Analogowo i cyfrowo

1. Próbowałem nie dawno zrozumieć jako kodowany jest stereofoniczny dźwięk w telewizji analogowej. Było trudno. Aby do tego podejść musiałem najpierw przypomnieć sobie jak działa kodowanie stereo w zwykłej radiofonii FM, jak działa coś, co wymyślono pod koniec lat 60-tych, w czasach, gdy elektronika analogowa, dzięki tranzystorom i pierwszym układom scalonym świętowała triumfy.
2. A więc jak działa kodowanie stereo w radiofonii FM? Prosto:
• Sygnał sumy dwóch kanałów P+L moduluje częstotliwość fali nośnej - znaczy się ta suma też moduluje, bo jak się okaże poniżej nie tylko suma.
• Kanał lewy L (wiadomo, lewica) odwraca się w fazie tworząc -L aby po zsumowaniu P+(-L) mieć sygnał różnicowy P-L.
• Sygnał różnicy P-L moduluje częstotliwościowo podnośną falę 38kHz (technologia sprawdzona w telekomunikacji).
• Aby było weselej (bo innego wytłumaczenia nie znam) tą podnośną całkowicie się wytłumia w dobrym filtrze.
• A to dodaje się sygnał pilota 19kHz, który jest połową częstotliwości podnośnej, co ważne - dokładną połową a więc zgodną w fazie.
• Teraz to co wyjdzie z tej modulacji, wycinania i dodawania dodaje się do tego sygnału sumy P+L co nim się moduluje fale nośną.

Proste? Tak.

3. Aby to rozszyfrować, bo przecież na wyjściu chcemy mieć w dwóch głośnikach P-kanał prawy i L-kanał lewy trzeba nieco się pomęczyć. Ale po kolei:
• to co wychodzi z demodulatora FM przepuszcza się przez filtr dolnoprzepustowy 15kHz i mamy sygnał sumy P+L. To ważne, bo wszystkie radia monofonicznie będą sobie dobrze działały jako monofoniczne odbierając sygnał stereofoniczny.
• to z demodulatora przepuszczamy też przez filtr 19kHz aby uzyskać pilota. I teraz metody są dwie.
  • Metoda tania to przefiltrować to 38kHz i wzmocnić licząc, że na pewno jakaś (dokładnie druga) harmoniczna się tam na nieliniowości wzmacniaczy pojawiła.
  • Metoda droga to zbudować generator 38kHz sterowany napięciowo, podzielić częstotliwość wyjściową przez 2 a to co wejdzie porównać fazowo z wyfiltrowanym pilotem i napięciem obrazującym różnicę faz sterować generator. To coś nazywa się pętlą synchronizacji fazowej - z angielska PLL.
• Tak czy inaczej w efekcie mamy odtworzony sygnał 38kHz, którego dodaje się do tego co wcześniej przefiltrowano górnoprzepustowo (powyżej 20kHz) uzyskują podnośną zmodulowaną FM sygnałem P-L.
• To przepuszcza się prze demodulator FM i mamy sygnał różnicy P-L w co bardzo trudno mi uwierzyć.
• Teraz już tylko wystarczy ten sygnał różnicowy odwrócić w fazie aby mieć L-P i zrobić proste sumowanie sygnałów bo przecież:

  P = 1/2 ( (P+L) + (P-L) )
  L = 1/2 ( (P+L) - (P-L) )

Jak widać, da się rozkodować to co się wcześniej zakodowało.

4. A teraz jak to działa w telewizji? Na początku powtórzono tą samą sztuczkę, tylko zamiast 38kHz (bo w radiofonii FM jest ciasno i wszystko musi się zmieścić w kanale 300kHz) zrobiono podnośną 242kHz i zadziałało. Ale słabo więc wymyślili Nicam.
5. Nicam to pomysł epoki przejściowej wczesnych lat 80-tych. Inżynierów już kusiła cyfrówka, już wymyślili PCM i CD, już nieśmiało wdrażano te technologię, ale nie było odważnych aby powiedzieć stop - wywalamy świat analogowy na śmietnik. W Nicam'ie widać ten brak odwagi, widać, że obowiązujące myślenie to myślenie skupiające się na cyfrowym sygnale jako czymś lepszym niż sygnał analogowy. Cóż się dziwić - wszak tą cyfryzację robili elektronicy a nie informatycy, a zadaniem elektroników było właśnie przetwarzanie sygnałów. Elektronicy wierzyli w cyfrowe przetwarzanie, potrafili zaprojektować maszynę skończoną ale już cyfrowej komunikacji pomiędzy dowolnymi procesami wyobrazić sobie w swych ograniczonych do TTL umysłach nie mogli. Musieli pojawić się informatycy, z procesorami typu 8008, 8080 i Z-80, które niby skończone, ale już prawie myślą.

   A Nicam - no cóż - jest więc kawałkami analogowy (bo musi być kompatybilny), coś tam się do tego analoga dorzuca jako strumień danych, a w tym strumieniu jest kanał lewe i kanał prawy - ale tylko kanał lewi i kanał prawy, czyli podejście jakie dziś, w czasach komputerów jest nie do pomyślenia.

   Po prostu Nicam to norma opisująca sygnał - a nie protokół. Bardzo podobne podejście występuje w płytach CD i co ciekawsze, DVD i BlueRay nie za bardzo się od tego podejścia uwolniło.

6. Dziś, jak łatwo komuś kto czuje internet wytłumaczyć, że w strumieniu TS lecący z transpondera (albo w multipleksa, jak ktoś bardziej po ziemi chodzi) dokłada się jeden dodatkowy strumień elementarny z takim to a takim PIDem, opisanym w jakimś PMT. Jak łatwo do takiego strumienia TS dołożyć kolejny strumień, powiedzmy danych, np. treść (nie sygnał) stron teletekstu, dane dla EPG, jakieś metadane opisujące program telewizyjny. Nie tylko łatwo komuś wytłumaczyć ale łatwo to zaimplementować, bo na końcu takiego tory transmisyjnego nie jest wyrzeźbiona przez elektroników twarda elektronika, ale dość uniwersalna maszyna, gotowa przeprogramować się na podstawie właśnie tych nadchodzących danych (w tym momencie staje się ona maszyną prawie nieskończoną). I tak Turing wygrał z Shanonem jego własną bronią - wszystko może być cyfrowe.
7. I niby mi tej elektroniki żal. Aby go sobie nieco utulić, w dniu 1 listopada pooglądałem nieco stare schematy ZK-145, Amator Stereo, radio Dominika (tylko długie i średnie), radiomagnetofon Jola, telewizor Neptun 114. Coś pięknego. W nowszych MK-145 nawet był układ scalony UL-1497 pracujący jako wzmacniacz końcowy mocy.

   I niby mi żal - ale wszystko co jest cyfrowe i czego się na co dzień dotykam ma w sobie dużo ten zwykłej, analogowej elektroniki i to pracującej w ekstremalnych warunkach. Ot, taki procek w laptopie co to 1,8GHz na sekundę jest taktowany. Przecież długość fali o takiej częstotliwości to kilka centymetrów - jak sprawić aby sygnał zegara szedł tą ścieżką i nie przeskoczył na inną? Elektronik potrafi! A jak zdemodulować sygnał modulowany na 2,4GHz używanym w WiFi? Mój domowej roboty miernik częstotliwości (na TTLach) wywalał się na 2MHz a tu, pod palcami mam urządzenie, które taki sygnał nie tylko obrabia, ale też dopasowuje charakterystykę anteny umieszczonej w klapie laptopa aby nic nie dyndało. Elektronik potrafi!

8. Bardzo postępowa notka mi wyszła - jak na 1 listopada to aż dziwne.

Kategorie: elektronika, informatyka, iptv, _blog

Słowa kluczowe: stereo, nicam, pll, hi-fi, fm, radio, radiofonia, telewizja, tv, ts, mpeg

Komentarze: (2)