Author: Гитлица М.В.
Tags: электротехника электроакустика радиотехника радиовещание
ISBN: 5-256-00269-4
Year: 1989
Text
РАДИОВЕЩАНИЕ
И ЭЛЕКТРОАКУСТИКА
Под редакцией профессора М. В. Гитлица
Допущено
Министерством связи СССР
в качестве учебника
для студентов вузов связи,
обучающихся по специальности 23 07
«Радиосвязь, радиовещание и телевидение»
©Москва
«Радио и связь»
1989-
ББК 32.87/32.884
Р15
УДК 621.396.97(075)4-534.86
Авторы: А. В. Выходец, М. В. Гитлиц, Ю. А. Ковалгии, Д. В. Ни
конов, В. В. Однолько.
Рецензенты: кафедра радиовещания и телевидения ТЭИС;
доктор техн, наук Л. М. /Кононович I
Редакция литературы по радиотехнике
Радиовещание и электроакустика: Учебник для вузов/
Р15 А. В. Выходец, М. В. Гитлиц, Ю. А. Ковалгии и др.; Подред.
М. В. Гитлица. — М.: Радио и связь, 1989.—432 с.; ил.
ISBN 5-256-00269-4.
Рассмотрены основные вопросы построения системы звукового веща-
ния: тракты формирования программ первичного и вторичного распределе-
ния; акустические основы вещания; звукоусиление и озвучение; способы и
устройства обработки звуковых сигналов; измерения н контроль в звуко-
вом вещаиии. Особое внимание уделено вопросам построения спутниковых
систем вешання, цифровой обработке и передаче сигналов звукового веща-
ния, системам стереофонии в диапазонах метровых и средних волн.
Для студентов электротехнических институтов связи, обучающихся
по специальности «Радиосвязь и радиовещание».
_2303030000-161
Р046(01)-89 41 *89
ББК 32.87/32.884
ISBN 5-256-00269-4
© Выходец А. В., Гитлиц М. В., Кова-
лгнн Ю. А. и др. 1989
ПРЕДИСЛОВИЕ
Курс «Электроакустика и радиовещание» является одним из ос-
новных, изучаемых студентами специальности 2307 «Радиосвязь»,
радиовещание и телевидение».
Учебник написан в соответствии с программой курса «Элек-
троакустика и радиовещание», утвержденной ГУКУЗ Министер-
ства связи СССР в 1984 г. В нем рассматриваются вопросы, свя-
занные с получением, обработкой, передачей и воспроизведением
непосредственно у слушателя звуковых сигналов.
Курс является системным, поскольку весь комплекс радиове-
щания, включая студийное оборудование и каналы распределе-
ния программ, рассматривается как большая система, нормальное
функционирование которой возможно только при согласован-
ной работе ее составных частей. В то же время в курсе изуча-
ются и специальные устройства, осуществляющие обработку зву-
ковых сигналов. Основой, объединяющей системные и аппаратур-
ные вопросы, является звуковой сигнал, его параметры и их
преобразования в процессе обработки и передачи.
В учебнике последовательно изложены вопросы, связанные с
характеристиками источников сигналов, устройствами обработки
и параметрами сигналов до и после обработки, передачей сигна-
лов вещания по каналам связи и распределением сигналов веща-
ния по потребителям. Требования к отдельным звеньям оценива-
ются, исходя из необходимого качества передачи.
В отличие от предыдущих учебников, состоящих из двух час-
тей, здесь вопросы электроакустики и радиовещания объединены,
что позволило избежать некоторых повторов, согласовать терми-
нологию, систему обозначений и, что самое главное, изложить
вопросы, связанные с передачей звука, на единой методической
основе. По мнению авторов, это должно способствовать лучшему
пониманию специфики работы системы звукового вещания. Вклю-
чены также вопросы, не нашедшие отражения в ранее изданных
учебных пособиях, в частности спутниковое вещание, цифровая
обработка звуковых сигналов, построение сетей радиовещания
и др.
Предисловие, введение, гл. 7, 8, 10 и § 6.6 написал М. В. Гит-
лиц, гл. 1—М. В. Гитлиц и А. В. Выходец совместно, гл. 3 —
В. В. Однолько, § 2.1 и 2.2 — Ю. А. Ковалгин и В. В. Однолько
совместно, § 2.3—2.11, гл. 4, § 11.7—11.11 — Ю. А. Ковалгин, гл. 5,
12 и § 11.1—11.6 — А. В. Выходец, гл. 6, кроме § 6.6, гл. 9 и
гл. 13 — А. В. Никонов.
3
ВВЕДЕНИЕ
Звуковым вещанием называют процесс циркулярной передачи
разнообразной звуковой информации широкому кругу территори-
ально рассредоточенных слушателей. Звуковая информация мо-
жет доставляться слушателям как по радио, так и по проводам.
В соответствии с этим звуковое вещание подразделяется на ра-
дио- и проводное вещание. Вещание имеет огромное общественно-
политическое значение как могучее средство агитации и пропа-
ганды, формирования коммунистического мировоззрения и воспи-
тания трудящихся. «Газета без бумаги и расстояний», «митинг с
многомиллионной аудиторией» — так называл радиовещание
В. И. Ленин. Велика роль вещания как средства организации
досуга людей, повышения их культурного и общеобразователь-
ного уровня.
Советское радиовещание достигло высокого уровня развития
как по объему передаваемой информации, так и по охвату насе-
ления. Общий объем среднесуточного вещания в СССР превыша-
ет 1400 ч, вещание ведется на 137 языках народов СССР и мира.
Для организации вещания создана большая вещательная система,
надежность и качество функционирования отдельных звеньев ко-
торой определяют качественные показатели системы в целом.
В процессе вещания звуковая информация компонуется в от-
дельные законченные в тематическом отношении блоки, называе-
мые передачами. Некоторые передачи, как, например, «Последние
известия», «Пионерская зорька» и др., повторяются периодически
в определенное время. Другие передаются в соответствии с рас-
писанием.
Совокупность передач, распределяемая по предназначенным
для этого каналам, называется программой. Всесоюзное радио
ежедневно транслирует передачи по девяти программам.
Передачи могут быть речевыми, музыкальными и смешанны-
ми. К смешанным относят литературно-драматические передачи и
художественные монтажи, в которых речь сопровождается музы-
кальным фоном или отдельными музыкальными вставками. Ха-
рактер передачи определяет требования к студиям, где происхо-
дит их формирование, а также к каналам связи, соединяющим
студии со слушателями.
В последнее время в некоторых системах радиовещания, кро-
ме звуковой, передается дополнительная информация, в частности
4
сигналы идентификации программ, различные справочные и ре-
кламные сведения. Наличие этой информации расширяет функ-
циональные возможности радиовещания.
История звукового вещания в нашей стране насчитывает око-
ло 100 лет. Первые опытные установки для этой цели были созда-
ны в России в 80—90-х годах прошлого века. Сохранились доку-
ментальные свидетельства того, как 17.03.1888 г. в Москве в квар-
тире доктора Богословского 12 человек слушали с помощью теле-
фонных трубок оперу «Риголетто», передаваемую по проводам из
Большого театра.
После Октябрьской революции развитию радиовещания в
стране было уделено огромное внимание. В 1918 г. был издан
декрет о радио, обеспечивший централизацию радиотехнического
дела в стране. В этом же году была построена Нижегородская
радиолаборатория, которую возглавил выдающийся ученый
М. А. Бонч-Бруевич. За ее работами внимательно следил
В. И. Ленин, который очень прозорливо оценил возможности ра-
дио в деле централизации пропаганды и просвещения в стране.
19 мая 1922 г. В. И. Ленин писал: «Надо максимально уско-
рить работы, начатые Нижегородской радиолабораторией по
установке вполне пригодных громкоговорящих аппаратов и мно-
гих сотен приемников по всей республике, способных повторять
для широких масс речи, доклады и лекции, произносимые в Мос-
кве или другом центре» (В. И. Ленин, Собр. соч., Т. 45, с. 194—
196). «Дело гигантски важное, ... Вся Россия будет слышать га-
зету, читаемую в Москве», — писал В. И. Ленин в письме к
Н. П. Горбунову (В. И. Ленин, Собр. соч., Т. 52, с. 54).
Несмотря на разруху, вызванную гражданской войной и ин-
тервенцией, для работ в области радио были выделены необхо-
димые средства, и уже в 1922 г. состоялись первые радиовеща-
тельные передачи. В Москве 17 сентября 1922 г. начала регуляр-
ную работу радиостанция им. Коминтерна мощностью 12 кВт, ко-
торая была в то время самой мощной в мире. 8 декабря 1922 г.
по радио впервые переданы речи В. И. Ленина, записанные на
граммофонные пластинки.
Несколько раньше началось широкое использование средств
проводного вещания. 1 мая 1921 г. в г. Казани через усилитель и
рупоры, установленные на площадях, читалась устная газета.
22 июня 1921 г. в день открытия III конгресса Коминтерна в Мос-
кве работала сеть проводного вещания с рупорами, установлен-
ными на шести площадях.
С тех пор техника звукового вещания прошла большой путь
развития.
В настоящее время проводным вещанием охвачены населенные
пункты, в которых проживает более 67% населения, все населе-
ние страны охвачено радиовещанием. В стране насчитывается бо-
лее 1600 радиовещательных передатчиков, программы формиру-
5
ются в 118 телецентрах и 174 радиодомах. У населения в поль-
зовании находится более 87 млн. радиоприемников и радиол (в
том числе около 10 млн. стереофонических) и около 90 млн. або-
нентских точек проводного вещания.
Звук является неотъемлемой составной частью телевизионных
программ. К настоящему времени более 90% населения страны
охвачено телевизионным вещанием, объем среднесуточного теле-
визионного вещания составляет около 500 ч.
Техника звукового вещания непрерывно совершенствуется.
Начиная с 1962 г. внедряется трехпрограммное проводное веща-
ние, разрабатываются способы передачи, увеличивающие коли-
чество программ, передаваемых в проводной сети, до восьми.
Значительное распространение получило стереофоническое ра-
диовещание. В 1985 г. стереофоническое радиовещание на метро-
вых волнах осуществлялось в 80 городах, а к 2000 г. все населе-
ние страны будет иметь возможность принимать стереофоничес-
кие программы. Предполагается внедрение стереофонического
звука в телевидение и передача стереофонических программ в
гектометровом диапазоне.
Одной из основных задач техники звукового вещания в на-
стоящее время является повышение качества. Наиболее реальный
путь ее решения — использование цифровых методов обработки и
передачи сигналов. Уже разработаны и используются цифровые
устройства формирования программ и цифровые каналы связи.
Проводятся работы по цифровому вещанию непосредственно на
индивидуальные приемники.
Освоение новых диапазонов волн, автоматизация процессов
производства передач, переход к цифровым методам обработки
сигналов, увеличение количества и качества передаваемых про-
грамм, внедрение стереофонии — таковы основные направления
совершенствования техники звукового вещания в настоящее
время.
Глава 1. СИСТЕМА ЗВУКОВОГО ВЕЩАНИЯ
1.1. ОРГАНИЗАЦИЯ ЗВУКОВОГО ВЕЩАНИЯ
В СССР
Организационная структура системы звукового вещания пред-
ставлена на рис. 1.1. Подготовкой, формированием и выпуском
программ звукового вещания занимаются Государственный коми-
тет Совета Министров СССР по телевидению и радиовещанию
(Гостелерадио СССР) и его органы на местах — Гостелерадиоко-
митеты союзных республик и республиканские, краевые, област-
ные и окружные телерадиокомитеты, отвечающие как за содер-
жание программ звукового вещания, так и за их техническое ка-
чество. Гостелерадио имеет центры формирования программ (ра-
диодома), в которых производится подготовка, формирование и
выпуск программ звукового вещания.
Готовят программы редакции, специализированные по типу
передачи и объединенные в главные редакции ГР информации,
пропаганды, литературно-драматического вещания, музыкального
вещания для молодежи, детей и юношества и др. Главная редак-
ция осуществляет организацию и планирование программ—от со-
ставления дневных и недельных программ до их выпуска. Отдел
выпуска ОВ организует передачу программ. Наблюдение за тех-
ническим качеством передач возложено на отдел контроля ОК-
Передачи могут вестись в записи или непосредственно (пря-
мые передачи). Прямые передачи составляют 5 ... 10% от общего
объема. Это преимущественно актуальные передачи с места собы-
тий, трансляции из театров, стадионов, дикторский текст. Приме-
нение предварительной записи позволяет автоматизировать про-
цесс выпуска программ и повысить качество вещания.
В зависимости от назначения различают передачи для населе-
ния Советского Союза — внутрисоюзное вещание и передачи для
населения других стран — иновещание. Внутрисоюзное вещание
составляют передачи центрального вещания, создаваемые Госте-
лерадио СССР в Москве, передачи республиканского вещания —
по программам, создаваемым Гостелерадиокомитетами союзных
республик, передачи краевого, областного, окружного вещания—
7
Рис. 1.1. Структура системы звукового
вещания
по программам, составляемым соот-
ветствующими гостелерадиокомите-
тами. Внутрисоюзным вещанием
охвачена практически вся террито-
рия СССР. Центральное общесоюз-
ное вещание в настоящее время ве-
дется по девяти программам с об-
щим объемом около 180 ч в сутки.
Первая программа—это основная общесоюзная, информацион-
ная, общественно-политическая, познавательная и художественная.
Среднесуточный объем вещания 20 ч. Около 50% этого времени
отводится информационным, общественно-политическим пе-
редачам, а также вещанию для детей и молодежи. Остальное вре-
мя занимают театральные, литературные, музыкальные, спортив-
ные и другие передачи. Так как территория СССР включает 11
временных поясов, первая программа имеет четыре дубля, назы-
ваемые «Радио-Орбита» (рис. 1.2). Программа «Радио-Орбита-1»
предназначена для жителей Камчатской, Магаданской, Сахалин-
ской областей, Чукотского национального округа (часовые пояса
+ 10, +9, +8 по отношению к Москве). Программа «Радио-Ор-
бита-2» принимается населением Якутской АССР, Приморского
и Хабаровского краев, Амурской и Читинской областей (часовые
пояса +7, +6). Программа «Радио-Орбита-3» адресована жите-
лям Бурятской и Тувинской АССР, Алтайского и Красноярского
краев, Иркутской, Кемеровской, Новосибирской, Томской облас-
тей (часовые пояса +5, +4). Программа «Радио-Орбита-4» пред-
Рис. 1.2. Территориальное распределение первой программы с учетом часовых
поясов
8
назначена для населения Казахской, Киргизской, Таджикской,
Туркменской, Узбекской ССР и областей РСФСР в часовых по-
ясах -|-3, -|-2.
Вторая программа («Маяк») — общесоюзная круглосуточная,
информационно-музыкальная — транслируется одновременно для
всех районов страны. Каждые полчаса в коротких выпусках но-
востей сообщается о событиях внутренней и международной жиз-
ни. В остальное время «Маяк» передает произведения русской,
советской и зарубежной музыки.
Третья программа — литературно-музыкальная и образова-
тельно-познавательная —• предназначена в основном для населе-
ния Европейской части СССР и Урала. Транслируются радио-
спектакли, пропагандируется музыкальная классика, современная
симфоническая и оперная музыка. Среднесуточный объем веща-
ния по этой программе 17 ч.
Четвертая программа — музыкальная — передается на гекто-
метровых и метровых волнах. Объем вещания 9 ч, из них 7 ч—
стереофоническое на метровых волнах.
Пятая программа—общественно-политическая и художествен-
ная — ретранслирует основные выпуски «Последних новостей»
первой программы, а также информационные и музыкальные пе-
редачи «Маяка»; предназначена для советских моряков, советских
граждан, находящихся за рубежом, и иностранных слушателей,
владеющих русским языком, ведется круглосуточно.
Каждая из союзных республик имеет по две-три собствен-
ные республиканские программы вещания. Республиканское ве-
щание ведется по 10 ... 18 ч в сутки, объем областного вещания
1,5—2 ч.
1.2. СТРУКТУРНАЯ СХЕМА СИСТЕМЫ
ЗВУКОВОГО ВЕЩАНИЯ
Формирование и доведение программы до слушателей осуще-
ствляется с помощью специального комплекса технических
средств, образующих электрический канал звукового вещания
(ЭКЗВ). По ЭКЗВ сигналы звукового вещания передаются с выхо-
да микрофона до антенны передатчика или абонентской розетки
тракта проводного вещания. Электрический канал звукового ве-
щания состоит из трех различных последовательно соединенных
трактов: формирования программ (ТФП), первичного распреде-
ления программ (ТПРП) и вторичного распределения программ
(ТВРП) (рис. 1.3). Совокупность технических средств ТПРП и
ТВРП составляет вещательную сеть.
Тракт формирования программ представляет собой часть
ЭКЗВ, которая начинается на выходе микрофона и заканчивает-
ся на выходе центральной аппаратной радиодома (радиотелецен-
тра). Радиодом является головным звеном системы звукового ве-
9
Рис. 1.3. Структурная схема системы звукового вещания
щания, и поэтому средства, составляющие ТФП, имеют наиболее
высокие параметры качества. Радиодом, расположенный в Москве,
называют Государственным домом радиовещания и звукозаписи
(ГДРЗ).
Типовой ТФП состоит из апаратно-студийных комплексов
АСК, вещательной аппаратной ВА, центральной аппаратной ЦА,
трансляционной аппаратной ТА и аппаратных звукозаписи АЗ.
Входы типового ТФП рассчитаны на подключение источников
сигнала, имеющих низкий (—30 ... —70 дБ) либо высокий уро-
вень (—12 ... +12 дБ). Низкие уровни сигнала свойственны ми-
крофонным трактам, сигналы с высоким уровнем поступают с вы-
ходов магнитофона, трансляционных пунктов, междугородных ка-
налов звукового вещания.
Программы создаются в аппаратно-студийном комплексе ра-
диодома, состоящем из нескольких студий С и студийных аппа-
ратных. Однако, как правило, в АСК не производится полное
формирование программ, а создаются только их фрагменты, ко-
торые записываются на магнитную ленту. В каждом радиодоме
имеется фонотека, из которой можно взять записи, требуемые для
данной программы. Отдельные фрагменты программы можно
получить извне от трансляционных пунктов, оборудованных в кон-
цертных залах, театрах, на стадионах данного города и по меж-
дугородным каналам звукового вещания МКЗВ из других радио-
домов. Для приема этих фрагментов программы в радиодоме
предусмотрена трансляционная аппаратная. Формируется из от-
дельных фрагментов вещательная программа в вещательной (про-
граммной) аппаратной. Программы, сформированные в ВА, по-
ступают в центральную аппаратную для коммутации потребите-
лям. Из служб радиодома сигналы ЦА подаются в аппаратные
звукозаписи и отдел технического контроля ОТК. Технический
контроль программ производится непрерывно.
10
На выходе ЦА радиодома начинается тракт первичного рас-
пределения программ ТПРП. По соединительной линии СЛ сиг-
налы из ЦА поступают в коммутационно-распределительную ап-
паратную КРА. Московская КРА называется центральной
(ЦКРА) и связана с сетью радиовещательных станций РВС,
с городским радиотрансляционным узлом ГРТУ и через централь-
ную междугородную вещательную аппаратную ЦМВА с между-
городным каналом звукового вещания МКЗВ, образуемым в ка-
бельных, радиорелейных и спутниковых системах передачи.
Сеть МКЗВ организуется на базе магистральной и внутризо-
новой первичной сети ЕАСС. Она является основой общегосудар-
ственной системы распределения программ вещания, которая
обеспечивает подачу центральных и республиканских программ
ко всем краевым и областным центрам, распределение централь-
ных, республиканских и областных (краевых) программ по тер-
риториям областей (краев), обмен программами между центрами
формирования программ.
Программы центрального вещания поступают на входы КРА
всех крупных городов (столицы республик, краевые и областные
центры). Местные КРА обеспечивают подачу программ звуково-
го вещания на местные РВС и ГРТУ. Радиотрансляционные узлы
проводного вещания РТУ районных центров получают программы
по проводным каналам звукового вещания или от РВС.
Тракт вторичного распределения программ представляет собой
часть ЭКЗВ, предназначенную для передачи программ непосред-
ственно слушателям. Этот тракт начинается с конца СЛ от мест-
ного КРА (ЦА или МКЗВ), по которой сигнал вещательной про-
граммы подается на вход передатчика РВС или ГРТУ и закан-
чивается входом антенны передатчика или абонентской розеткой
сети проводного вещания. Таким образом, доведение программ
непосредственно до слушателя осуществляется двумя способами:
с помощью радиовещательных станций или системы проводного
вещания. Чаще всего оба способа используют одновременно, так
как каждый из них имеет свои преимущества и недостатки.
Достоинством радиовещания являются многопрограммность и
большая дальность действия. Система проводного вещания в го-
родах и ряде районных центров обеспечивает передачу трех про-
грамм (обычно первую и вторую центральные и одну республи-
канскую) при большей по сравнению с радиовещанием надеж-
ности в работе, а абонентское устройство проводного вещания
дешевле радиоприемника.
И
1.3. АНАЛОГОВЫЕ И ЦИФРОВЫЕ МЕТОДЫ
ПЕРЕДАЧИ СИГНАЛОВ
Как видно из рис. 1.3, современные электрические каналы звукового веща-
ния представляют собой сложные технические сооружения, состоящие из многих
звеньев. На пути от выхода микрофона до входа громкоговорителя сигналы зву-
кового вещания неоднократно усиливаются, преобразуются, коммутируются и по-
этому искажаются.
Исходный звуковой сигнал является аналоговым. При его передаче по ана-
логовым каналам связи на сигнал воздействуют помехи, искажая его. Появление
линейных искажений объясняется наличием в электрическом канале передачи
реактивных элементов (емкостей и индуктивностей). Аналоговый канал можно
охарактеризовать комплексным коэффициентом передачи = |К(«) |Х
Хехр [j<p(<o)J. Модуль этого выражения |К(ш) | описывает амплитудно-частот-
ную характеристику (АЧХ) канала, а <р (ш)—его фазо-частотную характеристи-
ку (ФЧХ).
Для неискаженной передачи сигналов необходимо, чтобы в полосе частот
передаваемого сигнала выполнялись условия |К(<£>) |=const и <р (со) = f-сот,
где k и т — постоянные величины. В этом случае форма и спектры сигналов на
входе и выходе канала будут одинаковы.
Практически условия постоянства модуля |К(ы)| и линейности фазы <р(о>)
выполняются лишь в части рабочего диапазона. Частотные искажения оценива-
ются неравномерностью амплитудно-частотной характеристики в рабочем диа-
пазоне частот, а их наличие субъективно ощущается как изменение тембра зву-
чания.
Частотно-фазовыми называют искажения, связанные с отклонением реальной
фазовой характеристики <p(w) от идеальной. При идеальной фазовой характери-
стике все гармоники сигнала s(t) получают одинаковую временную задержку т,
что приводит к сдвигу сигнала во времени без нарушения его формы.
При нелинейной зависимости фазового сдвига от частоты искажается форма
сигнала. При монофоническом воспроизведении звука вследствие физиологиче-
ских особенностей слуха фазовые искажения обычно не сказываются на каче-
стве звучания. При стереофонии в отличие от монофонического вещания переда-
ются не один, а два сигнала: левого Л и правого П каналов. Если между сиг-
налами Л и П возникают фазовые сдвиги или их уровни заметно различаются,
то это приводит к нарушению стереофоничности звукопередачи.
Из-за нелинейности амплитудных характеристик звеньев вещательного ка-
нала возникают нелинейные искажения. При нелинейной амплитудной характе-
ристике канала зависимость сигнала на его выходе s2 (1) от сигнала на входе
Si(t) в общем виде выражается степенным многочленом
«2 (0 =ao+aisi (0 +а2 [si (0 ] 2+ ... -\-ап [st (/)п].
Нелинейность вызывает изменения спектра сигнала, появляются гармоники и
комбинационные частоты. Количественно нелинейные искажения оценивают ко-
эффициентом гармоник илн разностного тона. Коэффициент гармоник
Кг = I/ ^n2/^i, гДе ••• — амплитуды гармоник выходного сигнала.
п=2
Оценка нелинейности канала по значению Кг оказывается весьма проста, но
при измерении нелинейности в области частот, лежащих выше середины полосы
пропускания, не применима, поскольку все гармоники сигнала, кроме первой, в
этом случае оказываются вне полосы пропускания. Для преодоления этого недо-
статка нелинейность оценивают разностным тоном, возникающим при прохожде-
нии через канал двух синусоидальных колебаний с частотами ш, и <02. Коэффи-
циенты разностного тона второго (Кртг) и третьего (Кртз) порядков определя-
12
ются следующим образом:
Кртз = (4/3) •
Здесь U— амплитуды составляющих спектра выходного сигнала с частотами ш/.
При малых нелинейностях Кгг^Кртг, Кгз^Артз.
Под помехами понимают понимают сторонние возмущения, действующие в
канале и препятствующие правильному приему сигналов. В электрическом кана-
ле чаще всего возникают аддитивные помехи — помехи, которые суммируются с
сигналом и существуют независимо от него. Аддитивные помехи разделяют на
флуктуационные, импульсные и периодические. К флуктуационным относят по-
мехи, вызванные тепловыми движениями электронов и ионов. Импульсные поме-
хи появляются в результате атмосферных электрических разрядов и искрений в
контактах электросиловой аппаратуры. К периодическим помехам относят глав-
ным образом фон источника питания переменного тока.
При электромагнитной связи между элементами или звеньями электрических
каналов, по которым передаются разные сигналы, возникают переходные поме-
хи. Нелинейности групповых усилителей и преобразователей частоты в системах
передачи с частотным разделением каналов также обусловливают появление по-
мех этого вида.
Наиболее слышны помехи в паузах передач, поэтому их допустимый уровень
определяется заметностью именно в паузах передач. Переходные помехи бывают
внятными и невнятными. Внятными называют помехи, которые по характеру со-
впадают с передаваемой информацией. Например, при передаче сигналов веща-
ния внятную помеху могут создавать прослушиваемые телефонные переговоры,
другие программы вещания. Невнятные помехи по характеру отличаются от пе-
редаваемых сигналов. В силу специфики восприятия помех наиболее сильное
мешающее действие оказывают внятные переходные помехи, и поэтому борьбе с
ними уделяется наибольшее внимание.
Флуктуационные и импульсные помехи имеют широкополосный характер, но
слух человека имеет неодинаковую чувствительность к составляющим шума раз-
ных частот. Поэтому при звуковом вещании шум оценивают не только инте-
гральным значением, но и величиной, учитывающей особенности субъективного
восприятия (рис. 1.4).
В процессе формирования программ, а также их передачи по трактам пер-
вичного и вторичного распределения аналоговые сигналы искажаются. Если в
процессе передачи на аналоговый сигнал воздействует несколько источников по-
мех, то эти помехи суммируются. Поэтому при передаче аналоговых сигналов
происходит накопление помех и искажений, возникающих на разных этапах их
передачи и преобразования. Эта особенность ярко проявляется при формирова-
Рис. 1.4. Частотная ха-
рактеристика взвешиваю-
щего фильтра, учитыва-
ющего чувствительность
слуха к составляющим
шума разных частот
13
Рис. 1.5. Диаграммы, поясняющие
принцип регенерации
от искажений и шумов, объясняемая
нии. программ путем монтажа магнит-
ных фонограмм и последующей много-
кратной перезаписи звуковых сигналов,
а также при передаче их в тракте пер-
вичного распределения.
Отмеченные недостатки использо-
вания аналоговых сигналов могут быть
преодолены путем преобразования их
в цифровую форму.
В отличие от аналогового сигнала,
который может изменяться в произ-
вольный момент времени на сколь угод-
но малое значение, цифровой сигнал
может изменяться только в заранее за-
данные тактовые моменты и только
вполне определенным образом. Обычно
используют двоичные сигналы, которые
отображают наличие или отсутствие
импульсов в тактовые моменты (рис.
1.5,а). Из этого вытекает главное пре-
имущество цифровой формы представ-
ления сигналов—высокая защищенность
тем, что на приемной стороне системы
важно только обнаружение импульса в заданный момент времени. Искажения
же его формы в определенных пределах менее существенно.
Если в процессе передачи на цифровой сигнал наложится помеха, то при
правильно выбранных параметрах системы передачи помеха может быть обна-
ружена и отделена от сигнала. Процесс отделения сигнала от помехи и восста-
новление его формы называется регенерацией. Регенерация цифровых сигналов
осуществляется с помощью ключевого устройства (регенератора)—порогового
устройства, обеспечивающего формирование П-образных импульсов из искажен-
ной их последовательности.
Искаженный сигнал на входе регенератора (рис. 1.5,б) равен сумме прошед-
шего через линию искаженного сигнала и2(0 (рис 1.5,6) и помехи. Если в ре-
генераторе выбрать порог срабатывания Епор выше уровня помех, то на его вы-
ходе можно получить восстановленный цифровой сигнал, «очищенный» от иска-
жений и помех (рис. 1.5,г). Если помехи в линии могут достигать больших зна-
чений (превышающих Дпор), то помеха будет восприниматься как ложный им-
пульс, и цифровой сигнал будет передан с искажениями. Влияние помех можно
устранить, применив специальные помехоустойчивые коды и разместив регенера-
торы в линии передачи на более близких расстояниях.
Сравнивая аналоговые (АСП) и цифровые (ЦСП) системы передачи можно
отметить следующие преимущества последних.
Цифровые системы передачи обладают высокой помехоустойчивостью при
использовании каналов связи с высоким уровнем помех и искажений. Качествен-
ные показатели ЦСП не зависят от расстояния и конфигурации сети связи.
К достоинствам ЦСП относятся также совместимость каналов, предназначенных
для передачи разной информации, сравнительная простота оборудования ре-
трансляционных пунктов, содержащих пороговые регенеративные устройства и не
требующих преобразования сигнала (демодуляции, переноса спектра и т. д.).
В ЦСП отсутствует накопление помех и искажений, действующих на различных
участках канала. Поэтому параметры качества цифровых каналов в отличие от
аналоговых не зависят от их протяженности. Параметры сигнала на выходе
цифрового канала будут практически теми же, что и на выходе радиодома.
Основным недостатком цифровых систем передачи является требование зна-
чительно большей полосы пропускания, чем у АСП, что существенно при ис-
пользования частотно-ограниченных каналов.
14
1.4. ПРИНЦИПЫ НОРМИРОВАНИЯ
КАЧЕСТВЕННЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ КАНАЛОВ
И ТРАКТОВ ЗВУКОВОГО ВЕЩАНИЯ
Как сказано в § 1.3, комплекс технических средств, с помощью
которых формируются и доводятся до слушателей программы
звукового вещания, образует электрический канал звукового ве-
щания ЭКЗВ. Для того, чтобы качество воспроизведения звука
у слушателей было достаточно высоким, параметры ЭКЗВ в це-
лом и его трактов в отдельности должны удовлетворять опреде-
ленным требованиям, установленным Государственным стандар-
том (ГОСТ 11515—86).
Нормирование параметров качества каналов и трактов звуко-
вого вещания ЗВ основано на определении путем субъективно-
статистической экспертизы допустимых искажений сигналов и до-
пустимого уровня шумов в этих каналах и трактах. Процедура
субъективно-статистической экспертизы состоит в следующем.
Слушателям-экспертам предъявляются неискаженные отрывки му-
зыкальных произведений разного жанра и те же самые отрывки,
но после внесения в сигнал заданных искажений. Эксперты дол-
жны ответить на вопрос, заметны ли на слух эти искажения. По-
лученные в процессе экспертизы данные обрабатываются, и да-
ется оценка заметности искажений по следующим градациям:
совершенно незаметно — искажения заметны менее чем в 15%
случаев;
практически незаметно — искажения заметны менее чем в 30%
случаев;
неуверенно заметно — искажения заметны в 50% случаев;
уверенно заметно — искажения заметны в 75% случаев.
Очевидно, что искажения тем заметнее, чем они больше.
В зависимости от заметности искажений, а также технико-эко-
номических показателей установлены три класса качества звуча-
ния:
высший класс характеризуется тем, что искажения в нем прак-
тически незаметны высококвалифицированным экспертам и со-
вершенно незаметны обычным слушателям;
первый класс — искажения неуверенно заметны высококвали-
фицированным экспертам и практически незаметны обычным слу-
шателям;
второй класс — искажения уверенно заметны высококвалифи-
цированным экспертам и неуверенно заметны обычным слуша-
телям.
Каждый класс характеризуется определенными допустимыми
искажениями. При этом регламентируют следующие параметры
качества:
полоса передаваемых частот;
15
неравномерность амплитудно-частотной характеристики;
коэффициент гармоник;
защищенность от взвешенного шума;
защищенность от внятной переходной помехи;
разность фаз в каналах Л и П при стереофонической пере-
даче;
защищенность от внятных переходных помех между каналами
Л и П;
разность уровней между каналами Л и П;
отклонение выходного уровня от номинального значения.
1.5. ДИАГРАММА УРОВНЕЙ
Под диаграммой уровней понимают график изменения уровня напряжения
или мощности сигнала в отдельных точках вещательного тракта. Такую диаграм-
му, называемую расчетной, обычно строят на этапе проектирования вещательного
тракта. Полученные при этом данные позволяют правильно построить структур-
ную схему тракта.
В процессе эксплуатации диаграмму уровней тракта периодически сверяют
с расчетной и вносят при необходимости соответствующие коррективы, так как
расхождение фактической и расчетной диаграмм уровней приводит, как правило,
к ухудшению качественных показателей эксплуатируемого тракта.
Диаграмму уровней обычно помещают под упрощенной структурной схемой
вещательного тракта. Значения уровней в каждой контролируемой точке тракта
откладывают на вертикальных линиях.
Различают диаграммы уровней по напряжению и по мощности. Очевидно,
обе диаграммы будут одинаковыми только в том случае, если входные сопро-
тивления в контролируемых точках будут равны 600 Ом. Обычно диаграмму
строят по напряжению и, зная соответствующие сопротивления определяют при
необходимости уровень мощности в каждой точке.
Рассмотрим принцип построения диаграммы уровней на примере длинной со-
единительной линии между КРА и РВС (рис. 1.6). Линия состоит из двух уча-
стков СЛ1 и СЛ2. Пусть на вход усилителя У| подается сигнал программы зву-
кового вещаиия напряжением 1 В. Этому значению напряжения соответствует
уровень N = 20 lg(l/0,775) =2,2 дБ.
На вход СЛ) должен поступать сигнал уровня ±15 дБ, поэтому коэффи-
циент усиления усилителя У] должен составлять 15—2,2=12,8 дБ. Это усиление
показано наклонной прямой, начинающейся с точки 2,2 дБ. Затухание в СЛ ча-
стотно-зависимо и на низшей частоте (штрихпунктирная линия) равно 7,5 дБ, а
на высшей (штриховая линия) — 14 дБ.
Рис. 1.6. Диаграмма уровней
16
Назначением корректирующего контура КК является выравнивание АЧХ со-
единительной линии, Пусть затухание КК на нижней частоте 7,5 дБ, а на выс-
шей — 1 дБ. Тогда номинальные уровни на выходе КК иа нижней и высшей
частотах будут одинаковыми и равны 0 дБ.
Процессы на СЛ2 будут такими же, как и иа СЛц усилитель У2 поднимает
уровень напряжения до 15 дБ, а после КК уровень сигнала становится равным
О дБ.
Контрольные вопросы
1. Почему к качественным показателям тракта формирования программ
предъявляются более высокие требования, чем к соответствующим показателям
систем распределения?
2. Почему оценка нелинейности канала по коэффициенту гармоник не всегда
достаточна?
3. В чем разница между помехами внятными и невнятными с точки зрения
их влияния на восприятие звуковых сигналов?
4. В чем основное преимущество цифровых методов передачи перед анало-
говыми?
5. Какова цель создания норм на качество каналов вещания?
Глава 2. СИГНАЛЫ ЗВУКОВОГО ВЕЩАНИЯ
И ИХ ВОСПРИЯТИЕ
2.1. ЗВУКОВОЕ ПОЛЕ В НЕОГРАНИЧЕННОМ
ПРОСТРАНСТВЕ
Под звуковым полем понимают пространство упругой среды,
обычно воздушной, в которой распространяются звуковые волны
(колебания). Природа звуковых волн такова, что при деформа-
ции среды в каком-либо элементарном участке в соседних с ним
участках возникают последовательные во времени сжатия и раз-
ряжения среды. Этот процесс распространяется далее с опреде-
ленной скоростью так, что в пространстве возникает звуковая
волна. В воздушной среде направление распространения волны
совпадает с направлением излучения звука; такие волны назы-
вают продольными. То же явление наблюдается и в жидкостях.
В твердотельных упругих средах, кроме продольных волн, обра-
зуются и поперечные.
Скорость распространения звуковых волн в атмосфере при нор-
мальных температуре и давлении близка к значению сзв=340 м/с,
принятому в вещании за расчетную. Однако в зависимости от
изменения указанных параметров она может несколько изменять-
ся. В средах с большой плотностью (жидких, твердых) скорость
распространения соответственно повышается. В неограниченном
пространстве звук распространяется в виде бегущей волны. Дли-
на звуковой волны А связана с частотой колебаний F и их перио-
2—6697 17
дом Т соотношением
Сзв/F = СзвТ,
где Т измерено в секундах, a F — в герцах.
Диапазон частот акустических колебаний F, слышимых чело-
веком, простирается примерно от 16 ... 25 Гц до 18 ... 20 кГц в
зависимости от индивидуальных особенностей слушателя. С ниж-
ней границей звукового диапазона граничит диапазон инфразву-
ковых частот, воздействие которых на человека считают вредным,
так как они могут вызывать неприятные ощущения с серьезными
последствиями. В природе инфразвуковые колебания могут воз-
никать при волнениях в море, колебаниях земной среды и пр.
Выше звукового диапазона располагается диапазон ультра-
звуковых механических колебаний. Ультразвук для человека не-
слышим, но широко используется в радиоэлектронике для созда-
ния устройств, служащих для обработки радиотехнических сиг-
налов. например фильтров, линий задержки, преобразователей
формы сигналов (в миниатюрном исполнении с использованием
принципа поверхностных акустических волн — ПАВ), для лечеб-
ных целей в медицине, для совершенствования технологических
процессов в промышленности. Механические колебания в упругих
средах с диапазоном частот F—109 ... 1013 Гц — гиперзвуковые
частоты — используют в технике физического эксперимента и др.
При распространении звуковой волны в каждом из участков
звукового поля наблюдаются периодические колебания частиц
среды: сжатия и разряжения (рис. 2.1). Такие локальные коле-
бания характеризуются знакопеременным (колебательным) сме-
щением частиц, отклонением их от первоначального статического
положения. Скорость колебательного движения частиц среды при
распространении в ней звуковой волны называется колебательной
скоростью v. Не следует путать это понятие со скоростью распро-
странения сзв звуковой волны. Колебательная скорость возрас-
тает при повышении частоты и амплитуды акустического сигна-
ла, однако она практически на несколько порядков меньше ско-
рости распространения звуковой волны. Если в заданной точке
звукового поля в некоторый момент
частицы среды смещаются в на-
правлении распространения звуко-
вой волны, то направление вектора
колебательной скорости считают
положительным, в противоположном
случае — отрицательным. Пооче-
редное сжатие и разряжение в дан-
ном участке поля вызывает соот-
ветственно изменение давления от-
носительно его статического значе-
ния. В данном случае в качестве
Л6 .• '
Рис. 2.1. Зависимость звукового
давления от времени в произволь-
ной точке поля
18
Рис. 2.2. Поле плоской (а) н сферической (б) звуковых волн
последнего выступает атмосферное звуковое давление. Разность
между мгновенными значениями давления при сжатиях и разря-
жениях среды в данной точке относительно статического атмос-
ферного давления называется звуковым давлением рзв- Таким
образом, звуковое давление считают положительным в фазе сжа-
тия и отрицательным в фазе разряжения (рис. 2.1). Звуковое
давление является скалярной знакопеременной величиной, изме-
ряется в паскалях; это функция текущего времени и координат
точки измерения (1 Па=1 Н/м2). Звуковые давления, характер-
ные для радиовещания, гораздо меньше атмосферного (статиче-
ского). Диапазон их изменения 10~5 ... 20 Па.
Другим важным параметром звукового поля является интен-
сивность 1ЗВ (или сила) звука. Под этим параметром понимают
поток звуковой энергии, переносимый средой в направлении рас-
пространения через единицу поверхности, ему перпендикулярной,
за единицу времени. Противодействие, оказываемое указанной
площадкой среды распространению этой энергии, называется
акустическим сопротивлением
Za = p3B/v. (2.2)
Распределение колебательной энергии в звуковом поле суще-
ственно зависит от формы фронта звуковой волны — поверхности
с одинаковой фазой звуковых колебаний. Наибольший практиче-
ский интерес представляют плоская и сферическая волны.
Поле плоской волны можно представить как пространство пе-
ред колеблющимся плоским излучателем звука 1 (рис. 2.2,а), в ко-
тором от этого источника в направлении положительных значе-
ний х распространяется бегущая волна сжатия и разрежения эле-
ментарных объемов среды. Тут фронт волны повторяет плоскую
форму излучателя, поток звуковой энергии направлен параллель-
но оси X, он не рассеивается в стороны и не отклоняется от оси.
2* 19
Если пренебречь потерями энергии в среде (что справедливо для
не очень больших расстояний от источника излучения), то можно
считать, что параметры поля независимо от значения х остаются
неизменными.
Классическим примером поля плоской волны считают колеба-
ния жесткого несгибающегося поршня в длинной трубе с неотра-
жающими звук стенами, если диаметр поршня намного меньше
длин волн излучаемых колебаний.
Звуковое давление, создаваемое колебанием частиц среды, и
их колебательная скорость для поля плоской волны связаны сле-
дующим образом:
Рзв — ГЩо^зв, (2-3)
где рзв — звуковое давление; р0 — статическая плотность среды;
v — колебательная скорость.
Если изменение звукового давления соответствует гармониче-
скому закону
Рзв[х, ^)=Рзвпгехр [j ((£>/—(HX/cSB)] (2-4)
и <±>/сзв=/г, где k — волновое число, то можно записать, что
о = °m- exp [j (wt — kx)], (2.5)
Росзв
где Рзвт — амплитуда звукового давления; х — расстояние от по-
верхности поршня (1 на рис. 2.2,а) до точки наблюдения. В поле
плоской звуковой волны значения р3вт. и vm не зависят от рас-
стояния X, причем Vm = Рзвт/ (роСзв).
При технических расчетах для воздушной среды принимают
ро=1,23 кг/м3 и сзв=340 м/с, поэтому р0с.зв= 1,23 • 340=
= 418 кг/(м2-с).
Колебательную скорость v частиц среды часто уподобляют
колебательному процессу электрических частиц — переменному
току, а звуковое давление — переменному электрическому напря-
жению, что будет далее обосновано подробнее. При этом интен-
сивность плоской волны по аналогии с электрической мощностью
можно выразить как
р2
Лв = —— = v2 ?ocSB = рзв v. (2.6)
РоСЗВ
Поле сферической волны формируется при излучении звука
точечным источником в неограниченном пространстве. Звуковые
волны от такого источника (рис. 2.2,6) распространяются равно-
мерно по всей сфере в трехмерном пространстве X, У, Z в на-
правлении ее радиусов г. Фронт волны, естественно, получается
также сферическим.
20
Количественный анализ и физическая интерпретация характе-
ристик поля сферической волны показывают, что в нем звуковое
давление и интенсивность звука не остаются постоянными вдоль
направления распространения волны. Звуковое давление рзв=
=р'зв№, где р'зв — звуковое давление при радиусе единичной дли-
ны. Аналогично интенсивность 1зъ=^'зъ!г-
Важной особенностью сферического поля, как и вообще полей
с расходящимися и сходящимися направлениями распространения
звуковых волн, является то, что в них акустическое сопротивление
приобретает реактивную составляющую в отличие от поля плос-
кой волны, где акустическое сопротивление является чисто актив-
ным.
Для звуковых полей важно, что благодаря малости звуковых
давлений все процессы, сопутствующие распространению звуковых
волн, являются линейными. Это позволяет пользоваться при их
анализе принципами суперпозиции и взаимности обмена энергии
между источниками излучений и их приемниками.
Универсальной энергетической характеристикой звукового поля
является плотность звуковой энергии
Е—1зъ/сзв, (2.7)
которая содержится в единице объема звукового поля.
2.2. СЛУХ И ВОСПРИЯТИЕ
ЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ
2.2.1. СЛУХОВОЙ АППАРАТ
Особенности строения и свойства слуха человека имеют для
радиовещания чрезвычайно большое значение. Они определяют
технические требования к системе вещания, ее отдельным трак-
там и устройствам. Согласование технических средств передачи с
субъективными характеристиками восприятия помогает достиг-
нуть нужной информационной достоверности передаваемых сиг-
налов, получить в процессе вещания семантическое и эмоциональ-
ное соответствие между первичными и воспринимаемыми звуко-
выми образами вещательных программ. На основе свойств слуха
судят о качестве передачи и воспроизведения программ звукового
вещания, строят систему метрики аппаратуры.
В настоящее время достаточно хорошо изучены области на-
ружного, среднего и внутреннего уха, доводящие звуковые коле-
бания воздушной среды до чувствительных окончаний слуховых
волокон нервной системы. В значительно меньшей степени иссле-
дованы процессы в самой нервной системе. Известно, что здесь
акустический сигнал преобразуется в электрический и в резуль-
тате сложного взаимодействия в сфере высшей нервной деятель-
ности создается звуковой образ, адекватный реальному.
21
9
35 мм
Рис. 2.3. Строение периферического отдела органа слуха
Ушная раковина 1 в области наружного уха (рис. 2.3,а) на-
правляет принимаемые акустические колебания в слуховой про-
ход 2, заканчивающийся барабанной перепонкой 3. В слуховом
проходе как в звуковом резонаторе, настроенном на частоты,
близкие к 3 кГц, происходит примерно трехкратное усиление зву-
кового давления, воздействующего далее на барабанную перепон-
ку 3. Она образует границу с областью среднего уха и соединена
здесь с костно-мышечным рычажным механизмом в виде молоточ-
ка 4 и наковаленки 5. Мышечная ткань ножки наковаленки опи-
рается на входной элемент внутреннего уха — мембрану овально-
го окна 6 внутреннего уха 7. Рычажная система молоточек-нако- !
валенка выполняет роль трансформатора колебаний барабанной
перепонки, повышая звуковое давление на мембране овального
окна для наибольшей отдачи энергии из воздушной среды сред-
него уха, сообщающейся с внешней средой через носоглотку 8, в
область внутреннего уха 7, заполненную несжимаемой жидко-
стью — лимфой.
Структура внутреннего уха (на рис. 2.3,6) показана в развер- :
нутом виде) очень сложна, и рассматривается здесь схематиче-
ски. Его полость 7 представляет собой сужающуюся к вершине
трубку, свернутую в 2,5 витка в виде улитки, к которой примы-
кают каналы вестибулярного аппарата в виде трех колец 9. Весь
этот лабиринт ограничен костной перегородкой 10. Заметим, что |
во входной части трубки, кроме овальной мембраны, имеется
мембрана круглого окна 11, выполняющая вспомогательную
функцию согласования среднего и внутреннего уха. По всей дли-
22
не улитки располагается основная мембрана 12—анализатор
акустического сигнала. Она представляет собой узкую ленту из
гибких связок (рис. 2.3,6), расширяющуюся к вершине улитки.
При рассмотрении полости внутреннего уха в поперечном сече-
нии рис. 2.3,е) кроме основной мембраны 12, можно видеть так-
же костную (рейснерову) мембрану 13, отгораживающую жидкую
среду вестибулярного аппарата от слухового; вдоль основной мем-
браны проходят слои окончаний нервных волокон 14 так назы-
ваемого органа Корти, соединяющихся в жгут 15.
Действие внутреннего уха принято трактовать так. При коле-
баниях мембраны овального окна в жидкости внутреннего уха
возникают упругие колебания, перемещающиеся вдоль основной
мембраны от основания улитки к ее вершине. Структура основ-
ной мембраны аналогична системе резонаторов с резонансными
частотами, локализованными по длине. Участки мембраны, рас-
положенные у основания улитки, резонируют на высокочастотные
составляющие звуковых колебаний, заставляя их колебаться,
средние реагируют на среднечастотные, а участки, расположенные
вблизи вершины, — на низкие частоты. Высокочастотные компо-
ненты в лимфе быстро затухают и на удаленные от начала уча-
стки мембраны не воздействуют.
Резонансные явления, локализуемые на поверхности мембра-
ны в виде рельефа, как это схематически показано на рис. 2.3,г,
возбуждают нервные «волосковые» клетки, расположенные на
основной мембране в несколько слоев, образующих орган Корти.
Каждая из таких клеток имеет до ста «волосковых» окончаний.
С наружной стороны мембраны располагается три-пять слоев та-
ких клеток, а под ними находится внутренний ряд, так что общее
число «волосковых» клеток, взаимодействующих между собой по-
слойно при деформациях мембраны составляет около 25 тыс. Ре-
зультатом этого сложного процесса является преобразование
входного сигнала в электрическую форму, и после этого с помо-
щью слуховых нервов выполняется его передача к слуховым об-
ластям мозга, где и формируется окончательная реакция на зву-
ковое воздействие.
2 2 2. ВОСПРИЯТИЕ АКУСТИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ
Тон и тембр. Пространственная локализация звуковых колеба-
ний различной частоты на разных участках основной мембраны
внутреннего уха (см. рис. 2.3,а) предполагает независимость воз-
буждения одной ее точки от другой и возможность одновременно-
го возбуждения акустическими сигналами различных частот. Гар-
моническое звуковое колебание некоторой частоты в восприятии
характеризуется понятием тон. Разрешающая способность разли-
чения слухом соседних частот относительно друг друга в преде-
лах слышимого диапазона частот (от 16 ... 20 Гц до 20 кГц) не-
23
одинакова. В области низких частот, ниже 500 Гц, она едва пре-
вышает 1%, в области высоких частот — около 0,5% и лишь на
средних частотах составляет 0,2 ... 0,3%.
В музыкальной акустике принято делить частотный диапазон
на октавы и доли октавы. Этими же понятиями пользуются и в
радиовещании. Понятие октава соответствует изменению частоты
F в два раза; весь диапазон звуковых частот охватывается 10 ок-
тавами. Музыкальная шкала октавы подразделяется на 12 по-
лутонов, что соответствует приращению частоты Д/7 = 1^/2 =
= 1,054 или тонам звуков двух смежных клавиш рояля. Выбирая
частотные интервалы для измерения спектров сигналов, часто
пользуются промежуточными значениями интервалов частот —
третьоктавных ДЕ = j/2 и полуоктавных ДГ=рг2.
Если звуковое колебание сложнее гармонического, но также
периодическое, то его следует рассматривать как сумму гармони-
ческих колебаний, представляемых рядом Фурье:
00
s(0= S^cos(W —(2.8)
А=1
где bk — амплитуда; ш — частота; k — номер спектральных со-
ставляющих звучания; <рл — их фаза. В этом случае звучание ха-
рактеризуется основным, наиболее низкочастотным, колебанием,
соотношение же между основным тоном и обертонами — высшими
гармониками—определяет при восприятии тембр звучания, его то-
нальную окраску. Исследования показывают, что тембральное
различие голосов определяется формой спектрального распреде-
ления энергии звука, обычно обладающего несколькими макси-
мумами и минимумами в области средних и высоких частот в пре-
делах значительной части звукового диапазона. Максимальные
значения такого распределения называют формантами, мини-
мальные— антиформантами. По тембру можно отличить один
музыкальный инструмент от другого, узнать голос певца, харак-
тер шума.
Порог слышимости и уровень громкости. Человек ощущает
звук в чрезвычайно широком диапазоне звуковых давлений (или
интенсивностей). Одной из опорных величин этого диапазона яв-
ляется стандартный порог слышимости. Под ним условились по-
нимать эффективное значение звукового давления, создаваемое
гармоническим звуковым колебанием Е=1000 Гц, едва слыши-
мым человеком со средней чувствительностью слуха. Порогу слы-
шимости соответствует интенсивность звука /зво=1О-12 Вт/м2 или
звуковое давление рзв0=2-10-5 Па. Верхний предел определяется
значениями Z3B= 1 Вт/м2 и рзв = 20 Па, при которых при восприя-
тии звука наступает болевое ощущение (стандартный порог боле-
вого ощущения).
24
(2.9)
Величина слухового ощущения Л и амплитуда звукового дав-
ления (или интенсивности звука) связаны зависимостью
4 А- £ г ЛРзв п dI4B
Л РзвО ^зво
которая получила название основного психофизического закона.
Здесь с' и с" — постоянные, определяемые условиями эксперимен-
та, a z—некоторый коэффициент, причем O^z^l. При достаточно
малых значениях звукового давления (интенсивности звука) про-
является степенной закон Стивенса
Л = ^в. (2.Ю)
где <71 — некоторая постоянная; п — показатель степени, значение
которого зависит от условий проведения эксперимента. В области
звуковых давлений, существенно превышающих стандартный по-
рог слышимости, выражение (2.9) приводит к закону психофизи-
ки, сформулированному Фехнером:
Л=92 log (Рзв/Рзво) , (2.11)
где <?2 — также некоторая постоянная.
Из (2.11) следует, что величина ощущения Л, пропорциональ-
на не амплитуде внешнего раздражителя, а логарифму отноше-
ния рзв/Рзво- Поэтому звуковое давление и интенсивность звука
часто оценивают в логарифмических единицах по отношению к
стандартному порогу слышимости:
Na = 20 1g (Рзв/Рзво) = 10 1g (/зв//зво) (2.12)
и найденное значение Na называют абсолютным акустическим
уровнем (см. приложение).
Порог слышимости зависит от частоты (рис. 2.4, штриховая
линия). Параметром так называемого семейства кривых равной
громкости является уровень громкости Nrp, измеряемый в фонах.
При его оценке используют метод сравнения испытуемого зву-
чания с эталоном, в качестве которого выбран тон частотой
1000 Гц. Уровень громкости в фонах совпадает с числом децибел,
оценивающим уровень эталонного звука
Nrp=201g (рзвэт/Рзво), (2.13)
при условии, что оба звучания (испытуемое и эталонное) при их
попеременном предъявлении слушателю оцениваются как равно-
громкие.
Уровень громкости NrPF на частоте F и уровень звукового дав-
ления NaF=ioooru на частоте Г=1000 Гц связаны соотношением
NrpF = k NaF = 1000ru , (2.14)
25
Рис 2.4. Кривые равной
громкости — изофоны
(а) и влияние уровня
звукового давления (б)
и частоты (в) измери-
тельного тона на мини-
мально ощущаемое из-
менение девиации ча-
стоты
где k — поправочный коэффициент, зависящий от частоты F и
уровня Na оцениваемого тона. Значение Nrp=120 фон соответст-
вует порогу болевого ощущения. Для профессионального прослу-
шивания предпочтителен уровень громкости 85 ... 95 фон. С по-
нижением его сужается воспринимаемый слушателем диапазон
частот тем значительнее, чем ниже громкость. Это явление осо-
бенно заметно в области низких частот звукового диапазона, где
чувствительность слуха к восприятию спектральных составляю-
щих существенно ухудшается с понижением Na (рис. 2.4,а).
Представление об уровнях громкости реальных источников да-
ют данные табл. 2.1.
Диапазон изменения звуковых давлений (см. рис. 2.4) на час-
тотах 1 ... 3 кГц от абсолютного порога слышимости до болевого
порога составляет около 130 дБ. На нижних частотах это значе-
ние существенно меньше, например для частоты 100 Гц оно со-
ставляет около 90 дБ. Изменение ощущения (например, уровня
громкости) возникает лишь тогда, когда изменение соответству-
26
Таблица 2.1
Источник звука
Уровень громкости» фон
Шум в студии звукового вещания
Библиотека, театральный зал
Разговорная речь на расстоянии 1 м
Выступление оратора на том же расстоя-
нии
Звучание симфонического оркестра, ти-
хо—очень громко
Звук, соответствующий болевому порогу
Не более 20.. .25
25...40
50...60
70...80
80...ПО
120...130
ющего ему раздражителя (уровня звукового давления или интен-
сивности звука) превысит определенное пороговое значение Арзв
или А/Зв. При этом порог различения интенсивности зависит от
уровня громкости. Вблизи абсолютного порога слышимости порог
различения интенсивности А/Зв составляет 2 ... 3 дБ, в области
средних уровней громкости он существенно меньше: 0,4 дБ. Сред-
нее значение порога различения интенсивности около 0,8 ... 1 дБ.
Принцип квантования ощущений является одним из важных
свойств слуха.
Порог различимости по частоте. Измерение этого порога обыч-
но сводится к оценке минимально воспринимаемой девиации
АГмпн частоты тона F при его модуляции тоном. При этом порогу
различимости по частоте соответствует минимальное значение
2А/7МПН, замечаемое слухом. Значение этого порога зависит от ча-
стоты модуляции, частоты F и уровня Na сигнала испытательного
тона. Заметим, что чувствительность слуха к изменениям F ма-
ксимальна при частоте модуляции 4 Гц; для этого случая мини-
мально ощущаемая девиация частоты при уровне звукового дав-
ления 70 дБ лежит в пределах 1,5 ... 50 Гц в зависимости от вы-
бранного значения частоты испытательного тона.
Влияние уровня Na в децибелах и частоты F в герцах измери-
тельного тона на значение АГМпН показано на рис. 2.4,6 и в. Ча-
стота модуляции тона 4 Гц. Заметим, что порог АГМИц (рис. 2.4,6)
зависит от уровня звукового давления тона лишь тогда, когда по-
следний не слишком сильно отличается от абсолютного порога
слышимости. В области частот ниже 500 Гц (рис. 2.4,в) порог
девиации AFMnH=l,8 Гц, а на частотах Г>500 Гц он возрастает
пропорционально частоте и равен АГМин^0,035Г, где F — частота
измерительного тона. На частотах ниже 500 Гц \FK1/m почти не
зависит от частоты модулирующего тона.
Если в качестве испытательного сигнала используется шум, то
порог АГмин при его модуляции тоном повышается и составляет
не менее 15 ... 20 Гц при частоте модуляции 4 Гц.
27
Рис. 2.5. Зависимости по-
рога слышимости тона
при его маскировке шу-
мом с разными значения-
ми средней частоты (а)
и уровня (б)
Явление маскировки и частотные группы слуха. Порог слыши-
мости существенно зависит от условий прослушивания: в тишине
или же на фоне шума (или другого мешающего звука). В послед-
нем случае порог слышимости повышается. Это говорит о том,
что помеха маскирует полезный сигнал. Количественно это повы-
шение порога слышимости полезного сигнала в присутствии меша-
ющего выражают уровнем маскировки Д/Ум=Ыа.ш—.Va, где Na.m и
Na — уровни порога слышимости в присутствии шума (или другой
помехи) и в тишине. При существенном превышении уровня ме-
шающего звука над полезным последний может оказаться не-
слышным.
Явление маскировки проявляется по-разному в зависимости от
соотношения уровней и спектральных особенностей полезного сиг-
нала и помехи. Эти особенности можно объяснить, представив
слуховой анализатор в виде системы параллельно действующих
резонансных контуров, частотные характеристики которых, имею-
щие несимметричную форму (рис. 2.5,а), перекрываются. Здесь
изображены зависимости порога слышимости тона при маскиров-
28
ке узкополосными шумами со средними частотами Fcp, равными
0,25; 1; 1,1 и 4 кГц. Во всех случаях уровень шума Nam=60 дБ.
При малом изменении средней частоты шума наблюдается сме-
щение исходной зависимости параллельно самой себе (штрихо-
вая кривая на рис. 2.5,а). Существенное смещение Гср сопровож-
дается значительным изменением формы этих зависимостей. При
этом в области низких частот звукового диапазона явление мас-
кировки носит локальный характер. На частотах выше 3000 ...
... 5000 Гц зависимости маскировки спадают медленно, особенно
на высших частотах. Полосы пропускания для резонаторов слуха,
отображаемые этими зависимостями, на уровне —3 дБ от своего
максимального значения составляют на частотах 250, 1000 и
4000 Гц около 35, 50 и 200 Гц соответственно и носят название
критических полосок слуха.
Влияние уровня узкополосного шума на маскировку тона по-
казано на рис. 2.5,6. Ширина полосы маскирующего шума со-
ставляет 160 Гц, а его уровень Na.m соответственно равен 100, 80,
60, 40 и 20 дБ. Все пять зависимостей имеют четкий максимум на
средней частоте полосы шума fcp=1000 Гц, равной частоте тона.
В точке максимума уровень тона ниже уровня маскирующего
шума на 4 дБ. Все изображенные на рис. 2.5 зависимости имеют
крутой спад к нижним частотам и пологий в сторону, обращенную
к высшим частотам. Цифрой 1 на рис. 2.5 обозначена зависимость
изменения абсолютного порога слышимости тона в тишине, т. е.
при отсутствии маскирующего сигнала.
Иная картина наблюдается при маскировке тона широкополос-
ным сигналом (рис. 2.6). Здесь по оси ординат отложен уровень
Na, дБ, измерительного тона, по оси абсцисс — частота F, Гц.
Параметром представленных зависимостей является уровень мас-
кирующего сигнала. В качестве последнего выбран звук скрипки.
Он состоит из основного тона и множества обертонов, интенсив-
ность которых убывает с частотой. При тихой игре интенсивность
обертонов больше, при громкой меньше. При низком (около
195 Гц, рис. 2.6,а) и высоком (более 1,0 кГц, рис. 2.6,6) значении
Рис. 2.6. Зависимости порога слышимости тона при его маскировке низким (а) и
высоким (б) звуками скрипки различного уровня
29
основного тона скрипки зависимость порога слышимости измери-
тельного тона почти горизонтальна в широкой полосе частот, что
особенно заметно при большом уровне громкости маскирующего
звука. В обоих случаях кривые маскировки расположены значи-
тельно выше кривой, соответствующей абсолютному порогу слы-
шимости тона (/, рис. 2.6). Из анализа этих данных следует, что
высокие тона малого уровня маскируются низкими громкими то-
нами, а низкие тона малого уровня высокими громкими тонами
не маскируются. По этой причине в смешанных хорах мужских
голосов всегда меньше, чем женских, а в симфоническом оркестре
виолончелей намного меньше, чем скрипок. Правда, при этом учи-
тывается и то, что акустическая мощность источников звука выс-
ших частот всегда значительно меньше, чем мощность источников
низших частот.
Важным свойством слуха является также его способность объ-
единять определенные области частот в так называемые частот-
ные группы. Поясним смысл этого понятия. Если полезный сиг-
нал сосредоточен в относительно узкой полосе частот, а спектр
маскирующего шума охватывает эту полосу и постепенно расши-
ряется в обе стороны, то при достижении определенного значе-
ния ЛГчг порог слышимости полезного сигнала перестанет изме-
няться. Величина ДГчг определяет ширину частотной группы и за-
висит от средней частоты FCp полезного сигнала (рис. 2.7,а). На
частотах ниже 500 Гц ширина частотных групп не зависит от
средней частоты маскирующего шума и составляет около 100 Гц.
В области частот выше 500 Гц ширина частотных групп возрас-
тает пропорционально ГСр, при этом ДГчг^О^Гср. Слух может об-
разовывать частотные группы на любом участке диапазона слы-
шимых частот. Если их совместить в один ряд, то в полосе частот
от 20 Гц до 16 кГц разместятся 24 частотные группы. Заметим,
что если в какой-либо частотной группе мощность полезного сиг-
нала достигнет определенного значения от приходящейся на эту
полосу мощности маскирующего шума, то полезный сигнал будет
услышан. Разность уровней тона Na.T на пороге слышимости и
шума Nam при ширине полосы в одну частотную группу ANK.M=
=Na.T—Na ш называют коэффициентом маскировки частотной
группы. Величина ANK.M является функцией ширины частотной
группы и частоты испытательного сигнала (рис. 2.7,6), но не за-
висит от уровня последнего. При этом всегда Л^а.т<Л^а.ш. Эта осо-
бенность слуха отчетливо проявляется в совпадении форм зависи-
мостей, изображенных на рис. 2.7,а и 2.4,е.
При больших уровнях громкости проявляются нелинейные
свойства слуха. Например, при прослушивании тона частотой
1000 Гц с уровнем Na.T=100 дБ человек слышит вторую гармони-
ку с уровнем 88 дБ, третью — с уровнем 74 дБ и т. д. Появление
этих гармоник отчетливо замечается по биениям, которые прослу-
шиваются, когда частота дополнительного скользящего тона ока-
30
зывается вблизи этих частот. При прослушивании двух тонов, по-
падающих в разные частотные группы, человек часто слышит тон
суммарной и разностной частот с большим уровнем громкости и
другие комбинационные частоты с меньшими уровнями.
Вследствие этих нелинейных явлений весьма сложными ока-
зываются зависимости порога слышимости тона при его маски-
ровке чистым тоном (рис. 2.7,в). Частота маскирующего тона со-
ставляет 1 кГц, а его уровень 80 дБ (изображен кружочком на
рис. 2.7,в). На частотах ниже 500 Гц уровень измерительного тона
равен абсолютному порогу слышимости (зависимость /). На ча-
стотах 500 ... 10 000 Гц измерительный тон маскируется тоном
частотой 1000 Гц, поэтому его уровень превышает абсолютный
порог слышимости. Это превышение максимально на частотах от
1 до 2 кГц и составляет около 50 дБ (зависимость 2). При этом,
если увеличить уровень измерительного тона, то слышимым ста-
новится не сам маскирующий тон, а разностный с меньшей час-
тотой. При дальнейшем увеличении измерительный тон снова ста-
новится слышимым наряду с разностным маскирующим. Кроме
того, если частота измерительного тона близка основной, удвоен-
31
ной или утроенной частоте маскирующего тона, то слышны бие-
ния в широком диапазоне изменения уровней. Эти области выде-
лены на рис. 2.7,в штриховкой. Столь сложная картина восприя-
тия двух тонов отражает нелинейные свойства слуха, которые
можно объяснить, по-видимому, нелинейностью характеристик
среднего уха и вихревыми явлениями в улитке.
Восприятие звуковых сигналов во времени и в пространстве.
Слуховой аппарат обладает определенной инерционностью. Ощу-
щение возникновения звука, а также его прекращения возникает
не сразу. Время, в течение которого ощущение уровня громкости
уменьшается на 8 ... 10 фон, называется постоянной времени слу-
ха. Она зависит от параметров сигнала и в среднем составляет
150 ... 200 мс. Время адаптации слуха при оценке высоты тона
зависит от частоты: на низких частотах оно составляет около
30 мс, на высоких частотах несколько меньше. Известно, что при
возбуждении слуха несколькими короткими звуковыми импуль-
сами длительностью не свыше 50 мс и такими же интервалами
между ними происходит их интегрирование при восприятии. При
этом проявляется и временная маскировка, выражающаяся в по-
давлении последующего импульса предыдущим. Происходит и на-
копление в памяти коррелированных по структуре звучаний. Ма-
лые временные сдвиги различных частотных компонент сложного
звучания, сравнимые с периодом такого сигнала, приводят к фа-
зовым искажениям, малозаметным при монофоническом звуковос-
произведении. При больших фазовых сдвигах искажения стано-
вятся ощутимыми на слух, поскольку они обусловлены относи-
тельным временным запаздыванием частотных компонент. Тогда
их считают недопустимыми, особенно при стереофоническом веща-
нии.
Восприятие направлений — локализация источников звука в
пространстве — возможно благодаря так называемому бинаураль-
ному эффекту. При этом явление локализации объясняется дей-
ствием только двух факторов: бинауральными временной (Ате) и
интенсивностной (ANe) разностями сигналов, воздействующих на
левое и правое ухо слушателя. Каждому угловому положению
реального источника звука соответствуют вполне определенные
значения AN б и Ате. На низких частотах (ниже 500 Гц) направле-
ние на источник звука определяется, главным образом, бинаураль-
ной временной разностью. На средних (500 ... 5000 Гц) и высо-
ких (выше 5000 ... 6000 Гц) частотах эффект азимутальной лока-
лизации определяется обоими факторами ANe и Ате. Локализация
источников звуков с частотами ниже 150 Гц практически невоз-
можна.
Точность оценки азимута источника звука в горизонтальной
плоскости 3 ... 4°, в вертикальной плоскости эта особенность вы-
ражена значительно слабее и не превышает, как правило, 10 ...
... 15°.
32
В отличие от азимутальной, глубинная локализация возможна
и при моноуральном слушании, но бинауральное восприятие су-
щественно повышает точность и облегчает слуховую оценку рас-
стояния. Орган слуха, имея два разнесенных приемника звука,
способен, подсознательно вычисляя значения Ате и /Зв.ср/А/Зв, оп-
ределять расстояние до звучащего объекта
Г=2СзвАТб/зв.ср/А7зв,
где /зв.ср — среднее значение интенсивности сигналов, воздейству-
ющих на левое и правое ухо слушателя; А/Зв — бинауральная
разность интенсивностей; сзв — скорость звука. Теоретический ана-
лиз выражения (2.15) показывает, что при г>10 м необходимо
предъявлять очень жесткие требования к разрешающей способ-
ности временных интервалов и приращениям интенсивности, зна-
чительно превышающим возможности человека. Однако при г по-
рядка единиц метров необходимая разрешающая способность на-
ходится в пределах, доступных человеческому уху. При этом по-
грешность определения расстояния путем выполнения этих вычис-
лений может составлять около 50%. Этот способ, по-видимому,
играет существенную роль при определении расстояния до звуча-
щего объекта, находящегося в условиях открытого пространства.
В закрытых помещениях, где наряду с прямым звуком на слу-
шателя воздействует значительное число отраженных, наиболее
важным фактором, обусловливающим глубинную локализацию,
становится совокупность звуков, отраженных от поверхностей по-
мещения.
2.3. ВЕЩАТЕЛЬНЫЙ СИГНАЛ
КАК СЛУЧАЙНЫЙ ПРОЦЕСС
Сигналом звукового вещания (СЗВ) называется колебание,
соответствующее речи, музыке или их сочетанию. Звуковое коле-
бание, воздействующее на микрофон или излучаемое громкогово-
рителем, называется акустическим сигналом. Он характеризуется
звуковым давлением, интенсивностью (или силой) звука, звуко-
вой мощностью. Звуковое колебание, передаваемое по цепям си-
стемы звукового вещания, представляет собой электрический сиг-
нал, характеризуемый напряжением, током, электрической мощ-
ностью.
Сигнал звукового вещания является случайным процессом, ха-
рактеризующие его акустические или электрические величины не-
прерывно изменяются во времени. Графически он может быть
изображен совокупностью реализаций (отрезков) случайных
функций. Если каждая из них представляет собой изменяющееся
во времени t звуковое давление рзв или напряжение и за опреде-
ленный интервал наблюдения Гии, то такие зависимости p3B(t)
3—6697 33
1ч1
u(t)
t
о
весовая
функция
6)
Весовая
функция
л fry -t)
о
взвешенный
сигнал г)
Рис 2 8 Временные диаграммы сиг-
нала звукового вещания
t
в
или u(t) принято называть кри-
выми изменения мгновенных зна-
чений СЗВ во времени (рис.
2.8,а).
Уровень СЗВ характеризует
сигнал в определенный текущий
момент времени и представляет
собой выраженное в децибелах
выпрямленное и усредненное за
некоторый предшествующий про-
межуток времени напряжение
вещательного сигнала а(^) (где
черта сверху означает операцию
усреднения во времени, — мо-
мент времени) отнесенное к не-
которой условной величине UOf
т. е. ____
N9(/1)=201g(MT)/t70). (2.16)
Здесь N3(fi)—уровень электри-
ческого вещательного сигнала в
момент времени Аналогично
можно определить уровень N3(l2)
в момент времени i2 и т. д.
Теоретически наиболее прос-
то усреднять мгновенное значе-
ние выпрямленного напряжения
с постоянным весовым коэффи-
циентом (рис. 2.8,6). Математи-
чески эту операцию можно записать следующим образом, напри-
мер, для текущего момента времени
I «(О I dt. (2.17)
tt~ т
Выражение (2.17) дает среднее за время Т значение модуля
функции «(f), причем всем выпрямленным значениям функции
u(t) приписывается один и тот же относительный вес, равный
dtfT в интервале t\—Т ... ^ (Т — интервал усреднения) и нулю
вне этого интервала (рис. 2.8,5, штриховая прямая). Точно так
же можно определить среднее значение выпрямленного напряже-
ния в момент времени /2 и т. д. Так как вещательный сигнал яв-
ляется нестационарным случайным процессом, то полученные с
помощью (2.17) для разных моментов времени t\, t2, .... tn зна-
чения «(Л), u{t2), ..., u(tn) окажутся разными, и мы получим
зависимость изменения во времени среднего значения выпрям-
ленного напряжения (рис. 2.8,в). Форма этой зависимости u(t)
34
определяется как особенностями самого СЗВ, так и выбранным
интервалом усреднения Т. При Г->0 временные зависимости сред-
них значений выпрямленного сигнала практически не отличаются
от временных зависимостей его мгновенных значений. При уве-
личении Т средние значения выпрямленного сигнала будут тем
меньше меняться во времени, чем больше интервал усреднения Т.
Если существует минимальный интервал усреднения Т=То, при
достижении которого среднее значение выпрямленного сигнала не
зависит от текущего момента времени t, т. е. если при Т^Т0 вы-
полняется равенство
wtfi) = «(У = ••• = « (tn), . (2.18)
то такой сигнал называется стационарным, а значение То — его
интервалом стационарности.
По своей структуре сигнал звукового вещания является неста-
ционарным случайным процессом. В тех редких случаях, когда
условие (2.18) все же выполняется, предел однородности получа-
ется очень большим: около 2 ... 3 мин, причем значение То для
речевых сигналов меньше, чем для музыкальных. Орган слуха
человека не может усреднять воспринимаемый сигнал за столь
длительное время. Слуховое ощущение в каждый момент текуще-
го времени (например, Л) определяется не только мгновенным
значением сигнала в этот момент, но и более ранними его значе-
ниями. Последние оказываются тем меньше, чем больше они уда-
лены в прошлое от текущего момента времени. Поэтому при опре-
делении уровня СЗВ усреднение его выпрямленных мгновенных
значений следует выполнять с переменным множителем веса,
убывающим в направлении прошедшего времени. Подходящим
приближением является весовая функция вида
Ж — 0 = -уехр при (2.19)
где Х(Л—/)=0 при Т — время, характеризующее длитель-
ность «памяти» системы.
При таком способе усреднения для момента времени t\ сред-
нее значение выпрямленного сигнала
и (М = J — О I 11 (0 i Л- (2.20)
—00
Взвешивание выпрямленных мгновенных значений реального
вещательного сигнала посредством весовой функции (2.19) для
момента времени ti показано на рис. 2.8,г.
Изменяющееся во времени выпрямленное напряжение, усред-
ненное за определенный промежуток времени с заданным множи-
телем веса Л (Л—t) и выраженное в децибелах, называется дина-
3* 35
Рис. 2.9. Уровнеграммы одного и того же отрезка сигнала звукового вещания,
полученные при разной длительности «памяти» измерительного устройства
мическим уровнем, вещательного сигнала N3(0, т- е.
N3(t) =20 lgM?)M), (2.21)
где t — текущее время.
Можно сказать иначе: изменяющиеся во времени уровни СЗВ
называются динамическими. Записи динамических уровней, полу-
чаемые с помощью самописца, называются уровнеграммами
(рис. 2.9) в отличие от временных зависимостей мгновенных зна-
чений, когда тем или иным способом фиксируется изменение во
времени звукового давления или напряжения.
Значение уровня зависит не только от мгновенных значений
вещательного сигнала, но и весьма существенно от временной за-
висимости (2.19) множителя веса и длительности «памяти» Т из-
мерительного устройства. Поэтому, говоря об уровнях, следует
непременно учитывать временные параметры приборов, которыми
они измерены.
При всем многообразии сигналов звукового вещания некото-
рые их статистические свойства, имеющие практический интерес,
оказываются в достаточной мере устойчивыми и объективно ха-
рактеризующими особенности СЗВ разных жанров (речь, класси-
ческая музыка, эстрадная музыка, хоровое пение и т. д.).
Знание статистических свойств СЗВ необходимо для: четкого
понимания процессов, протекающих как в отдельных устройствах,
так и в целом во всей системе звукового вещания; правильной
трактовки свойств и параметров вещательной аппаратуры; созда-
ния испытательных сигналов, наилучшим образом имитирующих
реальные СЗВ; разработки оптимальных систем и устройств, в
максимальной степени учитывающих как свойства СЗВ, так и
особенности слухового восприятия последних.
Статистические свойства СЗВ характеризуются прежде всего
законами распределения: мгновенных значений и уровней звуко-
вых давлений (напряжений) во времени; длительностей пауз;
длительностей непрерывного существования разных уровней; зву-
ковых давлений (напряжений) по частоте.
36
।
2.4. ЗАКОНЫ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ
МГНОВЕННЫХ ЗНАЧЕНИЙ И УРОВНЕЙ
СИГНАЛОВ ЗВУКОВОГО ВЕШАНИЯ
Напомним, что наиболее распространенной характеристикой
любой случайной величины X, полностью описывающей ее с ве-
роятностной точки зрения, является функция распределения р(х).
иод которой понимается вероятность события Х<х, где х—неко-
торое текущее значение случайной величины. Функция р(х)^
=р(Х<х) называется одномерной функцией распределения слу-
чайной величины. Производная IF(x) от этой функции р(х) на-
зывается одномерной плотностью вероятности распределения
случайной величины х. Она характеризует вероятность того, что
случайная величина окажется расположенной в пределах от х до
х-(-Ах. Зависимости р(х) и 1Г(х) определяют закон распределе-
ния случайной величины х. Применительно к СЗВ случайными
величинами являются мгновенные значения напряжения и или
значения звукового давления рзв, а также уровни Na или N3.
Законы распределения р(х) и 1Г(х) являются устойчивыми
(т. е. получаемые результаты отличаются только погрешностью
эксперимента), если длительность реализации (выборки) превы-
шает интервал стационарности То. Сигнал звукового вещания в
строгом понимании нестационарен. Однако с достаточной для
практических целей точностью речевой сигнал можно рассматри-
вать как квазистационарный случайный процесс при интервале
наблюдения (длительности анализа) 7ДН, превышающем 2...
...3 мин. Для музыкальных СЗВ интервал стационарности То
установить не удается. Поэтому для получения более или менее
устойчивых законов распределения для СЗВ разных жанров не-
обходимо существенно увеличить время анализа Гин (до несколь-
ких часов). При более короткой длительности выборки Т1Ы
результаты анализа очень сильно отличаются и характеризуют не
свойства сигнала звукового вещания, а только исследуемые от-
дельные отрывки. Кроме того, объектом исследования обычно яв-
ляются обработанные звукорежиссером, а в отдельных случаях и
автоматическим регулятором фонограммы. Методы ручной регули-
ровки сигналов различными звукорежиссерами не идентичны, а
изменения, вносимые в сигнал автоматическими регуляторами,
существенно зависят от их технических характеристик. Наконец,
распределение уровней во времени существенно зависит и от зна-
чения Т (2.19).
Все это приводит к тому, что законы распределения р(х) или
1Г(х), полученные для музыкальных сигналов даже при большом
времени анализа, значительно зависят от исследуемого отрывка
программы.
Для иллюстрации изложенных соображений на рис. 2.10 при-
ведены типичные экспериментальные результаты, полученные для
ЗТ
Рис 210 Распределение плотности вероятности мгновенных значений речевого
(а) и музыкального (б) сигналов звукового вещания во времени
речевого (рис. 2.10,а) и музыкальных (рис. 2.1 ОД) СЗВ. Здесь по
оси ординат отложено произведение плотности вероятности W(х)
и среднеквадратического отклонения о (т. е. IF(x)Xo); по оси
абсцисс — отношение его мгновенных значений х (например, на-
пряжения и) к о. Последняя характеризует рассеяние значений
случайной величины х около ее математического ожидания
Речевой сигнал имеет устойчивое распределение плотности
вероятности мгновенных значений (и или рзв), симметричное по
форме, одновершинное, подчиняющееся экспоненциальному за-
кону.
Результаты экспериментального исследования распределений
во времени мгновенных значений музыкальных сигналов показы-
вают, что разным типам звучаний (вокал, эстрадная музыка, сим-
фоническая музыка и т. д.) соответствуют сходные по форме за-
висимости (рис. 2.10,6, область 1). Все они за редким исключе-
нием (кривая 2) имеют также экспоненциальный характер.
Достаточно общей аппроксимацией описанных зависимостей
(рис. 2.10) является выражение вида
® ехрД-ПпД (2.22)
У 2 1 \ / К 2’2 \ ®2 /
где х — мгновенное значение сигнала (например, напряжения);
сп, о2— среднеквадратические отклонения; А и В — параметры
38
Таблица 2.2
Вид программы А в <Т1 52
Речь информационного ха- 0,57 0.43 1,3 0,26
рактера Вокальная музыка (арии из 0,75 0,25 1,44 0,24
опер романсы) Камерная музыка, фортепья- 1 0 1,05 —
ИО Симфоническая музыка 0,65 0,35 1,2 0,23
распределения, причем А-|—В=1. Параметры А, В, щ и о2 изме-
няются в зависимости от характера исполняемого произведения
(табл. 2.2)
Для программ типа хора с оркестром, эстрадных композиций,
джазовой музыки (см. рис. 2.10,6, кривая 2) наблюдается прибли-
жение к гауссовскому закону распределения. В этих случаях
= (2-И)
\/ 2ла \ ‘
Сопоставляя (2.22) и (2.23) и результаты экспериментальных
исследований разных авторов, можно представить обобщенный
закон распределения во времени мгновенных значений музыкаль-
ных сигналов в виде
1<’<2- (2-24>
Здесь q—параметр, определяющий степень экспоненты (<?=!
для камерной и симфонической музыки; q=2 для легкой, эстрад-
ной и джазовой музыки); £ = Г (3/<?) : Г (1/<?) ]1/2— коэффициент;
Г — гамма-функция.
Распределение уровней во времени реальных вещательных сиг-
налов (как речевых, так и музыкальных) зависит не только от ти-
па программы и длительности времени анализа, но и весьма су-
щественно от выбранной весовой функции (2.19) усредняющего
устройства. При относительно малой длительности памяти Т эти
зависимости близки к уже рассмотренным. Увеличение Т должно
вызывать приближение закона распределения уровня к гауссов-
скому. И, наконец, при Т->-оо понятие о законе распределения во-
обще теряет смыст, ибо вместо совокупности случайных величин
будет получено одно значение.
В качестве примера на рис. 2.11 приведена функция распреде-
ления уровней во времени, полученная экспериментальным путем
39
-50 -50 -40 -30 -20 N,^?5
Рис. 2.11. Функция распределе-
ния уровней во времени
тики приближением можно
при исследовании записанных на
магнитной ленте музыкальных и
речевых отрывков СЗВ. Взвеши-
вание мгновенных значений вы-
прямленного напряжения произво-
дилось посредством весовой функ-
ции (2.19) при Г«25 мс. Сущест-
венное отличие этой зависимости
от гауссовской наблюдается лишь
в области малых уровней, отличаю-
щихся от номинального значения
(N = 0 дБ) более чем на 35 дБ.
Поэтому с достаточным для прак-
считать, что распределение уровней
во времени подчиняется гауссовскому закону
р (N) = —L— I exp ( (‘V ~ dN
|/2па J 2а2 J
—00
(2.25)
с параметрами а=—24 дБ, о=10 дБ.
2.5. РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ВЫБРОСОВ И ПАУЗ
СИГНАЛОВ ЗВУКОВОГО ВЕЩАНИЯ
ВО ВРЕМЕНИ
Из (2.25) можно получить представление об общем времени т,
в течение которого достигается или превышается то или иное зна-
чение уровня анализа NaH (рис. 2.12). Однако рассмотренные за-
висимости не позволяют ответить на вопрос, из какого числа от-
резков это время складывается: большого или малого кратковре-
менных, но больших по длительности. Этот вопрос имеет большое
практическое значение, например, при выборе режима работы
ламп оконечного каскада усилителей проводного вещания боль-
шой мощности, при ручном и автоматическом регулировании уров-
ней и т. д.
Экспериментальные данные, оценивающие с вероятностной точ-
длительность непрерывного существования разных
уровней для речевого и музы-
кального сигналов, показаны на
рис. 2.13. Длительность выборки
для речевого сигнала больше
ки зрения
Рис. 2.12. Диаграмма, позволяющая
оценить длительность непрерывного су-
ществования уровней, превышающих
Na„
40
Рис. 2.13. Плотность вероятности распределения выбросов речевого (а) и музы-
кального (б) сигналов звукового вещания по длительности их непрерывного су-
ществования прн Na„/NKB.„aKc = 0,98
(1)', Пан/Пкв. макс=0,8 (2)*, Nan/NuB. макс=0,02 (3)
3 мин. Обобщенные сведения, относящиеся к музыкальному СЗВ,
получены в результате усреднения данных для четырех жанров
СЗВ. Выбранные отрывки обработаны звукорежиссером, длитель-
ность каждого из них не менее 2 мин. По оси ординат отложены
плотности вероятности 1Г(т) длительности непрерывного сущест-
вования (превышения) уровней, превышающих заданное значение
Л^ан (уровень анализа) в долях квазимаксимального значения
А/’квмакс, по оси абсцисс — длительность выброса т, мс. За макси-
мальный уровень анализа NaH принят наибольший уровень, полу-
ченный прибором с временем интеграции /„=10 мс и временем
возврата /в=1,3 с (см. гл. 6); 7=^22 мс.
Диапазон изменения длительностей непрерывного существова-
ния уровней (выбросов) очень широк. Например, максимальная
длительность выбросов, зафиксированная при уровне анализа,
равном 5% от максимального значения, составляет для речевого
сигнала примерно 1 с, для музыкального — до 4 с. Минимальное
значение т не превышает единиц миллисекунд, наибольшее значе-
ние плотности вероятности W(т) независимо от NaH и жанра прог-
раммы наблюдается для выбросов длительностью 12... 17 мс.
Хорошей аппроксимацией среднестатистических зависимостей
W(т) при 0<т^100 мс является гамма-распределение вида
Г (г)= n-jexp (2.26)
41
Таблица 2.3
Параметр Относительный уровень анализа
0,2 0,4 0,6 0,8
V 0,0242 0,0226 0,0208 0,0195
ц 0,66 0,68 0,71 0,73
Таблица 2.4
/>(т) при т, мс, ие меньшем
'VKB.MaKc 10 20 50 f0
0,2 0,6 0,38 0,315 0,294
0,8 0,5 0,264 0,19 0,134
где т — длительность выброса, с; v—параметр, определяемый от-
ношением Ыан/Ыкв.макс, Ыкв.макс — квазимаксимальный уровень СЗВ
(вероятность его превышения составляет 0,02); ц— параметр, за-
висящий от NaH и определяемый из условия
+ Сс
J П7(т)б/-с^ 1.
“00
Значения параметров v и ц для разных значений NaH/N кв.макс
приведены в табл. 2.3.
Используя (2.26), нетрудно оценить вероятность р(т) превы-
шения длительностью выброса некоторого заданного значения т.
По определению при 0<т^100 мс
PW = 1 — J ех? (~~ИТ’
о
(2.27)
Результаты расчетов для ряда значений т (табл. 2.4) получе-
ны для двух областей анализа, где уровни близки к минимально-
му и максимальному значениям.
Из табл. 2.4 следует, что вероятность существования уровней,
близких к Nkb.mbkc, при т>20...50 мс достаточно мала, тогда как
длительности т^Ю мс более вероятны. Поэтому общее время су-
ществования квазимаксимальных уровней (или близких к ним) в
основном складывается из кратковременных промежутков време-
ни. Длительные выбросы в этом случае маловероятны.
Если понимать под паузами длительности выбросов, лежащих
ниже определенного фиксированного уровня анализа*, превышаю-
щего на некоторое значение уровень помех Nn, то вероятность по-
* Обычно он соответствует квазиминимальному уровню, вероятность превы-
шения которого составляет 0,98.
42
явления паузы для г-го порога
Pi (л) =
О при Nf>Nail и любом/п пли
при Nj<NaH и
1 при N;<NaH и %>Трс,
(2.28)
где Nr — текущий уровень исследуемого сигнала; NaH — уровень
анализа, при котором определяются начало и конец паузы; Трс —
разрешающая способность анализатора; tn— возможные значения
длительности пауз.
При определении закона распределения пауз по длительности
для разнородных вещательных сигналов (музыка, речь) уровень
анализа выбирается ниже номинального на 40 дБ. (Заметим, что
номинальным называется максимально допустимый уровень, при
котором нелинейные искажения, вносимые устройством, передаю-
щим данный сигнал, не превышают допустимого значения.) Экспе-
риментом установлено, что энергия вещательного сигнала на уров-
не ниже номинального на 42 ... 45 дБ практически равна нулю.
Длительность пауз вещательных сигналов имеет случайный
характер, колеблется в очень широких пределах и может доходить
до 3 с и более. Однако вероятность появления пауз длительностью
свыше 2 с мала. Плотность вероятности распределения пауз по
длительности оказывается наибольшей в интервале 50... 150 мс и
быстро убывает вне этого интервала. Для речевых программ в
среднем приходится 913 пауз в час, для музыкальных — 200. Дли-
тельность пауз составляет 5% от времени передачи, а с учетом
перерывов между передачами доходит до 8,6% (первая общесоюз-
ная программа), 5,1% (программа «Маяк») и до 14% (третья
общесоюзная программа).
Хорошей аппроксимацией закона распределения длительностей
пауз активной речи (художественное чтение; речь, произносимая
без подготовленного текста) является выражение
U7(Q =JL ^дь=2о\э-1ехр[— f -n~ Z° /1, (2.29)
а \ а ) [ \ а / J
где а>0 — параметр масштаба; р>0 — параметр формы; % ха-
рактеризует центр распределения (%^7П); % — длительность пау-
зы. По данным эксперимента % = 0,2 с, (3 = 0,7, а а=0,5 для груп-
пы студентов и а = 0,25 для группы общественных деятелей и пи-
сателей. Средние длительности пауз для этих групп составляют
соответственно 0,4 с и 0,71 с.
Среднее время длительности пауз для активной речи сущест-
венно выше, чем для пассивной (чтение заранее подготовленного
текста информационного характера), и составляет (от общего
времени передачи) 55% для группы студентов и 47,5% для груп-
пы общественных деятелей.
43
2.6. ТЕКУЩАЯ, СРЕДНЕМИНУТНАЯ И
ДОЛГОВРЕМЕННАЯ МОЩНОСТИ СИГНАЛОВ
ЗВУКОВОГО ВЕЩАНИЯ
Если iz(g) представляет собой изменение во времени мгновен-
ных значений наппяжения СЗВ, то его текущая мощность
t
P(t) = A J еХр^_ (2.30)
—00
где -у-ехр — весовая функция, приписываюцая более ран-
ним значениям сигнала тем меньший относительный вес, чем даль-
ше они удалены в прошлое, равная 0 при Т — длительность
«памяти»; t — текущее время.
Очевидно, что если P(t)—случайная функция, то можно го-
ворить о плотности вероятности W(P) распределения текущей
мощности во времени.
Хорошей аппроксимацией закона распределения значений те-
кущей мощности во времени являются выражения:
для речевых сигналов
W (Р) =0,39ехр (—Р/Р)— 0,25ехр (—5.7Р/Р); (2.31а)
для музыкальных сигналов
W(P) — 0,24ехр (—Р/Р)—0,17ехр (—4Р/Р). (2.316)
Эти зависимости соответствуют экспериментальным данным,
усредненным по множеству реализаций (выборок) отдельно для
речевых (пять отрывков) и музыкальных (свыше 30 отрывков раз-
ных типов программ) отрывков СЗВ. Величина Р представляет
собой среднее значение текущей мощности и найдена как матема-
тическое ожидание случайной величины Р (множество значений
Р(/)). Для большинства жанров СЗВ наиболее вероятные значе-
ния текущей мощности лежат на 3 дБ ниже долговременной сред-
ней мощности Р (исключение составляет звучание эстрадной му-
зыки и хора с оркестром, где отклонения текущей мощности от Р
в ту или другую сторону равновероятны и приблизительно одина-
ковы). Поэтому при предварительной установке регуляторов уров-
ня следует ориентироваться на значение Р.
Уровень среднеминутной мощности определяется отношением
Nep„,„H- Ю 1g (Рер.минЯ = Ю1ё(П2ср.мин<п), (2.32)
где USin — эффективное значение синусоидального напряжения
(обычно частотой 1000 Гц), равное квазимаксимальному значению
Йкв.макс (вероятность его превышения в течение всего времени
44
Рис. 2.14. Распределение уровней
среднеминутной мощности сигнала
звукового вещания для первой (1) и
второй (2) программ общесоюзного
звукового вещания (1 и 2 — экспери-
ментальные данные, 3 — теоретиче-
ская зависимость)
анализа составляет 0,02);
£Лр.мин — среднее значение на-
пряжения за время анализа
{интервал наблюдения Тин),
равное 1 мин.
Значения Ыср.мин, получен-
ные для большого числа раз-
ных по содержанию отрывков
СЗВ одноминутной длитель-
ности, образуют совокупность
случайных чисел. Величины
Ncp.mhh называют также отно-
сительной среднеминутной
мощностью СЗВ. Для нее
можно построить закон рас- N
пределения среднеминутной
мощности, сгруппировав отобранные отрывки СЗВ по жанрам
(дикторская речь, хоровое пение и т. д.). Однако подобное рас-
пределение еще недостаточно, чтобы судить о вещательной пере-
даче в целом. Заметим, что суточные общесоюзные программы
зукового вещания по содержанию повторяются с большой сте-
пенью регулярности*. Поэтому усреднение (по множеству), ха-
рактеризующее передачу за сутки, выполненное с учетом встре-
чаемости программ разного жанра, может считаться идентичным
(по результатам) усреднению за длительное время. На рис. 2.14
представлено распределение уровней среднеминутной мощности
для первой и второй программ общесоюзного вещания, рассчи-
танное с учетом встречаемости в этих программах передач раз-
личного характера. По оси абсцисс отложен уровень среднеминут-
ной мощности, вычисленный по отношению к мощности синусои-
дального сигнала, напряжение которого выбрано равным наи-
большему значению квазимаксимального напряжения, по оси ор-
динат— вероятность превышения этих уровней.
Функции распределения уровней среднеминутной мощности
Р (Ncp.мин) для сигналов первой и второй общесоюзных программ
звукового вещания аппроксимируются с достаточной для прак-
* Например, по первой общесоюзной программе передается 60 ... 65 %
речевых передач, по второй — до 35 ... 40 % джазовой и симфонической музы-
ки и т. д.
45
тики точностью законом Рэлея
Р (^ср.чин) = 1 ехР ( Ncp.M11H/2a2), (2.33)
где а — параметр закона распределения. Штриховая зависимость
на рис. 2.14 вычислена с помощью выражения (2.33) и соответст-
вует второй общесоюзной программе.
Уровнем долговременной средней мощности называется выра-
женное в децибелах отношение мощности СЗВ, полученной в ре-
зультате усреднения всех ее значений (например, NCPmhh) за все
время передачи данной программы в течение суток, к квазимакси-
мальному значению.
2.7. СПЕКТРАЛЬНАЯ ПЛОТНОСТЬ
МОЩНОСТИ
Если отрывок СЗВ пропустить через набор полосовых филь-
тров, охватывающих весь диапазон слышимых частот, то можно
измерить для него плотности вероятности текущей мощности
IF, (Р,) как в выделенных узких полосах ДР,, так и в широкой
(полной) ДР полосе IF(P).
Имея совокупность таких экспериментальных зависимостей
IF^Pi), W2(P2}, ...,Wn(Pn) и IF(P), можно определить значения
текущей мощности Р{, Р2, .., Р„, Р, вероятность превышения ко-
торых составляет наперед заданное значение. Если последнее при-
нять равным 0,02, то полученная совокупность значений
N,= 10 lg(P,/P) (2.34)
будет представлять собой распределение максимальных уровней
текущей мощности для совокупности выделенных полос. Если же
значение вероятности принять равным 0,5, то получим распределе-
ние средних значений уровней текущей мощности исследуемого
отрывка СЗВ.
Если найденные значения N, отнести к ширине выделенной по-
лосы частот ДР,, а далее, как и ранее, взять отношение
N/=101g(-^- (2.35)
то определим уровень спектральной плотности максимальной
(средней) мощности или распределение соответствующих уровней
(максимальных, средних), по частоте для исследуемого отрывка
СЗВ.
На рис. 2.15,а и б для речевых и музыкальных сигналов пред-
ставлены зависимости, усредненные для множества отрывков СЗВ
длительностью от 1 до 3...5 мин, максимальных и средних уровней
спектральных плотностей мощности.
Для многих звучаний уровень спектральной плотности средней
мощности (рис. 2.15), кроме речи, может иметь значения, близкие
46
N/макс-^дЙ^ ^5
\ mQKC Лг I /
О 610г 2 5710*2 5710* ГуГа
б)
Рис 2 15 Зависимости максимальных и средних уровней спектральной плотности
мощности от частоты для речевых (а) и музыкальных (б) сигналов звукового
вещания
к максимальным вплоть до самых нижних частот, в то время как
для всех типов СЗВ он существенно понижается на частотах, пре-
вышающих 500 .. 1000 Гц и тем значительнее, чем выше частота.
На рис. 2.16 показаны
среднестатистические суточные
графики спектральной плот-
ности мощности первой (/) и
второй (2) общесоюзных про-
грамм звукового вещания. За-
висимости на рис. 2.16, полу-
ченные с учетом распределе-
ния программ разных жанров
Рис 2 16 Среднестатистические су-
точные спектры первой (/) и второй
(2) общесоюзных программ звуково-
го вещания
47
по длительности, характеризуют (вследствие регулярности суточных
программ) сведения о СЗВ в целом. Уровень спектральной плот-
ности мощности уменьшается на низких (ниже 70 Гц) и верхних
(выше 3000 Гц) частотах, причем 0 дБ соответствует значению
максимальной спектральной плотности мощности, достигаемой в
сигналах каждой из этих программ. Как и следовало ожидать,
форма полученных зависимостей (рис. 2.16) в основном определя-
ется спектральной плотностью средней мощности сигнала того
жанра звучания, который в суточной программе занимает наиболь-
шее время и имеет наибольшую мощность. Например, для первой
программы определяющей передачей является речь, для второй —
оркестровая музыка и речь.
До сих пор речь шла о спектрах, представляющих собой усред-
ненные данные для множества отрывков СЗВ одного (/ на
рис. 2.15) или разных жанров звучания (2 на рис. 2.15, рис. 2.16).
Однако каждый отрезок СЗВ, даже столь большой длительности
и соответствующий одному и тому же виду звучания, обладает
своим индивидуальным спектром максимальных и средних значе-
ний мощности, своим распределением спектральной плотности
мощности. Кроме того, применение необычных способов инстру-
ментовки произведений, характерное для современной музыки, а
также электронных методов преобразования спектров сигналов и
синтезаторов привело к расширению спектров (для отдельных
фрагментов программ) вплоть до самых высших частот (рис. 2.17).
Вообще говоря, психоакустические эксперименты показывают, что
для высококачественной передачи музыки канал звукового веща-
ния должен иметь полосу частот 30... 15 000 Гц. При этом отсут-
48
ствие более высоких частот все же отчетливо замечается молоды-
ми слушателями, музыкантами и, по их мнению, ухудшает качест-
во восприятия. Поэтому в студийной аппаратуре полоса переда-
ваемых частот составляет 20 ...20 000 Гц.
2.8. ДИНАМИЧЕСКИЙ ДИАПАЗОН И
СРЕДНЯЯ МОЩНОСТЬ СИГНАЛОВ
ЗВУКОВОГО ВЕЩАНИЯ
Общее определение динамического диапазона СЗВ сформули-
ровано ОИРТ (Международной организацией по радиовещанию-
и телевидению) как отношение максимального давления (рзв.макс)
к минимальному (р3в.мин), характеризующее данный звуковой про-
цесс, ИЛИ отношение соответствующих напряжений (17макс и t/мин).
Однако это определение не содержит сведений о том, что подразу-
мевается под максимальным и минимальным давлениями или на-
пряжениями.
При теоретическом определении динамического диапазона вво-
дят понятия квазимаксимального и квазиминимального напряже-
ний (или давлений). Квазимаксимальным (t/кв.макс или р3в.кв.макС)
будем называть такое значение, вероятность превышения которо-
го достаточно мала 0,01 ...0,02, а квазиминимальным (t/кв.мин или
Рзв.кв.мин)—такое, вероятность превышения которого, наоборот,
достаточно велика 0,98... 0,99.
С учетом введенных определений динамический диапазон аку-
стического вещательного сигнала
£) 201g P3S-KS макс __ 201g ^зв KS-MaKC _ 201g Рзв.кв.мин 26^
Рзв кв.мин Рзво Рзво
Динамический диапазон электрического вещательного сигнала
D3 201g £кв.м.кс _ 201g -^«в.макс. _ 201g (2.37)
//кв МИК //о д о
Здесь рзво = 2-1О-5 Па — минимальное значение звукового давле-
ния, соответствующее порогу слышимости в области максималь-
ной чувствительности уха 1 ...4 кГц; £7о=О,775 В — напряжение на
нагрузке сопротивлением 600 Ом, на которой выделяется мощность
1 мВт.
Динамический диапазон сигнала, определяемый выражениями
(2.36) и (2.37), будем называть теоретическим. Наряду с этим ди-
намический диапазон СЗВ Dc можно найти экспериментально с
помощью уровнеграммы как разность максимального NMaKc и ми-
нимального NMHH уровней для достаточно большого по длительно-
сти интервала наблюдения:
Т/с^Ымакс—NMHH. (2.38)
4—6697 49
Очевидно, что это значение динамического диапазона сущест-
венно зависит от выбранного времени интеграции измерителя
уровней. Чем больше /и, тем в меньшей степени будут регистриро-
ваться кратковременные выбросы СЗВ, тем меньшим окажется
найденное значение Dc. Заметим, что теоретическое значение ди-
намического диапазона сигнала, рассчитанное с помощью распре-
деления во времени мгновенных значений напряжения и или зву-
кового давления рзв и выражений (2.36) и (2.37), всегда больше
экспериментального значения (2.38) для одного и того же иссле-
дуемого отрывка.
Динамические диапазоны отдельных типов акустических музы-
кальных и речевых сигналов, измеренные с помощью приборов,
показания которых соответствуют слуховому восприятию уровня
громкости (при этом ^и = 60 мс), составляют в среднем: 60 дБ для
симфонического оркестра; 35 дБ для эстрадной музыки; 20 дБ для
джаз-оркестра; 47 дБ для хора; 35 дБ для солистов-вокалистов;
25 дБ для речи диктора. При воспроизведении речи максимальный
акустический уровень 80... 86 дБ, а при воспроизведении музы-
кальных сигналов доходит до 90... 100 дБ. Оркестр создает пре-
дельно большие звуковые давления (до 40 Па), но вероятность их
возникновения и длительность непрерывного существования ни-
чтожно малы. Среднее звуковое давление, создаваемое оркестром
на расстоянии 4 м от эстрады, 0,5.. 0,7 Па; а создаваемое орато-
ром на расстоянии 1 м 0,1 Па.
Пиковое значение мощности излучения изменяется в очень ши-
роких пределах от одного музыкального инструмента к другому:
0,05 Вт — треугольник; 0,29 Вт — бас-саксофон; 24,6 Вт — боль-
шой барабан. Для музыкальных сигналов (симфонический ор-
кестр) это значение изменяется в пределах 8,2... 66,5 Вт, но чаще
всего составляет 10... 14 Вт.
Разность между квазимаксимальным (МКВмакс) и усредненным
(Ncp) за длительный промежуток времени уровнями называют
пик-фактором: П = ЫКв.макс—Ncp. Пик-фактор показывает, насколь-
ко ниже средний уровень по сравнению с его квазимаксимальным
значением. Для музыкальных сигналов он может достигать 20 дБ
и более (звучание симфонического оркестра), а для речевого сиг-
нала в среднем составляет 12 дБ.
Не следует смешивать два разных понятия: динамический ди-
апазон сигнала Dc и канала DK передачи. Последний зависит как
от уровня шумов в тракте, так и от номинального напряжения:
Ок = 201g — (AN, + AN2). (2.39)
Здесь Ином — номинальное напряжение; 11ш— напряжение шума,
измеренное псофометром (значения UHOm и (7ш должны быть при-
ведены либо ко входу, либо к выходу канала передачи); AN] —
50
уровень перекрытия помех шумов, дБ (обычно около 20 дБ);
ДЫг — допуск на перегрузку (обычно 3 ... 6 дБ).
Заметим, что первый член выражения (2.39), определяющий
предельно возможные границы динамического диапазона, называ-
ется в соответствии с терминологией ОИРТ отношением сигнал-
шум.
Очевидно, что передача СЗВ по каналу звукового вещания без
искажений возможна, если DC<ZDK. Так как для реальных акусти-
ческих сигналов это условие в ряде случаев не выполняется, то
необходима предварительная обработка СЗВ, заключающаяся в
сокращении его динамического диапазона, который в каналах и
трактах звукового вещания (после обработки исходных сигналов
звукорежиссером) не превышает 40 дБ
Если принять, что распределение уровней СЗВ во времени под-
чиняется закону Гаусса (а это весьма часто допускается при рас-
четах), то отношение средней мощности (Рср) сигнала звукового
вещания к квазимаксимальной (Рквмакс) можно найти из выра-
жения
•Рст
Гкв макс
макс
= ехр
— 0, 1 15DC ' 1 —
0,115£)с
гМакс
0,115Dc
2г2
макс
(2.40)
где Dc — динамический диапазон СЗВ; гмаКс= (NKB макс/о) =2,05;
2мин= (NKB мин/о) =—2,05; о — среднеквадратическое отклонение;
Ф(-)—значение интеграла вероятностей (для его вычисления со-
ставлены таблицы).
Из (2.40) следует, что отношение Рср/Ркв макс зависит только от
значения Dc и от заданных вероятностей превышения квазимакси-
мального Nkb макс и квазиминимального Nkb.mhh уровней, опреде-
ляющих нормированные отклонения гчакс и гмин. Если эти вероят-
ности соответственно равны 0,02 и 0,98, то гмакс = 2,05, а гмин =
=—2,05.
Зависимость изменения относительной средней мощности СЗВ
от динамического диапазона (<Рср/Ркв.макс) =f(Dc), полученная с
помощью выражения (2.40), приведена на рис. 2.18. При реаль-
ных значениях Пс = 20... 40 дБ в трактах системы звукового веща-
ния отношение Рср/^кв макс изменяется в пределах 0,053 ... 0,155
(теоретические результаты), т. е. остается существенно меньшим 1.
По экспериментальным данным, отношение Рср/Рмакс (где
/’макс — мощность синусоидального сигнала, равного наибольшему
значению СЗВ) за 9,5 ч передачи первой общесоюзной програм-
мы после регулирования уровней звукорежиссером составило 0,07,
а для автоматического регулятора-ограничителя максимальных
амплитуд 0,13. Последний дополнительно сокращает динамический
диапазон СЗВ на 5... 6 дБ. Отклонение отношения Рс?1Ркъмжс от
4;
51
бенно мощных вещательных
Рис. 2.18. Изменение относительной сред-
ней мощности сигнала звукового веща-
ния от динамического диапазона (сред-
нестатистические данные)
значения 0,13 составляет не бо-
лее 20%, т. е. изменяется в пре-
делах 0,104 ... 0,156.
Столь малое отношение сред-
ней мощности к максимальной
свидетельствует о том, что ре-
жим номинальной мощности до-
стигается лишь в течение незна-
чительной части общего времени
передачи. Это следует учитывать
при разработке аппаратуры, осо-
усилителей, развивающих номиналь-
ную мощность в течение коротких (длительностью не более 10 ...
... 20 мс) промежутков времени.
2.9. СТРУКТУРЫ ЭЛЕКТРОАКУСТИЧЕСКИХ
СИСТЕМ ЗВУКОВОГО ВЕЩАНИЯ
Электроакустические системы, применяемые в звуковом веща-
нии, предназначены для передачи звука из первичного помещения
(концертный зал, радиовещательные студии и т. п.) во вторичное
(жилая комната радиослушателя). Они объединяют комплекс
технических средств, предназначенных для формирования СЗВ на
стороне передачи (студийный тракт), и звуковоспроизводящий
комплекс, служащий для преобразования, усиления и воспроизве-
дения этих сигналов на приемной стороне. В состав электроаку-
стической системы не входят тракты первичного и вторичного рас-
пределения программ, а также высокочастотные части радиопри-
емной и телевизионной аппаратуры. Иначе говоря, это совокуп-
ность устройств, предназначенных для формирования, передачи и
воспроизведения звуковых сигналов в своей естественной форме.
Электроакустические системы должны обеспечить наиболее
полную передачу всего комплекса ощущений, свойственных естест-
венному слушанию: пространственного впечатления, прозрачности
звучания, естественности тембров инструментов и голосов, музы-
кального равновесия (баланса) отдельных элементов сложного
звучания, окружающей акустической обстановки, т. е. иллюзии пе-
реноса слушателя в первичное помещение с теми или иными аку-
стическими свойствами; кроме того, электроакустические системы
должны создать широкие возможности для творческой фантазии
52
I Каналы I '--------------'
Первичное помещение | передачи '^Вторичное помещение
Рис. 2.19. Структурные схемы обобщенной (а) и обычной стереофонической (б)
электроакустических систем звукопередачи
звукорежиссера, включая создание звуковых эффектов, что труд-
но или даже невозможно в условиях естественного слушания.
Даже при идеальных параметрах качества электроакустиче-
ской системы воссоздать во вторичном помещении все структур-
ные особенности первичного звукового поля практически невоз-
можно. С этой позиции электроакустическую передачу следует
рассматривать не как пассивное отображение первичного звуко-
вого поля студии, а как процесс активной творческой переработки
(звукорежиссуры) исходной звуковой информации с целью конст-
руирования (при воспроизведении на приемной стороне) нового
звукового поля, часто совершенно непохожего на исходное (пер-
вичное), но позволяющего обеспечить полноценное восприятие
эстетической и семантической информации в том виде, как это за-
думали звукорежиссер и исполнители (музыканты).
В самом общем виде структурная схема электроакустической
системы звукопередачи изображена на рис. 2.19,а, где 1, 2, 3,...,
...,N— входные каналы звуковых сигналов, получаемых непосред-
ственно от микрофонов, устройств воспроизведения магнитных за-
писей, ревербераторов и т. п.; Ф — совокупность устройств, с по-
мощью которых звукорежиссер формирует из N первичных сигна-
лов п канальных сигналов (1, 2,..., п), подлежащих передаче на
выходную сторону системы; Ф может включать в себя коммута-
ционные и смесительные устройства, разнообразные по назначе-
нию регуляторы уровня, устройства кодирования пространствен-
ной информации, корректоры формы амплитудно-частотной харак-
теристики, ревербераторы и т. д.; обычно число первичных сигналов
Af значительно превышает число п каналов передачи; В — совокуп-
53
ность устройств, посредством которых из п канальных сигналов
получаются сигналы 1, 2, ..., Л/), воспроизводимые громкоговорите-
лями Гр1, Гр2,ГрЛ^[ системы воспроизведения (СВ).
Электроакустические системы звукопередачи разделяют преж-
де всего по числу каналов передачи («) и воспроизведения (М).
В звуковом вещании наибольшее распространение получили
две разновидности таких систем: монофонические (az = AG = 1) и
обычные стереофонические (п—Ni—2). Монофоническими назы-
вают системы звукопередачи, в которых передающая и приемная
стороны связаны одним каналом передач п=1, число каналов вос-
произведением также равно 1, система воспроизведения содержит
один громкоговоритель. В отличие от этого обычная стереофониче-
ская система звукопередачи (рис. 2.19,6) имеет два независимых
канала передачи (п = 2). Панорамно-кодирующие устройства ПКУ'
преобразуют исходное множество первичных сигналов в левый Л
и правый П сигналы стереопары-
V Л'
П=2а2гхг(0. (2.41)
(=1
где аи и a2t— пара коэффициентов кодирования первичного сиг-
нала формирующего при воспроизведении г-й источник зву-
ка стереопанорамы Значения этих коэффициентов однозначно оп-
ределяют местоположение i-го источника звука на линии базы
громкоговорителей Гр1 и Гр2. Совокупность пар коэффициентов
кодирования {ац, a2l}N исходного множества первичных сигналов
образует матрицу пространственного кодирования А. Ее
элементы в общем случае являются функциями времени.
На приемной стороне системы сигналы стереопары после уси-
ления У воспроизводятся громкоговорителями Гр1 и Грг- При этом
звуковоспроизведение левого и правого сигналов стереопары можно
реализовать с помощью разнесенной системы воспроизведения,
состоящей из двух громкоговорителей, устанавливаемых перед
слушателем на некотором расстоянии друг от друга; совмещенной
системы воспроизведения, когда громкоговорители левого и пра-
вого каналов конструктивно объединены в одном корпусе, здесь же
обычно располагается и электрическая часть стереоприемника,
магнитофона или электрофона; комбинированной системы воспро-
изведения, в которой низкочастотные звенья левого и правого гром-
коговорителей объединены, а средне- и высокочастотные звенья
выполнены в виде отдельных выносных громкоговорителей, имею-
щих достаточно малые габариты. Наряду с громкоговорителями
для воспроизведения сигналов Л и П можно использовать и сте-
реотелефоны.
54
2.10. КАЧЕСТВО МОНС- И
СТЕРЕОФОНИЧЕСКОГО ЗВУЧАНИЯ
2 10 1 ПРИЗНАКИ КАЧЕСТВА
СТЕРЕОВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ
Качество моно- и стереофонического звуковоспроизведения
проявляется прежде всего в совокупности ощущений, которые по-
зволяют отличить один способ звукопередачи от другого.
Обобщенная ESP-модель* формирования реакции слушателя
на звуковое воздействие (рис. 2.20) условно делит процесс слухо-
вого восприятия на два функциональных этапа: анализ совокупно-
сти ощущений, возникающих при прослушивании звуковой прог-
раммы, и выделение наиболее существенных из них (каждому
способу звукопередачи присуще свое множество основных ощуще-
ний); синтез выделенных основных ощущений в единый звуковой
образ и формирование суждения слушателя об исходном звуко-
вом воздействии. Эти два противоположных по своей природе про-
цесса— анализ и синтез — лежат в основе эстетического восприя-
тия непрерывно изменяющейся во времени и в пространстве «жи-
вой» звуковой картины.
Для обобщенной оценки качества звучания Q в психофизике
обычно используют линейную многомерную модель вида
k
(2.42)
i=i
где F(!) — величины основных статистически независимых ощуще-
ний (признаков качества), оцениваемые с помощью специальных
психологических шкал, чаще всего в баллах; v, — весовые коэффи-
циенты, определяющие значимость каждого ощущения при фор-
мировании общей оценки. Размерность пространства этой модели
равна числу k основных ощущений F<!), их значения откладывают-
ся вдоль соответствующих координатных осей. Оценке качества Q
соответствует точка многомерного пространства.
Каждому виду звучания (монофоническому, той или иной раз-
новидности стереофонического) присуще свое множество призна-
ков (ощущений) при вполне определенном значении каждого из
них. Несовершенство же технических параметров устройств, вхо-
дящих в состав электроакустической системы звукопередачи, при-
водит к изменению этих ощущений, количественных связей между
ними. Все это затрудняет оценку потенциальных возможностей ис-
следуемой системы звукопередачи. По этой причине устройства,
* Название ESP-модель — от первых букв английских слов- Emotional
Response, Sensation, Phisical characteristics — эмоциональная реакция, ощуще-
ние, физическая характеристика.
55
Збцкобое
бозаейстбие
Рис. 2.20. Обобщенная модель формирования эмоциональной реакции слушателя
на звуковое воздействие
входящие в состав системы звукопередачи, должны вносить иска-
жения, лежащие ниже порогов их слуховой заметности.
Пока единственно возможным методом всестороннего исследо-
вания качества звучания являются субъективные экспертизы. Ка-
чество звучания оценивают либо по признакам (в этом случае экс-
перт в анкете описывает ощущения, возникающие у него при вос-
приятии данного вида звучания, например, в своих терминах,,
смысл которых потом уточняется в индивидуальной беседе), либо
в целом по предпочтительности (эксперт отмечает в анкете, какое
звучание из предъявляемых он предпочитает). Обычно эксперту
предъявляются для оценки пары звучаний (парное сравнение).
Заметим, что предпочтительностью называется число экспертопо-
казаний за данную систему (при сравнении с другой) к общему их
числу.
Сопоставление моно- и стереофонического звучаний позволило
выявить признаки (компоненты), характеризующие качество по-
следнего:
пространственное впечатление, т. е. разнесенность отдельных
элементов стереофонической звуковой панорамы как по фронту
вдоль линии, соединяющей громкоговорители, так и в глубину от
нее, причем местоположение источников звука, соответствующих
отдельным музыкальным инструментам, может быть четко лока-
лизовано в этой области пространства; объемность звучания;
прозрачность звучания, благодаря чему легко выделяются и
раздельно воспринимаются инструменты, голоса или их группы на
фоне звучащего ансамбля;
правильность передачи тембров инструментов, высокая естест-
венность их звучания как в момент удара молоточком по струнам
(нестационарный процесс), так и во время звучания струны;
56
Таблица 2-5
Компоненты стереоэффекта Весовые коэффициенты,
квалифицирован- ные эксперты (музыканты, звукорежиссеры) обычные слуша- тели
Пространственное впечатление, ширина звуко- вой панорамы, объемность звучания 0,27 0,34
Прозрачность (ясность, четкость) звучания 0,2 0,1
Естественность и богатство тембров, гулкость басов 0,4 0,32
Чистота звучания 0,12 0,04
передача «басовых» звуков инструментов оркестра без излиш-
ней гулкости;
лучшее, чем при монофонической передаче, восприятие акусти-
ческих особенностей первичного помещения: его размеров, свой-
ственной ему специфичности звучания — гулкости, теплоты, мяг-
кости, светлости, звонкости и т. п.
В табл. 2.5 приведены основные признаки качества стереовос-
произведения, их значимость v, при оценке общего впечатления Q.
Немаловажным фактором при стереовоспроизведении является
возможность воздействия на слушателя направленностью прихода
звуков, что позволяет подчеркнуть конфликтность различных тем,
их объединение, сопоставление, противопоставление и т. п. Это
важный фактор усиления эмоционального воздействия передачи,
несвойственный монофоническому воспроизведению, где все ис-
точники звука, составляющие ансамбль, воспринимаются слуша-
телем из одной точки — громкоговорителя.
Качество стереовоспроизведепия настолько велико, что оно
предпочитается подавляющим числом слушателей и уверенно опо-
знается последними (более чем в 85% случаев). При этом стерео-
фоническое звучание предпочитается монофоническому даже при
худших качественных показателях каналов стереопары: свыше
85% слушателей предпочитают стереофоническое звучание с по-
лосой частот 50... 10 000 Гц монофоническому с полосой частот
30... 15 000 Гц, предпочтительность стереовоспроизведения сохра-
няется даже при сокращении полосы частот до 100 ...6300 Гц.
Стереофоническое звучание при коэффициенте гармоник до 20%
предпочитается большинством слушателей неискаженному моно-
фоническому звучанию несмотря на то, что такие искажения уве-
ренно заметны на слух. Порог заметности шумов и помех при
стереоприеме около —60 дБ, однако при отношении сигнал-шум
35...40 дБ стереофонический режим работы тюнера предпочита-
ется монофоническому, хотя при этом на слух уверенно заметны
шумы.
57
Решающее значение при восприятии стереофонического эффек-
та играют механизмы пространственного слуха человека и преж-
де всего механизмы образования кажущихся звуковых образов,
их пространственной локализации и демаскировки.
2 10 2. ЛОКАЛИЗАЦИЯ КАЖУЩЕГОСЯ
ИСТОЧНИКА ЗВУКА
Рассмотрим особенности образования и локализации звуковых
образов при стсреовоспропзвстспии Предположим, чю слушатель
находится на оси симметрии У системы воспроизведения Ppi и Гр2,
о изымаемые громко! оворше 1ями сшнаия Л и П не имею! раз-
1ИЧПП по времени (Хт = 0) и по \ровню (А.\=0) и получены от
одного и того же источника зв\ка М (рис 2 21) В зюм случае
(вжкшия обоих I ромко! овори 1 е ши < ишакмея в шилд иыковои
сора;, коюрын кажемся с шпиле по распо жженным по середпы
линии базы I ром ко: овор и I е ши в ючке О Эют тв\ковон обра i
ЯВ1ЯС1СЯ кажущимся, его поив leinie возможно, сети сигналы, из-
учаемые i ромкоговорителями, патетически связаны (коррели-
рован!)!) По мере снижения коррекции мс/к;\ кана п,ными сиг-
иа (ами кажещищя ис ючиик звука КПЗ нжа !и д 11 с я все менее
четко, его протяженное 1 ь \ ве шчиваегся, и при \ мепыпеиии нор-
мировапно!! корре ищиопиои ф\ нкции В (Ат) сш патов Л п П до
0,05 0,15 насте наем разрыв КПЗ на два деист виде 1ьны\ источпи
ка звука Постедние военринпмаюня разте тио и тока тпзу ются
в позициях левого Гр2 и правого fpi громкоговоритетеи
Положение КИЗ на линии базы громкоговоритетеи зависит
юлько от временных и пн [сисивносгных разтнчии меж у сигнала-
ми, тоспигаюшпми ушен сышателя Эги разтичия могу! бытьобу-
Рис 2.21 Экспериментальная установка для изучения особенностей локализации
кажущегося источника звука
58
iJiK 2 22 -> iiiui'tociii
i\d о1 pa ос' ii \ pom i и
1'11/ i 1 м
। i iocii > < iwio' о ciu in нпя
при и — 1) ii \—0 i in блы
2 / i i м 2 , 2 > м
к кипения нс11>чникл n\
I OK 1 К м (a) п I 2 8 м
I i J и 2 mi
iioBieiibi шбо i bi । i у i Bu vi 11 пинт и иравшо шипа ihb c > c pion.ip ы
( \.\ и Ат), .ijioo мечтом распо вожения отнптнеля оinocuiс пню
громко!оворителси (A\i7 и Ал ,,, где v п у — воор uina i ы стсша-
le ia. pin 2 21) П01 к diet привонн к с и пшо аырз/кеп ioh > ibh<и
mochi воепроизво hi moi о c i ереодффек i a oi vuid шхю/Ксппя c ре-
шателя о i носите 1ыю Гр] и Гр; Смещение КИЗ (/, см рис 2 21)
вправо oi центра базы б\ тем cnniaib по ю/кительным (+'/.), а
влево — о I рица i етвпым (—/)
Симметричное положение слушателя относительно громкогово-
рителей (А\\ /==0 и Атх , = 0) Зависимости, харакiери т\ющие
смещение КИЗ по i теповнем готько ин гещ ивпос т пои разнос in
XN сит на iob Л и П. предс iавлепы на рис 2 22 3 тесь по оси ор-
цина! отло/ьепо смещение /. каарщегося иеючпика звена oi пси i-
ра биты по inoiine тио к по швине базы (/2), <1 по оси opTiniai —
шачепня \\ = 20 !<> (а_/и )
\apabiei oeicHcociei
/ 2
। (АХ) па рис. 2 22 до всех in
пов испы 1 а 1с швых сигнаюв о шпаков Вне темою \\ сопровож ia
е I ся перс мешением КИЗ oi своею первоиача тьн< i о по Ю/кс нпя
(•/ — О при \\=0) в юоронс громко! овори I е !я п с т стающего сш
нал < большим еров сем Эк> смещение paciei с с вс тичеппем А\
Однако с же при А\ = 1 2 16 дБ КИЗ юкатизсется прамически
в пошипи I ромкоговорп I е тя и та тьненшее светичение А\ не вы
зывае! сто перемещения
От носи Iетьное перемещение КИЗ иракишески не завист от
расстояния у между слушателем и системой воспроизведения для
малых баз (/=0,8.. 1,8 м, рис. 2.22,а). Поэтому здесь представ-
лены результаты, усредненные по у. Для относительно больших
баз (/>2,8 м) это утверждение справедливо только при у^\
(рис. 2.22,6). В этом случае при приближении слушателя к систе-
ме воспроизведения на расстояние y<Zl наблюдается (при AN =
59
Рис 2 23 Зависимости относительного смещения кажущегося источника звука от
временной разности сигналов стереопары для сигналов с достаточно однородным
спектром мощности (а, где 1 — арфа, 2 — рояль, 3 — труба, 4 — кастаньеты) и с
неравномерным распределением мощности по частоте (б, где 1—женская речь,
2 — флейта, 3 — скрипка) /=1,8 м; ДМ=0, х=0, (/=1,5 м
= const) тем меньшее смещение КИЗ, чем ближе расположен слу-
шатель к линии базы громкоговорителей.
При введении временного сдвига (Ат) КПЗ смещается в сто-
рону громкоговорителя, излучающего опережающий сигнал, ха-
рактер этого смещения существенно зависит от характера рас-
пределения энергии испытательного сигнала по частоте. Для сиг-
налов, спектры мощности которых не имеют ярко выраженных не-
однородностей распределения энергии по частоте, перемещение
КИЗ имеет сравнительно монотонный характер (рис. 2.23,а). Ес-
ли же спектры мощности сигналов имеют ряд энергетических пи-
ков, монотонное перемещение КИЗ наблюдается только на началь-
ном участке кривой =f2(Ar), где Дт<0,5... 1,0 мс (рис. 2.23,6).
//2
В интервале же временных задержек от 0,5... 1 мс до 5... 7 мс эти
зависимости имеют ярко выраженный индивидуальный характер,,
причем наблюдается неоднократное возвращение КИЗ к центру
базы при монотонном росте Ат. Однако размах этих колебаний
уменьшается с увеличением временной разности и уже при Дт>-
>5... 7 мс становится незначительным.
Увеличение временной разности (при AN = 0) сопровождается
ослаблением корреляции между сигналами Л и П, что приводит
к ухудшению четкости локализации. Протяженность КИЗ растет,
в звучании появляется гулкость, увеличивается разброс эксперто-
показаний и, наконец, при At = ДКор наступает разрыв КИЗ.
Значения Дт'ор для разных типов вещательных сигналов приведе-
ны в табл. 2.6.
Действие на орган слуха временной разности Ат можно ком-
пенсировать соответствующим значением AN до тех пор, пока
Дт<^Дт'рр> где ДК'ор —пороговое значение временного сдвига,
приводящее к разрыву единого КИЗ при компенсации. Для раз-
ных типов вещательных сигналов во всех случаях ДК' < Дт'
Т аб лица 2.6
Вид вещательного сигнала Дт'по?> мс Дт"пор’ МС Вид вещательного сигнала мс Дх,/пор’ мс
Кастаньеты 30 4 Речь женская 50 5.-.8
Ксилофон 50 5 Скрипка 100 9...12
Барабан малый 50 5 Альт 100 9...12
Барабан большой 50 6 Рояль 100 12.-.16
Коробочка 40 6 Кларнет 100 16...20
Бубен 40 6 Виолончель 100 21...30
Речь мужская 50 5...7
(см. табл. 2.6). При компенсации временного сдвига интенсивно-
стной разностью разрыв КИЗ наступает при значениях нормиро-
ванной корреляционной функции 5(Дт)=0,15 ... 0,2 для всех ти-
пов сигналов.
Асимметричное положение слушателя относительно громкого-
ворителей (ANx,y=#0 и Лтх,у¥=0). При боковом смещении слушате-
ля (рис. 2.24,а) расстояния до левого li(x, у) и правого 12(х, у)
громкоговорителей оказываются неодинаковыми. При этом появ-
ляются дополнительные интенсивностные (ANx,y) и временные-
Рис 2.24 Пример бокового смещения слушателя (а) и зависимости относитель-
ного смещения кажущегося источника звука от бокового смещения слушателя
при Лт=0, х=0, /=2,8 м, у=2 м, х=1,5 (1), х=2 м (2), х=0,5 (3),
х=0,25 (4), х=0 (5), х=—0,25 м (6), х = — 0,5 м (7) (б)
61:
К.х,дБ/мс
Рис 2.25. Зависимости коэффициента эквивалентности от бокового смещения
слушателя (а, где-----------аппроксимация выражением (2.44)) и от положе-
ния ка кущегося источника звука на линии базы громкоговорителей при сим-
метричном (7) и асимметричном (2) положениях слушателя (б, где х=0,5 м;
(/ = 2,0 м; /=1,8 м)
(Атх,!/) различия исходных сигналов, поступающих от громкогово-
рителей в точку прослушивания А(х, у).
Появление ANa-,z/ и Атж,у приводит к смещению КПЗ (при AN =
= 0 и Ат=0) в сторону ближайшего к слушателю громкоговори-
теля. Основную роль при этом играет Axv,y, однако нельзя прене-
бречь и влиянием AN.T,y (особенно при малых у и больших х).
В качестве иллюстрации на рис. 2.24,6 приведены зависимости
и/(//2) (AN), полученные при речевом испытательном сигнале
для разных значений х (ненаправленные громкоговорители). При
AN = 0 кажущийся источник звука локализуется в области бли-
жайшего громкоговорителя, т. е. |х| = (0,7 ... l,0)Z/2. Перемеще-
ние КПЗ ощущается только при определенном значении введен-
ной AN, компенсирующей действие на орган слуха ANx,y и Дтх,».
При больших значениях х и малом у составляющие ANX у и Атх.у
велики, и для их нейтрализации (там, где это еще не приводит к
распаду КПЗ) требуется ввести AN^IO дБ, в то время как для
больших значений у и малых х нейтрализующая интенсивностная
разность составляет лишь 2...3 дБ.
Неизменность формы кривых (рис. 2.24,6) говорит о незави-
симости действия на орган слуха временных и интенсивностных
различий.
Коэффициент эквивалентности. Наиболее общий способ опре-
деления местоположения КИЗ при AN=7^0, тА=/=0, ANx,y=#0,
Атд.у^О основан на использовании такого понятия, как коэффи-
циент эквивалентности
Kx = AN(x, у)/Ат(х, у),
(2.43)
62
где AN(x, у) и Ат(х, у)—соответственно интенсивностное и вре-
менное различия сигналов громкоговорителей Tpi и Грг, необхо-
димые для возвращения КПЗ в центр базы при расположении
слушателя в точке с координатами х и у. Значение Кх (рис. 2.25)
не зависит от размеров базы /, расстояния до нее, если у^1 м, и
составляет около 10 дБ/мс при х=0 и резко уменьшается с уве-
личением бокового смещения слушателя, составляя уже при х=
= 1,0 м около 1,5 дБ/мс. Экспериментальная зависимость
(рис. 2.25, сплошная линия) хорошо аппроксимируется выраже-
нием
Кх= [5,5( И-Н) ехр (-9,3|х|) +4,8[ехр(- 1,3 ] х |). (2.44)
Здесь х выражено в метрах. Выборочные эксперименты с други-
ми программами (звучания музыкальных инструментов) дали та-
кие же результаты, но с большим разбросом экспертопоказаний.
Эквивалентную интенсивностную разность, вызывающую такое
же смещение КИЗ, что и одновременно действующие AN, Ат,
ANx,,7 и Дтх.г/, можно рассчитать по формуле
AN3=(AN+ANx,y)+Kx(AT+ATx,j,). (2.45)
И затем с помощью зависимости х/(//2) =fi (AN), полученной при
Ат=0 и х=0 (рис. 2.22), найти относительное смещение x/(Z/2)
кажущегося источника звука.
Рис. 2.26 Зоны полного
(/) и частичного (2) сте-
реоэффекта (А — точка
оптимального слушателя,
ф=60°)
2 10.3. ЗОНА СТЕРЕОФОНИЧЕСКОГО ЭФФЕКТА
Предпочтительность стереофонического звучания перед моно-
фоническим существенно зависит от местоположения слушателя
относительно громкоговорителей системы воспроизведения.
В очень малой области (/ на рис. 2.26) она составляет более
85%. Эту область назовем зоной полного стереоэффекта. Здесь
сохраняется качественно правильная лока-
лизация КПЗ, пространственные искаже-
ния стереопанорамы малы: смещения КПЗ
от своего истинного положения не превы-
шают 10% от размера базы I громкогово-
рителей. По мере смещения слушателя от
оси симметрии громкоговорителей предпоч-
тительность стереовоспроизведения пада-
ет. Она сохраняется до тех пор, пока ан-
самбль воспринимается слушателем, про-
странственно разделенным хотя бы на три
группы. Когда число воспринимаемых на-
правлений сокращается до одного, пред-
почтительность стереовоспроизведения ис-
чезает. Эта закономерность объясняется
тем, что решающее значение при восприя-
63
тии признаков качества стереофонического эффекта имеют меха-
низмы образования КИЗ, их пространственной локализации и
.демаскировки.
Площадь пола помещения прослушивания, где предпочтитель-
ность стереовоспроизведения (перед монофоническим звучанием)
^составляет 60 ...85%, назовем зоной частичного стереоэффекта (2
на рис. 2.26). В этой зоне число раздельно воспринимаемых на-
правлений не менее трех. При этом наибольшие пространствен-
ные искажения стереопанорамы свойственны для мест прослуши-
вания, расположенных напротив громкоговорителей системы вос-
произведения. Здесь предпочтительность уменьшается до 60%.
2.11. СТЕРЕОФОНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ
ПОВЫШЕННОГО КАЧЕСТВА ЗВУЧАНИЯ
2.11.1. МНОГОКАНАЛЬНЫЕ СТЕРЕОФОНИЧЕСКИЕ
СИСТЕМЫ
Напомним, что к этому классу систем относятся те из них, которые удов-
.летворяют условию n=N\>2. Результаты экспертиз по оценке качества звучания
многоканальных систем показаны на рис. 2.27. Здесь же изображено располо-
жение микрофонов в помещении записи и громкоговорителей (рис. 2.27,а) в
помещении прослушивания. Варианты систем X обозначены цифрами 0,1,2,...
...11 (рис. 2.27,б). Результатом экспертиз явилась обобщенная оценка качества
звучания Q, в баллах (2.42). По оси абсцисс на рис. 2.27,в отложен порядковый
•номер системы звукопередачи 0, 1,2,..., 11. За базовый вариант при сравни-
тельном прослушивании пар звучаний принято звучание обычной стереофониче-
•ской системы (n=N} — 2), поэтому для нее Q=0.
Результаты этих экспертиз позволяют сформулировать следующие выводы:
увеличение числа каналов передачи повышает качество звучания; лучшие ва-
рианты многоканальных систем (б и 11 на рис. 2.27,в) уверенно предпочитаются
обычной стереофонической системе звукопередачи, их внедрение может обеспе-
чить новый качественный скачок в развитии радиовещания, телевидения, кинема-
тографии:
для каждого числа раздельных каналов передачи существует оптимальный
вариант расстановки громкоговорителей в помещении прослушивания, обеспечи-
вающий предельно достижимое для данного значения п качество звучания Q;
при этом чем больше область пространства, в пределах которой система звуко-
передачи способна обеспечить восприятие направлений прихода звуков, тем выше
(при прочих равных условиях) обеспечиваемое ею качество звучания;
при многоканальном воспроизведении основную роль играют признаки каче-
• ства, связанные с пространственным восприятием: полнота, глубина, ясность
(прозрачность) звучания.
Наиболее очевидным путем повышения качества звучания является увели-
чение числа раздельных каналов передачи звука п и соответственно с этим ко-
личества громкоговорителей системы воспроизведения при условии оптимального
размещения .последних относительно слушателя. Однако увеличение п требует
разработки нового комплекса аппаратуры студийного тракта радиодомов, теле-
центров, студий звукозаписи, создание и внедрение принципиально нового пере-
дающего оборудования, включая аппаратуру подачи программ звукового веща-
ния, и, конечно, соответствующих устройств индивидуального пользования (маг-
ниюфонов, электрофонов, радиоприемников, тюнеров и звуковоспроизводящих
комплексов). Поэтому этот путь целесообразен лишь в том случае, если все
другие возможности повышения качества звучания, не требующие столь карди-
нальных перемен, уже полностью исчерпаны.
• 64
6
□ □
□ ха
7 8
□□ □□] |аа □□
□ ха х
______ [□____□
° S) °
S
□ □
□ ха
□□
ю
а □
□ ха
□□
11
аа аа
а х а
а а
о
Рис. 2.27. Расположение микрофонов (а), громкоговорителей (б) и обобщения
оценка качества звучания (в) для исследованных вариантов (б) многоканальных
стереофонических систем
2.11.2. БИНАУРАЛЬНАЯ СТЕРЕФОНИЧЕСКАЯ СИСТЕМА
В бинауральной системе звукопередачи синтезируются левый Лв и пра-
вый Пб сигналы стереопары, тождественные тем, которые воздействовали бы на
входы слухового анализатора слушателя при расположении последнего в кон-
цертном зале. Новыми элементами по сравнению с обычной стереофонической
системой здесь являются бинауральный регулятор направления (БРН, рис.
2.28.а) на передающей стороне и бнфонический процессор БП на стороне при-
ема звуковой информации.
В качестве БРН применяют искусственную голову (слева на рис. 2.28,6) с
встроенным в ее слуховые тракты микрофонами или адекватное ей по параметрам
электрическое устройство (справа на рис. 2.28,6). Последнее представляет собой
пространственный фильтр, совокупность пар значений коэффициентов передачи
которого Нуй, Н «21 однозначно определяет место в пространстве i-го источника
звука, формируемого сигналом Множество {Hw, Н образует матрицу
пространственного кодирования А сигналов {-4(0}w. При этом сигналы Лб и По,
5—6697 65
Первичное помещение передачи Вторичное помещение
6)
Рис. 2.28. Структурные схемы бинауральной и матричной стереофонических
передаваемые по двум раздельным каналам связи, равны:
Лб = 3 (2.46)
0=1 / = 1
где N—число первичных сигналов; xi(t)—временная функция сигнала i-ro ис-
точника звука Заметим, что элементы матриц пространственного кодирования А
для бинауральной и обычной стереофонической систем не тождественны В от-
личие от последней величины ГЛр: и F?V2 имеют сложную частотно-временную за-
висимость от азимутального угла <р источника звука. Пространственное декоди-
рование бинауральной пары сигналов Лв и Пв выполняется в слуховом анализа-
торе слушателя.
Бифонический процессор (рис 2 28,а) обеспечивает подведение к левому 1
и правому 2 входам слухового анализатора бинауральной пары сигналов Лб, Пб
в своей первоначальной неискаженной форме. Он необходим для компенсации:
мешающего действия перекрестных сигналов громкоговорителей (их влияние опи-
сывается передаточными функциями Hi2 и H2i)-, изменений, происходящих в сиг-
налах, поступающих от левого громкоговорителя Tpi на левое ухо 1 и от пра-
66
Первичное помещение передачи Вторичное помещение
6)
систем повышенного качества звучания
вого громкоговорителя Гр2 на правое ухо 2 и описываемых соответственно пере-
даточными функциями /7ц и Н22; отраженных от поверхностей жилого помеще-
ния сигналов, составляющих его реверберационный процесс и воздействующих
соответственно на левый 1 и правый 2 входы слухового анализатора.
Звучание бинауральной системы звукопередачи уверенно предпочитается
обычному стереофоническому («=1^ = 2), она создает эффект присутствия слу-
шателя в концертном зале с хорошими акустическими свойствами. Однако при
применении громкоговорителей зона прослушивания в этой системе ограничена
практически лишь одной точкой, где скомпенсировано влияние Иц, Н12, Н21, Н21.
Область применения бинауральной системы звукопередачи весьма ограничена;
переносная аппаратура и индивидуальное прослушивание программ. Она не эф-
фективна для условий коллективного прослушивания (телевидение, кинемато-
графия).
2.11.3. МАТРИЧНАЯ СТЕРЕОФОНИЧЕСКАЯ СИСТЕМА
С АДАПТАЦИЕЙ КАНАЛОВ ВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ
Обобщенная структурная схема матричной стереофонической системы с адап-
тацией каналов воспроизведения изображена на рис. 2.28,в. Здесь 1, 2, 3, ...
.... N — входы пульта звукорежиссера ПЗ, на которые поступают сигналы хх (/)
5* 67
от микрофонов или с соответствующих выходов многоканального магнитофона;
ПКУ — панорамно-кодирующее устройство, являющееся составной частью ПЗ;
АДУ — адаптивное декодирующее устройство, в его состав входят блок управ-
ления БУ и управляемая декодирующая матрица УДМ; Грь Гр2........ Грд^ —
громкоговорители системы воспроизведения СВ.
Основной целью адаптации является повышение качества звучания (по срав-
нению с обычной стереофонией), расширение зоны стереофонического эффекта с
высоким уровнем предпочтительности и как следствие этого возможность успеш-
ного применения в помещениях как малого (жилая комната), так и большого объ-
ема (кино- и видеозалы). Заметим, что предельно достижимым качеством звуча-
ния здесь является то, которое обеспечивается в многоканальной стереофониче-
ской системе с идентичной системой воспроизведения. Последняя может
рассматриваться для систем с матрицированием сигналов (Д=2, Mi>2) в каче-
стве эталона.
Суть адаптации заключается в оперативном изменении коэффициентов пере-
дачи каналов воспроизведения в зависимости от текущего состояния сигналов
стереопары Л и П. Состояние последних непрерывно анализируется в блоке уп-
равления БУ. Здесь с помощью специальных критериев оценки происходит раз-
деление всей возможной совокупности состояний на области (группы), для каж-
дой из которых реализуется свой (оптимальный для данных условий) алгоритм
декодирования сигналов стереопары. Алгоритм декодирования определяют сиг-
налы управления, которые по результатам анализа формирует БУ. Этот сигнал
(или их совокупность) преобразуется далее в управляющее напряжение иу или
совокупность таких напряжений {«у}^ , под действием которых и происходит
изменение коэффициентов передачи УДМ, а следовательно, и регулирование
уровней сигналов, воспроизводимых громкоговорителями системы воспроизве-
дения.
Процедура кодирования исходного множества первичных сигналов
{*<(?)}w здесь, как и в обычной стереофонической системе звукопередачи, описы-
вается выражением (2.41). При этом каждому состоянию сигналов стереопары в
момент времени ti соответствуют также изменяющиеся во времени множества пар
коэффициентов кодирования {ац, a2/}w исходной совокупности первичных сигна-
лов {аг,-(^)}лг и множество коэффициентов декодирования ^/2}#! сигналов
Л и П. Первое множество образует матрицу панорамного кодирования А сигна-
лов источников, второе—матрицу пространственного декодирования В сигналов
стереопары. Каждый первичный сигнал xi(t) при воспроизведении на стороне
приема формирует свой определенным образом расположенный в пространстве
звуковой образ. Его место в пространстве однозначно определяют соответст-
вующие элементы матриц А и В, а также выбранный вариант расположения
громкоговорителей СВ в помещении прослушивания. Заметим, что в режиме
формирования единственного КПЗ элементы матрицы В изменяются во времени
вслед за перемещением этого КПЗ в пространстве. В этом случае следует го-
ворить об адаптации ее элементов как к сигналам стереопары, так и к выбран-
ному варианту расположения громкоговорителей в помещении прослушивания.
В режиме формирования множества КПЗ элементы матрицы В не изменяются
во времени; в этом случае можно говорить лишь об адаптации ее элементов к
системе воспроизведения.
В звуковоспроизводящих системах телевидения и радиовещания, предназна-
ченных для работы в жилой комнате, где проблема расширения зоны стереоэф-
фекта не является столь острой, как в кинематографии, блок управления может
отсутствовать. При этом наилучшие условия для передачи пространственной ин-
формации обеспечиваются, если декодирование сигналов Л и П осуществляется
по правилу:
система воспроизведения типа «трапеция» (/, рис 2.28.г).
ЛФ = Л, ЛТ = Л — 0.714П,
ПФ = П, ПТ = П —0.714Л; (2.47)
68
система воспроизведения типа «треугольник» (2, рис. 2.28,г)
ф = 0,5(Л + П), ЛТ = Л — 0.714П,
(2.48)
ПТ=П—0,714Л,
где Ф, ЛФ, ЛТ, ПФ, ПТ — сигналы, воспроизводимые громкоговорителями соот-
ветствующей системы воспроизведения. Заметим, что на рис. 2.28,г приведены
для каждой из них размеры области уверенной локализации КПЗ.
Обе системы (2.47) и (2.48) обеспечивают передачу пространственной инфор-
мации в пределах всей горизонтальной плоскости и существенное повышение ка-
чества звучания, совместимы с обычной стереофонической системой, пригодны
для телевизионного вещания, позволяют использовать для синтеза стереопано-
рамы стандартный панорамный регулятор.
Контрольные вопросы
1. Определите понятия: звуковое поле, звуковая волна, звуковое давление.
Каков механизм возникновения звуковой волны? Назовите основные физические
характеристики звукового поля.
2. Как устроен слуховой аппарат человека? Назовите основные субъективные
характеристики звука.
3. Определите понятия: громкость звука, абсолютный и относительный поро-
ги слышимости, критическая полоска слуха, частотная группа слуха, маскировка
сигналов.
4. Что характеризуют кривые равной громкости? Как орган слуха оценивает
азимут источника звука?
5. Поясните различия между понятиями: мгновенное значение сигнала зву-
кового вещания, уровень, динамический уровень. От каких факторов зависит из-
меренное значение уровня?
6. Являются ли статистические характеристики вещательных сигналов устой-
чивыми в строгом смысле этого слова?
7. Изобразите графически распределение мгновенных значений и уровней ве-
щательных сигналов во времени. Какими зависимостями они могут быть аппро-
ксимированы?
8. Что называется номинальным уровнем? Какова вероятность появления вы-
бросов малой и большой длительности?
9. Определите понятия: текущая, среднеминутная, долговременная мощности,
энергетический спектр. Изобразите графически спектры речевых и музыкальных
сигналов. Что характеризует пик-фактор?
10. Что называют динамическим диапазоном слуха, вещательного сигнала,
электрического канала, тракта, звена? Как определяется этот параметр?
11. Чем определяется необходимость сокращения динамического диапазона
сигнала? Как эта операция выполняется?
12. Почему с уменьшением динамического диапазона сигнала возрастает его
средний уровень?
13. Каковы основные структурные отличия стереофонической системы от мо-
нофонической? Назовите основные признаки стереофонического звучания и усло-
вия, при которых оно предпочитается монофоническому.
14. Построите зависимости относительного смещения КПЗ при временной,
интенсивностной и смешанной стереофонии. В чем причина появления простран-
ственных искажений стереопанорамы?
15. Что называется коэффициентом эквивалентности? Как с помощью этой
величины оценить азимут КПЗ при смешанной стереофонии, если известна зави-
симость х/(//2) =/'(ДЛ7), полученная при Дт=С?
69
Глава 3. ЭЛЕКТРОАКУСТИЧЕСКИЕ
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
3.1. ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ АНАЛОГИИ
Электроакустическими преобразователями называют устройства,
служащие для преобразования акустических колебаний среды в
электрические сигналы, и устройства обратного назначения, пре-
образующие электрические сигналы в акустические колебания.
Первые из них — это микрофоны, вторые — громкоговорители и
головные телефоны. Микрофон образует входное звено радиове- ,
щательной системы, громкоговоритель — замыкающее.
Благодаря линейности процессов электроакустического преоб-
разования микрофоны и громкоговорители удобно в общем виде
представлять в виде четырехполюсников, однако с различными по
физической природе величинами на входе и на выходе. На вход
микрофонов воздействуют акустические колебания, выражаемые
механическими величинами — интенсивностью (силой) звука,
звуковым давлением. Результатом преобразования на выходе та-
кого четырехполюсника являются электрические величины — на-
пряжение, ЭДС. И наоборот, на вход громкоговорителя подается
электрический сигнал, а выходной сигнал, полученный в резуль-
тате преобразования, характеризуется механической величиной —
силой. Каждый из указанных преобразователей содержит в себе
совокупность взаимосвязанных между собой механических и
электрических звеньев. Для детального представления с единых
позиций процессов, протекающих в преобразователях, обычно
пользуются так называемым методом электромеханических ана-
логий. Этот метод состоит в том, что параметры колебательных
механических систем сравниваются с параметрами электрических
колебательных контуров по их функциональной роли в колеба-
тельном процессе, и на этом основании: устанавливаются их
электрические аналогии, составляются аналогии между каждым
параметром механических систем и параметрами электрических
цепей, а также составляющими их элементов; отыскиваются об-
щие формальные закономерности между математическим описа-
нием колебательных процессов механических преобразователей и
электрических колебательных контуров, а также взаимного соот-
ветствия соединения и сопоставления эквивалентных схем; нахо-
дятся коэффициенты связи между механическими выходными
(входными) и электрическими входными (выходными) величина-
ми четырехполюсника — преобразователя. Конкретные выраже-
ния для коэффициентов связи в виде отношений выходных вели-
чин преобразователя от входных сигналов зависят от способов
преобразования.
Подход к составлению электромеханических аналогий поясня-
70
a) S) 6)
Рис. 3 1. Схемы, иллюстрирующие метод электромеханических аналогий
ется рис. 3.1. Показанный на рис. 3.1,а колебательный контур,
содержащий в своей цепи элементы L, С и R в виде сосредото-
ченных постоянныхк которому приложено переменное напря-
жение, сопоставляется с механической колебательной системой,
совершающей вынужденные колебания (рис. 3.1,6). Здесь коле-
бательные свойства определяются компонентами системы в виде
дискретной массы т, гибкого элемента-—пружины См, скреплен-
ной одним концом с массой, а другим —с неподвижным основа-
нием присоединенного к этим же точкам схемы элемента трения
/?м — активного сопротивления трения массы при ее смещениях.
Это механическое сопротивление по аналогии с электрическим
выражают в мехомах. Полному сопротивлению электрической
цепи Z будет соответствовать полное механическое сопротивле-
ние ZM, а соотношению ZK—F)v— закон Ома.
Если в первом случае носителем колебаний в цепи является
перемещение электрических зарядов q, создающее колебательный
ток, то в механической системе колебания возникают благодаря
периодическому смещению массы т относительно положения по-
коя. Амплитудное значение колебательной скорости таких смеще-
dx-
ний v =---- соответствует максимальному значению тока I в
dt
контуре. Заметим также, что при параллельном соединении эле-
ментов механической системы и массы, называемом соединением
в узел в точке узла их колебательные скорости и смещения оди-
наковы. Это дает основание сопоставлять такую систему парал-
лельного соединения (рис. 3.1,6) с последовательным колебатель-
ным контуром (рис. 3.1,а), в котором через все элементы цепи
протекает одинаковый ток.
Кроме механической колебательной системы, выполненной в
виде параллельно соединенных дискретных элементов, нужно упо-
мянуть и другой вариант, получивший из-за своей специфики на-
звание акустических колебательных систем. По характеру коле-
1 Такой подход справедлив и для цепей с распределенными параметрами,
когда указанное допущение становится недостаточно строгим, например, при
сравнении размеров преобразователей с длинами волн высокочастотных состав-
ляющих звукового диапазона. Такие случаи лишь несколько усложняют анализ
явлений и рассматриваются особо.
71
Таблица 3.1
Электрические величины Обозначение Механические величины Обозначение
Электродвижущая сила, и Сила F
напряжение Смещение X
Заряд q Скорость V
Ток I Масса т
Индуктивность L Гибкость См
Емкость С Сопротивление трения *м
Активное сопротивление R Полное сопротивление 2м
Полное сопротивление Z
баний они также относятся к электромеханическим, но не содержат
дискретных масс, пружин, других гибких подвесов и трущих-
ся деталей. Все эти функции осуществляются частицами атмос-
ферной среды, сконцентрированными в некоторых объемах со
звукоизоляцией, соединенных с внешним пространством при по-
мощи труб, отверстий, других звукопроводов.
Классическим представителем акустических систем является
резонатор Гельмгольца (рис. 3.1,в). Здесь замкнутый объем V,
заполненный воздухом, соединяется через узкую трубку длиной I
с внешней средой, во входное отверстие трубки поступает звуко-
вая волна. В этом случае в канале I возникнут колебания частиц
воздуха. Воздух, сконцентрированный в объеме V, выполняет роль
упругого элемента — пружины, способствуя концентрации частиц
среды в трубке I и образуя тем самым элемент — массу. Так же
проявляется и механическое сопротивление в виде трения частиц
воздуха о стенки трубки. Вследствие периодического воздействия
внешней силы от звуковой волны в такой системе возникают ме-
ханические колебания среды. Колебательный процесс в резонато-
ре можно описывать, как и в приведенной на рис. 3.1,6 механиче-
ской системе с дискретными элементами. Логика сопоставления
электрических и механических колебаний опирается и на сходство-
между известным уравнением, описывающим колебательный про-
цесс в последовательном электрическом контуре (рис. 3.1,а) под
воздействием приложенного синусоидального напряжения
Г-^4-Я—+ —= £/Sin< (3.1)
dt dt С ’
и уравнением для механической колебательной системы
(рис. 3.1,6,в), вытекающим из второго закона Ньютона, к которой
соответственно приложена сила F~, изменяющаяся по закону гар-
монических колебаний:
d^x . dx , х г» • j ,г\ г\\
/и—4-(3.2)
dt* dt
72
Рис. 3.2. Механическая колебательная система с последовательным соединением
элементов (а) и аналог ее — параллельный колебательный контур (б)
Сравнивая между собой почленно уравнения (3.1) и (3.2), не-
трудно и тут установить, что аналогом индуктивности является
соответствующий ей инерционный элемент—масса, аналогом ак-
тивного электрического сопротивления — механическое сопротив-
ление трения, связанное со скоростью перемещения элементов
механической системы, а аналогом электрической емкости С ве-
личина, обратная упругости, — гибкость пружины См. Механиче-
ские аналоги электрических величин сведены в табл. 3.1.
Выражения для модуля полного сопротивления |Z| и его ме-
ханического аналога |ZM| вытекают из решения уравнений (3.1)
и (3.2):
|2| =1/R' + faL-----L-V (3.3)
у \ G)C J
I Z, I = 1//?7+ ---(3.4)
V \ “Си )
а резонансные частоты определяются на основе аналогий как
w0=\/VLC, (3.5)
= 1//^. (3.6)
Элементы т, См, RM, составляющие механические колебатель-
ные системы, могут соединяться между собой в различных соче-
таниях. В противоположность соединению в узел механическая
колебательная система с последовательно соединенными т, См,
RM («цепочкой», рис. 3.2,а) может быть сопоставлена с парал-
лельным контуром L, С, R (рис. 3.1,6). Подобно тому как при
последовательном соединении элементов механической системы
колебательные смещения и, следовательно, колебательные скоро-
сти разделяются между элементами, так и ток в параллельном
контуре представляет собой сумму токов, протекающих по эле-
ментам, IL, Ic, Ir- Подобное правило противоположности после-
довательных и параллельных соединений распространяется на
каждый из перечисленных элементов рассмотренных систем.
Механические колебательные системы удобно изображать в
виде электрических цепей, состоящих непосредственно из механи-
ческих колебательных элементов т, См, RM вместо L, С, R. Такая
73
Рис. 3.3. Эквивалентная (а) и струк-
турная (б) схемы механической си-
стемы, а также ее электрический
аналог (б)
методика обычно и применяется
при рассмотрении различных
электромеханических преобра-
зователей, тем более что некото-
рые акустические преобразовате-
ли содержат существенно более
сложные механические (и аку-
стические) колебательные систе-
мы, связанные между собой. В
этом случае, учитывая указан-
ный способ построения схем-ана-
логов, можно использовать из-
вестный прием разделения сово-
купности механических систем
на единичные эквивалентные
контуры, показанные на рис.
3.3,а в виде элементов, соединен-
ных цепочкой и узлом, элемен-
тов связи между ними, и изо-
бражения таких контуров в
структурном виде (рис. 3.3,6).
При этом каждый квадратик со-
ответствует определенному эле-
менту системы. Все квадратики
соединяются между собой ли-
ниями механической связи, а
штриховые линии ограничивают
блоки замкнутых цепей. Затем
каждый квадратик заменяется электрическим аналогом,
причем при изображении электрической схемы (рис. 3.3,в)
данной механической системы каждому ее элементу при-
сваиваются не электрические величины, а соответствующие
им механические. Если связи между элементами разветвленной
системы достаточно просты, то промежуточный элемент, показан-
ный на рис. 3.3,6, окажется лишним. Такое представление слож-
ных электроакустических преобразователей на основе метода
электромеханических аналогий в виде электрических контуров и
элементов связи позволяет воспользоваться для математического
моделирования аппаратом линейных электрических цепей, что
существенно упрощает решение задач их проектирования.
С помощью формальных аналогий между уравнениями (3.1)
и (3.2) и их решений удается проанализировать основные колеба-
тельные процессы подвижных узлов микрофонов и громкоговори-
телей, учесть резонансные свойства их корпусов, других элемен-
тов; сопоставление выражений (3.3) и (3.4) помогает найти пра-
вильный подход к взаимной частотной коррекции электрических
и механических узлов преобразователей, используя относительно
74
несложные устройства, показанные на рис. 3.1, 3.2, и более раз-
нообразные средства, указываемые в справочной литературе [3].
Метод электромеханических аналогий применяется не только
при исследовании и совершенствовании электроакустических пре-
образователей, но и в других областях электроакустики, напри-
мер при проектировании разнообразных акустических фильтров,
студийных и театральных помещений и проч.
3.2. ВЕЩАТЕЛЬНЫЕ МИКРОФОНЫ
3.2.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Микрофоны как преобразователи акустических колебаний в
электрические сигналы выполняют роль входных элементов в лю-
бых радиовещательных системах и бытовых радиовещательных
комплексах, установках озвучения и звукоусиления. Особенно вы-
сокие требования предъявляются к микрофонам при передаче и
записи художественных программ. Преобразование звука в элек-
трический сигнал должно производиться с высокой информацион-
ной точностью, и технические требования к микрофонам очень
высоки. Требуется обеспечить высокую разборчивость и узнавае-
мость речевого сигнала, избежать появления различных искаже-
ний и помех в пределах динамических диапазонов, достигающих
при музыкальных программах 90... 100 дБ в частотной полосе до
15 кГц и более. Кроме того, нужно удовлетворять и эстетическим
требованиям зрителей. Микрофон является связующим звеном
между исполнителями и аппаратным комплексом радиовещатель-
ной системы. При создании звуковой партии телевизионных про-
грамм (например, эстрадных) он часто попадает в кадр изобра-
жения. Это обстоятельство вызывает необходимость соответствия
его конструкции современному дизайну.
Вещательные микрофоны стараются сделать обтекаемой фор-
мы и малых размеров. Микрофон, помещенный в звуковое поле,
нарушает его однородность из-за отражения звуковой волны от
внешних поверхностей корпуса. Обтекаемая форма снижает от-
ражения до минимума, позволяя на низких частотах звукового
диапазона, где длина волны намного больше размера микрофона,
ими пренебрегать, а при сравнимых размерах их учитывать. хМа-
лые размеры микрофона позволяют считать его системой с сосре-
доточенными параметрами.
Свойства микрофонов описываются многими техническими
параметрами, основными из которых являются следующие:
1. Чувствительность—отношение напряжения U в вольтах на
выходе микрофона к звуковому давлению рзв в паскалях, воздей-
ствующему на его входной элемент:
—С//р3в*
75
Чувствительность различна для ненагруженного микрофона в
режиме холостого хода (если нагрузочное сопротивление не под-
ключено и измеряется ЭДС на выходе микрофона) и нагружен-
ного на номинальное активное сопротивление /?Ном (обычно 250...
...1000 Ом). В справочниках [3] указываются значения Еы и
Кяом- При определении чувствительности и других параметров
микрофонов оговариваются и условия измерения. Обычно исполь-
зуется методика измерения в «свободном» звуковом поле. Звуко-
вое давление в определенной точке поля измеряется с помощью
специального измерительного микрофона очень малых размеров.
Далее в эту точку поля вместо измерительного микрофона поме-
щают рабочий и измеряют его выходное напряжение относительно
звукового давления, которое было измерено в его отсутствии.
Оговаривается и частота, на которой определяется чувствитель-
ность (обычно 1000 Гц).
Чувствительность зависит и от того, под каким углом она из-
меряется по отношению к акустической оси микрофона. Для уточ-
нения вводят термин «осевая чуствительность» Ёмлс, поясняющий,
что она измерена в направлении акустической (рабочей) оси.
Чувствительность выражают в виде уровня в децибелах отно-
сительно ее условной величины— 1 В/Па.
Пользуются представлением осевой чувствительности в виде ее
стандартного уровня. Стандартным уровнем осевой чувствитель-
ности No.m называется выраженное в децибелах отношение мощ-
ности Р, развиваемой микрофоном на номинальной нагрузке RHOK
(при действующем на микрофон звуковом давлении p3B=l Па),
к мощности 1 мВт:
N0.M
, п. Р и2
Ю-з — Лномю-з
где и — напряжение на нагрузке, численно равное чувствитель-
ности микрофона при р3в=1 Па.
2. Направленность и характеристика направленности, вы-
раженная через отношение чувствительности микрофона, изме-
ряемой под различными углами оси симметрии микрофона относи-
тельно нулевой координаты азимутальной плоскости. Характерис-
тики (или диаграммы) направленности симметричны относительно
акустической оси микрофона, однако могут иметь различную
форму при различных частотах. Поэтому свойства направленно-
сти характеризуются семейством диаграмм, построенных для ряда
выбранных частот.
Направленный микрофон может обладать определенной чув-
ствительностью не только с фронтальной стороны, обращенной к
источнику звука, но и с обратной. Этот фактор учитывается от-
дельным параметром «фронт-тыл», измеряемым путем поворота
микрофона по отношению к направлению на источник звука на
76
180° и сравнения чувствительности при таком положении относи-
тельно прямого положения.
3. Частотная характеристика — это зависимость осевой чувст-
вительности или ее уровня от частоты. Ее отклонения от горизон-
тальной линии в номинальном диапазоне для данного типа мик-
рофона определяют частотные искажения. Сам номинальный час-
тотный диапазон определяют по допустимым спадам чувствитель-
ности в области нижних и верхних частот.
4. Уровень собственного шума микрофона, выраженный обыч-
но через уровень эквивалентного ему звукового давления рш, от-
несенный к значению порогового восприятия ро—2-10~5 Па.
При детальном анализе микрофонов или же их отдельных эле-
ментов приведенные основные параметры могут быть дополнены
другими, обычно удовлетворяющими требованиям (коэффициент
нелинейных искажений, динамический диапазон и пр.).
3.2.2. ТИПЫ МИКРОФОНОВ И ИХ СВОЙСТВА
В технике радиовещания используют микрофоны различных
типов. Их классифицируют прежде всего по признаку приема зву-
ковых колебаний входным звеном — механической колебательной
системой. Затем следует классификация по способам преобразо-
вания механических колебаний в электрический сигнал.
Классификация по первому признаку в основном способствует
правильному выбору микрофона в зависимости от требований на-
правленности, которые обусловлены взаимным расположением
источников звука, угловыми охватами звуковой панорамы, нали-
чием акустического шума в помещении и пр. В соответствии с
этой классификацией различают приемники звукового давления,
приемники градиента звукового давления и комбинированные.
По способу преобразования механических колебаний в элект-
рический сигнал вещательные микрофоны подразделяют на элект-
родинамические в двух вариантах: катушечные и ленточные, а
также электростатические: конденсаторные и электретные. Каж-
дый из них обладает определенными достоинствами и может быть
выбран в зависимости от класса качества аппаратурного комплек-
са, характера передаваемой программы и эксплуатационных тре-
бований.
Микрофон-приемник звукового давления изображен на
рис. 3.4 в виде цилиндра диаметром D, внутренняя область кото-
рого изолирована от внешней среды стенками корпуса, а на фрон-
тальной стороне расположена тонкая гибкая диафрагма площадью
3. Характерной особенностью такого микрофона является то, что
его входной элемент — мембрана (или диафрагма)—подвергается
воздействию звукового давления только с фронтального направ-
ления, другая ее сторона от прямого воздействия звука экраниру-
ется корпусом. Микрофоны стараются конструировать так, чтобы
77
Рис. 3.4. Схема приема акусти-
ческих волн микрофоном-при-
емником звукового давления
Рис. 3.5. Схема приема гра-
диента звукового давления
0<СХ, где X — преимущественная длина волны для данного мик-
рофона. Тогда можно считать, что переменное звуковое давление,
создаваемое в звуковом поле акустическими колебаниями, будет
воздействовать на мембрану микрофона в одинаковых фазах в
пределах всей площади 3. Звуковые волны, попадающие на мем-
брану с других направлений, благодаря относительно малому от-
ношению D/Х как бы обтекают корпус микрофона и на мембрану
попадают также синфазно с фронтальными. Это означает, что
микрофон — приемник звукового давления обладает ненаправлен-
ным действием. Характеристика направленности такого микрофо-
на для этого случая представляет собой шар, в центре которого
находится микрофон.
Следует учесть, что практически свойство ненаправленности
будет хорошо соблюдаться для низких и частично для средних
частот звукового диапазона, где выдерживается условие относи-
тельной малости размеров и обтекаемости его корпуса. К высо-
ким частотам, однако, микрофон приобретает свойства отчетли-
вой направленности в сторону передних источников звука.
В приемнике градиента звукового давления акустические ко-
лебания воздействуют на обе стороны диафрагмы, однако так,
что для волн, падающих на внутреннюю сторону диафрагмы, соз-
дается дополнительный путь Ах относительно звуковой волны,
падающей на мембрану с фронтальной стороны. В результате на
противоположных сторонах диафрагмы образуется разность зву-
ковых давлений с взаимным фазовым сдвигом Дер (рис. 3.5,а).
Для графического пояснения градиентного приема толщину d
диафрагмы S микрофона условно увеличивают (рис. 3.5,6). Зву-
ковая волна, достигающая тыловой стороны, должна пройти до-
полнительный путь Ax=dcos0. Но поскольку справедливо соот-
78
Рис. 3.6. Характеристики направленности микрофона-приемника градиента звуко-
вого давления (а) и комбинированного (б)
ношение Дср/2л=Дх/Х, то Д<р=2л<7 cos 0Д. Так как F—p3BS, где
S—площадь диафрагмы, то на диафрагму действует результи-
рующая сила
F^p3BSA(p—2n,Sp3S (d cos 0)/%.
Из этого выражения видно, что при симметричном доступе
волн к передней и тыловой стороне диафрагмы направленность
микрофона должна также иметь симметричный характер с коси-
нусоидальным распределением чувствительности (рис. 3.6,а). Чув-
ствительность максимальна при углах 0 = 0 и 180° и минимальна
при 0=90 и 270°. Подобные микрофоны называют двунаправлен-
ными. Следует обратить внимание на то, что сила F уменьшается
с увеличением длины волны, и, следовательно, к низким частотам
звукового диапазона чувствительность микрофона должна сни-
жаться. Однако удлинение пути Дх для волн, поступающих на
внутреннюю сторону диафрагмы, вызывает их дополнительное за-
тухание. Это, в свою очередь, увеличивает разность Дрзв, что час-
тично компенсирует указанный частотный спад. Следует также
иметь в виду, что при близких расстояниях от источника звука
звуковые волны, воздействующие на диафрагму, нельзя считать
плоскими. Их следует рассматривать как сферические, при кото-
рых звуковое давление с приближением микрофона к источнику
звука возрастает. В результате повышается в еще большей сте-
пени чувствительность микрофона вблизи источника звука (прак-
тически ближе 1 м), вызывая эффект подчеркивания низких час-
тот. В области высоких частот длины волн звуковых колебаний
становятся сравнимыми с размерами микрофона, нарушается син-
фазность приема звуковых волн вдоль поверхности диафрагмы,
чувствительность снижается. Для выравнивания частотной харак-
теристики прибегают к взаимной частотной коррекции отдельных
звеньев микрофона, а микрофон стараются расположить на долж-
ном расстоянии от источника звука. Среди градиентных различа-
ют так называемые асимметричные микрофоны, у которых чув-
79
ствительность для фронтального и тылового направления прихо-
да звуковой волны различна.
Комбинированные микрофоны характеризуются односторонней,
в том числе острой, направленностью (рис. 3.6,6). Это достигает-
ся путем синтеза двунаправленной характеристики градиентных
микрофонов с ненаправленной, присущей приемникам звукового
давления. Такой синтез проще всего осуществить путем смешения
электрических сигналов от двух указанных типов микрофонов,
помещенных рядом, и обеспечения параллельности акустических
осей. Сигналы, полученные от фронтальных волн при смешении
сигналов от микрофонов градиентного типа с указанной характе-
ристикой двусторонней направленности (зависимость 1) с сигна-
лами от ненаправленных микрофонов давления (зависимость 2),
складываются (рис. 3.6,6), поскольку их фазы одинаковы, а сиг-
налы от волн, поступающих сзади, взаимно вычитаются, посколь-
ку и фазы противоположны. Результирующая направленность
приобретает вид зависимости 3.
При последовательном соединении нагрузок микрофонов ре-
зультирующая чувствительность приемника равна EA-f-Erpcos 0,
где Ед — чувствительность приемника давления, а Егр — осевая
чувствительность приемника градиента давления. Соответственно
в общем виде характеристика направленности E(0) = l+cos0, ес-
ли Ед—Егр. При Ед=И=ЕГр можно получить диаграммы направлен-
ности различной формы: круговую, двунаправленную—косинусо-
идальную, кардиоиду, суперкардиоиду (рис. 3.7). При формиро-
вании сложных диаграмм направленности наряду с полезным
передним лепестком возникает и нежелательный задний. Уменьша-
ется перепад чувствительности в направлениях «фронт — тыл».
В области средних и высоких частот звукового диапазона раз-
меры и форма микрофонов существенно влияют на реальные ха-
рактеристики направленности, частотную зависимость чувстви-
тельности микрофона и другие параметры.
В процессе создания вещательных программ пользуются мик-
рофонами с различной направленностью. Для приема сигналов,
отраженных от поверхностей помещения, в студиях и театральных
залах используют ненаправленные микрофоны; для обслуживания
солистов требуются остронаправленные микрофоны типа прием-
ников градиента звукового давления и комбинированных. Про- '
граммы в виде сложных музыкальных и литературно-драматиче-
ских произведений формируются с помощью продуманной расста-
новки в студиях групп микрофонов, каждый из которых соединя-
ется экранированным микрофонным кабелем с отдельным входом
звукорежиссерского пульта. При этом возникает задача выбора
микрофонов конкретных типов с определенными эксплуатацион-
но-техническими показателями.
Встречаются ситуации, когда микрофоном требуется равно-
мерно охватить широкую зону, сосредоточенную непосредственно
80
6697
00
Рис 3 7, Типичные характеристики направленности микрофонов
около него. Примером может служить докладчик, который может
отклоняться от микрофона, поворачивать голову и пр. При этом
необходимо воспользоваться «линейкой» микрофонов, т. е. распо-
ложить перед докладчиком на некотором расстоянии друг от дру-
га ряд однонаправленных микрофонов с параллельным направле-
нием рабочих осей, у которых боковые зоны характеристик на-
правленности складываются.
3.2.3. ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЕ МИКРОФОНЫ
В настоящее время в технике радиовещания, а также радио-
обслуживания наиболее распространены электродинамические
ванные. Но реализации электродинамического способа преобразо-
вания микрофоны подразделяют на катушечные и ленточные.
щие к нему фланцы в виде толстых стальных дисков. В центре
нижнего фланца 2 располагается круглый стержень 3 (называе-
мый также керном), а в центре верхнего фланца 4 круглое отвер-
стие несколько большего диаметра, чем стержень 3. Магнит вы-
полняется из специальной стали с присадками кобальта, титана
и других металлов, создающих ему повышенные магнитные свой-
ства, а фланцы и керн — из мягкой стали, удобной для обработки
и обладающей хорошей магнитной проводимостью. При сборке
ЭТИХ ЛРТЯТТРИ НИ ПИ'ИппииРСКЙЯ *Л-.Р.ПЙП1Я" Г’Л-
Рис. 3.8. Схема устройства электроди-
намического катушечного микрофона
82
ка, скрепляющую кагушку с
легкой упругой диафрагмой 6.
Диафрагма куполообразной фор-
мы выполняется из полистирола.
Она тщательно центрируется и
закрепляется на верхнем фланце
с помощью гофрированной шай-
бы 7. Таким образом катушка
движется в воздушном зазоре
только в осевом направлении, не задевая поверхностей фланца и
керна. Верхнюю поверхность стержня покрывают шелковой
тканью 8, зазор изнутри закрыт немагнитной шайбой 10, а в са-
мом керне могут быть проделаны сквозные отверстия 11. Об их
назначении будет сказано далее.
Принцип действия такого микрофона заключается в следую-
щем. При воздействии на диафрагму звуковых колебаний скреп-
ленная с ней катушка совершает движения с колебательной ско-
ростью v в направлении оси микрофона, перпендикулярном на-
правлению радиального магнитного поля в воздушном зазоре.
Благодаря этому в ней индуцируется электродвижущая сила е=
=Blv, где В — индукция магнитного поля; I — общая длина про-
ПАпа v о 'гхттг т vet ГГплпоплплипл --IZ т,т»»г ~ ~
,---- » i V it : V Л \ CR J-LtILSL J_1 n 11 C4 1V1 Г1 Г*. Г1 Л '¥! Г! П. ~
Чувствительное микрофона-приемника давления при нали-
[ии микрофонного j ансформатора определяется выражением
де S — действующая поверхность диафрагмы; ZM — собственное
щханическое сопротивление преобразователя; ZK — внесенное ме-
:аническое сопротивление; ZH — сопротивление нагрузки микро-
юна со стороны электрического выхода; Z — электрическое сопро-
ивление преобразователя; n—}RH/Ri— коэффициент трансфор-
мации микрофонного трансформатора, RH— сопротивление, шун-
ирующее первичную обмотку трансформатора микрофонного
таС i vi rivrl Ad p dix i Cp iiv 1 tiixn i\st И В ЭЮИ ЧйщИ ЧАСТОТНОГО ДИЗПЗ"
зона чувствительность микрофона сохраняется примерно постоян-
ной. В зоне высоких частот, где размер диафрагмы микрофона
сравним с длинами волн звуковых колебаний, чувствительность
начинает снижаться, поскольку начинает сказываться фазовый
сдвиг от центра к краям диафрагмы, становятся заметными иска-
жения звукового поля из-за отражений волн от корпуса микро-
фона. Чувствительность падает и в области нижних частот, но по
другой причине. Колебательная система подвижной части в виде
диафрагмы с катушкой, обладающей массой т, гибкостью гоф-
6* 83
Рис. 3 9 Электрический аналог коле-
бательной системы микрофона
Рис. 3.10. Устройство ленточного мик-
рофона
рированного подвеса См и механическим сопротивлением /?м (тре-
ния воздуха при движении катушки в зазоре), образует механи-
ческий резонанс в области частот более высоких, чем требуется
для сохранения чувствительности в области нижних частот зву-
кового диапазона. За левой ветвью резонанса чувствительность
резко снижается. Электрическим аналогом этой механической ко-
лебательной системы с соединением элементов в узел является
последовательный колебательный контур, причем, согласно пра-
вилу построения эквивалентных цепей, его элементы L, С, R вы-
ражаются через механические величины т\, С\, RM (рис. 3.9, сле-
ва от штриховой линии).
Сдвиг резонанса в сторону более низких частот согласно (3.6)
требует повышения гибкости См подвеса диафрагмы с катушкой,
что по конструктивным соображениям трудно, а массу диафраг-
мы увеличивать нежелательно, так как это способствует увели-
чению инерционности. Поэтому основная колебательная механи-
ческая система дополняется акустическим резонатором. Обратим
внимание, что в полости, ограниченной внутренними поверхностя-
ми диафрагмы 6 (см. рис. 3.8), катушкой 5 и торцом 9 керна 3,
при колебаниях накапливается энергия сжимаемого воздуха. Сле-
довательно, тем самым в системе образуется как бы дополнитель-
ный элемент гибкости Смо, который можно рассматривать как ис-
точник вынуждающей силы. Сам резонатор можно создать,
просверлив в теле керна 3 каналы 11 в виде звукопроводов соеди-
няющих указанную полость с внутренним воздушным объемом
магнитной системы. Обратившись к рис. 3.1,в, заметим, что подоб-
ное устройство соответствует акустическому резонатору, причем
гибкость его СМ2 характеризует сжимаемую воздушную среду
внутри магнитной системы, а масса т? и механическое сопротив-
ление /?м2, сосредоточенные внутри звукопровода, определяются
84
геометрическими параметрами последнего. Согласно правилам
построения эквивалентных цепей, указанные элементы резонато-
ра представляются последовательным контуром, подключенным к
элементу связи Смо с основной колебательной цепью (на рис. 3.9,
справа от штриховой линии).
Электродинамические микрофоны — приемники градиента зву-
кового давления по внешнему виду отличаются от приемников
давления в основном тем, что позади входного колебательного
элемента в магнитопроводе и корпусе имеются отверстия для до-
ступа звуковых волн к внутренней стороне диафрагмы (как уже
указано с необходимым фазовым сдвигом).
В некоторых микрофонах подобного типа за счет дополнитель-
ных резонаторов создают несколько корректирующих акустиче-
ских контуров и таким образом получают частотную характерис-
тику, относительно равномерную в больших пределах. В комби-
нированных, в том числе остронаправленных, микрофонах одно-
стороннего действия создаются определенные соотношения между
воздействиями звукового давления на внешнюю и внутреннюю
стороны колебательных систем градиентного типа посредством
сложных акустических фильтров и резонаторов, асимметрии внут-
ренних звукопроводов. Острую направленность характеристики
можно обеспечить также синтезируя сигналы, полученные, напри-
мер, от двух рядом расположенных микрофонов с различной на-
правленностью.
Катушечные электродинамические (динамические) микрофоны
выпускаются промышленностью в широком ассортименте под обо-
значением МД. В зависимости от поставленных задач можно,
пользуясь справочником [3], подобрать микрофон, например, по
направленности: НН — ненаправленный, ДН — двунаправленный,
ОН — однонаправленный, ООН — односторонний остронаправлен-
ный и пр. Микрофоны этого типа отличаются разнообразием
электрических параметров: широкополосные, предназначенные
для студийного использования и звукозаписи, речевые, репортаж-
ные, стереофонические. Среди наилучших часто комментируемый
в справочниках студийный микрофон МД-52 однонаправленного
действия; его чувствительность £=0,63 мВ/Па при номинальной
нагрузке; номинальный диапазон частот Д£=50... 15 000 Гц; не-
равномерность частотной характеристики 12 дБ; номинальная на-
грузка £н=250 Ом.
Катушечные электродинамические микрофоны обладают не
только хорошими эксплуатационными свойствами. Они защище-
ны от механических повреждений, не чувствительны к изменениям
температур и влажности.
Другим видом электродинамического микрофона является лен-
точный (рис. 3.10). Принцип его действия мало чем отличается от
принципа действия катушечного микрофона, однако в конструк-
ции имеются существенные различия. Магнитная система 1
85
(рис. 3.10,а) имеет подковообразную форму, а между плоскопа-
раллельными поверхностями полюсных наконечников магнита
размещается тонкая гофрированная лента 2, обладающая доста-
точной прочностью при хорошей гибкости и малой массе. Для
простоты рассмотрения можно представить себе ленту плоской,
поскольку гофрировка нужна лишь для повышения гибкости ме-
ханической прочности и удельной длины. Положение ленты отно-
сительно направления силовых линий магнитного поля показано
на фрагменте поперечного сечения (рис. 3.10,а, снизу). Лента 2
располагается параллельно силовым линиям поля Н (на чертеже
показанным штриховыми линиями). Сам микрофон располагается
по отношению к источнику звука так, чтобы сила, создаваемая
акустической волной, была направлена перпендикулярно к плос-
кости ленты. При ее воздействии лента будет изгибаться в на-
правлении, перпендикулярном магнитному полю. Благодаря воз-
никающей при этом магнитной индукции на ее концах образуется
ЭДС, как и на концах провода катушки рассмотренного катушеч-
ного микрофона. Однако несмотря на гофрировку, длина ленты
несравненно короче провода катушки.
Заметим, что для электроди-
Рис 3 11 Внешний вид ленточного
репортажного микрофона
намических громкоговорителей
коэффициент электромеханиче-
ской связи Кса=В1, где В — маг-
нитная индукция, а I — длина
провода, в данном случае ленты
с малым внутренним сопротивле-
нием Поэтому для реализа-
ции полученной малой ЭДС на
нагрузке требуется повышающий
трансформатор и с большим ко-
эффициентом трансформации
(рис. 3 10,6). Трансформатор раз-
мещают в самом микрофоне, по-
скольку наводимая ЭДС относи-
тельно мала (микровольты), а
на соединительный кабель могут
наводиться помехи. Важно, что
собственная масса колебательной
системы чрезвычайно мала, а это
в сочетании с большой гибкостью
ленты обеспечивает меньшую
инерцию подвижной части лен-
точного микрофона по сравнению
с катушечным вариантом. Тол-
щина ленты 2 . 2,5 мкм, ширина
2 мм и длина 25 . 50 мм Поэто-
му ленточные микрофоны хорошо
86
реагируют на быстрые переходные процессы, вносят очень малые
нелинейные искажения при передаче, хорошо воспроизводят низ-
кие частоты. Вместе с тем колебательный элемент микрофона —
лента — требует очень осторожного обращения и может легко
пострадать от небрежной транспортировки, движений воздуха
и пр.
В ленточных микрофонах (МЛ) можно реализовать различные
характеристики направленности и разные диапазоны частот.
В широкополосных направленных микрофонах применяют не-
сколько внутренних акустических резонаторов, акустические по-
глощающие лабиринты. Поскольку конструкции таких микрофо-
нов сложны, их используют главным образом для работы в
студиях больших телевизионных центров. Двунаправленные лен-
точные микрофоны, работающие по принципу приемника гради-
ента звукового давления, применяют и для высококачественной
передачи при записи репортажа со стадионов, помещений с по-
вышенным шумом. Фронтальная часть характеристики направлен-
ности в этом случае предназначается для получения речевого сиг-
нала от комментатора, тыловая — для акустического фона от
дальних источников звука
Для такого использования, в частности, предназначен микрофон МЛ-20,
конструкция которого характерна для комментаторских целей (рис 3 11) Ми-
крофон имеет удобный держатель, весит всего лишь 220 г и снабжен специаль-
ным губным фиксатором, позволяющим держать его в руке на постоянном рас-
стоянии от рта (8 см) С передней стороны он покрыт поролоновым встроенным
защитным экраном для предотвращения помех от ветра, хорошо амортизирован
и поэтому защищен от возможных шорохов при движении р;, ки Номинальный
частотный диапазон микрофона 80 10 000 Гц с отклонениями чувствительно-
сти менее рг2,5 дБ
Для осуществления регулируемой направленности ленточные
микрофоны — приемники градиента звукового давления иногда
комбинируют с катушечным микрофоном — приемником звуково-
го давления.
3 24 КОНДЕНСАТОРНЫЕ МИКРОФОНЫ
Важным видом микрофонов, получивших распространение в
технике вещания, являются электростатические: конденсаторные
и электретные.
Принцип действия конденсаторного микрофона достаточно
прост. Его входная часть (рис. 3 12) представляет собой плоский
конденсатор, состоящий из двух обкладок. Из них внешняя 1,
обращенная к источнику звуку сторона, выполнена в виде тонкой
круглой металлизированной изнутри диафрагмы диаметром D,
скрепленной по окружности с кольцом из диэлектрика 2. Второй
обкладкой конденсатора служит массивное металлическое основа-
ние 3. Эту обкладку называют базой. Обкладки 1 и 3 располага-
ются на малом друг от друга расстоянии d, образуя таким обра-
87
Рис. 3.12. Устройство конден-
саторного микрофона
зом плоский конденсатор. Он соединяется через нагрузочное со-
противление /?„ с источником постоянного напряжения U=. Под
воздействием звукового давления рзв диафрагма совершает коле-
бания. При этом расстояние между пластинами конденсатора из-
меняется, соответственно изменяется и его емкость, возрастая
при сближении пластин и уменьшаясь при удалении. Но так как
заряд конденсатора пропорционален приложенному напряжению
и емкости q~CU=, то при увеличении емкости конденсатор будет
дополнительно заряжаться и в электрической цепи образуется
зарядный ток. При уменьшении емкости, напротив, образуется
ток разряда. В результате на сопротивлении нагрузки Дн возни-
кает сигнал, отображающий колебательный процесс диафрагмы.
В простейшем варианте звуковые волны действуют лишь на
ее переднюю сторону, воздушная полость, сосредоточенная меж-
ду пластинами, соединена с внешней средой вспомогательным от-
верстием так, что сжатия воздуха при колебаниях не происходит.
При этом чувствительность микрофона Ew=&dU=l(pd). Нетрудно
заметить, что схема на рис. 3.12 соответствует микрофону — при-
емнику звукового давления.
Конструктивно описанная входная часть микрофона выпол-
няется в виде отдельного блока, называемого звукоприемным
капсюлем. Диафрагма диаметром 29=6.. .20 мм выполняется из
полистирола, покрытого с внутренней стороны золотом или точ-
кой фольгой упругого неокисляющегося металлического сплава.
Толщина фольги 2.. .30 мкм. Расстояние между обкладками
стремятся сделать как можно меньше, но оно ограничивается воз-
можностью пробоя, опасность которого возникает от относитель-
но большого напряжения 2/=, прилагаемого между пластинами.
Практически при П==50.. .60 В расстояние d=20.. .40 мкм. При
этом емкость конденсаторного микрофона С=30.. .40 пФ.
Микрофон — приемник градиента звукового давления имеет
иную конструкцию входного узла (рис. 3.13). Его диафрагма та-
кая же, как у приемника давления. Но в базовой пластине 2 де-
лается ряд сквозных отверстий 3 для доступа к внутренней сторо-
не диафрагмы звуковых волн с фазовым сдвигом (как на рис.
3.5). Кроме того, в этой пластине делаются несквозные отвер-
стия— канавки 4— для демпфирования или создания резонанс-
ных явлений с целью выравнивания частотной характеристики.
Одной из существенных особенностей конденсаторных микро-
фонов является то, что нагрузочное сопротивление Rn должно
88
Рис, 3.13. Фрагмент входного узла
конденсаторного градиентного микро-
фона
Рис. 3.14. Схема устройства комбини-
рованного конденсаторного микро-
фона
быть весьма большим — превышающим 108 Ом. Постоянная вре-
мени t—RHC должна быть по возможности больше периода низко-
частотных колебаний. Кроме того, из-за малой емкости входного
узла недопустимым является шунтирующее действие емкости
микрофонного кабеля (превышающего емкость самого микрофо-
на). Поэтому входной каскад микрофонного усилителя выполня-
ют на полевом транзисторе, обладающем высоким входным со-
противлением, и располагают непосредственно в корпусе микро-
фона. В таком случае он служит нагрузочным сопротивлением и
согласующим каскадом. Конденсаторный микрофон можно вклю-
чать в высокочастотные цепи, где он играет роль емкостного эле-
мента колебательного контура, но в радиовещании такой способ
обычно не используют.
Среди разновидностей конденсаторных микрофонов (МК)
встречаются и комбинированные. К ним принадлежит микрофон,
составленный из двух приемников градиента звукового давления,
объединенных в одном узле (рис. 3.14). В этом случае базовый
электрод 1 располагается между двумя диафрагмами 2 и 3, по-
добными уже рассмотренным. Между базой и каждой из пластин
создают разность потенциалов с помощью постоянного напряже-
ния U= внешнего источника. Такая комбинация представляет со-
бой совокупность двух взаимосвязанных конденсаторных микро-
фонов градиентного приема с различными характеристиками на-
правленности, зависящими от степени симметрии действия. Синтез
результирующей направленности может осуществляться дистан-
ционно с помощью смесителя, введенного в цепи раздельных уси-
лителей. Таким образом можно получить различные виды направ-
89
ленности: круговую, косинусоидальную двустороннюю, кардиоид-
ную.
Электретные конденсаторные микрофоны (МКЭ) по своему
устройству не отличаются от обычных конденсаторных, только в
них мембраны выполняются из материалов, обладающих элек-
третным свойством: сохранять поляризацию в течение длительно-
го времени. Такое свойство создается предварительной термиче-
ской обработкой полимерных пленок в электрическом поле с вы-
соким градиентом напряжения. Мембраны, изготовленные из по-
добных пленок, могут обеспечить достаточные для работы микро-
фонов постоянные напряжения, сохраняемые в течение многих
лет. В результате отпадает необходимость в дополнительном ис-
точнике постоянного напряжения и подводе питания.
Главными достоинствами конденсаторных микрофонов (с
источником постоянного напряжения) и электретных являются хо-
рошая переходная характеристика с малой длительностью уста-
новления напряжения (10 мкс и менее), гладкая частотная харак-
теристика в широком диапазоне частот, высокая чувствительность,
линейность, хорошие массо-габаритные показатели. Например,
микрофон МК-13, предназначенный для музыкальных передач,
имеет чувствительность (при нагрузке) Е—8 мВ/Па, номинальный
диапазон частот 50. ..15 000 Гц при неравномерности 6 дБ, вид на-
правленности НН, ОН, ДН при массе всего лишь 260 г.
Электретные микрофоны особенно удобны в клубных, театральных и эстрад-
ных звукотехнических комплексах высшего класса качества. Внешний вид одного
из таких микрофонов со снятым ветрозащитным экраном показан на рис. 3.15,
а его частотная характеристика, дающая представление о хороших частотных
свойствах конденсаторных микрофонов, представлена на рис. 3 16
Кроме рассмотренных микрофонов, существуют и другие: пьезоэлектрические,
электромагнитные, угольные В настоящее время их используют для передачи
служебных речевых сообщений Пьезоэлектрические микрофоны, основанные на
явлении поляризации некоторых сегнетоэлектриков при механической деформа-
ции, иногда поименяют в недорогой бытовой аппаратуре, для любительской маг-
нитной записи Для служебной связи предназначены и недорогие типы портатив-
ных радиомикрофонов
Радиомикрофоны по существу представляют собой приемопе-
редающий комплекс, снабженный радиолинией. В этот комплекс
входят микрофон с портативным радиопередатчиком (мощностью
10. ..50 мВт), который работает на отведенных для этого часто-
тах в метровом диапазоне радиоволн при дальности 50.. .200 м.
В качестве передающей антенны используется отрезок гибкого
проводника в изоляции, прикрепленного к корпусу микрофона с
передатчиком. В надлежащем месте, например за кулисами
эстрадного театра, располагается аппаратура с антенной для
приема радиосигналов от исполнителя. После соответствующего
усиления принятый сигнал подается на усилитель мощности для
звукофикации зала, на вход магнитофона для записи или в тракт
формирования программ вещательного канала для непосредствен-
90
Рис. 3.15. Внешний вид
электретного микрофона
ной передачи. Естественно, что при передаче художественных про-
грамм к такой системе предъявляются повышенные требования.
Основным недостатком радиомикрофонов является небольшой ди-
намический диапазон, что ухудшает качество передаваемых худо-
жественных программ. Поэтому широкое распространение радио-
микрофоны получили в основном в комплексах радиообслужива-
ния.
3.3. ГРОМКОГОВОРИТЕЛИ
3.3.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Согласно принятому определению, под громкоговорителями
понимаются пассивные электроакустические преобразователи,
предназначенные для излучения звука в окружающее пространст-
во. По способам излучения громкоговорители подразделяются на
диффузорные — непосредственного излучения колеблющейся диа-
фрагмой с гибкой подвеской и на рупорные — излучения с по-
мощью жесткого рупора. Конструктивно каждый из громкогово-
рителей представляет собой совокупность двух независимых уз-
лов— головки и акустического оформления, согласованных по
акустическим свойствам. Головка громкоговорителя — это собст-
венно преобразователь сигналов звуковой частоты из электриче-
ской формы в акустическую — содержит все необходимые для
этого конструктивные элементы, определяемые способом электро-
акустического преобразования. Акустическое оформление являет-
ся элементом громкоговорителя, не участвующим в процессе ука-
занного преобразования; оно лишь обеспечивает эффективное из-
91
лучение звука в пространстве с помощью различного вида акусти-
ческих экранов, ящиков, рупоров в разных вариантах построения.
Основой для конструирования диффузорных громкоговорителей
являются серийно выпускаемые специализированными предприяти-
ями головки с различными электрическими и конструктивными па-
раметрами, а сам громкоговоритель в зависимости от задаваемого
класса качества комплектуется одной или несколькими головка-
ми, в сумме дополняющими друг друга по акустическим свойст-
вам. При разработке громкоговорителей часто налагается условие
совмещения его с другим устройством: радиоприемником, магни-
тофоном, телевизором, абонентским устройством проводного веща-
ния и пр. В этих случаях головки располагают в общих корпусах
и громкоговорители называют встроенными. Если же громкого-
ворители создаются в отдельных корпусах как независимые уст-
ройства, то их называют выносными. К ним принадлежат, напри-
мер, звуковые колонки для стереофонического воспроизведения,
бытовые электроакустические системы повышенного качества зву-
чания и пр.
Свойства громкоговорителей и отдельно их головок (без аку-
стического оформления) принято оценивать многими параметра-
ми и характеристиками, оговоренными ГОСТ 16122—78 и др. Из
многочисленного перечня выделим лишь основные.
Характеристика направленности — зависимость звукового дав-
ления, развиваемого громкоговорителем (и головкой) на частоте
F или в полосе ДЕ частот со средней частотой Fcp в точке сво-
бодного поля, находящейся на определенном расстоянии от рабо-
чего центра, от угла между рабочей осью громкоговорителя (го-
ловки) и направлением на указанную точку.
Частотная характеристика звукового давления (или просто ча-
стотная характеристика)—зависимость от частоты звукового дав-
92
ления, развиваемого громкоговорителем в точке свободного поля,
находящейся на определенном расстоянии от рабочего центра
излучателя, при постоянном напряжении на зажимах громкогово-
рителя.
Номинальная мощность — максимальная мощность электриче-
ского сигнала, подводимого к громкоговорителю, ограничиваемая
нелинейными искажениями, устанавливаемыми для данного гром-
коговорителя, при которой обеспечиваются его механическая и
тепловая прочность.
Акустическая мощность — усредненная (во времени) мощность
излучаемого громкоговорителем сигнала на частоте F (или в по-
лосе частот со средней частотой Fcp).
Характеристическая чувствительность — отношение среднего
звукового давления, создаваемого громкоговорителем в номиналь-
ном диапазоне частот на расстоянии 1 м от рабочего центра на ра-
бочей оси, к корню квадратному от подводимой мощности.
Основными опорными геометрическими параметрами громкого-
ворителей являются: геометрический центр — точка, от которой
ведется отсчет расстояний от громкоговорителя; рабочая ось —
прямая, проходящая через центр громкоговорителя в направле-
нии преимущественного использования или же перпендикулярная
плоскости излучающего отверстия.
3 3 2 ДИФФУЗОРНЫЕ ГРОМКОГОВОРИТЕЛИ
Устройство громкоговорителей существенно зависит от вида
главного элемента — головки, содержащей тот или иной электро-
акустический преобразователь. В настоящее время в качестве ос-
новы для построения громкоговорителей используют преимущест-
венно электродинамические преобразователи. Соответственно и
громкоговорители, укомплектованные головками с электродинами-
ческими преобразователями, называются электродинамическими
(сокращенно динамическими). В ряде случаев в диффузорных
громкоговорителях применяют и другие нетрадиционные преобра-
зователи, о чем будет указано далее.
Электродинамическая головка диффузорного громкоговорите-
ля (рис. 3.17) состоит из магнитной системы в виде кольцеобраз-
ного постоянного магнита 1, обладающего большой коэрцитивной
силой, круглого стального керна 2, проточенного в верхней части,
нижнего 3 и верхнего 4 стальных фланцев. Верхний фланец имеет
в центре отверстие, несколько большее диаметра керна, так что
между фланцем и керном в верхней части образован воздушный
зазор 5. В нем сконцентрировано радиальное постоянное магнит-
ное поле. В зазоре располагается цилиндрическая катушка индук-
тивности 6 с небольшим числом витков, намотанная на каркасе,
который скреплен с центрирующей гибкой шайбой 7 пылезащит-
ным колпачком 8 и диффузором 9. Диффузор изготавливается из
93
бумажной массы, обеспечивающей ему достаточную жесткость
при малой массе. Обычно ему придают форму усеченного конуса,
иногда с изогнутым (выпуклым) профилем. Диффузор по окруж-
ности крепится через гибкий «воротник» 10 к кольцу И держа-
теля 12. Подвижная система таким образом имеет лишь одну
степень свободы движения — вдоль рабочей оси. От начала и
конца катушки делаются гибкие выводы, соединяемые с выходом
усилителя электрического сигнала.
Вследствие взаимодействия магнитной индукции В в зазоре
магнитной цепи с током сигнала 1, протекающего через катушку,
возникает сила F=Bll, которая вызовет колебательное движение
подвижной системы в направлении рабочей оси. Здесь BI—F/I—
—Ксв — коэффициент электромеханической связи электродинами-
ческого преобразователя, I — длина провода звуковой катушки.
Диффузор в таком громкоговорителе является одновременно
и элементом колебательной механической системы, и излучателем
звуковых колебаний в пространство. Колебания диффузора пере-
даются частицам среды, прилегающим к поверхности диффузора,
те в свою очередь воздействуют на смежные с ними частицы, и
так в виде сжатий и разряжений образующиеся акустические вол-
ны распространяются от излучаемых участков поверхности пре-
имущественно в нормальных к ним направлениях (частично воз-
действуя и на боковые частицы среды). Энергия колебательного
процесса подвижной системы расходуется частично на преодоле-
ние механического сопротивления — трения воздуха в магнитном
зазоре, ведущего к нагреву катушки, а частично на преодоление
сопротивления колебаниям со стороны среды.
Входное сопротивление колебательной системы головки гром-
коговорителя можно представить в виде собственно электрическо-
го сопротивления катушки и сопротивления, вносимого элементами
механической колебательной цепи, в данном случае включен-
ными последовательно. На основании метода электромеханиче-
ских аналогий они представляются в виде параллельного вклю-
чения соответствующих электрических элементов, приведенных к
входной цепи через коэффициент электромеханической связи. Та-
ким образом, полное сопротивление головки громкоговорителя
2вх=2Эл+7вн, где /эл=/?к+)<аЛк, a ZBU=B2l2/ZM, причем ZM=
=7мо+7изл. Здесь ZMo=/?M+j(omo+l/(jcoCM) — собственное меха-
ническое сопротивление подвижной системы, а ZI^=#^+jcomK—
сопротивление излучения, где т0 — масса подвижной системы;
См — гибкость; tnR — соколеблющаяся масса воздуха; /?м— сопро-
тивление трения, возникающее при изгибе гофрированного ворот-
ника и центрирующей шайбы, RK и LK — сопротивление и индук-
тивность звуковой катушки. Излучаемая акустическая мощность
Р = — «2 R - *
а 2 т изл 2 | ZM || ZBX |
а
^ИЗ.Т
94
где vm — амплитуда колебательной скорости излучающей поверх-
ности; Um — амплитуда подводимого напряжения.
Комплексное сопротивление излучения состоит из двух компо-
нент 7изл=^изл+]’Хизл. Из них действительное излучение в прост-
ранство образуется посредством отдачи энергии активной состав-
ляющей 7?из.т Излучаемые колебания распространяются в виде
плоской волны в направлении рабочей оси. Компонента |Лизл вы-
звана наличием расходящихся волн, для которых характерно убы-
вание амплитуды колебательной скорости с расстоянием. Тут в
процессе упругого соударения частиц возникают реактивные силы
отталкивания частиц в направлении, обратном распространению
(как движущийся шар, ударяющий шар большей массы, приводит
его в движение, а сам приобретает реактивную силу). При этом
вблизи диффузора возникает определенный запас энергии, выра-
жающийся в инерционном «соколебании» дополнительной массы
среды в смежных с поверхностью диффузора объемах.
Чтобы частотная характеристика громкоговорителя в пределах
звукового диапазона была горизонтальной, требуется чтобы его
сопротивление излучения /?Изл и входное сопротивление ZBX бы-
ли бы частотно-независимыми. Но реальная форма диффузоров
сложна бывает различной по своим параметрам; особенности ко-
лебательного процесса связаны с материалом диффузора, гиб-
костью его подвески. Поэтому точное и даже приближенное вы-
числение комплексного сопротивления 7Изл и соотношения его
компонент /?изл и ]Х„3л представляет трудности. Для идеализиро-
ванного рассмотрения их зависимости от размеров излучателя и
частотной зависимости прибегают к аналогии между излучатель-
ными свойствами диффузора и поршневого излучателя, что явля-
ется справедливым для области низких частот.
Теоретически диффузор рассматривается как круглый поршень,
колеблющийся либо в открытом пространстве (рис. 3.18,а), либо
в отверстии плоского бесконечного акустического экрана (рис.
3.18,6), в корпусе с открытой (рис. 3.18,в) или с закрытой (рис.
3.18,г) задней стороной. Для оценки соотношений между актив-
ным сопротивлением излучения /?ИЗл и реактивной компонентой
j-Хизл в [3J вычислены безразмерные коэффициенты соответствен-
но Д1И31 и /<2изл в зависимости от относительного размера голов-
ки, в том числе с учетом их работы в открытом пространстве при
использовании некоторых видов акустического оформления
(рис. 3.19). В области низких частот активная составляющая из-
лучения ничтожно мала. Подводимая к катушке головки электри-
ческая мощность затрачивается на нагрев катушки и частично на
создание бесполезных колебаний воздушной среды перед диффу-
зором. При возрастании волнового размера диффузора активная
составляющая излучения будет расти, однако медленнее всего
при работе головки в открытом пространстве (/ на рис. 3.19).
Причиной этого является то, что между излучением звуковых волн
95
6) 5)
Рис. 3.18. Варианты аку-
стического оформления
головки громкоговори-
теля
передней стороной диффузора и оборотной (задней) возникают
интерференционные явления и при огибании головки с противо-
положными фазами они взаимно уничтожаются. При повышении
частоты Л1изл, а следовательно, и отдача излучения будет быстро
нарастать, достигая максимума в области лП/Х^2.
Во втором случае, когда диффузор головки совершает колеба-
ния в отверстии акустического экрана (рис. 3.18,6), интерферен-
ционных встречных волн не будет. Эффективность излучения на-
чинает возрастать с более низких частот и более круто, чем в
предыдущем случае (2 на рис. 3.19).
Головки с акустическим оформлением по типу бесконечного
экрана применяют при озвучении помещений, где их монтируют
изнутри декоративных настенных покрытий. Если же экран име-
ет конечные размеры и его площадь не намного превышает пло-
щать самого диффузора, то зависимость 3 расположится между
зависимостями 1 и 2. Это характерно для громкоговорителя в ви-
де головки, помещенной в открытом ящике (рис. 3.18), который
можно рассматривать как сложенный экран.
Реактивная составляющая /С2изл для описанных случаев не-
сколько изменяет свою форму и расположение для каждого из
рассмотренных случаев, но в основном ее характер сохраняется
(4 на рис. 3.10). Эта зависимость показывает, что в области сред-
них частот при реальных размерах диффузоров громкоговорите-
лей становится максимальной доля мощности излучения, затра-
чиваемая на образование «соколеблющейся» массы воздушной
среды перед поверхностью диффузора. С повышением частоты она
быстро уменьшается, а /С1ИЗл принимает относительно постоянное
максимальное значение.
Рассмотренные особенности излучения позволяют подойти к
анализу частотных характеристик и характеристик направленно-
сти громкоговорителей.
Неблагоприятные условия излучения звука диффузорными
громкоговорителями в области низких частот звукового диапазо-
96
Рис. 3.19. Характеристики излучения
громкоговорителей
Рис. 3.20. Резонансная кривая на низ-
ких частотах звукового диапазона
на стараются компенсировать путем настройки в резонанс в этой
области подвижных элементов головок. Резонансную частоту
(00=1/уСмпг стараются выбрать, особенно для низкочастотных го-
ловок, предельно низкой за счет создания возможной гибкой под-
вески диффузора при ограниченной массе подвижной части, вно-
сящей элемент инерционности. Большое значение имеет и форма
резонансной кривой. Ее левая ветвь определяет граничное значе-
ние и крутизну спада частотной характеристики в области ниж-
них частот. Правой ветви стараются придать такую форму, чтобы
в совокупности с частотными зависимостями 7?Изл, Z.,., ZBX (рис.
3.20) можно было получить горизонтальную форму частотной ха-
рактеристики громкоговорителя по звуковому давлению.
Для расчета такая задача весьма сложна. Практически ее ста-
раются решить в комплексе с резонансными явлениями элемен-
тов акустического оформления. В частности, промышленностью
создаются специальные «компрессионные» головки с очень гиб-
кой подвеской. Они рассчитаны на работу совместно с акустиче-
ским оформлением типа закрытого ящика, внутренний объем ко-
торого используется как элемент гибкости; при надлежащем его
размере можно получить хорошее приближение к требуемой ре-
зультирующей частотной характеристике громкоговорителя.
В средней части звукового диапазона частотные характеристи-
ки громкоговорителей имеют относительно ровную форму, излу-
чение достаточно сильное, существенно возрастает роль индуктив-
ного сопротивления катушки головки. Однако начиная от 1,5 кГц
проявляются поверхностные колебания диффузора. При этих и
более высоких частотах становится недостаточной жесткость ма-
териала диффузоров, в радиальных направлениях возникают пря-
мые и обратные волны, создающие фазовые сдвиги при излуче-
нии. В результате появляются неровности в частотных характери-
стиках, уменьшается эффективная площадь диффузоров. Естест-
венно, что для высокочастотной части диапазона колебательные
7—6697 97
Рис 3 22 Характеристики направ-
ленности громкоговорителей при
лРД, равном 0,25 (/), 2,5 (2), 5 (3)
Рис. 3 21 Внешний вид головки
громкоговорителя
процессы громкоговорителя более сложны и их аналогии с колеба-
ниями упругого поршня не будут строгими.
Одним из методов улучшения однородности излучения аку-
стических волн в области верхних частот является укрепление в
центре диффузора дополнительного коаксиального усеченного ко-
нуса из жесткого картона (рис. 3.21). На низких и средних часто-
тах звукового диапазона оба конуса колеблются как одно целое,
при этом в области средних частот внутренний конус действует
как рассеивающее тело. На верхних частотах эффективно работа-
ет внутренний легкий жесткий конус, а основная часть большого
конуса колеблется с малыми амплитудами. Кроме того, конус
способствует рассеянию локальных колебаний, возникающих на
высоких частотах на различных участках диффузора из-за труд-
ностей получения в этом диапазоне его достаточной жесткости.
Другой возможностью получения хороших частотных харак-
теристик является комплектация громкоговорителей несколькими
головками, предназначенными для звуковоспроизведения опреде-
ленных частотных зон всего диапазона.
Сравнивая диффузорный громкоговоритель с его аналогом —
поршневым излучателем, можно судить и о характеристиках на-
правленности. Громкоговоритель одностороннего действия (голов-
ка с экраном и головка в закрытом ящике) на низких частотах
будет обладать ненаправленной характеристикой. Волны, излу-
98
чаемые вдоль оси громкоговорителя, склады-
ваются в одинаковой фазе и взаимно усили-
ваются. Волны, излучаемые под некоторыми
углами 0 к рабочей оси, складываются с уче-
том различных фаз, так как они излучаются
с разных участков поверхности диффузора и
проходят пути, отличающие на разность хо-
да крайних точек. Однако в области низких
частот разность фаз получается очень малой
и ею можно пренебречь.
Характеристика направленности в этом
случае представляет собой полуокружность
(/ на рис. 3 22). На более высоких частотах,
когда фазовый сдвиг становится сравнимым
с периодом колебаний, характеристика
Рис. 3 23 Схема аку-
стического фазоинвер-
тора
направленности вытягивается в направ-
лении рабочей оси громкоговорителя. Направленность растет в
соответствии с увеличением коэффициента активного сопротивле-
ния ZiH3i излучения. При сопряжении головки громкоговорителя
с экраном, обладающим ограниченным размером, или же голов-
ки, излучающей акустические волны без экрана, приходится учи-
тывать интерференционные явления лицевой и оборотной сторон.
В области высоких частот характеристика направленности
приобретает вид кардиоиды с дополнительными боковыми лепе-
стками, образующимися из-за взаимной интерференции между
волнами, излучаемыми с большими фазовыми сдвигами разными
точками поверхности диффузора. Для снижения интерференцион-
ных явлений и повышения эффективности использования энергии,
излучаемой оборотной стороной диффузора, особенно в области
нижних частот, иногда используют акустическое оформление в
виде фазоинвертора — закрытого ящика с дополнительным отвер-
стием на лицевой панели; к нему примыкает выходня часть аку-
стического лабиринта, например трубы, как на рис. 3.23. Энергия
звуковых колебаний, концентрирующаяся во внутреннем объеме
ящика, через акустический лабиринт передается в сторону пря-
мого излучения, и при надлежащей его длине фаза звуковых ко-
лебаний изменяется на обратную. Таким образом достигается
возможность синфазного сложения прямого и обратного излуче-
ний между собой.
Главным недостатком диффузорных громкоговорителей явля-
ется низкий коэффициент полезного действия — около 3. ..5%.
Это объясняется недостаточной согласованностью между собой
механического сопротивления подвижной системы и акустической
нагрузки среды, а также недостаточно высокой эффективностью
электродинамического преобразования.
Значительными могут быть и нелинейные искажения, обуслов-
ленные несовершенством систем подвески диффузора и неодно-
7*
99
родностью индукции в магнитном зазоре катушки. При колеба-
тельных смещениях катушки, достигающих в области низких ча-
стот нескольких миллиметров, возникает неоднородность воздей-
ствия краевого эффекта магнитного поля в зазоре на катушку,
совершающую там колебания. Для снижения этого эффекта стре-
мятся делать катушку короче высоты зазора, чтобы при движе-
нии она не попадала в зону краевого поля, или, наоборот, намно-
го длиннее, чтобы при ее движении охватывалась лишь часть вит-
ков с усредненным магнитным потоком.
В зависимости от требований, предъявляемых к громкоговори-
телям различного назначения, с помощью справочника можно вы-
брать наиболее подходящую электродинамическую головку [3]
из большого ассортимента, выпускаемого промышленностью.
3.3.3. АКУСТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ
И ШИРОКОПОЛОСНЫЕ ТЕЛЕФОНЫ
Акустические системы (АС) представляют собой совокупность
специально подобранных по частотным и другим свойствам элек-
тродинамических головок громкоговорителей диффузорного типа,
заключенных в общий корпус с определенными акустическими
параметрами. Каждая из головок охватывает определенную зону
звукового диапазона; напряжение питания подается на головки
(или их группы) через разделительные электрические фильтры,
установленные в корпусе АС.
Чаще всего весь диапазон подразделяется на низко-, средне-
и высокочастотный поддиапазоны. Соответственно для воспроиз-
ведения сигналов подбираются низко-, средне- и высокочастотная
головки. Низкочастотная головка по сравнению с другими долж-
на быть более мощной, поскольку чувствительность слухового ап-
парата в этой области понижена. К числу низкочастотных головок,
охватывающих частоты начиная от 30 Гц (до 1 кГц), принадле-
жит, например, головка типа ЗОГД-1 с номинальной мощностью
30 Вт и внешним диаметром 250 мм.
Для воспроизведения средних частот используются более ши-,
рокодиапазонные головки, например 15ГД-11 с диапазоном воспро-
изводимых частот 250.. .5000 Гц и номинальной мощностью 15 Вт
или менее мощные, а в качестве высокочастотной головки — спе-
циальные типы, с меньшим охватом высокочастотного поддиапа-
зона.
При комплектации акустических систем узкодиапазонными спе-
циализированными головками требуется согласование между по-
лосой частот, которую они охватывают, и полосой частот электри-
ческих сигналов, которые следует подавать на каждую головку
системы. В противном случае, если на вход каждой головки будет
поступать более широкополосный сигнал, возможно появление су-
щественных искажений. Для такого согласования применяют элек-
100
Рис. 3.25. Устройство головного элек-
тродинамического телефона
Рис. 3.24. Внешний вид акустической
системы 35АС
трические пассивные фильтры, располагаемые обычно в одном
корпусе с головками. Здесь же размещают регуляторы тембраль-
ной окраски звучания.
Для обеспечения малых нелинейных искажений номинальную
мощность всех громкоговорителей выбирают с большим запасом,
чтобы в реальной обстановке средняя мощность излучения была
меньше указанной, а ее запас использовался при всплесках сиг-
налов на уровне их максимальных значений.
В качестве примера акустической системы, удовлетворяющей
всем требованиям, предъявляемым к системам здвуковоспроизве-
дения «высокой верности» (Hi-Fi), приведем один из широко
распространенных типов (рис. 3.24), предназначенный для высо-
кокачественного воспроизведения звуковых программ в бытовых
комплексах радиоаппаратуры. Номинальная мощность системы
35 Вт, входное электрическое сопротивление 4 Ом, рабочий диа-
пазон частот 31,5 ... 20 000 Гц. Корпус акустической системы
имеет значительные размеры, продиктованные акустическими со-
ображениями. Наружные размеры его 710X360X285 мм при мас-
се 30 кг. Корпус ящика выполнен из дерева, изнутри покрытого
звукопоглощающим материалом. Средне- и высокочастотная го-
ловки находятся в замкнутом отсеке, заполненном звукопоглоща-
ющим материалом для исключения акустического взаимодейст-
101
вия с основным закрытым объемом, в котором расположена тру-
ба фазоинвертора, настроенного на резонансную частоту (30 Гц).
Частотная характеристика звукового давления относительно рав-
номерна. Для изменения тембральной окраски предусмотрены
регуляторы уровней высоко- и среднечастотной компонент зву-
чания.
Наряду с системами бытового назначения создаются системы и для профес-
сиональных целей звукового контроля музыкальных и речевых программ в аппа-
ратных радиодомов и телецентров. Их удобно выполнять в виде агрегатов, со-
держащих, кроме акустической системы, высококачественный усилитель с мощ-
ным выходом и источником питания. Один из подобных агрегатов (АКМ-2) охва-
тывает частотный диапазон 40 ... 18 000 Гц при неравномерности частотной ха-
рактеристики 12 дБ и допустимом уровне нелинейных искажений (коэффициенте
гармоник) Kr^2%.
Кроме перечисленных систем, обеспечивающих высококачественное воспроиз-
ведение в сфере радиовещания и бытового использования, получили признание
широкополосные головные электродинамические телефоны.
Головные телефоны, являющиеся в первых радиоприемниках единственным
средством прослушивания программ звукового вещания, прошли путь серьезного
усовершенствования. Применявшийся ранее принцип электромагнитного преобра-
зования электрических сигналов в акустические колебания уступил место элек-
тродинамическому. Выгодно отличаясь от своего прототипа — электромагнитных
телефонов — по всем параметрам, они представляют совершенное средство инди-
видуального прослушивания профессионального и любительского назначения.
В настоящее время наушное устройство каждой пары головных телефонов пред-
ставляет собой миниатюрный электродинамический диффузорный громкоговори-
тель, заключенный в закрытый (иногда с отверстиями) корпус, прилегающий че-
рез гибкую прокладку к уху (рис. 3.25).
В такой конструкции хорошо выявляются положительные свойства, прису-
щие диффузорным электродинамическим головкам. Диапазон частот, охватывае-
мый типовыми головными телефонами, достигает 20 ... 20 000 Гц при малых
отклонениях от горизонтальной линии частотной характеристики. При неболь-
шой мощности головные телефоны обеспечивают достаточное звуковое давление
для создания у слушателя ощущения высокой громкости п очень широкого ди-
намического диапазона без нелинейных искажений.
Головные телефоны (электродинамические) не заменимы при раздельной
записи фрагментов вещательных программ методом последовательного наложе-
ния, например в виде предварительной записи аккомпанемента, который может
прослушиваться солистом с помощью головных телефонов во время исполнения
своей партии. Для этого можно использовать, в частности, и стереофонические
телефоны серии ТДС, создающие при номинальной мощности порядка 1 мВт зву-
ковое давление р=1 Па при нелинейных искажениях не свыше 1%.
Промышленностью выпускается и малогабаритный стереофонический вари-
ант динамических телефонов ТДС-14 с диаметром головки всего 30 мм для пор-
тативных стереомагнитофонов и др.
3.3.4. ГРОМКОГОВОРИТЕЛИ РАДИООБСЛУЖИВАНИЯ
Наряду с описанными акустическими системами комфортного воспроизведе-
ния существуют и специальные громкоговорители, предназначенные для звуко-
фикации помещений и открытых пространств. Естественно, что в зависимости от
требований к качеству воспроизведения, от акустических параметров озвучивае-
мых пространств могут применяться всевозможные громкоговорители, в том чис-
ле и рассмотренные. Но из специальных громкоговорителей, предназначенных
для этих целей, следует рассмотреть так называемые звуковые колонки, рупор-
ные громкоговорители и радиальные акустические системы — акустические люст-
102
7
Ч)
Рис. 3.26. Головка рупорного громкоговорителя (а) и рупор (б)
ры. Первые из них предназначены в основном для озвучения закрытых помеще-
ний, другие и для открытых пространств. Все они строятся на базе электродина-
мических головок, но отличаются акустическим оформлением.
Звуковые колонки (КЗ) напоминают акустические системы бытовых ком-
плексов тем, что объединяют в одном корпусе несколько (три—шесть) головок
громкоговорителей, подразделяются на речевые и музыкальные. В обоих случаях
их комплектуют одинаковыми головками, однако для речевых передач с более
узкой полосой воспроизводимых частот, чем для музыкальных программ, напри-
мер, колонка 15-КЗ, предназначенная для воспроизведения речевых сигналов в
помещениях, укомплектована четырьмя головками 4ГД-8Е с ДР=125 ...
...7100 Гц, а колонка 25КЗ-12 — музыкальная содержит три головки 10ГД-36с
ДГ=63 ... 16 000 Гц. Внешнее оформление колонки принято согласовывать с
интерьером помещений.
При объединении головок в общий корпус с их линейным расположением
по вертикали как бы увеличивается размер излучателя. Это способствует уве-
личению угла охвата по горизонтали в озвучиваемом помещении.
Рупорные громкоговорители обладают резко выраженными направленными
свойствами благодаря повышению осевой концентрации излучаемых звуковых
волн Головка по конструкции (рис. 3.26,а) существенно отличается от головки
диффузорного громкоговорителя, хотя по принципу действия аналогична ей. Ка-
тушка 1, совершающая колебания в зазоре 2 магнитной системы 3, скреплена с
упругой диафрагмой 4 из тонкого металла и представляет собой подвижную
часть массой т. Диафрагма соединена с корпусом гибкой подвеской и может
рассматриваться как поршень, колеблющийся в возду шной среде подобно диффу-
зору. Перед диафрагмой располагается рассеиватель энергии 6 и узкое входное
отверстие рупора 7, в которое направляются излучаемые диафрагмой звуковые
волны. Объем между входным отверстием и диафрагмой образует предрупор-
ную камеру — воздушный объем гибкостью См, в котором концентрируется по-
вышенное звуковое давление. Поскольку площадь диафрагмы выбирается боль-
шей сечения отверстия, то предрупорную камеру можно рассматривать и как
механический аналог трансформатора.
Рупорные громкоговорители делают и широкогорлыми, без предрупорной ка-
меры. Тогда размеры диффузорной диафрагмы увеличиваются. Рупор связывает
механическую колебательную систему с внешней средой, обеспечивая нужную
осевую концентрацию звуковой энергии, а также согласование нагрузки выход-
ного сопротивления внешней среды в плоскости Sj с входным сопротивлением,
приведенным к входному отверстию So (рис. 3.26,6). Наиболее распространены
рупоры, площадь сечения которых изменяется в направлении рабочей оси по
103
Рис. 3.27. Громкоговоритель со
сложенным рупором
экспоненциальному закону: S=S0 exp (6х), где So — площадь входного отверстия;
6 — показатель расширения рупора; х — расстояние от входного отверстия в на-
правлении оси симметрии.
Для эффективного излучения звуковых волн с помощью рупора требуются
определенные соотношения размеров. Несогласованность волнового сопротивления
рупора как звукопровода с сопротивлением среды приводит к отражению звуко-
вых волн от выходного отверстия в обратном направлении за счет снижения из-
лучения в пространство. Со снижением частоты воспроизводимого сигнала это
явление усиливается, и при определенных длине рупора и размерах выходного
отверстия возникает предельная (критическая) частота, ниже которой рупор
отдавать энергию в пространство не будет. В этом случае активная составляю-
щая излучения рупора снизится до нуля п звуковая энергия низкочастотных ко-
лебаний вместо того, чтобы излучаться в пространство, будет в виде свободных
колебаний направляться к входному отверстию.
Попытка уменьшить внешние габариты рупора при сохранении предельно
низкой частоты воспроизведения привела к конструкции громкоговорителя со
«сложенным» рупором (рис. 3 27). Для этого внутри вмонтирован встречный от-
ражающий звук усеченный конус сложной конфигурации, так что звуковая вол-
на, покинув входное отверстие рупора, проходит дополнительный путь через свое-
образный отражающий звуковые волны коаксиальный лабиринт.
Промежуточное положение между акустическими колонками и рупорными
громкоговорителями занимают радиальные громкоговорители, называемые также
звуковыми люстрами, что соответствует их конструкции. На каркасе в виде усе-
ченного конуса (рис 3 28) укрепляется несколько (обычно пять) динамических
диффузорных громкоговорителей так, чтобы диффузоры были обращены вниз под
некоторым углом к металлическому обтекателю, который придает такой системе
определенную направленность, необходимую для создания на озвучаемой поверх-
ности равномерного распределения звуковой энергии. Звуковые люстры разме-
щают обычно на высоких столбах.
3.3.5. НЕТРАДИЦИОННЫЕ ГРОМКОГОВОРИТЕЛИ
Среди нетрадиционных громкоговорителей необходимо выделить так назы-
ваемые пзодинамические излучатели (рис. 3 29). В качестве излучающего элемен-
та здесь использована тонкая диэлектрическая мембрана 1, на нее методом на-
пыления нанесен проводник 2 в форме прямоугольной плоской спирали. Мембра-
104
Рис. 3 29. Схемы изодинамическо-
го (а) и электростатического (б)
громкоговорителей
на расположена в зазоре между системой параллельных магнитов 3. Такие излу-
чатели применяются в АС высшей группы сложности. Например, отечественный
изодинамический громкоговоритель типа 10ГИ-1 имеет параметры- диапазон вос-
производимых частот 2,0 ... 30 кГц, чувствительность 87 дБ, номинальная мощ-
ность 10 Вт, габаритные размеры 105X120X35 мм
Все чаще начинают применять громкоговорители нединамических типов:
электростатические, пьезопленочные, пьезокерамические, плазменные и т. д. Среди
этого класса излучателей наиболее распространены электростатические, принцип
дейтвия которых поясняет рис. 3.29,6. Излучающим элементом в них является
мембрана 1 — тонкая металлизированная лавсановая пленки толщиной 8 ...
10 мкм, помещенная между двумя перфорированными электродами 2. Они вы-
полнены из диэлектрика, на который методом напыления нанесен металлический
слой. Между мембраной и электродами приложено высокое поляризующее
напряжение 4 Напряжение звуковой частоты подается через повышающий
трансформатор 3. Примером такого громкоговорителя является система АСЭ-2 с
параметрами: диапазон воспроизводимых частот 45 ... 30 000 Гц, номинальное
среднее звуковое давление 1,2 Па, номинальное входное напряжение 8 В. Каче-
ство звучания очень высокое, оно отличается чистотой и прозрачностью.
Нашли применение акустические системы, в которых для воспроизведения
низких частот используются электродинамические головки, а для средних и вы-
соких частот — раздельные электростатические блоки В подобном сочетании они
получили название диностатических систем, например 35АСДС. Роль высокоча-
стотных головок могут выполнять и пьезоэлектрические излучатели.
Все же следует добавить, что в массовых моделях АС нетрадиционные из-
лучатели редко применяются, пока они входят в состав высококачественных АС
категории Hi-Fi.
Контрольные вопросы
1. В чем польза метода электромеханических аналогий при рассмотрении
электроакустических преобразователей?
2. Какова роль взаимосвязи параметров механических и электрических коле-
бательных цепей электроакустических преобразователей во взаимной коррекции па<
раметров, формы характеристик?
3 Каково основание для сопоставления механической колебательной систе-
мы, элементы которой соединены параллельно — в «узел» с последовательным
электрическим контуром?
105
4. Какую форму и размеры следует прилагать вещательным микрофонам?
5. По каким внешним признакам можно отличить микрофон — приемник зву-
кового давления от микрофонов — приемников градиентов звукового давления?
6. Каковы достоинства и недостатки электродинамических катушечных ми-
крофонов?
7, По какой причине рекомендуется предварительно усиливать сигнал кон-
денсаторного микрофона непосредственно в его корпусе?
8. В чем заключается принцип устройства радиомикрофона?
9. Каковы требования к частоте резонанса подвижной системы головки диф-
фузорного громкоговорителя в области низких частот?
10. В чем причина низкого КПД диффузорных головок громкоговорителей?
11. Какие нежелательные явления вызывает перегрузка громкоговорителей
по мощности?
12. Чем объясняются трудности получения горизонтальной АЧХ громкогово-
рителей в области низких и высоких частот звукового диапазона?
13. Каковы достоинства и недостатки рупорных громкоговорителей, их на-
значение?
Глава 4. АКУСТИКА СТУДИЙ ЗВУКОВОГО
И ТЕЛЕВИЗИОННОГО ВЕЩАНИЯ
4.1. КЛАССИФИКАЦИЯ, ОБЪЕМ И
ФОРМА СТУДИЙ
Важнейшей составной частью аппаратно-студийного блока (АСБ)
является студия — помещение, специально предназначенное для
исполнения речевых и музыкальных фрагментов вещательных
программ. Студия — это головное звено системы звукового и теле-
визионного вещания. Студии для исполнения вещательных прог-
рамм разных жанров должны обладать неодинаковыми акусти-
ческими свойствами. Только в этом случае может быть достигну-
то максимально возможное с точки зрения слухового восприятия
качество звучания, разумеется, при неизменной структуре самой
звуковой системы.
Основные типы радиовещательных и телевизионных студий
приведены в табл. 4.1.
Формы крупных радиовещательных и телевизионных музы-
кальных студий столь же разнообразны, как и формы больших
концертных залов, выбираются из архитектурно-строительных
соображений, удобства размещения оркестрантов на сцене (иг-
ровой площадке). Эти студии имеют, как правило, места для
слушателей.
Студии средних и малых размеров чаще всего имеют форму
параллелепипеда, стороны которого — длина /, ширина Ь, высота
h — находятся в соотношении так называемого «золотого сечения»
l/b=b/h при l=b-}-h (4.1)
106
Таблица 4.1
Наименование студии (помещения) Назначение Оптимальное число испол- нителей Оптималь- ный объем, м3 Площадь пола» м1
Большая музыкаль- ная Музыкальные передачи круп- ных форм (классическая му- зыка в исполнении больших симфонических оркестров, хо- ровое пение и т. п.) 250 12 000 1000
Средняя музыкаль- ная Для симфонической музыки в исполнении средних по чис- лу исполнителей оркестров 45 4000 400
Для эстрадной и джазовой музыки 35 4000 400
Малая музыкальная (камерная) Для исполнения камерной му- зыки, для солистов-вокали- стов, музыкальных передач малых форм 10 900 150
Литературно-драма- тическая Для передачи радиоспектак- лей, художественного чтения и т. п. 10 500 100
Заглушенная Для специальных эффектов при литературно-драматиче- ских записях — 200 50
Речевая Передача информационного текста 1...2 100 25. .35
Аппаратные Перезапись фонограмм, за- пись фрагментов программ для консервации 1. ..2 90...140 25. .40
Комната «Эхо» Для создания эффектов ис- кусственной реверберации, из- менения объемности, гулко- сти и тембральной окраски звучания 200 50
Комната прослуши- вания Проведение экспертиз — 130 35
Большая телевизи- онная Музыкальные, драматические передачи крупных форм с большим числом сценических площадок н сложным оформ- лением 7500 600
Средняя телевизи- онная Музыкальные, драматические передачи средних форм с ря- дом игровых площадок, раз- нообразными декорациями 2500 300
Малая телевизион- ная Музыкальные, драматические передачи малых форм с ма- лым числом (1—2) сцениче- ских площадок с несложным декорационным оборудовани- ем; передачи общественно-по- литические, научно-познава- 900 150
107
Продолжение таб/i. 4.1
Наименование студии
(помещения)
Назначение
Оптималь-
ный объем»
м3
Площадь
пола» м*
Дикторская про-
граммная
Дикторская кабина
телекомментатора
тельные, литературные, демон-
страция экспонатов, моделей
и т. п.
Показ дикторов или выступа- 1...2 300
ющих (средний и крупный
планы)
Информационные передачи 1...2 30...45
(без показа диктора)
60...80
12...15
Учитывая, что объем студии V=lbh, получаем:
/г = 0,62/У; Ь = уУ; /=1,62^. (4.2)
Наиболее важен правильный выбор высоты студии h. Зависи-
мость /i=0,62yzV хорошо совпадает с данными нормативных
документов, которые составлены на основании длительной экс-
плуатации студий. В больших музыкальных студиях допускается
уменьшать высоту h на 10 ... 20% по сравнению с размером, по-
лучаемым из (4.2). Даже в самых крупных студиях (V> 10 000 м3)
высота не должна превышать 14 м. Размещаемые над оркестром
звукорассеивающие конструкции следует подвешивать на высоте
6 ... 8 м. В студиях небольшого объема выражение (4.2) приво-
дит к недопустимо малой высоте, которая в любом случае не
должна быть менее 3 м.
Объем студии V находится в прямой зависимости от макси-
мального числа исполнителей. Удельный объем, приходящийся на
одного оркестранта, должен быть не менее 10...18 м3, а на одного
слушателя — не менее 10 м3. Площадь пола студии, приходящаяся
на одного исполнителя, должна быть не менее 1,8... 3 м2.
Скученное расположение оркестра дезориентирует музыкантов,
затрудняя исполнение и повышая психологическую нагрузку, что
приводит к быстрой их утомляемости, к потере контроля над ка-
чеством исполнения.
В малых помещениях (V<_ 150 м3, дикторские речевые студии,
комнаты прослушивания, аппаратные) площадь пола должна быть
не менее 25 м2. При этом спектр собственных частот малых поме-
щений должен быть по возможности равномерным.
108
Кроме микрофонов, в студии находятся реквизит для исполни-
телей, крупногабаритные музыкальные инструменты (например,
рояль), стационарные музыкальные инструменты (орган), табло с
надписью «Микрофон включен», устройство для телевизионной и
громкоговорящей связи с аппаратной. В телевизионных студиях
дополнительно оборудуют сценические площадки с декорациями,
здесь же расположены передающие телевизионные камеры и ос-
ветительная аппаратура.
4.2. РАСПРОСТРАНЕНИЕ ЗВУКОВЫХ ВОЛН
В ПОМЕЩЕНИИ
4.2.1. ВОЛНОВОЙ И СТАТИСТИЧЕСКИЙ МЕТОДЫ
АНАЛИЗА СТРУКТУРЫ ЗВУКОВОГО ПОЛЯ
В ПОМЕЩЕНИИ
Студия представляет собой замкнутый воздушный объем. Яв-
ляясь колебательной системой с распределенными параметрами,
он существенно влияет на временную структуру сигнала источни-
ка звука, ощутимо изменяя окраску звучания. Известно, что речь
звучит различно в большом пустом помещении и в жилой комнате.
Звучание оркестра на открытом воздухе гораздо беднее в темб-
ральном отношении, чем в помещении с хорошими акустическими
свойствами.
Воздух, заполняющий помещение, имеет определенную упру-
гость и массу, оказывает сопротивление распространяющейся в
нем звуковой волне. С позиции волновой теории воздушный объ-
ем закрытого помещения рассматривается как сложная многоре-
зонансная колебательная система с распределенными параметра-
ми. При воздействии сигнала, излучаемого источником звука, в
воздушном объеме помещения возбуждаются собственные колеба-
ния. Спектр собственных частот достаточно просто рассчитать
лишь для помещений простых геометрических форм. Например,
для помещений прямоугольной формы (с идеально жесткими от-
ражающими поверхностями) длиной /, шириной b и высотой h соб-
ственные частоты
где g, q, г — целые числа, каждой тройке их соответствует одна из
собственных частот помещения. Заметим, что значения g, q, г оп-
ределяют число стоячих волн, возникающих в помещении в на-
правлениях I, b и h.
В помещениях малого объема (-jZV<2, где Я — длина волны воз-
буждающего колебания) спектр собственных частот имеет ди-
109
Рис. 4.1. Спектр собственных частот (о) н гистограмма распределения их числг
(б) прн 1=10 м, 6=6 м, Л=4 м
скретную структуру (рис. 4.1,а, где цифрами сверху здесь показа-
ны повторяющиеся частоты). Вследствие этого отдельные частот-
ные составляющие спектра возбуждающего колебания усиливают-
ся (подчеркиваются), что сопровождается искажением тембра
звучания. Частоте 85 Гц соответствуют тройки чисел g, q и г, со-
ответственно равные 4, 1, 5; 5, 0, 0; 0, 3, 0 и 0, 0, 2. Как видно из
рис. 4.1,а, лишь в области нижних частот (даже для помещений
такого небольшого объема) можно говорить о дискретной струк-
туре спектра собственных частот. С повышением частоты этот
спектр уплотняется. Важной характеристикой звукового поля ма-
лых помещений является плотность спектра собственных частот—
число Дп в наперед заданном частотном интервале ДЕ (рис. 4.1,6):
Дл (4itV/?o-ДГ)/СзВ, (4.4)
где Fo — средняя частота выделенного частотного интервала ДГ;
с3в — скорость звука. Если выполняется условие то
плотность спектра собственных частот помещения настолько вы-
сока, что частота возбуждающего колебания практически не отли-
чается от частоты собственного колебания. Поэтому усиления от-
дельных компонент спектра сигнала за счет резонансов воздуш-
ного объема помещения не происходит.
Система с распределенными параметрами обладает конечны-
ми значениями добротности. Поэтому собственное колебание (или
их совокупность), являясь откликом помещения на возбуждение,
не может затухнуть мгновенно. Отклик (отзвук) проявляется на
любой частоте возбуждающего колебания. Более того, как это
следует из волновой теории акустики помещений, процессу зату-
110
хания отзвука свойственны флуктуации, обусловленные интерфе-
ренционными явлениями. Иными словами, каждый элемент (от-
резок) временной структуры сигнала возбуждает постепенно за-
тухающий отзвук. Совокупность отзвуков образует своего рода
звуковой фон, на котором слушатель должен воспринимать все но-
вые и новые элементы быстро изменяющейся временной структу-
ры сигнала. Этот фон, являясь многократным повторением каж-
дого отрезка сигнала, увеличивает время его слухового восприя-
тия и характеризует собственно помещение, где происходит
исполнение программы. Оба фактора — структура спектра собст-
венных частот и быстрота затухания отзвука помещения — по-раз-
ному влияют на слуховое восприятие.
В тех случаях, когда объем помещения достаточно велик
а это условие обычно выполняется на практике) и
можно не считаться с дискретностью спектра собственных частот,
к анализу временной структуры звукового поля можно подойти
с позиций геометрической акустики. Поле в каждой точке помеще-
ния можно рассматривать как результат интерференции прямой
звуковой волны, поступающей от исполнителя по кратчайшему пу-
ти (прямой звук), и значительного числа отраженных звуковых
волн (отзвуков), претерпевших разное число отражений от по-
верхностей помещения. Совокупность этих отраженных звуков об-
разует реверберационный процесс студии, существенно изменяю-
щий окраску звучания.
4.2.2. ПОГЛОЩЕНИЕ ЗВУКОВОЙ ЭНЕРГИИ
В ПОМЕЩЕНИИ
Падая на поверхность (рис. 4.2), звуковая волна частично от-
ражается от нее, частично поглощается материалом поверхности
(переходя в тепловую энергию), частично может пройти в сосед-
нее помещение.
Процессы преломления звуковой волны в поверхности подчиня-
ются законам геометрической акустики. При этом энергия, остав-
шаяся в помещении после отражения звуковой волны, характери-
зуется коэффициентом отражения 0, энергия, теряемая в помеще-
нии после отражения,— коэффициентом звукопоглощения а, энер-
гия звуковой волны, прошедшая сквозь поверхность,— коэффици-
ентом звукопроводности у:
^ПОГЛ . Еотр ' Епр
а = ~Ё ’ = "Ё ’ = ~Е
^пад ^пад ^пад
где Епад — энергия звука, падающего на поверхность; Еотр — энер-
гия звука, отраженного от поверхности; ЕПР — энергия звуковой
волны, прошедшей сквозь поверхность в соседнее помещение;
Епогл — энергия звуковой волны, теряемая в помещении при отра-
111
Рис. 4.2. Диаграмма, пояс-
жении. Очевидно, что а+р==1, так как
Епогл+ЕОтр=Епад. Значения коэффициен-
тов а, р и у зависят от материала и кон-
структивных особенностей поверхности,
от частоты и угла ср, падения звуковой
волны.
Значения коэффициентов звукопогло-
щения а, проводимые в справочниках,
получены в диффузном звуковом поле,
которое характеризуется равновероят-
няющая процессы преломле- ным распространением звуковых волн в
ния звуковой волны каждом направлении, равенством значе-
ний звуковой энергии, распространяю-
щейся в каждом направлении, одинаковым значением суммарной
звуковой энергии в каждой точке объема помещения. В этом
случае коэффициент звукопоглощения является средним значени-
ем совокупности его возможных значений
а= (?»)]/« (4-6)
где а((ф;)—коэффициент звукопоглощения при угле падения зву-
ковой ВОЛНЫ фц
Поверхности пустого помещения, обработанные разными мате-
риалами с коэффициентами звукопоглощения аь аг, ап при пло-
щади каждого из них, соответственно равной Si, S2,..., Sn, обра-
зуют общий фонд звукопоглощения
/lo==::otiSi-4“|CC2S2’4“ ••• -4“Ctn5n—(4'7)
Здесь Si4-S2+ ... +Sn=S — суммарная площадь всех поверхно-
стей помещения.
Дополнительный фонд звукопоглощения помещения образуют .
люди, предметы обстановки (в отношении которых трудно оце-
нить занимаемую ими площадь). Если известны общее число еди-
ниц звукопоглощения для каждого такого объекта (Аь А2,...,Ал)
и их количество в помещении Ль, то дополнительный фонд звуко- .
поглощения равен 2АйЛй.
Экспериментальные оценки акустических параметров студий и
залов многоцелевого назначения показали, что, кроме основного
и дополнительного фондов звукопоглощения, необходимо учиты-
вать и так называемый добавочный фонд звукопоглощения АдОб=
= адоб5, где аДОб— коэффициент добавочного звукопоглощения,
учитывающий проникновение звуковых волн в различные щели и
отверстия помещения, колебания разнообразных гибких элемен-
тов, поглощение звука осветительной арматурой и т. п. Значения
аДОб зависят от частоты (табл. 4.2).
Заметим, что если не учитывается добавочный фонд звукопо-
глощения при проектировании студий, то они часто оказываются
112
Таблица 4.2
Наименование студни Коэффициент добавочного звуко- поглощения на частотах» Гц
125 250 500...2000
Средняя музыкальная, малая музыкальная, ка- 0,075 0,06 0,03
мерная студии Большая музыкальная студия 0,09 0,075 0,04
переглушенными в низкочастотной области спектра.
Общее звукопоглощение в помещении
Л = 2ап5„ + 2ЛЛ^ + аДОб5, (4.8)
где А, Ап, Ал, аДОб5 выражены в единицах звукопоглощения. Под
единицей звукопоглощения понимается поглощательная способ-
ность 1 м2 условного материала, имеющего а=1 ((3 = 0), т. е. пол-
ностью поглощающего падающую на эту поверхность звуковую
энергию.
Среднее значение коэффициента звукопоглощения а для за-
полненного помещения (4.8)
а= (A/S) (4.9)
соответствует условному материалу, которым можно было бы об-
работать поверхности помещения, обеспечив поглощение звуковой
энергии, свойственное данному конкретному помещению, поверх-
ности которого обработаны разнородными материалами. Иными
словами, среднее значение коэффициента звукопоглощения пред-
ставляет собой величину, учитывающую разнообразие углов па-
дения звуковых волн на отражающую поверхность, различие по-
глощающих свойств материалов, которыми обработаны поверхно-
сти помещения, наличие в последнем звукопоглощающих пред-
метов.
4.2.3. СРЕДНЯЯ ДЛИНА И СРЕДНЕЕ ВРЕМЯ ПРОБЕГА
ЗВУКОВОЙ ВОЛНЫ
Путь звуковой волны (рис. 4.3,а), многократно отразившейся
от поверхности помещения, можно представить в виде ломаной
линии, составленной из отрезков /ь 12,1т. Длина каждого тако-
го отрезка соответствует свободному пути, пройденному между
двумя соседними отражениями.
Если значения Ц, /2, •••, 1т известны, то среднюю длину свобод-
ного пробега звуковой волны можно найти как
т
(4.Ю)
8—6697 113
Рис 4 3. Распространение зву-
ковой волны в помещении
Очевидно, что длины отрезков /ь зависят от формы и раз-
меров помещения, от местоположения источника звука 1 и микро-
фона М. Вычисление /ср по формуле (4.10) встречает ряд трудно-
стей. Во избежание их предположим, что звуковая волна распро-
страняется между парой параллельно расположенных поверхно-
стей прямоугольного помещения (рис. 4.3,6). Длина свободного
пробега звуковой волны, многократно отражающейся от пары
взаимно параллельных поверхностей помещения, пропорциональна
расстоянию между ними (/, h или Ь) и определяется одним из ра-
венств
l2=k2h-, l3=k3b. (4.11)
Число отражений звуковой волны от каждой пары таких взаимно
параллельных поверхностей в единицу времени соответственно
равно:
где Сзв — скорость звука.
Величину /СР можно найти как отношение пути, пройденного
звуковой волной в единицу времени (сзв), к общему числу отра-
жений за это время («1+«2+»з) от всех поверхностей помещения:
/ср=сзв/(/г1+л2+пз)- Расчеты показывают, что для помещений
разных объемов коэффициенты kj, k2, k3 мало отличаются друг от
друга и близки к 2. С учетом этого
lcp^4V/S. (4.13)
Из (4.13) следует, что наибольшая длина среднего пробега
звуковой волны будет свойственна шару, который, как известно,
имеет наибольший объем V при наименьшей площади S, ограни-
чивающей это тело поверхности. При V=const для тел любой дру-
гой формы, включая и параллелепипед, /ср будет меньше.
114
Среднее время свободного пробега звуковой волны
/ср=/ср/Сзв = 4У/(сзВ5). (4.14)
Среднее число отражений звуковой волны от поверхностей по-
мещения в единицу времени
пСр=1Лср=Сзв5/4У. (4.15)
4.3. ВРЕМЕННАЯ СТРУКТУРА
РЕВЕРБЕРАЦИОННОГО ПРОЦЕССА
В ПОМЕЩЕНИИ, ЕГО СЛУХОВОЕ
ВОСПРИЯТИЕ
На микрофон, установленный в помещении, воздействуют зву-
ковые волны, приходящие от источника звука кратчайшим путем
(прямой звук), и большое число волн, отраженных от поверхно-
стей этого помещения (отзвуки). Последние образуют ревербера-
ционный процесс помещения и отличаются от прямого звука уров-
нем, спектральным составом, временем и направлением прихода.
Пространственность реверберационного процесса является важ-
нейшей его особенностью, существенно улучшающей восприятие
всех его временных и частотных изменений благодаря присущей
слуху избирательной способности по направлению.
Аналитически реверберирующий сигнал s(t) можно предста-
вить в виде
п
(4.16а)
<=о
где а, и т,— соответственно амплитуда и время запаздывания t-ro
отзвука (для сигнала прямого звука i=0); x(t)—временная
функция сигнала, излучаемого источником звуковых колебаний.
Типичная картина реверберационного процесса для помещения
любой формы изображена на рис. 4.4,а. По оси ординат отложены
уровни сигналов прямого звука и отзвуков, по оси абсцисс — вре-
мя их поступления в точку приема звука. В начальной стадии вре-
менная структура реверберационного процесса дискретна; однако
с увеличением времени запаздывания отраженных сигналов их
количество возрастает, а временные интервалы между ними
уменьшаются. Уровень отзвуков с течением времени постепенно
уменьшается, причем в реальных помещениях этот процесс имеет
флуктуационный характер. Этот начальный участок ревербераци-
онного процесса несет информацию о геометрических размерах по-
мещения, его объеме. Завершающий участок реверберационного
процесса характеризуется поступлением в каждый момент време-
ни достаточно большого числа отраженных сигналов. Он опреде-
ляет свойственную помещению гулкость звучания.
8* 115
Влияние помещения достаточно полно характеризуется его им-
пульсным откликом
п
^о(х) = 2аг^(хг —х)5(х —xi)- (4.166)
1=0
где а, и Xi — соответственно амплитуда и время запаздывания сиг-
нала i-ro отзвука; х— текущее время реверберационного процес-
са; 6(т—Xi) —дельта-функция, а
, 0 При Т т.
— весовая функция, учитывающая «память» слуха; Т — постоян-
ная времени слуха, характеризующая интервал времени, в течение
которого слуховое ощущение уровня громкости уменьшится на
8... 10 фон, считая с момента выключения источника звука. По не-
которым данным Т= 150 ...200 мс. Наглядное представление о вре-
менной структуре импульсного отклика помещения йо(т) дает его
кратковременная корреляционная функция
п п
в0Ь)= S — Wi- t)S(x—Дх1./) при т;<х и т/О-
1=0 1=0
(4.16г)
Здесь at и а, — амплитуды i-ro и /-го отзвуков; xt и т/— их време-
на запаздывания; х — текущее время реверберационного процесса;
Л(т,-—т) и Л(т/—т)—весовые функции (4.16в), характеризующие
«память» слуха; б(т—Ат,-,/)—дельта-функция, где Дт,,/=т;—т,-.
Кратковременная функция корреляции Во(т) (рис. 4.5) им-
пульсного отклика помещения содержит множество энергетиче-
ских пиков, отличающихся как по уровню, так и по расположению
их на временной оси х. Все это позволяет рассматривать ревербе-
рационный процесс как совокупность (сумму) апериодических от-
ражений и групп периодических отзвуков (см. рис. 4.4,6), каждая
из которых имеет различный период следования Т, и неодинако-
вое расположение на оси т. Отзвуки, приходящие апериодически,
образуют так называемый реверберационный фон (плавно спа-
дающий по уровню) и воспринимаются слитно.
Энергетические пики кратковременной функции корреляции об-
разуют (при слуховом восприятии реверберационного процесса)
отзвуки высокого уровня, несущие информацию об акустических
свойствах помещения. Причем, если разница по времени поступ-
ления к слушателю соседних пиков корреляционной функции
(рис. 4.5) Ati,2, Дт2,з, ...,Дт,-,/ меньше порогового значения ДтПОр, то
эти отзвуки высокого уровня воспринимаются слитно. При ДТ|,/>-
.>Д-Гпор они воспринимаются раздельно. В реальных условиях это
116
Рис. 4.4. Временная структура ре-
верберационного процесса поме-
щения
раметры слуха
Рис. 4.5. Кратковременная фун-
кция корреляции реверберирующе-
го сигнала
условие выполняется достаточно
часто. Отсюда следует, что при
окончательной обработке ревербе-
рирующего сигнала в высших нерв-
ных центрах, т. е. при его превра-
щении в ощущения, образуется ряд
раздельно воспринимаемых звуко-
вых образов. Об этом свидетельст-
вует и тот факт, что временные па-
(150. ..200; 20.. .25; 2 мс), зависящие от того, о
чем идет речь: об интегрировании слухового ощущения, о разли-
чении двух сигналов, о маскировке, существенно меньше длитель-
ности реверберационного процесса помещения (0,8.. .2,0 с).
При стереофонической звукопередаче реверберационные про-
должения сигналов стереопары различны. Вследствие экранирую-
щего действия головы слушателя (вызывающего значительное
ослабление обходных сигналов, поступающих от левого громкого-
ворителя на правое ухо и наоборот) это различие в значительной
степени сохраняется и для сигналов, воздействующих на уши слу-
шателя. Все это приводит к тому, что интенсивностный разбаланс
ANT реверберирующих сигналов стереопары непрерывно меняется
(и в широких пределах) как по значению, так и по знаку с измене-
нием текущего времени т реверберационного процесса в первич-
ном помещении (рис. 4.6,а), где значения т соответствуют момен-
там прихода сигналов отдельных отзвуков дискретного участка ре-
верберационного процесса сигналов стереопары. Для этого рас-
пределения ANT характерна зависимость изменения локализации
звуковых образов, формируемых при воспроизведении ревербера-
ционных продолжений сигналов стереопары (рис. 4.6,6). Здесь по
оси ординат отложено смещение х кажущегося источника звука,
выраженное в долях половины базы Z/2, по оси абсцисс — текущее
117
Рис. 4.7. Коррелограммы ревербери-
рующих сигналов при двухканальной
звукопередаче
Рис. 4.6. Изменение разности уровней
реверберирующих сигналов стереопа-
ры (а) и формальная картина смеще-
ния кажущегося источника звука, со-
ответствующая этому распределе-
нию (б)
время т реверберационного процесса. Более точные результаты
дает анализ кратковременных функций корреляции ревербера-
ционных продолжений сигналов стереопары. Такие коррелограм-
мы (рис. 4.7) отличаются расположением энергетических пиков и
их амплитудой. Это приводит к тому, что вторичные кажущиеся
источники звука (КИЗ), образуемые при стереофоническом вос-
произведении реверберационного процесса, свойственного первич-
ному помещению, локализуются слушателем в различных точках
на линии базы стереосистемы и воспринимаются раздельно, если
выполняются условия
Дт/<^Д/Гпор и Дтпор, (4.17)
где Дт, — временной сдвиг между соседними энергетическими пи-
ками для левого и правого каналов стереопары; Дтщ— временной
сдвиг между соседними энергетическими пиками кратковременной
118
функции корреляции каждого из реверберационных продолжений;
Дтпор — пороговое значение временного сдвига сигналов стереопа-
ры, соответствующее «разрыву» КИЗ. Иначе говоря, при стерео-
воспроизведении благодаря особенностям бинаурального слуха
частично восстанавливается пространственность прихода отзвуков,
свойственная первичному помещению, и вследствие пространст-
венной демаскировки улучшаются условия для их восприятия.
При монофонической передаче все отзвуки, составляющие ре-
верберационный процесс в первичном помещении (радиовеща-
тельной студии), воспринимаются слушателем в помещении про-
слушивания как исходящие из одного направления (громкогово-
рителя). Они в значительной степени маскируются сигналом пря-
мого звука (который имеет наибольший уровень и поступает пер-
вым), что затрудняет выделение отзвуков и тем самым слуховую
оценку акустических свойств первичного помещения.
4.4. НЕСТАЦИОНАРНЫЕ АКУСТИЧЕСКИЕ
ПРОЦЕССЫ В ПОМЕЩЕНИИ
Представление о диффузном звуковом поле и связанная с ним
возможность использования средних значений а, /ср и лср позволя-
ет достаточно просто получить выражения, описывающие процес-
сы нарастания звуковой энергии в помещении после включения
источника звука и ее постепенного поглощения после выключения
источника. Заметим, что универсальной энергетической характери-
стикой звукового поля является плотность звуковой энергии е=
= Е/У или е=/3в/Сзв, где Е и 1ЗВ — соответственно энергия и ин-
тенсивность звуковой волны (падающей или стоячей, если речь
идет о закрытом помещении); V и сзв — объем помещения и ско-
рость распространения звуковой волны. 4
4 4.1. ПРОЦЕСС НАРАСТАНИЯ ЗВУКОВОЙ ЭНЕРГИИ
В ПОМЕЩЕНИИ
Предположим, что в момент времени £=0 в помещении начал
работать источник звука с акустической мощностью Р3. Пусть
поглощение энергии в помещении, являющееся следствием отра-
жения звуковых волн от его поверхности, происходит через интер-
валы времени /ср— среднее время свободного пробега звуковой
волны). За это время источник звука отдаст в помещение энергию
ЕЦср) =Patcp- В момент времени t=tcp произойдет акт поглоще-
ния части энергии поверхностями помещения и останется лишь
часть ее РаАрР- К моменту времени t=2tcp к оставшейся части
энергии добавится энергия, излученная источником звука за ин-
тервал времени от t=tcp до t=2tcp, т. е. опять-таки Pptcp, и энер-
гия, запасенная в помещении:
Е (2/ср) = 7Эа^срР-|-^:>а^ср — /"^cp (14“Р) •
119
Продолжая рассуждать аналогичным образом, нетрудно убе-
диться в том, что в момент времени /=пг'ср в помещении, очевид-
но, будет запасена энергия
Е («Q = Patcp (1 + р + ₽’ + ... + р"-) =
= Р/Ср (1 + (1 - а) + (1 - + - + (1 - «)"-) =
= Л/срП ~(1 -«)”]/«• (4-18)
Если принять во внимание, что п= (t/tcP) = 4W/(c3BS) и, кро-
ме того, справедливо тождество (1—а)’1 = ехр[л1п(1—а)], то
(4.18) можно легко преобразовать к виду
<4J9>
Учитывая, что универсальной энергетической характеристикой зву-
кового поля в помещении является плотность звуковой энергии,
окончательно запишем
е (Г) = Г1 _ ехр ( Сзв-51п(1~а) И] (4.20)
V c3BaS [ k 4V /\
Напомним, что aS = A — общее поглощение звуковой энергии в
помещении. Коэффициент звукопоглощения а<1; поэтому In(1 —
—а)<0, показатель степени имеет отрицательный знак и при
/->оо второй сомножитель стремится к нулю. Поэтому в устано-
вившемся режиме имеем
8o=4Pa/(c3BaS). (4.21)
Величина ео называется установившейся плотностью звуковой
энергии в помещении. В установившемся режиме мощность, погло-
щаемая поверхностями помещения, равна мощности, излучаемой
источником звука. Иначе говоря, процесс нарастания звуковой
энергии в помещении происходит до тех пор, пока энергия, соот-
ветствующая наиболее запаздывающим повторениям (отзвукам),
не снизится до пренебрежимо малого значения.
Заметим, что если а 0,2, то справедливо соотношение
—In (1—a)=a и тогда (4.20) можно упростить:
s (0 = -4Ра Г1 —expf —-^М1. (4.22)
r3BocS [ \ 4V / J
Из (4.20) следует, что в диффузном звуковом поле процесс на-
растания плотности звуковой энергии в помещении происходит по
экспоненциальному закону (теоретическая зависимость 1 на рис
4.8,а). При этом нарастание звуковой энергии ускоряется при уве-
личении модуля показателя степени при е, т. е. при увеличении
коэффициента звукопоглощения а и отношения S/V, за-
120
Рис. 4.8. Нарастание (а) и спадание (б)
звуковой энергии в помещении, а так-
же совмещение этих процессов в одном
временном масштабе (в)
висящего от формы и размеров
помещения. Очевидно, что уста-
новившаяся в помещении плот-
ность звуковой энергии 80 (4.21)
растет с увеличением мощности
источника звука Ра и падает с
увеличением общего звукопогло-
щения .4 = aS. В реальных усло-
виях, где звуковое поле в поме-
щении не может считаться стро-
го диффузным, процессу нара-
стания звуковой энергии в по-
мещении свойственны флуктуа-
ции (2 на рис. 4.8,а).
4.4.2. ПРОЦЕСС СПАДАНИЯ ЗВУКОВОЙ ЭНЕРГИИ
В ПОМЕЩЕНИИ
Пусть в помещении установилась плотность звуковой энергии
ео- Выключим источник звука и с этого момента будем отсчиты-
вать текущее время t. Допустим, что акты поглощения звуковой
энергии, как и ранее, происходят через интервалы времени fcP
(4.14). После первого акта в момент времени t—tcp плотность зву-
ковой энергии в помещении е(^ср)=ео(1—а). После второго акта
поглощения в момент времени /=2^ср плотность энергии е (2?СР) =
= е(/Ср)(1—а)=е0(1—а)2. Соответственно после n-го акта погло-
щения звуковой энергии в помещении ее оставшаяся часть в мо-
мент времени t=ntQV составит
е(/Щр) =е0(1—a)n.
(4.23)
Выполняя те же преобразования, что и ранее (учитывая тож-
дество (1—a)" = exp[nln(l—а)] и тот факт, что n=tltZf—
= c3aSt/4V, окончательно найдем
s (/) = г0 ехр [п In (1 — a)l = е0 exp f C3B‘Sln^1—— t
I 4V
(4.24)
Заметим, что при коэффициенте звукопоглощения а^0,2 мож-
но воспользоваться равенством —1п(1—a)=a и упростить полу-
ченное выражение:
e(0 = eoexp[—
(4-25)
121
Процесс спадания звуковой энергии в помещении (4.24) и
(4.25) также отображается экспоненциальной зависимостью (/ на
рис. 4.8,6) и зависит от общего звукопоглощения Л = а5 и объема
V помещения. Этот процесс тем короче, чем больше А и чем мень-
ше V. Процесс затухания звука в реальных помещениях флуктуа-
ционный (2 на рис. 4.8,6), т. е. имеются отклонения от теоретиче-
ской зависимости.
4.4.3. РЕВЕРБЕРАЦИЯ
7 На рис. 4.8,в изображены процессы нарастания и спадания зву-
ковой энергии в помещении в одном временном масштабе. Здесь
по оси ординат отложен логарифм относительного изменения
плотности звуковой энергии lg(e/eo) как величины, более точно от-
ражающей реакцию слуха на звуковое воздействие, а по оси абс-
цисс отложено текущее время t. Из рассмотрения этой зависимо-
сти, где момент t\ соответствует включению источника звука в по-
мещении, a t'\ — его выключению, видно, что процесс нарастания
плотности звуковой энергии в помещении происходит очень быст-
ро и поэтому незаметен на слух. Процесс спадания звуковой энер-
гии, называемый реверберацией, замедлен, заметен на слух и иг-
рает важную роль в слуховом восприятии.
Звуковая энергия поглощается не только поверхностями поме-
щения, но и средой. Эти дополнительные потери обусловлены вяз-
костью и теплопроводностью воздуха, а также молекулярным по-
глощением. Поглощение звука в воздухе определяется пробегом I
звуковой волны и достаточно точно может быть описано экспонен-
циальной функцией вида
е—еоехр (—ц/), (4.26)
где l—c3Bt, а ц — коэффициент затухания, равный обратному зна-
чению того пути I, на котором плотность звуковой энергии умень-
шается в е раз. Значение ц зави-
сит от плотности ро и вязкости ц
воздуха, а также от температуры,
влажности воздуха и частоты F
(рис. 4.9):
ц = 52,5 —т]. (4.27)
с звРо
С учетом поглощения звука в
воздухе выражение (4.24), описы-
вающее процесс реверберации зву-
Рис. 4.9. Зависимость коэффициента затуха-
ния звука в воздухе от относительной влаж-
ности и частоты (по данным Э. Ивенса и
Э. Безли)
122
ка в закрытом помещении, можно представить в виде ,
i г. I C3BSln(l—а) Л
е (/) = е0 ехр (— р./) ехр в-^-------tj -
= еоехр
S 1п(1 —а) — 4цУ Л
ЗВ * I •
4V
(4.28)
Заметим, что при одной и той же акустической мощности ис-
точника звука длительность процесса реверберации на низких и
средних частотах почти не зависит от звукопоглощения воздушной
среды, ибо значение коэффициента ц мало. В области высоких ча-
стот длительность процесса реверберации уменьшается тем зна-
чительнее, чем выше частота. Вообще говоря, чем больше объем
помещения, тем больше средняя длина свободного пробега звуко-
вой волны (4.13), тем на более низких частотах начинает сказы-
ваться поглощение звука в воздушной среде.
4.5. ОСНОВНЫЕ КРИТЕРИИ ОЦЕНКИ
АКУСТИЧЕСКОГО КАЧЕСТВА ПОМЕЩЕНИЙ
4.5.1. ВРЕМЯ СТАНДАРТНОЙ РЕВЕРБЕРАЦИИ
Из (4.21) видно, что установившаяся плотность звуковой энер-
гии в помещении зависит от акустической мощности Ра источника
звука. Очевидно, что с увеличением Ра длительность (G и t2' на
рис. 4.8,в) процесса реверберации возрастает, хотя его слуховая
оценка практически остается неизменной. Чтобы время ревербера-
ции характеризовало только акустические свойства помещения,
надо исключить его зависимость от Ра. Для этого введем понятие
времени стандартной реверберации ТР помещения — времени, в те-
чение которого плотность звуковой энергии е(/) уменьшается в
106 раз, т. е. на 60 дБ. Из этого определения следует, что при
t=T$ имеем
е0
10 6 = ехр
S ln( 1 — а) — 4р.V
4Ё
С Т
G3BJ р
После логарифмирования и подстановки значений сзв—=
= 340 м/с и lge = 0,434 решим полученное выражение относи-
тельно
0,164V
— Sln(l — а) + 4р. V
(4.29)
Итак, время стандартной реверберации (4.29) зависит от объ-
ема помещения V, площади S ограничивающих его поверхностей,
коэффициента звукопоглощения а и поглощения звука в воздухе.
Заметим, что в знаменателе этой формулы первое слагаемое учи-
тывает потери звуковой энергии при отражениях, второе — погло-
123
Рис. 4.10. Диаграммы, поясняющие оценку времени эквивалентной реверберации
щение звука в воздухе. Величины it и а частотно-зависимы. С по-
вышением частоты время стандартной реверберации Гр уменьша-
ется прежде всего вследствие роста ц.
Для небольших помещений, а также для помещений большого
объема, но на частотах ниже 1000 Гц вторым слагаемым в знаме-
нателе (4.29) можно пренебречь:
Т °'164Е
—Sln(l—а)
(4.30)
или, воспользовавшись тождеством 1п(1—a)—2,31g(l—а), прий-
ти к формуле Эйринга
Т -х. 0,071V
-Slg(l-a)
(4-31)
В помещениях большого объема на частотах от 1000 до 4000 Гц
оба слагаемых в знаменателе выражения (4.29) примерно равно-
ценны. На частотах более 4000 Гц основную роль начинает играть
звукопоглощение в воздухе и время стандартной реверберации
становится малым, практически уже не влияющим на слуховое
восприятие.
При небольших значениях коэффициента звукопоглощения
^0,2 справедливо соотношение —1п(1—а)—а, тогда от (4.30)
можно перейти к формуле Себина
7’p=0,164V/(a5). (4.32)
Если отсюда найти звукопоглощение помещения
Д = а5 = 0,164У/Тр (4.33)
и подставить это выражение в (4.21), то получим, что при потоян-
ной акустической мощности источника звука установившаяся
124
плотность звуковой энергии ео в помещении растет с увеличени-
ем ТР:
е0«Ра7р/13.8У. (4.34)
Ни одна из приведенных здесь расчетных формул не является
абсолютно точной, ибо не учитывает влияния формы помещения,
особенностей размещения источника звука и звукопоглощающих
материалов. Строго говоря, эти формулы пригодны, если звуко-
вое поле в помещении является идеально диффузным (рис. 4.10,а).
4.5.2. АКУСТИЧЕСКОЕ ОТНОШЕНИЕ
И ЭКВИВАЛЕНТНАЯ РЕВЕРБЕРАЦИЯ
«
Время стандартной реверберации является важным, но не ис-
черпывающим критерием акустического качества помещения.
Этот параметр характеризует акустические свойства помещения в
целом, в то время как слуховая оценка звучания на отдельных
местах прослушивания может быть различной, что прежде всего
обусловлено изменением соотношения плотностей звуковой энер-
гии епр прямого звука и энергии еотр, приносимой в эту точку, всей
совокупностью отражений.
Если источник звука излучает сферические волны, то плот-
ность звуковой энергии прямого звука в точке помещения, удален-
ной от него на расстояние г,
1 Зв.Пр _
®ПР= ~в
Pl
4w2c3B
(4.35)
Плотность звуковой энергии диффузной составляющей еотр
определим как часть установившейся плотности звуковой энергии
ео (4.21), которая остается в помещении после выключения источ-
ника звука через интервал времени tcp (т. е. после первого отра-
жения от поверхностей помещения):
Еотр = ео₽ = -^7 (!—«)•
(4.36)
Величину, характеризующую соотношение плотности звуковой
энергии прямого (4.35) и диффузного (4.36) звуков, называют
акустическим отношением
еотр ___ 16лг2 1—а
СпР " S а
(4.37)
Величина зависит от частоты, так как коэффициент а частотно-
зависим.
Изменение акустического отношения воспринимается при слу-
ховой оценке как изменение времени реверберации. Для музыкаль-
ных программ акустическое отношение доходит до 6...8, в отдель-
125
них случаях до 10... 12 (органная музыка). При SK.1 музыкаль-
ное звучание кажется неестественно сухим. Для речевых прог-
рамм обычно 5?<1. Расстояние до источника звука, при котором
J?=l, называется радиусом гулкости помещения: при больших
расстояниях еОтР>епр и в звучании появляется гулкость.
Как видно из рис. 4.10,6 (зависимость /) звуковая энергия в
помещении при наличии в точке расположения микрофона пря-
мого и отраженного звуков в момент времени t\ изменяется скач-
ком, что обусловлено исчезновением поля прямого звука епР при
выключении источника. Размер этого скачка А определяется аку-
стическим отношением. В идеально диффузном поле й?=оо (епр=
= 0) упомянутый скачок отсутствует (зависимость 3 на
рис. 4.10,6).
Два процесса спадания звуковой энергии в помещении — ре-
альный со скачком уровня в момент времени t\ (зависимость 1 на
рис. 4.10,6) и без скачка (зависимость 2)—оцениваются на слух
как эквивалентные по гулкости, если точка их пересечения А от-
стоит от момента времени Л на интервал А/а;0,2 с. Время, в те-
чение которого плотность звуковой энергии этого эквивалентного
процесса (кривая 2) уменьшается на 60 дБ (или в 106 раз) и оп-
ределяет время эквивалентной (ощущаемой на слух) ревербера-
ции Тэр. Очевидно, что, изменяя Й?, можно менять субъективное
ощущение воспринимаемой реверберации. Всегда Тэр<.Тр и толь-
ко при ТэржТр.
Для расчета значения Тзр можно воспользоваться формулой
пР
1,2Т0
1,2 +Гр 1g
(4.38)
где Q,, — E^,i/E^2 — коэффициент направленности микрофона; ЕМ1 и
Дм2 — чувствительность микрофона к прямому и диффузному
звукам.
Время эквивалентной реверберации Тэр существенно зависит от
расстояния между источником звука и точкой расположения мик-
рофона, от характеристик направленности последних. При малом
значении г оно заметно меньше Тр за счет высокого уровня пря-
мого звука. Воспринимаемая реверберация в этом случае ослабля-
ется. При значение Тэр близко к Тр. Время Тэр может быть
малым при использовании остронаправленных микрофонов, ори-
ентированных на источник звука.
4.6. ОПТИМАЛЬНАЯ РЕВЕРБЕРАЦИЯ
Оптимальное значение времени стандартной реверберации, при
котором передача воспринимается наилучшим образом, зависит от
жанра программы, объема помещения и частоты. Для двух основ-
126
125 250 SOO WOO 2000 4000 5, Гц 725 250 500 7000 2000 Г,Гц *
a)
Рис. 4. II. Пределы изменения
оптимального значения времени
стандартной реверберации в рече-
вой (а) и музыкальной (б) сту-
дии, а также зависимость этого
времени от объема (в) для рече-
вых (/) и музыкальных (2) сту-
дий (средние частоты 500 ...
...1000 Гц).
ных видов вещательных программ — речевых и музыкальных —
оптимальное значение времени реверберации Тр.опт существенно
различно, но в большинстве случаев регламентируется для частот-
ного диапазона 125 Гц... 4 кГц.
Вообще говоря, чем меньше время реверберации, тем выше
разборчивость речи. Однако слишком малое время реверберации
делает звучание слишком сухим, обедняет его в тембральном от-
ношении. Увеличение Тр обогащает звучание, придает ему объем-
ность, гулкость, но ухудшает условия восприятия смысловой ин-
формации при речевой передаче. Для дикторских студий время ре-
верберации должно оставаться практически постоянным (0,3...
...0,4 с) в полосе частот 125...4000 Гц. Допускается уменьшать
это значение до 0,2 ...0,25 с в студиях меньшей площади, чем это
указано в табл. 4.1. Поскольку низкочастотные компоненты спект-
ра определяют в основном гулкость звучания, то снижение време-
ни реверберации на низких частотах в определенной степени спо-
собствует повышению разборчивости речи. Поэтому в телевизион-
ных студиях, где основным видом звучания является речь,
рекомендуется обеспечивать горизонтальную частотную характе-
ристику времени реверберации в диапазоне 250 ...4000 Гц с плав-
ным спадом 6 на более низких частотах. На частоте 125 Гц раз-
мер этого спада 6 должен составлять 20 ...25% от значения Тр.опт
в полосе частот 250... 4000 Гц (рис. 4.11,а речевая студия). Кон-
кретное значение Тр.опт зависит от размеров студии и увеличивает-
ся с ростом объема помещения V. Например, для телевизионных
студий с площадью пола 600, 300, 150 и 60 ...80 м2 значения Тр.опт
соответственно равны 0,9; 0,8; 0,65 и 0,4 с.
127
В литературно-драматических студиях время реверберации
должно быть больше, чтобы передать все богатство тембра речи
актера. Большие литературно-драматические студии с площадью
пола 150 ...200 м2 должны иметь 7’р.Опт=0,8... 1,0 с, а для студий
меньшей площади 100 м2) 0,5 ...0,7 с. Требования к оптималь-
ной реверберации в малых литературно-драматических студиях
(с площадью пола 30 ...40 м2) те же, что и для дикторских студий.
В литературно-драматический блок (ЛДБ) радиодома обычно вхо-
дит заглушенная студия, предназначенная для создания различ-
ных звуковых эффектов, а также для записи передач, которые по
замыслу режиссера должны происходить на открытом воздухе.
В таких студиях следует обеспечить минимально возможное время
реверберации: в полосе частот 125 ...4000 Гц оно не должно пре-
вышать 0,15 с. Иногда в состав ЛДБ включают разглушенную
студию, представляющую собой гулкое помещение. По аналогии
с комнатами «эхо» для них рекомендуется горизонтальная форма
частотной характеристики времени реверберации при Тр^З с.
В музыкальных студиях оптимальное время реверберации су-
щественно больше, чем в речевых. Это способствует улучшению
мелодичности, выразительности звучания: более богатыми, тонь-
ше нюансированными, более естественными воспринимаются темб-
ры инструментов; звучание приобретает объемность. Все это по-
ложительные стороны реверберации. Для музыкальных студий бо-
лее предпочтительной является горизонтальная форма частотной
характеристики Тр.опт* При этом в крупных студиях (площадью бо-
лее 450 м2) на высоких частотах допускается спад времени ревер-
берации, обусловленный поглощением звука в воздухе (рис. 4.11,6,
музыкальная студия).
Время Тр.опт зависит от объема студии V и жанра музыкальных
программ. В целом с увеличением объема музыкальной студии
время Тр.опт возрастает (рис. 4.11,в). Однако в студиях объемом
более 3000... 5000 м3 на Тр.опт гораздо сильнее влияет жанр про-
изведения. По данным фундаментальных исследований В. Куля,
оптимум реверберации в больших студиях (К>5000 м3) мало за-
висит от объема и составляет 1,48+0,05 с для современной клас-
сической музыки; 1,54JZq.’o7 с для классической музыки; 2,О7Д.^,'о7 с
для романтической симфонической музыки.
Крупные музыкальные студии, предназначенные отдельно для
записи классической и романтической музыки, сложно строить.
Поэтому для подобных помещений выбирают «усредненные» зна-
чения Тр.опт. На основании длительного опыта эксплуатации реко-
мендуется выбирать для крупных (площадью 750 м2), средних
(350 ...400 м2) и малых (250 ...300 м2) музыкальных студий значе-
ния Тр.опт, равные соответственно 2,0; 1,5... 1,7 и 0,9... 1,1 с.
В студиях, предназначенных для исполнения эстрадной и джа-
зовой музыки, площадью 350 ...450 м2 Тр.опт должно составлять
128
0 9... 1,1 с, а в небольших камерных студиях (площадью 150 м2)
1,0+0.2 с.
Оптимум и форма частотной характеристики реверберации в
разных студиях одинакового объема могут колебаться в достаточ-
но широких пределах в зависимости от формы студии и ее высо-
ты, расположения звукорассеивающих конструкций, вариантов
размещения оркестрантов, принятой технологии звукозаписи
(с использованием акустических кабин для размещения исполни-
телей, акустических щитов и тому подобных конструкций). Поэто-
му указанные оптимальные значения реверберации, заимствован-
ные из нормативных документов, следует рассматривать как пер-
воначальные исходные данные, подлежащие уточнению в процессе
акустической настройки студии. Элементы акустической настройки
студии должны быть предусмотрены в обязательном порядке уже
на стадии ее проектирования.
Аппаратные и комнаты прослушивания по своим параметрам
близки к речевым студиям. Оптимальное значение времени ревер-
берации для них рекомендуется выбирать из соотношения
Tp'™ = T^V/V0,
где Ко = 100 м3, Тр= (0,28+0,05) с; V — объем помещения, изме-
няется обычно в пределах 100 ...300 м3. Частотная характеристика
времени реверберации — горизонтальная прямая с размером от-
клонения границ +0,05 с, на частотах ниже 160 Гц поле допуска
увеличивается до +0,1 с.
4.7. ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ КРИТЕРИИ
АКУСТИЧЕСКОГО КАЧЕСТВА ПОМЕЩЕНИЙ
Время стандартной реверберации Тр и акустическое отношение
9? еще не полностью определяют акустическое качество поме-
щений.
Известно очень большое число дополнительных критериев ка-
чества помещений. Практически все они являются энергетически-
ми и основаны на оценке энергии Е импульсного отклика поме-
щения р3в(0 для разных временных интервалов
t t,
t(t) = \p^dt- Ер1; =
° оо G (4-39)
E^, oo) = ^Pl3(t)dt,
t
где p3B(^)—изменяющееся во времени мгновенное значение зву-
кового давления; t, t\ и tz — текущие моменты времени импульсно-
го отклика помещения.
э-6697 129
Наиболее часто применяют следующие энергетические крите-
рии (в децибелах):
четкость
^5—101g(E5o/Eoo), (4.40)
прозрачность
V = 101g—(4.41)
— С80
гулкость
^=101g Evb°_, (4.42)
^50
пространственное впечатление
Л = 101g е8О + е25,8о-е*|8о . (4 43)
Е25 + E^5j3q
литерализация
= 101g Е5о~-25- . (4.44)
Е8о
Выражение (4.44) оценивает долю энергии отраженных звуков,
поступающих с боковых направлений (справа и слева) помещения.
Нижний индекс у функции Е определяет значение t в миллисе-
кундах, являющееся верхним пределом интеграла [ (/) Л им*
6
пульсного отклика помещения. Если указаны два значения, то
они являются соответственно нижним 0 и верхним t2 пределами
2
при вычислении интеграла \ Верхний индекс А свиде-
ti
тельствует о том, что для приема импульсного отклика помещения
применен однонаправленный измерительный микрофон с углом ох-
вата ±40° в диапазоне частот 500... 1000 Гц, ориентированный на
источник звука. Верхний индекс В соответствует применению из-
мерительного микрофона с диаграммой направленности в виде
восьмерки, причем ось его максимальной чувствительности ориен-
тирована перпендикулярно боковым стенам помещения. Отсутст-
вие верхнего индекса у функции Е говорит о применении ненаправ-
ленного измерительного микрофона при записи импульсного от-
клика помещения.
Одним из важнейших критериев при оценке акустического ка-
чества помещений, предназначенных для исполнения речевых про-
грамм, является разборчивость (рис. 4.12): слоговая Гал, словес-
ная Vw- Она представляет собой отношение числа правильно по-
130
рис. 4.12. Изменение качества речи
от слоговой VS4 и словесной Vip раз-
борчивости
нятых слогов или слов к об-
щему их числу, имеющемуся в
артикуляционной таблице, и
выражается в процентах (см.
гл. 5). Здесь же приведена
шкала оценки качества речи.
Для речевых сигналов кри-
терий четкости 3) связан
прежде всего с высокой раз-
борчивостью, его оптимальное
значение составляет —1,5...
...—2 дБ. Для радиовещания коэффициент словесной раз-
борчивости не должен быть менее 96 % • В музыкальных студиях
оптимальное значение параметра 3) лежит в пределах —3...—6 дБ
и не должно сильно меняться от одной точки расположения изме-
рительного микрофона к другой.
Пределы изменения критерия прозрачности в студиях, пред-
назначенных для исполнения классической музыки, составляют
— l,8^'g:,^+2 дБ, а для романтической музыки соответственно
—5=^^—1,8 дБ.
Оптимальные значения критерия гулкости Ж в музыкальных
студиях лежат в пределах +3...+8 дБ. При Ж<32> дБ звучание
кажется излишне сухим, а при Ж>% дБ — слишком гулким.
Пространственное впечатление практически не ощущается, ес-
ли значение 31' (4.43) составляет менее —10 дБ, слабо заметно,
при —10^$*'г=:—4 дБ, заметно, если —4^5?'^+1 дБ, очень хо-
рошее при 1^5?'^+7 дБ, излишне полное, если 5?'>7...дБ.
В музыкальных студиях значение критерия 33 (4.44) должно
быть не менее —1,5 дБ.
4.8. ЗВУКОВОЙ ФОН В ПОМЕЩЕНИИ
Важнейшей характеристикой радиовещательных и телевизион-
ных студий является допустимый уровень шума, который образует
звуковой фон помещения. Он складывается из четырех основных
составляющих: шумов, проникающих в студию из смежных поме-
щений вследствие звукопроводности стен, пола и потолка; струк-
турных звуков, распространяющихся по конструкциям здания и
обусловленных вибрацией машин и механизмов; так называемых
воздушных шумов, создаваемых системой кондиционирования и
вентиляции; шумов технологического оборудования, установленно-
го в студии.
9* 131
Рис. 4.13. Зависимость допустимого уровня
звукового давления шума в радиовещатель-
ных (/} и телевизионных (2) студиях от
частоты
Допустимый уровень звукового
давления шума Na Для радиовеща-
тельных и телевизионных студий
зависит от частоты F (рис. 4.13).
Применительно к радиовещатель-
ным студиям этой зависимости со-
ответствует уровень громкости звукового фона около 20 фон.
Получим выражение для оценки уровня воздушных шумов в
студии. Если в смежном со студией помещении источник звука с
акустической мощностью Ра создает диффузное звуковое поле, то
установившаяся в нем плотность звуковой энергии ео=
= 4Pa/(c3BaS). Это выражение можно записать иначе:
Р а — eoC3BSa/4,
(4.45)
где правая часть равенства определяет мощность, поглощаемую
помещением, а левая — мощность, излучаемую источником. Чтобы
определить ту часть звуковой мощности Р&", которая проникает из
этого помещения в студию через стену (преграду), можно посту-
пить формально, заменив в (4.45) коэффициент звукопоглощения
а коэффициентом звукопроводности уп преграды, a S — площадью
преграды Sn, тогда
е0сзв^п „ _____ ^зв^п „
. In . In*
4 4
(4.46)
Здесь 73в = еоСзв — интенсивность звука, падающего на преграду.
Каждая студия обычно имеет несколько смежных с ней поме-
щений, в каждом из которых могут действовать свои источники
звука, создающие звуковой фон в студии. Если принять во внима-
ние, что сигналы этих источников звука не коррелированы между
собой, то в студию из смежных помещений проникает суммарная
мощность звука
(4-47)
где число поверхностей, ограничивающих студию, равно 6.
Величину Р'а можно рассматривать как акустическую мощность
источника звука, находящегося в студии. Тогда в соответствии с
132
(4.21) установившаяся плотность звуковой энергии в студии
6
<4Л8>
1
где aS — общее звукопоглощение студии.
Интенсивность звука в студии /зв = ессзв, тогда имеем 13в =
= (4/’/a/aS). После деления левой и правой частей этого равенст-
ва на 73во с учетом выражения (4.47) получим
ф- = = У. SnTn/(aS). ‘ (4.49)
' зво а*^'зво лшЛ 'зво
1
Здесь 73во — интенсивность звука, соответствующая стандартному
порогу слышимости.
Используя тождество х— 10lgx и вводя понятие коэффициента
звукоизоляции <Тп= 101g(l/-yn) в децибелах, преобразуем выраже-
ние (4.49) к виду
6 Л 1О1^зв.п"зво>- 101g(l/Tn)
, 2j S„10 зв» 2jSn10---------io--------
I ЗВ 1 1
/ 3bq aS aS
f snio°’ltv"-’n)
= -------------------, (4.50)
aS
где Na.n= 101g(/3B.n//3Bo)—выраженный в децибелах уровень ин-
тенсивности звука в смежном со студией помещении;
°п = 101g (-Ц = 101g - 101g 4— = Ч,ад - Nn (4.51)
\ Yn / 'зво 'зво
— коэффициент звукоизоляции в децибелах, показывающий, ка-
кая часть звуковой мощности задерживается преградой, Nna« —
уровень интенсивности звука с наружной стороны преграды;
Nn — уровень интенсивности звука с внутренней стороны пре-
грады.
Итак, в студии создается уровень звукового фона воздушными
шумами
6
2 Sn10°'I(N’-n-’n’
Na = 101g 4^- = 101g —-------------------. (4.52)
I зво a$
133
Рис. 4.14. Глушители яче-
ечного (а), пластинчато-
го (б) и камерного (в)
типов
Заметим, что уровень звукового фона Na в студии определяет-
ся не только уровнем интенсивности Na.n звука в смежных поме-
щениях и звукоизоляцией стен, но и звукопоглощением aS студии.
В гулком помещении Л\ возрастает вследствие увеличения ес
(4.34), что связано с ростом Тр. В сильно заглушенных помещени-
ях уровень звукового фона в студии практически определяется
звукоизоляцией стен.
Для уменьшения уровня шумов, проникающих в студию по ка-
налам вентиляционных систем, последние оборудуют глушителями
ячеечного (рис. 4.14,а), пластинчатого (рис. 4.14,6) и камерного
(рис. 4.14,в) типов. Внутренние поверхности глушителей покрыва-
ются звукопоглощающими материалами, например войлоком. Ес-
ли глушитель представляет собой отрезки труб разной длины I и
поперечного сечения S, то вносимое им затухание в децибелах оп-
ределяется выражением
а = Юп lg f_L+A> 5 =
\ i — а У 1 — 2<о02 /<»2
(4.53)
где Si и S2— поперечные сечения труб, Si<tlS2; /1 и 12-—длины
отрезков труб; ® — круговая частота; п — число звеньев глуши-
теля.
Если длины звуковых волн невелики по сравнению с линейны-
ми размерами камеры и поле в ней диффузно (это условие выпол-
няется для области средних и высоких частот звукового диапазо-
на), то плотность шумовой энергии в камере еш=4/3а1/(с3вЛ) (где
А— звукопоглощение в камере, Рщ — мощность шума во входя-
щем потоке), а затухание шума в камерном глушителе
a=101g(X/S), (4.54)
где S — площадь сечения выходного канала глушителя. Заметим,
что в области низких частот звуковое поле в камере не является
диффузным и камера ведет себя как пластинчатый глушитель.
Для ослабления уровня структурного шума, обусловленного
вибрацией поверхностей студии, применяют «плавающие» конст-
134
рукции пола, подвесные стены и потолок. Основными элементами
таких конструкций являются гибкие прокладки, пружины, элас*
тичные подвески. Резонансная частота таких конструкций ©о3*
= 1/У/псм, где т — масса; ск — гибкость системы. При этом ослаб*
ление уровня шума от вибрации достигается только при выпол*
нении условия
^<^//2, (4.55)
где F — низшая частота вибрации; Рй— резонансная частота пла*
вающей или подвесной конструкции.
4.9. СПОСОБ СОЗДАНИЯ ОПТИМАЛЬНЫХ
акустических УСЛОВИЙ
В СТУДИЙНЫХ помещениях
4.9.1. ПЛАНИРОВКА АППАРАТНО-СТУДИЙНЫХ
КОМПЛЕКСОВ
Радиодом представляет собой совокупность помещений различного назначе-
ния (рис. 4.15): студий, специализированных по типу передач, примыкающих к
ним студийных аппаратных, аппаратных вещания, перезаписи и монтажа, репети-
ционных и редакторских помещений, помещений, предназначенных для хранения
фондовых записей, декораций, музыкальных инструментов и т. д. Размещение
помещений должно обеспечивать удобную технологическую связь между служ-
бами (начиная от подготовки и записи фрагментов вещательных программ до
их выпуска и распределения). Должны быть предусмотрены возможность не-
прерывного контроля качества и содержания, высокая звукоизоляция студий И
аппаратных. При этом необходимо стремиться к минимальной стоимости соору-
жений.
К студиям и аппаратным должны примыкать помещения с возможно более
низким уровнем звукового фона (для хранения инвентаря, декораций и т. п.)<
На входах и выходах студии следует располагать тамбуры, открывающиеся в
направлении выхода из студии. Внутренние поверхности тамбуров обрабатыва-
ются звукопоглощающими материалами. Расположение входов должно позво-
лять быструю смену исполнителей В телевизионных студиях с площадью пола
более 200 м2 по периметру стен сооружается балкон для размещения освети-
тельной аппаратуры. Студии площадью более 600 м2 обычно имеют два
балкона.
Студийная аппаратная размещается рядом со студней н связана с ней смот-
ровым окном.
В качестве примера на рис. 4.15 показана планировка студийного корпуса
радиодома, где 1—комната для хранения и выдачи репортерских магнитофо-
нов, 2— аппаратная монтажа внестудийных записей и расшифровки фонограмм,
3— комната «эхо», 4 — аппаратные перезаписи, 5 — аппаратные записи и мон-
тажа, 6 —студийная аппаратная, 7 — комната дикторов и выпускающего прог-
рамму, 8— камерная студия, 9— фонотека с помещениями для хранения фон-
довых (10) и оперативных (11) записей и кабиной прослушивания (/2); 13 й
17—аппаратные вещания, 14 и 16 — речевые студии, 15 — аппаратная записи,
18—кабельная шахта, 19 — комната технического персонала.
Фрагмент планировки телевизионного комплекса показан на рис. 4.16, где
1 — телевизионная студия, 2 — склад декораций, 3 — декорационная, 4 — прог-
раммная дикторская студия, 5 — помещение для хранения телекамер, 6 — ком-
ната художников-декораторов, 7—помещение для хранения музыкальных ий-
135
Рис. 4.16. Фрагмент планировки студийной части телевизионного комплекса
136
Рис. 4.17. Пример планировки
литературно-драматического
блока
струментов, 8 — комната для хранения осветительной аппаратуры, 9— комната
студийных операторов, 10 — помещение для силового оборудования, 11— аппа-
ратная телекиносъемок, 12 — редакторское помещение. Студия занимает два
этажа здания. Студийная аппаратная, где установлены пульт видеооператора и
пульт звукорежиссера, расположена на втором этаже здания над помещения-
ми 5—11.
Пример планировки литературно-драматического блока, предназначенного
для осуществления радиопостановок, приведен на рис. 4.17. Основная студия 1
площадью 150... 200 м2 объемом около 2000 м3 предназначена для проведения
сцен в нормальной акустической обстановке с большим числом исполнителей.
К основной студии примыкают еще две, но меньшей площади (40 ...60 м2). Од-
на из них (2) представляет собой заглушенное помещение, предназначенное для
исполнения сцен, происходящих на открытом воздухе (в условиях отсутствия
реверберации). Вторая студия (3) из этой пары является гулким помещением.
Кроме того, в состав литературно-драматического блока входит эхо-камера, ко-
торая располагается обычно этажом ниже. В помещении 7 хранится реквизит,
а 4 — студийная аппаратная с просмотровыми окнами в каждую студию
(Л 2, 3).
4 9.2 РАЗМЕЩЕНИЕ ЗВУКОПОГЛОЩАЮЩИХ
И ЗВУКОРАССЕИВАЮЩИХ КОНСТРУКЦИИ
В СТУДИЯХ
Обработка поверхностей студии звукопоглощающими конструкциями необ-
ходима для получения оптимальных акустических характеристик, среди которых
особую роль играет время стандартной реверберации. Для достижения требуе-
мой частотной характеристики звукопоглощения обычно комбинируют конст-
рукции, поглощающие энергию преимущественно на низких, средних и высоких
частотах звукового диапазона.
В студиях, как правило, используют три типа звукопоглотителей:
пористые акустические плиты (например, типа Акмигран, ПА/О, ПА/С,
«Москва»), коэффициент звукопоглощения а которых обычно имеет максималь-
ное значение в области средних и высоких частот (рис. 4.18,о) звукового диапа-
зона;
пористые перфорированные экраны, чаще всего представляющие собой слой
эффективного звукопоглотителя (минеральной ваты, стекловолокна и т. п.), обер-
нутого стеклотканью и закрытого снаружи перфорированным листом. В качестве
последнего используется фанера толщиной 4 ... 5 мм, а также гипсовые или ме-
таллические листы. Частотная зависимость коэффициента а этих конструкций
имеет резонансный характер (рис. 4.18,6), причем в зависимости от размера
137
Рис. 4.18. Зависимость коэффициентов звукопоглощения от частоты: для пори-
стых звукопоглощающих акустических плит (а), для перфорированных звуко-
поглотителей с наполнителем (б) и для низкочастотных резонансных панелей (в)
перфорационных отверстий, расстояния между ними, толщины наполнителя и
других факторов удается изменять положение максимума звукопоглощения на
оси частот, что весьма удобно при акустической настройке студий;
панели, резонирующие на нижних частотах, например листы гладкой фане-
ры, сухой штукатурки, древесно-стружечные плиты. Коэффициент звукопоглоще-
ния а этих конструкций максимален в области частот 100... 300 Гц (рис. 4.18,в)
И смещается в сторону низших частот при увеличении воздушного промежутка
между панелью и поверхностью стены (потолка). Большинство выполняемых из
дерева или фанеры звукорассеивающих конструкций (полуколонны, пилообраз-
ные членения стен, потолка и т. п.) также обладает наибольшим звукопогло-
щающим действием в низкочастотной области диапазона слышимых частот.
Звукопоглощающие конструкции с разными акустическими характеристика-
ми размещают по возможности равномерно на поверхностях студии, что спо-
собствует повышению диффузности звукового поля. Для этого применяют так-
же звукорассеивающие конструкции, частично размещая их на боковых стенах
(полуколонны, различной формы выпуклые поверхности), но в основной массе
на потолке.
Полы в радиовещательных студиях обычно паркетные, при необходимости
частично покрываются ковром. В телевизионных студиях в последние годы ши-
роко используют наливные полы, которые удобны в эксплуатации и не создают
Шума при движении камер.
Пример акустической обработки поверхностей большой музыкальной студии
доказан на рис. 4.19,а, б, в, г, д, где 1 — конструкция из декоративных реек с
размещенным за ними звукопоглотителем; 2 — пилообразная конструкция из
древесно-стружечной плиты (ДСП); 3— щит из ДСП или деревопли гы, укреп-
ленный на откосе от стены, 4 — поверхность торцевой стены, оштукатуренная-
дод «шубу»; 5 — ДСП или деревоплиты, расположенные по периметру нижней
части стен студии с размещенным за ним поглотителем На этом же рисунке
изображены примеры выполнения звукорассеивающего потолочного щита из
ДСП (рис. 4 19,е), щита из ДСП (рис. 4.19,ж), к задней поверхности которого
дрикреплен обернутый стеклотканью и металлической сеткой звукопоглотитель,
и пилообразной звукорассеивающей конструкции (рис. 4 19,з), выполненной из
ДСП или деревоплиты
На рис. 4 20 дан пример акустической обработки поверхностей речевой сту-
дии, где 1 — фанера гладкая без заполнителя; 2— фанера гладкая с заполните-
лем; 3— фанера перфорированная с заполнителем; 4 — столярная плита; 5 —
щиты из реек с заполнителем; 6 — окно в аппаратную; 7 —дверь в студию.
Для оперативного изменения времени реверберации в музыкальных и ли-
тературно-драматических студиях используют «механические» способы варьиро-
вания фонда звукопоглощения. К ним относятся:
138
Рис. 4.19. Акустическая обработка поверхностей большой музыкальной студии (а, б, в, г, д) и примеры выполнения
звукорассеивающих (,е, з) и звукопоглощающих [ж] конструкций
b
7
0 12 3"
।—।—j—i
Ct)
/-□
2S
Рис. 4.20. Акустическая обработка поверхностей (а) и потолка (б) речевой студии
поворотные прямоугольные щиты, укрепляемые на поверхностях помещения,
при их вращении (повороте) либо открывается доступ к звукопоглощающему
материалу, либо этот материал закрывается отражающей звук поверхностью
щитов;
разнообразные по размеру валики с намотанным на них звукопоглощающим
материалом (различного рода драпировки, с помощью которых прикрываются
либо открываются звукоотражающие поверхности стен);
раздвижные панели, изменяющие площадь поверхности того или иного зву-
копоглощающего материала;
поворотные колонны, каждая половина поверхности которых обработана
своим звукопоглощающим материалом.
4.9.3. ЗВУКОИЗОЛЯЦИЯ СТУДИЙ ОТ ВНЕШНИХ ШУМОВ
Допустимый уровень звукового фона в студии (около 20 фон) обеспечива-
ется применением специальных конструкций ограничивающих ее поверхностей.
Входы в студии оборудуются тамбурами глубиной не менее I м, все внут-
ренние поверхности которых облицовываются эффективными звукопоглотителя-
ми. В проемах устанавливаются две двери с массивными полотнами многослой-
ной конструкции. Полотна имеют герметизирующие прокладки, обеспечиваю-
щие плотное их прилегание к дверным коробкам. Конструкция притворов сту-
дийных дверей показана на рис. 4.21, где 1 — дверное полотно; 2— бруски двер-
ной коробки; 3 — дубовая облицовка коробки; 4 — уплотнение (минеральный
войлок); 5 — наличник; 6 — на-
Рис. 4.21, Конструкция притворов студий-
ных дверей
кладка; 7— скоба; 8-—наклад-
ка; 9, 10—губчатая резина; 11—
прорезиненная ткань. Смотровые
окна между студией и аппарат-
ной имеют трехслойную конструк-
цию из толстых стекол толщи-
ной 6 ... 9 мм. Все стекла изоли-
рованы по периметру прокладка-
ми из профильной резины, обес-
печивающими их плотное, без
малейших щелей, прилегание к
рамам.
Все вентиляционные каналы
студий облицовываются внутри
звукопоглощающим материалом.
Предусматриваются глушители,
обеспечивающие эффективное сни-
жение шумов, обусловленных ра-
ботой моторов вентиляторов.
Стены студий значительной
толщины (обычно из кирпича)
140
Рис. 4.22. Защита студийного
помещения от проникновения
структурных шумов: а — пла-
вающий пол; б — подвесной по-
толок
позволяют обеспечить высокую звукоизоляцию. Используют также многослойные
ограждения с упругими прокладками.
Для защиты студий от структурных звуков, распространяющихся по конст-
рукциям здания, часто используется схема, получившая название «коробка в ко-
робке». Студия при этом имеет отдельный фундамент, на котором монтируются
ее стены, образующие внутреннюю «коробку». На расстоянии 200... 500 мм от
нее сооружается внешняя «коробка», поверхности которой могут являться как
внешними, так и внутренними стенами здания. Подобное двойное ограждение
обеспечивает высокую звукоизоляцию от воздушного шума и эффективно снижа-
ет структурные звуки. Иногда внутренняя «коробка» не имеет отдельного фун-
дамента, а подвешивается на пружинах или резиновых амортизаторах.
На рис. 4.22 дан пример выполнения плавающего пола (а) и подвесного
потолка (б). Здесь 1 — деревянная лага; 2 — упругая прокладка; 3 — пружина;
4 — паркет; 5 — асфальт; 6 — монолитное железобетонное перекрытие; 7 — пру-
жинная подвеска; 8 — прокладки; 9 — штукатурка по сетке; 10 — мат из асбе-
стовой крошки (отходы в марле); 11 — каркас из круглого железа диаметром
25 мм.
4.10. АКУСТИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ
В ПОМЕЩЕНИЯХ
4.10.1. ИЗМЕРЕНИЯ ВРЕМЕНИ РЕВЕРБЕРАЦИИ
Нормативными документами предусмотрены два метода изме-
рения времени реверберации, отличающиеся видом испытательно-
го сигнала. Согласно первому из них (рис. 4.23,а) широкополос-
141
м
Рис. 4.23. Структурная схема установки для измерения времени стандартной ре-
верберации (а) и диаграммы поясняющие вычисление значения Тр первым (б) и
вторым (в) методом
ный шум с генератора ГШ проходит через октавный или 1/3-ок-
тавный полосовой фильтр ПФ, далее он поступает на усилитель
мощности УМ и через выключатель ВК на ненаправленный излу-
чатель Гр, размещенный в студии. Излученный в студии шумовой
сигнал фиксируется измерительным микрофоном ИМ и после уси-
лителя МУ поступает на аналогичный набор полосовых фильтров
и самописец С. Если до момента времени t0 выключатель замкнут,
то на ленте самописца (вид слева) записывается стационарный
сигнал постоянного уровня, принимаемого условно за 0 дБ
(рис. 4.23,6). Видные на ленте флуктуации относительного этого
нулевого уровня объясняются природой испытательного сигнала.
При размыкании выключателя в момент t0 начинается процесс ре-
верберационного спада уровня звукового давления до значения,
определяемого уровнем звукового фона в студии. Этот процесс
аппроксимируется прямой линией, и при известной скорости дви-
жения ленты самописца по этому графику определяется временной
интервал т, в течение которого уровень звукового давления умень-
шается от —5 дБ до —35 дБ, т. е. на 30 дБ. При этом искомое
значение 7’р=2т.
Процедура измерения последовательно повторяется для всех
октавных или 1/3-октавных полос шума в диапазоне частот 125...
...4000 Гц путем выбора соответствующего полосового фильтра и
для нескольких положений измерительного микрофона в студии.
Полученные результаты усредняют.
142
Второй метод измерения величины Тр основан на использова-
нии импульсного испытательного сигнала (см. рис. 4.23,а). Чаще
всего применяют выстрелы из стартового пистолета ПС или искро-
вой разряд. Импульсный отклик студии на такой сигнал фикси-
руется измерительным микрофоном усиливается МУ и затем за-
писывается на магнитофон М. Каждый записанный сигнал фикси-
руют на ленте самописца; подключение различных полосовых
фильтров позволяет определить время реверберации в отдельных
частотных полосах.
Сделанная запись обрабатывается в лабораторных условиях с
помощью той же аппаратуры, что и в первом методе. До момента
времени t\ (рис. 4.23,в) на ленте фиксировался уровень звукового
фона студии. В момент выстрела t\ уровень резко возрос, а затем
начался процесс реверберационного спада. Искомое значение Тр
рассчитывается так же, как и ранее.
В последнее время для оценки времени реверберации помеще-
ния широко используют аппаратуру с применением микропроцес-
соров. С их помощью время реверберации измеряется в автомати-
ческом режиме, полученные результаты выдаются сразу в цифро-
вой форме (например, анализатор 4418 фирмы «Брюль и Къер»).
4.10.2. ОЦЕНКА ДОПОЛНИТЕЛЬНЫХ КРИТЕРИЕВ
АКУСТИЧЕСКОГО КАЧЕСТВА ПОМЕЩЕНИЙ
Напомним (§ 4.7), что дополнительные критерии оценок аку-
стического качества помещений основаны на анализе его импуль-
сного отклика. При этом в качестве сигнала, возбуждающего зву-
ковое поле, используют импульсы взрывного типа, например воз-
никающие при холостом выстреле из ружья или пистолета. Реже
для этого применяют искровые разряды или другие сигналы. За-
писанный на магнитную ленту сигнал импульсного отклика поме-
щения вводится в ЭВМ, с помощью которой рассчитываются кри-
терии: четкость, прозрачность, гулкость, пространственное впечат-
ление и др. Заметим, что испытательные сигналы взрывного типа
широкополосные (рис. 4.24,6), что не позволяет выявить зависи-
мость упомянутых критериев от частоты. Эта зависимость имеет
существенное значение, так как применяемые в студии звукопогло-
щающие и звукорассеивающие конструкции частотно-зависимы.
Узкополосный измерительный сигнал формируют с помощью
установки, изображенной на рис. 4.24,а. Ее передающий тракт со-
держит генератор белого шума ГШ, набор 1/3-октавных полосовых
фильтров ПФ, частотный модулятор ЧМ, генератор звуковой ча-
стоты ГН, электрокоммутатор ЭК, усилитель мощности УМ, гром-
коговоритель Гр и систему управления СУ. Тональный сигнал с
выхода ГН (его частота устанавливается в пределах от 200 до
4000 ...5000 Гц) модулируется по частоте полосами белого шума
шириной в 1/3 октавы. Из полученного таким образом ЧМ-коле-
143
Студия
-АДве октавы
о-
~3-
-70 -
-2J0
250 500 I 2000 I 8000 I 5,Гц
7000 4000 76000
0)
Рнс. 4 24. Структурная схема изме-
рительной установки для оценки до-
полнительных критериев акустическо-
го качества помещения (а) и спектр
сигнала взрывного типа (б)
бания электрокоммутатором вырезаются импульсные посылки дли-
тельностью 10 мс с временным интервалом следования, превы-
шающим время реверберации исследуемого помещения. Далее
этот импульсный сигнал усиливается и излучается в помещение.
Приемная часть установки содержит измерительный микрофон
ИМ, микрофонный усилитель МУ, логарифмирующее устройство
ЛУ, запоминающий осциллограф 30, магнитофон М, аналого-
цифровой преобразователь АЦП, ЭВМ, необходимую для обработ-
ки результатов измерений в лабораторных условиях после их за-
писи на магнитную ленту, и цепь управления и синхронизации с
выключателем ВК-
Для получения стабильных результатов производится усредне-
ние по меньшей мере пяти реализаций импульсных откликов в
каждой точке расположения ИМ. Энергетические критерии каче-
ства помещения вычисляются с помощью ЭВМ.
t
Типичная зависимость изменения энергии Е (/)= f р^в (t)dt импульс-
о
кого отклика р3в(0 помещения во времени t (рис. 4.25,а) носит
нарастающий характер, достигая 1 при 1,5 с. Здесь в качестве
испытательного сигнала выбрана импульсная посылка, сформи-
рованная из ЧМ колебания с несущей частотой 250 Гц. На
144
Рис. 4.25. Зависимости изменения энергии импульсного отклика помещения (а) и-
уровня звукового давления (в) во времени, а также критерия «пространственное
впечатление» от частоты (б)
о
-10
—20
О 40 80 120 160 200 t,MC
О 40 80 120 160 200 t,MC
рис. 4.25,6 приведена частотная зависимость критерия «простран-
ственное впечатление», полученная для радиовещательной студии
объемом 4800 м3.
В табл. 4.3 представлены результаты оценки дополнительных
энергетических критериев для трех музыкальных студий, одна из
которых (№ 3), по мнению звукорежиссеров, имеет неудовлетво-
рительные акустические характеристики, и концертного зала. Дан-
ные усреднены по всем точкам расположения измерительного мик-
рофона. В качестве испытательного сигнала использовались выст-
релы стартового пистолета. Значение Еоо подсчитывалось за ин-
тервал времени 1,5 с, считая с момента поступления в точку из-
мерения сигнала прямого звука.
Зависимости, показывающие изменение уровня импульсного от-
клика помещения во времени (рис. 4.25,в), позволяют получить
Таблица 4.3
Помещение Объем, м3 Время ре- вербера- ции, с, на частоте 1 кГц Четкость, дБ Прозрач- ность, дБ Гулкость, дВ Простран- ственное впечатл е- ние, дБ
Студия № 1 7800 1,9 -6,9 —3,0 5,9 ~1,3
Студия № 2 4800 1,9 —6,2 —2,9 5,0 0,5
Студия № 3 9000 2,1 —8,5 —5,0 7,4 —4,1
Концертный зал 16 000 2,3 —7,0 —2,1 6,0
10—6697
145
дополнительную информацию о структуре отзвука помещения.
Сигналом, возбуждающим отклик, служили импульсы малой дли-
тельности, вырезанные коммутатором из ЧМ колебаний с разными
несущими частотами Fq. Здесь 1 — группа первых (полезных) от-
ражений, обогащающих звучание; 2, 3 и 4 — группы более поздних
отражений, приводящие к резкому повышению уровня. Если эти
энергетические всплески отстоят друг от друга на значение тпор.
превышающее 50 мс, то при слуховом восприятии они рождают
эффект, известный как «порхающее эхо». Это явление—акустиче-
ский дефект студии и может быть устранено соответствующим
подбором и размещением звукопоглощающих материалов.
4.10.3. ИЗМЕРЕНИЕ ЗВУКОИЗОЛЯЦИИ ПЕРЕГОРОДОК
При измерении исследуемую перегородку 2 размещают в прое-
ме между двумя реверберационными камерами (рис. 4.26). Для
исключения связи по контуру перегородка по периметру монтиру-
ется в проеме через упругие виброизолирующие прокладки 1. В од-
ной из камер, называемой помещением высокого уровня ПВУ,
излучается Гр последовательно сигнал в виде 1/3-октавных шумо-
вых полос со среднегеометрическими частотами 100, 125,..., 2500,
3150 Гц. Для каждой 1/3-октавной полосы определяются усреднен-
ные по объему ПВУ уровни звукового давления Nai- Одновремен-
но в смежной камере — помещении низкого уровня ПНУ — также
определяются усредненные по объему значения N32- Звукоизоля-
ция перегородки для каждой 1/3-октавной шумовой полосы нахо-
дится по формуле
on = Nla-Na2+ 101g (Зп/Л), (4.56)
где Sn — площадь перегородки, м2; А — звукопоглощение, м2,
в ПНУ. Измерительные микрофоны в реверберационных камерах
располагают на вращающихся штативах, а сами измерения вы-
полняют в автоматическом режиме с помощью анализатора 4418
фирмы «Брюль и Къер», в запоминающее устройство которого
L-----------------
•*----------------------- I
Цепьсинхронизации^ _для_ _]
"управления движением штативов
Анализатор
4418
Рис. 4.26. Схема измере-
ния коэффициента звуко-
изоляции перегородок
146
предварительно вводят значения 5П и А. Анализатор автоматиче-
ски усредняет уровень звукового давления для разных положений
перемещаемых микрофонов и вычисляет значения оп по формуле
(4.56), выдавая полученные результаты в цифровой форме.
4 10.4. ИЗМЕРЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА
ЗВУКОПОГЛОЩЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ И КОНСТРУКЦИЙ
Используя реверберационную камеру, измеряют время ревер-
берации до (Гр') и после (Гр") внесения туда звукопоглощающего-
материала площадью 3. Коэффициент звукопоглощения рассчиты-
вают по формуле
а= s ( — ТрГ (4-о7>
где V — объем камеры, м3.
Контрольные вопросы
1. Каково назначение студий? Из каких соображений выбираются их гео-
метрические размеры?
2. Что называется спектром собственных частот студий? Как он выглядит?
Как влияет на слуховое восприятие?
3. Что называют основным, дополнительным и добавочным фондами звуко-
поглощения студии? Как эти величины определяются?
4. Изобразите графически временную структуру реверберационного процесса
в помещении. Поясните его особенности.
5. Как выглядит кратковременная корреляционная функция импульсного от-
клика помещения? Какие выводы могут быть сделаны из анализа ее формы?
6. Поясните особенности слухового восприятия реверберационного процесса
первичного помещения при стереовоспроизведении.
7. Изобразите процессы нарастания и спада звуковой энергии в помещении.
Оцените их влияние на слуховое восприятие.
7. Чем определяется длительность процесса реверберации в студии? Как ее
можно измерить?
9. Определите понятия: время стандартной реверберации, акустическое от-
ношение, эквивалентная реверберация, разборчивость, четкость.
10. Что называется оптимальной реверберацией? Зависит ли эта величина
от объема помещения, жанра программы, частоты? Постройте типовые зависи-
мости изменения оптимальной реверберации от частоты для речевых и музы-
кальных сигналов.
12. Назовите дополнительные критерии акустического качества помещений.
Как их можно измерить?
13. Чему равен допустимый уровень звукового фона в студии? Как обеспе-
чивается звукоизоляция студий от внешних источников шума?
14. Каковы оперативные методы изменения реверберации в студнях?
15. Какие акустические измерения можно выполнить в реверберационной ка-
мере, в заглушенной камере? Нарисуйте схемы соответствующих эксперимен-
тальных установок н поясните суть этих измерений.
10*
147
Глава 5. СИСТЕМЫ ОЗВУЧЕНИЯ
И ЗВУКОУСИЛЕНИЯ
5.1. НАЗНАЧЕНИЕ СИСТЕМ ОЗВУЧЕНИЯ И
ЗВУКОУСИЛЕНИЯ
Системы озвучения и звукоусиления представляют собой сово-
купность усилительных и электроакустических устройств, предназ-
наченных для воспроизведения звукового сигнала и обеспечиваю-
щих хорошую слышимость на достаточно большой площади как в
закрытых помещениях, так и на открытых пространствах. Звуко-
усиление применяют тогда, когда мощность первичного источника
•сигнала (оратора, певца, музыканта и т. п.) недостаточна для
создания необходимого уровня сигнала на местах, занятых слу-
шателями. В закрытых помещениях с нормальными акустически-
ми условиями (отсутствие акустических дефектов помещения, не-
высокий уровень шума) звукоусиление, как правило, требуется
при объемах свыше 2000 м3 и при расстояниях до слушателей свы-
ше 25 м. В переглушенных помещениях и при высоком уровне шу-
мов звукоусиление может понадобиться и при меньших объемах
и расстояниях. Для передачи на открытом воздухе всегда приме-
няют звукоусиление.
Система звукоусиления отличается от системы озвучения нали-
чием акустической обратной связи, обусловленной тем, что микро-
фон, принимающий сигнал для усиления, находится в звуковом
поле громкоговорителей, излучающих усиленный сигнал. Поэтому
система звукоусиления потенциально неустойчива и при некоторых
условиях может перейти в режим генерации. В зависимости от
расположения громкоговорителей по отношению к озвучиваемой
площади системы озвучения и звукоусиления подразделяют на со-
средоточенные, зональные и распределенные.
5.2. ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ
К СИСТЕМАМ ОЗВУЧЕНИЯ И
ЗВУКОУСИЛЕНИЯ
В зависимости от назначения (высококачественное усиление
речи и музыки, озвучение улиц парков, площадей, усиление сиг-
налов оповещения в условиях повышенных шумов и т. п.) системы
озвучения и звукоусиления должны удовлетворять не только об-
щим требованиям (полоса воспроизводимых частот, частотные и
нелинейные искажения), но и некоторым специальным. В частно-
сти, система озвучения и звукоусиления на озвучиваемой площади
должна обеспечить необходимый уровень звукового поля (акусти-
148
ческий уровень), допустимую неравномерность его, слитность зву-
чания, локализацию источников звука, понятность речи.
Необходимый уровень звукового поля Na зависит от назначе-
ния систем озвучения и звукоусиления. Высококачественные си-
стемы работают при малых уровнях шума (40...45 дБ). В таких
системах максимальный акустический уровень Na определяется
из условия естественности звучания первичных источников сигна-
ла. Поэтому при воспроизведении музыкальных программ необхо-
димо обеспечить на местах слушателей Na = 90...94 дБ (такой
уровень развивает симфонический оркестр в (10... 12)-м рядах
партера), а при усилении речи — 80...86 дБ, что примерно соот-
ветствует акустическому уровню, создаваемому оратором на рас-
стоянии 1... 1,5 м.
В тех случаях, когда система озвучения должна создавать
лишь музыкальный фон (например, в парках и других местах мас-
сового отдыха), который не должен мешать нормальному разгово-
ру, акустический уровень необходимо ограничить 65... 75 дБ. Не-
обходимые акустические уровни для речевых передач определяют-
ся понятностью речи (см. § 5.6), вследствие чего их не нормируют.
Неравномерность звукового поля ANa— разность между мак-
симальным и минимальным акустическими уровнями на озвучи-
ваемой площади. Неравномерность звукового поля зависит от
двух факторов: распределения уровней прямого звука и интерфе-
ренцией звуковых волн, приходящих от разных излучателей. В ре-
зультате акустический уровень на всей озвучиваемой площади
имеет разное значение. При воспроизведении музыки принимается
предельное значение ANa^6 дБ, при воспроизведении речи ANa^7
5^8 дБ.
Слитность звучания — отсутствие заметного или мешающего
эхо. Эхо может появиться, если к слушателю будут приходить не-
сколько звуковых сигналов с запаздыванием во времени. Для му-
зыкальных передач эхо не должно быть заметно. Для речевых пе-
редач эхо может быть заметно, но не должно снижать понятности
речи. Слитность звучания обеспечивается определенными соотно-
шениями уровней прямого и запаздывающих сигналов с разным
временем запаздывания (см. гл. 2).
Локализация источников звука — слуховое ощущение местона-
хождения кажущегося источника звука. Наилучшее восприятие
звучаний получается при совпадении зрительного образа со слу-
ховым.
5.3. СОСРЕДОТОЧЕННЫЕ СИСТЕМЫ
Сосредоточенными называют системы, в которых звук к слу-
шателю приходит как бы из одной точки пространства. Все гром-
коговорители располагаются в одном месте на небольшом расстоя-
нии друг от друга. Если озвучивается зал театра или концертный
149
Рис. 5.1. Размещение громкоговори-
телей над сценой (а) и на стенах (б)
при озвучении помещения сосредото-
ченными системами
зал, то громкоговорители могут располагаться над сценой
(рис. 5.1,а), по бокам ее (рис. 5.1,6) или в центре помещения.
Сосредоточенные системы обеспечивают наилучшее соответст-
вие зрительного и звукового образов и поэтому широко использу-
ются при стереофоническом звукоусилении. Их применяют при
звукоусилении речевых и музыкальных сигналов на открытых про-
странствах и в закрытых помещениях. К особенностям этих си-
стем относится трудность обеспечения малой неравномерности
звукового поля на озвучиваемой площади, когда ее размеры ве-
лики.
Рупорные системы. Рупорные громкоговорители могут иметь
прямоугольное и круглое выходное отверстие. Пространственная
характеристика направленности рупорного громкоговорителя до-
статочно хорошо аппроксимируется эллипсоидом вращения, вер-
шина которого находится в рабочем месте излучателя. Диаграмма
направленности громкоговорителя с прямоугольным сечением ру-
пора в плоскостях, параллельных длинной и короткой сторонам
выходного отверстия, различна: шире в плоскости, параллельной
короткой стороне. Диаграмма направленности рупорного громко-
говорителя с круглым выходным отверстием одинакова во всех
плоскостях. В полярных координатах, центр которых совмещен с
вершиной эллипса, характеристика направленности громкоговори-
теля с круглым выходным отверстием имеет вид
£) (0) _ (1 ~ g2)cos6
1 — ег cos 9
(5-1)
где е — эксцентриситет аппроксимирующего эллипса.
Рассмотрим распределение акустических уровней на площади,
озвучиваемой рупорным громкоговорителем. Расположим громко-
говоритель на высоте h над озвучиваемой поверхностью и напра-
вим его рабочую ось на наиболее удаленную точку поверхности А,
расположенную на расстоянии г0 от центра выходного отверстия
громкоговорителя (точка О).
Эллиптическая диаграмма направленности громкоговорителя в
вертикальной плоскости (рис. 5.2) построена в полярных коорди-
натах с центром в точке О по формуле r=r0D(8) для е=0,9 и
150
рис 5.2. Эллиптическая диаграмма направ-
ленности громкоговорителя в вертикальной
плоскости
озвучиваемой площади в форме
эллипса. Поверхность диаграммы
направленности рупора есть поверх-
ность равных звуковых давлений
(например, равных р1Пд), поэтому
на протяжение всей кривой назем-
ного эллипса акустические уровни
будут одинаковыми и равными N3a
Внутри площади надземного эл-
липса уровни будут больше. Вне зоны
озвучения, в том числе и
на участках, лежащих между наземным эллипсом и проекцией
точки подвеса громкоговорителя на озвучиваемую поверхность, аку-
стический уровень будет меньше, чем в удаленной точке А, т. е.
это будет необслуживаемая зона. Существует точка (в данном
случае В), в которой акустический уровень Л^ав будет максималь-
ным и неравномерность уровней звукового поля в пределах озву-
чиваемой площади ANa—Nas—NaA- При увеличении высоты под-
веса громкоговорителя h уменьшается и неравномерность звуко-
вого поля, однако при этом уменьшается и площадь наземного
эллипса.
Громкоговорители с прямоугольным рупором имеют разные
характеристики направленности в вертикальной и горизонтальной
плоскостях. Эти характеристики также могут быть аппроксимиро-
ваны эллипсами с эксцентриситетами соответственно ев и ег. При
этом неравномерность звукового поля будет определяться харак-
теристикой направленности в вертикальной плоскости, а размеры
наземного эллипса — характеристиками направленности как в вер-
тикальной, так и в горизонтальной плоскости.
Если поверхность озвучения сложной формы, то неравномер-
ность озвучения определяют методом координат (рис. 5.3). При
этом вершину эллипса помещают в центре координат, ось и сов-
мещают с большой осью эллипсоида вращения, ось w — с про-
дольной осью выходного отверстия рупора, а ось v — с попереч-
ной. Звуковое давление, создаваемое рупорным громкоговорите-
лем в произвольной точке с координатами и, w, v:
P3S = Api« / ("2 +
V2
1 — er2
(5.2)
где p3Bi — звуковое давление на расстоянии I м от рабочего цент-
ра излучателя.
Обычно координаты точек, в которых определяется звуковое
давление, проще задавать в системе х, у, z. Начало координат
151
Рис. 5.3. Преобразование системы
координат при расчете звуковых по-
лей
Рис. 5.4. Диаграмма, поясняющая рас-
чет озвучения плоской поверхности
звуковой колонкой
(точка О') этой системы размещают в горизонтальной плоскости,
принятой за нулевую при отсчете высоты, ось О'х совмещают с
проекцией акустической оси громкоговорителя на горизонтальную
плоскость.
Как правило, поле рассчитывают на высоте hc голов слушате-
лей. Для сидящих слушателей она принимается равной 1,2 м, а
для стоящих— 1,6 м. Координаты точек а(х, у, z), расположенных
в плоскости ушей слушателей, в координатной системе и, w, v оп-
ределяются выражениями
lX I /;2
и = X cos а -4- h sin а = -
(Л2-|-Л2
» ="у, (5.3 )
, h(x— I)
W = X sin а — h COS а = ~ ,
Vl2 — h2
где h — высота подвеса громкоговорителя над головами слушате-
лей; l — hctga.
Из-за сравнительно низких параметров качества рупорные
громкоговорители применяют в основном для передачи речи.
Звуковые колонки. Для озвучения больших площадей часто
удобно применять излучающие устройства, обладающие в верти-
кальной плоскости значительно большей направленностью, чем в
горизонтальной. Звуковые колонки и являются такого рода излу-
чателями. В горизонтальной плоскости направленность звуковой
колонки (см. гл. 3) практически не отличается от направленности
одиночного громкоговорителя того же типа. Однако характеристи-
ка направленности цепочки громкоговорителей в вертикальной
152
плоскости, значительно обостряется из-за интерференции излуче-
ний отдельных громкоговорителей.
Пространственная характеристика направленности звуковой
колонки аппроксимируется половиной эллипсоида вращения.
В точке с координатами и, и, w звуковой колонкой создается зву-
ковое давление
= + (5.4)
где Рзвь ев, ег имеют те же значения, что и для рупорного громко-
говорителя. Значения ев и ег приводятся в справочниках. Напри-
мер, для звуковой колонки типа 10КЗ-2 ев = 0,97; ег = 0,9, а для
25КЗ-2 ев = 0,976 и ег —0,9. Как и для рупорного громкоговори-
теля, точки па озвучиваемой поверхности задают в системе коор-
динат х, у, z, а к координатам и, w, v переходят с помощью фор-
мул (5.3).
Расположим звуковую колонку на высоте h над озвучиваемой
(горизонтальной) поверхностью и акустическую ось направим на
удаленную точку А (рис. 5.4). При этом наклон акустической оси
составит а= arctg (h/l), где I — расстояние между проекцией точ-
ки подвеса колонки на горизонтальную плоскость (точка О) и
удаленной точкой А. Озвучиваемая площадь, как и для рупорного
громкоговорителя, будет ограничена контуром в форме эллипса.
Акустические уровни на контурной линии равны Nsa, а на озву-
чиваемой поверхности превышают это значение.
В зависимости от высоты подвеса и угла наклона звуковой ко-
лонки к озвучиваемой поверхности можно получить разное значе-
ние акустического уровня под звуковой колонкой (в точке О).
Звуковую колонку можно расположить так, чтобы акусти-
ческие уровни в точках О и А были равны (2 на рис. 5.4). В этом
случае высота подвеса hml^l—е2в, а неравномерность звукового
поля ANa = 101g2е2в. Так как для большинства звуковых колонок
ев = 0,97... 0,98, то й»0,25/ и ANa«3 дБ. Максимальный акусти-
ческий уровень, равный Na.„aKC=Na^+3 дБ будет находиться в
середине наземного эллипса (точка В).
При уменьшении высоты подвеса уровень звука под колонкой
будет больше, чем в удаленной точке А' (/на рис. 5.4), а при уве-
личении h— меньше (3 на рис. 5.4). Первый вариант преимущест-
венно применяют в системах озвучения, третий — при звукоусиле-
нии, когда под излучателем расположен источник звука.
При озвучении открытых пространств одним из требований
является локализация звукового поля. Стремятся снизить уровень
звукового поля за пределами озвучиваемой зоны. Необходи-
мо, чтобы разность хода звуковых волн удаленных друг от друга
громкоговорителей и разность уровней звука, создаваемых ими,
обеспечивали незаметность эха. Эхо, образуемое за счет отраже-
153
ний от различных строений, также можно нейтрализовать путем
«подзвучивания» дополнительными излучателями с временной за-
держкой, определяемой расстоянием до громкоговорителя.
Переход от сосредоточенной системы озвучения к зональной
или распределенной также помогает снизить эхо.
Радиальный громкоговоритель. Это групповой излучатель с вер-
тикально ориентированной осью симметрии поля излучения. В вер-
тикальной плоскости радиальные громкоговорители имеют диаг-
рамму направленности грушевидной формы (максимум излучения
получается под углом а=60...80° к вертикали). В горизонтальной
плоскости диаграмма не направлена.
Установим радиальный громкоговоритель на высоте h над оз-
вучиваемой поверхностью (рис. 5.5). Если считать радиальный
громкоговоритель ненаправленным излучателем, то давление под
громкоговорителем (точка О) и в точке А озвучиваемой поверхно-
сти определяется следующими выражениями:
PlB = PlJV, (5.5)
Pc2B=P2SBi/(h2 + '2). (5.6)
где pi имеет то же значение, что и для рупорного громкоговори-
теля.
При этом неравномерность излучения
AMa=101g(l+/2//i2). (5.7)
В действительности из-за грушевидной диаграммы направлен-
ности неравномерность звукового поля, создаваемого радиальным
громкоговорителем, в интервале а=70...80° имеет на 5...7 дБ
меньшее значение.
Звуковое поле, создаваемое одним громкоговорителем, опреде-
ляется по формуле (5.2) для рупорного громкоговорителя (5.4)
для звуковой колонки (5.5) и (5.6) для радиального громкогово-
рителя.
Для более сложных сосредоточенных систем результирующее
звуковое давление, создаваемое всеми громкоговорителями в ис-
следуемой точке
Т’зве = /^1+^2+ - • (5-8>
Неравномерность озвучения АМа = 20^(рзвгмакс/Рзвгмин), где
РзвЕмакс и Рзвгмин — максимальное и минимальное давления.
5.4. ЗОНАЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ
Зональными называют такие системы, в которых озвучиваемая
площадь разбивается на ряд зон, в каждой зоне звуковое поле
создается отдельными громкоговорителями (или группой близко
154
Рис. 5.5. Диаграмма,
поясняющая расчет
озвучения плоской по-
верхности радиаль-
ным громкоговорите-
лем
Рис. 5.6. Диаграмма,
поясняющая расчет
озвучения площади
зональной системой
тельных громкогово-
рителей, размещенных
над балконом
расположенных громкоговорителей). Эти системы обычно приме-
няют для озвучения больших площадей открытых пространств:
парков, производственных территорий, улиц (рис. 5.6). Однако зо-
нальные системы можно использовать в комбинации с сосредото-
ченной системой, когда последняя не позволяет обеспечить требуе-
мый уровень и заданную неравномерность звукового поля на всей
площади, занятой слушателями, например в залах сложной фор-
мы места слушателей, расположенные на балконе, оказываются
иногда экранированными от звукового поля громкоговорителей
сосредоточенной системы (рис. 5.7).
В зональных системах звуковое поле создается звуковыми ко-
лонками, радиальными или рупорными громкоговорителями. Гром-
коговорители располагают так, чтобы их зоны озвучения частич-
но перекрывались и покрывали всю озвучиваемую поверхность.
Наиболее удобным для зонального озвучения больших площа-
дей являются радиальные громкоговорители, которые устанавли-
вают в центрах зон (рис. 5.6). При расчете неравномерности зву-
кового поля учитывают, что уровень поля на границе соседних
участков за счет суммирования излучения от двух громкоговори-
телей повышается на 3 дБ (5.8) по сравнению с акустическим
уровнем, создаваемым одним громкоговорителем. В то же время
в углах суммируется излучение четырех громкоговорителей и аку-
стический уровень за счет этого повышается на 6 дБ. Вдоль гра-
ницы зоны акустический уровень почти не меняется. Внутри каж-
дой зоны уровень можно определить по выражениям (5.5) и (5.6)
с учетом реальной характеристики направленности. Зная распре-
деление звуковых давлений в зоне и на ее границе, можно оценить
неравномерность озвучения.
В зональных системах возможно появление эха, создаваемого
отдельными громкоговорителями. Эхо может искажать звуковос-
произведение, поэтому для отдельных наиболее характерных об-
ластей зон рассчитывают время запаздывания между сигналами
155
ближнего и дальнего громкоговорителей и разность их уровней.
Обычно такую проверку проводят при использовании звуковых ко-
лонок и рупорных громкоговорителей.
5.5. РАСПРЕДЕЛЕННЫЕ СИСТЕМЫ
Распределенными называют системы, в которых звук к слуша-
телю приходит от всех или большей части громкоговорителей с
примерно одинаковым уровнем. Ряд громкоговорителей, располо-
женных так, что их акустические оси взаимно параллельны и на-
правлены в одну сторону, образуют так называемую одномерную
или линейную цепочку. На открытом пространстве такая цепочка
образуется из громкоговорителей, установленных на специальных
мачтах (рис. 5.8). В закрытых помещениях одномерная цепочка
составляется из громкоговорителей, расположенных на одной
(рис. 5.9,я) или на двух (рис. 5.9,6) боковых стенах помещения
или на потолке в виде одной или двух цепочек. Двумерная распре-
деленная система (рис. 5.9,в) образуется громкоговорителями,
расположенными по всему потолку. Широкое распространение
получили распределенная система кресельных громкоговорителей
небольшой мощности (порядка 0,5 Вт), располагаемых в спинках
кресел. Уровень звукового поля у слушателя при этом создается
в основном своим и соседними громкоговорителями.
В рассмотренных распределенных системах слуховой и зри-
тельный образы не совпадают. Исключением является одномерная
цепочка, располагаемая на передней стенке зала. Распределенные
системы применяют при озвучении аллей, при звукоусилении.
В ряде случаев комбинируют со-
Рис. 5.8. Диаграмма, поясняющая
расчет озвучения площади распреде-
ленной системой
средоточенную и распределенную
системы звукоусиления.
Распределенные системы при
озвучении открытых пространств.
Они представляют собой линей-
ные цепочки ненаправленных и
направленных громкоговорите-
лей. Если расстояние г от ли-
нейной цепочки ненаправленных
громкоговорителей до озвучивае-
мой поверхности (рис. 5.8, за-
штрихованный участок между
линиями 1—1' и 2—2') больше
половины расстояния между
громкоговорителями 2d (шаг це-
почки), то неравномерностью по-
ля в направлении, параллельном
цепочке (линии 1—Г и 2—2'),
156
Рис. 5.9. Схемы одно- (а, б) и двумерной (е) распределенных систем
можно пренебречь, т. е. p3sAi = рзв3 и /2звЛ/ = рзвВ,. В этом слу-
чае (r>d) звуковое давление в исследуемой точке
Рз» = /’з»1/1'/(2М
(5.9>
а неравномерность звукового поля в поперечном направлении (на
линиях А—А', В—В')
ANa=101g(rMaKC/rM„H), (5.10)
где p3Bi — давление на расстоянии 1 м от выходного отверстия
громкоговорителя; г — расстояние от громкоговорителя до иссле-
дуемой точки; гМакс и гМин — расстояние от цепочки громкоговори-
телей до дальнего и ближнего краев озвучиваемой поверхности.
Следует отметить, что выражение (5.9) справедливо для тех
точек поля, для которых расстояние до цепочки г меньше, чем рас-
стояние до конца цепочки. На краю цепочки звуковое давление
снижается на 3 дБ.
Если высота подвеса громкоговорителя h^>d, то условие r^>d
будет выполняться для поверхности, ближний край которого нахо-
дится под цепочкой (Zi = 0), и формула (5.10) принимает вид
ANa = 51g(l+&W),
(5.11)
где b — l2—li — ширина озвучиваемой зоны.
Если в качестве излучателей используют направленные громко-
говорители, например звуковые колонки, расположенные верти-
кально, то расчет линейной цепочки можно свести к расчету це-
почки эквивалентных ненаправленных громкоговорителей, пред-
варительно деформировав масштабы по осям О — О'(2d)
(рис. 5.8) соответственно в 1/yi—е2в и 1/yi—е2г раз.
157
С учетом этого при расчете звукового давления формулу (5.9)
вместо d следует подставить d' = d^\—е2г, а в формуле (5.10)
значения г заменить r'=^l2-\-h21 (1—е2г), где I — расстояние от
цепочки громкоговорителей до исследуемой точки (рис. 5.8).
Большие зоны, где проявляется эхо, могут вознкнуть при озву-
чении длинных улиц. Их можно избежать, используя метод озву-
чения бегущей волной. Для этого между громкоговорителями
включают линии задержки, причем время задержки должно быть
равно времени прохождения звука между громкоговорителями.
При этом звуковые волны будут приходить к следующему гром-
коговорителю синхронно с его излучением.
Распределенные системы в закрытых помещениях. В закрытых
помещениях, как правило, расстояние от озвучиваемой- поверхно-
сти до цепочки г (рис. 5.9,а) больше половины шага d, поэтому
давление, создаваемое одной цепочкой ненаправленных громкого-
ворителей определяется выражением (5.9), а для двух цепочек
(рис. 5.9,6) —выражением
Лв-Лвт]/’(-+-)’ (5J2)
V 2d \ i\ г2 !
тде Г[ и г2 — расстояния от цепочек до исследуемой точки
(рис. 5.9,6).
Неравномерность озвучения в поперечном направлении опре-
деляется как разность уровней под цепочкой и на средней линии
помещения. Расчеты показывают, что при высоте подвеса гром-
коговорителя h~^d},3b и применении двух параллельных линейных
цепочек (Ь— расстояние между цепочками) неравномерность зву-
кового поля по ширине помещения будет меньше 1 дБ, а неравно-
мерность озвучения по длине помещения при h^d не более 1 дБ.
В случае применения одной линейной цепочки неравномерность
озвучения определяется по формуле (5.10) и не превышает 3 дБ
при /г^0,55&, а при h~^. 1,3& ANa<I дБ. Таким образом, если ши-
рина помещения b равна или меньше высоты, целесообразно при-
менять одну линейную цепочку громкоговорителей. При этом мож-
но обеспечить ANa = 1...3 дБ. Если же ширина помещения в два
раза больше его высоты, то для получения такого же значения
ANa необходимо применять две параллельные цепочки. При хоро-
шо отражающих стенах (коэффициент поглощения менее 0,4) ха-
рактеристики звукового поля одиночной цепочки определяются
так же, как и в случае двух параллельных цепочек, но в расчет-
ные формулы необходимо подставлять удвоенное значение шири-
ны помещения.
В помещениях больших размеров настенные линейные цепочки
ненаправленных громкоговорителей не позволяют обеспечить тре-
буемой неравномерности звукового поля. В этом случае применя-
ют звуковые колонки. Обычно, если ширина помещения не превы-
158 .
шает 10... 12 м, используют одну настенную цепочку из звуковых
колонок малой и средней мощности. Звуковые колонки располага-
ют на боковых стенах так, чтобы их акустические оси в случае
применения одной цепочки были направлены в противоположную
стену помещения (рис. 5.9,я), а в случае применения двух — по
продольной оси помещения (рис. 5.9,6). В закрытом помещении
высота h цепочки, как правило, больше половины ее шага d, по-
этому неравномерность звукового поля определяется лишь нерав-
номерностью по ширине помещения.
Если применяется одна цепочка звуковых колонок, то давления
под цепочкой и в точке будут одинаковы при hivbyi—е2в.
В этом случае неравномерность озвучения ANa = 51g(2e2B). Для
обеспечения минимальной неравномерности звукового поля опти-
мальной является высота h=b^\—е2в. Две цепочки звуковых ко-
лонок применяют при ширине помещения 12 ...30 м. При высоте
установки колонок h — Q,bb^\—e2B неравномерность звукового по-
ля не будет превышать 1 дБ.
Решетку ненаправленных громкоговорителей располагают на
потолке (рис. 5.9,s). При такой системе расположения громкого-
ворителей, когда h~^d (практически это условие всегда выполня-
ется), излучаемая звуковая волна близка к плоской. В этом слу-
чае неравномерность озвучения не превышает 1 дБ, а звуковое
давление на озвучиваемой площади не зависит от расстояния:
/?зв = Рзв11/'2ад/5, (5.13)
где п — число громкоговорителей; S — площадь решетки громко-
говорителей.
5.6. ПОНЯТНОСТЬ И РАЗБОРЧИВОСТЬ РЕЧИ
Понятность речи — характеристика, определяющая пригодность
тракта для передачи сигналов речи, может быть оценена косвенно
через ее разборчивость. Разборчивостью речи называют относи-
тельное или процентное количество принятых элементов речи из
общего числа переданных по тракту. Различают слоговую, словес-
ную и смысловую разборчивость. Между ними существуют стати-
стическая взаимосвязь. Принято понятность речи оценивать че-
тырьмя градациями: отличная, хорошая, удовлетворительная и
предельно допустимая.
При отличной понятности слушатель воспринимает речь без
переспросов, при хорошей возникает необходимость в переспросах
редко встречающихся слов. Частые переспросы являются призна-
ком удовлетворительной понятности. Наконец, многократные пере-
спросы одного и того же слова или фразы свидетельствуют о пре-
дельно допустимой понятности. В табл. 5.1 приведена зависимость,
понятности от смысловой и слоговой разборчивости речи. Причи-
159
Таблица 5.1
Разборчивость Понятность, %
предельно до- пустимая удовлетвори- тельная хорошая отличная
Слоговая 25...40 40...50 50...80 Выше 80
Словесная 75...87 87...93 93...98 Выше 98
ны снижения разборчивости — недостаточное усиление сигнала
первичного источника, акустические шумы в помещении и помехи
от диффузного звука и от реверберации.
В системах озвучения и звукоусиления, используемых для вос-
произведения речевых сигналов, необходимо обеспечивать требуе-
мую градацию понятности речи. При проведении митингов, соб-
раний, передаче информационных программ требуется отличная
понятность речи, которая обеспечивается, как следует из табл. 5.1,
при слоговой и словесной разборчивости соответственно 80 и
98... 99%. Для передачи служебных сообщений с меньшим объ-
емом информации (диспетчерская связь) полная понятность речи
получается при слоговой разборчивости около 50%. Следует отме-
тить, что в системах озвучения и звукоусиления стремятся обеспе-
чить возможно большую разборчивость речи, если это не приво-
дит к существенному удорожанию и усложнению системы.
Существует непосредственная связь между разборчивостью
речи, характеристиками трактов передачи и условиями приема.
Эта связь существует в рамках так называемой формантной тео-
рии. Частотные свойства артикуляционного аппарата человека та-
ковы, что звук речи произносится с усилением некоторых его спек-
тральных составляющих. На рис. 5.10 показан спектр звуков В и
Т русской речи. Область концентрации энергии в частном диапа-
зоне при произнесении какого-либо звука речи называется фор-
Рис. 5 10 Спектры звуковых
сигналов
Рис 5.11. Интегральные распределе-
ния уровней речи (а) и зависимости
слоговой и словесной разборчивости
от форматной (б)
160
мантой. Каждый звук имеет несколько формант. Расположение их
на оси частот зависит от индивидуальных особенностей артикуля-
ционного аппарата человека, а также от положения звука в слове,
форманты звуков речи заполняют весь частотный диапазон от
150 до 7000 Гц, условно поделенный на 20 полос, в каждой из ко-
торых вероятность появления формант одинакова. Такие полосы
частот называют полосами равной разборчивости, а суммарная ве-
роятность появления формант — формантной разборчивостью.
При достаточно большой продолжительности передаваемой ре-
чи вероятность появления формант в каждой полосе равной раз-
борчивости равна 1/20=0,05. Акустические шумы и другие помехи
маскируют форманты, если уровень последних меньше уровня шу-
мов и помех. В результате маскировки часть формант не будет
восприниматься слухом и разборчивость формант в &-й полосе
АА = 0,05^Ф, (5.14)
где kff — коэффициент восприятия формант в &-й полосе, зависит
от уровня ощущения формант (рис. 5.11,а)
£ф = 5Р-5ш, (5.15)
где Вр — средний спектральный уровень речи в полосе, равной раз-
борчивости; Вш— суммарный спектральный уровень всех шумов и
помех в той же полосе.
Общая формантная разборчивость в речевом диапазоне частот
20
л = о,о53*фп. ;; (5.16)
п=1
Между формантной и другими видами разборчивости сущест-
вуют определенные зависимости. Как видно из рис. 5.11,6, слого-
вая разборчивость VSa, равная 80%, и словесная Vw, равная
88%, соответствующие (отличной) понятности речи, получаются
при формантной разборчивости Уд, равной 0,5, т. е. в этом случае
воспринимается половина формант.
Исходя из формантного способа определения разборчивости
речи, в системе озвучения или звукоусиления необходимо опреде-
лить спектральный уровень прямого звука Врс у слушателя и сум-
марный спектральный уровень Вш шумов и помех в каждой поло-
се равной разборчивости для точек озвучиваемой поверхности с
минимальным уровнем прямого звука и максимальным уровнем
акустических шумов. Спектральный уровень прямого звука у слу-
шателя
Bp.c=5p4+QM.C, (5.17)
где Вр,м — спектральный уровень речи у микрофона в полосе рав-
ной разборчивости (определяется из таблиц); QM.C — индекс уси-
ления (индекс тракта) в этой полосе, представляющий разность
11—6697 161
между уровнями звука, создаваемыми громкоговорителем систе-
мы звукоусиления у уха слушателя и первичным источником зву-
ка на входе микрофона.
Для этих же полос спектральные уровни шумов и помех в мес-
те слушания
Вш = 101£(10°118>-ш+ IO0’18-), (5.18)
где Ва.ш — спектральный уровень акустических шумов (определя-
ется из таблиц);
ВП = ВР.С—21-РЛЛе (5.19)
— спектральный уровень помех от речи (самомаскировка речи);
= 10Ig5?+^+(50/3)lg7’P, (5.20)
lOlgJ? — составляющая диффузных помех (J?—акустическое отно-
шение); (50/3) Igfp— составляющая реверберационных помех
(Гр — время реверберации); NA — дифракционная поправка.
Для упрощения расчетов введено понятие рационального уси-
ления, при котором спектральный уровень помех для каждой ча-
стоты на 6 дБ выше спектрального уровня акустического шума:
Вп—Ва.ш=6 дБ. (5.21)
Из (5.18) следует, что при рациональном усилении
Вш=В„+1, (5.22)
т. е. вклад акустических шумов Ва.ш в общий уровень шумов и по-
мех невелик. Поэтому в помещении нецелесообразно применять
усиление больше рационального: при этом разборчивость речи су-
щественно не увеличивается (уровень ощущения только в пределе
может повыситься еще на 1 дБ), а стоимость аппаратуры возра-
стает.
Рациональный индекс тракта можно определить из выражений
(5.17), (5.19) —(5.21):
фрац—Ва.ш—Вр.м-]-27—Ns. (5.23)
Рациональное усиление, в основном, определяется максимальным
значением акустического отношения 5?макс и временем ревербера-
ции.
Если известны акустические шумы, время реверберации, аку-
стическое отношение и рациональный индекс тракта, то можно оп-
ределить разборчивость и понятность речи. Для этого по форму-
лам (5.17), (5.19) и (5.22) находят уровни речи, а также шумов
и помех, а по ним для каждой полосы равной разборчивости по
формуле (5.15) определяют уровень ощущения формант Еф. В со-
ответствии с полученным значением Еф из рис. 5.11,а находят ко-
эффициенты разборчивости k$ и формантную разборчивость А.
Слоговая разборчивость определяется по рис. 5.11,6, а соответст-
вующая понятность речи — по табл. 5.1.
162
5.7. ЗВУКОУСИЛЕНИЕ
Усиление звука применяют для увеличения акустического сиг-
нала в условиях, когда из-за недостаточной мощности источника
звука (оратор, чтец, солист и т. п.), больших размеров озвучивае-
мой поверхности или заглушенного помещения уровень звука в
месте расположения слушателя оказывается ниже требуемого.
Кроме повышения уровней первичных источников сигнала, систе-
ма звукоусиления может обеспечить передачу информации об их
расположении в пространстве. Такие системы звукоусиления от-
носят к стереофоническим. Обычно стереофонические системы
звукоусиления бывают многоканальными. Каждый из каналов на
входной стороне имеет группу микрофонов, расположенных у пер-
вичных источников сигнала, а выход каждого канала закрепляет-
ся за определенной группой громкоговорителей, обычно устанав-
ливаемых над сценой (рис. 5.1,а). Например, в большом зале
Кремлевского Дворца съездов установлена пятиканальная стерео-
фоническая система. Пять групп (по числу каналов) двухполос-
ных громкоговорителей мощностью 400 Вт в каждой группе рас-
положены над порталом сцены на расстоянии 8 м один от дру-
гого.
В залах многоцелевого назначения, в которых звукоусиление
организуется для разных по типу сигналов (речевых, симфониче-
ской, эстрадной, камерной музыки), невозможно обеспечить тре-
буемую частотную характеристику времени реверберации архитек-
турными приемами. Требования к акустическим свойствам поме-
щения определяются характером акустического сигнала. Опти-
мальное время реверберации в больших залах для речевого сиг-
нала 0,5 ...0,7 с, для музыкальных (в зависимости от жанра) —
1,3... 2,1 с (см. § 4.6). Поэтому в таких залах оптимальные аку-
стические условия для различных сигналов создаются специальной
системой звукоусиления, которая с помощью устройств искусст-
венной реверберации позволяет оперативно изменять время ревер-
берации. Такие системы звукоусиления называются амбиофониче-
скими. В залах многоцелевого назначения амбиофонические и
стереофонические системы звукоусиления работают совместно.
Система звукоусиления включает и систему озвучения, но в
первой (рис. 5.12) микрофон находится в звуковом поле громко-
говорителей. Последнее приводят к появлению акустической об-
ратной связи по цепи громкоговоритель — звуковое поле — микро-
фон— усилительное устройство — громкоговоритель. В открытом
пространстве обратная связь образуется только для прямого зву-
ка (рис. 5.12,а), так как уровень интенсивности прямого звука,
воздействующего на микрофон, значительно больше уровня интен-
сивности отраженного звука. В помещении обратная связь образу-
ется и для прямого, и для диффузного (рис. 5.12,6) звука.
Рассмотрим работу системы звукоусиления, когда акустиче-
11* 163
Рис. 5.12. Схемы образова-
ния обратной акустической
связи для прямого (а) и
диффузного (б) звука
екая обратная связь образуется для прямого звука. В этом случае
(рис. 5.12,а) звуковое давление, действующее на микрофон, со-
стоит из двух слагаемых: р3в.и.м, создаваемого первичным источни-
ком звука, и рзв.г.м, создаваемого громкоговорителем системы озву-
чения.
Коэффициентом акустической обратной связи называют отно-
шение
Рзъ.г м/(РЗВ.и м + /’зв.г.м)-
(5.24)
Эта величина в общем случае комплексная и имеет смысл для си-
нусодиальных сигналов: р = рое^ — £0(cos ф+j sin <р).
Если усилительная аппаратура вносит фазовый сдвиг фо, то
Ф=Фо+<от, где х—Цс— время пробега звука от громкоговорите-
ля, находящегося на расстоянии I от микрофона; ы — круговая
частота синусоидального сигнала; с — скорость звука. Независимо
от значения ф0 фаза в цепи обратной связи может принимать лю-
бое значение, определяемое длиной пути звука I и частотой <о.
Вследствие этого в рабочем диапазоне звуковых частот обратная
связь для одних частот может быть положительной (<р = 0; 2л;
4л;...), а для других — отрицательной (ф=л; Зл;...).
При неправильном выборе коэффициента акустической обрат-
ной связи система звукоусиления может перейти в режим генера-
ции или станут заметными специфические искажения сигнала.
Коэффициент передачи первичного сигнала для произвольной
точки озвучиваемой поверхности равен отношению звукового дав-
ления рзв.г.с, создаваемого громкоговорителем у слушателя, к дав-
лению, создаваемому у микрофона источником звука: Кх=
--Рзв.г.с/рзв.и.м*
Индекс тракта передачи QM.C (см. § 5.6) равен модулю коэффи-
циента передачи, выраженному в децибелах:
Q,, с = 201g | Кх I = 201g - 201g = Nar.c-Na„,4 (5.25)
Рзво Рзво
и, как видно из (5.25), определяется разностью между уровнями
Na.г.с звукового поля, создаваемым громкоговорителем у слушате-
ля, и Ыа.и.м поля, создаваемым источником звука у микрофона.
Модуль коэффициента передачи для синусоидального сигнала
164
с учетом (5.24) можно представить в виде
= Езъ г.с = ^зв.г.с £зв.г.м = £зв г.с Р =
£зв и.м ^зв г.м £зВ.И м р 1 р СзВ.Г м
Рчв.г.с £ _ Рзв.Г.С Ро
Рзв.г.м Рзв.г.м |/1 — 2Ро COS + Ро2 ’
(5.26)
С учетом (5.26) индекс тракта
QM.c = 201g|Kx| =Na.r.c—Na.r.M+201g^. (5.27)
Разность Na.г.с—Na.r.M зависит от частоты, поскольку с частотой
меняется характеристика направленности громкоговорителя. Од-
нако эти изменения не очень значительны и во всяком случае мед-
ленны. В то же время коэффициент /г = р0У1—2p0cos ср+₽о2 с ча-
стотой изменяется сравнительно быстро и регулярно. При частей
о / 2пп <р0 \ ,
тах, для которых 9 = 2-кп. (=------------— , cos у = 1 и
т т /
^ = ^макс = Ро/( 1—Ро) , (5.28)
/о , 2п -к 1 ®0 \ ,
а при у = (/« — 1) ти ( !— я----— cos у = — 1 и
\ х т /
& = &мин = ₽о/1 + ₽о- (5.29)
Как видно из (5.28) и (5.29), в системе звукоусиления акусти-
ческая обратная связь приводит к неравномерности частотной ха-
рактеристики коэффициента передачи: характеристика имеет фор-
му гребенки (рис. 5.13), причем интервал между соседними часто-
тами (если фазовый сдвиг ф0 с частотой изменяется не слишком
быстро) Дсо=юп—соп-1 = 2л:/т или Д/ =1 lx=cll. Неравномерность
частотной характеристики индекса тракта, обусловленная наличи-
ем акустической обратной связи, определяется из выражения
ANa = 201g = 201g 1+Ё2-. (5.30)
^мии 1 Ро
Наличие акустической связи вызывает эффект, схожий с явле-
нием реверберации. Кратковременный звук, возникающий перед
микрофоном и через время т излученный громкоговорителем с
меньшим уровнем, снова воздействует на микрофон. Это запазды-
вающее и ослабленное повторение начального звука будет снова
излучено громкоговорителем и через время т опять дойдет до мик-
рофона и т. д. Происходящий процесс похож на реверберационный
и называется регенеративной реверберацией. Из-за того, что ча-
стотная характеристика индекса тракта будет иметь форму гре-
бенки, звук через некоторое время приобретает тональную окрас-
ку, тем более заметную, чем больше коэффициент акустической
обратной связи.
Следует отметить, что этот эффект наступает раньше, чем си-
стема переходит в режим генерации. Поэтому можно считать, что
165
Рис. 5.13. Частотная характеристика коэф-
фициента передачи системы звукоусиления
^макс-----тг------г\~---- в закрытом помещении
\ \ он и ограничивает значение индек-
/ \ I \ са тракта в системе звукоусиления.
/ \ / \ В идеальном случае система
к __________звукоусиления должна обеспечить
и Г । лг । 4^ J во всех местах такой уровень поля,
при котором у слушателя создает-
п~1 п п+1 ся впечатление, что он находится
на оптимальном расстоянии от первичного источника звука. Му-
зыкальные передачи лучше слушать на расстоянии 20. ..12 м, а
речевые — на расстоянии 1...1.5 м от источника звука. Поскольку
в первом случае микрофон устанавливается на расстоянии 2...
.. .3 м от оркестра, а во втором — на расстоянии около 0,3 м от
выступающего, уровень звукового поля около микрофона будет
больше уровня поля около слушателей. С учетом этого оптималь-
ное значение индекса тракта для музыкальной передачи
Qm С = Na.r.c- м.и.ч = 201g = - (12... 16) дБ,
а для речевой передачи
QM.c= 201g—^4- = -(10... 14) дБ.
Для того чтобы рассматриваемая система звукоусиления рабо-
тала устойчиво и регенеративная реверберация не прослушива-
лась, коэффициент k ограничивают значением /?маКс = 0,25
(—12 дБ). Индекс тракта (5.27), соответствующий значению
201g k = —12 дБ, называют предельным фм.с.пред.
Если уровень, создаваемый одиночным громкоговорителем, в
точке расположения микрофона Na.r.M = Na.ro+2Olg/?r(0r), где
Na.ro = Na.ro — 201g I (Na го —уровень развиваемый громкогово-
рителем на расстоянии 1 м от него; I — расстояние между гром-
коговорителем и микрофоном); 7?Г(0Г)—характеристика направ-
ленности громкоговорителя (рис. 5.12,а), а /?М(0М)—характери-
стика направленности микрофона, учитывающая, что прямой звук
от громкоговорителя приходит под углом 0М к оси микрофона, то
предельный индекс тракта
Qm.с.пред= Na.r.c—Na г0—2Olg7?r(0r)+2Olg/?H(0M)-12. (5.31)
Для получения возможно большего предельного индекса трак-
та фм.с.пред необходимо уменьшать уровень, развиваемый громкого-
ворителем у микрофона. Для этого микрофон и громкоговоритель
разносят на максимально возможное расстояние друг от друга и
так их ориентируют, чтобы излучение громкоговорителей около
166 ।
микрофона было небольшим, а чувствительность микрофона в на-
правлении громкоговорителя была как можно меньше. Обычно в
системах звукоусиления применяют остронаправленные микрофо-
ны. Если же микрофон находится вне поля действия громкогово-
рителей, то акустическая обратная связь отсутствует и отпадает
необходимость борьбы с ней.
В помещениях уровень диффузного звука обычно значительно
превышает уровень прямого, поэтому подбором взаимного распо-
ложения громкоговорителей и микрофонов не удается избежать
генерации.
Если диффузная составляющая Na.« одинакова во всех точках
помещения (рис. 5.12,6), то
См.с.пред== Qm— 101g5?MaKc—12, (5.32)
где QM — индекс направленности микрофона для диффузного зву-
ка; 5?Макс — максимальное значение акустического отношения.
Если при выбранной системе звукоусиления предельный ин-
декс тракта недостаточен для получения требуемого уровня звука
у слушателя Na.r.c, то для увеличения фм.с.пред необходимо пони-
зить уровень диффузного звука и ослабить его влияние. Для это-
го применяют громкоговорители с большим коэффициентом осевой
концентрации и остронаправленные микрофоны, а также вблизи
микрофона располагают сильно поглощающие поверхности. Таким
образом, МОЖНО ПОВЫСИТЬ фм.с.пред на 6... 12 дБ.
Предельный индекс тракта зависит от частоты, так как харак-
теристики микрофона и громкоговорителей частотно-зависимы.
В связи с этим значение QM.c.npe« определяется для всего рабочего
диапазона частот. При правильно рассчитанной системе звукоуси-
ления частотная характеристика фактического индекса тракта
Фм.с.факт должна располагаться между частотными характеристи-
ками Рм.с.рац и фм.с.пред- Чем меньше плюсовые отклонения чувст-
вительности тракта от средней, тем устойчивей система звукоуси-
ления и тем выше средний уровень передачи.
Если частотная характеристика (?м.сфакт не укладывается в
указанные пределы, то применяют громкоговорители и микрофо-
ны с меньшими частотными искажениями или деформируют в
нужном направлении частотную характеристику усилительного
устройства.
Для звукоусиления речи одно из лучших средств против са-
мовозбуждения системы—-применение потолочной или кресельной
распределительных систем озвучения. Если звуковые колонки
установлены на боковых стенах, то для увеличения уровня прямо-
го звука оси колонок следует направлять перпендикулярно про-
дольной осевой линии помещения.
167*
- • > : 5.8. СИСТЕМЫ ОПОВЕЩЕНИЯ
- Системы оповещения — это системы озвучения для передачи информации
на железнодорожных и автовокзалах, аэропортах в торговых предприятиях
и т. п. Они используются как на открытых пространствах так и в закрытых по-
мещениях. В помещениях с высокими потолками применяют как сосредоточен-
ные, так и зональные системы озвучения. В обоих случаях рекомендуются на-
правленные излучатели. В помещениях с низкими потолками применяют распре-
деленные системы. В тех случаях, когда это возможно, следует использовать
потолочные системы. При этом влияние отражения от стен уменьшается, что
способствует повышению разборчивости.
В системах оповещения часто наблюдается высокий уровень шумов, кото-
рый может создаваться находящимися в помещении людьми и проникающими
извне помехами. Помещения, в которых организуется система оповещения,
обычно бывают гулкими, т. е имеют большое время реверберации. В таких по-
мещениях публика может составлять значительную часть фонда звукопоглоще-
ния. Общее число людей в помещении и их размещение могут существенно ме-
няться.
В гулких помещениях с большим уровнем шумов обычные системы озвуче-
ния не всегда дают удовлетворительные результаты. Это объясняется в основ-
ном тем, что для получения нужного превышения уровня шумов требуются
излучатели большой мощности, которые, в свою очередь, создают чрезмерно
большие реверберационные помехи. Поэтому при проектировании систем опо-
вещения в гулких помещениях обычно предусматривают специальные меры
В тех случаях, когда слушатели размещаются не по всей площади поме-
щения, применяют зональные системы с остронаправленными излучателям^.
Это позволяет при том же уровне прямого звука уменьшить общую акустиче-
скую мощность и тем самым повысить разборчивость речи
При воспроизведении речи в гулких помещениях основная энергия диффуз-
ного поля лежит в области сравнительно низких частот звукового диапазона
Это обусловлено двумя факторами: максимум энергии речевого сигнала лежит
в области 200 ... 500 Гц и время реверберации в таких помещениях сильно воз-
растает в области низших частот. Из-эа эффекта маскировки формантная раз-
борчивость при этом снижается во всем диапазоне частот. Используя частотную
коррекцию, можно понизить мощность излучения в области низших частот и
тем в значительной степени увеличивать разборчивость Для этого в электри-
ческом тракте устанавливают корректирующие контуры, вносящие затухание
6 дБ/окт, начиная с 500 .. 1000 Гц.
5.9. СИСТЕМЫ СИНХРОННОГО ПЕРЕВОДА
При проведении совещаний (конференций, съездов и т п) с многонацио-
нальным составом участников возникает необходимость в синхронном переводе
речи на несколько официальных языков, называемых рабочими Опыт проведе-
ния международных совещаний показывает, что число рабочих языков обычно
не превышает 6 ... 8. При построении системы синхронного перевода учитывают,
что каждый участник совещания должен иметь возможность прослушать высту-
пающего на любом из рабочих языков.
Комплекс технических средств, используемый для организации одновремен-
ного (синхронного) перевода речей ораторов на несколько языков, называют
системой синхронного перевода речей (СПР) (рис. 5 14).
Перед оратором установлен микрофон Мо, подключенный к усилителю Уо.
С выхода этого усилителя сигнал поступает на головные телефоны переводчи-
ка Тп (в кабину переводчика). Переводчик переводит речь выступающего на
требуемый рабочий язык и речевой сигнал с выхода микрофона Мп после уси-
лителя Уп через коммутационное устройство КУ и каналы связи КС поступает
к участникам конференции.
168
Рис 5.14. Упрощенная
структурная схема уста- -
новки синхронного пере-
вода речи
Различают два основных вида организации синхронного перевода речей:
прямой и двойной. При прямом переводе каждый переводчик должен перево-
дить с любого рабочего языка на закрепленный за ним рабочий язык. При этом
необходимо большое число переводчиков, знающих несколько языков. В то же
время нетрудно подобрать нужное число переводчиков, владеющих кроме свое-
го родного языка только одним иностранным.
Способ двойного перевода основан на том, что речь выступающего вначале
переводится на язык, знакомый всем переводчикам (так называемый осевой
язык), а с этого осевого языка на закрепленный за переводчиком рабочий
язык.
В СССР в основном применяют систему двойного перевода, хотя практи-
чески все типы установок допускают работ}' и в режиме прямого перевода; за-
рубежные установки, как правило, работают по системе прямого перевода.
Вид системы СПР определяется структурой канала связи. В проводных ус-
тановках в канал связи входят усилитель звуковой частоты, кабельная распре-
делительная сеть и абонентские устройства, в беспроводных — передатчик и або-
нентские приемники. Беспроводная передача основана на излучении АМ-колеба-
ний в диапазонах километровых и гектометровых волн Приемники, выполняе-
мые по схеме прямого усиления или по супергетеродинной схеме, обслуживают
3... 8 каналов. Каждому каналу соответствует определенная несущая частота,
модулируемая сигналом звуковой частоты, поступающим из закрепленной за
этим каналом кабины переводчика.
Радиопередатчики, как правило, выполняются с кварцевой стабилизацией
частоты и работают на общую антенну.
Для передачи речевых сигналов также используют излучение модулирован-
ного инфракрасного (ПК) излучения с длиной волны 0,95 мкм. При этом в по-
мещении вследствие отражений от поверхностей создается диффузное ИК-по-
ле. На входе приемника включают кремниевые фотодиоды.
Проводная система СПР самая дешевая и обеспечивает лучшее качество
передачи. Экономически ее целесообразно применять для 300... 400 человек.
Беспроводные системы СПР, работающие в километровом и гектометровом диа-
пазонах волн, используют в больших помещениях и при значительном числе де-
легатов.
Переключатель каналов абонентского устройства позволяет участникам слу-
шать речи оратора непосредственно или в переводе на любой рабочий язык кон-
ференции Прослушивание ведется на индивидуальные головные телефоны деле-
гатов Тд.
Дискуссионные установки (или аппаратура «круглого стола») относятся к
проводным и позволяют участникам дискуссии выступать как персонально с
мест, так и совместно с установкой СПР. Известно несколько вариантов работы
дискуссионных установок. При варианте РАРВ председатель дает слово участ-
нику дискуссии (микрофон А) и выключает свой микрофон Р. Участник дискус-
сии включает микрофон А, нажимая кнопку на своем пульте. После выступле-
169
иия участника председательствующий включает свой микрофон Р, отключая
микрофон А, и предоставляет слово другому участнику, который включает мик-
рофон В, выключая микрофон Р и т. д. В этом режиме работы микрофон Р
председательствующего имеет приоритет: председательствующий в любой мо-
мент может прервать любого участника дискуссии.
При небольшом числе участников дискуссии чаще применяется вариант
РАВС: микрофон А отключается при включении микрофона В, который, в свою
очередь, может быть отключен включением микрофона С, и т. д. Эти режимы
удобны и для синхронною перевода речи, так как одиовремеино работает толь-
ко один микрофон.
Контрольные вопросы
1. Перечислите требования, предъявляемые к системам озвучения и звуко-
усиления.
2. Назовите достоинства и недостатки различных систем озвучения.
3. Какого типа громкоговорители следует применять в распределенных си-
стемах озвучения, чтобы обеспечить заданную неравномерность звукового поля?
Как их при этом располагать?
4. Какие громкоговорители следует применять в сосредоточенных системах
озвучения? Как их при этом располагать?
5. Что такое понятность и разборчивость речи?
6. Как влияет акустическая обратная связь на работу системы звукоуси-
ления?
7. Что такое регенеративная реверберация?
8. Что такое индекс тракта, рациональный и предельный индексы тракта?
9. Каковы особенности систем оповещения?
10. Опишите принципы построения системы синхронного перевода.
Глава 6. ОБРАБОТКА СИГНАЛОВ
ЗВУКОВОГО ВЕЩАНИЯ
6.1. ЗАДАЧИ И МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ
СИГНАЛОВ ХУДОЖЕСТВЕННОГО И
ИНФОРМАЦИОННОГО ВЕЩАНИЯ
Акустические звуковые сигналы преобразуются в электрические с
помощью микрофонов, которые устанавливают в тех местах, от-
куда проводятся трансляции и где производятся записи магнитных
фонограмм: в студиях, театрах, концертных залах, клубах, на
спортивных площадках, в производственных цехах и т. д. На вы-
ходе микрофона электрические сигналы слабые, максимальные
значения их обычно составляют несколько милливольт, а мини-
мальные-— микровольты. Поэтому в любом случае они сначала
усиливаются микрофонным усилителем, а затем специальным об-
разом обрабатываются.
Под обработкой понимают такие преднамеренные преобразова-
ния вещательных сигналов, которые производят для создания спе-
170
циальных эффектов (спецэффектов), коррекции частотных иска-
жений, изменения тембральной окраски звучания, снижения шу-
мов, сжатия динамического диапазона сигналов до пределов, обу-
словленных параметрами каналов связи и уровнями прослушива-
ния в домашних условиях и т. д.
Для сигналов художественного вещания главной задачей об-
работки является обеспечение общего высокого качества, для
сигналов информационного вещания — обеспечение прежде всего
высокой разборчивости речи. При этом должен быть по возмож-
ности сохранен естественный динамический диапазон звуковых
сигналов.
В зависимости от изменяемого параметра полезного сигнала
различают обработку по спектру (частотная обработка), по уров-
ням (динамическая обработка), шумоподавление и спецэффекты.
Частотную обработку производят с помощью корректоров (набо-
ра различных фильтров), динамическую — с помощью ручных и
автоматических регуляторов уровня, спецэффекты — с помощью
ревербераторов, линий задержки, гармонайзеров и других уст-
ройств, шумы снижают шумоподавителями.
Очень часто необходимо изменять спектр сигналов звукового
вещания, поскольку обычно требуется выравнивать амплитудно-
частотную характеристику (АЧХ) каналов передачи звуковых
сигналов, чаще всего в области верхних частот. В этом случае
АЧХ корректируют. Иногда требуется иметь не горизонтальную
АЧХ, а деформированную. Например, для повышения разборчиво-
сти речи рекомендуется осуществлять спад в области низких ча-
стот звукового диапазона и подъем на частотах 3...5 кГц. Для
создания так называемого эффекта присутствия (кажущегося
присутствия слушателя в одном помещении с исполнителем) звуко-
режиссеры изменяют АЧХ в диапазоне 0,7... 4 кГц. Для уменьше-
ния низкочастотного фона и шумов включают фильтры низших и
высших частот, называемые фильтрами среза. Во всех этих слу-
чаях производят частотную обработку сигналов.
Динамический диапазон симфонической музыки может дости-
гать 80 дБ. Так как по каналам звукового вещания во многих слу-
чаях можно передавать сигналы с динамическим диапазоном не
более 40 дБ, то звукорежиссеры специальным образом, с помощью
регуляторов уровня, сжимают динамический диапазон до требуе-
мого значения.
В домашних условиях вещательные передачи обычно прослу-
шивают при максимальных акустических уровнях NaMaKc~80 дБ,
где акустические шумы достигают Nm=35...4O дБ. Следователь-
но, минимальный уровень полезных сигналов должен быть не
ниже Na.MiiH=40 дБ. Таким образом, исходя из реальных усло-
вий прослушивания в домашних условиях, динамический диапа-
зон вещательных сигналов не должен превышать Z? = N.aMaKC—
—Na.MHH=80—40 = 40 дБ.
171
Для радиовещательных каналов недопустим уровень сигнала,
превышающий номинальное значение, так как при этом появля-
ются большие нелинейные искажения. Так, при возрастании уров-
ня сигнала на входе AM передатчика на 2 дБ сверх номинального
значения, т. е. примерно на 25%, коэффициент гармоник возраста-
ет с 2,5 до 12%. Аналогичные явления имеют место и в мощных
усилителях проводного вещания. При увеличении входного уров-
ня сверх номинального значения передатчик или усилитель может
выйти из строя. Чтобы этого не произошло, осуществляют их за-
щиту с помощью ограничителей. Изменяя уровни ручными и ав-
томатическими регуляторами, звукорежиссеры осуществляют ди-
намическую обработку сигналов.
Во многих случаях, особенно при записи музыки, звукорежис-
серы используют устройства искусственной реверберации. Часто
время реверберации в телевизионных студиях оказывается мень-
ше оптимального значения. При литературно-драматических пе-
редачах нередко возникает необходимость имитировать звучание
большого гулкого помещения. Звукорежиссеры производят также
обработку сигналов, создавая спецэффекты; задержку ревербера-
ции, эхо, хор, «космос» и др.
Большинство устройств обработки сигналов звукового веща-
ния находятся в пульте звукорежиссера или непосредственно свя-
заны с ним. Кроме того, такие устройства обработки как частот-
ные корректоры и автоматические регуляторы уровня устанавли-
вают в каналах связи и на входе передатчиков.
6.2. КЛАССИФИКАЦИЯ УСТРОЙСТВ
ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ
Для преобразования сигналов звукового вещания применяют
устройства динамической и частотной обработки, шумоподавите-
ли, а также устройства спецэффектов.
Динамическая обработка, связанная с изменением динамиче-
ского диапазона сигналов, реализуется ручными и автоматически-
ми регуляторами уровня. Необходимость ручной регулировки
уровней объясняется тем, что исходные необработанные сигналы
имеют большой динамический диапазон (например, 80 дБ у сим-
фонической музыки), а в домашних условиях передачи обычно
прослушивают, в диапазоне порядка 40 дБ. Следовательно, звуко-
режиссер должен сжать динамический диапазон симфонической
музыки до 40 дБ. На рис. 6.1 приведены уровнеграммы, характе-
ризующие изменения уровней сигналов при трех различных прин-
ципах регулирования. Зависимость а соответствует ходу уровне-
граммы без регулирования, причем видно, что значительную часть
времени уровни сигнала выше максимально допустимого значе-
ния NwaKc, следовательно, сигналы необходимо регулировать.
172
Рис 6.1. Уровнеграммы сигналов при
трех различных принципах регулиро-
вания
Рис. 6 2. Уровнеграммы сигналов на вхо-
де (а) и выходе безынерционного (б) и
инерционного (б) авторегулятора
При первом варианте регулирования (1 на рис. 6.1) звукоре-
жиссер быстро вводит затухание непосредственно перед момен-
том превышения сигналом допустимого предела NMaKc- Эстетиче-
ский эффект при этом оказывается низким: знакомый с партиту-
рой слушатель знает, что в данный момент громкость должна
возрастать, однако этого не происходит. Слушатель, не знакомый
с данным произведением, не заметит такого искажения, но у него
сложится неправильное представление о произведении.
При втором варианте регулирования (2 на рис. 6.1) звукоре-
жиссер начинает вводить затухание заблаговременно, до момента
превышения NMaKC. Но при этом существенно уменьшается крутиз-
на нарастания сигнала, поэтому исполнение будет казаться вя-
лым, неконтрастным.
При третьем варианте регулирования (3 на рис. 6.1) звукоре-
жиссер с учетом ожидаемого по партитуре большого увеличения
уровня сигнала заблаговременно плавно снижает уровень до мо-
мента времени, когда в натуральном звучании а уровень начинает
увеличиваться. С этого момента звукорежиссер допускает нара-
стание уровня с естественной крутизной. При этом у слушателя
создается наилучшее впечатление, динамика произведения будет
ощущаться более естественной, так как сохранена естественная
крутизна нарастания уровня громкости.
Исследования показали, что время реакции звукорежиссера не
менее 2 с, даже если партитура музыкального произведения ему
известна. Это приводит к погрешности в поддержании максималь-
ных уровней музыкальных программ до ±4 дБ относительно но-
минала. Поэтому в помощь звукорежиссеру создано большое чис-
ло различных устройств автоматической обработки уровней сиг-
налов— авторегуляторов уровня (АРУР).
173
По критерию инерционности срабатывания АРУР разделяются
на безынерционные (мгновенного действия) и инерционные
(АРУР с изменяющимся коэффициентом передачи). В те моменты
времени, когда сигнал на входе безынерционного авторегулятора
(рис. 6.2,а) превышает номинальное значение t/ном, на его выходе
вместо синусоидального сигнала получается трапецеидальный
(рис. 6.2,6), т. е. форма сигналов сильно искажается. Поэтому, хо-
тя безынерционные авторегуляторы и очень просты, они приводят
к появлению больших нелинейных искажений.
Инерционными называются такие авторегуляторы уровня, у ко-
торых коэффициент передачи автоматически изменяется в зави-
симости от амплитуды сигнала на их входе. При этом практиче-
ски любой инерционный авторегулятор уровня в своем составе
имеет два функциональных элемента — основной канал и канал
управления. Если сигнал подается в канал управления со входа
основного канала, то это инерционный авторегулятор с прямой
регулировкой, а если с выхода —с обратной регулировкой. При
срабатывании инерционные авторегуляторы уровня искажают фор-
му сигналов только в течение незначительного интервала време-
ни т (рис. 6.2,в) и поэтому эти искажения незаметны для слуха.
В зависимости от выполняемых функций инерционные авторе-
гуляторы уровня подразделяют на ограничители квазимаксималь-
ных уровней, автостабилизаторы уровня, компрессоры (сжимате-
ли) динамического диапазона, экспандеры (расширители) дина-
мического диапазона, компандерные шумоподавители, пороговые
шумоподавители, устройства со сложным преобразованием дина-
мического диапазона (например, авторегуляторы громкости ра-
диовещательных сигналов).
Ограничитель уровня — это авторегулятор, у которого коэффи-
циент передачи изменяется так, что при превышении номинально-
го входного уровня до 20 дБ уровни сигналов на его выходе оста-
ются практически постоянными, близкими к номинальному значе-
нию (рис. 6.3,о). При входных сигналах, изменяющихся от нуля
до номинального значения, ограничитель уровня работает как
обычный усилитель.
Автостабилизатор уровня в соответствии со своим названием
предназначен для стабилизации уровней вещательных сигналов,
что необходимо для выравнивания громкости звучания отдельных
фрагментов. Принцип действия автостабилизатора аналогичен
принципу действия ограничителя. Отличие заключается в том, что
номинальное выходное напряжение автостабилизатора примерно
на 5 дБ меньше номинального выходного уровня Nbwx.hom, в то
время, как у ограничителя Nbux.hom = 0 дБ (рис. 6.3,6).
Компрессор (сжиматель)—это устройство, коэффициент пере-
дачи которого возрастает по мере уменьшения уровня входного
сигнала (рис. 6.3,в). Действие компрессора приводит к повыше-
нию средней мощности и, следовательно, громкости звучания об-
174
Рис. 6.3. Амплитудные характеристики ограничителя (а), автостабилизатора (б),
компрессора (е), экспандера (г), пороговою шумоподавителя (<?), авторегулято-
ра со сложной регулировкой (е)
рабатываемого сигнала, а также к сжатию его динамического ди-
апазона.
Амплитудная характеристика экспандера (расширителя) об-
ратна характеристике компрессора (рис. 6.3,г) и компенсирует ис-
кажения, вносимые в сигнал компрессором.
Система, состоящая из последовательно включенных компрес-
сора и экспандера, называется компандером и используется для
шумоподавления (см. § 6.6). Совместно с компрессорами часто ис-
пользуют пороговые шумоподавители, амплитудная характеристи-
ка которых показана на рис. 6.3,<Э.
Авторегуляторы со сложным преобразованием динамического
диапазона (например, авторегуляторы громкости) имеют в своем
составе несколько каналов управления. Например, авторегулятор
уровня, амплитудная характеристика которого приведена на
рис. 6.3,е, состоит из ограничителя Огр, автостабилизатора ACT,
экспандера ЭКСП и шумоподавителя ШП. Такое сочетание позво-
> 175
I
ляет стабилизировать громкость звучания различных фрагментов,
выдерживать максимальные уровни и подавлять шумы; В паузах
передачи. .
Частотная обработка выполняется корректорами (набором
фильтров), изменяющих спектры сигналов во всем звуковом ди-
апазоне частот. Различают следующие типы корректоров: филь-
тры плавного подъема и завала, фильтры среза, фильтры присут-
ствия, эквалайзеры (графические корректоры) (подробнее см.
§6.7).
Устройства спецэффектов — это ревербераторы, линии задерж-
ки, гармонайзеры и другие устройства. Ревербераторы можно
классифицировать следующим образом: эхо-камерные, магнит-
ные, листовые (пластинчатые), пружинные и цифровые. Цифро-
вые ревербераторы и линии задержки в настоящее время самые
перспективные, обладают наибольшими технологическими воз-
можностями. Спецэффекты получают также в случае обработки
сигналов с помощью компрессоров, эквалайзеров и т. п.
6.3. НАЗНАЧЕНИЕ И СТРУКТУРА
МИКШЕРНЫХ ПУЛЬТОВ
Микшерный пульт предназначен для обработки звуковых сиг-
налов, подготовки, формирования и выпуска программ звукового
вещания. Современные пульты являются наиболее сложными уст-
ройствами в трактах формирования программ. В их состав вхо-
дит большое число различных блоков, а число органов управления
иногда превышает 2500.
Микшерные пульты выполняют следующие основные функции:
регулировку уровней звуковых сигналов от отдельных источ-
ников и их смешивание в определенных соотношениях;
регулировку уровней от источников, сгруппированных опреде-
ленным образом;
общую регулировку уровней выходного сигнала;
изменение частотного спектра звуковых сигналов;
усиление сигналов;
дополнительную автоматическую регулировку уровней и дина-
мического диапазона с помощью авторегуляторов уровня;
изменение акустической окраски звучания с помощью уст-
ройств искусственной реверберации, подключаемых к пульту;
формирование вещательных передач из отдельных фрагментов;
визуальный и слуховой контроль звуковых сигналов с по-
мощью различных измерительных приборов и устройств прослу-
шивания.
Развитие студийной техники шло по пути как создания универ-
сальных микшерных пультов, так и их специализации. Второй
путь оказался более перспективным. Поэтому в настоящее время
176
Рис 6 4 Структурная схема микшерного пульта
существует разделение микшерных пультов по своему назначению
и функциональным возможностям.
По назначению различают звукорежиссерские микшерные
пульты записи, микшерные пульты перезаписи и монтажа, веща-
тельные микшерные пульты.
Звукорежиссерские микшерные пульты записи в зависимости
от числа индивидуальных микрофонных каналов разделяют на
малые (6—12 каналов), средние (16—20 каналов) и большие
(24—40 и более каналов). По числу последовательно включенных
каналов пульты записи подразделяют на двух- и трехзвенные.
Трехзвенные пульты содержат индивидуальные (микрофонные),
групповые и общие каналы (рис. 6.4). Двухзвенные пульты груп-
повых каналов не имеют. Коммутация каналов осуществляется с
помощью шин Ш, представляющих собой обычно кнопочные мат-
ричные коммутаторы.
Микшерные пульты перезаписи и монтажа обычно бывают са-
мыми простыми и содержат четыре-шесть входных и два выход-
ных канала.
Вещательные микшерные пульты содержат шесть-восемь вход-
ных каналов и два выходных канала. Входные каналы выполняют
либо все универсальными (высокого и низкого уровня), либо два
входных канала низкого уровня (на них подают сигналы с микро-
фона), а остальные высокого.
Как видно из рис. 6.4, в состав микшерных пультов входят раз-
личные усилители (микрофонные — МУ, промежуточные — ПУ, ли-
нейные— ЛУ), частотные корректоры — ЧК (плавного подъема и
завала, среза, присутствия), ручные регуляторы уровня (индиви-
дуальные— ИР, групповые — ГР, общие — ОР), автоматические
регуляторы уровня (компрессоры — Ком, шумоподавптели — ШП,
ограничители — Огр), сборные шины Ш, измерители уровня, уст-
ройства управления, коммутации и сигнализации.
12—6697 177
Радиодома в Советском Союзе оснащаются в основном звукотехническим
студийным оборудованием ВНР (производства заводов БЕАГ и МЛ) и ЧССР
(производства предприятия «Тесла — Электроакустика»). В состав этого обору-
дования входят венгерские микшерные пульты серии РКС (РКС-101 ... РКС-112)
и чехословацкие ESR— ESS (ESR-136, ESS-186, ESR-1808, ESR-2808 и др.).
Телецентры страны оснащаются отечественным звукотехническим оборудованием
серии «Перспектива», в состав которого входят микшерные пульты П-62 и П-71.
6.4. РУЧНЫЕ РЕГУЛЯТОРЫ УРОВНЯ-
СМЕСИТЕЛИ. РЕГУЛЯТОРЫ БАЗЫ И
НАПРАВЛЕНИЯ
Ручной регулятор уровня (микшер) представляет собой четы-
рехполюсник, у которого изменяется коэффициент передачи в за-
висимости от положения, установленного звукорежиссером или
оператором. Для обеспечения изменения сигналов от номинально-
го значения до минимума диапазон регулирования выбирается не
менее 80 дБ с последующим «обрывом» сигнала, т. е. его полным
отключением. Регуляторы, устанавливаемые в микшерные пуль-
ты, обычно имеют плавную регулировку затухания. Если же ре-
гулятор ступенчатый, то шаг регулировки не должен превышать
1 дБ, в противном случае получаемый скачок изменения громко-
сти становится заметным на слух.
Преимуществом потенциометрического регулятора (рис.
6.5,а)—простота и плавность регулирования, недостаток — зави-
симость выходного сопротивления от положения регулятора. Кро-
ме того, со временем материал частично изнашивается, и регули-
ровка уровней начинает сопровождаться тресками и шумами. По-
тенциометрические регуляторы применяют тогда, когда не требу-
ется строгого согласования сопротивлений в цепи их включения.
При необходимости согласования сопротивлений используют
мостовые Т-образные регуляторы (рис. 6.5,6). Диапазон их регу-
лировки обычно не менее 60 дБ. Сопротивления Ri и R2 изменяют
так, чтобы соблюдалось условие R\R2~R<2.
Если выбрать равными сопротивление источника Rt, сопротив-
ление нагрузки Rn, характеристическое сопротивление Rc и сопро-
тивление резисторов /?0, т. е. 7?! = /?с=7?н=^о, то в любом поло-
жении регулятора его входное и выходное сопротивления постоян-
ны и равны Ro: RBX^=RBbIX=R0.
Рис. 6.5. Схемы потенциомет-
рического (а) и мостового Т-
образного (б) регуляторов
уровня
Рис. 6 6. Структурная (а) и электрические схемы смесителей с дополнительным
сопротивлением (б) и без него (в)
Затухание регулятора в децибелах можно определить из фор-
мулы
а = 201g -Al_ = 201g я
вых ^0
Требуемые сопротивления /?1 и можно вычислить из сле-
дующих выражений: /?i=/?c(10a/2°—1); /?2=/?с/(1Оа/20—1).
Смесителем (рис. 6.6) в микшерных пультах называют устрой-
ство, в котором сигналы от нескольких источников объединяют-
ся (смешиваются) в один общий суммарный сигнал. Смеситель—
это несколько ручных регуляторов уровня, соединенных между
собой определенным образом.
Одним из основных требований, предъявляемых к смесителю,
является отсутствие взаимного влияния индивидуальных регуля-
торов. Это означает, что если изменяется положение регулятора
Ri, то на выходе должен изменяться только уровень сигнала
источника, поступающего на вход 1. Но выходное сопротивление
этого регулятора входит в нагрузку всех остальных индивидуаль-
ных регуляторов. Поэтому, чтобы исключить взаимное влияние,
в схему вводят стабилизирующие сопротивления /?доп (рис. 6.6,6).
Если дополнительные сопротивления в схему не включать, то
регуляторы уровня влияют при работе друг на друга. Так, при
нижнем положении регулятора сопротивление Ri—О шунтирует
нагрузку, и поэтому сигналы, поступающие со входов 2.. .п
(рис. 6.6,в), также будут равны нулю независимо от положения ре-
гуляторов /?2- -Rn.
Дополнительные резисторы R№n стабилизируют нагрузку, по-
этому они называются стабилизирующими или согласующими.
Сопротивление цепи вправо от точек АБ (рис. 6.6,6) вместе с
сопротивлением резистора Ддоп должно быть равно сопротивле-
179
нию /?с индивидуального регулятора ИР:
R
С
^доп +
#С ~Г ^?ДОП
2п — 1 ’
где п— число включенных индивидуальных регуляторов. При этом
характеристическое сопротивление R'c общего регулятора отли-
чается от Rc и равно выходному сопротивлению цепи влево от то-
чек ВГ:
Rlt— (^с-р-^доп) /П.
Чтобы сопротивление нагрузки было согласовано с выходным
сопротивлением смесителя, сопротивления RRon и RH должны вы-
бираться, исходя из следующих условий: Rnon—Rc(n—1)[п, R„=
—Rc(2n—\)/п2. В этом случае смеситель вносит затухание а—
= 101g(2n—1). Без согласующего звена затухание a'— lOlgn.
Таким образом, за счет дополнительных согласующих сопро-
тивлений /?дОП устраняется влияние регуляторов друг на друга,
но при этом, как видно из сравнения двух последних выражений,
вносится значительное дополнительное затухание. Так, при 10 ин-
дивидуальных регуляторах (п=10) затухание с а'=10 дБ увели-
чивается до й=13 дБ.
В смесительных устройствах современных микшерных пультов
для лучшей развязки и компенсации затухания смесителей при-
меняют разделительные усилители.
Регуляторы направления и базы (панорамные регуляторы) яв-
ляются обязательными элементами стереофонических микшерных
пультов. Направление сигналов с монофонического микрофона на
кажущийся источник звука может регулироваться путем разде-
ления на два групповых тракта с различными уровнями громко-
сти. Практически эта операция осуществляется потенциометрами
панорамного регулятора.
Ширину базы (стереопанораму) можно регулировать как в ин-
дивидуальном (при стереофоническом микрофоне), так и в груп-
повом (при формировании стереопанорамы из ряда сигналов от
моно- и стереомикрофонов) трактах. Устройство, изменяющее ши-
рину стереопанорамы (или акустическую ширину базы), может
состоять из двух суммарно-разностных преобразователей СРП с
раздельными регуляторами уровней суммарного (S) и разностно-
го (Д) сигналов (рис. 6.7,я). Пусть на выходе стереомикрофона
имеется сигнал произвольной формы S(t), причем в левом кана-
ле aS(t), а в правом bS(t) — как при интенсивностной стереофо-
нии XV. Положение кажущегося источника звука (КПЗ) для
данной стереопары определяется величиной AL—20 lg(&/«).
На выходе СРП1 получаются сигналы суммы Um и разности
Us-
UM=aS(t)+bS(t)-, U8=aS(t)—bS(t). • "
180
5)
Рис. 6.7. Структурные схемы панорамных регуляторов
Так как в каналах суммы и разности имеются аттенюаторы
Атт, их влияние на суммарный и разностный сигналы можно
учесть введением коэффициентов mi и т2:
U's—m2Us=m2S(t) (а—b), 0Cm2^l.
После второго СРП2
U'm+U's=S (t) [mi (a-[-b) -\-m2 (a—b)] —2a'S (t),
U'm—U's—S(t) [mi (a-\-b)— m2 (a—b) ] =2b'S(t),
где 2a'=mt(a-\-b) -\-m2(a—b); 2b'=mi(a-\-b)—m2[a—b).
Если уровни суммарного и разностного сигналов не меняются
(mi=m2=l), то а'—а, b'=b, т. е. на выходе СРП2 получим ис-
ходные сигналы стереопары UM и Us.
При регулировке соотношения суммарного и разностного сиг-
налов изменяются и, следовательно, изменяется направление на
КИЗ.
Следует отметить, что речь здесь идет только о сигналах сов-
мещенного стереомикрофона, при котором разность фаз не сказы-
вается на стереоэффекте.
На рис. 6.7,6 приведена структурная схема панорамного регулятора мик-
шерного пульта ESS-186. Входы 1 и 2 панорамного регулятора подключены к
выходам левого X и правого У индивидуальных трактов, а выходы 3 и 4 — к па-
ре групповых трактов. В зависимости от используемых сигналов Ui и U2 на вхо-
де (ХУ или AIS), положения переключателя режима работы П и ручек потен-
циометров функции панорамного регулятора существенно изменяются.
Если переключатель П находится в положении MS/X'Y', то при коэффици-
ентах передачи потенциометров Ki и К2 выходные сигналы зависят от входных
следующим образом.
(7з = (71(1—/Сг) + U2K2‘, U2К2‘
Если = U2 = Us, Ю = Кг=0,5, то = ((7.m-|-£7s)/2; 1^4= (17 м—
—Us)/2, и схема работает как обычный СРП (преобразование MS в ХУ). Мно-
житель К2 означает, что второй потенциометр является регулятором разност-
181
a) ff)
Рис 6.8. Трансформаторная (а) и мостовая (б) схемы суммарно-разностных пре-
образователей: ---------- путь сигнала М,------------путь сигнала 3
кого сигнала Us, следовательно, он является регулятором ширины базы. При
изменении /С2 от 1 до 0 ширина стереопанорамы уменьшается от максимально-
го значения, равного В, до нуля.
От положения регулятора Ki зависит положение центра стереопанорамы
(при К2 = const). Следовательно, потенциометр Ki выполняет функции регуля-
тора направления.
Если переключатель П находится в положении XY/X'Y', то
[/3 = ^t/i+(l—Л2)С72, £/4=К21/2 + (1—
Когда на вход поступают сигналы от стереомикрофона XY, то в этом слу-
чае оба потенциометра влияют на ширину базы и положение центра стереопа-
норамы. При одновременном изменении Ki и К2 от 0 до 0,5 стереопанорама сим-
метрично сжимается от В до нуля, т. е. до монозвучания из центра базы. При
дальнейшем повороте обоих регуляторов /С и /С2 от 0,5 до 1 ширина стереопа-
норамы увеличивается от нуля до В, но с обратным расположением КПЗ. При
движении только одного потенциометра одновременно регулируется ширина и
смещение центра стереопанорамы.
На рис. 6.8 приведены две простейшие схемы суммарно-разностных преоб-
разователей СРП, необходимых для работы регуляторов базы и направления.
В трансформаторном СРП (рис. 6.8,а) напряжения сигналов М и S в верхней
части вторичной обмотки трансформатора складываются синфазно AP-S = X,
а в нижней — противофазно Л1—3 = У. Преобразование с помощью мостовой
схемы показано на рис. 6.8,6.
Рис. 6.9. Схема панорамного регулятора сигнала S
182
В современных микшерных пультах применяют более сложные схемы пано-
рамных регуляторов, позволяющих четко разделить функции регуляторов ши-
рины и направления. Так, особенностью регулятора направления и ширины ба-
зы пульта ESS-2010 (рис. 6.9) является независимость алгоритма от рода вход-
ных сигналов (в каждом из двух положений переключателя П1):
1/з = ^м(1,5—2Л,) + С7в(1—2Лг) =
= £7,(1,25—К,+К2) + lh (0,25—Д) +Д2);
£74 = £7м(0,5+2Л1)—J7s(l—2Л2) =
= U. (/Ci-№-0,25) + V 2 (0,75+/G—Д2).
Анализ этих уравнений показывает, что потенциометр К\ управляет положе-
нием центра стереопанорамы, т. е. это регулятор направления, а Д2 регулирует
ширину стереопанорамы.
6.5. АВТОМАТИЧЕСКИЕ РЕГУЛЯТОРЫ
УРОВНЯ
В настоящее время в радиовещании и телевидении широко
применяют автоматические регуляторы уровня звуковых сигналов
(АРУР). Современная студийная техника не мыслится без ав-
торегуляторов, обеспечивающих высокую стабильность уровней,
так как звукорежиссеры и операторы могут гарантировать под-
держание уровней не точнее, чем с допусками ±4 дБ.
Авторегуляторы уровня используют для решения следующих
задач: выдерживания нормированного значения квазимаксималь-
ных уровней; защиты трактов записи и вещания от перегрузки
(перемодуляции); повышения средней мощности сигналов и раз-
борчивости речевых передач; уменьшения шумов и помех и др.
Этим объясняется большое число АРУР различного типа и назна-
чения, разработанных для конкретных целей и отличающихся
друг от друга как отдельными параметрами, так и принципами по-
строения.
В безынерционных ограничителях уровня ограничению подвер-
гаются мгновенные значения сигнала, превышающие некоторое за-
данное пороговое значение. При этом изменяется форма сигнала
и появляются большие нелинейные искажения, в результате чего
на практике безынерционные ограничители уровня не используют
в виде самостоятельных устройств. Как дополнительные элементы
их применяют под названием пикосрезателей.
Пикосрезатель — это разновидность безынерционного ограни-
чителя, устанавливаемого в АРУР инерционного типа. На выходе
таких АРУР обычно имеются так называемые пики срабатывания,
амплитуда которых тем больше, чем выше амплитуда входного
сигнала. Эти пики могут создавать помехи другим сигналам, пе-
редаваемым по междугородным каналам. Чтобы этого не проис-
ходило, на входах междугородных каналов звукового вещания уро-
вень максимального напряжения не должен превышать нормируе-
мого значения сигнала более чем на 1,5 дБ. Следовательно, на
183
Рис. 6 10 Переходные процессы в ограничителе (а) и шумоподавителе (б)
выходе радиодома и телецентра максимальный уровень не дол-
жен превышать такого значения, для чего и используют пикосре-
затели в выходных цепях ограничителя уровня инерционного типа.
Хотя при этом также возникают большие нелинейные искажения,
однако они не ощущаются, так как длительность пиков срабаты-
вания всех современных ограничителей уровня не превышает 1 мс.
Инерционные авторегуляторы — это такие устройства, у кото-
рых изменение коэффициента передачи происходит не сразу пос-
ле изменения сигнала на его входе, а с некоторым замедлением
во времени. Для оценки инерционности АРУР введены две дина-
мические (временные) характеристики: срабатывания (установ-
ления) и восстановления. Для всех регулируемых звеньев АРУР
(кроме шумоподавителя) срабатыванием принято считать реак-
цию авторегулятора на увеличение уровня сигнала, а восстанов-
лением — на его уменьшение.
Время срабатывания tcp — это интервал между моментом, ког-
да от источника начинает подаваться сигнал с уровнем на 6 дБ
выше номинального значения, и моментом, когда выходной уро-
вень уменьшится с 6 до 2 дБ по отношению к номинальному зна-
чению (рис. 6.10,а).
Время восстановления tB0Q — это интервал времени между мо-
ментом, когда уровень сигнала от источника снижается с 6 дБ до
номинального значения 0 дБ, и моментом, когда выходной уровень
увеличится от —6 до —2 дБ по отношению к номинальному зна-
чению.
Для шумоподавителей срабатыванием принято считать умень-
шение усиления при пропадании полезного сигнала, а восстанов-
лением — восстановление усиления при появлении полезного сиг-
нала (рис. 6.10,6).
184
Выбор динамических параметров авторегуляторов определяет-
ся назначением конкретного типа АРУР и практическими сообра-
жениями. Например, инерционные ограничители уровня предназ-
начены для защиты элементов тракта звукового вещания (радио-
передатчиков, мощных усилителей проводного вещания, в
радиодомах-—магнитной ленты) от перегрузок. Следовательно,
теоретически время срабатывания ограничителя должно быть бес-
конечно малым. Однако с учетом того, что звуковые сигналы
нарастают не мгновенно, а имеют некоторый период .нарастания,
для практики такое строгое требование является излишним Для
сигналов речи время нарастания 6. ..120 мс, для скрипки 80...
..120 мс и т. д. Лишь некоторая небольшая группа источников
звука имеет время нарастания меньше 5 мс. Кроме того, известно
свойство слуха ощущать нелинейные искажения коротких импуль-
сов лишь в тех случаях, когда их длительность превышает 10 мс.
Исходя из этих соображений, для ограничителей уровня выбирают
/ср=0,5.. .1 мс.
Исходя из результатов исследований, время восстановления
ограничителей уровня чаще всего выбирается равным 1Вос=1,5 с.
У некоторых типов ограничителей скорость процесса восстановле-
ния автоматически изменяется в зависимости от формы звукового
сигнала. Речевые компрессоры имеют следующие динамические
параметры: /ср=1...2 мс, fBOC=300 мс. У музыкальных компрессо-
ров обычно имеется возможность оперативного выбора времени
восстановления с помощью переключателя, например ZBOC=0,1; 0,3;
0,5; 1 и 2 с. Для пороговых шумоподавителей обычно выбирают
следующие динамические параметры: ^Ср=200.. .300 мс; /вос=1..
...5 мс. При меньшем времени срабатывания реверберационный
процесс затухания сигналов будет резко ослабляться, что явля-
ется неестественным для слуха. Выбирать /ВОс>5 мс нельзя, так
как при появлении полезного сигнала шумоподавитель будет мед-
ленно восстанавливать свой коэффициент передачи и поэтому пер-
вые слоги речи (или начало музыкальной фразы) будут сущест-
венно ослабляться.
Ограничители уровня — это такие инерционные АРУР, у кото-
рых коэффициент передачи остается постоянным до некоторого
порогового значения, а затем начинает уменьшаться обратно про-
порционально увеличению уровня входного сигнала. Сейчас огра-
ничители уровня установлены практически на каждом радиотеле-
центре, на входах передатчиков и мощных усилителей проводного
вещания.
Ограничитель (рис. 6.11,я) состоит из основного канала и ка-
нала управления. Основной канал включает входной и выходной
усилители УЗЧ] и УЗЧ2, а также регулируемого элемента РЭ.
В канал управления входят усилитель УЗЧ3, детектор Д, интегри-
рующая цепь ИЦ и усилитель постоянного тока УПТ. Пока на
входе ограничителя напряжение меньше номинального значения,
185
Рис. 6.11. Структурная схема (а) и аплитудная характеристика (б) ограничите-
ля уровня
напряжение на выходе усилителя УЗЧ3 меньше запирающего
опорного напряжения Uon и диоды детектора закрыты. При этом
канал управления не действует и схема работает как обычный
усилитель.
Когда входное напряжение превышает номинальное значение
сигнала, напряжение на выходе усилителя УЗЧ3 становится боль-
ше опорного Uon, диоды детектора отпираются и через УПТ это
управляющее напряжение подается на управляющий вход регу-
лируемого элемента РЭ. Чем больше напряжение на входе огра-
ничителя, тем до большего напряжения заряжается конденсатор
интегрирующей цепи и тем меньше становится коэффициент пе-
редачи К регулируемого элемента и всего ограничителя в целом
(рис. 6.11,6). С ростом входного напряжения за порогом срабаты-
вания коэффициент передачи ограничителя начинает уменьшать-
ся примерно по гиперболическому закону, и за счет этого напря-
жение на выходе ограничителя остается почти постоянным.
Для ограничителей уровня нормируются диапазон ограниче-
ния Догр и степень превышения d (рис. 6.11,6):
Догр^—^вх.иакс—-Увх.ном^20 ДБ, d^=Nвых.макс—-Увых.номй^! ДБ.
Компрессоры предназначены для сжатия динамического диа-
пазона звуковых сигналов в дикторских трактах микшерных пуль-
тов записи и вещания. Различают речевые и музыкальные ком-
прессоры. Практически во все современные речевые компрессоры
встраиваются пороговые шумоподавители для снижения шумов
в паузах передачи (рис. 6.12,а).
Разность Д между номинальным N4 (рис. 6.12,6) и начальным
N3 (находящимся на перегибе амплитудной характеристики)
входными уровнями, т. е. динамический диапазон по входу, назы-
вается диапазоном сжатия: ДСЖ=Ы4—N3. Аналогично по выходу
определяется значение d=N'4—N'3. Разность между динамиче-
ским диапазоном по входу и выходу называется степенью сжатия
компрессора: d'=Dzx—d. Для речевых компрессоров обычно вы-
186
Рис. 6.12. Структурная схема (а) и амплитудная
характеристика (б) речевого
компрессора с пороговым шумоподавителем
бирают следующие параметры: время срабатывания /ср=1 мс;
время восстановления ?ВОс=300 мс; степень сжатия d'=10 дБ.
У шумоподавителей степень шумоподавления в децибелах
определяется как разность выходных уровней N'2 и N'b т. е.
dm=N'2—N'i. Пороговые шумоподавители речевых компрессоров
обычно имеют параметры: /ср=300 мс, ^ВОс=5 мс; б/ш=10. ..20 дБ.
При отсутствии на входе компрессора полезного сигнала ко-
эффициент передачи регулируемого элемента РЭ1 минимален, сле-
довательно, коэффициент передачи всего устройства в целом так-
же минимален К (рис. 6.12,6). За счет этого подавляются шу-
мы в паузах передачи. Как только появляется сигнал с уровнем
N>Nb срабатывает канал управления шумоподавителя КУШ,
шумоподавитель быстро восстанавливает коэффициент передачи
до максимума Кмакс- В результате все полезные сигналы с уров-
нями от N2 до N3 дополнительно усиливаются (примерно на
10 дБ). По мере дальнейшего увеличения входных сигналов от
N3 до N4 начинает срабатывать канал управления компрессора
КУК, коэффициент передачи устройства начинает уменьшаться
так, что при Nbx=NBx.hom выходной уровень также оказывается
равным номинальному значению: ЫВых=МВых ном. При дальнейшем
увеличении входного сигнала устройство обычно переходит в ре-
жим ограничения.
Музыкальные компрессоры обычно выполняют без пороговых
шумоподавителей, но зато они позволяют оперативно изменять
время восстановления (например, от 100 мс до 2 с) и степень сжа-
тия сигналов (до 20 дБ).
При работе речевых компрессоров даже при наличии порого-
вых шумоподавителей часто становится заметным дыхание дик-
торов. Из рис. 6.13,я видно, что если порог шумоподавления Nm=
——40 дБ, а уровень сигналов дыхания на входе компрессора
N'=—30 дБ (он еще не очень заметен), то на выходе компрессо-
ра он будет уже составлять N"=—20 дБ, т. е. усилен на 10 дБ и
сильно заметен на слух.
187
ВУ Act Ком РЭ ШП ЛУ
6)
Рис. 6.13. Уровнеграммы речевых компрессоров (а, б) и структурная схема ком-
прессора с гистерезисным шумоподавителем 1 (е)
Для устранения этого недостатка компрессоров необходимо
применять гистерезисный шумоподавитель. Принцип работы это-
го устройства виден из рис. 6.13,6. Порог срабатывания шумопо-
давителя остается, как и раньше, примерно равным —38 дБ, а по-
рог восстановления, который в обычном однопороговом шумопода-
вителе совпадает с порогом срабатывания, в гистерезисном
(двухпороговом) шумоподавителе выбирается на 6. . .8 дБ выше,
т. е. примерно —30 дБ. Так как у большинства дикторов уровень
сигналов дыхания не превышает —30 дБ, то эти сигналы теперь
не подчеркиваются. А так как порог срабатывания ниже, на уров-
не —38 дБ, то заметного на слух резкого ослабления ревербера-
ционных звуковых сигналов не происходит.
Компрессор с гистерезисным шумоподавителем (рис. 6.13,в)
состоит из входного усилителя ВУ, автостабилизатора Аст, комп-
рессора Ком, регулируемого элемента шумоподавителя РЭ ШП,
линейного усилителя ЛУ и канала управления, включающего ком-
паратор К, детектор Д, интегрирующую цепь ИЦ и два потенцио-
метра 7?! и R2. Гистерезисная характеристика получается в ре-
зультате применения комбинированной регулировки: сигнал для
восстановления шумоподавителя снимается со входа устройства,
а для срабатывания — с выхода. С помощью резистора Rt можно
выбирать порог восстановления, a R2 — порог срабатывания шу-
моподавителя.
188
6.6. УСТРОЙСТВА ШУМОПОДАВЛЕНИЯ
Устройства шумоподавления предназначены для улучшения от-
ношения сигнал-шум на выходе канала передачи или устройства
записи-воспроизведения сигналов и могут быть двух видов — ста-
тические и динамические (адаптивные). К статическим относят
такие шумоподавители, параметры которых не зависят от вход-
ного сигнала и в процессе работы остаются неизменными. Адап-
тивные шумоподавители изменяют свои параметры под воздейст-
вием проходящего через них сигнала, а их коэффициент передачи
является функцией времени.
Рассмотрим вначале статические устройства шумоподавления,,
действие которых основано на лучшем, чем при их отсутствии,
согласовании сигнала с каналом.
Предыскажающие контура. Спектр сигналов ЗВ, как отмеча-
лось в гл. 2, имеет значительную неравномерность, причем спад
особенно заметен в области высоких частот звукового диапазона
(рис. 6.14,а). С другой стороны, обычно шум распределен по
спектру равномерно (рис. 6.14,6). Это позволяет улучшить отно-
шение сигнал-шум на выходе приемников за счет использования
предыскажающих (ПК) и восстанавливающих (ВК) контуров.
Первые включаются на входе канала, вторые — на его выходе.
Коэффициент передачи ПК Кпк(м) выбирается так, чтобы
обеспечить подъем тех спектральных составляющих сигнала, уро-
вень которых относительно мал. На выходе ПК спектр сигнала
5вых(со) =5с((о)Кпк((о). При этом предыскажения не должны уве-
личивать общей мощности сигнала, т. е.
9 9
в в
Рс = j 5вых (<*>) da = у Sc (со) = const.
Йн Йв
На выходе канала включается ВК с ко-
эффициентом передачи, обратным
Кпк(<о) (рис. 6.14,в):
Квк (со) =1/Кпк (со).
Поэтому на выходе канала спектр сиг-
нала останется неизменным:
Sbmx (ft)) Квк (и) —
= Sc(ю)Кпк(о)) /Апк(со) =SC(со).
Шум проходит только через ВК. Поэто-
му на выходе канала Ош.вых(со) =
Рис. 6.14. Диаграммы, поясняющие использование
предыскажений для снижения уровня шума
18»
= Gm(co)Квк(со) (рис. 6.14,г). Поскольку ]/Свк(со) | < 1, общая
мощность шума на выходе канала уменьшается.
Получаемый выигрыш можно оценить по изменению отноше-
ния сигнал-шум при наличии ПК и ВК и их отсутствии:
Рс
ев S?B
f Ош(со)Квк(ы)<До f Ош(со)йсй
(Рс/Рщ в.-х)пк-вк _ Рн_______________ _______ _____________________
Рс/Р’ш Рс
йв
Gm(co)dco
j Gm(co)^K(co)dco
SH
(6.1)
Здесь QH и QB— нижняя и верхняя частоты спектра сигнала.
Компандерная система. Как было отмечено в § 6.1, компандер-
ная система состоит из сжимателя С (компрессора), включаемо-
го на входе канала передачи, и расширителя Р (экспандера),
включаемого на его выходе. Поскольку С и Р — инерционные уст-
ройства, их амплитудные характеристики (рис. 6.15,я) относятся к
установившемуся режиму их работы.
190
Связь между напряжениями на входе и выходе С и Р можно
описать степенными функциями:
^,Ых с = с! ^.ь,х п = (6.2)
где ус и ур — коэффициенты сжатия и расширения.
Перейдя в (6.1) от напряжений к электрическим уровням (см.
приложение), получим:
Л,вых.с=усЛ?вх.с I Wвых.р—ВХ.р. (6.3)
Максимальные и минимальные значения сигнала на входе и
выходе сжимателя:
тс тс
^ых.с.макс ~ ^вх.с.м»кс> ^вых.е.мин = ^вх.с мии> (6-4)
расширителя:
Тр
^вых.р Маке ~ ^вх,р.м»кс1 ^вых.р.мин ~ ^вх.р.мин- (®-^)
Поделив в (6.4) и (6.5) первое равенство на второе и выразив
отношение в децибелах, получим:
Dс.вых=Ус^с,вх! ^р.вых^Ур^р.вх- (6-6)
Здесь Ос.вых и /)с.вх, Ср.вых и £)р.вх — динамические диапазоны сиг-
нала на входе и выходе сжимателя и расширителя.
Из (6.6) видно, что коэффициенты сжатия и расширения по-
казывают, во сколько раз соответствующим автоматическим регу-
лятором изменяется динамический диапазон сигнала. Используя
(6.3) и зная уровень входного сигнала, можно определить его вы-
ходной уровень.
В процессе работы сжиматель вносит в сигнал искажения, ко-
торые расширитель должен скомпенсировать. Поскольку в стацио-
нарном режиме при отсутствии искажений {/Вх.с=^вых.р, можно
записать
^вых.р (^ВХ.р) Р
----- =----—Ч7Г=1- (6.7)
^вх.е (^вьгх.е) Тс
Поскольку при последовательном включении С и Р вых. С £^ВХ •Рл
из (6.7) получаем условие отсутствия искажений в компандерной
системе
усуР=1. (6.8)
Обычно в звуковом вещании принимают ус=0,5 и ур=2.
Рассмотрим, как компандирование позволяет улучшить отно-
шение сигнал-шум на выходе канала передачи. Воспользуемся
для этого диаграммой уровней (рис. 6.15,а). Пусть, например,
динамический диапазон сигнала 60 дБ, а уровень шума Ыш в ка-
191
нале передачи ниже максимально допустимого на 40 дБ. На ди-
аграмме максимально допустимый уровень условно принят за
О дБ. Во избежание значительных искажений уровень передачи
не должен превышать максимально допустимого значения, т. е.
0 дБ, и поэтому уровень передачи самых слабых сигналов соста-
вит —60 дБ. Следовательно, уровень шума в канале на 20 дБ пре-
вышает уровень слабых сигналов и в процессе передачи они бу-
дут скрыты в шумах.
Пусть в процессе передачи динамический диапазон сигнала
сжимается. При ус=0,5, как видно из (6.6), динамический диапа-
зон сигнала на выходе сжимателя станет равным Дс.вых=30 дБ, а
каждый из входных уровней также изменится в 2 раза (см. (6.3)).
В канале передачи сигнал на шкале уровней займет диапазон
0...—30 дБ и минимальный его уровень окажется на 10 дБ выше
уровня шума. В пункте приема расширитель восстановит исход-
ный динамический диапазон, а уровень шума на выходе расшири-
теля при прохождении слабых сигналов окажется на 20 дБ ниже
уровня этих сигналов.
Таким образом, применение компандера позволяет передать
сигнал вещания по каналу, динамический диапазон которого мень-
ше динамического диапазона самого сигнала. При этом выигрыш
в отношении сигнал-шум составляет 10. ..13 дБ.
Недостатком описанного компандера является появление на
его выходе эффекта модуляции сигнала шумом. Связано это со
следующим. В компандере степень подавления шума определяет-
ся уровнем полезного сигнала. Максимальное шумоподавление
имеет место в паузе и при слабых сигналах. При максимальных
уровнях сигнала отношение сигнал-шум не меняется. Следова-
тельно, уровень шума на выходе изменяется в такт с сигналом.
При совпадении спектров сигнала и шума это обстоятельство
не сказывается на восприятии, так как шум маскируется сигна-
лом. Если же спектры не совпадают, то шум не маскируется сиг-
налом и становится как говорят, программно-модулированным.
В частности, при передаче низкочастотных сигналов (например,
при игре басовых инструментов) высокочастотный шум начинает
изменяться по уровню в такт с этим низкочастотным сигналом и
поэтому оказывается особенно заметным.
Другим недостатком описанного компандера является появле-
ние нелинейных искажений в переходных режимах (при срабаты-
ваниях и восстановлениях С и Р), вызванных несовпадением их
частотных и фазовых характеристик, а также неоптимальным вы-
бором постоянных времени цепей регулирования. Связано это с
тем, что, с одной стороны, переходный процесс должен быть на-
столько коротким, чтобы при скачкообразном увеличении уровня
входного сигнала не возникало выбросов, приводящих к перегруз-
ке системы. Для выполнения этого требования постоянная време-
ни цепи управления не должна превышать одной четверти периода
192
максимальной частоты сигнала, что при частоте 20 кГц составля-
ет всего 12,5 мкс.
С другой стороны, во избежание значительных нелинейных
искажений низкочастотных составляющих сигнала скорость изме-
нения коэффициента усиления должна быть достаточно малой и
при допустимом коэффициенте нелинейных искажений 0,2 % на
частоте 20 Гц не должна быть больше 6 дБ/c. При диапазоне ре-
гулирования в 30 дБ это означает, что требуемое время восстанов-
ления составляет около 5 с. Отношение времени восстановления
к времени срабатывания 400 000: 1. Очевидно, что при таком
большом отношении выбор постоянных времени должен подчи-
няться компромиссным соображениям, отличным от оптимальных.
Полосные шумоподавители. В шумоподавителях этого типа («Долби-А».
«Телефункен») в значительной степени устранены недостатки рассмотренного
компандера.
Устройство «Долби-А» (рис. 6.16) состоит из четырех компандеров, каждый
из которых работает в определенной полосе частот. Разделение общего спектра
на четыре части осуществляют фильтры, включенные на входе компрессоров.
В системе «Долби-А» фильтры имеют полосы пропускания 30... 80 Гц, 80...
..3000 Гц, 3000 ... 20 000 п 9000 ... 20 000 Гц. В системе «Телефункен» принято
иное деление спектра, без перекрытия полос пропускания фильтров. В обоих
случаях при выборе полос пропускания фильтров учитывались психофизиологи-
ческие условия восприятия шумов, в частности то обстоятельство, что высоко-
частотные шумы хорошо воспринимаются на фоне низкочастотных сигналов, но
маскируются высокочастотными. Например, высокочастотный шум магнитной
ленты хорошо заметен на фоне контрабаса, но практически не прослушивается
при записи скрипки.
В схеме шумоподавителя каждый компандер работает как отдельный шу-
моподавитель. Если спектр входного сигнала сосредоточен в пределах полосы
пропускания одного из фильтров, то только в одном из компандеров отношение
сигнал-шум останется неизменным. В трех других будет происходить шумопо-
давление, и сигнал, сосредоточенный в пределах полосы пропускания одного из
компандеров, не будет управлять уровнем шума в других. При этом не созда-
ется условий для появления программно-модулированного шума.
В пределах полосы пропускания каждого из компандеров отношение мак-
симальной и минимальной частот значительно меньше, чем в однополосном ком-
пандере. Поэтому может быть практически реализовано отношение оптимальных
значений времени восстановления и срабатывания, примерно в 100 раз меньшее,
чем в однополосном компандере. Минимальными оказываются и динамические
нелинейные искажения.
Деление спектра сигнала на четыре, а не на большее число полос определя-
ется тем, что и в этом случае шумоподавление оказывается достаточно эффек-
тивным (примерно на 10 дБ) при приемлемой стоимости.
13—6697
193
Рис. 6.17. Структурная схема (а) шумоподавители и его амплитудные характе-
ристики (б, в, г)
В шумоподавителе «Долбн-Б» для простоты деление на полосы ие исполь-
зуется, а шумоподавление осуществляется только на частотах выше 1 кГц. Од-
нако именно эти составляющие наиболее заметны на слух. Шумоподавитель
«Долби-Б» применяется в бытовых устройствах звукозаписи.
Особенностью всех рассмотренных шумоподавителей является то, что они
состоят из двух блоков. Один включается на передающей стороне (в канале за-
писи магнитофона) и вносит в сигнал предыскажения, другой — на приемной
стороне (в канале воспроизведения магнитофона) и компенсирует внесенные в
сигнал искажения. Во многих случаях, например при воспроизведении старых
записей, желательно иметь устройства шумоподавления, не требующие предва-
рительной обработки сигнала. Такие шумоподавители динамического типа ис-
пользуют особенности слухового восприятия и основаны на управлении полосой
пропускания канала в зависимости от спектрального состава или уровня вход-
ного сигнала. Принцип действия шумоподавители DNL (Dynamic Noise Limi-
ter) (рис. 6.17,а) основан на использовании того обстоятельства, что спектр му-
зыкальных сигналов зависит от их громкости, причем так, что с уменьшением
громкости относительное содержание высокочастотных составляющих в сигнале
уменьшается. Кроме того, спектральная характеристика чувствительности слуха
(см. гл. 2) также зависит от уровня громкости: на слабых сигналах полоса про-
пускания слухового анализатора уменьшается. Поэтому, если ограничить поло-
су пропускания со стороны высоких частот во время тихих пассажей, то качест-
во воспроизведения звука практически не ухудшится, а высокочастотные состав-
ляющие шума будут подавлены. При передаче громких звуков полоса пропуска-
ния расширяется, но шум при этом маскируется сигналом и шумоподавление не
является необходимым.
Входной сигнал поступает на фазовращатель, на выходе которого образу-
ются сигналы, сдвинутые по фазе на 180°. Один из сигналов подается в канал
обработки, где составляющие высоких частот выделяются, подвергаются авто-
матической регулировке и затем суммируются с сигналом другого канала. По-
скольку составляющие сигнала в полосе до 4,5 кГц через канал обработки не
проходят, коэффициент передачи устройства для них равен единице.
Для высокочастотных составляющих коэффициент передачи зависит от
уровня. По результирующей амплитудной характеристики (рис. 6.17,г), пред-
194
ставляющей собой разность характеристик прямого канала (рис. 6.17,6) и ка-
нала обработки (рис. 6.17,е), видно, что для сигналов малого уровня коэффи-
циент передачи уменьшается, что и означает ограничение полосы пропускания
и, следовательно, уровня шумов.
Шумоподавитель DNL улучшает отношение сигнал-шум на частоте 6 кГц
примерно на 5 дБ, а на частотах выше 10 кГц на 20 дБ. Как и другие дина-
мические шумоподавители, описанное устройство совместимо с любой аппара-
турой, поскольку не требует предварительной обработки сигнала в канале пе-
редачи или записи.
6.7. ЧАСТОТНЫЕ КОРРЕКТОРЫ
В звукорежиссерских микшерных пультах, на входах и выхо-
дах линий связи, в усилителях имеются устройства частотной об-
работки звуковых сигналов — частотные корректоры, состоящие
из фильтров различных типов. В радиовещании находят примене-
ние фильтры подъема верхних частот, фильтры плавного подъема
и спада НЧ и ВЧ, фильтры среза НЧ и ВЧ, фильтры «присутст-
вия», графические корректоры (эквалайзеры) и др.
Фильтры плавного подъема и спада АЧХ (рис. 6.18,а) позво-
ляют звукорежиссеру изменять в широких пределах спектральные
характеристики отдельных источников в области нижних и верх-
Рис. 6.18. Амплитудно-частотные характеристики корректоров плавного подъема
и спада (а), среза (6), присутствия (е), обработки речи (г)
195
них частот звукового диапазона. Обычно с помощью таких фильт-
ров можно регулировать сигнал на крайних частотах до ±20 дБ
плавно или ступенями и тем самым добиваться наиболее естест-
венного звучания при некоторых акустических дефектах студии,
несовершенстве микрофонов или не совсем удачном их располо-
жении. Можно выделить или, наоборот, подавить отдельные уча-
стки спектра, можно подчеркнуть характерные оттенки исполне-
ния, изменить в значительной степени характер звучания, чтобы
придать ему новизну и оргинальность. Субъективно применение
любого фильтра воспринимается как изменение тембра первичного
сигнала.
Фильтры среза (рис. 6.18,6) также позволяют изменять харак-
тер звучания. Например, можно создать такие звуковые эффекты,
как «разговор по телефону», «передача по радио» и др. Эти
фильтры помогают избавиться от мешающих призвуков при ис-
полнении на некоторых инструментах, уменьшить влияние низко-
частотных и высокочастотных помех при студийных записях, при
реставрации старых записей. Но чаще всего их используют для
ослабления низкочастотного фона (от освещения, блоков питания)
или высокочастотного шума магнитной ленты.
Фильтры присутствия получили название в связи с тем, что
при их использовании как бы обеспечивается эффект присутствия
слушателей около исполнителя или исполнителя около слушате-
ля. Эти фильтры позволяют подчеркнуть область средних частот
(рис. 6.18,б), где расположены певческие и инструментальные
форманты, что делает звучание певцов-солистов или отдельных
инструментов более сочным и ярким, как бы выделенным из об-
щей звуковой картины и приближенным к слушателю вещатель-
ных программ.
Обычно фильтры присутствия позволяют выделять относи-
тельно узкие участки спектра в диапазоне частот 700.. .4000 Гц
при подъеме до 10 дБ. Резонансная частота фильтров присутствия
выбирается с помощью переключателя. Чаще всего в качестве ре-
зонансных выбираются частоты: 0,7; 1,4; 2,0; 2,8 и 4 кГц. Для
подчеркивания сигнала солиста наиболее часто выделяют область
частот около 2,8 кГц, так как известно, что наличие ярко выра-
женной певческой форманты в области частот 2,8.. .3,2 кГц при-
дает голосу тембральную яркость.
В современных пультах с помощью фильтров можно не только
осуществлять подъем в области средних частот, но и вырезать
часть спектра.
В последние годы появились новые устройства для частотной
обработки сигналов — графические корректоры (эквалайзеры).
У них положение ручек регуляторов уровня представляет собой
как бы график АЧХ (рис. 6.19,а), отсюда и название графические.
За рубежом они называются эквалайзерами — выравнивателями
спектра.
196
a)
Рис. 6.19. Расположение ручек регуляторов уровня графического корректора (а)
н его амплитудно-частотная характеристика (б)
Из АЧХ графического корректора, приведенного на рис. 6.19,6,
видно, что по своим возможностям он практически перекрывает
возможности рассмотренных корректоров. Во всем частотном диа-
пазоне графические корректоры позволяют осуществлять регули-
ровку в диапазоне уровней не менее ± 12 дБ.
6.8. УСТРОЙСТВА
ИСКУССТВЕННОЙ РЕВЕРБЕРАЦИИ
Устройства искусственной реверберации — ревербераторы и
линии задержки — используют для временной обработки сигналов
в виде отдельных устройств и подключают к микшерному пульту
через специальные реверберационные линейки (рис. 6.20,а). С вы-
хода микрофона сигнал поступает в основной канал 1 микшерного
пульта и на вход системы искусственной реверберации, с выхода
которой он подается в канал п микшерного пульта и затем на
197
Рнс. 6 20. Схемы включения ревербераторов
шину Ш, где и подмешивается к основному сигналу. Как извест-
но, для речевых студий рекомендуется время реверберации при-
мерно 0,5 с, а для музыкальных обычно 1,5. ..2 с. С помощью си-
стем искусственной реверберации можно получить время ревербе-
рации 5.. .6 с и более
Средства и аппараты, которые служат для создания искусст-
венной реверберации, можно классифицировать следующим обра-
зом: эхо-камерные, магнитные (магнитофонные), листовые (пла-
стинчатые), пружинные и цифровые.
Эхо-камеры — специальные помещения с большим временем
реверберации — могут обеспечить высокое качество звучания
лишь при соблюдении определенных требований к объему камер,
их акустической обработке и степени звукоизоляции. Объем эхо-
камеры должен быть не менее 120 м3. Для увеличения времени
реверберации, определяемого по формуле Себина, эхо-камере при-
дают неправильную форму с непараллельными полом и потолком.
Для повышения диффузности поля стены эхо-камеры делают рас-
сеивающими, размещая на них большое число жестких клинооб-
разных выступов
В составе литдрамблоков крупных радиодомов и телецентров
страны имеются гулкие комнаты, которые обычно и используют
198
Рис 6 21. Сечение листового ревербератора (й) и зависимость его времени ревер-
берации от частоты при различных расстояниях между панелью и листом (б)
для повышения реверберации исходных звуковых сигналов.
Магнитный ревербератор представляет собой магнитофон с
магнитным барабаном или со склеенной в кольцо магнитной лен-
той с несколькими воспроизводящими головками. Входной сигнал
через усилитель записи подается на головку записи ГЗ и записы-
вается на магнитную ленту (рис. 6.20,6). При движении ленты
этот сигнал поочередно воспроизводится головками воспроизведе-
ния ГВ,, ГВ2,... ,ГВ„, сигналы через усилители и регуляторы
уровня подаются на шину Ш (сумматор), а суммарный сигнал
поступает на выход.
Время реверберации магнитного ревербератора определяется
по формуле 7"=Зт/(—lg q), где x—llv — время задержки; q — мо-
дуль коэффициента обратной связи по амплитуде; I — длина лен-
ты между головками; v — скорость движения ленты.
Листовой ревербератор представляет собой тонкий стальной
лист толщиной 0,4.. .0,5 мм, в котором для получения ревербера-
ции используют изгибные колебания. Размеры первых листовых
ревербераторов (рис. 6.21,а) 1X2 м. Лист подвешен четырьмя уг-
лами на амортизированной раме. Колебания возбуждаются возбу-
дителем — вибратором, представляющим собой электродинамиче-
ский преобразователь с коническим острием, приваренным к ли-
сту. В качестве виброснимателя применяют пьезоэлектрический
датчик из титаната бария, который помимо прямой бегущей вол-
ны изгиба снимает серию затухающих волн, отраженных от гра-
ниц листа.
В отличие от магнитного ревербератора, действие которого
можно смоделировать одномерной системой, листовой ревербера-
тор моделирует колебания в двумерном плане (в плоскости). Сле-
довательно, листовой ревербератор делает картину затухания бо-
лее естественной, характеризуемой трехмерными акустическими
колебаниями в помещениях.
Время реверберации изменяется простыми и надежными меха-
ническими средствами. Приближение стального листа к панели из
микропористого звукопоглотителя усиливает затухание колебаний
199
листа и, следовательно, уменьшает время реверберации; удаление
от панели увеличивает время реверберации (рис. 6.21,6).
Время реверберации листового ревербератора /'=6,9/6=
= 13,8 Mjr, где 6=г/2Л1— показатель затухания; М— масса еди-
ницы поверхности листа; г — активная составляющая сопротив-
ления излучения листа.
Пружинный ревербератор по принципу действия близок к лис-
товому, но в нем задержка обеспечивается за счет колебаний ме-
таллической пружины, к одному из концов которой прикрепляется
излучатель, а к другому — приемник колебаний.
Наиболее перспективными в настоящее время являются циф-
ровые ревербераторы и линии задержки. Современные достижения
микросхемотехники и микропроцессорной техники позволяют со-
здавать высококачественные цифровые ревербераторы с больши-
ми технологическими возможностями при сравнительно небольших
размерах (см. § 7.10).
6.9. ИЗМЕНЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ СИГНАЛОВ
ПРИ ОБРАБОТКЕ
Вполне естественно, что при обработке сигналов звукового ве-
щания с помощью корректоров, авторегуляторов уровня, ревербе-
раторов и других устройств параметры сигналов изменяются. Наи-
большее влияние оказывает динамическая обработка, изменяю-
щая относительную среднюю мощность сигнала Ро.Ср, под которой
понимается отношение средней мощности реального сигнала зву-
кового вещания Рс к мощности синусоидального сигнала номи-
нального уровня Psin, полученное путем усреднения за определен-
ный интервал времени (секунду, минуту, час, сутки и т. д.):
-f’o.cp=/’c/Psiir Полученный энергетический выигрыш часто выра-
жают в децибелах: AN=10 lg PQcp.
При изменении времени срабатывания от 1 до 5 мс средняя
мощность сигналов остается практически постоянной. На среднюю
мощность сильно влияет время восстановления компрессора. Но
это влияние тесно связано и со степенью сжатия. Чем больше сте-
пень сжатия d'K и чем меньше время восстановления tBOC, тем
больше энергетический выигрыш. В пределе при /в<к^-0 энергети-
ческий выигрыш численно приближается к степени сжатия. При
применении компрессора с ZBoc = 480 мс уровень средней мощно-
сти увеличивается примерно на 3 дБ, однако уменьшение времени
восстановления компрессора от 480 до 120 мс при степени сжатия
18 дБ снижает приращение средней мощности до 0,5 дБ.
Энергетические параметры нестационарных звуковых сигналов
речи и музыки имеют большое значение для определения загруз-
ки междугородных каналов звукового вещания (МКЗВ). В МКЗВ
200
тех типов, где для шумопонижения применяют корректирующие
контуры и компандерные системы, за счет этих устройств средняя
мощность сигналов и, следовательно, загрузка каналов существен-
но увеличивается. Значение долговременной относительной сред-
ней мощности на выходе корректора МКЗВ увеличивается до 0,38
по сравнению с 0,14 на выходе радиодома, т. е. в 2,7 раза, а уро-
вень среднеминутной относительной мощности увеличивается с
0,25 до 0,80, т. е. в 3,2 раза.
Применение компрессоров способствует повышению разборчи-
вости речи. Из анализа распределения амплитуд речевых сигна-
лов видно, что если отрегулировать уровень модулирующего сиг-
нала так, чтобы наиболее громкие звуки вызывали модуляцию
несущей на 100%, то средний коэффициент модуляции составит
примерно 0,2, т. е. 20%. От коэффициента модуляции передатчи-
ка зависит мощность боковых полос, представляющих собой по-
лезную излучаемую мощность, определяющую громкость приема.
Очевидно, что при неглубокой средней модуляции помехоустой-
чивость передачи сравнительно низка, поскольку при приеме ти-
хие звуки маскируются помехами и мощность передатчика в сред-
нем используется не полностью. Улучшить помехоустойчивость пе-
редачи можно, сжимая динамический диапазон, т. е. увеличивая
уровень слабых звуков до уровня сильных. При приеме это прояв-
ляется в виде повышения средней громкости и разборчивости речи,
что эквивалентно включению более мощного передатчика. Напри-
мер, если среднее значение коэффициента модуляции передатчика
увеличить с 0,2 до 0,4 (в 2 раза), то средняя мощность боковых
полос возрастает в 4 раза. Такое «умощнение» передатчика про-
исходит за счет улучшения его КПД (отношения мощности боко-
вых полос к полной излучаемой мощности) при сохранении преж-
ней максимальной мощности.
Наибольший эффект применения компрессоров наблюдается
тогда, когда самые слабые звуки «подтягиваются» почти до уров-
ня самых сильных. Амплитудная характеристика таких компрессо-
ров похожа на характеристику ограничителя (почти горизонталь-
ная), причем ограничение начинается при уровнях, находящихся
на 20...30 дБ ниже максимальных уровней, соответствующих
громким звукам. Такой метод динамической обработки сигналов
близок к «предельной» компрессии динамического диапазона.
О его эффективности можно судить по рис. 6.22, из которого вид-
но, что минимально допустимое при связи значение разборчиво-
сти 60% можно получить при предельной компрессии и отношении
сигнал-помеха 6 дБ, в то время как при отсутствии компрессии
отношение сигнал-помеха должно быть не менее 14 дБ. Таким об-
разом, выигрыш в помехоустойчивости достигает 8 дБ.
Для радиовещания применять предельную компрессию (или
близкую к ней) нельзя, так как при этом существенно ухудшает-
ся качество звучания передач. Для радиовещания применяют бо-
201
Рис. 6.22. Зависимость смысловой раз-
борчивости речи на приемном конце от
отношения сигнал-шум при предельной
компрессии (/) и без нее (2)
лее слабое сжатие — около
10 дБ. При таком компромис-
сном решении средняя глубина
модуляции передатчика увеличи-
вается примерно в 2 раза, не-
сколько увеличивается разбор-
чивость (в условиях больших
шумов) и остается высоким качество звучания речи.
Разборчивость можно повысить также с помощью фильтра оп-
тимальной обработки речи, частотная характеристика которого
приведена на рис. 6.18,г. За счет среза низших, частот (ниже
250 Гц) уменьшается «бубнежка», мешающая разборчивости. За
счет подъема средних частот в области 3... 5 кГц подчеркиваются
вторая и третья форманты речевых сигналов, что также способст-
вует повышению разборчивости. При этом звучание становится
громче, звонче.
6.10. ИЗМЕРИТЕЛИ УРОВНЯ
Измерители уровня (ИУ) звуковых сигналов бывают пиковые,
квазипиковые, средних и минимальных значений. В соответствии
с ГОСТ 21185-75 во всех каналах и трактах звукового вещания
должны устанавливаться квазипиковые измерители уровня.
Квазипиковый уровень — уровень огибающей амплитудных зна-
чений напряжения сигнала звукового вещания, измеряемый с по-
грешностью, обусловленной временными характеристиками при-
меняемого прибора. Номинальный уровень — уровень напряжения
непрерывного синусоидального сигнала частотой 1000 Гц на входе
измерителя уровня, при котором показания равны 0 дБ (100%).
Уровни напряжения стационарных звуковых сигналов можно
измерять и вольтметрами. Однако вследствие инерционности эти
приборы совершенно непригодны для контроля уровней сигналов
звукового вещания. Время интеграции большинства вольтметров
более 500 мс. А реальные сигналы звукового вещания могут быть
гораздо менее длительными, например длительность одного слога
составляет в среднем примерно 200 мс. Поэтому вольтметры «не-
допоказывают» максимальные уровни речевых сигналов на 15...
... 20 дБ и более. Для музыкальных произведений это значение за-
висит от характера музыки.
Приборы для контроля уровней вещательных передач должны
регистрировать любые вещательные сигналы, как длительные, так
и короткие. Их показания не должны зависеть от полярности от-
202
дельных импульсов напряжения. В то же время от них не требу-
ется очень высокой точности отсчета, да ее и невозможно полу-
чить, учитывая характер непрерывно изменяющихся сигналов.
В зависимости от назначения различают два типа квазипико-
вых ИУ: первого типа, предназначенные для оценки уровня сиг-
налов звукового вещания в процессе его оперативного регулирова-
ния (приборы для оперативного контроля) и имеющие большой
диапазон измеряемых уровней 44 ...65 дБ, и второго типа, пред-
назначенные для оценки уровня сигналов звукового вещания в
точках тракта, где не производится оперативной регулировки
уровней (приборы для эксплуатационного контроля); они проще
по устройству, но имеют диапазон измерений всего лишь 23 дБ.
Так как измерители уровня предназначены и для контроля на-
пряжения в трактах звуковой частоты, то к ним предъявляются
те же технические требования, что и к обычным электронным при-
борам для измерения напряжения: нормируются чувствительность
и входное сопротивление, тип шкалы и точность градуировки, ра-
бочий диапазон частот и погрешность в зависимости от частоты,
динамический диапазон и др. Но в отличие от обычных приборов
ИУ контролируют уровни нестационарных сигналов. Поэтому ос-
новными техническими характеристиками для ИУ являются ди-
намические (временные).
Различают следующие четыре динамические характеристики
ИУ:
время интеграции tK — длительность одиночного радиоимпуль-
са номинального уровня с частотой заполнения 5 кГц, при воздей-
ствии которого указатель показывающего прибора ИУ доходит до
отметки —2 дБ (80%);
время срабатывания указателя tcp— интервал времени между
моментом подачи непрерывного гармонического сигнала частотой
1000 Гц номинального уровня на вход ИУ и тем моментом, когда
указатель показывающего прибора доходит до отметки —1 дБ;
время возврата указателя tB — интервал между моментом вы-
ключения непрерывного гармонического сигнала номинального
уровня частотой 1000 Гц на входе ИУ и тем моментом, когда ука-
затель показывающего прибора доходит до отметки —20 дБ
(Ю%); „
переброс указателя б — разность между максимальным пока-
занием при скачкообразной подаче непрерывного гармонического
сигнала на вход ИУ и его показанием в стационарном режиме,
т. е. после успокоения подвижной системы. Переброс выражает-
ся в децибелах или процентах относительно показания в стацио-
нарном режиме.
Основным из этих параметров является время интеграции, ха-
рактеризующее способность прибора регистрировать короткие
звуковые сигналы. Для квазипиковых измерителей уровня обоих
типов оно должно составлять 5 мс. Как уже указывалось, это зна-
203
Линейная
а) -50 ~40 -30 -20 -10 -5 О +5 дБ
0)
ВУ УЗУ Д ИЦ Лог У ПТ пп
в)
Рис. 6.23. Динамическая характеристика (о), виды шкал (б), а также структур-
ные схемы измерителей первого (в, г) и второго (д') типа
чение получено, исходя из заметности нелинейных искажений
сигналов различной длительности. Время интеграции определяет-
ся по динамической характеристике (рис. 6.23,а).
Время возврата для ИУ обоих типов нормируется различно.
Для приборов первого типа оно должно составлять (1,7+0,3) с,
для приборов второго типа (3+1) с. Это объясняется их различ-
ным назначением. Чем больше время возврата, тем более завы-
шены показания ИУ для сигналов низкого уровня, следующих по-
сле сигналов высоких уровней. Показания приборов первого типа
с временем возврата 1,7 с более точно отражают минимальные
уровни и соответственно динамический диапазон измеряемых
уровней. Это очень важно, так как такие приборы предназначены
прежде всего для звукорежиссеров, одной из основных функций
204
которых является именно регулирование динамического диапазона
передачи.
Для ИУ второго типа главным является фиксация квазимакси-
мальных уровней, обеспечение возможности определения по ним
превышения номинального уровня (0 дБ). А это легче реализо-
вать, когда время возврата сравнительно велико: 3...4 с.
Размер переброса указателя показывающего прибора должен
быть не более 1 дБ (12%). При большем значении показания
уровней оказываются слишком завышенными по сравнению с их
действительным значением и, как следствие этого, недомодуляция
передатчиков.
Важным параметром ИУ является динамический диапазон из-
меряемых уровней. Приборы первого типа должны иметь боль-
шой динамический диапазон: —40 ... -|-4 дБ или —50 ...4-5 дБ.
Участок школы —50...0 дБ называется рабочим, а 0...5 дБ —
участком перегрузки. Такого динамического диапазона вполне до-
статочно, хотя в последнее время и появились ИУ отечественного
и венгерского производства с диапазоном —60... 4-5 дБ (в соот-
ветствии с требованиями МЭК 268-10А).
Шкалы ИУ обоих типов градуируются в децибелах и процен-
тах относительно номинального уровня. Иногда градуировка про-
изводится в децибелах и в вольтах эффективных.
В ГОСТ 21185-75 нормируется также погрешность ИУ. Так как
ИУ предназначены для измерения нестационарных сигналов, то
погрешности допускаются сравнительно большие. Так, основная
погрешность ИУ вблизи отметки номинального уровня (0 дБ) до-
пускается до ±0,3 дБ, т. е. ±3,5%. С понижением уровня откло-
нения увеличиваются. Дополнительные погрешности ИУ обоих ти-
пов, обусловленные изменением температуры, напряжения пита-
ния, рабочего режима, продолжительности непрерывной работы и
других факторов, регламентируются соответствующей нормативно-
технической документацией.
Точность отсчета при светящихся указателях ИУ зависит так-
же от их яркости. Яркость современных светодиодов 10 ... 40 кд/м2)
что при диаметре светодиода 5 мм соответствует силе света 0,5...
...2 мкд. Этого вполне достаточно для восприятия свечения свето-
диода без напряжения зрения. Яркость же газоразрядных трубок
ИН-13 недостаточна. При наблюдении по таким приборам прихо-
дится напрягать зрение.
Частотный диапазон ИУ должен соответствовать частотному
диапазону тракта, где устанавливается ИУ. Однако чаще всего,
когда в технической документации не указаны другие значения,
частотный диапазон ИУ выбирается в пределах 31,5... 16 000 Гц с
неравномерностью не более ±0,5 дБ. За пределами частотного ди-
апазона не должно быть подъема АЧХ. Более того, рекомендуется
обеспечить спад АЧХ с крутизной не менее 6 дБ на октаву.
Номинальный входной уровень ИУ выбирается, исходя из су-
205
Таблица 6.1
Тип ИУ Время интегра- ции. мс Время сраба- тывания, мс Время возврата, с Переброс, ДБ Динами- ческий диапазон, ДБ Диапазон частот Гц Неравно- мерность АЧХ, дБ
Пер- вый 5 100. .200 1,7+0,3 1 —40...+4 —50...+5 31,5... 16 000 +0,5
Вто- рой 5 100. .200 3,0±1,0 1 —20...+3 31,5... 16 000 +0,5
Шествующей диаграммы уровней для точек тракта, к которым под-
ключается ИУ. Рекомендуется выбирать номинальный уровень ИУ
из следующих значений: 0 дБ (0,775 В), 6 дБ (1,55 В), 9 дБ
(2,2 В), 12 дБ (3,1 В) и 15 дБ (4,4 В).
Основные параметры ИУ первого и второго типов приведены в
табл. 6.1.
Входное сопротивление ИУ выбирают из тех соображений, что-
бы при его подключении не происходило шунтирования контроли-
руемой цепи. Если исходить из сопротивления нагрузки 600 Ом,
то для выполнения этого условия необходимо обеспечить входное
сопротивление не менее 6 кОм. Если сопротивление нагрузки
5 кОм, как это принято во многих микшерных пультах, то вход-
ное сопротивление ИУ должно быть соответственно порядка
50 кОм. У большинства современных ИУ входное сопротивление
больше 10 кОм.
ГОСТ рекомендует три характерных вида шкалы: линейную,
логарифмическую и S-образную (рис. 6.23,6). Линейная шкала
бывает только у ИУ второго типа. Недостаток ее — небольшой ди-
апазон измерений — устраняется при логарифмической шкале.
Для получения логарифмической шкалы применяют преобразова-
тель—логарифматор, который позволяет получить практически
любой диапазон измерений. Однако при логарифмической шкале
появляется другой недостаток — оказывается слишком сжатой об-
ласть шкалы вблизи наиболее важной части — около отметки
0 дБ. Приборы с S-образной шкалой сочетают в себе достоинства
первых двух: большой динамический диапазон измерений при до-
статочно растянутой области вблизи номинального уровня 0 дБ.
Рассмотрим блоки, входящие в состав структурных схем изме-
рителей уровня (рис. 6.23,6—д).
Входное устройство ВУ обеспечивает большое входное сопро-
тивление, симметричность входа и регулировку чувствительности.
Симметричность входа нужна для того, чтобы подключать ИУ как
к несимметричным, так и к симметричным контролируемым цепям.
Раньше симметрия входа обеспечивалась входным трансформато-
206
ром, сейчас чаще всего применяют операционный усилитель с диф-
ференциальным включением. Регулировка чувствительности необ-
ходима для возможности подключения ИУ к точкам тракта с раз-
личным номинальным уровнем.
Усилитель звуковых частот УЗЧ выполняет три основные функ-
ции: обеспечивает электрическую развязку детектора и контроли-
руемой цепи, так как непосредственное подключение детектора к
контролируемой цепи может вызвать большие нелинейные иска-
жения; усиление сигналов до значения, необходимого для детек-
тирования; низкое выходное сопротивление, которое входит в цепь
заряда интегрирующей цепи (при большом выходном сопротивле-
нии УЗЧ невозможно получить нужное время интеграции 5 мс).
При использовании детектора на операционных усилителях по-
следние две функции переходят непосредственно к детектору.
Детектор в ИУ также имеет ряд особенностей. Он всегда вы-
полняется по двухполупериодной схеме, так как вещательные сиг-
налы могут быть несимметричными. При однополупериодном де-
тектировании возможна ситуация, когда в тракте существует
перегрузка, а ИУ этого не показывает (контролируется другой по-
лупериод). Кроме того, для детектирования используют по воз-
можности линейный участок амплитудной характеристики. И на-
конец, поскольку в квазипиковых ИУ постоянные времени разря-
да тР и заряда т3 имеют соотношение тр~1000т3, то примерно
таким же должно быть и соотношение разрядного и зарядного со-
противлений: /?р=1000Яз. В противном случае трудно обеспечить
требуемое малое (Ц = 5 мс), либо большое (4=4 с) значение вре-
мени возврата.
Интегрирующая цепь (ИЦ) является основным звеном, опре-
деляющим два самых важных динамических параметра: время ин-
теграции и время возврата.
Логарифматор Лог (рис. 6.23,б) служит для расширения дина-
мического диапазона измеряемых уровней. В схеме на рис. 6.23,г
эту функцию при необходимости может выполнять делитель на-
пряжения ДН. Роль УПТ и ключевых схем КС — развязка пока-
зывающего прибора от основной цепи. Компараторы Ком в схеме
на рис. 6.23,г срабатывают при различных входных напряжениях
ИУ, что и обеспечивает работу светодиодного показывающего
прибора.
6.11. СТЕРЕОГОНИОМЕТРЫ И
СТЕРЕОКОРРЕЛОМЕТРЫ
В последнее время все более широкое распространение полу-
чает стереофоническое радиовещание. Стереофонические передачи
ведутся из специально оборудованных в радиодомах вещательных
аппаратных. При проведении стереофонических передач особо
207
важное значение имеет хорошая организация субъективного (на
слух) и объективного (по приборам) контроля их качества.
Субъективный контроль осуществляется прослушиванием зву-
кового материала в стереофонической радиовещательной аппарат-
ной, для чего применяют два контрольных агрегата, расстояние
между которыми (база) зависит от конфигурации, размеров и аку-
стических параметров помещения. Контрольные агрегаты для сте-
реофонического прослушивания должны быть однотипными, мак-
симально идентичными как по данным объективных измерений,
так и по результатам субъективного сравнения звучания в местах
их постоянного функционирования.
Объективный контроль при стереофонии выполняется по при-
борам на выходе стереофонической вещательной аппаратной, на
передающем центре и в службе технического контроля. В ходе пе-
редачи по приборам контролируется уровень сигналов, стереофо-
нический баланс и совместимость.
Контроль уровней в каждом из каналов Л и П осуществляется
с помощью двух идентичных стандартных квазипиковых ИУ с
временем интеграции 5 мс при верности 80%. Для контроля сов-
местимости стереофонической передачи с монофонической, а так-
же для контроля стереофонического баланса применяют стерео-
гониометры и стереокоррелометры, входы которых подключают
параллельно входам измерителей уровня. Гониометры и коррело-
метры во многом схожи по принципу действия, отличаются в ос-
новном типом показывающего прибора. У гониометра в качестве
показывающего прибора используется осциллографическая труб-
ка, у коррелометра — стрелочный микроамперметр.
Стереофонический баланс и совместимость оценивают по сте-
реогониометру только качественно по формам фигур Лиссажу на
Рис 6.24. Осциллограммы (о—д) и структурная схема стереогониометра
МЭЗ-907 (е)
208
Рис 6 25 Электрическая схема стереокоррелометра
экране трубки, без количественной их оценки (рис. 6.24а—д).
Передача является совместимой, если весь экран трубки засвечен
сложным узором с примерно одинаковыми размерами по различ-
ным направлениям (рис. 6.24,а) или фигуры на экране трубки
растянуты в основном вдоль вертикальной оси (рис. 6.24,6). Пе-
редача несовместима, когда фигуры на экране растянуты вдоль го-
ризонтальной оси (рис. 6 24,е).
Если большая ось изображения на экране прибора длительное
время имеет наклон к горизонтали, то это означает, что в переда-
че нарушен стереофонический баланс. Например, изображение мо-
жет быть наклонено влево (рис. 6.24,г) или вправо (рис. 6.24,6).
Стереогониометрами (индикаторами фазирования) МЭЗ-907
оснащены многие аппаратные стереофонического радиовещания и
звукозаписи радиотелецентров страны.
В стереогониометре МЭЗ-907 (рис 6 24,е) входные сигналы левого Л и пра-
вого П каналов поступают на суммарно-разностный преобразователь (СРП)
С выходов СРП сигналы суммы Л + П и разности Л—П поступают на усили-
тели вертикального У‘а+п и горизонтального Ул_.п отклонения луча электрон-
но-лучевой трубки ЭЛТ. Усилители имеют автоматическую регулировку усиле-
ния (логарифмирование), что позволяет наблюдать за разностью фаз в каналах
в большом динамическом диапазоне сигналов звукопередачи В качестве СРП
применены два идентичных трансформатора, каждый из которых имеет одну
первичную и две вторичные обмотки Верхние обмотки трансформаторов вклю-
чены синфазно, а нижние —• противофазно, благодаря чему получаются соответ-
ственно суммарные Л + П и разностные Л—П сигналы К трансформаторам
предъявляются жесткие требования по идентичности коэффициентов передачи
во всем диапазоне измеряемых частот
Другим типом прибора для оценки стереобаланса и совместимости является
стереокоррелометр, состоящий из двух входных трансформаторов, двух детек-
торов, собранных по мостовой схеме, интегрирующей цепи и стрелочного пока-
14—6697 209
зывающего прибора, включенного в измеряемую цепь по балансной схеме
(рис. 6.25).
На входы коррелометра подаются сигналы левого Л и правого П стерео-
каналов. С учетом фазы включения вторичных обмоток трансформаторов Tpt и
Трг на входах мостовых схем выпрямления сигналы соответственно равны Л +
— П и Л—П. Выпрямители по отношению к показывающему прибору включены
встречно. Поэтому, если преобладает суммарный сигнал Л+П с верхнего моста
(случай монофонической звукопередачи), стрелка прибора отклоняется вправо.
При противофазном включении входных сигналов преобладает разностный сиг-
нал — с нижнего моста, стрелка прибора отклоняется влево. При стереофони-
ческом сигнале стрелка находится в средней части шкалы.
Настройка прибора осуществляется следующим образом. Сначала входы Л
и П включаются синфазно и на них подается сигнал напряжением 3,6 В часто-
той 1 кГц от одного генератора звуковых частот. При этом с учетом того, что
Л = П. суммарный сигнал окажется равным 2Л, а разностный — нулю. Стрелка
прибора отклоняется вправо. С помощью потенциометра /?1 стрелка устанавли-
вается в крайнее положение. Затем на одном из входов меняется фаза включе-
ния сигнала. При этом окажется Л-4-П=0, а Л—П = 2Л. Стрелка прибора от-
клоняется влево. Одинаковые отклонения стрелки в обе стороны устанавлива-
ются с помощью потенциометра 7?з.
Контрольные вопросы
1. Какие преобразования называются обработкой сигналов звукового веща-
ния и какова их задача?
2. Почему безынерционные ограничители не находят широкого применения
в радиовещании?
3. Перечислите основные типы инерционных авторегуляторов уровня, ука-
жите их назначение и место установки в трактах звукового вещания.
4. Каковы назначение и принцип действия регуляторов базы и направления?
5. Из каких соображений выбираются временные характеристики инерцион-
ных ограничителей, компрессоров, шумоподавителей?
6. Нарисуйте и сравните форму сигналов на выходе безынерционного н инер-
ционного ограничителей уровня.
7. Каков принцип действия речевого компрессора и почему не рекомендует-
ся выбирать степень сжатия более 10 дБ?
8. Какова роль пороговых шумоподавителей в речевых компрессорах и в
чем заключается особенность работы гистерезисных шумоподавителей?
9. Поясните графически эффективность действия компандерных шумопода-
вителей.
10. Изобразите и поясните форму АЧХ различных корректоров: среза, подъ-
ема и завала, присутствия, эквалайзера.
11. Каковы назначение и принцип действия магнитных листовых, пружин-
ных, цифровых ревербераторов?
12. Как изменяются параметры звуковых сигналов (тембр, громкость, раз-
борчивость, отношение сигнал-шум и др.) под влиянием устройств обработки?
13. Что называется временем интеграции измерителя уровня и из каких со-
ображений оно выбирается?
14. В чем основное отличие схем цифровых измерителей уровня от анало-
говых?
15. Как с помощью стереогониометра оценивается стереофоничность сиг-
налов?
210
Глава 7. ЦИФРОВОЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ
И ОБРАБОТКА СИГНАЛОВ
ЗВУКОВОГО ВЕЩАНИЯ
7.1. ПРИНЦИПЫ
ИМПУЛЬСНО-КОДОВОЙ МОДУЛЯЦИИ
Среди методов цифрового представления сигналов звукового ве-
щания (ЗВ) наиболее распространена импульсно-кодовая моду-
ляция (ИКМ). Процедура аналого-цифрового преобразования
(АЦП) при ИКМ состоит из трех операций: дискретизации, кван-
тования и кодирования. При этом квантование и кодирование, как
правило, осуществляются одновременно общим функциональным
блоком, но при анализе качественных показателей метода ИКМ
удобно эти операции рассматривать раздельно.
В устройстве, осуществляющем ИКМ (рис. 7.1,а), входной
сигнал «вх(0 ограничивается по полосе ФНЧ и поступает на
АИМ — модулятор, где происходит его дискретизация. Выходной
сигнал АИМ — модулятора представляет собой последователь-
ность отсчетов отстоящих один от другого на интервал вре-
мени 7д, называемый периодом дискретизации (рис. 7.1,6). Этот
сигнал называется дискретным. Спектр такого сигнала (рис. 7.1,в)
содержит низкочастотную компоненту, совпадающую по форме со
спектром входного сигнала, и высокочастотную компоненту, со-
Рис. 7.1. Функциональная схема уст-
ройства, осуществляющего ИКМ (а),
временная диаграмма процесса ИКМ
(б) и спектр дискретного сигнала (б)
211
I
Рис. 7.2. Характеристика квантования
стоящую из двух боковых полос,
расположенных вокруг частоты
дискретизации /'д=1/7'д. В ИКМ-
кодере (Кодер на рис. 7.1,а) вы-
ходной сигнал АИМ —модулято-
ра квантуется по уровню и коди-
руется. Квантование состоит в
замене всех возможных мгновен-
ных значений сигнала некоторы-
ми разрешенными уровнями, т. е.
каждое значение амплитуды им-
пульса заменяется ближайшим к
нему разрешенным значением.
Расстояние между соседними
разрешенными уровнями кванто-
вания называют шагом кванто-
вания.
Процедуру квантования мож-
прохождения входного сигнала
характеристикой ступенчатой
ется шкалой квантования. Если
но рассматривать как результат
через устройство с амплитудной
формы (рис. 7.2), которая назыв
в пределах шкалы шаг квантования остается постоянным, кванто-
вание называется линейным (или равномерным). Квантование с
неравными шагами квантования называется нелинейным (нерав-
номерным).
Квантование сигналов сопровождается погрешностью, которая
тем меньше, чем меньше шаг квантования. Разность между ис-
ходным и квантованным значениями сигнала называется шумом
квантования. Отсюда видна разница между шумом квантования
и другими шумами, действующими в системах передачи сигналов.
В отличие от последних шум квантования возникает в результате
детерминированного нелинейного преобразования входного сиг-
нала и имеет неслучайный характер. Поэтому при квантовании
правильнее говорить об искажениях, а не о шумах квантования.
Характеристика квантования (рис. 7.2) имеет две зоны: квантова-
ния при | Ивх |^ | Погр | и ограничения при | «вх | > | Uorp |. Зона
квантования является рабочей областью характеристики. В ее
пределах осуществляется квантование сигнала. Если мгновенное
значение входного сигнала «вх выйдет за пределы зоны квантова-
ния, то выходное напряжение будет оставаться неизменным и
равным t/вых.макс независимо от значения «вх. Возникающие при
этом искажения имеют характер безынерционного ограничения
сигнала и считаются недопустимыми. Разность между исходным
и ограниченным сигналами называют шумом ограничения.
Квантованный АИМ сигнал цифровой, так как он дискретен по
времени и уровню. Разрешенные значения уровней можно про-
нумеровать, и в тактовые моменты передавать не сами квантован-
212
ные импульсы, а номера их амплитуд, при этом каждому отсчету
сигнала будет соответствовать кодовая группа символов — слов,
однозначно выражающих эти отсчеты. Такая операция называется
кодированием. Чаще всего кодирование заключается в записи но-
мера уровня в двоичной системе счисления:
n=am_i2m~4-am-22m-2+.. .+a02°, (7.1)
где п — номер кодируемого уровня квантования; т — число раз-
рядов в кодовой группе; a — число, принимающее значения О
или 1.
Кодовая комбинация, соответствующая числу п, содержит пе-
редаваемые последовательно символы am-i, • ,ao. Необходимое
число разрядов для кодирования при заданном максимальном
числе уровней шкалы квантования пмакс определяется из выраже-
ния Щ = 1о§2«макс. Если кодовая группа содержит т символов О
или 1, то с помощью такого m-разрядного двоичного кода можно
закодировать числа до пмакс=2т. Так, при /п=7 Ямакс — 128, при
т=8 пМакс=256 и т. д.
Двоичные символы, входящие в состав кодовых групп, назы-
ваются битами. Они имеют разный вес. Наименьший вес имеет
младший бит ао, несущий информацию об одном шаге квантова-
ния. Старший значащий бит ат-\ несет информацию с 2т-1 шагах
квантования и имеет наибольший вес. Пусть, например, кодиру-
ется отсчет сигнала, имеющий уровень и=115, а шкала квантова-
ния содержит пмакс=256 отсчетов. В этом случае m=log2256=8 и
число п записывается в двоичной системе следующим образом:
п=0 • 27+1 Д6+1 • 25-М • 244-0 • 23+0 • 22+1 • 2'+1 • 2°.
Соответствующая кодовая комбинация имеет вид 01110011. Та-
кой код называют натуральным. В цифровых системах связи и
вещания распространены также симметричные коды, характери-
зуемые тем, что первой символ кодовой комбинации определяет-
ся полярностью кодируемого отсчета сигнала, а остальные симво-
лы несут информацию об абсолютном значении отсчета. Если ко-
дируется сигнал положительной полярности, первым битом кодо-
вого слова является 1, а если отрицательной полярности, то 0.
Разнополярные отсчеты, равные по абсолютному значению, раз-
личаются только первым символом в кодовом слове.
Последовательность m-разрядных кодовых слов является вы-
ходным сигналом аналого-цифрового преобразователя. Обычно
при передаче и записи к выходному сигналу АЦП добавляется
дополнитетьная информация, которая служит для повышения до-
стоверности передачи и синхронизации. При этом кодовые слова,
подвергаемые одновременной обработке, объединяются в блоки.
Соответствующий данному коду порядок следования кодовых
слов и отдельных символов в блоке называется форматом кода.
Обратное преобразование цифрового сигнала в аналоговую
форму осуществляет цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП),
213
состоящий из декодера и фильтра нижних частот. Декодер пре-
вращает ИКМ-сигнал в квантованный АИМ-сигнал, спектр кото-
рого с допустимой погрешностью совпадает с показанным на рис.
7.1,в, а ФНЧ выделяет из этого спектра низкочастотную компо-
ненту, совпадающую с исходным сигналом.
Работой АЦП и ЦАП управляют не показанные на схеме ге-
нераторы тактовой частоты.
Рассмотренная схема является простейшей. Реальные ИКМ,-
преобразователи содержат и некоторые другие функциональные
блоки, уменьшающие погрешности преобразования. Их назначе-
ние и принцип действия, а также особенности процессов дискре-
тизации и квантования будут рассмотрены далее.
7.2. ДИСКРЕТИЗАЦИЯ
В соответствии с теоремой Котельникова неискаженная пере-
дача непрерывного сигнала, занимающего полосу частот 0. ..Емакс,
последовательностью его отсчетов возможна в том случае, если
частота дискретизации связана с максимальной частотой сигнала
следующим соотношением:
/д>2Емакс. (7.2)
Скорость цифрового потока при ИКМ. прямо пропорциональна
/д и с точки зрения повышения эффективности использования ка-
налов связи для передачи цифровых сигналов вещания желатель-
но снизить Ц. С другой стороны выбор чрезмерно низкого зна-
чения Ц может привести к уменьшению допустимого значения
АМакс и за счет этого к ухудшению качества звукопередачи. По-
этому частоту дискретизации выбирают, исходя из компромисса
между требуемым качеством звуковоспроизведения и допустимой
скоростью цифрового потока.
Как известно, диапазон частот, воспринимаемых слухом чело-
века, лежит в диапазоне 20 Гц. ..20 кГц. Однако в зависимости
от требований к системе этот диапазон ограничивается. Так, при
телефонной связи, когда достаточно обеспечить высокую артику-
ляцию и узнаваемость голоса собеседника, необходимо передавать
звуковые сигналы в полосе частот 300.. .3400 Гц. Исходя из это-
го, частота дискретизации телефонного сигнала выбрана равной
Ц=8 кГц. При звуковом вещании требуется передача музыкаль-
ных программ и их художественное воспроизведение. Для этого
полосу передаваемых частот приходится увеличивать. В аналого-
вых каналах вещания высшего класса она составляет 30 Гц...
...15 кГц, первого класса 50 Гц. ..10 кГц и второго класса
100 Гц. ..6,3 кГц. Профессиональные магнитофоны имеют полосу
пропускания 31,5 Гц. ..16 кГц, а бытовые в зависимости от группы
сложности от 40.. .80 Гц до 8. ..14 кГц. Такой выбор полосы про-
пускания соответствует определенному качеству звукопередачи,
214
при котором, кроме ограничения спектра в зависимости от группы
сложности, допускаются нелинейные искажения 1...3°/о, нерав-
номерность АЧХ на ±3 дБ, относительный уровень помех —55...
...—49 дБ, детонация 0,2.. .0,5 % и т. д.
Цифровые методы позволяют обеспечить качество звукопере-
дачи, недоступное для аналоговых систем. Так, нелинейные иска-
жения сигнала могут составлять сотые доли процента, динамиче-
ский диапазон 96. ..100 дБ, детонация в цифровых системах зву-
козаписи отсутствует вовсе. Поэтому и требования к полосе про-
пускания цифровых систем вещания определяются из условия
обеспечения соответствующего высокого качества звучания. Ме-
тодом субъективно-статической экспертизы был проведен ряд экс-
периментов для определения заметности слушателями ограниче-
ния спектра реальных вещательных сигналов в области верхних
частот звукового диапазона. Исследования показали, что, во-пер-
вых, на частотах выше 15 кГц порог слышимости уха резко воз-
растает и, во-вторых, в диапазоне 15... 20 кГц энергия вещатель-
ного сигнала быстро убывает. Поэтому только сравнительно не-
большая группа слушателей, преимущественно молодых, способ-
на заметить разницу в звучании при ограничении спектра сигнала
частотами 15 и 20 кГц. Исходя из этого, признано, что полоса ча-
стот до 15 кГц достаточна для высококачественной передачи сиг-
налов ЗВ и значение FvaKC=15 кГц принято за расчетное при ана-
лого-цифровом представлении таких сигналов в системах первич-
ного и вторичного распределения. Однако в студийном и бытовом
оборудовании (пультах, магнитофонах, проигрывателях) принята
/7макс=20 кГц. При этом удовлетворяются требования самых взы-
скательных слушателей; не накапливаются амплитудно-частотные
искажения в основной полосе частот при многократной перезапи-
си с использованием аналоговых фильтров, а возрастание скоро-
сти цифрового потока при кодировании сигнала с FJiaKC= 20 кГц
по сравнению с FMaKC=l5 кГц в данном случае несущественно, так
как специфика работы студийных и бытовых устройств не связана
с передачей сигналов по линиям связи.
Рассмотрим теперь условия выбора частоты Ц. Из рис. 7.1,в
видно, что чем больше Ц по сравнению с Fмакс, тем дальше раз-
несены по спектру частоты FMaKC и /д—FMaKc и тем легче отфильт-
ровать полезный сигнал в ИКМ-демодуляторе. С другой стороны,
чем ближе fa к минимальному значению, тем меньше требуемая
скорость цифрового потока. Кроме того, часто на этот выбор
влияют и системные факторы. Так, поскольку в системах связи
сигналы ЗВ кодируются и передаются совместно с другими, в ча-
стности телефонными сигналами, частота дискретизации сигнала
ЗВ должна быть кратна частоте дискретизации телефонного сиг-
нала. В противном случае в общей структуре цифрового потока
системы связи невозможно обеспечить передачу сигналов ЗВ вме-
сто нескольких телефонных. С учетом этих соображений при ана-
215
логово-цифровом преобразовании сигналов ЗВ в системах первич-
ного и вторичного распределения принята /д=32 кГц. Эта частота
удовлетворяет условиям теоремы Котельникова при ГМакс=15 кГц
и равна учетверенному значению частоты дискретизации телефон-
ного сигнала.
В системах телевизионного вещания при передаче звука в
цифровой форме во избежание биений между гармониками строч-
ной частоты и частоты дискретизации [л выбирается кратной ча-
стоте строчной развертки. В трактах формирования программ при
/?макс=20 кГц принята /д=48 кГц, а в лазерных проигрывателях
и некоторых типа бытовых магнитофонов /д=44,1 кГц.
7.3. РАВНОМЕРНОЕ (ЛИНЕЙНОЕ)
КВАНТОВАНИЕ
Одним из основных показателей цифровых систем передачи
аналоговых сигналов является отношение мощности сигнала к
мощности шума квантования (Рш.Кв) на выходе ЦАП. Определим
значение Рш.кв для произвольной шкалы квантования. Пусть сиг-
нал с плотностью вероятности распределения мгновенных значе-
ний №(и) подвергается квантованию в диапазоне мгновенных зна-
чений — t/отр до +t/orp (рис. 7.3) с шагом, величина которого мо-
жет изменяться. Из рис. 7.3 видио, что вероятность появления
сигнала с уровнем, лежащим в пределах i-ro шага.
«- + 8^-/2
Pt = J W(u)du^W(ut)8it (7.3)
«,—8-/2
где W (и,)—плотность вероятности напряжения сигнала в сере-
дине рассматриваемого интервала. Мгновенная мощность шумов
квантования, развиваемая на сопротивлении 1 Ом, равна квадра-
ту ошибки квантования, т. е. Рш.кв.мгн=(и—ш)2, а часть этой
мощности шума, появляющейся при квантовании сигналов в пре-
делах i-ro шага, составляет
Ы<+Д'2
Рш.кв.чгнг= ( (u-UtYW^du^-^WlutW (7.4)
"f-V2
или с учетом выражения (7.3)
Г’ш.кв.мгн !=612Pi/l 2. (7.5)
Суммарная мощность шума квантования равна сумме составляю-
щих от каждого шага:
Л'
Ли.кв= (7.6)
/=о
216
Рис. 7.3. Плотность вероятности рас-
пределения входного сигнала
Рис. 7.4. Диаграмма преобразования
входных шумов в квантованное ко-
лебание в АЦП
При равномерной шкале квантования, когда все 6, равны, из (7.6)
имеем
рщкв=62/12. (7.7)
Отсюда следует важный вывод: при равномерном квантовании
мощность шума квантования определяется исключительно шагом
квантования.
Шум квантования представляет собой случайный процесс с
равномерным распределением в пределах —6/2. ..+6/2. Его плот-
ность вероятности описывается выражением
U7(-v) = l/6. (7.8)
Спектр шума квантования равномерный в полосе 0.. .Ц/2.
Шум квантования проявляется только при наличии сигнала. При
отсутствии сигнала на входе АЦП можно было бы ожидать, что
на выходе ЦАП шум будет полностью подавлен. Однако наличие
теплового шума входных аналоговых блоков АЦП, нестабиль-
ность напряжения питания, переходные помехи от соседних кана-
лов, дрейф постоянной составляющей в усилителях постоянного
тока и действие других факторов приводят к тому, что самый низ-
кий первый уровень квантования достигается даже при отсутст-
вии сигнала на входе АЦП.
На рис. 7.4 изображен начальный участок шкалы квантования
и показано, как входные шумы преобразуются в АЦП в кванто-
ванное колебание. На выходе ЦАП это квантованное колебание
превращается в шум, называемый шумом паузы. Шум паузы ме-
нее равномерный, чем белый шум, характерный для аналоговых
систем, и его часто называют гранулированным. Мощность шума
паузы
Рш.п=62/4 (7.9)
на 4,7 дБ больше шума квантования.
217
Определим отношение сигнал-шум на выходе квантующего
устройства. Поскольку Рш.кв не зависит от уровня входного сиг-
нала, с увеличением мощности входного сигнала Рс отношение
Рс/Рш.кв линейно растет до тех пор, пока не возникают шумы
ограничения. Наличие последних резко уменьшает помехозащи-
щенность. Поэтому, как отмечено, система кодирования строится
так, чтобы ограничения сигнала практически не возникало. Для
этого порог ограничения квантующего устройства должен быть
равен квазимаксимальному ис.маКс значению сигнала, т. е.
^огр==^с.макс=:^Иср. (7.10)
Здесь k — пикфактор сигнала; иср — среднеквадратическое зна-
чение сигнала. Число шагов квантования можно определить по
известным иогр и 6:
п = 2 + 1^2 -L^1 . (7.11)
Подставив (7.11) и (7.10) в (7.7), получим:
Р - 1 1
ш,кв 3 «2 3/6
Поскольку на сопротивлении 1 Ом мощность сигнала Р,- = и2ср,
Рс Зп2
Р k2
ГШ.КВ к
или в децибелах
—201g -^-+ 4,8. (7.14)
•* ш.кв *
При m-разрядном кодировании п=2т. Подставив это значение в
(7.14), получим:
—= 6m — 201g & +4,8. (7.15)
•^ш.кв
У гармонического сигнала пик-фактор k=]/2, и в этом случае
= 6/71+ 1,8.
Рш.кв
У сигналов вещания пик-фактор зависит от жанра программы.
В среднем считают, что он равен 13 дБ. Поэтому для вещатель-
ного сигнала
—= —8,2.
Р’ш. кв
Это выражение не учитывает неодинаковой чувствительности слу-
ха человека к составляющим шума разных частот, определяемой
псофометрическим коэффициентом. С его учетом отношение сиг-
218
^ш.кб
Рис. 7.5. Отношение сигнал-шум при
ИКМ
нал-шум квантования уменьша-
ется на 8,5 дБ для сигнала в по-
лосе до 15 кГц и составляет
—^_ = 6m—16,7. (7.16)
Тщ ,кв
Если во избежание ограниче-
ния сигнала квазипиковое зна-
чение сигнала выбирается мень-
ше порога ограничения на неко-
торое значение Ди, отношение
сигнал-шум снижается на это
значение. Обычно выбирают
Ам=6 дБ.
Из (7.15) видно, что при ИКМ
увеличение числа разрядов на
единицу приводит к улучшению отношения сигнал-шум на 6 дБ.
С другой стороны, переход, допустим, от 14 разрядов кодирова-
ния к 15 означает рост скорости передачи всего лишь на 7 %.
Это является особенностью ИКМ, так как ни один другой метод
аналого-цифрового преобразования не позволяет так заметно
улучшать помехозащищенность за счет небольшого увеличения
скорости передачи. На рис. 7.5 изображены зависимости отноше-
ния сигнал-шум для сигналов ЗВ при разных т от уровня вход-
ного сигнала.
В студийных и бытовых цифровых устройствах звукозаписи
используется 16-разрядное равномерное квантование. Это означа-
ет, что отношение сигнал-шум квантования при кодировании
максимальных по уровню сигналов вещания составляет около
80 дБ, а по отношению к шумам паузы это отношение меньше на
4,7 дБ. При кодировании самых слабых сигналов отношение
Л/Рш.кв меньше на величину динамического диапазона сигнала
и оказывается весьма малым. Поэтому при тихих звуках шум
квантования более заметен, чем при громких. Без учета избыточ-
ности скорость цифрового потока (fT) при 16-разрядном кодиро-
вании сигнала и /д=48 кГц для монофонического сигнала состав-
ляет fT.M = 48-16=768 Кбит/с, а для стереофонического fT.cT=
= 1536 Кбит/с. При ^3=44,1 кГц /ТЛ,=705,6 Кбит/с и /т.ст=
=1411,2 Кбит/с.
7.4. НЕРАВНОМЕРНОЕ
(НЕЛИНЕЙНОЕ) КВАНТОВАНИЕ
Из § 7.3 следует, что при равномерном квантовании обеспе-
чить высокую защищенность от шумов квантования для всех сиг-
налов, в том числе и для самых слабых, можно только увеличив
число разрядов на отсчет при кодировании. При этом отношение
219
сигнал-шум линейно зависит от уровня входного сигнала, а тре-
буемая скорость передачи оказывается весьма высокой. Для сни-
жения скорости цифрового потока применяется неравномерное
квантование, которое позволяет повысить отношение сигнал-шум
квантования для слабых сигналов за счет уменьшения этого от-
ношения для сильных сигналов. Очевидно, что значение Рс/Рш.кй
должно оставаться достаточно высоким во всем диапазоне изме-
нения уровней входного сигнала. Неравномерная шкала кванто-
вания при АЦП сигналов вещания формируется путем использо-
вания мгновенного и почти мгновенного компандирования.
7.4.1. МГНОВЕННОЕ КОМПАНДИРОВАНИЕ
Устройство, реализующее неравномерное квантование с исполь-
зованием мгновенного компандирования (рис. 7.6), состоит из по-
следовательно включенных компрессора К, квантующего устрой-
ства КУ с равномерной шкалой квантования и экспандера Э.
Компрессор имеет нелинейную амплитудную характеристику, на-
зываемую характеристикой или законом компрессии (рис. 7.7).
В отличие от компрессора, описанного в гл. 6, этот К является
безынерционным устройством мгновенного действия. Выходной
сигнал К подвергается равномерному квантованию. Из рис. 7.7
видно, что квантование выходного сигнала К с равномерным ша-
гом соответствует неравномерному квантованию входного сигна-
ла. Экспандер включается по приемной стороне после цифро-
аналогового преобразователя. Амплитудная характеристика экс-
пандера обратна характеристике компрессии, и Э должен ском-
пенсировать нелинейные искажения, внесенные в сигнал компрес-
сором. Иными словами, коэффициенты передачи Кк и Кэ экспан-
дера должны быть связаны соотношением
Ак Аэ=1.
(7-17)
Определим оптимальный закон компрессии, при котором отно-
шение сигнал-шум квантования будет оставаться постоянным в
наибольшем диапазоне изменения уровней входного сигнала. При
некотором входном сигнале цВх шаг неравномерного квантования
(рис. 7.7)
8Н = 8 - = 8---------!-------
(7-18)
характеристики компрессии.
где 6?ЦВых/<7«Вх— производная
Рис. 7.6. Структурная схема компандер-
ной системы, реализующей неравномер-
ное квантование
220
Рис. 7.7. Характеристика не-
равномерного квантования при
использовании компрессора
Рис. 7.8. Характеристики
компрессии для разным
значений коэффициента
сжатия
Используя выражение (7.7) для отношения Рс/Рш.кв при на-
пряжении входного сигнала пох и соответствующем ему шаге кван-
тования бн получаем
2
(7.19>
р Л 2 V '
г щ.кв ин
Из (7.19) видно, что отношение Рс/Рш.кв будет оставаться пос-
тоянным, если шаг квантования возрастает пропорционально на-
пряжению входного сигнала. Такая шкала квантования называ-
ется пропорциональной. В этом случае
= cQnst
Решение полученного дифференциального уравнения описывает
оптимальную характеристику компрессии
Пвых = С 1П (цПвх) , (7.21)
где сир, — постоянные интегрирования.
При начальных условиях, определяемых видом характеристи-
ки КОМпреССИИ; WBbIx=0 при Пвх-—О и Пвых^^Пвых.макс При Пвх^=
= «вх.макс; устройство с амплитудной характеристикой вида (7.21)
физически нереализуемо, поскольку «вых-*—°о при пвх^0. Поэтому
на практике используют два других закона компрессии, несколь-
ко отличающиеся от оптимального, но близкие к нему. При pt-
законе
__ „ 1п(1 I Wbx I /“вх.макс) /7 99 \
“вых “вых.макс ' 7 ~ ; 7 > V •z,z' )
In ( 1 4- u.)
где pt — коэффициент сжатия.
221
Вид этой характеристики показан на рис. 7.8. Отношение мак-
симального шага квантования к минимальному при использова-
нии ^-характеристики равно
ф^=1+}1. (7.23)
6 мин
Различие между 6маКс и 6ЧИц тем заметнее, чем больше коэффи-
циент сжатия ц. Поэтому выбор р оказывает большое влияние на
отношение сигнал-шум квантования. Увеличение ц улучшает от-
ношение Рс/Рш.кв для слабых сигналов и ухудшает для сильных.
При кодировании телефонных сигналов принимают р=100 и бо-
лее, при кодировании вещательных сигналов р= 15.
Кроме компрессии по p-закону, применяют компрессию по А-
закону, причем в этом случае для слабых сигналов логарифмиче-
ская функция заменяется линейной:
.. 1 +1п(Аивч ивх макс) ппи иВХ.маКС Ь, I
ивых.марс , , . * при |wbxIvaKC*
1 -р I п А А
(7-24)
Здесь А — это число.
Компрессия по A-закону при Л=87,6 принята за стандартную
в многоканальных системах передачи. При этом сигналы напря-
жение которых меньше «вх.макс/А, квантуются с постоянным ша-
гом. В противном случае сигналы квантуются неравномерно по
логарифмическому закону. При этом при A-законе характеристи-
ка отношения Рс/Рш.кв оказывается более плоской, чем при р-за-
коне, а абсолютные значения отношения Рс/Рш.ю при А- и р-за-
коне примерно равны, если равны выбранные значения Аир.
Практическая реализация неравномерного квантования с ис-
пользованием аналогового компрессора, как показано на рис. 7.6,
сильно затруднена, так как при неидеальном выполнении условия
(7.17) в выходном сигнале возникают нелинейные искажения. По-
добрать характеристики К и Э сложно, поскольку К находится
на передающей стороне канала, а Э—на приемной и одному К
могут соответствовать несколько различных Э.
Поэтому в системах кодирования отказываются от аналоговых
компрессоров и переходят к цифровым, у которых плавная харак-
теристика компрессии заменяется линейно-ломаной аппроксими-
рующей функцией. В зависимости от числа используемых сегмен-
тов при аппроксимации и вида закона компрессии линейно-ломаную
характеристику компрессии обозначают буквой и двумя циф-
рами. Так, запись А87,6/13 означает, что используется аппрокси-
мация по A-закону при А=87,6 с 13 аппроксимирующими сегмен-
тами (рис. 7.9). Фактически характеристика компрессии состоит
222
^6bix/^6bix .макс
Рис. 7.9. Характеристика ком- Рис. 7.10. Характеристика ком-
прессии А87.6/13 прессии сигнала вещания при
11-сегментной аппроксимации
из 16 сегментов (по 8 для каждой полярности), но четыре цен-
тральных имеют одинаковую крутизну и поэтому принимаются за
один. Характеристика компрессии сигнала вещания для 11-сег-
ментной аппроксимации по ц-закону показана на рис. 7.10. В пре-
делах каждого сегмента шаг квантования постоянен, но при пере-
ходе от одного сегмента к другому возрастает в два раза при
ц-законе всегда, а при A-законе начиная с третьего сегмента.
Число уровней квантования в пределах каждого сегмента посто-
янно.
Процедура кодирования состоит в следующем. Вначале опре-
деляется полярность сигнала и в зависимости от нее формируется
символ первого разряда в кодовой группе. Затем кодируется в
двоичном коде номер сегмента, в пределах которого находится
уровень входного сигнала. Если, например, число сегментов для
каждой полярности сигнала равно восьми (как при законе
А87,6/13), то для кодирования номера сегмента нужны трехраз-
рядные кодовые комбинации. Далее кодируется номер уровня
входного сигнала в пределах сегмента. Если число таких уровней
равно 64 (как при 11-сегментном кодировании, показанном на
рис. 7.10), то для кодирования номера уровня необходима шести-
разрядная кодовая комбинация. Общее число разрядов в кодовом
слове равно 10 (первый разряд определяет полярность сигнала,
следующие три—номер сегмента и последние шесть — номер уров-
ня в пределах сегмента).
На рис. 7.11 показаны зависимости отношения Рс/Еш.кв от
уровня входного синусоидального сигнала для случаев отсутствия
компрессии (/), 13-сегментной (2) и 11-сегментной (3) аппрокси-
223
Рис 7.11 Зависимости отношения
сигнал шум квантования от уровня
входного сигнала
^Sbix^Bbix макс
Рис 7 12. Характеристи-
ки почти мгновенного
компандирования
маций. При линейном квантовании осуществляется 14-разрядное
кодирование отсчетов, при нелинейном—11-разрядное.
Из рис. 7.11 видно, что для низких входных уровней приведен-
ные зависимости совпадают, что естественно, поскольку шаг кван-
тования для этих сигналов является постоянным и одинаковым.
Для средних и больших уровней сигнала отношение сигнал-шум
при наличии компрессии не возрастает, как при ее отсутствии, а
остается примерно постоянным и достаточно высоким. Таким об-
разом, компрессия позволила снизить скорость передачи на (14—
11)/14<=20% без заметного ухудшения качества.
Поскольку компандирование применяется при передаче сигна-
лов вещания по каналам связи, полоса частот аналогового сигна-
ла ограничена частотой Лиакс^б кГц, fa=32 кГц и скорость циф-
рового потока при т—11 составляет fT=352 Кбит/с для монофо-
нической передачи и /т=704 Кбит/с для стереофонии
742 ПОЧТИ МГНОВЕННОЕ КОМПАДИРОВАННЕ
При почти мгновенном компандировании вместо одной нерав-
номерной шкалы квантования используют пять различных шкал
с равномерным квантованием, но разным шагом. Выбор той или
иной из них определяется максимальным уровнем кодируемого
сигнала за время, равное 1 мс. Вид используемых характеристик
квантования показан на рис 7.12. Минимальный шаг квантования
имеет шкала 5, максимальный—шкала 1. Число шагов квантова-
ния у каждой из шкал одинаково и равно 512 для одной поляр-
ности сигнала. Следовательно, кодовые слова, соответствующие
отсчетам сигнала, должны содержать т=10 разрядов. Процедура
кодирования с почти мгновенным компандированием состоит в
следующем. Вначале выбора из 32 отсчетов сигнала, что при
224
частоте дискретизации 32 кГц соответствует длительности сигна-
ла в 1 мс, кодируется при минимально возможном шаге квантова-
ния. Это соответствует разрешающей способности кодирования в
14 разрядов на отсчет. Полученные 32 14-разрядных слова запо-
минаются, а затем в зависимости от значения наибольшего из них
четыре разряда из 14 отбрасываются. При этом сокращение дли-
ны слов за счет четырех старших разрядов означает сохранение
минимально возможного шага квантования. Отбрасывание одного
младшего и трех старших разрядов соответствует увеличению ша-
га квантования в два раза, двух младших и двух старших — в
четыре раза, трех младших и одного старшего — в восемь раз, а
четырех младших — в 16 раз. Таким образом, при почти мгновен-
ном компандировании шаг квантования зависит не от мгновенно-
го значения сигнала, а от максимального в течение 1 мс. Допу-
стимость этого определяется тем, что сигнал ЗВ в течение 1 мс
изменяется сравнительно мало. Для обеспечения правильного вос-
становления абсолютного значения уровня сигнала на приемной
стороне каждый блок из 32 слов сопровождается трехразрядной
служебной комбинацией, определяющей, какая из шкал квантова-
ния использовалась при кодировании. При этом полная скорость
передачи оказывается равной 323 Кбит/с на моноканал, а отно-
шение сигнал-шум на 3 дБ лучше, чем при ll-разрядном кодиро-
вании с мгновенным компандированием.
7.5. ПРЕДЫСКАЖЕНИЯ ПРИ
ИМПУЛЬСНО-КОДОВОЙ МОДУЛЯЦИИ
При малом шаге квантования, характерном для систем ИКМ,
коррекция между отсчетами шума квантования практически от-
сутствует. Поэтому спектр шума квантования оказывается равно-
мерным в полосе частот от нуля до половины частоты дискрети-
зации. С другой стороны, спектр реальных звуковых сигналов
имеет значительный спад в области высоких частот, и при пере-
даче через цифровую систему музыкальных пассажей, исполняе-
мых инструментами, звук которых имеет преимущественно высо-
кочастотный характер (например, скрипки, фортепиано), отноше-
ние сигнал-шум заметно уменьшается по сравнению с максималь-
ным значением.
Для борьбы с этим явлением применяют предыскажения спек-
тра кодируемого сигнала и его восстановление после декодирова-
ния. В соответствии с рекомендацией Международного Консуль-
тативного Комитета по телефонии и телеграфии (МККТТ) харак-
теристика затухания предыскажающего контура (ПК) описывает-
ся выражением
а = 101g (7.25)
1 + (2itf/3000)2
15-6697 225
Рис. 7.13. Характеристики предыс-
кажающего контура
Форма АЧХ предыскажающего контура (рис. 7.13) обратна
форме АЧХ восстанавливающего контура (ВК), и поэтому спектр
сигнала на выходе системы ПК — ВК является неискаженным.
Шум квантования проходит только через ВК и его высокочастот-
ные компоненты оказываются подавленными. В результате отно-
шение сигнал-шум по спектру выравнивается, субъективно улуч-
шается передача высокочастотных звуков, а количественно отно-
шение Рс/Ал.кв возрастает на 4 дБ.
7.6. ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНАЯ
ИМПУЛЬСНО-КОДОВАЯ МОДУЛЯЦИЯ
Дифференциальная ИКМ (ДИКМ) является частным случаем
систем кодирования с предсказанием, в основу которых положено
использование корреляционных свойств кодируемых сигналов.
При ИКМ каждый отсчет сигнала кодируется отдельно и соот-
ветственно каждое кодовое слово несет информацию об одном
отсчете сигнала. Корреляционные связи, имеющиеся в сигнале,
никак не влияют на процесс кодирования, и требуемое число уров<
ней квантования определяется только диапазоном изменения вход-
ного сигнала и выбранным шагом квантования.
В системах с предсказанием кодируется разность нр между
действительным ивх и предсказанным и* значениями сигнала в
тактовый момент времени:
ир=ивх—и*. (7.26)
Предполагается, что при наличии корреляционных связей разно-
стный сигнал окажется меньше входного сигнала. За счет этого
шкала квантования при кодировании разностного сигнала будет
содержать меньшее число уровней квантования, чем при ИКМ.
Очевидно, что при заданном уровне шумов квантования требуе-
мое число разрядов на отсчет при кодировании с предсказанием
зависит от точности предсказания, т. е. от того, насколько в дан-
ный тактовый момент ti отличается от uBX(ti).
Существуют различные алгоритмы предсказания, но наиболее
распространены системы с линейным предсказанием, когда зна-
чение u*(t) формируется как взвешенная сумма предшествующих
226
отсчетов сигнала:
k
U* (О = 2 ^«вх — Л"), (7-27)
й=1
где и* (0 —предсказанное значение сигнала в момент времени t;
uBX(t—IT) —отсчет сигнала в момент t—IT, предшествующий мо-
менту t на i тактовых интервалов; Ct— коэффициенты предсказа-
ния, показывающие, с каким весом учитываются отсчеты сиг-
нала.
При предсказании по одному отсчету
u*(t)=cuBX(t—Т). (7.28)
Если, кроме того, с=1, то в качестве предсказанного принимается
предшествующее значение сигнала
и* (t)=uBX(t—T). (7.29)
Этот алгоритм предсказания характерен для ДИКМ.
Рассмотрим, как образуется разностный сигнал при ДИКМ,
когда входной сигнал за интервал дискретизации сравнительно
мало изменяется (рис. 7.14). При этом приращение сигнала ир
заметно меньше самих отсчетов. Следовательно, при заданном
шаге б шкала квантования разности будет содержать меньшее
число уровней и требуемая скорость передачи окажется ниже,
чем при ИКМ.
Оценим это явление количественно. При предсказании по ал-
горитму (7.28) разностный сигнал
Up(f) = Ubx(о — и* (0 =ивх(0 —cuBX(t—T). (7.30)
Из (7.30) получаем, что дисперсия разностного сигнала
Стр2=цс24-с2ас2—2R(T)ac2c, (7.31)
где R(T)—нормированная функция корреляции сигнала на интер-
вале Т; (т02 — дисперсия сигнала.
Оптимальное значение коэффициента предсказания, при кото-
ром дисперсия разностного сигнала минимальна, оказывается рав-
ным cam=R (Т). При этом
ар2=цс2 [1-R2(T)]. (7.32)
При любом R(T), отличном от нуля, ар2<Ос2, что определяет
целесообразность применения систем с оптимальным предсказа-
нием при любой функции корреляции между отсчетами. Однако
для реализации такой системы требуется знание корреляционной
функции кодируемых сигналов, которая может изменяться в за-
висимости от их характера (речь, симфоническая музыка, легкая
музыка, пение и т. д.). Перестройка предсказателя весьма затруд-
15* 227
Рис. 7.14. Временная диаграмма, поясняю-
щая образование разностного сигнала при
ДИКМ
Рис. 7.15. Временная диаграмма, поясняю-
щая явление перегрузки по крутизне
нительна, и поэтому при ДИКМ принимают с=1. Тогда
<ТР2=2(ТС2 [1—2?(Т)]. (7.33)
Отсюда видно, что при равном числе уровней квантования
(Рс/Рщ.кв)дикМ _ 1
(^с/^ш.кв)икМ 2[1—J?(T)]
При одинаковом в системе с ДИКМ шаге число уровней кванто-
вания
йд км = [1 /? (71)] /гикм,
(7.34)
а число разрядов на отсчет
тдикм= mHKM + ent[4'lo^2t1~/?(7’)1]- (7.35)
Рассчитаем выигрыш, получаемый при применении ДИКМ для
речевого сигнала, корреляционная функция которого приближен-
но описывается выражением
/?(т)=ехр (—Ц40|т|) cos 2980/. (7.36)
При частоте дискретизации /д = 32 кГц из (7.36) получаем /? (Т) =
= 0,8. Подставив это значение в (7.34), получим, что выигрыш в
помехоустойчивости при применении ДИКМ составляет 15 дБ. Это
позволяет уменьшить число разрядов в кодовой группе на два-
три. Примерно такое же значение имеет выигрыш и для большин-
ства вещательных сигналов. Наибольшим искажениям при ДИКМ
подвергаются малые разностные сигналы. Для уменьшения этих
искажений применяют неравномерное квантование, при котором
шаг квантования возрастает по мере увеличения разностного сиг-
нала. Такой метод разностного кодирования называется адаптив-
228
ной дифференциальной ИКМ (АДИКМ), поскольку при этом шаг
квантования адаптируется к параметрам входного сигнала.
Особенностью разностных методов кодирования, в том числе
ДИКМ, является отсутствие ограничения, так как результат про-
цесса кодирования не зависит от абсолютного значения входного
сигнала. Зато при ДИКМ могут появиться искажения другого ви-
да, называемые перегрузкой по крутизне, когда приращение сиг-
нала за тактовый интервал выходит за пределы шкалы кванто-
вания (рис. 7.15). Если число уровней и шаг квантования при
ДИКМ выбраны так, что максимальная разность, которая может
быть закодирована, равна ирыаКс, то при иР1>иР.макс эта разность
передается с ошибкой и при воспроизведении выходной сигнал
будет иметь вид 2 на рис. 7.15. Возникшее искажение формы свя-
зано с чрезмерно большой скоростью изменения сигнала и по-
и0 ир.макс . _
является при —иР-мз^1я- Отношение нрмакс// пред-
ставляет собой крутизну сигнала, поэтому описанный тип иска-
жений носит название перегрузки по крутизне.
В системах передачи сигналов ЗВ применяют метод, сочетаю-
щий почти мгновенное компандирование (ПМК) с ДИКМ. Про-
цедура кодирования таким методом состоит в следующем. Внача-
ле осуществляется кодирование с почти мгновенной компрессией
сигнала, как описано в п. 7.4.2. После этого нечетные отсчеты сиг-
нала передаются на приемную сторону без изменений, а четные
заменяют отсчетами разностного сигнала, сформированного так:
Д X2k—1 ^2^-1 v
^2k — ~ ~ Л2Ь’
где Xk — отсчет с номером k. Отсчеты разностного сигнала переда-
ются на приемную сторону 9-разрядным кодом. Таким образом,
среднее число разрядов на отсчет составляет 9,5.
Если модуль разности Агл превышает половину динамического
диапазона сигнала, в системе используется дополнительное почти
мгновенное компандирование с увеличением шага квантования в
2 или 4 раза. Однако для реальных сигналов такое превышение
маловероятно. С учетом возможности дополнительной компрессии
информационная скорость передачи монофонического сигнала при
этом методе кодирования составляет (32-9,5—(—4) • 103=308 Кбит/с.
Здесь 4-разрядная комбинация, передаваемая 1 раз в 1 мс, не-
сет информацию о масштабе при почти мгновенном компандиро-
вании и дополнительном компандировании нечетных отсчетов. По
сравнению с почти мгновенным компандированием метод ПМК —
ДИКМ позволяет уменьшить скорость передачи на 15 кБит/с.
229
7.7. ДОСТОВЕРНОСТЬ ЦИФРОВОЙ
ПЕРЕДАЧИ СИГНАЛОВ
7.7.1. ТРЕБОВАНИЯ К ДОСТОВЕРНОСТИ
Наличие помех в трактах передачи и записи цифровых сигна-
лов приводит к ошибкам при их регенерации. Эти ошибки по-раз-
ному влияют на сигнал на выходе ЦАП в зависимости от того,
какой разряд кодового слова оказывается искаженным. При ис-
пользовании симметричных кодов первый разряд кодового слова
несет информацию о полярности сигнала. Поэтому неправильная
его передача приводит к изменению полярности отсчета восста-
новленного аналогового сигнала на противоположную. Второй
разряд кодового слова является старшим, он имеет наибольший
вес, равный половине шкалы квантования.
Младший последний разряд кодового слова имеет вес, равный
одному шагу квантования. Поэтому при линейной шкале ошибка
в передаче старшего разряда при декодировании приводит к по-
грешности, равной половине шкалы квантования, ошибка же при
передаче младшего разряда приводит к погрешности всего лишь
на один шаг квантования. Погрешности декодирования, связанные
с появлением ошибок, можно оценивать в децибелах. Если обо-
значить через Ан абсолютное значение погрешности, то при ма-
ксимальном сигнале «макс относительная погрешность в децибелах
(/ на рис. 7.16) при равномерном квантовании в соответствии с
выражением (7.15)
= 6ОТ;, (7.37)
Ммакс
где mj —номер разряда кодового слова, в котором произошла
ошибка.
При использовании симметричных кодов, у которых первый
разряд является знаковым, относительная погрешность (2 на
рис. 7.16)
= 6(^—1). (7.38)
^макс
Погрешность, вносимая первым знаковым разрядом, зависит от
абсолютного значения кодируемого отсчета, поэтому она не от-
ражена на зависимости 2.
При почти мгновенном компандировании погрешность обуслов-
лена использованной шкалой квантования, выбираемой, как ска-
зано в п. 6.4.2, в зависимости от максимального сигнала в блоке.
Шкале 1 на рис. 7.12 соответствует график 3 на рис. 7.16, совпа-
дающий с графиком 2 для симметричного кода, шкале 3— гра-
фик 4, а шкале 5 — график 5. Из сравнения этих графиков на-
глядно видно, что уменьшение уровня максимального отсчета в
230
Рис. 7.16. Относительная погреш-
ность при искажении различных
символов в кодовом слове
Рис. 7.17. Зависимость вероятности
ошибки от отношения сигнал-шум
блоке при почти мгновенном компандировании приводит к сни-
жению относительной погрешности декодирования на то же зна-
чение. Это связано с пропорциональным уменьшением шага кван-
тования при изменении шкал.
Во всех рассмотренных случаях ошибки приводят к неправиль-
ному восстановлению одного отсчета сигнала. Если при почти
мгновенном компандировании ошибочно будет передана трехраз-
рядная комбинация, определяющая выбранную шкалу квантова-
ния, с погрешностью будут восстановлены не один, а сразу 32
отсчета сигнала.
Погрешность зависит от того, какой разряд служебного слова
окажется пораженным. При появлении ошибки в младшем раз-
ряде и связанным с ней переходом к соседней шкале квантования
уровни всех 32 отсчетов изменятся на 6 дБ. Ошибка во втором
разряде приведет к изменению отсчетов сигнала на 12 дБ, а ошиб-
ка в старшем разряде — на 24 дБ.
Из сказанного следует, что ошибки в тракте передачи по-раз-
ному влияют на выходной сигнал ЦАП. В некоторых случаях, в
частности при одиночных ошибках в младших разрядах кодовых
слов, их влияние может быть практически незаметным на слух из-
за кратковременности и небольшой относительной погрешности,
вызываемой этими ошибками. Ошибки в пяти-шести старших раз-
рядах вызывают глубокие изменения уровня сигнала и проявля-
ются в виде щелчков, сильно ухудшающих качество звукопере-
дачи.
При расчете требуемой достоверности цифровой передачи сиг-
налов ЗВ обычно исходят из того, что при высококачественном
звуковоспроизведении субъективно допустимо появление не более
одного щелчка в час. Предположим, что вероятности ошибок во
231
всех разрядах равны и к щелчкам приводит половина всех оши-
бок. Тогда при стереофонической передаче допустимая вероят-
ность ошибки
Рош =---------------•• (7.39)
2-0,57д-3600-«
Отсюда для студийной аппаратуры с [л=48 кГц и т—16 имеем
Р ош.доп=3 •10~10, для каналов передачи при Ц=32 кГц и т=14
Рош.доп^б-1010.
7.7.2. ПОВЫШЕНИЕ ДОСТОВЕРНОСТИ ПЕРЕДАЧИ
Вероятность ошибок, возникающих в каналах связи, зависит
от отношения мощностей сигнала и помехи.
Из зависимости вероятности ошибки от отношения сигнал-шум
при гауссовском распределении (рис. 7.17) следует, что требуемое
качество передачи можно обеспечить только в том случае, если
защищенность от шумов будет не ниже 24 ... 26 дБ. В реальных
цифровых каналах связи с учетом их протяженности и действия
большого числа различных помех это трудно осуществить, и сред-
няя вероятность ошибки в них составляет 10-5 ... ПУ*6. Для устра-
нения влияния ошибок на качество звукопередачи необходимо
принимать специальные меры, которые состоят в обнаружении и
последующем маскировании либо исправлении ошибок. Обнару-
жение и исправление ошибок требует введения в сигнал опреде-
ленной избыточности. Для этого сигнал, получаемый на выходе
АЦП, разделяется на блоки, в которые, кроме полезной инфор-
мации о звуковом сигнале, включаются дополнительные символы
обнаружения и исправления ошибок. Перед обратным цифро-ана-
логовом преобразованием эти блоки подвергаются цифровой об-
работке, в процессе которой на этапе обнаружения определяется
наличие ошибок без уточнения, какие именно символы искажены.
Для исправления ошибок цифровая обработка должна указать
также местонахождение пораженного символа в блоке.
Исправление ошибок — задача гораздо более сложная, чем об-
наружение, и требует введения в сигнал существенно большей
избыточности. Из теории кодирования известно, что код обладает
тем лучшей способностью к исправлению ошибок, чем больше
различаются кодовые слова. Степень различия кодовых слов ко-
личественно оценивается расстоянием Хэмминга между ними, под
которым понимают число несовпадающих символов на отдельных
позициях. Например, расстояние между словами 010110 и 011010
равно двум. Минимальное расстояние между кодовыми словами
данного кода называется кодовым (d). Величина d является ос-
новным показателем корректирующей способности кода.
Ошибки могут быть одиночными либо сгруппированными в
пакеты. Под пакетами ошибок понимают появление двух или не-
232
скольких ошибок в пределах одной m-разрядной кодовой комби-
нации. Если ошибки, возникающие при передаче сигналов, явля-
ются независимыми, то вероятность появления пакета ошибок
кратности q
(7.40)
где С,,,’— число сочетаний из т символов по q.
Для 10-разрядных кодовых комбинаций вероятность появле-
ния двойных ошибок при исходной вероятности ошибок Рош=
= 10 5 составляет pz=b-1(К9, а при рОш=Ю-4 р2=5-1(Д7. Это со-
ответствует появлению одной двойной ошибки каждые 2,5 ...
... 3 мин.
Кроме того, в канале передачи при средней вероятности ошиб-
ки, равной рОш=10-4 и выше возникают коррелированные ошиб-
ки, вызванные действием импульсных помех, несовершенством си-
стем коммутации и т. д. Поэтому вероятность появления ошибок
большой кратности возрастает. Особенно велика роль пакетов в
канале цифровой записи, где возможно искажение нескольких со-
тен символов, передаваемых последовательно. Отсюда ясно, что
системы исправления ошибок должны обладать способностью бо-
роться не только с одиночными ошибками, но и с ошибками боль-
шой кратности.
В теории помехоустойчивого кодирования показано, что для
обнаружения ошибок кратности q кодовое расстояние должно со-
ставлять cP^q-\-\. Для исправления ошибок кратности q необхо-
димо, чтобы Например, при обнаружении одиночной
ошибки d=2 это означает, что достаточно информационные кодо-
вые группы увеличить на один разряд. Для исправления одиноч-
ных ошибок каждую кодовую группу необходимо увеличить на
три разряда. Объем дополнительной информации резко возраста-
ет при увеличении кратности ошибок.
Процедура исправления ошибок состоит в том, что комбина-
ция, принятая ошибочно, заменяется той, принадлежащей коду,
расстояние до которой оказывается наименьшим. Отсюда ясно,
что чем больше кратность ошибки, которую необходимо испра-
вить, тем больше должна быть избыточность, которую необходи-
мо вносить в передаваемый сигнал.
Кроме того, требуемая избыточность тем больше, чем больше
символов кодовой группы необходимо защищать от ошибок. По-
этому с учетом заметности искажений в системах передачи сигна-
лов звукового вещания обычно защищают от ошибок пять-шесть
старших разрядов а также служебные комбинации, опре-
деляющие использованную шкалу квантования при почти мгно-
венном компандировании. Ошибки в младших разрядах, если ча-
стота их появления не слишком велика, достаточно обнаруживать
и маскировать.
233
Выбор способа обнаружения ошибок, метода маскирования
ошибок или помехоустойчивого кодирования зависит как от сред-
него значения вероятности ошибки, так и от законов их группи-
рования. Поэтому в студийном оборудовании, устройствах звуко-
записи, каналах передачи методы повышения достоверности ока-
зываются различными.
Обнаружение и маскирование ошибок. Если средняя вероят-
ность ошибки не превышает рош=10~5 и источником ошибок яв-
ляется шум в канале, то можно рассчитать, что одиночные ошиб-
ки будут появляться в среднем 2 раза в секунду, а двойные —
примерно 4 раза в сутки. В этих условиях достаточно учитывать
только одиночные ошибки, действие которых сводится к искаже-
нию отдельных отсчетов сигнала, и эффективным методом повы-
шения верности воспроизведения звука является обнаружение
ошибочно принятых кодовых слов и маскирование искаженных
отсчетов. Для обнаружения ошибок используется принцип четно-
сти, состоящий в том, что в каждое кодовое слово дополнительно
вводится один символ 0 или 1, причем такой, чтобы количество
единиц в слове было четным. При приеме выделяются кодовые
слова и в каждом из них подсчитывается число единиц. Нечетное
число будет означать наличие ошибки при передаче.
Вероятность р0 того, что при использовании этого метода
ошибка останется необнаруженной, зависит как от вероятности
рош ошибок в канале, так и от числа символов т в кодовом слове,
включая разряд четности. Величину ро можно вычислить так:
р0 = СДрош, (7.41)
где Ст2 — число сочетаний из т символов по 2. Отсюда видно,
что использование длинных кодовых групп ведет к росту вероят-
ности необнаруженной ошибки.
Если ошибка обнаружена, то далее происходит ее маскирова-
ние, которое состоит в замене искаженного отсчета другим отсче-
том, минимально отличающимся от истинного. Применяют два
способа маскирования: экстраполяцию нулевого порядка либо ин-
терполяцию первого порядка. При первом способе искаженный
отсчет заменяется предыдущим, при втором искаженный отсчет
определяется как среднее арифметическое предыдущего и после-
дующего отсчетов. Интерполяция обеспечивает более точное вос-
становление сигнала, чем экстраполяция, но и при этом разность
между истинным и восстановленным значениями сигнала может
быть заметной и намного превысить шаг квантования.
Слух человека обладает определенной инерционностью. Имен-
но поэтому метод маскирования оказывается эффективным, если
число ошибок не превышает одной-двух в секунду. Так бывает
при вероятности ошибки в канале рОщ=10-5. В результате для
/и=6 из (7.41) получаем, что вероятность необнаруженной оди-
ночной ошибки оказывается равной ро=15-1О-10, что примерно
234
соответствует рассчитанным в П.7.7.1 требуемым значениям. Уве-
личение рОш до 10-4 ведет к тому, что среднее число ошибок в се-
кунду достигает 20. При неидеальной интерполяции это становит-
ся заметным на слух и снижает качество восприятия. Поэтому
можно считать, что метод маскирования применим тогда, когда
Рош<10’5.
Исправление ошибок. Когда вероятность ошибки превышает
рош= 10-5 либо образуются пакеты ошибок, приходится от их ма-
скирования переходить к исправлению. В качестве исправляющих
широко распространены блочные линейные (т, &)-коды, у кото-
рых передаваемая последовательность символов разделена на бло-
ки, содержащие одинаковое число символов. Из общего числа т
символов в блоке k символов являются информационными, а г=
~т — k — проверочными. Информационные символы занимают k
первых позиций в блоке, проверочные — последние т—k. Прове-
рочные символы формируются в результате выполнения некото-
рых линейных операций над информационными символами, в ча-
стности являются суммой по модулю 2 различных сочетаний ин-
формационных символов. Особенностью линейного кода является
то, что сумма (и разность) входящих в код кодовых слов также
является кодовым словом, принадлежащим этому коду.
Корректирующие коды характеризуются избыточностью, кото-
рая определяется относительным увеличением блока из-за введе-
ния в него дополнительной информации для достижения заданной
корректирующей способности. Количественно избыточность кода
определяется выражением
R=(m—k)/m. (7.42)
Разновидностью линейных (m, k) -кодов являются коды Хэм-
минга. При кодовом расстоянии d=3 кода Хемминга имеют длину
т=2г—1. При г=2 существует код Хэмминга (3, 1), при г=3 —
код (7, 4), при г=4 — код (15, 11) и т. д. Эти коды могут испра-
вить одиночную ошибку, для нахождения положения которой не-
обходимо выполнить г проверок, представляющих собой операции
суммирования по модулю 2. Технически это реализуется весьма
просто.
При d=4 коды Хэмминга имеют длину m=2r~l [(4, 1), (8, 4),
(16, 11),...]. Они получаются из кодов Хэмминга с d=3добав-
лением к каждому слову дополнительного проверочного символа,
равного сумме по модулю 2 всех остальных символов, информа-
ционных и проверочных. Число проверок и в этом случае равно
числу проверочных символов. Коды Хэмминга с d=4 позволяют,
кроме исправления одиночных, также обнаруживать все двойные
ошибки.
При выборе кода существенным является то, чему равно ма-
ксимальное число кодовых слов в двоичном коде длиной т при
заданном кодовом расстоянии d. Для кода Хэмминга установле-
235
но, что при d=3 это максимальное число
М=2т~г. (7.43)
Следовательно, код (3, 1) состоит всего лишь из двух кодовых
слов, а для увеличения числа кодовых слов необходимы блоки
большей длины. При этом, однако, возрастает сложность декоди-
рующих устройств. Поэтому коды Хэмминга целесообразно ис-
пользовать для исправления одиночных независимых ошибок при
небольшом числе возможных кодовых комбинаций. В частности,
такие коды применяют для передачи трехсимвольных кодовых
комбинаций, определяющих шкалу квантования при кодировании
вещательных сигналов с почти мгновенным компандированием.
Среди линейных кодов важное место занимают циклические,
у которых циклическая перестановка символов любой комбина-
ции приводит к образованию комбинаций этого кода. Цикличность
позволяет уменьшить емкость памяти устройств, осуществляющих
кодирование и исправление ошибок, а возможность записи кодо-
вых слов в виде степенных полиномов сводит процедуры коди-
рования и декодирования к операциям умножения и деления
полиномов, легко реализуемым технически.
К циклическим относятся широко распространенные коды БЧХ
(Боуза — Чоудхори — Хоквингема). Для них справедливо прави-
ло: для любых значений s и ?<(2S—1)/2 существует двоичный
циклический код длиной n=2s—1, исправляющий все комбинации
из q или меньшего числа ошибок и содержащий не более чем sq
проверочных символов. Так, код БЧХ (63, 44), использованный в
системе спутникового вещания, позволяет исправить две ошибки
или обнаружить пять ошибок в блоке из 63 символов. При веро-
ятности ошибки рОш=Т0-3 это означает появление одной необна-
руженной ошибки в час. Избыточность этого кода составляет R —
= (63—44)/63=33%. Такой же избыточностью обладают цикличе-
ские коды Рида — Соломона (PC), нашедшие применение в ап-
паратуре звукозаписи и наиболее эффективные при исправлении
ошибок большой кратности.
Рассмотрим, наконец, еще один способ исправления ошибок,
применяемый в звуковой аппаратуре. Пусть кодовые слова пра-
вого (П) и левого (Л) каналов передаются поочередно: П1Л1,
П2Л2, ..., ППЛ„. Для каждой пары слов П, и Лг вычисляется
корректирующее слово К<—Пг+Л;, которое включается в струк-
туру передаваемого сигнала П1Л1К1, П2Л2К2 • • ПпЛпКп- Если
обнаружено, что, например, в принятом слове Л*, имеется ошиб-
ка, то истинное значение можно восстановить, исходя из соотно-
шения Л; = Кг—П{- Исправить ошибку невозможно, если пораже-
ны одновременно Л, и Пл Для исправления двух ошибок необ-
ходимы два корректирующих слова:
Кь—Пг~|-Л( И К2;=аП~(~РЛг,
где а и р — двоичные числа.
236
aia2aZa4a5a6a7a8^°A^^5^e^708^1^^^^5^6^i ••• 3/32,3J,3->,%’f 37 Э8
Z#/^45/4^*Z'?/,72‘:^2°2i:^‘?2'*2'52 ••• а8<^8е8^б8',,в'?в
а1 * a3a4a5a6a7a8$1 '•’ a8^8S8^8e8)K83S
Рис. 7.18. Способ перемежения информации
Если вероятность появления ошибок в одном слове ро, то ве-
роятность пропуска поправки из-за одновременной ошибки в двух
словах pi^po2, а вероятность пропуска двойной ошибки из-за по-
ражения трех слов pz^po3- При р0=Ю~4 ... 10-5 pi не превышает
допустимого значения, т. е. при избыточности 33,3% можно обес-
печить высокое качество передачи звука. Если ро^1О-4, требуемое
качество можно реализовать только при двух проверочных словах,
что означает увеличение избыточности до 50%. Кроме того, опре-
деленную избыточность следует ввести для обнаружения ошибок
в кодовых словах. Достоинством способа является его очевидная
простота.
Метод перемежения символов. В некоторых случаях, например
в аппаратуре записи сигналов, могут появиться пакеты ошибок
длиной в сотни разрядов. Исправить ошибки такой кратности
практически невозможно, и поэтому для борьбы с ними исполь-
зуют специальный способ формирования сигнала, позволяющий
превратить ошибки большой кратности в множество одиночных
ошибок. Способ этот называется перемежением информации (рис.
7.18). На строчке 1 записана условно исходная последователь-
ность кодовых слов по 8 символов в каждом. Символы слов обо-
значены буквами от а до з, индексы определяют место каждого
символа в слове. Перед передачей (записью) порядок следования
символов в последовательности изменяется так, как, например,
показано на строчке 2. Здесь вначале передаются первые разряды
всех слов, затем вторые, третьи и т. д. При приеме (после воспро-
изведения) порядок следования символов восстанавливается
(строчка 3). Предположим, что в процессе передачи возник пакет
ошибок, обозначенных значком >(«. В отсутствие перемежения
(строчка 1) эти ошибки исказят следующие подряд символы а7—
65. Если пакет ошибок возник у сигнала, подвергнутого переме-
жению (строчка 2), то из строчки 3 видно, что после операции
обратной перемежению пакет ошибок превратился в последова-
тельность одиночных ошибок, с которыми можно бороться так,
как было описано.
Эффективность этого метода особенно высока, если перемеже-
ние символов в пределах одного блока информации дополняется
перемежением самих блоков, как это, например, принято в циф-
ровых магнитофонах.
237
7.8. ФОРМАТЫ КОДОВ И
ОРГАНИЗАЦИЯ стыков
В цифровых устройствах ЗВ кроме кодовых слов, определяю-
щих мгновенные значения отсчетов звукового сигнала, в общем с
ними цифровом потоке передаются различные служебные сигна-
лы, команды управления аппаратурой, добавочные символы по-
мехоустойчивого кодирования и др. Порядок следования симво-
лов или кодовых слов в цифровом потоке, соответствующий дан-
ному коду, называется форматом кода.
Форматы кодов у устройств разного назначения существенно
различны, поскольку у них не совпадают законы кодирования,
способы защиты от ошибок, число звуковых каналов, характер и
объем дополнительной информации. Так, у студийной аппаратуры
определяющими факторами являются высокое качество передачи
и возможность введения дополнительной служебной информации
(адресно-временного кода для монтажа программ, режиссерских
комментариев и т. д.). Результирующая скорость цифрового пото-
ка большой роли не играет, поскольку специфика работы студий-
ной аппаратуры не связана с передачей этих потоков по каналам
связи. Поэтому в таких устройствах применяют равномерное кван-
тование с числом разрядов не менее 16 (в пультах и устройствах
шумоподавления число разрядов на отсчет доходит до 24) и вы-
сокую частоту дискретизации (48 кГц). Избыточность, вводимая
для борьбы с ошибками, достигает 33%, а управляющие сигналы,
осуществляющие перестройку системы обработки сигнала, и ад-
ресно-временной код передаются совместно со звуковыми.
При передаче по каналам связи определяющую роль играет
скорость цифрового потока, необходимая для передачи сигнала
ЗВ. Для ее сокращения частота дискретизации принимается рав-
ной ^=32 кГц, используется компандирование, объем служебной
и дополнительной информации снижается до 2 ... 3% от общего
объема.
Естественно, что форматы кодов у студийной аппаратуры и в
каналах связи оказываются различными. Более того, очень трудно
разработать единый формат для всей студийной аппаратуры или
для всех систем распределения. Поэтому, по крайней мере на
первых этапах развития техники цифрового вещания, неизбежна
совместная работа устройств с разными форматами кодов.
Обеспечить соединение (стык) таких устройств можно путем
преобразования либо одного формата в другой, либо каждого из
этих форматов в некоторый общий формат в месте стыка. По-
скольку число используемых форматов велико, преобразователи,
способные осуществить стык на основе первого принципа, оказы-
ваются довольно сложными и предпочтение отдано соединению с
использованием общего сигнала стыка. Устройства, реализующие
стыки, называются интерфейсами (транскодерами). Чтобы обес-
238
О 3 4
временные интервалы
7.7 78235031
Рис. 7.19. Формат сигнала в цифровом студийном интерфейсе
печить возможность соединения аппаратуры, выпущенной в раз-
ных странах и разными изготовителями, интерфейсы должны быть
стандартизованы. Так, разработанная к настоящему времени ре-
комендация Международного консультативного комитета по ра-
дио (МККР) по интерфейсу для цифрового студийного оборудо-
вания содержит требования к сигналу стыка, электрическим ха-
рактеристикам и типу разъема интерфейса.
Рассмотрим общие принципы построения формата сигнала, ис-
пользуемого в этом интерфейсе. Формат имеет периодическую
структуру и состоит из полукадров, кадров и блоков. Полукадр
(рис. 7.19,а) содержит символы одного кодового слова, т. е. ин-
формацию об одном отсчете звукового сигнала. Два полукадра
образуют кадр, который предназначен для передачи информации
об отсчетах двух сигналов, передаваемых одновременно. Это мо-
гут быть сигналы левого и правого каналов при стереофоничес-
кой передаче либо два различных монофонических сигнала. При
передаче одного монофонического сигнала один из полукадров в
кадре не используется. Полукадр разделен на 32 временных ин-
тервала, пронумерованных от 0 до 31. Каждый из этих интервалов
предназначен для передачи сигналов определенного вида. Интер-
валы 0 ... 3 отведены для передачи символов синхронизации по-
лукадров, кадров и блоков. Эти символы обозначаются буквами
X, У, Z и называются преамбулой. Временные интервалы 4 ... 27
отведены для разрядов кодового слова, причем старший разряд
располагается в 27-м интервале, а младший — в 4-м. Всего в по-
лукадре может быть передано 24-разрядное слово, но если число
разрядов в слове меньше, чем 24, то младшие разряды замеща-
ются символами 0. При этом могут быть соединены устройства с
разным числом разрядов в кодовом слове без искажения закона
239
кодирования. В 28-м интервале находится символ, определяющий
факт передачи кодового слова в полукадре в данный момент.
Символ 0 соответствует его наличию, символ 1 — отсутствию. Ин-
тервал 29 выделен потребителю, интервал 30 предназначен для
служебной информации, сопровождающей звуковой сигнал, а ин-
тервал 31—для разряда четности, выбираемого так, чтобы во вре-
менных интервалах 4 ... 31 было четное число единиц и нулей.
Частота следования кадров равна частоте дискретизации.
Блок образуется объединением 192 кадров (рис. 7.19,6). Каж-
дый блок содержит также информацию о передаваемом сигнале,
которая занимает 24 байт (1 байт=8 бит) и определяет наличие
и характер предыскажений звукового сигнала, частоту дискрети-
зации, вид сигнала (моно или стерео), число используемых раз-
рядов. В эти же 24 байт входят различные адресно-временные
сигналы, которые можно использовать для поиска и монтажа про-
грамм.
Местоположение определенной информации в пределах 24 байт
и обозначение в виде ее последовательности двоичных символов
строго регламентировано.
Таким образом, сигнал стыка содержит все сведения о звуко-
вом цифровом сигнале и служебную информацию, необходимую
для перекодирования из одного формата в другой при организа-
ции стыка. Перекодирование происходит автоматически в интер-
фейсе.
7.9. ИЗМЕНЕНИЕ
ЧАСТОТЫ ДИСКРЕТИЗАЦИИ
Стык осуществляется сравнительно просто, если частоты дис-
кретизации в коммутируемых устройствах совпадают. В этом слу-
чае достаточно согласовать законы компандирования в разных
звеньях тракта. Реализуется это на основе ИКМ-сигнала с равно-
мерным квантованием, поскольку при формировании ИКМ-сигна-
ла с любым законом компандирования исходным является сигнал
с равномерным квантованием либо такой сигнал может быть
сформирован. По этому общему для всех АЦП сигналу и объеди-
няют звенья системы с разными законами кодирования.
При несовпадении частот дискретизации интерфейс должен со-
держать дополнительно блок передискретизации. Такая задача, в
частности, возникает при организации стыка студийной аппара-
туры, в которой принята частота дискретизации /д=48 кГц, с ци-
фровыми каналами звукового вещания, рассчитанными на цереда-
чу сигналов с Ц=32 кГц, при соединении бытовой аппаратуры с
^=44,1 кГц со студийной или каналами связи и в других слу-
чаях.
Изменить частоту дискретизации сигнала можно двумя спосо-
бами: переходом к аналоговой форме и непосредственно в цифро-
240
Рис. 7.20. Временная диаграм-
ма сигнала при переходе от
/л=48 кГц к {л=32 кГц
вом сигнале. Первый способ предполагает, что цифровой сигнал
подается на ЦАП, восстанавливающий исходное звуковое сообще-
ние, которое затем вновь кодируется, но уже с использованием
другой частоты дискретизации. В этом случае исходный сигнал
дважды подвергается квантованию, что приводит к возрастанию
мощности шума квантования на 3 ... 6 дБ. Иногда это допустимо.
Так, при переходе от студийной аппаратуры с /д=48 кГц и т=16
разрядов на отсчет к каналам связи с /д=32 кГц и т=10 ... И
разрядов на отсчет уменьшение числа разрядов приводит к воз-
растанию уровня шума квантования на 20 ... 26 дБ (см. § 7.3).
Очевидно, что при этом передискретизация не сказывается на
общем отношении сигнал-шум.
При втором способе передискретизации по известным значе-
ниям отсчетов сигнала методом цифровой интерполяции опреде-
ляются его значения в тактовые моменты времени, соответствую-
щие новой частоте дискретизации. Особенно просто такая проце-
дура реализуется, когда частоты дискретизации являются крат-
ными.
Рассмотрим в качестве примера переход от частоты дискрети-
зации /д=48 кГц к частоте /д=32 кГц (рис. 7.20). Наименьшее
общее кратное этих частот равно 96 кГц. Поэтому при увеличении
частоты дискретизации в этом случае производится интерполяция
значений сигнала на равных временных интервалах между суще-
ствующими отсчетами, а при уменьшении частоты дискретизации
часть отсчетов попросту отбрасывается. Поскольку 32 кГц=
= (48 кГц-2) : 3, процедура передискретизации состоит в следую-
щем:
1. Преобразование сигналов с /д—48 кГц в сигнал с /д=
=96 кГц. Для этого методом интерполяции определяются зна-
чения отсчетов в середине исходного тактового интервала. На рис.
7.20,а сплошными линиями показаны отсчеты сигнала при /д=
=48 кГц, а штриховыми — результат интерполяции. Полученная
суммарная последовательность соответствует частоте дискретиза-
ции fn—96 кГц.
2. Выбор из последовательности с [д=96 кГц каждого треть-
его отсчета, как показано на рис. 7.20,6. Это означает снижение
частоты дискретизации в три раза по отношению к [я~96 кГц.
На рис. 7.20 сигналы изображены не в цифровой, а в аналого-
16—6697 241
Рис. 7.21. Спектральные диаграммы сигнала при передискретизации
вой форме только для наглядности. В действительности же рас-
сматриваемый интерфейс оперирует цифровыми сигналами, осу-
ществляя интерполяцию расчетным путем.
Спектр исходной последовательности отсчетов с частотой дис-
кретизации fui изображен на рис. 7.21,а. Предполагается, что ма-
ксимальная частота спектра сигнала Ес Макс=^Д1/2. Если частота
дискретизации возрастает, то спектр отсчетов изменится и при
fA2=2fAi примет вид, показанный на рис. 7.21,6. Из этого спектра
при обратном цифро-аналоговом преобразовании фильтром ниж-
них частот может быть выделен исходный звуковой сигнал, как и
при fA=fm. Спектр исходного полезного сигнала на рис. 7.21,а
и б заштрихован. Уменьшение частоты дискретизации приводит к
тому, что спектры полезного сигнала и отсчетов перекрываются и
фильтрация оказывается невозможной. Соответствующая спек-
тральная диаграмма для /дз= (2/3)/Д1 приведена на рис. 7.21,в.
Во избежание возникающих искажений в состав интерфейса
должен быть включен ФНЧ, ограничивающий спектр полезного
сигнала. В аналоговом интерфейсе ФНЧ включается между ЦАП
и АЦП, в цифровом интерфейсе преобразуемый сигнал должен
подвергаться цифровой фильтрации. Спектр сигнала после пред-
варительной фильтрации и передискретизации с /д=/дз показан
на рис. 7.21,г. Необходимость в такой фильтрации возникает, в
частности, при стыке цифровой студийной аппаратуры с каналом
связи. В этом случае во избежание искажений при переходе от
?я=48 кГц к /д=32 кГц спектр звукового сигнала следует сни-
жать от 20 до 15 кГц. Отметим, что ограничение спектра частотой
15 кГц соответствует формату цифрового звукового сигнала в
трактах распределения. При передискретизации частоты 44,1 кГц
в 48 кГц и обратно фильтрация не нужна, так как в обоих случаях
спектр полезного сигнала в соответствии с принятым форматом
составляет 20 кГц.
242
7.10. ЦИФРОВЫЕ УСТРОЙСТВА
ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ
Основная цифровая обработка вещательных сигналов осуще-
ствляется в студийных устройствах. К настоящему времени разра-
ботаны и нашли применение цифровые пульты звукорежиссера,
устройства создания спецэффектов, синтезаторы звука, шумопода-
вители.
Цифровые пульты представляют собой специализированные
ЭВМ и содержат блоки АЦП и ЦАП, арифметическо-логические
устройства (АЛУ), процессор, панели управления и индикации,
накопители на гибких и жестких магнитных дисках. В качестве
внешних устройств к пульту через системную шину могут под-
ключаться цифровые магнитофоны, проигрыватели и генераторы
спецэффектов. Арифметическо-логическое устройство содержит
корректор АЧХ, ограничитель, компрессор и экспандер. Внешние
устройства имеют интерфейсы для сопряжения с процессором
пульта. Кроме того, в состав пульта входят блоки формирования
формата кода, запоминающее устройство программ, селектор сиг-
налов и др.
Обработка сигналов в пульте происходит по программам, чис-
ло которых достигает нескольких сотен. Программы определяют,
в частности, регулировку уровня и изменение спектра сигнала в
целом и в каждом отдельном канале, коммутацию каналов и
групп. Цифровые устройства обработки обладают большим диа-
пазоном регулирования и могут быть включены в любой после-
довательности и в любую точку звукового тракта. Особенностью
цифровых пультов является возможность запоминания положения
всех органов управления, что позволяет полностью восстановить
режим обработки сигнала в случае перерыва в работе звукоре-
жиссера.
Поэтому цифровые пульты автоматически по программе уста-
навливаются на обработку сигналов определенного вида, что
облегчает труд звукорежиссера и ускоряет технологический про-
цесс звукозаписи.
Лучшими характеристиками, чем у аналоговых устройств, об-
ладают цифровые генераторы спецэффектов. При этом они ока-
зываются также значительно проще конструктивно. Основой
большинства таких устройств является цифровая линия задерж-
ки, реализуемая на основе сдвигового регистра. Сдвиговый ре-
гистр представляет собой цепочку из последовательно включен-
ных триггеров, в которой цифровой сигнал продвигается от входа
к выходу, перемещаясь за каждый такт на один шаг. Общее вре-
мя задержки сигнала в такой линии равно тзд=Л7/т, где N—
число триггеров в регистре; fT — тактовая частота. Выбор fT опре-
деляет требуемую точность установки времени задержки. По-
скольку N может быть достаточно велико, тзд в цифровой линии
16* 243
Рис. 7.22. Функциональ-
ная схема цифрового
устройства искусствен-
ной реверберации
Рис. 7.23. Функциональная схе-
ма устройства, реализующего
эффект хора
может иметь практически любое требуемое в звукотехнических
системах значение и достигает десятков секунд.
Функциональная схема устройства искусственной ревербера-
ции на основе линии задержки показана на рис. 7.22. К входному
сигналу добавляются задержанные на время тзд и измененные по
уровню в К раз его значения, что и определяет эффект искусст-
венной реверберации. Время реверберации характеризуется соот-
ношением Гр^Зтзд/lg К. В цифровой системе регулятор уровня
представляет собой блок умножения числа, соответствующего от-
счету сигнала, на число, меньшее единицы при уменьшении уров-
ня и большее единицы при увеличении его. Параметры цифрового
ревербератора легко изменять, что позволяет делать ревербера-
тор программируемым. Кроме того, цифровые ревербераторы со-
держат блоки коррекции АЧХ, позволяющие регулировать тембр
реверберационного сигнала.
Возможность реализации больших задержек позволяет на ос-
нове схем типа показанной на рис. 7.22 создать искуственно эф-
фект эха.
На линии задержки построено также устройство, имитирующее
эффект хора. Принцип действия устройства основан на следую-
щем. При исполнении каких-либо произведений в унисон несколь-
кими певцами имеются небольшие различия тембров их голосов,
моментов вступления, громкости, что и создает эффект хорового
пения в отличие от сольного исполнения. Устройство создает ис-
кусственно эти различия. Имитатор хора состоит из нескольких
параллельных цепей (рис. 7.23), в которые включены линии за-
держки и регуляторы уровня. Времена задержки и коэффициенты
передачи изменяются по случайному закону, для чего линии за-
держки и умножители управляются шумом в полосе 5 Гц. Время
задержки регулируется в пределах 10 ... 50 мс. В пределах 0,5 ...
... 1 Гц изменяется высота тона в имитаторе
244
Контрольные вопросы
1. Сравните равномерное н неравномерное квантование с точки зрения тре-
буемой скорости передачи и отношения сигнал-шум.
2. В чем состоит трудность реализации неравномерного квантования анало-
говым компрессором?
3. Какие свойства звука используются при почти мгновенном компандиро-
вании?
4. Рассчитайте требуемую достоверность цифровой передачи стереофониче-
ского сигнала, исходя из допустимости одного щелчка в 1 ч прн условии, что
к щелчкам приводят ошибки в восьми старших разрядах.
5. Сравните между собой методы маскирования ошибок и нх исправления.
6. Назовите источники искажений сигналов при изменении формата.
7. Составьте функциональную схему цифрового ревербератора.
Глава 8. ЗВУКОЗАПИСЬ
8.1. НАЗНАЧЕНИЕ ЗВУКОЗАПИСИ
Современная технология радиовещания в качестве одного из ос-
новных этапов включает предварительную запись и воспроизведе-
ние программ. Запись сигналов вещания позволяет сохранять вы-
ступления выдающихся общественных деятелей и исполнителей,
повышает качество вещания, облегчает труд создателей про-
грамм. Так, предварительная запись может быть сделана в удоб-
ное для исполнителей время, а затем воспроизведена в соответ-
ствии с программой передач. Это особенно важно при вещании
из Москвы на районы, удаленные на несколько часовых поясов,
а также за рубеж.
Применение записи в процессе репетиций позволяет прослу-
шать исполнение, обнаружить дефекты и устранить их путем пе-
резаписи. Тем самым качество передач значительно повышается.
В процессе подготовки программ широко используют заранее сде-
ланные записи отдельных музыкальных или литературных произ-
ведений. Набор таких звукозаписей называется фонотекой. Нали-
чие фонотек создает предпосылки для автоматизации процесса
подготовки программ, уменьшает его трудоемкость и повышает
производительность труда в процессе подготовки передач.
Широко распространены устройства бытовой звукозаписи, в
частности электропроигрыватели, магнитофоны и лазерные про-
игрыватели.
8.2. СИСТЕМЫ ЗАПИСИ СИГНАЛОВ
При записи на движущийся носитель происходит преобразова-
ние изменений сигналов во времени в изменения состояния носи-
теля записи по одной из его координат. Результатом процесса за-
245
писи является сигналограмма, называемая при звукозаписи фоно-
граммой. Физические процессы, приводящие к образованию сиг-
налограмм, могут быть различными. В зависимости от их харак-
тера различают четыре системы записи: магнитную, механичес- f
кую, фотографическую и электростатическую. Для звукозаписи
применят три первых из них.
Все устройства записи-воспроизведения, независимо от исполь-
зуемой системы, содержат записывающий и воспроизводящий
элементы, носитель движущий механизм и электронные блоки.
В процессе записи записывающий элемент изменяет физические
характеристики носителя, транспортируемого движущим механиз-
мом около записывающего элемента. След, оставляемый в носи-
теле, называется дорожкой записи.
Важными характеристиками являются продольная, поперечная,
поверхностная и объемная плотности записи. Продольная плот-
ность Рпрод измеряется числом периодов гармонического сигнала
или бит информации, приходящихся на единицу длины носителя
в направлении записи. Поперечная плотность РПопер — это число
дорожек, приходящихся на единицу длины носителя в направле-
нии, перпендикулярном к направлению записи. Поверхностная
плотность Рпов, равная произведению Рпрод и РПОпер, определяет
количество информации, записанной на единице поверхности носи-
теля. Объемная плотность определяется количеством информа-
ции, записанной в единице объема носителя.
От плотности записи зависит эффективность использования но-
сителя и все массогабаритные параметры аппаратуры. Чем выше
плотность записи, тем более высокими при прочих равных усло-
виях могут быть основные технические и эксплуатационные ха-
рактеристики записывающих устройств.
Рассмотрим принципы, на которых основано действие различ-
ных систем записи.
Механическая запись. Эта система получила широкое распро-
странение для записи звука на грампластинки. Звуковой сигнал
записывают на металлический диск, покрытый лаковым слоем,
с помощью резца, колеблющегося в такт с сигналом. Резец выре-
зает в лаковом слое спиральную канавку, извилины боковых сте-
нок которой отображают записываемый сигнал. Лаковый диск
используют как оригинал для изготовления матрицы — металли-
ческого диска с обратным рельефом (канавке соответствует вы- :
ступ). Затем матрица используется для штамповки грампластинок
из специальной пластмассы.
Элементом, воспроизводящим звук с грампластинки, являются
звукосниматели, которые могут быть электромагнитными и пьезо-
электрическими. Игла звукоснимателя перемещается по канавке
и колеблется в соответствии с изменением ее геометрии. Механи-
ческие колебания преобразуются в электрические, форма которых
при отсутствии искажений совпадает с формой записанного звуко-
246
вого сигнала. Механическая запись на грампластинки обеспечи-
вает звуковоспроизведение в полосе частот 40 Гц ... 15 кГц при
отношении сигнал-шум до 60 дБ и коэффициенте нелинейных
искажений не более 1 ... 2%. Грампластинки имеют диаметр 301,
230 либо 174 мм и вращаются со скоростью 33 1/3 либо 45 об/мин.
Время записи на одну пластинку до 20 ... 25 мин.
Более высокое качество записи обеспечивают цифровые лазер-
ные проигрыватели. В этом случае отношение сигнал-шум превы-
шает 90 дБ, нелинейные искажения менее 0,03%, а амплитудно-
частотная характеристика равномерна в диапазоне 20 Гц ...
... 20 кГц. Запись осуществляется на компакт-диск диаметром
120 мм в течение 60 мин. Записываемый сигнал имеет цифровую
форму. Символы 1 отображаются на дорожках диска в виде вы-
ступов (питов). Воспроизводящим элементом служит полупровод-
никовый лазер, луч которого направляется на дорожку записи на
поверхности диска, отражается от нее и затем попадает в фото-
детектор. Оптическая система отрегулирована так, что луч при.
попадании на пит расфокусируется. Напряжение на нагрузке фо-
тодетектора при этом уменьшается, что и служит сигналом о по-
явлении символа 1.
Достоинствами механической записи являются простота тира-
жирования, относительно невысокая стоимость дисков и высокая
плотность записи. Основной ее недостаток, ограничивающий об-
ласти применения, — сложность технологического процесса полу-
чения матриц, а вследствие этого невозможность оперативной за-
писи сигналов и их немедленного воспроизведения. Поэтому меха-
ническая звукозапись наиболее распространена в бытовых устрой-
ствах.
Фотографическая запись. Носителем фотографической записи
является фотопленка. В процессе записи входной сигнал модули-
рует по ширине световой луч, являющийся записывающим эле-
ментом. Луч экспонирует фотопленку, которая затем подвергается
фотохимической обработке: проявлению, промывке, закреплению
и сушке. В результате образуется оптическая сигналограмма,
причем ширина дорожки записи чаще всего изменяется в соот-
ветствии с характером записываемых колебаний. При воспроиз-
ведении сигналограмма просвечивается узким световым лучом,
воздействующим на фотоэлемент. Поскольку световой поток, про-
шедший через сигналограмму, зависит от ширины дорожки, фото-
ток фотоэлемента оказывается пропорциональным записанному
сигналу.
При фотографической записи продольная и поперечная плот-
ности записи определяются размерами поперечного сечения луча
и разрешающей способностью фотослоя. Значения РПроД и Рпопер
равны между собой и достигают нескольких сотен на миллиметр.
К достоинствам фотографической записи относится также ее ви-
димость, что облегчает монтаж сигналограмм, а также возмож-
247
Рис. 8.1. Структурная схема магнитофона
Рис. 8.2. Магнитная
головка
ность их тиражирования с помощью контактной печати. Недо-
статком системы является необходимость фотохимической обра-
ботки носителя, что препятствует оперативному использованию
фотографической записи. Фотографическую звукозапись чаще все-
го применяют в кино, где фотохимическая обработка кинопленки
все равно необходима при проявке кинофильмов.
Магнитная запись. Наиболее распространенным носителем
магнитной записи является лента, транспортируемая около маг-
нитной головки, представляющей собой электромагнитный пре-
образователь электрического тока в магнитное поле. Колебания
тока, отображающие входной сигнал, преобразуются в соответст-
вующие изменения напряженности магнитного поля головки, на-
магничивающего ленту, что приводит к изменению намагничен-
ности по ее длине. При воспроизведении лента перемещается око-
ло головки, преобразующей остаточный магнитный поток носите-
ля в электрический сигнал.
Основным достоинством магнитной записи является ее техно-
логичность; после записи нет необходимости в какой-либо обра-
ботке носителя, воспроизведение возможно сразу же после запи-
си. Носитель магнитной записи допускает многократное исполь-
зование, а магнитофоны представляют собой весьма простые
устройства. Поэтому в практике профессиональной и бытовой
записи звука в настоящее время наиболее распространена маг-
нитная запись.
8.3. СТРУКТУРНАЯ СХЕМА МАГНИТОФОНА
Магнитофоны бывают профессиональными и бытовыми, при-
чем бытовые делятся на несколько групп сложности в зависимости
от основных параметров и выполняемых функций. Тем не менее
248
все магнитофоны имеют общие функциональные узлы, что позво-
ляет сформировать их обобщенную структурную схему (рис. 8.1).
Входные записываемые сигналы поступают на усилитель записи
УЗ либо с микрофона через микрофонный усилитель МУ, либо с
линии через регулируемый усилитель ТУ. Усилитель записи нагру-
жен на записывающую головку ГЗ и является усилителем тока.
Магнитная головка (рис. 8.2) представляет собой сердечник
из магнитомягкого материала, который состоит из двух половин.
В местах соединения полусердечников образуются зазоры — рабо-
чий РЗ и дополнительный ДЗ. На сердечник намотана обмотка О.
Усилитель записи создает в обмотке ГЗ ток, пропорциональный
входному сигналу. Одновременно в ГЗ подается высокочастотное
колебание, называемое высокочастотным подмагничиванием ВЧП,
которое, не записываясь на носитель, улучшает характеристики
процесса записи (см. § 8.3). Для создания ВЧП служит специаль-
ный генератор высокой частоты (ГВЧ на рис. 8.1).
Ток, проходя по обмотке ГЗ, возбуждает в ее сердечнике маг-
нитный поток, который из-за рассеяния в районе РЗ выходит за
пределы поверхности РЗ.
Около РЗ перемещается магнитная лента МЛ, которая намаг-
ничивается полем рассеяния ГЗ. Таким образом, в процессе запи-
си изменения входного сигнала во времени преобразуются в из-
менения намагниченности рабочего слоя МЛ по ее длине. В ре-
зультате создается остаточный магнитный поток носителя ФДх).
Координата х вдоль направления записи связана с текущим вре-
менем t соотношением x=vBt, где v3 — скорость записи, а длина
волны записанного гармонического колебания связана с частотой
сигнала f соотношением X=f3/f- Количественно полезный эффект
записи оценивается уровнем записи, определяемым магнитным по-
током в сердечнике воспроизводящей головки, находящейся в тес-
ном контакте с поверхностью носителя и имеющей нулевое маг-
нитное сопротивление. Уровень записи выражается в единицах
остаточного магнитного потока на 1 м ширины дорожки записи,
что позволяет задавать его независимо от ширины дорожки. Для
обеспечения обмена фонограммами уровень записи нормируют.
При воспроизведении МЛ транспортируется с той же, что и
при записи, скоростью около рабочего зазора воспроизводящей го-
ловки ГВ. При этом часть остаточного магнитного потока носи-
теля проникает в сердечник ГВ и наводит ЭДС в ее обмотке.
Форма ЭДС однозначно соответствует записанному сигналу и по-
сле усиления и коррекции в усилителе воспроизведения УВ и
мощном оконечном усилителе ОУ подается на акустический агре-
гат АА. Переключатель П для этого должен находиться в верх-
нем положении.
Носитель должен быть подготовлен для записи, т. е. с него
необходимо удалить ранее записанные сигналы. Процесс удале-
ния ранее сделанных записей, называемый стиранием, осуществ-
249
ляется с помощью головки стирания ГС. Питается ГС также от
ГВЧ, который работает только в режиме записи и включается и
выключается одновременно с УЗ.
В профессиональных и высококачественных бытовых магнито-
фонах каналы записи и воспроизведения в процессе записи рабо-
тают совместно и образуют сквозной канал. При этом качество
записи можно контролировать непосредственно в процессе ее вы-
полнения и при необходимости изменять режимы. Переключатель
позволяет сопоставлять сигналы на входе и выходе магнитофона
и определять его искажение в процессе записи.
В бытовых магнитофонах функции ГЗ и ГВ часто выполняет
одна универсальная магнитная головка УГ. В этом случае орга-
низация сквозного канала невозможна, так как УГ переключается
либо только на запись, либо только на воспроизведение.
Транспортирование носителя записи осуществляет движущий
механизм, который при использовании ленты в качестве носителя
называется лентопротяжным (ЛПМ). К стабильности скорости
перемещения ленты в ЛПМ предъявляются высокие требования.
Поэтому в магнитофонах, особенно студийных, применяют специ-
альные устройства, стабилизирующие скорость. На рис. 8.1 это
блок электронной стабилизации (БЭС). Кроме режимов записи и
воспроизведения, магнитофон имеет режимы ускоренной перемот-
ки ленты вперед и назад, которые используются для отыскания
необходимых участков фонограммы и для намотки ленты на ка-
тушку после окончания записи или воспроизведения.
У современных магнитофонов на одной ленте несколько доро-
жек записи, т. е. практически все магнитофоны многодорожечные.
Магнитофоны, предназначенные для записи одного звукового сиг-
нала, называют монофоническими, для записи стереозвука —
стереофоническими.
Кроме указанных блоков, магнитофоны оснащают измерителя-
ми уровня, устройствами шумоподавления, блоками автоматики,
питания, дистанционного управления, электронного монтажа, счет-
чиком ленты и др.
8.4. ОСНОВНЫЕ ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ УЗЛЫ
МАГНИТОФОНА
8.4.1. МАГНИТНЫЕ ГОЛОВКИ
Конструкция магнитной головки кольцевого типа показана на
рис. 8.2. Рабочий зазор служит для создания локального магнит-
ного поля при записи и обеспечения воспроизведения с локального
участка дорожки записи. Его ширина составляет доли микромет-
ра. Дополнительный зазор имеется только у записывающих Голо-
вок и предназначен для предотвращения насыщения сердечника
250
Рис. 8.3. Изменение статического по-
ля магнитной головки от относительного
удаления от центра рабочего зазора
при больших токах в обмотке.
Ширина ДЗ 30 ... 40 мкм. У сти-
рающих головок ширина РЗ
100 ... 150 мкм.
В качестве материалов для
сердечников магнитных головок
используют железоникелевый
сплав пермаллой, имеющий на-
чальную магнитную проницае-
мость цн~20 000, железоалюми-
ниевый сплав альфенол с цн~Ю0
железо—алюминий—кремние-
вый сплав сендаст с цн = 35 000, высокоплотный феррит, аморфные
сплавы и др. Пермаллой наиболее просто поддается механической
обработке. Однако при этом изменяются его магнитные свойства,
что приводит к необходимости введения дополнительной опера-
ции— отжига, усложняющей технологию изготовления головок.
Недостатками пермаллоя являются малая износостойкость и зна-
чительные потери на вихревые токи на частотах более 20 кГц.
Наилучшей износоустойчивостью обладает сендаст. Срок служ-
бы сендастовых головок в магнитофонах составляет до 1000 ч,
что в сочетании с хорошими магнитными свойствами привело к их
широкому распространению в аппаратуре звуко- и видеозаписи.
Кристаллическая структура ферритов затрудняет формирование
рабочих зазоров. Однако у ферритов малы потери на вихревые
токи и поэтому в магнитофонах ферритовые головки нашли наи-
большее применение в качестве стирающих, у которых требования
к точности изготовления РЗ существенно ниже, чем у записываю-
щих и воспроизводящих.
Для снижения потерь на гистерезис металлические сердечники
головок делают не сплошными, а из отдельных склеиваемых меж-
ду собой пластин толщиной 20 ... 100 мкм.
Для уменьшения взаимных помех и защиты от внешних наво-
док головки помещают в электромагнитные экраны.
При многодорожечной записи-воспроизведении головки объеди-
няют в блоки. При профессиональной стереофонической записи
блок состоит из двух головок, сердечники которых имеют толщину
2,2 мм. Толщина головки монофонических бытовых магнитофонов
1,55 мм, стереофонических магнитофонов 0,66 мм. Соответствую-
щую ширину имеют и дорожки записи.
Способность головки создавать локализованное магнитное по-
ле наглядно видна из рис. 8.3. По оси ординат отложено отноше-
ние напряженности поля Нх к напряженности поля внутри рабо-
чего зазора Но, по оси абсцисс — относительное удаление от цен-
251
тра рабочего зазора, ширина которого равна 26. Параметром слу-
жит удаление а от поверхности головки (неконтакт). Видно, что
по мере роста а напряженность поля головки уменьшается, а про-
тяженность его увеличивается. Форма поля записи при обычно
существующих значениях неконтакта а имеет колоколообразную
форму, хорошо описываемую выражением
7, Нл Г , х -4- 5 , х — 51 .о ,.
пх = —- arctg —------arctg--- , (8.1)
" I У У J
где у — координата в направлении, перпендикулярном к поверх-
ности головки.
Поскольку магнитные головки являются линейными устройст-
вами, к которым применим принцип взаимности, воспроизводящая
головка обладает функцией чувствительности
, , 1 I J. х 4- ? , X — S1 /О л,
='7-ГаГс1?^=-------arctg--- • (8-2)
2пЗ L у у \
Функция т] (х) физически определяет связь между потоком в сер-
дечнике воспроизводящей головки и намагниченностью носителя.
Поэтому, зная намагниченность носителя и функцию т](х), можно
вычислить выходной сигнал воспроизводящей головки.
8.4.2. МАГНИТНЫЕ ЛЕНТЫ
Для звукозаписи в качестве носителей наиболее распростра-
нена магнитная лента, которая конструктивно представляет собой
немагнитную основу с нанесенным на нее магнитным рабочим
слоем. ^Материал основы современных лент — полиэтилентерефта-
лат (лавсан), обладающий высокими качественными показателя-
ми, прочностью, влагостойкостью, термостойкостью.
Рабочий слой выполняется из магнитотвердых материалов, та-
ких, как гамма-окисел железа, феррит кобальта, диоксид хрома,
чистое железо и др. Характеристики рабочего слоя должны обес-
печивать остаточный магнитный поток, достаточный для высоко-
качественного воспроизведения. При использовании у-РегОз, СгО2
рабочий слой изготавливают из магнитного лака, содержащего
магнитные частицы, равномерно распределенные в нелинейном
связующем материале. На основе железа и сплава Fe-Co-Ni по-
лучают металлопорошковые и металлизированные носители запи-
си, обладающие наиболее высокой разрешающей способностью.
Толщина рабочего слоя современных лент лежит в пределах
0,13 ... 5 мкм.
Ленты характеризуются тремя группами показателей: физико-
механическими, магнитными и рабочими. Основными физико-ме-
ханическими показателями ленты являются: нагрузка, соответст-
вующая пределу текучести (12 ... 36 Н); относительное удлинение
252
под нагрузкой (0,2 ... 0,8% при 4 Н); остаточное удлинение после
ударной нагрузки (до 0,08%); тепло- и влагостойкость и др. Маг-
нитные свойства лент характеризуются коэрцитивной силой (от 20
до 100 кА/м), остаточным магнитным потоком насыщения (5 ...
...10 нВб), намагниченностью насыщения (70 ... 100 кА/м), от-
носительной начальной магнитной проницаемостью (рн=1,7 ...
...2,2). Рабочие характеристики определяются относительно ти-
повой ленты, принятой за образец. К основным рабочим характе-
ристикам лент относятся:
относительная чувствительность, определяемая остаточным
магнитным потоком при записи сигнала частотой 400 Гц;
неоднородность чувствительности;
относительная амплитудно-частотная характеристика (АЧХ),
определяемая разностью АЧХ типовой и испытуемой лент на ча-
стоте 10 кГц;
отношение сигнал-шум, определяемое как разность уровней
максимального воспроизводимого сигнала и сигнала, воспроизво-
димого с ленты, намагниченной постоянным полем;
коэффициент третьей гармоники на выходе усилителя воспро-
изведения.
Ленты наматывают на сердечники и катушки. Намотка на сер-
дечники должна быть очень плотной, в противном случае лента
может соскользнуть с сердечника и рулон рассыплется. Во избе-
жание этого катушки снабжают боковыми ограничителями. Об-
щими недостатками размещения ленты на отдельных сердечниках
и катушках является свободный доступ к ней, при котором лента
может быть повреждена, а также необходимость заправки ленты
и закрепления кассет или катушки в лентопротяжном механизме
перед началом работы. При размещении в кассете доступ к ленте
закрыт, а установка кассеты в аппарат заправки ленты не тре-
бует. Поэтому предпочтительнее использование кассет.
Ширина лент стандартизована: в кассетных магнитофонах
3,81 мм, в катушечных и при намотке на сердечнике 6,25 мм.
В многоканальных магнитофонах, видеомагнитофонах и аппара-
тах точной записи применяют ленту шириной 8; 12,7; 25,4 и
50,8 мм.
8.4.3. ЛЕНТОПРОТЯЖНЫЕ МЕХАНИЗМЫ
Назначением ЛПМ является транспортирование магнитной
ленты с постоянной скоростью в режимах записи и воспроизведе-
ния, ускоренная перемотка ленты, необходимая для отыскания
нужных участков сигналограммы и намотки ленты на катушку,
сердечник или кассету, а также обеспечение необходимого кон-
такта головок с лентой при записи и воспроизведении. Типовая
кинематическая схема магнитофона показана на рис. 8.4. Во вре-
мя рабочего хода лента сматывается с подающего узла 1 и при-
253
Рис. 8.4. Кинематическая схема
магнитофона
жения и намотки ленты на
нимается приемным узлом 2. Пере-
мещает ленту ведущий двигатель
5, к валу которого лента прижима-
ется обрезиненным прижимным ро-
ликом 6. При движении лента опи-
рается на вращающиеся ролики или
стойки 3, 4 и проходит последова-
тельно около стирающей 7, записы-
вающей 8 и воспроизводящей 9 го-
ловок.
Кроме ведущего, ЛПМ имеет
двигатели подающего и прием-
ного узлов, предназначенные для
обеспечения необходимого натя-
приемную катушку (сердечник) в
режимах записи и воспроизведения, а также для ускоренной пе-
ремотки ленты. В этом режиме ведущий двигатель отключается.
В некоторых бытовых магнитофонах для удешевления конструк-
ции используют не три, а один или два двигателя. В этих слу-
чаях приемный и подающий узлы вращаются за счет ременных
передач, связывающих эти узлы с двигателем.
Номинальные значения скорости стандартизованы: в профес-
сиональных магнитофонах 38,1 и иногда 19,05 см/с, в бытовых
катушечных магнитофонах 19,05; 9,53 и 4,76 см/с. Кассетные маг-
нитофоны рассчитаны на скорость 4,76 см/с, в диктофонах при-
меняют скорость 2,38 см/с.
Для поддержания стабильности скорости и соблюдения номи-
нальных значений служат специальные следящие системы и элек-
тромеханические устройства стабилизации частоты вращения ве-
дущего двигателя.
8.5. ХАРАКТЕРИСТИКИ КАНАЛА
ЗАПИСИ-ВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ
В процессе записи — воспроизведения (ЗВ) входные сигналы
подвергаются многократным преобразованиям, неидеальность ко-
торых является причиной возникновения линейных и нелинейных
искажений. Кроме того, в канале 3-В действуют шумы, ухудшаю-
щие качество передачи сигналов. Рассмотрим особенности иска-
жений сигнала, возникающих в процессе 3-В.
8.5.1. ЗАПИСЬ
При записи с высокочастотным подмагничиванием, кроме тока
сигнала, в записывающую головку подаются также ток высокоча-
стотного подмагничивания, частота которого в 5 ... 10 раз пре-
вышает максимальную частоту спектра записываемого сигнала.
254
i
Рис. 8.5. Характеристики Рис. 8.6. Характеристики Рис. 8.7. Зависимость
намагничивания подмагничивания характеристик намагни-
чивания от длины волны
записи
Поэтому каждый элемент ленты в районе рабочего зазора испы-
тывает несколько циклов перемагничивания, потери на гистерезис
возмещаются за счет высокочастотного поля, а остаточная намаг-
ниченность создается полем сигнала в отсутствие таких потерь.
Процесс записи с ВЧП характеризуется зависимостями остаточной
намагниченности Мг от поля сигнала Я= (характеристики намаг-
ничивания) и поля подмагничивания Н (характеристики под-
магничивания). Из рис. 8.5 видно, что действие переменного поля
приводит к повышению чувствительности и улучшению линейно-
сти процесса намагничивания при малых напряженностях поля
сигнала по сравнению с записью без ВЧП.
По мере роста поля ВЧП крутизна и линейность характери-
стик намагничивания возрастают. Однако после превышения по-
лем ВЧП некоторого значения крутизна кривых намагничивания
начинает уменьшаться, что определяет появление максимума ха-
рактеристик подмагничивания (рис. 8.6). Соответствующий макси-
муму остаточной намагниченности ток ВЧП называют оптималь-
ным подмагничиванием.
Нелинейность характеристик намагничивания приводит к по-
явлению нелинейных искажений воспроизводимого сигнала. Од-
нако при выборе тока подмагничивания примерно равным опти-
мальному коэффициент гармоник не превышает 1 ... 2%.
Характеристики намагничивания зависят от длины волны за-
писи (рис. 8.7). При малых X эти характеристики не имеют уча-
стка насыщения и абсолютное значение максимумов снижается.
При фиксированном токе уровень записи зависит от длины волны,
снижаясь по мере ее уменьшения. Это явление носит название
волновых (т. е. зависящих от X) потерь записи. Поскольку часто-
та воспроизводимого сигнала fB однозначно связана с X соотно-
шением fB=vB/K, волновые потери приводят к амплитудно-частот-
255
ным искажениям выходного сигнала. Здесь ув — скорость воспро-
изведения.
От X зависит также вид характеристик подмагничивания. Чем
меньше А,, тем меньше оптимальный ток подмагничивания. Следо-
вательно, оптимальные условия записи сигналов высоких и низких
частот звукового диапазона не совпадают.
Выбором оптимального тока ВЧП при записи сигналов с ми-
нимальной длиной волны можно улучшить АЧХ сквозного канала
3-В в области высоких частот, поскольку при этом уровень высо-
кочастотных составляющих воспроизводимого сигнала относи-
тельно возрастает. Необходимо, однако, отметить, что различие
характеристик подмагничивания при разных Л тем заметнее, чем
толще рабочий слой. При использовании лент с тонким, до 1 мкм,
в частности, металлизированным, рабочим слоем это явление не
наблюдается.
Количественный расчет волновых потерь записи наталкивается
на значительные трудности, связанные с необходимостью учиты-
вать большое число различных факторов, а также с отсутствием
до сих пор математических соотношений, которые однозначно
связывают выходной эффект тракта записи с характером воздей-
ствия и его параметрами. Проще получить необходимые зависи-
мости экспериментально, что и реализуется на практике.
8.5.2. ВОСПРОИЗВЕДЕНИЕ
В отличие от записи процесс воспроизведения является суще-
ственно линейным, поскольку он не связан с перемагничиванием
магнитных материалов в относительно сильных полях. Поэтому
нелинейные искажения при воспроизведении не возникают. В то
же время при этом велики волновые потери, основные из которых
могут быть изучены путем анализа идеализированной модели
тракта (рис. 8.8).
Магнитная лента имеет рабочий слой с толщиной d и магнит-
рн=1. Лента намагничена однородно по тол-
ной проницаемостью
Рис. 8.8. Идеализированная
модель тракта записи-вос-
произведения
щине гармоническим сигналом. Воспро-
изведение осуществляется магнитной го-
ловкой, имеющей рабочий зазор шири-
ной 26 и находящейся на расстоянии а
от поверхности ленты. Магнитная про-
ницаемость сердечника головки цг=°°-
Магнитный поток ленты делится на три
части. Одна часть Ф1 замыкается со сто-
роны основы ленты, другая Фг — в про-
странстве между лентой и головкой,
третья Ф3 — через сердечник воспроизво-
дящей головки. Полезный эффект созда-
ет только поток Ф3, который можно вы-
256
числить по известным функции чувствительности головки т)(х)
(см. (8.2)) и остаточному магнитному потоку Фг(х):
a+d оо
Ф3(х)= j dy j 7](Z, у)Фг(х — l)dl. (8.3)
a —оо
Подставив выражение (8.2) в (8.3) при Фг(х)=Фг0 sin (2лхД),
получим:
Фз(л) = Фго5!п(2п5/Х) expf—2it JLh ^~exP(~2nd/X) j 2^_х_
V ' г0 2пЗ/Х \ X | / 2nd/X X
= Фг0КъКаКаз1п2ъ^-. (8.4)
Л.
Каждый из коэффициентов Kt>, Ка, Ка меньше 1 при Х#=0 и опре-
деляет появление различных волновых потерь. Щелевые потери,
описываемые коэффициентом Кь, возникают из-за конечной ши-
рины рабочего зазора воспроизводящей головки. График Kt, (рис.
8.9,а) при Х=2б имеет минимум, равный нулю, и сигнал при та-
ком соотношении между X и 26 с ленты не воспроизводится. Кон-
тактные потери определяют спад амплитудно-волновой характе-
ристики по экспоненциальному закону (рис. 8.9,6). При а=Х
отдача ленты падает более чем в 500 раз по сравнению с воспроиз-
ведением при плотном контакте с головкой. Поскольку минималь-
ная длина волны около 1 мкм, ясно, что контактные потери пред-
ставляют собой источник значительных искажений воспроизводи-
мого сигнала. Наконец, слойные потери, описываемые коэффи-
циентом Kd (рис. 8.9,в), как и щелевые, и контактные, приводят
к спаду уровня воспроизводимого сигнала в области малых длин
волн. При d=5k слойные потери снижают отдачу более чем в 30
раз. Результирующая амплитудно-волновая характеристика иде-
ализированного тракта воспроизведения описывается произведе-
нием Kt, Ка и Kd и имеет вид спадающей функции аргумента 1/А,
(рис. 8.9,а).
17—6697 257
Перейдем к частотной характеристике тракта. Для этого вы-
числим ЭДС воспроизведения на один виток головки
с1Ф _ дФ
dt дх
дх т—. • [ f \
—— = EosiniTty-1 у
w V fo /
/ | £
х exp [ — 2w —
\ I fa
4—exp( —2nsf/f0)
2ns f /f0
cos 2nft.
(8-5)
Здесь /о=Ув/26 — частота, на которой АЧХ минимальна и которая
соответствует нулевому значению коэффициента щелевых потерь;
vB — скорость воспроизведения.
Из (8.5) следует, что комплексный коэффициент передачи иде-
ализированного тракта
A (j®) — sin т<в/<в0 exp ( — 2itr
<0
“о
1 — ехр( — 2nsa>/wg)
2nsa> <0g
ехр(’т
(8.6)
где м=2л/; <во=2л/о-
Отличие |7C(j(o) | на рис. 8.10 от графиков волновых потерь
на рис. 8.9,г определяется дифференцирующим действием головки,
вызывающим увеличение ЭДС воспроизводимого сигнала пропор-
ционально его частоте, а также фазовый сдвиг ср всех составляю-
щих сигнала на л/2.
Кроме щелевых, контактных и слойных потерь, в реальных
магнитофонах имеются и другие источники искажений АЧХ, в
частности непараллельность рабочих зазоров записывающей и
воспроизводящей головок, дефекты рабочих зазоров и др.
8.5.3. ШУМЫ КАНАЛА ЗВУКОЗАПИСИ
Основным источником шумов при записи звука является дис-
кретная структура рабочего слоя магнитных лент и неравномер-
ность распределения магнитных частиц в рабочем слое, в резуль-
тате при перемещении даже размагниченной ленты около зазора
воспроизводящей головки на ее обмотке возникает шумовая ЭДС.
Этот шум называют структурным. Если лента полностью размаг-
ничена, уровень структурного шума составляет 60 ... 65 дБ отно-
сительно номинального уровня.
В процессе записи уровень структурного шума возрастает.
В паузе, т. е. при отсутствии сигнала, но под воздействием поля
высокочастотного подмагничивания, уровень шума возрастает на
3 ... 10 дБ. Это объясняется ростом чувствительности ленты к
слабым полям при наличии поля ВЧП, а рост шума означает не-
которое намагничивание ленты под действием магнитного поля
Земли, намагниченных элементов лентопротяжного механизма
и др. Уровень структурного шума возрастает пропорционально
258
Рис. 8.10. Частотная за-
висимость коэффициента
передачи идеализирован-
ного тракта записи-вос-
произведения
Рис. 8.11. Характеристика спек-
тральной чувствительности слуха
к детонациям
намагниченности ленты. Поэтому воспроизводимый сигнал ока-
зывается промодулированным шумом по амплитуде. Шум такого
вида называется модуляционным. Относительный уровень шума
ленты, намагниченной до насыщения, составляет— (26... 30) дБ.
Относительный уровень модуляционного шума зависит от ширины
дорожки записи-воспроизведения, возрастая с ее уменьшением.
Кроме дискретной структуры рабочего слоя, к паразитной ам-
плитудной модуляции воспроизводимого сигнала приводит также
непостоянство конструктивных параметров тракта 3-В, в частно-
сти флуктуации неконтакта между носителем записи и головками.
При записи переменный неконтакт приводит к неравномерному
намагничиванию ленты по толщине, что проявляется при воспро-
изведении в виде паразитной модуляции, называемой контактным
шумом записи. При воспроизведении флуктуации неконтакта из-
меняют коэффициент контактных потерь (см. 8.4)), что также
приводит к паразитной AM. Контактный шум также является мо-
дуляционным, но в отличие от структурного, его значение зависит
от длины волны записи. Глубина паразитной AM из-за неконтак-
та растет при уменьшении X.
Модуляционный шум имеет сплошной спектр от нулевых частот
до нескольких килогерц. Кроме него, на качество записи звука
влияют собственные шумы усилителя воспроизведения и тепловые
шумы головок, переходные помехи с соседних дорожек, наводки
от соседних головок в многодорожечных блоках, внешние помехи
от трансформаторов и двигателей магнитофонов. Перечисленные
помехи накладываются на сигнал, т. е. имеют аддитивный харак-
тер, и величина их от уровня сигнала не зависит.
8.5.4. ДЕТОНАЦИЯ
Детонацией называются специфические искажения сигнала в
системах 3-В звука, вызванные несовпадением скоростей записи
и воспроизведения.
17* 259
Пусть с постоянной скоростью Vo записывается на ленту гар-
монический сигнал с частотой f3. Тогда длина волны записи рав-
на Л=ио//з- Если скорость воспроизведения отличается от .скоро-
сти записи и равна uB=Vo+Av(O> то частота воспроизводимого
сигнала составляет
/в = ^- = ^Г1 +^-] = /3[1 + Л (01,
X XI °о .
(8.7)
где A (t) =Av(t)/vo- Из (8.7) видно, что несовпадение скоростей
записи и воспроизведения приводит к модуляции частоты воспро-
изводимого сигнала по закону колебаний скорости.
Детонации с частотами порядка долей герца приводят к изме-
нениям высоты тона («плаванию звука»). Детонации с частотами
выше 25 Гц вызывают расширение спектра воспроизводимого сиг-
нала из-за паразитной ЧМ, что проявляется в виде «хриплости»
тона.
Слух человека неодинаково чувствителен к детонации с разной
частотой (рис. 8.11), причем наиболее заметны детонации в поло-
се 1 ... 10 Гц. Глубина паразитной ЧМ Л(/), измеренная с учетом
субъективного восприятия, называется коэффициентом детонации.
Причинами появления детонации являются наличие допусков на
точность изготовления элементов лентопротяжного тракта, биения
вращающихся детлей, собственные колебания ленты.
8.6. КОРРЕКТИРОВАНИЕ
АМПЛИТУДНО-ЧАСТОТНЫХ
ХАРАКТЕРИСТИК
Как было показано в § 8.5, из-за дифференцирующего дейст-
вия воспроизводящей головки и волновых потерь АЧХ канала 3-В
оказывается неравномерной и во избежание возникновения ам-
плитудно-частотных искажений воспроизводимого сигнала в маг-
нитофонах применяют коррекцию АЧХ в усилителе воспроизведе-
ния и предыскажения сигнала в усилителе записи.
Усилитель записи обеспечивает подъем АЧХ в области высо-
ких и низких частот звукового диапазона. Подъем в области вы-
соких частот компенсирует часть волновых потерь, подъем в
области низких частот служит для улучшения отношения сигнал-
шум на выходе сквозного канала. Принцип этой коррекции со-
стоит в следующем. Из-за дифференцирующего действия воспро-
изводящей головки уровень полезного сигнала в области низких
частот оказывается весьма малым и поэтому возрастает влияние
низкочастотных аддитивных помех. Предыскажения сигнала в об-
ласти низких частот, повышающие уровень соответствующих со-
ставляющих, улучшают отношение сигнал-шум.
260
Таблица 8-1
Скорость, см/с 38,1 19,05 9,53 4,76
Xj, мкс Т2, мкс 35 ОО 50(70) 3180 90 3180 120(70) 3180
Чтобы обеспечить возможность обмена фонограммами, АЧХ
канала записи стандартизована, причем в аппаратуре звукозапи-
си принято описывать эту характеристику постоянными времени.
Суть этого описания состоит в том, что задаваемая характеристи-
ка определяется как частотная зависимость полного электриче-
ского сопротивления цепи, состоящей из резистора сопротивлением
и конденсатора емкостью С, имеющей в области низких частот
постоянную времени Т2 при последовательном их включении и по-
стоянную времени п в области высоких частот при их параллель-
ном включении. Значения п и тг стандартизованы в зависимости
от скорости записи (табл. 8.1). Графики номинальных АЧХ уров-
ня записи приведены на рис. 8.12. Случай Т2=°о означает отсут-
ствие предыскажений в области низких частот.
В усилителе воспроизведения компенсируются предыскажения
в области низких частот, если они внесены при записи, искаже-
ния, вызванные дифференцирующим действием воспроизводящей
головки, и нескомпенсированная при записи часть волновых по-
терь. Операцией, обратной дифференцированию, является интег-
рирование. Поэтому, если бы других видов искажений АЧХ, кро-
ме дифференцирующего действия воспроизводящей головки, не
было, АЧХ усилителя воспроизведения совпадала бы с АЧХ иде-
ального интегратора (/ на рис. 8.13). С учетом компенсации пред-
ыскажений канала записи и волновых потерь результирующая
АЧХ усилителя воспроизведения совпадает с АЧХ 2 на рис. 8.13.
Рис. 8.12. Номинальные АЧХ
уровня записи
Рис. 8.13. АЧХ усилителя воспро-
изведения
261
8.7. ОСНОВНЫЕ КАЧЕСТВЕННЫЕ
ПОКАЗАТЕЛИ МАГНИТОФОНОВ И ИХ
ИЗМЕРЕНИЕ
Для обеспечения высокого качества записи сигналов характе-
ристики магнитофонов должны удовлетворять определенным нор-
мам, определяемым государственными стандартами. Наиболее вы-
сокими качественными показателями обладают студийные магни-
тофоны. Бытовые магнитофоны в зависимости от основных пара-
метров подразделяются на пять групп сложности: 0 (высшая), 1,
2, 3 и 4. Для однозначности оценок стандарты предусматривают
не только нормирование характеристик магнитофонов, но и ме-
тоды их измерений. Основные измерения производят с помощью
измерительных лент, т. е. сигналограмм, содержащих специальные
записи. Комплект измерительных лент содержит несколько час-
тей: для измерения усиления, АЧХ магнитофона, коэффициента
детонации, углов наклона рабочих зазоров головок, переходных
затуханий между каналами в стереофонических магнитофонах,
установки головок по высоте.
Рассмотрим основные качественные показатели магнитофонов
и способы их измерения и оценки.
Амплитудно-частотная характеристика магнитофона задается
при помощи специальных диаграмм, определяющих поле допусков
на отклонение АЧХ от номинальной (рис. 8.14). Если измеренная
АЧХ размещается внутри замкнутой фигуры, определяющей поле
допусков, то она удовлетворяет норме. Значения частот fi, f2, f3,
fi и параметры А и В, характеризующие неравномерность АЧХ,
зависят от группы сложности магнитофонов (см. табл. 8.2).
В канале воспроизведения АЧХ контролируется по измери-
тельной сигналограмме, имеющей нормированную зависимость
остаточного магнитного потока от частоты (см. рис. 8.12). Изме-
ренная АЧХ должна лежать в поле допусков. Требуемая регули-
ровка АЧХ канала воспроизведения выполняется корректирую-
щими цепями усилителя воспроизведения, а для регулировки
АЧХ канала записи используют запись-воспроизведение ряда ча-
стот в пределах рабочего диапазона. Изменяя глубину коррекции
усилителя записи, необходимо добиться, чтобы АЧХ сквозного ка-
нала также укладывалась в поле допусков. В тех же пределах
должны находиться различия АЧХ стереоканалов записи-воспро-
yj f2 fs Рис. 8.14. Диаграмма поля допусков АЧХ маг-
нитофона
262
Таблица 8.2
Тип магнитофона Гц /2. Гц Гц Гц Л, дБ В, дБ
Профессиональный при v, см/с 38,1 31,5 63 8000 16 000 1,5 3
19,05 40 80 6300 12 000 1,5 3
Бытовой группы сложности: 0 31,5 250 6300 22 000 3 6
1 31,5 250 6300 18 000 3 6
2 40 250 6300 14 000 4 7
3 40 250 630 12 500 4 7
4 63 250 630 8000 4 7
изведения. Фазовый сдвиг между стереоканалами не должен пре-
вышать 10°.
Номинальный уровень записи определяется потоком коротко-
го замыкания сигналограммы, т. е. магнитным потоком в сердеч-
нике воспроизводящей головки, обладающей нулевым магнитным
сопротивлением и находящейся в тесном контакте с носителем.
Номинальный уровень задается на фиксированной длине волны
записи, соответствующей середине частотного диапазона записы-
ваемого сигнала, и выражается в единицах остаточного магнитно-
го потока на 1 м ширины дорожки записи. Это позволяет опреде-
лять номинальный уровень записи независимо от ширины до-
рожки.
Номинальное значение уровня записи в профессиональных мо-
нофонических магнитофонах 320 нВб/м (в стереофонических
510 нВб/м) при фиксированной длине волны, соответствующей
записи гармонического колебания частотой /=1000 Гц, при о3=
= 38,1 и 19,05 см/с и 256 нВб/м при записи сигнала с /=315 Гц
на скорости и3=9,53 см/с. У бытовых кассетных магнитофонов
номинальный уровень записи определяется для частоты /'=400 Гц
и равен 250 нВб/,м.
Измерительная лента для установки коэффициента усиления
содержит запись гармонического сигнала номинального уровня и
частот 1000 Гц у профессиональных и 400 Гц у бытовых магни-
тофонов. При воспроизведении этой сигналограммы усиление ка-
нала воспроизведения устанавливают так, чтобы уровень выход-
ного сигнала был равен номинальному для данного магнитофо-
на. Затем, не изменяя усиления в канале воспроизведения, запи-
сывают сигнал на используемую в аппарате ленту, подбирая та-
кой ток записи, чтобы выходной сигнал также имел номинальное
значение. Уровень записи при этом равен номинальному.
Нелинейные искажения определяются при номинальном уров-
не записи и оцениваются коэффициентом гармоник, значение ко-
263
торого для профессиональных магнитофонов не должно превы-
шать 2 %, для бытовых в зависимости от группы сложности от
1,5 до 5 %. В области низких частот звукового диапазона их оце-
нивают коэффициентом третьей гармоники Л±з частотой 1000 Гц
для профессиональных и 400 Гц для бытовых магнитофонов.
В области высоких частот Кгз невозможно измерить, так как в
этом случае третья гармоника лежит вне спектра воспроизводи-
мого сигнала. Поэтому оценку нелинейности в области высоких
частот производят по методу разностного тона. Для этого на вход
магнитофона подают два колебания с частотами ft и ft, разли-
чающимися на 80 Гц. Из-за нелинейности в воспроизводимом
сигнале возникают комбинационные колебания с частотами
ft±fi, 2f2±fi и 2fi±fz. Последние две частоты определяют нели-
нейность третьего порядка, характерную для магнитофона. Для
этого находят коэффициент разностного тона d3, равный отноше-
нию суммы комбинационных составляющих третьего порядка к
суммарному напряжению воспроизводимого сигнала. При малых
нелинейных искажениях значение d3 численно совпадает с Дгз.
Относительный уровень помех определяют как отношение уров-
ня шума к номинальному выходному напряжению в паузе вход-
ного сигнала. Для этого на магнитофоне осуществляют запись
при включенном токе подмагничивания, но без подачи сигнала
на вход магнитофона. По окончании записи ленту перематывают
до начала записанного участка, магнитофон переключают на вос-
произведение и измеряют напряжение шума паузы.
Отклонение средней скорости от номинальной определяют с
помощью отрезка ленты известной длины и секундомера. Допу-
стимое значение отклонения средней скорости лежит в пределах
±(1...2)%.
Коэффициент детонации измеряют при воспроизведении изме-
рительной сигналограммы, представляющей собой запись гармо-
нического сигнала с частотой 3150 Гц, виполненную на прецизи-
онном лентопротяжном механизме. Для этого используют спе-
циальный прибор—детонометр, который является измерителем
Таблица 8.3
Тип магнитофона Коэффициент детонации, % Тип магнитофона Коэффициент детонации, %
Профессиональный г, и v, см/с: 19,05 38,1 +0,06 ±0,04 Бытовой, группы сложности; 0 1 2 3 4 +0,1 ±0,15 + 0,2 + 0,3 +0,4
264
глубины частотной модуляции и содержит фильтр с АЧХ, соот-
ветствующей субъективному восприятию детонаций с разной ча-
стотой. Коэффициент детонации является важнейшей характери-
стикой магнитофонов. Нормы на его значения приведены в
табл. 8.3.
Углы наклона рабочих зазоров также характеризуют качест-
во магнитофонов. Рабочие зазоры головок устанавливают перпен-
дикулярно направлению движения ленты. Для этого воспроизво-
дят измерительную ленту, на которой точно установленной голов-
кой записан сигнал частотой 6,3 или 10 кГц. При воспроизведе-
нии этой сигналограммы поворотом воспроизводящей головки
устанавливают угол ее наклона по максимуму выходного сигнала.
Затем, заменив измерительную сигналограмму чистой лентой, за-
писывают сигнал и поворотом головки записи также добиваются
максимума выходного сигнала. На этом установка перпендику-
лярности рабочих зазоров к направлению движения в монофони-
ческих магнитофонах заканчивается.
В стереофонических магнитофонах процедура установки рабо-
чих зазоров та же, но индикатором точности служит не максимум
отдачи, а минимум фазового сдвига сигналов стереоканалов, для
измерения которого применяют фазометр.
8.8. ЦИФРОВЫЕ МАГНИТОФОНЫ
8.8.1. СТРУКТУРНАЯ СХЕМА
Быстрое внедрение методов цифровой обработки сигналов в
технику радиовещания, достижения в области микроэлектроники
явились толчком к созданию цифровых (ЦМ) профессиональных,
а затем и бытовых магнитофонов. Качественные показатели и
эксплуатационные характеристики ЦМ оказались столь высокими,
что уже в ближайшие годы следует ожидать их широкого рас-
пространения.
По структурной схеме ЦМ на рис. 8.15 можно проследить все
этапы преобразований сигнала и рассмотреть особенности его об-
работки на каждом из них. Входной звуковой сигнал подвергает-
ся аналого-цифровому преобразованию, для чего используют им-
пульсно-кодовую модуляцию. При этом исходят из необходимости
обеспечить передачу звукового сигнала в полосе до 20 кГц. Наи-
более распространенной в ЦМ является частота дискретизации
48 кГц, что совпадает с принятым в студийной аппаратуре зна-
чением. В то же время в некоторых бытовых ЦМ используется ча-
стота дискретизации 44,1 кГц, как у лазерных проигрывателей.
Для кодирования применяют равномерную шкалу квантования с
16 разрядами на отсчет.
Если магнитофон работает совместно с другими цифровыми
устройствами, например в цифровой студии, то нет необходимо-
265
Дорожка 1
Рис. 8.15 Структурная схема цифрового магнитофона
сти в аналого-цифровом преобразовании непосредственно в самом
магнитофоне.
Тактовая скорость записываемого цифрового потока
fi—F-дтп, (8.8)
где Fa — частота дискретизации; т — разрядность кода; п —
число записываемых каналов. При стереофонической записи
7^=48 кГц, т==16 и п=2 и fT= 1536 Кбит/с. С учетом избыточ-
ности, необходимой для исправления ошибок канала 3-В и состав-
ляющей до 30 % от Л-, скорость потока при записи одного стерео-
фонического сигнала доходит до 2 Мбит/с. Если число записывае-
мых каналов больше двух, что обычно для студийной аппарату-
ры, скорость записываемого цифрового потока пропорционально
возрастает. Следовательно, цифровой магнитофон должен обес-
печивать запись и воспроизведение высокоскоростных цифровых
потоков.
Обычно ЦМ многодорожечные. Поэтому входной поток в уст-
ройстве разделения УР делится на субпотоки, число которых рав-
но числу информационных дорожек записи. Каждый из субпото-
ков записывается, воспроизводится и обрабатывается в аппара-
266
тах цифровой записи самостоятельно. Скорости субпотоков ока-
зываются существенно меньше общей скорости цифрового сигна-
ла, и, следовательно, требования к условиям их записи и воспро-
изведения также менее жесткие.
Устройство разделения представляет собой сдвиговый регистр
с последовательной записью и параллельным считыванием инфор-
мации. На выходе УР субпотоки синхронны, но после прохожде-
ния через канал 3-В из-за перекосов ленты в лентопротяжном
механизме, действия помех и искажений синхронность нарушается
и последующее объединение субпотоков оказывается возможным
только после их временного выравнивания. Для обеспечения та-
кой возможности информация каждого субпотока в оперативных
ЗУ канала записи (ЗУ3) разделяется на блоки определенной дли-
ны, сопровождаемые дополнительной опознавательной информа-
цией (адресом). Адреса блоков формируются генератором адрес-
ного кода (ГАК). Наличие адресов позволяет синхронизировать
блоки при воспроизведении, устраняя тем самым возникшие рас-
согласования.
Цифровой сигнал на выходах ЗУ3 представляет собой импульс-
ную последовательность, параметры которой не соответствуют
характеристикам тракта 3-В. Это приводит к искажениям воспро-
изводимых сигналов и ошибкам при передаче, во избежание ко-
торых согласуют параметры записываемого сигнала и тракта.
Такое согласование представляет собой изменение формы запи-
сываемых колебаний и называется канальным кодированием (см.
§ 8.3).
Выполняет эту операцию канальный кодер (КК), связанный с
записывающей головкой ЗГ через усилитель записи (УЗ). После
воспроизведения и усиления в усилителе воспроизведения (УВ)
сигналы с каждой дорожки обрабатываются в корректорах-фор-
мирователях (К-Ф), восстанавливающих исходную форму запи-
сываемых сигналов, которая из-за неидеальности амплитудно- и
фазочастотных характеристик тракта оказывается искаженной.
Канальные декодеры (КД) реализуют операцию, обратную ка-
нальному кодированию. Для работы КД необходимы сигналы
тактовой синхронизации, которые выделяются из воспроизводи-
мых сигналов системой фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ).
После КД канальные сигналы подвергаются цифровой обработке,
в результате которой восстанавливается исходный цифровой по-
ток. Опознаватели адреса (ОА) определяют начало блоков и сиг-
налы поблочно записываются в ЗУ канала воспроизведения (ЗУВ).
Считывание информации из ЗУВ происходит синхронно, так что
все временные рассогласования сигналов отдельных дорожек при
считывании их из ЗУВ устраняются. В устройстве объединения
(УО) формируется общий цифровой поток.
Аналоговый звуковой сигнал восстанавливается в цифро-ана-
логовом преобразователе (ЦАП).
267
В процессе 3-В из-за действия помех в цифровом сигнале воз-
никают ошибки, приводящие к неправильному декодированию
цифрового сигнала, щелчкам и помехам. Во избежание этого реа-
лизуют помехоустойчивое кодирование, маскирование и исправле-
ние ошибок.
Кроме дорожек с записью звуковых сигналов в цифровой фор-
ме, в ЦМ несколько дорожек отводится для записи различной
служебной информации, монтажных меток, звуковых аналоговых
сигналов, необходимых для работы звукорежиссеров и операто-
ров.
Для компенсации дрейфа скорости носителя скорость враще-
ния ведущего двигателя в ЦМ регулируется системой автоматиче-
ского регулирования САР ВД.
8.8.2. ИМПУЛЬСНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ КАНАЛА
ЗАПИСИ-ВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ
Записываемые в ЦМ сигналы имеют прямоугольную форму.
Поэтому при анализе прохождения цифровых сигналов по тракту
3-В необходимо знать его импульсную переходную характеристи-
ку, т. е. отклик на воздействие в виде ступенчатой функции (рис.
8.16,а). Этот отклик может быть рассчитан и имеет форму, близ-
кую к колоколообразной (рис. 8.16,6).
Записываемый цифровой сигнал представляет собой последо-
вательность разнополярных перепадов тока. Так, если символу 1
соответствует высокий потенциал в течение тактового интервала,
а символу 0 — низкий, то для произвольной кодовой комбинации
форма сигнала совпадает с изображенной на рис. 8.17,а. Перехо-
ду от одного символа к другому соответствуют перепады тока за-
писи. На рис. 8.17,6 сплошной линией показан воспроизводимый
сигнал, представляющий собой суперпозицию откликов на каж-
дый из перепадов.
При высокой плотности записи, характерной для ЦМ, отклики
во времени перекрываются и возникает явление, называемое меж-
символьной интерференцией (МСИ).
Формы записываемого и воспроизводи-
мого сигналов при МСИ показаны на
рис. 8.17,0 и г. Видно, что из-за МСИ
изменяется амплитуда отдельных откли-
ков, а максимумы смещаются относи-
тельно тактовых моментов. Кроме того,
ограничение спектра воспроизводимого
сигнала в области низких частот приво-
дит к «плаванию» его базовой линии.
Сравнение рис. 8.17,а и б, в и г показы-
вает, что воспроизводимый сигнал зна-
чительно отличается по форме от запи-
Мд
t
Рис. 8.16. Переходная
характеристика тракта
записи-воспроизведения
268
11010G0100010
Рис. 8.17. Форма записываемых и воспроизводимых цифровых сигналов
сываемого, а это затрудняет выделение из него цифровой инфор-
мации. Для восстановления исходного цифрового сигнала воспро-
изводимое колебание подвергается специальной обработке,
называемой формированием.
8.8.3. КАНАЛЬНОЕ КОДИРОВАНИЕ
Значительная МСИ приводит к неправильному восстановле-
нию формы сигнала и вследствие этого к ошибкам при его деко-
дировании. Для уменьшения влияния МСИ применяют канальное
кодирование — замену исходного цифрового сигнала другим,
спектральные свойства которого в большей степени соответству-
ют коэффициенту передачи тракта. Полученный в результате
преобразования сигнал называют канальным кодом (КК). К нему
предъявляют следующие основные требования:
однозначность декодирования. Выполнение этого требования
означает, что из КК должна безошибочно выделяться исходная
последовательность двоичных символов;
подавление в спектре низко- и высокочастотных компонент.
При этом уменьшаются МСИ и плавание базовой линии:
возможность выделения из КК частоты тактовой синхрониза-
ции, необходимой в процессе цифровой обработки воспроизводи-
мого сигнала. Обеспечивающие выделение тактовой частоты КК
называются самосинхронизирующимися.
В зависимости от того, сколько тактовых интервалов может
содержаться в сигнале между двумя последовательными перепа-
дами, КК подразделяются на двух-, трех- и многоинтервальные.
Двухинтервальные (ДИ) КК характеризуются наличием только
269
7 1 0 0 0 1 1 1 О 10
Рис. 8.18. Примеры двух- (а) и
трехинтервального (б) канальных
кодов
двух возможных расстояний между перепадами, равных полови-
не тактового интервала и целому интервалу (рис. 8.18,а). Прави-
ло формирования состоит в том, что при приходе в тактовый мо-
мент символа 1 фаза колебания прямоугольной формы не изме-
няется, а появление символа 0 изменяет фазу на 180°. Достоин-
ствами ДИ КК являются отсутствие у них постоянной составля-
ющей и простота выделения тактовой частоты. Недостаток
ДИ КК—низкая информационная плотность записи, поскольку
для передачи одного символа требуется записать и воспроизвести
два перепада тока.
Стремление повысить эффективность ДИ КК, сохранив их до-
стоинства, привело к появлению большой группы трехинтерваль-
ных (ТИ) КК. У ТИ КК возможны три значения интервалов меж-
ду моментами изменения полярности сигнала, которые находятся
в отношении 1 : 1,5:2. Трехинтервальный КК можно получить
из ДИ, если подать последний на счетный вход триггера, т. е. раз-
делить частоту сигнала, соответствующего ДИ КК, на два (см.
рис. 8.18,6). Трехинтервальные КК содержат регулярную инфор-
мацию о тактовой синхронизации, имеют один перепад тока за-
писи на бит информации, но в их спектре имеется постоянная со-
ставляющая. Кроме того, ТИ КК предъявляют высокие требова-
ния к точности формирования сигнала, поскольку допустимая по-
грешность не должна превышать ~20% длительности тактового
интервала.
Многоинтервальные (МИ) коды из-за допустимости несколь-
ких значений длительности сигнала между двумя последователь-
ными перепадами тока имеют худшие с точки зрения самосинхро-
низации свойства, чем ДИ и ТИ КК. С другой стороны, МИ КК
можно построить таким образом, что допуск на точность форми-
рования сигнала при их использовании оказывается значительно
больше, чем у ТИ КК, и достигает половины тактового интервала.
За счет этого при использовании МИ КК допускается большая,
чем при ДИ КК и ТИ КК, межсимвольная интерференция и, сле-
довательно, реализуется более высокая плотность записи.
Из МИ КК наиболее известны групповые КК, осуществляющие
замену т символов исходного сигнала группой из /г(/г>т) сим-
волов КК- Принцип группового кодирования определяет то, что из
2" комбинаций КК по п символов можно выбрать 2т таких ком-
бинаций, которые будут обладать заданными свойствами.
270
За требования к выбору комбинаций КК обычно принимают
ограничение максимальной длины интервала между перепадами
тока записи, что обеспечивает возможность самосинхронизации.
Для группового кодирования используют таблицы, устанавливаю-
щие соответствие между исходными группами символов и груп-
пами символов КК.
8.8.4. ХАРАКТЕРИСТИКИ ЦИФРОВЫХ МАГНИТОФОНОВ
На основе рассмотренных особенностей построения ЦМ можно
сравнить их характеристики с аналогичными характеристиками
аналоговых магнитофонов (AM).
Основное достоинство цифровых магнитофонов по сравнению
с аналоговыми — значительно более высокие качественные пока-
затели.
Отношение сигнал-шум паузы в AM определяется собственны-
ми шумами усилителя воспроизведения, шумами лент и головок
и составляет 50.. .60 дБ. Модуляционный шум снижает это отно-
шение до 30.. .40 дБ. Повысить динамический диапазон канала
3-В при аналоговой записи можно, только улучшив параметры
лент и головок, что ведет к их удорожанию. При цифровой записи
отношение сигнал-шум определяется параметрами аналого-цифро-
вого преобразования и при принятом в ЦМ 16-разрядном кодиро-
вании превышает 90 дБ.
Нелинейные искажения при аналоговой записи обусловлены
нелинейностью характеристик намагничивания ленты и в лучших
аппаратах составляют 1...3%. В ЦМ нелинейные искажения в
выходной сигнал вносят только аналоговые входной и выходной
усилители, которые могут быть выполнены с малой нелиней-
ностью.
Процесс намагничивания не вносит нелинейных искажений в
звуковой сигнал, так как записываемый на ленту сигнал являет-
ся цифровым и искажения его формы не сказываются на процессе
декодирования. Поэтому коэффициент гармоник в ЦМ составляет
сотые доли процента.
Коэффициент детонации в AM составляет 0,05. ..0,1 %. За счет
цифровой обработки сигнала — асинхронной записи и синхрон-
ного считывания из ЗУВ — временные искажения в воспроизводи-
мом цифровом сигнале компенсируются и тем самым устраняется
детонация. Коэффициент детонации в ЦМ равен нулю.
Искажения АЧХ в AM определяются возможностями коррек-
ции этой характеристики канала 3-В, которая весьма неравномер-
на. Поэтому неравномерность АЧХ AM в полосе 20 Гц. ..16 кГц
составляет ±3 дБ. У ЦМ неравномерность АЧХ зависит только
от аналоговых усилителей и не превышает ±0,5 дБ в полосе ча-
стот 0.. .20 кГц.
271
Важным достоинством ЦМ является стабильность характери-
стик. У AM по мере старения головок и износа лент качественные
показатели ухудшаются. Для поддержания параметров в допусти-
мых пределах в AM требуются периодическая настройка, профи-
лактика и регулировка. Качественные показатели ЦМ зависят от
выбранного закона аналогово-цифрового преобразования. Число
аналоговых блоков по сравнению с цифровыми у ЦМ невелико.
Поэтому характеристики ЦМ с течением времени не меняются.
Один из серьезных недостатков AM —• накопление помех и ис-
кажений при перезаписи. Практически каждая перезапись ухуд-
шает характеристики AM на 3 дБ. У ЦМ накопления помех и ис-
кажений выходного сигнала при перезаписи не происходит, так
как перезаписывается сигнал в цифровой форме. При этом в ЦМ
несколько возрастает вероятность ошибки, но влияние этого фак-
тора при 10. ..15 перезаписях незначительно. Если исходить из до-
пустимости одного щелчка в час, то допустимая вероятность ошиб-
ки в канале 3-В не должна превышать 10-9. Реально при высоко-
плотной цифровой записи вероятность ошибки 10~5...10'6, и, сле-
довательно, достоверность передачи информации при цифровой
звукозаписи необходимо повышать на 3.. .4 порядка. Для этого
в канале 3-В используют помехоустойчивое кодирование, анало-
гичное описанному в гл. 7.
С другой стороны, ЦМ конструктивно гораздо сложнее AM.
Число электронных элементов ЦМ превышает это число у AM в
тысячи раз. Однако эти элементы цифровые и составляют эле-
ментную базу ЭВМ. Поэтому стоимость их постоянно снижается
и в перспективе цена ЦМ не будет превышать цену AM.
Цифровые магнитофоны выполняют так, чтобы расход магнит-
ной ленты в них не превышал расхода ленты в AM. В то же вре-
мя объем цифрового сигнала в 30... 40 раз больше объема сиг-
нала в AM. Поэтому в ЦМ реализуется значительно более высо-
кая плотность записи, чем в AM.
Контрольные вопросы
1. Сравните известные системы записи по плотности записи.
2. Какие искажения возникнут в воспроизводимом сигнале, если уровень
записи был выше (ниже) номинального?
3. Как можно уменьшить структурный шум ленты?
4. В чем различие между коэффициентом детонации и коэффициентом ко-
лебаний скорости?
5. Зачем необходимо канальное кодирование при цифровой записи?
6. Сравните аналоговые н цифровые магнитофоны.
Глава 9. ТРАКТ ФОРМИРОВАНИЯ ПРОГРАММ
9.1. КЛАССИФИКАЦИЯ РАДИОДОМОВ
Радиодом — это комплекс сооружений и оборудования, предназна-
ченный для подготовки, записи, формирования и передачи радио-
вещательных программ потребителям, а также для обмена прог-
раммами с другими радиодомами. В настоящее время действует
классификация радиодомов, предусмотренная «Ведомственными
нормами технологического проектирования объектов телевидения,
радиовещания и телекинопроизводства ВНТП-01-81». Ведомствен-
ные нормы распространяются на проектирование строительства
новых, реконструкцию, расширение и техническое перевооружение
действующих объектов телевидения, радиовещания и телекинопро-
изводства. В зависимости от объемов собственного вещания раз-
личают радиодома:
внеклассные с аппаратно-студийным комплексом (АСК), обес-
печивающим объем собственного вещания более 4 ч в сутки;
первого класса с АСК, обеспечивающим объем собственного
вещания до 4 ч в сутки;
второго класса с АСК, обеспечивающим объем собственного
вещания до 2 ч в сутки.
В состав радиодома входят:
аппаратно-студийный комплекс, включающий студийные и
вспомогательные технологические службы;
холодильная станция, котельная (бойлерная), трансформатор-
ная подстанция;
инженерные сооружения АСК, теплотрассы, водопровод, кана-
лизация;
база передвижных технических средств радиовещания, которая
может размещаться совместно с базой передвижных технических
средств телецентра;
радиовещательные трансляционные пункты в городе.
9.2. АППАРАТНО-СТУДИЙНЫЕ КОМПЛЕКСЫ
Основной частью радиодома является аппаратно-студийный
комплекс (рис. 9.1), который состоит из основных и вспомогатель-
ных технологических служб и предназначен для подготовки, фор-
мирования и выпуска программ. Как видно из рис. 9.1, в состав
АСК входят речевые и музыкальные студии, литдрамблок (в круп-
ных радиодомах), студийные аппаратные СА, монтажные аппарат-
ные МА, центральная аппаратная АЦ, трансляционная аппарат-
ная ТА, транспункты, служба внестудийных передач ВСП, фоноте-
ка ФНТ. Центральная аппаратная связана также с АТС и МТС.
Создаваемые в радиодоме программы поступают в коммутацион-
но-распределительную аппаратную КРА Минсвязи, а при отсутст-
18—6697 273
to
В KPA
Рис. 9.1. Схема аппарат-
но-студийного комплекса
радиодома
вии KPA программы из АН, распределяются непосредственно к
потребителю — на радиовещательные станции, в городскую сеть
проводного вещания и междугородные каналы звукового вещания.
Контроль за качеством программ осуществляется в отделе техни-
ческого контроля ОТК.
В АСК радиодомов располагается следующее основное техно-
логическое оборудование: микрофоны; магнитофоны; пульты дик-
тора; звукорежиссерские микшерные пульты записи; вещательные
микшерные пульты; пульты центральной аппаратной; стойки цен-
тральной аппаратной; контрольные агрегаты; измерители уровня;
пульты и стойки отдела технического контроля.
9.3. СТРУКТУРНАЯ СХЕМА И ДИАГРАММА
УРОВНЕЙ МИКШЕРНОГО ПУЛЬТА
Микшерный пульт П-71 серии «Перспектива» (рис. 9.2) пред-
назначен для работы в аппаратно-студийных комплексах телеви-
дения и радиовещания, в системах звукозаписи и звукоусиления.
Он состоит из 32 входных микрофонных, 10 групповых и 6 выход-
ных трактов. Каждые два тракта составляют одну кассету. Таким
образом, в пульте 16 входных микрофонных кассет КСИ-7, 5 груп-
повых кассет КСГ-2 и три выходные кассеты КСВ-7. Пульт моно-
фонический, но он может работать и в стереофоническом режиме,
если входные монофонические кассеты КСИ-7 заменить стереофо-
ническими КСИ-7-1.
Каждый монофонический тракт входной кассеты КСИ-7 име-
ет: два основных выхода для коммутации на групповые шины
(с панорамным регулятором при замене кассеты КСИ-7 кассетой
КСИ-7-1); дополнительный выход для включения устройств спец-
эффектов (тракт реверберации); выход и вход для включения уст-
ройств спецэффектов в разрыв звуковой цепи до регулятора уров-
ня; контрольный выход для подключения измерителей уровня или
акустических контрольных агрегатов; симметричный выход для
записи на магнитофон.
В состав кассеты КСИ-7 входят входной трансформатор
ВТ-209В; микрофонный усилитель УМ-44, измеритель уровня
ИУ-26, плата коммутации и контроля, усилитель регулятора уров-
ня У-131, корректор КИ-5, выходной усилитель У-117, регулятор
уровня с индикатором РУИ-3.
Важным средством описания и анализа работы микшерного
пульса является диаграмма уровней (рис. 9.2), на которой указа-
ны значения уровней электрических сигналов звукового вещания в
различных точках микшерного пульта — на входах и выходах его
основных блоков: усилителей, корректоров, регуляторов, коммута-
торов. Диаграмма построена для одного сквозного тракта от входа
пульта до его выхода при различных режимах работы. Пульт спро-
ектирован так, что индивидуальный и групповой регуляторы уров-
18* 275
Рис. 9.2. Схема и
диаграмма уров-
ней микшерного
пульта П-71
I
ня вносят начальное затухание по 15 дБ, а выходной регулятор
изменяет общий динамический диапазон. Начальное затухание вы-
ходного регулятора составляет 3...41 дБ в зависимости от уровня
входного сигнала, входные уровни +6, —16, —28, —58, —82 и
—126 дБн.
Уровень +6 дБн (1,55 В) —номинальное значение сигнала от
источников высокого уровня — снижается входным делителем на
64 дБ, чтобы на вход микрофонного усилителя сигнал поступал с
уровнем —58 дБн, т. е. таким же, как и с микрофона. Пульт мо-
жет работать и при других значениях затухания. Минимальное
затухание, вносимое входным делителем, может составлять 30 дБ.
Максимальный уровень —16 дБн (120 мВ), пропускаемый
трактом без искажений, получается при минимальном коэффици-
енте усиления микрофонного усилителя 12 дБ. Уровень —28 дБ
(31 мВ) является минимальным входным высоким уровнем, сво-
димым в точку номинального уровня сигнала —58 дБн (1 мВ), от-
носительно которого измеряются собственные шумы тракта. При
таком входном уровне сквозной тракт пульта имеет запас по уси-
лению 15 дБ во входной и групповой кассетах и 27 дБ в выходной
кассете.
Уровень —82 дБн (0,06 мВ)—это минимальное значение по-
лезного сигнала, при котором на выходе пульта можно получить
номинальное напряжение 1,55 В (6 дБн). Запас по усилению при
этом составляет 33 дБ: по 15 дБ во входной и групповой кассетах
и 3 дБ в выходной кассете. Уровень —126 дБн представляет собой
собственные шумы, приведенные ко входу пульта при максималь-
ном коэффициенте усиления микрофонного усилителя. При вход-
ном уровне сигнала —58 дБн защищенность пульта от интеграль-
ного шума равна 68 дБ. При минимальном коэффициенте усиле-
ния микрофонного усилителя уровень приведенных по входу соб-
ственных шумов пульта составляет —124 дБн.
На рис. 9.2 приведены расчетная статическая диаграмма ДУ-1,
динамические диаграммы уровней, получающиеся при изменении
от максимального (ДУ-2) до минимального (ДУ-3) входных уров-
ней, при которых можно без дополнительных искажений получить
номинальный выходной уровень, диаграмма уровней шумов ДУ-4.
9.4. ПУЛЬТЫ ДИКТОРА
В студиях устанавливаются пульты диктора. До последнего
времени пульт диктора представлял собой стол, на котором укреп-
лялись два микрофона, а также имелся набор кнопок управления
и сигнальные лампочки. Напряжение полезного звукового сигнала
дикторской речи на выходе пульта в зависимости от типа микро-
фона и громкости речи диктора составляло от долей до несколь-
ких милливольт, т. е. представляло собой сигналы низкого уровня.
Этот звуковой сигнал поступал на вход микшерного пульта, рас-
277
Рис. 9.3. Конструкция (а) и струк-
турная схема (б) дикторского
пульта РВС-101
S)
278
положенного в аппаратной, где он усиливался и передавался даль-
ше по тракту.
В настоящее время заводом БЕАГ (ВНР) разработан пульт
диктора РВС-101 (рис. 9.3,а) с выходом высокого уровня (1,5 В),
причем в него встроен не только микрофонный усилитель, но и
другие блоки: авторегулятор стабилизации уровня, ограничитель,
линейный усилитель и т. д. Фактически в него вошло большинство
блоков микрофонного тракта традиционного вещательного мик-
шерного пульта.
Пульт предназначен для работы двух дикторов и может под-
соединяться к микшерным пультам с аналогичной системой сигна-
лизации или к коммутационной матрице центральной аппаратной.
С пульта диктора РВС-101 можно реализовать дистанционное уп-
равление двумя магнитофонами, встроенными в микшерные пуль-
ты. Обеспечена громкоговорящая переговорная связь, освещение
рабочего места, возможность установки цифровых часов.
В состав пульта диктора РВС-101 (рис. 9.3,6) входят:
два динамических микрофона Mi и М2;
два микрофонных канала;
система четырехпроводной дуплексной связи ЕКЕ-143 с сигна-
лизацией вызова и встроенным громкоговорителем (с регулируе-
мой громкостью прослушивания), причем микрофоном системы
служит один из микрофонов диктора;
блок сигнализации с сенсорными кнопками включения микро-
фона и для «откашливания»;
система переключения, служащая для выбора способа под-
ключения пульта диктора;
кнопки дистанционного управления системой автоматического
«наплыва»;
два блока ВОК-317 дистанционного управления магнитофо-
нами;
блок питания ТНЕ-143;
сетевой блок КТЕ-013 с предохранителем, сетевым выключате-
лем и фильтром сглаживания помех;
гнезда для подключения головных телефонов (наушников).
Микрофонные каналы являются независимыми. В каждый
микрофонный канал входят:
микрофонный усилитель ЕМК-116 с переключателем чувстви-
тельности и индикатором перегрузки по входу;
авторегулятор стабилизации уровня УЕК-311 с автоматиче-
ским блоком управления СМК-318;
ограничитель уровня КСЕ-113;
выходной линейный усилитель ЕРК-И2 с симметричным вы-
ходом.
Авторегулятор стабилизации уровня УЕК-311 предназначен для
того, чтобы выравнивать громкость различных дикторов. Это де-
лается следующим образом. До выхода в эфир диктор проводит
279
«репетицию», в процессе которой авторегулятор «запоминает» его
среднюю громкость. Для этого диктор нажимает сенсорную кноп-
ку МА и читает текст с обычной для себя громкостью в течение
5... 6 с. За это время блок УЕК-311 автоматически настраивается
так, что на его выходе устанавливается номинальный уровень
6 дБ. Этот коэффициент усиления дикторского канала запомина-
ется блоком управления СМК-318. Когда затем диктор нажимает
кнопку МВ (Микрофон включен), сигнал его речи поступает на
выход пульта с номинальным уровнем.
9.5. ЦЕНТРАЛЬНАЯ АППАРАТНАЯ
Центральная аппаратная (рис. 9.4) является основным комму-
тационным центром радиодома. В ней сходятся все линии от ис-
точников программ, здесь осуществляется коммутация и контроль
программ, отсюда программы распределяются к потребителям.
С входного кросса 1 программы поступают на входные линей-
ки микшерного пульта. Входные линейки 2 предназначены для
внутренних источников, поэтому они обычно состоят из установоч-
ного регулятора уровня и разделительного усилителя. Входные
линейки 3 предназначены для внешних источников и помимо уста-
новочного регулятора и разделительного усилителя содержат
фильтры коррекции линий.
Затем программы через входной коммутатор 4 поступают в
программные каналы, состоящие обычно из ограничителя уров-
ня 5. С выхода ограничителя через выходной коммутатор 6 и
кросс 7 каждая программа поступает к соответствующим потреби-
телям, причем обеспечивается возможность разветвления каждой
из программ к нескольким потребителям.
Для визуального и слухового контроля в центральной аппарат-
ной имеются измерители уровня 8 и акустические контрольные аг-
регаты 9. Измерители уровня могут быть как постоянно закреп-
ленными за каждым программным каналом, так и коммутируемы-
ми. Акустические контрольные агрегаты коммутируемые.
В центральной аппаратной имеются первичные часы 10, от ко-
торых сигналы времени поступают на часы И и в сеть вторичных
часов (ВЧ), расположенных во всех помещениях радиодома: сту-
диях, аппаратных, служебных помещениях и т. д. На некоторых
радиотелецентрах в центральной аппаратной установлены устрой-
ства позывных сигналов 12, подаваемых непосредственно в выход-
ную линию.
В Москве имеется также датчик сигналов точного времени 13,
которые подаются в выходную линию.
Лампочки Л] и Л2 служат для сигнализации о том, что в сту-
диях и КРА все готово для вещания.
При нормальной работе каждая входная линия от источника
подключена к своему ограничителю, а выход ограничителя под-
280
Рис. 9.4. Структурная схема центральной аппаратной
соединен к определенной выходной линии. При повреждении или
необходимости замены ограничителя или соединительной линии
производят коммутации.
На рис. 9.5 приведена структурная схема и диаграмма уровней
пульта АЦ «Тесла», который позволяет формировать шесть сте-
реофонических программ от шести входных стереофонических
внешних и четырех стереофонических внутренних линий и пода-
вать эти программы на 16 выходных линий. Входной канал состо-
Рис. 9.5. Схема и диаграмма уровней пульта «Тесла» на шесть про1раммных ка-
налов
281
ит из симметрирующего трансформатора, частотного корректора,
регулятора уровня и усилителя. Выход усилителя через разъеди-
нительную клемму подсоединен к входному коммутатору. Перед
коммутатором размещен разделительный усилитель, с помощью
которого можно отключить откорректированную линию для про-
слушивания или подключить на другую программу.
Внутренние линии соединены с входным коммутатором через
разделительную клемму. Вместе с внутренними линиями переклю-
чается и световая сигнализация. Все внешние и внутренние линии
выполнены в стереофоническом варианте, а при монофоническом
вещании второй канал служит резервом. Коммутатор имеет два
ряда кнопок управления для предварительного набора, с помощью
которых можно заранее подготовить последующее переключение
и в необходимый момент произвести полное изменение коммута-
ции. Пульт имеет шесть программных выходов. Каждый программ-
ный выход состоит из ограничителя и двух усилителей. К прог-
раммным стереофоническим выходам постоянно подсоединен ин-
дикатор для контроля сигналов звукового вещания, который сооб-
щает о неисправности, если на выходе после установленного ин-
тервала времени нет сигнала. С помощью переключателя к выхо-
дам можно подключить измеритель уровня. Выходной коммутатор
имеет шесть программных входов и шестнадцать выходов. Комму-
тация производится так же, как и на входном коммутаторе.
Объективный и субъективный контроль выполняют с помощью
измерителей уровня, измерителя корреляции и дополнительных
громкоговорителей. Контрольные точки выбирают отдельно для
левого и правого каналов. Для громкоговорителей связи исполь-
зуют микрофонный усилитель со встроенным ограничителем и уси-
лителем мощности.
9.6. ТРАНСЛЯЦИОННЫЕ ПУНКТЫ И
ПЕРЕДВИЖНЫЕ ЗВУКОВЫЕ СТАНЦИИ
В радиовещании для формирования программ широко исполь-
зуются трансляционные пункты (транспункты) и передвижные
звуковые станции. Оборудование этих средств обслуживает цех
трансляций и внестудийных записей.
В зависимости от важности объекта и периодичности трансля-
ций из них различают стационарные и временные транспункты.
Стационарные трансляционные пункты оборудуют в концерт-
ных залах, дворцах спорта, театрах, больших спортивных аренах
и других местах, откуда систематически ведутся вещательные пе-
редачи. Для этого выделяют специальные помещения с системой
кондиционирования воздуха, в которых размещаются необходи-
мая аппаратура, обслуживающий технический персонал, а также
звукорежиссер, диктор (радиокомментатор) и дежурный редактор.
282
----------Е
U \ т ------
V4 Пулы
\ Виктора —
Контроль- __
Микшерный
пульт
пд
е>
татар ш •
ныи
агрегат
Кабина
диктора
S-
<0
Аппаратная
Ш,ит
Контроль-
ный
агрегат
Кабина
U диктора
—
Рис. 9.6. План стационарного трансп}'нкта
Площадь современного трансляционного пункта может быть
различной: для кабины диктора 3...4 м2, аппаратной звукорежис-
сера 6... 9 м2 и более. Место для трансляционного пункта выбира-
ют так, чтобы звукорежиссер хорошо видел сцену через контроль-
ное окно. Наиболее часто это помещение расположено на уровне
лож второго яруса или выше их напротив сцены. Помещения
трансляционных пунктов должны иметь необходимую акустиче-
скую обработку, так как в антрактах часто делаются пояснения
к передаче. В схеме пульта звукорежиссера имеется возможность
включения микрофона для пояснений на фоне передачи.
Акустической обработке подвергается как кабина диктора, так
и помещение аппаратной. Для этого применяют акустические пли-
ты с отверстиями и резонансные конструкции с перфорированным
покрывным листом.
В качестве примера на рис. 9.6 показаны план современного
трансляционного пункта и размещение радиотехнического обору-
дования. Наличие двух дикторских кабин позволяет в антрактах
записать комментарии приглашенных участников передачи.
Для укомплектования аппаратных необходима следующая ти-
повая аппаратура: пульт звукорежиссера на 4... 30 входных и
2... 10 независимых выходных каналов, контрольные громкогово-
рители, магнитофоны, коммутатор микрофонов, коммутатор соеди-
нительных линий и силовой щит. Оборудование кабины диктора
выбирают так, чтобы оно позволяло диктору, кроме пояснений к
передаче, вести слуховой контроль программы с выхода как до на-
чала передачи из транспункта, так и в процессе ее. Для этого в
кабине, кроме пульта диктора (ПД), нередко устанавливают ра-
диоприемник и контрольный агрегат. Для оперативной связи во
времени передачи предусматривается предварительно заказанная
прямая связь транспункта с трансляционной аппаратной радио-
дома.
Как правило, на транспункте размещается один, а в особо важ-
ных случаях два комплекта резервного оборудования, которое
снабжено коммутационными приборами, и резервная соединитель-
ная линия.
283
Транспункт должен гарантированно получать электроэнергию
от источников питания и, следовательно, иметь не менее двух вво-
дов от разных силовых трансформаторных подстанций.
Передвижные звуковые станции (ПЗС) предназначены для
вещания непосредственно с мест событий, а также для создания
магнитных фонограмм (записи на месте). Они позволяют опера-
тивно информировать о событиях в любом месте, где нет трансля-
ционных или корреспондентских пунктов. Технологическое обору-
дование и оснастка ПЗС обычно удовлетворяют тем же высоким
требованиям, что и стационарное студийное оборудование. Поэто-
му ПЗС позволяют создавать радиовещательные передачи высо-
кого качества.
Примером современной ПЗС может служить средняя пере-
движная звуковая станция ЕВС-154 производства предприятия
«Тесла-Электроакустика» (ЧССР). В состав ЕВС-154 входят мик-
шерные пульты ESR-2808 и ЕМР-124, три студийных магнитофо-
на, два переносных магнитофона, пульт диктора, два графических
корректора, 35 микрофонов, контрольные агрегаты, звуковые ко-
лонки, ревербератор, пульт, устройства громкоговорящей связи,
стойка мощных усилителей, стойка питания, коммутатор, телефон-
ный аппарат, барабаны для кабелей и другое оборудование.
В основной состав ПЗС входят также микрофонные штативы,
головные телефоны, коробки с микрофонными усилителями, пере-
носные устройства световой сигнализации в зал, удлинительные
кабели, УКВ-антенны, часы, зажимы и штырь заземления. При
необходимости предусматривается дополнительная комплектация
станции оборудованием промышленного телевидения (пульт уп-
равления и камеры), радиоприемником «Ленинград-015» и теле-
визором «Юность-Ц-404».
Для ЕВС-154 используется автомобиль специального назначе-
ния, собранный на шасси «Шкода» типа С-100.05-ЛИАЗ и рассчи-
танный на шесть человек. Дикторская кабина расположена в пе-
редней части кузова, непосредственно за кабиной водителя. За ней
размещена аппаратная. В задней части машины находится склад
с отсеком для кабельных барабанов. По сторонам кузова распо-
ложена эксплуатационная оснастка шасси. На крыше находится
платформа с откидными перилами и лестницей для корреспонден-
та. Двойной пол служит для размещения кабельных каналов. Во
время перевозки вентиляция воздуха естественная. На стоянках
дикторская охлаждается двумя кондиционерами, нагнетающими
воздух в каналах двойного потолка. Обеспечена возможность
отопления дикторской и аппаратной.
В дикторской кабине и аппаратной произведена акустическая
отделка. Потолок покрыт белыми синтетическими обоями, участок
между каналами кондиционирования воздуха отделан белой син-
тетической плитой. Стены и пол дикторской и аппаратной покры-
ты ковровым материалом.
284
9.7. ФОНОТЕКА
Все сделанные в виде магнитных фонограмм звукозаписи по-
сле приема их художественным советом сдаются в фонотеку.
В Москве для хранения магнитных фонограмм, учитывая огромное
их количество (более одного миллиона), а также для хранения ки-
нопленок и видеофильмов создана специальная организация —
телерадиофонд.
Магнитные фонограммы, используемые в радиовещании, под-
разделяются на фонды звукозаписей длительного и временного
хранения. В зависимости от назначения эти фонды, в свою оче-
редь, подразделяются на несколько основных групп, которым при-
сваиваются специальные индексы.
К фонду длительного хранения относят следующие звукоза-
писи:
ДОК — документальные записи важнейших событий в стране и
за рубежом, выступлений государственных, партийных работни-
ков, деятелей науки и культуры, а также различных событий хро-
никально-документального характера в монозвучании; хранятся
бессрочно;
Д — высокохудожественные студийные записи музыкальных,
детских и литературно-драматических произведений в монозвуча-
нии; хранятся бессрочно, могут тиражироваться для местных ко-
митетов;
ДКС — двухканальные стереофонические записи, соответствую-
щие по характеру индексу Д; хранятся бессрочно;
Т — высокохудожественные трансляционные записи концертов
и спектаклей из концертных залов, театров, студий и других по-
мещений в монозвучании; хранятся бессрочно;
ткс — двухканальные стереофонические записи, соответствую-
щие по характеру индексу Т; хранятся бессрочно;
Ш — запись шумовых эффектов в монозвучании.
К фонду временного хранения относятся фонограммы с запи-
сями, по содержанию и видам аналогичные перечисленным в фон-
де длительного хранения, необходимые для многократного ис-
пользования, но требующие ограниченных сроков хранения. Их
индексация отличается от индексации фонда длительного хране-
ния добавлением буквы В (временные).
На телерадиофонд или отдел фонограмм (фонотеку) возлага-
ют следующие задачи: принятие мер по созданию и поддержанию
необходимых условий для хранения фонограмм; обеспечение це-
хов РТЦ или технических служб комитетов по телевидению и ра-
диовещанию магнитными фонограммами по заявкам редакций и
своевременная доставка их в аппаратные; обеспечение своевремен-
ного приема на хранение всех вновь изготовляемых и получаемых
из других организаций фонограмм; организация учета и оформле-
ние документации по приему и выдаче фонограмм; обновление
фонда магнитных фонограмм.
285
9.8. ТЕХНОЛОГИЯ ФОРМИРОВАНИЯ
ПРОГРАММ
Радиовещательные программы формируют в центральной (АЦ)'
или программной (ПА) аппаратных. Для этого вход пульта АЦ
или ПА соединяют как с внутренними, так и внешними источни-
ками программ: службой междугородного радиовещания (СМР);
междугородной телефонной станцией (МТС), междугородной ве-
щательной аппаратной (MBA), выделенным приемным пунктом
(ВПП) «Орбита», транспунктами. С выхода пульта АЦ полностью
сформированные программы по закрепленным соединительным
линиям подают в коммутационно-распределительные аппаратные
(ЦКРА, КРА) Министерства связи, а при отсутствии последних в
тракте — непосредственно к потребителям.
Законченные в техническом отношении программы, поступаю-
щие из АЦ госкомитетов (комитетов), должны коммутироваться
так, чтобы каждый потребитель имел закрепленную соединитель-
ную линию.
Программы центрального радиовещания на зарубежные стра-
ны, а также программы центрального внутрисоюзного вещания по
согласованию между Министерством связи СССР и Госкомитетом
СССР по телевидению и радиовещанию можно подавать потреби-
телям, минуя радиодома. При этом с выходов аппаратных Мини-
стерства связи СССР, осуществляющих подачу программ на ра-
диостанции, программы по соединительным линиям поступают в
АЦ радиодома только для контроля.
В тракте формирования программ устанавливается диаграмма
номинальных значений максимального уровня. В соответствии с
ГОСТ 11515—75 номинальное значение максимального уровня сиг-
нала на выходе АЦ радиодома должно быть +15 дБн (4,35 В).
При коротких соединительных линиях, вносящих незначительное
затухание, по согласованию с потребителем в каждом конкретном
случае допускается устанавливать на выходе АЦ +6 дБн (1,5 В)
при условии обеспечения нормированного значения отношения сиг-
нал-шум на выходе линии.
При студийных передачах редакция обязана своевременно под-
готовить микрофонный материал (микрофонную папку).
В микрофонной папке для диктора должно быть указано пол-
ное название передачи, время ее проведения (начало и оконча-
ние), название программ, номер студии (канала), название прог-
рамм, по которым передача будет повторяться. При включении в
передачу магнитных фонограмм в микрофонном материале для
диктора и в его копии (или заявке на воспроизведение) для опе-
ратора (электромеханика) должно быть указано, после каких
слов диктора включается соответствующая фонограмма. Копия
микрофонного материала (или заявка на воспроизведение) для
оператора должна быть доставлена в аппаратную не позже чем
286
за 30 мин до начала передачи. При включении в передачу магнит-
ной фонограммы с записью текста в микрофонном материале для
диктора и его копии для оператора (электромеханика) выделяют-
ся четко слова, до и после которых диктор читает текст.
При проведении стереофонических передач работать значитель-
но сложнее, чем при проведении монофонических. Чтобы избежать
не поправимых при непосредственных передачах ошибок, стерео-
вещание проводится в основном путем воспроизведения в веща-
тельной аппаратной предварительно подготовленных стереофони-
ческих магнитных фонограмм.
Реализуются два варианта организации стереофонического ра-
диовещания в радиодоме.
При первом используют вещательную аппаратную и речевую
студию. В аппаратной устанавливают стереофонический микшер-
ный вещательный пульт, три стереофонических магнитофона (два
рабочих и один резервный) и два акустических контрольных аг-
регата. С рабочих магнитофонов поочередно воспроизводят стерео-
фонические магнитные фонограммы, а из студии в стереотракт пе-
редают необходимые объявления (конферанс). Для этого в студии
устанавливают дикторский стол с двумя обычными микрофонами.
Объявления идут в моноварианте (хотя можно давать их в сте-
реоварианте), так как исследованиями установлено, что стереофо-
ническое воспроизведение объявлений не представляет для радио-
слушателя интереса.
Стереофоническая вещательная аппаратная — единственное
место, где полностью формируется одна стереопрограмма и где
можно контролировать качество ее звучания. Для слухового конт-
роля в аппаратной используют акустические контрольные агрега-
ты, а для визуального — встроенные в микшерный пульт стереофо-
нические измерители уровня и стереогониометр. В речевой студии
устанавливают один акустический контрольный агрегат, на вход
которого через сумматор подается совмещенный моносигнал (сум-
ма сигналов Л-фП).
При втором варианте в радиодоме используют только стерео-
фоническую вещательную аппаратную, из которой воспроизводят-
ся как стереофонические магнитные фонограммы, так и предвари-
тельно записанные объявления. В этом случае в аппаратной уста-
навливают не три, а четыре магнитофона.
С микшерного пульта сигналы стереопередач подают в цент-
ральную аппаратную радиодома и затем в тракты Минсвязи.
Контрольные вопросы
1. Каково назначение радиодомов и как они классифицируются?
2. Каков состав основного технологического звукового оборудования радио-
домов?
3. Каковы функции и состав звукорежиссерских микшерных культов?
4. Объясните ход диаграммы уровней микшерного пульта.
287
5. Чем отличаются пульты диктора с высоким и низким выходным уровнем
по своей структуре?
6. Каково назначение пультов центральной аппаратной и особенности их
работы?
7. Чем транспункты по составу оборудования и параметрам отличаются от
аппаратно-студийных комплексов радиодомов?
8. Магнитные фонограммы каких индексов хранятся в фонотеках и в тече-
ние какого времени?
9. Какова роль редакций и инженерно-технических работников в процессе
подготовки и формирования программ?
Глава 10. ТРАКТ ПЕРВИЧНОГО
РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОГРАММ
10.1. СТРУКТУРНАЯ СХЕМА ТРАКТА
Как было отмечено в гл. 1, тракт первичного распределения прог-
рамм представляет собой часть электрического канала звукового
вещания, которая начинается на выходе центральной аппаратной
(АЦ) ГДРЗ и служит для подачи программ ЗВ непосредственно
на радиовещательные передающие центры или станции проводно-
го вещания.
Проследим по структурной схеме (рис. 10.1) прохождение сиг-
нала по тракту первичного распределения. Сигнал с выхода АЦ
ГДРЗ по соединительной линии СЛ поступает в коммутационно-
распределительную аппаратную КРА, которая связана с потреби-
телями программ: центральной станцией проводного вещания
(ЦСПВ) и радиопередающими центрами (РПЦ). В КРА получае-
мые из АЦ сигналы ЗВ усиливаются, контролируются их качест-
венные показатели и распределяются по потребителям, находя-
щимся на всей территории страны. Расположенные в районе Москвы
ЦСПВ и РПЦ связаны с КРА соединительными линиями, вы-
ходы которых являются точками стыка окончания тракта первич-
ного распределения и начала тракта вторичного распределения
программ. При этом СЛ не обязательно представляют собой про-
сто физические пары проводов. Часто передатчики находятся да-
\От АЦ ГДРЗ,
г—1—ДЛ
ЦСПВ
КРА ~*-К РПЦ
с л
\ЦМВА
i
МКЗВ J-
Рис. 10.1. Структурная схема
тракта первичного распределе-
ния
288
леко за городом и для подачи программ к ним в качестве СЛ вы-
ступают специально организованные системы передачи, аналого-
вые либо цифровые, использующие кабельные линии связи.
Потребители, находящиеся в других городах страны, связаны
с КРА междугородными каналами звукового вещания МКЗВ. Сиг-
налы из КРА попадают в МКЗВ через центральную междугород-
ную вещательную аппаратную ЦМВА, входящую в состав между-
городной телефонной станции МТС. Поэтому ЦМВА является
одним из потребителей программ, подключенных к КРА.
Междугородные каналы звукового вещания образуют на тер-
ритории страны разветвленную сеть, и поэтому с помощью МКЗВ
программы ЗВ можно передавать в любой город страны, а при не-
обходимости и за рубеж. Заканчивается МКЗВ в оконечной меж-
дугородной вещательной аппаратной ОМВА пункта назначения,
откуда через местную КРА программы подаются на станции про-
водного вещания и радиопередающие центры. При небольшом
числе входных каналов функции КРА могут выполняться в цент-
ральных аппаратных радиодомов и радиотелецентров.
Канал звукового вещания является одним из типовых каналов,
образуемых в Единой автоматизированной сети связи страны
(ЕАСС). Как известно, в соответствии с принципами ЕАСС на
территории страны организуется первичная сеть типовых каналов
и групповых трактов, на базе которой строят различные вторич-
ные сети, отличающиеся по назначению, ведомственной принад-
лежности и т. д. Вторичными сетями являются, например, теле-
фонная сеть связи страны, телеграфная сеть, сеть передачи дан-
ных и т. д. Коммутацию каналов первичной сети, их контроль и
резервирование выполняют центры управления первичной сетью
ЕАСС, находящиеся в крупных регионах.
В первичной сети ЕАСС различают два типовых МКЗВ: ма-
гистральный и зоновый. Магистральные каналы организуются в
кабельных, радиорелейных и спутниковых системах передачи и
служат для подачи программ потребителям в других областях и
республиках. Внутризоновые МКЗВ образуются в кабельных и
радиорелейных системах передачи и предназначены для распреде-
ления программ потребителям, расположенным в пределах одной
зоны (области).
Тракт первичного распределения программ ЗВ, построенный на
основе типовых каналов ЗВ первичной сети ЕАСС, является вто-
ричной сетью звукового вещания ЕАСС.
Чтобы обеспечить возможность передачи различных сигналов
ЗВ, необходимы как моно-, так и стереофонические МКЗВ. Эти
каналы могут быть аналоговыми, если они организуются в анало-
говых системах передачи АСП, либо цифровыми при использова-
нии цифровых систем передачи ЦСП. Однако от АЦ сигналы ЗВ
всегда поступают в аналоговой форме и на выход ОМВА также
должны подаваться аналоговые сигналы. Поэтому на входе МКЗВ
19—6697 289
Рис. 10.2. Структура сети каналов, по-
строенной по радиально-узловому прин-
ципу
следует использовать анало-
го-цифровые преобразователи,
а на выходе — цифро-аналого-
вые. Можно считать, что на
первичной сети ЕАСС форми-
руются пока только аналого-
вые каналы ЗВ, хотя в перс-
пективе не только возможно,
но и целесообразно построить
полностью цифровую сеть ка-
налов ЗВ, от студии до потре-
бителей.
Сеть распределения кана-
лов ЗВ строится по радиаль-
но-узловому принципу. Это
означает, что вся территория
страны разделена на ряд ре-
гионов, границы которых со-
впадают с границами адми-
нистративных районов (рис. 10.2). Территории, входящие в регион,
относятся к одному вещательному поясу. Центры регионов ЦР
объединены с центрами управления первичной сетью ЕАСС.
В перспективе в Москве на базе КРА и ЦМВА организуется цент-
ральный узел распределения программ (ЦУРП), контролирующий
качество, распределяющий и коммутирующий программы, а так-
же управляющий междугородными каналами и передающей
сетью. Программы поступают в ЦУРП из ГДРЗ по низкочастот-
ным соединительным линиям. Центры регионов связаны с ЦУРП
магистральной сетью каналов ЗВ на базе кабельных, радиорелей-
ных и спутниковых систем связи. В ЦР программы ЗВ поступают
в региональную узловую магистральную вещательную аппарат-
ную РУМВА, откуда распределяются по кабельным и радиорелей-
ным линиям в республиканские, областные или краевые центры,
входящие в данный регион. Здесь в оконечных пунктах ОП сети
организуются совмещенные вещательные аппаратные СВА, объ-
единяющие функции КРА и ОМВА. Если в ОП имеется земная
станция ЗС спутниковой системы связи, то сигналы от ЗС по со-
единительной линии также подаются в СВА. Включение в прог-
раммы центрального вещания местных передач осуществляется в
радиовещательной аппаратной Госкомитета по телевидению и ра-
диовещанию РВА ГКТР. Из СВА программы распределяются по
радиовещательным передающим центрам, а оттуда подаются на
центральную станцию проводного вещания ЦСПВ области, а так-
же через междугородную телефонную станцию МТС и оконечную
радиорелейную станцию ОРС распределяются по всей территории
области (зоны).
290
Таблица 10.1
Класс тракта первич* ного распределения программ Номинальный диапазон частот, Гц Допустимое отклонение АЧХ, дБ, не более Коэффициент гар- моник, %, не более, на частотах, Гц Защищенность. дБ
до 100 вклю- чительно свыше 100 До 200 включи- тельно свыше 200 от интеграль- ной помехи от псофомет- рического шума от внятной переходной помехи
Д$, д$а
Высший J зо.. .15 000 + 1,0 —4,0 ±1,0 2,5 1,5 1,5 57 57 74
Первый 50.. . 10 000 +2,5 -5,0 ±2,0 4,0 2,5 2,5 53 54 70
Второй 100. ..6300 +2,0 —5,0 ±2,0 — 3,5 2,5 47 51 60
Каналы ЗВ к центрам регионов и оконечным пунктам магист-
ральной сети резервируются. Этим обеспечивается высокая на-
дежность сети, а узловой принцип построения позволяет осущест-
влять гибкое и оперативное управление сетью ЗВ.
В зависимости от предъявляемых требований различают три
класса качества каналов ЗВ: высшего, первого и второго
(табл. 10.1). Каналы высшего класса (полоса передаваемых ча-
стот 30 Гц... 15 кГц) предназначены для звукового сопровождения
телевидения и для стереофонического вещания. Каналы первого
класса (полоса частот 50 Гц... 10 кГц) организуются в магист-
ральных системах передачи и предназначены для подачи программ
центрального вещания в республиканские, областные и краевые
центры, а также для передачи программ международного веща-
ния. Во внутризоновых сетях распределения используют каналы
второго класса (полоса частот 100 Гц ... 6,3 кГц).
10.2. КАНАЛЫ ЗВУКОВОГО ВЕЩАНИЯ
В АНАЛОГОВЫХ СИСТЕМАХ ПЕРЕДАЧИ
10.2.1. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ
Современные аналоговые системы передачи (АСП) построены
на основе частотного разделения каналов ЧРК. В них использо-
ваны принципы многократного преобразования частоты и группо-
образования при формировании линейного спектра, что позволяет
унифицировать основное каналообразующее оборудование, снизив
тем самым его стоимость и расходы на эксплуатацию.
19* 291
Рис. 10.3. Структурная схема аппаратуры с ЧРК
В системах с ЧРК (рис. 10.3) основным является канал то-
нальной частоты ТЧ, по которому могут передаваться сигналы в
полосе 0,3... 3,4 кГц. С учетом необходимости фильтрования на
один канал ТЧ в спектре группового сигнала отводится 4 кГц.
На первой ступени преобразования частоты, называемой инди-
видуальным преобразованием, 12 каналов ТЧ объединяются в
первичную 12-канальную группу, занимающую полосу 60...
... 108 кГц. В качестве метода преобразования частоты использует-
ся однополосная модуляция, при которой из полного AM колеба-
ния передается одна боковая полоса частот без несущей. В пунк-
те приема при детектировании несущая частота создается генера-
торным оборудованием приемной станции. Генераторы несущих
частот приемной и передающей станций высокостабильные, но
между собой не синхронизированы и не сфазированы.
На второй ступени преобразования пять первичных групп объ-
единяются во вторичную 60-канальную группу, занимающую по-
лосу 312...552 кГц. Вторая ступень преобразования является груп-
повой, поскольку преобразованию подвергается не индивидуаль-
ный, а 12-канальный сигнал первичной группы.
На третьей ступени группового преобразования из пяти вторич-
ных групп образуется 300-канальная третичная группа в полосе
812 ...2044 кГц. Существует также четверичная 900-канальная
группа, имеющая спектр 8 516... 12 388 кГц. На основе этих стан-
дартных групп формируются многоканальные системы передачи с
числом каналов от 12 до 10 800.
Спектр частот группового сигнала, получаемого на выходе ка-
налообразующей аппаратуры, не совпадает с частотным диапазо-
ном линии связи, выделенным для работы многоканальной систе-
мы передачи.
Согласование спектра частот передаваемого сигнала с полосой
пропускания линии осуществляет аппаратура сопряжения. Оче-
292
Таблица 10.2
Тип ап- паратуры Число каналов Полоса Частот» кГц Дальность действия» км Назначение
К3600 3600 ТЧ или 1800ТЧ+ + 1 ТВ 812... 17 596 12 500 Магистральная сеть
К1920 1920 ТЧ или 300 ТЧ 4-1 канал ТВ + 1 каиал ЗВ 312...8544 12 500 То же
КЗОО 300 ТЧ 60...1300 12 500 а я
К120 120 ТЧ 60...552 812...1304 1400 Зоновая сеть
К60П 60 ТЧ 12...252 12 500 То же
видно, что каждая система передачи имеет свою, отличающуюся
от используемой в других системах, аппаратуру сопряжения.
В табл. 10.2 приведены сведения о некоторых наиболее распро-
страненных многоканальных системах передачи МСП.
По каналу ТЧ могут передаваться телефонные сигналы, по ним
же осуществляется низко- и среднескоростная передача данных.
Для высокоскоростной передачи данных и сигналов газетных по-
лос, объединяя несколько каналов ТЧ, образуют широкополосные
каналы—предгрупповой в полосе 12,3 ...23,4 кГц, а также первич-
ный, вторичный и третичный в спектрах соответствующих групп.
Специальные каналы служат для передачи сигналов звукового ве-
щания и телевидения.
Для компенсации затухания, вносимого линией, в линейном
тракте кабельных МСП включаются усилители, расстояние между
которыми тем меньше, чем шире полоса передаваемого сигнала
(см. табл. 10.2). Число усилителей, включаемых между двумя
оконечными пунктами, может достигать несколько сотен и даже
тысяч. Поэтому допустимые искажения, вносимые в сигнал каж-
дым из них, оказываются очень малыми, а требования к качест-
венным показателям групповых усилителей МСП — высокими.
При организации связи между двумя населенными пунктами
часто возникает необходимость транзита, т. е. каскадного соедине-
ния каналов различных систем передачи в промежуточных пунк-
тах как по низкой частоте звукового диапазона, так и по высо-
кой— в спектре групп, что осуществимо благодаря их стандарти-
зации. Каждый транзит вносит в сигнал дополнительные искаже-
ния и помехи, поэтому их число регламентировано.
Кроме числа транзитов, качество связи зависит от ее протя-
женности. Поэтому нормирование каналов производится для так
называемых номинальных цепей, т. е. условных цепей определен-
293
ной протяженности с заданным числом транзитов, применяемых в
качестве исходных для определения электрических параметров,
характеризующих качество канала.
Протяженность магистрального участка канала ТЧ составляет
12 500 км и состоит из 5 участков по 2500 км, между которыми вы-
полняется транзит по низкой частоте. Нормы на допустимый уро-
вень помех задают на такой участок. Применительно к каналам
ТЧ допустимая мощность помех составляет 10 000 пВт в точке с
относительным нулевым уровнем (по отношению к началу кана-
ла), из которых 2500 пВт отводится на станционное оборудование,
а 7500 пВт — на линейный тракт.
В аналоговых радиорелейных линиях связи многоканальный
сигнал передается с помощью частотной модуляции в выделенном
для данной системы диапазоне волн.
10.2.2. ПОМЕХИ В КАНАЛАХ АСП
Основными видами помех в АСП являются переходные, собст-
венные и нелинейного происхождения.
Переходные помехи возникают из-за несовершенства раздели-
тельных устройств (фильтров) и электромагнитной связи парал-
лельно работающих цепей. Они могут проявляться в виде внятно-
го разговора, и из-за этого их мешающее действие особенно вели-
ко. Поэтому в системах связи принимают специальные меры для
превращения внятных переходных помех в невнятные. Отметим,
что помехи из-за электромагнитной связи возникают только на
воздушных линиях связи и на симметричном кабеле. На магист-
ральных линиях, использующих коаксиальный кабель, переходные
помехи практически отсутствуют.
Собственные помехи имеют флуктуирующий характер. К ним
относят тепловой шум резисторов и шум, вызванный дробовым эф-
фектом ламп и транзисторов. Спектр этой помехи непрерывный и
простирается до нескольких гигагерц. Распределение гауссовское.
В полосе канала ТЧ их уровень составляет примерно —139 дБ
(1,2-10—12 Вт). Собственные помехи не зависят от характера пе-
редаваемых сигналов и определяются параметрами используемых
усилителей, в первую очередь групповых. Поскольку число после-
довательно включенных усилителей в современных системах свя-
зи, как уже отмечалось, может достигать нескольких тысяч, а шу-
мы в АСП при передаче сигналов накапливаются, требования к
шумовым характеристикам линейных (т. е. усиливающих сигнал
в линии) усилителей оказываются очень высокими. Количественно
шумовые свойства усилителя оценивают коэффициентом шума,
показывающим, на сколько увеличивается уровень собственных
помех за счет усилителя. Коэффициент шума современных тран-
зисторных усилителей МСП 3...6 дБ.
Помехи нелинейного происхождения в каком-либо канале МСП
обусловены попаданием продуктов нелинейности, возникающих
294
из-за нелинейных искажений многоканального сигнала в группо-
вых усилителях и преобразователях, в полосу частот, отводимую
в групповом тракте данному каналу. Эти помехи могут проявлять-
ся либо как внятные переходные разговоры, либо как помехи,
близкие к флуктуационным. Уровень помех зависит от характера
и степени нелинейности тракта и тем больше, чем выше уровень
передаваемого сигнала. Поэтому в МСП строго нормируют загруз-
ку каналов, т. е. допустимую мощность передаваемых сигналов.
В телефонном канале допустимая мощность сигнала в точке от-
носительного нулевого уровня 32 мкВт, для канала вещания сред-
нечасовая мощность допускается равной 923 мкВт. Более высокую
загрузку, чем телефонные каналы, имеют также каналы передачи
данных. Поскольку общий уровень сигнала, попадающего на вход
многоканальных усилителей, нормирован для всех стандартных
групп, определено, сколько каналов может быть занято передачей
информации разного вида.
В каналах АСП с ЧРК собственные помехи и помехи нелиней-
ного происхождения являются основными.
Рассмотрим искажения выходных сигналов из-за расхождения
несущих частот приемного и передающего оборудования. Пусть
полезный сигнал и несущая представляют собой гармонические ко-
лебания ис— t/Mcos(fi^+'<P)> Ынес.пер=Цн.мСоз Примем для опре-
деленности, что в системе осуществляется передача верхней боко-
вой полосы AM-сигнала, которая описывается выражением uqOk=
— t7Mcos[ (w+fi) /+ф]. Если частота сформированной несущей в
пункте приема отличается от частоты инес.пер на Aw, а фаза на А<р,
т. е. Инес.прм=^н.мСО8[(|®-}-Д(1))/+Аф], то прошедшая через ФНЧ
низкочастотная часть выходного колебания демодулятора будет
равна иВых.дем= t/Mcos[ (w—Асо)/+<ф+А<р]. Из этого выражения
видно, что при демодуляции однополосных сигналов у выходного
сигнала возникает сдвиг по оси частот на значение, равное разно-
сти несущих. Кроме того, все спектральные составляющие приобре-
тают дополнительный фазовый сдвиг, равный разности начальных
фаз генераторов несущих на передающей и приемной сторонах.
Нормами установлено, что расхождение частот генераторов не
должно превышать ±1 Гц, а это при передаче звука незаметно.
Появление дополнительных фазовых сдвигов при монофонической
передаче также практически не сказывается на качестве звуковос-
произведения. Однако при стереофонической передаче различие
фазовых характеристик каналов передачи левого и правого кана-
лов приводят к заметным на слух искажениям.
10.2.3. НИЗКОЧАСТОТНЫЕ КАНАЛЫ ВЕЩАНИЯ
Низкочастотные каналы образуются на воздушных и кабель-
ных линиях связи. На воздушных линиях организовать канал ЗВ
можно только в том случае, если на них не применяется высоко-
295
частотная система передачи, работающая в спектре до 15 кГц,
например В-3-3.
На кабельных линиях низкочастотные каналы ЗВ организуют-
ся по экранированным парам симметричного кабеля. Для умень-
шения затухания на частотах около 10 кГц включают дополни-
тельные катушки индуктивности на расстоянии 1,7 км. При сезон-
ных колебаниях температуры почвы параметры линии изменяются
в значительных пределах. Для их компенсации в аппаратуре ве-
щания по низкочастотным кабелям применяют температурные
выравниватели. Частотно-зависимые выравниватели используют
для коррекции неравномерности АЧХ линии.
10.2.4. ОРГАНИЗАЦИЯ МОНОФОНИЧЕСКИХ
КАНАЛОВ ВЕЩАНИЯ В АСП
В АСП организуются монофонические каналы ЗВ первого и
второго классов. Для этого в первом случае объединяют три ка-
нала ТЧ (4, 5 и 6), во втором — два канала ТЧ (4 и 5) первич-
ной группы. Выбор объединяемых каналов в середине частотного
диапазона группы обусловлен тем, что эти каналы имеют наибо-
лее стабильный коэффициент передачи и наименьшие амплитудно-
частотные искажения. При этом остальные каналы первичной
группы могут быть заняты только телефонной информацией.
Формирование каналов ЗВ осуществляется с помощью аппара-
туры АВ2/3 (рис. 10.4). Входной сигнал по соединительной линии
СЛ из междугородной вещательной аппаратной через амплитудно-
частотный корректор Ki, устраняющий искажения АЧХ, вносимые
Рис. 10.4. Структурная схема аппаратуры АВ2/3
296
СЛ, поступает на ФНЧ Фь ограничивающий его спектр до 10 кГц
при организации канала первого класса и до 6,4 кГц при органи-
зации канала второго класса. Затем сигнал проходит через уст-
ройство шумоподавления, состоящее из сжимателя С и предыска-
жающего контура ПК (см. гл. 6). Устройство шумоподавления
можно заменить удлинителем, затухание которого равно затуха-
нию ПК на частоте 800 Гц. С выхода блока шумоподавления сиг-
нал ЗВ поступает на модулятор М, выполненный по фазоразност-
ной схеме. На его выходе подавляется верхняя боковая и несу-
щая частоты. Несущая частота, подаваемая на вход модулятора,
96 кГц, т. е. совпадает с несущей четвертого канала ТЧ первич-
ной группы. Сигнал с выхода модулятора поступает в усилитель-
ограничитель УО, предназначенный для защиты группового трак-
та от перегрузки, а затем через последовательно включенные
ФВЧ с граничной частотой 85 кГц для канала первого класса
или 88,8 кГц для канала второго класса и ФНЧ с частотой среза
95,95 кГц объединяется с другими сигналами каналов первичной
группы.
На выходе последовательно включенных ФНЧ и ФВЧ канал
ЗВ первого класса занимает полосу 86.. .95,95 кГц, второго клас-
са— 89,6.. .95,95 кГц. В тракте приема для выделения сигналов
ЗВ из группового спектра применяют такие же ФНЧ и ФВЧ, как
в тракте передачи. Демодулятор Д также построен по фазораз-
ностной схеме.
Фильтр нижних частот Фа выделяет на выходе демодулятора
низкочастотный полезный сигнал. Расширитель Р и восстанавли-
вающий контур ВК компенсируют изменения в сигнале, внесен-
ные па передающей стороне сжимателем и предыскажающим кон-
туром. Если на передающем конце С и ПК не включены, то Р и
ВК также отключаются, причем вместо ВК подключается соответ-
ствующий удлинитель.
Корректор К2 окончательно выравнивает АЧХ тракта, усили-
тель звуковых частот УЗЧ поднимает уровень выходного сиг-
нала до необходимого значения. Аппаратура АВ 2/3 имеет три
выхода. Один из них мощный, предназначен для непосредствен-
ной подачи сигналов в удаленную радиовещательную аппаратную,
два других — для организации низкочастотного транзита и пода-
чи программ в близлежащую аппаратную.
Через весь описанный тракт, кроме звукового сигнала, прохо-
дит также специальный контрольный сигнал, в виде непрерывно-
го синусоидального колебания, уровень которого на 25... .35 дБ
ниже уровня вещательного сигнала. Контрольный сигнал созда-
ется генератором Г и подмешивается к вещательному на входе
модулятора. В приемной части оборудования он выделяется поло-
совым фильтром Ф4 и поступает на блок сигнализации БС, кото-
рый включает аварийную сигнализацию при пропадании или по-
нижении уровня контрольного сигнала.
297
Достоинством организации канала ЗВ в спектре первичной
группы является возможность организации транзита по высокой
частоте без демодуляции сигнала, что уменьшает его искажения.
Организация каналов ЗВ в телефонных стволах радиорелей-
ных линий не отличается от описанной.
10.2.5. ОРГАНИЗАЦИЯ СТЕРЕОФОНИЧЕСКИХ
КАНАЛОВ В АСП
Для обмена стереофоническими программами между города-
ми необходима организация магистральных стереофонических ка-
налов. Стереофонический канал должен состоять из двух монофо-
нических каналов высшего класса, имеющих малые рассогласова-
ния амплитудно- и фазочастотных характеристик. Связано это с
тем, что рассогласование АЧХ на 1,5. ..2,0 дБ приводит к появле-
нию пространственных искажений стереопанорамы, смещению ка-
жущихся звуковых образов от их истинного положения. Аналогич-
но проявляются и фазовые рассогласования.
Ясно, что организовать стереофонический канал, используя два
монофонических канала, образованных в разных стандартных
группах систем с ЧРК, невозможно. Во-первых, если иметь в виду
аппаратуру каналообразования АВ 2/3, то эти каналы имеют пер-
вый, а не высший класс качества; в них допускается неравномер-
ность АЧХ до 2,5 дБ, а ФЧХ не нормируется. Во-вторых, из-за от-
сутствия синхронизации генераторного оборудования передаю-
щей и приемной стороны МКЗВ фазовый сдвиг между каналами
оказывается случайным и непрерывно меняется, что приводит к
недопустимым искажениям стереопанорамы.
Для организации высококачественного стереофонического ка-
нала в АСП с ЧРК разработана специальная аппаратура
(MST-15, ФРГ; SPKR-15, ПНР) (рис. 10.5). Особенностью ее яв-
ляется формирование двух идентичных каналов ЗВ высшего клас-
са в спектре первичной группы. Следовательно, на каждый канал
ЗВ отводится шесть каналов ТЧ.
Входные сигналы правого и левого каналов после корректиру-
ющих контуров КК, компенсирующих неравномерность АЧХ со-
единительной линии, усиливаются в усилителях У, ограничивают-
ся по полосе до 15 кГц фильтрами нижних частот и поступают на
сумматоры, где к ним добавляются сигналы пилот-тона частотой
16,5 кГц. Суммарные колебания проходят три ступени преобразо-
вания (рис. 10.6). Первое преобразование осуществляется с несу-
щей частотой 95,5 кГц, на выходе преобразователя полосовой
фильтр выделяет нижнюю боковую полосу 78,7.. .95,47 кГц, а не-
сущая частота подавляется режекторным фильтром, настроенным
на 95,5 кГц. Таким образом, на выходе первых преобразователей
оказывается сформированным однополосный сигнал. Далее сигна-
лы каждого канала проходят через блок шумоподавления, состоя-
298
щий из предыскажающего контура, сжимателя и усилителя-огра-
ничителя. Их функции аналогичны выполняемым в аппаратуре
АВ 2/3. Второе преобразование выполняется с несущей 322,5 кГц;
третье в канале Л —с несущей 336 кГц, в канале П —с несущей
504 кГц. На выходах всех преобразователей образуются однопо-
лосные сигналы.
0//Ч Ф
Рис. 10.5. Структурные схемы передающей (а) и приемной (б) частей аппара-
туры для организации стереофонического канала
299
Рис. 10.6. Спектральные диаграммы преобразования каналов Л и П
Использование трех этапов преобразования позволило обес-
печить значительный разнос по частоте между несущей частотой
и используемыми боковыми полосами AM-колебания. За счет это-
го ослаблены требования к крутизне затухания полосовых фильт-
ров и уменьшены вносимые ими амплитудно-частотные и фазовые
искажения в полосе пропускания. В результате преобразований
сигнал канала Л занимает полосу 67,2. ..81,97 кГц, пилот-тон это-
го канала имеет частоту 65,2 кГц. Сигнал канала П занимает
полосу 86,03. ..101 кГц, частота пилот-тона 102,8 кГц. Оба эти сиг-
нала объединяются в сумматоре, образуя стереофонический сиг-
нал в спектре первичной группы. Несущие частоты всех преобра-
зований и пилот-тоны формирует генераторное оборудование ГО.
На приемной стороне (рис. 10.5,6) сигналы разделяются с по-
мощью фильтров, входящих в блок разветвителя мощности РМ,
и проходят через три этапа обратных преобразований. На пер-
вом — с помощью несущих 336 и 504 кГц, на втором — с помощью
несущей 322,5 кГц сигналы обоих каналов переносят в область
78,7.. .95,47 кГц. Несущие частоты для первого и второго этапов
преобразований получают от генераторного оборудования, как и
в канале передачи. Однако на третьем этапе преобразования для
устранения расхождения частот ГО передающей и приемной сто-
рон несущая частота преобразования генерируется управляемым
генератором УГ, входящим в систему фазовой автоподстройки ча-
стоты ФАПЧ. Управляющим сигналом системы ФАПЧ является
разность фаз пилот-тона, выделяемого полосовым фильтром, и
генерируемого ГО колебания с частотой 16,8 кГц.
При совпадении частот на входах фазовых детекторов системы
ФАПЧ У Г генерируют колебания с частотой 95,5 кГц. При их
расхождении несущая частота третьего преобразователя прием-
ного устройства подстраивается под несущую частоту первого
преобразователя передающего устройства. За счет этого смеще-
300
ний спектра выходного сигнала не возникает, а использование од-
ного генератора при преобразовании левого и правого каналов
обеспечивает отсутствие в них случайных фазовых сдвигов.
С помощью пилот-тона также устраняется разбаланс каналов
Л и П по уровню. Для этого выпрямленное и усиленное усилите-
лем постоянного тока УПТ напряжение пилот-тона изменяет ко-
эффициент усиления управляемых усилителей УУ в зависимости
от затухания в каждом канале. Расширители Р и восстанавлива-
ющие контуры ВК компенсируют предыскажения, внесенные в
сигнал на передающей стороне. Таким образом, каждый канал
имеет две петли регулирования — по частоте и уровню.
В результате в системе организуются каналы ЗВ высшего
класса с одинаковыми коэффициентами передачи и без фазового
сдвига, что позволяет передавать по ним стереофонические про-
граммы. Отметим, что вместо трех каналов ТЧ, необходимых для
организации монофонического канала ЗВ, в этом случае оказы-
ваются занятыми 12 каналов ТЧ.
10.3. КАНАЛЫ ЗВУКОВОГО ВЕЩАНИЯ
В ЦИФРОВЫХ СИСТЕМАХ ПЕРЕДАЧИ
10.3.1. ПОСТРОЕНИЕ ЦИФРОВЫХ СИСТЕМ ПЕРЕДАЧИ
Современные ЦСП строят на основе временного разделения
каналов, когда каждому каналу отводится определенный времен-
ной интервал в пределах общего цикла передачи. В качестве ме-
тода цифрового преобразования входного сигнала используют
импульсно-кодовую модуляцию (ИКМ). Частота дискретизации
телефонного сигнала при ИКМ принята равной 8 кГц, применя-
ется 8-разрядное кодирование с неравномерным квантованием по
закону А87,6/13 (см. гл. 7). В связи с этим скорость цифрового
потока при передаче телефонного сообщения оказывается равной
64 Кбит/с. Эта скорость в ЦСП является наименьшей, и канал, по
которому осуществляется передача со скоростью 64 Кбит/с, назы-
вается основным цифровым ОЦК. На его основе построены дру-
гие, более скоростные, каналы и тракты. Структура цикла 30-ка-
нальной системы ИКМ приведена на рис. 10.7.
Иерархия ЦСП включает субпервичный цифровой канал СЦК
со скоростью 480 Кбит/с, первичный цифровой тракт ПЦТ —
2048 Кбит/с, вторичный цифровой тракт ВЦТ — 8448 Кбит/с, тре-
тичный цифровой тракт ТЦТ — 34 368 Кбит/с и четверичный
Синхро- Служебный ' Синхро -
си о нал Канал 2 канал сигнал
Канал ... ...
30 11111 _________1111____________I. .111111__
Кинал7 Канал 75 Канал 76 Канал 30
Рис. 10.7. Структура цикла при ИКМ
301
2048 в..о
^T/c^S
—- галдит/c
Рис. 10.8. Схема группооб-
разования при ИКМ
Запись | | I I I I I I I I I I I I I I J I
I 1.1 1111 I 11 I 11 11 I I I 1_L1_
Выход ЗУ । ;,| 11 । x| 11 |x| 111 x| I LI,,.
139254
KSut/g
L
t
7
t
Рис. 10.9. Временные диаграммы
сигналов при согласовании ско-
ростей
цифровой тракт (ЧЦТ) — 139 264 Кбит/с. Поэтому при передаче в
ЦСП каких-либо сигналов, например звукового вещания, пара-
метры аналого-цифрового преобразования следует выбрать так,
чтобы результирующая скорость цифрового потока была кратной
скорости одного из типовых каналов или трактов.
Каналы и тракты ЦСП высших ступеней иерархии получают,
объединяя каналы и тракты низших ступеней. Такое объединение
называют группообразованием. Возможны два способа группо-
образования: синхронный и асинхронный. При синхронном спо-
собе в оборудовании временного группообразования ОВГ и аппа-
ратуре формирования цифрового сигнала объединяемых каналов
или трактов используется общий генератор тактовой частоты.
В силу этого объединяемые потоки синхронны, и в ОВГ достаточ-
но обеспечить их фазирование, а также введение дополнительно-
го синхросигнала, позволяющего осуществить разделение потоков
на приеме.
При асинхронном группообразовании объединение потоков
осуществляется путем их записи в статическое запоминающее
устройство с частотой f3 и считывания с частотой /Сч, кратной
тактовой частоте группового потока. В пункте приема при раз-
делении потоков происходит восстановление исходного значения
тактовой частоты каждого сигнала. Для этого на приемную сто-
рону передается служебная информация о рассогласовании ско-
ростей исходного и считанного из ЗУ сигналов. Используют два
способа согласования скоростей: одно- и двусторонее. При одно-
стороннем согласовании выбирают /сч>/3- Из-за несовпадения
скоростей записи и считывания между входным и выходным по-
токами возникают временные рассогласования (рис. 10.9), а в
определенных местах цикла, обозначенных на рис. 10.9 звез-
дочками, в выходном потоке появляется пробел. В этот момент
в выходной сигнал вводится дополнительный символ, который
на приемной стороне из сигнала исключается.
В системах с двусторонним согласованием номинальные зна-
чения /3 и /сч равны. При этом временные рассогласования могут
иметь разные знаки. В зависимости от знака в выходной сигнал
либо вводится дополнительный выравнивающий символ, как и
302
Рис. 10.10. Группообразование в цифровых системах передачи
при одностороннем согласовании, либо один символ из последо-
вательности изымается, передается по отдельному каналу, а в
пункте приема вновь вводится в выходной сигнал. Тактовая ча-
стота исходного цифрового потока, соответствующая fa, восста-
навливается в приемной части ЦСП при помощи системы фазо-
вой автоподстройки частоты.
В СССР в системах временного группообразования принято
двустороннее согласование скоростей, поскольку этот способ по-
зволяет сравнительно просто перейти от асинхронной сети к син-
хронной, развитие которой планируется в будущем.
Группообразование может быть посимвольным и поканальным.
При посимвольном объединении (рис. 10.10,а) последовательно
передаются символы объединяемых потоков, при поканальном
объединении (рис. 10.10,6)—группы символов каждого из объ-
единяемых потоков. Как правило, эти группы несут информацию
об одном отсчете сигнала. Достоинством посимвольного объеди-
нения является автоматическое перемежение символов, облегчаю-
щее борьбу с пакетами ошибок (см. гл. 7). Однако при этом за-
труднены выделение и транзит каналов из одной системы в дру-
гую. При поканальном объединении обеспечивается совместная
передача разных сигналов, например телефонных и звукового ве-
щания, в общем первичном цифровом потоке.
10.3.2. ЛИНЕИНЫИ ТРАКТ
Цифровые сигналы передаются по разным линиям передачи:
кабельным, волоконно-оптическим, спутниковым. В зависимости
от используемой среды распространения сигналам в линии при-
дают разный вид, при котором параметры сигнала в наибольшей
степени согласованы с параметрами линии. Сигнал на выходе
303
1 10 1 0 0 0 0 1 1 000 0000111
Рис. 10.11. Линейные коды
Рис. 1012. Дискретная
часть спектральной плот-
ности мощности сигнала
на выходе АЦП
АЦП представляет собой последовательность однополярных им-
пульсов (рис. 10.11,а), спектральная плотность мощности которой
состоит из дискретной и непрерывной частей. Дискретная часть
(рис. 10.12) имеет постоянную составляющую и составляющие на
тактовой /т и кратных ей частотах. При длительности импульса,
равной половине тактового интервала, в спектре присутствуют
только нечетные гармоники.
Спектр непрерывной части (У на рис. 10.13) теоретически бес-
конечен, но основная его часть расположена в пределах от 0 до
ft. Если сравнить этот спектр с характеристиками реальных ли-
ний передачи, то видно их значительное несоответствие, посколь-
ку реальные линии не пропускают постоянной и низкочастотной
составляющих сигнала. Из-за этого в сигнале возникают плавания
базовой линии, размер и характер которых зависит от вида пере-
даваемого сигнала. В результате непрерывно изменяется порог
срабатывания регенераторов, входящих в состав линейного трак-
та и приемного оборудования ЦСП, и возрастает вероятность
ошибочного приема. Кроме того, если в сигнале велика плотность
импульсов, из приходящего сигнала в приемном оборудовании
можно успешно выделить тактовую частоту. Наличие длинных
последовательностей нулей в сигнале, показанном на рис. 10.11,
затрудняет выделение опорного колебания, в результате также
возрастает вероятность ошибочного приема.
Чтобы избежать этих трудностей, цифровой сигнал на выходе
АЦП подвергается линейному кодированию, т. е. дополнительному
преобразованию, при котором спектр преобразованного сигнала
оказывается более соответствующим АЧХ линии, а число импуль-
сов, определяющих тактовые интервалы, существенно большим
числа пробелов. В зависимости от используемой среды распрост-
ранения применимы разные коды линии. В радиорелейных и спут-
никовых линиях чаще используют одно- либо двукратную фазо-
304
Рис. 10.13. Непрерывная часть спектраль-
ной плотности мощности цифровых сигналов
£Н1
2
вую манипуляцию. В кабельных линиях распространена передача
импульсами постоянного тока.
Простейшим для кабельных линий является квазитроичный код
(рис. 10.11,6). В его спектре (2 на рис. 10.13) отсутствует посто-
янная составляющая, уровень низкочастотных составляющих так-
же мал, в силу чего у этого кода базовая линия не плавает. Не-
достатком кода является трудность выделения тактовой частоты
из-за отсутствия ограничения числа подряд передаваемых пробе-
лов.
Этот недостаток отсутствует у кодов с высокой плотностью
единиц. Правила формирования этих кодов и квазитроичных со-
впадают до тех пор, пока между символами 1 не появится подряд
символов 0. В этом случае последовательность нулей заме-
няется другой, у которой число подряд следующих нулей не может
быть больше N, а полярность дополнительных импульсов совпа-
дает с полярностью предыдущего импульса. Этим нарушается пра-
вило чередования полярности в квазитроичном коде, что позволя-
ет в пункте приема обнаружить и изъять дополнительные импуль-
сы. Для такого кода с N—3 вид сигнала показан на рис. 10.11,в.
Существуют и другие линейные коды, применяемые в системах
связи и соединительных линиях, предназначенных для передачи
сигналов вещания в цифровой форме.
Рассмотрим особенности ошибок в каналах ЦСП. В интег-
ральной цифровой сети связи допустимое значение коэффициента
ошибок нормируется для ОЦК на гипотетической цепи длиной
27 500 км. Для этой цепи в 90% минутных интервалов допустима
вероятность ошибки рОш^Ю-6, а для 10% интервалов — рош>10~6.
Для 0,2% секундных интервалов допускается рОш>10 3, при этом
не менее чем в 92% секундных интервалов не должно быть ни
одной ошибки.
Наибольшее число ошибок возникает на местных сетях, где
используют первичные ЦСП. Ошибки в основном являются оди-
ночными, но при возрастании их вероятности до рош^Ю4 появ-
ляются пакеты ошибок с длительностью до 5 ... 7 символов. При
дальнейшем повышении вероятности ошибок до 10-3 возможно
появление пакетов ошибок в 30 символов и более. Это обстоя-
тельство необходимо учитывать при выборе метода борьбы с
ошибками.
20—6697 305
10 3 3 ОРГАНИЗАЦИЯ КАНАЛОВ ЗВУКОВОГО
ВЕЩАНИЯ
Варианты построения цифровых систем передачи ЗВ. Досто-
инства цифровых методов передачи определили целесообразность
их использования в каналах звукового вещания. Высокие качест-
венные показатели, идентичность каналов и стабильность пара-
метров позволяют организовывать в ЦСП стереофонические ка-
налы ЗВ высшего класса. Возможны два варианта использования
ЦСП для передачи сигналов ЗВ. Первый предполагает, что циф-
ровые каналы работают совместно с аналоговым оборудованием
тракта формирования программ (ТФП) либо соединяются с циф-
ровым ТФП через аналоговые интерфейсы (устройства для осу-
ществления соединения). В этом случае сигнал ЗВ на входе ка-
нала подвергается аналого-цифровому преобразованию, затем пе-
редается в цифровой форме в ЦСП, а на выходе канала вновь
преобразуется к аналоговой форме.
Второй вариант предполагает построение полностью цифровой
сети ЗВ, включая связь цифровых ТФП с ЦСП через цифровые
интерфейсы, т. е. без перехода к аналогу. При этом необходи-
мость в АЦП на входе и выходе канала отпадает, но оказывается
трудно состыковать цифровые системы ТФП и первичного рас-
пределения, имеющие разные частоты дискретизации и форматы
сигнала. Полностью цифровая сеть будет построена на втором
этапе внедрения цифровых методов в технику звукового вещания
по мере появления магистральных цифровых каналов. В настоя-
щее время используется первый вариант, и, следовательно, в ап-
паратуре цифрового вещания применяется аналого-цифровое пре-
образование сигналов и ввод цифровых сигналов ЗВ в стандарт-
ные цифровые потоки.
Параметры цифровых каналов ЗВ. Каналы ЗВ, образуемые в
ЦСП, должны работать совместно с аналоговыми. Поэтому со
стороны аналоговых окончаний они должны удовлетворять всем
требованиям, предъявляемым к аналоговым каналам. Кроме того,
цифровые каналы ЗВ характеризуются параметрами аппаратуры
аналого-цифрового преобразования, которые обеспечивают тре-
буемое качество передачи, а также группой параметров, специ-
фической для цифровой передачи. К числу общих с аналоговыми
системами характеристик относятся амплитудно- и фазочастотные
искажения, разность уровней и разность фаз между каналами при
стереофонической передаче, защищенность от помех, нелинейные
искажения и др. Специфическими для ЦСП характеристиками ка-
нала ЗВ являются следующие: шум в свободном канале, отно-
шение сигнал-шум квантования, порог перегрузки и др. Нормы на
эти характеристики каналов ЗВ установлены в Международных
рекомендациях. Регламентированы также методы измерения ха-
рактеристик каналов ЗВ.
306
Таблица 10.3
Закон компрессии Число разрядов Отношение сигнал-шум» ДБ Скорость цифрового потока, кБит/с
Мгновенная А87, 6/13 10 48 320
Мгновенная 15/7 12 64 384
Почти мгновенная 10 59 323
Почти мгновенная неравномерная 10 61 323
Почти мгновенная с ДИКМ нечетных от- счетов 9,5 61 307
Ввод цифровых сигналов ЗВ в ЦСП. Как отмечалось в гл. 7,
при формировании цифровых каналов ЗВ высшего класса частота
дискретизации принята равной 32 кГц, т. е. кратной 8 кГц, при-
нятой при АЦП телефонных сигналов, что облегчает построение
систем передачи, но отличается от частоты дискретизации 48 кГц,
принятой при АЦП в студийном оборудовании ЗВ. В гл. 7 были
рассмотрены разные методы кодирования сигналов ЗВ.
В зависимости от применяемой компрессии скорость цифрово-
го потока на один монофонический канал ЗВ оказывается раз-
личной (табл. 10.3). Сигналы ЗВ могут передаваться в ЦСП вме-
сте с другой информацией. Как отмечалось в § 10.4, минималь-
ную скорость передачи в 64 Кбит/с в ЦСП имеет основной циф-
ровой канал. Поэтому, если цифровой сигнал ЗВ вводится в тракт
первичной ЦСП совместно с другими сигналами, то скорость циф-
рового потока, отводимого для ЗВ, должна быть кратной
64 Кбит/с. В процессе передачи этого сигнала может возникнуть
необходимость транзита сигналов ЗВ из одной ЦСП в другую,
с ней не синхронизированную. Такой транзит требует дополни-
тельной передачи команд согласования скоростей, объем которых
может составлять несколько процентов от скорости передачи ин-
формационного сигнала. Кроме того, определенную часть цифро-
вого потока необходимо использовать для передачи символов за-
щиты от ошибок. Таким образом, результирующая скорость циф-
рового потока при передаче сигналов ЗВ оказывается больше ми-
нимально необходимой, значения которой приведены в табл 10.3.
Сопоставляя эти данные с требованием кратности результирую-
щей скорости значению 64 Кбит/с, получаем, что только при ме-
тоде кодирования ПМК-ДИКМ можно организовать цифровой ка-
нал ЗВ со скоростью 320 Кбит/с. Этот канал в структуре цикла
передачи первичной ЦСП занимает место пяти основных цифро-
вых каналов. При этом в потоке 2048 Кбит/с можно передать три
стереофонические программы вещания. Другие методы АЦП по-
20* 307
зволяют организовать передачу сигналов ЗВ со скоростью, не
меньшей 384 Кбит/с. В этом случае в тракте первичной ЦСП мож-
но организовать два стереофонических и один монофонический
каналы ЗВ.
Отметим, что кратность скоростей передачи сигнала ЗВ и ОЦК
не обязательна, если совместная передача сигналов ЗВ и другой
информации не предусмотрена и вся первичная ЦСП предназна-
чена для передачи сигналов вещания.
10.3.4. АППАРАТУРА ЦИФРОВОЙ ПЕРЕДАЧИ
СИГНАЛОВ
Канал ЗВ в аппаратуре ИКМ-12М и ИКМ-15. Эта аппарату-
ра предназначена для сельской связи. Канал ЗВ в ней образуется
вместо двух каналов ТЧ, занимая 6-й и 12-й канальные интервалы
в аппаратуре ИКМ-12М и 8-й и 15-й в аппаратуре ИКМ-15. По
аналоговому входу канал ЗВ имеет параметры второго класса,
т. е. полосу до 6,4 кГц. Частота дискретизации выбрана 16 кГц.
Канал ЗВ в аппаратуре И КМ-30. В этой аппаратуре образу-
ется канал ЗВ первого класса с полосой до 10 кГц. Частота дис-
кретизации 32 кГц, но принятый для телефонных сигналов закон
компрессии А87,6/13 при 8-разрядном кодировании не обеспечива-
ет отношения сигнал-шум, необходимого для каналов высшего
класса.
Аппаратура АЦВ-480. Эта аппаратура предназначена для ор-
ганизации в первичном цифровом тракте четырех каналов ЗВ выс-
шего класса либо восьми каналов второго класса. При АЦП при-
меняется 12-разрядное кодирование с компрессией по закону
ц15/7. Скорость цифрового потока при образовании канала выс-
шего класса составляет 480 Кбит/с. Четыре таких потока объеди-
няются синхронно и посимвольно в сигнал со скоростью
2048 Кбит/с. В аппаратуре использован код (7, 6) с обнаружением
ошибок, для борьбы с пакетами ошибок применяется перемеже-
ние символов. За счет этого 8-символьный пакет ошибок приводит
к одиночным обнаруживаемым ошибкам в четырех каналах ЗВ.
Аппаратура ИКМ В6/12. Предназначена для образования ка-
налов ЗВ высшего класа при скорости цифрового потока
316 Кбит/с. Используется кодирование методом ПМК-ДИКМ.
Аппаратура предусматривает асинхронный ввод (вывод) цифро-
вых сигналов ЗВ в тракт первичной ЦСП вместо пяти канальных
интервалов. Всего в тракте осуществляется передача шести моно-
фонических или трех стереофонических сигналов ЗВ со скоростью
2048 Кбит/с. Можно также организовать в одном потоке каналы
ЗВ и ТЧ, осуществить асинхронный транзит, а также перейти на
синхронный ввод и выделение цифровых сигналов ЗВ.
Канал звукового сопровождения телевидения в аппаратуре
И КМ-1920. В аппаратуре ИКМ-1920 телевизионный сигнал пере-
308
дается со скоростью 103,104 Мбит/с, что составляет три третич-
ных цифровых потока. Два сигнала звукового сопровождения
дискретизируются с частотой 35,8 кГц и кодируются с компресси-
ей по закону (л.15/7. Общая скорость цифрового потока сигналов
ЗВ 537 Кбит/с. Символы звукового сигнала вводятся в цифровой
телевизионный сигнал на позиции младшего разряда в каждое
двадцатое кодовое слово. Для защиты от ошибок используется
помехоустойчивый код (7, 6) и перемежение разрядов.
10.4. СПУТНИКОВЫЕ СИСТЕМЫ ВЕЩАНИЯ
10.4.1. ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ
Спутниковые системы вещания (ССВ)—это системы передачи
сигналов телевизионного и звукового вещания от передающих
станций к приемным через искусственные спутники Земли (ИСЗ)
циркулярно, т. е. передаваемая информация принимается одно-
временно большим числом земных станций (ЗС). От приемных
ЗС программы поступают в кабельные сети распределения, пода-
ются по СЛ на телевизионные и радиовещательные передатчики,
на сеть проводного вещания, групповые и даже индивидуальные
приемники.
Обычно ССВ (рис. 10.14) является составной частью много-
функциональной системы с многоствольным ретранслятором, часть
стволов которой используется для вещания, а часть-—для много-
канальной телефонно-телеграфной связи. Одним из важных вопро-
сов при организации ССВ является выбор орбиты, на которой на-
ходится ИСЗ. Орбита должна быть такой, чтобы ИСЗ обслужи-
вал заданную территорию в течение определенного времени — се-
анса связи. Вещание организуется ежедневно в определенное вре-
мя суток. Поэтому сеансы связи, если они некруглосуточные, дол-
жны иметь периодичность, кратную суткам.
Рис. 10.14. Схема спутниковой системы вещания
309
Для вещания применяют геостационарную и высокие эллипти-
ческие орбиты. Спутник, находящийся на геостационарной орбите,
совершает оборот вокруг Земли точно за одни земные сутки.
Вследствие этого он оказывается расположенным неподвижно
над некоторой точкой земной поверхности. Геостационарная ор-
бита круговая высотой 35 786 км от поверхности Земли, располо-
жена в плоскости экватора. Находящийся на этой орбите ИСЗ
может охватить вещанием почти треть поверхности Земли. Одна-
ко полярные и близкие к ним области обслуживаются плохо, по-
скольку угол, под которым виден ИСЗ, в этих районах мал.
Высокая эллиптическая орбита характеризуется периодом об-
ращения вокруг Земли, равным 12 ч. При максимальном удале-
нии от Земли (апогее) 40000 км, минимальном удалении (пери-
гее) 500 км и наклонении плоскости орбиты к плоскости экватора
в 63,4° зона видимости также составляет около трети поверхности
Земли, но она вся расположена в Северном полушарии. Положе-
ние апогея относительно поверхности Земли оказывается пример-
но постоянным.
Сеансы связи, во время которых антенна ЗС должна следить
за траекторией ИСЗ, происходят всегда в одно и то же время
суток. При этом всю территорию СССР обслуживает один ИСЗ в
течение 8 ч и для круглосуточной работы достаточно иметь на
этой орбите три ИСЗ.
Вещание с ИСЗ может осуществляться в одном из выделен-
ных в соответствии с Регламентом радиосвязи диапазонов частот.
К ним относятся диапазоны 620 ... 790 МГц, 2500 ... 2690 МГц,
3400 ... 4200 МГц, 11,7 ... 12,2 ГГц, 12,2 ... 12,5 ГГц и др. Для
обеспечения электромагнитной совместимости спутниковых систем
между собой и с радиорелейными системами связи международ-
ными соглашениями ограничивается плотность потока мощности,
создаваемая ИСЗ у поверхности Земли.
Линии подачи программ на ИСЗ используют полосы спутни-
ковых систем связи, в частности, 5725 ... 6425 МГц, 7,9 ... 8,4 ГГц
10,95 ... 11,2 ГГц, 12,5 ... 12,75 ГГц.
Первая в СССР ССВ «Орбита» была создана в 1967 г. и ра-
ботает через ИСЗ «Молния-1», который выводится на высокую
эллиптическую орбиту. Сигналы изображения передаются с по-
мощью частотной модуляции в диапазоне около 1 ГГц. Приемная
параболическая антенна с диаметром основного зеркала 12 м пе-
ремещается по азимуту и углу места, сопровождая спутник с вы-
сокой точностью.
С 1972 г. началось внедрение новых ЗС «Орбита-2», работаю-
щих совместно с ИСЗ «Молния-2» в диапазоне частот 3400 ...
... 4200 МГц. Орбита ИСЗ «Молния-2» совпадает с орбитой «Мол-
ния-1». В настоящее время станции «Орбита-2» работают совмест-
но с ИСЗ «Молния-3», находящимся на высокой эллиптической
орбите, а также с геостационарными спутниками «Радуга» и «Го-
310
ризонт» (регистрационный индекс «Стационар»). Система «Орби-
та-2», имеющая высокие качественные показатели, обеспечивает
передачу цветных телевизионных программ в соответствии с нор-
мами МККР.
Система «Экран» работает в диапазоне 0,7 ГГц через ИСЗ,
находящийся на геостационарной орбите. Площадь зоны обслу-
живания—более 9 млн. км2 (около 40% территории СССР), вклю-
чая районы Сибири, Крайнего Севера, Дальнего Востока с насе-
лением около 20 млн. человек. Особенностью системы «Экран»
является увеличение излучаемой мощности по сравнению с ССВ
«Орбита», что позволило упростить и удешевить приемные уста-
новки, сделав экономически целесообразным их применение в по-
селках с населением в несколько тысяч человек.
Диапазон 0,7 ГГц предназначен также и для наземного теле-
визионного вещания, в связи с чем Регламентом радиосвязи на
территории сопредельных государств плотность потока мощности
ограничена значением-—129 дБВт/м2. Поэтому зону обслужива-
ния системы «Экран» нельзя распространить на весь Дальний
Восток СССР, Камчатку, Чукотку и европейскую часть СССР.
Система «Москва», пригодная для обслуживания любого рай-
она СССР, работает в диапазоне 4 ГГц, предназначенном также
для наземных радиорелейных линий. Однако применяемые в си-
стеме «Москва» методы рассеяния энергии по частотному диапа-
зону позволили обеспечить электромагнитную совместимость этой
системы с другими наземными службами. В приемнике ССВ «Мос-
ква» используется простой неохлаждаемый, но малошумящий па-
раметрический усилитель. За счет этого удалось применить срав-
нительно небольшую параболическую антенну с диаметром зерка-
ла 2,5 м без автоматического сопровождения спутника. Приемная
станция «Москва» оказалась простой, не требующей постоянного
квалифицированного обслуживания.
Особенностью системы «Москва» является то, что в зону об-
служивания одним ИСЗ входят 2... 3 часовых пояса или один
вещательный. Это позволяет телезрителям получать программы
в удобное время. Система «Москва» работает через специальный
ствол многофункционального ИСЗ «Горизонт». Передающая ан-
тенна узконаправленная, обеспечивает обслуживание определен-
ной территории страны.
10.4.2. ПЕРЕДАЧА СИГНАЛОВ ЗВУКОВОГО ВЕЩАНИЯ
В ССВ применяют несколько способов передачи сигналов ЗВ.
Передача на поднесущих частотах в низкочастотном канале.
Спектр телевизионного сигнала занимает полосу до 6 МГц. Под-
несущие частоты располагаются выше этого спектра. На рис. 10.15
показаны спектры мощности сигналов телевизионного GTB и зву-
кового вещания G3B1 и G3b2 на поднесущих ГП1 и ГП2.
311
Рис. 10.15. Спектры мощ-
ности телевизионного и
звуковых сигналов в
стволе
В аналоговых ССВ для передачи сигналов на участках Зем-
ля— Космос и Космос — Земля используют частотную модуля-
цию. Известно, что если на вход частотного детектора приемника
воздействует равномерный флуктуационный шум, то спектр мощ-
ности шума на выходе частотного детектора быстро нарастает с
частотой (Gm на рис. 10.15). Из рис. 10.15 видно, что сигналы ЗВ
находятся в области максимальных шумов. Поэтому, если для
уплотнения спектра использовать однополосную модуляцию, как
в системах с ЧРК, то для получения требуемого отношения сиг-
нал-шум потребуется большая мощность сигнала ЗВ. Это нецеле-
сообразно, так как в этом случае значительная часть девиации
частоты при частотной модуляции будет выделена сигналу ЗВ и
качество передачи телевидения ухудшится.
Другой путь — применение при уплотнении не однополосной, а
частотной модуляции и получение за счет этого дополнительного
выигрыша при демодуляции (рис. 10.16). В модуляторах ЧМ]
сигналы ЗВ модулируют по частоте поднесущую 6,5 ... 8,5 МГц,
а затем эти колебания суммируются с телевизионным сигналом и
подаются на вход частотного модулятора ЧМ2. На приемной сто-
роне демодуляция осуществляется в обратной последовательно-
сти. Таким образом, звуковой сигнал подвергается двойной ЧМ.
При этом за счет расширения спектра сигнала ЗВ на поднесущих
получается дополнительный выигрыш по помехоустойчивости. По-
скольку спектр сигнала ЗВ на несколько порядков уже спектра
сигнала телевидения, расширение спектра на входе ЧМ2 сущест-
венной роли не играет, а получаемый выигрыш оказывается до-
статочным, чтобы не ухудшить отношения сигнал-шум при пере-
даче телевидения.
Для улучшения отношения сигнал-шум в канале передачи зву-
ка применяют также компандерные шумоподаватели (см. гл. 6).
Передача сигналов ЗВ на поднесущих реализована в системах
«Орбита-2», «Москва». Поднесущие имеют частоты 7; 7,5 и
8,2 МГц. Девиация поднесущей ±150 кГц, девиация несущей сиг-
Рис. 10.16. Структурная схема формиро-
вания сигнала в стволе
312
налом поднесущей от ±0,6 до ±1,5 МГц, что составляет 5 ... 10%
девиации, создаваемой телевизионным сигналом. В канале звуко-
вого сигнала телевидения системы «Экран» также использован
метод передачи на поднесущей, но частота поднесущей выбрана
6,5 МГц, а девиация частоты ±50 кГц. Принятые в системе раз-
нос несущих частот сигналов изображения и звука и девиация
несущей звука совпадают с принятыми значениями при наземном
вещании. Это упрощает формирование стандартного телевизион-
ного сигнала в приемной станции ССВ «Экран» без демодуляции
звукового сигнала. С другой стороны, при выбранных парамет-
рах предварительной ЧМ приходится увеличивать девиацию ча-
стоты несущей звуковым сигналом до ±2,8 МГц, что на 2 дБ
ухудшает отношение сигнал-шум в канале изображения.
Для передачи сигнала ЗВ на поднесущих предъявляются высо-
кие требования к характеристикам высокочастотного ствола. Так,
из-за нелинейности его АЧХ и ФЧХ на выходе частотного детек-
тора возникают помехи нелинейного происхождения, приводящие
к влиянию сигнала изображения на звуковые сигналы. Во избе-
жание таких помех требования к линейности канала являются
очень высокими.
При необходимости одновременной передачи большого числа
программ ЗВ иногда используют несколько поднесущих во всем
стволе вместо сигналов. В этом случае из-за возникающих пере-
ходных помех число каналов ЗВ в стволе не может быть больше
8 ... 10. Особенностью метода является рост уровня поднесущей
и девиации частоты с увеличением частоты поднесущей, благода-
ря чему компенсируется увеличение шумов в более высокочастот-
ных каналах.
Частотное уплотнение высокочастотного ствола. При таком спо-
собе передачи ствол ИСЗ уплотняется несколькими сигналами ЗВ,
передаваемыми на отдельных несущих с помощью ЧМ. Спек-
тральная диаграмма размещения сигнала в ВЧ-стволе показана
на рис. 10.17. Достоинством этого способа является возможность
обмена программами между различными земными станциями, по-
скольку через один ствол можно организовать передачу в не-
скольких направлениях. Вместо одного сигнала ЗВ в системе мож-
но передавать телефонные сообщения, если ЧМ-несущую модули-
ровать многоканальным телефонным сигналом. Из-за присущих
этому методу помех нелинейного происхождения в стволе спутни-
ковой связи с полосой 35 МГц удается организовать всего 8 ...
... 10 каналов ЗВ первого класса. Очевидно, что полоса высокочас-
тотного ствола используется недостаточно эффективно, однако из-
за отмеченных достоинств способ применяется в системе «Интер-
спутник». При этом сигнал ЗВ вначале преобразуется в цифровую
форму, а несущие манипулируются по фазе. Скорость передачи
для канала высшего класса 480 Кбит/с (аппаратура «Гради-
ент-В»).
313
Рис. 10.17 Спектральная диаграмма
размещения сигналов ЗВ на разных
поднесущих с помощью ЧМ
Строчный синхроимпульс
г—*—। Строчный еасящий импульс
IPV
Импульс
звука
видеосигнал.
Рис. 10.18. Диаграмма временного
уплотнения телевизионного сигна-
ла звуковым
Цифровая передача с временным разделением каналов. При
временном разделении каналов (ВРК) помехи нелинейного про-
исхождения не возникают, и поэтому высокочастотный ствол мож-
но использовать эффективнее, чем при ЧРК. Передача с ВРК по-
зволяет в одном стволе организовать 80 ... 90 каналов ЗВ вместо
8 ... 10, как при ЧРК. Метод ВРК реализован в системе «Орби-
та-Рв», предназначенной для подачи большого числа радиовеща-
тельных программ в разные точки страны, а также для передачи
изображений газетных полос (ИГП) в типографии областных цен-
тров. Система работает через геостационарные спутники «Гори-
зонт» либо «Радуга», причем система «Орбита-Рв» занимает толь-
ко половину емкости ствола. Вторая половина занята передачей
телефонных сигналов.
В соответствии с принципом ВРК в кадре передачи 50% вре-
мени занято передачей 25 программ ЗВ и ИГП. В течение остав-
шихся 50% времени передаются 120 дуплексных каналов ТЧ. Ис-
пользована цифровая модуляция исходных каналов методом ИКМ.
Для каналов первого класса принята частота дискретизации
21 1/3 кГц, второго класса — 14 2/9 кГц, высшего класса — 32 кГц.
В каналах высшего класса применено 10-разрядное кодирование
с мгновенным компандированием, в каналах первого и второго
классов — 9-разрядное. Таким образом, скорость цифрового пото-
ка при организации канала высшего класса составляет 320 Кбит/с,
первого класса — 192 Кбит/с и второго класса — 128 Кбит/с. В пер-
вичном цифровом потоке 2048 Кбит/с в системе «Орбита-Рв» пе-
редаются 10 каналов первого класса, либо 15 каналов второго
класса, либо 6 каналов высшего класса. Всего для сигналов ЗВ
выделяются два потока по 2048 Кбит/с. В системе использовано
помехоустойчивое кодирование, обеспечивающее допустимую при
цифровой передаче вероятность ошибки рош=10_9.
Отметим, что общая скорость цифрового потока, включающе-
го сигналы ЗВ, ИГП и телефонии, составляет 20 Мбит/с.
Каналы в системе «Орбита-Рв» являются незакрепленными.
Их число определяется числом передаваемых программ, а не
пунктов приема и не зависит от конфигурации наземной сети.
Приемник земной станции может подключаться к любому переда-
314
ваемому каналу. Поэтому число приемных комплектов на стан-
ции определяется числом одновременно принимаемых программ.
Временное уплотнение телевизионного сигнала. Телевизионный
сигнал обладает большой избыточностью. Это позволяет для эко-
номии полосы и энергетики линии передавать звуковые сигналы
телевидения с помощью временного уплотнения в спектре сигна-
ла изображения. Для этого в системе «Орбита» во время передачи
строчных гасящих импульсов в них врезаются специальные им-
пульсы, модулированные звуковым сигналом (рис. 10.18). При ча-
стоте строк 15,626 кГц полоса передаваемого сигнала 6...7 кГц.
Импульсы звука могут быть модулированы по длительности либо
применяется ИКМ.
В системе «Орбита-2» частота дискретизации увеличена вдвое,
что позволило организовать канал ЗВ высшего класса. Посколь-
ку при частоте дискретизации 31,25 кГц половина отсчетов сигна-
ла ЗВ попадает в середину строчного интервала, в передающем
комплекте предусмотрена задержка их на время, равное полови-
не длительности строки. Таким образом, во время, отведенное для
передачи строчного гасящего импульса, передаются два импульса
звука с широтно-импульсной модуляцией. В приемном оборудова-
нии восстанавливается исходная расстановка импульсов дискре-
тизации.
Контрольные вопросы
1. Назовите источники искажений сигнала звукового вещания в аналоговых
системах передачи.
2. Для чего в аналоговых системах передачи нормируется загрузка кана-
лов? Нужно ли такое нормирование в цифровых каналах?
3. Почему для организации стереофонического канала ЗВ необходимо выде-
лять в АСП 12-канальную группу?
4. Сравните размещение спутников на геостационарной и эллиптической
орбитах с точки зрения организации вещания.
Глава 11. РАДИОВЕЩАНИЕ
11.1. ПОСТРОЕНИЕ ПЕРЕДАЮЩЕЙ СЕТИ
РАДИОВЕЩАНИЯ
Передающая сеть радиовещания представляет собой комплекс
технических средств (передатчики, антенные устройства, вспомо-
гательное оборудование), осуществляющий излучение сигналов
звукового вещания в виде радиоволн. С ее помощью обеспечива-
ется вторичное распределение программ (см. § 1.2), т. е. доведе-
ние их непосредственно до приемного устройства слушателя.
При построении передающей сети, обслуживающей определен-
315
ную территорию, следует учитывать заданные условия передачи и
приема радиосигналов, диапазон радиоволн, особенности рассе-
ления жителей на территории, рельеф местности. При планирова-
нии сети определяются места расположения радиовещательных
станций (РВС) и их мощности, коэффициенты усиления антенн,
номера радиоканалов, стоимость различных вариантов и другие
параметры сети. Основная задача рационального размещения
РВС — обеспечение удовлетворительного качества приема в пре-
делах всей территории при минимальных затратах на построение
сети.
Каждая станция обслуживает вещанием определенную терри-
торию. Зоной обслуживания передатчика называется часть земной
поверхности, ограниченная замкнутой кривой, в каждой точке ко-
торой с вероятностью не ниже заданной напряженность поля (по-
лезная) передатчика ЕПОЛ обеспечивает удовлетворительный при-
ем при наличии помех. Если помехи только природного или про-
мышленного происхождения, то должно быть ЕПол^ЕМин. Это ми-
нимальное значение напряженности поля принимается в качестве
отправного при планировании передающей сети и определяется
требуемым отношением напряжения сигнала звуковой частоты Uc
к среднеквадратичному напряжению помехи (7П, измеренному на
выходе усилителя звуковой частоты радиоприемника. Отношение
UJUn называют зщитным отношением по звуковой частоте и по
рекомендации Международной электротехнической комиссии
(МЭК), основанной на результатах массового опроса слушателей,
принимают равным 20 ... 40 дБ.
Важным параметром, от которого зависит конфигурация и
площадь зоны обслуживания, является защитное отношение по
высокой частоте — значение отношения сигнал-помеха по высокой
частоте, обеспечивающее на выходе приемника требуемое защит-
ное отношение по звуковой частоте при наличии помех со стороны
мешающих станций. Значения защитных отношений по звуковой и
по высокой частоте задаются при точно определенных парамет-
рах системы вещания, к которым относятся тип и глубина моду-
ляции, ширина полосы канала, разнос несущих частот передатчи-
ков, избирательность и полоса пропускания приемника и др.
Защитное отношение по высокой частоте определяет границы
зоны обслуживания. Если ЕПОЛ— напряженность поля полезного
сигнала, а Еп— напряженность поля помехи на границе зоны об-
служивания, то защитное отношение по высокой частоте, обычно
выражаемое в децибелах,
A — 201g (ЕПол/Еп). (И-1)
Отношение Епол/Еп показывает, во сколько раз напряженность
поля Епол передатчика на границе зоны обслуживания должно
превышать напряженность поля помех Еп для обеспечения каче-
ственного приема.
316
Рис. 11.1. Диаграмма
определения относитель-
ного времени превыше-
ния заданного уровня Т
t
Действующее значение напряженности поля в милливольтах
на метр
£ = F(173/PG)/r,
где Р—мощность передатчика, в киловаттах; G — коэффициент
усиления антенны в направлении точки приема относительно эле-
ментарного диполя; г — расстояние между передатчиком и прием-
ником в километрах; F — показатель ослабления, зависящий от
длины волны X и удельной проводимости <т.
Однако значение напряженности поля, рассчитанное по форму-
лам, чаще всего значительно отличается от реального. Поэтому,
как правило, для определения напряженности поля пользуются
графиками, построенными по результатам многочисленных изме-
рений, выполненных в конкретных условиях. Требуемые графики,
которыми пользуются на практике, приведены в документах
МККР.
В общем случае можно считать, что напряженность поля во-
круг передатчика и особенно на больших расстояниях изменяется
случайным образом во времени. Для характеристики поля ис-
пользуют относительное время превышения заданного уровня на-
пряженности поля Т — выраженное в процентах отношение сум-
марного времени превышения этого уровня Д^=Д^+Д^+ ... к
длительности времени приема То, т. е. Т=(Д^/То) 100% (рис. 11.1).
Напряженность поля, превышаемая в Т% времени, обозначается
как Е(Т). Напряженность поля Е(Т)—Е(50), превышаемая в 50%
времени, называется медианной.
Напряженность поля вокруг передатчика (на заданном рас-
стоянии г) зависит также от места расположения приемника на
территории, изменяясь от точки к точке приема. Эти условия учиты-
вают процентом мест приема L, в которых напряженность поля
превышает заданный уровень, и обозначают как E(L). Например,
напряженность поля £’(Л)=£'(50) превышается в Л = 50% точек
приема.
317
Таким образом, изменяясь во времени и от места расположе-
ния приемника, напряженность поля вокруг передатчика является
двумерной случайной величиной. Значение напряженности поля
E(r, Т, L), которое в течение Т°/о времени превышается вЕ% об-
щего числа точек приема на расстоянии г от передатчика, можно
представить следующим выражением:
E'(r, Т, L) = yp[E'(r, 50, 50) R' (T)R' (L), (11.2)
или в децибелах относительно 1 мкВ/м
E(r, Т, L)=Pz-\-E(r, 50, 50)4-/?(Т)+/?(£), (11.3)
где Е(г, 50, 50)—медианное значение напряженности поля в де-
цибелах на 1 мкВ/м, превышаемое в течение 50% времени приема
в 7=50% мест приема на расстоянии г от передатчика при эф-
фективной мощности излучения 1 кВт; R(L)—функция, учиты-
вающая статистическое распределение напряженности поля в раз-
личных точках приема на заданном расстоянии г; R(T)—функция,
учитывающая статистическое распределение напряженности поля
во времени в точках, расположенных на заданном расстоянии г;
Ps — эффективная мощность излучения передатчика в децибелах
на киловатт.
Если передатчик (полезный) работает в условиях помех от
другого передатчика (мешающего), то на границе зоны обслужи-
вания должны выполняться следующие условия:
Епол—Е^еш=А, (11.4)
ЕпоЛ^ЕциН, (11.5)
где Епол и Емеш — значения напряженности поля соответственно
полезного и мешающего передатчиков, в децибелах; ЕМИн—мини-
мально необходимое значение напряженности поля в децибелах
относительно 1 мкВ/м; А — защитное отношение по высокой ча-
стоте в децибелах. В вещательной службе величину А принято
оценивать для Т=50%.
Помехи от соседних передатчиков в диапазонах декаметровых
и метровых волн, а также километровых и гектометровых волн
в ночное время являются следствием тропосферного или ионо-
сферного распространения радиоволн, и их значения в сильной
степени изменяются во времени. Поэтому устанавливают норму
процента времени появления помех, в течение которой не выпол-
няется условие (11.4).
Согласно рекомендации Международной организации радиове-
щания и телевидения (ОИРТ) в зоне обслуживания радиовеща-
тельной станции напряженность поля, создаваемая передатчиком,
должна обеспечить качественный прием вещания на массовую ап-
паратуру в 7 = 50% мест приема в течение 7=90% времени для
моно и 7=99% времени для стереовещания. В течение соответ-
ственно 10% и 1% времени допускается появление заметных
помех.
318
С учетом изложенного из выражений (11.3) и (11.4) получим
основное уравнение для решения задачи определения зоны обслу-
живания отдельного передатчика и всей территории, обслуживае-
мой сетью передачтиков:
Ps пол Ргмеш-!-Епол (Гпол, 50, 50) Емеш (Гмеш, Т, 50) “(^-) —^4,
(11.6)
где Гпол и гмвш — расстояния соответственно от полезного и меша-
ющего передатчиков до границы зоны обслуживания, при кото-
рых удовлетворяется уравнение (11.6); ^пол^пол, 50, 50)—меди-
анная напряженность поля полезного передатчика (использова-
ние медианной напряженности объясняется тем, что защитное
отношение А устанавливают для Т=50%); £меш(/меш, Т, 50) —
напряженность поля мешающего передатчика (для монофониче-
ского вещания в этом выражении принимают 7=10 %, а
для стереофонического — Т=\ %); Р2п0Л и Р2меш — мощность
излучения полезного и мешающего передатчиков в направлении
на точку приема в децибелах на 1 кВт; разность двух величин
Rnon(L) и распределенных по гауссовскому закону, равна
среднему геометрическому этих значений:
Для конкретных условий приема при расчете зоны обслужи-
вания выражения (11.3) и (11.6) можно существенно упростить.
В диапазонах километровых и гектометровых волн, когда прием
в зоне обслуживания передатчика осуществляется за счет земной
волны, напряженность поля во времени практически не изменяет-
ся. Кроме того, мало меняется и проводимость почвы о в зоне
обслуживания, поэтому изменениями поля, связанными с релье-
фом местности, также пренебрегают. В связи с этим напряжен-
ность поля земной волны в этих диапазонах E(r, Т, L)—£(г)Д-Р2
(рис. 11.2).
В диапазоне метровых волн для определения границ зоны об-
служивания используются выражения (11.3) и (11.6). Зависимо-
сти E(r, Т, L) обычно представляют для дискретных значений
времени превышения Т—10, 50, 1% (рис. 11.3) и учитывают
функцию распределения R(T).
При отсутствии помех от других передатчиков и слабых изме-
нениях характера местности вокруг передатчика зона обслужи-
вания будет иметь форму круга. Условие (11.5) позволяет опреде-
лить радиус гпол зоны обслуживания, который для данного пере-
датчика будет, очевидно, максимальным.
При наличии помех от других передатчиков, что наиболее ре-
ально, площадь зоны обслуживания будет зависеть от защитного
319
Рис. 11.2. Зависимости изменения напряженно-
сти поля от расстояния и частоты для Р—
= 1 кВт, о=3-10-2 См/м, е=4
отношения по высокой частоте А. На
рис. 11.4,а условно показаны измене-
ние напряженности двух радиовеща-
тельных станций Pi и Р%, работающих
за счет земной волны в зависимости
от расстояния, а на рис. 11.4,6 — зоны
обслуживания, в каждой точке грани-
цы которых соблюдается условие
(11.4). При увеличении защитного от-
ношения А площадь полезной зоны
уменьшается и увеличивается площадь
территории (зона искажений), в пределах которой прием ведется
с искажениями.
Значение защитного отношения по высокой частоте определя-
ется характером помех, создаваемых мешающими передатчиками.
Логарифмическая Линейная шкала
шкала
' Расстояние, км
Рис. 11.3. Зависимости
изменения напряженно-
сти поля от расстояния
и высоты передающей
антенны для диапазона
частот 30... 250 МГц,
Р=1 кВт, 7=50%, 7=
=50 %
320
Рис. 11.4. Зависимости
изменения напряженно-
стей поля двух радиове-
щательных станций от
защитного отношения
(а) и зоны их обслужи-
вания (б)
По уровню взаимных помех, возникающих в передающей сети,
различают РВС, работающие: в совмещенном частотном канале
(несущие частоты одинаковы, а РВС передает разные программы);
в синхронной сети (несущие частоты одинаковы, и РВС передают
одинаковые и сфазированные программы); в разных частотных
радиоканалах.
В первом случае требуемые значения А значительно больше,
чем во втором. Если РВС занимают разные радиоканалы и при
этом разнос несущих частот превышает удвоенное значение шири-
ны полосы частот, занимаемой спектром радиосигнала, то стан-
ции не мешают друг другу.
Задача планирования передающей вещательной сети заключа-
ется в таком размещении РВС и распределении между ними име-
ющихся частотных каналов, чтобы на данной территории обеспе-
чить качественным приемом наибольшее число слушателей.
При этом необходимо стремиться к минимальным затратам. Если требуется
разместить РВС на обслуживаемой территории равномерно (идеальный вари-
ант), то станции располагают по квадратной или треугольной сетке. В первом
случае станции мощностью Р с радиусом зоны обслуживания г0 размещают в
вершинах квадратов (рис. 11.5,я), во втором — в вершинах треугольников
(рис. 11.5,6). Минимальное расстояние между РВС при квадратной сетке
мии = |/2 гд, площадь зоны обслуживания S.- —2г02.
При треугольной сетке = l/3 гв, а Зл = 2,6г08. Число РВС для обеспече-
ния сплошного вещания на определенной территории при различных вариантах
размещения относится как : пд = 8Д : Sq= 1,3. Отсюда следует, что экономи-
чески эффективнее треугольная сетка размещения станций. При этом площадь
взаимного пересечения зон обслуживания (заштрихованные участки) меньше и
вследствие этого меньше требуемое число РВС. На практике при создании РВС
ие всегда придерживаются идеализированных построений и РВС размещают в
районах с высокой плотностью населения, вблизи крупных городов.
Рассмотрим, от каких показателей вещательной передающей сети зависит
требуемое число частотных каналов. Если РВС работают в разных частотных
21—6697 321
Рис 11 5 Схемы размещения РВС
каналах, то требуемое число каналов практически определяется отношением
n = S/So, где S— площадь территории, So — средняя площадь зоны обслужива-
ния одной станции
Станции, работающие в совмещенном частотном канале, можно разместить
по треугольной сетке, но более крупной (рис 11 5,s) Вершины больших тре-
угольников будут одновременно являться и вершинами малых Все станции,
расположенные вне вершин больших треугольников, должны работать в других
частотных каналах Расстояние D между РВС, работающих в совмещенном ча-
стотном канале определяется требуемым защитным отношением по высокой ча-
стоте Необходимое число каналов п. при одинаковых мощностях излучения пе-
редатчиков равно отношению площадей большого Д5 и малого Дз треуголь-
ников
га = Д5/Дз=(О/б/)2 (117)
Подставив (/=г0|3 в (116), получим п= (1/3) (О/г0)2, откуда следует, что
требуемое число каналов прямо пропорционально квадрату расстояния между
станциями, работающими в совмещенном частотном канале, и обратно пропор-
ционально квадрату радиуса зоны обслуживания отдельной РВС
От расстояния D между РВС, работающих в совмещенном частотном кана-
ле, зависит уровень помех, а от расстояния г0 — напряженность поля сигнала на
границе зоны обслуживания Таким образом, число требуемых частотных ка-
налов в конечном счете определяется значением защитного отношения, принято-
го для станций, работающих в совмещенном канале
При планировании передающей сети в любом вещательном диапазоне стре-
мятся к тому, чтобы обеспечить требуемое качество приема в любой точке за-
данной территории с минимальным числом передатчиков Для этого определяют
площадь зоны обслуживания каждой вещательной станции в условиях возмож-
ных помех от других станций передающей сети
11.2. МЕЖДУНАРОДНЫЕ СОГЛАШЕНИЯ
В ОБЛАСТИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ
РАДИОЧАСТОТ
Распределение радиочастот между отдельными странами и ре-
гламентациями работы радиосредств производится на Всемирных
(или Региональных) Административных радиоконференциях
(ВАКР), в которых участвуют представители стран—-членов
международного союза электросвязи (МСЭ). Решения ВАКР
(или РАКР) находят отражение в Регламенте радиосвязи, являю-
щемся основным документом, который определяет использование
322
Рис 11 6 Зоны распределения радиочастот между странами
частотного диапазона и условия работы различных радиосредств.
В период с 1975 по 1985 гг. в Женеве состоялись несколько
административных радиоконференций, на которых были приняты
решения о распределении радиочастот практически во всех веща-
тельных диапазонах радиоспектра: Региональная административ-
ная конференция по радиовещанию на длинных и средних вол-
нах, состоявшаяся в 1975 г. (РАКР-75); Всемирная администра-
тивная радиоконференция по общему пересмотру Регламента ра-
диосвязи— в 1979 г (ВАКР-Р-79); Всемирная административная
радиоконференция по планированию радиовещания в диапазоне
коротких волн — в 1984 г (ВАКР-84).
В соответствии с международными соглашениями, зафиксиро-
ванными в Регламенте радиосвязи для распределения радиочастот
мир разделен на три района Район I включает территории Евро-
пы (включая СССР и МНР) и Африки; район II — территории
Северной и Южной Америки и Гренландию, район III — территории
Азии (без СССР и МНР) и Австралии. В Европейскую зону ра-
диовещания входят страны района I, расположенные западнее 40°
восточной долготы от Гринвича и севернее 80° северной широты.
По интенсивности атмосферных помех земной шар условно разде-
лен на три зоны А, В, С (рис 116).
Для радиовещания выделены участки в диапазонах километ-
ровых (длинные волны — ДВ), гектометровых (средние волны
СВ), декаметровых (короткие волны — КВ) и метровых волн.
В табл 11 1 приведены значения соответствующих частотных по-
лос.
21*
323
Таблица 11.1
Номер диапазона Наименование волны Диапазон частот» МГц Длина волны, м
5 Длинные волны (ДВ)
6 Средние волны (СВ)
7 Короткие волны (КВ)
8 Метровые волны (МВ)
0,15...0,285
О,525...1,605
3,20...3,40
3,95...4,000
4,75...4,995
5,006.,.5,06
5,95,..6,20
7,10...7,30
9,50...9,90
11,65...12,075
13,6...13,8
15,10...15,60
17,55...17,90
21,45.-.21,85
26,67...26,1
66...74
100...108
2000...735,3
575...187
90
75
62
59
49
41
31
25
23
19
16
13
И
4.55...4,05
3,0...2,788
В диапазонах ДВ, СВ и КВ передатчики работают с амплитуд-
ной модуляцией. При этом требуемая ширина полосы частот ра-
диоканала равна 2FB, где FB— верхняя частота спектра модули-
рующего сигнала.
Согласно плану распределения частот, принятому на РАКР-75,
в диапазонах ДВ и СВ разнос между несущими частотами принят
равным 9 кГц. Кроме того, номиналы несущих частот передатчи-
ков, работающих в этих диапазонах, также установлены кратными
9 кГц. Радиовещательные станции могут занимать канал с поло-
сой шириной до 20 кГц (Гв=10 кГц). Для снижения взаимных
помех в этом случае станции, работающие в смежных радиокана-
лах, размещают на достаточно больших расстояниях друг от
друга.
В диапазоне ДВ несущая частота 1-го канала принята равной
153 кГц, 2-го—162 кГц, последнего 15-го канала — 279 кГц; в
диапазоне СВ несущая частота 1-го канала 531 кГц, 2-го —
540 кГц, 3-го — 549 кГц, последнего 120-го канала— 1602 кГц.
В КВ диапазоне на ВАКР-Р-79 для радиовещания введен но-
вый поддиапазон — 23 м (1350 ... 13800 кГц), расширены под-
диапазоны 31, 25, 19, 16 и 13 м и несколько сужен диапазон Им.
В табл. 11.1 приведены новые значения частотных полос КВ-диа-
пазона.
На ВАКР-84 ширина полосы частот радиоканала в КВ-диапа-
зоне установлена равной 9 кГц. Нижняя модулирующая частота
FH— 150 Гц, для частот ниже FB вводится затухание 6 дБ на
октаву. Разнос несущих частот принят равным 10 кГц, а номина-
лы несущих частот кратными 5 кГц. Если KB-передатчики об-
324
служивают разные географические зоны (зоны обслуживания
разнесены в пространстве), то допускается устанавливать разнос
несущих частот 5 кГц.
В используемом в настоящее время участке радиоспектра
66... 74 МГц осуществляется высококачественное моно- и сте-
реофоническое вещание (Гв=15 000 Гц) с использованием час-
тотной модуляции. Номиналы несущих частот МВ-ЧМ передат-
чиков выбраны кратными 30 кГц. Вследствие этого разнос несу-
щих частот также кратен 30 кГц и может быть равен 30, 60, 90,
120, ... кГц.
Участок радиоспектра 100 ... 108 МГц, который был выделен
для радиовещания на ВАКР-Р-79, будет использован для орга-
низации стереофонического вещания.
11.3. РАДИОВЕЩАНИЕ В ДИАПАЗОНАХ
СРЕДНИХ И ДЛИННЫХ ВОЛН
Диапазоны ДВ и СВ (табл. 11.1) характеризуются наличием
сильных атмосферных и промышленных помех. В дневное время
область приема в этих диапазонах определится условиями рас-
пространения земной волны, так как пространственные волны ис-
пытывают сильное поглощение в слое D. В ночные часы затухание
пространственных волн резко уменьшается и радиоволны распро-
страняются и как земные, и как пространственные. На близких
расстояниях от РВС даже ночью напряженность поля земной вол-
ны значительно превышает поле пространственной. В этом случае
напряженность поля не зависит от времени суток. Такую область
называют областью уверенного приема. Зона обслуживания РВС,
как правило, размещается в этой области.
На значительных расстояниях от РВС в дневное время возмо-
жен качественный прием земных волн. В ночные часы результи-
рующее поле представляет собой результат сложения стабильной
земной и флуктуирующей пространственной волн. Эту область на-
зывают областью замираний.
На больших расстояниях от РВС в дневное время напряжен-
ность поля мала. В ночные часы начинают проходить простран-
ственные волны и напряженность поля может достигать больших
значений. В этой области (область дальних замираний) наблю-
даются замирания, вызванные многолучевым распространением
радиоволн.
В диапазоне ДСВ размещаются 135 радиоканалов с шириной
полосы частот Afn=9 кГц. Передатчики работают с амплитудной
модуляцией. Верхняя частота модулирующего сигнала может
иметь значение 4,5 ... 10 кГц, соответственно ширина полосы ра-
диоканала Afn=9 ... 20 кГц. Диапазон ДСВ используется Цен-
тральным и республиканским радиовещанием для обслуживания
больших территорий.
325
Таблица 11.2
Диапазон волн Условия приема £мин в дец”- белах относи- тельно 1 мкВ/м
Средние Земная волна, дневное время, зона обслуживания ограничивается атмосферными помехами 60
Земная волна, дневное время, имеются помехи от других передатчиков 63
Земная волна, ночное время, сельская местность, атмосферные помехи 71
Земная волна, ночное время, прием осуществляется в городе (промышленные помехи) 77
Длинные Независимо от условий приема 77
Для зоны А, в которую входит СССР (рис. 11.5), в зависимо-
сти от диапазона волн, условий приема и вида помех при плани-
ровании передающей сети принимаются разные значения мини-
мальной напряженности поля Емт1. Соответствующие данные при-
ведены в табл. 11.2 и являются исходными при определении зоны
обслуживания РВС. На границе этой зоны значения напряжен-
ности поля передатчика должны удовлетворять условиям (11.4) и
(11.5). Однако при работе станций в условиях больших помех
значение напряженности поля на границе зоны обслуживания,
обусловленное требованиями защитных отношений, может значи-
тельно превышать Ет1Н. Так, для городов при имеющемся высо-
ком уровне промышленных помех норма Дмпп может повышаться
на 10 ... 20 дБ.
Защитное отношение по высокой частоте при работе станций
в совмещенном частотном канале для стабильного полезного сиг-
нала, определяемого полем земной волны, принято равным Д=
= 30 дБ и для флуктуирующего, определяемого полем простран-
ственной волны, Л=27 дБ. При работе передатчиков в синхрон-
ной сети защитное отношение по высокой частоте принято равным
8 дБ (см. § 11.4).
В сети передатчиков, работающих в ДСВ диапазоне, каждый
из 135 частотных каналов используется несколькими передатчи-
ками, а в отдельных каналах их число исчисляется десятками.
Естественно, что при этом РВС создают помехи друг другу. Уро-
вень помех особенно велик в ночное время. В результате зона
обслуживания существенно сокращается.
При определении конфигурации и площади зоны обслуживания
отдельной РВС, являющейся составной единицей передающей се-
326
ти, необходимо учитывать мешающее действие станций всей сети.
В ДСВ диапазоне в светлое время суток, когда прием осуществ-
ляется за счет земной волны, значение напряженности поля в
милливольтах на метр на границе полезной зоны станции реко-
мендуется определять по следующей формуле:
£пол = у/ + S(aAeiJ2 + £2мнн, (11.8)
где Емешг—напряженность поля i-й мешающей станции, работаю-
щей в совмещенном частотном канале, мВ/м; Емеш/— напряжен-
ность поля /-й мешающей станции, работающей в синхронной се-
ти с рассматриваемой станцией, мВ/м; Емич— минимальная напря-
женность поля, планируемая для данного диапазона частот, мВ/м;
А 2
а, = 10 1 , at = 10 20 — защитные отношения по высокой час-
тоте (в разах), относящиеся к i-й и 1-й станциям.
Границы зоны обслуживания гмакс и гМИн, а также напряженности поля на
этих расстояниях в светлое время суток, когда прием ведется за счет земной
волны, существенно отличаются от соответствующих значений в темное время
суток. В темное время суток из-за появления пространственных воли, излучае-
мых дальними мешающими передатчиками, зона обслуживания существенно со-
кращается (рис. 11.7). Максимальное и минимальное удаление границы зоны
уменьшается до значений гмакс и гмин, а напряженность поля передатчика на
таком удалении соответственно возрастает, поэтому необходимость выполнения
условия (11.4) приводит к значительному превышению нормы минимальной на-
пряженности поля (табл. 11.2).
Передающая сеть, состоящая из N ДСВ передатчиков, работающих земной
волной, может быть рассчитана по следующему алгоритму:
1. Определяем М передатчиков, которые создают помехи при приеме данно-
го (полезного). В зависимости от условий работы каждого мешающего передат-
чика устанавливаем требуемое защитное отношение по высокой частоте.
2. В качестве исходного направления от полезного передатчика выбирают
направление на север по меридиану. На этом направлении на расстоянии г0 от
полезного передатчика фиксируется точка
с географическими координатами <(«, £о-
3. Зная географические координаты всех
мешающих передатчиков, по формулам сфе-
рической геометрии вычисляем расстояние от
каждого передатчика до этой точки.
4. Рассчитываем напряженность поля по-
мех £„еш, создаваемого каждым передатчиком
в точке с координатами <р0, £о, по кривым
распространения МККР.
5. Зная минимально допустимые напря-
женности поля полезного передатчика £чин,
по формуле (11.8) вычисляем значение тре-
буемой напряженности поля полезного пере-
датчика.
Рис. 11.7. Зоны обслуживания передатчика в
дневное (/) и ночное (2) время
327
6. Определяем напряженность поля £поЛ полезного передатчика на рас-
стоянии Го (коэффициенты сро, Lo) и сравниваем с требуемым значением Епол.
Если Д£ = £пол— £пол =0, то расчет заканчивается. Границы зоны обслу-
живания для данного направления находятся иа расстоянии г0 от полезного
передатчика. Если Д£>0, последовательно увеличиваем расстояние от передат-
чика с шагом Аг; если Д£<0, то расстояние уменьшаем и процесс вычисления
повторяем. Расчет ведем до тех пор, пока знак Д£ ие изменится на противопо-
ложный. По нескольким последним значениям функции £пол(г), интерполи-
руя результат, определяем г, для которого Д£~0.
7. Изменяем направление от исходного с шагом Дф и для каждого направ-
ления повторяем вычисления точки, для которой выполняется условие Д£ =
= £пол — £поЛ = 0. Соединяя точки плавной кривой, получаем контур зоны
обслуживания полезного передатчика. От выбора числа направлений зависит
продолжительность счета. Считается достаточным расчет в 6... 12 направлени-
ях. Для них Д)ф=2я/12 ... 2л/6.
При планировании сети подобные расчеты проводим для каждого передат-
чика. Поскольку эти расчеты трудоемки, их выполняют с помощью ЭВМ, прог-
раммируя вычисления согласно приведенному алгоритму.
11.4. РАДИОВЕЩАНИЕ В ДИАПАЗОНЕ
МЕТРОВЫХ ВОЛН
Диапазон метровых волн используется для организации высо-
кокачественного звукового моно- и стереовещания. В диапазоне
МВ уровень атмосферных и промышленных помех значительно
ниже, чем в диапазонах ДВ, СВ и КВ. Кроме того, в этом диа-
пазоне для звукового вещания используют частотную модуляцию
(ЧМ), обеспечивающую большую помехоустойчивость приема.
Применение ЧМ расширяет полосу частот радиоканала, од-
нако для МВ-ЧМ вещания отведена достаточно большая полоса
частот 65,8 ... 74,0 МГц. Основными параметрами МВ-ЧМ веща-
ния в СССР являются диапазон передаваемых звуковых частот
30 ... 15 000 Гц и максимальная девиация несущей частоты пере-
датчика ±50 кГц.
В диапазоне МВ минимальная напряженность поля Етю на
границе зоны обслуживания (обычно в сельской местности), опре-
деляемая главным образом внутренними шумами приемника и
космическими шумами, равна 46 дБ/мкВ (200 мкВ/м) для моно-
фонического и 54 дБ/мкВ (500 мкВ/м) для стереовещания. В го-
родах из-за большого уровня помех £’MIiH=60 ... 75 дБ/мкВ
(1000 ... 5500 мкВ/м). При определении требуемой напряженно-
сти поля в городах учитывают повышенное ослабление поля по
сравнению с открытой местностью и большую неоднородность на-
пряженности поля в различных участках города и особенно вну-
три домов. Повышенное ослабление поля в городе происходит
из-за большого количества препятствий (каменных и железобетон-
ных зданий) и проводов.
Напряженность поля сильно ослаблена внутри зданий, увели-
чиваясь по мере перехода от верхних этажей к нижним. Так, вну-
328
Рис. 11.8, Графики защит-
ных отношений для моно-
(/) и стерео (2) приема
МВ-ЧМ-станций
Рис. 11.9. Зависимость распределения
напряженности поля от процента то-
чек приема
три здания на седьмом этаже в разных условиях напряженность
поля может колебаться от 6 до 40% от напряженности поля под
крышей, а в аналогичных условиях на первом этаже — от 3 до
7%.
Одной из основных помех радиоприему в диапазоне МВ в го-
родах является интерференционная помеха, обусловленная отра-
жением волн от различных препятствий в пределах города. Соот-
ношение амплитуд и фаз интерферирующих волн изменяется в
зависимости от конфигурации, материала и взаимного располо-
жения отражающих препятствий. Действие интерференционной
помехи приводит к появлению нелинейных искажений в тракте
звуковой частоты приемника. Для обеспечения высокого качества
МВ-ЧМ приема (для ослабления интерференционных помех и по-
вышения уровня сигнала) необходимо применять выносные на-
правленные антенны.
Как видно из зависимости на рис. 11.8, рекомендуемые МККР
защитные отношения для ЧМ приема при максимальной девиации
50 кГц обеспечивают удовлетворительный прием в течение 7=
==90% времени. Когда две радиостанции монофонического веща-
ния работают в совмещенном частотном канале, защитное отно-
шение равно 32 дБ. Это значит, что на границе зоны обслужива-
ния МВ-ЧМ станции соотношение мощностей полезного и меша-
ющего сигналов должно быть более 1500. Для радиостанции с
разносом несущих частот 180 кГц защитное отношение равно 0,
т. е. две радиостанции могут создавать в месте приема одинако-
вые напряженности поля, не создавая взаимных помех. Получен-
ные значения относятся к случаю, когда станции передают раз-
ные программы. Для одинаковых программ защитное отношение,
равное 0 дБ, получается при разносе несущих частот 120 кГц.
Из-за специфики распространения метровых волн, которые ис-
32э
пытывают слабую рефракцию в атмосфере, радиус действия РВС
примерно на 15% больше радиуса зоны прямой видимости: г=
=4,1 , где г — радиус зоны обслуживания в километрах;
Нг и Н2— высоты соответственно передающей и приемной антенн
в метрах.
Зону обслуживания МВ-ЧМ-передатчика в отсутствие меша-
ющих станций, т. е. когда учитываются только атмосферные и
промышленные помехи, рассчитывают в соответствии с выражени-
ями (11.3) и (11.5). Подставляя (11.3) в (11.5), получаем:
/?(£)=£,,.„,-Епол (Гпол, Т, 50) -Рхпол- (11.9)
Значение напряженности поля £Пол(гПол, Т, 50), которое превы-
шается в течение 90% времени наблюдения в 50% мест приема на
расстоянии Гпол от передатчика, в системе монофонического ве-
щания определяют из соответствующих зависимостей (кривые
МККР) для разных высот поднятия антенн и частотных диапа-
зонов.
Кривые МККР обычно приводят для медианных значений Т—
=50% (рис. 11.3). Связь изменения напряженности поля относи- >
тельно медианного значения с соответствующим ему временем пре-
вышения заданной напряженности поля отображается в виде гра- (
фиков для медленных и быстрых изменений поля. Так, напряжен-
ность поля, достигаемая в течение 90% времени, меньше медиан-
ного значения на 11 дБ при медленных изменениях и на 8 дБ при i
быстрых изменениях поля.
Функции k(L) вычислены для разных частотных диапазонов и
различной неравномерности рельефа ДА. Значения ДЛ определя-
ются статистически в пределах расстояния 10 ... 50 км от пере-
датчика, как показано на рис. 11.9. Считают, что ДЛ=50 м соот-
ветствуют слегка неровной местности, Д/г=150 м — умеренно пе-
ресеченной местности, а ДЛ=300 м — сильно пересеченной мест-
ности.
Процент точек приема на границе зоны обслуживания обычно
принимают равным 50%. Если характер местности вокруг пере-
датчика меняется мало, радиус зоны обслуживания можно опре-
делить из (11.9), подставив значения Емии (дБ), Ps (дБ), й(£)=0
(рис. 11.9) и воспользовавшись кривыми распространения МККР
для 7=50% (рис. 11.3) с учетом поправочного коэффициента
R(T) для 7=90 %.
При наличии помех со стороны мешающего передатчика пло-
щадь зоны обслуживания сокращается. Для ее вычисления при |1
условии, что помехи от мешающего передатчика значительно пре- J
вышают помехи промышленного и природного происхождения,
можно воспользоваться выражением (П.6). В соответствии с оп-
ределенными ОИРТ условиями приема помехи, создаваемые ме-
шающим передатчиком, для моновещапия определяются при 7=
330
= 10%, а для стереовещания при Т=1%. С учетом этого
при моновещании выражение (11.6) примет следующий вид:
k(L)=A+Ps
меш Ръпол £пол пол» 50, 50) +Е меш (Гмеш, Ю, 50).
(11.10)
Зону обслуживания полезного передатчика при наличии толь-
ко одного мешающего можно рассчитать из выражения (11.10),
определяя для различных радиальных направлений точки, в ко-
торых обеспечивается необходимое защитное отношение в течение
заданного процента времени.
Подставляя в (11.10) значения А в децибелах и напряженно-
сти поля полезного и мешающего передатчиков в месте приема,
находящемся на расстоянии гпол от первого и гмеш от второго, опре-
деляют функцию k(L). Зная k(L), по кривым, аналогичным рис.
11.9, можно определить процент точек приема L, лежащих на
расстоянии гпол от полезного передатчика. Для выбранного на-
правления находят такое расстояние от полезного передатчика
гпол (и соответственно гыеш), для которого процент точек приема
Г=50%. Значение функции k(L) вычисляют для других ради-
альных направлений. Соединяя точки с L=50% для разных на-
правлений плавной линией, получают конфигурацию границы зо-
ны обслуживания. При наличии нескольких мешающих передат-
чиков расчеты значительно усложняются, и тогда используют
ЭВМ.
Требование обеспечения населения многопрограммным МВ-
ЧМ-вещанием при относительно небольших площадях зон обслу-
живания приводит к тому, что для территории всей страны необ-
ходимо большое число станций. При отведенной для МВ-ЧМ-ве-
щания сравнительно узкой полосе частот радиоспектра (66 ...
... 74 МГц) это приводит к необходимости часто использовать
одинаковые и соседние каналы.
Для рационального использования частотных каналов МВ-
ЧМ-вещания и снижения помех разрабатывается частотный план
размещения МВ-ЧМ станций, который обеспечивает допустимые
защитные отношения и минимально допустимое значения напря-
женности поля.
Анализ различных вариантов сетей МВ-ЧМ-вещания пока-
зал, что в диапазоне 66 ... 74 МГц можно передавать четыре раз-
ные программы. Из них одна-две стереофонические. Для одной
программы достаточно около 30 несущих частот с разносами
между ними, определяемыми требуемыми защитными отношения-
ми. Так, при передаче одной монофонической программы при раз-
носе между несущими частотами, равном Af=60 кГц, требуемое
защитное отношение составляет А = 20 дБ, а при Д/=120 кГц
А=10 кГц.
Расширение полосы частот радиоканала при стереофоничес-
ком радиовещании (см. § 11.9) требует увеличения защитного
331
отношения по высокой частоте А. Как видно из рис. 11.8, при
разносе несущих частот иа 60 кГц требуется увеличить А более
чем на 20 дБ, а при разносе на 120 кГц — на 10 дБ. Увеличение
защитного отношения приводит к тому, что при передаче стерео-
фонических программ зоны обслуживания МВ-ЧМ станций сокра-
щаются.
При выборе конкретного места для строительства передающей
МВ-ЧМ станции планируемый частотный радиоканал является
основой, но эффективность работы передающей станции уточня-
ется, исходя в первую очередь из рельефа местности. Для повы-
шения эффективности капитальных затрат на строительство сеть
МВ-ЧМ станций совмещается с сетью радиопередающих телеви-
зионных станций. При этом совместно используются технические
задания, энергетические устройства и опоры для антенных соору-
жений. Это позволяет в несколько раз снизить удельные капи-
тальные вложения на 1 кВт мощности передатчиков. Сеть МВ-ЧМ
станций оснащается в основном двух- и четырехпрограммными
МВ-ЧМ передатчиками.
11.5. РАДИОВЕЩАНИЕ В ДИАПАЗОНЕ
КОРОТКИХ ВОЛН
Основной объем вещания в КВ диапазоне приходится на ино-
вещание и на передачу пятой центральной программы. Для внут-
рисоюзного вещания этот диапазон волн имеет ограниченное при-
менение, так как вещание ведется в удаленные районы страны,
где из-за ограниченного радиуса действия нельзя использовать
РВС, работающие в диапазонах ДСВ и МВ. Радиовещание на КВ
за счет земной волны из-за сильного ее поглощения в почве мож-
но организовать лишь в пределах нескольких десятков километ-
ров. Пространственные волны при отражении от ионосферы ис-
пытывают незначительные поглощения. Это делает короткие вол-
ны значительно более удобными, чем длинные или средние, при
передаче информации на большие расстояния. Используя прост-
ранственную волну в диапазоне КВ, можно передавать сигналы
программ вещания на расстояние в тысячи километров. На боль-
шие расстояния короткие волны распространяются скачками (мак-
симальной длиной около 4000 км), при этом они отражаются по-
очередно от ионосферы и земной поверхности.
Параметры ионосферы зависят от интенсивности излучения
Солнца и от положения Солнца относительно Земли. Кроме того,
наблюдаются колебания параметров вследствие изменяющейся
по 11-летнему циклу солнечной активности. Из-за этого условия
распространения коротких волн в радиовещании прогнозируют
на каждый сезон. Принято год подразделить на четыре сезона:
ноябрь — февраль, март — апрель, май — август, сентябрь — ок-
тябрь.
332
Волновое расписание для КВ вещания с учетом прогнозируе-
мых условий распространения составляется для всего сезона, так
как частая смена рабочих частот неудобна слушателям. В ре-
зультате используемые для вещания частоты могут значительно
отличаться от оптимальных (ОРЧ), что приводит к уменьшению
напряженности поля и ухудшению качества приема в зоне обслу-
живания. Для повышения надежности и качества приема веща-
ние в одну зону ведется по крайней мере несколькими передатчи-
ками, работающими на разных частотах (чаще всего на трех-че-
тырех). Минимально допустимая напряженность поля сигнала в
зоне обслуживания (зона покрытия) КВ станций £ мин—50 дБ (от-
носительно 1 мкВ/м). Однако плотность радиопередающих средств
в КВ диапазоне велика (10 и более станций на один канал), по-
этому вещание, как правило, ведется в условиях помех от стан-
ций, работающих в совмещенном частотном канале. При работе
КВ передатчиков в совмещенном частотном канале хорошее ка-
чество приема обеспечивает защитное отношение по высокой ча-
стоте А=27 дБ. Однако такое значение не всегда удается полу-
чить. Качество приема оказывается удовлетворительным при
А=16. ..17 дБ.
Главная особенность распространения коротких волн — зами-
рания сигналов, проявляющиеся в беспорядочном изменении на-
пряженности поля радиоволны. Основной причиной замираний
можно считать интерференцию нескольких приходящих в место
приема лучей, фазы которых из-за непостоянства ионизированных
слоев непрерывно меняются. Замирания бывают быстрыми и мед-
ленными. При этом напряженность поля в месте приема меняет-
ся в десятки и даже в сотни раз. Из-за многолучевого распрост-
ранения волн и зависимости показателя преломления ионосферы
от частоты замирания носят частотно-избирательный характер.
Рассмотрим характер искажений сигналов, вызываемых ча-
стотно-избирательными замираниями. Пусть на вход КВ переда-
ющей антенны с выхода передатчика поступает AM сигнал и=
~U0 (1-f-m cos Q/)c°s at, где co — несущая частота; fi — частота
модулирующего сигнала; т — коэффициент амплитудной модуля-
ции. Спектр этого сигнала имеет три составляющих. Из-за ча-
стотно-избирательных замираний в месте приема по случайному
закону будут меняться амплитуды и фазы колебаний с частотами
(о — Q, со, ti)+Q. В связи с этим AM сигнал на входе КВ приемни-
ка можно представить в виде случайного процесса
“ = [70^0cos(«rf + ?0) + -^—cos[(<o-|-Q)f -)~ %] 4-
+ ^Lcos[(fi>-Q)^+?H]}=[7orcos[^ + (p], (11.11)
где k0, kn, kB, <p0, фн, фв — случайные функции времени, описываю-
щие изменения амплитуд и фаз колебаний несущей частоты, ниж-
333
ней и верхней составляющих спектра AM сигнала; UOr — огибаю-
щая, а ф — фаза AM сигнала.
Если учесть только изменения амплитуд спектральных состав-
ляющих, то
^ог = Ц) 1/ ko + (V+V)+«A> (Ч. +kB) cos о/ + cos 2Qt.
k 4 4
(11.11а)
В обычных приемниЕсах в процессе детектирования выделяется
огибающая AM сигнала. Как видно из (11.11а), при k^k3 эта
огибающая отличается от модулирующего сигнала. Изменение со-
отношений между амплитудами и фазами спектральных составля-
ющих радиосигнала приводит к квадратурным искажениям оги-
бающей: одновременно появляются случайные по значению и ха-
рактеру линейные и нелинейные искажения. Влияние квадратур-
ных искажений на качество передачи исследовано недостаточно
и не существует норм на такие искажения. Однако замечено, что
недетерминированные нелинейные искажения сильнее влияют на
качество передачи, чем частотные, причем наибольшее ухудше-
ние качества KB-радиовещания связано с замираниями на несу-
щей частоте. В этом случае коэффициент гармоник достигает
100 %.
При AM двухполосной модуляции и выделении огибающей в
приемнике (линейное детектирование) из-за существующих ча-
стотно-избирательных замираний в КВ радиоканале нелинейные
и частотные искажения сигналов вещательных программ не устра-
нимы.
Нелинейные искажения можно существенно уменьшить, ис-
пользуя однополосную модуляцию. При передаче одной из боко-
вых полос (ОБП), например нижней частично подавленной несу-
щей частоте, и при использовании в приемнике принципа синхрон-
ного детектирования частотно-избирательные замирания приве-
дут только к появлению случайным образом меняющихся частот-
ных искажений, которые на слух мало ощутимы. Помимо суще-
ственного улучшения качества КВ приема, передача одной боко-
вой полосы (ОБП вещание) позволит вдвое сократить полосу ча-
стот и тем увеличить количество радиоканалов.
В документах ВАКР-84 приведены рекомендуемые характе-
ристики системы ОБП вещания. Переход на эту систему веща-
ния намечено осуществлять постепенно в течение 20 лет. Во вре-
мя переходного периода предполагается выполнить требуемую
модернизацию радиопередающих устройств и выпустить новые
приемники с синхронным детектором. Передачи вещательных
программ в переходный период могут вестись на ОБП и несущей,
подавленной на 6 дБ, и приниматься приемниками как с син-
хронным, так и с линейным детектором. Исследование этой си-
334
стемы показали, что при использовании обычного приемника (с
линейным детектором) обеспечивается вполне удовлетворитель-
ное качество приема.
11.6. СИНХРОННОЕ РАДИОВЕЩАНИЕ
Синхронным называют способ радиовещания, при котором не-
сколько передатчиков работают на одной частоте и передают
одинаковую программу. Синхронное вещание ведется главным
образом в СВ диапазоне, где число передатчиков, работающих в
одном частотном канале, достигает нескольких десятков. Этот вид
вещания является наиболее эффективным способом многократ-
ного использования частотных каналов из-за возможности резко-
го снижения требуемого значения защитного отношения по высо-
кой частоте и увеличения вследствие этого площади зоны обслу-
живания.
Исследования показали, что в сетях синхронного радиовеща-
ния нецелесообразно использовать мощные передатчики, работа-
ющие пространственной волной: это может привести к наруше-
нию их функционирования при повышении уровня помех от ме-
шающих станций или других источников помех. Значительно
устойчивее работа синхронной сети, включающей передатчики ма-
лой и средней мощности, использующих земную волну и обеспе-
чивающих большую напряженность поля (10. ..20 мВ) в зоне об-
служивания. Суммарная мощность этих передатчиков меньше
мощности одного передатчика, обеспечивающего такую же напря-
женность поля на границах зоны обслуживания. Чтобы улучшить
экономические показатели сети синхронного вещания, маломощ-
ные станции целесообразно переводить на дистанционное управ-
ление.
Надежность такой системы очень высока, так как выход из
строя одного или нескольких передатчиков лишь сократит в ка-
кой-то мере зону хорошего приема, в то время как выход из строя
мощного передатчика приводит к полному нарушению вещания.
При работе вещательной станции в синхронной сети между
зонами хорошего приема, как и при работе станций в совмещен-
ном частотном канале, образуются зоны искажений. В системах
синхронного вещания эти искажения имеют особый, специфиче-
ский характер. Они наиболее отчетливо обнаруживаются в усло-
виях приема земных волн, когда условия распространения радио-
волн не влияют на амплитудные и фазовые соотношения спект-
ральных составляющих радиосигнала.
Рассмотрим условия образования зоны искажений между дву-
мя синхронными станциями PBCi и РВС2. Пусть несущие коле-
бания обеих станций с круговыми частотами цц и (о2 модулирова-
ны колебанием с круговой частотой Q. В месте приема, находя-
щегося на расстоянии ту от станции РВС! и г2 от станции РВС2,
335
значения напряженности поля первой и второй станции
ех — Е, (1 + cos Q/) cos atjt = Er cos со/ -i~-^E1 cos’('»x -J- Q) t +
4- Er cos (04 — Q) ilf
et = £2 cos p0 — <p) + у E2cos [(®2 + 1 — ?o — 6] +
+ ~~ £2cos[(co2 — Q)f — ?0 — ?+ 6],
(11.12)
где Ei, E2 — амплитуды напряженности поля несущих колебаний;
mi=m2=m — коэффициент амплитудной модуляции; <р0 — началь-
ная разность фаз несущих колебаний; 0 — угол сдвига фаз моду-
лирующих колебаний (несинфазность модуляции).
Для упрощения последующего изложения будем полагать, что
синхронизация сети абсолютная, т. е. а>1==со2=С1> и фо=О=О.
В этом случае значение результирующего напряжения несущей,
приложенного ко входной цепи приемника, можно определить
сложением напряжений несущих первой и второй станций:
wp = L^cosorf + 6'2cos (ьЛ — <р) = C7pcos (erf +ф), (11.13)
где ср = — (г2 — rj = (г2 — г Л — разность фаз, обусловленная не-
с X
одинаковостью расстояний от передатчиков до приемников; с —
скорость света; % — длина волны.
Амплитуда и фаза результирующего колебания
Др = /[//Н-^ + Задсозср = V1 + G2 + 2G cos <р,
, . Gsinv (11.14)
ф = arctg----------, ' '
1 + G sin <р
где G=UdU2.
Если поместить приемник в зоне, где амплитуды напряженно-
сти электрического поля равны (G^l), то
Др = /2 (1 + cos <р) = 2UX cos (<р/2). (11.15)
При перемещении приемника на расстояние Аг разность рас-
стояний г2—г!=(г24-Дг) — (г]—Дг)=2Дг, а разность фаз между
несущими колебаниями <р=(2л/Л,)2Дг. Подставляя выражение
для <р в (11.15), определяем амплитуду напряжения на входе при-
емника
Up = 2U1 cos-y-Ar|.
(11.16)
336
Зона
искажений
в)
Рис. 11.10. Интерференционная
структура поля в зоне искаже-
ний при синхронном радиове-
щании
Как видно из (11.16), в пространстве между станциями в ре-
зультате интерференции несущих колебаний образуются стоячие
волны (рис. 11.10,а, б). Узлы и пучности стоячей волны повто-
ряются через интервалы, равные Л./2 (рис. 11.10,6). В пространст-
ве между станциями, где напряженность поля в узлах рав-
на нулю. При приближении приемника к одной или другой стан-
ции колебания напряженности поля уменьшаются. При передаче
станциями модулированных колебаний интерференционная кар-
тина усложняется из-за появления стоячих волн в результате
интерференций верхней и нижней спектральных составляющих.
Амплитуды результирующих колебаний напряжения на входе
приемника нижней t/p.H и верхней [7Р.В боковых частот на входе
приемника можно определить из формулы (11.16).
Разность фаз колебаний нижних и верхних боковых частот:
фн=(2л/Хн) (г2—Г1), фв=(2л/Л,в) (г2—Г1).
Так как кв=2лс/(a-j-Q), а Хц=2лс/(®-)-Q) (где с — скорость
света), то узлы и пучности напряженности результирующего элек-
трического поля, соответствующие круговым верхней co-f-Q и
нижней си—Q боковой частоте и несущей частоте со, располага-
ются через разные интервалы, равные соответственно Хн/2, Хв/2,
Х/2. Чем выше частота модулирующего сигнала, тем больше от-
личаются эти интервалы.
Выражение для результирующего значения напряжения на
входе приемника, помещенного в зоне искажений, аналогично
(11.11) при детерминированных значениях коэффициентов fe0, &н,
&в и фаз фо, фн, Фв- Можно говорить, что в зоне искажений син-
хронной сети при неподвижной относительно территории интерфе-
22-6697 337
ренционной структуре поля (рис. 11.10,6) наблюдаются частотно-
избирательные замирания в пространстве: в каждой точке зоны
искажений различные, но постоянные во времени сочетания ам-
плитуд и фаз спектральных составляющих результирующего АМ-
сигнала. Как видно из рис. 11.10,6, в зоне искажений соотноше-
ния между коэффициентами k0, kB, kB в выражении (11.11), а сле-
довательно, и качество приема зависят от места расположения
приемника.
На участке 1 (рис. 11.10,6) территории в зоне искажений, где
в спектре AM-сигнала соотношение между амплитудами спект-
ральных составляющих обеспечивает прием с хорошим качест-
вом, ko=kB=kB^l. В пределах участка 2 спектр AM радиосиг-
нала деформирован,- амплитуда колебания несущей значительно
меньше амплитуд боковых частот (А?о <; А?в=/г„). Такая деформа-
ция спектра при приеме приведет к появлению больших нелиней-
ных искажений за счет перемодуляции. Качество приема в пре-
делах этого участка будет плохим. В пределах участка 3 ампли-
туда несущего колебания в спектре AM. радиосигнала велика, а
амплитуды боковых спектральных составляющих не равны
=^£в), что приводит к появлению квадратурных искажений при
приеме.
Геометрическим местом узлов и пучностей напряженности по-
ля при работе двух синхронных радиопередающих станций (рис.
11.11,в) являются гиперболы, фокусы которых находятся в точ-
ках р[ и р2- Штриховыми линиями на рис. И.10,в отмечены до-
рожки, в пределах которых при приеме наблюдаются большие ис-
кажения, вызванные значительным уменьшением уровня несущей.
Эти дорожки располагаются около узлов поля и чередуются с до-
рожками хорошего приема. Ширина узких полос, в пределах ко-
торых заметны искажения, равна примерно 0,1?.. Ближе к грани-
цам зоны искажений дорожки плохого приема сужаются. При
А=8 (£'пол/£'меш=2,5) искажения субъективно становятся практи-
чески незаметными и дорожки плохого приема исчезают совсем.
Специфические нелинейные искажения при приеме радиосигналов синхрон-
ной сети и расширение зоны искажений могут быть вызваны наличием значи-
тельной разности времени распространения сигналов модуляции, подводимых к
станциям. Поясним это на примере векторного сложения двух высокочастотных
колебаний, модулированных сигналом частотой Q (рис. 11.11,а). Векторами ON;
и ОЛ'2 представлены напряжения несущих Ut и U2 двух синхронных станций.
Результирующее колебание отображено вектором ON. При построении диаграм-
мы отношение Ui/U2 принято равным 0,8, угол сдвига фаз по высокой частоте
ср = 90'. Векторами N}Mi и miNi (N2M2 и т2Л/2) изображены амплитуды моду-
лирующих колебаний. Если сдвиг фаз между модулирующими низкочастотными
колебаниями отсутствует (0 = 0), конец вектора результирующего колебания
перемещается по диагонали АС прямоугольника ABCD.
Максимальное и минимальное значения напряжений модулированных несу-
щих на входе приемника определяется векторами ОМ; и Omi и ОМ2 и От2, а
соответствующие значения напряжения результирующего модулированного ко-
лебания— векторами О А и ОС. Как видно из рис. 11.11,а, при ср = О модулиро-
ванное колебание представляет собой результат линейной модуляции результи-
338
Рис. 11.11. Диаграмма векторного сложения двух модулированных колебаний (а)
и огибающая модулированного колебания при изменении разности фаз модули-
рующих колебаний (б)
рующего несущего колебания. При <р, отличном от 90°, конец результирующего
вектора перемещается по диагонали АС параллелограмма ABCD. От значения ср
зависит напряжение сигнала на входе приемника: оно максимально при д = 0 и
минимально при <р=180°.
Если разность фаз между модулирующими сигналами (0=^0°) обусловлена,
например, разными длинами трактов первичного распределения программ от
радиодома до РВС] и РВС2, то при приеме сигналов передающей синхронной се-
ти в любой точке зоны искажений появляются нелинейные искажения, наиболь-
шие при 0=180°. При этом максимальному значению напряженности поля, соз-
даваемого PBCi (вектор ОЛТ), будет соответствовать минимальное значение на-
пряженности поля, создаваемого РВС2 (вектор ОМ?). Результирующее значение
напряженности поля отобразится вектором ОВ. Минимальному значению напря-
женности поля, создаваемого PBCi (вектор Omi), соответствует максимальное
значение напряженности поля, создаваемого РВС2 (вектор ОМ?). Результирую-
щему значению напряженности поля соответствует вектор 01. Таким образом,
процесс модуляции при 0 = 180° отобразится перемещением конца вектора ре-
зультирующего колебания по прямой BD. В этом случае за период модуляции
на огибающей AM сигнала появляются два максимума (рис. 11.11.5). В резуль-
тате при выделении огибающей в приемнике (линейное детектирование) появля-
ются большие нелинейные искажения. Первая гармоника частоты модуляции при
этом уменьшается, а при = пропадает совсем, и на выходе усилителя зву-
ковой частоты приемника появится вторая гармоника. В связи с тем, что раз-
ность фаз между модулирующими сигналами может принимать любые значе-
ния, в общем случае процесс модуляции представляется эллипсом
Рассмотренные примеры показывают, что в зоне интерферен-
ции возможны очень большие нелинейные искажения, возрастаю-
щие при 0->180° и Следует отметить, что зависимость коэф-
фициента нелинейности огибающей AM. сигнала от частоты мо-
дулирующего колебания при 9У=0° имеет вид гребенки. Так, если
разность времени пробега модулирующих сигналов с частотой F,
направляемых к станциям РВС4 и РВС2, составляет Дт=1 мс, то
максимум искажений наступит при 0=36O°AtF= 180°, т. е. для ча-
22* 339
стот /7=1/2Ат=500(2п—1), где п=1, 2, 3, 4,.... Это частоты 500,
1500, 2500, 3500 Гц.
Требуемое защитное отношение по высокой частоте для сетей
синхронного вещания в основном определяется точностью синхро-
низации несущих частот и разностью времени пробега модулиру-
ющего сигнала звуковой частоты в трактах первичного распро-
странения программ и на пути распространения радиоволн от пе-
редатчиков к приемнику. При выполнении установленных требо-
ваний к синфазности модулирующих сигналов и точности син-
хронизации защитные отношения в синхронной сети принимаются
равными 8 дБ. Если требования не выполняются, то значение А
увеличивается, и зона хорошего приема уменьшается. Несинфаз-
ность модулирующих сигналов, вызванная тем, что каналы зву-
кового вещания, по которым сигналы подаются к РВС, вносят
разные фазовые сдвиги, корректируются с помощью фазовых кор-
ректоров.
Требуемая точность синхронизации несущих колебаний осуще-
ствляется принудительно. В настоящее время передатчики синхро-
низируют радиосигналами. При этом применяют два режима син-
хронизации: фазовый и частотный. В первом режиме в заданных
пределах поддерживается разность фаз несущих колебаний:
Аф| ф 1—фг|. Во втором режиме в пределах заданной точности
поддерживается разность несущих частот: Afo^lfi—/г|. При этом
несущие частоты каждой станции синхронной сети корректиров-
кой частоты задающего генератора подстраиваются к частоте од-
ной так называемой «ведущей» станции во время перерывов ве-
щательных передач.
Значение защитного отношения по высокой частоте обеспечи-
вается при точности синхронизации несущих частот Af=0,01 Гц.
При таком режиме синхронизация частот осуществляется пе-
риодически. Несмотря на то, что применяемые задающие генера-
торы имеют достаточно малую нестабильность (Af/f=5-10~9),
возможны значительные случайные отклонения значений несущих
частот, приводящие к уменьшению площади зоны обслуживания
(при А[=20 Гц Л=16 дБ).
К недостаткам частотной синхронизации следует отнести и
биения между несущими частотами, вследствие чего интерферен-
ционная картина в зоне искажений перемещается с периодом Т=
— 1/Af. Искажения отмечаются во всех точках зоны искажений,
причем их заметность возрастает с увеличением Af. Поэтому ча-
стотная синхронизация осуществляется лишь в отдельных слу-
чаях.
Основным режимом синхронизации в синхронных сетях радио-
вещания является фазовый.
Для этого корректируют несущие частоты синхронных станций
по образцовой частоте, излучаемой специальной радиопередаю-
340
щей станцией К.РС (рис. 11.12), ра-
ботающей в диапазоне километро-
вых волн.
Наиболее распространены зна-
чения образцовых частот: 25, 50,
66 (6) кГц. Последняя использует-
ся на большей части Европейской
части СССР. Ее суточная неста- рис. ц 12. Схема фазовой синхро-
бильность чрезвычайно мала и не низации РВС
превышает 1011. Эта частота из-
лучается передатчиком РБУ (г. Москва) мощностью 10 кВт.
Синхронизация несущих частот передатчиков синхронной сети
по образцовой частоте может осуществляться непрерывно во вре-
мя работы станций. Сигналы образцовой частоты f/ принимают
с помощью специального приемника точных частот ПТЧ с узкой
полосой пропускания (менее 1 Гц). С выхода ПТЧ (рис. 11.12)
сигнал точной частоты fT направляется в систему автоподстройки
фазы АПФ несущего колебания. Эта система сравнивает частоту
/т с частотой задающего генератора fr и вырабатывает сигнал
ошибки, позволяющий выполнить требуемую коррекцию fr.
При неподвижной интерференционной структуре поля, достига-
емой при абсолютной фазовой синхронизации (Дф=0), площадь,
занимаемая дорожками хорошего приема, составляет около 70 %
площади всей зоны искажений, поэтому радиослушатели без ка-
ких-либо дополнительных мер могут качественно принимать
«синхронные радиостанции» в пределах большей части зоны иска-
жений. Однако абсолютная неподвижность интерференционной
структуры поля недостижима. Считают, что практически реализу-
емая точность фазовой синхронизации находится в пределах не-
скольких десятков градусов. При этом площадь, занимаемая до-
рожками хорошего приема в зоне искажений, сократится пример-
но па 10 %.
Применяют два типа синхронных сетей вещания: одно- и мно-
говолповые. Одноволновые сети бывают однородными и комби-
нированными. Первые состоят из передатчиков одинаковой или
близкой по значению мощности и используются для обслужива-
ния вещанием районов с большой концентрацией населения. Меж-
ду радиостанциями сети на части территории с малой концентра-
цией населения допускается существование зоны искажений. Вто-
рые состоят из мощной опорной радиостанции (500. ..1000 кВт) и
нескольких станций небольшой мощности (1...50 кВт), размещае-
мых в крупных городах и предназначенных для повышения уров-
ня поля с целью ослабления влияния промышленных помех на
качество приема. При их построении в зонах искажений синхрон-
ных станций, работающих на одной частоте, размещаются стан-
ции синхронных сетей, работающие на других частотах.
341
11.7. СИСТЕМЫ
СТЕРЕОФОНИЧЕСКОГО РАДИОВЕЩАНИЯ
В ДИАПАЗОНЕ МЕТРОВЫХ ВОЛН
В принципе стереофоническое радиовещание можно организо-
вать в любом диапазоне волн. Однако сегодня для этого исполь-
зуют метровые волны, где можно обеспечить наиболее высокие
качественные параметры системы радиовещания в целом. При
этом для высококачественной передачи двух раздельных каналов
стереопары можно использовать одну МВ-ЧМ станцию, несущая
которой модулируется по частоте специальным сигналом, предва-
рительно сформированным из сигналов стереопары. Весьма важ-
но, что стереопередачу можно принимать на монофонические ра-
диоприемники и получать при этом полноценное монофоническое
звучание. Вообще говоря, требование совместимости системы
стереофонического радиовещания с монофонической является
обязательным. Более того, это требование должно выполняться и
на этапе создания стереофонической фонограммы, что предпола-
гает возможность формирования полноценного монофонического
сигнала путем суммирования левого и правого сигналов стерео-
пары. Кроме того, полоса частот радиоканала при стереопередаче
не должна существенно расширяться по сравнению с полосой ча-
стот, занимаемой монофоническим передатчиком, так как в про-
тивном случае уменьшается зона обслуживания. И, наконец, рас-
ходы на реконструкцию передатчиков и стоимость тюнеров и
другой стереофонической радиоприемной аппаратуры должны
окупать с потребительской точки зрения получаемый прирост ка-
чества звучания.
В СССР и большинстве стран СЭВ для передачи программ сте-
реофонического радиовещания используется диапазон частот
66... 74 МГц, В Западной Европе 88 ... 104 МГц, в ГДР 88...
...100 МГц, в Японии 76.. .88 МГц, в США 88. ..108 МГц. Для ор-
ганизации стереофонического радиовещания в СССР дополни-
тельно выделен диапазон частот 100. ..108 МГц.
Международным консультативным комитетом по радиовеща-
нию (МККР) для организации стереофонического радиовещания
в метровом диапазоне воли рекомендованы три системы:
советская работа которой основана на принципе полярной мо-
дуляции;
американская с пилот-топом, разработанная фирмой «Зенит-
Дженерал-Электрик»;
ЧМ-ЧМ, предложенная (значительно позже первых двух)
Швецией.
11.7.1. СИСТЕМА С ПОЛЯРНОЙ МОДУЛЯЦИЕЙ
Идея полярной модуляции (ПМ) впервые описана в 1939 г.
(рис. 11.13,а). Положительные полупериоды высокочастотного ко-
342
Рис. 11.13. Полярно-модулированное
колебание (а) и его спектр (s), а
также схема простейшего полярного
детектора (б)
лебания звукового диапазона модулированы по амплитуде одним
сигналом стереопары, а отрицательные полупериоды — другим.
Такое полярно-модулированное колебание (ПМК) песет инфор-
мацию двух раздельных сигналов стереопары, каждый из которых
можно снова выделить полярным детектором (рис. 11.13,6).
Полярно-модулированное колебание описывается уравнением
Ипмк(0 — [ил(/)“Ьип(0] /2+{^о +
+ [«л (/) — МО ]/y2}sin (й0/, (Н.17)
где Uo — амплитуда несущей ПМК;
ил (/) —Ьл sin и un(t)—bn sin Qnt (11.18)
— тональные модулирующие колебания; Ьл и Ьп и £2Л и Qn — соот-
ветственно амплитуды и частоты этих колебаний, модулирующих
положительные и отрицательные полупериоды несущего колеба-
ния Uo sin (£>ot. Нетрудно видеть, что ПМК состоит из двух со-
ставляющих: низкочастотной, представляющей собой сумму ко-
лебаний «л(0+ып(0, и надтональной, которая представляет со-
бой несущее колебание t/0sinco0/, модулированное по амплитуде
разностью сигналов ил(()—un(t). Выражение (11.17) можно за-
писать несколько иначе:
Ппмк (/) Ио (щл sin sin Qn/)
+ П0 (2ф-тл sin Ил/—тп sin Qn/)sin a>ot. (11.19)
343
Вследствие того, что спектр ПМК (рис. 11.13,в) содержит зву-
ковые частоты, этот сигнал невозможно непосредственно излу-
чить радиопередающей станцией.
В советской системе стереофонического радиовещания несу-
щая передатчика (рис. 11.14,а) модулируется по частоте так на-
зываемым комплексным стереофоническим сигналом КСС, спектр
которого (рис. 11.15,6) отличается от спектра ПМК (рис. 11 15,а)
частичным подавлением уровня поднесущей. Для повышения по-
мехозащищенности сигналов Л и П в области верхних частот, где
уровень спектральных составляющих существенно меньше, чем на
средних частотах, введена RC-цепь предыскажений сигналовЛиП
стереопары (рис. 11.15,в), ее постоянная времени нормализована
и составляет т=50 мкс. Спектр КСС с учетом действия RC-цепи
предыскажений изображен на рис. 11.15,6, где Л' и П' — левый
и правый сигналы стереопары после прохождения цепи предыска-
жений. Собственно стереомодулятор (рис. И.14,а) содержит фор-
мирователь ПМК и цепь подавления поднесущей. Характеристи-
ки этой цепи (рис. 11.15,а) строго нормированы; поднесущая по-
давляется в пять раз (на 14 дБ). Если учесть, что КСС отлича-
ется от ПМК только уровнем поднесущей Юпц, то, учитывая
344
(11.19), нетрудно найти
Иксе (0 ~ Uo (игл sin йл^+тп sin QnZ) +
+ Uо (0,4-фщл sin £Ы—тп sin Qnt) sin ®пн^. (11.20)
В этом уравнении не учтены в полной мере сдвиг фаз и изменение
амплитуд ПМК при его прохождении через цепь подавления под-
несущей (для области частот, лежащей вблизи ыПн).
Рис, 11.15 Спектры ПМК (а) и КСС при выключенной (б) и включенной (с?) це-
пи предыскажений, а также схемы цепи предыскажений (в) и подавления под-
несущей (г) и их АЧХ
345
Подавление поднесущей /+=3.1,25 кГц на 14 дБ позволяет
уменьшить девиацию частоты передатчика, а следовательно, и по-
лосу частот радиоканала.
В радиоприемном тракте (рис. 11.14,6) после прохождения
высокочастотного блока ВЧ-ПЧ и частотного детектора ЧД выде-
ленный КСС поступает на стереодекодер СД. Здесь прежде вос-
станавливается уровень поднесущей ВП, затем в детекторе ПМК
выделяются сигналы Л' и П', после чего оба сигнала проходят
RC-цепь компенсации предыскажений. Сигналы Л и П, поступа-
ющие с выхода стереодекодера, усиливаются в УЗЧ и воспроиз-
водятся акустической системой соответствующего канала. Радио-
приемник, имеющий монофонический тракт, воспроизводит только
низкочастотную часть спектра КСС, которая представляет собой
сумму сигналов Л и П. При этом надтональная часть КСС не де-
тектируется и остается для радиослушателя неслышимой.
11.7.2. СИСТЕМА С ПИЛОТ-ТОНОМ
В системе с пилот-тоном также формируется КСС. Его спектр
(рис. 11.16,а) тоже содержит две части: низкочастотную, пред-
ставляющую собой сумму Л-|-П сигналов стереопары, и надтональ-
ную—AM колебание с полностью подавленной поднесущей /nH.
Частота поднесущей составляет здесь 38 кГц, модуляция которой
по амплитуде также осуществляется разностным сигналом S=
=Л—П. Чтобы иметь возможность синхронно восстанавливать
частоту поднесущей на приемной стороне системы, в спектр КСС
дополнительно введен пилот-тон частотой /пт=19 кГц. Как и в си-
стеме с полярной модуляцией, сигналы Л и П подвергаются
предыскажению с помощью 7?С-цепи (см. рис. 11.15,в). С учетом
всех этих отличий выражение для КСС в системе с пилот-тоном
можно представить в виде
«ксс (0 Uо sinQ^ + та sin Q,/) + Uo (тл sinQ/ —
— .T?nsinQnZ) sin<oI1H/ + kU0 sin-—-t, (11.21)
где kU0 — амплитуда пилот-тона, все остальные обозначения
здесь имеют тот же смысл, что и в (11.19) и (11.20).
AM колебание
УМ колебание
S)
Рис. 11.16. Спектр комплексного стереофонического сигнала в системе с пилот-
тоном (а) и ЧМ-ЧМ (б)
346
11.7.3. СИСТЕМА ЧМ-ЧМ
В этой системе спектр КСС (рис. 11.16,6) также содержит то-
нальную (Л1=Л+П) и надтональную части. Отличие от рассмот-
ренных систем заключается в следующем: поднесущая, частота ко-
торой /пн=33,5 кГц, модулируется сигналом 5=Л—П не по ам-
плитуде, а по частоте; сигнал 3 подвергается компандированию
для повышения его помехозащищенности (канал 3 стереомодуля-
тора содержит компрессор, а стереодекодер — соответственно рас-
ширитель) .
Таблица 11.3
Наименование параметра Система с полярной мо- дуляцией (СССР) Система с пилот-тоном (США)
Диапазон передаваемых звуковых частот для каж- 30... 15000 50... 15000
дого канала, Гц Отклонение АЧХ канала во всем диапазоне частот, + 1,0 + 1,0
дБ, не более Отношение сигнал-шум, дБ, не хуже 60 60
Коэффициент гармоник, %, не более, на часто- тах, Гц 100... 10 000 1,0
30 ... 15 000 1,5...2,0
Нестабильность несущей частоты передатчика, не ±2,0 • 10“5 —
более Частота поднесущей, Гц 31 250+2 38 000
Частота пилот-тона, Гц — 19 000+2
Верхняя граничная частота спектра КСС, кГц 46,25 53
Подавление поднесущей частоты, дБ 14+0,2 >40
Максимальная глубина модуляции КСС, %, не бо- 80 90
лее Добротность контура поднесущей 100+5 —
Постоянная времени цепи предыскажений сигна- 50 75
лов Л и П стереопары, мкс Максимальная девиация частоты передатчика, кГц ±50 + 75
Полоса частот радиопередатчика, кГц 165... 192 190...206
Переходное затухание между каналами, дБ, не ме- 30 30
нее Ширина полосы пропускания радиоприемника, кГц 140...192 180...206
Ухудшение отношения сигнал-шум по сравнению 24,7 23
с монофонической передачей, дБ (теоретическое значение) Ухудшение защитных отношений по сравнению с монофонической передачей, дБ, при разносе частей мешающих станций, кГц: 0 17 18,5
100 29 35,5
Возможность использования в телевидении Имеется Нет
Примечание. Параметры систем соответствуют девиации несущей ±50 кГц
347
11.7.4. ПАРАМЕТРЫ СИСТЕМ
СТЕРЕОФОНИЧЕСКОГО РАДИОВЕЩАНИЯ
Таблица 11.3 содержит как сведения из ГОСТ 18633-80 «Си-
стема стереофонического радиовещания. Основные параметры»
(п. 6, 9, 10, 12, 13), так и ряд дополнительных параметров, харак-
теризующих качество стереоканала, обеспечиваемое находящейся
в эксплуатации аппаратурой. Перечисленные в ней параметры
характеризуют сопоставляемые системы стереофонического радио-
вещания в целом, начиная от стереомодулятора радиопередающе-
го тракта и кончая выходом стереодекодера приемника.
Из табл. 11.3 видно, что системы с полярной модуляцией и с
пилот-тоном близки по своим параметрам. Система ЧМ-ЧМ отли-
чается большей помехозащищенностью, обеспечивает более высо-
кое переходное затухание между низкочастотной и надтональной
частями КСС. Последнее позволяет использовать ее также для пе-
редачи двух раздельных монофонических сигналов. Некоторым
недостатком этой системы является большие сложность и стои-
мость радиоприемного устройства.
11.8. ПОЛОСА ЧАСТОТ, ШУМЫ,
ПЕРЕХОДНОЕ ЗАТУХАНИЕ И
НЕЛИНЕЙНЫЕ ИСКАЖЕНИЯ ПРИ
СТЕРЕОПРИЕМЕ В ДИАПАЗОНЕ
МЕТРОВЫХ ВОЛН
Полоса частот радиоканала. Теоретически спектр частотно-
модулированного колебания бесконечен. Однако если не учиты-
вать достаточно малых по уровню составляющих спектра ЧМ
колебания, то полосу частот Af радиоканала можно найти как
(/д.макс + Ев) , (11.22)
где (д.макс — максимальное значение девиации частоты несущей
передатчика; FB — верхняя модулирующая частота.
При монофонической передаче /д.макс=50 кГц, Ев=15 кГц, что
после подстановки в (11.22) дает Af=130 кГц. При стереопереда-
че полоса модулирующих частот существенно шире: в системе с
полярной модуляцией 30.. .46 250 Гц, а в системе с пилот-тоном
50.. .53 000 Гц, что при /д.Макс=50 кГц дает значения Af, соответ-
ственно равные 192,5 и 206 кГц. Более узкая полоса частот радио-
канала (Af=192,5 кГц) •—несомненное достоинство системы с по-
лярной модуляцией. Заметим, что, как показали эксперименты,
вполне достаточно расширить полосу частот радиоканала в систе-
ме с полярной модуляцией до Af= 165 кГц (т. е. на 15 % по
сравнению с монофонической передачей), а в системе с пилот-то-
ном до 190 кГц.
348
Рис. 11.17, Изменение
относительной мощно-
сти шума на выходе ча-
стотного детектора от
его расстройки
Уровень шумов и помех. Расчеты показывают что при переходе
режима работы ЧМ-передатчика из монофонического в стереофо-
нический отношение сигнал-шум существенно ухудшается, напри-
мер для системы с полярной модуляцией на 24,7 дБ. Однако на
практике это изменение составляет около 15 дБ, что также зна-
чительно и приводит к заметному уменьшению зоны обслужива-
ния. Наиболее слабой помехозащищенностью обладает надтональ-
ная часть КСС. Этот факт поясняет зависимость (рис. 11.17), по-
казывающую изменение относительной мощности шума ДРШ на
выходе частотного детектора от расстройки Д/ от несущей. Здесь
же для большей наглядности показаны частоты расстройки, соот-
ветствующие частотам модуляции: /?в=15 ООО Гц, /пн=31,25 кГц,
/пн—Гв=16,25 кГц и /пн+7в=46,25 кГц. Области частот, соответ-
ствующие низкочастотной и надтональной частям спектра КСС,
заштрихованы. Из рис. 11.17 видно, что мощность шума в над-
тональной части КСС существенно выше, поэтому помехозащищен-
ность сигнала 3=Л—П оказывается значительно ниже. Изложен-
ное в равной степени относится и к системе с пилот-тоном.
Качество стереоприема считается очень хорошим при отноше-
нии сигнал-шум после стереодекодера свыше 60 дБ. При этом шу-
мы не заметны на слух. Это значение может быть обеспечено при
входном сигнале 10. ..20 мкВ. Однако во многих случаях даже
при наличии уверенно заметного шума эксперт все же предпочи-
тает слушать программу в стереоварианте. Например, при отно-
шении сигнал-шум 40.. .50 дБ стереофоническое воспроизведение
еще уверенно предпочитается монофоническому для большинст-
ва программ. При отношении сигнал-шум 20.. .25 дБ мешающее
действие шума становится недопустимым, и стереоприем невоз-
можным.
На качество стереоприема сильно влияют помехи от радиове-
щательных станций, работающих в соседних частотных каналах.
Действие этих помех характеризуют защитным отношением, т. е.
минимальным отношением мощностей полезного сигнала Рс и по-
мехи Р„, которое должно быть на входе приемника, чтобы обеспе-
чить возможность радиоприема без заметных на слух помех.
Для стереоприема (2 на рис. 11.8,6) требуются более высокие
защитные отношения по сравнению с моноприемом (/). Увеличе-
ние защитных отношений при стереоприеме максимально при зна-
349
чении Af=60 кГц и составляет 18 дБ. При больших расстройках
несущих частот требуемое увеличение защитных отношений при
стереоприеме уменьшается, например при Л/=120 кГц оно равно
примерно 18 дБ. Если же Af> 180 кГц, то требуемое значение А
уже не зависит от вида передачи. Все это свидетельствует о том,
что в присутствии мешающей станции зона обслуживания при
стереоприеме сокращается в большей степени, чем при моно-
приеме.
Переходное затухание. Важнейшим параметром систем стерео-
фонического радиовещания является переходное затухание ап
между каналами стереопары, характеризующее степень изолиро-
ванности (разделимости) их друг от друга:
«п=20 lg(t///nn') при ивх=ил; £Л,=0.
Здесь и'л — напряжение на выходе левого канала стереопары;
U'n — напряжение на выходе правого канала стереопары
(t/4=^0, Пп=0). Если ап=оо, то имеет место идеальное разделе-
ние каналов Л и П. При ап=0 дБ передача становится монофони-
ческой. В этом случае сигналы каналов Л и П идентичны, их от-
ношение равно 1 и вся панорама оркестра оказывается сжатой в
одну точку. Слушатель, расположенный на оси симметрии стерео-
фонической звуковоспроизводящей системы, воспринимает вместо
широкой по фронту панорамы один кажущийся источник звука,
находящийся посередине между громкоговорителями. Сужение
пространственной звуковой панорамы начинает ощущаться при
ап=&20 дБ. В соответствии с требованиями, предъявляемыми к
системе стереофонического радиовещания в целом (табл. 11.3),
переходное затухание не должно быть меньше 30 дБ.
Переходное затухание между каналами стереопары зависит от
полосы частот радиоканала, формы АЧХ (ФЧХ) тракта КСС, точ-
ности преобразования ПМК в КСС в модуляторе передатчика и
КСС в ПМК при радиоприеме, в системе же с пилот-тоном—-от
точности восстановления фазы подавленной поднесущей.
Ширина полосы частот Af радиоканала и переходное затуха-
ние ап связаны соотношением
an^201g(Af/fnH)2, (11.23)
где fnH — частота поднесущей. Из (11.23) следует, что для систе-
мы с полярной модуляцией при ап=30 дБ и упи=31,25 кГц тре-
буемая ширина полосы пропускания высокочастотного тракта
должна быть не уже 176 кГц.
В области верхних частот спад АЧХ (рис. 11.18,а) обусловлен
недостаточной шириной полосы частот радиоканала и влиянием
паразитных емкостей схемы. Для этой области справедливо соот-
ношение
an.B4^201g(2/cp/fnH)2, (11.24)
350
a)
Рис. 11.18. Амплитудно-частотная харак-
теристика тракта КСС (а) и зависимость
коэффициента гармоник от полосы про-
пускания радиоканала (б)
где /Ср — частота среза на уровне —3 дБ. Заметим, что при ап.Вч=
=30 дБ частота /ср=88 кГц, что существенно превышает полосу
частот КСС.
Спад АЧХ тракта КСС в области нижних частот — следствие
недостаточных разделительных емкостей в межкаскадных RC-
цепях. Переходное затухание на нижних частотах ап.пч, частота
среза Аср АЧХ на уровне —3 дБ и число п переходных Л’С-цепей
связаны соотношением
ап.нч w 20 lg (2F / nF ср). (11.25)
Чтобы обеспечить ап.нч=30 дБ на частоте Г=100 Гц при п=
=2, необходимо иметь частоту среза АЧХ тракта КСС Fcp—
=3,1 Гц (на уровне —3 дБ). Кроме весьма жестких требований,
предъявляемых к отклонениям АЧХ трактов формирования (вос-
становления) и передачи ПМК и КСС от идеальной формы, осо-
бое значение имеет также точность восстановления уровня и фа-
зы поднесущей частоты /пн при стереоприеме. Затухание ап и
разбаланс поднесущей частоты по фазе Дф на передающей и при-
емной сторонах системы стереовещания связаны соотношением
an = 201g' ctg-уС |. (11.26)
В системе с полярной модуляцией отклонение на 11° фазы вос-
становленной в стереодекодере поднесущей от фазы поднесущей
исходного ПМК ведет к уменьшению а„ до 40 дБ, а при Дф=
=20° — до 30 дБ. При разбалансе фаз, равном 90°, ап=0, т. е. пе-
редача становится монофонической. При большем разбалансе
фаз левый и правый каналы стереопары меняются местами. Еще
более жесткими должны быть требования, предъявляемые к точ-
ности фазы пилот-тона. Сдвиг по фазе пилот-тона на 10° приводит
к изменению фазы восстановленной поднесущей уже на 20°. След-
ствием этого является уменьшение ап до 30 дБ. При изменении
фазы пилот-тона на 45° Дф=90° и оп становится равным нулю
(так же, как и в системе с ПМК).
351
Нелинейные искажения при стереоприеме. В современном сте-
реофоническом радиовещательном приемнике требуемая избира-
тельность по соседнему каналу обеспечивается в основном в тракте
промежуточной частоты (ПЧ). Последний обычно содержит на
входе фильтр сосредоточенной селекции (ФСС) и усилитель-огра-
ничитель, в котором реализуется основное усиление полезного
сигнала и подавление паразитной амплитудной модуляции. При
этом необходимо стремиться, чтобы форма АЧХ тракта ПЧ была
бы горизонтальной, а ФЧХ — линейной в достаточно широком
диапазоне частот. В противном случае возникают нелинейные ис-
кажения.
Коэффициент гармоник Кг и полоса пропускания ФСС связа-
ны соотношением
п (Ьд)3
тчМ 4 4- (6?)2 ’
(11.27)
причем
6 = /L_iY’6. (Ц.28)
F 2f* J
Здесь — девиация частоты передатчика; F — модулирующая ча-
стота; тчм — индекс частотной модуляции; Д/пч — полоса пропу-
скания ФСС; v — уровень, на котором отсчитывается полоса про-
пускания ФСС, если v=0,5, то b—(-^4—1)°'6, где& — обобщен-
ная расстройка, соответствующая границе полосы пропускания;
п — число связанных одиночных контуров в ФСС.
Зависимости, показывающие изменение коэффициента Кг от
полосы пропускания Д/п„ ФСС, представлены на рис. 11.18,6. Па-
раметром этих кривых является значение тчм. Как видно из рис.
11.18,6, значение Кг растет с уменьшением Д/Пч и п при неизмен-
ном значении /пчч. Заметим, что для получения малых нелинейных
искажений Кг^1% полоса пропускания ФСС должна заметно
превышать значение 2/д. Например, при п — 4 и /д=50 кГц поло-
са пропускания ФСС должна быть не менее 130 кГц.
Наиболее универсальной характеристикой, позволяющей оце-
нить качество ФСС, является групповое время запаздывания tTp.
Если АЧХ линейна, то значение trp постоянно в полосе пропуска-
ния ФСС. В высококачественных трактах ПЧ, обеспечивающих
Кг^0,2 %, изменение группового времени запаздывания в полосе
пропускания ФСС не должно превышать 0,1 мкс, а полоса про-
пускания Af„4 тракта ПЧ должна быть не менее 180 кГц.
Итак, получение высокой линейности ФЧХ тракта ПЧ и, как
следствие этого, малых значений нелинейных искажений требует
расширения полосы пропускания ФСС более чем до 180 кГц (т. е.
до 200.. .250 кГц). Однако при этом падает избирательность по со-
седнему каналу и возможно появление помех от станций, рабо-
352
тающих в смежных частотных каналах. Поэтому в высококачест-
венных моделях приемников полосу частот делают регулируемой.
Причиной появления нелинейных искажений может быть так-
же цепь предыскажений. При постоянной времени этой цепи, рав-
ной 50 мкс (система с полярной модуляцией), уровень модули-
рующего сигнала на частоте 10 кГц возрастает на 10,3 дБ, а на
частоте 15 кГц — на 13,6 дБ. Если же т=75 мкс (система с пилот-
тоном), то эти величины соответственно равны 13,3 и 16,7 дБ.
Обычно это не приводит к неприятным последствиям, так как мак-
симальные уровни звуковых сигналов на частотах выше 5000...
7000 Гц существенно меньше, чем на средних, и понижаются тем
значительнее, чем выше частота. Тем не менее в редких случаях
на верхних частотах могут появиться уровни, мало отличающиеся
от их максимальных значений. Из-за предыскажений в такие мо-
менты времени резко возрастает девиация несущей частоты пере-
датчика, вызывающая при приеме значительные нелинейные ис-
кажения, проявляющиеся на слух как хрипы.
11.9. МЕТОДЫ ФОРМИРОВАНИЯ И
ДЕКОДИРОВАНИЯ КОМПЛЕКСНОГО
СТЕРЕОФОНИЧЕСКОГО СИГНАЛА
11.9.1. СИСТЕМА С ПОЛЯРНОЙ МОДУЛЯЦИЕЙ
Методы формирования КСС поясняет рис. 11.19. При суммарно-
разностном методе (рис. 11.19,а) из сигналов Л'иП'в блоке сум-
марно-разностного преобразования СРП образуется их сумма
М^Л'+П' и разность S—JI'—ПТ Затем сигнал S модулирует по
амплитуде поднесущую частоту /пн=31,25 кГц, полученную от ге-
нератора Г. Далее AM колебание и сигнал М суммируются (2),
образуя ПМК. С помощью цепи частичного подавления поднесу-
щей ПМК преобразуется в КСС. Метод не обеспечивает высокой
стабильности фаз и амплитуд между двумя частями спектра КСС,
следствием чего является недостаточное переходное затухание
между каналами стереопары.
В этом отношении удачнее ключевой метод получения ПМК,
при котором для преобразования ПМК в КСС применяется RC-
цепь вместо высокодобротного контура (рис. 11.19,6). Усилители-
корректоры УК1 и УК2 левого Л и правого П сигналов стереопары
осуществляют предыскажение. Цепь предыскажений с т=50 мкс
(рис. 11.15,в) включена в цепь отрицательной обратной связи УК1
и УК2- Затем в эти сигналы от источника опорного напряжения
ОН вводится постоянная составляющая, определяющая уровень
поднесущей, после чего оба сигнала поступают на электронный
коммутатор ЭК. Последний попеременно открывается для входных
сигналов. Коммутирующее напряжение представляет собой разно-
полярные прямоугольные импульсы с частотой следования
23—6697 353
м=л+п
Рис. 11.19. Схемы формирования КСС: а — суммарно-разностная, б — ключевая,
в — с помощью цифровых устройств
31,25 кГц (последние снимаются с триггера Шмитта). Его рабо-
той управляет генератор КГ (^Пи=31,25 кГц). На выходе ЭК име-
ем КСС. Усилитель-корректор УКз устраняет предыскажения вне-
сенные в низкочастотную часть спектра КСС. Далее этот сигнал
поступает на фильтр нижних частот ФНЧ с линейной ФЧХ. Он от-
фильтровывает гармоники поднесущей частоты и продукты их моду-
ляции. Достоинством этого метода является отсутствие цепи подав-
ления поднесущей, являющейся источником нестабильности пара-
метров модулятора и причиной уменьшения переходного затухания.
354
Такая структура лежит в основе стереомодулятора МОД-16,
который обеспечивает: неравномерность АЧХ в полосе частот
КСС не более 1 дБ; коэффициент гармоник не более 0,3 %; пере-
ходное затухание между каналами стереопары не менее 36 дБ на
частоте 160 Гц, 42 дБ на частоте 315 Гц, 50 дБ на частоте 1000 Гц,
40 дБ на частоте 10 000 Гц; уровень фона и шума не более —
70 дБ.
Дальнейшее повышение точности преобразования при форми-
ровании КСС достигается применением цифровых методов (рис.
11.19,в). С помощью АЦП левый Л' и правый П' сигналы стерео-
пары преобразуются в цифровую форму. Далее вычисляются сум-
ма (Si) и разность (ВУ) этих цифровых сигналов. К цифровому
разностному сигналу в сумматоре S2 добавляется константа 0,2
от источника опорного кода ИОКь после чего этот сигнал посту-
пает на цифровой управляемый аттенюатор АТ. Коэффициент пе-
редачи АТ изменяется ступенчато цифровым кодом, формируемым
вторым источником опорного кода ИОКг- Выходной сигнал АТ и
суммарный сигнал Л'-фП' суммируются в третьем сумматоре S3,
образуя цифровой КСС. С помощью АТ устанавливается требуе-
мое энергетическое соотношение между низкочастотной и надто-
нальной частями КСС. Затем цифровой сигнал преобразуется
цифро-аналоговым преобразователем ЦАП и фильтром нижних
частот ФНЧ в стандартный аналоговый КСС. При цифровой об-
работке существенно уменьшаются паразитные продукты преобра-
зований и зависимость параметров КСС от температуры.
При реализации стереодекодеров (рис. 11.20) применяют сле-
дующие методы детектирования ПМК: по огибающей с помощью
полярного детектора; с предварительным разделением спектра на
низкочастотную и надтональную части; с временным разделени-
ем каналов, не требующим обязательного преобразования КСС в
ПМК.
В полярном детекторе (рис. 11.20,а) максимум переходного
затухания и минимум нелинейных искажений достигаются, если
сооТн^л, где тн — постоянная времени нагрузки детектора. Даже
при наличии различного рода цепей коррекции его параметры не
являются достаточно высокими: коэффициент гармоник на часто-
те 1000 Гц равен 0,8.. .1,2 %, переходное затухание 34 дБ. С по-
вышением частоты оба параметра ухудшаются: на верхних часто-
тах коэффициент гармоник возрастает до 2,2 %, переходное за-
тухание падает до 20 дБ.
Метод детектирования КСС с разделением спектра реализует-
ся устройством, показанным на рис. 11.20,6. После усиления У
фильтром нижних частот ФНЧ выделяется низкочастотная часть
спектра КСС, представляющая собой сигнал Л'-фП'. Кроме ФНЧ,
комплексный стереофонический сигнал поступает в цепь восстанов-
ления поднесущей ВП и далее полосовым фильтром ПФ с гра-
ничными частотами 16,25 и 46,25 кГц из ПМК выделяется его над-
23* 355
в)
Рис. 11.20. Структурные схемы стереодекодоров с полярным детектором (а), с
разделением спектра ПМК (б), с временным разделением каналов без восстанов-
ления формы ПМК (б) (В н и м а н и е! В ПД диоды должны быть включены
навстречу друг другу)
тональная часть, представляющая собой колебание с [пн=
=31,25 кГц, модулированное по амплитуде сигналом Л'—П'. Это
AM-колебание детектируется обычным детектором Д. Полученный
в результате разностный сигнал Л'—П' подается на один из вхо-
дов суммарно-разностного преобразователя СРП, на второй вход
которого поступает сигнал Л'4-П' с выхода ФНЧ. С выходов СРП
восстановленные сигналы стереопары Л' и П' поступают на цепи
компенсации предыскажений т. Отклонения АЧХ и ФЧХ реальных
ФНЧ и ПФ от их идеальных форм в полосе пропускания, неста-
бильности коэффициентов передачи суммарного и разностного
трактов приводят к амплитудному и фазовому разбалансу состав-
ляющих спектра ПМК, следствием чего является уменьшение ве-
личины ап. Чтобы переходное затухание между каналами стерео-
пары было не менее 40 дБ, АЧХ фильтров должны отличаться
друг от друга не более чем на 1 %, а ФЧХ — не более чем на
0,5°. Изменение коэффициента передачи любого из трактов (сум-
марного или разностного) на 10 % сопровождается уменьшением
ап до 26 дБ. Несмотря на жесткие требования, метод детектиро-
вания КСС с разделением спектра широко используется в серий-
ных моделях стереоаппаратуры, включая и группу сложности А.
356
Рис. 11.21.
поясняющие
ключевого
ния ПМК
Диаграммы,
принцип
декодирова-
(временнбе
разделение сигналов сте-
реопары)
Наилучшими параметрами обладают ключевые стереодекоде-
ры (рис. 11.20,в), работающие по принципу временного разделе-
ния каналов стереопары. Если ПМК (рис. 11.21,а) подать на два
электронных коммутатора ЭК1 и ЭКг и управлять их работой по-
средством коротких импульсов разной полярности (рис. 11.21,6),
то сигнал на выходе ЭК1 будет иметь огибающую сигнала JI'
(рис. 11.21,в), а на выходе ЭКг— сложное колебание с огибаю-
щей сигнала П' (рис. И.21,а). Сложность декодирования ПМК
этим методом заключается в том, что коммутирующие импульсы
должны иметь длительность не больше 5 ... 10 мкс. Только в этом
случае амплитуда выходного напряжения ключа (ЭК1 или ЭКг в
момент его замыкания будет оставаться постоянной, что обеспечит
357
получение высокого значения а„. Однако коэффициент передачи
такой цепи оказывается очень низким. Для устранения этого не-
достатка дополнительно вводят цепь «памяти» ЦП (рис. 11.20,в).
С ее помощью напряжение на выходе ЭК поддерживается посто-
янным и равным мгновенному значению сигнала в момент его
коммутации до прихода следующего управляющего импульса, по-
сле чего выходное напряжение принимает новое значение (рис.
11,21,д). Заметим, что метод временного разделения каналов сте-
реопары не требует обязательного преобразования КСС в ПМК,
что является его несомненным достоинством.
Последовательности прямоугольных положительных и отрица-
тельных импульсов короткой длительности (рис. И.20,в), управ-
ляющие соответственно работой ключей ЭК1 и ЭКг, снимаются с
выходов 1 и 2 формирователя импульсов ФИ. Его входным сиг-
налом является последовательность прямоугольных импульсов,
сформированная триггером Шмитта ТШ из сигнала поднесущей
}пн и выделенная из спектра ПМК полосовым фильтром ПФ. Мо-
дулированные по амплитуде Л' и П' последовательности коротких
импульсов, снимаемые с выходов ЭК1 и ЭКг, «удлиняются» цепью
памяти (ЦП) и после ФНЧ поступают на цепь коррекции преды-
скажений т.
Параметры качества стереодекодеров аппаратуры разных групп
сложности представлены в табл. 11.4.
Таблица И.4
Наименование параметра Группа сложности
А 1 Б в
Переходное затухание, дБ, не менее,
на частотах, Гц:
160 20 16 12
315 28 26 22
1000 34 32 26
5000 28 26 22
10000 20 16 12
Коэффициент гармоник, %, не бо-
лее,
на частотах, Гц:
315 0,8 1,5 2,0
1000 0,8 1,0 ! ,5
5000 1,0 1,5 2,0
Диапазон воспроизводимых частот,
Гц, прн неравномерности АЧХ не бо-
лее 3 дБ, не уже 31,5... 15 000 50... 15 000 80... 12 000
Уровень фона, дБ, не более —62 —56 —46
Отношение сигнал-шум, дБ, не ме- 70 60 56
нее
358
11.9.2. СИСТЕМА С ПИЛОТ-ТОНОМ
Методы формирования КСС, применяемые в системе с пилот-
тоном, незначительно отличаются от уже рассмотренных. Прос-
тейшим из них является суммарно-разностный метод (рис.
11.22,а). Левый Л' и правый П' сигналы стереопары проходят
суммарно-разностный преобразователь СРП, образуя сумму М=
=Л'-(-П' и разность S=Jl'—П'. Сигнал S поступает на баланс-
ный модулятор БМ, на второй вход которого подается сигнал
поднесущей частоты fnH=38 кГц, получаемый путем удвоения ча-
стоты УЧ генератора Г, равной 19 кГц. Выходным сигналом ба-
лансного модулятора является AM колебание с подавленной под-
несущей. Оно представляет собой надтональную часть КСС, к ко-
торой в сумматоре (S) добавляется сигнал М=Л'-ф-П' и сигнал
пилот-тона.
Принципы декодирования сигналов стереопары в системе с
пилот-тоном те же, что и в отечественной системе. Наилучшие
результаты дает ключевой метод декодирования КСС с примене-
нием фазовой автоподстройки частоты ФАПЧ поднесущей
(рис. 11.22,6).
Он содержит усилитель У] комплексного стереофонического
сигнала КСС, собственно систему ФАПЧ, синхронный детектор
СД разностного сигнала, декодирующую матрицу ДМ и усилите-
м=л'+п’
Рис. 11.22. Структурные схемы формирования (а) и декодирования (б) комплекс-
ного стереофонического сигнала в системе с пилот-тоном
359
ли У2 левого Л' и правого ГТ каналов стереопары. Эти элементы
образуют собственно стереодекодер.
В состав системы ФАПЧ входят управляемый генератор УГ
прямоугольных импульсов (76 кГц), первый делитель частоты
ДЧ] (38 кГц), второй делитель частоты ДЧ2 (19 кГц), фазовый
детектор ФД и фильтр нижних частот ФНЧ. В фазовом детекторе
частота пилот-тона (имеющаяся в спектре КСС) сравнивается с
частотой 19 кГц, полученной в результате деления частоты УГ.
Если частота пилот-тона находится вне полосы захвата ФАПЧ,
то регулировочное напряжение на выходе ФНЧ отсутствует и ча-
стота УГ не изменяется. Если же частота пилот-тона лежит в по-
лосе захвата ФАПЧ, то на выходе ФНЧ появится управляющее
напряжение.
В режиме синхронизации частоты УГ и пилот-тона равны, а
фазы отличаются на 90°. Чтобы исключить влияние на режим за-
хвата соседних с пилот-тоном спектральных составляющих КСС
(15 и 23 кГц), полоса захвата ФАПЧ не должна превышать 2 ...
... 3 кГц. Синхронизированный по частоте (Аи = 0) и фазе (Дф = л/2)
с пилот-тоном сигнал УГ в делителе частоты ДЧ] формирует две
противофазные последовательности прямоугольных импульсов,
каждая с частотой следования 38 кГц. Противофазная с пилот-
тоном последовательность поступает на ДЧг петли ФАПЧ. После-
довательность прямоугольных импульсов с частотой следования
19 кГц на выходе ДЧ2 отличается по фазе (в режиме синхрониза-
ции) от пилот-тона на 90°. Синфазная с сигналом 2)Пт последова-
тельность прямоугольных импульсов, снимаемая с выхода ДЧ!;
поступает на синхронный детектор СД, на второй вход которого
подается КСС. В СД оба сигнала перемножаются, на его выходах
образуются противофазные сигналы, низкочастотные части кото-
рых соответственно равны Л'—П' и П'—Л'. В ДМ каждый из
этих сигналов (с высокой степенью точности) суммируется с КСС.
Низкочастотная часть выходных сигналов ДМ представляет собой
сигналы Л' и П'. После усилителя Уг оба сигнала поступают на
цепи коррекции предыскажений. На их выходах имеем восстанов-
ленные сигналы стереопары Л и П.
Заметим, что в состав стереодекодера входит также схема ав-
томатического управления. С ее помощью производится опознава-
ние режима работы передатчика («моно» или «стерео») с соот-
ветствующей световой индикацией и переключение декодера в
режим «моно» при слабом входном сигнале, когда уровень шумов
и помех при стереовоспроизведении оказывается недопустимо
большим. Аналогичные устройства имеют и стереодекодеры си-
стемы с полярной модуляцией.
На качество стереофонического радиовещания существенно
влияет многолучевое распространение радиоволн на метровых
волнах, приводящее к появлению помех и уменьшению переход-
ного затухания сигналов стереопары.
360
11.10. СТЕРЕОФОНИЧЕСКОЕ
РАДИОВЕЩАНИЕ В ДИАПАЗОНЕ
СРЕДНИХ ВОЛН
Основным фактором, способствующим внедрению стереофонии в диапазо-
ны с амплитудной модуляцией, является большой радиус действия станции, что
позволяет охватить широкую сеть автомобильных приемников при одновремен-
ном существенном повышении качества звучания. Достаточно напомнить, что
подавляющее большинство слушателей предпочитают стереофоническое воспро-
изведение с полосой частот 10 кГц и даже 6,4 кГц монофоническому звучанию
с полосой передаваемых частот 15 кГц.
Перечислим основные требования, предъявляемые к системе стереофониче-
ского радиовещания для диапазонов с амплитудной модуляцией: совмести-
мость — возможность приема стереофонического сигнала на обычный монофо-
нический приемник с полноценным для этого диапазона качеством; возможность
работы передатчика в двух режимах — моно и стерео; практически неизменная
полоса излучаемых частот при переходе передатчика из монофонического режи-
ма работы в стереофонический; простота радиоприемного устройства и модуля-
тора передатчика.
Для СВ диапазона предложено три основных варианта систем стереофони-
ческого радиовещания: с двойной модуляцией АМ-ЧМ или АМ-ФМ; с двумя
раздельными боковыми полосами, одна из которых служит для передачи сиг-
нала Л, а вторая — П; с квадратурной модуляцией.
Регулярные стереопередачи в СВ диапазоне проводятся в ряде стран
(США, ФРГ, Япония); ведутся аналогичные исследования и в СССР. Рассмот-
рим системы стереофонического радиовещания в СВ диапазоне, которые к на-
стоящему времени получили наибольшее признание.
11.10.1. СИСТЕМЫ С ДВОЙНОЙ МОДУЛЯЦИЕЙ
В каждой из этих систем предварительно исходные левый и правый сиг-
налы стереопары преобразуются в суммарный М=Л-|-П и разностный S=
— Л—П сигналы, как и при радиовещании в МВ диапазоне. Далее несущая пе-
редатчика модулируется по амплитуде суммарным сигналом М (для обеспече-
ния условия совместимости) и по частоте или по фазе разностным сигналом S.
В первом случае имеем АМ-ЧМ колебание, во втором — АМ-ФМ.
В общем виде модулированный сигнал можно представить
и (I) = A (I) cos (<ОоМ-9 (0) = A (t) cos ф (0, (11.29)
где <Оо — несущая частота; функция А(0 характеризует изменение амплитуды
сложного колебания u(t)\ ф(0—изменение частоты (частотная модуляция —
ЧМ) или фазы (фазовая модуляция •— ФМ) несущей.
Если для простоты записи (не снижающей, однако, общности рассмотрения)
принять амплитуду А о несущего колебания A0cos (<iW+0o) и амплитуды S., и
S„ модулирующих сигналов левого Л (t) = Хлсо5(ЙлГ4-фл) и правого П(0 =
= Sncos(Qnr4-<pn) каналов равным 1, т. е. АО = 5Л = 5П=1, а начальные фазы
этих колебаний 0О, фл и фп равными нулю, то имеем при модуляции:
амплитуды несущего колебания суммарным сигналом Л(0+П(0
А (0 = 1-|-тлсо5 ЙД + тпсо5 Qnt и 0(1) =0; (11.30)
фазы несущего колебания разностным сигналом Л(0—Щ0
cos ф (0 = cos —®-sin 2Д — sin<DnZ j ; Д(0 = 1; (11.30а)
\ 2Л “п '
частоты несущего колебания разностным сигналом Л(0—й(0
cos ф(0 =со5(ыо+«дС05 —ИдСОБЙпО; /1(0 = 1, (11.306)
361
Рис. 11.23. Структурные схемы передающего (а) н приемного (б) трактов систе-
мы стереофонического радиовещания фирмы Belar
где Ид — девиация частоты; Йл и Йп — модулирующие частоты, а <од/Йл и
<Од/йп — индексы фазовой модуляции.
Теперь нетрудно получить выражения для АМ-ФМ или АМ-ЧМ колебаний,
подставляя в (11.29) либо (11.30) и (11.30а), либо (11.30) и (11.306). При
этом обычный монофонический радиоприемник должен быть нечувствительным
к ЧМ и ФМ колебаниям, тогда он воспримет только AM колебание, т. е. в ко-
нечном итоге монофонический сигнал M(t) = Л(<)-|-П(0. К сожалению, это ус-
ловие в полной степени не выполняется, что приводит к появлению искажений
стереофонического сигнала при радиоприеме на монофонический приемник.
В этом случае стереофонический радиоприемник должен иметь два раздель-
ных канала для приема и детектирования AM и ЧМ или ФМ колебаний, а так-
же блок индикации «моно-стерео».
В АМ-ЧМ системе фирмы Belar передающая станция (рис. 11.23,а) содер-
жит суммарно-разностный преобразователь СРП, цепь предыскажений RC для
разностного сигнала S, ЧМ возбудитель и собственно передатчик П, изменяю-
щаяся по частоте несущая которого модулируется по амплитуде сигналом М.
Девиация частоты составляет здесь 1,25 кГц. На верхней частоте модуляции,
равной 10 кГц, индекс частотной модуляции не превышает 0,125. Цепь предыска-
жений RC имеет постоянную времени 100 мкс и выполнена по схеме, аналогич-
ной используемой в МВ-ЧМ вещании. Ее введение необходимо для повышения
помехозащищенности сигнала S, так как используемая для его передачи девиа-
ция частоты слишком мала.
Радиоприемное устройство (рис. 11.23,6) содержит высокочастотный тракт
ВТ, амплитудный детектор АД, ограничитель амплитуды ОА, частотный детек-
тор ЧД, цепь RC компенсации введенных на передающей стороне частотных
предыскажений, суммарно-разностный преобразователь СРП, на выходе кото-
рого имеем восстановленные сигналы Л и П стереопары. Здесь не показана ли-
ния задержки, включаемая в тракт сигнала S и необходимая для компенсации
временного сдвига сигналов М и S, подаваемых на входы СРП.
Расчеты показывают, что в АМ-ЧМ системе фирмы Belar ухудшение отно-
шения сигнал-шум по сравнению с обычной AM (иначе говоря, при переходе
передатчика из монофонического режима в стереофонический) составляет око-
ло 2,5 дБ. Это вполне приемлемо, так как не приводит к заметному уменьше-
нию зоны обслуживания.
Фирмой Magnavox предложена система с двойной модуляцией АМ-ФМ. Ее
структурная схема практически не отличается от приведенной на рис. 11.23, если
заменить ЧМ на ФМ, ЧД на ФД и исключить цепь предыскажений RC. Макси-
мальная девиация фазы несущей для сигнала S составляет ± 1 рад. Кроме того,
362
в этой системе предусмотрен специальный пилот-сигнал для индикации стерео-
фонического режима. Поэтому введены дополнительные устройства для его пе-
редачи и выделения. В системе фирмы Magnavox ухудшение отношения сигнал-
шум при переходе передатчика из монофонического режима в стереофонический
составляет около 2,2 дБ.
11.10.2. СИСТЕМЫ С КВАДРАТУРНОЙ МОДУЛЯЦИЕЙ
В системах этого типа для передачи левого Л(/) и правого П(Ц сигналов
стереопары используются два AM колебания с одинаковыми несущими частота-
ми соо, сдвинутыми по фазе на 90°.
С учетом принятых ранее допущений сложное квадратурное колебание
можно представить как
U.(t) = (1-|-П1лСОЗЙл/ + П1пСО5 ПпЦСО5 Wo/ +
+ (тлС05Йл^—mncos OnOsin Шо/. * (11.31)
Сумму этих двух колебаний (11.31) можно преобразовать к виду
и Ц) =АЦ) cos (<о0Н-9Ц)), (11-32)
где
А (!) = [(1+тлсоз ПЦ + m„cos Qn02+(m^cos —m„cos Qnf)2]|/2; (11.33)
„ , тл cos 2Л/ — m-s cos 2nt
9 Ц) = arctg----------------------.
1 + тл cos 2Л^+ т„ cos Q„t
Монофонический приемник выделяет огибающую АЦ) квадратурного коле-
бания, близкую при малых коэффициентах модуляции тл и та к 1+тлсоз Йл/-|-
+mncos ЙЦ, что при детектировании дает суммарный сигнал МЦ). Однако при-
менение малых значений тл и пг„ невыгодно. Поэтому идут по иному пути.
В системе фирмы Motorola (рис. 11.24) несовместимая огибающая АЦ) за-
меняется огибающей
А'Ц) =1+тлсо5 Пл/+тпсо5 £2„£ (11.34)
Передающая станция этой системы (рис. 11.24,а) содержит СРП, амплитудный
модулятор AM, генератор несущей частоты Г, фазовращатель Ф, осуществляю-
щий сдвиг фазы несущего колебания генератора на 90°, балансный модулятор
БМ, сумматор сигналов S усилитель-ограничитель УО, необходимый для среза-
ния огибающей АЦ) (11.33), и собственно передатчик П, возбудителем которого
является ФМ-сигнал, снимаемый с выхода УО. Несущая передатчика модули-
Рис. 11.24. Структурные схемы передающего (а) и приемного (б) трактов систе-
мы стереофонического радиовещания фирмы Motorola
363
руется по амплитуде суммарным сигналом М(/)=Л(0Ч-П(<). По сути дела, в
системе фирмы Motorola передатчик излучает АМ-ФМ колебание вида
“(О = (1+тлсоз Q.4i+mnCos QnOcos((oot+0(t)),
где
l9 (?) — arctg
тл cos 2Л/ —;mn cos 2nt
1 + тп cos 2Л/ + тп cos 2П/
(11.35а)
(11.356)
Декодирование сигнала (11.35) осуществляется с помощью схемы, показан-
ной на рис. 11.24,6. После прохождения высокочастотного тракта ВЧ-УПЧ при-
емника сигнал на выходе усилителя промежуточной частоты УПЧ описывается
выражением, аналогичным (11.35), но <о0 следует заменить здесь значением про-
межуточной частоты <опр:
“1(0 = (1+тлСоз £V+“inCos 2nt)cos(conpt+0(t)). (11.36)
С выхода ВЧ-УПЧ тракта приемника транспонированный в область промежу-
точной частоты сигнал (11.36) подается на амплитудный детектор АД. На его
выходе получаем суммарный сигнал Л(^)+П(/) стереопары. Кроме того, с вы-
хода ВЧ-УПЧ тракта сигнал (11.36) подается также на ограничитель ампли-
туды ОА, на выходе которого имеем ФМ колебание вида
Ui'(t) = cos(conpt4-0 (t)) = cos (0(0)cos Wnpt—sin(0(O)sin conpt. (11.37)
Выход ограничителя амплитуды соединен со схемой выделения смодулиро-
ванной несущей промежуточной частоты СВНП. Выделенная с помощью этой
схемы (Орр подается на входы перемножителей ПС] и ПС2 со сдвигом по фазе
иа 90°. На второй вход ПС] поступает сигнал Ui(t), поэтому на его выходе (без
учета высокочастотных составляющих) получим
«1 (t)sin conpt— (l+m.4cos £V+mncos Qn^)sin(0 (^)). (11.38)
На второй вход ПС2 подается сигнал на его выходе также без учета
высокочастотных компонент имеем
U]'(t)cos <onpt~cos(0(t)). (11.39)
Деление (Д на рис. 11.24,6) выходных сигналов перемножителей ПС] и ПС2
с учетом (11.35) дает выражение
(1 +тлсоз2л<+/ПпСОзЙпО tg (0 (t)) = ni,,cosQJ—/ПпСОзГМ, (11.40)
представляющее собой разностный сигнал.
Из изложенного следует, что для выделения разностного сигнала использу-
ется метод синхронного детектирования сигналов ut(t) и и/(0 и последующего
деления результата детектирования. Полосовой фильтр ПФ служит для выде-
ления пилот-тона, частота которого составляет 25 Гц, а СРП — для восстанов-
ления левого и правого сигналов стереопары из их суммы и разности.
Система фирмы Motorola (рис. 11.24) обладает свойством совместимости.
При передаче стереофонического сигнала по этой системе расширяется полоса
частот радиоканала, отношение сигнал-шум ухудшается по сравнению с моно-
приемом на 3 дБ.
В системе фирмы Harris (рис. 11.25) квадратурный сигнал получается пу-
тем балансной модуляции (БМ] и БМ2) сигналами стереопары JI(t) и П(0 двух
несущих, одинаковых по частоте, но сдвинутых с помощью фазовращателей Ф
на углы +ф и —нр относительно колебания задающего генератора Г.
Сигналы модуляции и задающего генератора поступают на сумма-
тор S сигналов, при этом полученное сложное колебание описывается выра-
жением
u(t) ==cos (Hoi + ninCos Q„icos[(£>0t—<p)+mncos Qntcos(<в0^+ф) • (11-41)
364
Рис. 11.25. Структурные схемы передающего (а) и приемного (б) трактов систе-
мы стереофонического радиовещания фирмы Harris
Здесь приняты те же самые обозначения и допущения, что и ранее. Выражение
(11.41) легко преобразовать к виду
u(t) — (l-f-(m.,cos ПД + ninCos Qn0cos <p)cos ®0<+
+ ((щлсо8 QJ—mncos QnQ sin <p) sin <aol. (11.42)
Выражение (11.42) представляет собой квадратурное колебание, в котором,
изменяя параметр <р, можно менять соотношение суммарной и разностной ком-
понент стереосигнала:
при ф=0 второе слагаемое равно 0 и передача становится монофонической;
при <р=90° нулю равно первое слагаемое, так как cos90°=0, и исчезает
суммарный сигнал Л(^)+П(^);
при ф = 45° оба слагаемых присутствуют в равной степени и имеет место
обычная квадратурная модуляция (11.31).
Основным недостатком квадратурной модуляции в чистом виде является
большое значение нелинейных искажений, возникающих при детектировании та-
кого сигнала. Расчеты показывают, что при тл = тп=0,3 коэффициент гармо-
ник Кг составляет уже 8... 10%, что недопустимо для радиовещания.
Выбирая <р<45°, можно существенно уменьшить нелинейные искажения,
правда за счет ухудшения помехозащищенности. В системе фирмы Harris <р =
= 15°, что позволяет уменьшить нелинейные искажения в 10 раз по сравнению
со случаем, когда ср = 45°. При этом отношение сигнал-шум дополнительно па-
дает на 8,7 дБ, а в целом на 11,7 дБ по сравнению с моноприемом. Расшире-
ния полосы частот радиоканала при переходе передатчика в стереорежим не
требуется.
Квадратурное колебание (11.42), полученное на выходе сумматора
(рис. И.25,а), поступает на ограничитель амплитуды ОА и детектор огибаю-
щей ДО, последовательно с которым включен фильтр нижних частот ФНЧ.
С помощью ОА уничтожается амплитудная модуляция, на его выходе имеем
ФМ-колебание, фаза которого изменяется по закону (11.33). Выделенная ДО
и ФНЧ огибающая квадратурного сигнала (11.42) модулирует по амплитуде
несущую передатчика П. В качестве несущей частоты используется ранее полу-
ченное на выходе ограничителя амплитуды ФМ-колебание.
Эти дополнительные преобразования квадратурного сигнала позволяют ис-
пользовать для стереовещания обычный AM-передатчик, что весьма ценно.
Структурная схема, поясняющая декодирование сигналов в системе фирмы
Harris, показана на рис. 11.25,6. После высокочастотного тракта и усилителя
промежуточной частоты ВЧ-УПЧ принятый сигнал поступает на два балансных
детектора БД1 и БД2, а также на схему выделения немодулироваиной проме-
жуточной частоты СВНП. Полученная на выходе последнего блока сопр посту-
пает на вторые входы балансных детекторов со сдвигом на 90° по фазе. При
365
этом на выходе одного из балансных детекторов имеем суммарный сигнал
Л(/)+ГЩ), а на выходе другого — разностный JI(t)—П(/). После ФНЧ эти
сигналы уравниваются по амплитуде и далее поступают на входы СРП, где ле-
вый Л(/) и правый П(0 сигналы стереопары восстанавливаются.
Достоинством этой системы является простота реализации. Однако для нее
характерны неполная совместимость и наиболее существенное из всех предло-
женных систем ухудшение отношения сигнал-шум при переходе передатчика в
стереофонический режим работы. В отличие от других систем внеполосное из-
лучение здесь отсутствует, что весьма существенно, а вероятность появления
паразитной AM при моноприеме также мала.
11.11. ПЕРЕДАЧА ЗВУКОВОГО
СОПРОВОЖДЕНИЯ
В ТЕЛЕВИЗИОННОМ ВЕЩАНИИ
11.11.1. СИСТЕМЫ ВЕЩАТЕЛЬНОГО ТЕЛЕВИДЕНИЯ
С МОНОФОНИЧЕСКИМ ЗВУКОВЫМ
СОПРОВОЖДЕНИЕМ
Система телевизионного вещания (ТВ) объединяет комплекс
технических средств, предназначенных для формирования, переда-
чи и приема зрительной и слуховой информации. Принцип пере-
дачи сигналов изображения и звукового сопровождения по радио-
каналу для системы СЕКАМ поясняет рис. И.26,а. Радиосигнал
изображения (рис. 11.26,а) представляет собой AM колебание с
частично подавленной нижней боковой полосой. При этом ширина
спектра сигнала изображения составляет 7,625 МГц. Ослабление
спектральных составляющих, отстоящих от несущей частоты изо-
бражения /н.из на 1,25 МГц вниз и на 6,375 МГц вверх, равно
20 дБ. В современных совместимых системах вещательного цвет-
ного телевидения спектр сигнала яркости занимает всю полосу
частот радиоканала изображения. Однако он имеет линейчатую
структуру, что позволяет, используя метод частотного уплотнения,
в этой же полосе частот дополнительно передать сигналы цветно-
сти. В системе СЕКАМ для этого используются две поднесущие
fnHB и fnHR с частотами 4,250 и 4,406 МГц. Спектры сигналов цвет-
ности также имеют линейчатый характер. При этом спектральные
составляющие сигналов цветности и яркости не накладываются
друг на друга, а разнесены по частоте, что достигается соответ-
ствующим выбором значений /ънв и fmR-
Радиосигнал звукового сопровождения (рис. 11.26,а) образует-
ся частотной модуляцией (ЧМ колебание) несущей звука ^н.зв
сигналом звукового сопровождения. На передачу сигнала звуко-
вого сопровождения отводится полоса частот, равная 0,25 МГц.
Этого вполне достаточно для организации высококачественного
звукового сопровождения с полосой частот 30 ... 15 000 Гц. Деви-
ация частоты несущей звука ±50 кГц. Применение частотной мо-
дуляции позволяет получить требуемое отношение сигнал-помеха
366
Рис. 11.26. Спектр телевизионного сигнала передающей станции (а) и упрощен-
ная структурная схема монофонического звукового тракта телевизионного прием-
ника системы «Секам» (б)
в звуковом тракте при значительно меньшей мощности передат-
чика, а это, в свою очередь, способствует также ослаблению по-
мехи от радиосигнала звукового сопровождения, проникающей в
соседний телевизионный канал.
Итак, в телевизионном вещании для передачи сигналов изо-
бражения и звука применяются два раздельных передатчика. За-
метим, что в СССР разнос по частоте Af несущих частот изобра-
жения fH.H3 и звука fH.3B равен 6,5 МГц, номинальное значение по-
лосы частот радиоканала ТВ 8 МГц, отношение мощностей пере-
датчиков изображения и звука принято равным 10:1.
Если продетектировать AM колебание с частично подавленной
боковой полосой, то амплитудные соотношения между составля-
ющими сигнала изображения будут нарушены: низкочастотные со-
ставляющие в полосе 0 ... 1,25 МГц, передаваемые двумя боко-
выми полосами, окажутся по амплитуде в 2 раза больше высоко-
частотных (1,25 ... 6, 375 МГц), ибо эти последние передаются
лишь одной боковой полосой. Для исключения этих искажений
должны быть приняты соответствующие меры в телевизионном
приемнике. На рис. 11.26,6 показана упрощенная структурная схе-
ма трактов изображения и звука, а на рис. 11.27 — амплитудно-
частотные характеристики (АЧХ) радиоканала (ВЧ-УПЧИ), уси-
лителя промежуточной частоты (УПЧИ), предназначенного для
совместного усиления сигналов изображения и звукового сопро-
вождения, и так называемая характеристика верности. Она пред-
367
Рис. 11.27. Амплитудно-частотная характеристика радиоканала (а), тракта уси-
лителя промежуточной частоты изображения (б) и характеристика верности (в)
телевизионного приемника
ставляет собой АЧХ тракта передачи радиосигнала изображения
от модулятора передатчика до нагрузки детектора приемника и
имеет плоскую форму в полосе частот 0 ... 6,0 МГц.
В приемнике (рис. 11.26,6 и 11.27,а) уровень несущей изобра-
жения /н.нз ослабляется на 6 дБ, уровень спектральных составля-
ющих, расположенных в полосе ^н.из±0,75 МГц, изменяется ли-
нейно, а затухание на частотах [низ—0,75 МГц и /4^4-6,375 МГц
равно 20 дБ относительно спектральных составляющих полосы
Сн.из+0,75) ... (fH.B3+6,0) МГц. При выполнении этих условий на
выходе видеодетектора ВД обеспечивается восстановление в сиг-
нале изображения всех его спектральных особенностей, которые
имели место на входе передатчика. Частота гетеродина в телевизи-
онном приемнике выбирается выше несущей частоты изображения
^н.из- Поэтому спектр полного телевизионного сигнала после сме-
сителя инвертируется (рис. 11.27,6) так, что промежуточная ча-
стота несущей изображения /пч.нэ оказывается выше промежуточ-
ной частоты несущей звука ^Пч.зв- При этом ^Пч.из=38 МГц, а
fn4.3B=31,5 МГц. В УПЧИ одновременно усиливается частотно-
модулированное колебание сигнала звукового сопровождения.
Чтобы исключить возникновение паразитной AM, формируют го-
ризонтальный участок на АЧХ УПЧИ шириной не менее 300 кГц
в области промежуточной частоты несущей звукового сопровож-
дения, равной 31,5 МГц.
С выхода УПЧИ сигнал звукового сопровождения подается на
звуковой тракт телевизионного приемника, где с помощью детекто-
ра биений переносится в область второй промежуточной частоты,
равной 6,5 МГц, далее усиливается в УПЧЗ, детектируется (ЧД),
после чего поступает на усилитель звуковой частоты УЗЧ и вос-
производится громкоговорителем Гр. Электрические параметры
368
канала звукового сопровождения соответствуют высшему классу
качества (ГОСТ 11515—75), однако не могут быть в полной мере
реализованы из-за низкого качества в серийно выпускаемых моде-
лях телевизионных приемников УЗЧ и акустических систем.
11 11.2. СИСТЕМЫ ВЕЩАТЕЛЬНОГО ТЕЛЕВИДЕНИЯ
СО СТЕРЕОФОНИЧЕСКИМ ЗВУКОВЫМ
СОПРОВОЖДЕНИЕМ
Задача стереофонического звукового сопровождения телевизи-
онных передач все еще находится на стадии решения. Пока еди-
ной стандартизованной системы, рекомендованной МККР для при-
менения в ТВ, не существует.
В СССР определенные достоинства для применения в трактах
вторичного распределения телевизионных программ имеет система
с полярной модуляцией, аналогичная применяемой в радиовеща-
нии (см. рис. 11.15). Здесь вторая гармоника частоты строчной
развертки fCTp равна частоте поднесущей fnil (2fCTp = fnH=
=31,25 кГц) и синхронизирована с ней. Их гармоники образуют
ряд частот: 0; 15,625; 31,25; 46,875; ... кГц, кратных частоте строч-
ной развертки fCTp=15,625 кГц. Частоты fnH и 2fCTp образуют нуле-
вые биения, а вторая частота из этого ряда 15,625 кГц лежит в
области малой чувствительности уха и поэтому незаметна на слух.
Биения между гармониками строчной развертки и частотами над-
тональной части КСС устраняют несложными дополнительными
фильтрами. Наличие биений с частотами 2,1 и 2,25 МГц между
первой промежуточной частотой сигнала звукового сопровождения
(31,5 МГц) и промежуточными частотами сигналов цветности
(38—4,406 МГц и 38 — 4,25 МГц) ухудшает качество изображе-
ния, являясь причиной появления на нем темных и светлых полос
в такт со звуковым сопровождением. Меры борьбы с этим явле-
нием состоят в повышении линейности тракта УПЧ и применении
дополнительных режекторных фильтров, не пропускающих в ви-
деотракт эти частоты преобразования.
Наилучшие результаты обеспечивает телевизионный приемник
с параллельными трактами, где путем фильтрации обеспечивается
разделение сигналов изображения и звука после преобразователя
частоты.
Спектр КСС системы с пилот-тоном (разработана фирмой
Zenith США) показан на рис. 11.28,а. Низкочастотную часть КСС
образует сумма сигналов стереопары Л4=Л-|-П, каждые с поло-
сой 50 ... 15 000 Гц; надтональная часть представляет собой AM
колебание. При этом частота поднесущей /Пн=2/стр=31,468 кГц.
Модулирующим сигналом является разностный S=JI—П также с
полосой частот 50 ... 15 000 Гц. Поднесущая подавлена полно-
стью, для ее восстановления на приемной стороне введен пилот-
тон с частотой 15,734 кГц. Сигнал S здесь подвергается компрес-
24—6697 369
м=л+л
ЧВ1-коле6ание ЧМ-колеВание
---+^+ ~1СД7аБ
чм-колеБание
" л-п
° 0,04 12,0 31,25 5,кГи
В) Лм
^tl С 2 7птЧ(2\
в) ^нг+^пг
Рис. 11.28. Спектр сигналов стереофонического звукового сопровождения в систе-
мах Zenith (а), ЧМ-ЧМ (б), с двумя несущими (в)
сированию в компандерной системе типа dBx, обеспечившей вы-
игрыш в помехозащищенности для сигнала S около 30 дБ.
В системе фирмы Zenith организованы также два дополнитель-
ных канала: один из них служит для передачи сигналов вещания
(имеет полосу частот 50 ... 10 000 Гц), второй—для передачи
сигналов служебной информации (его полоса частот равна 300 ...
... 3400 Гц при передаче речевых сигналов и 0 ... 1500 Гц при
передаче данных). Несущие частоты этих дополнительных кана-
лов соответственно равны 5/стр и 5,5/Стр. Общая полоса частот,
занимаемая КСС, с учетом дополнительных каналов составляет
около 120 кГц. Этим сигналом моделируется по частоте несущая
звукового сопровождения, отстоящая от несущей изображения на
5,5 МГц.
Схема формирователя КСС (без дополнительных каналов),
используемая в системе фирмы Zenith (рис. 11.29,а), содержит
фильтры нижних частот ФНЧ с частотой среза 15 кГц; суммарно-
разностный преобразователь СРП; цепь внесения предыскажений
RC с постоянной времени т=75 мкс (включена в тракт сигнала
Л+П); компрессор К типа dBx (в цепи разностного сигнала S=
= Л—П); ограничители уровня ОУ, необходимые для исключе-
ния перекрестной модуляции и возможной интерференции сигна-
лов; перемножитель сигналов ПС; сумматоры S; цепь формиро-
вания пилот-тона fnT, содержащую последовательно включенные
формирователь частоты ФЧ и два делителя ДЧ; и ДЧг, осущест-
вляющие деление частоты на 2; выходной фильтр нижних частот
ФНЧ] и коммутаторы Ki и Кг- Здесь используется суммарно-раз-
370
Рис. 11.29. Структурные схемы тракта формирования КСС (а) и звукового трак-
та телевизионного приемника (б) системы Zenith
ностный метод формирования КСС, уже подробно описанный ра-
нее.
Стереодекодер изображен на рис. 11.29,6. На выходе частот-
ного детектора звукового тракта телевизионного приемника имеем
сигнал, спектр которого показан на рис. 11.28,а. Этот сигнал по-
ступает на полосовой фильтр ПФ, далее на детектор АД и после
него через коммутатор Ki-i на экспандер Э типа dBx, на выходе
которого получаем разностный сигнал 3=Л—П. Кроме того, вход-
ной сигнал поступает на ФНЧ и далее на цепь коррекции преды-
скажений ЦКП (оба устройства обычно совмещены). Выделенные
таким образом сигналы Л4=Л+П и 5=Л—П поступают на СРП,
после которого восстановленные и усиленные в УЗЧ левый и пра-
вый сигналы стереопары воспроизводятся соответствующими
громкоговорителями Tpi и Гр2. Заметим, что телевизионный при-
емник имеет также тракт для выделения сигнала второго звуко-
вого канала ВЗК (50 ... 10 000 Гц), содержащий свой полосовой
фильтр ПФЬ детектор Д, фильтр нижних частот ФНЧ] с частотой
24* 371
среза 10 кГц. Телевизионный приемник имеет цепи коммутации
Ki—I и Ki-2, а также переключатель звукового канала, располо-
женный в УЗЧ. Тракт ВЗК здесь не показан. В системе Zenith
переходное затухание между каналами стереопары 40 дБ, отно-
шение сигнал-шум в канале Л—П около 50 дБ при отсутствии
компандера dBx (что соответствует примерно данным, обеспечи-
ваемым в системе с полярной модуляцией) и около 65 дБ (при
наличии dBx); значение Кг не превышает 1%.
В Японии для передачи сигналов звукового сопровождения ис-
пользуется адаптированный к ТВ вариант ЧМ-ЧМ системы ра-
диовещания. Отличие от последней состоит в изменении частоты
поднесущей f„H (рис. 11.28,6). Индекс частотной модуляции здесь
уменьшен (тчм^0,5). Поэтому с энергетических позиций система
неоптимальна. Уровень поднесущей в пять раз превышает уро-
вень боковых составляющих ЧМ колебания, являющегося над-
тональной частью КСС. Сигнал S подвергается компандированию
(0сж=О,5). По экспериментальным данным система обеспечивает
переходное затухание не менее 44 дБ при отношении сигнал-шум
в тракте Л-|-П и Л—П не хуже 46 дБ и коэффициенте гармоник
не более 5%, полоса передаваемых частот 40 ... 12 000 Гц. Эти
параметры не следует считать достаточно высокими.
Страны Западной Европы наибольшее предпочтение отдают
системе, разработанной и внедряемой в ФРГ. Она предусматри-
вает три режима: моно, стерео, звуковое сопровождение на двух
языках. С помощью основной (первой) несущей звукового сопро-
вождения f„i, отстоящей от несущей изображения на 5,5 МГц
(±500 Гц), передается сигнал М'= (Л+П) /2. На дополнительной
(второй несущей) fH2, отстоящей от несущей изображения на
5,7421875 МГц (±500 Гц), передается сигнал Л. Частоты fHi и
/нг разнесены на расстояние 15,5 /стр. Звуковой сигнал модулирует
несущие по частоте. Уровень первой (рис. 11.28,б) несущей звука
/и1 уменьшен относительно несущей изображения на 13 дБ, а вто-
рой fH2 — на 20 дБ. Помехозащищенность сигналов М' и Л при-
мерно одинакова. Телевизионный приемник с монофоническим зву-
ковым трактом принимает только сигнал М'. Для автоматическо-
го опознавания режима работы передатчика введен пилот-сигнал.
Его частота выбрана равной 54,6875 кГц±5 Гц. В режиме моно
модуляция пилот-сигнала отсутствует; в стереорежиме частота
модуляции пилот-сигнала 117,5 Гц; при передаче информационной
программы на двух языках 274,1 Гц. Пилот-сигнал модулируется
по амплитуде, глубина модуляции составляет 50%. Пилот-сигнал
вводится в звуковой тракт канала Л и модулирует вторую несу-
щую /иг звукового сопровождения по частоте. Индекс ЧМ моду-
ляции для пилот-сигнала не превышает 0,5. Уровни левой и пра-
вой боковых частот модуляции второй несущей пилот-сигналом
ослаблены относительно уровня несущей на 36 дБ. Средняя де-
виация частоты каждой боковой составляющей пилот-сигнала
372
5,74 МГц
а)
__ гПФ^ЧД'^М
^^дагИ
33,4 МГц u п®4
33,158 МГц 5,74 МГц
33.158 МГ<1
в)
ЭК
г)
л
л
Рис. 11.30. Структурные схемы телевизионных приемников системы с двумя несу-
щими (ФРГ) в традиционном исполнении (а), квазипараллельной структуры (б)
с параллельными трактами изображения и звука (а) и декодирующей матрицы (г)
равна 1,67 кГц. Заметим, что этот способ требует для передачи
сигналов стереопары двух передатчиков.
Варианты построения звуковых трактов телевизионных прием-
ников для системы с двумя несущими изображены на рис. 11.30.
В первом из них (рис. 11.30,а) разделение трактов изображения и
звука выполнено после видеодетектора ВД. Вторые промежуточ-
ные частоты (5,5 МГц и 5,742 МГц) сигналов звукового сопро-
вождения выделяются соответственно полосовыми фильтрами ПФ1
и ПФ2; затем полученные сигналы детектируются частотными де-
текторами ЧД[ и ЧД2, на выходах которых образуются сигналы
А4' и Л. Недостатком такой структуры является значительное чис-
ло комбинационных составляющих на выходе видеодетектора.
Часть из них лежит в полосе частот видеосигнала и поэтому не
может быть отфильтрована без ухудшения качества изображения.
Поэтому более предпочтительна структура (рис. 11.30,6), где
сигналы звукового сопровождения выделены уже в тракте проме-
жуточной частоты полосовыми фильтрами ПФ1 и ПФ2. Из спек-
тра полного телевизионного сигнала фильтрами ПФ] и ПФ2 выде-
ляются промежуточная частота несущей изображения (38,9 МГц)
и промежуточные частоты (33,4 МГц и 33,158 МГц) несущих зву-
кового сопровождения с продуктами модуляции. Эта смесь сиг-
налов поступает на дополнительный детектор ДД. Далее сигналы
звукового сопровождения по второй промежуточной частоте вы-
деляются полосовыми фильтрами ПФ3 (5,5 МГц) и ПФ4
373
(5,742 МГц), детектируются (ЧД1 и ЧД2), образуя сигналы М' и
Л. На входе видеодетектора ВД обычно включают режекторные
фильтры (РФ) для подавления сигналов звукового сопровожде-
ния. Этот несложный прием позволяет обеспечить требуемое раз-
деление друг от друга трактов изображения и звука. Такая
структура построения ТВ приемника называется квазипараллель-
ной. В каждом звуковом тракте обеспечивается уровень помех
не хуже —50 дБ.
Параллельная структура построения трактов изображения и
звука показана на рис. 11.30,в. Сигналы звукового сопровожде-
ния отделяются полосовыми фильтрами ПФ1 и ПФ2 после пре-
образования частоты. Средние частоты полос пропускания этих
фильтров соответственно равны 33,4 МГц и 33,158 МГц. При
этом особое внимание должно быть обращено на стабильность
гетеродина.
Структурная схема декодирующей матрицы сигналов М' и Л
телевизионного приемника показана на рис. 11.30,г. Заметим, что
переключение режима работы телевизионного приемника (моно,
стерео, двухречевое сопровождение) осуществляется электронным
коммутатором ЭК. Его работой управляет пилот-сигнал fnc.
В системе с двумя несущими (ФРГ) полоса частот каждого
канала составляет 40 ... 15 000 Гц, коэффициент гармоник не
более 0,5%, переходное затухание между каналами не менее
55 дБ, отношение сигнал-шум не хуже 56 дБ.
Контрольные вопросы
1. Что называют зоной обслуживания радиовещательного передатчика?
2. Какие условия должны выполняться на границе зоны обслуживания?
3. Перечислите преимущества и недостатки работы радиовещательных стан-
ций в совмещенном частотном канале, в синхронной сети, в разных частотных
каналах.
4. Какими показателями вещательной передающей сети определяется требуе-
мое количество частотных каналов?
5. Перечислите особенности организации радиовещания в разных диапазо-
нах волн.
6. Почему при использовании однополосной модуляции в КВ радиовещании
изменяется характер искажений воспроизводимого сигнала?
7. Поясните преимущества синхронного радиовещания. Опишите особенно-
сти зоны искажений.
8. Сравните два способа синхронизации несущих: частотный и фазовый. Оп-
ределите лучший.
9. Почему для организации стереофонического радиовещания выбран мет-
ровый диапазон волн?
10. Что называется комплексным стереофоническим сигналом? Как выглядит
спектр КСС для стандартизованных систем стереофонического радиовещания?
Как обеспечивается совместимость стереопередачи?
11. Чем отличается полярно-модулированное колебание (ПМК) от КСС?
Для чего ПМК преобразуется в КСС и наоборот? Всегда ли эта операция вы-
полняется?
374
12. Нарисуйте структурную схему радиоканала системы стереофонического
радиовещания. Каково назначение цепи предыскажений? Почему поднесущая
частота в спектре КСС подавляется частично или полностью?
13. Поясните причины снижения переходного затухания между каналами
стереопары при радиоприеме.
14. Поясните суммарно-разиостный и ключевой методы формирования КСС.
15. Составьте основные структурные схемы стереодекодеров для системы с
полярной модуляцией и с пилот-тоном.
16. Каковы преимущества цифровых методов формирования и декодирова-
ния КСС? Приведите примеры выполнения таких цифровых устройств.
17. Назовите основные предпосылки внедрения стереофонии в диапазоны с
амплитудной модуляцией, например в диапазон СВ. Каковы требования, предъ-
являемые к этим системам?
18. Составьте структурные схемы передающей станции и радиоприемного уст-
ройства для систем стереофонического радиовещания с двойной и квадратурной
модуляцией, применяемых в СВ-диапазоне.
19. Как обеспечивается совместимость систем стереофонического радиовеща-
ния в диапазонах МВ и СВ? Почему квадратурная модуляция не применяется
в своем классическом виде?
20. Как организуются звуковые тракты в стандартных системах вещатель-
ного телевидения?
21. Составьте структурные схемы формирователя КСС и стереодекодера си-
стемы Zenith. Поясните назначение применяемой здесь компандериой системы.
22. Каковы основные варианты выполнения акустических систем в телеви-
зионных приемниках со стереофоническим звукосопровождением?
Глава 12. ПРОВОДНОЕ ВЕЩАНИЕ
12.1. ПОСТРОЕНИЕ СЕТИ
ПРОВОДНОГО ВЕЩАНИЯ
Системой проводного вещания называется комплекс
устройств, предназначенный для доведения программ звукового
вещания по проводам большому числу слушателей. Проводное
вещание (ПВ) осуществляют с помощью узлов проводного веща-
ния (УПВ). Оборудование УПВ делится на станционное, линей-
ное и абонентское. Станционные устройства служат для усиле-
ния сигнала источника программы до требуемого уровня, а так-
же для преобразования его в удобную для передачи форму. На
станциях размещают усилители, передатчики, коммутационно-
распределительное оборудование, устройства дистанционного уп-
равления и контроля.
Линейное оборудование состоит из линий различного назначе-
ния (магистральных, распределительных, абонентских) и пони-
жающих трансформаторов, абонентское (приемное)—из або-
нентских устройств (АУ), включающих громкоговорители (в си-
стеме трехпрограммного ПВ — приемное устройство), абонент-
скую проводку и ограничительные резисторы. Линейное и або-
375
Рис. 12.1. Структурные схемы одно- (а), двух- (б) и трехзвенной (в) сети про-
водного вещания
нентское оборудование образуют распределительную сеть (или
сеть) проводного вещания.
Узлы проводного вещания классифицируют по способу пита-
ния распределительных сетей, принципу построения и числу пе-
редаваемых программ. Узлы, в которых напряжение сигнала в
распределительную сеть подается от усилительных устройств и
передатчиков, сосредоточенных в одном станционном сооруже-
нии, построены по централизованной схеме. В этих УПВ упроща-
ется задача энергоснабжения станции и обслуживания оборудо-
вания. Эксплуатация одной крупной станции экономически более
выгодна. Недостатки схемы — сложность распределительной сети
ПВ и меньшая ее эксплуатационная надежность. При децентра-
лизованном построении УПВ мощные усилительные устройства и
передатчики в пределах обслуживаемой территории рассредоточе-
ны в различных районах на нескольких усилительных станциях.
Питание распределительной сети от нескольких станций повышает
ее надежность, так как выход из строя одной станции приводит
к нарушению работы лишь части системы ПВ. Построение рас-
пределительной сети проще. Недостатки—-сложная организация
энергоснабжения и большая стоимость станционных сооружений.
По принципу построения различают одно-, двух- и трехзвен-
ные сети проводного вещания.
Сети ПВ бывают одно- и многопрограммными. В последнем
случае применяют частотное разделение каналов.
Однозвенными (рис. 12.1,а) называют сети, при построении
которых от усилительной станции УС напряжение сигнала по-
дается непосредственно на абонентские линии АЛ, а от послед-
них на абонентские устройства АУ. Номинальное напряжение
звуковой частоты на входе АУ 30 В (для отдельных районов
Москвы 15В).
Двухзвенная сеть (рис. 12.1,6) включает линии более высо-
кого напряжения (в городах 240 или 120 В)—распределитель-
ные фидеры РФ, с помощью которых энергию сигналов веща-
376
тельных программ можно передавать на более далекие расстоя-
ния. К каждому РФ абонентские линии подключают через пони-
жающие абонентские трансформаторы АТ. Трехзвенная сеть
(рис. 12.1,в) содержит дополнительные звенья: высоковольтные
магистральные фидеры МФ, номинальное рабочее напряжение
на которых 480, 680 или 960 В, и трансформаторные подстанции
ТП. Фидерные линии с высоким номинальным напряжением сиг-
нала программы вещания необходимы для уменьшения потерь в
протяженных распределительных сетях ПВ. Трансформатор-
ные подстанции предназначены для понижения напряжения, по-
ступающего с МФ на распределительные шины РФ, до 240 или
120 В.
Применение той или иной сети ПВ определяется площадью
и конфигурацией обслуживаемой территории, количеством и
плотностью распределения абонентских устройств по территории.
В городах и сельской местности эти показатели различны, по-
этому различают городские и сельские узлы проводного вещания.
Рекомендуют следующее построение городской сети ПВ: цен-
трализованная система с однозвенной сетью для небольших на-
селенных пунктов, отдельных зданий (санатории, дома отдыха
и т. п.) и промышленных предприятий; централизованная систе-
ма с двухзвенной сетью для небольших городов с населением
50. ..100 тыс. чел. и числом абонентов 10. ..20 тыс; децентра-
лизованная система с двух- или трехзвенной сетью для городов
с населением до 150... 200 тыс. чел.; децентрализованная система
с трехзвенной сетью во всех городах с населением свыше 200 ...
... 250 тыс. чел.
Конфигурацию распределительной сети выбирают на основе
технико-экономического сравнения различных вариантов.
В децентрализованном городском УПВ с трехзвенной распре-
делительной цепью (рис. 12.2) усилительные устройства и пере-
датчики в пределах обслуживаемой территории рассредоточены
на несколько усилительных станциях, называемых опорными
ОУС. Подача программ на все ОУС, дистанционное управление
и контроль за их работой и работой трансформаторных подстан-
ций ТП осуществляются с центральной станции проводного ве-
щания ЦСПВ по соединительным линиям СЛ и СЛТК,
в качестве которых используют телефонные пары город-
ской телефонной станции (ГТС). Часто одну из ОУС территори-
ально совмещают с ЦСПВ. Образованный комплекс называют
центральной усилительной станцией (ЦУС). Каждая ОУС маги-
стральными фидерами МФ соединена с несколькими понижаю-
щими трансформаторными подстанциями. Система имеет воз-
можность резервирования, т. е. каждая ТП получает питание от
двух ОУС. При повреждении одного МФ ТП автоматически пе-
реключается на резервный магистральный фидер РМФ. При вы-
ходе из строя ОУС ТП переключается на другие ОУС. Если
377
РФ
Рис 12 2 Структурная схема децентрализованного городского УПВ с трехзвен.
ной сетью
какая-нибудь ТП находится на большом расстоянии от ОУС, то
строят резервную усилительную станцию — блок-подстанцию БП,
которая включает и подает энергию сигнала программы вещания
на ТП тогда, когда основная фидерная линия или ОУС выходят
из строя.
В большинстве городов систему ПВ строят по радиальному
принципу, т. е. каждая ОУС с помощью СЛ непосредственно со-
единяется с ЦСПВ. Эта система наиболее проста и применяется
при малом числе управляемых ОУС, расположенных на неболь-
шом расстоянии от ЦСПВ. В крупных городах (Москва и Ленин-
град) число ОУС велико, расстояние между ОУС и ЦСПВ часто
превышает допустимую длину СЛ, поэтому включают промежу-
точные усилители. В этом случае УПВ выполняют по радиально-
узловому принципу, что обеспечивает подачу программ вещания
как непосредственно с ЦСПВ на ОУС, так и через соседние уси-
лительные станции.
Средняя длина МФ и РФ в больших городах примерно 1,5 км.
К одной ТП подключают 6 ... 10 РФ. Средняя нагрузка на один
РФ — 1000 АУ. Требуемая мощность ТП при средней нагрузке
104 АУ примерно 5 кВт. От одной УС обычно напряжение сиг-
нала подается к нескольким ТП (2 до 7).
Суммарное затухание напряжения в сети ПВ от выхода мощ-
ного вещательного усилителя до розетки, установленной у або-
нента, не должно превышать 4 дБ на частоте 1000 Гц, при этом
допустимое затухание для МФ 1 ... 2 дБ, для РФ 2 ... 3 и для
АЛ 1 дБ.
378
Рис. 12 3 Структурная
схема тракта трехзвен-
ной сети и диаграмма
электрических уровней
однопрограммной сети
ПВ для частоты сигнала
1000 Гц
Структурная схема тракта трехзвенной сети системы одно-
программного ПВ и диаграмма электрических уровней по напря-
жению для частоты сигнала 1000 Гц показаны на рис. 12.3. От-
счет уровней ведется от N=0 дБ (0,775 В). Уровень напряжения
на выходе ЦСПВ по нормам, установленным для СЛ, должен
соответствовать 15 дБ (4,4 В). В конце второй СЛ (на входе
ОУС) уровень напряжения должен быть не менее 0 дБ и на ОУС
повышается до 62 дБ (960 В). На МФ уровень напряжения па-
дает на 1 ... 2 дБ и на входе ТП составляет 60 ... 61 дБ. Транс-
форматорная подстанция понижает уровень напряжения до 50 дБ
(при номинальном рабочем напряжении 240 В). Абонентский
трансформатор АТ рассчитан на передачу спектра звуковых час-
тот и понижает напряжение до 32 дБ (30 В). Затухание в або-
нентской линии (АЛ) 1 дБ.
Двух- и трехзвенная сети ПВ оборудуют устройствами ди-
станционного управления и контроля, блокировки и защиты, с
помощью которых можно с ЦСПВ включать ОУС (БП), пере-
ключать рабочие и резервные фидеры, контролировать качество
передачи вещательного сигнала вплоть до входа РФ. Комплекс
коммутационно-распределительной аппаратуры управления и
контроля содержит: статив управления и контроля трансформа-
торными подстанциями (УКТП), размещаемый на ЦСПВ; статив
выходной коммутации (СВК,) устанавливаемый на ОУС; статив
трансформаторной подстанции (СТП) и статив распределитель-
ных фидеров (СТР), устанавливаемые на ТП. Стативы СВК,
СТП, СТР позволяют полностью автоматизировать работу сети
ПВ.
Сеть ПВ в городах включает столбовые и стоечные воздуш-
ные линии, изготовленные в основном из стальных или биметал-
лических проводов. Абонентские линии практически отсутствуют.
В районах новостроек их заменяют внутридомовыми сетями.
В сельской местности наряду с воздушными линиями применяют
и кабельные, которые повышают эксплуатационную надежность,
улучшают параметры качества сети.
379
Сельский УПВ, как правило, обслуживает несколько удален-
ных друг от друга населенных пунктов. Число абонентских
устройств, приходящихся на километр линии (удельная плотность
АУ), в сельской местности весьма мало — в среднем 13, что обу-
словливает большую протяженность сети ПВ и малый КПД.
Рентабельность подобных УПВ низка. В настоящее время наме-
чены пути повышения рентабельности и параметров качества
сельского УПВ. Сельская система ПВ должна быть образована из
отдельных независимых объединений, состоящих из обслуживае-
мого УПВ (с двухзвенной распределительной сетью), находяще-
гося в районном центре, и автоматических УПВ, рассредоточен-
ных по всей территории района. Управление и контроль автома-
тизированных УПВ осуществляют из обслуживаемого УПВ.
Автоматизированный УПВ обслуживает населенные пункты,
принадлежащие к одному или двум хозяйствам. В состав УПВ
входят: мощные усилители, сеть ПВ, автоматика, обеспечиваю-
щая выполнение команд по дистанционному включению, выклю-
чению, переключению усилительных устройств и нагрузки; резерв-
ный канал для подачи программ и сигналов управления; резерв-
ный источник энергоснабжения. Сигналы программ вещания по-
даются на УПВ по радиоканалу МВ-ЧМ станции или по линиям
сельской телефонной связи. Разукрупнение УПВ позволяет
уменьшить протяженность распределительных линий и постепен-
но перейти на трехпрограммное ПВ, которое в сельской местно-
сти основано на тех же принципах, что и городское.
12.2. МНОГОПРОГРАММНЫЕ СИСТЕМЫ
ПРОВОДНОГО ВЕЩАНИЯ
Многопрограммное проводное вещание (МПВ) можно орга-
низовать в спектре звуковых частот или путем переноса спектра
в высокочастотную область. В первом случае сигналы программ
передаются по многопарной линии в полосе звуковых частот, во
втором — в многоканальной системе передачи используется час-
тотное разделение каналов. В спектре звуковых частот на пере-
дающей стороне, как и в системе однопрограммного ПВ, сигналы
программ вещания при подаче в линию имеют высокий уровень.
В абонентском устройстве устанавливают переключатель выбора
программ. Этот метод МПВ применяется в Англии и Голландии.
В Голландии, например, по четырехпарным кабелям передаются
сигналы четырех программ звукового вещания. В Австрии, Ита-
лии, Испании и Швеции распространена система многопрограм-
много вещания по городским телефонным сетям. Сигналы про-
грамм вещания передаются в диапазоне 150 ... 350 кГц методом
AM.
Существующие системы МПВ по телефонным сетям имеют
сходную структуру сети и однотипную аппаратуру. Передатчики
380
устанавливают только на одной станции городской телефонной се-
ти. Радиосигналы с выходов передатчиков подводятся к общим
шинам и с помощью станционных фильтров подключения (СПФ),
состоящих из фильтров нижних (ФНЧ) и верхних (ФВЧ) частот,
направляются в распределительную сеть ГТС. Фильтры нижних
частот препятствуют прохождению радиосигналов в аппаратуру
телефонной станции, а также устраняют действие помех, вызван-
ных коммутациоными приборами этой станции; фильтры верхних
частот препятствуют проникновению телефонных сигналов зву-
ковых частот в высокочастотную аппаратуру. На входе АУ (в
конце абонентской линии) по тем же причинам устанавливают
подобные ФНЧ и ФВЧ.
С учетом допустимого затухания в распределительной сети
ГТС и возможности использования вещательных радиоприемни-
ков для организации МПВ используют частоты длинноволнового
диапазона 150 ... 350 кГц. На всех остальных телефонных стан-
циях, которые могут быть промежуточными или оконечными, ус-
танавливаются усилители радиочастоты (УРЧ), корректирующие
контуры, согласующие устройства и фильтры.
Примером системы МПВ по телефонным сетям является ше-
стипрограммная итальянская система. Сигналы программ веща-
ния передаются на несущих частотах 178, 211, 244, 277, 310,
343 кГц методом AM. Использование диапазона ДВ позволяет
наряду со специальными приемными устройствами использовать
обычные радиовещательные приемники, имеющие ДВ-диапазон.
Передача программ вещания ведется по высшему классу качест-
ва. Приемные устройства имеют фиксированную настройку.
В СССР также ведутся работы по использованию городских те-
лефонных сетей для звукового вещания.
Систему ПВ можно организовать на базе телевизионной рас-
пределительной сети. Интерес к системе телевизионного провод-
ного вещания вызван следующими причинами: ограниченностью
числа телевизионных каналов; наличием помех при приеме теле-
визионных сигналов в крупных городах с многоэтажными здания-
ми с железобетонным каркасом (многочисленные отражения от
зданий создают «повторы» изображения, а в зданиях, находящихся
в зоне радиотени, в значительной степени падает напряженность
поля); эстетическими требованиями архитектуры отказаться от
индивидуальных антенн.
Появляются коллективные системы распределения телевизи-
онных сигналов, коллективные антенны и сети проводного теле-
визионного вещания, охватывающие дом, квартал и даже микро-
район города. Такие сети, естественно, можно использовать и для
передачи программ звукового вещания.
Рассмотрим систему звукового и телевизионного проводного
вещания, в которой распределительная сеть выполнена из мно-
гопарного симметричного кабеля. По каждой паре кабеля сиг-
381
налы телевизионной программы передают на несущей частоте, а
сигналы программы звукового вещания — в спектре звуковых ча-
стот. Вследствие большого разноса частотных диапазонов сигна-
лов телевидения и звукового вещания устройство подключения
может состоять только из катушки индуктивности и конденсато-
ра. Абонентские устройства подсоединяют к каждой паре кабеля
через устройство подключения, состоящее из автотрансформато-
ра и конденсатора. Для сигналов звуковой частоты сопротивле-
ние индуктивности незначительно, поэтому влиянием этих эле-
ментов на прохождение сигналов программ звукового вещания
можно пренебречь.
Применяя отдельные пары для передачи сигналов телевизи-
онных программ, можно использовать одну несущую частоту.
В этом случае в абонентском телевизионном приемнике избира-
тельные устройства отсутствуют. Для приема программ звуково-
го вещания можно использовать обычный громкоговоритель. Вы-
бор программ осуществляется с помощью переключателя. Подоб-
ная система применяется в Англии.
Дальнейшее развитие сетей ПВ, возможно, пойдет по пути
создания совмещенных систем, в которых будут использоваться
кабельные коммуникации ГТС и проводного ТВ.
12.3. СИСТЕМА ТРЕХПРОГРАММНОГО
ПРОВОДНОГО ВЕЩАНИЯ
Разработанная в 20-х годах система ПВ развивалась как од-
нопрограммная. При разработке системы МПВ экономически
наиболее приемлемым оказался вариант организации многопро-
граммного вещания на базе сети однопрограммного ПВ с частот-
ным разделением каналов.
Исследования показали, что по этим сетям в отведенном диа-
пазоне частот (30 Гц ... 130 кГц) можно организовать лишь три
канала звукового вещания. Частотное уплотнение сетей ПВ боль-
шим числом каналов вещания приводит к увеличению переход-
ных помех между ними.
Одна программа (обычно первая программа центрального ве-
щания) передается сигналами звуковой частоты с высоким уров-
нем напряжения в полосе звуковых частот 50 ... 10 000 Гц для
линий первого класса и 100. ..6000 Гц для линий второго клас-
са. Для передачи двух других программ используют токи высо-
кой частоты (рис. 12.4). Несущую частоту выбирают из следую-
щих соображений. Разнос частот несущих должен быть как мож-
но большим. При этом упрощается высокочастотная часть при-
емника, который можно выполнить по схеме прямого усиления
с простыми и дешевыми фильтрами. С понижением несущей ча-
стоты возрастает уровень помех со стороны низкочастотного ка-
382
нала, а с ее возрастанием уве-
личивается затухание радио- . ।
сигнала в распределительной______________ГхЕхИ
сети. С учетом приведенных о,О5 10 72 78 84 11* 120126
выше соображений в каче- ,к
Стве несущих частот второй Рис. 12.4. Спектр сигналов системы ТПВ
и третьей программ выбра-
ны частоты 78 и 120 кГц, которые передаются с более низ-
кими уровнями. Максимальное напряжение несущей частоты в
начале тракта (на входе МФ) 120 В, минимальное напряжение
несущей на АУ не должно быть ниже 0,25 В. Используется ам-
плитудная модуляция. Высшая модулирующая частота 6 кГц, что
соответствует второму классу качества.
Высокочастотный тракт системы ТПВ, как и однопрограм-
мной СПВ, также содержит станционную, линейную и приемную
части (рис. 12.5,а). Однако функции этих частей значительно
расширены. Станционная часть дополнительно содержит устрой-
ства преобразования сигналов звуковых частот в радиосигналы,
ЦСПВ ОУС
Рис. 12.5. Структурная схема системы ТПВ (а) и диаграмма уровней (по напря-
жению) радиосигналов второй и третьей программ (б)
383
усилители мощности высокочастотных колебаний и устройства
подключения их к линейной части тракта. Линейная часть имеет
устройства, снижающие затухания радиосигналов. В функцию
приемной части дополнительно входит выбор программы, детек-
тирование AM сигналов и усиление сигналов звуковой частоты.
Сигналы звукового вещания с выхода КРА по соединительным
линиям СЛ поступают на входы усилителей У1 ... Уз, размещен-
ных на центральной станции проводного вещания. С выхода
ЦСПВ по СЛ сигналы поступают на опорную усилительную
станцию. На ОУС сигналы первой программы подаются на мощ-
ный усилитель У. Сигналы второй и третьей программ модули-
руют несущие колебания с частотами 78 и 120 кГц (соответствен-
но передатчики П78 и П120).
Усиленные до 960 В сигналы первой программы и до 120 В
радиосигналы второй и третьей программ с помощью устройства
подключения передатчиков УПП подаются на вход МФ.
На рис. 12.5,6 приведена диаграмма уровней напряжения ра-
диосигнала второй или третьей программы. На ОУС уровень на-
пряжения радиосигнала после передатчика составляет 44 дБ и
соответствует 120 В. В конце МФ под влиянием вносимых линией
затуханий уровень понижается на 2 дБ и на входе ТП равен
42 дБ (98 В). Распределительная фидерная линия для радиосиг-
налов имеет значительно большее затухание (20 дБ), чем для
сигнала первой программы вещания, и на входе АТ уровень сни-
жается до 12 дБ (3 В). На АТ уровень радиосигнала понижается
на 10 дБ, абонентская линия вносит затухание 12 дБ, и на вход
трехпрограммного АУ поступает сигнал с уровнем напряжения —
12 дБ (0,25 В).
Линии и трансформаторы сетей ПВ вносят большие потери
при передаче сигналов второй и третьей программ. Так, на ча-
стотах радиосигналов 78 кГц и выше затухания напряжения в
линии длиной 5 км достигают 20 дБ. Неоднородности линий (на-
пример, кабельные вставки и отводы) приводят к еще большему
затуханию. При передаче радосигналов второй и третьей про-
грамм КПД трансформаторов уменьшается в несколько раз по
отношению к КПД на частотах звукового диапазона.
Для уменьшения затухания радиосигналов и получения в каж-
дой линии ПВ режима бегущей волны проводится высокочастот-
ная обработка сетей ПВ с помощью специальных дополнитель-
ных устройств. Для уменьшения затухания радиосигналов в сетях
ПВ при их подготовке к введению ТПВ применяют устройства
подключения передатчиков (УПП), обходные устройства ТП
(ОУТП), обходные устройства АТ (ОУАТ).
Схема подключения передатчиков второй и третьей программ к сети ПВ по-
казана на рис. 12.6. Напряжение звуковой частоты сигналов первой программы
поступает в МФ со вторичной обмотки фидерного повышающего трансформато-
ра ФПТ через вторичную обмотку высокочастотного трансформатора УПП.
384
Рис. 12.6. Схема подключе-
ния передатчиков второй и
третьей программ к сети
тпв
Вторичная обмотка выполнена из двух секций (Lj/2, L2/2), включенных в
оба провода МФ. Передатчики второй и третьей программ подключают к транс-
форматору через конденсаторы Сз . Сь, при этом конденсаторы С4 и С6 оказы-
вают малое сопротивление радиосигналам частотой 78 кГц и выше. Передатчик
второй программы нагружен на параллельный контур L3, Сз+Cs, настроенный
на частоту 78 кГц. Нагрузкой для передатчика третьей программы является
контур L3C3 с резонансной частотой 120 кГц.
Последовательные контуры LiCt (Li', С/) и L2C2 (L2'C2) настроены на
частоты соответственно 120 и 78 кГц и представляют малые сопротивления для
токов этих частот С помощью последовательных контуров передатчик второй
программы П78 защищен от радиосигналов третьей программы, передатчик
третьей программы П120 — от радиосигналов второй программы, а выход уси-
лителя — от радиосигналов обеих программ.
Обходные устройства трансформаторных подстанций и абонентских транс-
форматоров выполняют две функции:
обеспечивают передачу энергии радиосигналов второй и третьей программ
вещания на распределительные фидерные и абонентские линии сети ПВ и обход
трансформаторов звуковых частот, которые вносят большие затухания для
токов этих частот;
обеспечивают режим работы магистральных фидерных линий, близкий к со-
гласованному, т. е. к режиму бегущей волны.
Устройство подключения трансформаторной подстанции (УПТП) состоит из
режекторных фильтров магистрального фидера РФМ и распределительного фи-
дера РФР и обходного устройства трансформаторной подстанции ОУТП
(рис. 12 7,а). Режекторный фильтр построен по симметричной схеме и содержит
в каждом проводе по два параллельных контура, один из которых настроен на
частоту 78 кГц, другой — на частоту 120 кГц. Вследствие этого фильтр облада-
ет большим сопротивлением для токов радиосигналов н малым для сигналов
звуковых частот. Обходное устройство ТП представляет собой фильтр верхних
частот и обладает высоким сопротивлением для частот звукового спектра. Для
согласования волнового сопротивления магистрального фидера и входного со-
противления, параллельно подключенных к ТП распределительных фидеров, ко-
эффициент трансформации ОУТП выбран меньше единицы.
25—6697 ' 385
Рис. 12.7. Схема защитного и обходного устройств трансформаторных подстан-
ций (а) и абонентских трансформаторов (б) сети ТПВ
Для абонентских трансформаторов мощностью 5 и 10 Вт, включенных в
распределительную сеть здания, не обязательно подключать дополнительные уст-
ройства. Трансформаторы мощностью 25 Вт, питающие АЛ, к которым подклю-
чена нагрузка свыше 80% от номинальной, снабжаются обходным устройством
ОУАТ (рис. 12.7,6).
Включаемые в распределительную сеть ТПВ фильтры (РФМ, РФР) и об-
ходные устройства (ОУТП, ОУАТ) позволяют уменьшить затухание радиосиг-
налов. Однако применение только этих устройств еще недостаточно для обес-
печения требуемого режима работы линий. Для работы линий ПВ в режиме
бегущей волны требуются согласующие устройства СУ, которые подключают
к магистральным и распределительным фидерным линиям. Емкость кабельных
отводов линий компенсируют специальными устройствами. При затуханиях ра-
диосигнала в линии более 13 дБ, а также на отводах длиной менее 300 м режим
бегущей волны можно обеспечить без применения каких-либо дополни 1ельных
устройств.
В фидерных линиях с затуханием радиосигналов менее 13 дБ режим бегу-
щей волны достигается включением в конце линии (или в конце отвода длиной
300 м) /?С-шуита (рис. 12.8,а), обеспечивающего согласованный режим работы.
Активное сопротивление выбирается равным среднему значению модулей вол-
новых сопротивлений на частотах 78 и 120 кГц. Для снижения затухания в ди-
апазоне звуковых частот емкость конденсатора выбирают равной 0,02 мкФ. Пол-
ное сопротивление такого /?С-шунта равно волновому сопротивлению линии на
частотах 92 ... 100 кГц.
Если в распределительном фидере необходимо предусмотреть отвод, то для
ослабления влияния входного сопротивления отвода на распределение напряже-
ния вдоль фидера отвод подключают через высокочастотный трансформатор
(рис. 12.8,6) с коэффициентом трансформации п«2,2. В этом случае входное
сопротивление отвода примерно в пять раз превышает волновое сопротивление
фидера и не влияет на его основные параметры. Конденсатор небольшой емко-
сти обеспечивает «Разрыв» в диапазоне звуковых частот, вследствие чего сиг-
налы первой программы имеют малое затухание. Если воздушная фидерная ли-
ния имеет кабельные вставки, то в связи с нарушением однородности возникает
отраженная волна. Если кабельная вставка коротка, то ее можно рассматривать
как включение конденсатора между проводами, что дополнительно вызывает
увеличение затухания радиосигналов.
Для компенсации емкости кабеля до 2000 пФ между проводами фидерной
линии включают индуктивность L, которая совместно с емкостью кабеля об-
разует контур, настраиваемый на частоту 95 ... 99 кГц (рис. 12.8,в). Включенный
последовательно с L конденсатор С емкостью 0,02 мкФ предотвращает замыка-
ние через индуктивность токов звуковых частот первой программы.
386
Рис. 12.8. Схемы согласующих устройств
г)
я, пг
Если емкость кабельной вставки Ск более 2000 пФ, то применяют более
сложное компенсирующее устройство (рис. 12.8,г). Резонансную частоту конту-
ра LiCi выбирают в интервале 120 кГц>/\>78 кГц, а резонансная частота кон-
тура L2C2 Ц<78 кГц. На частоте 78 кГц проводимость цепи имеет ем-
костный характер, а проводимость цепи L2C2— индуктивный. На частоте 120 кГц
проводимости обеих цепей имеют индуктивный характер. Цепи LiCi и L2C2
совместно с емкостью кабельной вставки Ск образуют параллельные контуры с
резонансными частотами 78 и 120 кГц.
Таким образом, на несущих частотах II и III каналов схема обеспечивает
компенсацию реактивного сопротивления кабельной вставки. Сопротивление па-
раллельного контура значительно выше волнового сопротивления линии, поэто-
му затухания радиосигналов невелики. Если емкость кабельной вставки 4000...
... 6000 пФ, то волновые сопротивления воздушной линии и кабельной вставки
необходимо согласовать с помощью автотрансформаторов (рис. 12.8,д') с пони-
жающим коэффициентом трансформации («!<]) при переходе с воздушной ли-
нией на кабельную и повышающим (п2>1) при переходе с кабельной линии на
воздушную.
12.4. РАСЧЕТ ЛИНИЙ
ПРОВОДНОГО ВЕЩАНИЯ
Электрические характеристики линий ПВ и трансформаторов
на звуковых частотах и радиочастотах второй и третьей про-
грамм различаются весьма сильно. Поэтому их рассчитывают
раздельно для каждого диапазона частот. При этом на звуковых
частотах определяют затухание и входное сопротивление линий,
коэффициент частотных искажений и мощность, требуемую для
питания линий ПВ.
Линии ПВ характеризуют параметрами, приходящимися на
1 км ее длины, или километрическими величинами. Это километ-
рическое активное сопротивление R„, Ом/км, индуктивность £л,
Гн/км, проводимость бл, См/км, емкость Сл, Ф/км. Полное сопро-
тивление линий длиной 1 км 2л==/?л-На)£л, а полная проводи-
мость_Ул— Сл+]юСл.
Если параметры линии не меняются вдоль линии, то линию на-
зывают однородной. Магистральные фидеры МФ и соединитель-
ные линии СЛ относятся к однородным линиям. Для расчета их
затухания пользуются формулой
25* 387
a„=201g
(12.1)
где U\ и U?— напряжения в начале и конце линии; ZB — волновое
сопротивление; ZH— сопротивление нагрузки линии; / — длина
линии.
Входное сопротивление линии.
2 chIz + j» shif
-вх -н chy /ZH/ZB sh Y I
(12.2)
Величина у — постоянная распространения волны, характери-
зует значения напряжения или тока в любой точке линии и их
фазу по отношению к напряжению или току в начале линии:
= а +jp = уехр)?г (12.3)
где у=Уа2+р2; cpv=arctg(p/a). Вещественная часть постоянной
распространения а показывает изменение амплитуды или тока на
отрезке линии длиной I км. В бесконечно длинной линии па от-
резке 1 км амплитуда напряжения или тока уменьшается в exp a
раз или на 20 lg(exp a)=8,68 а дБ. Мнимая часть р показывает
изменение (отставание) фазы напряжения или тока в радианах
на километр.
Волновое сопротивление линии
ZB = /ZJ,/yjl = ZBexpjYB. (12.4)
С ростом частоты модуль постоянной распространения у увеличи-
вается, а модуль волнового сопротивления ZB уменьшается.
Рассмотрим некоторые частные случаи, когда соотношения
для расчета однородной линии можно существенно упростить:
1. Линия нагружена па сопротивление ZB=ZH. Подставив это
равенство (12.1) и (12.2), получим:
a=20 1g| ехр у/|—20 1 g| exp (a/)exp (jр/) | =
=8,68а/; ZBX—ZB. (12.5)
2. Электрические линии удовлетворяют условию |у/|^1,5.
В этом случае можно принять ch y/^sh yl с погрешностью, не пре-
вышающей 10 %. Из (12.1) и (12.2) следует, что тогда
a = 201g | 1 + (ZB/ZU) chy/ I ; ZB( ZB. (12.6)
3. Если линия разомкнута в конце, то ZH—oo. Учтя это усло-
вие, найдем:
a = 201g I chy/| ; ZBX = ZB | thy/ | . (12.7) "
388
Для расчета распределительных фидеров и абонентских линий,
которые не относятся к однородным, применяют различные ме-
тоды.
Если в линию включено небольшое число сосредоточенных на-
грузок, то используют метод расчета линий по участкам: каждый
участок рассматривают как однородную линию, нагруженную в
конце. Расчет начинают с конца линии. Вначале с помощью (12.1) и
(12.2) определяют затухание аЛ1 и входное сопротивление ZBX i
первого (от конца) участка, нагруженного на проводимость Ун=
=У1. Затем определив ZBX । и зная У2, определяют нагрузочную
проводимость УН2=1 /ZBX1 + У2 второго участка и рассчитывают
aJI2 и ZHX 2. Подобно этому рассчитывают затухания и входные
сопротивления всех участков. Общее затухание линии будет рав-
но сумме затуханий ее участков, а входное затухание — входному
затуханию последнего (первого от начала участка).
Метод эквивалентных параметров применяют в том случае, ес-
ли нагрузка равномерно распределена вдоль линии. При этом рас-
пределительный фидер (или абонентскую линию) можно рассмат-
ривать как однородную линию, разомкнутую на конце с эквива-
лентной километрической проводимостью yjK=En+n/ZH, где п —
число сосредоточенных нагрузок ZH на отрезке линии длиной
1 км.
Затухание и входное сопротивление линии рассчитывают по
формулам
°-л = 201g | с[]Уэк/ | , ZBX — Z,Kcthy3K/, (12.8)
где
r3K = /zxK, zB3K = yz7nK.
Неравномерность АЧХ определяют как разность максимально-
го и минимального затухания в заданной полосе частот.
Несмотря на ряд упрощений рассмотренные методы расчета
достаточно трудоемки. Практически для линий с определенным
типом нагрузки произведение Nl (N — число абонентских уст-
ройств; I—длина линии) постоянно при заданном затухании ли-
нии. Поэтому максимально допустимое число АУ (норма нагруз-
ки) определяется по графикам или таблицам по максимально до-
пустимому коэффициенту нагрузки NI.
Для короткой однородной линии (воздушная линия до 8 км
и подземная кабельная 4.. .7 км) с произвольным распределением
нагрузки по ее длине
. .-|-Ут/т,
где Ni, N2,..., Nm— число АУ в каждой точке подключения; Ц,
1г,..., 1т — длины участков в километрах между началом линии
и точкой подключения соответствующей нагрузки.
389
Если вся нагрузка с числом АУ Ns сосредоточена в конце ли-
нии длиной I, то N'l=Nsl, для линий с равномерным подключени-
ем нагрузки N'l'=0,5 Nsl. Нормы нагрузки для длинных линий
определяют по таблицам, приведенным в справочной литературе.
Расчет линий ТПВ на радиочастотах второй и третьей про-
грамм в основном сводится к определению затухания и сравне-
нию его с допустимым и к определению мощности, потребляемой
линиями.
Максимально допустимое затухание сети адоп определяется от-
ношением напряжения на выходе передатчика ТПВ [7ПВых к но-
минальному входному напряжению приемника [7прВх. Так, при
^пвых=120 В И ЩрВХ = 0,25 В Одоп = 20 lg ( Un вых/ Г/Пр вх) =
=201g( 120/0,25) =54 дБ.
Если общее затухание сети окажется меньше адоп, то в линию
с выхода передатчика можно подавать меньшее напряжение. Если
рассчитанное затухание сети превысит допустимое, необходимо
уменьшить длину линий, заменить стальные провода биметалли-
ческими.
Мощность, потребляемая РФ или МФ, определяется напряже-
нием на входе линии и ее входным сопротивлением Р = UnBax]ZBK.
При расчетах принимают входное сопротивление МФ равным
600 Ом, биметаллических РФ 400 Ом и стальных РФ 600 Ом. Для
снижения потребляемой линиями мощности выходное напряжение
передатчика снижают до минимально допустимого.
12.5. ПОМЕХИ И ИСКАЖЕНИЯ В СИСТЕМЕ
ТРЕХПРОГРАММНОГО ПРОВОДНОГО
ВЕЩАНИЯ
12.5 1. ПЕРЕХОДНЫЕ ПОМЕХИ
При совместном прохождении сигналов трех программ по од-
ной линии необходимо учитывать возможность появления переход-
ных помех между каналами. Наибольшее значение имеет мульти-
пликативная помеха, вызванная паразитной модуляцией сигна-
лами первой программы радиосигналов второй и третей про-
грамм на нелинейных элементах сети ПВ. В стальных и биметал-
лических проводах распределенная индуктивность имеет нелиней-
ный характер. Другой причиной появления переходной помехи в
линиях являются плохие контакты в местах соединения прово-
дов.
Мультипликативная помеха с низкочастотного канала на вы-
сокочастотные каналы в стальных проводах может достигать
—30 дБ, в биметаллических —(40.. .45) дБ. Это намного выше
уровня помех, допускаемых нормами для трактов ПВ второго
класса (—49 дБ), и для ослабления переходных помех необходи-
390
мо принимать специальные меры. Уровень мультипликативной по-
мехи в стальных и биметаллических проводах зависит от уровня
тока сигналов первой программы и длины линии, повышаясь с их
увеличением.
Наиболее простое средство значительного уменьшения нели-
нейной переходной помехи — переоборудование сети ПВ на ка-
бельные линии. При этом уменьшается и затухание радиосигналов
второй и третьей программ. Однако такое переоборудование свя-
зано с большим расходом меди и средств. Для снижения длины
магистральных линий требуется сократить радиус обслуживания
каждой ТП. Такая реконструкция сети ПВ также требует боль-
ших средств.
Учитывая, что уровень мультипликативной помехи пропорцио-
нален уровню несущей частоты, наиболее приемлемым способом
уменьшения переходной помехи с экономической точки зрения яв-
ляется применение амплитудной модуляции с автоматическим ре-
гулированием уровня несущей. При обычной амплитудной моду-
ляции коэффициент модуляции пропорционален амплитуде моду-
лирующего сигнала. При автоматической регулировке уровня не-
сущей частоты Uo уменьшение амплитуды модулирующего сигна-
ла UM вызывает уменьшение уровня несущей, и значение коэффи-
циента AM т—U^IUo изменяется сравнительно мало.
Система регулирования построена так, что в паузах передачи
(t7M=0), когда переходная помеха наиболее заметна, несущая ча-
стота понижается до минимально допустимого уровня. В этом слу-
чае переходная помеха минимальна.
При увеличении амплитуды модулирующего сигнала во избе-
жание появления нелинейных искажений необходимо увеличивать
и уровень несущей частоты. При этом растет и переходная поме-
ха. Однако в этом случае помеха маскируется полезным сигналом.
Пределы регулирования уровня несущей частоты должны быть
ограничены. Нижний предел определяется квадратичным участком
вольт-амперной характеристики амплитудного детектора. При де-
тектировании AM. колебаний таким детектором большие нелиней-
ные искажения возникают при малых значениях уровня радиосиг-
нала. Поэтому уровень несущей частоты не должен понижаться
более чем на 20 дБ. Из-за наличия этого квадратичного участка,
а также из-за асимметрии боковых полос AM радиосигнала за-
метные нелинейные искажения возникают при больших значениях
коэффициента амплитудной модуляции т. В связи с этим макси-
мальный коэффициент AM в системе ТПВ ограничивают: т^.0,7.
Как видно из рис. 12.9 (см. § 12.5), при изменении уровня мо-
дулирующего сигнала на 40 дБ (0...—40) уровень несущей часто-
ты изменяется на 20 дБ. При этом коэффициент модуляции изме-
няется в десять раз: от /?г=0,7 до т=0,07.
При регулировании уровня несущей частоты большое значе-
ние имеет выбор временных характеристик процесса регулирова-
391
Рис. 12 9. Регулировочная харак-
теристика передатчика
ПТПВ-500/250
ния. Время срабатывания регули-
рующего устройства должно быть
мало, чтобы при быстром возраста-
нии модулирующего сигнала уро-
вень несущей успевал возрасти.
В противном случае появятся за-
метные на слух нелинейные искаже-
ния из-за перемодуляции. Слишком
быстрое нарастание уровня несу-
щей частоты тоже нежелательно,
гак как приведет к заметным пере-
додным процессам в приемнике.
В связи с этим время установления
несущей /уст, измеряемое длитель-
ностью процесса изменения уровня
несущей от —20 дБ (О,Шо) до —1 дБ (О,9£7о), выбирается мень-
шим времени адаптации слуха к кратковременным нелинейным
искажениям, т. е. менее 10 мс. Необходимо также правильно вы-
брать длительность спада уровня несущей частоты, т. е. время вос-
становления /вое Временем восстановления называют длительность
процесса изменения уровня несущей от —1 дБ (О,9/7о) до —20 дБ
(0,11/0). Если его выбрать большим, то в паузе модулирующего
сигнала будет слышна переходная помеха. Время восстановления
выбирается таким, чтобы помеха в паузе передачи не прослуши-
валась в ПТПВ-500/250 /ВоС = 50 мс.
Переходные помехи, вызываемые паразитной модуляцией не-
сущих частот второй и третьей программ сигналом первой про-
граммы на нелинейных элементах сети, можно также ослабить,
уменьшая ток сигнала звуковых частот с помощью приемного уст-
ройства с более высоким входным сопротивлением на частотах
первой программы.
12 5.2. ИСКАЖЕНИЯ ОГИБАЮЩЕЙ AM РАДИОСИГНАЛА
Коэффициент передачи тракта ПВ зависит от частоты. В отно-
сительно узких участках полосы частот каналов второй и третьей
программ у коэффициента передачи /<=/<(со)ехр [jrp (со)] меняется
как абсолютное значение 2С(со), так и фаза ср (со). В результате
амплитуды спектральных составляющих нижней и верхней боко-
вых полос радиосигнала станут неодинаковыми (асимметричны-
ми) и огибающая AM радиосигнала будет искажена. Подобные
искажения огибающей наблюдаются в КВ радиовещании.
Увеличению искажений огибающей способствуют и фазо-
вые искажения. Возникающие нелинейные (квадратурные, см.
§ 11.5) искажения будут увеличиваться с увеличением ширины
спектра радиосигнала и коэффициента амплитудной модуляции.
Эти искажения не позволяют организовать в системе ТПВ кана-
392
Рис. 12.10. Изменение коэффициента
гармоник вдоль линий с несогласован-
ной нагрузкой
Л/2 Л/2
лы второй и третьей программ выше II класса качества.
Нелинейные искажения огибающей радиосигнала могут суще-
ственно увеличиться при несогласованности нагрузки в линии ПВ
и возникающих из-за этого отраженных волн. В линии образуют-
ся стоячие волны. Первый узел напряжения будет находиться на
расстоянии Л./4 от конца линии, а последующие будут сдвинуты
друг относительно друга на А./2.
Узлы напряжения боковых частот будут смещены относитель-
но узлов напряжения несущей частоты. Картина распределения
стоячих воли вдоль линии будет подобна интерференционной кар-
тине, показанной на рис. 11.10,6. В любой точке линии соотноше-
ния между амплитудами напряжения несущей и боковых частот
будут различными, а следовательно, возникнут нелинейные иска-
жения. Эти искажения возрастают на участках линии вблизи уз-
лов напряжения несущей частоты (рис. 12.10).
Измерения коэффициента гармоник К, на линиях, работающих
в режиме несогласованных нагрузок показали, что в некоторых
точках подключения абонентов к распределительной фидерной ли-
нии К, превышал 9 %.
Для уменьшения нелинейных искажений огибающей радиосиг-
нала на частотах второй и третьей программ в линиях сети ПВ
необходимо обеспечивать режим бегущей волны (см. § 12.3).
12.5 3 ПАРАЗИТНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ ТПВ
Несущие частоты системы ТПВ выбраны вне диапазона частот,
выделенного для ДВ вещания. Поэтому помеха РВ приему возни-
кает только за счет излучения гармоник несущих частот, возни-
кающих в результате нелинейных искажений в передатчике и в
фидерных линиях. При исправных линиях напряженность поля
гармоник не превышает 400 мкВ/м вблизи МФ и 100мкВ/м вблизи
РФ. Однако при заземлении одного из проводов РФ напряжен-
ность поля помех может возрасти в 10 раз и более. Поэтому нуж-
но следить за исправностью линий сети ПВ.
12.6. СТАНЦИОННОЕ ОБОРУДОВАНИЕ.
АБОНЕНТСКИЕ УСТРОЙСТВА
В крупных городах в состав УПВ входят ЦСПВ, ОУС, БП и
ТП (см. рис. 12.2).
Оборудование ЦСПВ. Основными функциями ЦСПВ являют-
ся: получение сигналов вещательных программ от КРА или РВА;
393
Рис. 12 11. Структурная схема усилительного тракта ЦСПВ
усиление сигналов программ звукового вещания и их распреде-
ление по усилительным станциям, дистанционное управление и
контроль за работой ОУС, БП и ТП.
В системе ТПВ на каждую ОУС с ЦСПВ должны поступать
сигналы первой, второй и третьей программ вещания. Поэтому
состав оборудования ЦСПВ должен быть рассчитан на организа-
цию по меньшей мере трех усилительных трактов (рис. 12.11).
Обычно таких трактов четыре. Четвертый усилительный тракт яв-
ляется резервным. Однако его используют для передачи дополни-
тельных программ (как, например, о стихийных бедствиях), а так-
же для подачи сигналов программ на усилительные станции сети
уличной звукофикации.
Сигналы программ вещания поступают на ЦСПВ по соедини-
тельным линиям от различных источников (КРА, Радиодом и др.)
Коммутация СЛ на входы усилительных трактов осуществляет-
ся входным коммутатором К-
Номинальный уровень напряжения сигнала звукового вещания,
поступающий на вход ЦСПВ, 0 дБ. Однако возможны и отклоне-
ния от этого значения. В связи с этим каждый усилитель снабжа-
ется ограничителем максимальных уровней, выполненным по по-
тенциометрической схеме (см. рис. 12.11).
Для повышения надежности работы каждый усилительный
тракт оборудуется двумя усилителями (рабочим и резервным),
подключенным к общей системе управления и автоматики. При
выходе из строя рабочего усилителя система обеспечивает автома-
тическое переключение нагрузки на резервный.
Амплитудно-частотные характеристики СЛ, подключенных ко
входу и выходу ЦСПВ, корректируются с помощью контуров КК.
Выход работающего усилителя подключается к шинам Ш с по-
мощью секционированного трансформатора Т. Соединительные ли-
нии, идущие на ОУС, соединены с выходными шинами через ли-
нейные трансформаторы ЛТ, позволяющие гальванически разде-
лить СЛ и создать дополнительную цепь для управления и конт-
роля постоянным током.
394
На ЦСПВ используют
ламповые усилители
ТУ-0.05Х2, ТУ-0,1X2 и
ТУ-0,2X2 мощностью 50,
100 и 200 Вт соответствен-
но, а также транзисторный
усилитель СЛТУ имеющий
четыре рабочих и два ре-
зервных усилителя мощ-
ностью по 100 Вт каждый.
Параметры этих усилите-
лей соответствуют высшему
классу качества. Для обес-
печения надежности элек-
«
Рис. 12.12. Структурная схема ОУС
тропитания ЦСПВ подклю-
чается к двум независимым источникам электроснабжения. При
пропадании напряжения па рабочем вводе автоматика обеспечи-
вает быстрое переключение на резервный.
Оборудование ОУС. На усилительных станциях городских уз-
лов ПВ применяют усилители 1-го класса качества номинальной
мощности 1,25; 5 и 15 кВт (УПВ-1, УПВ-5 и УПВ-15), а в Москве
и Ленинграде мощностью 30 кВт (УПВ-30). Для подачи сигналов
второй и третьей программ звукового вещания в городах исполь-
зуют передатчики ПТПВ-500/250 (передатчик трехпрограммного
вещания мощностью 500 и 250 Вт). Выпускаются транзисторные
передатчики УПТВТ 60X2 с выходной мощностью по 60 Вт, пред-
назначенные для двухзвенных сетей небольших городов и район-
ных центров. Параметры качества передатчиков ПТПВ-500/250
соответствуют нормам I класса качества, а УПТВТ 60X2 — нор-
мам II класса.
Сигналы программ вещания подаются па ОУС (рис. 12.12) по
четырем СЛ. По СЛ] и СЛ2 подается первая программа, по СЛ3
и СЛ4— соответственно сигналы второй и третьей программ. Уси-
лительный тракт сигналов первой программы состоит из двух мощ-
ных усилителей (У( и У2), один из них —рабочий, а другой — ре-
зервный. Переключение выходов усилителей обеспечивается вза-
имно блокированными контакторами Ki и К2: к выходным шинам
подключается только один усилитель.
Статив выходной коммутации СВК является выходным устрой-
ством ОУС. С помощью СВК напряжение сигнала первой про-
граммы повышается с 120/240 В до 960 и подается на вход МФ.
Передатчики сигналов второй (П-78) и третьей (П-120) про-
грамм не резервируются. Их выходы подключаются к МФ с по-
мощью устройства подключения передатчиков УПП (см. рис.
12.6), устанавливаемых в каждом СВК. Особенностью мощных
усилителей является их работа на переменную во времени и по
частоте нагрузку. Входное сопротивление линий ПВ имеет ком-
395
плексный характер, зависит от частоты и изменяется в течение
суток в широких пределах. В этих условиях усилители должны
сохранять номинальные качественные показатели и обеспечивать
постоянство выходного напряжения. Если последнее требование
не выполняется, то уровень громкости отдельного АУ изменяется
в зависимости от сопротивления нагрузки.
В сетях ПВ возможны короткие замыкания одной или несколь-
ких распределительных линий. Возникающая при этом перегруз-
ка усилителя при отсутствии соответствующей защиты может при-
вести к разрушению ламп оконечного каскада. Мощные усилите-
ли должны быть защищены от (перенапряжения)—превышения
номинального значения входным напряжением, что также может
привести к разрушению усилительного устройства. Поэтому для
защиты усилителей от перегрузок и перенапряжений применяют
автоматические регуляторы уровня сигналов программы звуково-
го вещания. Постоянство выходного напряжения при изменении
нагрузки обеспечивается глубокими отрицательными обратными
связями (ООС), охватывающими оконечный каскад и весь усили-
тель в целом, что способствует также снижению линейных и нели-
нейных искажений, повышению устойчивости и стабильности ра-
боты усилительного устройства.
Экономичность мощных усилителей определяется в основном
режимом работы выходного каскада. Для повышения КПД лам-
повых усилителей их выходные каскады работают в режиме от-
сечки тока анода и с сеточными токами. Для уменьшения нели-
нейных искажений предоконечный каскад собирается по схеме ка-
тодного повторителя с малым выходным сопротивлением.
Для повышения экономичности усилителей ПВ с выходной
мощностью 5; 15 и 30 кВт применяют электронные регуляторы
сеточного смещения ламп выходного каскада. Напряжение сеточ-
ного смещения изменяется автоматически в зависимости от уров-
ня сигнала. При отсутствии или малом напряжении сигнала на-
пряжение смещения наибольшее. При этом анодный ток ламп
выходного каскада и потребляемая ими мощность минимальны.
При увеличении уровня сигнала напряжение смещения уменьша-
ется и анодный ток увеличивается.
Для защиты усилителей ПВ от перенапряжения на входе при-
меняют в основном потенциометрические ограничители максималь-
ных значений уровня, на полупроводниковых диодах и полезных
транзисторах.
При уменьшении сопротивления нагрузки (перегрузка) возрас-
тает выходной ток усилителя. Для защиты от перегрузки в уси-
лителях применяют авторегуляторы, которые обеспечивают пони-
жение входного напряжения.
В усилителях УПВ-1,25 и УПВ-5 (рис. 12.13) схемы защиты одинаковы.
Усилитель-ограничитель состоит из усилителя У и потенциометрического огра-
ничителя максимальных уровней, выполненного на резисторах R2, Из, Rt и
396
Рис. 12.13. Структурная
схема мощного усилителя
кремниевых диодах l/D1 и VZ)2. Когда диоды закрыты, их сопротивление R ве-
лико. При этом коэффициент передачи ограничителя К максимален и определя-
ется соотношениями сопротивлений резисторов Ki — Ri- При Ri — R3 = R и R3 =
= R4 = r0 Кмакс = /'о/(R + r0). В зависимости от тока, протекающего через диоды
в прямом направлении, их сопротивление меняется. Так как диоды VDt и |/£>2
включены параллельно резисторам R3 и R4, то с уменьшением сопротивления
диодов уменьшается коэффициент передачи ограничителя.
Напряжение, вызывающее изменение сопротивления диодов (управляющее
напряжение) и вследствие этого изменение коэффициента передачи, подается к
диодам с выхода УПТ. Амплитудная характеристика УПТ близка к линейной,
поэтому коэффициент передачи ограничителя зависит от напряжений £у1 и £у2,
снимаемых с выходов выпрямителей, собранных на диодах VD3... VD^.
Напряжения £yi и £у2 взаимно независимы: £у, является функцией перена-
пряжения, а £у2 — функцией перегрузки усилителя. Потенциометрами устанавли-
ваются напряжения задержки £ЗД1 и £зд2, при превышении которых начинается
автоматическое регулирование коэффициента передачи потенциометрического ог-
раничителя. Сигнал к выпрямителю В\ подают с выхода У, имеющего достаточ-
но линейную амплитудную характеристику и малое выходное сопротивление.
Напряжение, поступающее к выпрямителю В2, снимается с резистора г, включен-
ного последовательно с нагрузкой. Падение напряжения на г пропорционально
выходному току. При перегрузке коэффициент передачи ограничителя управля-
ется напряжением £у2, при перенапряжении — напряжениями £у1 и £у2. Эф-
фективность автоматического регулятора достаточно велика: при уменьшении
нагрузки в два раза по сравнению с номинальным значением выходной ток воз-
растает всего на 1 ...2%.
Увеличение входного уровня по сравнению с номинальным иа 12 дБ (пере-
напряжение) приводит к возрастанию выходного уровня не более чем иа 0,2 дБ.
В усилителях УПВ-15 и УПВ-30 используют схему защиты,
обеспечивающую постоянство выходной мощности усилителя в ин-
тервале изменения нагрузочного сопротивления от номинального
значения — /?п.пом ДО 0,5/?н.ном. В ламповых усилителях УПВ-1,25;
5; 15; 30 выходные каскады работают в режимах АВ или В.
Вследствие этого КПД их при номинальном режиме не превыша-
ет 55.. .60 % •
397
В настоящее время для автоматизированных сельских узлов
промышленностью выпускаются транзисторные усилители мощ-
ностью 500 и 1000 Вт: ТУПВ 0,25X2 и ТУПВ 0,5X2. Комплекты
ТУПВ содержат по два одинаковых усилителя звуковой частоты
и снабжены ограничителями максимальных уровней.
Чехословацкие транзисторные усилители AUC-2101 мощностью
1 кВт и AD С-2250, AD С-4250 мощностью 2,5 кВт имеют блочное
построение. В стативе AUC-2101 используется десять усилителей
мощностью по 100 Вт, а в стативе ADC-2250— пять усилителей
по 500 Вт. Для совместной работы блочных усилителей на общую
нагрузку используют систему сложения мощностей, назначение
которой—выравнивание токов усилителей в нагрузке.
Выходные каскады транзисторных усилителей, как и ламповых,
работают в режимах АВ или В.
Существенное повышение КПД можно получить при работе
выходного каскада мощного усилителя в ключевом режиме. В та-
ком усилителе выходной каскад находится либо в открытом, либо
в закрытом состоянии. К такого рода усилителям относятся уси-
лители класса D. Принцип формирования сигнала в этом усили-
теле заключается в том, чго аналоговый сигнал звукового веща-
ния с помощью широтно-импульсной модуляции (ШИМ) преобра-
зуется в последовательность импульсов с одинаковой амплитудой,
модулированных по длительности. На нагрузке после демодуля-
ции получают сигнал, соответствующий исходному аналоговому.
В усилителе класса D КПД достигает 95... 97 %. К недостаткам
усилителя относится более высокий уровень нелинейных искаже-
ний и малый динамический диапазон.
Эти недостатки в значительной степени устранены в усилите-
ле, в котором используется комбинация линейного и ключевого
режима: при малых уровнях сигнала включается маломощный
усилитель, работающий в линейном режиме, а при больших —
мощный, работающий в ключевом режиме. Такое сочетание ре-
жимов усиления позволяет существенно увеличить динамический
диапазон и получить меньшие нелинейные искажения. В усили-
теле КПД достигает 80 %.
Нашей промышленностью выпускается транзисторный 5-кило-
ваттный усилитель УПВКТ-5, в котором используется комбиниро-
ванный линейно-ключевой режим. Длительностью открытого и за-
крытого состояния ключевого элемента, в качестве которого ис-
пользуется блокинг-геператор, управляет пороговая релейная схе-
ма на основе сравнения входного и выходного напряжения. Уси-
литель УПВКТ-5 содержит восемь блоков, работающих на одну
нагрузку. Вышедший из строя блок не мешает работе остальных,
однако выходное напряжение уменьшается на 6 дБ. Разрабаты-
ваются транзисторные усилители, в которых для увеличения КПД
используется одно- или двухступенчатая коммутация напряжения
питания в зависимости от уровня усиливаемого сигнала.
398
Рис 12 14. Структурная схема передатчика ПТПВ-500/250
В системе ТПВ применяют передатчики AM колебаний с не-
сущими частотами 78 и 120 кГц. В отличие от радиовещательных
передатчиков, работающих на излучающую антенну, передатчики
для ТПВ нагружены на линии ПВ, излучение которых должно
быть мало. Кроме того, в передатчиках системы ТПВ в соответст-
вии с изменением уровня сигнала программы вещания регулирует-
ся уровень несущей.
В тракте формирования радиосигнала с регулируемой несущей
частотой передатчика системы ТПВ (ПТПВ-500/250) (рис. 12.14)
сигнал программы вещания поступает на ограничитель максималь-
ных уровней Огр и через линию задержки ЛЗ на балансный мо-
дулятор БМ. Линия задержки необходима для предотвращения
перемодуляции, которая возникает при быстром нарастании сиг-
нала программы вещания. При использовании ЛЗ регулирование
несущей частоты начинается раньше, чем начинается процесс мо-
дуляции.
Напряжение несущей частоты с выхода задающего генератора
Г, имеющего кварцевую стабилизацию, поступает на управляемый
усилитель радиочастоты УРЧ и на балансный модулятор БМ.
Коэффициент усиления УРЧ, а следовательно, и уровень несущей
частоты на его выходе регулируются управляющим сигналом,
сформированном в выпрямителе Bi из сигнала программы веща-
ния и представляющего его огибающую. Для уменьшения пульса-
ций напряжения управляющего сигнала параллельно выпрямите-
лю Bi включены еще два выпрямителя В2 и Вз, сигналы на ко-
торые подаются с задержкой на 2,5 и 5 мс.
В схеме передатчика применен балансный модулятор, поэтому
несущая частота на его выходе отсутствует. Напряжение несущей
частоты поступает с регулируемого УРЧ. После полосового фильт-
ра ПФ напряжение AM-сигнала с регулируемой несущей часто-
той поступает на вход усилителя модулированных колебаний
УМК. Выходной каскад УМК представляет собой резонансный
усилитель мощности на двух лампах ГУ81М. Если мощность ра-
диосигнала, требуемая для питания сети ПВ, меньше 250 Вт, то
каскад работает с одной лампой.
399
РФ
Рис. 12.5. Структурная схема ТП
С выхода УМК радиосигнал поступает на комплексный дели-
тель КД, предназначенный для ослабления второй, третьей и чет-
вертой гармоник, а далее на симметрирующий трансформатор Т,
выход которого через устройство подключения передатчиков УПП
соединен с нагрузкой.
Автоматические устройства передатчика обеспечивают: выклю-
чение передатчика при его неисправности или при перегрузке по
выходному току более чем в два раза; однокомандное дистанци-
онное или ручное управление; подачу на ЦСПВ сигнала «Уро-
вень» при уменьшении коэффициента передачи или пропадании
сигнала программы вещания.
Трансформаторные подстанции. Трансформаторные подстан-
ции ТП трехзвенной сети ПВ оборудованы стативами СТП и
СТР. Статив трансформаторной подстанции СТП предназначен
для понижения напряжения сигнала первой программы вещания,
поступающего с МФ, с 960 до 240 В при мощности 7,5 кВ-А.
В комплект СТП (рис. 12.15) входит два понижающих трансфор-
матора (Ti и Тг) и устройство подключения ТП, состоящее из ре-
жекторпого фильтра магистральной фидерной линии РФМ, ре-
жекторного фильтра распределительных фидерных линий РФР и
обходного устройства трансформаторной подстанции ОУТП (см.
рис. 12.7). Контакторы Ki и Кг взаимно блокированы и обеспечи-
вают подключение к СТР только одного из трансформаторов. Ста-
тив СТП оборудован устройствами, позволяющими осуществлять
дистанционное включение и защиту, а также обеспечивать конт-
роль состояния МФ.
С выхода СТП напряжение сигналов всех трех программ ве-
щания подается на статив СТР, служащий для распределения
энергии сигналов программ вещания по РФ. Кроме того, преду-
смотрена возможность подключать к СТР две линии уличной зву-
кофикации. Статив СТР оборудован системой, позволяющей с
ЦСПВ вести контроль, управление и измерение параметров рас-
пределительных фидерных линий.
400
Рис. 12.16. Структурная схема однолрограммного (о), индивидуального трехпро-
граммного (б) приемного устройства системы ПВ, а также группового приемно-
го устройства системы ТПВ (в)
Абонентские устройства. Абонентское устройство состоит из
ограничительного сопротивления /?огр, абонентской проводки АП
(от лестничной клетки до абонентской розетки) и приемного уст-
ройства. Ограничительное сопротивление 7?ОГр=600 Ом включают
для предотвращения закорачивания абонентской линии при ко-
ротком замыкании в приемном устройстве или абонентской про-
водке.
Однопрограммное приемное устройство (рис. 12.16,а) пред-
ставляет собой абонентский громкоговоритель АГ с понижающим
трансформатором и регулятором громкости, помещенными в спе-
циальный корпус, выполняющий функции акустического офор-
мления.
В качестве РГ в приемных устройствах чаще всего использу-
ют резистивные потенциометрические регуляторы. Применяют и
трансформаторный РГ. В этом случае вторичная обмотка пони-
жающего трансформатора выполняется с отводами. Абонентские
26—6697 401
громкоговорители делятся на три класса; I, II, III. В городских и
сельских системах ПВ применяют в основном приемные устройст-
ва с АГ III класса качества (рабочий диапазон частот 150...
...5000 Гц с неравномерностью АЧХ до 15 дБ и коэффициентом
гармоник 7 % на частотах выше 200 Гц).
Приемные устройства для сети ТПВ делятся на индивидуаль-
ные и групповые. Чувствительность индивидуального трехпрограм-
много приемника ПТ (рис. 12.16,6) 250 мВ обеспечивается соот-
ветствующим усилением по радиочастоте (УРЧ) и звуковой ча-
стоте (УЗЧ). Приемник собран по схеме прямого усиления. По-
лосовые фильтры ПФ78 и ПФ 120 предназначены для разделения
сигналов второй и третьей программ. Питание осуществляется от
сети через выпрямитель В. Программа выбирается переключате-
лем П1—П4. Установочные регуляторы УР позволяют уравнять
напряжения радиосигналов второй и третьей программ вещания.
Групповой приемник трехпрограммного вещания ГПТВ пред-
назначен для обслуживания значительного числа абонентов пред-
ставляет собой два параллельно работающих приемника (рис.
12.16,в). С выхода ГПТВ сигналы программ вещания подаются в
сеть здания, выполненную трехпарным кабелем. Однопрограммное
АУ снабжено переключателем, позволяющим выбрать любую из
трех программ.
В настоящее время выпускается приемник ГПТВ-3. Чувстви-
тельность приемника 100 мВ, выходная мощность 25 Вт. Прием-
ник рассчитан на подключение 140 индивидуальных АУ или 400...
...500 головных телефонов (например, в больницах).
12.7. ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ
МНОГОПРОГРАММНОГО
ПРОВОДНОГО ВЕЩАНИЯ
Преимущество системы ПВ перед системой радиовещания со-
стоит прежде всего в отсутствии различного рода помех, которые
ухудшают качество радиоприема в диапазонах ДВ, СВ, КВ и МВ.
Это помехи атмосферного и промышленного происхождения, по-
мехи от других станций, работающих в совмещенном частотном
канале. В диапазоне МВ существенны помехи, вызванные отраже-
ниями радиоволн от многоэтажных зданий со стальным или желе-
зобетонным каркасом.
Дальнейшая совместимость проводного вещания с радио- и те-
левизионным вещанием, очевидно, будет определяться повышени-
ем параметров качества каналов и приемных устройств, увеличе-
нием числа передаваемых программ и развитием проводной сте-
реофонии.
В XII пятилетке предусмотрен выпуск четырех стереофоничес-
ких программ Центрального радиовещания и двух республикан-
402
ских программ. Очевидна необходимость продолжения работ, свя-
занных с внедрением стереофонии в ПВ.
Ряд систем стереофонического проводного вещания был испы-
тан на сетях ПВ. К ним относятся системы с независимым кана-
лом и с двойным суммарно-разностным преобразованием. В пер-
вой системе для передачи сигналов Л и П используют II и III вы-
сокочастотные каналы (рис. 12.4). Система легко реализуется на
действующих сетях ТПВ. Отмечается хорошее качество стерео-
эффекта, обусловленное тем, что оба радиоканала ТПВ имеют
практически одинаковые параметры качества. Однако такая си-
стема обладает и существенным недостатком. Ни по одному из
каналов не передается совместимый сигнал, поэтому на время
стереопередачи владельцы монофонических устройств лишаются
двух монофонических программ.
Для получения совместимости по I каналу ТПВ во второй си-
стеме использовано суммарно-разностное преобразование сигналов
стереопары. Несущая частота I канала модулируется совме-
стимым суммарным сигналом Л+П, а несущая частота III кана-
ла — сигналом Л—П. В этой системе для владельца монофониче-
ского приемного устройства можно считать лишь один высокоча-
стотный канал «потерянным».
Для приема стереофонической передачи в первой системе не-
обходимы два однотипных монофонических приемных устройства
ТПВ, во второй — дополнительная приставка с устройством сум-
марно-разностного преобразования.
Желание избежать потери одногомонофонического канала при-
вело к разработке систем стереофонического ПВ, в которых тре-
буемая ширина спектра радиосигнала равна ширине полосы ча-
стот II или III радиоканала.
Заслуживает внимание система с квадратурной модуляцией.
В этой системе одним из сигналов стереопары модулируют несу-
щее колебание Uocosat, а другим—Uo sin at. Сложение AM ко-
лебаний образует квадратурно-модулированное колебание. Для
улучшения совместимости уменьшают коэффициенты модуляции,
а также вводят предыскажения огибающих составляющих квад-
ратурно-модулированного колебания. Препятствием к использо-
ванию систем с квадратурной модуляцией в существующей сети
ПВ, очевидно, будет большая чувствительность системы к фазо-
вым искажениям. А эти искажения велики в сети на воздушных
стальных и биметаллических линиях.
Внедрение стереофонии в проводное вещание приводит к улуч-
шению качества звуковоспроизведения. Однако акустические па-
раметры выпускаемых массовых абонентских громкоговорителей
III класса довольно низки. Невысокое качество АГ не позволяет
полностью реализовать параметры даже обычного ТПВ. Для
внедрения стереофонического проводного вещания необходимы
высококачественные приемные устройства.
26* 403
Исследования, проведенные в СССР, а также ознакомление
с зарубежным опытом по разработке систем МПВ, основанных
на использовании городских телефонных сетей, показали экономи-
ческую и техническую их эффективность. Исключается необходи-
мость сооружения отдельных, довольно дорогих сетей ПВ. Срав-
нительно просто решается задача увеличения числа каналов, при-
чем параметры их качества оказываются значительно лучшими,
чем в системе ТПВ, так как практически отсутствуют переходные
помехи. Используя частоты диапазона ДВ (150. ..350 кГц), мож-
но организовать передачу пяти-шести программ по высшему
классу качества. В этой системе проще организовать многопро-
граммное стереофоническое вещание. Поэтому по мере роста те-
лефонных сетей в стране, особенно в крупных городах, объедине-
ние сетей телефонии и ПВ становится все более реальным.
Контрольные вопросы
1. Проведите технико-экономическое сравнение узлов проводного вещания,
построенных по централизованному и децентрализованному принципу; составьте
структурные схемы.
2. В каких случаях применяется одно-, двух- и трехзвенная сеть проводного
вещания?
3. Составьте структурную схему оборудования узла трехпрограммного про-
водного вещания. Объясните назначение устройств подключения передатчика и
обходных устройств.
4. Начертите диаграмму уровней радиосигналов второй и третьей программ
ТПВ. Чем объясняется большое затухание этих сигналов в звеньях сети ТПВ?
5. В чем заключается и когда применяется расчет линии проводного веша-
ния «по частям» и метод эквивалентных параметров’
6. В чем состоит метод расчета линий по графикам и таблицам?
7. Почему возникают переходные помехи в сетях ТПВ? Как уменьшить их
значение?
8 Составьте структурную схему передатчика ТПВ. Для чего применяется
автоматическое регулирование уровня несущей?
9 Каковы особенности построения усилителей для проводного вещания?
10. Поясните принцип действия защитного устройства усилителя ПВ.
11. Составьте структурные схемы одно- и трехпрограммного приемных уст-
ройств проводного вещания. Объясните назначение их звеньев.
Глава 13. ИЗМЕРЕНИЯ И КОНТРОЛЬ
В ЗВУКОВОМ ВЕЩАНИИ
13.1. ОСОБЕННОСТИ И ВИДЫ
ТЕХНИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ
Основной задачей измерений и контроля, проводимых в технике
вещания, является обеспечение бесперебойной передачи сигналов
программ слушателям путем поддержания в пределах установ-
404
ленных норм электрических параметров всех трактов канала. Эти
измерения призваны своевременно предупреждать такие наруше-
ния режима работы устройств и трактов, которые могут привести
к снижению их электрических параметров, техническому браку
и перерывам в работе по техническим причинам. Совокупность
средств измерений и вспомогательных устройств, предназначенных
для предупреждения нарушения режимов работы и оценки каче-
ства работы устройств и трактов звукового вещания, называют
измерительной системой. Для обеспечения нормального функцио-
нирования трактов канала эта система должна сочетать три вида
эксплуатационных измерений и контроля: периодические измере-
ния, проводимые в порядке плановых профилактических мероприя-
тий; оперативный контроль и автоматический контроль работоспо-
собности отдельных устройств канала.
Периодические измерения в трактах звукового вещания про-
водят как во время перерывов, так и в процессе работы системы
вещания, а также при необходимости по окончании плановых про-
филактических осмотров оборудования путем измерения всех или
той части нормируемых параметров, которые могли измениться в
результате профилактики. Это позволяет своевременно обнару-
жить нарушения, прогнозировать возможные отказы и тем самым
предотвращать технический брак.
Периодические измерения проводят в пределах как отдельных
звеньев, так и сквозного тракта. В первом случае проверяют все
нормированные параметры, указанные в электрическом паспорте
на оборудование. Измерения сквозного тракта необходимы для
проверки основных параметров качества в текущий момент вре-
мени на соответствие их установленным нормам. Отметим, что
периодические измерения, особенно сквозных трактов, сопряжены
с рядом трудностей. Главными из них являются рассредоточен-
ность по территории станционного оборудования и большая раз-
ветвленность линий связи и вещания. Время же на проведение
измерений обычно строго регламентировано.
Оперативный контроль служит для непосредственного опреде-
ления работоспособности и оценки параметров качества отдель-
ных участков канала в условиях их эксплуатации. Средства опе-
ративного контроля позволяют своевременно обнаруживать нару-
шения, обусловленные в основном внезапными отказами, и в ря-
де случаев сократить число возможных нарушений и предупредить
возникновение технического брака. Такой контроль осуществляют
эпизодически в паузах передачи.
Автоматический контроль дает информацию (непрерывно или
дискретно) о работоспособности звеньев или сквозных трактов ка-
нала непосредственно во время передачи вещания. Средства не-
прерывного контроля позволяют оценивать соответствие парамет-
ров качества трактов установленным нормам и тем самым способ-
ствуют быстрому обнаружению отказов и своевременному их уст-
405
ранению. Так как небольшие отклонения параметров канала от
нормы не вызывают заметного снижения качества звучания, то
для системы автоматического контроля обычно устанавливают
менее жесткие допуски, чем при обычных измерениях трактов ка-
нала.
Нарушения в работе технических средств ТФП классифициру-
ются как техническая остановка (перерыв) и брак (ухудшение
качества и отклонения от установленных технических норм).
К техническим остановкам относятся:
пропадание передачи или резкое ухудшение качества, делаю-
щее передачу непригодной для слухового восприятия (сильные
искажения, многократные кратковременные пропадания, фон,
шумы);
отсутствие объявленной в программе передачи текущего дня,
если эта передача не была снята по программным соображениям;
задержка начала передачи из-за превышения нормированного
времени, установленного для коммутации;
паузы свыше 10 с между объявлением и воспроизведением фо-
нограммы, а также фонограммами, воспроизводимыми без объяв-
ления диктора, между сигналами поверки времени и началом пе-
редачи.
Браком считаются:
нарушения, приводящие к заметному ухудшению качества зву-
чания из-за различного рода дефектов (посторонних накладок,
детонации попадания в вещательную систему сигналов ускорен-
ного воспроизведения или перемотки фонограммы, искажений, фо-
на и шумов с уровнем выше —34 дБ, сильно выраженного копир-
эффекта);
выявленный при проведении контрольных измерений уровень
фона и шума, на 10 дБ и более превышающий норму для данного
вида оборудования;
уменьшение более чем на 3 дБ и увеличение более чем на
1 дБ номинального значения максимального уровня передачи в
течение свыше 1 мин для информационных речевых передач и
свыше 3 мин для художественных (для музыкальных передач мак-
симальный уровень следует оценивать в пределах звучания всего
произведения или его самостоятельной части);
кратковременные пропадания сигнала, если они наблюдаются
чаще шести раз в минуту; при этом браком считается все время
от первого до последнего пропадания;
несовместимость, нарушение баланса, пропадание сигнала на
одном из каналов во время стереофонических передач, передача
стереофонических программ в монорежиме;
ошибочное включение фонограмм, не соответствующих объяв-
лению диктора.
воспроизведение фонограмм с техническими дефектами.
406
13.2. МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЯ
ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ТРАКТА
В ГОСТ 11515—75 нормируются следующие шесть основных па-
раметров качества монофонических каналов и трактов звукового
вещания: номинальный диапазон частот; неравномерность АЧХ;
коэффициент гармоник; защищенность от интегральной помехи;
защищенность от псофометрического шума; защищенность от
внятной переходной помехи. В международных рекомендациях,
например в Рекомендации 62 Международной организации по ра-
диовещанию и телевидению (ОИРТ) и Рекомендации 505 Между-
народного консультативного комитета по радио (МККР), приво-
дятся нормы еще для двух параметров: нестабильности коэффи-
циентов передачи и коэффициента разностного тона.
Для стереофонических каналов в международных рекоменда-
циях дополнительно нормируются: разбаланс уровней, рассогла-
сование АЧХ, разбаланс фаз и переходное затухание между сте-
реоканалами А и В.
Эти параметры измеряют по следующей методике.
Измерение АЧХ. Амплитудно-частотную характеристику в
поминальном диапазоне частот следует измерять по схеме, при-
веденной на рис. 13.1. На вход тракта от генератора низкочастот-
ных сигналов подают гармонический сигнал частотой 1000 Гц и
уровнем на 20 дБ ниже номинального входного уровня. На его
выходе по вольтметру отсчитывают показания напряжения Uiooo
(или уровня Niooo).
Далее на вход измеряемого тракта последовательно подают
сигналы с частотами 30, 40, 63, 125, 250, 500, 2000, 4000, 8000,
10 000 и 15 000 Гц с уровнем, соответствующим уровню сигнала
на частоте 1000 Гц. На выходе трактов по вольтметру отмечают
показания, соответствующие каждой из частот входного сигнала
Uf (или Nf). Определяют отклонение АЧХ в децибелах AN=
=20 lg(Uf/Uiaoo) при градуировке шкалы вольтметра в вольтах
или AN=Nf—Njooo — при градуировке шкалы вольтметра в деци-
белах.
При приемно-сдаточных испытаниях измерения следует произ-
водить на всех указанных частотах. При профилактических изме-
рениях число измерительных частот можно сократить до пяти-
семи (например, 30, 63, 125, 1000, 8000, 10 000 и 15 000 Гц).
Результаты измерений заносят в соответствующую таблицу
протокола измерений.
Рис. 13.1. Схема измерений неравномерно-
сти АЧХ. и коэффициента гармоник
407
Измерение коэффициента гармоник. Схема измерения коэффи-
циента гармоник отличается от схемы для измерения неравномер-
ности АЧХ на рис. 13.1 тем, что к выходу тракта вместо вольтмет-
ра подключается ини (или низкочастотный анализатор спектра).
Измерения рекомендуется проводить на частотах 30, 63, 125, 250,
500, 1000, 2 000, 4 000 и 6 300 Гц. Напряжение сигнала на входе
тракта должно соответствовать номинальному значению макси-
мального входного уровня с допуском ±0,2 дБ.
При приемно-сдаточных и типовых испытаниях коэффициент
гармоник дополнительно следует измерить при уровнях на 6 и
20 дБ ниже номинального значения максимального входного уров-
ня. При испытаниях ограничителей уровня коэффициент гармоник
измеряется также при уровнях па 10 и 20 дБ выше номинального
значения.
При профилактических измерениях иногда коэффициент гармо-
ник проверяют только на одной частоте, обычно 1 000 Гц. Однако
этого недостаточно для оценки нелинейности во всем диапазоне
звуковых частот. С учетом особенностей работы авторегуляторов
коэффициент гармоник как минимум должен быть проверен так-
же на нижней рабочей частоте. В области верхних рабочих частот
нелинейность оценивается методом разностного тона.
При использовании низкочастотного анализатора спектра ко-
эффициент гармоник измеряется в следующем порядке.
На вход тракта подают гармонический сигнал соответствую-
щей частоты и уровня. На выходе тракта на анализатор спектра
считывают значения напряжений гармонических составляющих из-
мерительного сигнала U\, U2, U3 и т. д. при соответствующей на-
стройке анализатора спектра на эти составляющие. Коэффициент
гармоник
кг = + + . 100%,
b'l
где J7i,...,t7n — среднеквадратические значения напряжений гар-
монических составляющих сигнала на выходе измеряемого авто-
регулятора.
При этом учитывают лишь гармоники, попадающие в номи-
нальный диапазон частот измеряемого тракта. Результаты изме-
рений записываются в соответствующую таблицу протокола из-
мерений.
Измерение коэффициента разностного тона. Метод разностно-
го тона рекомендуется применять для измерения нелинейных ис-
кажений в верхней части номинального диапазона частот. В соче-
тании с методом определения коэффициента гармоник он позво-
ляет оценить нелинейность каналов, трактов и отдельных уст-
ройств во всем диапазоне звуковых частот.
408
Рис. 13.2 Схемы измерений коэффициента разностного тона (а) и шумов (б)
В качестве измерительного сигнала следует использовать сиг-
нал, представляющий собой два одинаковых по амплитуде гармо-
нических колебания с близкими частотами fi и f2.
Количественной мерой нелинейности являются коэффициенты
разностного тона второго d2 и третьего d3 порядков:
d2 = 2 о/о;
Ufr + Uf2
ds = ~ U^2-fi + U2fl-f2 . 100 О/
3 ^т + ^2
где Uf и Uf —среднеквадратические значения напряжений измери-
тельного сигнала с частотами и f2 на выходе измеряемого тракта;
t/f -f , — среднеквадратические значения напряжений
продуктов нелинейности на выходе измеряемого тракта, частоты
которых равны соответственно f2—fi, 2fi—f2, 2f2—ft.
Коэффициенты разностного тона следует измерять по схеме
на рис. 13.2,а. Каждый из двух генераторов подключают в схему
измерения через резистор Rt, сопротивление которого должно
быть по крайней мере в 50 раз больше сопротивления резистора
R2. Сопротивление резистора R2, подключенного параллельно
входу измеряемого тракта, не должно превышать нормированно-
го значения внутреннего сопротивления источника сигнала. Ре-
зисторы должны быть непроволочными с допуском ±1 %, при
необходимости экранированными.
Измерения производят на гармонических сигналах с напряже-
нием каждого сигнала, равным половине номинального значения
максимального входного напряжения измеряемого тракта с до-
пуском ±0,2 дБ. Для трактов высшего класса качества и входя-
щих в их состав устройств измерения рекомендуется производить
на частотах /т=12 1000 Гц; ^=12 900 Гц.
Один из генераторов настраивают на частоту fIr а второй —
на [2. Поочередно подключая генераторы ко входу тракта, регу-
лируют напряжение измерительного сигнала так, чтобы напряже-
409
ние на входе устройства соответствовало половине номинального
значения максимального входного уровня. На выходе тракта с
помощью низкочастотного анализатора спектра, настроенного по-
очередно на частоты fi, f2, 2f2—Л, 2fi—f2 и f2—fi, измеряют напря-
жения колебаний этих частот.
Коэффициент разностного тона второго и третьего порядков
в процентах определяют по приведенным выше формулам.
Измерение защищенности от интегральной помехи и псофо-
метрического шума. Для этого используют схему на рис. 13.2,6.
Предварительно диапазон измеряемой помехи (шума) должен
быть ограничен соответствующим частотным фильтром. На вход
тракта от низкочастотного генератора подают гармонический ча-
стотой 1000 Гц и напряжением, соответствующим номинальному
значению максимального входного уровня с допуском ±0,5 дБ.
На выходе капала с помощью измерителя определяют напряже-
ние полезного сигнала Uc или его уровень Nc. В качестве измери-
теля псофометрического шума используют псофометр с соответст-
вующим фильтром.
Затем генератор отключают от входа измеряемого тракта и
вместо него подключают экранированный резистор, сопротивле-
ние которого должно быть равно модулю полного электрического
сопротивления источника сигнала на средних частотах. Тем же
измерителем определяют напряжение интегральной помехи U„.n
(или уровень Nh.ii) и затем напряжение псофометрического шума
Дп.ш (или уровень Nn.m) на выходе тракта. При этом фиксируют
среднее значение напряжения помехи (шума) за время примерно
5 с без учета кратковременных редких отклонений стрелки при-
бора.
Защищенность от интегральной помехи Ли.п и защищенность от
псофометрического шума Лп.ш в децибелах определяют по форму-
лам
Аи.п=201g(С7с/С7н.п); Лп.ш=20 1g(t/c/^п.ш)
при градуировке шкалы измерителя в вольтах или
AH.n=Nc NH.n; Лп.ш=Нс—Nn.m
при градуировке шкалы измерителя в децибелах.
Результаты измерений заносят в соответствующую таблицу
протокола измерений.
Измерение разбаланса уровней на частоте 1 кГц и рассогла-
сования АЧХ. Разбаланс уровней между стереоканалами Л и П
на частоте 1 кГц измеряют по схеме, приведенной на рис. 13.3,а.
На входе стереоканалов Л и П от одного и того же генератора
звуковых частот подается сигнал номинального уровня частотой
1 кГц. С помощью вольтметров У2 и Уз измеряются уровни на-
пряжений t/вых.л и i/выхп соответственно на выходе каналов Л
410
Рис. 13.3. Схема измерений расхождения АЧХ в стереоканалах (а) и диаграмма
результатов измерения этого расхождения (б)
и П. Разность этих показаний и будет характеризовать разбаланс
уровней: AN=NBbix.r—NBbIx.n.
Рассогласование АЧХ между стереоканалами во всем диапа-
зоне нормируемых частот также измеряют по схеме на рис.
13.3,а. При этом сначала определяют разбаланс уровней на ча-
стоте 1 кГц и регулировкой усиления в одном из каналов уста-
навливают одно и то же напряжение на обоих выходах стерео-
каналов. Измерение обычно проводят при номинальном входном
уровне и при уровне на 20 дБ меньше номинального значения. За-
тем производится измерение АЧХ каждого из двух стереоканалов
на тех же частотах, что и для монофонических трактов высшего
класса качества. Результаты измерений заносятся в соответству-
ющую таблицу протокола измерений, и на ее основе строятся
АЧХ (рис. 13.3,6).
Измерение разбаланса фаз. Разность (разбаланс) фаз между
стереоканалами можно проверить фазометром, например, типов
Ф2-1, Ф2-13, Ф2-16, а также осциллографом или стереогониомет-
ром, используя известный метод эллипса.
Измерение переходного затухания между стереоканалами. Пе-
реходное затухание между стереоканалами определяет сигнал,
проникающий из одного стереоканала в другой. По своей сущно-
сти этот параметр аналогичен внятной переходной помехе в мо-
нофоническом оборудовании.
13.3. ДИСТАНЦИОННЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ
Параметры трактов и отдельных звеньев можно измерять ди-
станционно, например из ОТК Гостелерадио можно измерить па-
раметры сквозного канала «радиодом — КРА — соединительная
линия — передатчик». Таким образом, можно определить все ос-
новные параметры: неравномерность АЧХ, коэффициент гармо-
ник, защищенность от шумов и др.
411
Передатчик
Рис. 13.4. Схема дистанционных измерений
Измерения коэффициента гармоник. Этот параметр наиболее
важный, так как изменение режима работы тракта ведет к по-
вышению коэффициента гармоник Кг. Применяемое устройство
АДИ (автоматические дистанционные измерения) довольно про-
сто решает эту задачу путем посылки в паузах передачи кратко-
временных измерительных сигналов по схеме на рис. 13.4. Во
время передачи контакты Ki и Кд находятся в верхнем положе-
нии, Кг и Кз — в нижнем. В паузе передачи Ki переключают на
датчик измерительных сигналов ДИС, замыкается контакт К-ь
контакт Кг с задержкой 20 мс переходит в верхнее положение,
включая цепь на вход ограничителя Огр через узкополосный
фильтр Ф; контакт Кз с небольшой задержкой переходит в верх-
нее положение, подключая к выходу Огр выпрямитель В и интег-
рирующую цепь измерителя уровня со шкалой, градуированной
в процентах Кг.
Процесс протекает следующим образом. Во время кратковре-
менного нахождения Кг в нижнем положении калиброванный си-
нусоидальный сигнал проходит на Огр и устанавливает его на
определенный коэффициент передачи (за порогом ограничения).
Постоянная времени разряда управляющей цепи Огр велика —
от 10 до 12 с, поэтому при переходе Кг в верхнее положение ко-
эффициент передачи Огр практически не меняется. Так как
фильтр узкополосный режекторный, настроенный на частоту из-
мерительного сигнала, через Огр проходят только гармоники сиг-
нала, образованные в измеряемом тракте. Контакт Кз замыкает-
ся с небольшой дополнительной задержкой для исключения из
дальнейшей измерительной цепи нестационарного процесса, воз-
никающего при включении фильтра. После выпрямителя выпрям-
ленное напряжение подается на интегрирующую цепь ИУ. Время
разряда цепи ИУ больше 20 с, а шкала ИУ градуируется в про-
центах. Таким образом, при длительности измерительного сиг-
нала в 100 мс на указанные задержки включения контактов Кг и
Кз требуется приблизительно 20 мс. При принятых больших зна-
чениях времени восстановления цепей Огр и ИУ коэффициент
передачи в течение приблизительно 80 мс практически не изме-
412
нится, а стрелка измерителя Кг медленно будет отклоняться от
максимального положения, так что отсчет легко сделать.
Так как на выпрямитель подается смесь напряжений гармо-
ник, то вследствие линейного детектирования и некоторого ухода
рабочей точки Огр (примерно на 3%) при дистанционном изме-
рении возникает систематическая погрешность по сравнению с
результатом измерения обычным способом, составляющая 6 ...
... 10% относительно истинного значения. При малых Кг погреш-
ность значительно меньше.
Измерение АЧХ. Датчик измерительного сигнала представля-
ет собой релейную схему, обеспечивающую подачу одного изме-
рительного сигнала с прямоугольной огибающей длительностью
100 мс от звукового генератора с частотой 1 кГц или с частотами
50 и 10 000 Гц при измерении АЧХ. Датчик выполняет некоторые
дополнительные коммутации при измерении АЧХ и уровня шума.
Для измерения АЧХ можно использовать схему на рис. 13.4
со следующими изменениями, автоматически производимыми дат-
чиком при переводе его на режим «АЧХ»:
а) ограничитель работает в режиме усиления, для чего от-
ключается управляющая цепь;
б) измерение проводится напряжением, в 2 раза меньшим
номинального;
в) исключается фильтр, а контакт Кз находится в верхнем
положении;
г) отсчет ведется тем же измерителем уровня, что и для из-
мерения Кг, шкала имеет дополнительную градуировку в деци-
белах. Желательно, чтобы при опорном сигнале 1 кГц стрелка
ИУ находилась в середине шкалы, что можно отрегулировать ка-
либровочным потенциометром;
д) обычно наибольшие отклонения АЧХ бывают на краях ча-
стотного диапазона. Поэтому для экспресс-проверки достаточно,
кроме генератора 1 кГц, иметь еще два генератора с частотами
50 и 10 000 Гц. Можно, конечно, воспользоваться одним перестра-
иваемым генератором, но это увеличит длительность измерений.
Измерения уровня шумов. Уровень шума измеряется относи-
тельно номинального уровня сигнала. При этом в схеме на рис.
13.4 автоматически производятся следующие изменения:
а) ограничитель работает в режиме усиления, добавляется
предварительный усилитель с калиброванным (в децибелах) по-
тенциометром на входе; выход этого усилителя подключается ко
входу Огр;
б) прибор-указатель ИУ подключается непосредственно к вы-
ходу выпрямителя.
Измерение проводится непосредственно после измерения АЧХ,
когда зафиксировано напряжение на частоте 1000 Гц.
При указанных переключениях коэффициент усиления изме-
рительного тракта, отнесенный к шкале указателя, увеличивает-
413
Рис. 13.5. Схемы логометров
ся на 54 дБ. Таким образом, появляется возможность измерять
уровень шумов такого же порядка. С помощью калиброванного
потенциометра стрелка указателя устанавливается в положение,
которое она занимала при измерении АЧХ на частоте 1000 Гц.
Деления на шкале калиброванного потенциометра покажут уро-
вень шума относительно номинального уровня сигнала. В отли-
чие от измерений Кг или АЧХ, которые проводятся короткими
посылками длительностью 100 мс, длительность измерения шума
значительно больше, так как из схемы ИУ исключена интегри-
рующая цепь и /ср прибора-указателя около 200 мс.
Кроме перечисленных устройств, в системе АДИ имеются
устройства для измерения коэффициента модуляции AM передат-
чика и девиации МВ-ЧМ передатчика с помощью специальных
приемников.
Для автоматического контроля коэффициента передачи трак-
та в радиовещании применяют специальные устройства — лого-
метры. Принцип действия логометра основан на сравнении двух
сигналов — с входа и выхода контролируемого четырехполюс-
ника.
Как видно из схемы на рис. 13.5,а, логометр обычно состоит
из следующих блоков: двух входных устройств, двух ограничи-
телей уровня инерционного типа; двух детекторов с интегрирую-
щими цепями. Кроме того, на схеме не показаны выходные
устройства с электронной коммутацией, исполнительный меха-
низм, блок питания.
Логометр можно также выполнять с одним ограничителем,
синхронно коммутируемым ко входу и выходу (рис. 13.5,6). Для
упрощения его устройства при коммутации используется частота
сети переменного тока 50 Гц.
414
При выборе ограничителя с быстрым срабатыванием (0,5 ...
...2 мс) и медленным восстановлением (1 ... 2 с) такая схема
выполняет те же функции, что и схема на рис. 13.5,а. Наличие
только одного нелинейного элемента исключает необходимость
какого-либо подбора нелинейных элементов при сохранении вы-
сокой точности работы в широком динамическом диапазоне срав-
ниваемых уровней сигналов.
13.4. АВТОМАТИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ
В ЗВУКОВОМ ВЕЩАНИИ
Потребность в создании средств автоматического контроля
уровней передаваемых сигналов и параметров качества каналов
звукового вещания возникла в связи с постоянным ростом числа
и протяженности междугородных каналов, все возрастающей
сложностью систем передачи информации, повышением требова-
ний к надежности и качеству их работы.
Автоматический контроль уровней сигналов осуществляется
с помощью устройства КДУ-6. Это устройство обеспечивает не-
прерывный контроль уровней и выдает тревожные звуковые и све-
товые сигналы при завышении, занижении вещательных сигналов
относительно установленных нормированных значений и их про-
падании.
В устройстве КДУ-6 сигнал «Завышение» выдается в том слу-
чае, если в течение 1 мин номинальный уровень повышается на
4 дБ и более чем в три раза. Если в течение 6 мин ни разу не пре-
вышается уровень —3 дБ по отношению к номинальному значе-
нию, то выдается сигнал «Занижение». Сигнал «Пропадание»
фиксируется при снижении максимального уровня сигнала по от-
ношению к номинальному на 42 дБ и более в течение 12 с.
В устройстве предусмотрено плавное изменение установки порога
сигнализации: «Завышение» — от Ц-4 до 0 дБ, «Занижение» —
на ±2 дБ относительно —3 дБ, «Пропадание» — на +2 дБ отно-
сительно —42 дБ.
Устройство КДУ-6 обеспечивает одновременный контроль в
шести независимых каналах в точках с номинальным значением
максимального уровня 0 или -|-15 дБн. Входное сопротивление не
менее 20 кОм в диапазоне частот 30 ... 15 000 Гц.
В основу контроля уровня здесь положено использование ком-
параторов в сочетании с реле времени.
Для непрерывного контроля используется также аппаратура
КДК, для периодического контроля—аппаратура АДК-
Аппаратура КДК состоит из комплекта передатчиков КДК-1
и комплекта приемников КД К-2. Передатчики КДК-1 осуществ-
ляют непрерывную подачу испытательных пилот-сигналов в ка-
налы. В приемниках КДК-2 при отклонении параметров контро-
415
лируемого тракта от нормируемых значений включается звуковая
и световая сигнализация с расшифровкой изменившегося пара-
метра. Одновременно с приемника КДК-2 в канал поступает сиг-
нал неисправности, блокирующий включение сигнализации об
отклонении контролируемого параметра во всех последующих
пунктах контроля, где установлены другие приемники КДК-2. Это
позволяет определить место неисправности.
Комплект КДК-1 состоит из шести идентичных передатчиков,
работающих независимо друг от друга, каждый из которых обес-
печивает непрерывную подачу в контролируемый канал пилот-
сигнала с уровнем —63 дБ частотой 320-j—1 Гц. Кроме того,
каждый передатчик в паузах вещательной программы обеспечи-
вает в точке своего подключения компенсацию шумов, поступаю-
щих от источника программы, на 20 дБ. Рабочий режим в пау-
зах следующий: через 1 с после начала паузы (—56 дБ) с вы-
хода передатчика подается запускающий импульс частотой
320 Гц, длительностью 10 мс.
Комплект КДК-2 состоит из двух идентичных приемников, ра-
ботающих независимо друг от друга. Каждый из приемников
обеспечивает включение следующей сигнализации:
о завышении или занижении уровней при отклонении коэффи-
циента передачи тракта на ±4 дБ относительно номинального
значения;
о пропадании уровня при уменьшении коэффициента переда-
чи тракта на 12 дБ;
о повышении уровня псофометрических шумов при превыше-
нии ими значения —62 дБн в точке с номинальным уровнем
—9 дБн;
о неисправности в одном из предыдущих пунктов контроля.
Время срабатывания сигнализации занижения или завышения
коэффициента передачи с момента начала измерительной паузы,
а также при полном пропадании канала составляет (1,6±0,1) с.
Время срабатывания сигнализации завышения уровня шумов с
момента начала паузы составляет (2,7±0,3) с, причем само вре-
мя измерения не превышает (1,5±0,2) с.
В основу аппаратуры автоматического периодического допу-
скового контроля АДК положено использование сигналов меток
точного времени (МТВ). Эти сигналы состоят из шести прямо-
угольных радиоимпульсов, заполненных гармоническим сигналом
частотой 1000 Гц. Длительность каждого радиоимпульса 100 мс,
период повторения 1 с (рис. 13.6,а). Эти сигналы регулярно, каж-
дый час, передаются по программам центрального радиовещания.
Начало шестого сигнала в серии МТВ соответствует началу каж-
дого часа московского времени.
В аппаратуре АДК первый сигнал МТВ запускает устройство
формирования и подает команду начала контроля. Второй сигнал
416
Рис 13.6. Форма сигналов точного времени на входе (а) и выходе (б) аппарату-
ры АДК
используется для контроля коэффициента гармоник, третий, чет-
вертый и пятый — для контроля АЧХ тракта. При этом в сигна-
лы МТВ автоматически подмешиваются сигналы дополнительных
частот, уровень которых примерно на 20 дБ меньше уровня сиг-
нала основной частоты 1000 Гц. В этом случае, хотя форма сиг-
налов МТВ и искажается (рис. 13.6,6), слуховое восприятие та-
кого суммарного сигнала несущественно отличается от восприя-
тия непреобразованных сигналов МТВ.
Система контроля трактов с помощью аппаратуры АДК (рис.
13.7) состоит из передающего устройства АДК1 и приемных
устройств АДК2.
На вход АДКь установленного в ОТК Гостелерадио СССР,
поступают сигналы МТВ. С выхода АДК1 преобразованные из-
мерительные сигналы подаются в центральную аппаратуру ГДРЗ,
где они вводятся в вещательные программы и вместе с ними
через КРА СУР-1 поступают в МКЗВ. Устройства АДК2 можно
подключать в любых точках тракта, куда приходят звуковые сиг-
налы. Одно устройство АДКг позволяет производить в месте его
установки последовательный автоматический обегающий кон-
троль до восьми МКЗВ или других каналов.
Рис. 13.7. Система контроля с помощью аппаратуры АДК
27—6697
417
Аппаратура АДК обеспечивает контроль, сигнализируя о сле-
дующих изменениях параметров трактов:
коэффициента передачи на частоте 1000 Гц при его отклоне-
нии от нормы на +2,7 дБ;
коэффициента гармоник на частоте 1000 Гц при его возраста-
нии до величины свыше 3%;
АЧХ тракта относительно частоты 1000 Гц при следующих
отклонениях от нормированных значений:
4-2,7 и —2,7 дБ на частотах 350 и 3 300 Гц;
4-2,7 и —3,5 дБ на частотах 140 и 6 200 Гц;
4-2,7 и —4,7 дБ на частотах 75 и 9 500 Гц.
Контрольные вопросы
1. В чем заключается сущность периодических измерений и автоматического
контроля?
2. Какие нарушения в работе относятся к техническим остановкам и какие
считаются браком?
3. Какие параметры сигналов звукового вещания нормирует ГОСТ
11515—75?
4. На каких частотах рекомендуется измерять неравномерность АЧХ и по-
чему?
5. Почему неравномерность АЧХ не рекомендуется измерять при номиналь-
ном уровне?
6. Зачем помимо коэффициента гармоник необходимо измерять также ко-
эффициент разностного тона и в чем заключается его сущность?
7. Какова методика измерения шумов и помех?
8. Каковы особенности измерения стереофонических параметров: разбалан-
са АЧХ, разбаланса фаз, переходных затуханий между стереоканалами?
9. Каков принцип проведения дистанционных измерений?
10. Что такое логометр и каков принцип его работы?
И. Какие параметры и как контролируются с помощью аппаратуры типа
КДК-6?
12. Каковы особенности работы аппаратуры непрерывного контроля типа
КДК?
13. Как преобразуются сигналы меток точного времени в системе допуско-
вого контроля типа АДК?
ПРИЛОЖЕНИЕ. АКУСТИЧЕСКИЕ
И ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ УРОВНИ
В акустике, радиовещании и электросвязи результаты измерений парамет-
ров принято отображать в виде относительных логарифмических единиц. Кроме
того, что такая оценка позволяет с большим удобством оперировать параметра-
ми, изменяющимися в сотни и тысячи раз, она соответствует природе слуха.
Согласно психофизическому закону Вебера — Фехнера одинаковые относитель-
ные изменения раздражающей силы (интенсивности звука) вызывают примерно
одинаковые абсолютные изменения слухового ощущения.
Если интенсивность звука увеличивать в десять раз, то каждому десяти-
кратному увеличению интенсивности звука будет соответствовать один скачок
слухового ощущения. Для оценки слухового ощущения была предложена еди-
ница под названием Бел (Б). Бел является довольно крупной единицей, поэто-
му была введена более мелкая единица — децибел (дБ), равная 0,1 Б. Измене-
ние интенсивности звука на 1 дБ вызывает изменение слухового ощущения на
значение, близкое к предельному
418
Таким образом, слуховое ощущение е в децибелах при изменении интенсив-
ности звука от 10 до I будет
e=101g(///0). (П.1)
Параметры, измеряемые в децибелах, называют уровнями. Различают отно-
сительные и абсолютные, акустические и электрические уровни.
Под уровнем энергетического параметра (интенсивность звука, электриче-
ская мощность и др.) понимают величину
N = I0Ig(A feo), (П.2)
а под уровнем линейного параметра (звуковое давление, напряжение, ток
и др.) — величину,
N=201g(fe/fea), (П.З)
где k — измеряемый параметр; ko — некоторая величина, соответствующая ус-
ловно выбранному нулевому уровню. Одни децибел (N=l) энергетического па-
раметра соответствует его изменению в 1,26, а линейного параметра в 1,12 ра-
за. Если величина kt нормируется, то измеряемый уровень параметра называет-
ся абсолютным или чаще для краткости также уровнем. Для других значений
А уровень называют относительным.
Звуковое давление (р), интенсивность звука (/) и плотность звуковой энер-
гии (е) выражают в акустических уровнях
Nj>=2Olg(p/po), (П.4)
yI = 101g(///0), (П.5)
N = 101g(e/e0). (П.6)
В качестве нормированных значений параметров, соответствующих нуле-
вым значениям акустических уровней (Nj> = A'j=Ar =0), приняли ро = 2Х
ХЮ-5 Па, /о=Ю-!2 Вт/м2, ео = 3-1О~15 Дж/м3. Приведенные значения ро, /о,
е0 соответствуют примерно минимальным значениям, которые еще вызывают
слуховое ощущение.
Для одной и той же точки звукового поля при нормальных атмосферных
условиях Np = N/ = N8=Na, поэтому при определении акустических уровней,
если характеристики воздушной среды не оговорены специально, индексы часто
опускают.
Электрические уровни разделяются на уровни мощности, напряжения и то-
ка. В качестве нормированной величины, соответствующей нулевому уровню
электрической мощности, принята Ро = 1 мВт. При рассеянии этой мощности на
сопротивлении 600 Ом нормированными значениями, соответствующими нуле-
вым уровням напряжения и тока, будут По = О,775 В и /0 = 1,29 мА. Относи-
тельно этих значений измеряются соответственно абсолютные электрические
уровни мощности, напряжения и тока:
Nj> = 10Ig(P/P0), (П.7)
No=201g(l//l/o), (П.8)
N,=20Ig {I/I о). (П.9)
Значения наиболее часто вычисляемых уровней мощности и напряжения
равны при условии измерения их на сопротивлении #о=6ОО Ом. При R^=Ro
уровень мощности отличается от уровня напряжения на
Nn—NP = lOlg(/?//?o). (П.10)
В настоящее время при вычислении абсолютных электрических уровнен к
сокращенному обозначению децибела часто добавляют начальную букву назва-
ния соответствующей величины. Кроме того, к обозначению децибела принято
добавлять обозначение единицы, относительно которой вычисляется электриче-
ский уровень. Таким образом размерности дБн, дБм указывают на абсолютные
27* 419
Таблица П. 1
kfka 2 3 5 7 10
201g(fe/fen), дБ 6 9,5 14 17 20
101g(fe/60), дБ 3 4,8 7 8,5 10
уровни напряжения и мощности, а размерности дБ/B, дБ/мВ, дБ/мкВ, дБ/Вт —
на уровни напряжения и мощности, вычисленные соответственно относительно
1 В, 1 мВ, 1 мкВ, 1 Вт.
На практике при вычислениях полезно помнить некоторые округленные со-
отношения между уровнями и относительными параметрами (табл. П.1). С по-
мощью этих соотношений нетрудно определить уровень параметра или произве-
сти обратные вычисления.
В качестве примера оценим уровень линейного параметра, выраженного в
относительных единицах: &/&i = 350. Уровень этого параметра (350=10X7X5)
соответственно равен N=20+17+14 = 51 дБ. Если известен уровень, например,
NP = 37 дБ/мВт, то значение энергетического параметра (37=10 + 10+10+7)
Р = 5-103 мВт.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Горон И. Е. Радиовещание. М.: Связь, 1979.—368 с.
2. Сапожков М. А. Электроакустика. — М.: Связь, 1978.—272 с.
3. Акустика. Справочник/ А. П. Ефимов, А В. Никонов, М. А. Сапожков,
В. И. Шоров; Под ред. М. А. Сапожкова. — М.: Радио и связь. 1989.—336 с.
4. Справочник по спутниковой связи и вещанию/ Г. Б. Аскинази, В. Л. Быков.
Г. В. Водопьянов и др.; Под ред. Л. Я. Кантора. —М.: Радио и связь, 1983.—
288 с.
5. Справочник по радиовещанию/ А. В. Выходец, В М. Захарин, Е. Д1. Рудый и
др.; Под ред. А. В. Выходца.—Киев: Техника, 1981.—263 с.
6. ГОСТ 18633—80. Система стереофонического радиовещания. Основные пара-
метры,
7. ГОСТ 11515—75. Каналы н тракты звукового вещания. Классы. Основные
параметры качества.
8. Дворецкий И. М., Дриацкий И. Н. Цифровая передача сигналов звукового ве-
щания.—Радио и связь, 1987.—193 с.
9. Коноиович Л. М., Ковалгин Ю. А. Стереофоническое воспроизведение зву-
ка.— М.: Радио и связь, 1981,—184 с.
10. Гитлиц М. В. Магнитная запись сигналов. — М.: Радио и связь, 1981.—160 с.
И. Техника проводного вещания и звукоусиления/ Б. К- Барановский, В. Б. Бул-
гак, В. И. Верба и др.; Под ред. В. Б. Булгака и А. П. Ефимова, —М.: Радио
и связь, 1985.—288 с.
12. Левин Л. С., Плоткин М. А. Цифровые системы передачи информации.—М.:
Радио и связь, 1982.—215 с.
421
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
Авторегулятор уровня:
автостабилизатор 174, 175
время восстановления 184
— срабатывания 184
выбор динамических парамет-
ров 185
инерционный 184
компандер 175
компрессор 174, 175
— диапазон сжатия 186
— музыкальный 187—188
—речевой 186—187
корректор 176, 195—197
ограничитель 174, 185
пикосрезатель 183—184
со сложным преобразованием
диапазона 175—176
устройство спецэффектов 176
экспандер 175
Акустическое отношение 125
Антиформанта 24
Аппаратная коммутационно-рас-
пределительная 11, 135
Аппаратура передачи:
АЦВ-480 308
ИКМ-12М 308
ИКМ-15 308
ИКМ В6/12 308
ИКМ-1920 308—309
Баланс стереофонический 208
Вещание звуковое 4—6
внутрисоюзное 7—8
монофоническое 12
проводное 5, 11
стереофоническое 6, 12, 342
Восприятие субъективное 13
Давление звуковое 18, 19, 25
шума, допустимый уровень 132
Детектор полярный 355, 356
Глушители 134
Г ромкоговоритель:
акустический фазоинвертор 99
головка электродинамическая 93,
96, 105
диффузор 95—96
422
диффузорный 91, 93—100
изодинамический 104—105
мощность акустическая 93, 94
— номинальная 93
радиальный 104, 154
резонансная кривая 97
рупор 103
рупорный 91, 103, 150—152
характеристика направленности
92, 97, 98, 99, 151
— частотная 92—93, 95
чувствительность характеристи-
ческая 93
электростатический 105
Группы слуха частотные 30—32
Гулкость звучания 115, 130
измерения 143—145
Запись сигнала
магнитная 248
механическая 246—247
фотографическая 247—248
Звукоизоляция 140—141
измерение 146
Звукопоглотители 137—138
Измерение-
амплитудно-частотной характе-
ристики 407—413
защищенности от интегральной
помехи н псофометрического шу-
ма 410
коэффициента гармоник 408, 412
— разностного тона 408—409
разбаланса уровней на частоте
1 кГц и рассогласования АЧХ
410—411
уровня шумов 413—415
Измеритель уровня квазипиковый:
время возврата указателя 203
— интеграции 203
— срабатывания указателя 203
входное устройство 206
детектор 207
диапазон динамический 205
— частотный 205
интегрирующая цепь 207
логарифматор 207
переброс указателя 203
погрешность 205
усилитель звуковых частот 207
шкала линейная 206
— логарифмическая 206
S-образная 206
Изофоны 26
Индекс тракта передачи 161, 164,
165, 166—167
Интенсивность звука 19
Искажения частотно-фазовые 12
Источник звука кажущийся 58
локализация 32—33, 58—63, 149
Канал звукового вещания-
монофонический 296—298
низкочастотный 295—296
помехи нелинейные 294—295
— переходные 294
— собственные 294
сеть распределения 289, 290
стереофонический 298—301
транзит 293
цифровой 302
— ввод сигналов 307—308
— параметры 306
Качество звучания 15—16
признаки 56—57
пути повышения 84
Квантование:
искажения 212
линейное 216—219
мощность шума 216—217
нелинейное 212, 219—220
характеристика 212
шаг 212
шкала 213, 224
шум 212
Кодирование 213, 223
Коды:
блочные линейные 235, 304
канальные 269—270
квазитроичный 305
корректирующие 235
формат 238, 239
Хэмминга 235—236
циклические Боуза—Чоудхори—
Хоквингема 236
— Рида — Соломона 236
Колонки звуковые 152—154
Комплекс аппаратно-студийный 10,
135, 273—275
Компрессия:
оптимальный закон 220
оптимальная характеристика
220—221
по А-закону 222, 223
. по р-закону 221, 222
Конструкции звукопоглощающие
138—141
Контроль технический-
автоматический 405—406, 415—
418
брак 406
нарушения в работе 406
оперативный 405
периодические измерения 405
технические остановки 406
Корректор графический 196—197
Коэффициент акустической обратной
связи 164
— затухания звука 122
— звукоизоляции 133
---- измерение 146
— звукопоглощения 112—113, 124,
138
---- измерение 147
— псофометрический 218
— эквивалентности 62—63
Латеризация 130
Метод электромеханических анало-
гий 70—74
Микрофон:
двунаправленный 79
комбинированный 80
конденсаторный 87—88
— градиентный 88—89
— комбинированный 89
— электретный 90—91
направленность 76, 78—79
приемник звукового давления 77
уровень собственного звука 77
частотная характеристика 77
чувствительность 75, 83
электродинамический катушечный
82—85
— ленточный 85—87
Микшерный пульт 176—178
Модуляция импульсно-кодовая:
декодер 212
дифференциальная 226—228
— адаптивная 228—229
кодер 212
преобразование аналого-цифро-
вое 211
— цифро-аналоговое 213—214
Обертон 24
Октава 24
Орган слуха, строение 22—23
Передача 4, 7
достоверность 230—237
на поднесущих частотах в низко-
частотном канале 314—315
423
уплотнение временное телевизи-
онного сигнала 315
— частотное высокочастотного
ствола 313
цифровая с временным разделени-
ем каналов 314
Плотность звуковой энергии 21
Поле звуковое 17
в помещении 119—123
необходимый уровень 149
неравномерность 149
плоской волны 19
скорость распространения 17
сферической волны 20—21
Помехи 13
интерференционные 329, 337
Порог различимости по частоте 27
— слышимости 24—25, 28
Постоянная времени слуха 32
Программа 4, 7—9
технология формирования 286—
287
Прозрачность звучания 130
измерение 143—146
Пространственное впечатление 130
измерение 143—146
Пульт дикторский РВС-101 279—280
— микшерный П-71 275—277
— центральной аппаратной «Тесла»
281—282
Радиовещание 4, 11
Радиодом 7, 135, 273
Радиоканал'
мощность шума 349
нелинейные искажения при сте-
реоприеме 352—353
переходное затухание 350—351
полоса частот 348
уровень шумов и помех 349—350
Радиомикрофон 90—91
Радиопередатчик:
вещательная сеть 321, 322
защитное отношение по звуковой
частоте 316, 329, 340
----по высокой частоте 316,
320—321
зона обслуживания 316, 319, 327
напряженность поля 317, 320, 327
----- медианная 317
Разборчивость 131, 159—162
формантная 161
Ревербератор 197
листовой 199
магнитный 199
пружинный 200
цифровой 200, 244
эхо-камера 198
Реверберация 115, 122
424
длительность 123
• коррелограммы 118
оптимальная 126—129
при звукопередаче монофониче-
ской 119
— стереофонической 117—118
регенеративная 165
стандартная, время 123, 127
----измерение 141—145
функция корреляции 116—117
частотная характеристика 129
эквивалентная, время 126
Регенерация 14
Регулятор панорамный 180—183
— уровня ручной 178—179
Свойства слуха нелинейные 30—31
Сеть вещательная 9
Сигнал звукового вещания-
аналоговый 12
временные диаграммы 34
динамический диапазон 49—50
мощность 44—46
— долговременная 46
— спектральная плотность 46—49
— среднеминутная 44—45
—средняя 51—52
— текущая 51—52
обработка динамическая 171, 172
— частотная 171
пик-фактор 50, 218
плотность вероятностей распреде-
ления 37, 38, 41
статистические свойства 36
стационарный 35
уровень 34
— динамический 36
функция распределения 37, 40
цифровой 14
— достоверность передачи 230—
237
Система звукопередачи:
бифонический процессор 66
зональная 154—156
предпочтительность 56
распределенная в закрытом по-
мещении 158—159
— для открытых пространств
156—157
стереофоническая бинауральная
65
— матричная 67—69
— многоканальная 64
с частотным разделением каналов
292
---------- многоканальная 293
Система проводного вещания:
многопрограммная по телефонным
сетям 380—381
на базе телевизионной распреде-
лительной сети 381—382
— стереофоническая 403—404
оборудование абонентское 375,
401—402
— линейное 375
— станционное 375
трехпрограммная 382—387
— искажения огибающей AM сиг-
нала 392
—нелинейные переходные помехи
390—391
— паразитное излучение 393
трансформаторные подстанции 400
узлы 375
— схема децентрализованная 376
---- централизованная 376
Система распределения программ
вещания 9, 11
Системы колебательные:
акустические 71—72, 100—102
механические 71, 73—74
Системы стереофонического радио-
вещания:
фирмы Belar 362
— Magnavox 362—363
— Motozola 363—364
— Harris 364—366
— Zenith 369—371
ФРГ 372—374
Слитность звучания 149
Слуховое ощущение 25
Смеситель 179—180
Совместимость 208—209
Сопротивление акустическое 19
Станция звуковая передвижная
ЕВС-154 284
— проводного вещания центральная
376
-------оборудование 393—395
— усилительная опорная 377
-------оборудование 395—400
---- центральная 377
Стереогониметр МЭЗ-907 208, 209
Стерео декодер 355—358, 360, 371—
372
Стереокоррелометр 209—210
Студия 106—109
Телефон электродинамический голов-
ной 101, 102
Тембр 24
Тон 23—24
Тракт формирования программ 10
Уровень громкости 25
— маскировки 28
— шума, допустимый в помещении
131
Уровнеграммы 36, 173
Фильтры:
оптимальной обработки речи 202
плавного подъема и спада АЧХ
195
присутствия 195, 196
среза 195, 196
Фонд звукопоглощения 112
Форманта 24
Четкость звучания 130
измерение 144—145
Шумоподавитель:
гистерезисный 188
компандерный 190—193
полосный «Долби-А» 193
— «Долби-Б» 194
— DNL 194—195
пороговый 187
предыскажающие контура 189—
190
Эквалайзер см Корректор графиче-
ский
Экспертиза субъективно-статисти-
ческая 15, 56
Энергия звуковая:
в помещении 119, 121
установившаяся плотность 120,
125
Эффект бинауральный 32
— стереофонический 63—64
Эхо 153, 155
«порхающее» 146
реализующее устройство 244
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие........................................................... 3
Введение ............................................................... 4
Г л а в а 1. 7
1.1. Организация звукового вещания в СССР ............................. 7
1.2. Структурная схема системы звукового вещания....................... 9
1.3. Аналоговые и цифровые методы передачи сигналов.....................12
1.4. Принципы нормирования качественных показателей каналов и трактов
звукового вещания.......................................................15
1.5. Диаграмма уровней..............................................16
Глава 2. СИГНАЛЫ ЗВУКОВОГО ВЕЩАНИЯ и ИХ ВОСПРИЯТИЕ . . 17
2.1. Звуковое поле в неограниченном пространстве.......................17
2.2. Слух н восприятие звуковых колебаний..............................21
2.2.1. Слуховой аппарат............................................21
2.2.2. Восприятие акустических сигналов............................23
2.3. Вещательный сигнал как случайный процесс..........................33
2.4. Законы распределения мгновенных значений и уровней сигналов зву-
кового вещания.........................................................37
2.5. Распределение выбросов и пауз сигналов звукового вещания во времени 40
2.6. Текущая, среднеминутная и долговременная мощности сигналов зву-
кового вещания.........................................................44
2.7. Спектральная плотность мощности.................................. 46
2.8. Динамический диапазон и средняя мощность сигналов звукового ве-
щания .................................................................49
2.9. Структуры электроакустических систем звукового вещания .... 52
2.10. Качество моно- и стереофонического звучания....................55
2.10.1. Признаки качества стереовоспроизведения...................55
2.10.2. Локализация кажущегося источника звука....................58
2.10.3. Зона стереофонического эффекта............................63
2.11. Стереофонические системы повышенного качества звучания ... 64
2.11.1. Многоканальные стереофонические системы...................64
2.11.2. Бинауральная стереофоническая система.....................65
2.11.3. Матричная стереофоническая система с адаптацией каналов
воспроизведения .................................................. 67
Глава 3. электроакустические преобразователи .... 70
3.1. Электромеханические аналогии .....................................76
3.2. Вещательные микрофоны.............................................75
3.2.1. Общие сведения..............................................75
3.2.2. Типы микрофонов и их свойства..............................77
3.2.3. Электродинамические микрофоны..............................82
3.2.4. Конденсаторные микрофоны....................................87
426
3.3. Громкоговорители................................................91
3.3.1. Общие сведения............................................91
3.3.2. Диффузорные громкоговорители..............................93
3.3.3. Акустические системы и широкополосные телефоны .... 100
3.3.4. Громкоговорители радиообслуживания.......................102
3.3.5. Нетрадиционные громкоговорители..........................104
Глава 4. АКУСТИКА СТУДИЙ ЗВУКОВОГО И ТЕЛЕВИЗИОННОГО
ВЕЩАНИЯ.............................................................106
4.1. Классификация, объем и форма студий.............................. 106
4.2. Распространение звуковых волн в помещении.........................109
4.2.1. Волновой и статистический методы анализа структуры звукового
поля в помещении...................................................109
4.2.2. Поглощение звуковой энергии в помещении.....................111
4.2.3. Средняя длина и среднее время пробега звуковой волны ... 113
4.3. Временная структура реверберационного процесса в помещении, его
слуховое восприятие.....................................................П5
4.4. Нестационарные акустические процессы в помещении..................119
4.4.1. Процесс нарастания звуковой энергии в помещении .... 119
4.4.2. Процесс спадания звуковой энергии в помещении ..... 121
4.4.3. Реверберация................................................122
4.5. Основные критерии оценки акустического качества помещений . . . 123
4.5.1. Время стандартной реверберации.........................123
4.5.2. Акустическое стношение и эквивалентная реверберация . . . 125
4.6. Оптимальная реверберация.....................................126
4.7. Дополнительные критерии акустического качества помещений . . . 129
4.8. Звуковой фон в помещении..........................................131
4.9. Способы создания оптимальных акустических условий в студийных
помещениях.............................................................135
4.9.1. Планировка аппаратно-студийных комплексов..................135
4.9.2. Размещение звукопоглощающих и звукорассеивающих конструк-
ций в студиях.....................................................137
4.9.3. Звукоизоляция студий от внешних шумов......................140
4.10. Акустические измерения в помещениях.............................141
4.10.1. Измерения времени реверберации.......................... 141
4.10.2. Оценка дополнительных критериев акустического качества по-
мещений ........................................................ 143
4.10.3. Измерение звукоизоляции перегородок..................... 146
4.10.4. Измерение коэффициента звукопоглощения материалов и кон-
струкций .....................................................14'
Глава 5. системы озвучения и звукоусиления .... 148
5.1. Назначение систем озвучения и звукоусиления......................148
5.2. Требования, предъявляемые к системам озвучения и звукоусиления . 148
5.3. Сосредоточенные системы..........................................149
5 4. Зональные системы..............................................154
5.5. Распределенные системы...........................................156
5.6. Понятность и разборчивость речи..................................159
5.7. Звукоусиление....................................................163
5.8. Системы оповещения...............................................168
5.9. Системы синхронного перевода.....................................168
Глава 6. обработка сигналов звукового вещания . . . 170
6.1. Задачи и методы обработки сигналов художественного и информацион-
ного вещания....................................................... 1^0
6.2. Классификация устройств обработки сигналов.................... 172
427
6.3. Назначение и структура микшерных пультов...........................176
6.4. Ручные регуляторы уровня. Смесители. Регуляторы базы и направления 178
6.5. Автоматические регуляторы уровня...................................183
6.6. Устройства шумоподавления..........................................189
6.7. Частотные корректоры...............................................195
6.8. Устройства искусственной реверберации............................ 197
6.9. Изменение параметров сигналов при обработке........................200
6.10. Измерители уровня.................................................202
6.11. Стереогониометры и стереокоррелометры ............................207
Глава 7. ЦИФРОВОЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ И ОБРАБОТКА СИГНАЛОВ
ЗВУКОВОГО ВЕЩАНИЯ.....................................................211
7.1. Принципы импульсно-кодовой модуляции...............................211
7.2. Дискретизация......................................................214
7.3. Равномерное (линейное) квантование.................................216
7.4. Неравномерное (нелинейное) квантование.............................219
7.4.1. Мгновенное компандирование..................................220
7.4.2. Почти мгновенное компандирование............................224
7.5. Предыскажения при импульсно-кодовой модуляции .....................225
7.6. Дифференциальная импульсно-кодовая модуляция.......................226
7.7. Достоверность цифровой передачи сигналов...........................230
7.7.1. Требования к достоверности..................................230
7.7.2. Повышение достоверности передачи............................232
7.8. Форматы кодов и организация стыков.................................238
7.9. Изменение частоты дискретизации....................................240
7.10. Цифровые устройства обработки сигналов............................243
Глава 8. звукозапись....................................................245
8.1. Назначение звукозаписи.............................................245
8.2. Системы записи сигналов............................................245
8.3. Структурная схема магнитофона......................................248
8.4. Основные функциональные узлы магнитофона...........................250
8.4.1. Магнитные головки..................................... . 250
8.4.2. Магнитные ленты.............................................252
8.4.3. Лентопротяжные механизмы....................................253
8.5. Характеристики канала записи-воспроизведения.......................254
8.5.1. Запись......................................................254
8.5.2. Воспроизведение ............................................256
8.5.3. Шумы канала звукозаписи.....................................258
8.5.4. Детонация.................................................. 259
8.6. Корректирование амплитудно-частотных характеристик.............260
8.7. Основные качественные показатели магнитофонов и их измерение . . 262
8.8. Цифровые магнитофоны....................................... 265
8.8.1. Структурная схема.......................................265
8.8.2. Импульсные характеристики канала запнси-воепроизведения . . 268
8.8.3. Канальное кодирование...................................269
8.8.4. Характеристики цифровых магнитофонов....................271
Глава 9. ТРАКТ ФОРМИРОВАНИЯ ПРОГРАММ . >*- . . . . 273
9.1. Классификация радиодомов.......................................273
9.2. Аппаратно-студийные комплексы................... 273
9.3. Структурная схема и диаграмма уровней- микшерного пульта . . . 275
9.4. Пульты диктора.......................'. ............... 277
428
9.5. Центральная аппаратная............................................289
9.6. Трансляционные пункты и передвижные звуковые станции .... 282
9.7. Фонотека..........................................................285
9.8. Технология формирования программ......................286
Глава 10. тракт первичного распределения программ . . 288
10.1. Структурная схема тракта.........................................288
10.2. Каналы звукового вещания в аналоговых системах передачи . . , 291
10.2.1. Принципы построения.......................................291
10.2.2. Помехи в каналах АСП......................................294
10.2.3. Низкочастотные каналы вещания.............................295
10.2.4. Организация монофонических каналов вещания в АСП . . . 296
10.2.5. Организация стереофонических каналов в АСП................298
10.3. Каналы звукового вещания в цифровых системах передачи . . . 301
10.3.1. Построение цифровых систем передачи..............-. . 301
10.3.2. Линейный тракт............................................303
10.3.3. Организация каналов звукового вещания.....................306
10.3.4. Аппаратура цифровой передачи сигналов.....................308
10.4. Спутниковые системы вещания......................................309
10.4.1. Основные параметры........................................309
10.4.2. Передача сигналов звукового вещания . 311
Глава 11. радиовещание.................................................315
11.1. Построение передающей сети радиовещания..........................315
11.2. Международные соглашения в области распределения радиочастот 322
11.3. Радиовещание в диапазонах средних и длинных воли............325
11.4. Радиовещание в диапазоне метровых волн......................328
11.5. Радиовещание в диапазоне коротких волн......................332
11.6. Синхронное радиовещание.....................................335
11.7. Системы стереофонического радиовещания в диапазоне метровых волн 342
11.7.1. Система с полярной модуляцией........................342
11.7.2. Система с пилот-тоном................................346
11.7.3. Система ЧМ-ЧМ........................................347
11.7.4. Параметры систем стереофонического радиовещания . . . 348
11.8. Полоса частот, шумы, переходное затухание и нелинейные искаже-
ния при стереоприеме в диапазоне метровых волн.....................348
11.9. Методы формирования н декодирования комплексного стереофониче-
ского сигнала......................................................... 353
11.9.1. Система с полярной модуляцией.............................353
11,9.2. Система с пилот-тоном.....................................359
11.10. Стереофоническое радиовещание в диапазоне средних волн . . . 361
11.10 1. Системы с двойной модуляцией.............................361
11.10.2. Системы с квадратурной модуляцией....................363
11.11. Передача звукового сопровождения в телевизионном вещании . . 366
11.11.1. Системы вещательного телевидения с монофоническим зву-
ковым сопровождением..........................................366
11.11.2. Системы вещательного телевидения со стереофоническим зву-
ковым сопровождением..............................................369
Глава 12. ПРОВОДНОЕ вещание .......................................375
12.1. Построение сети проводного вещания...............................375
12.2. Многопрограммные системы проводного вещания ...... 380
12.3. Система трехпрограммного проводного вещания ...... 382’
429
12.4. Расчет линий проводного вещания.................................387
12 5. Помехи и искажения в системе трехпрограммного проводного вещания 390
12.5.1. Переходные помехи . ...............................390
12.5.2. Искажения огибающей AM радиосигнала....................392
12.5.3. Паразитное излучение ТПВ.................................393
12.6. Станционное оборудование. Абонентские устройства................393
12.7. Перспективы развития многопрограммного проводного вещания . . 402
Глава 13. ИЗМЕРЕНИЯ и КОНТРОЛЬ В ЗВУКОВОМ ВЕЩАНИИ . . 404
13.1. Особенности и виды технического контроля........................404
13.2. Методика измерения основных параметров тракта...................407
13 3. Дистанционные измерения.........................................411
13.4. Автоматический контроль в звуковом вещании......................415
Приложение. Акустические и электрические уровни.......................418
Список литературы.....................................................420
Предметный указатель..................................................422
Учебное издание
ВЫХОДЕЦ АНАТОЛИИ ВАСИЛЬЕВИЧ,
ГИТЛИЦ МАКСИМ ВЛАДИМИРОВИЧ,
КОВАЛГИН ЮРИИ АЛЕКСЕЕВИЧ,
НИКОНОВ АЛЕКСАНДР ВАСИЛЬЕВИЧ,
ОДНОЛЬКО ВАЛЕНТИН ВЛАДИМИРОВИЧ
РАДИОВЕЩАНИЕ И ЭЛЕКТРОАКУСТИКА
Учебник
Зав. редакцией В. Н. Вяльцев
Редактор Э. М. Горелик
Художественный редактор А. С. Широков
Технический редактор И. Л. Т к а ч е н к о
Корректор Г. Г. Казакова
ИБ № 1444
Сдано в набор 13.10.88 Подписано в печать 17.08.89 Т- 16301
Формат 60X88/16 Бумага тип. №2 Гарнитура литературная Печать высокая
Усл. печ. л. 2б,46 Усл. кр.-отт. 26,46 Уч.- изд. л. 29,69 Тираж 18000 экз.
Изд. № 21719 Заказ № 6697 Цена 1р. 30 к.
Издательство «Радио и связь», 101000 Москва, Почтамт, а/я 693
Ордена Октябрьской Революции и ордена Трудового Красного Знамени МИО «Первая Образ-
цовая типография» Государственного комитета СССР по печати. 113054, Москва, Валовая, 28.