11.8. Статические и динамические характеристики и параметры автоматических регуляторов уровня

Помимо обычных для любых устройств связи и звукового вещания параметров – частотного диапазона, неравномерности АЧХ, коэффици­ента гармоник, отношения С/П (или защищенности от помех) – свой­ства АРУ определяются специфическими характеристиками и параме­трами – статическими для установившегося режима и динамически­ми для переходного.

В статическом режиме свойства АРУ определяются амплитудными и регулировочными характеристиками (рис. 11.22). Первые показывают зависимость амплитуды выходного напряжения от амплитуды входно­го напряжения (для несинусоидальных напряжений – связь огибающих сигнала на выходе и входе), вторые – зависимость коэффициента пе­редачи К от амплитуды входного напряжения (для несинусоидальных напряжений – от значения огибающей входного напряжения).

Следует отметить, что амплитудные и регулировочные характери­стики расширителя D и ограничителя минимальных уровней (шумоподавителя) схожи. Их коэффициенты передачи в паузах и при небольших входных напряжениях сигнала малы. Это и обеспечивает эффект шу­моподавления в паузах. Показанная для сравнения идеализированная амплитудная характеристика усилителя имеет вид наклонной прямой, а характеристика коэффициента передачи горизонтальна, поскольку зна­чение коэффициента не зависит от входного напряжения.

К статическим параметрам относятся: коэффициент сжатия (рас­ширения) для сжимателя и расширителя; диапазон ограничения q и диапазон сжатия р ЗС для ограничителя максимальных уровней. К динамическим характеристикам и параметрам АРУ относятся: переход­ная характеристика; время установления tу и время восстановления tв.

В общем виде коэффициент сжатия (расширения) = duвых/duвх или, выражая изменения амплитуды сигнала в логарифмической фор­ме через уровни, = Nвых/Nвх. Положим, что амплитудные характе­ристики сжимателя и расширителя аппроксимируются показательными функциями, что близко к действительности:

Uвых = ,

г де k – коэффициент пропорциональности; – коэффициент сжатия (расширения) D, который показывает, во сколько раз АРУ изменяет D сигнала при регулировании. Чтобы доказать это, запишем приведенное выражение дважды – для максимальных и минимальных напряжений сигнала, разделим первое на второе и прологарифмируем левую и пра­вую части полученного равенства:

Выражение, стоящее слева от знака равенства, представляет собой величину D сигнала на выходе АРУ, а справа – то же, но для сиг­нала на входе АРУ. Итак,

Для сжимателя < 1. Для расширителя > 1 Например, в МКЗВ для уменьшения влияния помех применяют систему "сжиматель-расширитель" (компандерную систему), в которой используют АРУ с сопряженными (комплементарными) амплитудными характеристиками сж = 0,5; расш = 2; сж расш = 1, и динамический диапазон на выходе системы равен входному. Для усилителя =1- При равенстве выходно­го и входного номинальных напряжений зависимость Uвых = представленная в логарифмическом масштабе, выражается прямыми ли­ниями (рис. 11.23) N = N , "смещение" которых от линии, прохо­дящей под углом 45° к оси абсцисс, увеличивается с ростом .

Амплитудная характеристика ограничителя в режиме усиления по­добна амплитудной характеристике усилителя, а в режиме ограниче­ния идеализированно записывается как Um вых = Um вых н = const. Соответственно в режиме усиления К = const, а в режиме ограниче­ния K = Um вых н / Um вх, т.е. изменяется по гиперболическому зако­ну. Фактически в ограничителе из-за обратного управления происхо­дит некоторое нарастание выходного напряжения уровня и на участке ограничения. Эффективность действия ограничителя характеризуется значением относительного возрастания выходного сигнала сверх номи­нального q = Um вых max / Um вых н при заданном относительном уве­личении входного сигнала сверх номинального р = Um вх max / Um вх н (рис. 11.24,а) или соответствующими приращениями уровней вх (рис. 11.24,б). Для вещательных ограничителей максимальных уровней типичные значения диапазона ограничения и диапазона сжатия или приращений уровня следующие:

q = 1,1 – 1.12 ( вых = 0,8  1,0 дБ);

р = 10 – 20 ( вх = 20  26 дБ).

Подчеркнем еще раз, что изображенные на рис. 11.19 и 11.24 графи­ки показывают связи между амплитудами выходных и входных напряже­ний. Для мгновенных значений выходных и входных напряжений сигна­ла в установившемся режиме сохраняется полная пропорциональность, т.е. нелинейные искажения автоматического регулятора уровня в устано­вившемся режиме соизмерима с нелинейными искажениями усилителя.

Автоматическое регулирование уровней сопровождается переход­ными процессами, обусловленными зарядом и разрядом конденсатора управляющего звена. Длительность процесса заряда при прямом упра­влении связана с параметрами цепи заряда (см. рис. 11.21) соотноше­нием tз =k1 з =k1rG. По мере приближения напряжения Uc на кон­денсаторе к амплитуде входного напряжения Um скорость нарастания Uc уменьшается. Поэтому коэффициент k1, характеризующий длитель­ность процесса заряда, нелинейно зависит от заряженности конденса­тора Uc /Um. При двухполупериодном выпрямлении и заряженности Uc /Um = 0,8 k1 4, при Uc /Um = 0,9 k1 7. Полученные значе­ния k1 носят оценочный характер, поскольку напряжение сигнала 3В изменяется не по синусоидальному закону, а более сложным образом. При обратном управлении время заряда получается меньше расчетного и существенно сокращается по мере увеличения входного напряжения. Объясняется это тем, что в момент появления на входе АРУ сигнала большого напряжения коэффициент передачи РЗ еще велик и на выхо­де действует сигнал значительной величины, от которого конденсатор заряжается быстрее. Длительность процесса разряда определяется вре­менем разряда tр =k2RC=3RC. Коэффициент k2 = 3, если считать за величину tр время, за которое напряжение на конденсаторе умень­шается в 20 раз, т.е. до 0,05 от первоначального значения. При спаде напряжения в 10 раз k2= 2,3.

П остепенное нарастание и спадение величины Еу приводит к тому, что формы огибающих напряжения или изменения уровней на выходе и выходе АРУ различаются. Пусть, например, значение напряжения сигнала на входе АРУ возрастает скачком (рис. 11.25,а). Коэффици­ент передачи РЗ в первый момент времени еще останется неизменным и выходное напряжение возрастет во столько же раз, во сколько возро­сло входное напряжение; соответственно выходной уровень увеличится на столько же децибелов, на сколько возрастет входной уровень. При этом выходное напряжение может превысить установленное номиналь­ное значение. Лишь затем, по мере заряда конденсатора и увеличения Еу начнется процесс регулирования, и коэффициент передачи сжимателя и ограничителя начнет уменьшаться (рис. 11.25,а).

Скачкообразное умень­ше­ние Uвх(Nвх) также не вызовет мгновенного изменения коэф­фициента передачи РЗ. В сжимателе и ограничителе это приведет к тому, что малые напряжения сигнала, следующие непосредственно по­сле больших, окажутся приуменьшенными и могут стать близкими к напряжению помех в последующей части тракта 3В.

Отклонения от заданного закона регулирования, обусловленные инерционностью управляющего звена расширителя (рис. 11.25,г), имеют характер, противоположный ранее рассмотренному (рис 11.25,в). В этом случае особенно опасен переход от большого напряжения сиг­нала к паузе. Коэффициент передачи, установившийся при большом сигнале, будет некоторое время оставаться завышенным и в паузе В результате будут подчеркнуты помехи, возникающие в части тракта, ко­торая предшествует расширителю.

Динамические свойства АРУ отображает переходная характеристи­ка, т.е. реакцией АРУ на скачкообразное изменение огибающей вход­ного напряжения. Из переходной характеристики находят время уста­новления ty – интервал времени от начала переходного процесса до момента времени, когда напряжение на выходе АРУ будет отличаться от установившегося значения на 25 % или соответственно уровень сиг­нала на выходе АРУ будет отличаться от установившегося значения на 2 дБ. Предполагается, что на входе ограничителя произошел трехкратный скачок напряжения против порогового или скачок уровня на 10 дБ. За время восстановления tв принимают интервал между скачкообразным уменьшением напряжения на входе АРУ и моментом времени, когда на­пряжение на выходе АРУ будет отличаться от напряжения в установив­шемся режиме на 25 %, а уровень соответственно будет отличаться от установившегося значения на 2 дБ.

Зная параметры зарядно-разрядной RC-цепи, можно оценить зна­чения ty и t в Для сжимателя

ty = з[0,3 + ln(D1- D2)]; t в = p [0,3 + ln (D1- D2)];

для расширителя

t y = з[0,3 + ln(D2 -D1)]; t в = p [0,3 + ln (D2 -D1)].

Значения динамических диапазонов сигнала на входе (D1) и выходе (D2) АРУ подставляют в эти формулы в децибелах.

Вышеизложенное – первое приближение к пониманию переходных процессов, происходящих в АРУ. Для более точного рассмотрения необ­ходимо учитывать процессы, сопровождающие возникновение и прекра­щение звуков. Уровни сигнала на входе АРУ не нарастают и не спа­дают скачком. Процессы установления и спада интенсивности звука обладают некоторой инерционностью. К этим процессам добавляется инерционность установления колебаний в воздушном пространстве по­мещения и постепенное ослабление этих колебаний вследствие явления реверберации. Для исключения пиков срабатывания ("выбросов" уров­ня) необходимо, чтобы время установления ty было меньше длительно­сти процесса установления колебаний в источниках звука tист, а время восстановления tв при спаде колебаний меньше длительности процесса реверберации t рев в помещении.

Рассмотрим эти процессы на примере действия ограничителя мак­симальных уровней.

Форма огибающей сигнала на выходе АРУ определяется соотноше­нием времени установления источника звука t ист и временем заряда кон­денсатора tз (рис. 11.26,а). Кривая 1 соответствует уже рассматривав­шемуся ранее случаю – скачкообразному нарастанию входного уровня:

кривая 2 – соотношению t ист > tз;

кривая 3 – соотношению t ист > tз.

Процессы спада уровня характеризуются кривыми на рис. 11.26,б. При скачкообразном спаде уровня и t рев = 0 процесс пойдет по кривой 4, при t p > t рев – по кривой 5, при t p < t рев –– по кривой 6.

Здесь под временем заряда конденсатора tз понимают время, в те­чение которого напряжение на конденсаторе достигнет 0,8 стационарно­го значения, а под временем разряда t p – время, в течение которого напряжение на конденсаторе уменьшится до 0,05 от начального, стацио­нарного значения. При двуполупериодном выпрямлении tз = 4 з = 4rC. Время разряда t p = 3 з =3RC. Для сопоставления числовых значений t p и t рев (здесь под t рев понимают время, в течение которого звуковое давление уменьшается до 0,05 от первоначального значения) приведем следующие данные. Например, если время стандартной реверберации Tрев = 0,5 с, то постоянная времени, соответствующая этому процессу, рев = 70 мс, а – t рев = 3 рев = 210 мс. Поскольку для большинства зву­ков tист > 5 мс, а время реверберации студий редко бывает меньше 0,5 с, то в качестве ориентировочных значений следует признать tз 1мс, а tp = 100 . . . 150 мс. Нужно, однако, отметить, что при столь малом tp ухудшается фильтрация пульсаций управляющего напряжения, особенно на нижних частотах, поэтому tp и связанное с ним tв выбирают больше.

Динамические параметры АРУ в значительной мере устанавлива­ются на основе компромисса между различными противоречивыми тре­бованиями и определяются практическими соображениями. Типичные значения параметров для ряда АРУ приведены в табл. 11.1.

Необычные динамические параметры ограничителя минимальных уровней (шумоподавителя) обусловлены тем, что он действует в паузах сигнала. При малом ty ограничитель будет "отсекать" процесс ревербе­рации, укорачивать его, а при увеличении tв против указанных значений, будет медленно увеличиваться коэффициент передачи при возникнове­нии очередного звука – слога речи или начала музыкальной фразы, и они будут ослаблены.

Таблица 11.1

Вид АРУ	ty,мс	tв, с
Ограничитель аксимальных уровней Сжиматель, речевой сигнал Сжиматель, музыкальный сигнал Сжиматели и расширители МКЗВ Ограничитель минимальных уровней	0,3–1,0 1,0–2,0 1,0–2,0 1,0–3,0 200–300	1,0–1,5 0,3 0,1–2,0 0,1–0,15 0,001–0,005