Звуковые процессоры

В настоящее время прочное место на рынке заняли системы стереофонического воспроизведения, имеющие от трех до шести громкоговорителей. Сигналы для питания дополнительных громкоговорителей формируются чаще всего из двух сигналов специальной, например Dolby-Stereo, или обычной фонограммы или берутся непосредственно, если речь идет о формате «Surround-compatible multi-channel system». Задачи обработки сигналов решаются с помощью так называемых звуковых процессоров.

Аппаратура этого класса (рис. 3.10) обычно имеет четыре или пять основных каналов воспроизведения с громкоговорителями ЛФ, Ц, ПФ, ЛТ (или LS), ПТ (или RS) (рис. 3.11).

Фронтальные громкоговорители ЛФ, ПФ воспроизводят сигналы в полосе частот от 20…30 до 20000…30000 Гц; центральный и тыловые — от 80…100 до 15000…20000 Гц. Часто в систему звуковоспроизведения вводят также дополнительный канал сверхнизких (СНЧ) частот (Subwoofer) и соответствующий ему громкоговоритель СНЧ, обеспечивающий воспроизведение сигналов в полосе частот до 80…125 Гц.

Нижняя граница полосы частот, воспроизводимых фронтальными громкоговорителями, в данном случае может быть повышена до 80…125 Гц без потери качества. При этом тракт сверхнизких частот оптимизируется с целью получения минимальных искажений на низших частотах. Остальные каналы воспроизведения определяют возможности системы по передаче пространственной информации и оптимизируются именно по указанному критерию.

Рис. 3.10 — Структурная (а) и функциональная (б) схемы комплекса

аппаратуры для воспроизведения стереофонических сигналов

с повышенным качеством звучания:

ИП — источник программы; СПЗ — синтезатор пространственного звучания (блок обработки сигналов обычной стереофонии); УДМ — управляемая декодирующая матрица (блок обработки сигналов кодированной фонограммы, например системы «Dolby-Stereo»); 1 — устройство коммутации каналов воспроизведения и управления режимами работы звукового процессора; 2 — блок управления громкостью, окраской звучания, балансом каналов воспроизведения; 3 — формирователь сигналов управления;

У — усилители 1, 2, 3,...6-го каналов воспроизведения; 7, 8, 9, 10, 11, 12 — громкоговорители системы воспроизведения; Л, П — левый и правый сигналы стереопары; ЛФ, Ц, ПФ — левый, центральный и правый фронтальные сигналы системы воспроизведения; ЛТ, ПТ — левый и правый тыловые сигналы или левый и правый пространственные сигналы «окружения» LS, RS; СН — канал сверхнизких частот; А — оптимальное место

прослушивания

Рис. 3.11 — Система воспроизведения «Dolby-stereo»:

ЛТ, ПТ — левый и правый тыловые громкоговорители; ЛФ (L), Ц (С) — левый, центральный громкоговорители; LS, RS — левый и правый громкоговорители, излучающие левый и правый сигналы «окружения»

Совершенствование звуковых процессоров (ЗП) с многоканальными системами воспроизведения ведется по двум направлениям, предусматривающим разработку декодирующих устройств, предназначенных для обработки специальных кодированных фонограмм, например системы «Dolby-Stereo», «Dolby Pro Logic» и устройств для обработки сигналов обычных двухканальных фонограмм. Эти два блока являются основными в составе ЗП.

Возможная структура управляемой декодирующей матрицы ЗП показана на рис. 3.12.

Рис. 3.12 — Управляемая декодирующая матрица звукового процессора

Входные сигналы стереопары Л и П поступают на фильтры Ф₁, Ф₂, обеспечивающие подавление спектральных составляющих за пределами диапазона частот 20…20000 Гц. Сумматоры Σ₁ и Σ₂ формируют сумму (Л + П) и разность (Л – П) сигналов Л и П, которые затем подаются на основные входы управляемых усилителей УУ₁, УУ₂. На основные входы УУ₃ и УУ₄ подаются сигналы Л и П непосредственно с выхода фильтров Ф₁ и Ф₂. Сумматоры Σ₃, Σ₄ формируют сигналы для левого ЛФ и правого ПФ фронтальных громкоговорителей. Сумматор Σ₅ формирует сигнал Ц для центрального фронтального громкоговорителя. Суммарно-разностный преобразователь СРП формирует сигналы k₁Л – k₂П и k₁П – k₂Л, которые далее поступают на формирователь Ф. Он служит для получения сигналов окружения (при работе устройства в режиме «Dolby-Stereo») или пространственных сигналов (при обработке сигналов обычной стереофонии) LS и RS для питания левого ЛТ и правого ПТ тыловых громкоговорителей. Управляемые усилители УУ₅,…, УУ₉ необходимы для регулирования уровня громкости и баланса каналов воспроизведения.

Блок управления ЗП формирует: сигналы управления при работе устройства в режиме «Dolby-Stereo-Decoder»; сигналы управления для регулирования уровня громкости и баланса каналов воспроизведения; тестовые сигналы, необходимые для слуховой оценки работоспособности устройства в целом. Кроме того, он может формировать сигналы видеоряда, отображающие режим работы аппаратуры звуковоспроизведения (библиотеку рисованных изображений, отображающих текущее состояние сигналов стереопары, согласованное с особенностями пространственного слухового восприятия).

В качестве примера на рис. 3.13 и 3.14 приведены структурные схемы кодера и декодера системы «Dolby-Stereo».

Структурная схема кодера проста и не требует дополнительного пояснения. Что касается собственно декодера, то здесь необходимо отметить следующее. При работе УДМ (см. рис. 3.12) в режиме адаптивного декодирования сигналов кодированной фонограммы (см. рис. 3.13) системы «Dolby-Stereo» в блоке управления должны вычисляться оценка коэффициента корреляции и соотношение интенсивностей, а также фаз (0, 180°, 90°) входных сигналов стереопары Л и П.

Рис. 3.13. Структурная схема кодера системы «Dolby-Stereo»:

L, R — соответственно левый и правый фронтальные сигналы;

С — фронтальный сигнал; S — сигнал окружения 1, 2, 5, 6 — сумматоры сигналов; 3 — фильтр; 4 — компандер модифицированной

системы шумопонижения «Dolby-B»

Рис. 3.14 — Структурная схема декодера системы «Dolby-Stereo»:

1 — регулятор баланса (лево/право); 2 — адаптивная декодирующая

матрица; 3 — дополнительная матрица; 4 — фильтр; 5 — линия задержки;

6 — экспандер модернизированной системы шумопонижения «Dolby-B»

Указанные выше параметры вычисляются только для среднечастотных составляющих входных сигналов Л и П в полосе частот от 100 до 5000…8000 Гц и динамическом диапазоне изменения уровней не уже 50 дБ. Требования к точности вычислений обусловлены заметностью искажений, вызываемых погрешностью формирования сигналов управления, которая не должна превышать 2…5%. Управляющие сигналы являются низкочастотными (до 100 Гц), что упрощает задачу достижения необходимой точности при их формировании. Предварительно формируются сигналы вида

(3.1)

где и— выпрямленные и усредненные мгновенные значения напряжений сигналов Л и П. Усреднение выпрямленных напряжений при формировании сигналов управления выполняется с постоянной времени в цепи заряда, равной 3…5 мс, а в цепи разряда — 9…30 мс. Далее из полученной пары сигналов выбирается максимальное значение

(3.2)

причем если с < 0,9, то происходит адаптация к сигналу источника (режим формирования единственного КИЗ) и основные сигналы на выходе управляемой матрицы имеют вид (см. рис. 3.12):

(3.3)

При работе ЗП (см. рис. 3.12) в режиме декодирования сигналов системы «Dolby-Stereo» формирователь Ф (см. рис. 3.13) содержит ПФ с полосой пропускания 100…7000 Гц, ЛЗ с временем запаздывания 9…30 мс, экспандер системы шумопонижения (модифицированный вариант системы шумопонижения «Dolby-B») и декодер тыловых каналов воспроизведения с управлением. При этом на вход формирователя (рис. 3.15) поступает сигнал окружения S вида k(k₁Л – k₂П) с выхода СРП (см. рис. 3.13).

Рис. 3.15 — Структурная схема формирователя сигнала

«окружения» системы «Dolby-Stereo»:

1 — полосовой фильтр с полосой пропускания 100…7000 Гц;

2 — линия задержки с временем запаздывания 10…30 мс;

3 — экспандер модифицированной системы шумопонижения

«Dolby-B»

В режиме адаптивного декодирования реализуется непрерывная адаптация управляемой матрицы к пространству состояний (единственный или множество КИЗ) исходных сигналов Л и П. При этом максимальный диапазон изменения коэффициента передачи управляемых усилителей (УУ₁...УУ₄, см. рис. 3.12) в каналах воспроизведения составляет 30 дБ. Управляемые усилители УУ₁...УУ₉ декодирующей матрицы могут быть реализованы как управляемые напряжением или кодом усилители или регуляторы с широтно-импульсным модулятором ШИМ. В режиме формирования единственного КИЗ управляемая матрица адаптируется к сигналу источника (входные сигналы стереопары). В этой ситуации в зависимости от разности уровней и соотношения фаз входных сигналов изменяются коэффициенты передачи УУ₁...УУ₄ под действием сигналов управления. При работе устройства в режиме формирования единственного КИЗ источник звука формируется сигналами только двух близлежащих к нему громкоговорителей. В режиме формирования множества КИЗ коэффициенты передачи УУ₁...УУ₄ не изменяются. Разделение каналов воспроизведения здесь существенно хуже, чем при работе устройства в режиме формирования единственного КИЗ.

При обработке сигналов обычной фонограммы адаптация не используется и сигналы управления для УУ₁...УУ₄ не формируются. Их коэффициенты передачи равны 1.

При работе устройства в режиме формирования множества КИЗ постоянная времени интегрирования составляет около 2 с. Переход управляемой матрицы в режим формирования единственного КИЗ должен осуществляться за время около 10 мс, а в режим формирования множества КИЗ — около 30 мс. Выбор постоянных времени при формировании сигналов управления определяет слуховую заметность искажений при работе ЗП в режиме декодирования сигналов системы «Dolby-Stereo».

Контрольные вопросы

1. Перечислите оборудование аппаратных звукового вещания: студийных, звукозаписи, монтажа, центральной, коммутационно-распределительной, трансляционной. Каковы структурные схемы этих аппаратных?

2. Что входит в состав стационарного и передвижного трансляционных пунктов?

3. Чем отличаются структуры дикторских пультов с низким и высоким выходными уровнями?

4. Каковы особенности звуковых трактов телевизионных центров?