лекции_элаизв

Инерционными называются такие авторегуляторы уровня, у которых коэффициент передачи автоматически изменяется в зависимости от амплитуды сигнала на их входе. При этом практически любой инерционный авторегулятор уровня в своем составе имеет два функциональных элемента - основной канал и канал управления.

Динамическая обработка, связанная с изменением динамическoгo диапазона сигналов, реализуется ручными и автоматическими регуляторами уровня.

Звукорежиссер должен сжать динамический диапазон симфонической музыки с 94 дБ до 40 дБ. Время реакции звукорежиссера не менее 2 с, что приводит к погрешности в поддержании максимальных уровней музыкальных программ до + 4 дБ. В помощь звукорежиссеру созданы устройства автоматической обработки уровней сигналов - авторегуляторы уровня (АРУР), которые частично снимают эту проблему.

Варианты ручного регулирования

Затухание вводится непосредственно перед момeнтом превышения сигналом допустимоrо предела N макс , Эстетический эффект при этом оказывается низким из-за несоблюдения партитуры.

Затухание вводится заблаговременно, до момента превышения N макс . Но при этом существенно уменьшается крутизна нарастания сигнала, поэтому исполнение будет казаться вялым, неконтрастным.

С учетом ожидаемого по партитуре большого увеличения уровня сигнала звукорежиссер заранее плавно снижает уровень до момента времени, когда в натуральном звучании а уровень начинает увеличиваться. С этого момента звукорежиссер допускает нарастание уровня с естественной крутизной.

Инерционные авторегуляторы

Инерционные авторегуляторы - это такие устройства, у которых изменение коэффициента передачи происходит не сразу после изменения сигнала на eгo входе, а с некоторым замедлением во времени.

Ограничители уровня - это такие инерционные АРУР, у которых коэффициент передачи остается постоянным до некотopoгo порогового значения, а затем начинает уменьшаться обратно пропорционально увеличению уровня входного сигнала.

41

Структурная схема (а) и амплитудная характеристика (6) ограничителя уровня

В зависимости от выполняемых функций инерционные авторегуляторы уровня подразделяют на ограничители квазимаксимальных уровней, автостабилизаторы уровня, компрессоры (сжиматели) динамического диапазона, экспандеры (расширители) динамического диапазона, компандерные шумоподавители, пороговые шумоподавители, устройства со сложным преобразованием динамического диапазона (например, авторегуляторы громкости радиовещательных сигналов).

0граничитель уровня - ­ это автореrулятор, у котoporo коэффициент передачи изменяется так, что при превышении номинальноro входноrо уровня до 20 дБ уровни сиrналов на ero выходе остаются практически постоянными, близкими к номинальному значению (рис. а).

Автостабилuзатор уровня (рис. б). Принцип действия автостабилизатора аналоrичен принципу действия оrраничителя.

Компрессор (сжиматель) ­- это устройство, коэффициент передачи котoporo возрастает по мере уменьшения уровня входноrо сиrнала (рис. в).

Амплитудная характеристика экспандера (расширителя) обратна характеристике компрессора (рис. г) и компенсирует искажения, вносимые в сиrнал компрессором.

Авторегуляторы со сложным преобразованием динамическоrо диапазона позволяет стабилизuровать rpoмкость звучания различных

фраrментов, выдерживать максимальные уровни и подавлять шумы в паузах передачи (рис. е) .

42

Характеристики ограничителей уровня Используются различные амплитудные характеристики устройств

регулирования:

для ограничения сигнала на установленном уровне; для компрессирования экспандирования, когда обеспечиваются

соответственно сжатие или расширение динамического диапазона ЗВС; для шумоподавления — с целью снижения заметности шумов канала

передачи; для выравнивания громкости разных по спектру сигналов, которые при

равной амплитуде имеют разную мощность (речь-музыка). Это участок автостабилизации.

В состав микшерных пультов входят различные усилители (микрофонные - МУ, промежуточные - ПУ, линейные - ЛУ), частотные корректоры - ЧК (плавного подъема и завала, среза, присутствия), ручные реrуляторы уровня (индивидуальные - ИР, групповые - ГР, общие - ОР), автоматические регуляторы уровня (компрессоры -Ком, шумоподавители - ШП, ограничители - Oгp).

43

Схема микшерного пульта

Переходные процессы в ограничителе

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

Время восстановления t вoс - это интер-вал времени между моментом, когда уровень сигнала от источника снижается с 6 дБ до номинального значения О дБ, и моментом, когда выходной уровень увеличится от -6 до -2 дБ по отношению к номинальному значению.

Переходные процессы в экспандере

44

Время срабатывания выбирается так, чтобы искажения, неизбежные при передаче сигнала с превышением уровня по каналу передачи, не были заметны слушателю.

Время, на длительности которого слушатель уверенно замечает наличие нелинейных искажений сигнала, составляет около 20 мс, поэтому время срабатывания выбирается существенно меньше — обычно 1...5 мс.

Время восстановления определяется свойствами сигнала и временем реверберации студии записи t вoc выбирается до 1,5 с. Речевые компрессоры имеют следующие динамические параметры: t cp =I...2 мс, t вoc =300 мс.

Речевой компрессор

Компрессоры предназначены для сжатия динамического диапазона звуковых сигналов.

Практически во все современные речевые компрессоры встраиваются пороговые шумоподавители для снижения шумов в паузах передачи.

Структурная схема (а) и амплитудная характеристика (6) речевого компрессора с пороговым шумоподавителем

Устройства шумоподавления

Устройства шумоподавления предназначены для улучшения отношения сигнал-шум на выходе канала передачи.

Улучшить отношение сигнал-шум на выходе приемников можно за счет использования предыскажающих (ПК) и восстанавливающих (ВК) контуров.

Первые включаются на входе канала, вторые - на eгo выходе.

45

Использование предыскажений для снижения уровня шума

Компандерная система

Компандерная система состоит из сжимателя С (компрессора), включаемогo на входе канала передачи, и расширителя Р (экспандера), включаемого на eго выходе.

Перейдя от напряжений к электрическим уровням, получим:

Для динамического диапазона сигнала на входе и выходе сжимателя и расширителя имеем:

Недостатки компандерной системы.

Условие отсутствия искажений в компандерной системе:

Максимальное шумоподавление имеет место в паузе и при слабых сигналах. При максимальных уровнях сигнала отношение сигнал-шум не меняется.

Если же спектры сигнала и шума не совпадают, то шум не маскируется сигналом и становится, как говорят, программно-модулированным, то есть, шум начинает изменяться по уровню в такт с сигналом и поэтому оказывается заметным.

Другим недостатком компандера является появление нелинейных искажений в переходных режимах (при срабатываниях и восстановлениях С и Р), вызванных несовпадением их частотных и фазовых характеристик, а также неоптимальным выбором постоянных времени цепей регулирования.

К недостаткам компандерных систем можно отнести: инерционность компрессора и экспандера; неидентичность амплитудных и временных характеристик

многочисленных компрессоров и экспандеров в системе передачи СЗВ по стране;

46

несовместимость с другими системами, необходимость проведения одинаковой обработки сигнала на входе и выходе канала передачи;

модуляция переменным коэффициентом передачи.

Использование компандерного шумоподавителя

Амплитудные характеристики сжимателя и расширителя компандерноrо шумоподавителя (а) и eгo диаграмма уровней (6)

Шумоподавитель

Схема (а) шумоподавителя и ero амплитудные характеристики (6, в, г)

Влияние работы АРУР на свойства звуковых сигналов

Для оценки качества звукового сигнала вводится понятие относительной средней мощности (ОСМ) вещательного сигнала, которое представляет собой отношение мощности сигнала к мощности синусоидального сигнала с амплитудой, равной номинальному значению на входе канала. При выравнивании уровней громких и тихих сигналов происходит увеличение ОСМ, а следовательно, увеличивается и средняя громкость сигнала. Помимо этого повышение ОСМ позволяет заметно повысить КПД радиопередающих устройств, увеличить зону уверенного приема.

На рис. приведены зависимости энергетического выигрыша от величины сжатия сигнала (т.е. разницы динамических диапазонов входного и выходного сигналов d̕) В среднем удается повысить относительную среднюю мощность в 1,5…2 раза.

При одинаковом пиковом уровне сигналы звукового вещания могут существенно отличаться по ОСМ, а следовательно, по громкости. Чем более

47

широкополосный сигнал, тем больше его ОСМ. Для выравнивания громкости на стыке «речь-музыка» используют АРУР с формированием сигнала управления по ОСМ, а не по уровню.

Используются и системы с участком автокомпенсации на амплитудной характеристике. На этот участок АРУР переходит по команде с блока анализа спектра примерно за 300 мс, а время интеграции по громкости около 160 мс, т.е. слушатель заметит всплеск уровня громкости, то есть возникают временные искажения.

Влияние компрессоров на разборчивость речи

Пик-фактор (отношение пикового значения к среднему) речевого сигнала высок, ОСМ исходного речевого сигнала весьма мала и составляет 0,04…0,08, а именно она определяет мощность боковых полос при АМ модуляции и помехозащищенность сигнала. Увеличение ОСМ сигнала повышает его помехозащищенность, а для речевого сигнала – разборчивость. На рис. приведена зависимость разборчивости речи от отношения сигнал– помеха.

Разборчивость речевого сигнала определяется во многом согласными, а они высокочастотны и малоуровневы, именно их уровень существенно возрастает после АРУР. Очевидно, что разборчивость в шумах возрастает, но при высоких отношениях сигнал-шум разборчивость необработанного сигнала выше.

Отношение сигнал–помеха, дБ Влияние отношения сигнал–помеха на разборчивость речи для

обработанного (кривая 1) и необработанного (кривая 2) сигнала

ЦИФРОВОЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ СИГНАЛОВ ЗВУКОВОГО ВЕЩАНИЯ

Импульсно-кодовая модуляция

Среди методов цифрового представления сигналов звукового вещания (ЗВ) наиболее распространена импульсно-кодовая модуляция (ИКМ

Процедура аналого-цифрового преобразования (АЦП) при ИКМ состоит из трех операций: дискретизации, квантования и кодирования.

Спектр дискретного сигнала

48

Временная диаграмма процесса ИКМ

Линейное квантование

Расстояние между соседними разрешенными уровнями квантования называют шагом квантования. Если шаг квантования остается постоянным, квантование называется линейным (или равномерным). Разность между исходным и квантованным значениями сигнала называется шумом квантования.

При квантовании правильнее говорить об искажениях, а не о шумах квантования.

Характеристика квантования (рис.) имеет

две зоны: квантования при luвхl ≤ IUогрl и ограни-

чения при luвхl>IUогрl. Зона квантования является рабочей областью характеристики. Разность между исходным и ограниченным сигналами называют шумом ограничения.

Квантованный АИМ сигнал цифровой, так как он дискретен по времени и уровню. Значения уровней можно пронумеровать, и в тактовые моменты передавать не сами квантованные импульсы, а номера их амплитуд.

Каждому отсчету сигнала будет соответствовать кодовая группа символов - слов, что в двоичной системе счисления можно записать:

n = am-12ᵐ ¹ + am-22 ᵐ ²+.. .+ао2ᴼ, где n - номер кодируемого уровня квантования; m - число разрядов в кодовой группе; а - число, принимающее значения 0 или 1.

Необходимое число разрядов для кодирования n макс определяется как

m = log2 nмакс.

Обратное преобразование цифрового сигнала в аналоговую форму осуществляет цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП).

При равномерной шкале квантования мощность шума паузы

Для вещательнoгo сиrнала

49

С учетом псофометрического коэффициента

Увеличение комбинации на 1 разряд приводит к рост скорости передачи вceгo лишь на 7 %.

При кодировании слабых сигналов отношение РС/ Рш.КВ оказывается весьма малым.

Нелинейное квантование

При тихих звуках шум квантования более заметен, чем при громких. При 16-разрядном кодировании сигнала и fд.= 48 кГц для монофонического сигнала скорость цифрового потока fц.п.м составляет 48ּ∙16 = 768 Кбит/с, а для стереофоническоrо fц.п..CT= 1536 Кбит/с. При fД = 44,1 кГц fц.п.м = 705,6 Кбит/с

и fц.п..CT= 1411,2 Кбит/с.

Неравномерное квантование реализуется использованием устройства мгновенного компандирования. Входящий в его состав компрессор имеет нелинейную амплитудную характеристику, называемую характеристикой или законом компрессии.

Характеристика компрессии сигнала.

Отношение Рс/Рш,кв будет оставаться постоянным, если шаг квантования возрастает пропорционально напряжению входного сигнала. Такая шкала квантования называется пропорциональной. В этом случае

uВЫХ = С lg (μuвх), где μ - коэффициент сжатия.

В системах кодирования отказываются от аналоговых компрессоров и переходят к цифровым, у которых плавная xapaктеристика компрессии заменяется линейно-ломаной аппроксимирующей функцией. Число используемых ceгментов при аппроксимации и вид закона компрессии влияют на вид характеристики компрессии.

50