: архив : архив журнала "Звукорежиссер" : 2001 : #7

• Оглавление обзора • Процессоры для   радиовещания • FM процессоры   фирмы Aphex • Вещательный   процессор Falcon 35   фирмы Axel Technology • Приборы   динамической   обработки фирмы   Dateq • Процессор Platinum   MixMaster фирмы   Focusrite • FM-процессоры   фирмы IDT • Процессор BCL 20   фирмы LA Audio • Цифровой   FM-процессор фирмы   Omnia • Динамические   процессоры фирмы   PreSonus • Динамический   процессор S-com   фирмы Samson • Лимитер/линия   задержки SRP-L300   фирмы Sony • Приборы для   радиовещания фирмы   Symetrix • Вещательный   процессор DBMAX   фирмы t.c. electronic

Процессоры для радиовещания
Михаил Сергеев

Мысль, что "не бывает идеальной аппаратуры, а бывает подходящая", кажется банальной, но она верна, и в полной мере относится к радиовещательным процессорам. Цена простейшего радиовещательного процессора превышает тысячу долларов, а элитный аппарат стоит в десять раз дороже. За что же покупатель платит деньги, и оправдают ли себя затраты? Какие требования предъявляются к процессору? Что выбрать – аппарат с аналоговой или цифровой обработкой сигналов? Вопросов много, но не стоит даже и пытаться ответить сразу на все, надо разделить их на части и разбираться последовательно.

Начнем с задач, которые должен решить процессор в радиовещании: управление качеством звука (желательно) и обеспечение технологической дисциплины (необходимо).

Необходимые функции процессора

Ограничение девиации частоты несущей

Технологическая дисциплина в радиовещании требует ограничения девиации частоты несущей: 75 кГц в диапазоне 88…108 МГц и 50 кГц в диапазоне 65…74 МГц. Девиация частоты несущей DF связана с мгновенным значением напряжения U(t) комплексного стереосигнала (КСС) простым соотношением: DF = К х U(t), где К – чувствительность модулятора возбудителя, Гц/В. Иными словами, для ограничения девиации нужно обрабатывать именно комплексный стереосигнал, а не сигналы каналов А и В.

В принципе, можно ограничиться обработкой сигналов левого и правого каналов, но получить хороший результат удается только в том случае, если входные цепи стереокодера не вносят фазовых искажений. Сдвиг фаз высокочастотных составляющих звукового сигнала относительно низкочастотных практически незаметен на слух, но может изменить амплитуду сигнала – это учитывается в процессорах, предназначенных для радиовещания (рисунок 1).

Рис. 1 Зависимость амплитуды сигнала от фаз его составляющих

Поэтому, как правило, лучшие результаты получаются при использовании процессора со встроенным стереокодером. Для разработчиков вопросы влияния фазовых сдвигов не являются тайной и они давно уже умеют их решать.

Для ограничения амплитуды сигнала применяют нелинейные элементы, это может быть диод, транзистор, и даже операционный усилитель, сигнал на выходе которого ограничен напряжением питания. Достоинство решения – простота. Недостаток состоит в том, что при входе в режим насыщения или выходе из него усилитель теряет устойчивость и возможен "звон" в сигнальных цепях и цепях питания. Простейший ограничитель на диодах тоже не особо хорош – его свойства зависят от температуры диода, что делает практически невозможным жесткое ограничение.

Процедура амплитудного ограничения в цифровом виде выглядит совсем просто, но требует значительного увеличения частоты дискретизации.

При использовании жесткого режима ограничения заметно расширяется спектр сигнала, появляются помехи. При мягком ограничении меньше помех, но меньшим оказывается и средний уровень сигнала при одинаковой амплитуде. Возможность выбора можно включить в число достоинств.

Предыскажения

Для улучшения помехозащищенности в стереорадиовещании с частотной модуляцией при передаче используют предыскажения (подъем высокочастотных составляющих сигнала), а в радиоприемниках устанавливают цепь коррекции. В России постоянная времени цепи должна быть равна 50 мкс, в некоторых странах – 75 мкс.

В радиовещательных компрессорах ряда фирм цепь предыскажений включается после основной обработки – перед выходным лимитером и амплитудным ограничителем. В этом случае исключается превышение допустимого значения амплитуды выходного сигнала, но два других последствия неприятны: включенный после цепи предыскажений широкополосный выходной лимитер снижает средний уровень сигнала и, следовательно, громкость звучания, возможно появление заметной модуляции низкочастотных составляющих сигнала высокочастотными.

В радиовещательных процессорах применяют так называемые "динамические предыскажения". Пока уровень сигнала на выходе цепи предыскажений не превышает допустимого, ее АЧХ соответствует стандартной. Если после коррекции уровень сигнала превысил допустимое значение, тогда уменьшается подъем АЧХ. Повышение уровня высокочастотных составляющих вызывает уменьшение подъема на высоких частотах. (рисунок 2).

Рис. 2 Динамические предыскажения

Этот способ лучше банального лимитирования, но тоже не лишен недостатков: при повышении уровня сигнала появляется спад АЧХ тракта на высоких, не устраняется модуляция низкочастотных сигналов высокочастотными.

Оптимального по объективным критериям места введения предыскажений не существует. Манипулируя параметрами алгоритма обработки, можно добиться приемлемых на слух результатов разными способами, например, используя распределенную коррекцию: небольшой подъем на высоких частотах (5…7 дБ) вводится до многополосной обработки, остальное – после.

Ограничение диапазона частот

Для стереофонического вещания нормирован диапазон частот сигналов: от 30 (40) Гц до 15 кГц. Ограничение спектра сигналов левого и правого каналов сверху необходимо потому, что надтональная область (выше 15 кГц) используется для передачи стереоинформации. Если спектральные составляющие звукового сигнала выше 15 кГц не будут подавлены, то при приеме возникнут нелинейные искажения, появятся свисты, ухудшится разделение каналов.

Совместить ограничение амплитуды сигнала и его спектра очень непросто. Амплитудное ограничение сигнала приводит к появлению гармоник и фильтровать надо бы уже ограниченный сигнал. Фильтрация, в свою очередь, влияет на амплитуду сигнала и ограничивать ее надо бы после фильтрации.

Рассмотрим простейший пример. Если взять синусоидальный сигнал с частотой выше 7,5 кГц, то есть половины частоты среза ФНЧ, то фильтрация уберет все гармоники, возникшие в результате амплитудного ограничения. В результате на выходе ФНЧ получается такой же сигнал (рисунок 3), каким он был до ограничения амплитуды.

Рис. 3 Амплитудное ограничение сигналов с частотами 4 и 8 кГц с последующим ограничением спектра 15 кГц

Второй пример – обработка сигнала с частотой 4 кГц. В этом случае в полосу пропускания фильтра попадают гармоники до третьей включительно. Подавление высших гармоник привело к изменению формы сигнала, плоская вершина импульса стала "волнистой".

Для ограничения спектра сигнала в классических моделях процессоров применяют аналоговые фильтры: пассивные LC или активные RC, в новых аналоговых аппаратах уже начали использовать цифровые методы. Если взять модуль АЦП/ЦАП с частотой дискретизации 32 кГц, то спектр сигнала на его выходе окажется ограничен значением 16 кГц, в идеальном случае, естественно. В реальных условиях, когда частота входного сигнала приближается к частоте дискретизации, возникает интерференция. При F_s = 32 кГц и частоте сигнала 15 кГц на выходе мы получим еще и составляющую с частотой 1 кГц, что заметно на слух. От всех этих недостатков можно избавиться, существенно повысив частоту дискретизации и корректно применив цифровой фильтр, но в этом случае возрастает цена.

Полезные функции процессора

В условиях реального радиовещания динамический диапазон исходных сигналов достигает 60 дБ, что гораздо больше, чем диапазон канала передачи (около 30 дБ). Процессор сигналы с высоким уровнем ослабляет, слабые – усиливает, то есть представляет собой автоматический регулятор усиления, диапазон изменения коэффициента передачи процессора в процессе обработки может превышать 30 дБ.

Для уменьшения заметности искажений, вносимых процессором при сжатии динамического диапазона, сигнал разделяют на полосы (от трех до десяти), в каждой из которых обработка осуществляется по оптимальному именно для этой полосы алгоритму. Выбор типа фильтра для разделения сигнала может существенно сказаться на итоговом результате, но нельзя рассматривать фильтрацию в отрыве от остальных обработок. Мои наблюдения показывают – красивые названия аппроксимаций и графики АЧХ и ФЧХ не гарантируют хорошее звучание.

Дополнительный выигрыш дает каскадное включение нескольких авторегуляторов с различными временными характеристиками: медленного (левелер), среднего (компрессор), быстрого (лимитер) и мгновенного (амплитудный ограничитель).

Обычно сначала включается цепь стабилизации среднего уровня во всем диапазоне частот – левелер, который реагирует только на продолжительные (единицы секунд) изменения уровня. Скорость изменения коэффициента передачи левелера лежит в пределах 1…10 дБ/с. Этот узел процессора выполняет функцию подготовки сигнала к основной обработке.

После первичной обработки сигнал разделяется на частотные полосы и поступает на компрессор. Основные параметры компрессора: порог срабатывания и временные характеристики. В простейших устройствах зависимость коэффициента передачи от времени задается процессом заряда или разряда конденсатора, постоянная времени цепи установления лежит в пределах от 1 до 100 мс, цепи восстановления – от 10 до 500 мс.

В более совершенных приборах временные характеристики компрессора зависят еще и от свойств сигналов, в этом случае удается получить гораздо лучшие результаты обработки, но тонкости алгоритма работы компрессора производители не раскрывают.

Компрессор, как и следует из названия, уменьшает динамический диапазон и поднимает средний уровень сигнала, но, вследствие довольно высокой инерционности, он не реагирует на короткие "всплески" уровня, которые обрабатывает лимитер, скорость реакции которого на увеличение уровня гораздо выше: постоянная времени цепи установления – от 0,1 до 10 мс.

Совсем короткие пики сигнала, пропущенные лимитером, убирает безынерционный амплитудный ограничитель.

После компрессора, лимитера и амплитудного ограничителя, имеющихся в каждой полосе, стоит сумматор, объединяющий сигналы. Амплитуда полученной суммы зависит от свойств сигналов в полосах, и может изменяться в заметных пределах. Стабилизацию уровня суммарного сигнала обеспечивают дополнительные лимитер и амплитудный ограничитель.

В состав цифровых процессоров иногда входят устройства, "улучшающие" сигнал. Чаще всего это эксайтер, который дополнительно поднимает уровень низкочастотных составляющих сигнала и обогащает его высокочастотными гармониками, синтезируемыми из среднечастотных составляющих. Практика показывает, что эксайтер может заметно оживить сигнал, потускневший вследствие избыточной компрессии данных, например, при формировании музыкальной базы в компьютере в формате MPEG2 64 кбит/с на канал. На мой взгляд, лучше не усердствовать, а записывать базу хорошим кодером при скорости не ниже 128 кбит/с на канал, чем потом пытаться заменить безвозвратно потерянное синтетическими высокими частотами. Если же такой возможности нет, тогда лучше включить эксайтер, тем более, что стоимость цифрового процессора он увеличивает незначительно.

Можно встретить в процессорах и де-эссер – устройство, позволяющее ослабить "цыканье" и свист шипящих звуков дикторской речи. Для обработки музыкального сигнала де-эссер лучше не использовать.

Довольно часто в процессорах предусматривается статическая спектральная обработка – эквалайзер. В принципе, манипулируя порогами срабатывания и временными параметрами компрессоров и лимитеров в полосах, можно добиться изменения тембра звучания, но и эквалайзер тоже может быть полезен, прежде всего тем, что управление им более простое и наглядное.

В радиовещании основные трудности при спектральной обработке сигналов возникают на высоких частотах, это связано с необходимостью учета предыскажений и последующей коррекции. И вполне вероятно, что возможностей даже десятиполосного октавного регулятора может не хватить. В октавном регуляторе участок от 7 до 15 кГц попадает в одну полосу, и добиться нужного баланса составляющих на участках, например, от 7 до 10 и от 10 до 15 кГц довольно трудно. Гораздо удобнее иметь параметрический регулятор, позволяющий управлять тембром звучания.

Компрессия динамического диапазона сигнала может привести к неприятным последствиям: "вытягиваются" шумы фонограмм и аппаратуры. Для устранения этого эффекта используют гейт. Если уровень сигнала на входе компрессора уменьшился до определенного порога
(-20…-40 дБ относительно номинального значения), то управляющие цепи блокируются, параметры обработки сохраняются до тех пор, пока уровень сигнала не поднимется вновь. В аппаратуре, предназначенной для радиовещания, функция "гейт" является безусловно полезной.

Экспандер, расширяющий динамический диапазон сигналов, кажется мне применительно к радиовещанию излишним. Гейт блокирует обработку при снижении уровня и таким способом исключает "вытягивание" шумов, а экспандер дополнительно ослабляет сигналы с низким уровнем. В результате шумы убираются вместе с полезным сигналом.

Расширение стереопанорамы требует задержки сигналов, и поэтому в аналоговых процессорах практически не используется. Большинство новых аппаратов с цифровой обработкой обеспечивают возможность расширения стерепанорамы. В простейших устройствах улучшение пространственности звучания обеспечивается за счет добавления к сигналам повторений, задержанных на небольшое время (20…100 мс). В этом случае возникает ощущение углубления звукового пространства. Для расширения звуковой сцены в каналы добавляют задержанную разность левого и правого сигналов. Если исходная фонограмма уже записана с расширением, то простейшие методы приведут к тому, что инструменты и голоса, расположенные в центральной части сцены, будут отодвинуты на задний план. Сильнее всего страдает речь: голос ведущего и реклама.

В более совершенных расширителях, а таких сейчас большинство, степень обработки зависит от свойств сигнала. Сначала оценивается (например, по соотношению суммы и разности сигналов левого и правого каналов) ширина стерепанорамы. Если ширина стереопанорамы уже достаточна или чрезмерна (разность сигналов левого и правого каналов больше их суммы), тогда обработка ослабляется, или исключается совсем. "Расширяется" сигнал только в том случае, когда исходная фонограмма "узкая".

Как правило, если сигналы в каналах совпадают, то есть фонограмма монофоническая, то обработка тоже отключается.

Для радиостанций, ориентированных на слушателей в автомобилях, расширитель стереопанорамы окажется полезен. "Расширенная" фонограмма на хорошей аппаратуре с правильно расставленными акустическими системами в домашних условиях будет звучать хуже необработанной, это стоит иметь в виду при настройке расширителя стереопанорамы.

"Цифра" или "аналог"

Возможности и особенности технологий

Сегодня лучшие процессоры построены на аналоговой обработке звуковых сигналов и цифровом управлении. Принципиальных преимуществ перед цифровой аналоговая обработка не имеет, скорее даже наоборот, потенциал у "цифры" больше: доступны процедуры, в аналоговых системах нереализуемые.

В аналоговых процессорах используются авторегуляторы с прямым или обратным управлением (рисунок 4); доступны для изменения степень компрессии сигнала, время реакции (установления) и время восстановления.

Рис. 4 Схемы авторегуляторов уровня сигнал:
1 - с обратным управлением, 2 - с прямым управлением,
3 - с задержкой обрабатываемого сигнала

При реализации авторегулятора в цифровой форме нетрудно задержать сигнал, подаваемый на исполняющий узел – управляемый усилитель. При таком построении удается исключить перегрузку и существенно уменьшить искажения: цепь управления заблаговременно изменяет коэффициент передачи управляемого усилителя. При формировании сигнала управления можно не ограничиваться тривиальными зарядом и разрядом время задающих конденсаторов, выбор гораздо шире – от табличного преобразования входного сигнала в управляющий до логических функций.

"Цифра" открывает новые горизонты в обработке звуковых сигналов, но существующие алгоритмы создавались и совершенствовались десятилетиями, были найдены компромиссы, позволяющие в рамках аналоговой технологии получить нужный эффект. Попытка механически перенести эти наработки на цифровую базу не всегда дают хорошие результаты. Например, в аналоговых приборах к месту и не очень ставят амплитудные ограничители, благо цена их невелика. Амплитудное ограничение в цифровом виде требует больших вычислительных ресурсов и приводит к появлению интермодуляции полезного сигнала и частоты дискретизации. Продукты этого процесса гораздо более заметны на слух, чем аналоговое ограничение амплитуды.

Фильтры для разделения сигнала на полосы в аналоговой форме синтезировались и оптимизировались в довольно жестких рамках реализуемости и стоимости. Возможности фильтрации сигналов в цифровой форме существенно иные, и нужно ли повторять аналоговые решения? Попробуйте завинтить шуруп молоком, а гвоздь забить отверткой, и вы почувствуете различия возможностей и свойств аналоговых и цифровых методов обработки сигналов.

Есть принципиальный недостаток у цифровой обработки звука: увеличение искажений при снижении уровня сигнала. В спецификациях приводятся очень красивые параметры, недостижимые для аналоговой техники: К_г = 0,01%, а уровень шумов –100 дБ. При уровне входного сигнала на 40 дБ ниже номинального оказывается, что искажения квантования при 16-битном представлении сигнала превышают 1%. В последнее время получили распространение 24-битные АЦП. Позволю себе отметить, что повышение разрядности преобразователя не всегда гарантирует повышение точности. Для корректной работы
24-битного АЦП относительный уровень собственных шумов его входных цепей не должен превышать минус 150 дБ. Получить такие параметры в звуковой полосе частот сегодня невероятно трудно.

В большинстве современных аппаратов предприняты меры, позволяющие уменьшить деградацию сигнала, возникающую при цифровой обработке: на входе устройства ставят аналоговый управляемый усилитель (рисунок 5), выполняющий функции левелера и сужающий динамический диапазон сигнал на входе цифровой части прибора на 20…40 дБ. Аналоговый авторегулятор выполняет функции левелера и уменьшает искажения аналого-цифрового преобразования.Такое решение позволяет существенно уменьшить величину и снизить заметность специфических цифровых искажений.

Рис. 5 Схема входной цепи процессора с цифровой обработкой сигналов

Третья копия, сделанная на аналоговом магнитофоне, оказывается заметно деградировавшей по сравнению с оригиналом, но это никого не удивляет. Точно также никого не должно удивлять, если во второй раз оцифрованный звук после восстановления окажется тусклым. Особенно сильно это эффект заметен, если исходный сигнал подвергался цифровой обработке или был представлен в формате MPEG L2 или L3 при невысоких скоростях потока (64 кбит/с на канал).

В большинстве автоматизированных радиостудий работает компьютер, фонотека хранится в виде МР2 или МР3 файлов с потоком 128 или 256 кбит/с. При аккуратной компрессии по алгоритму МР3 и скорости 256 кбит/с, восстановленный звуковой сигнал можно еще раз подвергнуть оцифровке, обработке или компрессии данных, искажения окажутся практически незаметными. Если же сигнал был сжат в МР2 при потоке 128 кбит/с, то его лучше даже не пытаться еще раз оцифровывать, тем более – компрессировать: деградация качества оказывается очень заметной. И даже говорить не хочется, во что превращается звук
MIDI-синтезаторов.

Переход на "цифру" позволяет заметно удешевить оборудование студий, хотя аналоговые звенья все равно остаются. Выглядит перспективной полностью цифровая студия, процессор в которой должен быть, естественно, тоже цифровым.

Интерфейс

Какой бы ни был процессор, сигналы должны без потерь попасть внутрь него и выйти наружу. Схемотехника и конструкция устройств, предназначенных для радиовещания, разработана с учетом необходимости защиты от помех, что заметно сказывается на цене.

Аналоговые вход и выход радиовещательного процессора должны быть балансными, лучше – гальванически развязанными с помощью разделительного трансформатора. Полезны защитные фильтры, подавляющие радиочастотные помехи во входных и выходных цепях.

Цифровые интерфейсы в меньшей степени страдают от внешних электромагнитных помех, но пренебрегать защитой все равно не следует. Сегодня в радиовещании цифровые интерфейсы в процессорах используются довольно редко. Это связано с тем, что из обычно из студии поступает аналоговый сигнал, и в аналоговой же форме он подается на передатчик. Если же сигнал доставляется по цифровой линии передачи, то именно в "цифре" его и следует подавать на вход процессора. Выбор цифровых интерфейсов довольно велик:

ADAT предложен фирмой Alesis для передачи многоканальных аудиосигналов по оптоволокну.

AES/EBU рекомендован AES в 1992 году для передачи аудиосигналов. Используется балансная линия передачи, разъем XLR.

IEEE-1394 (он же Firewire) обеспечивает высокоскоростной обмен данными (100/200/400 Мбит/с, в перспективе – до 1 Гбит/с). Этот интерфейс поддерживают, в частности, Apple, IBM, Intel, Microsoft и Sony, то есть производители программного обеспечения и "железа".

S/PDIF (Sony/Philips Digital Interface Format) является бытовой версией интерфейса AES/EBU, отличается физическими параметрами – используется небалансное соединение.

SDIF (Sony Digital Interface Format) разработан фирмой Sony для аудиоприложений. Используются три коаксиальных кабеля с BNC-разъемами: для передачи раздельно сигналов левого и правого каналов и синхронизации.

TDIF (Teac Digital Interface Format) разработан фирмой Tascam (Teac) для передачи до восьми каналов аудио. Используется небаласное соединение, разъем DB-25.

TOSLINK (Toshiba Link) предложен фирмой Toshiba для передачи аудиосигналов по оптическому кабелю. Формат данных аналогичен S/PDIF.

USB (Universal Serial Bus) представляет собой относительно низкоскоростной интерфейс (12 Мбит/с). Предложен в 1995 году консорциумом из нескольких фирм: Compaq, Digital, IBM, Intel, Microsoft, NEC и Northern Telecom.

Мне чаще приходилось сталкиваться с AES/EBU. Удобны оптоволоконные интерфейсы, поскольку не возникает трудностей с петлями по "земле". Пока мне не встречались аппараты, поддерживающие все интерфейсы сразу, обычная практика – производитель поставляет модуль входов/выходов с нужным интерфейсом по заказу.

Сервис

Программирование

Утренний эфир заполняется обычно бодрой, живой музыкой, а в вечернее время в программе преобладают спокойные произведения. И звучать эта музыка должна бы по разному: утром – агрессивно и жестко, вечером – мягче. Если процессор позволяет запрограммировать изменение в назначенное время параметров алгоритма обработки, то можно добиться большего соответствия содержания и формы сигнала радиостанции. На мой взгляд, было бы уместно ввести такое же и на телевидении: звук в ночных программах должен иметь более узкий динамический диапазон. Уважение к окружающим заставляет зрителей убавить громкость звука, а если после стрельбы герои фильма беседуют вполголоса, то расслышать, что они говорят, мало кому удается. И рекламные блоки, звук в которых сильно компрессирован, оказываются гораздо более громкими, чем фонограммы фильмов. Факт этот приятен для рекламодателей, правда, только до тех пор, пока с канала не уйдут все зрители, поскольку скачки громкости их раздражают. Человек слаб, а выбор каналов – велик.

В аналоговых аппаратах редактирование параметров обработки осуществляется обычно с помощью переменных резисторов, возможность программного управления в этом случае недоступна. Цифровое управление позволяет иметь большую базу (до 256) предварительных настроек, и в некоторых аппаратах предусмотрена возможность их включения по заданной программе или дистанционно.

Ключи и пароли

Процессор размещается, как правило, вблизи передатчика, и доступен не только компетентным специалистам радиостанции, но и дежурной смене, и даже конкурентам. На моей памяти не было пока диверсий, конкуренты не "скручивали" настройки процессора, но со случайным нажатием кнопок сталкиваться приходилось неоднократно. В аналоговых аппаратах (Orban) ручки регулировки закрываются крышкой с замком, в процессорах с цифровым управлением (Ahex, AEV) или полностью цифровых (Orban, Axel) доступ защищен паролем.

Особенности работы в АМ-вещании и телевидении

Обработка звукового сигала в телевидении строится по тем же принципам, что и в радиовещании, но имеет ряд особенностей.

Усредненное для большинства пользователей значение отношения сигнал/шум в канале звука в телевидении оказывается выше, чем в радиовещании. Это обусловлено работой в монорежиме от стационарных приемных антенн. В телевидении нет необходимости предельно сжимать динамический диапазон звуковых сигналов, комфортное звучание обеспечивается, если отношение пикового значения уровня сигнала к среднему значению лежит в пределах 15…25 дБ.

Максимально достижимое отношение сигнал/шум в канале звука в телевидении ниже, чем в радиовещании. Причиной является наличие помех от сигнала изображения и систем развертки телевизора. Качество встроенного звукового тракта массовых моделей телевизионных приемников ниже, чем у распространенных магнитол, и ниже требования зрителей к качеству звука. Даже простейший однополосный компрессор/лимитер может оказаться вполне достаточным для обработки звуковых сигналов.

В телевидении большое значение имеет речь, тогда как на большинстве радиостанций обработка оптимизируется для музыкальных сигналов. Для комфортного воспроизведения речи нужно обеспечить ее разборчивость. По статистическим свойствам (спектральное распределения мощности, скорость нарастания и спада уровня, динамический диапазон) речевые сигналы существенно отличаются от музыкальных, и параметры алгоритмов обработки для них выбираются иными.

Даже существенное, в два или три раза, превышение девиации частоты несущей звука не создает помех для соседних каналов, возрастают только искажения собственного сигнала. Нет необходимости в жестком ограничении амплитуды и спектра сигнала, простейшие схемотехнические решения позволяют получить вполне приемлемый результат.

Радиовещание в АМ-диапазонах тоже монофоническое, и целью введения обработки является улучшение отношения сигнал/шум, повышение комфортности звучания и разборчивости речи. Особенность работы в АМ-диапазонах – отсутствие предыскажений и довольно узкая (от 50 Гц до 5…10 кГц) полоса частот.

При работе в режиме амплитудной модуляции жестче требования к качеству ограничения амплитуды сигнала, потому что превышение допустимого значения амплитуды приводит к гораздо худшим последствиям, чем при работе в режиме ЧМ. Даже незначительное (на единицы процентов) превышение уровня сопровождается заметным ростом нелинейных искажений (рисунок 6), а значительное – если не выведет передатчик из строя, то вызовет срабатывание защиты. Нелинейные искажения в модуляторе АМ приводят к расширению спектра излучаемого сигнала. Это создает помехи соседним каналам, что недопустимо. В выходных цепях передатчика имеются, конечно фильтры, подавляющие внеполосные излучения, но радиовещание не та область, где уместны эксперименты, организованные по принципу "а поглядим, чего будет".

Рис. 6 Зависимость нелинейных искажений от глубины модуляции

Есть и другие особенности АМ-режима. Поскольку сигнал несущей в АМ-режиме информации все равно не передает, можно изменять ее мощность в зависимости от уровня сигнала: при уменьшении уровня сигнала уменьшается постоянная составляющая сигнала на входе модулятора, и снижается мощность, излучаемая (и потребляемая передатчиком), а при увеличении сигнала – мощность возрастает.

Используется и другой метод, когда на пиках сигнала вводится постоянная составляющая. Выходной каскад передатчика, как правило, допускает небольшую перегрузку по "+" модуляции, а перегрузка по "-" – недопустима, поскольку возникнут искажения при приеме. Введение дополнительного смещения позволяет исключить перегрузки по "-" модуляции. Для реализации такого режима модулятор передатчика должен иметь открытый для постоянной составляющей вход, чего, к сожалению, у большинства отечественных серийных передатчиков нет.

Сегодня, по моим наблюдениям, активность вещателей в ЧМ-диапазонах (особенно 88…108 МГц) запредельно велика, а АМ-диапазоны незаслуженно забыты. Зона охвата в диапазонах на СВ и КВ шире, это физика. Более низкое качество звука отчасти обусловлено физическими ограничениями, а в большей степени – пренебрежением к его обработке. И давно ли прошли те времена, когда у BBC на КВ слушателей было больше, чем у ЧМ-станций с хорошим звуком?

Материализация желаний

В качестве примера технологий и методов обработки сигналов, используемых в процессорах, я выбрал Falcon 35 производства фирмы Axel Technology. Не самый лучший и не самый худший, это – типовой аппарат, отражающий реалии современных технологий обработки звуковых сигналов. Рассмотрим его упрощенную структурную схему (рисунок 7), иллюстрирующую алгоритм обработки.

Рис. 7 Упрощенная структурная схема алгоритма обработки сигналов в процессоре Falcon 35 (показан один канал)

После нормализации уровня входного сигнала и оцифровки (входная цепь показана на рисунке 5) сигнал подается на ФНЧ с частотой среза 15 кГц. Этот фильтр мог бы быть исключен, но в этом случае появятся искажения, связанные с обработкой высокочастотной части сигналов. В аналоговых технологиях высокочастотные составляющие сигналов просто подавляются фильтром, не вызывая никаких последствий. В цифровой аппаратуре именно ВЧ-составляющие особенно неприятны: в процессе обработки появляются их гармоники, частоты которых выходят за пределы отведенной полосы (половина частоты дискретизации). Эти гармоники в конечном продукте материализуются в виде негармонических составляющих – возникают биения с частотой дискретизации.

После фильтрации производится коррекция – подъем уровня высокочастотных составляющих (преэмфазис), постоянная времени цепи может быть установлена равной 50 или 75 мкс. В данном аппарате предыскажения введены до компрессии, именно такое построение позволяет получить максимальную степень компрессии и громкий звук. Хотя многим решение может показаться спорным (чаще приходится видеть, что цепь предыскажений включена после многополосной обработки), но важен не принцип, а результат.

После цепи предыскажений сигнал разделяется на полосы системой фильтров. Обратите, кстати, внимание, на тот факт, что не раскрыта структура и параметры алгоритма работы компрессоров. Именно здесь скрыты основные достоинства и недостатки аппарата. Но, даже имея подробное описание алгоритма, судить о качестве звука трудно – играет свою роль и реализация. Повторяется история: идет поиск между желаемым и реализуемым.

Басовые сигналы (от 30 до 200 Гц) компрессируются, дополнительно обогащаются низкочастотными составляющими и подаются на второй компрессор, управляемый среднечастотным (200…1500 Гц) компрессором. Введение такой связи позволяет сохранить естественным тональный баланс.

В среднечастотную полосу выделен довольно широкий участок спектра от 200 до 1500 Гц, почти три октавы. Именно в этой полосе сосредоточена основная энергия голоса и максимальна чувствительность слуха к искажениям, поэтому лучше обрабатывать его целиком. Разделение на части полосы 200…1500 Гц дает возможность повысить степень компрессии и громкость, но тогда становятся заметны искажения, возникающие при обработке.

Специфика цифровой обработки проявляется в том, что сумма сигналов трех высокочастотных полос (1,5…4,8; 4,9…9,5 и 9,5…15 кГц) подается на амплитудный ограничитель, а затем – на полосовой фильтр, который ослабляет вызываемые амплитудным ограничением спектральные составляющие за пределами полосы 1,5…15 кГц. Если не проделать эту операцию, то в низкочастотной части спектра звукового сигнала (ниже 1,5 кГц) появятся продукты интермодуляции, заметные и весьма неприятные на слух.

Компрессия высокочастотных составляющих звукового сигнала в цифровой форме требует аккуратности: стоит помнить о связи частоты дискретизации и полосы частот сигнала. Теоретический предел F_s > 2(F₂ - F₁), где F₂, F₁ – нижняя и верхняя границы спектра, но практически необходим довольно большой запас, тем более, что в процессе обработки спектр сигнала расширяется.

После полосной обработки сигналы складываются и снова разделяются, на этот раз всего на две полосы: ниже и выше 6 кГц.

Высокочастотные составляющие подаются на ВЧ-лимитер. Изменяя параметры этого лимитера удается изменить тональный баланс: подчеркнуть или подавить высокочастотные составляющие.

Перед выходным амплитудным ограничителем установлен еще один, на этот раз – широкополосный лимитер, два этих устройства исключают превышение допустимого значения амплитуды сигнала.

Выходной ФНЧ с частотой среза 15 кГц подавляет спектральные составляющие, возникающие при амплитудном ограничении.

Голубыми стрелками на рисунке показаны узлы, в которых параметры обработки сигналов доступны для изменения.

В Falcon 35 нет возможности изменять частоты разделения полос. Это обстоятельство может показаться недостатком, но если учесть необходимость коррекции всех параметров алгоритма обработки при изменении частот разделения, то окажется, что более высокий потенциал прибора с изменяемыми частотами использовать на практике довольно трудно. Чем больше степеней свободы, тем больше возможностей, но меньше шансов добиться нужного результата.

В состав процессора Falcon 35 входят кодеры RDS и SCA, которые не участвуют в обработке основного сигнала, и на них мы останавливаться не будем, рассмотрим только цифровой стереокодер (рисунок 8).

Рис. 8 Структурная схема стереокодера процессора Falcon 35

Принципиальных проблем в реализации этого устройства в "цифре" нет, но есть море мелочей. Сначала сигналы лимитируются (LIM1.1, LIM1.2), подвергаются "мягкому" ограничению (SCLP1.1, SCLP1.2) амплитуды, затем подаются на фильтры низких частот (Z1.1, Z1.2), подавляющие гармоники с частотами выше 15 кГц, которые появились в результате лимитирования и ограничения амплитуды.

Ограничение спектра приводит к тому, что амплитуда сигнала снова возрастает – ее нужно ограничивать опять. Ограничение амплитуды сигнала всегда приводит к появлению гармоник. При реализации этой процедуры в "цифре" возникает еще один неприятный эффект: расширившийся спектр сигнала оказывается больше половины F_s со всеми вытекающими неприятными последствиями. А формирование комплексного стереосигнала (КСС) при частоте дискретизации 44,1 и 48 кГц вообще невозможно: полоса его частот составляет 53 кГц и частота F_s должна быть выше, чем 106 кГц. Поэтому перед "жестким" ограничителем амплитуды (HCLP1.1, HCLP1.2) частота дискретизации F_s повышается в восемь раз (U1.1, U1.2).

Процедура передискретизации тривиальна, но обработка сигнала при повышении F_s требует увеличения вычислительных ресурсов. Сегодня выпускаются DSP с очень высокой производительностью, но и ее оказывается недостаточно: в процессоре Falcon 35 используется девять DSP Texas Instruments 57002.

Комплексный стереосигнал в кодере формируется тривиальным образом: разность сигналов левого и правого каналов умножается на sin(2p х 3800t). Полученная таким образом надтональная часть КСС складывается с тональной (суммой сигналов левого и правого каналов) и пилот-тоном 19 кГц. Точность цифровых преобразований высока и в стереокодере можно получить хорошее разделение каналов при ничтожных искажениях. Остается только без потерь получить из этой "цифры" аналоговый сигнал.

Для цифро-аналогового преобразования в стереокодере нужен "быстрый" ЦАП: полоса КСС составляет 53 кГц, а с учетом RDS и SCA – почти 100 кГц. Формально достаточно иметь
F_s = 200 кГц, но для получения звука высокого качества стоит ориентироваться на значения 300…400 кГц.

В процессоре Falcon 35 установлен ЦАП PCM56 от Burr-Brown Corporation, время установления его выходного напряжения составляет 1,5 мкс, это позволило использовать восьмикратную передискретизацию. От правильного выбора тактовой частоты существенно зависит качество звука: повышение F_s увеличивает влияние переходных процессов в ЦАП на выходной сигнал, но упрощает фильтрацию и уменьшает искажения на высших частотах. Собственно, вся звукотехника – поиск компромисса. Не стоит спорить о принципиальных преимуществах "цифры" или "аналога", или того или иного алгоритма обработки сигналов. Есть достоинства, есть недостатки, и не принципиальность позиции, а знание этих особенностей помогает получить хороший результат.

Заключение

Если бы кто-нибудь знал секрет правильной обработки звука, то дешевыми процессорами давно бы уже были завалены полки магазинов. Качество аналоговых микросхем, быстродействие сигнального процессора и высокая частота дискретизации еще не гарантируют качество звука, процессор ближе к искусству, чем к арифмометру. Не придуман еще идеальный процессор, зато широк выбор реальных моделей. Понравится вам аналоговый прибор или цифровой, – надеюсь, что каждый сумеет найти подходящий.

[дальше]