Аналоговое и цифровое радиовещание

91

Рис. 10.5. Возникновение паразитной АМ, приводящей к нелинейным искажениям ЧМ-сигнала при больших f д (а) и при расстройке приемника (б)

2. Нелинейность фазовой характеристики радиотракта передатчик-приемник может вызвать существенные нелинейные искажения вследствие изменения закона модуляции частоты сигнала. Для доказательства этого предположим, что на вход резонансного усилителя с частотной и фазовой характеристиками, изображенными на рис.10.6, подается частотно-модулированное напряжение

Рис. 10.6. Возникновение искажений ЧМ-сигналов из-за нелинейности фазочастотной характеристики радиотракта передатчик-приемник

паразитную АМ, т.к. амплитудная характеристика усилителя неравномерна. Ненужная АМ может быть устранена двусторонним ограничителем.

Напряжение на выходе усилителя будет иметь и изменения частоты. Из

Сравнивая (10.12) и (10.14), можно заключить, что закон изменения частоты на выходе усилителя будет соответствовать закону изменения частоты на его входе, если фазовый сдвиг сигнала в усилителе постоянен. Это возможно лишь при линейной фазовой характеристике усилителя, т.к. в этом случае

Резонансные системы (одиночные контуры, двухконтурные фильтры, ФСС), широко применяемые в радиоприемниках, являются минимально-

фазовыми цепями. В минимально-фазовых цепях частотная и фазовая характеристики однозначно связаны между собой. Это позволяет определить необходимую полосу пропускания радиотракта приемника (в пределах которой фазовая характеристика радиотракта квазилинейна) исходя из заданного коэффициента нелинейных искажений ЧМ-сигнала.

Для УПЧ, имеющего n одноконтурных резонансных систем:

Для радиотракта с ФСС коэффициент гармоник может быть рассчитан с использованием следующих формул:

Расчет, например, по (10.17) показывает, что для обеспечения kг 2 % при fд max 50 кГц и M 3 ,33 УПЧ с тремя двухконтурными системами ( n 3 ) должен иметь полосу пропускания П0 ,7 220 кГц .

3. Нелинейные искажения при детектировании ЧМ-сигнала возникают из-за нелинейности детекторной характеристики ЧД. Наиболее часто в приемниках используются или диодный дифференциальный ЧД, или диодный дробный ЧД, с двухконтурным полосовым фильтром [21,31]. Коэффициент нелинейных искажений таких ЧД зависит от максимальной девиации частоты ЧМ-сигнала и полосы пропускания полосового фильтра ( П0 ,7 ПФ ). При факторе

связи контуров 1 [6,21.]:

Например, для обеспечения при детектировании kг 2 % необходимая полоса пропускания двухконтурной системы ЧД П0 ,7 290 кГц .

4. Причиной появления нелинейных искажений может быть цепь частотных предыскажений в канале звуковых частот передатчика. При постоянной времени этой цепи 50 мкс уровень модулирующего сигнала на

частоте 6 кГц возрастает на 6 ,6 дБ , а на частоте 15 кГц — на 13 ,6 дБ (см. данные табл.10.1). Обычно это не приводит к неприятным последствиям, т.к. максимальные уровни звуковых сигналов на частотах выше 5 ...7 кГц

существенно меньше, чем на средних, и понижаются тем значительнее, чем выше частота (рис.10.7). Однако в редких случаях на верхних частотах могут

94

появляться уровни, мало отличающиеся от их максимальных значений. Из-за частотных предыскажений в такие моменты времени резко возрастает девиация несущей частоты передатчика, вызывающая при приеме значительные нелинейные искажения. Эти искажения проявляются на слух как хрипы.

Рис. 10.7. Зависимости нормированной спектральной плотности мощности от частоты для речевых и музыкальных сигналов звукового вещания

10.2. Стереофонический эффект. Слуховой аппарат человека способен определять направление, из которого приходит звуковой сигнал, т.е. локализовать источник звука. Наиболее совершенна способность слухового аппарата к локализации звука в горизонтальной плоскости, менее совершенна -

в вертикальной плоскости. Информация о локализации звука содержится в разности фаз (разности времени прихода) и разности амплитуд звуковых колебаний, попадающих в левое и правое ухо. Способность слуха улавливать эти разности называют бинауральным эффектом.

На рис. 10.8,а показан перемещающийся по окружности относительно головы человека источник звука, направление на который определяется углом. Если расстояние до источника звука 5 м , расстояние между ушами

18 cм , то изменение разности фаз ( ) звуковых колебаний для частот 100 Гц , 1 кГц и 10 кГц характеризуется графиками рис. 10.8,б [15]. Видно, что на частоте 100 Гц информация, заложенная в разность фаз, меняется медленно и в небольших пределах. На частоте 1 кГц разность фаз дает четкую информацию о направлении. На частоте 10 кГц разность фаз меняется быстро и становится многозначной, т.е. одна и та же величина соответствует

различным направлениям на источник звука. Исходя из этого можно заключить, что слуховой аппарат человека хорошо локализует источники звуков, если их частоты лежат в пределах примерно от 300 Гц до 5 кГц . Именно в этом диапазоне стереофоническая аппаратура должна наиболее правильно

95

воспроизводить амплитуды и фазы звуковой информации.

Рис. 10.8. Изменение расстояний до ушей человека ( l1 , l2 var ) при перемещении источника звука (а); изменение разности фаз звуковых колебаний разных частот при перемещении источника звука (б)

Слушатель, находящийся в концертном зале, воспринимает объемное звучание, в образовании которого участвуют звуки, приходящие с разных направлений. При этом, благодаря бинауральному эффекту, можно на слух определить место расположения каждой группы инструментов оркестра, солирующего инструмента и солиста. В образовании объемного звучания свой вклад вносит зал, в котором к прямым звукам добавляются звуки, отраженные от стен, потолка и пола.

Звуковоспроизводящая аппаратура должна создавать

стереофонический эффект, который заключается в том, чтобы слушатель воспринимал от акустических систем (громкоговорителей) объемное звучание, дающее эффект присутствия в концертном зале.

Наилучший стереофонический эффект можно получить при использовании четырехканальной стереофонии или квадрафонии. При этом используют четыре громкоговорителя, расположенных в вершинах квадрата и окружающих слушателя. Квадрафоническое воспроизведение может создать эффект кругового перемещения источника звука относительно слушателя. Однако четырехканальная стереофония требует сложной аппаратуры, стоимость которой высока. Поэтому наибольшее распространение получила

двухканальная стереофония.

96

10.3. Формирование сигналов стереопары. Различают три способа получения стереофонических сигналов: AB , XY и MS [15].

При способе AB используют два одинаковых по своим характеристикам микрофона с кардиоидными диаграммами направленности, расположенные друг от друга на расстоянии 0 ,5 ...6 м симметрично относительно центра сцены

(рис.10.9,а). Расстояние между микрофонами называют базой микрофонов (БМк). Микрофоны воспринимают звуки от отдельных источников с различными фазами и интенсивностями. Важен правильный выбор величины БМк. Слишком малая БМк ведет к уменьшению «стереофоничности» звука, приближению к монофоническому звучанию. Слишком большая БМк вызывает «разрыв» звучания, который называют «эффектом пинг-понга». При этом нарушается слитность звучания, оно кажется разорванным на две части - правую и левую. Звуков из центра почти не слышно, как это бывает при игре в пинг-понг.

Рис. 10.9. Расположение микрофонов в студии при использовании системы AB (а); зоны стереоэффекта в комнате прослушивания (б)

При способе XY используют два расположенных в непосредственной близости микрофона с кардиоидными диаграммами направленности и

повернутых так, чтобы максимумы кардиоид образовывали углы 45 o относительно направления на сцену. При этом микрофоны воспринимают звуковые волны от различных источников с различной интенсивностью. Фазовые различия между звуковыми волнами в этом случае отсутствуют.

При способе MS два микрофона располагаются также в непосредственной близости друг от друга. Один из микрофонов ( M ) имеет кардиоидную диаграмму направленности, а второй ( S ) - диаграмму

направленности в виде восьмерки, максимумы которой образуют угол 90 o с направлением на сцену. Микрофон M воспринимает все звуковые волны, а

97

микрофон S - с левой и с правой сторон.

Идентичные по своим характеристикам каналы ( A - левый, B - правый) передают сигналы от микрофонов к громкоговорителям, размещенным в помещении для прослушивания на некотором расстоянии друг от друга (рис.10.9,б). Это расстояние зависит от размеров комнаты прослушивания и называется базой громкоговорителей (БГр). Стереофонический эффект наилучшим образом проявляется в зоне, называемой зоной оптимального стереоэффекта (ЗОС). При обычных акустических системах ЗОС имеет вид, показанный на рис.10.9,б сплошными линиями. Специальные системы с

стереофоническому радиовещанию, следующие.

1.Обеспечение прямой и обратной совместимости. Прямая совместимость определяет возможность приема стереофонических передач на монофонический приемник. Обратная совместимость — возможность приема монофонических передач на стереофонический приемник.

2.Использование при стереовещании примерно той же полосы частот радиотракта, как и при моновещании.

3.Обеспечение допустимого переходного затухания ( п ) между

«передатчик - приемник», от разбаланса поднесущей частоты по фазе на передающей и приемной сторонах системы стереовещания.

Переходное затухание между каналами является важным параметром качества стереофонического тракта. Если стереофонические сигналы проникают из одного канала в другой, то стереоэффект снижается. Снижение качества стереоэффекта становится заметным, если в полосе звуковых частот (0 ,3 ...5 )кГц п ( 25 ...30 )дБ . Если п 0 дБ , то звучание становится

монофоническим. Подробнее о переходном затухании см. в подразделе 10.6.

98

этой полосе частот 45 o .

5. Обеспечение допустимого разбаланса коэффициентов передачи стереоканалов по звуковым частотам. Разбаланс коэффициентов передачи стереоканалов по звуковым частотам приводит к перемещению кажущегося источника звука: источник звука перемещается в сторону более ’’громкого’’ громкоговорителя. Разбаланс стереоканалов не должен превышать 3 дБ . При

разбалансе более 12 дБ звук кажется исходящим из одного громкоговорителя и звучание становится монофоническим.

ЧМ-передатчика. В странах бывшего СССР для стереофонического радиовещания принята система с полярной модуляцией (ПМ) поднесущего (вспомогательного) колебания. Идея ПМ для передачи двух независимых сообщений была предложена в 1939 А.И. Косцовым. В 1958 г. Л.М. Кононович предложил применить ПМ для стереофонического радиовещания в диапазоне УКВ-ЧМ.

Частота поднесущей выбрана равной второй гармонике частоты строк телевидения ( fn 2 Fстр 2 15 ,625 кГц 31 ,25 кГц ; fn 2 Гц ), что дает принципиальную возможность использования системы с ПМ для стереофонического звукового сопровождения телепередач.

Суть ПМ состоит в следующем. Положительные полупериоды колебания с поднесущей частотой модулируются звуковым сигналом A левого канала стереопары, отрицательные полупериоды - звуковым сигналом B правого канала. Если эти сигналы однотоновые ( A U A sin A t , B U B sin B t ), то вид полярно-модулированного колебания (ПМК) изображен (рис.10.10,а), а математическая запись следующая:

u ПМК ( t ) (Un / 2 )[ mA sin A t mB sin B t

по каналам A и B ( 0 mA 1 , 0 mB 1 );

99

n 2 fn угловая частота поднесущего колебания.

Если модулирующие колебания имеют одинаковую частоту ( A B ) и

тональная составляющая ПМК, характеризующая сумму сигналов стереопары;

разность сигналов стереопары, умноженная на функцию cos n t .

Из (10.23) - (10.26) следует, что спектр ПМК содержит тональные составляющие (составляющие звуковых частот), которые характеризуют сумму сигналов стереопары ( M ), и надтональные составляющие (составляющие сверхзвуковых частот), которые характеризуют немодулированную поднесущую и боковые (относительно поднесущей)

100

составляющие разности сигналов стереопары Sn (рис.10.11,а).

В дальнейшем будем использовать символическую запись составляющих суммарно-разностного сигнала:

Рис. 10.11. Спектральные составляющие ПМК (а) и КСС (б) при однотоновой модуляции

суммарно-разностные преобразователи. Схема простейшего суммарноразностного преобразователя (СРП) с резистивным мостом приведена на рис.10.12. Заметим, что на основе такого СРП можно произвести и «обратное преобразование» - из сигналов ( A B ) и ( A B ) получить сигналы 2 A и 2 B .

Рис. 10.12. Схема СРП на основе резистивного моста и трех трансформаторов звуковых частот

Недостатком спектра ПМК является большой уровень спектральной