Estándar de compresión de audio digital
El multiplex de audio comprimido casi instantáneo ( NICAM ) es una de las primeras formas de compresión con pérdidas para audio digital . Fue desarrollado originalmente a principios de la década de 1970 para enlaces punto a punto dentro de redes de radiodifusión. [1] En la década de 1980, las emisoras comenzaron a utilizar la compresión NICAM para transmisiones de sonido de televisión estéreo al público.
Historia
Compansión casi instantánea
La idea se describió por primera vez en 1964. En este caso, el "rango" debía aplicarse a la señal analógica antes del convertidor analógico a digital (ADC) y después del convertidor digital a analógico (DAC) . [2] La aplicación de esto a la radiodifusión, en la que la compresión debía realizarse completamente digitalmente después del ADC y antes del DAC, se describió en un Informe de investigación de la BBC de 1972. [3]
Enlaces punto a punto
Originalmente, NICAM estaba destinado a proporcionar a las emisoras seis canales de audio de alta calidad dentro de un ancho de banda total de 2048 kbit/s. Esta cifra se eligió para igualar la tarifa multiplex primaria E1 , y los sistemas que utilicen esta tarifa podrían hacer uso de las redes de telecomunicaciones nacionales e internacionales PDH planificadas.
Se habían desarrollado varios sistemas similares en varios países, y alrededor de 1977/78 el Departamento de Investigación de la BBC llevó a cabo pruebas de escucha para evaluarlos. Los candidatos fueron:
Se descubrió que NICAM-2 proporcionaba la mejor calidad de sonido, pero reducía el ruido modulado por el programa a un nivel innecesariamente bajo a expensas de la velocidad de bits. NICAM-3, que se había propuesto durante la prueba para abordar este problema, fue seleccionado como ganador. [4] [5]
El audio se codifica mediante modulación de código de pulso de 14 bits a una frecuencia de muestreo de 32 kHz .
Transmisiones al público
La segunda función de NICAM, la transmisión al público, fue desarrollada en los años 80 por la BBC . Esta variante se conocía como NICAM-728, por el flujo de bits de 728 kbit/s por el que se envía. Utiliza los mismos parámetros de codificación de audio que NICAM-3.
El primer programa estéreo digital NICAM fue la Primera Noche de la 92ª edición de los Proms , que se transmitió por BBC2 desde la estación transmisora Crystal Palace en Londres el 18 de julio de 1986, aunque no se anunció que los programas se transmitieran en estéreo en la BBC hasta hace algunos años. cinco años después, cuando la mayoría de los transmisores del país se habían actualizado para transmitir NICAM y una gran cantidad de programas de la BBC se estaban grabando en estéreo.
La BBC lanzó públicamente su servicio estéreo NICAM en el Reino Unido el sábado 31 de agosto de 1991 (ver 1991 en televisión ), aunque otras emisoras del Reino Unido, ITV y Channel 4 , anunciaron esta capacidad unos 18 meses antes. Channel 4 inició las pruebas mucho antes, en febrero de 1989, a través del transmisor Crystal Palace en Londres.
Ha sido estandarizado como ETS EN 300 163. [6]
Naciones y regiones que utilizan transmisiones públicas de NICAM
Varios países europeos habían implementado NICAM con los sistemas de TV PAL y SECAM [7] [8] [9]
- Bélgica (solo sistemas de cable analógico; terrestre conmutado a DVB-T )
- Dinamarca (histórico, cambiado a DVB-T y DVB-C)
- Estonia (histórico, cambiado a DVB-T y DVB-C)
- Finlandia (histórico, cambiado a DVB-T y DVB-C)
- Francia (histórico, cambiado a DVB-T)
- Grecia ( ANT1 , New Hellenic Television , ET3 y ET1 - histórico, cambiado a DVB-T)
- Hungría (histórico, cambiado a DVB-T)
- Islandia (histórico, cambiado a DVB-T)
- Irlanda (histórico, cambiado a DVB-T. Los canales de cable analógicos aún pueden transmitir audio NICAM. Sin embargo, estos son canales de origen digital recodificados como PAL con NICAM en la cabecera).
- Luxemburgo (cambiado a DVB-T; ¿cable?)
- Noruega (histórico, cambiado a DVB-T y DVB-C)
- Polonia (solo sistemas de cable analógico; terrestre conmutado a DVB-T)
- Portugal (histórico, cambiado a DVB-T)
- Rumania (histórico en terrestre ya que cambió a DVB-T2; en redes de cable, todavía utilizado por algunos operadores que ofrecen televisión por cable analógica)
- Rusia
- España (histórico, cambiado a DVB-T)
- Sudáfrica ( SABC 1 , SABC 2 , e.tv )
- Suecia (histórico, cambiado a DVB-T y DVB-C)
- Ucrania
- Reino Unido (histórico, cambiado a DVB-T)
Algunas naciones y regiones de Asia y el Pacífico han implementado NICAM
- Porcelana
- Hong Kong (comúnmente utilizado para lenguaje dual para programación que contiene bandas sonoras en cantonés e inglés/mandarín/japonés/coreano; cambio completo a DTMB con codificación de audio Dolby AC-3 completado antes del 1 de diciembre de 2020, NICAM pasó a ser histórico a partir de esa fecha)
- Macao (comúnmente utilizado para lenguaje dual para programación que contiene bandas sonoras en cantonés y portugués/inglés/mandarín/japonés/coreano; cambio completo a DTMB con codificación de audio MPEG-1 Audio Layer II completado antes del 30 de junio de 2023, NICAM pasó a ser histórico a partir de esa fecha)
- Cantón
- Pekín ( BTV )
- Malasia
- Anteriormente utilizado por TV1, TV2 , ntv7 , 8TV y TV9 en Klang Valley. TV3 también usó NICAM en su frecuencia de transmisión VHF (Canal 12) en el valle de Klang, pero usó Zweikanalton en su frecuencia de transmisión UHF (Canal 29). El apagado analógico se completó el 1 de enero de 2019, por lo que la transmisión de NICAM y Zweikanalton pasó a ser histórica a partir de esa fecha.
- Nueva Zelanda (el cambio total a DVB-T se completará el 1 de diciembre de 2013. NICAM pasó a ser histórico a partir de esa fecha).
- Indonesia
- Las estaciones de televisión de Indonesia utilizaron NICAM para la televisión analógica. El apagado analógico se completó el 12 de agosto de 2023, por lo que NICAM pasó a ser histórico a partir de esa fecha.
- Singapur (Utilizado en Mediacorp Channel U. Cambio completo a DVB-T2 completo antes del 1 de enero de 2019. NICAM pasó a ser histórico a partir de esa fecha).
- Sri Lanka
- Tailandia
- Se utiliza en el Canal 3 , Canal 9 MCOT HD y PBS tailandés , generalmente se transmite en modo de sonido dual y, a veces, en modo estéreo. Todo el servicio de televisión analógica cesó desde el 26 de marzo de 2020. El cambio a DVB-T2 terrestre con códec HE-AAC v2, NICAM pasó a ser histórico a partir de esa fecha.
Algunos otros países utilizan en su lugar el estéreo analógico Zweikanalton . Comienza así la conversión estéreo analógica.
Implementaciones
Actualmente no se conoce ningún equipo de consumo capaz de realizar modulación NICAM. [10] A continuación se muestra una lista no exhaustiva de equipos de transmisión capaces de codificación o modulación NICAM:
- Philips PM5685/PM5686/PM5686A [11]
- Philips PM5687 [12]
- Eiden 198A [13]
- Solución Pye /Varian/BBC Sound-in-Syncs [14]
- Solución Sound-in-Syncs de comunicaciones IBA /RE [15]
- Tektronix 728E [16]
- Módulo NICAM SBUF-E de Rohde & Schwarz [17]
- Barco NE-728 [18]
Operación
Para proporcionar "compatibilidad" mono , la señal NICAM se transmite en una subportadora junto a la portadora de sonido. Esto significa que la portadora de sonido mono normal de FM o AM se deja sola para la recepción por parte de receptores monoaurales.
Una infraestructura de TV estéreo basada en NICAM puede transmitir un programa de TV estéreo así como el sonido mono de "compatibilidad" al mismo tiempo, o puede transmitir dos o tres flujos de sonido completamente diferentes. Este último modo podría usarse para transmitir audio en diferentes idiomas, de manera similar a la que se usa para las películas a bordo en vuelos internacionales. En este modo, el usuario puede seleccionar qué banda sonora escuchar cuando mira el contenido operando un control de "selección de sonido" en el receptor.
Este es el espectro de NICAM en el sistema PAL. En el sistema SECAM L, la portadora de sonido NICAM está a 5,85 MHz, antes que la portadora de sonido AM, y el ancho de banda de vídeo se reduce de 6,5 MHz a 5,5 MHz.
NICAM ofrece actualmente las siguientes posibilidades. El modo se selecciona automáticamente mediante la inclusión de un campo de tipo 3 bits en el flujo de datos.
- Un canal de sonido estéreo digital.
- Dos canales de sonido mono digital completamente diferentes.
- Un canal de sonido mono digital y un canal de datos de 352 kbit/s.
- Un canal de datos de 704 kbit/s.
Las otras cuatro opciones podrían implementarse en una fecha posterior. Sin embargo, se sabe que sólo los dos primeros de los enumerados son de uso general.
transmisión de paquetes NICAM
El paquete NICAM (excepto el encabezado) se codifica con un generador de bits pseudoaleatorio de nueve bits antes de la transmisión.
- La topología de este generador pseudoaleatorio produce un flujo de bits con un período de repetición de 511 bits.
- El polinomio del generador pseudoaleatorio es:
![{\displaystyle x^{9}+x^{4}+1.}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
- El generador pseudoaleatorio se inicializa con:
![{\displaystyle 111111111.}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
Es importante hacer que el flujo de bits NICAM se parezca más a ruido blanco porque esto reduce el patrón de señal en los canales de televisión adyacentes.
- El encabezado NICAM no está sujeto a codificación. Esto es necesario para ayudar a bloquear el flujo de datos NICAM y resincronizar el flujo de datos en el receptor.
- Al comienzo de cada paquete NICAM, el registro de desplazamiento del generador de bits pseudoaleatorios se restablece a todos.
Problemas de transmisión NICAM
Hay algunos problemas latentes relacionados con el procesamiento de audio NICAM en la cadena de transmisión.
- NICAM (a diferencia del estándar Compact Disc) muestra audio de 14 bits a 32 kHz.
- El límite de frecuencia superior de un canal de sonido NICAM es de 15 kHz debido a los filtros antialiasing en el codificador.
- Las muestras de audio PCM originales de 14 bits se comprimen digitalmente a 10 bits para su transmisión.
- Las muestras de audio NICAM se dividen en bloques de 32. Si todas las muestras de un bloque están en silencio, de modo que los bits más significativos sean todos ceros, estos bits se pueden descartar sin pérdida.
- En muestras más ruidosas, algunos de los bits menos significativos se truncan, con la esperanza de que sean inaudibles.
- Una señal de control de 3 bits para cada bloque registra qué bits se descartaron.
- La compresión digital (utilizando una curva de preénfasis CCITT J.17) garantiza que los algoritmos de codificación y decodificación puedan realizar un seguimiento perfecto.
Potencia del portador NICAM
Los estándares de la ITU (y CCITT) especifican que el nivel de potencia de la señal NICAM debe ser de -20 dB con respecto a la potencia de la portadora de visión.
- El nivel de la portadora de sonido FM mono debe ser de al menos -13 dB.
- Medir el nivel de modulación de la señal NICAM es difícil porque la forma de onda portadora QPSK NICAM (a diferencia de las formas de onda portadora moduladas en AM o FM) no se emite a una frecuencia discreta.
Cuando se mide con un analizador de espectro, el nivel real de la portadora (L) se puede calcular utilizando la siguiente fórmula:
L(NICAM) = L(Medido) + 10 log (R/BWAnalyser) + K
- L(NICAM) = nivel real de la portadora NICAM [dBμV]
- L(Medido) = nivel medido de la portadora NICAM [dBμV]
- R = -3 dB ancho de banda de la señal [kHz]
- BWAnalyser = ancho de banda del analizador de espectro [kHz]
- K = factor de forma logarítmico del analizador de espectro ~2 dB
nota: si BWAnalyser es mayor que R, la fórmula se convierte en L(NICAM) = L(Medido) + K
Características diferentes
El muestreo NICAM no es un muestreo PCM estándar , como se emplea comúnmente con el disco compacto o a nivel de códec en dispositivos de audio MP3 , AAC u Ogg . El muestreo NICAM se parece más a la modulación de código de pulso diferencial adaptativo , o compresión de ley A con un rango dinámico extendido y rápidamente modificable.
Firma en complemento a dos
Se utiliza el método de complemento a dos para firmar las muestras, [19] de modo que:
- 01111111111111 representa escala completa positiva
- 10000000000000 representa escala completa negativa
±0 V tiene tres representaciones binarias
- 00000000000001 representa 0 V, sin distinción +/-. Esto puede haberse originado como un método para reducir la aparición de patrones de CC a partir de la transmisión de material silencioso.
- 00000000000000 representa 0 V, sin distinción +/-
- 11111111111111 representa 0 V, sin distinción +/-
Comprobación de paridad limitada a sólo 6 de 10 bits
Para fortalecer la protección de paridad para las muestras de sonido, el bit de paridad se calcula solo en los seis bits superiores de cada muestra NICAM. Las primeras investigaciones de la BBC NICAM mostraron que los errores no corregidos en los cuatro bits menos significativos eran preferibles a la protección general reducida que ofrecía la protección por paridad de los diez bits.
Grabación
Videograbadora
Las videograbadoras domésticas (VCR) VHS y Betamax inicialmente solo grababan las pistas de audio mediante un cabezal de grabación lineal fijo, que era inadecuado para grabar audio NICAM; esto limitó significativamente su calidad de sonido. Posteriormente, muchas videograbadoras incluyeron la grabación de audio estéreo de alta calidad como característica adicional, en la que la fuente de audio estéreo de alta calidad entrante (típicamente radio FM o NICAM TV) se modulaba en frecuencia y luego se grababa, además de las pistas habituales de audio y video de la videograbadora, utilizando la misma técnica de escaneo helicoidal de alto ancho de banda utilizada para la señal de video. Los VCR de tamaño completo ya aprovechaban al máximo la cinta, por lo que la señal de audio de alta calidad se grababa diagonalmente debajo de la señal de vídeo, utilizando cabezales de exploración helicoidales adicionales y multiplexación en profundidad. La pista de audio mono (y en algunas máquinas, una pista estéreo que no es NICAM ni Hi-Fi) también se grabó en la pista lineal, como antes, para garantizar la compatibilidad con versiones anteriores de las grabaciones realizadas en máquinas Hi-Fi cuando se reproducen en VCR que no sean de alta fidelidad.
Dichos dispositivos a menudo se describían como "audio de alta fidelidad", "Audio FM" / "AFM" (FM significa "modulación de frecuencia") y, a veces, informalmente, como videograbadoras "Nicam" (debido a su uso para grabar la señal de audio transmitida por Nicam). Seguían siendo compatibles con reproductores de vídeo que no eran de alta fidelidad, ya que también se grababa la pista de audio estándar y, en ocasiones, se utilizaban como alternativa a las cintas de casete de audio debido a su rango de frecuencia superior y respuesta de frecuencia plana .
DVD
Mientras graban en modo vídeo (compatible con DVD-Video ), la mayoría de grabadores de DVD sólo pueden grabar uno de los tres canales (Digital I, Digital II, Analógico mono) permitidos por el estándar. Los estándares más nuevos, como DVD-VR, permiten grabar todos los canales digitales (tanto en modo estéreo como bilingüe), mientras que el canal mono se perderá.
Memoria flash y multimedia informática.
Los códecs para medios digitales en computadoras a menudo convierten NICAM a otro formato de audio digital para ahorrar espacio en el disco.
Ver también
Referencias
- ^ Croll, MG, Osborne, DW y Spicer, CR (1974), Señales de sonido digitales: el actual sistema de distribución de la BBC y una propuesta para la reducción de la tasa de bits mediante compresión digital . Publicación de la Conferencia IEE No. 119, págs. 90–96
- ^ Bartlett, CJC y Greszczuk, J. (1964), Companding en un sistema pcm . Simposio sobre aspectos de transmisión de las redes de comunicación, Londres, IEE 1964, págs. 183–186.
- ^ Osborne, DW (1972) Señales de sonido digitales: investigación adicional de sistemas instantáneos y otros sistemas de expansión rápida. Informe del Departamento de Investigación de la BBC 1972/31.
- ^ Jones, AH (1978), Codificación digital de señales de audio para transmisión punto a punto . Publicación de la Conferencia IEE No. 166, págs. 25–28
- ^ Gilchrist, NHC (1978), Señales de sonido digitales: pruebas para comparar el rendimiento de cinco sistemas de expansión para señales de sonido de alta calidad. Informe del Departamento de Investigación de la BBC 1978/26.
- ^ ETSI ETS EN 300163, (anteriormente: EBU T 3266)
- ^ "Detalles del sistema de transmisión". Universidad de Surrey - Departamento de Ingeniería Electrónica. Archivado desde el original el 5 de diciembre de 2010 . Consultado el 30 de agosto de 2007 .
- ^ Tecnologías de televisión analógica
- ^ Estándares mundiales de televisión
- ^ "Moduladores NICAM de consumo. ¿Existía alguno?".
- ^ "Lista de codificadores NICAM-728 conocidos".
- ^ "Recordando NICAM Parte 1: Desmontaje de equipos de transmisión". 4 de junio de 2022.
- ^ "Lista de codificadores NICAM-728 conocidos".
- ^ "Examinando la (más o menos) solución de transmisión Sound-in-Sync (NICAM-728) de la BBC".
- ^ "Anuncios de ingeniería de IBA - Graham Sawdy en NICAM - 20 de marzo de 1990". YouTube .
- ^ "Lista de codificadores NICAM-728 conocidos".
- ^ "Lista de codificadores NICAM-728 conocidos".
- ^ "Lista de codificadores NICAM-728 conocidos".
- ^ Steve Hosgood. "Todo lo que siempre quiso saber sobre NICAM pero tenía miedo de preguntar". Archivado desde el original el 14 de febrero de 2005 . Consultado el 30 de agosto de 2007 .
Otras lecturas
- Osborne, DW y Croll, MG (1973), Señales de sonido digitales: reducción de la velocidad de bits mediante un compresor digital experimental. Informe del Departamento de Investigación de la BBC 1973/41.
- Croll, MG, Osborne, DW y Reid, DF (1973), Señales de sonido digitales: multiplexación de seis canales de sonido de alta calidad para transmisión a una velocidad de bits de 2,048 Mbit/s. Informe del Departamento de Investigación de la BBC 1973/42.
- Reid, DF y Croll, MG (1974), Señales de sonido digitales: el efecto de los errores de transmisión en un sistema comprimido digitalmente casi instantáneo. Informe del Departamento de Investigación de la BBC 1974/24.
- Reid, DF y Gilchrist, NHC (1977), Equipo multiplex experimental de 704 kbit/s para dos canales de sonido de 15 kHz. Informe del Departamento de Investigación de la BBC 1977/38.
- Kalloway, MJ (1978), Un sistema de sonido estéreo dpsk experimental de 4 fases: el efecto de la propagación por trayectos múltiples. Informe del Departamento de Investigación de la BBC 1978/15.
enlaces externos
Sitios web relacionados o explicaciones técnicas
- Una descripción técnica de NICAM
- La página de información de la BBC sobre NICAM
- Descripción general de los sistemas de transmisión de televisión
- Función NICAM de MATLAB