семестр 1 / лабы / лаба 5 / лаба_5_5_фипоз_метода

Улучшение соотношения громкости звучания речь–музыка.

При чередовании речевых и музыкальных фрагментов речь часто звучит намного тише музыки. Причины этого явления становятся понятными из анализа уровнеграмм ЗВС на рис. 5.12. Здесь приведены уровнеграммы речевого сигнала (а), эстрадной музыки (б) и симфонической музыки (в). Легко видеть, что при одинаковом пиковом их средний уровень значительно отличается. Так как и ручное, и автоматическое регулирование производится по пиковому уровню сигнала, то различие средних уровней при одном и том же пиковом приводит к разным значениям ОСМ сигналов разных жанров, что соответствует разным уровням громкости. Для уменьшения различий в громкости рекомендуется снижать уровень сигнала при передаче «плотной» музыки на 3 дБ. Для автоматического выравнивания громкости используются автокомпенсаторы, снижающие уровень по результатам спектрального анализа сигнала.

Рис. 5.12. Уровнеграммы вещательных сигналов разных жанров

Еще одна причина нареканий слушателей на качество звукового вещания определяется различным спектральным составом звучаний. На рис. 5.13 приведены усредненные спектры речи (1) и эстрадной музыки (2).

Программа создается звукорежиссерами при максимальном уровне звучания 94…100 дБ, при этом чувствительность слуха примерно равномерна во всем диапазоне звуковых частот. Прослуши-

вание в домашних условиях проходит чаще всего при уровнях 75…80 дБ, а в вечернее время – при 50…60 дБ. В таких условиях человек начинает воспринимать сигналы в соответствии с другими законами, что обусловливает существенное снижение чувствительности слуха к сигналам низких частот. С учетом восприятия по кривой А, натуральные спектры на рис. 5.13,а приобретают вид, изображенный на рис. 5.13,б. Из графиков видно, что при исходной разнице в уровнях между максимумами около 2 дБ с учетом свойств слуха разность увеличивается до 6 дБ. Таким образом, при приеме с пониженными уровнями громкости происходит дополнительное снижение громкости речи по сравнению с музыкой, что провоцирует некомфортное звуковосприятие.

Рис. 5.13. Усредненные спектры речи и эстрадной музыки при разных условиях восприятия

Среди рекомендаций – применение авторегуляторов громкости, которые позволяют выровнять средние мощности различных сигналов. К сожалению, время срабатывания таких устройств достаточно велико и не позволяет избежать резкого перепада громкостей в моменты смены звучания. И в этом случае современный аудиопроцессор вне конкуренции, обеспечивая практически безынерционное поддержание постоянства заданной ОСМ.

Влияние компрессоров на разборчивость речи. Пик-фактор (от-

ношение пикового значения к среднему) речевого сигнала высок (поскольку его средняя мощность мала), велик и разброс мощностей для вокализованных (гласных) и невокализованных (согласных) звучаний. 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. Естественно, что любая обработка, позволяющая увеличить ОСМ сигнала, повышает его помехозащищенность, а для речевого сигнала – разборчивость.

сигнала.

Влияние АРУР на сигналы придыхания. Исследования психоло-

гов о влиянии радиовещательного сигнала на состояние слушателя показали, что одним из существенных факторов, определяющих негативное воздействие на слушателя, является уровень сигнала придыхания (СП). Напомним, что профессиональный диктор должен иметь уровень придыхания на уровне –25…–30 дБ, что, с учетом маскировки реальным сигналом, обеспечивает его незаметность для слушателя. Вина за высокую заметность СП целиком лежит на звукорежиссерах программ и экслуатационном персонале канала передачи ЗВС, которые в погоне за повышением ОСМ сигнала (читай – громкости у слушателя) неумеренно используют автоматическое регулирование сигнала.

На сегодня не существует систем гарантированно снижающих уровень сигнала придыхания, поскольку практически это задача распознавания, которая на акустическом уровне не решена. Так, звук «с», близкий по спектру сигналу придыхания, распознается лишь в 30% случаев.

Рисунок 5.15 иллюстрирует характер ЗВС до и после инерционного ограничителя. В результате обработки увеличивается заметность сигнала придыхания диктора, после регулирования оно может достигать –10 дБ, что заставляет слушателей беспокоиться о его здоровье или о состоянии дел в стране. Порог регулирования АРУР определяет уровень, ниже которого сигнал передается без изменения (т.е. регулировки) уровня. Сигнал, уровень которого находится в диапазоне между порогом регулирования и номинальным уровнем входного сигнала, усиливается (это – диапазон усиления). Сигнал, уровень которого находится в диапазоне от номинального уровня входного сигнала и выше, ослабляется (диапазон ослабления).

Рис. 5.15. Иллюстрация влияния инерционного ограничения на уровень придыхания

Порог регулирования следует устанавливать выше уровня акустических и канальных шумов и выше уровня придыханий диктора для того, чтобы эти шумы и придыхания не усиливались – на фоне усиленного полезного сигнала это будет означать снижение заметности шумов и придыханий. Рекомендуется выбор такого значения порога регулирования, когда в диапазон усиления попадает не более 5% случаев придыхания диктора. Использование достаточно высокого порога регулирования: –6...–8 дБ вместо –16...–20 дБ приводит к повышению заметности СП. Определенный выигрыш при регулировании СП обеспечивают современные аудиопроцессоры. На рис. 5.16 показано влияние авторегулировки на сигнал придыхания для классического АРУР и аудиопроцессора АРГО.

Как правило, после АРУР у сигнала увеличивается ОСМ (громкость), увеличивается субъективно воспринимаемая реверберация, подчеркиваются ВЧ составляющие. Ниже, на рис. 5.17, приведены гистограммы результатов измерений сигналов придыхания для радиовещательных программ различных РВС. Измерения проводились на выходе ТФП, т.е. без учета тракта распределения [23], в которых сигнал будет дополнительно ухудшен. Поэтому представленные характеристики сигнала в решающей степени результат работы звукорежиссеров программ. На гистограммах уровень СП указан в долях от номинального уровня сигнала.

а)

б)

в)

Рис. 5.16. Снижение заметности придыхания диктора за счет увеличения разности в мощностях речевого сигнала и сигнала придыхания:

a – входной сигнал; б – сигнал после обработки аудиопроцессором АРГО; в – сигнал после обработки классическим АРУР

По результатам измерений сигнал придыхания лежит в пределах 0,034…0,473 от номинального уровня сигнала, что существенно усложняет обработку его с помощью АРУР. Устранение или ослабление сигнала придыхания – сложная техническая задача, решение которой требует распознавания информационных и шумовых компонент сигнала, что под силу только аудиопроцессорам.

Измерения показывают, что динамический диапазон КЗВ, определенный ГОСТ 11515–91, явно избыточен для большинства современных радиостанций.

0,25

0,2

0,15

0,1

0,05

0

а)

0,5

0,4

0,3

0,2

0,1

0

б)

Рис. 5.17. Гистограммы результатов измерений сигналов придыхания для радиовещательных программ различных РВС (слева направо: Маяк, Радио России, Говорит Москва, Эхо Москвы, Авторадио, Орфей, Народное радио, Радио Свободы, Немецкая Волна, Би-би-си):

а– по минимуму сигналов придыхания дикторов;

б– по максимуму сигналов придыхания

5.3.Устройства динамической обработки сигналов

врадиовещании

Внастоящее время существует огромное количество различных приборов для динамической обработки звуковых сигналов – это компрессоры, пороговые ограничители (гейты), экспандеры, левеллеры, лимитеры и т.д. [52]. Устройства динамической обработки сигналов применяются в художественных целях и для получения более качественного звучания, при этом решаются следующие задачи.

Согласование динамических диапазонов сигнала и канала. Ре-

альные цифровые и аналоговые каналы вещания обеспечивают передачу сигнала с динамическим диапазоном до 60 дБ. Динамический же диапазон реальных сигналов (например, симфонического оркестра) может достигать 100…120 дБ.

Шумоподавление. Акустические шумы в паузах, попадающие в микрофоны посторонние сигналы, фон и помехи в трактах первичного распределения – во всех этих случаях возникает необходимость в автоматическом управлении уровнями сигналов с помощью устройств динамической обработки.

Все устройства динамической обработки можно разделить на два больших класса: по характеру взаимосвязи их коэффициента усиления и уровня входного сигнала. Если при увеличении уровня входного сигнала коэффициент передачи устройства уменьшается – то это компрессор и его разновидности (лимитер, левеллер, дакер

и ряд других); если же при увеличении входного сигнала коэффициент передачи устройства также увеличивается – то это экспандер

или гейт.

Компрессор и его производ-

ные. Компрессор, как и любое устройство динамической обработки, содержит звуковой тракт и цепь управления – side chain (рис. 5.18). В состав звукового тракта входят обычно входной и выходной усилители (1 и 3 соответственно) и элемент, изменяющий коэффициент усиления звукового сигнала, – управляемый усилитель VCA (2).

Цепь управления состоит из выпрямителя (4), преобразующего звуковой сигнал в управляющее постоянное напряжение, и цепи управления компрессией (5). В последней и осуществляется установка динамических параметров компрессора, управление степенью компрессии и порогом срабатывания.

Компрессоры могут быть с ручным управлением параметрами компрессии, где все динамические параметры задаются пользователем, и автоматизированные, когда пользователю предлагают на выбор несколько алгоритмов автоматизации для различных вариантов обработки. Как правило, большинство автоматизированных компрессоров не изменяют динамические параметры звука скольконибудь существенным образом, а только выравнивают исходное звучание, делают его более плотным и насыщенным.

Среди автоматизированных компрессоров следует выделить большой класс приборов – RMS-компрессор. Этот тип компрессора должен реагировать на эффективное (действующее) значение сигнала, т.е. непосредственно на мощность звукового сигнала, а не на его мгновенные значения, как обычный компрессор. Цепи управле-

ния компрессоров этого типа построены таким образом, что длительный сигнал небольшой амплитуды гораздо важнее для управления усилением компрессора, нежели короткий импульс большой амплитуды.

Временные параметры в настоящем RMS-компрессоре не являются чем-то раз и навсегда заданным, а сложным образом изменяются в зависимости от частоты и уровня входного сигнала, его спектра. Это обеспечивает отсутствие «механистичности» в работе компрессора и очень малую заметность вмешательства компрессора в обрабатываемый сигнал.

Для уменьшения заметности момента включения многие компрессоры имеют так называемый «мягкий порог» (Soft Threshold), обеспечивающий плавное вхождение в режим компрессии. На рис. 5.19. изображены проходные характеристики (зависимость уровня выходного сигнала от уровня входного) для двух компрессоров – обычного (ломаная линия 1) и компрессора с «мягким порогом» (кривая 2). Как видно из рисунка, во втором случае удается сделать момент начала компрессии практически неслышным.

Рис. 5.19. Варианты регулирования момента срабатывания компрессора

Общеизвестно свойство компрессии, особенно в случае малых времен срабатывания и восстановления, как бы «съедать» высокие частоты в обрабатываемом сигнале. Для устранения этого явления в некоторых компрессорах применяются различного рода специальные устройства (ВЧ экспандеры), позволяющие в ряде случаев нейтрализовать этот нежелательный эффект. Обычно в таких устройствах сигнал разделяется на две полосы, и, в то время как основной сигнал компрессируется, его высокочастотная составляющая передается на выход либо неизменной, либо, наоборот, усиленной пропорционально ослаблению уровня основного сигнала. В выходном усилителе обе эти составляющие суммируются.

Лимитер (ограничитель). Это один из вариантов компрессора. Лимитирование отличается от компрессирования прежде всего сте-

пенью компрессии (ratio). Основное предназначение лимитера – защита последующих узлов тракта от любых, даже самых малых, перегрузок, поскольку независимо от приращения входного сигнала уровень сигнала на его выходе увеличиваться не будет.

Широко применяемые компрессоры, имеющие ту или иную автоматизацию динамики своей работы, практически непригодны для использования в качестве лимитера – их динамика оптимизирована под конкретный вид сигнала, под его компрессию. Лимитер, помимо большей степени компрессии, имеет и принципиально иные динамические характеристики. Он должен очень быстро (в идеале – мгновенно!) скомпенсировать сигнал перегрузки и столь же быстро вернуться к исходному состоянию. В хорошем лимитере можно установить время срабатывания вплоть до 5 мс, чего в компрессорах просто не бывает. Время восстановления в реальном защитном лимитере также весьма мало: несколько десятков миллисекунд. Очевидно, что компрессия с такими параметрами способна, и очень значительно, изуродовать сигнал.

Левеллер. Это – разновидность RMS-компрессора. Основное его отличие от обычного RMS-компрессора – гораздо большие постоянные времени детектора, достигающие в некоторых моделях 10 с. Кроме того, они имеют несколько другую проходную характеристику

(рис. 5.20).

Рис. 5.20. Характеристики левеллера

На этом рисунке изображено семейство проходных характеристик левеллера при различных значениях степени компрессии. Независимо от этой величины, сигнал с входным уровнем 0 дБ имеет такой же уровень на выходе, а сигналы с иными уровнями как бы подтягиваются к нему: более сильные ослабляются, более слабые –

усиливаются. Причем, чем большее значение степени компрессии установлено, тем сильнее сигналы «прижимаются» к уровню 0 дБ (уровень 0 дБ здесь приведен только для примера). В реальных устройствах имеется регулятор уровня, к которому должны «подтягиваться» сигналы.

Де-эссер, де-поппер. Это – частотно-зависимые полосовые компрессоры. Де-эссер (как и де-поппер) должен обрабатывать только узкую полосу мешающего сигнала, не затрагивая всего остального. Обычный компрессор в режиме де-эссера, с фильтром-эквалай- зером в цепи управления, обрабатывает всю полосу частот входного сигнала. Он просто более «чуток» к выделенной области спектра. Различие де-эссера и де-поппера в том, что первый работает на ВЧ сигналах, а де-поппер – наоборот, работает в НЧ области спектра, убирая бубнение.

Главное отличие этих приборов от остальных устройств динамической обработки заключается в том, что порог срабатывания в них не фиксированный (ручкой управления), а регулируемый, определяемый разностью уровней обрабатываемой части спектра, с одной стороны, и всего остального – с другой. Такое построение обеспечивает нормальное их функционирование, независимое от абсолютных уровней входных сигналов. Де-эссер постоянно анализирует спектр входного сигнала, и, если уровень сигнала в установленной полосе превышает допустимое соотношение его и «всего остального», то он уменьшает уровень сигналов в этой полосе до допустимой (установленной пользователем) величины.

Экспандер и гейт. Экспандер – это компрессор наоборот (от английского to expand – расширять, растягивать). У него, как уже отмечалось, коэффициент передачи пропорционален уровню входного сигнала, т.е. чем громче входной сигнал, тем громче выходной. Существуют две основных разновидности экспандера – экспандер вверх (upward expander) и экспандер вниз (downward expander), ко-

торые различаются характером реагирования на входной сигнал: первый обрабатывает только те сигналы, которые лежат выше порога его срабатывания, делая громкие еще более громкими. Тихие же сигналы, лежащие ниже порога срабатывания, такой экспандер не трогает. Этот прибор используется редко, поскольку искажает сигналы в момент срабатывания и закрывания, кроме того, трудно согласовать его временные характеристики с характеристиками разнообразных музыкальных инструментов.

Экспандер вниз, напротив, не трогает сигналы выше порога срабатывания, а только делает тише сигналы, лежащие ниже этого порога. По характеру своего действия на сигнал это устройство схоже с гейтом и, как правило, применяется для аналогичных целей – для