Что такое пилот тон

Пилот-сигнал

Пилот-сигнал (он же Пилот-тон) — сигнал с априорно известными на приёмной стороне параметрами (например, определённой частоты). Пилот-сигналы могут передаваться как вместе с информационным сигналом, так и в режиме временно́го, кодового, частотного разделения. Пилот-сигналы используются для синхронизации, оценки параметров канала распространения, адаптации параметров приёма, обработки сигналов телекоммуникационной системой.

Применение

В FM-радиовещании пилот-сигнал на частоте 19 кГц показывает, что на частоте 38 кГц (19×2, вторая гармоника) есть стереофоническая информация. Приёмник удваивает частоту пилот-тона и использует его как опорную фазу для демодуляции стерео-информации. [1]

Если пилот-сигнала на частоте 19 кГц нет, тогда приёмником будут игнорироваться сигналы в диапазоне 38-39 кГц. Вокруг пилот-сигнала делается защитная полоса (от 500 Гц до 4 кГц по обе стороны), для того, чтобы исключить помехи от основной и боковой полосы частот. Третья гармоника сигнальной полосы может использоваться для RDS.

В AM стерео ширина полосы пропускания слишком узка, чтобы вмещать поднесущие, поэтому пилот-сигнал выражается в модуляции самого сигнала и выглядит как инфразвуковой тон.

В цветном телевидении сигнал цветовой синхронизации, указывающий на цветовую поднесущую, может подаваться между кадров, или в области ниже уровня гашения. [2] Для более подробной информации, см. стандарты SECAM, NTSC, PAL.

В некоторых аналоговых видео-форматах пилот-сигнал вводится для того, чтобы исключить ошибки временной развёртки.

Иногда необходимо иметь несколько независимых пилот-частот. Большинство радиорелейных систем используют собственные пилот-сигналы, но передают также пилот-сигналы на частотах, принадлежащих несущей мультиплексной передачи.

Источник

Система стереовещания. Пилот-тон

В системе с пилот-тоном на самом деле много общего с системой с полярной модуляцией. В частности, для обеспечения совместимости с моноприемниками в этой системе в полосе частот 30-15 000 Гц также передается суммарный сигнал (L+ R), а для обеспечения стереоприема в полосе частот 23-53 кГц — разностный звуковой сигнал (L-R), полученный методом амплитудной балансной модуляции дополнительной поднесущей с частотой 38 кГц. Как известно, при балансной модуляции с целью уменьшения излучаемой передатчиком мощности сигнал несущей частоты полностью подавляется, и на выходе балансного модулятора остаются лишь две боковые полосы модулированного радиосигнала. Это заметно повышает эффективность использования мощности передатчика, которая истратится бесполезно на передачу поднесущей стереозвука. Хотя бы и подавленную в 5 раз (как в нашей системе). Но зато балансная модуляция порождает другую сложную проблему: для того, чтобы получить в приемнике первоначальный спектр исходного АМ-сигнала, приходится передавать дополнительный пилот-сигнал с частотой вдвое меньшей, чем поднесущая (то есть 19 кГц). Поэтому в стереодекодере приемника приходится восстанавливать подавленную при передаче поднесущую 38 кГц путем удвоения частоты пилот-сигнала.

Как видим, основное принципиальное отличие между советской системой с полярной модуляцией и американской с пилот-тоном заключается в способе АМ-модуляции разностного стереосигнала (L-R). Остальные же качественные показатели обеих систем практически одинаковые:
полоса передаваемых звуковых частот 30-15 000 Гц;
разделение стереоканалов — не менее 25 дБ (у современных моделей — 40 дБ и более);
ухудшение отношения сигнал/шум при моноприеме: 2 дБ (советская)/1 дБ (западная).
Ухудшение отношения сигнал/шум при моноприеме вызвано тем, что часть мощности радиопередатчика в обеих системах расходуется на передачу дополнительного сигнала (L-R). Благодаря более низкой частоте поднесущей разностного сигнала (31,25 кГц) советская система имеет более узкий спектр комплексного стереосигнала (165 кГц против 190 кГц у американской), что позволяет в принципе разместить в УКВ-диапазоне большее число станций и улучшить использование мощности передатчика. Однако есть одно важное «но»! В советской системе «зазор» между верхней граничной частотой тональной части спектра 15 кГц и границей нижней боковой полосы модулированной поднесущей 16,25 кГц (31,25 кГц-15 кГц) составляет всего лишь чуть больше 1 кГц, что предъявляет весьма жесткие требования к цепям фильтрации надтонального сигнала. В американской же системе с пилот-сигналом это различие составляет целых 8 кГц, что позволяет без особого труда отфильтровать тональный и надтональный сигналы. Поэтому вероятность возникновения перекрестных искажений в стереодекодерах системы с полярной модуляцией значительно выше. Что мы и наблюдаем на практике. В начале 60-х годов обе системы стереозвука постановлениями МККР и ОИРТ были рекомендованы как базовые для внедрения в других странах мира. Как уже отмечалось, в СССР регулярное стереовещание было начато с 1963 года, а в США — с 1961 года. В Европе стереопередачи начались значительно позднее — в 1966-1967 годах, так как европейцы тщательно изучали достоинства и недостатки обеих систем. В конце концов они после долгих раздумий с незначительными изменениями приняли американскую систему с пилот-тоном, которая в европейской версии стала называться системой CCIR. Различия между европейской и американской версиями системы стерео радиовещания с пилот-тоном невелики. Основное из них — разные постоянные времени цепей ВЧ-предискажений: в Европе она равна 50 мкс, а в США и Канаде — 75 мкс. Кроме того, в США предусматривается возможность передачи на поднесущей 67 кГц еще одного дополнительного узкополосного звукового сигнала SCA, который предполагалось использовать в качестве музыкального фона к основной стерео передаче. В Европе же от него сразу отказались. Зато в европейской системе CCIR можно передавать на поднесущей частоте 57 кГц (третья гармоника пилот-тона 19 кГц) вместо SCA цифровые данные по системе RDS (Radio Data System).
Отметим также, что обязательным элементом стереодекодера в системе с пилот-тоном является режекторный фильтр для пилот-тона на частоту 19 кГц (МРХ-фильтр). Его необходимость вызвана тем, что при записи стереопрограмм с приемника на кассетные деки оснащенные шумоподавителем системы Dolby, неподавленный пилот-тон будет восприниматься схемой шумоподавления магнитофона как полезный звуковой сигнал. Это с неизбежностью приведет к нарушению нормальной работы схемы шумоподавите-ля. Проблема настолько серьезна, что, несмотря на наличие такого же фильтра на выходе приемника, практически все кассетные деки с «шумодавами» Dolby до сих пор в обязательном порядке имеют еще и собственный МРХ-фильтр.

Система стереовещания с полярной модуляцией.

Суть советской системы стереозвукового вещания заключалась в том, что для обеспечения совместимости с монофоническими приемниками в ней применен суммарно-разностный метод формирования комплексного стереосигнала. Для этого на передающей стороне из исходного двухканального стереосигнала L и R при помощи матричной схемы формировались два вспомогательных сигнала: суммарный (L+R) и разностный (L-R). Суммарный сигнал передавался обычным способом с помощью частотной модуляции несущей частоты УКВ ЧМ-передатчика. Разностным же сигналом модулировалась амплитуда дополнительной поднесущей с частотой 31,25 кГц. Она численно равна частоте второй гармоники частоты строчной развертки телевизоров (15 625 Гц), так как предполагалось в дальнейшем использовать эту систему и для передачи стереозвука в телевидении. Так как на передачу дополнительного разностного стереосигнала требовалось потратить часть мощности УКВ-передатчика, для улучшения отношения сигнал/шум на передающей стороне уровень поднесущей стереозвука 31,25 кГц уменьшали в 5 раз (на 14 дБ). Полученный в результате этого сигнал со сложным спектром, содержащий в своем составе помимо низкочастотного (тонального) суммарного, еще и высокочастотный (надтональный) разностный сигнал на амплитудно-модулированной поднесущей с двумя боковыми полосами, принято называть комплексным стереосигналом. Параметры системы с полярной модуляцией были выбраны так, чтобы численные значения девиации частоты несущей передатчика были одинаковыми от воздействия на модулятор пиковых уровней суммарного и разностного стереосигналов. При этих условиях полученное на приемной стороне на выходе ЧМ-демодулятора полярно-модулированное колебание обладает замечательным свойством: верхняя огибающая колебаний поднесущей частоты оказывается промодулированной суммарным (L+R) стереосигналом, а нижняя огибающая — разностным (L-R). Этим обеспечивается полная совместимость с имеющимся у населения парком радиоприемников УКВ-диапазона, так как обычные приемники без труда воспроизводили суммарный сигнал (L+R), передаваемый в тональной полосе частот 30-15 000 Гц, что и обеспечивало их полноценное монозвучание. Новые же модели приемников, оснащенные специальными устройствами — стереодекодерами, могли с их помощью выделять из принятого комплексного стереосигнала дополнительную информацию о разностном сигнале (L-R), передаваемую на поднесущей 31,25 кГц. Ну, а затем этот разностный сигнал (L-R) вместе с суммарным стереосигналом (L+R) поступал на схему матричного сумматора, где путем простых суммарно-разностных преобразований из них можно легко получать сигналы двух исходных стереозвуковых каналов. В самом деле, путем суммирования (L+R) + (L-R) получается сигнал 2L левого канала, а путем вычитания (L+R) — (L-R) получается сигнал 2R правого канала. На практике преобразование (детектирование) полярно-модулированных колебаний в советской системе осуществляется следующими тремя принципиально различными способами.
1) Выделением поднесущей стереозвука с восстановлением ее первоначального уровня и AM-декодированием надтонального сигнала с последующими суммарно-разностными преобразованиями низкочастотного и надтонального сигналов.
2) Детектированием огибающей стереосигнала. Достоинство этого метода — простота схемной реализации, недостаток — большой коэффициент гармоник, вызванный нелинейностью диодов детектора, особенно на высших звуковых частотах.
3) Декодированием с временным разделением сигналов каналов А и В или временным стробированием полярно-модулированных колебаний. Этот алгоритм был реализован в отечественной микросхеме К174ХА14. Сегодня в России производится новая микросхема двухстандартного стереодекодера КР174ХА51, использование которой предполагается пока только в отечественных автомагнитолах.
В большинстве отечественных стереоприемников, в том числе первого поколения, использовался метод суммарно-разностных преобразований низкочастотного тонального и надтонального сигналов. Недостатком этого метода являлась необходимость восстановления первоначального уровня поднесущей в стереодекодере с высокой точностью для обеспечения нормальной работы амплитудного детектора, что заметно усложняло схему стереодекодера и требовало его точной настройки.

Теперь к практике.
Хорошие показатели мне выдала вот такая схема:

Сигнал звуковой частоты поступает на стереокодер (если точнее, то на генератор комплексного стереосигнала), на балансный модулятор, собранный на микросхеме КР504НТ1А. С выхода генератора сформированный комплексный стереосигнал подается на ЧМ-генератор. Генератор КСС содержит тактовый генератор, собранный на микросхеме К561ЛА8. С тактового генератора сигнал прямоугольной формы и частотой 76 кГц поступает на делитель частоты на 2. Парафазные импульсы с выхода делителя частоты приходят на балансный модулятор (38 кГц) и одновременно положительный импульс с выхода делителя поступает на еще один делитель на 2. На выходе балансного модулятора сигнал, с частотой 19 кГц суммируется с сигналом, полученным балансным модулятором. Частота 19 кГц нужна для включения стереодекодера на радиоприемнике («синхронизация»). С помощью парафазных импульсов частотой 38 кГц происходит разделение левого и правого каналов. Конденсаторы в тактовом генераторе типа КМ или КСО(группы Б) для стабилизации частоты. Если схема собрана правильно и все детали исправны, то она начинает работать сразу после включения. Достаточно настроить генератор на частоту 76 кГц путем поворота движка подстроечного резистора. В случае неустойчивого сигнала синхроимпульса пилот-тона, следует уменьшить сопротивление резистора на сумматоре примерно до 1-1,5 мОм.

Источник

Еще раз о радиовещании с полярной модуляцией

Еще раз о радиовещании с полярной модуляцией

С интересом прочитал я статью М.Петрова и Р.Котиковой «Пилот-тон или полярная модуляция?» (Broadcasting, №8(36), 2003 «.), в которой рассматриваются пути перехода на единый стандарт вещания в полосе частот 65,9. 74 МГц. Авторы понимают сложность задачи, и я искренне благодарен им за активную позицию. Но насколько предлагаемые ими пути решения отвечают поставленной цели? И какова же цель предприятия? На мой взгляд, целью должно стать улучшение использования потенциала диапазона 65,9. 74 МГц, поэтому давайте рассмотрим ситуацию под таким углом зрения

Приемники: качество и количество

Даже в профессиональном измерительном декодере СДИ-1 пришлось сохранить ручную подстройку фазы и переключать фильтры для измерения АЧХ и уровня шумов. Чего же ждать от массового продукта?

Небесполезна и еще одна справка: в конце 2003 года только в Санкт-Петербурге на одного жителя приходилось 1,3 приемника, то есть больше, чем отечественных и импортных аппаратов для системы ПМ, выпущенных за всю историю существования системы. Так что количество пострадавших от перехода на ПМ окажется ничтожным. Напомню, что массовые модели приемников имеют расширенный диапазон (65,9. 74 и 88. 108 МГц) и декодер ПТ. Точных данных от таможни мне получить не удалось, но поход по магазинам и беседы с крупными поставщиками бытовой техники позволяют понять, что речь идет о миллионах новых радиоприемников, владельцы которых только выиграют.

Как обстоят дела с радиопередающим оборудованием? И нужно ли проводить исследования «влияния на параметры стереосигналов действующих систем сложения нескольких передатчиков, работающих на одно антенно-фидерное устройство (АФУ)», как предлагают авторы статьи «Пилот-тон или полярная модуляция»?

Действительно, мосты сложения, АФУ, да и сами передатчики «Дождь» и «Мед» были изготовлены без оглядки на возможность работы с ПТ, и нельзя исключить вероятность того, что при переходе возникнут трудности или даже проблемы. Обратимся еще раз к сравнительной таблице параметров (табл. 2).

И что получается? Влияние на разделение каналов искажений АЧХ в тракте КСС можно оценить по уравнению:

Влияние полосы пропускания радиотракта на разделение каналов можно оценить по уравнению:

Не думаю, что такие потери можно считать критическими.

Если в исходном варианте разделение каналов, обеспечиваемое стереокодером, было равно, например, 50 дБ, то теория предсказывает вероятное ухудшение при переходе на ПТ до 43 дБ. Реальная жизнь сложнее: на разделение каналов влияет не только АЧХ тракта, но и его ФЧХ; следует помнить про качество кодера в передатчике и, что особенно важно, качество приемника. Если при работе с ПМ мы имели разделение каналов на выходе приемника меньше 30 дБ, а Кг=2%, то переход на ПТ дает нам 40 дБ и 0,3%.

Радиосигнал ПТ занимает чуть большую полосу частот в эфире: при девиации 50 кГц имеем 206,5 против 190 кГц, или 7% разницы. Неприятных последствий для ЭМС не предвидится, и рассуждения о недостаточной полосе пропускания АФУ и мостов сложения тоже кажутся немного надуманными. Трудности могут возникнуть при увеличении девиации до возможных 75 кГц, но давайте решать задачи по мере их поступления.

Увеличение девиации может привести к ухудшению ЭМС. Частотное планирование чем-то сродни лечению насморка: если лечить, то через неделю выздоровеешь, а если не лечить, то семь дней придется недужить. И дело тут не в квалификации врача (или специалиста по распространению радиоволн), а в природе явления: точность существующих моделей, которыми оперируют при расчетах ЭМС, высокой не назовешь.

Во-первых, очень трудно учесть рельеф и состояние земной поверхности, тем более что они меняются со временем. Сказывается и изменение параметров атмосферы. Так что в графе «итого» появляются числа с пометкой «50/50», то есть требуемая величина напряженности поля будет обеспечена не менее чем на 50% территории и 50% времени.

В результате точность расчетов оказывается весьма приблизительной, но тратить время и деньги на ее повышение едва ли нужно. Особенно остра ситуация в диапазоне метровых волн, когда размеры препятствий сопоставимы с длиной волны. Напомню, диапазон 65,9. 74 МГц дает нам волны длиной около 4 м, а диапазон 88. 108- около 3 м, так что проезжающий трамвай или даже мотоцикл способен изменить распределение волн.

И кому все-таки платить? На листе бумаги не отразить весь объем финансовых потоков, но основные направления показать можно.

Если речь идет о радиостанции, финансируемой из средств государственного бюджета, то формально она обязана хранить верность системе ПМ. Но сколько осталось чисто бюджетных станций? По моим наблюдениям в крупных городах таких нет. Если государство не обеспечивает финансирования, то вправе ли оно запрещать радиостанции повышать качество вещания?

Коммерческая станция, оплатив кусочек эфира, вправе использовать его по своему усмотрению. И не вижу причин, по которым участок частотного диапазона, предназначенный для радиовещания, не мог бы быть использован по другому назначению, например для связи или радиомикрофонов караоке. Если в этом случае выделенный диапазон частот приносит владельцу прибыль большую, чем радиовещание, то почему бы и нет? Плати налоги и спи спокойно.

Что же им делать в такой ситуации, куда приложить руки, как заработать на хлеб насущный, Интернет и прочие нужные вещи?

Как отмечалось в статье о пилот-тоне, «в полосе частот 65,9. 74 МГц был составлен частотный план, позволяющий повсеместно реализовать передачу четырех программ звукового вещания». В ситуации, когда государство платило за все, можно было из московских кабинетов определить количество радиостанций, необходимых и достаточных в каком-либо месте, будь то Ленинград или Когалым. Сегодня обнаружилось, что в одних регионах рынок активнее и вещание десятков станций оказывается рентабельным. Есть и другие регионы. Оставить их без вещания? Ошибка. Попробовать организовывать малобюджетные станции? Встает сугубо научный вопрос: к каким последствиям приведет выход в эфир сотен маломощных (10. 50 Вт) передатчиков вдоль трасс или в небольших населенных пунктах? Идет речь об использовании общественного ресурса, и оплачивать эти работы нужно из бюджета. Иначе результаты могут оказаться неожиданными.

Данные по радиоприемникам, положенные в основу расчетов ЭМС, сегодня несколько устарели, и полезно было бы уточнить эту информацию. Если государство берется защищать права потребителей (налогоплательщиков), то оно и должно финансировать такого рода работы.

Надо что-то исправить.

Старший научный сотрудник Университета телекоммуникаций им. М.А. Бонч-Бруевича
Михаил Сергеев

Источник

Пилот тон

При использовании тонального шумоподавителя полезный сигнал в радиоканале может быть услышан только теми радио у которых на приёмнике стоит пилот-тон, идентичный тону передающей радиостанции. Таким образом можно организовать групповой и индивидуальный радиообмен различных пользователей на одной частоте, причём пользователи с различными пилот-тонами не будут слышать друг друга. Но это не означает возможности одновременного разговора радиоабонентов с различными пилот-тонами. При одновременном выходе в эфир таких пользователей произойдёт интерференция, делающая невозможным радиообмен. Для борьбы с такими коллизиями в радиостанциях предусмотрен ряд функций. Такие как «Запрет на передачу при занятом канале» (Busy channel lockout), «Предварительное прослушивание эфира стандартное и принудительное» (Monitor, Forced monitor).

Технически может быть использовано до 64 кодов в частотном диапазоне от 30 до 300 Гц:

В связи с такими различиями в трактовке кодов CTCSS производителями, при программировании радиостанций различных брендов необходимо обращать внимание именно на частоту пилот-тона в Герцах, а не на его номер или обозначение.

При использовании нескольких пилот-тонов на одном радиоканале нежелательно использование соседних частот, например 74,4 и 77 Гц, так как электронные компоненты приёмников, имея определённые допуски характеристик, или вследствие естественного старения, могут приводить к ошибочному декодированию и пропускать обрывки разговоров соседних групп.

Использование пилот-тонов привело к характерному щелчку по окончании разговора, т.к. декодеру CTCSS требовалось несколько миллисекунд на отключение и в динамик проходил «белый шум». Для борьбы с этим явлением применяется поворот фазы пилот-тона в конце передачи (Revers burst):

Пример последовательности с номером 114.

Скорость передачи выбрана таким образом, что её спектр находится ниже спектра обработки речи. Есть определённая проблема, вызванная перекрытием спектра DCS и сигнала генератора, управляемого напряжением синтезатора частоты (ГУН), что приводит к искажению формы сигнала DCS. По этой причине в систему включаются последовательности, имеющие сбалансированную структуру, т.е. количество нулей приблизительно равно количеству единиц, что позволяет минимизировать искажения сигнала.

Всего доступно 104 кода из которых 20 (ввиду возможных коллизий) использовать нежелательно (отмечено красным):

Использование кодов DCS значительно расширило возможности крупных конвенциональных систем, обеспечило более стабильную работу оборудования т.к. время декодирования уже не зависило от номера кода. Кроме того цифровые посылки не требовали систем поворота фазы в конце передачи, т.к. отпускание РТТ выдавало в конце кода посылку «закрыть шумоподавитель». Однако время декодирования последовательности DCS немного выше (примерно 180 мс) т.к. система коррекции ошибок подразумевает получение 23-битного слова для открытия шумоподавителя свободного от ошибок. Также это критично в зонах неуверенного приёма. Хотя в целом разница качестве работы систем СTCSS/DCS незначительна.

Использование кодированного шумоподавления требует более высокой квалификации как технического персонала, так и пользователей. Связано это со способностью пилот-тонов маскировать помехи в радиоканале. Именно маскировать, а не убирать! Прерывистая природа помех не позволяет пользователям определить их наличие, что приводит к ухудшению радиопокрытия и потере сообщений. Современное оборудование позволяет применять ряд программно-технических мер для борьбы с помехами и быстрой реакции на возникающие проблемы.

Существует достаточно большое количество контроллеров базовых станций, позволяющего значительно расширить возможности конвенциональных полудуплексных радиосетей:

Источник