: архив : архив журнала "Звукорежиссер" : 2000 : #4

Устройства обработки звуковых сигналов в радиовещании
Михаил Сергеев

Что такое радиостанция? Это тропинка, по которой проходит сигнал от источника до приемника. Можно, конечно, сигналы микрофона, проигрывателя компакт-дисков или другого источника подать прямо на вход стереокодера, но едва ли из этого получится что-нибудь "съедобное". И в студии появляется микшерный пульт, появляются и другие приборы, назначение которых состоит в том, чтобы повысить качество сигнала.

Что же такое "качество сигнала" в радиовещании? В широком смысле качество продукта - это мера его способности удовлетворить потребителя. "Качество звучания", к сожалению, понятие субъективное: для одного важна громкость, для другого - прозрачность звучания, третий обратит внимание на тональный баланс, четвертый - на пространственное впечатление, и так далее…

Невозможно описать всю аппаратуру, предназначенную для обработки звуковых сигналов. Что делать? Абсолютной меры качества звучания не существует в принципе, но чем больше знает технический и творческий персонал радиостанции о свойствах слуха и о возможностях устройств обработки сигналов, тем выше вероятность, что звук этой станции понравится слушателям.

Аппаратура обработки звуковых сигналов

В любой звуковой студии есть приборы, характеристики которых определяются сигналами: компрессоры, лимитеры, де-эссеры, эксайтеры и ряд других. Именно эти аппараты играют важнейшую роль в формировании "звукового имиджа" радиостанции, и на них следует обратить особое внимание.

Итак, какими же свойствами должен обладать аппарат обработки звуковых сигналов на радиостанции? Требования к аппарату удобно разделить на группы: эксплуатационные и собственно звуковые.

Эксплуатационные требования учитывают способность устройства работать в комплексе радиовещательного оборудования. Каким бы замечательным ни был алгоритм обработки сигнала, но если подключение компрессора приводит к появлению фона или шума, то пользы от такого аппарата немного.

Причиной появления шумов и помех могут быть процессы, происходящие внутри аппарата. Современная элементная база позволяет получить при испытаниях в лабораторных условиях относительный уровень шумов около -100 дБ. В реальных условиях эксплуатации уровень шумов и помех оказывается значительно более высоким, проявляются наводки на соединительных проводах, "земляные петли" приводят к появлению фона. Способность аппарата работать в реальных условиях зависит от свойств его входных и выходных цепей.

Входные цепи

У аппарата, предназначенного для обработки сигналов, имеется вход. Самый простой в конструктивном смысле - это несимметричный вход (Рис 1а). Сигнал от источника подается в этом случае по двухпроводной линии, один из проводов которой соединен с корпусом. Главное достоинство такого решения - простота. Важнейшие недостатки: корпус источника сигнала оказывается соединенным с корпусом приемника, это может привести к ухудшению помехозащищенности.

Симметричный вход (Рис. 1б) рассчитан на подключение трех проводов: два - сигнальных (плюс и минус), третий - экран. Разделение сигнальных и экранирующих проводов обеспечивает высокую помехозащищенность, это позволяет работать с линиями большой длины: сотни метров и больше.

В аппаратуре профессионального назначения предпочитают строить входные каскады по симметричной схеме. Потенциал такого решения очень высок, но не всегда он реализуется полностью. Например, устройство, схема которого приведена на рисунке 2а формально имеет симметричный вход. Главное достоинство симметричного входа - разделение корпусов приемника и источника сигналов - в этом устройстве сохраняется. Но следует обратить внимание еще и на подавление синфазной помехи Ns, именно этот параметр является важнейшим для обеспечения помехозащищенности (Рис. 2в). На низких частотах (до 1 кГц) Ns определяется точностью резисторов R1…R4, применение прецизионных элементов позволяет получить Ns = 60 дБ и более. При повышении частоты начинают сказываться фазовые сдвиги в операционном усилителе, и подавление синфазных помех Ns уменьшается.

Есть у простейшего симметричного входа еще один дефект: подавление синфазных помех Ns зависит не только от параметров собственных элементов, но и от свойств источника сигнала и линии его передачи.

Основной недостаток простейшего симметричного входа - низкая помехозащищенность на высоких частотах - практически не мешает его использованию в студиях звукозаписи. Если же речь идет о радиовещании, особенно о студиях, расположенных непосредственно на территории радиопередающего центра, то "простой симметричный вход" может и не обеспечить необходимой защиты от помех.

На рисунке 2б показана схема входного каскада, который использует фирма Aphex в аппаратуре, предназначенной для радиовещания. Элементы L1…L4, C1…C4 образуют фильтр, подавляющий высокочастотные помехи за пределами звукового диапазона. Степень подавления синфазных помех в этом случае оказывается гораздо выше, чем в простейшем случае, но и деталей в устройстве больше, и стоит оно дороже.

Отличными эксплуатационными характеристиками обладает симметричный вход с разделительным трансформатором. На низких частотах степень подавления синфазных помех определяется высоким сопротивлением межобмоточной изоляции, на высоких частотах от помех защищает дополнительная экранирующая обмотка. При использовании высококачественного трансформатора подавление синфазных помех превышает 70 дБ в весьма широком диапазоне частот: от постоянного тока до десятков мегагерц. Даже если на вход устройства попадет сетевое напряжение, то последствия не будут столь печальными, как для простейшего симметричного входа.

Оценить качество входных цепей можно совсем простым методом: следует замкнуть вход накоротко и коснуться перемычки пальцем. Никакого фона на выходе в этом случае быть не должно. Можно подвергнуть аппарат и более жесткому тестированию: соединить короткозамкнутый вход с корпусом ближайшего работающего компьютера. Если и в этом случае фон не появился, то вы можете быть спокойны, входные цепи сделаны на совесть, аппарат вас не подведет.

Выходные цепи.

Выходные цепи аппаратуры тоже бывают симметричные (Рис. 3а) и несимметричные (Рис. 3б). Простейший вариант построения симметричного выходного каскада показан на рисунке 4а. Собственно, симметричным этот выход называет производитель аппарата. Ни один из выходных проводов не соединен напрямую с корпусом. Это безусловное достоинство, но где же здесь симметрия?

В настоящем симметричном устройстве на один выход подан прямой сигнал, а на второй - он же, только инвертированный по фазе. (Рис. 4б). Если сигнал с выхода такого устройства подать на симметричный вход, то удается избежать соединения корпусов, что полезно с точки зрения защиты от фона. Если же вход приемника несимметричный, то выход одного из усилителей может оказаться замкнутым на корпус. Последствия замыкания предсказать нетрудно: от повышения искажений до выхода из строя интегральной схемы усилителя. В принципе, специализированный интегральный усилитель SSM2142 допускает режим работы, когда один из выходов замкнут на корпус, но опыт показывает, что лучше его избегать. Если перед коммутацией проводов не отключить устройства от сети, то весьма вероятно повреждение микросхемы SSM2142.

Лучшим решением я считаю трансформаторный выход, но качество не бывает бесплатным: высококачественный выходной трансформатор стоит существенно дороже, чем дифференциальный интегральный усилитель.

Питание и заземление

Аппаратура с батарейным питанием в радиовещании встречается очень редко, поэтому останавливаться на ней не будем. Сетевое питание может быть организовано по одному из двух вариантов: с заземлением или без него. Если к аппарату прилагается шнур с евровилкой, у которой имеется третий (заземляющий) контакт, то корпус такого аппарата должен быть заземлен. Необходимость заземления обусловлена двумя обстоятельствами.

Первое - требования электробезопасности, которые необходимо выполнять.

Вторая причина заслуживает рассмотрения. Для уменьшения помех, которые создает в сетевых проводах импульсный блок питания, в эти провода ставят фильтр (Рис. 5). Через конденсаторы C1, C2 фильтра корпус прибора соединяется с проводами сети, в результате на корпусе прибора появляется потенциал относительно земли.

Определить наличие потенциала на корпусе очень просто: достаточно подключить тестер в режиме измерения напряжения между корпусом прибора и нулевым проводом сети. Вероятная величина напряжения - около 100 В.

Для заземления корпуса необходим отдельный, дополнительный провод, нельзя использовать для этой цели "ноль" сети! К сожалению, в большинстве отечественных радиовещательных студий заземление необходимого качества отсутствует. В этой ситуации можно попробовать соединить корпуса таких приборов друг с другом, включив, например, их в сетевой удлинитель с заземляющими контактами в розетках. Если не сделать и этого, то велика вероятность повреждения выходных и входных каскадов аппаратов при коммутации проводов. Особенно часто страдают звуковые карты компьютеров.

Все, сказанное выше, относится к возможностям того или иного варианта построения. В конкретной студии придется решать конкретные задачи. Можно занять ортодоксальную позицию и использовать аппаратуру только с симметричными входами и выходами. Теоретически это позволяет получить отличную помехозащищенность. Микрофонные цепи обязательно должны быть симметричными, уровень сигнала в этих цепях мал и других способов защиты от наводок просто нет. Во всех остальных случаях жестких противопоказаний к использованию несимметричных интерфейсов нет. Возникают, правда, некоторые трудности при соединениях приборов, но трудности эти преодолимы. Вопросы конфигурирования соединительных цепей заслуживают внимания, и, надеюсь, к этому вопросу мы еще вернемся на страницах журнала.

Характеристики звучания

Разговор о качестве звучания имеет смысл, если определена цель вещания. Радиовещание - это бизнес, сигнал станции - это его продукт. Чем выше качество продукта, тем выше рейтинг, и легче решаются вопросы поиска рекламодателей. Качество продукта включает в себя содержание программы и качество сигнала. Были времена, когда Севу Новгородцева "из города Лондона" ловили на КВ-диапазоне и слушали, не взирая на качество сигнала. Важно было содержание программы. Подавляющее большинство современных российских музыкальных станций не могут похвастаться эксклюзивностью музыкального материала, и качество звучания влияет на рейтинг достаточно сильно.

Есть много подходов к оценке качества звукового сигнала. Критерии оценки качества должны отвечать цели. Задача радиовещания - привлечь слушателей и удержать их. Можно говорить о натуральности звучания или пресловутой "вовлеченности", но связать их с целью вещания едва ли удастся.

Наблюдения за работой радиостанций и анализ результатов опросов радиослушателей позволили сформулировать основные требования к звучанию радиопрограммы: звук должен быть комфортным, а речь должна звучать разборчиво. (По крайней мере, в рекламе и новостях - разборчивость текстов попсовых песен нужна не всем). Собственно, вся обработка сигналов в радиовещании производится как раз для повышения комфортности звучания, помогающего удержать слушателя.

Безусловно, основное значение играет программа, но если звук раздражает, то слушатель переключится на другую станцию, тем более, что радиостанций, особенно в крупных городах, сегодня достаточно.

Что же включает в себя понятие комфортность? Громкость звучания должна быть стабильной, это достигается обработкой динамического диапазона сигнала. Динамический диапазон должен быть сжат до 10…15 дБ. Элементы звуковой сцены (голоса, инструменты) должны восприниматься раздельно, звуковая "каша" утомляет слушателя.

Обработка динамического диапазона сигнала

Условия прослушивания в радиовещании имеют свои особенности. Важнейшее отличие - повышенный уровень шумов, большинство приемников обеспечивает отношение сигнал/шум в пределах 30…40 дБ. Если уровень звукового сигнала уменьшается более чем на 20 дБ, то у слушателя возникает ощущение дискомфорта. Есть и другой аспект: щелкая кнопкой настройки, слушатель может просто не заметить станции с тихим сигналом.

В радиовещании используются разные средства для управления уровнем сигнала: от ручной регулировки уровня на пульте до сложнейших цифровых процессоров. Требования к аппаратуре обусловлены ее назначением: нужно обеспечить максимальное значение среднего уровня сигнала при фиксированном пиковом значении, а обработка не должна вызывать у слушателя чувства дискомфорта.

Принцип действия компрессора прост: сигналы с высоким уровнем ослабляются, а сигналы с уровнем низким - усиливаются. В результате динамический диапазон уменьшается. На этом принципе построены все компрессоры. Разнообразие моделей обусловлено различиями алгоритмов.

В отдельную группу можно выделить левелеры (Level - уровень). Коэффициент передачи такого регулятора изменяется медленно, скорость лежит в пределах 0,3…3 дБ/с. Медленное изменение уровня практически незаметно на слух, то есть не создает заметных искажений. Воспринимаемый на слух динамический диапазон сигнала при включении в тракт левелера практически не изменяется. Если продолжительность тихого фрагмента фонограммы составляет, например, одну секунду, то слух успеет отметить снижение уровня, а отреагировать на такое быстрое изменение уровня левелер не успевает.

Основное назначение левелера - стабилизация среднего значения уровня сигнала, это позволяет уменьшить искажения при дальнейшей обработке, прежде всего - сжатии динамичесого диапазона, то есть при компрессировании. Как правило, трудностей при включении левелера в тракт студии не возникает, заметных искажений в сигнал он не вносит.

Важнейшим из устройств обработки динамического диапазона является компрессор. Для получения ощутимого на слух сжатия динамического диапазона скорость изменения коэффициента передачи должна быть достаточно высокой. Переходные процессы в компрессоре должны закончиться раньше, чем слух успеет оценить громкость сигнала. В тоже время, повышение скорости регулирования приводит к искажениям: звук становится тусклым, инструменты и голоса сливаются, "пожеванность" звука вызывает раздражение у слушателей.

Различия между компрессорами как раз и заключаются в особенностях временных характеристик. Именно поэтому ведущие производители, такие, например, как Orban и Aphex не приводят принципиальных схем этих узлов в описаниях, а сами модули заливают компаундом.

Для повышения эффективности компрессии и уменьшения заметности искажений применяют раздельную обработку сигнала в частотных полосах. Это позволяет для каждой полосы выбрать наиболее подходящие временные характеристики, учитывающие и особенности сигналов и свойства слуха человека.

Само по себе число полос не является мерой качества - лучшие модели известнейших производителей используют разделение спектра сигнала на 4…6 полос, этого вполне достаточно.

Сжатие динамического диапазона всегда сопровождается искажениями звучания. Предсказать заметность этих искажений, изучая принципиальные или структурные схемы, практически невозможно. Самый надежный способ оценки качества работы компрессора - на слух! Для оценки лучше использовать сигналы, на которых наиболее вероятно проявление недостатков алгоритма обработки или его реализации. Хорошо заметны искажения, вносимые компрессором при обработке сигналов щипковых и ударных инструментов. Одна из самых трудных для компрессора фонограмм - записи рояля. Искажения проявляются как хруст, пыхтение. Полезно послушать и запись эстрадного оркестра. Искажения в компрессоре приводят к тому, что звуковая сцена становится плоской, инструменты сливаются друг с другом.

Объем журнальной статьи не позволяет более подробно рассказать об особенностях алгоритмов работы разных аппаратов, надеюсь еще вернуться к этому вопросу. Отмечу только, что "использовать компрессор или не использовать", - это дело вкуса, а наличия в тракте лимитера требует необходимость соблюдения правил работы в эфире.

Лимитер позволяет исключить превышение допустимого значения девиации. Если уровень сигнала оказывается слишком большим, то коэффициент передачи лимитера уменьшается, скорость срабатывания обычно очень высока: весь процесс установления занимает около одной миллисекунды. При понижении уровня сигнала коэффициент передачи восстанавливается, причем происходит это медленно - скорость изменения составляет обычно от 3 до 10 дБ/с. В дополнение к лимитеру в радиовещании используется еще и безынерционный амплитудный ограничитель.

Ограничение амплитуды - это искажения. Если срезаются только короткие пики сигналов длительностью несколько миллисекунд, то эти искажения на слух незаметны. Работа лимитера воспринимается на слух как взаимная модуляция сигналов разных участков спектра. Низкочастотный сигнал, например, удар по барабану, сопровождается ослаблением среднечастотных составляющих. Если изменение коэффициента передачи лимитера не превышает 2…3 дБ, то искажения звучания практически не слышны.

И лимитер, и амплитудный ограничитель обычно входят в состав процессора, как самостоятельные приборы в радиовещании они используются очень редко.

Некоторые особенности радиовещания

Опыт показывает, что анализ схем, технических параметров и измерения дают очень мало информации о звучании устройств обработки. Лучший способ оценки качества - это прослушивание. При организации прослушивания следует учитывать специфику радиовещания. В идеальном случае процессор следует включать в эфирный тракт с настоящим передатчиком и приемником. Если такой возможности нет, то стоит хотя бы вспомнить про важнейшую особенность радиовещания - частотные предыскажения (preemphasis).

В радиовещании для улучшения помехозащищенности при передаче осуществляется подъем АЧХ на высоких частотах, и в приемнике установлена цепь, обеспечивающая обратную коррекцию. Параметры цепи предыскажений выбирались в свое время с учетом статистических характеристик сигналов, представляющих звучания музыки различных жанров. Спектральная плотность звукового сигнала спадает с ростом частоты и введение предыскажений не вызывает перегрузки канала. Если же сигнал подвергся компрессии, то ситуация меняется: уровень высокочастотных составляющих при компрессировании повышается, введение предыскажений приводит к перегрузке. Для исключения превышения допустимого значения девиации используют разные методы.

Например, некоторые производители (Aphex, AEV) применяют динамическую цепь предыскажений (Рис. 6). При повышении уровня высокочастотных составляющих уменьшается подъем на высоких частотах. Недостаток такого решения очевиден: искажается АЧХ тракта, но лучшего решения пока нет.

Для оценки качества работы цепи динамических предыскажений можно взять фонограмму с высоким уровнем высокочастотных сигналов. Удар щеткой по тарелке не должен приводить к подавлению составляющих спектра в диапазоне 2…5 кГц.

Управление тональным балансом

Есть два подхода к качеству звучания. Первый направлен на сохранение индивидуальных признаков, свойств сигнала. Целью второго является улучшение звучания. Всем приходилось сталкиваться с рассуждениями типа: "Добавим низких, чтобы стучало, высоких, чтобы звенело, и будем такой звук считать хорошим". Многим слушателям нравится именно такое звучание, и выпускаются эксайтеры (Рис. 7), аппараты для украшения сигнала, они добавляют в сигнал и высокие, и низкие.

Если в исходном сигнале нет высокочастотных составляющих, то подъем АЧХ их не добавит. Один из способов повышения звонкости сигнала - синтезировать высокочастотные составляющие из того, что есть. Можно, например, выделить среднечастотную часть спектра, и "возвести в квадрат", то есть умножить сигнал сам на себя. После удаления постоянной составляющей мы получаем высокочастотные компоненты. (Рис. 7).

Можно синтезировать и отсутствующие низкочастотные составляющие, но обычно удается обойтись простым подъемом АЧХ на низких частотах. Подъем этот делают динамическим: если уровень низкочастотных составляющих мал, то подъем велик, а при повышении уровня - подъем АЧХ уменьшается.

Обе эти функции (динамический подъем низких и синтез высокочастотных составляющих) реализует обычно один прибор - эксайтер. Различия между эксайтерами от различных производителей не столь велики, как между компрессорами, да и выбор невелик. Если вы решили приобрести для радиостанции эксайтер, то послушайте его до установки в тракт, а еще лучше - до того, как уплачены деньги. При прослушивании стоит обратить внимание на отсутствие фона и "песка". Причиной появления фона оказывается подъем на низких частотах, "песок" в звучании возникает как следствие нелинейных преобразований сигналов на средних и высоких частотах.

Управление стереофоническими характеристиками звучания

В эфир выходят разные материалы: студийные записи, сделанные в разное время и по разным технологиям, концертные записи, реклама, объявления. И все они должны комфортно звучать на аппарате вероятного слушателя. Если программа ориентирована на молодежь, например, то вероятный приемник - это бумбокс, он же "мыльница". Расстояние между акустическими системами левого и правого каналов у такого аппарата едва превышает полметра. Если не предпринять специальных мер, то от стереофонии в этом случае останется одно название и лампочка "стерео" (Рис. 8).

Применение расширителя стереопанорамы улучшает звучание большинства автомобильных систем. Известна история испытаний расширителя стереопанорамы на одной из московских радиостанций. Для оценки был взят высококачественный воспроизводящий тракт, расставлены акустические системы, приглашены эксперты. Вердикт был однозначен - расширитель ухудшает звучание. Жалко только, что эксперты забыли про одно, но важное обстоятельство: расширитель нужен, если мало расстояние между АС, или слушатель расположен не очень удачно.

Всевозможные расширители широко используются при звукозаписи и на концертах, но не все они пригодны для радиовещания. Речевые сигналы теряют разборчивость при расширении стереопанорамы. Стоит остановить свой выбор на таком аппарате, который опознает монофонические сигналы и их не обрабатывает.

Заключение

Отметили уже свое пятилетие ведущие российские радиостанции. Прошло время легких заработков и непуганных рекламодателей, изменился парк приемников, не только самоделки китайских радиолюбителей стоят сегодня в домах у радиослушателей, и в автомобилях появились отличные аппараты. Меняется фонотека, меняются вкусы слушателей, и обработка звука не может стоять на месте. Умение управлять качеством звука позволяет более полно удовлетворять растущие потребности радиослушателей.

Естественно, важнейшую роль в радио играет не техника, а интеллект, реализованный в программном продукте. Не забывайте только, что грязная тарелка способна испортить впечатление от отлично приготовленного блюда. Техника на радиостанции - это та самая тарелка, в которой лежит звук.