Радиосвязь,_радиовещание,телевидение2

своеобразный синтезатор спектра. Содержащийся в нем цифровой процессор на основе анализа низкочастотных составляющих спектра воссоздает их высокочастотные гармоники. Тем самым спектр сигнала обогащается новыми составляющими и расширяется в сторону более высоких частот. Эксайтер применяют при реставрации старых фонограмм, записанных с узкой полосой частот, например при перезаписи старых грампластинок. С помощью эксайтера исходный спектр расширяется примерно вдвое.

Следует иметь в виду, что старые фонограммы отличаются увеличенным уровнем помех. Поэтому перед расширением спектра нужно принять меры к его уменьшению.

Упомянем оригинальный прием снижения уровня помех монофонических грампластинок. Сигнал с монофонической фонограммы воспроизводится стереофоническим звукоснимателем. Обе стороны канавки грампластинки модулированы сигналом одинаково, следовательно, коррелированы. Механические неоднородности сторон канавки, обусловливающие шум, различны, не коррелированы. Анализирующее устройство выделяет коррелированные напряжения и подавляет некоррелированные. Это приводит к улучшению отношения сиг- нал–помеха.

Устройства изменения высоты тона. Надобность в изменении высоты тона (изменении тональности звучания – транспонировании) вызвана несколькими причинами.

При принятой технологии записи эстрадных исполнителей вначале подготавливают фонограмму оркестрового сопровождения. Лишь затем под готовую фонограмму записывают голос певца-солиста. При такой технологии исключается необходимость новой записи оркестра при повторной записи голоса, если солист допустил художественные или технические ошибки. Но ко времени записи голоса солиста может случиться, что его звуковысотный диапазон несколько изменился и аккомпанемент необходимо транспонировать в иную тональность. Чтобы не повторять запись оркестра(ансамбля), что требует дополнительных затрат времени и средств, сигнал записанной оркестровой фонограммы преобразуют аппаратурными, техническими средствами.

Казалось бы, транспонировать спектр сигнала можно методом гетеродинирования, смещая частоту F1 исходного сигнала в ту или

строй. Поясним это примером.

Пусть в спектре исходного сигнала имеются две составляющие, находящиеся в октавном соотношении, т.е. с частотами F и 2F. При смещении на DF получатся частоты F + DF и 2F + DF , т.е. октавный интервал будет нарушен. То же случится со всеми другими музыкальными интервалами. Для устранения этого недостатка необходимо,

Рис. 4.14. Блок вращающихся головок для изменения высоты тона

чтобы смещение каждой частотыDFi было пропорционально этой частоте Fi . Выполнить это условие простыми аппаратурными средствами невозможно. Заметим попутно, что на речевых сигналах такой прием допустим, но при смещении частоты не более чем на несколько герц.

Транспонировать звучание в иную тональность можно, изменив скорость движения фонограммы. Если увеличить скорость, то спектр сместится в область более высоких частот, если уменьшить – в область более низких частот. Соответственно изменится высота тона. Такая возможность имеется в современных монтажных магнитофонах. Однако при этом изменяется длительность звучания: при изменении высоты звука на полтона – на 6 %, на тон – на 12 %, на два – на 26 %. Хотя возможности такого способа ограничены, пределы такого транспонирования звука практически вполне достаточны.

Изменение скорости протяжки звуконосителя используется также для создания голосов сказочных персонажей. В давней радиопостановке «Золотой ключик», известной нескольким поколениям, звучание голоса деревянного человечка Буратино, голоса кукол, наводящий ужас низкий голос хозяина театра Карабаса-Барабаса были созданы трансформацией голоса всего одного актера Литвинова. Такой же прием иногда используется в эстрадных записях для имитации -эф фектной, виртуозной игры пианиста. Пьеса исполняется на октаву ниже нотной записи и записывается на вдвое пониженной против номинальной скорости записи, а затем воспроизводится на номинальной скорости.

Для изменения тональности без изменения длительности звучания используют магнитофон с вращающимся блоком головок или особое цифровое устройство – гармонайзер.

Идея действия магнитофона с вращающимся блоком головок иллюстрируется рис. 4.14. Здесь 1 – вращающийся барабан с воспроиз-

водящими магнитными головками 2; 3 – контактное кольцо, к которому подключены головки; 4 – щетка; 5 – направляющие ролики.

Чтобы понять принцип действия устройства, представим, что на ленте записаны импульсы, следующие с какой-то частотой. Если барабан неподвижен, то одна из головок будет считывать импульсы

стой частотой, с какой они были записаны. Если барабан вращается по часовой стрелке, то головка как бы «догоняет» импульсы, записанные на фонограмме, и за прежний промежуток времени головки считают меньшее количество импульсов, т.е. их частота уменьшится. Если барабан с головками вращается против часовой стрелки(против направления движения фонограммы), то за тот же промежуток времени будет считано больше импульсов, чем при неподвижном барабане, т.е. частота следования воспроизводимых импульсов увеличится по сравнении с исходной.

Изменения частоты при постоянной скорости вращения барабана будут пропорциональны частотам записанных сигналов, и нарушения соотношения частот, а следовательно, нарушения гармонического строя не произойдет.

Естественно, что описанный эффект получают в настоящее время

спомощью цифровых устройств. Сигнал превращают в цифровую форму и записывают в ячейки памяти. При считывании выборок некоторые записанные значения повторяются либо, наоборот, пропускаются. Результатом является повышение или понижение высоты тона воспроизводимых сигналов. Это, а также многие другие преобразования производятся гармонайзером – многофункциональным программируемым цифровым устройством.

Устройство такого вида кроме основной функции – смещения спектра – выполняет ряд других операций: имитирует процесс реверберации, осуществляет задержку сигнала, создает иллюзию звучания различных ударных инструментов в различных ритмах и т.д.

Вгармонайзерах обычно применяют универсальный цифровой интерфейс электронных музыкальных инструментов(Musical Instrument Digital Interface – MIDI).

4.5. Особенности цифровой обработки звуковых сигналов

В мировой практике производства звукотехнической аппаратуры закрепились показатели цифровых сигналов, приведенные в табл. 4.2.

Требования к студийной аппаратуре ЗВ для удобства обмена фонограммами определяются международными стандартами. Частота дискретизации сигнала в бытовой аппаратуре, включая компакт-диск, выбрана из условия совместимости со стандартами видеозаписи, что обеспечивает возможность цифровой звукозаписи на аналоговом ви-

Учитывая, что проблемы цифровой звукотехники выходят за рамки данного учебника, отметим только основные показатели качества сигнала при цифровом преобразовании.

Характер искажений и помех в цифровой звукотехнике существенно отличается от такового в аналоговой, и это затрудняет прямое сравнение качества сигналов в общепринятой системе показателей. В аналоговом звуковом тракте накопление искажений и помех подчиняется следующим закономерностям:

1.Частотные искажения в масштабе децибел алгебраически суммируются. Положим, что оригинал записи сделан на аппаратуре со спадом частотной характеристики в1,5 дБ. Тогда третья копия, сделанная на равноценной аппаратуре, будет иметь на той же частоте спад 6 дБ.

2.Шумы складываются квадратично, следовательно при условии равноценности аппаратуры уровень шумов каждой копии на3 дБ выше уровня шумов предыдущей копии; уровень шумов третьей копии на 9 дБ выше, чем у оригинала записи.

3.Нелинейные искажения накапливаются постепенно, определенного закона их суммирования указать нельзя. В области слабых сигналов нелинейные искажения пренебрежимо малы, их уровень возрастает с увеличением уровня сигнала.

Вцифровой звукотехнике применяются корректирующие коды, которые позволяют исправлять ошибки передачи отсчетов мгновенных значений сигнала. Исправление ошибок обычно происходит в два этапа. На первом этапе исправляются или не исправляются отдельные ошибки передачи отсчетов. Если ошибка исправлена– сигнал передается дальше, а если нет – наступает второй этап коррекции сигнала – интерполяция. Интерполяция отдельной ошибки заключается в передаче среднего арифметического двух соседних правильных отсчетов, а интерполяция пакета ошибок– в запоминании последнего правильного отсчета и удержании его до прихода следующего правильного отсчета. Поэтому искажения и помехи в пределах возможностей корректирующих кодов слабо влияют на качество ана-

логового сигнала, восстановленного из цифрового. Если накопилось столько ошибочных символов, что корректирующие коды с ними не справляются, то ухудшение качества сигнала наступает внезапно и проявляется в виде сильных щелчков. При работе интерполятора возникают специфические искажения, так как форма звукового сигнала на промежутках интерполяции сглаживается. Заметность этих искажений не исследована и их величина не нормируется.

Нелинейные искажения аналогового сигнала, полученного на выходе цифрового тракта, зависят от числа отсчетов, которым передан сигнал: они велики в области слабых сигналов, а затем сохраняются пренебрежимо малыми до тех пор, пока не наступит ограничение сигнала во входной цепи АЦП. Основным источником искажений является ошибка квантования, она же является основным источником помехи. Слуховое восприятие ошибки квантования существенно зависит от характера передаваемого сигнала. При отсутствии в сигнале выраженных тонов (оркестр, хор, согласные звуки речи, шумы) ошибка квантования воспринимается как шумовая помеха. В присутствии выраженных тонов (вокальное и инструментальное соло, гласные звуки речи) слышны призвуки, в том числе порожденные нижней боковой модуляционной полосой. Последние могут лежать на шкале частот ниже основного тона полезного сигнала.

Для борьбы с ошибкой квантования и ее звуковыми проявлениями

–увеличивают число уровней квантования;

–вводят на вход АЦП слабый посторонний шумовой сигнал, так называемый раскачивающий шум, и тем самым уменьшают слуховую заметность ошибки квантования, поскольку зависимость звучания ошибки от особенностей сигнала ослабевает, и она проявляется только как шумовая помеха.

Применение в профессиональной и высококачественной бытовой аппаратуре 16-разрядного квантования вызвано желанием уменьшить ошибки квантования и обусловленные ими искажения звука, не стремлением достичь широкого динамического диапазона.

Динамический диапазон цифрового сигнала оценивают величиной D = 20(q -1)lg2 » 6 (q -1) , где q – разрядность квантования.

Отношение сигнал–шум рассчитывают по формуле: cш » 6q +1,8. При 16-разрядном квантовании динамический диапазон составит

90 дБ, а отношение сигнал–шум – 98 дБ. Однако к сопоставлению этих цифр с динамическим диапазоном натуральных источников звука, что иногда встречается в литературе, и к выводам о потенциальных возможностях цифровой звукотехники передавать полный динамический диапазон натуральных звучаний следует относиться осторожно. Звукорежиссеры не по техническим причинам, а по творческим соображениям не стремятся передавать звучания в натуральном динамическом диапазоне и редко выходят за пределы 60 дБ.

Отношение сигнал–шум, полученное при сравнении максимального неискаженного сигнала с шумом квантования, нельзя сопоставлять с отношением сигнала к шуму паузы (или с обратной ему величиной – уровнем шума паузы) в аналоговых звуковых трактах. Во-первых, уровень собственных помех аналоговых трактов вычисляют относительно номинального, а не максимального выходного сигнала, поэтому к найденному показателю надо добавить перегрузочную способность тракта. Во-вторых, шум паузы является статистически независимой от сигнала аддитивной помехой, а шум квантования – модуляционной помехой, коррелированной с сигналом. В паузе шума квантования нет. В аналоговых трактах бывают статистически независимые от сигнала модуляционные помехи, например паразитная амплитудная модуляция в магнитной звукозаписи. В сравнении с ними шум квантования имеет ту особенность, что им модулируются не спектральные составляющие сигнала, а тактовая частота и ее гармоники.

Сравнительная оценка аналоговых и цифровых вещательных сигналов на сегодня такова. Студийные оригиналы записи – аналоговые и цифровые – по качеству звучания приблизительно равноценны. Главное преимущество цифрового сигнала перед аналоговым состоит в его высокой защищенности от помех и искажений в звуковых трактах, потому что источники искажений и помех мало влияют на информативные параметры цифровых сигналов. Этим оправдано изготовление цифровых копий, например цифровых грампластинок, с аналоговых оригиналов и преобразование аналоговых сигналов в цифровые для передачи по каналам связи.

Контрольные вопросы

1.Какие задачи решаются путем обработки сигналов ЗВ?

2.Как классифицируются авторегуляторы уровней сигналов ЗВ?

3.Из каких соображений выбираются временные параметры авторегуля-

торов?

4. Приведите структурную схему инерционного авторегулятора уровней

и поясните назначение его функциональных узлов.

5.Поясните принцип работы компандерной системы шумоподавления.

6.Поясните принцип работы шумоподавителя Долби.

7.Как работает шумоподавитель DNL?

8.Поясните назначение и принцип работы устройств для создания специальных звуковых эффектов (фильтры присутствия, вокалстрессоры, генераторы вибрато, эксайтеры, устройства изменения высоты тона).

9.В чем заключается особенность цифровой обработки сигналов звукового вещания?

Список литературы

1.Выходец А.В., Коваленко В.И., Кохно М.Т. Звуковое и телевизионное вещание. – М.: Радио и связь, 1987. – 448 с.

2.Звуковое вещание: Справочник / Под ред. Ю.А. Ковалгина. – М.: Радио и связь, 1993. – 464 с.

3.Ефимов А.П. Цифровые аппаратные звукового вещания. – М.: Московский технический университет связи и информатики,1993. – 25 с.

4.Радиовещание и электроакустика / Под ред. М.В. Гитлица. – М.: Радио и связь, 1989. – 432 с.

5.Шувалов В.П., Катунин Г.П., Крук Б.И. и др. Системы электросвязи. – М.: Радио и связь, 1987. – 512 с.

Глава 5. Системы проводного вещания

иоповещения

5.1.Общие принципы организации проводного вещания

Проводным вещанием называется система, состоящая из комплекса аппаратуры и сооружений, с помощью которых сигналы звукового вещания распределяются по проводным сетям и поступают к слушателям*. Этим проводное вещание отличается от радиовещания, при котором сигналы поступают на вход индивидуальных приемных устройств (радиоприемников) в виде свободно распространяющихся электромагнитных волн. Основным структурным элементом системы проводного вещания является узел проводного вещания, или радиотрансляционный узел (РТУ). Узел проводного вещания (УПВ) содержит комплекс оборудования для приема, преобразования, усиления и передачи по проводам программ звукового вещания.

Оборудование узла состоит из станционного оборудования, линейных сооружений и абонентских устройств.

Станционное оборудование обеспечивает получение мощности, необходимой для нормальной работы всех абонентских устройств. Основными элементами станционного оборудования узлов однопрограммного вещания являются усилители звуковой частоты, а узлов трехпрограммного вещания (ТПВ) – еще и передатчики. Кроме того, к станционному оборудованию относится аппаратура регулирования передаваемых сигналов, контроля, управления, коммутации и электропитания.

Совокупность линейных сооружений образует сеть проводного вещания, или радиотрансляционную сеть (РТС). Она состоит из системы двухпроводных линий и вспомогательных устройств, с помощью которых энергия сигналов звукового вещания передается от усилителей и передатчиков к абонентским устройствам.

Абонентскими устройствами (АУ) являются абонентские громкоговорители для однопрограммных сетей и так называемые трехпрограммные громкоговорители для сетей ТПВ. Трехпрограммный гром-

* Следует отметить, что в литературе, документах и в быту часто встречаются терминологические неточности – вместо общего понятия «звуковое вещание» используется термин «радиовещание», а вместо понятия«проводное вещание» – неправильные словообразования «радиотрансляция», «радиофикация», тогда как очевидно, что термин «радио» означает «беспроводная связь».

коговоритель является комбинацией абонентского громкоговорителя с приемником высокочастотных сигналов второй и третьей программ.

Система проводного вещания обладает рядом преимуществ по сравнению с системой радиовещания.

1. Экономические показатели проводного вещания выше, чем радиовещания. Передача энергии сигналов с помощью направляющих систем – линий проводного вещания– уменьшает потери энергии. Расход материала на изготовление абонентского устройства проводного вещания во много раз меньше расхода материалов на изготовление радиовещательного приемника. Удельные капитальные затраты на строительство УПВ, т.е. затраты, отнесенные к одному АУ, меньше удельных капитальных затрат на строительство передающих радиовещательных центров, а удельный расход электроэнергии в десятки раз меньше аналогичного показателя для индивидуального радиовещательного приемника, так как КПД оконечных усилителей проводного вещания много больше КПД радиовещательных передатчиков.

2.Пользование абонентским устройством проводного вещания представляет ряд преимуществ его владельцу. Абонентское устройство проводного вещания проще в обращении, надежнее и значительно дешевле радиовещательного приемника. Расходы абонента проводного вещания на электропитание абонентского устройства ничтожны или вовсе отсутствуют.

3.Качество воспроизведения вещательной программы абонентским устройством проводного вещания выше, чем качество воспроизведения массовым радиовещательным приемником.

4.Количество вещательных программ, передаваемых в пределах заданной территории, ограничено ввиду недостатка радиоканалов. Использование систем проводного вещания позволяет сравнительно просто увеличить число программ.

5.С помощью системы проводного вещания легко организовать местное вещание в пределах одного населенного пункта.

6.Система проводного вещания является хорошим средством оповещения населения о стихийных бедствиях, так как она всегда готова к действию.

Преимущества проводного вещания привели к тому, что вопреки прогнозам о неизбежном сокращении проводного вещания по мере развития радиовещания и телевидения оно продолжает успешно развиваться.

Число абонентских установок приближается к125 млн, трехпрограммное проводное вещание внедрено более чем в1400 населенных пунктах.

Взависимости от построения РТС могут быть одно-, двух- и трехзвенными (рис. 5.1).

Рис. 5.1. Схемы однозвенной (а), двухзвенной (б) и трехзвенной (в) сетей проводного вещания

Однозвенные сети применяются в маломощных РТУ. Сигналы звукового вещания поступают с выхода усилителя станции(УС) на вход абонентских громкоговорителей по абонентским линиям(АЛ). Номинальное напряжение в АЛ принято равным30 В. К одной АЛ можно подключить несколько десятков абонентских устройств, поэтому однозвенные сети применяют в небольших населенных пунктах.

Для расширения территории, обслуживаемой РТС, применяют двухзвенные сети. В таких сетях энергия сигналов вещания передается с помощью повышенного напряжения(обычно 240 В) по распределительным фидерным линиям(РФ). В местах расположения абонентов устанавливаются понижающие абонентские трансформаторы (АТ), с помощью которых осуществляется питание АУ через АЛ. Распределительные фидерные линии называют вторым, а абонентские линии – первым звеном распределения.