Радиосвязь,_радиовещание,телевидение2

Глава 4. Обработка звуковых сигналов

4.1. Задачи обработки звуковых сигналов

Под обработкой понимают такие преднамеренные преобразования вещательных сигналов, которые производят для создания специальных эффектов, коррекции частотных искажений, изменения тембральной окраски звучания, снижения шумов, сжатия динамического диапазона сигналов до пределов, обусловленных параметрами каналов связи и особенностями прослушивания программы в домашних условиях, и т.д.

Для сигналов художественного вещания главной задачей обработки является обеспечение общего высокого качества, для сигналов информационного вещания – обеспечение прежде всего высокой разборчивости речи. При этом должен быть по возможности сохранен естественный динамический диапазон звуковых сигналов.

В зависимости от изменяемого параметра полезного сигнала различают обработку по спектру (частотная обработка), по уровням (динамическая обработка), шумоподавление и спецэффекты. Частотную обработку производят с помощью корректоров(набора различных фильтров), динамическую – с помощью ручных и автоматических регуляторов уровня, спецэффекты – с помощью ревербераторов, линий задержки, гармонайзеров и других устройств, шумы снижают шумоподавителями.

Очень часто необходимо изменять спектр сигналов звукового -ве щания. Чаще всего требуется выравнивать амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) каналов передачи звуковых сигналов, особенно в области верхних частот. Однако иногда требуется иметь не горизонтальную АЧХ, а деформированную. Например, для повышения разборчивости речи рекомендуется осуществлять спад в области низких частот звукового диапазона и подъем на частотах3…5 кГц. Для создания так называемого эффекта присутствия(кажущегося присутствия слушателя в одном помещении с исполнителем) звукорежиссеры изменяют АЧХ в диапазоне0,7…4 кГц. Для уменьшения низкочастотного фона и шумов включают фильтры низших и высших частот, называемые фильтрами среза.

Одним из основных параметров сигнала звукового вещания является его динамический диапазон. Под динамическим диапазоном понимают отношение максимального значения сигнала к минимально-

му, т.е. D = 20lg(Umax Umin ) .

Различают естественный (натуральный) диапазон музыки и речи и динамический диапазон вещательного сигнала в электрическом канале. В табл. 4.1 приведены усредненные значения динамических диапазонов некоторых сигналов.

Из таблицы видно, что возможности каналов не позволяют передать по ним натуральный динамический диапазон. Поэтому звукорежиссеры с помощью регуляторов уровня сжимают динамический диапазон до требуемого значения.

В домашних условиях вещательные передачи обычно прослушивают при максимальных акустических уровнях порядка80 дБ, а акустические шумы в помещении достигают35…40 дБ. Следовательно, минимальный уровень полезных сигналов должен быть не ниже 40 дБ. Таким образом, исходя из реальных условий прослушивания в домашних условиях, динамический диапазон вещательных сигналов не должен превышать (80–40) 40 дБ. Следовательно, исходя из условий прослушивания, передавать по каналам вещания динамический диапазон более 40 дБ не только невыгодно, но и нецелесообразно.

Для каналов радиовещания недопустим уровень сигнала, превышающий номинальное значение, так как при этом появляются большие нелинейные искажения. Так, при возрастании уровня сигнала на входе АМ передатчика на2 дБ сверх номинального значения, т.е. примерно на 25 %, коэффициент гармоник возрастает с 2,5 до 12 %. Аналогичные явления имеют место в мощных усилителях проводного вещания. Кроме того, при увеличении входного уровня сверх номинального значения передатчик или усилитель может выйти из строя. Чтобы этого не произошло, осуществляют их защиту с помощью ограничителей. Изменяя уровни ручными и автоматическими регуляторами, звукорежиссеры осуществляют динамическую обработку сигналов.

Большинство устройств обработки сигналов звукового вещания расположены в пульте звукорежиссера или непосредственно связаны с ним. Кроме того, такие устройства обработки, как частотные корректоры и автоматические регуляторы уровня, устанавливают в каналах связи и на входе передатчиков и мощных усилителей.

4.2. Регулирование уровня и динамического диапазона

Регулирование уровня бывает ручное и автоматическое. В свою очередь ручное регулирование подразделяют наоперативное и ус-

тановочное.

Ручное регулирование уровня осуществляют с помощью ручных регуляторов, управляемых звукорежиссером, – при оперативном регулировании и техническим персоналом предприятий связи– при установочном. Автоматическое регулирование производится сжимателями и расширителями динамического диапазона, ограничителями максимальных уровней, ограничителями минимальных уровней и иными устройствами.

Оперативное регулирование уровня производят только в процессе формирования программы. Главное оборудование этих аппаратных – пульт звукорежиссера и магнитофоны для записи и воспроизведения вещательных программ. Результаты регулирования контролируют с помощью указателей уровня и громкоговорящих агрегатов.

Во всех остальных точках вещательного канала производят лишь установочное регулирование уровня. Его цель – установление таких коэффициентов передачи звеньев вещательного канала, при которых максимальные уровни сигнала в каждой точке канала будут соответствовать номинальным.

Установочное регулирование проводят до начала передачи вещательной программы, обычно на измерительных (испытательных) сигналах, подаваемых из вещательной аппаратной.

Для получения наилучшего звучания вещательной программы звукорежиссер заранее изучает звуковой материал, подлежащий записи

ивыраженный в форме партитуры или сценарного плана, знакомится с техническими характеристиками вещательного канала, пользуется выработанными практикой приемами регулирования. Регулирование производят таким образом, чтобы создать у слушателей достаточно хорошее художественное впечатление и в то же время не допускать ухода уровня за пределы, устанавливаемые правилами эксплуатации технических средств вещания.

Возможности человека в отношении быстроты реакции, точности

инадежности выполнения операций ограничены. Кроме того, сказываются утомление, эмоциональное состояние и другие психофизиологические факторы. Исследования показали, что время реакции звукорежиссера не менее 2 с, даже если партитура музыкального произведения ему известна. Это приводит к погрешности в поддержании максимальных уровней музыкальных программ до±4 дБ относительно номинала. Поэтому в помощь звукорежиссеру создано большое число различных устройств автоматической обработки уровней сигналов – авторегуляторов уровня (АРУР).

Например, если звукорежиссер не успеет отреагировать на -бы строе нарастание уровня, ограничитель максимального уровня, обладающий большей скоростью реакции, автоматически уменьшит коэффициент передачи и тем самым предотвратит поступление сигнала чрезмерного уровня в последующие звенья канала. В этом первое назначение авторегуляторов уровня.

При работе авторегуляторов в режиме сжатия динамического диапазона увеличивается средняя мощность сигналов, и вследствие этого повышается эффективность работы оконечных устройств– радиопередатчиков, мощных усилителей и т.п. В этом второе назначение авторегуляторов.

При совместной работе сжимателя и расширителя, устанавливаемых соответственно в начале и в конце канала передачи(компандерная система), значительно улучшается качество передачи по каналам с большим уровнем шумов – в этом третье назначение авторегуляторов уровня.

В некоторых случаях, например при речевых передачах информационного характера, регулирование уровня может быть полностью доверено автоматическим регуляторам.

Классификация и типы авторегуляторов. Авторегуляторы уров-

ня звуковых сигналов классифицируются следующим образом.

По критерию инерционности: безынерционные амплитудные ограничители (пикосрезатели); инерционные; комбинированные.

По виду амплитудных характеристик и выполняемым функциям:

ограничители максимальных уровней (в литературе также называются «лимитеры»); сжиматели (компрессоры) динамического диапазона; расширители (экспандеры) динамического диапазона; шумоподавители; устройства со сложным преобразованием динамического диапазона (авторегуляторы громкости).

По виду регулировки: с прямой и обратной регулировкой. В первом случае сигнал для канала управления снимается до регулируемого элемента, во втором – после него (иногда используется их сочетание).

По характеру управления: с управлением от сигналов самой радиовещательной передачи; с программным управлением от внешнего источника, например автомикшеры.

Безынерционные амплитудные ограничители(пикосрезатели) «срезают» пики сигнала сверх некоторого установленного значения U0 , как это показано на рис. 4.1.

При превышении мгновенным значением напряжения порога(определяется напряжением стабилизации стабилитрона) возникает ток через стабилитроны VD1, VD2, вызывающий падение напряжения на ограничительном резисторе Rогр , благодаря чему и происходит стабилизация напряжения на пороговом уровне. Основным недостатком

Рис. 4.1. Принцип работы и схема пикосрезателя

пикосрезателя являются недопустимые нелинейные искажения. Так, например, при ограничении на 10 дБ Кг = 30 %. По этой причине пикосрезатели используются лишь для ограничения кратковременных (до 2 мс) пиков срабатывания и устанавливаются после инерционных ограничителей.

Для того чтобы авторегулятор не вносил нелинейных искажений, он должен быть инерционным, т.е. инерционные авторегуляторы – это такие устройства, у которых изменение коэффициента передачи происходит не сразу после изменения сигнала на его входе, а с некоторой задержкой во времени. Для оценки инерционности АРУР введены две динамические (временные) характеристики: срабатывания (установления) и восстановления. Для всех АРУР (кроме шумоподавителя) срабатыванием принято считать реакцию авторегулятора на увеличение уровня сигнала, а восстановлением – на его уменьшение.

Время срабатывания t ср – это интервал между моментом, когда от источника начинает подаваться сигнал с уровнем на6 дБ выше номинального значения, и моментом, когда выходной уровень уменьшится с 6 до 2 дБ по отношению к номинальному значению (рис. 4.2).

Время восстановления t в – это интервал времени между моментом, когда уровень сигнала от источника снижается с6 дБ до номинального значения 0 дБ, и моментом, когда выходной уровень увеличится от –6 до –2 дБ по отношению к номинальному значению.

Выбор временных параметров авторегуляторов определяется назначением конкретного типа АРУР и практическими соображениями. С одной стороны, чтобы авторегулятор не вносил нелинейных искажений, желательно иметь большое время срабатывания, например на порядок больше периода сигнала. С другой стороны, для того чтобы авторегулятор не искажал динамики звукового сигнала, его время срабатывания должно быть меньше времени так называемой звуковой атаки – времени установления звука в помещении. Время установления звука является индивидуальной характеристикой источника звука, и именно оно во многом определяет характер его звучания. Поэтому время срабатывания должно быть меньше времени установле-

Рис. 4.2. Переходные процессы в инерционном авторегуляторе уровней

ния звука. Для сигналов речи время установления6…120 мс, для скрипки 80…120 мс и т.д. Лишь некоторая небольшая группа источников звука имеет время установления меньше 5 мс.

Найти выход из этих противоречивых требований позволяет свойство слуха замечать нелинейные искажения лишь в тех случаях, когда их длительность превышает 10 мс. Исходя из этих соображений, для ограничителей уровня выбирают время срабатывания(установления) таким образом, чтобы не исказить естественное время нарастания звука в помещении, т.е. 0,5…2 мс. Конечно, в течение этого времени будут наблюдаться нелинейные искажения, но слух их не воспринимает.

При выборе времени восстановления также сталкиваются с противоречивыми требованиями. Если выбрать время восстановления совсем малым, то ограничитель практически превратится в пикосрезатель и будет вносить большие нелинейные искажения . Если взять время восстановления равным времени срабатывания, то нелинейные искажения, даже если они и возникнут, не будут заметны на слух. Однако при этом звучание потеряет свою контрастность. Если же выбрать время восстановления очень большим, то возможны длительные ослабления уровня вещательного сигнала. Так, если после сигнала с большим уровнем, вызвавшим уменьшение коэффициента усиления АРУР, будут следовать сигналы с малым уровнем, то последние будут ослаблены. Пока коэффициент усиления АРУР не восстановится, сигналы будут передаваться с пониженным уровнем. Для сохранения естественности звучания выбор времени восстановления связали с реверберационными характеристиками помещений. Исходя

Рис. 4.3. Структурная схема инерционного авторегулятора

из этого, в ограничителях максимальных уровней время восстановления выбирают от 0,5 до 2 с.

Временные характеристики сжимателей динамического диапазона и шумоподавителей определяются особенностями их работы. Выбирать у них время восстановления как у ограничителей нельзя, так как они должны быстрее восстанавливать коэффициент усиления во избежание маскировки сигнала шумом. Так, для речевых сжимателей выбирают время восстановления 300 мс. У сжимателей музыкальных сигналов предусматривают возможность оперативного выбора времени восстановления 100, 300, 500 мс, 1 и 2 с.

Винерционных авторегуляторах управление коэффициентом передачи осуществляется самим сигналом. Структурная схема такого АРУР представлена на рис. 4.3.

Вданной схеме применена обратная регулировка. Регулируемый элемент (РЭ) выполняет необходимую регулировку коэффициента передачи АРУР в соответствии с требуемым законом регулирования. Входной усилитель (У1) обеспечивает подачу на РЭ сигналов необходимой амплитуды. Выходной усилитель (У2) обеспечивает требуемое выходное напряжение и низкое выходное сопротивление. Интегрирующая цепь (ИЦ) определяет временные параметры АРУР.

Детектор (Д) предназначен для выпрямления вещательного сигнала в цепи управления с тем, чтобы осуществить заряд конденсатора ИЦ. Детектор Д и ИЦ преобразуют сигналы звуковой частоты в относительно медленно изменяющееся управляющее напряжение определенной полярности. Усилитель У3 предназначен для развязки и необходимого усиления сигнала в цепи управления. Усилитель У4

Рис. 4.6. Амплитудная характеристика расширителя (экспандера)

4.3. Устройства шумоподавления

Устройства шумоподавления предназначены для улучшения - от ношения сигнал–шум на выходе канала звукового вещания или устройства записи – воспроизведения сигналов и могут быть двух видов: статические и динамические (адаптивные). К статическим относят такие устройства, параметры которых не зависят от входного сигнала и в процессе работы остаются неизменными. Адаптивные шумоподавители изменяют свои параметры под воздействием проходящего через них сигнала.

Рассмотрим вначале статические устройства шумоподавления, действие которых основано на лучшем, чем при их отсутствии, согласовании сигнала с каналом. Самым распространенным способом статического шумоподавления является использование предыскажающих и восстанавливающих контуров. Известно, что спектр звуковых сигналов имеет значительную -не равномерность, причем спад особенно заметен в области высоких частот звукового диапазона (рис. 4.7, а). С другой стороны, шум в канале обычно распределен по спектру равномерно (см. рис. 4.7, б). Это позволяет улучшить отношение сигнал– шум на выходе канала за счет использования предыскажающих

Рис. 4.8. Принцип работы компандерной системы

(ПК) и восстанавливающих (ВК) контуров. Первые включаются на входе канала, вторые – на его выходе.

Коэффициент передачи ПК выбирается так, чтобы обеспечить подъем тех спектральных составляющих сигнала, уровень которых относительно мал.

На выходе канала включается ВК с коэффициентом передачи, обратным частотной характеристике ПК (см. рис. 4.7, в). Поэтому на выходе канала спектр сигнала останется неизменным. Шум же, проходя через ВК, будет существенно ослаблен (см. рис. 4.7, г).

Наиболее распространенным видом динамического шумоподавителя является компандерная система, состоящая из компрессора (сжимателя), устанавливаемого на входе канала, и экспандера (расширителя), устанавливаемого на его выходе. Эта система широко применяется в междугородных каналах звукового вещания и в -раз личных модификациях в устройствах магнитной записи. Структурная схема компандерной системы приведена на рис. 4.8.

Пусть, например, динамический диапазон сигнала 60 дБ, а уровень шума в канале передачи –40 дБ. Очевидно, что в канале уровень шума на 20 дБ превысит уровень слабых сигналов и они будут «скрыты»

вшумах. Сжиматель, у которого gc = 0,5 , поднимает слабый сигнал до уровня –30 дБ, что на 10 дБ выше уровня шума. В пункте приема расширитель восстановит исходный динамический диапазон, а уровень шума на выходе расширителя при прохождении слабых сигналов окажется на 20 дБ ниже уровня этих сигналов.

Таким образом, применение компандера позволяет передать сигнал вещания по каналу, динамический диапазон которого меньше динамического диапазона самого сигнала. При этом средний выигрыш

вотношении сигнал–шум составляет 10…13 дБ.