: архив : архив журнала "Звукорежиссер" : 2000 : #3

Качество радиовещания - нормы и требования
(Опыт разумной критики)
Михаил Сергеев

Технические требования к оборудованию для радиовещания изложены в ПТЭ-95, на сегодня это основной документ. Невыполнение требований ПТЭ-95 грозит вещателю известными неприятностями, но и слепое исполнение не всегда способствует успеху. Полезно не только знать контрольные цифры ? следует понимать, как именно те или иные параметры сказываются на качестве вещания, необходимо уметь предвидеть последствия изменений параметров.

Про параметры качества радиовещательного оборудования писалось уже не раз, "а древо жизни пышно зеленеет". Мои наблюдения за качеством радиовещания показывают, что есть еще различия между желаемым и действительным. Как-то встретилось в газете объявление примерно такого содержания: требуется водитель, способный к вариативному толкованию правил дорожного движения. Эфир - это тоже дорога, по которой "едут" сигналы радио, телевидения, связи. Я не призываю к "вариативному" отношению к правилам эксплуатации эфира - совсем наоборот. Правила следует выполнять, но не следует относиться к этому вопросу формально. Невозможно предусмотреть в "Правилах" все возможные ситуации, и рано или поздно приходится думать собственной головой. Надеюсь, что мой опыт поможет вам принять правильное решение в такой ситуации.

Мощность передатчика

ПТЭ-95 требуют поддержания выходной мощности с точностью 20%. Принято считать, что снижение мощности уменьшает зону уверенного приема. Действительно, падение мощности сопровождается ухудшением соотношения сигнал/шум (S/N) на выходе приемника. При передаче методом амплитудной модуляции снижение мощности на 1 дБ вызывает уменьшения отношения S/N тоже на 1 дБ. При использовании частотной модуляции зависимость является нелинейной и зависит от индекса модуляции. Чем больше индекс модуляции, то есть отношение девиации частоты несущей к верхней границе частотного спектра модулирующего сигнала, тем меньше сказываются шумы эфира на качестве приема.

При стереофоническом радиовещании в диапазоне 64…74 МГц индекс модуляции равен 50:46,25=1,08, то есть по шумовым параметрам качество приема сигналов оказывается практически таким же, как при использовании амплитудной модуляци, и и даже небольшое снижение мощности передатчика вполне можно заметить.

В диапазоне 88…108 МГц индекс модуляции равен 75:53=1,42, за счет этого качество приема оказывается несколько выше, чем в диапазоне 65…74 МГц. В результате для системы с пилот-тоном снижение мощности, например, на 1 дБ, практически не сказывается на величине зоны обслуживания и качестве звучания. Опыт показывает, что заметные последствия на приемном конце возникают при снижении выходной мощности передатчика в два раза.

При повышении излучаемой мощности качество приема растет тоже очень медленно. При этом надежность передатчика падает гораздо быстрее, и растет вероятность появления помех для других средств связи и вещания.

Отклонение частоты несущей от номинального значения

Требования ПТЭ-95 к стабильности и точности установки значения частоты несущей (±50 Гц) у меня вызывают недоумение. Отклонение частоты несущей на 1 кГц заметит только частотомер, поскольку на качестве приема сигналов не сказывается и гораздо большее отклонение. Но требования нормативных документов следует выполнять, даже если они и кажутся странными. Тем более что проблем с обеспечением необходимой точности установки и стабильности частоты сегодня нет.

Паразитная и сопутствующая паразитная амплитудная модуляция

Листая старые журналы с описанием радиоприемников сигналов с частотной модуляцией, я понял, откуда взялись требования к величине паразитной амплитудной модуляции (ПАМ). Когда в тракте промежуточной частоты (ПЧ) приемника отсутствует амплитудный ограничитель ПАМ, это вызывает появление помех в выходном сигнале приемника. При наличии амплитудного ограничителя в тракте ПЧ, а именно так устроены все современные радиоприемники, сопутствующая паразитная амплитудная модуляция (СПАМ) практически не сказывается на качестве сигнала.

Только при большой глубине модуляции, более 50%, возможно появление неприятных последствий. Амплитудную модуляцию с глубиной менее 10% можно заметить только с помощью специального прибора - измерителя модуляции.

Хочу обратить внимание читателей на следующие обстоятельства:

- повышенный уровень ПАМ связан, как правило, с неисправностями блока питания передатчика, а СПАМ - с нарушением согласования антенны с передатчиком или неисправностями в выходном фильтре передатчика. Даже если слушатели пока ничего не замечают, неисправность аппаратуры должна быть устранена. Работа на несогласованную нагрузку приводит к появлению в фидере пучностей токов и напряжений. У меня уже есть несколько высокочастотных транзисторов и разъемов "горячего копчения", не выдержавших работы в условиях рассогласования.
- увеличение СПАМ приводит к расширению полосы частот, занимаемой сигналом радиостанции. Если слушатели и не сразу заметят ухудшение условий приема соседних станций, то органы Госсвязнадзора не замедлят с оценкой ситуации…

Контрольная полоса частот

Если пойти по пути аналогий, то нарушение требований к контрольной полосе частот - это езда на красный свет или по полосе встречного движения. Последствия могут быть аналогичны.

Причиной расширения полосы частот, излучаемых передатчиком, как правило, является увеличение девиации несущей. К сожалению, для измерения полосы частот нужны специальные приборы, а очень многие вещатели таковыми не располагают. В грамотно спроектированном и исправном передатчике полоса частот и девиация жестко связаны: если девиация частоты несущей не превышает 75 кГц (или 50 кГц - в диапазоне 65…74 МГц), то выход за пределы контрольной полосы частот весьма маловероятен.

Амплитудно-частотная характеристика

Происхождение требования к отклонению АЧХ - "±0,5 дБ в полосе 30 Гц…15 кГц" мне неизвестно. На краях частотного диапазона вполне можно допустить спад 1…2 дБ, при этом на слух искажения АЧХ заметить будет весьма сложно.

Современная схемотехника позволяет получить требуемую неравномерность АЧХ в полосе пропускания. К сожалению, в ПТЭ-95 не оговорены требования к АЧХ за пределами рабочего диапазона частот, а это очень важно. Спектр сигнала на выходе хорошего профессионального проигрывателя компакт-дисков простирается до 20 кГц. У дешевых простых аппаратов спектр оказывается существенно шире.

Рис. 1. Спектр сигнала на выходе проигрывателей компакт-дисков разного качества. 1 - хороший,
2 - обычный

Велик уровень высокочастотных помех и на звуковых выходах компьютеров, а компьютеры все чаще и чаще находят применение в радиовещании.

Отсутствие фильтра нижних частот (ФНЧ) на входе стереокодера приводит к снижению качества звучания. Особенно остро стоит вопрос в системе с полярной модуляцией. Если входной сигнал стереокодера имеет спектральные составляющие с частотой выше 15 кГц, то при формировании комплексного стереосигнала (КСС) произойдет наложение спектров: в тональную область попадут составляющие из надтональной части, и наоборот.

Рис. 2. Спектры комплексного стереосигнала:
1 - тональная часть, 2 - надтональная часть

На слух такие дефекты обработки сигналов заметны достаточно хорошо. Для исключения искажений на входе стереокодера системы с полярной модуляцией должен быть установлен фильтр, АЧХ которого приведена на рис.3. В этом случае будет исключено наложение спектров тональной и надтональной частей КСС.

Рис. 3. Требования к АЧХ фильтра на входе стереокодера системы с полярной модуляцией

Реализовать фильтр, отвечающий приведенным требованиям, весьма сложно.

В системе с пилот-тоном высокочастотные составляющие входного сигнала могут иметь частоту 19 кГц. Такие составляющие приведут к нарушениям работы стереодекодера, появлению нелинейных искажений и ухудшению разделения каналов.

К сожалению, не все стереокодеры имеют на входе фильтр низких частот, обеспечивающий подавление высокочастотных помех входного сигнала. На рисунке 4 показаны АЧХ входных фильтров двух моделей стереокодеров. Не называю производителей ? надеюсь, что авторы аппарата с "мягкой фильтрацией" сделают выводы сами.

Рис.4. АЧХ входного фильтра стереокодера.
1 - хороший аппарат, 2 - обычный.

Рассогласование АЧХ каналов

Различие АЧХ на 0,5 дБ с позиции слуховой заметности вполне допустимо, так что требования ПТЭ-95 можно считать оправданными. Но слух способен заметить еще и рассогласование фазочастотных характеристик каналов, а требования к этому параметру в документе отсутствуют. На средних частотах (300…5000 Гц) разница фаз сигналов левого и правого каналов не должна превышать 5-10о.

Если разность фаз между каналами на средних частотах превышает 30о, то многие слушатели смогут заметить размытость стереопанорамы.

Разделение каналов

Для этого параметра 40 дБ в рабочем диапазоне частот и 50 дБ на частоте 1000 Гц ? более чем достаточно для получения полноценного стереоэффекта. Ухудшение показателей на 10 дБ пройдет незамеченным радиослушателями. Такое впечатление, что требования к разделению каналов - отголоски прежней борьбы желаний и возможностей.

Много лет тому назад рассматривалась возможность передачи в левом и правом каналах отдельных сигналов, например, программ на разных языках. Для подобного использования разделение каналов должно быть гораздо большим, примерно 60…70 дБ. Получение таких значений в системе с полярной модуляцией практически невозможно, в системе с пилот-тоном - весьма затруднительно, и потому идея передачи двух программ оказалась забытой, но достигнутые величины попали в нормы и требования, в том числе и в ПТЭ-95.

Нелинейные искажения

Происхождение нормативных значений для этого параметра не вызывает больших сомнений: верхняя граница полосы частот в FM-aещании - 15 кГц, и гармоники сигналов с частотой выше 7,5 кГц уже не попадают в полосу пропускания системы, поэтому их можно не учитывать. Если проанализировать процессы, происходящие при кодировании и декодировании стереосигнала, то увидим, что нелинейность тракта на частотах выше 7 кГц тоже сказывается на качестве передачи сигналов.

Рис.5. Эффекты нелинейности при бигармоническом воздействии

Тривиальный пример - интермодуляция. На рис.5 приведена спектрограмма сигнала на выходе реального стереокодера, на вход которого подан двухтональный сигнал - 10 и 11 кГц. Нелинейность привела к появлению большого количества интермодуляционных составляющих на средних частотах, то есть в зоне максимальной чувствительности слуха.

При испытании тональным сигналом с частотой до 7 кГц нелинейность устройства не выявляется.

Анализ процессов обработки сигналов в стереокодере позволил установить причину искажений ? переходные процессы в ключевом преобразователе. Для формирования комплексного стереосигнала необходимо реализовать умножение исходного сигнала на функцию (1+sin(2пхFхt)). Обычно используют ступенчатую аппроксимацию.

Рис.6. Ступенчатая аппроксимация синусоидальной функции. 1 - синусоидальная функция, 2 - идеальная ступенчатая аппроксимация, 3 - реальная

Красиво ступенчатая функция выглядит только в теории, на практике не все так гладко. Чем больше ступенек, тем ближе идеальная ступенчатая аппроксимация к синусу. Но у реальных ключей длительность переходного процесса оказывается конечной, значения обычно составляют 1…2 мкс. При использовании 15-ступенчатой аппроксимации длительность переходных процессов может достичь половины общего времени, в результате получается устройство с большими нелинейными искажениями высоких порядков. Такие искажения не регистрируются при измерениях моногармонических сигналов, но весьма заметны на слух.

Относительный уровень шумов

Метод нормирования "от достигнутого", как мне кажется, сработал и здесь. Уровень невзвешенных шумов (-62 дБ) - требование вполне выполнимое, но не совсем понятное. К системе передачи сигналов надо предъявлять требования, отражающие свойства потребителя, то есть измерять уровень шума с учетом слуховой заметности.

При измерении уровня шумов возникают и методические трудности. Нормативные документы предусматривают подключение при измерениях на вход передатчика экранированного резистора с сопротивлением 600 Ом. При таких измерениях слабая защищенность от синфазной помехи не проявляется, а в реальных условиях эксплуатации может оказаться, что действительные шумы существенно больше заявленных в описании к прибору.

Рис.7. Подавление синфазной помехи. 1 - хороший аппарат, 2 - обычный.

Еще раз напоминаю, на рисунке приведены характеристики не гипотетических, а вполне реальных моделей и вновь надеюсь, что разработчики "обычного" аппарата учтут мою точку зрения. Надо отметить, впрочем, что требования к защищенности от синфазной помехи можно найти в нормативных документах, стоит только хорошо поискать.

В процессе эксплуатации радиостанции полезно контролировать не только уровень шума, но и его спектральный состав. Даже если и выполняется "требование 62 дБ", то все равно следует учесть свойства помех: фон с частотой 50 Гц или розовый шум при таком уровне шума не будет замечен радиослушателями, а "жужжание" с частотой 800 Гц будет раздражать даже при более низком уровне, чем 62 дБ.

Девиация частоты несущей пилот-тоном или частично подавленной поднесущей

В Европе принято устанавливать отношение девиации несущего сигнала к девиации пилот-тоном, равное 10:1. При общей девиации 75 кГц получаем, что девиация пилот-тоном равна 75:11= 6,8 кГц. И на такой уровень пилот-тона настроены стереодекодеры в радиоприемниках. Изменение уровня пилот-тона может привести к ухудшению разделения каналов при декодировании, и к увеличению нелинейных искажений. Испытания нескольких десятков тюнеров различных моделей и производителей показали, что вполне допустима работа при девиации несущей пилот-тоном в пределах 5…8 кГц.

В отечественной системе с полярной модуляцией требуется иметь девиацию частично подавленной поднесущей 31,25 кГц, равную 10 кГц. Вопрос влияния уровня поднесущей на качество приема оказывается чисто теоретическим, поскольку большая часть парка приемной аппаратуры является либо монофонической, либо имеет стереодекодер, качество которого оставляет желать лучшего.

Особенности формата сигнала в системе с полярной модуляцией привели к тому, что качественный декодер оказывается сложным и дорогим. Речь идет о десятикратном различии в стоимости такого декодера по сравнению с декодером системы с пилот-тоном.

Очевидно, назрел вопрос о переходе в диапазоне 64…74 МГц на вещание с пилот-тоном.

Частота пилот-тона или частично подавленной поднесущей

Эти числа (19 кГц и 31,25 кГц) знакомы специалистам. Нормативные документы требуют обеспечения их точности ±2 Гц. Уход частоты пилот-тона от номинального значения на пять и даже десять герц не сказываются на качестве звучания простейших приемников. Частота собственного генератора в стереодекодере задается RC-цепью, а петля фазовой автоподстройки частоты обеспечивает синхронизацию при существенном смещении частоты. В качественных моделях частота собственного генератора определяется кварцевым резонатором, и диапазон синхронизации оказывается узким, не превышая 2…3 Гц. В таких моделях при смещении частоты пилот-тона на 2 Гц от номинального значения уже заметно ухудшается качество декодирования, а при отклонении на 5 Гц такой приемник перейдет в монофонический режим.

Входное сопротивление

Устройства с трансформаторным входом имеют входное сопротивление 600 Ом ? именно это значение соответствует требованиям ПТЭ-95.

В моделях с электронной симметрией обычно имеется возможность установить два значения входного сопротивления: 600 Ом и 10 кОм.

Если сигнал на вход стереокодера подается с помощью длинной проводной линии, то входное его сопротивление может заметно сказаться на АЧХ системы. Для нормальной работы в этом случае необходимо, чтобы сопротивление нагрузки линии было чисто активным, и не изменялось в пределах рабочей полосы частот.

Если же выходное сопротивление источника сигналов низкое и кабель короткий, то значение входного сопротивления передатчика практически ни на что не влияет.

Некоторые другие параметры

Не все требования к радиопередатчику здесь рассмотрены. "Остались за кадром" требования к уровню помех, создаваемых в проводах питающей сети, к побочным излучениям, гармоникам и так далее. Надеюсь, что найдутся специалисты, которые выскажут свою точку зрения по этим вопросам.

Я не призываю к срочному переписыванию ГОСТов или ПТЭ, но хочу, чтобы улучшалось качество радиовещания. Если в очередной редакции ГОСТ или ПТЭ найдет отражение опыт, накопленный организациями, производящими и эксплуатирующими радиовещательное оборудование, то это будет полезно для всех.

Осмысленное выполнение уже существующих требований тоже способствует нормальной работе в эфире. Но именно осмысленное, а не формальное. В конце концов, не придет же нормальному человеку в голову кормить в метро крокодила, даже если это и не запрещено правилами эксплуатации метрополитена.