Глава 11. Преобразование и обработка звуковых сигналов

Контрольные вопросы

1. Каковы цели и способы преобразования сигналов звукового вещания?

2. Поясните особенности построения ручных регуляторов уровня.

3. Каковы особенности построения стереофонических регуляторов.

4. Как устроены ручные регуляторы спектра?

5. Приведите структурные схемы смесительных устройств и поясните особенности их построения.

6. Приведите структурную схему автоматического регулятора уровня звуковых сигналов и поясните назначение его функциональных узлов.

7. Поясните смысл статических характеристик авторегуляторов.

8. По каким соображениям выбирают временные (динамические) параметры автоматических регуляторов уровня?

9. Поясните назначение и принцип работы комбинированных и адаптивных авторегуляторов.

10. Какие искажения вносят авторегуляторы?

11. Поясните причины возникновения шумов и помех в каналах ЗВ.

12. Поясните принцип действия статических устройств шумоподавления в ка­налах 3В.

13. Поясните принцип действия динамических устройств шумоподавления в ка­налах 3В.

14. Поясните принцип действия шумоподавителя DNL

15. Поясните принцип работы компандерной системы и системы предельного сжатия динамического диапазона.

16. Поясните принцип действия шумоподавителя Долби-А.

17. Поясните принцип действия шумоподавителя Долби-В.

18. Какие устройства создания звуковых эффектов используются при обработке сигналов звукового вещания?

19. Сравните принципы действия, достоинства и недостатки различных уст­ройств искусственной реверберации.

20. Поясните принцип построения электромузыкальных инструментов и синтезаторов звука.

21. Изобразите структурные схемы измерителей квазипиковых и средних значе­ний уровня, объясните назначение и принципы действия их звеньев.

22. Каковы основные параметры квазипиковых измерителей уровня?

23. Каким образом осуществляется контроль стереосигналов?

24. Изобразите структуру пульта с жестким и свободным назначениями трактов.

11.1. Цели и способы преобразования сигналов звукового вещания

Головной частью электрических каналов 3В и звуковых каналов ТВ вещания являются тракты формирования программ (ТФП). Они предназначены для образования электрических сигналов, отображаю­щих формируемые программы, и подачи их в последующие части элек­трического канала – тракты первичного и вторичного распределения программ 3В (ТПРП и ТВРП).

При формировании программ 3В сигналы, полученные от микрофо­нов и других источников, многократно преобразуются и видоизменяют­ся. На входе и выходе канала сигнал присутствует в акустической (меха­нической) форме, в самом канале в электрической форме – аналоговой или дискретной (цифровой). При магнитной записи изменения электри­ческого напряжения сигнала превращаются в различные значения на­пряженности магнитного поля, распределенные вдоль магнитной ленты, т.е. временные изменения превращаются в пространственные, а при вос­произведении – снова во временные. При использовании механической фонограммы сигнал выражен в виде механической деформации канавки, при оптической – в виде различной прозрачности фотографического слоя или различной отражающей способности дорожки компакт-диска.

В электрическом канале сигнал подвергают множеству изменений:

его усиливают или ослабляют (изменяют его уровень), регулируют дина­мический диапазон D, спектр и временную структуру, смешивают с дру­гими сигналами, смещают по частоте (транспонируют), превращают из аналоговой формы в дискретную и обратно, уменьшают или увеличива­ют длительность звучания. Эти изменения производят для достижения нескольких целей, главные из которых:

1. Решение художественных (творческих) задач.

2. Приспособление параметров сигнала к свойствам электрических каналов и трактов.

3. Приспособление параметров сигнала к условиям домашнего вос­произведения.

Э ти задачи решают с помощью уст­ройств, управляемых вручную и автоматиче­ски: регуляторов уровня и АЧХ, линий за­держки, ревербераторов, устройств звуковых эффектов.

Рассмотрим подробнее изменения элек­трических сигналов, производимые с целью решения художественных задач. Известно, что в теории связи принято представлять сиг­нал в виде трехмерной (объемной) фигуры (рис. 11.1), причем по одной оси отклады­ваются изменения величины сигнала (звуко­вого давления, напряжения, уровня), опреде­ляющие динамический диапазон D, по второй – ширину спектра сигнала , по третьей – дли­тельность звучания . Тогда объем сигнала .Это представление относится и к вещательному сигналу с той лишь раз­ницей, что объем последнего, по крайней мере, на три порядка превы­шает объем речевого сигнала при телефонной связи. Столь большая разница определяется тем, что в телефонии передается лишь смысло­вая (семантическая) информация, а в вещании главное место уделяется передаче художественной (эстетической) информации. Количественное различие объемов информации влечет за собой иные качественные решения в преобразовании вещательных сигналов, иные требования к па­раметрам каналов для их передачи. Преобразования сигнала 3В ведут по всем трем осям объемного изображения (см. рис. 11,1): изменяют уровни и динамический диапазон, спектр и временную структуру.

У ровни сигналов разных источников регулируют, чтобы создать же­лаемое соотношение (баланс) громкостей различных оркестровых групп, солирующих инструментов, певцов-солистов, получить в помещении слу­шателя задуманное расположение КИЗ. Одновременно решают и тех­ническую задачу: весь диапазон уровней должен оказаться в преде­лах, установленных нормами и правилами технической эксплуатации (ПТЭ). Минимальные уровни сигнала 3В должны быть существенно (на 10.20 дБ) выше уровня помех канала, максимальные не должны превышать значения, при котором недопустимо возрастают нелинейные искажения, начинается перемодуляция передатчиков, а в магнитной за­писи появляется опасность копир-эффекта. Уменьшение уровня помех в каналах и трактах заставляет применять технические меры, удорожаю­щие аппаратуру: улучшать фильтрацию питающих напряжений, исполь­зовать электронные элементы (транзисторы, интегральные микросхемы, лампы) с малым уровнем собственных шумов, увеличивать число уров­ней квантования в цифровых преобразователях, экранировать блоки и узлы аппаратуры и т.д.

Для уменьшения нелинейных искажений необходимо увеличивать запас по мощности усилительных и радиопередающих устройств (при­мерно на 6 дБ), вводить цепи, компенсирующие нелинейные искажения, применять ограничители с переменным предыскажением. В цифровых устройствах следует увеличивать число разрядов в кодовом слове от­счета ЗС, т.е. вводить запас уровней квантования, чтобы неискажен­но передавать кратковременные пики уровней, которые могут вызвать перегрузку АЦП и, следовательно, создать заметные нелинейные иска­жения. Все перечисленные меры технически осуществимы, но удоро­жают аппаратуру.

Перечисленные обстоятельства приводят к необходимости умень­шать D сигналов, хотя это ухудшает художественное качество формиру­емых программ. Ввиду относительно высокого уровня перекрестных по­мех в аналоговых трактах первичного распределения программ 3В при­ходится прибегать к дальнейшему сжатию D сигналов на входе МКЗВ, а затем расширению на его выходе. Некоторые ограничения на D воспро­изводимых сигналов накладывают условия домашнего прослушивания. Минимальные уровни Nc min должны превышать уровень акустических шумов , проникающих в жилые комнаты, а максимальные уровни Nc max не должны создавать ощутимых помех в соседних квартирах. Если принять уровень акустических шумов в жилом помещении равным 40 дБ, минимально допустимый уровень сигнала 50 дБ, а максимально допустимый – 90 дБ, то получим, что D воспроизводимых сигналов должен составить примерно 40 дБ.

Примерный ход преобразования динамического диапазона ЗС в трактах формирования, а также первичного и вторичного распределения программ изображен на рис. 11.2. Здесь принято следующее обозначе­ние динамических диапазонов: D1 – исходный; D2 – после ручного регулирования уровней; D3 – в аналоговых МКЗВ; D4 = D2 – на входе ТВРП и соответственно в ТПП.

Связь динамического диапазона сигнала с отношением сигнал/по­меха (С/П) в децибелах и допусками 1 и 2, установленными с це­лью предотвращения перемодуляции редкими пиками уровня сигнала и заметности помех при небольших уровнях, выражается формулой D = 20lg(С/П) - ( 1 + 2) и изображена на рис. 11.3. Следует лишь уточнить, что при слушании в домашних условиях средний уровень зву­кового давления меньше, чем при слушании той же программы в кон­цертном зале. В силу свойств нашего слуха это приводит к относитель­ной потере громкости звуков нижних и верхних частот, т.е. к сужению слышимого спектра звуков.

Наряду с преобразованиями динамического диапазона производят изменения спектра и временной структуры сигналов. С помощью ре­гуляторов АЧХ и фильтров изменяют форму спектра сигналов, стре­мясь подчеркнуть тембровые особенности звучания певческих голосов и музыкальных инструментов, устраняют недостатки голоса исполните­ля, исправляют амплитудно-частотные искажения, уменьшают влияние шумов при реставрации старых фонограмм.

Во многих трактах первичного и вторичного распределений про­грамм 3В приходится идти на ограничение ширины полосы частот. При этом большое значение имеет правильный выбор соотношения гранич­ных частот. При неправильном выборе нарушается баланс громкостей звуков нижних и верхних частот. В результате может оказаться, что аппаратура с более широкой полосой частот, например 20010000 Гц, будет создавать худшее звучание, чем аппаратура с более узкой полосой частот, например 1006000 Гц. Это обстоятельство нашло отражение в эмпирической рекомендации: произведение граничных частот полосы пропускания должно составлять примерно 450000600000.

Изменяя временную последовательность сигналов, создают эффек­ты различной реверберации, эха, имитируют унисонное звучание при ведении мелодии одним инструментом или голосом, изменяют тональ­ность звучания, регулируют длительность исполнения, чтобы ввести его в заданный временной промежуток. Временные преобразования сигна­лов в настоящее время чаще всего производят с помощью цифровых устройств эффектов.

Ученые, инженеры, творческие работники 3В продолжают поиск таких способов преобразования звуковых сигналов речи и музыки, при использовании которых достигается наилучший художественный резуль­тат, а параметры сигналов в наибольшей степени соответствуют свой­ствам каналов и трактов.