семестр 1 / лабы / лаба 5 / лаба_5_5_фипоз_метода

5.АВТОМАТИЧЕСКОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ СИГНАЛА

ВКАНАЛЕ ЗВУКОВОГО ВЕЩАНИЯ

ВЭКЗВ сигнал подвергается множеству изменений: его усиливают или ослабляют (изменяют уровень), регулируют динамический диапазон, спектр и временную структуру, смешивают с други-

ми сигналами, смещают по частоте (транспонируют), превращают из аналоговой формы в дискретную и обратно, уменьшают или увеличивают длительность звучания. Эти изменения производят как с целью решения художественных (творческих) задач, так и для приспособления параметров сигнала к свойствам электрических каналов и трактов [44]. Основная обработка вещательных сигналов осуществляется в ТФП звукорежиссерами, однако значительную часть автоматических устройств обработки ЗВС устанавливают непосредственно в каналах связи и на входе радиопередатчиков. Это связано с тем, что большинство каналов не рассчитаны на передачу вещательного сигнала с его естественным динамическим диапазоном. Кроме того, в каналах ЗВ используются системы шумопо-

нижения, компенсирующие шумы канала, системы громкостного регулирования, позволяющие выровнять громкость ЗВС, обладающих одинаковым пиковым уровнем, но разной мощностью (проблема «речь–музыка»).

Динамическая обработка, связанная с изменением динамического диапазона сигналов, реализуется, как правило, автоматическими регуляторами уровня (АРУР). В результате динамической обработки весь диапазон уровней ЗВС должен оказаться в пределах, установленных нормами и правилами технической эксплуатации (ПТЭ). Минимальные уровни сигнала должны быть существенно (на 10…20 дБ) выше уровня помех канала, максимальные не должны превышать значения, при которых недопустимо возрастают нелинейные искажения, начинается перемодуляция передатчиков.

Для уменьшения нелинейных искажений необходимо увеличивать запас по мощности усилительных и радиопередающих устройств (примерно на 6 дБ), вводить цепи, компенсирующие нелинейные искажения. В цифровых устройствах следует вводить запас уровней квантования, чтобы неискаженно передавать кратковременные пики уровней, которые могут вызвать перегрузку АЦП и, следовательно, создать заметные нелинейные искажения. Указанные

На рисунке обозначено: У1, У2, У3 – усилители, РЭ – регулирующий элемент, Д – детектор (двухполупериодный выпрямитель), ИЦ – интегрирующая цепь, УПТ – усилитель постоянного тока для сигнала управления РЭ. Как показано на рисунке, возможно формирование сигнала управления как по входу, так и по выходу.

Формирование сигнала управления по входу используется в

шумоподавителях и экспандерах. На рис. 5.2 показаны амплитуд-

ные характеристики: а – усилителя (1 – линейный участок, 2 – участок перегрузки); б – ограничителя (1 – участок усиления, 2 – участок ограничения); в – усилителя (1), компрессора (2) и экспандера (3).

Рис. 5.2. Амплитудные характеристики авторегуляторов в линейном масштабе

Весьма распространенная ошибка – приписывать ограничителю большие нелинейные искажения, что справедливо только для ограничителей мгновенного действия. У авторегуляторов инерционного типа в стационарном режиме искажения практически отсутствуют.

Используются различные амплитудные характеристики устройств регулирования: для ограничения сигнала на установленном уровне; для компрессирования / экспандирования, когда обеспечи-

ваются соответственно сжатие или расширение динамического диапазона ЗВС; для шумоподавления – с целью снижения заметности шумов канала передачи. В реальных устройствах, например в АРУР «Норма-B», используется сложная составная характеристика, в определенной степени имитирующая работу звукорежиссера и реализующая на разных участках все перечисленные выше характеристики [22]. Сказанное иллюстрируют амплитудные характеристики, представленные на рис. 5.3 для: а – порогового шумоподавителя (участки характеристики 1 используются в компрессоре, характеристики 2 – в усилителе); б – АРУР со сложным преобразованием динамического диапазона с участками: 1 – компрессирования, 2 – усиления, 3 – шумоподавления, 4 – ограничения; в – авторегулятора «Норма-B» с участками: 1 – ограничения, 2 – усиления, 3 – шумоподавления, 4 – автостабилизации, 5 – экспандирования.

Видно, что превышение номинального уровня происходит только на длительности срабатывания прибора в период зарядки интегрирующей цепи ИЦ после превышения напряжения на выходе детектора величины Еоп, определяющей порог ограничения.

В момент изменения коэффициента передачи при срабатывании и восстановлении авторегулятора возникают переходные процессы. Их вид при обработке гармонического сигнала с помощью инерционного ограничителя или компрессора приведен на рис. 5.5; вид переходных процессов в экспандере показан на рис. 5.6.

Рис. 5.5. Переходные процессы в компрессоре

Качество регулирования во многом определяется временными характеристиками регулятора – временем срабатывания tср и временем восстановления tв исходного коэффициента передачи. 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 до 5 мс. Время восстановления во многом определяется свойствами сигнала, временем реверберации студии, в которой производилась запись, и составляет от 100 мс – для чисто информационного речевого сигнала – до 3…5 с для музыкального сигнала, записанного в концертной студии.

Рис. 5.6. Переходные процессы в экспандере

При настройке приборов принято следующее определение временных характеристик АРУР: время срабатывания tср – это интервал между моментом, когда 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; время восстановления tв – это интервал между моментом, когда уровень сигнала от источника снижается с 6 дБ до номинального значения, и моментом, когда выходной уровень увеличится от –6 до –2 дБ по отношению к номинальному значению.

В конечном итоге, выбор динамических параметров АРУР определяется его назначением. Так, если ограничители уровня предназначены для защиты от перегрузок трактов звукового вещания (радиопередатчиков, мощных усилителей), то выбирают tср = 0,5…1 мс, tв = 1,5…2 с; для речевых компрессоров эти параметры составляют соответственно tср = 1…2 мс и tв = 300 мс, а для музыкальных – tв = 100…2000 мс. У шумоподавителей выбирают tср = 1…5 мс, tв = 200…300 мс, поскольку если у шумоподавителя выбрать время срабатывания меньше, то реверберационный процесс затухания сигналов будет резко «отрезаться», что неестественно для слуха. В то же время выбирать tср > 5 мс нельзя, так как при появлении полезного сигнала шумоподавитель будет медленно восстанавливать свой коэффициент передачи, вследствие чего первые слоги речи (или начало музыкальных фраз) будут ослабляться, что приведет к заметным на слух искажениям.

5.2.Влияние работы авторегуляторов на свойства звуковых сигналов

Автоматическая обработка звукового вещательного сигнала приводит к изменению всех его параметров. Рассмотрим далее влияние работы авторегуляторов на основные характеристики ЗВС.

Влияние АРУР на относительную среднюю мощность. Отно-

сительная средняя мощность (ОСМ) вещательного сигнала представляет собой отношение его мощности к мощности синусоидального сигнала с амплитудой, равной номинальному значению ЗВС. При выравнивании уровней сильных и слабых сигналов происходит увеличение ОСМ, а следовательно увеличивается и громкость сигнала. Помимо этого повышение ОСМ позволяет заметно повысить КПД радиопередающих устройств, увеличить зону уверенного приема и его качество. Практически во всех передающих системах используются подобные авторегуляторы, обеспечивая прирост ОСМ, что приводит к энергетическому выигрышу. На рис. 5.7 приведена зависимость относительного энергетического выигрыша А от времени восстановления компрессора [1].

Рис. 5.7. Относительный энергетический выигрыш как функция времени восстановления компрессора

Графики на этом рисунке приведены для разных языков: 1 – немецкого, 2 – английского, 3 – итальянского, 4 – русского. Видно, что выигрыш больше для резких, отрывистых языков и меньше для певучих.

На рис. 5.8 приведены зависимости энергетического выигрыша от величины сжатия сигнала (т.е. разницы динамических диапазонов

входного и выходного сигналов) для русского языка (1) и некоторое усредненное значение (2) – для остальных девяти европейских языков [1]. В среднем удается повысить относительную среднюю мощность в 1,5…2 раза.

Рис. 5.8. Зависимость относительного энергетического выигрыша от величины сжатия сигнала

Влияние АРУР на восприятие энергетического спектра. При прослушивании программ с выхода компрессора создается ощущение изменения частотного баланса по сравнению с исходным сигналом. Объясняют это различной неравномерностью АЧХ слухового анализатора в зависимости от громкости сигнала (вспомним кривые пороговой чувствительности при разной громкости – разд. 1.3). На рис. 5.9 приведены спектрограммы двух сигналов на входе (а) и выходе (б, в) компрессора.

Разница между одновременно звучащими сигналами на входе компрессора (рис. 5.9,а) и его выходе (рис. 5.9,б) не изменилась, однако поскольку НЧ сигнал из зоны пороговой слышимости попадает в зону равной громкости, то происходит изменение его тембра. При последовательном во времени поступлении сигналов (рис. 5.9,в) они будут усилены по-разному, сильные НЧ ослаблены, а слабые ВЧ усилены. Поэтому общий спектральный баланс сигнала изменится.

Так как слабые сигналы, как правило, являются высокочастотными (согласные звуки в речевом сигнале, звучание треугольника в музыкальном сигнале), то увеличение их уровня воспринимается слушателем как подъем АЧХ канала в области верхних частот, а разборчивость сообщения при передаче по зашумленным каналам при этом возрастает.

Рис. 5.9. Спектрограммы сигналов на входе и выходе компрессора

Уменьшение С-искажений с помощью АРУР. Высокое качество звучания обеспечивается системами с ЧМ модуляцией, использующими диапазон ОВЧ (УКВ). Но именно этому диапазону присущи С- искажения, или шпук-эффект, проявляющийся чаще всего на свистящих звуках с, ц, ч и ряде других. Причины появления таких искажений поясняются графиками на рис. 5.10 и 5.11.

На рис. 5.10 приведены усредненные энергетические спектры речи для русского (кривая 1) и английского (кривая 2) языков. Так как уровень шумов передатчика увеличивается с частотой (прямая 3), то для сохранения высокого качества вещания в полосе передачи осуществляют предкоррекцию сигнала (кривая 4), поднимая коэффициент передачи сигнала на высоких частотах – с последующей компенсацией в радиоприемнике (кривая 5). За счет подъема ВЧ составляющих сигнала (кривая 6) достигается определенный выигрыш по шумам, иллюстрируемый кривой 7. С учетом малой энергии большинства звуковых вещательных сигналов в области ВЧ, такой способ повышения качества передачи работает достаточно эффективно. Однако в некоторых случаях приводит к искажениям. На рис. 5.11 приведен энергетический спектр звука с в третьоктавных полосах частот.

Рис. 5.10. Характеристики передачи ЗВС при ОВЧ ЧМ вещании

Рис. 5.11. Энергетический спектр звука с

Максимум спектра звучания расположен в области 8 кГц, что, с учетом предкоррекции тракта передачи, приводит к перемодуляции передатчика. Массовые приемники не имеют запаса линейности характеристики, в результате после детектирования в спектре сигнала появляются новые, разностные составляющие, находящиеся в НЧ части диапазона. Именно это придает звуку с (и ему подобным) неприятный взрывной характер. Заметим, что эти искажения не устранимы регулировками в приемнике.

Использование АРУР с частотнозависимой обратной связью позволяет избежать подобных искажений. Полностью устранить саму возможность их возникновения способен аудиопроцессор, обеспечивающий идеальное поддержание пикового (а не квазипикового!) уровня, что исключает возможность перемодуляции. Приборы такого типа будут рассмотрены в следующей главе.