенных на 17,5 см под углом 1100 между капсюлями (рис.4). Размещение микрофонов соответствует расстоянию между ушами, а угол моделирует теневой эффект человеческой головы. Поскольку здесь используется как различие между сигналами по времени, так и по интенсивности, эта техника создает достаточно четкий стереообраз, хорошую локализацию источников, обеспечивает угол охвата 950 и поэтому широко используется на практике.
– DIN stereo (немецкое радиовещание) является разновидностью системы АВ. Стереообраз создают два кардиоидных микрофона, размещенных под углом 900 на расстоянии 20 см. Система также создает временной и интенсивностно-разностный стереосигнал, обеспечивает угол охвата порядка 1100, полезна для записи на близких расстояниях (рис. 5 а).
– NOS stereo (датское радиовещание) использует два кардиоидных микрофона, размещенных под углом 900 на расстоянии 30 см друг от друга (рис. 5 б). Стереообраз также создается с помощью комбинации интенсивностной и временной стереофонии. Эта техника используется в основном на близких расстояниях для записи малых ансамблей (угол охвата менее 800).
– Baffle stereo – это разнесенная микрофонная стереотехника, использующая акустический поглощающий экран, который размещается между двумя микрофонами в разнесенных стереосистемах, например типа ORTF stereo. Поглощающий эффект экрана оказывает положительное влияние на затухание звука от источников вне оси и улучшает разделимость между каналами. Одна из широко известных экранированных стереосистем Jecklin Disc (по имени ее изобретателя Jоrg Jecklin) использует два ненаправленных микрофона, размещенных на расстоянии 17,5 см, и специальный акустически обработанный диск диаметром 36 см, размещенный между ними (рис.6). Реальные преимущества такой системы проявляются при ее установке на относительно большом расстоянии от источника, где имеется баланс между прямыми и отраженными сигналами в поме-
щении.
Попытки найти оптимальные соотношения между расстояниями и углами установки микрофонов продолжаются все время. Обобщая полученные результаты таких работ, M.Вильямс построил полезную номограмму (рис.7), позволяющую установить связь между
расстоянием и углом между микрофонами и эффективным углом охвата источников при записи (параметр кривых).

Рис. 7. Номограммы М.Вильямса

Совмещенные
микрофонные стереосистемы
Эта техника стереозаписи предполагает использование двух направленных микрофонов, расположенных в одной точке. Ширина стереообраза зависит от формы характеристик направленности микрофонов и способа их установки. Наиболее известные системы XY stereo, MS stereo и Blumlein stereo.

– XY stereo – в этой системе используются два направленных микрофона (две кардиоиды или две суперкардиоиды), установленных на одной оси, у которых акустические оси повернуты и образуют некоторый угол (чаще всего 90 – 1200, хотя они могут меняться и в пределах 0 – 1800). Пример такой конструкции показан на рис.8. Поскольку оба микрофона находятся в одном месте, различия во времени прихода сигналов практически отсутствуют. Стереофонический эффект возникает здесь за счет разностей интенсивностей сигналов от источника (так называемая «интенсивностная» стереофония). Система ХY дает правильное соответствие мнимого и реального источника, если он находится в определенных угловых пределах. Связь между углом разворота микрофонов (стереоуглом) и углом охвата при записи показана на рис.9 для кардиоидных и суперкардиоидных микрофонов. Благодаря отсутствию в сигналах левого и правого каналов временных сдвигов, система ХY обладает хорошей совместимостью с монофонической системой. Однако при использовании этой системы также возникают искажения пространственной панорамы (особенно в глубину).

Рис.9. Связь между углом охвата и углом разворота микрофонов Рис.10. Микрофонная система MS Рис.11. Регулировка зоны охвата в системе MS Рис.12. Система Deca Tree

В этой системе должны выполняться жесткие требования к остроте характеристики направленности микрофонов (иначе не удается получить разности по интенсивности), кроме того у направленных микрофонов проявляется «эффект близости» при приближении к источнику.
– МS stereo: также содержит два совмещенных микрофона в одном месте, но с различающимися характеристиками направленности, сигналы которых подвергаются суммарно-разностному преобразованию. Обычно используются два совмещенных микрофона с характеристиками направленности круг/восьмерка или кардиоида/восьмерка (рис.10). Название системы образовано первыми буквами MS, где Mittel – середина, Seite – сторона. Напряжение на выходе микрофона М будет неизменным при любом положении источника, а напряжение с микрофона S определяется формой его характеристики направленности (восьмерки): при положении источника слева или справа оно будет максимальным, при положении в центре – равно нулю. Поэтому при расположении источника под углом 900 выходное напряжение будет равно сумме напряжений с микрофонов М и S, при положении источника под углом 00 – только напряжению с М-микрофона, а при положении – 900 оно равно разности напряжений с микрофонов М и S. В результате суммарно-разностного преобразования формируются сигналы в двух каналах передачи. Система MS требует введения в схему дополнительных узлов: суммарно-разностных преобразователей, стереорегуляторов направления и базы, но она имеет и ряд преимуществ перед системой ХY, так как позволяет легко регулировать как общую ширину базы, так и ширину отдельных участков, занятых группами исполнителей. Пример такой регулировки за счет изменения формы характеристики направленности М-микрофона показан на рис.11. МS-техника обеспечивает точную локализацию источников внутри ансамбля и очень полезна для записи движущихся источников звука.
– Blumlein stereo – совмещенная стереотехника (разновидность MS-стереофонии), использующая два микрофона с характеристикой направленности типа «восьмерки», установленных в той же самой точке под углом 900, полученный при этом угол охвата показан на рис.11.

Overhead-стерео
(микрофоны над головой)
Размещая микрофон выше музыкальных инструментов на большом расстоянии, часто оказывается возможным получить более натуральный тембр, так как звуки от разных индивидуальных инструментов достигают микрофонов с более реальным распределением по времени, чем при их близком расположении. Кроме того, можно записать при этом несколько первых отражений в помещении, что больше соответствует естественному окружению инструментов.

– Spaced Оmni stereo – ненаправленные микрофоны устанавливаются на стойках перед исполнителем на высоте 1,2 – 2,4 м, для улучшения пространственности их иногда поднимают на 3 м или выше. Эта техника дает глубину и хороший стереообраз, но может вносить фазовые искажения.
– Decca Tree – эта техника была развита на English Decca Records-студии в середине 50-х гг.и еще до сих пор используется при записи звука. Три ненаправленных микрофона размещаются на стойках на 3 – 3,7 м выше и слегка позади головы дирижера. Они наклонены приблизительно на 30 0 вниз по направлению к оркестру и установлены под определенным углом друг к другу: один направлен в центр, два других под 450 от центра (рис.12). Расстояния между стойками правого и левого микрофонов приблизительно 2 м, центральный микрофон сдвинут на 1,5 м вперед. Кроме того, два дополнительных микрофона располагаются по краям оркестра, обычно немного сзади, чтобы записать реверберацию зала. Эта техника дает реалистический стереообраз, обеспечивает хороший баланс между инструментами оркестра и позволяет записывать отдельно центральный канал, что полезно при микшировании систем типа Surround Sound.

Стереосистемы
типа «искусственная голова»
Два ненаправленных микрофона размещаются на твердой сфере диаметром 20 см, моделирующей акустическое поле вокруг человеческой головы. Диафрагмы микрофонов совмещены с поверхностью сферы. Геометрические размеры, используемые в этой технике, моделируют базовые пропорции человеческой головы, т.е. междуушное время задержки. Пример такой микрофонной системы показан на рис.13. Однако следует иметь в виду, что при записи источников с широким углом охвата боковые источники будут записываться слишком подчеркнуто для ближайшего микрофона и слишком слабо для дальнего, поэтому предпочтительнее использовать сферу для расположения источников с углом охвата 900 или меньше.

Источник

Стереофоническое вещание

Несмотря на то, что стереофоническое радиовещание начало внедряться около 30 лет назад, его внедрение и совершенствование является актуальным и до настоящего времени. Поэтому остановимся на принципах его организации более подробно. Прежде всего, стереофонический сигнал необходимо сформировать.

При обычной монофонической передаче звука («моно» – один, «фон» – звук) звуковые .колебания, преобразованные несколькими микрофонами в тракте формирования программ, смешиваются и на приемной стороне излучаются одним громкоговорителем. Однако звукопередача, осуществленная таким образом даже с помощью высококачественной электроакустической аппаратуры, не является полноценной. Это связано с тем, что слушатель, находящийся в зале, воспринимает звуки, приходящие с разных направлений. Благодаря бинауральному эффекту (т. е. слушанию двумя ушами) он может определить место расположения каждой группы инструментов оркестра, солирующего инструмента и солиста или, как говорят, может локализовать источник звука. Значительный вклад в образование объемного звучания путем добавления к прямым звукам отраженных от разных поверхностей вносит зал. Всего этого лишен слушатель, воспринимающий вещательную передачу через один громкоговоритель. Все звуки исходят из одной точки пространства, где он размещен. Звучание при этом становится ненатуральным.

Идеальную по качеству звукопередачу можно осуществить с помощью стереофонической системы, показанной на рис.1. В первичном акустическом поле устанавливают большое число миниатюрных микрофонов, размеры которых существенно не влияют на структуру поля. Каждый из микрофонов соединяют каналом связи с миниатюрным громкоговорителем, установленным в зале прослушивания 2. Если число каналов достаточно велико, а помещение для прослушивания 2 близко по акустическим характеристикам помещению 1, то громкоговорители создадут звуковое поле, идентичное первичному звуковому полю.

Рис.1. Идеальная стереофоническая звукопередача

В рассмотренной системе звукопередачи первичное звуковое поле из зала 1 переносится как бы по точкам в зал 2. Эта система называется идеальной многоканальной стереофонической. Идеальную стереофоническую звукопередачу практически осуществить невозможно, поэтому применяют системы звукопередачи с ограниченным числом каналов. Уменьшение числа применяемых каналов приводит к появлению некоторых ошибок при звуковоспроизведении. Однако, как показали многократные исследования, для получения достаточно хорошего стереофонического эффекта при звуковоспроизведении не обязательно иметь большое число каналов.

Если ввести условный коэффициент стереофоничности и принять его равным нулю при монофонической передаче, и равным единице при бесконечно большом числе каналов, то окажется, что при двухканальном воспроизведении звука он находится в пределах 0,17. 0,7. Поэтому двухканальная стереофония получила широкое распространение как у нас в стране, так и за рубежом.

Рассмотрим способы формирования стереосигналов. Сам по себе стереоэффект определяется двумя факторами: разностью во времени прихода сигнала к левому и правому уху и разности интенсивностей этих сигналов. На первый взгляд кажется, что наиболее полно эти два фактора будут реализованы в системе АВ, в которой два микрофона А и В с одинаковыми характеристиками располагают симметрично по двум сторонам помещения (рис.2). Сигналы с выходов микрофонов по отдельны каналам поступают к двум громкоговорителям, расположенным справа и слева относительно слушателя.

Рис.2. Микрофонная система АВ

Достижение стереофонического эффекта достигается тем, что звук, принимаемый ближним к источнику звука микрофоном, имеет более высокий уровень и опережает по времени тот же звук, принимаемый другим микрофоном. Это соотношение уровней и временных сдвигов сохраняется и в звуках, воспроизводимых соответствующими громкоговорителями для слушателей, находящихся в так называемой зоне стереоэффекта.

Вблизи громкоговорителей эта зона сосредоточена около оси, относительно которой расположены громкоговорители, и расширяется по мере удаления от них. При перемещении источника звука между микрофонами изменяются уровни и временные сдвиги звуков, воспринимаемых микрофонами. Соответственно изменяются условия воспроизведения звуков в помещении для прослушивания. На слух это будет восприниматься как перемещение кажущегося источника звука между громкоговорителями.

Одним из основных недостатков системы АВ является невозможность удовлетворить условие совместимости, которое технически сводится к тому, чтобы сумма двух канальных стереофонических сигналов полноценно звучала при ее монофоническом воспроизведении. Но, как нетрудно видеть, при сложении сигналов, принимаемых микрофонами А и В, неизбежны частотные искажения, связанные с разностью хода звуковых волн от источника звука до каждого из микрофонов и, следовательно, с соответствующими интерференционными эффектами. Заметим, что разность хода может внести фазовый сдвиг в 180°, при этом в монофоническом сигнале звук этой частоты будет вообще отсутствовать.

Для устранения интерференционных эффектов разработаны, так называемые, совмещенные микрофонные системы, в которых стереоэффект формируется только за счет разности уровней сигналов. Микрофоны в таких системах должны иметь различные или различно ориентированные диаграммы направленности.

Рис. 3. Микрофонная система XY

В системе XY (рис. 3) два микрофона с одинаковыми характеристиками и диаграммами направленности в виде восьмерки расположены практически в одной точке так, что оси их диаграмм направленности образуют угол около 90° Микрофоны соединены каналами связи с левым и правым громкоговорителями. Стереофонический эффект здесь получается за счет разной чувствительности микрофонов к звуковым волнам, приходящим от источника звука.

Так, звучание инструмента, находящегося в направлении оси X, будет воспринято только одним микрофоном, а инструмента, находящегося в направлении оси Y– только другим. И лишь звучание инструмента, находящегося в середине сцены (на оси симметрии), будет воспринято обоими микрофонами с равной интенсивностью. При расположении микрофонов в одной точке сдвига фаз между звучанием громкоговорителей нет, поэтому эффект локализации источника звука будет несколько приглушен. При звукопередаче по способу ХY можно использовать микрофоны с характеристикой направленности в виде кардиоиды. Угол между главными осями диаграмм направленности звукорежиссер может изменять. Система XY является более совместимой, чем система АВ, однако источники звука, расположенные в центре сцены, имеют повышенную громкость и при монофоническом воспроизведении кажутся более приближенными к слушателю. Система XY находит применение при записи неподвижно расположенных исполнителей, при этом центральные источники располагаются дальше от микрофона.

Рис.4. Микрофонная система MS

При звукопередаче по способу MS микрофоны, как и при способе XY, расположены в центре сцены. Однако в этом случае один микрофон для канала, обозначенного буквой М, ненаправленный (т.е. одинаково хорошо воспринимает звук со всех сторон), а другой направлен так, что воспринимает звук с боковых частей сцены и имеет диаграмму направленности в виде восьмерки (рис.4, а).

Изменение напряжения на выходах микрофонов в зависимости от угла прихода звука показано на рис.4,б. Для микрофона канала М напряжение всегда постоянно, а на выходе микрофона канала S напряжение максимально лишь в тех случаях, когда звук приходит с направлений —90° и +90°. При угле, соответствующем 0°, напряжение на выходе микрофона канала S равно нулю. При переходе от одного лепестка характеристики направленности к другому изменяется фаза выходного сигнала микрофона. На рис.4,б этот факт нашел отражение в изменении полярности напряжения.

При воспроизведении звука к левому громкоговорителю подается сумма напряжений от обоих микрофонов (UM+ US ), а к правому – разность напряжений (UM–US ). Разделение левого и правого стереофонических сигналов производится с помощью суммарно–разностного преобразователя. Результат работы суммарно–разностного преобразователя показан на рис. 4,в.

Способ MS имеет явные преимущества. Канал M, является полноценным монофоническим сигналом, таким образом, система MS полностью совместима. Кроме того, звукорежиссер в процессе формирования стереосигнала может электрическим путем (с помощью регулятора) изменять соотношение сигналов M и S и, тем самым изменять стереоэффект. В системе XY для этого пришлось бы поворачивать сами микрофоны.

В период внедрения было предложено более 30 систем стереофонической радиопередачи. Из них основными были системы передачи, осуществляемые:

1. на двух несущих частотах с амплитудной модуляцией (АМ);

2. на боковых полосах с раздельной АМ одной несущей;

3. с квадратурной модуляцией, т.е. с раздельной модуляцией стереосигналами одной несущей частоты, колебания которой сдвинуты на 90°;

4. посредством АМ-ЧМ одной несущей;

5. посредством импульсной модуляции, при которой импульсы модулированы по амплитуде поочередно сигналами А и В. При временной селекции отдельно детектируются последовательности четных и нечетных импульсов;

6. по принципу полярной модуляции (Россия);

7. с помощью пилот-сигнала (США).

Выбор системы стереофонического радиовещания определяется теми техническими требованиями, которым она должна удовлетворять. В частности, необходимо обеспечить прямую и обратную совместимости и минимальное по сравнению с моноприемом уменьшение зоны уверенного стереоприема.

Прямая совместимость заключается в предоставлении радиослушателю возможности принимать стереофоническую передачу на обычный монофонический радиоприемник (естественно, в моноварианте), а обратная – в приеме на стереофонический приемник обычной передачи без потерь качества, но, конечно, без стереофонического эффекта.

Кроме того система должна допускать возможность использования для стереофонического вещания уже установленных ЧМ передатчиков путем добавления к ним необходимой модулирующей аппаратуры.

Анализ работы описанных выше способов передачи стереосигналов показывает, что способ 1 принципиально неприменим, поскольку не отвечает требованиям совместимости и, кроме того, занимает два радиоканала. Способы 2 и 3, пригодные, в принципе для диапазона средних волн, не нашли практического применения из-за сложности приемных устройств и плохой прямой совместимости: моноприем искажен гармониками и комбинационными искажениями. По этим же причинам не нашел применения и способ 4. Способ 5, отвечающий основным требованиям к системе стереовещания, отличается широким спектром частот излучаемых колебаний, что является существенным недостатком. Наилучшим образом отвечают технико-экономическим требованиям способы 6 и 7.

Стереофоническое вещание у нас в стране ведется по системе с так называемой полярной модуляцией. Идея полярной модуляции понятна из рис.5,а, на котором положительные полупериоды (полюсы) колебаний модулированы по амплитуде одним сигналом, а отрицательные полупериоды – другим. Поэтому верхняя и нижняя огибающие полярно-модулированного колебания (ПМК) несут два вида информации – от левого и от правого микрофонов.

Спектральный анализ ПМК показывает, что в его спектре содержатся звуковые частоты (рис.5, б), вследствие чего такой сигнал не может непосредственно излучаться антенной передатчика. Поэтому полярно-модулированным сигналом модулируют по частоте несущую УКВ передатчика. Сам же полярно-модулированный сигнал получают, модулируя поднесущую 31250 Гц.

Рис.5. Принцип полярной модуляции (а) и спектр полярно модулированного сигнала (б) при модуляции двумя частотами

Отметим, что монофонический приемник может воспроизвести только звуковую часть спектра ПМК, поэтому, если в области звуковых частот передавать только сигнал А (или В), звучание будет неполноценным, поскольку содержит информацию только о левой (или правой) части сцены. Чтобы удовлетворить требованию совместимости, в полосе звуковых частот передается сумма сигналов А+В, а в диапазоне ультразвуковых частот – информация о разностном сигнале А–В (рис.6,а).

Прежде чем промодулировать несущую частоту передатчика, необходимо подвергнуть ПМК дополнительной обработке. Необходимость в этом обусловлена тем, что по действующим стандартам максимальная девиация частоты передатчика ограничена значением 50 кГц как в моно–, так и в стереорежиме. Поэтому при модуляции несущей частоты полярно-модулированным колебанием значительная часть девиации несущей (более 50%) приходится на передачу поднесущей. Это приведет к тому, что прием стереофонической передачи на обычный приемник будет производиться с уменьшением громкости (на 7 дБ) по сравнению с громкостью обычной монофонической передачи.

Для устранения этого недостатка в полярном модуляторе производится частичное подавление поднесущей частоты, то есть уменьшение ее амплитуды в 5 раз (14 дБ). В этом случае обеспечивается почти полная совместимость: уменьшение громкости приема стереопередачи по сравнению с монофонической программой составляет 2 дБ, что почти не заметно для человеческого слуха. Спектр ПМК с частично подавленной поднесущей показан на рис.17.17, б. Для повышения помехозащищенности сигналов А и В в области верхних частот, где уровень спектральных составляющих существенно меньше, чем на средних частотах, введена RC-цепь предыскажений сигналов А и В стереопары, ее постоянная времени стандартизована и составляет 50 мкс. Такой сигнал называется комплексным стереосигналом (КСС).

Рис. 6. Спектр полярно-модулированного сигнала (а) и комплексного стереосигнала (б)

Структурная схема передающего тракта отечественной системы стереофонического радиовещания приведена на рис.7.

Рис.7. Структурная схема передающего тракта системы стереофонического радиовещания (ЦПП–цепь подавления поднесущей)

В американской системе (она называется системой с пилот-тоном) также формируется комплексный стереосигнал. Его спектр (рис.8, а) тоже содержит две части: низкочастотную, представляющую собой сумму А+В сигналов стереопары, и надтональную – АМ колебание с полностью подавленной поднесущей. Частота поднесущей в американской системе выбрана равной 38 кГц. Чтобы иметь возможность точно восстанавливать частоту поднесущей на приемной стороне системы, в спектре КСС дополнительно введен пилот сигнал частотой 19 кГц, передаваемый уровнем в 10 раз ниже номинального.

Уменьшение громкости при приеме на монофонический приемник в системе с пилот-тоном составляет всего 1 дБ. Однако в системе с пилот-тоном устройства разделения стереофонических сигналов более сложные из-за наличия системы синхронизации поднесущей частоты.

Рис.8. Спектр частот американской системы с пилот-тоном (а) и шведской системы ЧМ-ЧМ (б)

Кроме отечественной и американской систем Международным союзом электросвязи (МСЭ) рекомендована система ЧМ-ЧМ, предложенная (значительно позже первых двух) Швецией. Отличие от рассмотренных систем заключается в том, что поднесущая частота модулируется не по амплитуде, а по частоте рис.8, б). Кроме того, сигнал А-В для повышения его помехозащищенности подвергается компандированию (канал А-В стереомодулятора содержит компрессор, а стереодекодер – соответственно экспандер).

При реализации стереодекодеров применяют следующие методы детектирования ПМК: по огибающей с помощью полярного детектора; с предварительным разделением спектра на низкочастотную и надтональную части; с временным разделением каналов (рис.9).

Рис.9. Методы декодирования стереосигналов

В любом амплитудном детекторе максимум переходного затухания и минимум нелинейных искажений достигаются, если частота модулирующего сигнала намного меньше несущей частоты. В полярном детекторе (рис.9,а) верхняя модулирующая частота и поднесущая соизмеримы (15 и 31,25 кГц). Поэтому даже при наличии различного рода цепей коррекции его параметры не являются достаточно высокими: коэффициент гармоник на частоте 1000 Гц равен 0,8. 1,2%, переходное затухание 34 дБ. С повышением частоты оба параметра ухудшаются: на верхних частотах коэффициент гармоник возрастает до 2,2 %, переходное затухание падает до 20 дБ.

Метод детектирования КСС с разделением спектра реализуется устройством, показанным на рис.9,б. Фильтром нижних частот ФНЧ выделяется низкочастотная часть спектра КСС, представляющая собой сигнал А+В. Кроме ФНЧ, комплексный стереофонический сигнал поступает в цепь восстановления поднесущей ВП и далее полосовым фильтром ПФ с граничными частотами 117,25 и 417,25 кГц из ПМК выделяется его надтональная часть, представляющая собой колебание, модулированное по амплитуде сигналом А–В. Это АМ колебание детектируется обычным детектором Д.

Полученный в результате детектирования разностный сигнал А-В подается на один из входов суммарно-разностного преобразователя СРП, на второй вход которого поступает сигнал А+В с выхода ФНЧ. С выходов СРП восстановленные сигналы стереопары А и В поступают на цепи компенсации предыскажений t. К параметрам фильтров предъявляются довольно жесткие требования. Так, чтобы переходное затухание между каналами стереопары было не менее 40 дБ, АЧХ фильтров должны отличаться друг от друга не более чем на 1 %, а ФЧХ – не более чем на 0,5°. Изменение коэффициента передачи любого из трактов (суммарного или разностного) на 10 % сопровождается уменьшением переходного затухания до 217 дБ. Несмотря на столь жесткие требования, метод детектирования КСС с разделением спектра широко используется в серийных моделях стереоаппаратуры.

Наилучшими параметрами обладают ключевые стереодекодеры (рис.9,в), работающие по принципу временного разделения каналов стереопары. Если ПМК подать на два электронных коммутатора ЭК1 и ЭК2 и управлять их работой посредством коротких импульсов разной полярности, то сигнал на выходе ЭК1 будет иметь огибающую сигнала левого канала, а на выходе ЭК2–правого. Сложность декодирования ПМК этим методом заключается в том, что коммутирующие импульсы должны иметь длительность не больше 5. 10 мкс. Только в этом случае амплитуда выходного напряжения ключей в момент его замыкания будет оставаться постоянной, что обеспечит получение высокого значения по переходному затуханию. Однако коэффициент передачи такой цепи оказывается очень низким. Для устранения этого недостатка дополнительно вводят цепи удлинения импульсов. С ее помощью напряжение на выходе ЭК поддерживается постоянным и равным мгновенному значению сигнала в момент его коммутации до прихода следующего управляющего импульса, после чего выходное напряжение принимает новое значение. Заметим, что метод временного разделения каналов стереопары не требует обязательного преобразования КСС в ПМК, что является его несомненным достоинством.

Источник